Construction d'une turbine à vapeur

Hello JPA,

De toutes ces techniques de fabrication possibles, laquelle as tu choisi?

KBIO suggérait une impression 3D... Ben je pense que ce n'est pas une mauvaise idée.
Mais le PA 12 classic est donné pour un max de 120°C. Donc un peu juste...
Il faudrait passer à une impression en acier inoxydable ou encore mieux en titane beaucoup plus léger. Le prix sera peut-être une issue à considérer mais on a parfois de bonnes surprises... La précision est bonne et les reprises pour finitions plutôt aisées. Il y a quelque trucs à vérifier dans le design pour avoir une impression de qualité, mais je pense rien d'impossible.

Pour en avoir le coeur net il faudrait un dessin 3D (format STL) de la roue et demander un devis (c' est gratuit). Si tu es intéressé et que tu as des dessins 2D contactes moi et on verra ce que l'on peut faire...

Pour info, j'ai fait imprimer les aubes de mes roues qui sont de belles dimensions. Le prix de base en PA était de 6€ pièce et il m'en fallait 18... En titane le prix de base par pièce était de 50€.... Et pour 18 ça aurait fait cher les roues... D'autant que le PA suffisait.

Pour une roue de turbine c'est à voir. L'avantage est que tu peux avoir un dessin aussi complexe que tu le souhaites....Inconvénient, si tu casses une pale, c'est toute la roue qu'il faut changer...

Hello,
La fabrication de la turbine : j'y arrive (il faut bien maintenir un peu le suspense). J'ai fait un petit schéma pour voir la faisabilité de l'usinage. La turbine sera usinée dans un disque en dural de 8 mm d'épaisseur et 57 mm de diamètre. Le matériel nécessaire : une fraise à bouchonner (aux dents modifiées), une perceuse à colonne et un plateau diviseur.
L'impression 3D est une solution innovante. Normalement la vapeur à la sortie de la tuyère (si elle a été bien conçue et que la pression d'entrée est stable) est entièrement détendue et la pression est la pression atmosphérique. Si cette vapeur n'est pas surchauffée la température doit être aux alentour de 100°C.
A suivre

Bonjour à tous,

Ma maigre expérience en matière de turbine et en dessous de zéro en matière d'impression 3D me laisse dubitatif sur ce mode de réalisation !
Quid de la résistance mécanique des aubes si la vitesse tant souhaitée est atteinte ?? Sans parler de la précision et de l'équilibrage qui est incontournable dans ce type de pièce "tournante"
De plus, la légèreté du matériau ne va t-elle pas à l'encontre de l'inertie qui est souhaitable si on veut garder un peu de couple ??
Une petite fraiseuse et un diviseur digne de ce nom sont un bon point de départ...Certains anciens MRB traitent de ce type de fabrication "simple" et néanmoins suffisamment efficace pour nos besoins....
Je vais aussi suivre le sujet....

Hello,
Une turbine doit avoir le moins d'inertie possible car elle est conçue pour marcher dans une plage de vitesse bien précise. Si l'on sort de cette plage le rendement baisse très vite. Diminuer l'inertie de la turbine permet donc à celle-ci d'atteindre son régime d'efficacité le plus rapidement possible. Ce n'est pas comme une machine alternative où l'inertie de l'équipage mobile permet de lisser les variations de couple qui ont lieu tout au long d'un cycle (couple moteur = 0 lors du passage aux points morts, couple moteur maxi lorsque la manivelle approche les 90°). Dans une turbine le couple moteur est faible mais constant durant toute une révolution.

Je suis également dubitatif sur une fabrication en impression 3D.
J'ai usiné sur mon tour avec un montage oscillant et fraise en bout de mandrin comme proposé plus haut.
N'ayant pas de diviseur, j'ai solidarisé la turbine avec une grande feuille où les rayons de chaque pale étaient tracés. La précision est restée bonne car le défaut est réduit par l'échelle.

