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" Perfectionnements aux purgeurs automatiques de vapeur "
L'invention se rapporte à un nouveau purgeur de vapeur et à une méthode pour son fonctionnement. Les buts de l'invention sont d'assurer une compacité, une efficacité, une grande capacité et un grand champ d'action en utilisant un accroissement de chaleur d'un
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écoulement de fùite du liquide qui s'écoule pour arrêter ou réduire cet écoulement.
L'invention a également pour but pour fermer un pur- geur à vapeur d'utiliser l'évaporation de la vapeur condensée, de préférence, à une température voisine de celle de la vapeur tout en maintenant le purgeur plein de vapeur condensée et en empêchant la vapeur d'atteindre le purgeur.
La vapeur condensés d'une installation à vapeur est continuellement évacuée à une petite allure et la vapeur condensée accumulée est évacuée, par intervalles, à une plus grande allure, l'une plus petite et l'autre plus grande que celle à laquelle se forme la vapeur condensée, en utilisant la chaleur de la décharge contenue à travers une chambre de détente, pour contr8ler la décharge inter- mittente et réglable, à soudait, en ouvrant une soupape lorsque la vapeur condensée qui la franchit est à basse tem- pérature (c'est-à-dire engendre une basse pression) et en fer- mant la soupape lorsque la vapeur condensée qui la franchit est à haute température (c'està-dire engendre une pression relativement élevée).
Les pressions actionnent un piston'creux, mince, fixé à cette soupape ou s'opposant à son action. Il est prévu un réglage, de l'extérieur, de la fuite ci-dessus du piston dans la chambre de détente. Ceci évite la nécessité de déterminer d'une façon absolument précise, pendant l'usi- nage, le jeu entre le piston et le cylindre.
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Le réglage de ce jeu s'obtient, ae préférence, en déplaçant un cylindre à extrémité conique le long de son axe. On évite le coincement du piston en position de fer- meture en chauffant uniformément le cylindre et le piston.
Un disque a'impulsion est placé sur le trajet du liquide qui 'écoule à travers la soupape du purgeur pour coopérer avec les autres organes à la fermeture de la sor- tie de la soupape.
On a représenté un petit nombre seulement des différents modes de réalisation de l'invention, en choisi- ssant cependant ceux qui,en service, sont pratiques et efficaces et qui illustrent bien la généralité de principe de l'invention.
Les installations de vapeur usuelles contiennent de l'air et de la vapeur d'eau condensée. De l'air se trouve dans l'installation à la mise en route et de l'air addi- tionnel pén ètre d'une manière quelconque particulièrement comme air dissous dans l'eau d'alimentation de la chaudière.
On appelle "vapeur d'eau condensée" l'eau produite lors- que la vapeur perd sa chaleur latente de vaporisation.
On prévoit une chambre de détente munie d'une entrée pour la vapeur de l'installation à haute pression et une sortie à basse pression pour une décharge (qui peut avoir une contre-pression) et une paroi mobile qui est, de préférence, un piston limitant la chambre. Le piston
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est continuellement au contact de la vapeur condensée et est de relié à une soupape/décharge.
Le rapport entre les dimensions de l'entrée et ae la sortie, les positions préférées et les particularités des orifices d'entrée et de sortie, les proportions de certaines surfaces embrassées et le fonctionnement de l'installation,comme ils sont actuellement réalisés,sont développés plus loin.
Les figures 1, 5, 11, 13,14, 15, 17 & 18 sont des coupes verticales longitudinales, quelques unes d'entre elles partielles, de purgeur de vapeur de différents modèles confor- mes à l'invention.
Les figures 2, 6, 16 sont respectivement des coupes suivant les lignes 2-2 de la figure 1, 6-6 de la figure 5,
1 6-16 de la figure 15.
Les figures 3,4, 8,12 sont respectivement des vues perspectives de différents pistons-valves représentés dans d'autres vues, la pièce de la figure 8 étant représentée en coupe .
Les figures 7 & 9 sont des vues en coupe de pièces qui se trouvent dans les figures 5 & 6.
La figure 10 est une vue en plan par en-dessus de la figure 9.
