A. R. B OUVIER
Mécanique appliquée. Description d’un projet de machine à vapeur, principalement applicable à faire mouvoir les bateaux
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 7 (1816-1817), p. 129-139
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I29
MÉCANIQUE APPLIQUÉE.
Description d’un projet de machine à vapeur , princi- palement applicable à faire mouuoin les bateaux ;
Par M. A. R. BOUVIER,ingénieur des ponts
etchaussées:,
ancien élève de l’école polytechnique
BATEAU A VAPEUR.
DANS
te dessinjoint
à laprésente description , le rapport
entreles différentes
pièces
n’apoint
étéétudié ;
on ne doit leregarder
que
comme unesimplé figure
degéometrie ,
servant al’explication
de l’idée. Dans la vue le
simplifier,
on asupprimé
lachaudière,
ainsi que le bateau..
Dans ce- genre de
machines y
on a pour butd’irnpri-mer-
un mou"vement de rotation à un axe horizontal
qui
traverse le bateau. Cemouvement en
communique
unsemblable,
maisplus rapide,
aumoyen d’engrenages
à deux roues à aubesqui poùssent
Peau etfont l’effice de- rames.
aaaa
(fig. I),
est laprojection
Horizontale decet axe;
a"a"a"(6g. 3),
saprojection verticale, a’’’a’’’a’’’a’’’, (fig. 4) saprojection
latérale.
Pour
imprimer
un mouvement de rotation àcet-
axe ,j’imagine
un tambour ou
portion
de-cylindre horizontal, ayant
le même centreque l’axe
qu’il s’agit
de faire tournerbbbb
est laprojection
horf-zontale de ce
tambour ;
b"b"b" saprojection verticale ; et b’’’b’’’b’’’b’’’
sa
projection-
latérale.Tom.
VII,
n.°V,
I.er novembre I8I6. I8La
coupe de
cetambour , plus
engrand,
estindiquée
enb’b’b’
(fig. 2);
c’c’c’ est lacoupe
de son axe ; et a’a’a’la projection
de la
partie
extérieure autambour, qui
a un moindre diamètreque l’intérieure.
dldldl est letuyau qui communique
à lachaudière,
et par où arrive la vapeur dans le tambour. e’e’e’ est une
plaque qui
va d’une des faces latérales du tambour àl’autre ;
elleporte
sur une feuillure
pratiquée
sur les côtés verticaux dutambour,
ettouche l’axe
c’c’c’;
elle a un axe derotation , marqué
aupoint e’,
sur la
partie courbe
du tambour. On voit enf"f" (fig. 3)
laprojection
verticale de la saillie établie sur les côtés dutambour.
pour y
pratiquer
les feuillures.ff,ff(fig. I)
sont lesprojections
horizontales
desmêmes saillies, et f"’ f"’ f"’ f"’ ( fig. 4)
leursprojections
latérales. Une autre
plaque , qui
va aussi d’une des faces latérales dutambour
àl’autre,
etqui
fait corps avec l’axe c’c’c’( fig. 2 )
estrepré-
ventée par
g’g’. Cette plaque touche
lapartie
concave dutambour,
ainsi que
sesparties latérales.
En supposant
que la vapeur arrive dans letambour
par letuyau d’d’d’, elle
entrera dansl’espace e’e’e’g’g’.
Laplaque
e’e’e’s’op-
posera à ce
quelle s’échappe
de cecôté ; l’action
dela vapeur
sur cette
plaque,
lapressant, plus fortement
contre lafeuillure , contribuera à
la mieuxmaintenir.
Laplaque g’g’
seraégalement pressée
par la vapeur ;mais ,
comme ellefait corps
avec l’axec’c’c’,
et que rien d’ailleurs ne
s’oppose à
son mouvement derotation.,
il s’ensuit que ce mouvement aura lieu et que
g’g’
viendra seplacer
successivement en
h’h’, k’k’; mais,
par un mécanismeparticulier,
la soupape
l’l’
sefermera y
dès quela plaque g’g’
sera enh’h’,
et restera dans cet
état , jusqu’à
ce que cetteplaque
soit parvenue de nouveau, en continuant sonmouvement, à
saposition primi-
v tive
g’g’.
