Un Turbopropulseur pour avions légers...

[Philippe Dejean]

Bonjour,

Même si ça peut aider au développement de ton turbomoteur, j'ai du mal à considérer comme une bonne nouvelle que le drone de surveillance soit un marché des plus porteurs...
Bien sûr, la surveillance des départs de feu dans les forets pourrait être une application utile, la surveillance des côtes pour acclérer les secours aux naufragés aussi, mais je ne crois pas que ce soient ces applications qui soient les plus porteuses de crédits...

J'ai essayé de me représenter ton moteur en "repliant" (mentalement) les deux échangeurs vers le bas (l'échappement se faisant alors sous les pieds des pilotes et copilote, comme l'évacuation des gaz d'échappement et de l'air de refroidissement d'un moteur à pistons en disposition classique). Il me semble que cette solution tient la route aussi en terme de tuyauterie et permet de réduire la largeur et de mieux profiler le capotage... d'un monomoteur, surtout s'il s'agit d'un monoplace ou d'un biplace tandem (CP20, CP40, CP70, CP90...)
Pour un bimoteur, dont les moteurs peuvent être en grande partie "noyés" dans les ailes (surtout si elles sont assez épaisses !) ta disposition est certainement la meilleure.

D'autre part, dans un autre sujet, j'envisageais un quadriplace de voyage en trimoteur. Là encore, ton moteur me semble parfaitement dimensionné (reste à en connaitre le prix, mais c'est forcément un peu tôt même si tu vises moins cher que les diesels industriels dérivés de l'automobile...)

Bons Vols

Philippe Dejean

[Dumont]

Bonjour à tous,

Félicitation pour les travaux que vous avez effectué. Continuer, ne vous arretez pas!

Je travail également sur un projet ayant le même objectif (voir article d'Info pilote publié sur votre forum) mais avec une approche différente : pour péréniser le projet je mise beaucoup sur l'autonomie de réalisation.
Coté amélioration du cycle thermique, je préfére, l'effet Seebek à l'échangeur; il faut tout essayer, chacun son truc!!!
Je ne pense pas que l'on puisse dire qu'il y ait concurrence, au contraire, plus il y aura d'acteurs et plus il y aura de chance de réussite!
Le secteur est très difficile, j'ai en mémoire Innodyn (US) qui avait un produit fini, mais qui apparament à louper la marche de la production en serie... je n'en entend plus parler!
PBS à un très bon produit (pas extrémement performant, mais bien construit et industrialisé!)

Je serai intérresse de vous rencontrer ne serais-ce que pour se présenter et mieux se connaitre?

Eric Dumont

[Philippe Dejean]

Bonjour,

Si je ne me trompe pas, l'effet Seebek fait bien référence à la thermoéléctricité.

Si ces techniques ont débouché sur des applications intéressantes, comme un récepteur radio alimenté par un générateur thermoélectrique de quelques watts en forme de tore enfilé sur le verre d'une lampe à pétrole ou à huile : (éclairage de la maison + informations sans aucune pièce mobile et sans entretien)
Je n'ai pas souvenir d'applications de forte puissance et de forte puissance massique.

Un générateur thermoélectrique de 150 à 300 watts utilisant la chaleur des pipes d'échappement serait peut-être une solution intéressante pour remplacer l'alternateur d'un un avion léger, à condition de ne pas être trop lourd...

Mais pour plusieurs dizaine de kW, je suis curieux de voir ce qu'on peut faire...

Bons Vols

Philippe Dejean

[Dumont]

C'est exacte il s'agit bien de thermoélectricité.
L'objectif est bien un générateur type "alternateur" est non pas une moteur hybride.
L'augmentation de performances reste très modeste et s'appuis sur les idées suivantes :
- pour entrainer un alternateur de 500 W(mécanique~=electrique) avec un moteur de rendement 33% (plutot bon!) il faut dépenser 1500W (carburant)....
- si on préléve ces 500 W sur les pertes du moteur, même avec le plus mauvais rendement possible (les pertes sont tout de même de 66% de la puissance mécanique!!!); on récupére donc 2000 W (1500 W carburant non consommé et 500 W éléctrique qui de toute facon était perdu)!
- Biensur, reste à voir le poids,
- Et ce raisonnement est aussi valable sur le moteur de Damien Fauvet!
Mais le plus important.... c'est de le faire!!!

A propos, Il n'y a pas eu de message de Damien Fauvet depuis presque 1 ans, son moteur est toujours sur les rails?

Au plaisir de vous lire

Eric Dumont

[Philippe Dejean]

Bonjour Dumont,

Par son type de fonctionnement, la machine synchrone utilisée en générateur peut avoir un rendement autour de 99%
(c'est le cas des alternateurs de centrale électrique pour lesquels le rendement le plus élevé est demandé, non pas tant dans le but d'améliorer le rendement global que pour limiter la puissance calorifique à évacuer de l'alternateur dont la température doit rester faible)
Chaque pourcent de pertes dans un alternateur de 1500 MW, vaut 15 000 kW de chaleur (équivalente à 7500 radiateurs souflants de 2000 watts) à extraire du volume d'un cylindre de 4 m de diamètre et de 15 m de long...

Dans un alternateur automobile ou d'avion léger dont la puissance est 3 millions de fois moindre, le refroidissement n'est pas un problème et le coût de fabrication est un critère bien plus important que le rendement énergétique (qui n'est de toute façon que marginal par rapport à la consommation globale du véhicule).
C'est pour celà que la quantité de cuivre est limitée au strict minimum, quitte à rendre la résistance du fil de cuivre un paramètre important des performances de l'alternateur.
Le rendement propre d'un alternateur automobile dépasse rarement 70% à la meilleure charge, et en comptant la transmission par courroie trapézoIdale inadaptée aux faibles charges, un rendement global de 50% est rarement atteint.

