KAPPORT SUR LE NAVIRE DE GUERRE A HÉLICE LE SAN JACINTO

PAR LE MÉCANICIEN EN CHEF B. F. ISIIERWOOD, DE LA MARINE DES ÉTATS-UNIS.

(La relation •uiTanie du navire de* £ut*-l)nU le San Jacinto a été rvdlgée, par M. Isherwood, dans le Franklin Journal , et j'ai pria la liherld de l'insérer ici avec quelques changements.)

Le San Jacinto est l’un des quatre navires à vapeur de la marine dee États-Unis commencés en 4847, le Powhaitan, le Sustjuehanna , le Saranac et le San Jacinto } qui tous ont été terminés excepté le premier. Le San Jacinto est seul à hélice et entièrement semblable au Saranac, qui de même que les autres est à roues : ces deux derniers ont les mêmes dimensions, et ont été faits aussi semblables que possible , afin d'établir une comparaison exacte entre l'hélice et les roues.

Sur le San Jacinto l’axe du propulseur est situé 4 20 pouces à bâbord du centre du navire. L'intention première était de placer l'hélice en arrière du gouvernail , et d’entailler ce dernier de manière à lui permettre de prendre la position voulue sans toucher l'arbre, maison trouva des défauts à ce projet, et on en adopta un autre.

Dans la nouvelle disposition , le propulseur fut placé derrière l’ôtamhot du navire, et un gouvernail métallique courbé en dessus et situé derrière le propulseur, fut uni à l’élambot par des ferrures fixées au-dessus et au-dessous de l’hélice. Je proposai celte disposition, qui fut adoptée par le bureau des ingénieurs.

Machines. — Les machines consistent en deux cylindres inclinés, avec des pompes à air verticales. Les tés sont placés à la partie supérieure des cylindres, et sont unis à deux jeux de manivelles par des bielles pendantes. Les deux machines sont réunies entre elles par des menottes. Le diamètre des cylindres esi do 4", 562 et la coure© 4", 274. Lo volume engendré

par les deux pistons à chaque révolution est do 5"c“b,027.

Chaudières. — Les chaudières sont en cuivre et leur nombre est de trois, elles contiennent en tout une étendue de 49 mètres carrés de grilles et 476*’N,84 de surface de chauffe : la section transversale du premier carneau est 3“v,25, celle du second 3""», 25, et celle du troisième 2*“i,97 ; faire de la cheminée 3"f,(S7, sa hauteur au dessus des grilles 19* ,72 ; la surface de chauffe par pied cube du cylindre 47 J pieds carrés.

Les trois chaudières en cuivre du Saranoc , qui ont été dessinées par M. W. Copeland , contiennent 476"*%23 de surface de chauffe et I7“»,46 de grille, elles ont les mêmes dimensions que celles du San Jacinto.

Propulseur. — On devait d’abord se servir d’une hélice ayant 4", 42 de* diamètre, I -,42 de long, avec un pas initial de ^ 0",67, s'étendant jusqu’à 4?,20 à la partie postérieure. L’aire vue comme un disque présentait une surface de 48"’, 73 : la surface béliçoïdale était 37"*», 06, et le nombre des ailes six.

Le propulseur exécuté pour le navire avait 4", 42 2 de diamètre, 4" ,2 2 de long mesuré suivant l’axe à la circonférence extérieure : 4™, 82 de long à un diamètre de 2“*, 287, et à partir de ce point, il diminuait, jusqu’à n’avoir que 0an,762 sur l'axe; avec un pas initial de 42", 20, s’étendant jusqu'à 43",7i5 à l'extrémité postérieure. L’aire vue comme un disque était 6"',08 : la surface béliçoïdale 40““», 466 : le nombre des ailes quatre : l'espace libee laissé dans le massif arrière pour le mouvement de l’hélice était 4 ",830. Le recul probable avait été estimé à 22 pour 400. V

On changea la position relative du gouvernail et du propulseur dans le but de diminuer la longueur du levier sur lequel agissait l'hélice et le poids que le navire devait porter, parce qu’il n’y avait pas de support extérieur. L’hélice en bronze, telle qu’elle fut placée à bord, pesait 6747k. Le poids du propulseur en bronze de Stevens pour le navire des États-Unis le Princeton était 7240*; le diamètre de 4ro,42, la longueur 4", 525 mesuré sur l’axe, le pas 9ra,894 , et le nombre des ailes six.