Oui, moins d'inertie sera un plus.
Pour répondre à F-Bzh côté résistance il ne devrait y avoir aucun souci:
- Titane en 3D est donné pour Limite élastique à 129MPa et un module de Young de 111GPa
- Acier Inoxydable 316L en 3D est donné pour un module de young de 185GPA et une limite élastique de 530MPa

Un "dural classique"" est donné pour une limite élastique de 80 à 200 suivant le type d'alliage (varie beaucoup...)

On est donc dans une bonne moyenne et je ne pense pas que les petites pales risquent de casser. C'est pourquoi l'impression 3D est de plus en plus utilisée dans l'industrie aérospatiale, automobile, militaire et même médicale.

Mais bon à notre échelle le prix reste à déterminer....

Sculpteo propose aussi un autre type de plastique résistant apparemment à 150 ou 180*C sans fluage... Là aussi devrait être investigué, mais risque d'être moins cher que le titane.

Juste histoire de clarifier cette technique de l'impression 3D qui prend beaucoup d'ampleur...

Comme annoncé, l'impression et moi ça fait deux ! J'en suis resté au "plastique" des début du 3D.....
Merci Rookie pour toutes ces précisions sur ce sujet, j'étais très loin des progrès de cette technique.
Ma déformation pour le copeau y est pour beaucoup !! Comme dit Malevthi, je tenterais plus facilement une fraise en bout et un moyen de division même rudimentaire, quitte à équilibrer après....
Déjà bien assez de difficultés avec les logs de dessin 2D, mon cerveau n'est plus assez performant pour un D de plus.....C'est pas ma génération, ou p'tèt pas mon truc tout simplement....
Le seul truc 3D que j'ai réussi à comprendre, c'est SketchUp, un log pour les nuls....
Pour revenir à la turbine, je vais suivre le post, et p'tèt faire quelques copeaux dès que j'ai un moment....

OUI!OUI! Fais nous des beaux copeaux!!!

De ce qui précède nous pouvons donc résumer ainsi les critères qui vont nous guider pour usiner notre rotor de turbine :
1) La section de passage entre deux ailettes doit être constante. Cela signifie que la vapeur ne doit pas rencontrer de restriction lors de son passage entre deux ailettes. Sur une turbine grandeur nature la section de passage dans la tuyère est de forme rectangulaire et donc la section de passage entre deux ailettes correspond exactement aux mêmes dimensions. Sur notre turbine, la section de la tuyère sera circulaire de diamètre 2,1 ou 2,2 mm alors que la section de passage entre deux ailettes sera rectangulaire (hauteur 2,25 x largeur 3 mm).
2) L'orientation de la tuyère : l'axe de celle-ci devra faire un angle compris entre 17° à 20° avec le sens de déplacement des ailettes. La notre fera un angle de 18°.
3) La vitesse relative de sortie de la vapeur (W1) doit tangenter l'extrados des ailettes. Dans notre cas, compte tenu des dimensions des ailettes (8mm de large, courbure de l'extrados diamètre 10), la tangente au bord externe de l'ailette fait 38° avec le plan du rotor.
4) Les ailettes ont une forme parfaitement symétrique et le bord d'attaque doit être le plus fin possible pour éviter de perturber l'écoulement de la vapeur.

Voilà donc les dimensions du rotor que je vais usiner :
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L'usinage se fera à l'aide d'une "fraise à bouchonner", diamètre extérieur 16 mm, diamètre intérieur 10 mm. Les dents ont été un peu modifiées pour fraiser des rainures circulaires de section rectangulaire d'une largeur de 3 mm. On s'aperçoit qu'on est limité au niveau profondeur à cause du diamètre du rotor qui est important par rapport au diamètre interne de la fraise. Je vais donc tricher un peu en décalant la fraise de 1,5 mm par rapport à la verticale qui passe par le centre du rotor. La dent qui travaille ne sera donc pas centrée par rapport à cette verticale, ce qui m'autorise à descendre la gorge de 3 mm. Je vais me limiter à 2,25 mm pour être sûr que la dent de retour ne touche pas le rotor.
D'après le schéma, le pas entre deux fraisages est de 8° ce qui génèrera 45 ailettes mais le pied de chaque ailette aura alors une épaisseur au maximum de moins d'un millimètre (évalué à 0,65 mm). Je vais donc tricher de nouveau et opter pour un pas de 9° pour avoir un peu plus d'épaisseur ce qui me donnera 40 ailettes à la périphérie du rotor.

