Discussion autour de la turbine et son usage!

Hello !
Pour comparaison, j'ai ressorti ma vieille turbine qui devait travailler en vapeur instantanée en prise directe sur un turbo jet.
je l'ai remontée entièrement avec son rapport de pignons 1/5 .
On voit de suite qu'il y a beaucoup moins de pignons donc de frottements. Je vais l'essayer aussi en remplacement de la WADA avec la chaudière Scott.
Tout est pratiquement prêt pour faire des mesures. J'ai encore une bidouille ou deux à usiner pour se faire !

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Salut !
Aujourd’hui , j’ai eu le temps de me livrer à quelques mesures avec le frein de Prony. Mais il va falloir y apporter quelques modifications afin qu’il soit plus fiable et précis.
L’équilibrage du bras en soi ne pose pas de problème. le contre poids prés de l’axe peut être constitué d’une vis autour de laquelle on passe des plombs de pèche . Réglable une fois pour toutes .
Le bras qui repose sur l’axe de la sortie de turbine (ou autre machine) devrait à mon avis et pour plus de précision être plus long (le double) et y planter la encore un boulon qui repose sur la balance pour régler l’horizontalité.
Un seul réglage de compression sur un coté ne suffit pas et le doubler avec un autre de l’autre coté de l’axe permettra de mieux affiner le serrage et obtenir une lecture plus fiable. Probablement que réduire le diamètre de l’axe de 4 à 3 mm permettra aussi une meilleure prise . A votre avis … !
Les quelques mesures que j’ai faites sur les deux turbines ne sont pas trés précises mais donnent une bonne idée de la puissance développée par chacune d’entre elles. La WADA qui a une démultiplication de 1/10 est nettement plus puissante que celle que je nomme « CNRS » que j'ai achetée à un type qui travaillait au CNRS de Nantes !
La forme des palettes, la position de la duse (convergente/divergente) sur le dessus ne permet pas un bon développement de puissance. La forme de palettes non plus.
On voit sur la vidéo que si je forme un (genre de ) carter autour du rotor , on entend la vitesse de rotation qui augmente nettement . Il y a quelque chose à faire là aussi !
Cette turbine a un rapport de 1/5 mais n’est pas aussi performante que celle présentée sur la video plus haut (Mr Malatier).
Il y a tout à revoir et mème si le chemin est pratiquement tout tracé, je reste persudé qu’il y a matière à améliorer la chose.
On continue, on en parle et on échange des idées.
On n’est pas des boeufs que diable !
Merci à Malevthi en passant pour la littérature qu’il a bien voulu nous forunir … !;-)

Un point important que je n’ai pas mentionné , c’est le compte tours. J’en ai deux (je sais , toi aussi !) mais les lectures sont très fluctuantes et pas fiables. L’un d’entre vous saurait -il nous conseiller un bon compte tours qui ne lui joue pas des tours ! Enfin des bons tours et pas des tours de c… ! Vous avez compris !!
Merci et bonne soirée !

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Dans cet essai , on entend bien la vitesse de rotation qui augmente en mettant ce semblent de carter autour.

Hello,
Concernant le frein de Prony, je voie que tu as fixé le contrepoids à l'opposé de l'épingle à boule par rapport à l'axe et tu as placé la vis de réglage entre l'axe et l'épingle à boule. On peut se passer de l'équilibrage avec contrepoids en faisant la tare du pèse-lettre. Il suffit de rendre le frein libre sur l'axe et appuyer sur la touche de remise à zéro du pèse-lettre. La force supplémentaire due au poids du bras sera alors éliminée.
La vis de réglage est trop près de l'axe, je l'aurais mise à la place de la vis qui sert à maintenir le contrepoids. Cette vis de réglage doit agir sur un ressort de compression sinon la force de freinage est impossible à régler de manière fine.
Dernier point sur le frein de Prony : Pour augmenter la flexibilité des deux lames de bois qui enserrent l'axe, il faut percer un trou en travers du bras, parallèle au trou de l'axe, à l'extrémité de la fente pratiquée dans le bras. Ce trou doit avoir un diamètre minimum (voire plus) du tiers de l'épaisseur du bras.
La distance de 100 mm entre l'axe et la boule de l'épingle sert à calculer le coefficient que l'on applique dans la formule. Si tu passes à 200 mm de longueur de bras il faut multiplier le coefficient par 2.