Si on rajoute que :
- entre les pertes à la charge et à la décharge d'une batterie au plomb, on ne récupère à la décharge que 70% de l'énergie dépensée pour la charge,
- que pour résister aux vibrations du véhicule et au fonctionnement cyclé (clignotants mais aussi feux de route/feux de croisement) on limite la température des filaments de tungstène des ampoules,
On voit que le rendement global du système électrique d'une automobile est désatreux !

Pour un avion léger, qui utilise le même système courroie trapézoidale-alternateur-ampoules, la situation est comparable.

Les voies d'améliorations sont multiples.

Côté consommation, les feux à leds et les phares d'atterrissages à leds ou à lampes xénon, les feux à éclats permettent de gagner 50 à 75% de la consommation d'éclairage.
Mais même si les consommations unitaires sont relativement faibles les équipements avioniques de plus en plus complets et le rétroéclairage des écrans a plutôt tendance à faire augmenter la consommation.

Côté production, on peut remplacer la courroie trapézoidale par une courroie type poly-V ou équivallente dont les pertes à faible charge sont nettement plus faibles.
On peut aussi aller plus loin en remplaçant les alternateurs médiocres par des machines à aimant permanents (et les régulateurs associés)

J'avais fait aussi le projet de remplacer l'alternateur et sa transmission par un stator auto-induit sous forme de peigne utilisant la couronne du démarreur comme rotor à reluctance variable.
Le rendement de cette fraction de générateur homopolaire de type "roue chantante" n'aurait pas été merveilleux (70% environ) mais le rendement de transmission aurait été de 100%,
et surtout le poids de l'appareil lui-même aurait été de l'ordre de 200g pour 250Watts environ... mais le manque de temps...

On peut aussi diversifier la production :
- Un petit panneau solaire (30 x 30 cm) produit environ 10 watts. c'est peu, mais pour un avion parqué des heures dehors, c'est le moyen d'avoir une batterie bien chargée au démarrage... ça peut aussi être une aide précieuse pour lancer un appel radio en cas de perte de la génération électrique en vol.
- le bon vieux moulinet de secours bricolé à partir d'un moteur à courant continu (ne pas oublier la diode) et une soufflante de modèle réduit électrique à réaction peut aussi être une aide dans les cas graves.


La thermoélectricité récupérant une petite partie de la chaleur de l'échappement est également une voie intéressante, mais il faut faire attention à la puissance massique qui, si je ne me trompe, est assez faible...

Compte tenu du rendement déplorables des installations classiques qui ne dépasse souvent pas les 10 à 15% (rendement de 30% du moteur et rendement moyen de 40% entre la puissance prise au vilebrequin et la puissance utile sous forme électrique), et la gratuité de la chaleur perdue au niveau des pipes d'échappement, la consommation de carburant par heure de vol est de l'ordre de :
200 watts (moyenne) x 3600 secondes = 720 kj
720 kj/ 10% (rendement global de conversion) = 7200 kj
comme un gramme d'essence contient environ 50 kj, on arrive à une consommation horaire de 144 g (soit 0,2 litres) par heure soit encore 400 litres sur la durée de vie du moteur

c'est dans cette marge de poids et de coût que le générateur thermoélectrique doit apporter un plus.


Bons Vols

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Bonjour à tous,

Voici quelques nouvelles du projet, sur lequel je travaille toujours, je vous rassure.

En fait, dans mon projet, il y a 2 grands chantiers :

1) Le développement d’un échangeur haute température capable d’être fabriqué en série et dont le coût est compatible avec une production « grand publique ». C’est pour cette partie que nous avons touché une importante subvention du Ministère de la Recherche. C’est la clef de la réussite du projet !

2) Ensuite, pour valider le fonctionnement des échangeurs, nous développons un petit turbomoteur de 50 kW. C’est de la belle mécanique mais, contrairement aux échangeurs, c’est du déjà vu. En effet, il y a beaucoup de petites turbines de cette taille en service (APU, génération électrique fixe, turbopompes, etc). Les technologies sont maitrisées depuis les années 50 et c’est ce type de moteur qui, associé aux échangeurs, possède des caractéristiques remarquables de fiabilité (les APU ont un potentiel de plus de 20 000H),de faibles coûts d’exploitation, de légèreté et une grande versatilité puisque poly-carburants.

Donc, ces derniers mois, nos efforts ont porté sur le développement, l’optimisation et l’industrialisation des échangeurs : et cela semble gagné ! Nous arrivons à fabriquer des pièces monolithiques étanches, avec quasiment toutes les caractéristiques désirées (nous devons encore réduire un peu l’épaisseur des canaux pour passer de 0,45 mm à 0,2 mm afin d’optimiser le rendement et diminuer le poids des 4 modules d’échangeur). Mais surtout, le coût objectif est respecté et si tout se passe bien, le prix du turbomoteur sera comparable à un moteur a piston essence aéro neuf (Lyco ou Conti). !