Salut,

Pour aller au bout de cette histoire de réalisation en 3D de la turbine et sans trop polluer le fil de JPA, j'en ai dessiné une sur la base des dimensions données par JPA. Facile à faire car on n' a plus les contraintes liées à l'usinage: Ailettes bien droites sans effets de conicité, pas de 8°, etc... Voilà ce que ça donne:

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J' ai ensuite chargé les fichiers stl chez Sculptéo et obtenu les devis:

- Fabrication en Titane: 290€
- Fabrication en Alu: 155€
- Fabrication en acier Inox 316L: 239€
Pas démesuré...

J' ai appelé l'un de leurs spécialistes pour faire le point. D' après lui aucune raison que ça n'aille pas. Mais il m' a quand même mis en garde sur la réalisation: Quand on utilise des métaux en 3D, les températures de fusion sont bien sûr très élevées et il faut faire très attention aux possibles déformations thermiques lors de l'impression. On a quelquefois besoin de deux ou trois essais pour mettre au point la pièce. Pas un souci pour préparer une série, plus ennuyeux pour une pièce unique.

En discutant de l'objet en question et de son utilisation, il ne voit pas trop de raisons de se lancer dans une pièce métallique. Il me propose leur version HT de PA12 chargé avec je ne sais trop quoi, mais qui tient à188°C ce qui est très au dessus de la température de la vapeur à la sortie de l'injecteur. Ce n'est pas du filament mais un système à poudre comme pour le métal et construction par couche de 8 centièmes. Là, on retombe dans des choses connues et standards. La résistance mécanique est excellente, la résistance à l'abrasion aussi... Avec une finition chimique laissant une surface lisse et légèrement brillante le prix est de 19€ pièce!! Bon ils ont un minimum de valeur de commande à 30€. On aurait donc intérêt à en commander deux... Finies et avec le fret, le total serait de 57€ pour deux roues rendues à la maison...
A ce prix là, ça pourrait se tenter si la taille par fraise ne donne pas les résultats escomptés... Et en bonus toute liberté pour travailler le profil, les épaisseurs, etc...

A peine imaginable il y a quelques années ! Mais si la pièce ressemble au rendu 3D et à ce prix là, y a pas hésiter.....
Ça vaut même plus le coup de mettre la fraiseuse en route.

F-BZH a écrit:Ça vaut même plus le coup de mettre la fraiseuse en route

Et tout le plaisir d'usiner part en fumée
Mais c'est vrai que le prix peut donner envie d'expérimenter autre chose.

L'image de synthèse est bien jolie. Je trouve juste qu'il y a un plat en bouts de pales, il y a une raison particulière ?

C'est vrai que pour les amoureux du copeau, c'est un "coup dur" !!!
Mais bon, il faut vivre avec son temps !! Même si j'ai beaucoup de mal à intégrer le fait qu'on puisse "défiler" ou fondre puis "étaler" du Titane ou du 316 comme un "vulgaire" fil de PLA.....