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Dans chacune de ces figures,
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-d /--'1Nd- SOè1:fJal1o comprend un corps creux, 15, dont l'intérieur est divisé en un compartiment d'entrée ou d'admission, 16, un compartiment de sortie ou d'échappement, 17, et une chambre de détente, 18. Une paroi percée de trous, 19, sépare les compartiments d'entrée et de sortie et une paroi mobile, 20, limite la chambre de détente 4 porte une soupape, 21, et contrôle la décharge à travers l'orifice de valve, 22. La chambre de détente 18 possède une entrée étranglée, en 23, pour le flui- de venant du compartiment d'admission et une sortie étran- glée, en 24, pour le fluide se déchargeant dans le comparti- ment d'échappement.
Le corps de soupape est fileté en 25, 26 et des raccords de tuyauterie existent en 27 & 28 pour des ins- tallations nécessitant l'emploi de la soupape.
Les organes décrits jusqu'ici sont communs à toutes les variantes.
Dans les figures 1, 2, 3,4 la chambre de détente 18 est formée principalement par la paroi de forme inté- rieure cylindrique, d'un capot amovible, 29, vissé sur le corps 15 en 30. L'orifice 22 est constitué par l'intérieur du siège,31,vissé dans la paroi 19, en 32.
Un piston-valve creux porte un piston, 34, monté de telle sorte qu'il laisse subsister un passage étranglé entre sa surface externe et l'alésage, 35, du capot, la soupape conique 21, une tige, 36, passant au travers du passage 22 et, dans quelques modes de réalisation, un disque d'impul- sions, 37, à petite aistance de l'organe constituant le siège.
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Le passage d'entrée étranglé de la chambre de détente se trouve, ici, autour du piston 34, les diamètres du pis- ton et du cylindre ayant des valeurs relatives telles qu'ils donnent l'étranglement voulu, qui, pour chaque cas particu- lier, peut être déterminé,par expérience. On peut faire un réglage di rect d'une telle installation dans les modes d'exécution représentés sur les figures 8, 11, 15 & 18.
La sortie étranglée 24 de la chambre de détente est, ici, un petit orifice, 38, aboutissant à un passage, 39, ménagé à l'intérieur de la soupape 21. Une partie, 40, en saillie sur le piston, bute contre le capot, en 41, étranglant ainsi la sortie, si la soupape est trop ouverte, forme une butée si la soupape est ouverte et empêche le disque 37 de fermer l'orifice 22 de la soupape.
Les figures 1, 5, 15, représentent en grandeur naturelle des purgeurs qui ont été exécutés et qui ont été essayés avec plein succès.
L'appareil représenté sur la figure est employé pour des pressions allant jusqu'à 42 kgs, et les pressions indiquées
2 sont en kilogpar cm . L'appareil fonctionne dans toutes les positions (côté droit en l'air, sens dessus-dessous, etc....) avec un jeu entre le piston et le capot de
12/100 de mm et avec un aiamètre de sortie, en 24, de 193/100 de mm.
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L'appareil représenté sur la figure 5 fonctionne avec succès à des pressions allant jusqu'! 17 kgs avec un jeu entre le piston et le capot de 7/100 de mm et avec un diamètre de sortie, en 24, de 106/100 de mm.
L'entrée de la chambre de détente ne doit-pas être assez grande pour écouler continuellement la totalité du minimum de condensation à travers la chambre de détente, parce que la vapeur s'échappera alors à travers la soupape.
Dans tous les modes d'exécution, la surface de la chambre de détente soumise à la pression qui est, ici, la section du cylindre, est plus grande que la surface soumise à la pression de la vapeur condensée (de l'ins- tallation) qui est, ici, celle de la surface du rebord inférieur du piston soumise à la pression, augmentée de la portion annulaire soumise à la pression de la soupape 21 (non comprise la tige 36) sur laquelle la vapeur condensée peut agir pour ouvrir la soupape. Lorsque la soupape est fermée, la surface entière de l'orifice 22 de la soupape peut être soustraite. C'est pourquoi la pression de la chambre de détente,(bien qu'inférieure à celle de l'instal- lation) s'exerçant sur une plus grande surface, peut, au moment convenable, fermer la soupape en surmontant la pres- sion plus élevée de l'installation.
