(35a) Rebonds interplanétaires et turbine de Pelton

Les mots les plus significatifs de la découverte ne sont pas "Eureka, j'ai trouvé", mais "Hmmm. C'est curieux."                Anonyme

Lester Pelton

Lester Pelton, inventeur du dispositif, naquit en 1829 à Vermillion, Ohio, sur les rivages du lac Erie. En 1850 il se joint aux chercheurs d'or de Californie et devient pêcheur sur le fleuve Sacramento. Vers 1853, il abandonne ce métier et commençe à travailler dans les mines d'or de Camptonville, ville du Nevada dans la "Grass Valley", sur les rives du fleuve Yuba, dans une région dite "basin aurifère original" ("mother lode"). En 1864, il est charpentier et meunier.

à cette époque, la recherche de l'or était passée du stade artisanal, le tamisage des graviers des criques, à l'exploitation des roches dures et au traitement massif du minerai. Il en fallait de la puissance pour actionner les "broyeurs" de minerai, pour injecter de l'air dans les tunnels des mines et, plus tard, pour fournir électricité et air comprimé ! Quelques mines utilisaient des moteurs à vapeur, mais il leur fallait en permanence un important approvisionnement en bois de chauffage.

Les cascades des montagnes pouvaient aussi fournir l'énergie désirée : elles étaient d'une grande hauteur mais étaient limitées en quantité. A la place des aubes lentes et inefficaces traditionnellement employées pour les moulins à farine, qui ne néscessitaient pas une grande puissance, il fallait utiliser énormément d'eau, pour actionner des turbines munies de roues à godets. Ces derniers recevaient un rapide jet d'eau issu d'un réservoir situé en hauteur, installé par les propriétaires des mines.

D'après un article de W. F. Durand, rédigé en 1939 à l'université de construction mécanique de Stanford, l'invention de Pelton est partie d'une observation fortuite, en 1870 . Pelton regardait la rotation d'une turbine à eau dont la roue,désaxée, était devenue dissymétrique. Le jet ne frappait plus les godets en leurs centres, mais près de leurs bords (dessin) ; L'eau, au lieu de cesser de s'écouler, était maintenant guidée sur un demi-cercle, ressortant en direction opposée. Etonnamment, la turbine se déplaçait maintenant plus rapidement !

Rebonds interplanétaires, à nouveau.

v_final = –u + 2v = +20 + 40 = 60 mph

v_final = –u + 2v

1. La balle se déplace de gauche à droite et le mouvement de la raquette lui est opposé. (– u) et v sont donc tous deux des valeurs positives, et la valeur de v finale est toujours supérieure à v initiale (– u). L'énergie finale
   E_final = (m/2) (v_final)²est augmentée.
   
   
2. La raquette est immobile. Ainsi v = 0 et
   v_final = –u La vitesse finale et la vitesse initiale ont la même valeur et seule la direction est renversée. L'énergie reste inchangée.
   
   
3. La balle et la raquette ont toutes deux la même direction, de gauche à droite, mais la balle rattrape la raquette, u et v sont négatifs. La vitesse finale
   v_final = –u + 2v est la somme d'un nombre positif (- u) et d'un nombre négatif (2v). Sa valeur est donc inférieure à (- u) : la vitesse initiale de la balle est ralentie. Son énergie est réduite.
   
   
4. En particulier, si v = u/2, un nombre négatif (par exemple v = –10 mph dans l'exemple donné), alors
   v_final = 0 et la balle rebondit, privée de sa propre vitesse.
   

L'énergie perdue correspond quelquefois exactement à ce qui est souhaitable. Supposons qu'il faille envoyer une sonde scientifique sur le soleil. Après avoir échappé à l'attraction terrestre, un vaisseau spatial orbite autour du soleil à environ 30 km/sec, et pour échapper de plus au système solaire, il lui faut une poussée supplémentaire d'environ 12 km/s. Il est beaucoup plus difficile d'atteindre le soleil lui même : le vaisseau spatial doit annuler complètement (au moins) la vitesse qu'il possède sur son orbite péri- solaire, ce qui exige une poussée de 30 km/sec à en sens inverse. Cette vitesse étant annulée, il tombe sans contrainte sur le soleil.

