Construction d'une turbine à vapeur

Avant de rentrer dans le vif du sujet concernant la tuyère, voici une petite comparaison entre une tuyère uniquement convergente et une tuyère convergente/divergente :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
Ci-dessus une tuyère uniquement convergente. On voit que la sortie de vapeur forme un panache assez large, signe d'un écoulement perturbé, beaucoup moins efficace pour pousser des ailettes de turbine. La vitesse de sortie est pratiquement constante quelle que soit la pression d'entrée.


[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
Ci-dessus une tuyère convergente/divergente. La sortie vapeur est bien canalisée avec un gabarit bien adapté au passage entre deux ailettes et donc beaucoup plus efficace. D'autre part la vitesse de sortie est liée à la pression d'entrée : Plus la pression est élevée, plus la vitesse de sortie est élevée.

Bonjour,
c'est le manque de rigidité de l'équipage, ce genre de perceuse à colonne est trop fragile.
bonne journée,
Graine au vent

Je suppose que la hauteur totale du dispositif interdit le travail sur le tour ?  
Une équerre et le diviseur posé sur le trainard aurait été plus rigide....
Peut-être qu'en supprimant le mandrin....

Très convaincantes tes images de tuyères!!!

Est-ce que les profils des deux parties ont une grande importance? Tailler un truc en ellipse ne serait pas simple!!!!

Salut !
C'est prometteur !
Quelle est ta pression avant la tuyère ?
Quand tu seras prêt on fera une course avec mon Du Guesclin ! Roues à aubes ou palettes de turbines, c'est un peu pareil, non ???
Bonne soirée !

Hello,
Pour répondre à Styvel et Scyllias, c'est vrai qu'une telle perceuse à colonne (200 euros chez Brico Dépôt) n'est pas idéale pour ce genre de travail de précision. Mais c'était aussi un challenge pour voir si l'on pouvait faire quelque chose sans posséder obligatoirement une fraiseuse. Supprimer la table croisée et fixer directement le plateau diviseur sur le plateau de la perceuse pourrait être un plus, mais le positionnement précis du plateau diviseur serait un peu plus délicat à réaliser. Utiliser un tour : peut-être, mais il faudrait une hauteur entre-pointes qui puisse accepter le plateau diviseur couché sur le trainard + le mandrin qui tient le rotor. Envisageable uniquement avec un tour d'atelier aux dimensions conséquentes, pas possible avec mon Emco 5 !!!!
Il est vrai également, comme le faisait remarquer Rookie que le pied des ailettes est beaucoup plus fin que l'extrémité de celles-ci. A force de vouloir obtenir des épaisseurs aussi fines que du papier à cigarettes, il y a obligatoirement des bavures. La solution évoquée par Rookie de l'impression 3D est plutôt séduisante mais je n'aime pas trop la surépaisseur qui masque une partie du flux de vapeur. Par contre je pense que l'on peut imaginer des ailettes de section constante depuis le pied jusqu'à l'extrémité avec ce type de fabrication.
Malgré toutes ces remarques, le résultat est là, même si la perfection n'est pas au rendez-vous. J'utiliserais donc ce rotor qui reste encore à équilibrer afin de poursuivre avec la mise au point de la tuyère.
Pour répondre à Kbio : une tuyère correspond à une pression d'utilisation donnée bien précise. J'en ferai donc deux, une pour marcher à 5 bars et une autre pour marcher à 10bars.

Très beaux panaches de vapeur, la différence de jet est saisissante !
Il faudra ensuite retailler le bout à 18° pour s'approcher au mieux des ailettes.

Malevthi a écrit:Très beaux panaches de vapeur, la différence de jet est saisissante !
Il faudra ensuite retailler le bout à 18° pour s'approcher au mieux des ailettes.  

Thierry tu n'avais pas mis sur Blooo ta façon de procéder pour usiner une turbine avec un tour ?
Je n'arrive pas a retrouver le lien.

Retrouvé ici une méthode d'usinage que j'avais en mémoire :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Scyllias

Gamin, j'étais constamment à l'affût ce type de lecture ! Malheureusement je n'avais accès qu'a Système D, quelques trop rares Mécanique et Modèles et un troisième dont j'ai oublié le nom....(les joies de la province) !! Et à l'époque, pas question de commander en ligne.....
Bien loin du numérique, d'internet ou des communications instantanées......Quelle accélération !
Pour revenir à l'usinage de la turbine de JPA, c'est vrai qu'un compact 5, c'est un peu juste en hauteur de pointe !! La méthode du livre de Scyllias ou quelque chose de similaire serait préférable à un "empilage" des composants...