Un second tambour ,
semblable aupremier,
est assemblé sur lemême axe
qu’il s’agit de faire
tourner , et estprojeté horizontalement
en
mmmm ( fig.
i).
Celle des deuxplaques de
cetambour qui
fait corps avec le
cylindre intérieur
est enh’h’, quand celle,
de l’autreest en
g’g’,
etréciproquement.
La soupapequi intercepte
oupermet
la communication de la chaudière avec le 2.me tambour s’ouvre ou s e fermequand
celle dupremier
se ferme ous’ouvre ;
de sorteque ,
lorsque
la force de la vapeur commence àagir
avec moinsd’intensité sur l’une des
plaques
faisant corps avecl’axe ,
par la.suppression
de la communication avec lachaudière y
elleopère
aucontraire avec toute son intensité sur l’autre.
La
plaque glgl
du I.er tambour étant parvenue enk’k’,
lesdeux
triangles projetés
en nn, nn, dans leurpremière position,
eten
g’n’g’
dans. la coupe, seront enk’n’k’,
et toucheront laplaques
e’e’e’. La force
expansive
de la vapeur,qui agit
surelel,
annullecelle
qui agit
surk’k’; mais,
à cause du mouvementdéjà imprimé
et de la force due à la densité entière de la vapeur,
qui agit
surla
plaque
de l’autretambour,
le’ mouvement de rotation de l’axe continuerad’avoir lieu;
et laplaque e’e’,
tournant autour de son axe de rotation e’ laissera passer l’autreplaque,
fixée à l’axe de rotation..Dès qu’elle
l’auradépassée ,
laplaque e’e’,
par l’effet seul de sonpoids ,
retombera sur lafeuillure
etviendra.
toucher de nouveaul’axe c’c’c’. La
plaque
faisant corps avec ce même axec’c’c’,
arrivéeen la
position g’g’,
la soupape l’l’ se-rouvrira ,
etprendra,
la po- sitionindiquée
en lafigure
2.. Dans le mêmetemps ,
la soupapecorrespondant
à la communication de l’autre tambour avec lachau-
dière se fermera.
Il faut remarquer que le
tuyau p’p’ qui communique
du tam-bour au condenseur est constamment ouvert ; de sorte que la va- peur
peut s’y rendre,
dès que laplaque
elel commence às’ouvrira
et que celle contenue entre les
plaques g’g’
ete’e’,
en.passant
par la direction où se fait le mouvement ,
peut
yaffluer,
d’ansquelque position
que se trouveg’g’;
d’où il suitqu’elle
nepeut s’opposer
au mouvement.La. vapeur
qui
se rend dans lecondenseur , lorsqu’elle
commence"a y
affluer,
n’aplus
la même densité que celle de lachaudière,
ni par
conséquent
le mêmedegré
de forceélastique; puisque, d’après
la loi
.établie par Mariotte
pour les gaz , etqiu s’applique également
aux vapeurs, du moins tant
qu’elles
nechangent
pasd’état,
leurforce
élastique
estproportionnelle
à leur densité.Ainsi,
la forcedQ pression qui
aura lieu sur laplaque g’g’,
parvenue en k’k’ sera à cellequi agissait lorsque
cetteplaque
était enhlhl ,
commee’g’b’b’
h’h’c’g’e’e’e’
.est àe’b’b’b’k’k’c’h’c’g’e’e’e’,
parce que ,depuis
h’h’jusqu’à k’k’,
iln’y
a pas eu de nouvelle vapeur reçue de la chau- dièrc. Cette vapeurqui agit
par sa seuleélasticité,
et sans nouvellecommunication avec la chaudière va,
d’après
la loi ci-dessusétablie toujours
en diminuantd’intensité, depuis
h’h’jusqu’à k’k’;
cepen-dant,
arrivée à ce dernierpoint
, elle est encoreplus
de moitiéde ce
qu’elle était ; puisque l’espace
danslequel
elle est contenue n’estpas le double de celui
qu’elle occupait primitivement, lorsqu’elle
était en communication avec -la chaudière.
