HAL Id: jpa-00242039
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242039
Submitted on 1 Jan 1913
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Production des grandes vitesses angulaires
Maurice Leblanc
To cite this version:
Maurice Leblanc. Production des grandes vitesses angulaires. J. Phys. Theor. Appl., 1913, 3 (1), pp.365-379. �10.1051/jphystap:019130030036500�. �jpa-00242039�
PRODUCTION DES GRANDES VITESSES ANGULAIRES (1);
Par M. MAURICE LEBLANC.
Seconde phase. - Ce qui caractérise cette seconde phase de la rotation, c’est que la décomposition de la vitesse en une vitesse de
rotation moindre (~ - x) et en une vitesse de précession x déter-
mine la production d’un couple tendant à redresser l’arbre flexible
et à ramener son axe neutre en coïncidence avec l’axe 00’.
Supposons d’abord le rotor parfaitement équilibré, par rapport à
son axe de figure uv, qui sera alors son axe naturel de rotation et se
confondra avec l’axe x~ de la figure 7. Désignons par 1 le moment d’inertie du rotor, par rapport à cet axe et par 0 l’angle de ce der-
nier avec l’axe 00" (fig. 7).
L’axe aJJ rencontrera l’axe 00’ en un point a~. Désignons par 1 la
distance au point x du centre de figure 1. La flèche de ce dernier,
par rapport à l’axe 00’, sera égale à :
La longueur 1 ne différera jamais que très peu de la distance du
point y au point 0, où l’axe neutre de l’arbre flexible se reliera à celui de l’arbre rigide E, comptée le long de l’axe neutre de l’arbre
flexible. Elle lui serait toujours égale, si toute la flexibilité de cet arbre était concentrée dans le voisinage immédiat du point 0. Nous
pourrons donc considérer la longueur 1 comme constante.
Le couple gyroscopique, qui tendra à diminuer l’angle 0, sera égal à :
Le couple exercé par la force centrifuge, sur l’axe uv, sera égal à
Le couple développé par la réaction élastique de l’arbre et des
ressorts de suspension sera égal à ah.
La condition d’équilibre dynamique sera donc :
(1) Voir ce volulne, p. 282.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019130030036500
366
ou : à
Les travaux (0 - rJ..) cr (p) et absorbés par l’hystérésis et la vis-
cosité seront nécessairement positifs. La vitesse de précession devra
donc toujours être de même signe que la vitesse 0 et plus petite qu’elle.
La seule solution à considérer de l’équation précédente est donc
. " «
en posant tOUjOUrS W =
On vérifie facilement que, pour &1 T w, on a « _ oj. Lorsque la vi-
tesse P., devient supérieure à o>, la vitesse « devient plus petite que la vitesse 0.
La décomposition de la vitesse Q en une vitesse de rotation moindre et une vitesse de précession ne peut donc se faire que lorsque la vi-
tesse Q est devenue supérieure à la vitesse critique dans le cas
actuel. Cela tient à ce que nous avons supposé le rotor parfaitement équilibré, ce qui a rendu la condition d’équilibre précédente indé- pendante de la flèche p.
Connaissant la vitesse «, nous déterminerons la flèche p correspon-
dante, au moyen de la condition :
Le rotor etant parfaitement équilibré, la flèche c demeurerait nulle,
tant que la vitesse Q serait inférieure à la vitesse critique ~. Dès que celle-ci aurait été dépassée, elle se trouverait déterminée, comme
nous venons de le voir.
La stabilité du régime est assurée, parce que le couple dû à la vis-
cosité croît plus vite, avec la flèche p,, que celui dû à l’hystérésis.
Supposons que, l’équilibre étant obtenu, la flèche p subisse un
accroissement accidentel Le couple l’emportant sur le couple 9 (p), la vitesse x diminue nécessairement. Il en résulte que la différencie
qui est essentiellement positive dans le cas actuel, comme il est facile
de s’en assurer, diminue, tandis que le produit al2 ne varie pas.
Le couple résultant, qui tend à augmenter la flèche p et qui est proportionnel à la différence (1 + lB1Z2) ~~ - devient donc plus petit que le couple proportionnel au produit al2, qui tend à diminuer
cette flèche.
Donc la flèche p se trouve ramenée à sa valeur primitive.
Lorsque la vitesse Q grandit de plus en plus, la vitesse « a pour
limite j Q 1 - La flèche p, qui est d’autant plus petite que la vi- tesse û est plus grande, tend donc vers zéro.
