NAVIRES A HELICE A GRANDE PUISSANCE

Les navires & roues à aubes, destinés à franchir rapidement de grandes distances sur l'Océan, ont généralement une puissance mécanique d’un cheval pour chaque 2 } tonneaux , et c’est à peu près le rapport de la puissance au tonnage des vapeurs de la compagnie Cunard employés sur l’Atlantique. Très-peu de navires à hélice ont été construits avec celte proportion , excepté dans la marine militaire; et les formes des bâtiments de cette dernière , sont , en général , si peu convenables pour la vitesse, qu’elles ne permettent pas d’établir une comparaison entre les deux modes de propulsion. Cependant, le Rallier, le Desperale et quelques-uns des autres vapeurs à hélice de la marine, ont d’aussi bonnes formes que les navires à roues ordinaires, et ils présentent à peu près la même utilisation. A bord du Daunlless la proportion de la puissance au tonnage est de 1 à 2,88 et la vitesse maximum est 10,29 nœuds; sur le Desperale, la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 2,59 et la vitesse maximum est 10,766 nœuds ; sur le Dwarf, petit navire, la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 1 ,5 et la vitesse maximum 10,537 nœuds; sur l'Encounler, la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 2,04 et le maximum de vitesse est 10,254 nœuds; sur la Fairy, petit navire, la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 2,58, et le maximum de vitesse est 13,324; sur la Mégire, la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 3,7, et le maximum de vitesse est 10,24 nœuds: sur le Niger la proportion de la puissance au tonnage est t à 2,68 et la vitesse maximum 1 0,43 nœuds : sur le Rallier, la proportion de la puissance au tonnage est 1 4 4,44, et le maximum de vitesse 10,07 nœuds; sur le Termagant , la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 2,5, et le maximum de vitesse est 9,51 nœuds. A bord du yacht à vapeur la Fire Queen, construit par MM. R. Napier et C“ de Glascow, pour M. Ashton Smith, la proportion de la puissance au tonnage est 1 à 2,8, la puissance est 80 chevaux et le chargement en tonneaux est 227. Sur le paquebot à hélice français le Faon, construit

par M. Normand, du Havre, sur les dessins de M. Moissard, ingénieur de la marine, pour faire le service entre Calais et Douvres, la proportion de la puissance au tonnage est un peu plus grande que sur la Fairy, mais les deux navires sont semblables sous les autres rapports. Les machines de ces deux bâtiments sont de 120 chevaux et construites par MM. Penn et fils, de Greenwich : elles sont représentées sur l'une des planches de cet ouvrage. Le Faon a les dimensions suivantes : longueur entre perpendiculaires, 40”, 50; largeur au maître bau, 6",19 ; largeur à la flottaison en charge, 6”, 00; tirant d’eau avant, 1”,85; arrière, 2“,10. Le déplacement de la partie avant est de 92,927 tonneaux métriques, et celui de la partie arrière de 95,725, de sorte que le déplacement total est de 188,652 tonneaux métriques. Les cylindres du Faon ont 1”,05l de diamètre, et la longueur de la course est de 0”,915. La pression dans les chaudières est de 0“,982 par centimètre carré; le nombre de coups de piston 63t de 40 à 42 ; celui des révolutions de l'arbre par minute est de 200 à 210, le pas de l’hélice est de 2”, 350; le sillage moyen est de 12 à 13 nœuds. Le poids des machines est de 53 tonneaux, celui des chaudières 11 tonneaux; la durée moyenne entre Calais et Douvres, allée et retour, est de 3 heures 46 minutes, la distance entre ces deux points est 22 milles marins , la consommation moyenne du combustible pour aller et revenir est de 2799“. Lorsque le navire est aidé de ses voiles, il atteint 1 4 milles et même plus. Avec les voiles seules et l’hélice folle, la vitesse est de 91 à 9', 5 et avec l’hélice non désembrayée 5' à 5', 5 nœuds.

