Prototype de la version industrielle

Schéma global de la turbine

Un moitié droite vu en coupe, la second moitié vu de l'exterieur sans les détails
Cela donne une idée de la forme du prototype de la version industrielle.

Plusieur modification majeur on été apportées à cette version.
-1- le compresseur est maintenant intégré.
le système est augmenter par la première compréhension faite lors de l'étude de la répulsine.
Le compresseur expulse le flux du centre vers la périphérie et le projette sur un rotor appelé "Accélérateur libre".
Cet accélérateur est totalement libre en rotation il ne transmet aucun couple récupérable.
Son unique fonction est de recevoir le flux issue du compresseur, et de le restituer vers l'aubage terminal.
L'intérêt de ce via est l'appropriation et l'accélération du flux par cet accélérateur.
Lorsque le flux est projeté sur ces pales cela le met en rotation, le flux se diffuse dans les interstices.
Il ressort avec une vitesse légèrement plus importante car les aubes de l'accélérateur compriment légèrement le flux
C'est cette compression qui fait en quelques sorte obstacle au passage du flux, et transmet un mouvement à l'accélérateur.
Durant cette compression (effet Bernoulli) le flux accélère en s'appuyant sur le profile des pales de l'accélérateur.
L'accélérateur étant lui même en rotation, le flux subit une addition de vitesse, égale à sa vitesse propre plus la vitesse de rotation du rotor.
Le flux accéléré est dirigé vers le dernier étage appelé "Aubage terminal".
Ce dernier étage reçois le flux sur-accéléré, il est mis en rotation à une vitesse légèrement supérieur celle de l'accélérateur.
Une première étape de mesure consistera a vérifier que le mécanisme produit bien les bons différentiels de vitesses.
Dans cette mesure les rotors seront tous indépendants, seul le compresseur sera motivé par un moteur externe.
Des capteurs optiques délivrerons de impulsions à un compte tours qui mettra en évidence les différentiels de vitesse.
Après avoir validé cette étape, la douille de liaison sera mis en place, sa fonction est de lier mécaniquement l'aubage terminal et le compresseur.
Cette liaison à pour but de produire une auto-accélération du compresseur, il va poussé un flux qui va émettre une poussée sur lui même, via l'accélérateur.
-2- Tous les étages supérieurs sont modulaires.
Au dessus du compresseur on trouve les aubages recevant le flux entrant issue de la dépression d'air produite par le compresseur.
Un "Aubage modulaire" est toujours accompagné d'un "Corps diffuseur modulaire", Ils sont fait de manière à pouvoir en ajouter autant que souhaité.
Chaque aubage va permettre de récupérer un pourcentage de la puissance nécessaire pour les mettre en rotation.
Le diffuseur d'air oriente le flux afin de lui donner un angle quasi parallèle au sens de déplacement des aubes de turbines.
Le choc du flux produit un effet maximal sur les turbines, le flux passe au traver de l'aubage et déscent à l'étage inférieur.
Le cycle recommance et ceci à chaque étage de module.
Particularité, pour une dépression initiale consomant une puissance donnée, le nombre de turbines de récupération pouvant être irrigué est quasi infini.
Ainsi en récupérant par turbine 5% de la puissance initiale, nous allons pouvoir en monter 20 pour récupérer 100% de la puissance initiale.


CISCO à encore frappé ! Quelques images de pièces en 3D.
La culasse de compresseur.






L'aubage terminal.






L'accélérateur libre.






Le compresseur.






Le chapeau de compresseur






l'aubage modulaire.




Corps diffuseur modulaire.






Tête de turbine.






Turbine complète.