Mais c'est juste mon point de vue....

Merci à Scyllias pour le lien conduisant à la fabrication d'une turbine à vapeur équipant un modèle réduit du "Savannah", premier cargo commercial à être équipé de la propulsion nucléaire (si mes souvenirs sont bons). L'article est très intéressant. Ce qui est très surprenant, c'est que la turbine en question est très petite : 1"3/8 de diamètre, soit environ 35 mm et elle ne tourne qu'à 5000 tours/minute. Avec un diamètre aussi faible elle devrait atteindre facilement les 100 000 t/minute. Malgré tout elle propulse la maquette à bonne vitesse.
L'originalité de la construction, au tour, tient dans le fait que c'est le rotor qui tourne, fixé à une pièce intermédiaire prise dans le mandrin. L'outil est fixe et pris sur le support de la contre-pointe. Ceci est possible à cause du faible diamètre du rotor.
La tuyère se limite à un simple trou percé à 20° dans le carter et dont le diamètre fait #60, ce qui doit faire environ 0,42 mm (d'après moi). La pression chaudière est de 50 psi soit environ 3,4 bars, ce qui autorise une demi-heure de marche.
Ceci prouve que l'on peut obtenir un résultat même avec une tuyère très approximative !

On continue donc avec la tuyère convergente/divergente, dite De Laval, et comment déterminer ses dimensions pour la fabriquer.
Tout d'abord les explications de Harrison tirées de son ouvrage "model steam turbines" :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
Ce qui est décrit là correspond tout à fait aux photos publiées précédemment
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
Le tableau II présenté ci-dessus donne en fonction de différentes pressions chaudière, le poids de vapeur qui passe par seconde par un orifice de 1 pouce carré ainsi que l'aire de l'orifice de sortie de la tuyère, le tout dans des unités qui ne nous sont pas trop familières.
Le tableau se lit ainsi : pour une pression de 80 psi (par exemple), il passera 1,09 livres de vapeur par un orifice de 1 pouce carré et l'aire de l'orifice de sortie de la tuyère fera 1,53 pouce carré.
le traducteur revient bientôt, il est parti casser la croûte !

Traduction dans un système plus compréhensible pour un non anglo-saxon :
80 psi (pounds per square inch) = 5,5 bars
1 lbs (pound) = 453,6 g
1 square inch = 645 mm2
1 lbs/square inch = 453,6 g/645 mm2 = 0,7 g/mm2
On peut donc en déduire qu'à la pression de 5,5 bars à la chaudière, il passera 0,766 g de vapeur à la seconde (soit 46 g/minute) par un orifice de 1 mm2 et que l'aire de sortie de la tuyère fera 1,53 mm2.
Autrement dit diamètre au col = 1,13 mm, diamètre de sortie tuyère = 1,4 mm

Dans la pratique la forme du convergent importe peu et on aura toujours la pression qui va chuter à 0,580 de la pression nominale pour de la vapeur saturée sèche et à 0,544 pour de la vapeur surchauffée.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
La vitesse au col étant pratiquement constante, aux alentour de 450 m/seconde, quelle que soit la pression.
Le diamètre au col détermine le poids de vapeur qui va y passer par seconde pour une pression donnée. De ce débit de vapeur dépendra la puissance finale de la turbine à condition que la chaudière puisse assurer ce débit. Dans la pratique, pour nos petites chaudières, le diamètre au col devrait se situer entre 0,5 à 1,3 mm de diamètre. Les diamètres s'approchant du millimètre voire un peu plus, seront plutôt à réserver pour des installations de vapeur instantanées ou flashsteam.
Personnellement j'utilise un foret à centrer de 3,15x1 pour usiner le convergent. Nous verrons par la suite comment calculer la longueur du divergent ainsi que l'aire de sortie de la tuyère à partir de l'aire du col et de la pression vapeur.