Quant à la vitesse de rotatIon - - «), ’ elle a pour limite QM12
l + M12 Supposons maintenant le rotor mal équilibré.
Son centre de figure y sera toujours sur la tangente à l’axe neutre
déformé de l’arbre flexible, menée par l’extrémité de celui-ci ; mais
son centre de gravité -q sera situé à une distance constante ~ du
point y.
Le régime correspondant au cas où le rotor était parfaitement équilibré ne pourra s’établir. En effet le point y devrait alors tourner autour du point en décrivant une épicycloïde, autour de l’axe 00’.
La flexibilité de l’arbre lui permettrait bien de le faire, mais la force de rappel exercée sur le centre de gravité varierait à chaque instant,
au lieu d’être constante, comme il le faudrait.
FIG.
Mais le rotor pourra tourner avec la vitesse (Q - x) autour d’un
axe OQ passant entre son axe naturel de rotation et son axe de
figure et animé, lui-même, d’un mouvement de précession de vi-
tesse « autour de l’axe 00’.
368
Nous allons voir comment un nouvel état d’équilibre dynamique
stable pourra s’établir dans ces conditions.
Sur un plan perpendiculaire à l’axe OO’, passant par le centre de gravité (fig. il), nous projetons en -,- le centre de figure du rotor.
Soient a la distance constante des points y et y, Q et 0, les traces
.
sur ce plan des axes OQ et 00B ~ la distance du point ; au point Q,,
la distance supposée constante des points Q et O, 1 et ’ la distance
r, Q .
La force de rappel exercée par l’arbre flexible et les ressorts de
suspension sur le point y est égale, à chaque instant, à ai- et dirigée suivant "{01.
Nous pouvons la considérer comme la résultante de deux forces de rappel constantes :
La première égale à a (1 - p) et dirigée suivant (Q;
La seconde égale à a; et parallèle à Q() 1.
Si nous rapportons la position du point r à deux axes de cordon- nées rectangulaires O.X et passant par le point 0, de la figure et si nous supposons toujours l’angle 0 de la figure 7 assez petit pour que l’on puisse poser cos 0 - 1, les coordonnées x et y du
point ’1 ont pour expressions :
(Toù:
La masse du rotor étant M, la force centrifuge exercée sur le
centre de gravité iq a pour composantes, snivant Jes mêmes axes :
On peut la considérer comme la résultante de deux forces cons-
tantes appliquées au point -n :
La première égale à et parallèle à 0,Q ;
La seconde égale à M (Q - x)2 -,’ dirigée suivant Q-q.
Bien que le rotor considéré ne soit pas parfaitement de révolution autour de son axe naturel de rotation, nous admettrons, conformé-
ment à l’expérience, que les phénomènes gyroscopiques dévelop-
pent toujours une force F appliquée au centre de gravité par exemple, et au che111in lJarcouru par ce point, quel qu’il
soit.
Appelons :
S2’, la vitesse de rotation du rotor autour de son axe naturel de rotation ;
0’, l’angle que fait, à cliaque instant, l’axe naturel de rotation, au-
tour duquel tourne le rotor, avec l’axe instantané de rotation, autour
duquel tourne l’axe naturel ;
~’, la vitesse angulaire instantanée de cette dernière rotation ; l, la distance du centre de gravité r, au point fixe :
’ Nous pouvons considérer les points Q et ; de la figure 11 comme
tournant autour du point -t, avec une vitesse Q’, pendant que celui-ci décrit une épicycloïde autour du point 01.
Si le système ne tournait pas autour de -~, un observateur couché le long de l’axe 01} et regardant l’axe 00’ verrait les points Q et y immobiles par rapport à lui.
Si le système tournait avec la vitesse S?’ par rapport à Oui, il ver- rait, en particulier, le point Q décrire une circonférence autour de lui et, au bout de
chaque
tour, le point Q repasserait sur la droiteCherchons l’expression de l’angle que font entre elles les droites
et
Soient encore deux axes rectangulaires fixes O, X et O,Y, passant par le point 0,. Nous pouvons représenter la droite Q-1 par une
expression de la forme :
et la droite 0 ~ ~(. par une expression de la forme :
Si nous désignons par 9 et ~’ les angles qu’elles font avec l’axe O,X,
nous avons :
370
L’angle cherché est égal à i z, - 9’)’ d’où :
Soient X,, Y, les coordonnées du point Q; X2’ !i2 celles du point -rt.