En parallèle, j’ai dû reprendre le design du turbomoteur. En effet, au départ du projet, je suis parti d’une feuille blanche, en dessinant entièrement mon propre moteur. A part quelques éléments (rouet de compresseur Garret), tout devait être fabriqué sur mesure ! Afin de limiter les coûts, un amis qui possède une société d’usinage a accepté de me réaliser la cinquantaine de pièces composant le moteur et ce, gratuitement… super gentil ! Malheureusement (pour moi), sa société a énormément de commandes à honorer et il n’a pas le temps de fabriquer mes pièces…snif !
J’ai donc pu faire réaliser 25% du moteur « en perruque », mais le prix des pièces prototypes étant ce qu’il est, je ne suis pas en mesure de financer le reste chez un usineur (ben oui parce que je me suis payé un 4 en 1 pour l’Emeraude)… re-snif !
J’ai donc décidé de repartir (presque) à 0 sur la turbine, en redessinant un moteur autour d’un turbocompresseur Garrett GT4294 pour le corps HP et de réutiliser les rouets de turbine de mon précédent « gros » réacteur pour le corps BP (coup de bol, ces rouets sont parfaitement adaptés et j’en ai 4 à disposition). Cela limite beaucoup le nombre de pièces spécifiques à faire fabriquer (tout en ne dégradant que peu les perfos et la masse). Du coup, le coût de fabrication est en nette diminution…
Par contre, pour le réducteur qui doit démultiplier la vitesse de 65 000 tr/min (corps BP) à 2300 tr/min (hélice), pas d’autre choix que de faire du sur mesure. J’ai donc fait tailler des pignons classe DIN6 en 16Nicr6, cémentés, trempés et rectifiés dans une société spécialisée. Les 2 carters et autres composants vont être usinés cet hiver…aïe le porte feuille ! Mais bon, c’est pour la bonne cause !
J’espère bien que le projet va accélérer à présent (je vais chercher le turbo vendredi prochain et je possède déjà toute la régulation électronique et les équipements associés), car je souhaite vraiment voir un prototype tourner à l’été 2012. Et si les résultats sont satisfaisants, l’industrialisation pourra se faire rapidement !

Je vous posterai des photos de la construction step-by-step.

Je vous joins également des photos d’éléments primaires d’un module d’échangeur proto en cours d’assemblage.

A+

[Philippe Dejean]

Bonjour Damien,

En voila de bonnes nouvelles !

Je suis toujours persuadé que ton moteur a un bel avenir, même si je pense que commercialement il faudrait calmer un peu le jeu sur le terme "polycarburant".
Il est vrai qu'il pourra brûler à peu près tous les carburants ou biocarburants qui ne génèrent pas trop de cendres ou de particules carbonnées, mais je crains qu'un joyeux mélange d'huiles végétales brutes et d'un solvant éthanol+méthanol ne finisse rapidement par boucher les canaux de l'échangeur...

.

Malheureusement (pour moi), sa société a énormément de commandes à honorer et il n’a pas le temps de fabriquer mes pièces…snif !

Il vaut mieux ça que le contraire qui le forcerait à abandonner son activité, et donc tes pièces !

Elles arriveront un jour, et tu pourras faire un version B si ça a un intérêt.

Nous attendons la suite avec impatience.

Bons Vols (avec le 4-en-1)

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Salut Philippe,

Effectivement, le colmatage des échangeurs peut apparaître avec un « mauvais » carburant , mais il existe des techniques de nettoyage réalisables sans démontage du moteur (même type que le nettoyage des turbines d’hélico, réalisé moteur tournant)…

Mais je pense tout de même que, comme tu le dis, un moteur capable de brûler « à peu près tous les carburants ou biocarburants qui ne génèrent pas trop de cendres ou de particules carbonnées », est, par excellence, un moteur polycarburant… !!! Dans 99,9 % des cas, le carburant sera du Jet A1 ou Diesel ou essence, etc avec une qualité correcte de raffinage.

A+

[FAUVET Damien]

Bonjour à tous,

Voici le turbocompresseur que je vais utiliser pour faire le générateur de gaz de mon turbopropulseur. Il s'agit d'un Garrett GT4294, acheté neuf auprès d'un importateur de compétition automobile.
Les turbos de la série GT de Garrett sont destinés à la course. Ils disposent de rouets de compresseur haute performance (78% de rendement) et de rouets de turbine en MAR-M247 : Garrett confirme une température maxi de 1050°C en entrée de turbine (j'ai donc une bonne marge avec 950°C).
Le site de Garrett donne un rendement isentropique maxi de la turbine de 74% : j'en espère plus ! En effet, dans mon application, la turbine ne fonctionne pas dans un flux pulsé d'échappement de moteur à piston. De plus (et surtout), la "vitesse spécifique" (appelée "Ns" en thermo appliquée aux turbines) est plus favorable dans mon cas, car la détente se fait à débit volumique inférieur que monté sur un moteur à piston : le delta P est le même (environ 1,5), mais la pression d'entrée de la turbine est deux fois supérieure par rapport à l'application voiture (pas de détente dans le moteur à piston, P en entrée de turbine HP = P en sortie de compresseur = 3 bars).
C'est aussi pour cela que la volute que j'ai sélectionnée (échappement TiAl Sport en inox), pourra passer le double de débit massique que le même carter monté sur voiture (pression deux fois plus grande = débit massique doublé à même débit volumique)...

Bref, voici la bête, que j'ai commencé à démonter pour modifier légèrement le rouet de compresseur (installation d'un accouplement pour le démarrage et d'un petit anneau magnétique au samarium/cobalt pour le captage de la
vitesse de rotation.

[Philippe Dejean]

Bonjour Damien,

un moteur capable de brûler « à peu près tous les carburants ou biocarburants qui ne génèrent pas trop de cendres ou de particules carbonnées », est, par excellence, un moteur polycarburant… !!!

Il me semble que nous n'avons pas exactement la mème définition pour "polycarburant"

En politique, "polycarburant" Au sens strict, il suffit qu'un moteur puisse avaler deux carburants différents (gaz/fod ; fod/fo2; 100LL/SP95) pour qu'il puisse prétendre être polycarburant...
Mais j'ai le souvenir d'un vieux camion diesel militaire d'origine russe (que faisait-il au fond d'une caserne française en allemagne de l'ouest? c'est un mystère qui a de grandes chances de le rester...)
Bref, son moteur était un vrai "bouffe tout" , du gazole et du kérozème au pétrole brut (pas si léger) en passant par toutes sortes d'huiles végétale plus ou moins aqueuses, les diluants à peintures mélangés n'importe comment, une fois chaud, il avalait tout... (certes avec un appétit d'ogre - plus encore que nos camions simca à V8 essence carburatés, ce qui n'est pas peu dire - et en émettant une fumée de camoufflage pleine d'imbrûlés ! ) et ne calait que lorsque ses enormes filtres n'avaient pas été nettoyés à temps !