La turbine du CNRS m'a toujours paru de conception extravagante pour une turbine. Il a existé des turbines industrielles avec injection de vapeur radiale. Dans ce cas les ailettes sont placées perpendiculairement au plan de rotation du rotor, contrairement à la disposition plus classique de l'injection axiale. C'était le cas des turbines "Electra". Mais dans ces turbines l'échappement de la vapeur ce fait de l'intérieur de la turbine vers l'extérieur, où la force centrifuge aide à l'évacuation de la vapeur.

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Dans la turbine du CNRS, le flux de vapeur est contrarié par la force centrifuge qui ralenti ce flux dans une large proportion. C'est un non-sens pour une machine dont le principe de fonctionnement est justement basé sur une vitesse maximum de la vapeur. Autre inconvénient : le rotor n'est pas caréné. Les larges ailettes fonctionnent comme un ventilateur en aspirant une large quantité d'air par le centre et en le rejetant vers la périphérie. C'est un gaspillage d'énergie qui est bien mis en évidence par Kbio par son expérience de carénage. Quant au profil "naca" des ailettes du rotor, c'est une vue de l'esprit qui ne correspond pas à ce que l'on recherche dans une turbine à action simple. Une grande amélioration de l'efficacité de cette turbine pourrait être trouvée en carénant la périphérie du rotor, mais également le flanc du rotor en ménageant une ouverture au centre correspondant au diamètre intérieur décrit par les ailettes pour faciliter l'évacuation de la vapeur.

En y réfléchissant un peu plus, on pourrait même caréner l'intérieur du rotor, pour éviter tout brassage de l'air et pratiquer juste une ouverture en face de l'échappement entre deux ailettes encadrant la tuyère. Cette sortie devrait se trouver dans le prolongement du sens donné par l'orientation des ailettes. Naturellement ce carénage devrait avoir un jeu calculé au minimum pour limiter les fuites périphériques.

Le carénage intérieur je l ai fait,c est facilement réalisable.
J ai tourné une bête bague rentrée en force entre les ailettes,du coup aucun jeu.

Ca y est ! Ils ont mordu !  A présent il va falloir présenter des schémas , qu'on en discute avant de passer à la réalisation!
Peux-tu nous montrer ta turbine ?
Bon, c'est pas le tout mais c'est l'heure ...

Sujet très intéressant! On verra bien où ça mène…

Quelques remarques quand même sur le frein de Prony:

• L’ utilisation du Frein de Prony pour avoir des mesures fiables n’ est pas facile! Et ça ne date pas d’aujourd’hui et n’est pas spécifique à nos petites machines… Voilà ce qu’écrivait en 1873 un certain « M. Kretz, Ingénieur en chef & inspecteur des manufactures de l’ Etat »:

« En un mot, l'instrument en lui-même ne doit renfermer aucune cause d'erreur, et mieux vaut qu'il ne puisse conduire à aucun résultat quand l'expérience est mal dirigée, que de le disposer de telle sorte qu'il donne avec facilité des résultats incertains ou variables a volonté.Les divers modèles de frein qui sont ordinairement employés dans l'industrie ne sont pas, à cet égard, à l'abri de tout reproche. Il en résulte que, malgré le grand nombre d'essais au frein qui ont été exécutés depuis une trentaine d'années, on n'a que des données assez incertaines sur le rendement des machines motrices, et que, bien souvent, deux machines complètement semblables, construites avec les mêmes soins, dans un même atelier, donnent lieu à des appréciations très-différentes. « 

• Il faut réussir à bien stabiliser la vitesse de rotation durant le temps de la mesure disons 15 à 20 secondes, le temps de lire le tachymètre et la balance. Si la vitesse fluctue sur cette période, il n’ y a plus concordance vitesse/couple et la mesure est non valide. Or le frottement du frein sur l’ axe est éminament variable même avec des sabots de bois graissés ou mouillés à l’ eau et on peut en plus avoir une oscillation du mouvement de rotation.