Le "Savannah" était le deuxième bateau propulsé à l'énergie nucléaire
60 années plus tard je garde le souvenir d'en avoir construit la maquette, une boite "Revell"
Cet élégant et beau modèle qui n'a pas survécu aux ans (et aux nettoyages énergiques de mes ascendants féminins, grand-mère et mèrev )
La lecture de ce qu'en raconte Wiki est intéressante
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Hello,
J'ai refais un tableau avec des unités plus compréhensibles pour les non britanniques :
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Ces tableaux sont un peu approximatifs, les deux tableaux qui se trouvent dans l'ouvrage de Harrison ne correspondent pas vraiment. Ainsi le "table II" donne un débit de 1,09 livres par pouce carré par seconde pour une pression de 80 psi. Sur le tableau qui suit (Fig. 12A.), les débits sont donnés en livres par pouce carré par heure. Pour 80 psi on a environ 4300 livres par pouce carré par heure. Ramené à la seconde on a 4300/3600 = 1,194 livres par pouce carré par seconde, ce qui est quand même sensiblement différent de 1,09. Tout ceci, sans être rigoureux, donne quand même une idée des ordres de grandeur.
On peut donc avoir une idée du diamètre au col qui correspondra au mieux avec le débit de la chaudière ou de l'appareil évaporatoire, en fonction de la pression délivrée.
Déterminer le diamètre au col de la tuyère est primordial car à partir de cette dimension on va pouvoir calculer la longueur et l'aire de sortie de la tuyère.

Salut !
Si je comprends bien, à 5,5 b on a +/42 gr vapeur par minute.
Ca ne me semble pas beaucoup ! J'ai du mal à faire la relation entre la vapeur nécessaire et celle que l'on peut produire (capacité de la chaudière)!
Enfin! Je m'accroche mais il va me falloir plus de chateau Buzet!
Bonne journée !

Salut Kbio,
0,76 g/mm2/seconde, avec une tuyère de 1mm2 au col cela fait 45,6 g par minute. Soit encore une consommation de 456 g ou 0,456 litre d'eau pour 10 minutes de fonctionnement ou bien encore 684 g ou 0,684 litre d'eau pour 15 minutes de fonctionnement. C'est cohérent avec ce qu'on avait trouvé comme consommation quand tu avais débuté le projet "mad steam". Tout ceci correspond à une pression de 5,5 bars, évidemment si l'on monte la pression ou si le col de la tuyère fait plus que 1mm2, la consommation vapeur va augmenter.

Et là on tombe sur un des problèmes des turbines: La consommation de vapeur!
Si l'on reste dans des schémas classiques de chaudières, on évapore environ 4gr/dm2/mn. Il faudrait donc une surface de chauffe entre 10 & 15dm2!!!... A comparer avec ce que l'on a généralement dans les chaudières, entre 1 et 3 dm2.
Donc très grosse chaudière à double foyer mais du coup on a un sacré poids à trainer ou alors il faut tenter le flash-steam...

Hello,
Tout d'abord bonne année à tous !
Effectivement mon générateur de vapeur "flashsteam" est constitué d'un double serpentin de tuyau de cuivre de diamètre 4,8 mm de 9 m de long (longueur utile), ce qui fait une surface d'évaporation de 13,5 dm2 (si je calcule bien). Mon installation tient facilement les 10 bars avec une une tuyère de 1 mm2 au col et deux brûleurs "Bobino" de 300 g/heure chacun.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Voici donc le principe de calcul proposé par Harrison :

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Nous avons maintenant tous les éléments pour définir les dimensions du divergent de la tuyère :

Calculs pour une pression chaudière de 5 bars, soit une pression absolue de 6 bars :
Pression d'entrée à la tuyère : 6 bars
Pression au col de la tuyère : 6 x 0,58 = 3,5 bars
Pression atmosphérique : 1 bar

On cherche dans le tableau "propriétés de l'eau" (tiré de "principes de thermodynamique" par Jean-Charles Sissi) les volumes massiques (en m3/kg) de la vapeur d'eau à 3,5 b et à 1 bar.

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Le tableau nous donne 0,6057 m3/kg à 3 bars et 0,4624 m3/kg à 4 bars. On va donc extrapoler et nous prendrons comme valeur moyenne 0,534 m3/kg pour 3,5 bars.

Volume massique de la vapeur d'eau à 3,5 bars = 0,534 m3/kg
Volume massique de la vapeur d'eau à 1 bar = 1,694 m3/kg

L'accroissement de volume de la vapeur en passant du col jusqu'à la sortie de la tuyère est donc de : 1,694 / 0,534 = 3,17 fois. Il va donc falloir que l'aire de passage à la sortie soit 3,17 fois plus grande que l'aire de passage au col.

Nous l'avons vu précédemment, le diamètre au col fait 1,15 mm de diamètre et donc son aire est égale à Pi x R2 soit 3,14 x 0,575 x 0,575 = 1 mm2

L'aire de sortie de la tuyère devra donc faire 1 mm2 x 3,17 mm2 et on en tire le diamètre de la sortie : 2 mm

La longueur du divergent sera obtenue graphiquement à partir d'une construction triangulaire où le côté AB = 12 BC (voir graphique).

D'après le graphique, la longueur du divergent sera  de 10 mm.

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Ouf, c'est tout pour aujourd'hui !!!!!