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En marche, de l'avis de l'inventeur, la vapeur conden- sée s'écoule continuellement de l'installation dans la tuyau- terie 27 sur le coté du purgeur à haute pression, en le main- tenant plein de vapeur condensée sur une distance qui varie @@tant considérablement avec la vapeur à haute pression/au-delà de la vapeur condensée.
Au départ, l'air contenu dans l'installation sera écoulé à travers le purgeur tout d'abord et rapidement.. car il n'a pas d'excès de chaleur pour agir dans la chambre de détente et fermer la soupape.
La température de la vapeur condensée baissera depuis celle de la vapeur située à l'extrémité de la colonne d'eau sans que cette vapeur puisse jamais atteindre le purgeur et la soupape s'ouvre ou se ferme suivant que l'eau qui la franchit a une température relativement basse ou haute.
Lorsqu'une masse considérable d'eau de condensation s'est accumulée, cette masse étant à une température relati- vement basse par suite du refroidissement pendant l'accumu- lation, la pression qu'elle exerce contre le piston ouvre la soupape et l'eau s'écoule. Lorsque la température croit, la vapeur condensée s'écoulant par fuite dans la chambre de détente bien qu'elle ne produise pas de vapeur, à la pression de l'installation est assez chaude pour se vaporiser à la pression de la chambre de détente produisant un volume de vapeur et d'écume plus grand que celui de l'eau corres.
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pondante et, par suite, une pression qui ferme la soupape.
A cause de la vaporisation, la chambre de détente se remplit immédiatement d'un mélange à la pression due à l'évaporation.
Comme la vapeur condensée est maintenant sous forme d'écume due à l'évaporation" elle ne peut plus traverser la sortie, 38, à la même vitesse qu'elle avait auparavant lorsqu'elle était sous forme d'eau.
Le point de vaporisation est déterminé d'avance par le rapport des proportions entre les surfaces de pression au-dessus et en-dessous du piston et entre les surfaces d'en- trée et la surface de sortie (plus petite) de la fuite.
La soupape, sous certaines conditions,s'ouvre et se ferme, mais, la plupart du temps, flotte, car la température de la vapeur condensée,agissant sur le piston, oscille entre ce±la de l'eau très chaude, amenée par une rapide décharge, qui tend alors à fermer la soupape par grande pression dans la chambre de détente et celle de l'eau plus froide, mais encore très chaude, refroidie lorsque la vapeur condensée s'accumule, qui tend alors à ouvrir la soupape par pression sur le côté inférieur du piston. L'eau plus froide se vaporise moins rapidement dans la chambre de dé- tente et l'écoulement par des fuites à travers la sortie 24, dans l'intervalle, y réduit la pression.
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On peut faire en sorte que, lorsque la soupape est ouverte complètement, elle ferme ou restreigne l'orifice de sortie 24, en rapprochant celui-ci de la surface intérieure 41 ; ce qui augmente le flottement de la soupape.Lorsque le flux de vapeur condensée . travers la soupape ouverte tend à la maintenir ouverte, la percussion du fluide contre le disque 37 tend à la fermer en augmentant le flottement. Si la soupape se coince et si la vapeur y parvient à tort, la percussion sur le disque 37 s'accroît immédiatement dès que la vapeur commence à arriver et la soupape se ferme.
Normalement, le purgeur doit laisser échapper l'aan à une température aussi élevée que possible et à une pres- sion aussi voisine que possible de celle de l'installation, sans permettre à la vapeur de parvenir au purgeur et à une température inférieure de 6 C environ à celle de la vapeur.
Pour obtenir ce résultat, il faut que la surface de la chambre de détente, d'où dépend la fermeture, soit aussi peu inférieure que possible à la surface soumise à la pres- sion da laquelle dépend l'ouverture.
Le poids de la soupape, soit qu'elle est abaissée @@ pour produire la fermeture, le flottement et la contre-pression dans la chambré 17 entrent aussi en ligne de compte.
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On va maintenant chercher la relation entre les pressions et les surfaces d'écoulement de fuite.