• Je ne suis pas sûr que ce soit ton tachymètre qui manque de précision. Perso j’ ai un Voltcraft DT-10L. Ces engins avec faisceau laser sont normalement précis, mais ne sont pas toujours facile à manier. Il leur faut une bonne stabilité et ne pas avoir le faisceau qui se balade… Sinon, mesure erratique. Il faut quelques secondes bien immobile pour avoir la bonne lecture, c’ est le temps de réponse de la  bestiole pour cracher la bonne valeur. L’ idéal est de le fixer sur une colonne ou autre dans la bonne position. Sinon tu peux passer à un système avec aimant sur la pièce mobile et lecture sur un petit écranLCD. je n’ai pas cherché, mais ça doit se trouver pour moins d’ une vingtaine d’ euros.

• Pour au moins partiellement palier à tous ces problèmes, ne pas hésiter à multiplier le nombre de mesures. Essayer de travailler par petit paliers de vitesse. Ainsi on repère assez aisément ce qui semble bien tomber sur la courbe et ce qui manifestement est « OUT ». Un exercice demandant de la patience…

• Privilégier des vis à pas fin pour le serrage du frein. Plus facile de moduler finement le couple de frottement et la vitesse.

• Enfin, un petit rappel: La puissance mesurée est indépendante du rapport de réduction installé à la sortie de la turbine. Ce qui varient selon le rapport de réduction ce sont la vitesse de sortie et le couple de sortie. Une fois que tu as déterminé le point de puissance maximum délivrée par la turbine, il faut savoir à quel régime turbine tu as ce résultat. Ce sera bien sûr la vitesse en sortie de réducteur x inverse du rapport de réduction. Et il faudra donc suivant l’ application que tu fais de la turbine  essayer de la faire fonctionner à ce régime optimum. Soit une vitesse élevée et un couple plus faible ou l’ inverse. Dépendra par exemple du choix d’ hélice, etc… qui donc sera intimement lié au réducteur choisi…. Pas simple….

Hello,
Le fait d'avoir simplement des vis de serrage pour freiner la ligne d'arbre ne peut pas être efficace. En tournant, l'arbre provoque une légère usure du frein en bois. Cette usure, même minime voire insignifiante, modifie le serrage des vis. Le seul moyen d'avoir une force de freinage constante est de comprimer un ressort qui s'applique sur les mâchoires du frein. Pour rappel : la force exercée par la tête d'une vis dépend de l'allongement qu'on fait subir à cette vis en tournant l'écrou. Ce boulon (système vis/écrou) agit donc de la même manière qu'un ressort et la dureté dépend de la matière dont la vis est constituée (acier ordinaire, acier noir, laiton, inox, etc.). L'allongement d'une vis de diamètre 3 ou 4 est infinitésimal et la moindre usure ou tassement du bois, dû à la compression, fausse complètement la mesure. Le seul moyen d'avoir une force de serrage constante du frein est, je le répète, de comprimer un ressort dont on choisira la force de compression en fonction de la force de freinage que l'on veut obtenir. Mon frein de Prony équipé d'un ressort de compression pour serrer les mâchoires du frein me donne une mesure constante du couple moteur et il n'est pas nécessaire d'avoir une deuxième vis de compression.

• Comme d' hab, excellente remarque de notre ami JPA. Bon, même avec un ressort, si il y a usure il y aura aussi un léger changement du serrage la compression du ressort étant moindre. Mais l' écart avec un ressort sera plusieurs degré de magnitude inférieur qu' avec juste la vis.

• Toujours dans la recherche de l' élimination des sources d' erreur potentielles, je pense préférable d' équilibrer le frein indépendamment du tarage de la balance. En tarant avec la balance, il faudrait être sur que le frein est parfaitement libre sur l' axe... Qu'aucune force résiduelle due au frottement même minime n' est présent... On mesure des dixièmes de grammes. Donc erreur aisée.
L' équilibrage du frein ne prend que quelques minutes. Et on élimine une autre source potentielle d' erreur. On peut faire comme je le faisais pour mes pales d' hélico: deux verres et un bout d' axe. Frein bloqué sur l' axe (pas d' erreur possible) et axe reposant sur deux verres par exemple... et on leste à l' horizontale.

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Salut !