Cette
forcequ’on acquiert
dans rnonmécanisme,
par la seuleexpansion
de la vapeur et sans en consommer , est un surcroît de for,cequ’on
a sur la machine à vapeuremployée jusqu’à p,résent ,
où la vapeur condensée a la même densité que celle de la chaudière Cet
avantage
queprésente
mon idée meparaît
de laplus
hauteimportance ;
onpeut y
enernployant
unplus grand nombre
detambours,
en tirer unparti plus avantageux.
En en mettantquatre,
parexemple,
et ensupposant que chaque
tambour n’a de commu-nication avec la chaudière que
pendant
unquart
de tour del’axe;
en
supposant
encore quedepuis k’ jusqu’en g’,
cequi
est le seulespace
ou
la vapeurn’agit
’pas, il Y a un espaceégal
à unquart
de
cercle,
on trouve que la forceprovenant
de la seule dilatationest à peu
près égale
à cellequi agit
dans le tambour en commu-nication
avec lachaudière ( Voyez ci-après
la démonstration quej’en donne ). Ainsi,
par cettedisposition,
Dndouble
laforce des
machines à
vapeur ordinaires.En
mettant unplus grand nombre
de
tambours
onaugmenterait
encore la force. Il y acependant
ici-un nombre
qu’il
serait inutile dedépasser.
Je donneraici-aprè3 quel-
ques cousidérations qui peuvent aider à
ledéterminer.
I33
Ce
queJe viens d’exposer
faitdéjà
concevoir laplus grande pariie
de mon mécanisme. Je vaisexpliquer
maintenant la manière dontje
fais ouvrir et fermer la soupape l’l’.Cette
soupape a un axe de rotationqui
-fait corps avec laplaque l’l’;
une autreplaque, perpendiculaire
à lapremière,
est assembléesur le même axe , extérieurement au
tuyau ;
laplaque
intérieureest
projetée
en AAAA( fig. 5 ) ,
et celle extérieure en BBBB.Une
demi-portion
decylindre, projetée
enCCC (fig. 6)
estassemblée solidement sur l’axe de rotation des
tambours ,
au moyende
rayonsqui
n’enoccupent
pas toute lalargeur.
Laprojection
horizontale
de cecylindre
estDDDD (Fig. 8),
et celle des rayonsest DFFF et
FFFF.
On voit(fig. 7)
la coupe d’unrayon
et ducylindre.
Le
cylindre
tient laplaque GG,
extérieure autuyau, verticale
ment ; comme on le voit
(fig. 6 ) ;
et , parsuite,
laplaque
inté-rieure GH horizontalement. Il est aisé de
comprendre
que les chosesresteront dans cet
état , jusqu’au
moment où ledemi-cylindre
aurapassé
lepoint G ;
alors la soupape se fermera par son proprepoids.