Selon le même principe on peut calculer le divergent pour une pression chaudière de 10 bars soit 11 bars absolus :

Pression d'entrée à la tuyère : 11 bars
Pression au col de la tuyère : 11 x 0,58 = 6,38 bars
Pression atmosphérique : 1 bar

On cherche dans le tableau "propriétés de l'eau" les volumes massiques (en m3/kg) de la vapeur d'eau à 6,38 bars et à 1 bar.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
Le tableau nous donne 0,3156 m3/kg à 6 bars et 0,2403 m3/kg à 7 bars, on va donc extrapoler et nous prendrons comme valeur moyenne 0,278 m3/kg pour 6,38 bars.

Volume massique de la vapeur d'eau à 6,38 bars = 0,278 m3/kg
Volume massique de la vapeur d'eau à 1 bar = 1,694 m3/kg

L'accroissement de volume de la vapeur en passant du col jusqu'à la sortie est donc de : 1,694/0,278 = 6 fois. Il va donc falloir que l'aire de passage à la sortie soit 6 fois plus grande que l'aire de passage au col.

Nous l'avons vu le diamètre au col fait 1,15 de diamètre et donc son aire est égale à Pi x R2 soit 3,14 x 0,575 x 0,575 = 1 mm2.

L'aire de sortie de la tuyère devra donc faire 1 mm2 x 6 = 6 mm2 et on en tire le diamètre de la sortie : 2,76 mm

La longueur du divergent sera obtenue graphiquement à partir d'une construction triangulaire où le côté AB = 12 BC (voir graphique)
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]
D'après le graphique, la longueur du divergent sera de 20 mm

Et maintenant les travaux pratiques :

Usinage du convergent à l'aide d'un foret à centrer de 3 x 1,15
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Façonnage du divergent à l'aide d'un alésoir fabriqué à partir d'une lame de scie à métaux. Il est pratique de faire un repère à la pointe à tracer pour savoir jusqu'où aller en profondeur.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

La conicité devra respecter le rapport 1/12

Mais t'arrêtes pas de bosser toi!

Ca bosse dur effectivement! ET la méthode de réalisation est super sioux!!!

j' ai deux petites questions:
- Tu travailles en parallèle sur deux tuyères prévues pour des pressions de fonctionnement différentes. Avec la chaudière "flash" à serpentin comment ajustes-tu la pression de sortie et donc d'entrée sur sur la tuyère? Un tank intermédiaire??

- je ne vois pas d'où sort cette conicité de 1 pour 12 pour le divergent??

Hello,
Oui, les calculs s'appliquent à deux tuyères différentes chacune marchant avec une pression différente en fonction du générateur de vapeur. Il est bien évident que si le générateur ne peut tenir la pression avec une aire de 1 mm2 au col, il faut faire une tuyère avec un col plus petit (et refaire les calculs en fonction de ce nouveau paramètre), ou bien trouver un générateur plus performant. J'ai choisi deux valeurs, 5 bars et 10 bars, à titre d'exemple car ce sont des valeurs qui me paraissent les plus intéressantes et les plus faciles à trouver.
Les turbines sont des appareils qui sont conçus pour marcher à une vitesse bien déterminée et dont on ne peut faire varier la valeur dans de grandes proportions. Si l'on dispose déjà du générateur de vapeur il est facile de trouver le diamètre du col le mieux adapté, qui permettra de tenir la pression, par expérimentation. Il suffit de mettre un bouchon percé d'un trou de 0,5 mm (par exemple) à la place de la tuyère et d'agrandir le trou progressivement jusqu'au moment où le générateur ne peut plus tenir une pression constante. On sait alors que le diamètre du col doit être légèrement plus petit et la tuyère doit être recalculée en fonction de ce nouveau diamètre.
On peut adopter la tuyère pour 10 bars de pression, si le générateur tient la pression pour cette tuyère, mais aussi mettre deux tuyères de 5 bars si l'on veut utiliser deux turbines, ou encore mettre deux tuyères sur une seule turbine.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

En ce qui concerne la conicité du divergent de 1/12, j'ai trouvé cette valeur dans l'ouvrage de Harrison "model steam turbines". Je pense que cette conicité est en rapport avec la vitesse d'expansion latérale de la vapeur ainsi que sa vitesse de progression dans le divergent. Harrison précise bien que cette conicité correspond à une tuyère qui débite à la pression atmosphérique. Si cette tuyère devait débiter dans une enceinte sous vide (cas des installations munies d'un condenseur), je pense que cette conicité serait différente. A mon avis cette valeur a été trouvée expérimentalement.