Manière de fonctionner. — Le San Jacinto ayant été mis à un tirant d’eau de 4", 75 devant et 4m,803 derrière, fut essayé dans la baie de New-York lo 4*r octobre 4851. En parcourant une distance de 47$ stalute miles, c’est-à-dire 4 5,4 milles marins mesurés sur la carte publiée par lo United States Suncey Office, il fila 9,95 stalute miles ou 8,63 milles marins par heure, contre un fort vent du bossoir de bâbord , qu’un pilote expérimenté estimait devoir retarder le navire d’un mille par heure : la marée était étale au moment du départ , mais contraire à la fin du parcours. Par conséquent, en calme et sur une eau tranquviie, la vitesse du navire serait de 44 statuts miles ou 9,55 milles marins. Le nombre moyen de révolutions par minute était trente et un.

Avec le pas initial de 40 pieds ou 42", 20 :

La vitesse de l’hélice est. ... 40 X 31 X 60 = 74400 pieds par heure.

Celle du navire est 5280 X 4I = 58080

Le recul est donc 46320 ou 24,935 pour 100.

Avec le pas final de 45 pieds :

La vitesse de l’hélice est 45 X 31 X 60 = 83700 pieds par heure.

Celle du navire est 5280 X 4 4 = 58080

Le recul est donc 25620 ou 30,609 pour 400.

. . 24,935 + 30,609 ac

Le recul moyen est ^ =26,27 pour 100.

La pression moyenne effective sur les pistons * obtenue par des courbes d’indicateur prise aux deux extrémités des cylindres était 46,29 livres par pouce carré, et par conséquent la puissance développée par les machines était

3067,9 X 46,29 X 4 ^ X (31 X2)X2„Qa tg 33 0Ô0 —782,45.

Un dynamomètre placé à l’extrémité do l’arbre de l’hélice donna une impulsion moyenne de 42 845 libres | : la force développée pour pousser le navire était donc

42 845 J X 968 (vitesse du navire par minute exprimée en pieds) ,

Si nous estimons la force employée à mouvoir le» machines, à soulever les pompes à air, ainsi qu’à opérer d'autres fonctions à 2 libres par pouce carré du piston à vapeur1, estimation qui s'éloigne probablement peu de la vérité, nous aurons 96,06 chevaux employés par le seul travail do la machine. Admettant, d’après les expériences de Morin, que le frottement est 7 l pour 400 de la puissance employée, et considérant que cette force est celle des machines

R’aprèa la manier»* dont M. Isherrood emploie le mol presiiott effective, Il paraît admettre celle montrée par r indicateur dan* le erliadre. En Angleterre, cette ei pression signifie cette même pression effeclke diminuée de i lb. -t par pouce carré, ou 0^,106 par centimètre carré, pour compenser I* force cmpiojde à vaincre le* frottements, cl à produire diverse* fonction» do T appareil. -

* C'cal plu* qu'il qc faut pour Ica machine» ordinaires.

moins colle absorbée par elles, noue aurons pour la force perdue par le frottement 51,48 chevaux*.

Réunissant ces éléments, nous avons ce qui suit pour la manière dont est employée la puis-

sance sur le San Jacinto.

Recul de l’hélice 26,27 pour 100, ou 205,55 chevaux de forco.

Propulsion du navire. 48,04 » 375,92 •

Travail des machines 12,28 » 96,06 »

Frottement 6,58 » 51,48 »

Pour le frottement do l’hélice dans l’eau, et la résistance directe de l'arètc des ailes environ 6,83 » 53,44 *

D’après ces chiffres, U parait que la perte totale de force par rhéiiee e=t de 26,27 pour 100 de la puissance totale de la machine pour le recul , et 6,83 pour 100 occasionnés par le frottement dans l'eau et la résistance des arêtes , ce qui fait i n tout 33,1 pour 100.