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J'ai finalement réussi à obtenir un frein de Prony assez stable. La lecture du poids sur la balance ne se prenant qu'une fois la vitesse stabilisée. Ce qui se fait rapidement je dois dire.
La tare de la balance pour obtenir le point 0 se fait bien une fois que le bois est plus ou moins brulé et durci autour de l'axe de la turbine. Le ressort est assez long , souple mais assez ferme pour stabiliser la compression et permettre une lecture.
Tout ça a demandé un rodage des pièces en place mais le frein me semble fiable de par la stabilité des mesures. Il y a bien quelques dératés occasionnels et intempestifs , mais qui se corrigent vite!
J'ai donc fait quelques mesures à différentes pression de ma WADA et de la CNRS , que j'ai soumises à notre ami Rookie en attente de son commentaire mais j'ai aussi pratiqué des mesures de RPM en faisant varier la pression sur la WADA et contrairement à ce que je pensais avec une démultiplication de 1/10 , le  nombre de tours varie considérablement dés qu'on augmente la pression =
2    b .............. 1170 RPM
2,5 b .............. 1650 RPM
3.   b .............. 2086 RPM
3,5 b .............. 2380 RPM
4    b .............. 2820 RPM.
Notez qu'au dessus de 4 b , la turbine n'en prend plus et qu'elle cafouille. Aucun intérêt à poursuivre les tests au delà. J'ai trouvé de la durite plus épaisse qui devrait faire l'affaire à cette pression.
La bonne nouvelle , c'est que j'ai enfin réussi à maitriser mon compte tours en le dirigeant à l'opposé de la fenêtre .
A suivre ...

Salut,

Notre ami KBIO a bien travaillé!! Nous avons maintenant quelques données. Mieux que de travailler au doigt mouillé...

• Yves m' a envoyé les lectures faites avec son frein de Prony sur deux turbines. J' ai mis tout ça dans un tableur Excel et j' en ai sorti quelques courbes:

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• Les premiers commentaires:
- Les résultats pour Wada 3,5b; Wada 4b et CNRS 6b sont pas mal et les courbes (avec quelques petites erreurs évidentes ) sont cohérentes.
- Le relevé des mesures pour CNRS 4b sont incohérentes…
- Pour Wada 4b, il aurait fallu serrer un peu plus (ralentir davantage) pour clairement avoir l’ inversion de pente de la courbe.
- Entre Wada 3,5b & Wada 4b, l’ amélioration de la puissance pour 0,5b de pression en plus paraît importante, plus que je ne l’ imaginais… (Confirmé par les derniers tests de Yves mentionnés dans le post précédent).
- Pour la WADA, en tenant compte du réducteur (1/10) il semble que la turbine délivre la meilleure puissance autour de 15 000trs/mn
- Pour la CNRS se serait plutôt autour de 6000 trs/mn…..

Avantage très net pour la WADA sur la CNRS!!!!

A titre de comparaison la puissance très théorique que l’ on calcule pour un 3,5cc type pilon à 1200 tr/mn on est à 10 ou 11W…

L 'avantage de travailler ainsi avec des courbes et un nombre assez élevé de points de mesure est de repérer facilement les petites erreurs de mesure et de pouvoir valider l' ensemble de la manip.  

Résultats très encourageants...

Ces résultats sont très intéressants ! Les essais de la turbine "CNRS" peuvent paraître paradoxaux : plus on monte dans les tours plus le couple est faible. Je pense que l'on peut expliquer ça par le manque de carénage du rotor. A l'air libre tel qu'il est le rotor se comporte comme un ventilateur centrifuge. A basse vitesse le volume d'air brassé par le rotor n'est pas très important et c'est plus de puissance sur l'arbre de la turbine. Plus la vitesse augmente, plus le volume d'air brassé devient important et c'est autant d'énergie perdue pour l'arbre. Au final toute l'énergie sert à brasser l'air et il ne reste plus rien pour l'arbre de la turbine. Je pense que l'on peut tirer beaucoup plus de puissance de cette turbine si on l'équipe d'un carénage adapté.

Question subsidiaire : Les essais ont-ils été menés à l'air comprimé ou à la vapeur ? C'est un détail qui a son importance !