1 2 1 2
Soit d , d les densités, a , a , les surfaces
1 2 d'entrée et de sortie de la chambre de détente, P , P , 3 P les pressions absolues dans l'espace d'entrée, dans la chambre de détente et dans l'espace de sortie du purgeur,
1 2 t, t les températures de la vapeur condensée lorsqu'elle parvient à l'entrée et de la vapeur saturée à la pression
2 1 P , A & A les sections du piston et de l'orifice de la sou- pape, W le poids de la valve.
1 2
Si t est plus grand que t , la vapeur se forme dans la chambre de détente, d'où résulte un volume spécifique correspondant plus grand et une densité plus petite à la sortie de la chambre de détente, variant en dépendance de
2 1 l'excès de chaleur. P croit quand t augmente.
On supposera pour le moment que la soupape soit ver- ticale; lorsqu'elle est fermée, elle est maintenue en posi"
2 tion de fermeture par une force (P A * W) qui, pour mainte- nir fermée la soupape, ne doit pas être moindre que la force (P (A-A ) + P A), par laquelle -il- est sollicité pour
1 1 3 1 s'ouvrir.
1
Lor sque la soupape est fermée, et, par conséquent,
2 P2, tombent progressivement à cause de l'accumulation de la vapeur condensée jusqu'à ce que la force, qui s'ouvre dans le sens de l'ouverture,dépasse celle qui assure la fermeture, soulève@ que la soupape et/la vapeur condensée s'échappe. La vapeur condensée s'échappe plus vite à travers la soupape ouverte
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1 2 qu'elle ne s'accumule et t & P augmentent tous deux (bien que la vapeur vive n'atteigne pas le purgeur) jusqu'à ce que la soupape se ferme à nouveau.
Pendant que la soupape est ouverte, la surface de soupape soumise à la pression est plus grande et, par suite, la force qui tend à l'ouvrir est accrue. Une partie au moins de cet effet est compensée par l'action due au aisque d'im- pulsion, 37. La longueur de la tige empêche le aisque de fer- mer l'orifice de la soupape, mais le disque peut être étran- gl- la sortie.
Ordinairement, il n'est pas nécessaire de guider l'extrémité inférieure de la soupape pour l'empêcher de vibrer à travers l'orifice 22 lorsque la soupape est ou- verte. La vibration présente quelques avantages pour l'en- lèvement de corps étrangers et le décapage. Le guidage a aussi un avantage pourvu qu'il n'en résulte ni obstruction de l'orifice 22 ni coincement de la soupape.
Les études sur les purgeurs ont montré que les rap-
1 1 2 ports entre A et A, entre a , a , tous deux importants et
1 1 2 entre A/A et a /a peuvent avoir des valeurs très aiffé- rentes et que le rapport entre les dimensions de l'entrée sont et de la sortie de la chambre de détente est tels que, à égalité de densités et de coefficients de décharge
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1 2 et d /d est égal à l'unité s'il n'y a pas de vaporisation de vapeur condensée à l'intérieur de la chambre de détente.
En appliquant la formule ci-dessus, on trouve que, avec 21 kgs de pression de vapeur a1/a2 )2 étant égal à 3,
P2 peut être compris entre 16 & 18 kgs, tandis que (a1/a2)2 étant égal à 0,04, P peut être compris entre 1 kg, 8 et 18 kgs, 6. Cependant, avec ae faibles pressions dans la chambre de détente comprises entre 1, 9 et 2 kgs 1, le rapport 1 2 entre l'entrée et la sortie devra être tel que (a la) ait une valeur plus petite que 0,04. Les soupapes dans lesquelles
1
A/A a pour valeurs respectives 4 et 1,04, d'accord avec la théorie, déchargeront automatiquement respectivement 'à haute et basse température et opéreront avec les mêmes surfaces d'entrée et de sortie de la chambre de détente.
1
En donnant à A/A un rapport de 4 à 1, on obtient un résultat satisfaisant, mais, même un rapport plus faible peut être préférable dans certains cas.
Avec une pression de l'installation de 21 kgs, il est désirable que la pression de la chambre de détente pour la fermeture de la soupape soit inférieure à 3 kgs 5 à la pression de l'installation et que la température de cette chambre soit inférieure à 6 C environ à celle de la température de la vapeur saturée.