Il est probable que le recul de l'hélice du San Jacinto était trop grand pour obtenir une utilisation économique, et que si sa surface eût été plus grande, on aurait eu un meilleur résultat. Les hélices les mieux proportionnées sous le rapport du l’uliliaalion, ot donnant la plus grande vitesse , ont eu de 95 à 30 pour 1 00 de recul à bord des petits navires l'Archimède et le Dwarf. L’hélice donnant le meilleur résultat sur le navire d’expérience le Napoléon avait aussi un recul de 25 peur 100; C'est anssi celui de l’hélioe qui , sur le Battler, a donné les meilleurs résultats*.

Dans ( emploi de tout instrument de propulsion , il y a une partie de la force perdue par les défauts : dans la roue à aubes ordinaires , c’est le mouvement rétrograde imprimé , parallèlement au navire, é l’eau repoussée par les aubes, et nommé recul, ainsi que la dépression verticale de l’ean appelée action oblique ; la perte totale de la roue à aubes est la somme de celles dues aux deux causes que nous venons de citer Dans l’hélice il y a la même perle par le recul ; mais celle par l’action oblique, qui n'existe pas pour ses ailes, est remplacée par une autre, le frottement dans l'eau. La perte totale provenant de l’action de l’hélice est donc la somme du reeul et du frottement.

Ou a trouvé, par des expériences , que le frottement des surfaces sur !>au est directement comme laeurfaceetcomme le carré de la vitesse*. Par conséquent, avec les mêmes vitesses le frottement des hélices est comme leur surface; mais il n’en est pas de même du recul, qui suit une proportion beaucoup moindre et que l'expérience seule détermine. Je ne connais, à ee sujet, que les expériences de Bourgois, exécutées par ordre du gouvernement français; et Pane d'elles ressemble à ce qui a été proposé, et plus tard exécuté pour les hélice® du San Jacinto. Bonrgois a essayé une hélice de six ailes , ayant une surface de f de

1 la perte par le frottement sur ce navire est très- considérable, fcl. l'aire de chaque cylindre est 3087, 9 pouces carrés, celui des denx sera 6(36, a, qui, multiplié par te, 29 livres, donne sur tes pistons on poids total de 9U 952 livres. Ce poids parcourt un espace de S, 33 pieds par révolution , te qui est équivalent à 1 8 502 transporté! i 45 pied*. Par conséquent, si la machine et l’héfire tournaient sans frottement, la poussée montrée par le dynanomèlre aérait ta 502 ; mais l'expérience montre qu'elle n'est que de 12 SI 5 Cette différence est surtout due au frottement ; c’est une porte de —Lj do la force de la machine, et 11 y a en outre une perle de 205,5 chevaux .par le recul rre qui fait eu tout 445,5 chevaux; de sorte qu'il n’en reste que 33(1,95 employés i la propulsion du navire. .

* Les tables des expérience* du ' Battler t page 83, montrent que la pins grande vitesse a été obtenue lorsque le recul était 4 peu prés 4 0 pour IOO.

s D’après les expériences «Te Beaufroy , c'eat plutôt comme la puissance 1.7 (voir page 41).

Taire du cercle de l'hélice vu comme un disque, le recul a élé 37 pour 400. Alors on a enlevé deux ailes, et placé les quatre autres à des distances égales : dans cet état; la surface n’était que les $ de celle du disque, et le recul fut de 38-^ pour 400, ou 4 pour 400 plus grand qu’auparavant. Celle expérience a été poussée encore plus loin, en retranchant encore une aile, la surface des trois ne fut plus que ? du disque : le recul fut alors de 44 pour 400 , ou seulement 4 pour 400 plus que le premier; ce qui montre qu'une réduc* tioo de la moitié de la surface n’augmente le recul que de 37 à 44 ^ pour 400 , ou 44 ) pour 400 du dernier recul.

