Construction d'une turbine à vapeur

Je vais aborder ici l'étude et la construction d'une turbine à vapeur. C'est une machine extrêmement simple par rapport aux machines alternatives mais si l'on veut des résultats intéressants, il ne s'agit pas uniquement d'envoyer un jet de vapeur pour faire tourner un rotor à ailettes.
L'étude est faite à partir des trois ouvrages suivants :
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Les turbines à vapeur se classent en deux catégories :
1) Les turbines à action dans lesquelles un jet de vapeur animé d'une grande vitesse pousse les aubes d'un rotor en lui cédant une partie de son énergie cinétique. Sur ce type de turbine le passage entre deux aubes présente une section constante
2) Les turbines à réaction : Le passage entre deux aubes du rotor se restreint progressivement et accélère le jet de vapeur qui pousse le rotor par réaction. Ces turbines possèdent un grand nombre d'étages, chaque étage étant séparé par une série d'aubes fixes qui redressent et accélèrent également le flux de vapeur. Ce dernier type de turbine est pratiquement impossible à réaliser par un particulier et n'offre aucun intérêt en modèle réduit.

Nous nous intéresseront donc plus particulièrement aux turbines à action. Celles-ci peuvent être à chute de pression ou à chute de vitesse si elles possèdent plusieurs étages. Je propose donc la construction d'une turbine à action élémentaire dont le rotor ne comportera qu'une seule rangée d'aubage pour des raisons de simplification de la construction.

Notre turbine ne comportera donc que trois organes :
1) Le corps constitué du palier et de l'enveloppe
2) La tuyère qui sera chargée de convertir l'énergie potentielle de la vapeur en énergie cinétique
3) Le rotor qui comprend l'axe et la roue équipée des ses aubes

je vais suivre ce développement avec beaucoup d'intérêt...
Merci de traiter un tel sujet sur lequel on rencontre beaucoup de non-sens!!!

Le corps de la turbine ne nécessite pas de calculs particuliers. Il faut toutefois avoir à l'esprit que la turbine peut atteindre des vitesses considérables si elle tourne à vide (100 000 t/minute voire plus). Il est donc plus prudent d'enfermer le rotor dans un carter. L'équilibrage du rotor est indispensable si l'on ne veut pas voir la turbine détruite par les vibrations. Le palier doit également être particulièrement soigné avec des jeux réduits au minimum. Pour ces raisons mon choix s'est porté sur des têtes de lecture provenant de vieux magnétoscopes pour réaliser un premier prototype.
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J'ai trouvé un palier sur une tête de lecture qui convenait sans apporter de modification.
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Le rotor a été taillé dans une tôle en dural de 8mm d'épaisseur et fait 57 mm de diamètre (moins un petit dixième pour le jeu avec le stator). La cloche en laiton, sur laquelle était fixé la tête rotative magnétique a été modifiée au tour pour recevoir le disque en dural. Le tout tourne parfaitement sans jeu et sans frottement. J'aurai préféré diminuer au maximum le poids de l'ensemble mobile afin de limiter l'inertie mais la construction du rotor ne me permettait pas de faire beaucoup mieux.
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Les deux trous oblongs situés sur le carter me permettront de loger la tuyère sans apporter de modifications significatives.
Nous verrons bientôt comment usiner les aubes le rotor et quelle forme donner à celles-ci

Je vais suivre cela de près. De mes essais à partir de la turbine chinoise de chez microcosm je retiens que le plus dur est d avoir des roulements qui tiennent à 50000tr/m, au bout de 2/3 essais de 5 minutes j avais un jeu important. L aluminium sans que je me l explique corrodait anormalement rapidement, j avais refait les flasques en laiton.
Au plaisir de voir la suite.
Un de mes essais en démonstration
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Je ne savais pas que les têtes de lecture étaient équipées de roulements très haute vitesse??? Précis oui mais haute vitesse... J'avais plutôt en tête des vitesses de rotation entre 50 et 150 trs/s selon les systèmes vidéo ce qui nous donne entre 3000 et 9000trs/mn.?? As tu l'intention d'y changer les roulements?

Bonsoir JPA,
Bien voir même très bien de lancer un tel sujet, puisque les pistons, un peu ras la casquette. je suis ton post avec intérêt. faut que ça change un peu.
ça va réveiller des vieux diables.
GAV

Salut !
Ca va être précis dans l'usinage !
Quel type de vapeur , prévois-tu pour la faire tourner ?
Bonne journée!!


ça va réveiller des vieux diables
Déjà sur le pont Camaret !!