On sent
qu’en ayant
un’autredemi-cylindre qui,
enprojection
verti-cale, finisse,
aveccelui CCC le cercleentier, le
dernierpoint
dupremier demi-cylindre
ne laisseraéchapper
la soupape quelorsque
lepremier point
de l’autre aura ouvert la sienne enentier,
cequi
établira lemouvement alternatif entre les deux soupapes. On voit en qqqq,
qqqq,
lesprojections
horizontales des deuxdemi-cylindre , q"q"q"q"
tes projections
verticales etq"’q"’q"’q"’, q"’q"’q"’q"’, les pro-
jections
latérales.Pour élever l’eau froide nécessaire à la
condensation
de la va- pour, on pourraadapter quelques godets
à la roue à aubesqui
plonge
dansl’eau ,
dans le cas du moins où cette roue ne devrait pas avoir unegrande vitesse ,
etoù,
parconséquent
lesgodets
pourraient
se vider. S’il en était autrement ,c’est-à-dire,
si la rouedevait
avoir unegrande
vitesse derotation ;
en recueillantl’eau qu’elle
I34
lancerait ;
on en aurait suffisamment. Cesmoyens
serontbeaucoup , plus simple
que de mettre en mouvement une pompe pour cet effet.Il en faudra nécessairement une pour évacuer l’eau condensée. On
emploie
d’ailleurs cette eau àalimenter
la chaudière. Cette pompeest mise en mouvement , dans ma
machine,
par uncylindre
arrêtésur l’axe de
rotation ,
etcoupé
par une hélicequi
nes’éloigne
dela base du
cylindre
que sur la moitié ducercle,
etqui
s’en rap-proche
sur l’autre. On sent que , la manivelle de la pompe , étant accrochée par cecylindre,
fera mouvoir lepiston
de toute la diffé-rence
qu’il
y a entre l’ordonnée laplus longue
de l’hélice et laplus
courte , en les
rapportant
au cercle de la hase. Lademi-portion qui s’éloigne
du cercle étantpassée,
lapression
de l’air sur lepiston
fera suivre à la manivelle l’hélice
qui
serapproche
de la base ducylindre ;
ainsi cette pompe aura un mouvement deva
et vient.On
voit fig. 9)
laportion développée
de cecylindre , en
r saprojection horizontale,
en r"r"r" saprojection verticale ,
et en r"’sa
projection
latérale. Lamanivelle
dupiston
se voit aussiau-dessous
de
rlll J qui
est saprojection
latérale.Le vase s est le
condenseur. t
est le vase où l’on retientl’eau froide
pour lacondensation. u
est lesyphon qui porte
l’eau dàns lecondenseur.
Ce que
je
viens de direfera , je l’espère,
suffisamment com-prendre
mon idée. Je vaisprésentement appliquer
le calcul à ladétermination
de la forceprovenant
del’expansion
de la vapeur ,ou, ce
qui
revient aumême, l’augmentation
de force due à ladisposition particulière
de monmécanisme.
J’appelle a
laportion
de la circonférencecorrespondant
à laportion
’du
cerclependant laquelle
un tambour-reçoit
la vapeur de la. chau- dière. a est uneportion allquote
de lacirconférence ,
etqui
yest comprise
autant de, foisqu’il
y a de tambours.. Lesplaques
fixéesà l’axe qu’on
fait tourner ,projetées
sur le cercle d’un destambours,
au moment où un nouveau tambour
reçoit
la vapeur ,,intercepte--
A I35
ront sur la
circonférence
lesportions
a,al , an , ....a(tt-I), (fig. 10), égales
à a. Cellequi
recevra la vapeur de lachaudière
aura saplaque projetée
dans laportion a ;
cellequi
la recevra immédia-tement avant l’aura dans
al ,
l’autre dansa",
et ainsi de suite. La même combinaison auralieu , quelle
que soit laplaque
du tambourqui
décrit a. La détermination de la force moyenne,
pendant
cetteportion
de
rotation,
sera celle de lamachine entière, puisque
cette forceest
périodique,
et que a détermine lapériode.
Enappelant b
l’arcdu même cercle
qui
soutiendrait un secteurégal
àl’espace EEG (fig. IO),
et x laportion
de la mêmecirconférence ,
àpartir
dea , pour arriver à une
plaque
sise dans uneposition quelconque ; f
étant la forcequi agissait
sur cetteplaque, lorsqu’elle
était encommunication avec la
chaudière ; f’
cellequi
a lieu dans la po- sitioncorrespondante à x ;
on aurad’où
Il reste dans le condenseur une vapeur
dont la température et par
-suite ]a force
élastique
varie peu; en ladésignant par k,
laforce qui produit
l’effet utile sur uneplaque
serad’où (f’2013k)dx, expression différentielle
de la forcevariable ,
seraf(a+b)dx a+b+x 2013kdx,
dont’l’intégrale est f(a+b)Log.(a+b+x)-kx+c.