Nous avons :
Nous avons, d’autre part, a’ =-- ~~2-, d’où: i
X2
Nous avons, par hypothèse:
Nous en tirons finalement :
dÔ
Les choses se passeront encore comme si le rotor tournait autour de son axe naturel de rotation, mais avec la vitesse(Q - 2oc), au lieu
de la vitesse (0 - oc).
Le mouvement du centre de gravité se décompose à chaque ins-
tant :
1° En une rotation autour du point O, effectuée à la vitesse a. Si r_,
nous désignons par r’ la distance nous avons sin 9’ =
r.
Laforce développée au point r~" par suite de ce mouvement, est égale à
I (0 - 9«) x
12
et dirigée suivant Nous pourrons la considé-rer comme la résultante cée deux forces constantes : L’une égale à 1 (0 - parallèle à QO, ; ;
L’autre égale à 1 (Q - 2a
ct 12
dirigée n suivant2° En une rotation autour du point Q effectuée avec la vitesse ( - x).
La force développée au point -rj, par suite de ce mouvement, est
,
égale à 1 (Q - 2al (1
- ) f"2
et dirigée suivant -r,Q.Les forces développées au point ~, par les effets gyroscopiques,
peuvent donc être représentées par deux composantes :
L’une égale In à 1 - 2’ x
{2
parallèle à,
L’autre égale à cl (Q -
2x) -
dirigée suivant -rQ.Pour qu’il y ait équilibre dynamique, il faut:
1° Que les sommes des composantes des forces dirigées, soit pa- rallèlement à soit suivant -qQ, soient nulles ;
f1° Que le moment, par rapport au point Q, des forces parallèles à QO~, soit constant.
Ce moment ne peut pas être constant, parce qu’il prendrait tou- jours du travail à l’arbre ou lui en fournirait, alors que, dans le cal-
cul précédent, nous n’avons considéré que des forces conservatives. · Il agira tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre, et fera varier, pen- dant la durée d’un tour la vitesse de rotation (Q - 2~) du rotor, au-
tour de son axe naturel de rotation.
Mais nous pourrons toujours supposer le moment d’inertie 1 assez
grand pour que ces variations de vitesse soient insensibles et que l’on puisse considérer la vitesse (Q - 2a) comme constante. Il suf- fira alors de remplir la première condition.
Elle se traduit par les deux équations suivantes, en posant :
d’où :
372
Lorsque la vitesse Q grandit de plus en plus, ces quantités tendent
vers les limites suivantes :
Quant à la flèche p, elle est encore donnée par la condition :
Elle tend vers 0 lorsque la vitesse croît de plus en plus.
Les et Q peuvent occuper les positions relatives indi-
quées en I, II, III, sur la figure 12.
FiG. 12.
Dans les deux premiers cas, le régime est stable. Dans le troisième,
il est instable. On s’en rend compte immédiatement.
Dans les calculs précédents, nous avons appelé p’ et à - N’ 1es dis-
tances des points -1 et ; au point Q (fig. 11 et 12), en les comptant positivement, dans des sens inverses, le long de la droite yQ-.
Pour que le troisième cas se réalise, il faut que :
i° Les quantités p’ et (Õ -- p’) soient de signes contraires, pour que les points ,, et -q soient situés du même côté par rapport au
point Q ;
21 La distance p’ soit plus petite, en grandeur absolue, que la dis- tance 1 - p . Il faut pour cela que p’ soit de signe contraire à à.
D’où les deux conditions:
1 Si la seconde condition est satisfaite, la première l’est nécessaire- ment.
Lorsque la vitesse Q grandit de pins en plus, la deuxième condi-
tion devient: .
ce qui est impossible.
Donc le régime deviendra toujours stable, lorsque la vitesse 0.
grandira de plus en plus.
Àqiilib?.eirs. autoniatiq;e.s. - Le centre de figure y décrira une épicycloïde autour de l’axe 00’ ; mais, lorsque la vitesse SZ grandira
de plus en plus, cette courbe tendra à se confondre avec une circon-
férence de rayon 5, ayant un centre sur l’axe 00’.
Comme nous l’avons déjà dit, il importe à la conservation du sys- tème que le rayon de celte circonférence soit très petit. Il faut donc
que le centre de gravité du rotor se trouve aussi près que possible de
son axe de figure. Mais cela ne suflit pas.
Bien que le centre de gravité fût sur l’axe de figure, celui-ci pour- rait décrire un cône autour de l’axe de rotation. Son point d’attache,
avec l’arbre, flexible, décrirait une circonférence autour de l’axe réel de rotation, dont le rayon ne serait pas nul.