Hello,
La question que soulève Rookie est tout-à-fait pertinente : Les têtes magnétiques de magnétoscope tournent très exactement à 1500 t/minute, c'est-à-dire 25 tours par seconde. Ceci correspond à l'ancien standard de la TV analogique où le rythme de défilement était de 25 images par seconde. Ce n'est pas une vitesse très rapide effectivement mais ces roulements serviront à faire les premiers tests de la turbine. Si ces tests se révèlent positifs ils seront remplacés par des roulements "haute vitesse" que l'on peut trouver chez "123 roulements". La différence entre roulements standards et roulements "haute vitesse" c'est que ces derniers ont un jeu de fonctionnement un peu plus important pour compenser la dilatation des billes due à l'échauffement. Ce qui m'avait séduit avec les paliers de têtes magnétiques c'est la très haute précision qui me permettait de passer rapidement à autre chose. Naturellement il est toujours possible de fabriquer soi-même ses propres paliers.
En réponse à Kbio, "Quel type de vapeur ?" : J'éviterai les vapeurs d'alcool qui filent mal au crâne et sont hautement explosives.
Je vais donc utiliser de la bonne vieille vapeur d'eau saturée sèche, voire même légèrement surchauffée et je ferai des essais avec une tuyère conçue pour du 5 bars et une autre conçue pour du 10 bars.
Pour Scyllias : Pour une vitesse de sortie vapeur donnée, la vitesse de rotation de la turbine sera d'autant plus importante que de diamètre du rotor sera faible. La turbine que je propose est un prototype dont le rotor fait 57 mm de diamètre. Le modèle définitif fera 70 mm de diamètre pour avoir une vitesse de rotation plus raisonnable.

Hello,
Plusieurs référence de roulements "haute vitesse" chez 123 roulements en dimension 15x6x5. Il faut que le terme C3 ou C4 apparaisse. Ces roulements à jeu augmenté ne conviennent pas aux basses vitesses.

Bonjour,
Les roulements céramique ne seraient-ils pas aussi adaptés à cette utilisation ?

hello,
Les roulements céramique pourraient être une bonne solution mais je n'en ai pas trouvé en dimension 12x6x5. Dans tous les cas de figure changer les roulements est une opération ultra simple qui permet de faire plusieurs essais pour trouver le meilleur compromis.

Pour le moment une de mes turbines est sur roulements "standards". Je ne saurais dire à quelle vitesse elle tourne mais il ne semble pas qu'ils soient perturbés par les tours/mn.
La deuxième plus petite, n'est pas encore opérationnelle.
Je suis ce post avec beaucoup d'intérêt !
Merci JPA

Avant d'aborder l'usinage du rotor, voici quelques explications sur le fonctionnement d'une turbine à action élémentaire :
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Sur la figure 1 de la planche 4, on voit ce qui se passe dans la tuyère et l'aube du rotor. La tuyère est de type convergente/divergente. L'endroit le plus étroit s'appelle le col et est désigné par Sc.
Sur le diagramme des pressions, la pression P d'entrée dans la tuyère sera de 6 bars absolus sur notre prototype, la pression au col Pc sera donc 6x0,580 = 3,48 soit 3,5 bars absolus et la pression de sortie P1 de 1 bar absolu soit la pression atmosphérique. On voit également que la pression reste constante sur l'aube du rotor, la détente de la vapeur ayant été complète durant son passage dans la tuyère.
Sur le diagramme des vitesses : La vitesse V de la vapeur à l'entrée de la tuyère est proche de 0, arrivée au col cette vitesse est de 450 m/seconde (c'est pratiquement une constante). Cette vitesse augmente encore dans le divergent pour atteindre la vitesse V1 (environ 800 m/seconde dans notre cas). La vitesse V2 à la sortie de l'aube sera égale à la vitesse d'entrée V1 - u, u étant la vitesse de déplacement de l'aube. W1 est la vitesse relative de la vapeur à l'entrée de l'aube qui se déplace et W2 la vitesse relative de sortie de l'aube. W1 = W2
Par la suite nous verrons quels paramètres conditionnerons les dimensions et la forme des aubes et les meilleures solutions à adopter en fonction des contraintes d'usinage.
Une fois l'usinage réalisé nous passerons à l'étude de la tuyère et la méthode pour la fabriquer.

Super intéressant !  [Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]

Joli document!!! Et une bonne démonstration à l' ancienne comme je les aime...

J 'ai toutefois quelques questions:
- Dans ton calcul de la pression au col tu utilises un coefficient de 0,580 en te référant à un diagramme de pression? je ne vois pas d'où tu récupères cette valeur? Sur le petit diagramme des pressions donné dans le texte où il n'y a pas d'échelles?...
- Même genre de question pour les vitesses: D' où obtiens tu la vitesse au col de 450m/s? Ne dépend il pas du profil de la tuyère convergente? Pourquoi une constante?