Salut le marin!
Les essais sont faits à l'air comprimé ! J'ai essayé à la vapeur mais le nuage se disperse un peu partout et j'ai un mal de chien à obtenir une lecture fiable !
La turbine WADA est à poste dans la chaloupe, je vais voir à faire un essai vapeur et .... si je peux lire quelque chose je vous en fais part .
C'est vrai que la CNRS tient plus du ventilateur que de la turbine.
Va faire chaud ....... et soif !
Bonne journée !

Derniers essais in situ avec la turbine embarquée .
La chaudière semble tenir la pression jusqu'à la fin de la bouteille de gaz. Encore un essai plus ou moins concluant .
Prochain essai avec une hélice dans un bac d'eau.

Hello,
La différence entre vapeur et air comprimé, quand on aborde les turbines, c'est qu'une molécule d'air ne fait pas la même masse qu'une molécule d'eau. Quand on lâche une bille sur du carrelage à 50 cm de haut, les effets sur le carrelage sont nuls, fais la même chose avec une boule de pétanque........!!!!!!!!! Tout ça pour dire qu'au niveau de l'énergie cinétique air ou vapeur d'eau, c'est pas la même chose. A 450 m/seconde les molécules d'air n'auront pas le même impact que les molécules d'eau sur les aubes de la turbine. Ces différences d'effets sont très atténués lorsqu'il s'agit de machines alternatives car les vitesses atteintes par les différents fluides sont toutes relativement basses.

C'est un peu bizarre de voir la même quantité de vapeur sortir par les deux évacuations de marche AV/marche AR. Il y a quelque chose à faire pour améliorer encore cette turbine. Rendez-vous à la fin du mois pour les solutions. Je pars aujourd'hui avec mon voilier.

Réflexion de béotien .
J'ai pu constater lors de moult essais que beaucoup de machines fonctionnaient mieux à la vapeur qu'à l'air.
A présent, tu parles de molécules d'eau. Mais mème si la vapeur est constituée de molécules d'eau , cette eau est devenue un gas .
Léger avec une densité plus légère que l'air (logiquement) ...
Désolé de te faire cogiter à l'heure de la sieste.
Encore que pour toi , c'est l'heure de l'apéro ... !
Je vais faire d'autre tests avec mon bac à eau et des hélices différentes et je soumettrai ces mesures à votre expertise .
En attendant ..  

ps: oui la vanne n'est pas parfaite et je pense gaver la turbine en prise directe. Un bateau n'étant pas fait pour reculer , m'a "thon" dit !
Bonne croisière !

JPA a écrit:Hello,
La différence entre vapeur et air comprimé, quand on aborde les turbines, c'est qu'une molécule d'air ne fait pas la même masse qu'une molécule d'eau.

Dans quel sens est la différence? Tu sembles sous-entendre que ce sera mieux à vapeur? Si c' est ça, je suis pas trop d' accord...
La masse volumique de l' air à la  pression atmosphérique est de 1,3kg/m3.

Si j' ai bien compris le fonctionnement d' une tuyère de Laval, le fonctionnement optimum est obtenu si la pression à la sortie du divergent est égale à la pression ambiante, soit la pression atmosphérique. En pratique on la prend un peu au-dessus.

La masse volumique de la vapeur dépend de la pression. Elle est de:
- 0,59kg/m3 à 1b absolu
- 0,84kg/m3 à 1,5b absolu
- 1,13kg/m3 à 2b absolu

Si on fonctionne avec disons 0,5b mano en sortie du divergent, la masse volumique de la vapeur sera inférieure à la masse volumique de l' air à la même pression. Et selon le principe de la conservation de la quantité de mouvement, le fonctionnement à l' air devrait donner de meilleurs résultats qu'à la vapeur.

Ai -je tout faux???....

C'est à ne plus rien comprendre !!
En attendant j'ai fait un montage afin de faire tourner cette WADA avec des hélices différentes dans un bac d'eau.
Vous noterez la différence de pas entre les deux hélices.
- L'hélice de  55 mm a un pas faible .
- L'hélice de 6 mm a un pas plus prononcé !
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Mesures prises avec l'hélice de 55 mm
16h02 >>>> allumage chaudière = 0 b
16h05 >>>> 4 b = ouverture chaudière vers turbine = 3250 rpm. légère fuite entre les flaques.
16h09 >>>> niveau d'eau minimum atteint = arrêt bruleurs , chaudière ouverte sur turbine.