L’aire de la maîtresse section immergée du Faon est de 8”-,,174; celle du parallélogramme circonscrit à la maîtresse section immergée est 1 0”-’,775; l’aire du plan de la flottaison 162”-,,364; celle du parallélogramme circonscrit au plan de flottaison est 242“-‘,,87. La capacité de la partie immergée de la carène est 186“,'“l‘“,98, et la capacité du parallélipipède circonscrit est 15 331,47 pieds cubes ou 543”‘™k",41. Le rapport de la longueur à la largeur à la ligne d’eau est de 6,75 à 1; celui de la maîtresse section immergée au parallélogramme circonscrit est 0,748 à 1 ; celui de la section horizontale à la ligne d’eau au rectangle circonscrit est 0,667 à 1 ; celui de la capacité de la carène au parallélipi- |éde circonscrit est 0,426 à 1 ; le rapport de la longueur du navire à la racine carrée de l’aire de la maîtresse section immergée est 14,24 à 1 . Le nombre de chevaux de puissance nominale pour chaque pied carré de a maîtresse section immergée est 1,36 ou de 14,63 chevaux par mètre

carré et le nombre de pieds cubes de la carène immergée pour chaque cheval de force nominale est de 54,865, ou bien 1 56 par cheval.

Si la pression effective sur les pistons du Faon est de 1“,053 par centimètre carré ; le rapport des engrenages étant 5 , il en résulte que la même pression rotative serait produite par 0“,210, avec des machines directement unies à l’arbre. La course des pistons est 0",9I5, ils parcourent I^SO à chaque révolution de la machine : le pas de l’hélice étant 2", 348; le navire avancerait donc de 2“,348 si l’hélice tournait dans un écrou solide. Si les pistons parcouraient 2”, 348 à chaque coup double, la même force de révolution serait obtenue par une. pression de 0“,1 64, comme elle le serait par une pression de 0“,21 0 avec un mouvementde 1", 830. Maintenant l’aire des pistons est2771 pouces carrés ou 17 318 centimètres carrés, et cette surface multipliée par 2,34 ou 0*,164, donne 2840“, ce qui serait l’impnlsion donnée à l’arbre de 1 hélice , si tout fonctionnait sans frottement. Mais comme probablement un quart de la puissance est pris par cette cause , l’effort réel Bera dans cette supposition, environ 1,96 tonneaux, ou 1990“, 57, ou 55 lbs par pied carré, ou 268“ par mètre carré de la section immergée. Toutefois, dans le cas d’un navire tel que le Faon ou la Fairy, la résistance par pied carré de la section immergée peut être portée à 50 ou 60 lbs c’est-à-dire 244“, ou 293“ par mètre carré à une vitesse de 12 à 13 nœuds. C’est presque le double de la poussée nécessaire pour faire parcourir 10 noeuds & l’heure. L’hélice de la Fairy a 1 “,89 de diamètre, de sorte qu’elle a une aire d’environ 30 pieds carrés ou 2"-,,,80; et supposant le même diamètre à l’hélicc du Faon, il en résulte que si la poussée totale est de 1900“, celle par pied carré du disque de l’hélice sera 161,5 lbs ou 788“ par mètre carré. L’impulsion réelle du disque de l’hélicè serait généralement plus forte que celle-ci , puisque la pression effective des pistons est dans les «. circonstances favorables de plus do 15 lbs par pouce carré, 1“,053 par centimètre carré, comme l’a montré la courbe d’indicateur, prise sur les machines du Faon pendant un essai de sa vitesse, le 27 mai 1847.

Figure 10.