Et je ne vois pas ta délicate turbine et ses non moins délicats échangeurs prétendre être "polycarburant" au sens de ce vieux monstre.

Dans 99,9 % des cas, le carburant sera du Jet A1 ou Diesel ou essence, etc avec une qualité correcte de raffinage.

Oh alors dans ces conditions, il n'y a pas de problème...

Bons vols

Philippe Dejean

[Philippe Dejean]

Re bonjour, Damien,

Le site de Garrett donne un rendement isentropique maxi de la turbine de 74% : j'en espère plus ! En effet, dans mon application, la turbine ne fonctionne pas dans un flux pulsé d'échappement de moteur à piston.

C'est bizarre, je croyais que "le flux pulsé d'échappement de moteur à piston" était favorable à la récupération de puissance, comparé à un flux de pression constante égale à la pression moyenne, ce qui permettait, dans certains cas d'afficher des rendements turbos (faussement, bien sûr) supérieurs à 100% (j'interprète ça comme l'écart entre la moyenne et les moyennes des moments d'ordres supérieurs dans la décomposition de Fourier du produit pression x débit en fonction du temps... mais je me mets peut-être le doigt dans l'oeil...)

Si je ne me trompe pas, c'est également à cause de ce phénomène irrégulier qu'on a développé des "compresseurs à bouffées" dès les années 1930, et le compresseur à multitubes "Comprex"...

De plus (et surtout), la "vitesse spécifique" (appelée "Ns" en thermo appliquée aux turbines) est plus favorable dans mon cas, car la détente se fait à débit volumique inférieur que monté sur un moteur à piston : le delta P est le même (environ 1,5), mais la pression d'entrée de la turbine est deux fois supérieure par rapport à l'application voiture (pas de détente dans le moteur à piston, P en entrée de turbine HP = P en sortie de compresseur = 3 bars).

Là, j'ai du mal à te suivre :
Comme la perte de charge dans ta chambre de combustion est faible, la pression d'entrée turbine est peu différente de la pression sortie compresseur, et c'est le volume qui augmente... (pas la pression, sinon les gaz repartiraient dans l'autre sens)

DANS un moteur à piston, c'est le contraire, la combustion est suffisamment rapide pour se faire à volume à peu près constant, et c'est la pression qui augmente (mais les gaz ne peuvent pas rebrousser chemin car la soupape d'admission est fermée... Pour s'échapper, il va faloir payer en travaillant à repousser le piston et c'est seulement quand on sera content de leur travail qu'on leur ouvrira la soupape d'échappement... Ce travail représente bien une perte de pression (et de température) par rapport à celle atteinte dans le petit volume de la chambre au point-mort haut, mais pourquoi cette valeur devrait être inférieure à la pression d'admission si le moteur est tutbocompressé? (je te rapelle que pour un moteur atmosphérique la pression d'échappement est toujours supérieure à la pression d'admission puisque cette dernière est inférieure à la pression atmosphérique, et la pression d'échappement ne peut pas l'être sous peine que les gaz ne sortent pas...

Donc, je m'y perds un peu...

C'est aussi pour cela que la volute que j'ai sélectionnée (échappement TiAl Sport en inox), pourra passer le double de débit massique que le même carter monté sur voiture (pression deux fois plus grande = débit massique doublé à même débit volumique)...

Bref, voici la bête, que j'ai commencé à démonter pour modifier légèrement le rouet de compresseur (installation d'un accouplement pour le démarrage et d'un petit anneau magnétique au samarium/cobalt pour le captage de la
vitesse de rotation.

Si ton anneau était un peu moins petit, il pourrait aussi servir de générateur électrique et de frein pour éviter la survitesse en altitude...

Bons Vols

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Salut Philippe,

Voici mon avis :

- Flux pulsé vs flux constant : tous les rapports d’essais qui m’ont été donnés de lire, concernant le comportement des turbines centripètes de turbocompresseur, indiquent une dégradation du « rendement isentropique total à statique » de quelques % lorsque le flux est pulsé (sortie de moteur à pistons). Effectivement, un rendement turbo de 100% ou plus est impossible. Les meilleurs turbos, dans ma gamme de taille, ont un rendement total de 57%.

- Pression en entrée de turbine du turbocompresseur sur moteur à pistons : je suis d’accord avec toi, la pression en sortie de soupape d’échappement est supérieure à la pression d’admission en atmosphérique. Cependant, je ne pense pas qu’elle atteigne 3 bars ! Je pense plutôt 1,3 – 1,5 en atmo et un peu plus en turbo. De plus, je pense qu’il y a une différence entre les conditions en sortie immédiate de soupape d’échappement (ce dont tu parles), et les conditions en entrée de turbo (ce dont je parle). En effet, il y a la ligne d’échappement entre les deux, qui est convergente en entrée de turbine et convertie donc la pression statique en vitesse d’écoulement. Donc, pour moi, sur moteur turbo, la pression en entrée de turbine peut être inférieure à la pression en sortie de compresseur.
La preuve en chiffres : sur Subaru Impreza Turbo, plein pot (450 ch à la roue), la pression totale est de 2 bars côté compresseur, et 1,8 bars en entrée de bride de turbine. Il y a cependant une perte de pression dans les intercoolers… Bref, tout ça pour dire que je vais faire tourner la turbine sous 3 bars en entrée et 1,5 en sortie, alors que sur une voiture (bien poussée), on a plutôt 1,8 bars en entré 0,3 en sortie… et c’est tout bénef pour le « rendement isentropique total à statique ».
Je te joins le « map » de la turbine : tu verras que ma volute (A/R de 1,01) est capable de passer 32 lb/min sous 1,5 de delta P, avec environ 1,8 bars en entrée et 0,3 en sortie, alors que dans mon cas ce sera 65 lb/min qui la traversera, toujours avec 1,5 de delta P, mais avec 3 bars en entrée et 1,5 en sortie (débit volumique équivalent mais débit massique doublé).