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La. surface effective de l'entrée devrait alors, de préférence, être égale à environ une fois et demie celle de la sortie.
Le prolongement de la tige à travers l'orifice de la soupape empêche la vapeur condensée à la pression de l'installation d'atteindre complètement le dessous de la soupape, ce qui est désirable même si on n'emploie pas de disque d'impulsion, comme on le voit en 42 sur la figure 4.
Dans les autres figures, les organes similaires à ceux qui ont été décits précédemment portent les mêmes désignations avec indices,/lorsque leurs fonctions sont les mêmes que dans les précédentes figures, ils ne sont pas décrits spécifiquement.
Dans lesfigures 5, 6, 7, 8, 9 & 10, la vapeur conden- sée entrant dans le purgeur doit passer à travers un crible de matières étrangères comprenant des rainures, 43, dans une crépine, 44, munie de nervures annulaires, 45, assemblées
1 par des nervures, 46, au capot, 29 .
1
La soupape 21 â un large alésage de piston, 47, un plus petit alésage de connexien dansla tige, 48, plus
1 près de la tige et une sertie, 24 . Le disque d'impulsion 371 , /amovible étant vissé sur la tige 36, en 49, piston.
1 @ non étanche, 23 , forme entrée -et la chambre de détente/est utilisée ici comme dans les figures 1, 2,3 & 4.
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Une chambre de détente et les parois du piston sont, ici, séparées du capot et sont complètement entourées par de la vapeur condensée. Elles forment un ensemble avec un siège
1 de valve, 31, vissé dans le corps 15 en 32 et une paroi cylindrique, 50, munie d'ouverture? en 51, au-dessous de la chambre de détente et vissée, en 52, à un chapeau, 53.
La soupape des figures 5, 6, 7, 8, 9 & 10 fonctionne de la même manière que celle desfigures 1, 2, 3, 4, sauf que le piston lui-même remplace la partie en saillie 40 dans son office vis-à-vis du chapeau. Le cylindre et le piston sont maintenus à chaque instant aux mêmes températures. Dans ce mode d'exécution, on peut régler le disque d'impulsion. Le purgeur de la figure 11 est inversé; ce qui est possible par- ce que les purgeurs ne doivent pas agir par gravité. L'entrée et la sortie de la chambre de détente sont placés entièrement au travers des parois fixes de la chambre de détente. En corrélation, l'écoulement de fuite entre le piston 34 et l'alésage 351 n'est pas nécessaire et le piston comprend des anneaux, 54, séparés par des rainures, 55.
2 2
L'entrée, 23 et la sortie 24 sont ajustables et sont contrôlées par des soupapes à aiguilles, 56 & 58, et des vis à bouton moleté, 57 & 59.
Le fonctionnement est le même que dans les premiers mode;( d' exé cut ion.
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Dans la figure 13, le diaphragme, 60, est boulonné, en 61, entre les pièces, 62 & 63, d'une cage de diaphragme,
3 64. La soupape, 21 , passe à travers l'ouverture, 65, et est
3 maintenue par un écrou, 66. La soupape 21 confient, ensemble,
3 3 l'entrée 23 à travers un passage 67 et la sortie, 24 à travers un passage 68. Le fonctionnement est, en général, semblable à celui des autres modes d'exécution.
Il n'est pas nécessaire que l'échappement de la vapeur condensée soit continu.
Dans la figure 14, un élément bi-métallique thermos-
4 tatique, 69, est fixé en 4 70, à l'intérieur du capot, 29 , et porte une soupape, 21 , qui agit sur l'extrémité supérieure
4 de la sortie 24 . Lorsque la température de la vapeur conden-
4 sée est élevée, le thermostat dilaté ferme la sortie 24 lorsque le piston occupe une position élevée.
Lorsque la vapeur d'eau condensée se refroidit au- dessous a'une température déterminée à l'avance, la sortie
4 24 s'ouvre et la soupape fonctionne comme dans les figures 1, 2, 3.