Supposant qu’on ait employé l’hélice proposée d’abord pour le San Jacinlo , qui avait environ 4 l la surface projetée , et 3 \ la surface hélicoïdale de celle actuellement employée ; et supposant que l’accroissement de surface projetée eût diminué le recul dans le rapport cité de 44 } pour 400 , ou 3 j-ç* pour 400 du recul réel de l’hélice du San Jacinto , on aurait obtenu un recul de ( 26 ^ — 3 ^ ) , 23 J pour 4 00. Mais la surface hélicoïdale ayant été augmentée de 3 [ fois, le frottement l’a été dans la même proportion ; et, comme nous voyons que le frottement avec la surface actuelle est de 6 ffo pour 400 , il se serait élevé avec 3 \ fois la surface jusqu’à 23 £r pour 400, en supposant que la puissance totale développée n’ait pas changé. Dans ce cas, la force consacrée à la propulsion du navire serait diminuée do (23 — 6^ ) ou 47 jfa pour 4 00 , et augmentée de 3 -fa pour 400 par la diminution du recul : laissant pour diminution réelle (4 4 ^ + 3 ibr) ou 47-rfo P°ur de puissance consacrée à la propulsion. Comme la vitesse du navire est en raison des racines cubiques des puissances employées, la même vitesse serait à la nouvelle dans le rapport de ^4 ,000 à y 0,855, ou bien au lieu d’être 44 statute miles, elle serait de 40,44, en supposant toujours que les machines développent la même puissance. La somme des pertes de l’hélice proposée aurait été de (23y%-f-25^) ou 47^ , au lieu de 33 pour 400 , qui est la somme des pertes de l’hélice actuelle. Celle-ci est donc plus économique de 44^ pour 400 de la puissance , sans tenir compte des avantages d’un poids moindre et d’une confection moins dispendieuse.

L’hélice proposée par le bureau des ingénieurs de la marine, et employée sur le San Jacinto, n'avait pas les proportions qu’on eût adoptées, si ces ingénieurs avaient donné le plan de tout le mécanisme; mais les machines, les chaudières et l’arrière ayant été terminés avant le commencement de leurs travaux,' ils ont adopté la meilleure hélice pour les conditions existantes. La structure de l’arrière rendait impossible l'emploi d'une hélice plus longue, et la surface était limitée dans cette direction : plus de quatre ailes de la même longueur auraient donné une surface plus étendue, mais c’eût été sans utilité , en ce que les ailes auraient été trop voisines les unes des autres pour permettre le libre accès de l’eau ; en outre elles auraient ajouté l’obstacle de nouvelles arêtes coupantes. Le surcroît de surface ne pouvait non plus provenir d'une diminution du pas; car telles étaient la complication de la machine , la multitude de ses articulations et de ses pièces mobiles, qu’il eût été imprudent de la faire fonctionner trop vite pour donner le sillage convenable au navire avec un pas raccourci : en outre, les chaudières n’auraient pas fourni assez de vapeur pour un plus grand nombre de révolutions.

Coque. — Lç San Jacinto a 64 m, 94 de quille , 64“,05 au pont, 85. 57 entre perpendiculaires, et 72m,28 de longueur totale. Le bau est de 44*, 59, le creux 7", 47, le tirant d’eau en charge 5“,44 f l'épaisseur de la quille et de la fausse quille est de 0",38.

Déplacement en tonneanx de 2240lil’ :

Au tirant d'eau du lancement de. ...... .

Au tirant d'ôau de .*

cl 1764'*

Tirant d’eau eu charge. . . .

ISM1*

Par pouce au tirant d’eau en

charge

Aire de la raaitresae-seclion au tirant d’eau de. . .

273,81 pieds carrés.

Le San Jaeinto est gréé en goélette : il déploie 16 500 pieds carrés de toile, ou <534 mètres carrée.