Salut,

Pour répondre aux différentes questions:

- Oui, la pièce finie correspondra exactement au rendu. J'ai utilisé la méthode sur plusieurs trucs: La cheminée oblongue et inclinée de ma Seekadett, les pales de ma roue à aubes ... Avec d'excellents résultats. je vous renvoie à ces sujets où il y a des images.
- Idéalement, l' arête des ailettes devrait être un fil de rasoir. Dans le processus de taille avec une fraise, c'est impossible à obtenir, les faces des ailettes ne sont pas parallèles et si l'on a zéro en haut il n'y aura plus de métal à la base... Pour cette impression je n'ai pas cette contrainte, mais dessiner une arête vive me paraît déconseillé avec des risques de crénelage et de fragilité. J'ai donc gardé une épaisseur de 5/10ème et adouci l'angle avec un arrondi de r=0,5mm. Peut-être pourrait on descendre l'épaisseur en bout d'ailette à 2 ou 3 dixièmes... Et oui, une légère perte de rendement...
- On pourrait d' un autre côté certainement peaufiner les rayons des intrados et extrados pour se rapprocher des conditions idéales pour les vecteurs de vitesse.

Enfin, ce dessin rapide n'avait que deux objectifs: Vérifier la faisabilité et obtenir une estimation des coûts. Avant de lancer une impression il y aurait donc un peu d'optimisation à faire....

L'impression 3D parait être une bonne alternative pour ceux qui ne possèdent pas d'outillage adéquat. Je continue néanmoins sur mon projet qui est de tout réaliser par moi-même. Dans un premier temps, il faut déterminer le point haut sur l'ébauche du rotor qui se trouve fixé sur le plateau diviseur.
La méthode est la suivante :
1) On amène le plateau diviseur sur "270", Le zéro de la manivelle est mis en concordance avec le "0" du vernier
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2) Après avoir mesuré la hauteur de l'axe par rapport à la base, traçage d'un repère à la même hauteur en se servant de cales appropriées
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3) On tourne le plateau diviseur à la manivelle pour se mettre à "0". Surprise , c'est le "2" de la bague de la manivelle qui se trouve en face du "0" du vernier. Explication : 1 tour de manivelle correspond à 4 degrés d'angle, il faut donc deux tours et demi de manivelle pour faire tourner le plateau de 10°. Comme le nombre de dizaines est impair pour passer de 270° à 90° on se retrouve donc sur le 2 et non pas sur le 0. Ouf !!!!!
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4) Le repère que l'on a tracé se trouve alors exactement à la verticale de l'axe du rotor de la turbine. Il va nous servir pour positionner le plateau diviseur par rapport à la fraise à bouchonner.
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Avant d'attaquer le rotor, un petit essai sur une chute de dural :
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Le morceau de dural a été usiné sans précautions particulières, on voit que l'on peut obtenir un profil d'ailette tout à fait acceptable avec un bord d'attaque très effilé. Ce côté-ci correspond à l'attaque de l'outil, l'autre côté au dégagement. Le dégagement laisse une bavure qu'il est ensuite facile d'éliminer avec un cutter.

Ci-dessous, les fraises à bouchonner achetées dans une surface "discount". Celle que j'ai utilisée a un diamètre extérieur de 16 mm, diamètre intérieur 10 mm. J'ai un peu modifié l'affûtage des dents pour obtenir un passage de section rectangulaire.
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Il restera à fabriquer le bridage du plateau diviseur sur la table croisée et bloquer les lardons une fois le tout bien positionné afin d'éliminer tout jeu parasite. Je pourrai alors passer au fraisage du rotor.

Salut JPA,

Une Dremel avec une petite fraise de 2mm et un axe pour un travail circulaire n'aurait pas été plus simple ?? Certes, il aurait fallu 2 usinages (intrados et extrados) avec deux centres différents. Mais la possibilité d'ailettes plus hautes était possible....
C'est juste une question.....

Ils sont fous ces gaulois !
Mais qu'est-ce qu'ils sont demmerdes !

Hello
Je voie que le sujet soulève des questions intéressantes !
Une fraise de 2 mm de diamètre montée sur une Dremel : Malevthi l'a fait en faisant des passes de 1/10ème. C'est un exercice stressant et fastidieux, on le croit aisément.