Toute la puissance engendrée dans les cylindres d'un navire à hélice est dépensée à produire trois effets distincts : le premier, à vaincre le frottement des machines et de l’hélice ; le second , à pousser le navire à travers l’eau , et le troisième à donner un mouvement à l’eau elle-même. Toutes les fois que le dynamomètre a été appliqué, la quantité de force dépensée à occasionner chacun de ces effets a été facile à déterminer; car la différence entre la poussée théorique et la poussée réelle de l’arbre représente la force employée par le frottement : et la différence entre L avance théorique et l'avance réelle par révolution ou par heure, exprime la force consommée par le recul, et par le mouvement donné à l’eau. Si une hélice d’un petit pas était employée, le frottement, en tournant dans l’eau, serait beaucoup augmenté; mais, dans ce cas, la puissance consacrée à le vaincre ne serait pas entièrement perdue, parce qu’elle réduirait le recul en élevant la surface de l’eau à l'arrière. L’eau adhérente à l’hélice, ou entraînée latéralement par elle, acquiert un mouvement ceutrifuge, qui produit naturellement une saillie à la surface; et cette élévation occasionne un courant qui , arrivant par le derrière ou côté opposé à celui qui agit en repoussant l’eau, influe sans doute sur le recul apparent : de sorte que le recul réduira la vitesse de ce courant ou renversera sa direction, selon que sa vitesse ou la quantité de recul, sera la plus forte. Le mouvement occasionné par la carène en traversant l’eau, et le courant produit, surtout dans les navires à grosses formes, par l’effort du liquide pour remplir l’espace libre laissé de l’arrière, agiront aussi de manière à diminuer le recul apparent; mais ces influences augmenteront dans la même proportion la pression sur le dynamomètre, ou elles diminueront la vitesse, excepté quand le navire sera aidé par le vent. Toutefois, sur les navires marchant avec les voiles, et poussés en même temps par une grande hélice & petit pas (qui donnera uno poussée considérable et communiquera, par le frottement, une grande quantité de vitesse centrifuge; force qui n’est dépensée qu’en élevant l’eau à la surface), il est évident que le recul apparent est tellement réduit, qu’il arrive à être nul et même moins que rien , et que par conséquent il est quelquefois négatif, surtout dans les circonstances précitées. Dans les hélices d’un pas très-fin, la pression réelle donnée par le dynamomètre se trouvera plus petite que l'impulsion théorique, que dans les hélices d'un pas allongé; parce qu'une plus grande partie de la puissance des machines trouvera un obstacle dans le frottement, et dans le recul latéral ou rotatif.

D'après ces considérations il est évident qu'il y a deux sortes de recul : la première, produite par le mouvement de l’eau, qui se relire dans la direction du sillage du navire, comme celle qui existe sur les bâtiments à roues; la seconde occasionnée par les ailes, qui en tournant, repoussent et traversent l'eau, au lieu de suivre le chemin en spirale, qu’elles seraient forcées de parcourir, si elles tournaient dans un écrou solide. La première espèce de recul augmente suivant la diminution du diamètre de l’hélice ; la seconde croit avec la réduction de sa longueur, ou avec un surcroît de pas des ailes. La quantité de recul produite par le mouvement de la colonne d'eau, qui cède sous l’action de l'hélice, peut Être déterminée en connaissant la quantité de force motrice et le volume de l’eau exposée à l'hélice à chaque révolution ; car le recul sera égal au mouvement que la force de la poussée, agissant pendant le temps d'une révolution, communiquera au nombre de kilogrammes sur lequel l’hélice agit pendant un tour. Prenons pour exemple une expérience faite à bord de la Minx, le 30 juin 1848, dont les détails ont été donnés à la page 86. La pression sur chaque pied carré de l’aire du disque de l’hélice, était de 214 lbs ou 1043 kilogrammes par mètre carré, la vitesse du navire 8,445 nœuds par heure, et le nombre de révolutions de l’hélice par minute 231,32. Si on admet qu’un nœud est de 6075,6 pieds ou 1852 mètres, alors la distance parcourue par le navire, à la vitesse de 8,445 nœuds, sera de 3,7 pieds ou 1",128 par tour, et cette avance sera faite dans onviron 0,26 d’une seconde. D’un autre côté la distance dont un corps tomberait, par l’effet de la pesanteur, pendant 0,26 de seconde, est 1,087 pieds ou 0”,3315, et un poids de 214 lbs. ou 97*, 03, mis en mouvement par une pression de 214 lbs ou 97*, 027, acquerrait, par conséquent, une vitesse de 1,087 pieds, ou 0”,33|5, pendant le temps que l'hélice met à faire un tour. Cependant le poids à mouvoir est 3,7 pieds cubes d’eau, ou 104*,85; de sorte que la vitesse avec laquelle l’eau se retirera sera un peu moins de 1,087 pied par révolution, ou environ un pied, ou 0“,305 : cela ajouté à ce que parcourt le navire, fera, pour la distance dont l’hélice a avancé dans l'eau, 4,7 pieds ou 1",433 par révolution. La différence entre ce nombre et le pas est 1,13 pieds on 0”,344, qu’il faut attribuer au recul latéral. Le montant du recul, dans cotte expérience, élait36,53 pour 100, dont environ la moitié appartient à la répulsion de l'eau daus le sens de la quille, et le reste à la pénétration latérale des ailes de l’hélice.