- Génératrice / frein sur le corps HP : oui… c’est possible, mais il n’y a pas besoin de frein, car le FADEC limite automatiquement le régime maxi à 98 000 tr/min. Autre raison : compte tenu de la vitesse de rotation, il faut ajouter des éléments les plus légers possible (2 grammes dans mon cas) et parfaitement concentriques (0,01 mm de tolérance sur mes plans) pour éviter un balourd.

A+

[Philippe Dejean]

Bonsoir Damien,

Merci pour ces réponses...

- En ce qui concerne le flux pulsé vs flux constant, je me basais sur un articles des Techniques de l'Ingénieur.
Ce que j'avais cru comprendre, c'est que dans un flux pulsé, il y a plus d'énergie que dans un flux constant de débit égal à la moyenne du débits et de pression égale à la moyenne de la pression, tout simplement parce que l'énergie est le produit des deux grandeurs et donc un ordre deux.
(Si la moitié du temps le débit vaut 2 m3/s sous 2 bars, ça fait 4 m3xbars/s la moitié du temps soit une puissance moyenne de 2m3bars/s
Alors que si le débit est continu à 1m3/s sous 1 bar, la puissance continue - et donc moyenne - est juste de 1m3bar/s)
Pour des impulsions plus pointues, le phénomène est encore plus net.
Si on divise la puissance mécanique récupérée par la turbine par le produit (moyenne de la pression) x (moyenne du débit) on peut arriver à un "rendement" apparemment supérieur à 100%.
C'est bien entendu une erreur de méthode de calcul, mais ça signifie tout de même qu'on a intérêt à traiter les gaz au plus près de la soupape d'échappement et pas au bout de longues pipes se déversant dans une chambre de tranquillisation.

- Génératrice / frein sur le corps HP : après réflexion, il est certainement plus intéressant de récupérer la puissance au corps BP plutôt que de risquer de ralentir le générateur de gaz, et en particulier le compresseur…
Il est vrai que compte tenu de la vitesse de rotation, il faut ajouter des éléments les plus légers possible, et avec une bonne concenticité.
Mais il faut aussi noter qu'à 98.000 t/min tu est à plus de 1600 Hz et que dans la moindre pièce ferromagnétique, les pertes par courant de Foucaut risquent d'être significatives.

Mais si j'ai bien compris, tu rajoutes cet anneau magnétique pour faire une mesure de vitesse.

Ne pourrais-tu pas te passer de cet artifice en mesurant la fréquence du bruit produit ?
Une autre méthode certainement moins bruitée (sans jeu de mots) consisterait à mesurer les "tops" créés par la réflexion d'un faisceau lumineux (diode laser de lecteur CD + photo transistor : c'est encore moins cher que bon marché !) sur les 6 grandes aubes à l'entrée du compresseur :
à 98000 t/min, ça ferait 9800 Hz, qui est très facile à mesurer précisément et à calculer la vitesse de rotation avec une excellente dynamique (un calcul par tour => rafraichissement de la vitesse tous les 0,6 millisecondes)...

Et dans ce cas, il n'y a rien à ajouter aux pièces mobiles...


Bons Vols

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Bonjour Philippe,
Je pense que tu as donné la réponse à ta question dans ton mail : le coefficient dont tu parles s’applique à la puissance thermodynamique du flux pulsé, et non au rendement.
Je te confirme que le « rendement isentropique total à statique » d’une turbine placée dans un flux pulsé est dégradé par rapport à des conditions stationnaires.
Le rendement « proche ou dépassant 100% » est un abus de langage : si la turbine est soumise à un flux pulsé contenant beaucoup plus de puissance qu’un flux stationnaire, mais avec un rendement un peu dégradé, elle fournira tout de même plus de puissance…
Pour le captage de vitesse par onde lumineuse, je l’avais utilisé sur mes réacteurs précédents, mais j’ai rencontré des problèmes de perte de signal dès qu’un rayon lumineux interférait avec le phototransistor. J’ai donc changé de système pour passer à cette techno à aimant, beaucoup plus fiable. Cela oblige à ajouter une pièce sur le compresseur, mais je devais de toute façon créer un couplage pour le démarrage : la pièce qui porte l’anneau magnétique serre aussi d’accouplement avec le démarreur.
A+

[FAUVET Damien]

Petite précision : j'ai retrouvé le document ou il est clairement indiqué que le rendement isentropique d'une turbine est dégradé lorsqu'elle fonctionne dans un flux pulsé (Source : Numerical computations of the unsteady flow in a radial turbine - Technical Reports from Royal Institute of Technology KTH Mechanics SE-100 44 Stockholm).

La réponse est dans le dernier pavé (en gras) :


3.4. Turbine performance under pulsatile flow

As already mentioned, the flow in the exhaust system of an IC engine is highly
pulsatile, and this affects the performance of the turbine. The performance of
turbines working under pulsatile flow conditions has been assessed by many
researches by both different numerical methods and by experiments. A typical
feature of turbines working in pulsatile flow is that when plotting the mass flow
versus shaft torque, as been done in Figure 3.7, the trajectory form a closed
loop, enclosing the quasi-stationary trajectory. The same is valid when plotting
the blade speed ratio U/Cs versus the efficiency. U/Cs varies during the pulse,
since the rotational speed of the rotor is almost constant, whereas the variation
of U/Cs is from low values of approximately 0.2 to high values above 1 (when
the pressure ratio is equal to one, the isentropic velocity will be zero), which is
far away from the optimal value of approximately 0.7.

For turbines operating under pulsatile flow conditions, the mean efficiency
is lower compared to non-pulsatile flow conditions for the same mass flow and
pressure ratio, but the instantaneous performance can be both higher and lower,
see for example Winterbone et al. (1990), Winterbone et al. (1991), Dale &Watson
(1986) and Capobianco & Gambarotta (1990).