L'espacement entre deux ailettes doit correspondre idéalement à l'ouverture de la tuyère. Cette tuyère, dans notre cas, fera un peu plus de 2 mm de diamètre et d'autre part attaque sous un angle de 17°, donc avec le biseau on sera pas loin des 3 mm, voire même un peu plus. Ceci multiplie encore le nombre de passes avec la fraise de 2 mm. Trop compliqué ! La fraise à bouchonner, légèrement modifiée, me convient parfaitement.

La hauteur des ailettes : Elle doit être limitée à la hauteur de l'ouverture de la tuyère, dans notre cas un peu plus de deux millimètres. Ceci me convient tout à fait car c'est en deçà de la profondeur à laquelle je peux aller avec ma fraise. Une hauteur plus importante devient pénalisante car en dehors de la zone d'action de la tuyère, les ailettes se comportent comme un ventilateur qui brasse un mélange d'air et de vapeur. Ce phénomène de brassage bouffe de la puissance en pure perte. Sur les turbines grandeur réelle, la hauteur des ailettes correspond exactement à la hauteur de l'ouverture de la tuyère, bien que ces turbines évacuent la vapeur à un condenseur sous vide et que ce phénomène de brassage soit très atténué.

L'angle d'attaque de la tuyère est bien de 18° et non 17° comme je l'ai écrit par erreur, juste au dessus.
Une vue de la fraise à bouchonner avec les dents modifiées pour fraiser un passage rectangulaire entre les ailettes :
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"Malevthi l'a fait en faisant des passes de 1/10ème. C'est un exercice stressant et fastidieux, on le croit aisément."

C'est vrai aussi !!

Je vais suivre ce projet avec attention ! Sait on jamais et remplacer un bon vieux moteur à piston(s) sur mon "bolide".....

JPA a écrit:Malevthi l'a fait en faisant des passes de 1/10ème

J'ai usiné sur mon tour, pas à la Dremel et surtout sans diviseur. Mes ailettes font 2mm de haut et 2mm d'espacement.

Je suis avec grand intérêt les explications de JPA et sa méthode astucieuse, différente de la mienne.

Bon, il est temps de passer aux travaux pratiques !
Usinage des ailettes du rotor de la turbine :
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url=https://servimg.com/view/18977461/639][Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image][/url]
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Le résultat n'est pas au top ! Malgré tout, la forme des ailettes correspond bien à ce qui est souhaité. J'ai fait quelques erreurs lors de l'usinage. Le plateau de la table croisée a été mal immobilisé, malgré le serrage des vis des lardons. D'autre part le sens de rotation de la fraise avait tendance à faire sortir le rotor des mors du mandrin. Il aurait fallu que je choisisse le sens de l'attaque des dents à plaquer le rotor contre le mandrin. Une vitesse de rotation plus élevée aurait été souhaitable mais je suis déjà au max de la vitesse de la perceuse.
Mais ce premier rotor est un prototype, le prochain d'un diamètre de 70 mm au lieu de 57 mm sera (je l'espère) mieux fini.
Un essai à la soufflette du compresseur d'air augure déjà d'une bonne vitesse.
On va passer maintenant aux mystères de la tuyère et comment en fabriquer une.

Donc l'astuce de l' usinage avec une fraise à bouchonner fonctionne et permet une réalisation dans un temps raisonnable apparemment...

Mais il manque du métal à la base des ailettes... Peut-être de l'arrachage/bavures trop importantes? Mais je pense que le problème principal est inhérent à la méthode. La section de l'ailette n'est pas un rectangle mais un trapèze avec la plus petite base au bas de l'ailette; Pour qu'il y reste du métal il faudrait accepter une épaisseur plus importante en tête d'ailette (arête plus épaisse). Aurait-on alors une perte importante de rendement??
Ou alors travailler les profils intérieurs et extérieurs de la fraise pour corriger... Mais là ça va devenir de l'art...

Je pense surtout que les vibrations du au montage pour l usinage ont provoqué l arrachage.
C, est aucunement un reproche, on fait avec ce que l on a comme matériel !
J ai hâte de voir la suite.