Les données fournies par l’essai du San Jaeinto peuvent être employées pour déterminer a priori le frottement de toute autre hélice de dimensions connues, ainsi que le nombre de tours par minute. Nous avons vu que le frottement de l’hélice du San Jaeinto s’élève à 53,44 chevaux ; si de la puissance totale des machines on déduit ce qui est employé par le recul de l'hélice, le travail de la propulsion du, navire , celui des machines et le frottement de la carène , le reste sera le frottement de la surface héliçoïdale ; car la résistance des arêtes coupantes est probablement très-petite, leur forme étant très-aiguë. Les surfaces de l’hélice avaient été très-soigneusement polies. Afin d’utiliser ces éléments pour d'autres hélices, l’expression du frottement doit être réduite à une unité de poids, ayant une vitesse déterminée 9ur une unité de surface. Ce-pound avoir du poids ou 0k453 , < 0 feet par seconde, ou 3", 050 par seconde, et le pied anglais carré, ou 0"">,093, sont les mesures les plus convenables pour ce que nous nous proposons.

D’après de nombreuses expériences, il parait que la loi des frottements des corps solides sur les liquide» est différente de celle- qui sert de règle à la quantité de frottement dos solides l’un sur l'autre , e! , au lieu d'être proportionnelle à la pression et à la vitesse, elle l'est à la pression, à la surface et au carré de la vitesse. Admettant que ces hypothèses soient correctes, nous déterminerons le frottement d'un pied carré de la surface héliçoïdale , ayant une vitesse de 10 pied» par seconde d’après les résultats obtenus sur le San Jaeinto : observant que, çomme une surface héliçoïdale . depuis l’axe jusqu’à la circonférence , devient plus grande à mesure qu elle est plus voisine du bord, et qu’elle parcourt sa longueur à chaque tour, il en résulte que chacune ï une vjtewe différente pour le même nombre de révolutions. Considérant une hélice pour représenter une largeur infiniment petite de la surface héliçoïdale, il s’ensuit que ce» surfaces normales aux hélices auront des frottements différents, et en proportion du carré de leur vitesse et de leur étendue. Il est donc nécessaire de déterminer les aires et les vitesses de ces surfaces. Ce problème peut être résolu géométriquement, d’une manière approximative, avec peu de peine et avec nno exactitude suffisante pour la pratique. Par cette méthode, la surface de l’hélice , projetée sur un pian à angle droit de l’axe, forme un disque et est divisé par des cercles concentriques , en un certain nombre d’anneaux ou d'éléments , et plus «es derniers seront nombreux, plus le résultat obtenu sera exact. La ligne du centre de chaque élément est prise pour la longueur de cet élément, et déterminée de la manière suivante :

Le développement d’une hélice sur un plan efct l’hypoténuse d’un triangle rectangle , dont la base est la circonférence normale à la distance de l’hélice à Taxe, considérée comme un

• Prenant *3« pied» carrés pour l’air» de la maîtresse- sec lion immergée , là résistance par pied carré aérait de a», 2 livret, ce qui montre que les formes de et navire ne sont pat irèt-bonues.

rayon , et dont la hanteur est le pas. Nous avons donc deux côtés d'un triangle rectangle pour trouver l’hypoténuse et celte ligne, où l’hélice multipliée par la largeur de l'élément, donne sa surface.

Nous avons maintenant toutes les quantités nécessaires au calcul , excepté le nombre de livres avoir du poids par pied carré do la surface, et à la vitesse do 40 pieds par seconde. Nous l'obtenons en représentant ce poids inconnu par x , et opérant le calcul pour chaque élément : alors faisant la somme de la colonne ainsi obtenue, et divisant par 33 000 , nous obtiendrons l’expression de x en chevaux-vapeur. Exécutant ces opérations pour l'hélice du San Jacinto . et en se référant aux données trouvées pour ce navire, quand le frottement de la surface héliçoïdale est de 53,44 chevaux, nous trouvons, en divisant 53,44 par la puissance en chevaux multipliée par x, comme on l'a obtenue plus haut, la quantité inconnue en livres avoir du poids; observant que la surface héliçoïdale peut être prise pour les deux côtés de l’hélice. De la sorte, le frottement de 4 pied carré de la surface héliçoïdale, se mouvant avec une vitesse de 40 pieds par seconde , est déterminé par les éléments du San Jacinto , de 0,6195 livres avoir du poids. L’examen de la table suivante montre clairement la manière d'opérer.

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