De mes souvenirs le 0,58 est la constante de Bernoulli. Dans un convergent divergent la pression absolu au col ne sera jamais inférieure à 0,58 de la valeur de la pression absolu en amont.
La pression au col ne suit plus la formule pt=ps+pd

De mes essais j, étais arrivé à un col de 0.8mm pour tenir 5 bars avec ma chaudière.
Mais je n ai pas constaté d écart de vitesse ( à vide) entre un col simple et un col convergent /divergent.

La pression au col (Pc) pour de la vapeur saturée sèche est égale à 0,580 P, où P est la pression en amont. La pression au col pour de la vapeur surchauffée est égale à 0,544 P et ceci quelque soit la pression P. La vitesse au col est pratiquement constante quelque soit la pression P et est de l'ordre de 450 m/seconde. Ceci correspond à la vitesse du son, par contre la vitesse à la sortie du divergent augmente constamment avec la pression P d'où l'intérêt de marcher avec de fortes pressions avec les turbines. Les tuyères simplement convergentes sont dites subsoniques alors que les tuyères convergents/divergentes sont dites supersoniques.
Mais nous verrons cela plus en détail lors de l'étude de la tuyère et sa réalisation.

J'ai fait une erreur de manip en transférant la page 16 et du coup ce sont deux pages 17 qui sont arrivées après la planche de schémas. Je la renvoie ici, si un modérateur pouvait avoir l'obligeance de la remettre au bon endroit ce serait plus compréhensible.
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Dans cette page 16, le terme distributeur désigne la tuyère ou l'ensemble des tuyères qui distribuent la vapeur aux ailettes ou aubes du rotor.

Il n'y a pas d'échelle sur le diagramme de pression car ce diagramme s'applique quelque soit la valeur de la pression P, on aura Pc = 0,580 P pour de la vapeur saturée sèche ou Pc = 0,544 P pour de la vapeur surchauffée. Quant à P1 sa valeur sera 1 bar absolu (ou 0 bar relatif) si l'échappement se fait à l'atmosphère, sinon ce sera 0,150 ou 0,200 bar absolu si l'échappement se fait dans l'enceinte d'un condenseur sous vide.

Hello,
Je viens de retrouver exactement ce que je cherchais sur la variation de pression et vitesse dans un convergent divergent ici dans la description de la tuyère de Laval.
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JPA a écrit:
J'ai fait une erreur de manip en transférant la page 16 et du coup ce sont deux pages 17 qui sont arrivées après la planche de schémas. Je la renvoie ici, si un modérateur pouvait avoir l'obligeance de la remettre au bon endroit ce serait plus compréhensible.

C'est fait....

Salut,

Bon en relisant tout ça et si j'ai bien compris, toutes ces valeurs sont OK à condition que l'on a bien atteint la vitesse du son au col de la tuyère. C'est à dire que la tuyère est bien "amorcée" et fonctionne en régime "sonique". Et ce n'est pas forcément gagné d'avance... C'est là je suppose toute la difficulté de la chose dans le dimensionnement de la tuyère.

Tout d'abord merci à Rookie d'avoir rétabli l'ordre des pages 16 et 17. Les explications sur la tuyère viendront après avoir épuisé le sujet sur le rotor et la fabrication des aubes ou ailettes.

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On voit ici le rendement d'un jet de vapeur frappant perpendiculairement une ailette plane capable de se déplacer dans le même sens . La valeur de "x" c'est le rapport de la vitesse de la vapeur à la sortie de la tuyère sur la vitesse tangentielle du rotor. Par exemple :
x = 1 signifie que vitesse vapeur et vitesse tangentielle du rotor sont identique (en faisant abstraction des frottements et de l'inertie du rotor). Le rendement (efficiency) est alors nul, autrement dit, l'énergie cinétique de la vapeur n'a pas été du tout transformée en énergie mécanique.
x = 2 rendement maximum sans dépasser toutefois 50%. La vitesse de la vapeur est double de la vitesse tangentielle. La moitié de l'énergie cinétique est transformée en énergie mécanique.
x = 3 La vapeur est trois fois plus rapide que la vitesse tangentielle du rotor. Le couple résistant du rotor est trop fort et le rendement commence à chuter.
x = 4 La vapeur est quatre fois plus rapide que la vitesse tangentielle du rotor. Le couple résistant du rotor a encore augmenté et le rendement chute de plus en plus.

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Cette perte de rendement peut s'expliquer par le choc de la vapeur qui se disperse un peu dans tous les sens au contact de cette ailette plane, que la vapeur se déplace en même temps que l'ailette et que l'énergie qu'elle contient encore n'est pas utilisée.
La première perte peu être évitée en incurvant l'ailette tel qu'en "A" figure 6 ce qui change graduellement la direction du jet de vapeur. Si l'ailette est suffisamment incurvée pour renvoyer le jet à 180° comme en "B" figure 6, on aura atteint 100% de rendement si la vitesse du jet est double de la vitesse de l'ailette (en faisant abstraction des énergies misent en jeu). Dans la réalité le jet de vapeur va arriver légèrement sur le côté avec un angle de 17 à 20° par rapport au sens de déplacement de l'ailette.