[Philippe Dejean]

Bonjour Damien,

Je pense qu'en ce qui concerne la puissance du turbo d'un moteur à piston, la messe est dite : il n'y a pas plus de rendrement supérieur à 100% là qu'ailleurs...

Par contre, il en ressort une idée pratique fort intéressante : l'énergie des gaz d'échappement doit être captée au plus près du moteur sous peine d'en voir disparaitre une part importante en tranquilisation de la pression et en chaleur basse température et basse pression difficilement récupérable (sans parler de la perte de chaleur par les pipes longues.

Pour un véhicule, et même un moteur stationnaire turbocompressé, il ne sert à rien de chercher à récupérer un maximum de puissance puisque le compresseur n'en consomme qu'une part et que le reste est volontairement "by-passé" (pour ne pas écrire "bipassé" comme je l'ai trouvé dans un document en bon français !) par la "waste-gate" (je vous passerai les différentes orthographes que j'a trouvé por ce dernier terme, mais revenons à la technique).

Il en est tout autrement si :
- l'air comprimé n'assure pas que la suralimentation du moteur, mais est utilisé ailleurs, ou bien si
- la puissance excédentaire sur l'arbre du turbo trouve une utilisation.

La premier cas est assez rare, mais je l'avais envisagé pour assurer le lancement du rotor d'un autogyre (par réaction) et en rendre moins probable son ralentissement en vol...

Le second cas est le "turbocompound" utilisé avec succès sur les moteurs d'avions de grande puissance dans la deuxième moitié des années 1940 (Napier Nomad)... Et balayé par le réacteur, le turbopropulseur et le baril de pétrole à quelques dollars... Jusqu'à ces dernières années où, prix du carburant oblige, les constructeurs de moteurs stationnaires ou de véhicules lourds (Volvo et John Deere en particulier) le remettent au goût du jour.

La puissance excédentaire du turbo est récupérée de différentes manières :
- entrainement d'un générateur électrique qui produit une puissance qui se défalque de celle prélevée sur l'arbre moteur pour alimenter les auxiliaires de la machine.
- entrainement d'un générateur électrique dont la puissance alimente non seulement les auxiliaires électriques de la machine, mais est renvoyée sur l'arbre moteur à travers le démarreur permanent.
- entrainement d'une pompe à huile en amont de la pompe de graissage du moteur qui en régime établi devient moteur hydraulique pour renvoyer la puissance excédentaire sur l'arbre moteur.
et bien d'autres idées encore plus "exotiques"...

Or, le moteur le plus intéressant pour une utilisation en turbocompound est celui qui a un rendement pas trop médiocre tout en perdant beaucoup d'énergie à l'échappement : le Wankel.

C'est voie qui me semble assez prometteuse qu'explore Paul Lamar... (à suivre avec attention)

Mais si on parle d'autogyre ou mieux d'hélicoptère dont le rotor est propulsé par réaction, la solution Wankel + turbo prend tout son sens.
Dans le cas de l'hélico, on peut même avoir un circuit compound ouvert :
Un turbo sur l'échappement de chaque rotor du wankel (la pipe d'échappement la plus courte possible) alimente un barillet d'air comprimé. L'arbre du moteur Wankel alimente les auxiliaires (électriques, pompe à eau, etc...) un compresseur de suralimentation, et un compressur additionnel qui débite dans le barillet d'air comprimé des turbos qui constitue la sortie de puissance utile du système (vers le rotor de l'hélicoptère).

Si je ne me suis pas trompé dans mes calculs "coin de table", le rendement global du système serait nettement meilleur que celui du même Wankel turbocompressé de manière classique faisant tourner le compresseur d'entrainement du rotor de l'hélicoptère... (lui-même nettement meilleur que celui de la "Palouste" du "Djinn" !)
(D'après mes calculs, le Djinn-Wankel-Compound à circuit ouvert consommerait 40 à 50 litres d'essence à l'heure à comparer aux 120 litres de kérozène à l'heure du Djinn-Palouse...)


Pour ce qui est du captage de vitesse par onde lumineuse, il est clair qu'il faut éviter l'entrée de lumière parasite, et/ou utiliser la détection synchrone : La source lumineuse est pulsée à une fréquence suffisante (disons 1 mégahertz) et le signal du phototransistor est multiplié par cette même fréquence porteuse... (Ensuite, bien sûr on filtre passe-bas fc = 30 kHz dans notre cas me semblerait pas mal)
Le gain en capacité de sensibilité de détection est phénoménal. Alors qu'on perd facilement un signal dès que le rapport Signal/Bruit tombe en dessous de 6 Db avec la méthode classique, on garde sans problème une trace continue d'un signal avec un rapport Signal/Bruit de -12 Db avec la détection synchrone !

Mais il me semble que Garett lui-même vend un tachymètre à turbo qui utilise un capteur sonore...
Si les signaux issus du générateur de gaz et de la turbine basse pression ne sont pas de fréquence trop proche, ça pourrait être une solution assez élégante (sinon bon marché)

Bons Vols

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Bonjour à tous,

Philippe, ton concept « hélico Wankel compound » est intéressant !
J’ai également dans mes cartons un concept de combiné hélico/autogyre « ultra simple », avec rotor balancier autopropulsé par des petits réacteurs (2 x 25 kgp pour une machine de 450kg) + moteur de propulsion. C’est un concept proche du Fairey Rotodyne.

Bref… pour en revenir au turboprop, j’ai modélisé le compresseur, afin d’y intégrer le couplage pour le démarreur avec l’anneau magnétique de captage de vitesse (en bleu sur la 1ère photo).
Le démarreur est un moteur brushless de 1900 kV à vide et 700 W sous 12 V. Le moteur coulisse dans un fourreau pour être couplé à l’arbre HP. Il est arrêté en rotation par une bride clavettée qui permet également de le relier à l’actionneur de translation.