Livrons nous à quelques calculs de couple potentiellement récupérable sur une roue (aubage modulaire)
Sachant que la surface d'une aube est d'environ 1 cm² sur chaque face,
que la pression atmosphérique exerce au sol une poussée de 1Kg par cm².
Nous avons créé un profil qui en principe va recevoir une dépression sur toute la surface d'une face d'aube (extrados)
Et une poussée sur toute l'autre surface (intrados).
Chaque aube va recevoir une poussée maximale de 1kg si la dépression sur l'extrados était totale, ceci sur un rayon moyen de 47mm ou 0.047M.
Tablons sur une dépression effective de 20% et sur une surpression de 20% également du à l'accélération du flux.
le couple récupérable sur chaque aube, (C=FxR), va être de 1 Kg x 40% x 0.047M soit 0.0188 M/Kg.
à raison de 36 pales par roue, 36 x 0.0188 = 0.6768 M/Kg pour une seul roue !
ceci multiplié par le nombre de roue, car je le rappel le déplacement de flux par dépression est utilisable quasiment à l'infini !
Très rapidement 10 roues vont procurer 6.7 M/Kg ce qui est énorme, car ceci sera créer par un seul compresseur centrifuge !
Compresseur centrifuge lui même aidé par un système d'auto accélération !
Cette turbine est homothétique, imaginons des aubes de 1cm² positionner sur un rayon de 140mm soit 3 fois le rayon actuel,
le couple par aube sera de 0.14M/Kg x 40% = 0.056, pour 3 x 36 aubes 0.056 x 3 x 36 = 6.05M/Kg par roue donc 60.5M/Kg pour 10 roues !
Le compresseur centrifuge sera lui plus gourmand pour un diamètre supérieur mais toujours constant quelques soit le nombre de roue.
Une turbine de 300mm, donc pas énorme comportant 20 roues (environ 80 cm de long) sera capable de produire 121M/Kg de couple !!


La première tranche de réalisation va s'engager sur la partie basse de la turbine à savoir,
le compresseur, l'accélérateur, et l'aubage terminal.
Je vais pouvoir mettre en évidence le principe de sur accélération de l'aubage terminal.
Le compresseur sera motivé par un moteur à une vitesse dite initiale,
des capteurs optique vont me permettre de mesurer la vitesse de l'accélérateur et de l'aubage terminal.
Si le mesures sont conforme à la théorie le dernier étage devrait tourner plus vite que le compresseur.



Des vidéos de progréssion concernant la maquette de mesure





La page de mesure de puissances et vitesses


Une bonne nouvelle, le premier résultat positif à été obtenu !
L'accélérateur fait bien son travail d'addition de vitesse de flux.
la preuve est faite pas la mesure de vitesse de rotation de l'aubage terminal, plus importante.
Le rapport est proche de deux entre les deux rotors.
Elle reste inférieur à la vitesse du compresseur, mais ce n'est que de la mise au point de ce dernier.
je vais devoir faire évoluer le design pour corriger cela.
En sortie de compresseur le flux n'est pas véritablement vectorisé.
La direction et la vitesse d'expulsion du compresseur est le résultat de deux vecteurs.
Un, la composante de vitesse angulaire de rotation des pales,
Deux, la vitesse tangentiel de déplacement du flux.
Donc il est possible d'obtenir une sorte de sur accélération du flux en sortie de compresseur.
Mais cela va être au détriment du rendement du compresseur.
Son couple résistant dépends en parti de la résistance à l'expulsion de l'air.
Tout cela est un savant compromis à trouver.
Cette partie là n'est pas la plus importante dans cette turbine, le vrai générateur de couple arrive bientôt, (par dépression).



Petite maquette de mise en évidence de l'angle de sorie du flux d'air par le compresseur
Ces deux vidéos montrent la forme "idéale" des pales de l'accélérateur, afin que l'accélération de ce dernier soit maximale mais aussi que le flux soit gérer et rediriger correctement vers l'aubage terminal


Ci-dessous, la page de mesure de puissance absorbée par le moteur seul, puis avec le compresseur dans son sens d'utilisation, puis dans le sens inverse à son utilisation normale. Ces mesures mettent en évidence que la forme des aubes du compresseur ont une influence directe sur la puissance consommée pour le faire tourner.
La puissance corrigée est le résultat de la puissance conommée par moteur plus compresseur moins la puissance moteur seul.


Test d'optimisation et de sortie de flux !