En prenant
cetteintégrale depuis
x=ojusque
x=a, et en divisantpar a, on aura la force moyenne due au
tambour qui
décrit a’.Cette même
intégrale, prise depuis
x=ajusque
x=2a, etdivisée
encore
par a,
sera celle due autambour qui
décrita",
etainsi
BATEAU
de suite.
La
somme de toutes cesintégrales, divise par
laquan-
-
tité a sera
donc
laforce
moyenne due à tous les tamboursqui
n’ontplus de
communication avec lachaudière, c’est-à-dire,
celle pro-venant de
l’expansion
de la vapeur. Il ne faudra pascomprendre
dans
cette sommed’intégrales,
la dernièrequi
est cellerépondant
au tambour
qui
décrita(n-1),
attendu que lavapeur s’échappe
alorspour aller au condenseur.
Or,
la somme de toutes cesintégrales
estégale
à uneseule, prise depuis
x=ojusqu’à x=(n-2)a.
Ensubs-
tituant
cesquantités
dansl’intégrale prise
entre ceslimites,
on aSi l’on fait
abstraction de b,
cetreexpression
sesimplifie
etdevient
seulement
En
faisant,
dans ces formulesf=32 et k=4, ce qui
est à peuprès
lerapport
de cesforces,
dans les- machinesordinaires ;
et sil’on suppose de
plus n=4;
on aura32Log.320138=32(I, IO)-8=27,20.
Or,
l’effet utile de laplaque
en communication avec la chaudièreest 3220134=28.
Onvoit, d’après cela ,
que la force due àl’expansion
ne serait pas tout-à-fait
égale
à celle du tambourqui reçoit
lavapeur de sorte que la force ne serait pas
doublée,
mais peu s’en faudrait.Si l’on
employait
une machine à hautepression ,
la réaction de la vapeurqui
est dans le condenseur serait peul de chose- relati- vement à cellequi produirait
l’effetutile. Si ,
parexemple, la pression
directe était dequatre atmosphères ,
on auraitalors f=II2,
et k
serait
encore sensiblementégal à 4 ;
ensupposant n=4,
onaurait, pour
la force due àl’èxpansion, II2.I,IO-8=II5,2o. On
voit que cette force serait
plus
considérable que celle due à laplaque
encommunication
avec lachaudière, laquelle
ne serait queII2
A VAPEUR. I37
II2-4=Io8;
ainsi la force seraitplus
quedoublée. Cela,prouve
que mon idée serait encore
plus avantageuse
pour les machines à hautepression
que pour les autres.J’ai supposé
que fa réactionétait 4 ,
d’ans la machine ahaute
pression,
comme dans celle àsimple pression ;
on sentcependant qu’elle
doit être moins- forte dans ces dernières que dans les autres ,puisque
la va-peurqui
afflue dans le condenseur abeaucoup
moinsde
densité
, et que parconséquent
elle doit être d’une condensation bienplus prompte ; ainsi,
pour cetteraison, 4
seraitpeut-être
trop
dans les uns et pas assez dans les autres.Le coefficient différentiel de
l’intégrale indéfinie f(a+b)Log.(a+b+x)
-kx+c, égalé
àzéro,
donnera les maxima et les minima dontcette
expression
estsusceptible. Or
, cecoefficient
différentiel estf(a+b) a+b+x-k=o; d’où x=(a+b)(f-k) k.
Le
coefficient
du second ordre étantnégatif
prouveque
cetteexpression
est un maximum.En
serappelant
quel’expression dif-
férentielle que nous avons
égalée
à zéro n’est autre chose que la forceq,ui agit
directement moins cellequi réagit
ducondenseur ;
on voit que le maximum a- lieu
quand
ces deux forces sontégales.
Pour
simplifier
la valeur de x,négligeons b ;
elle se réduira àx=
a(f-k) k.
Nous avonstrouvé , d’après
ladisposition
du mécanismeprécédemment décrit,
que laplus grande
valeur de x,dans
l’in-tégrale,
était(n-2)a. Ainsi ,
en mettant cetteexpression
à laplace
de x, on aura
l’équation (n-2)a= a(f-k) k,
d’oùn=f+k k. Si, d’aprés
les valeurs
de f et k,
on trouvait pour n un nombreentier ; alors..
en
employant
ce nombre detambours,
on aurait le maximum dela force due à l’élasticité.