La séquence de démarrage se déroule comme suit :

Le circuit électrique principal est mis sous tension.
Le circuit d’huile est mis sous tension : on attend 4 à 5 secondes pour avoir 3 bars mini.
Le FADEC est mis sous tension « FADEC ON»..
Le FADEC est déverrouillé avec l’interrupteur « déverrouillage FADEC ON ».
On allume la bougie (interrupteur « Bougie ON »)
On lance le démarreur (interrupteur démarreur sur « Alum. / Ventil. ») : une fois couplé, le démarreur entraine le turbo à environ 8 000 tr/min.
La chambre est mise à feu en mettant sous tension la « micro-pompe d’allumage » (interrupteur « Allumage chambre ON »).
Le démarreur est accéléré à sa puissance maxi (interrupteur démarreur sur « START. »).
Le FADEC prend ensuite la relève et gère automatiquement la mise sous pression progressive du circuit carburant principal.
A 25 000 tr/min, le démarreur est désaccouplé (interrupteur démarreur sur « OFF ») , la bougie éteinte (interrupteur « Bougie OFF ») et la micro pompe coupée (interrupteur « Allumage chambre OFF »)…
Le démarrage prend environ 50 secondes et est très simple, puisque il suffit de pousser 5 interrupteurs à 10 secondes d’intervalle chacun !


Bonne nouvelle, j’ai, a priori, trouvé un nouveau partenaire pour usiner mes pièces…

A+

[cp1315]

Salut Damien

Oh la la, moi qui suis en extase totale devant la démarrage d'une turbine, j'ai hâte de pouvoir actionner ces 5 interrupteurs

Le moteur Brushless que tu as numérisé me fait penser à du Kontronik, je me trompe ?

[Philippe Dejean]

Bonjour Damien,

J’ai également dans mes cartons un concept de combiné hélico/autogyre « ultra simple », avec rotor balancier autopropulsé par des petits réacteurs (2 x 25 kgp pour une machine de 450kg) + moteur de propulsion. C’est un concept proche du Fairey Rotodyne.

Avant d'étudier la solution à air comprimé du "Djinn", j'avais aussi commencé par les réacteurs en bout de pale, mais le calcul des efforts gyroscopique induits sur les rotors des réacteurs par la rotation du rotor de l'hélico m'ont fait un peu peur...
Alors j'avais pensé à des pulsos à marguerite (comme ceux des modèles réduits, juste un peu plus gros), ou même rétroversés comme l'escopette de l'Onera.
Mais le démarrage des pulsos nécessitant soit une vitesse initiale soit un démarrage assisté de l'extérieur, il valait quand même mieux avoir une source d'air comprimé au centre du rotor...
Finalement, j'ai abandonné l'idée à cause du mauvait rendement du système et le niveau de bruit prohibitif qui a fini par enterrer le Fairey Rotodyne qui ne manquait pas de qualités par ailleurs...

La séquence de démarrage se déroule comme suit :
1/ Le circuit électrique principal est mis sous tension.
2/ Le circuit d’huile est mis sous tension : on attend 4 à 5 secondes pour avoir 3 bars mini.
3/ Le FADEC est mis sous tension « FADEC ON»..
4/ Le FADEC est déverrouillé avec l’interrupteur « déverrouillage FADEC ON ».
5/ On allume la bougie (interrupteur « Bougie ON »)
6/ On lance le démarreur (interrupteur démarreur sur « Alum. / Ventil. ») : une fois couplé, le démarreur entraine le turbo à environ 8 000 tr/min.
7/ La chambre est mise à feu en mettant sous tension la « micro-pompe d’allumage » (interrupteur « Allumage chambre ON »).
8/ Le démarreur est accéléré à sa puissance maxi (interrupteur démarreur sur « START. »).
Le FADEC prend ensuite la relève et gère automatiquement la mise sous pression progressive du circuit carburant principal.
9/ A 25 000 tr/min, le démarreur est désaccouplé (interrupteur démarreur sur « OFF ») , la bougie éteinte (interrupteur « Bougie OFF »)
10/ et la micro pompe coupée (interrupteur « Allumage chambre OFF »)…
Le démarrage prend environ 50 secondes et est très simple, puisque il suffit de pousser 5 interrupteurs à 10 secondes d’intervalle chacun !

Je comprends bien que les étapes que j'ai numérotées 1, 2, 3 doivent impérativement rester manuelles...
mais l'étape 4 ne pourrait-elle pas devenir :
4/ "Démarrage moteur"
A partir de cet ordre, le FADEC gèrerait automatiquement la suite de la séquence en fonction des conditions successives jusqu'à la coupure de la micro pompe (étape que j'ai numérotée 10) et finirait par le compte rendu "Moteur démarré" (Voyant vert?)
Une action sur un bouton d'arrêt permettrait d'interrompre la séquence à n'importe qul moment et de revenir à l'état de fin de l'étape 3 (moteur à l'arrêt - FADEC ON)

Je ne suis pas un fana des FADEC, dont je doute qu'ils soient aussi fiables que la trilogie :
- 2 Magnétos et double rampe de bougies - ou pour les diesels et les turbines, une commande manuelle des bougies,
- 1 injection mécanique à commande manuelle,
- Une alimentation par gravité depuis un réservoir dans l'aile haute.
(NON, je ne suis pas actionnaire Cessna !)

Mais quand on a déjà un FADEC, la seule bonne raison de ne pas lui confier le travail fastidieux, c'est de limiter sa compliquation (son nombre d'entrée-sorties et son temps de cycle), et limiter les causes de défaillances et de pannes intempestives... Est-ce le cas ici ?

Bonne nouvelle, j’ai, a priori, trouvé un nouveau partenaire pour usiner mes pièces…

En voilà une bonne nouvelle !