Pour la sonde solaire de la NASA destinée à approcher le soleil à moins de 4 rayons solaires (environ 2% de la distance Soleil -Terre), ce sont les mêmes exigences. Il faut compter avec la puissance de la fusée : la manière la plus économique de réaliser cette mission (mais pas la plus rapide) est d'envoyer le vaisseau spatial vers Jupiter, 5 fois plus éloigné du soleil. Elle exécuterait alors une boucle serrée autour de cette planète, la rattrapant de telle manière que pratiquement toute sa vitesse orbitale autour du soleil soit perdue, et tomberait alors vers le soleil.

Le fonctionnement de la roue de Pelton

Le comportement mécanique d'un vaisseau spatial rencontrant une planète mobile dans l' alignement de son trajet, est très semblable à celui du jet d'eau frappant sous environ 180° le bord du godet hémisphérique d'une roue de turbine, (dessin).

Si le godet ne peut se déplacer, le seul effet est de renverser la direction du jet. Mise à part la perte d'une certaine énergie due au frottement, l'énergie du jet, et l'importance de sa vitesse, restent identiques .

En particulier, si la palette se déplace dans le sens du jet d'eau et moitié moins vite, l'eau perd alors toute vitesse ( en négligeant le frottement) et ne fait que ruisseler hors de la palette en mouvement.

Mais l'énergie totale est toujours conservée. Mis à part les pertes dues aux frottements (converties en chaleur), l'énergie cinétique du jet est transformée en énergie supplémentaire destinée à la rotation de la roue de la turbine, qui accélère son mouvement, ou à actionner éventuellement les machines annexes. Si la vitesse du jet est deux fois celles des palettes, presque toute son énergie peut être convertie au rendement utile.

[La turbine De-Laval ne remplit pas facilement cette condition, c' est un problème. Bien que le jet de vapeur convertisse très efficacement l'énergie calorifique, la vitesse de la roue de la turbine devrait être la moitié de celle du jet, pour être efficace. Mais le jet est supersonique et s'il se déplace au double de la vitesse du son, la périphérie de la turbine devrait se déplacer à la vitesse du son, plutôt rapide pour un engin aussi puissant !

 Les turbines à vapeur modernes utilisent un assemblage de plusieurs lames. La première n'extploite qu'une partie de l'énergie, et le jet qui en sort est encore tout à fait rapide . Puisque ce jet se déplace alors en direction opposée, il doit être renversé pour fournir l'énergie complémentaire à une deuxième série de lames. Cela est réalisé par un autre ensemble de lames fixes, faisant corps avec le bâti de la turbine. Comme pour le cas du #2 ci-dessus, ce genre de lames ne diminuent en rien l' énergie. ]

Après 1870, Pelton a affiné sa conception, aboutissant finalement à un double godet avec une cloison " diviseur " triangulaire au milieu, dédoublant le jet moitié à gauche, moitié à droite. (vous pouvez approcher de cette conception en formant une cupule avec vos mains dirigées vers le haut, et en réunissant les ongles en cloison . Au cours des hivers 1877 et 1878, il a étudié des turbines de différentes tailles, y compris de très petites, pour actionner la machine à coudre de sa propriétaire (cela a fonctionné, mais la conception pratique était difficile). En 1880 il breveta son invention.

Pelton entreprit alors de vendre ses turbines, sans grand succès jusqu'au printemps 1883, jusqu'à ce que la compagnie d'exploitation de l'Idaho, dans la Grass Valley, comté de Yuba, en Californie, compare différentes conceptions, pour sélectionner avant acquisition. La turbine de Pelton a gagné avec une efficacité de 90.2%, tandis que les trois turbines à eau concurrentes n'atteignait que 76.5%, 69.6% et 60.5%. Les ventes se sont ensuite énormément développées, et en 1888 Pelton et quelques associés fondent à San Francisco la "Pelton Water Wheel Company", qui augmenta encore la production.