Dans le mode d'exécution représenté sur les figures 15, 16 & 17 se trouve un corps, un siège de soupape et un élément combiné de piston et de soupape qui peuvent être i- dentiques à ceux des figures 1 à 4,(excepté pour l'alésage du piston-valve de la figure 17) avec un capot différent
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permettant à la vapeur d'eau condensée d'entourer complète- ment les éléments de cylindre, comme dans les figures
5, 6, 7 & 8 et au moyen duquel les parois du cylindre et le - piston sont maintenus à chaque instant aux mêmes températures.
L'intérieur du cylindre est de forme conique, de manière qu'en déplaçant le cylindre longitudinalement pendant le fonction- nement, le jeu du piston peut être réglé pour toute position et peut être réglé de façon à augmenter ou réduire le passage d'écoulement de fuite avec le mouvement du piston.
Dans les figures 15, 16, 17 & 18,1 le 2 capot, 71, vissé au corps en 72, porte une cloche, 73, 73 , 73 , ajustable longitudinalement dans l'intérieur du capot au moyen de tiges
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.
Ffles6es 74. Les tiges portent une encoche, en 75, pour y engager un tournevis ; sont ajustées et fixées en posi- tion par des écrous, 76, et sont couvertes,pour éviter les fuites, par des couvercles, 77, qui sont aussi vissés sur les tiges et s'appuient contre les capots. L'intérieur de la cloche forme le cylindre, un cylindre conique vers le haut et vers l'extérieur, 78, dans les figures 15 & 16,
1 un cylindre conique vers le bas et vers l'extérieur, 78 ,
2 dans la figure 17 et un cylindre à alésage droit, 78 , aans la figure 18.
Le cylindre est à minces parois et est entouré par de la vapeur d'eau condensée, comme dans la figure 5. Le maintient des mêmes températures, ausmêmes instants pour le 'cylindre et le piston assuré de ce fait évite le coincement
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du piston et maintient sensiblement le même jeu (et le même écoulement) pour la même position des soupapes en tout temps.
Le fonctionnement de l'appareil représenté dans les figures 15 & 16 est exactement celui de l'appareil représenté dans les figures 1, 2, 3 & 4, sauf qu'il faut beaucoup moins de soins pour déterminer la tolérance de réglage init ial du piston et que l'écoulement au-dessus du piston augmente vite (lorsque le piston monte et que la soupape s'ouvre davantage) obligeant le piston-valve à s'arrêter plus tôt, à cause de l'accumulation croissante de la pression dans la chambre de détente.
Dans la figure 17, les directions de courant d'entrée et de sortie sont inverses de celles des figures précédentes, ce qui a pour résultat que l'entrée est située au travers du piston-valve et en aehors de la chambre de détente au-des- sus du piston. la pannage 38, qui est maintenant un passage d'entrée, est exécuté plus large, afin de constituer une chambre pour une tige, 79, qui y est placée et y coulisse ou qui est portée par l'écrou, 74, qui supporte le cylindre. Ce dis- positif n'assure pas seulement un orifice intérieur plus large
1 38 , agissant maintenant comme un orifice annulaire, mais permet d'avoir une ouverture libre de matières étrangères, grâce aux mouvements relatifsdu piston-valve et de la tige.
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Comme le courant de fluide est maintenant renversé, ' il s'ensuit que le cylindre est en forme de cônnverse de celle des figures 15 & 16, de sorte qu'avec le mouvement d'ouverture du piston-valve, c'est la sortie qui est res- treinte au lieu que ce soit l'entrée, l'écoulement étant augmenté, comme dans les figures 15 & 16.
Dans la figure 18, le cylindre n'est pas conique, mais, avec la même direction de courant de fluide que dans la figure 17, @n avantage similaire eàt celui de cette figure est assuré en donnant à la tige, 79 , une forme conique et en la déplaçant en même temps que la tige supportant le cylindre.
Dans les figures 17 & 18 l'avantage est similaire à celui des figures 15 & 16 et le retardementmprogreesif du mouvement d'ouverture du piston-valve est obtenu respec., tivement par la réduction de la sortie et l'élargissement de l'entrée à travers la soupape, au lieu d'être obtenu par un élargissement progressif de l'entrée de la fuite au- dessus du piston dans les figures 15 & 16.