Bons Vols

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Salut Laurent,

Le démarreur est effectivement un Brushless de modélisme, mais de marque Léopard : http://www.funrctoys.com/eShopWeb/produ ... 4-B_1900KV
J’espère que nous pourrons pousser les interrupteurs dans quelques semaines (pour faire tourner le corps HP tout du moins).

Philippe,
Le FADEC permet effectivement de piloter la séquence de démarrage complète (les sorties Bougie, Démarreur, Micro Pompe existent déjà sur le mien), mais sur le proto, je préfère démarrer en mode semi-automatique, le temps de trouver les bons réglages (temporisation et courbe d’accélération du démarreur).

L’autre avantage d’avoir ces commandes disponibles est de pouvoir redémarrer en mode manuel si le FADEC est défaillant.

Cela nous amène à ta remarque sur le fiabilité.
Un FADEC de moteur civil possède un MTBF (Mean Time Between Failure – temps moyen entre défaillance) d’environ 25 000 H (c’est une valeur réelle statistique issue de flotte, pas un calcul de fiab).
Pour moi, le duo magnéto / injection mécanique aura plutôt un MTBF global de l’ordre de 5 000 h .
Je pense donc qu’un FADEC (de bonne facture) est 5 fois plus fiable qu’un système magnéto / injection méca.
Je prévois tout de même un mode « tout manuel » en cas de problème avec le FADEC : on agira directement sur une pompe de secours, totalement indépendante du circuit « normal ». Mais attention à ne pas avoir la main trop lourde avec la commande des gaz dans cette configuration !

Cela me fait également rebondir sur ta remarque « Le second cas est le "turbocompound" utilisé avec succès sur les moteurs d'avions de grande puissance dans la deuxième moitié des années 1940 (Napier Nomad)... Et balayé par le réacteur, le turbopropulseur et le baril de pétrole à quelques dollars... »
Ce n’est pas uniquement le rapport poids-puissance incroyablement supérieur du turboprop qui balayé le moteur à piston, c’est également sa fiabilité bien supérieure.
Dans notre club, nous avons un ancien mécano d ‘Air France qui a connu la transition Super-Constellation – Boeing 707. Il m’a souvent dit que les moteurs des liners à pistons étaient très complexes et très très peu fiables, avec des TBO de 500h environ (il était très courant de voir arriver un Super Constell sur 3 moteurs) !!! Les turboréacteurs de l’époque permettaient de passer à 5 000 h entre TBO : 10 fois plus, sans parler du taux de défaillance !

[FAUVET Damien]

Quelques petites vues de ce que cela donne, sans les échangeurs…

Il faut encore que je travaille la volute du corps BP…

A+

[cp1315]

Salut Damien

Vu le volume, il y a de quoi en mettre deux sous le capot d'un Émeraude

[FAUVET Damien]

Un Emeraude biturboprop avec 100 kW... et une hélice contrarotative aussi, hein Laurent Pourquoi pas !

[Philippe Dejean]

Bonjour Damien,

C'est joli, même sans les échangeurs...
(On arriverai à quelle consommation dans cette configuration?)

Il y a pourtant un truc qui me gêne : l'axe du turbo/générateur de gaz parallèle à l'axe de tangage...

A ma connaissance, le taux de rotation le plus rapide sur un avion est autour de l'axe de roulis
(Même sans chercher les performances des avions de voltige, c'est forcément plus que les 90° par seconde qu'un trouve sur un planeur malgré son envergure...)
J'ai bien peur que les effets gyroscopiques sur le turbo ne soient catastrophiques !

Pour les autres axes, c'est forcément beaucoup moins rapide, donc le solution la plus évidente est d'aligner le turbo sur l'axe de roulis.

Il me semble qu'on pourrait le faire sans ajouter de coudes :
1/ Rotation de l'ensemble générateur de gaz autoiur de l'axe de lacet passant par la pipe d'admission du corps BP (turbine) jusqu'à aliger le cors du turbo selon l'axe de roulis.
2/ Rotation du corps du turbo autour de son axe (axe de roulis) pour "ranger" la chambre de combustion verticalement derrière le corps BP (turbine).

Qu'en penses-tu ?

Philippe Dejean

[FAUVET Damien]

Salut Philippe,

Dans cette configuration, avec des échangeurs d’un rendement modeste de 75% ( et delta P air = 2% , delta P fumées = 4%), le calcul thermodynamique du cycle donne une consommation spécifique de 330 g/kWh @ 48,4 kW (c’est une valeur assez proche de ce que j’obtiens, en croisière, pour mon Continental C90-14F réglé un peu riche…).
Ce calcul est valable pour :
Un rendement isentropique compresseur de 78%
Un rendement isentropique turbine HP de 80%
Un rendement isentropique « total à statique » turbine BP de 82%

Avec des échangeurs de 85% de rendement, la consommation spécifique tombe à 267 g/kWh @ 48,1 kW.

Pour l’orientation du turbo, j’avais déjà vu plusieurs fois que tu faisais cette remarque, dans d’autres « postes ».
Pour ma part, je ne suis pas trop inquiet sur les efforts gyroscopiques encaissés par l’arbre et les paliers du corps HP si le turbo est placé parallèlement à l’axe de tangage.
Trois raisons à cela :
1) Les efforts liés à l’accélération de mise en rotation autour de l’axe de roulis sont assez modestes sur nos appareils.
2) Les turbos Garrett ont un « squeeze film (film d’huile )» qui permet d’amortir très efficacement les efforts gyroscopiques (heureusement pour les voitures de Rallye avec turbo).
3) Beaucoup de turbocompresseurs sont montés dans cette configuration sur avions légers, cela ne semble pas pauser de problème…(voir exemples ci-dessous SMA, Continental TSIO 520 et 540, Lycoming TIO 360, etc…)

A+