Installation:
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Essai turbine avec l'autre entrée bouchée.
Ca brasse dur. Etonnant !


Demain je referai des essais   @ 3 b avec l'hélice de 60 mm et je vais essayer de mettre un pompe d'alimentation pour palier le manque d'autonomie de la chaudière (4/5 min) . Je conserve l'hélice de 60mm .
A suivre ....

Ca remue bien ! [Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image] On verra ce que ça donne avec l'autre hélice.

Au passage, une petite vidéo d'une biturbine irlandaise:

Bon, je n' y comprends plus grand chose... Il y a un truc de base qui m' interpelle violamment! La vitesse de rotation!
- Lors des essais au frein de Prony, la vitesse max que tu avais à 4b était d' environ 2500trs/mn avec zéro sur la balance c' est à dire aucun couple résistant.
- Lors de cet essai avec hélice dans l' eau, la vitesse que tu relèves, aussi à 4b est de 3250tr/mn!!! Et ça c' est avec une hélice au bout d' un bout d' étambot et le tout dans l'eau... Donc un couple résistant sans doute plutôt important!

Ca fait quand même une sacré différence de vitesse, 1,3 fois plus importante!....

Alors, ou chercher l' explication? Quelques pistes à explorer:
- Refaire un essai dans l' eau avec l' hélice mais à l' air et comparer. Permettra de comparer air/eau. Peut-être que l' explication ci-dessus ou j' essayais de prédire l' effet air/vapeur est faux... Il est certain que la tuyère n' est pas une de Laval...
- Refaire une mesure au frein de Prony à 4b mais à la vapeur et comparer avec les mesures à l' air... A-t-on vraiment un tel effet?
- Une erreur de manip? Les mesures à l' air au frein me paraissent quand même assez cohérentes et tu étais dans de bonnes conditions en particulier pour la mesure de la vitesse (après plusieurs essais infructueux). Et la balance ne peut pas pas mentir. Si tu lisais "0" le couple était bien nul...
La seule erreur que je vois possible est dans la mesure de la vitesse avec le bac à eau... Où prends tu la mesure? Possibilité de faux "tops" lus par le faisceau? Plusieurs vis sur le manchon d' accouplement? A travers un nuage de vapeur ... Quand j' observe bien ta vidéo, certes ça brasse, mais je n' ai pas l' impression que tu es à plus de 3000trs/mn... Et être à 3000trs/mn dans l' eau impliquerait que dans l' air, à vide tu tournes à 5 ou 6000trs ou plus...

Dure, dure la vie de l' expérimentateur... Mais faut comprendre et corriger ce truc, si l' on veut progresser...

Hello !
Je vais donc retourner au charbon et faire des mesures à l'air avec l'hélice dans l'eau.
On verra bien si la différence de puissance vient de la vapeur.
Je me demande si le frein de Prony ne se dérègle pas en fonction de la vitesse et la compression du ressort.
C'est bien compliqué tout ça !
Sur la double turbine proposée plus haut, (notez l'usinage) ça devrait nous conforter dans le choix de la forme des aubes et l'entrée vapeur latérale. La duse convergente/divergente est aussi nécéssaire. Pas besoin de faire aussi compliqué , on va bien arriver à quelque chose !
Par contre ils ne parlent pas de couple.
Bonne journée !

Si vous souhaitez aborder le thème de la turbine à vapeur miniature de manière plus scientifique (ce qui me semble être un point fort de ce forum), je vous invite à consulter ce forum :

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Des données très fondées et très bien étayées sur le plan physique. Malheureusement en allemand, mais il existe de bons traducteurs en ligne.

En ce qui concerne la mesure de la puissance : pourquoi ne pas brancher un moteur électrique comme générateur et mesurer la tension et le courant aux bornes d'une résistance de charge variable ?

Ensuite, chercher la pression et le nombre de tours pour la puissance maximale, mesurer le nombre de tours et chercher ensuite une vis appropriée avec le même nombre de tours.

Un fil de discussion très intéressant d'ailleurs !