Il faut donc, pour éviter la production continuelle de mouvements
vibratoires, que l’axe naturel de rotation du rotor, qui est un de ses
axes principaux d’inertie passant par son centre de gravité, coïn-
cide aussi parfaitement que possible avec son axe de figure.
Nous arrivons à obtenir, dans tous les cas, très sensiblement cette
coïncidence, au moyen des équilibreurs automatiques, dont nous
allons rappeler le principe.
Un équilibreur automatique est constitué par un tore creux, con-
centrique à l’arbre du rotor, et partiellement rempli de mercure.
Pour réaliser ce tore (fig. 13 et fig. 14," on pose à chaud, sur un
volant 1, une frette K, à l’intérieur de laquelle on a creusé une gorge circulaire.
Nous avons reconnu la nécessité d’amortir énergiquement les mou-
vernents du mercure, par rapport aux parois du tore. Pour cela,
nous disposons, à l’intérieur de l’équilibreur, une série de palettes
374
en acier b, h, ... Chacune d’elles est munie, du côté extérieur, d’une
très petite échancrure c, pour laisser passer le mercure, et, du côté
Fio.13. FIG. 14.
de l’intérieur, d’une échancrure c~, de plus grande section, pour lais-
ser passer l’air ou le liquide visqueux qui achève de remplir le tore.
Les tores pouvant n’avoir qu’une épaisseur très petite, nous en
superposons généralement plusieurs sur le même volant, afin d’aug-
menter l’effet utile de l’appareil (fi g. 15).
FIG. 15. ’I6.
La figure 16 représente une coupe faite, dans un équilibreur, par
un plan normal à un axe. Nous avons représenté en y, "f} et Q les
traces, sur ce plan, de l’axe de figure, de l’axe naturel et de l’axe réel de rotation.
Le point Q se trouve, comme nous l’avons vu, sur la droite "rr¡,
entre les points y et r,.
Si la figure tourne autour du point Q, la surface libre du mercure
a pour trace, sur son plan, une circonférence ayant son centre au point Q.
Le centre de gravité de la masse de mercure se trouve néces- sairement sur le prolongement de la droite Pf¡Q, de l’autre côté du
point Q, par rapport au point -r,.
Or nous pouvons considérer le rotor proprement dit, non compris
les masses de mercure, comme un rotor ayant son axe naturel de rotation passant par le point Q, auquel on aurait ajouté, en particu- lier, une masse additionnelle de déséquilibrage p située sur le pro-
longement de la droite à une distance À du point Q.
La masse de mercure de l’équilibreur produit la même action que la masse m de mercure, que contiendrait un disque plat ayant un dia-
mètre égal au diamètre extérieur du tore creux et une largeur égale
à celle de ce tore, le centre de gravité de cette masse se confon-
dant avec le point y.
En effet, si dans cette masse nous découpons le volume limité par
un cylindre ayant pour axe l’ave naturel de rotation et tangent aux parois du cylindre qui limite le tore, vers l’extérieur, il nous reste précisément l’onglet de mercure de l’équilibreur. Or toute la masse
ainsi enlevée était parfaitement équilibrée par rapport à l’axe réel de rotation, et ne pouvait exercer aucune action sur la position de ce
-dernier.
Donc, si nous appelons ~ la masse de mercure réellement conte- nue dans l’équilibreur, qui sera très petite par rapport à la masse 7?i,
et par x la distance de son centre de g ravité au point Q, nous au
rons la relation :
11 y aura équilibre lorsqu’on aura :
La masse fictivem pouvant ètre rendue très grande, la distance yQ
pourra être rendue très petite, parce que le produit u.~ tend vers une limite, lorsque l’axe réel de rotation se rapproche de plus en plus de
l’axe de figure, qui est naturellement très petite, pour peu que le ro- tor ait été soigneusement construit, Même s’il subissait de petites
déformations pendant la marche.
La masse de mercure se comporte donc comme une masse addi-
376
tonnelle, dont le centre de gravité va occuper de lui-même, sous
l’influence des forces d’inertie, la position voulue, sinon pour équili-
brer parfaitement le rotor, du moins pour réduire son désiquilibrage,
d’autant plus que l’équilibreur employé a un plus grand diamètre
extérieur et est plus large.
~
FIG. 17.