Die

La qnantité de mouvement rétrograde communiqué à l'eau et la pénétration latérale des ailes de l’hélice sont influencées par leur plus ou moins d'immersion. De quelque manière qu'elle soit remuée , l'eau s’échappe dans la direction de la plus |>etite résistance, c'est-à-dire vers

la surface; et plus la difficulté est augmentée dans ce sens, en ajoutants la hauteur de la colonne qu'il faut d'abord remuer, plus la quantité de mouvement imprimé à l'eau par une force donnée se trouve diminuée. A bord d'un navire, et avec la même hélice, le recul ne changera pas, si l'on emploie toute la puissance ou seulement une partie ; car bien que la poussée soit plus grande quand la puissance l’est également, la vitesse du navire, et par conséquent le volume d'eau sur lequel l'hélice agit dans un temps donné est plus grand aussi : de sorte que le rapport du recul reste à peu près le même. Dans les navires de peu de tirant d’eau, tels que le Faon et la Fairy, où l’hélice n’a pas au-dessus d'elle uue hauteur considérable, le recul est plus grand en proportion que sur des navires ayant des hélices plus profondes, bien que ces derniers aient des formes moins convenables à la marche. Sur la Fairy, le rapport de la maîtresse section immergée à l’aire du disque de l’hélice est plus petit que sur le Rallier : cependant sur la Fairy le recul est de plus de 30 pour 100, et sur le Rallier il n’est pas de beaucoup plus de 10 pour 100. On peut admettre que les résistauces des deux navires, par pied carré de leur maîtresse section, sont à peu près égales avec la même vitesse, car la supériorité de dimension du Rallier est compensée par la plus grande finesse de formes de la Fairy ■ Si l’hélice de la Fairy était plongée à la même profondeur que celle du Rallier, sa manière de fonctionner serait beaucoup améliorée, et par conséquent une plus petite hélice serait suffisante.

Dans les expériences du Pélican , dont les résultats ont été récapitulés au long dans le chapitre précédent, la vitesse normale prise pour comparaison est un mètre par seconde ou 1,94 nœud par heure. La résistance par mètre carré de la section immergée est estimée à G kilogrammes à cette vitesse , ce qui équivaut à 1,22 Ibs par pied carré. Par conséquent, à la vitesse de 9,7 nœuds, qui est cinq fois plus grande que la vitesse normale, la résistance sera augmentée à peu près dans la proportion du carré de 1 au carré de 5 ou 25 et 25 fois 6“ ou 150“ seraient suivant cette manière de calculer, la résistance du navire par mitre carré de la section immergée à la vitesse de 9,7 nœuds par heure. 11 est utile de comparer ces résultats à ceux obtenus sur le Rallier à l’aide du

dynamomètre et noua pouvons prendre dans ce but le premier essai fait entre le Rallier et l’Alecio dont les principaux incidents ont été relatés page CI . La section immergée du Rallier au moment de l’essai était environ 35",,,217 et la poussée de l'hélice donnée par le dynamomètre était 3954“, lorsque la vitesse était 9,2 nœuds par heure. Cela fait 112“ par métro carré de section, ce qui est un peu moins que la résistance du Pélican telle que l'estiment MM. Bourgeois et Moll. Dans un autre essai, rapporté page 62, la résistance du Rallier à la vitesse de 1 0 nœuds fut trouvée de 25 lbs par pied carré de la section immergée ou 1 22“ par mètre carré ; mais pendant cet essai la marche du navire ôtait légèrement favorisée par le vent, quoique les voiles ne fussent pas établies.