Bonjour a tous
C'est super technique , j'ai décroché depuis un moment,  mais je continue a lire c'est super intéressent.
bravo JPA, et aux autres pour vos remarques ,mais je m'abstiendrais de faire des commentaires, je vais suivre cela avec beaucoup d'intérêt  .
bonne soirée
philbobo

Dans l'ouvrage "model steam turbines" de Harrison, plusieurs solutions sont proposées pour réaliser des rotors de turbines modèles réduits.
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La solution proposée ci-dessus consiste à fabriquer une série d'ailettes qui viennent s'insérer dans les encoches de deux disques minces parallèles entre eux. Pas très facile à fabriquer !

Une autre solution qui peut convenir à ceux qui ne possèdent pas d'outillage sophistiqué :
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Sur un disque de tôle mince on perce régulièrement de petits trous qui permettront la découpe des ailettes. Ces ailettes seront mises en forme par emboutissage et tordues à 90°. Problème : la distance entre deux ailettes est trop importante puisqu'elle correspond à la largeur des ailettes. La solution : faire deux autres disques. La coupe des ailettes se fera, par rapport aux trous, décalée de l'épaisseur de la tôle et ces deux disques prendront en sandwich le premier. La distance entre deux ailettes correspondra alors au tiers de la largeur de celle-ci, ce qui est beaucoup plus favorable à un bon fonctionnement.

Encore une autre méthode de fabrication :
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Une fraise circulaire usine les espaces entre les ailettes dans un disque dont l'épaisseur est égal à la largeur de celles-ci. Cette méthode est très intéressante car elle génère un passage de vapeur entre deux ailettes qui aura une section constante. L'inconvénient majeur : La hauteur des ailettes va être limitée par le diamètre de la fraise, il va donc falloir trouver un compromis entre diamètre de la fraise, hauteur des ailettes et diamètre du rotor.

On peut alors imaginer le dispositif suivant :
url=https://servimg.com/view/18977461/621][Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image][/url]
L'outil proposé ici est fixé dans le mandrin d'une perceuse ou d'un tour et est manoeuvré à la main dans un mouvement alternatif d'aller et retour. Pourquoi pas ? Mais le résultat sera à coup sûr d'attraper la crampe de l'écrivain avant l'achèvement des travaux

Une autre méthode, si l'on possède un tour :
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Une fraise (milling tool), dont le diamètre correspond à l'espace entre deux ailettes, est prise dans le mandrin (chuck). Le rotor à usiner est fixé sur un dispositif oscillant dont le décentrage est égal au rayon de courbure des ailettes. C'est la solution la plus valable pour donner la courbure que l'on veut aux ailettes ainsi que leur hauteur. L'inconvénient, mais il est de taille, c'est la réalisation du dispositif oscillant.

Pour finir : une remarque sur le bord d'attaque des ailettes qui doit être le plus mince possible pour éviter de perturber l'écoulement de la vapeur.
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Ce passage évoque également le "shrouding" qui se traduit par le "cerclage du rotor" afin d'éviter l'éjection de la vapeur par la force centrifuge. Ce phénomène peut également être limité en maintenant un jeu minimum entre rotor et stator.

Hello!
Le sujet est des plus intéressants et didactiques , mais la fabrication de la turbine est un sacré frein à sa réalisation !
Du moins pour un tas de gens comme moi!
Alors , s'inspirant de ton couruscant exposé , n'y aurait-il pas un artisan ou un amateur éclairé , à mème de la fabriquer avec un tour numérique ou mème avec une imprimante 3D.
On fait de tout avec ces machines et somme toute , en prévoyant la construction en plusieurs parties pour finir par un assemblage simple , on doit pouvoir la réaliser facilement ! Du moins cette partie. A voir ensuite avec la buse ....
Je reste figé devant mon ordi en attendant le prochain N° ! ;-))
Bonne journée!!

En effet la réalisation d'une turbine de bonne facture n'est pas aisée. Pour ma part j'ai utilisé un montage d'usinage et une fraise de 2mm avec des passes d'1/10ème pour 52 pales : c'est long et stressant ! La fabrication de la (ou des ) buse(s) demande de la précision. Pour être efficace elle doit être placée au plus près de la turbine sans la toucher, au bon angle. Le cerclage doit bloquer sans abimer les aubes ... Sinon c'est beaucoup mois de pièces qu'une machine à pistons ...