Si,
aucontraire , 1.’on
n’obtenaitqu’un-
nombre
fractionnaire ,
enprenant
pour le nombre de tambours lavaleur
entièrequi
enapprocherait
leplus,
onaurait
un résultatqui
To m. VII.
I9
différerait peu
dumaximum : il serait, du reste,
leplus grand qu’on pût
obtenirpar
mon mécanisme.Si ,
dansl’expression n=f+k k, on met pour f et k leurs valeurs,
dans le,cas des machines
ordinaires,
on,a n=3 2+4 4 =9.
Ce nombrede tambours serait
trop grand
pourqu’on pût l’employer
avec avan-tage;
lacomplication
de lamachine,
ladépense
que celaoccasionerait,
feraient sans doute
plus
quecompenser l’avantage qui
résulterait del’augmentation
de la force.Si l’on
falt f=II2
etk=4,
on trouven=II2+4 4 =29,
résultatencore moins
applicable que
leprécédent.
Si, dans
laformule f Log.(n-I)-k(n-2,
on faitf=32, k=4,
n=9,
onaura 32Log.8-4.7=32.2,07-28=38,24, expression
dumaximum de la force
qu’on peut obtenir,
par la dilatation de la vapeur, dans le cas des machinesordinaires laquelle
force nediffère
de
celleobt"énue!-Pour quatre
tambours que deII,04. Ainsi, l’augmen- tation
decinq tambours n’aurait augmenté
la force que de cettequantité; tandis que le quatre premiers donnent 27,20. On
voitdonc
que,passé un
certain nombre detambours,
leur accroissementne
produit pas
un- effetbeaucoup plus grand.
Pour
simplifier
lescalculs , j’ai supposé qu’un seul
tambour neproduisait
aucuneffet; cependant
si l’on enaugmentait trop
lenombre,
cela nepourrait avoir lieu attendu qu’il pourrait
y avoirplusieurs tambours dont la vapeur
serendrait en même temps
aucondenseur
etqui
parsuite, n’ajouterait
rien à laforce. Mais je
lerépète* je
ne pensepas qu’il
soitavantageux
de lestrop
mul-tiplier ; quatre me paraissent suffisans et -fait,
voirprécédemment que
par là on doublerait a peuprès l’action des machines.
Aux avantages
demon idée, que j’ai déjà développés , je crois pouvoir ajouter celui d’avoir directement
unmouvement de rotation
continu, et
d’éviter par là la forcequ’on pérd par lè’s-frôttemens
I39
pour l’obtenir de la transformation d’un mouvement de va et
vient.(*)
On évite
aussi,
par monsystème,
les chocsqu’on
a dans lesmachines
ordinaires,
pour annuler la forcevive acquise
dans un sens,afin d’en
prendre
une en senscontraire ;
chocsqui
ébranlent sin-gulièrement
les machines et leurssupports, et concourent puissamment
a’ leur destruction.. -
(*) M.
Ferry,
l’un desprincipaux
agens de lacompagnie
Andriel etPajol, qui
a bien voulu m’honorer de sesconseils , a communiqué
mon idée à M.Molard ,
membre de l’académie des sciences , administrateur du conservatoire des arts et
métiers,
qui
lui a observé queje
n’étais pas lepremier qui
eûtproposé
unemachine à vapeur où l’on obtenait directement le mouvement de rotation. J’ai trouvé,
depuis ,
ladescription
d’une semblable machine , dansl’ouvrage
de MM.Lantz et Bétancourt; mais celle-ci , ou une autre de même
espèce,
que M.Ferry
m’a fait connaitre, étqui
a étéproposée
par M.Raynalt,
ne sontpoint disposées
de manière à tirerparti
de la force provenant de la dilatation de,la-vapeur ; et c’est en cela que mon idée me