Comme il faut deux masses additionnelles, agissant en des points
distincts, pour ramener l’axe naturel de rotation d’un rotor en coïn- cidence avec son axe de figui e, nous devons disposer un équilibreur N
à chaque extrémité du rotor, comme il est représenté sur la figure 17,
où le rotor est supposé constitué par un assemblage de quatre roues distinctes L~, ..., 1.,, montées sur un même axe rigide.
Nous sommes désormais en mesure d’assurer, dans les meilleures
conditions, la rotation d’un rotor quelconque à une vitesse angu- .
laire 11 aussi grande que l’on voudra, pourvu qu’elle ne dépasse pas
les 3
de la plus petite des deux vitesses critiques propres du rotor et 4de l’arbre flexible qui le conduit, et pourvu qu’elle soit grande par rapport à la vitesse critique (jo du système constitué par le rotor et l’arbre flexible.
Mais il faudra toujours passer par cette vitesse critique (ù, soit à
la mise en route, soit à l’arrêt. A ce moment, comme nous l’avons vu, de fortes vibrations seront à redouter.
PassaJe de la vitesse w. -- Après avoir essayé divers pro-
cédés, pour empêcher ces vibrations de se produire, nous nous
sommes arrêtés au suivant, qui est le plus simple et le plus sûr.
377
La vitesse critique w sera toujours basse et égale
au 1
environ de 10la vitesse angulaire normale Q.
Il n’y aura donc aucun inconvénient à maintenir calés les coussi- nets supportant l’arbre, lorsque la vitesse Q sera comprise entre 0 et
2w, par exemple. Pour Q = 2w, les réactions exercées par le rotor,
sur ses points d’appui, seraient 25 fois plus petites que si la vitesse avait pris sa valeur normale, les coussinets étant demeurés calés.
Ce facteur est tellement grand que l’on conçoit sans peine la pos- sibilité de donner au rotor des portées très légères et capables néan-
moins de supporter les réactions dues à son défaut d’équilibrage, lorsqu’il tourne seulement à la vitesse 2w.
FIG. 18.
Les coussinets étant ainsi calés, il n’y a plus de vitesse critique (D
à passer. Lorsqu’on les décale, le rotor se met à tourner autour d’un
axe qui est déjà très voisin de son axe de figure. Nous avons vérifié expérimentalement que le fait de caler ou de décaler les coussinets, r
à une vitesse voisine de 2o, n’amenaitaucun trouble dans la marche.
378
La figure 18 représente la disposition adoptée dans notre appareil
d’essai.
’
Chaque coussinet est supporté par des ressorts R~, R2, R3, dont
les extrémités sont munies de vis de réglage S,, S,, S,, permettant de centrer parfaitement le coussinet.
Les déplacements du coussinet sont limités, vers le bas, par deux butées fixe T~, T 2’ qui s’approchent normalement de lui jusqu’à une
distance de Omm, 2 ou Ce jeu est suffisant.
Une troisième butée T 3 limite ces déplacements vers le haut, mais
celle-ci est mobile, et on peut la faire monter ou descendre, au moyen d’une tête de vis V.
En l’abaissant, nous forçons le coussinet à venir s’appuyer sur les-
butées inférieures et nous le calons ainsi. En relevant la butée T3,
nous lui rendons toute sa liberté.
Nous sommes ainsi obligés, pour caler les coussinets, de déplacer légèrement l’arbre du rotor, mais les jeux pratiquement nécessaires sont si petits que cela ne peut présenter aucun inconvénient. Rien
n’empêcherait d’ailleurs de rendre les butées mobiles, en les dispo-
sant comme les chiens d’un plateau « à centrer » de tour.
L’huile de graissage arrive au coussinet par un trou pratiqué dans
la butée mobile.
Cette disposition nous a fourni les meilleurs résultats. Il sera na-
turel de faire commander les déplacements de la vis par le tachy-
mètre de la machine, de manière que les coussinets soient calés ou
décalés aux moments voulus. On peut imaginer une infinité de sys--
tèmes cinématiques permettant d’assurer cette liaison.
coNcLusIoNs.
A la suite de nombreux essais de vérification, nous croyons pou- voir énoncer les conclusions suivantes :
On peut communiquer, en toute sécurité, à un rotor quelconque,
une vitesse angulaire de rotation atteignant les trois quarts de sa première vitesse critique propre, quelque élevée que soit cette der- nière.
Si le rotor repose sur des points d’appui élastiques, cette première
vitesse critique est suffisamment élevée pour qu’on puisse
faire des turbines à vapeur à une roule utilisant bien le travail dispo-