L'àlre des quatre pistons du Rallier est de 5058 pouces carrés ou 3"'“,262 et la longueur de la course est 1",220. Lors du premier essai avec l'Aledo, la pression totale non balancée sur les pistons était 1 2,99 lbs ou 0“,9l2par centimètre carré; la vitesse des pistons 58 mètres par minute, celle du navire 9,2 nœuds et le recul 10,2 pour cent; ce qui donnait 10,2 nœuds pour la vitesse de l'hélice, supposée tourner dans un écrou solide. Si comme plus haut nous prenons 6075,6 pieds, ou 1852” pour un nœud, la vitesse avec laquelle l’hélice pousserait le navire, si elle tournait dans un écrou, ou en d’autres mots, l’avance de l'hélice sera de 62092 pieds par heure ou 18938", c’est-à-dire 1034,86 pieds par minute ou 31 5”, 61 . Maintenant la pression totale ou effective sur les pistons est 5058 X 12,99 = 65703,41 lbs ou 29762*, 645, et cette pression agit avec une vitesse de 190 pieds ou 57”, 75 par minute, ce qui est équivalent à 1 2064,4 lbs ou 5465“, 1 7, transporté à 1 034,8 pieds ou 3! 5”, 6 par minute. Cela représente par conséquent un effet sur l’arbre de l'hélice de 5,38 tonneaux ou 5464*, tandis que la poussée réelle montrée par le dynamomètre est 3,9 tonneaux ou 3961*; de sorte qu’environ un quart de la force motrice est dépensé & vaincre les frottements de la machine et de l’hélice. De plus , dans le cours de la troisième expérience rapportée à la page 62, lorsque la vitesse était 10 nœuds, le recul était 1 1,2 pour cent, de Borte que l'avance de l’hélice était 1 1,12 nœuds par heure, ou H24,3445p,“I* par minute ou 342”, 92. La pression effective sur les pistons était 13,07 lbs par pouce carré, ou 0*,9 16 par centimètre carré, de sorte que la pression totale était de 66 1 08 lbs ou 29 973*. La vitesse du

piston était 208 pieds par minute ou 63”, 44 et = 1 2 229 lbs

ou 55~1l, qui auraient exprimé la pression par le dynamomètre si la machine et l'hélice n’avaient pas de frottement. La poussée réelle du dynamomètre était 4,21 tonneaux ou 427G* : de sorte que dans ce cas, il y a aussi environ un quart de la force motrice perdue par les frottements de la machine et de l’hélice.

J’ai établi plus haut que les résultats des expériences faites par M. Murray , sur le vapeur le Dwarf, pour déterminer la poussée exercée par différentes hélices, ne méritaient pas de confiancé, en ce qu’il y a des erreurs manifestes dans les pressions données par le dynamomètre. Une récapitulation de ces expériences est donnée à la page 85, et il Bera utile d’en faire ici une analyse, afin d’éviter d’être trompé par les erreurs de M. Murray. Il est à peu près évident, que Bi nous supposons que l'hélice tourne dans un écrou solide et que tout fonctionne sans frottement, la poussée qu’elle exerce avec une pression donnée sur les pistons dépend des vitesses relatives des pistons et de l’hélice; ou, en d'autres mots, c’est uue question de vitesses virtuelles, comme dans le cric, la presse à vis, ou toute autre combinaison mécanique. Ainsi , avec une pression déterminée sur les pistons et un pas donné pour l’hélice, la poussée sera calculée d’une manière, que j'ai nommée poussée théorique; l’effet des frottements sera de diminuer cette dernière, et dans aucun cas elle ne pourra être augmentée. Par conséquent sur tous les navires à hélice la poussée réelle est beaucoup plus petite que la poussée théorique ; mais dans les expériences du Dwarf, elle est dans beaucoup de cas portée plus grande, et comme ce résultat est impossible, il est clair qu’il ne saurait être admis. J'ai calculé la poussée théorique de toutes ces expériences, et j’arrive à une approximation de la poussée réelle en opérant pour le frottement une déduction égale à celle que j’ai trouvée convenable dans d’autres essais. Ce calcul est donné dans la table suivante :