Beaucoup d'expériences on été menées pour établir des mesures et déterminer quel sont les points d'achoppements.
Les points à optimiser sont les suivants.
1- modification de l'accélérateur.
Il ne tourne pas assez vite le flux issu du compresseur ne produit pas assez d'effet sur lui. Il rejette le flux sur l'aubage terminal à une vitesse trop faible, même si il se produit un delta de vitesse positif entre l'accélérateur et l'aubage terminal, la vitesse de ce dernier reste trop faible vis à vis du compresseur.
2- modification des diffuseurs de flux.
L'observation majeure est que le flux se comporte radicalement différemment en surpression et en sous-pression. En surpression il est possible de l'orienter avec des formes pour utiliser l'effet Coanda ou bien un effet Venturi. En sous-pression c'est absolument impossible tout est liés aux sections de débit de flux. Plus la trajectoire du flux est compliquée, moins le flux est efficace. Ceci m'a contrains à construire une boite de mesure d'impact du flux afin de mettre en évidence tous ces phénomènes.


Cette boite m'a permis de faire les essais nécessaires pour déterminer quel était la meilleure forme des ouïes d'entrées. Après avoir bien compliqué les choses, j'ai fini par faire un tube droit orienté à 20 degrés. C'est avec cette simplicité que je suis parvenu à l'impact le plus important. J'ai ensuite modifié un des diffuseurs de test afin de valider la solution sur la maquette. Le résultat ne c'est pas fait attendre la vitesse de rotation de la turbine n'a jamais été aussi élevée, à savoir 6200 tr/mn. Au préalable j'étais parvenu à obtenir 5000 tr/mn, avec une dépression 70% plus importante, la vitesse maximale atteinte est 10000tr/mn ! alors que je plafonais à 6000 tr/mn avec l'ancien diffuseur.
Pour finir sur le diffuseur, il est important de laisser un espace entre la sortie des aubes de turbines, Et le diffuseur qui redirige le flux au dessous. Dans la dernière version j'ai minimisé les espaces, ainsi le flux est trop contraint dans peu d'espace, Cela produit des freinages et micros turbulences qui ralentissent le passage.
3- Optimisation du compresseur.
Le comprresseur centrifuge souffre aussi de quelques défauts, je fait suivre différents dessins, regroupant le compresseur actuelle, le compresseur idéal dans sa fonction de compresseur, et le dernier un compresseur dédier à la fonction de sur accélération. c'est bien évidement ce dernier que je vais être contrain d'adopter, afin que l'accélération du flux débute directement en périphérie de ce premier étage.







Voici deux vidéos illustrant bien ce qu'il se passe.





Les deux mesures en vidéo ci dessus nous montrent que la forme du rotor accélérateur ne peut être identique, selon le type de rotor. Les deux images suivantes clarifies le mécanisme.





Une recherche sur la forme optimale que devrait avoir le profil de pale donne ceci.


Le flux entre par le centre et s'écoule via la pente incurvée, il subit une accélération, sur la courbe dite brachistochrone. une fois l'accélération faite selon cette courbe il s'écoule sur la partie droite, pour subir une contrainte d'orientation en bout de pale. dans le but d'expulser le flux tangentiellement à la turbine. ainsi le flux sortant offre une vélocité orientée importante pour motiver l'accélérateur. 30% du travail de sur-accélération est ainsi fait.

Refonte
Ces dernières semaines ont été consacrées à une refonte des diffuseurs et des turbines. Le problème majeur se situe au niveau du débit qui n'était pas constant. le volume d'air doit être identique dans le diffuseur et dans la turbine. car il sera automatiquement réduit à la section la plus faible. La solution la plus simple pour obtenir ce résultat est de concevoir un diffuseur identique à la turbine. Les deux n'ayant pas la même fonction il à fallu trouver le bon compromis.
Le second problème rencontré est la vitesse globale des turbines trop faible. La solution est issue de l'observation de ce qui se produit sur l'accélérateur libre en aval du compresseur. La solution proposée est de rendre libre en rotation les diffuseurs. Ainsi le flux ce déplace à sa vitesse propre, tout en étant diffusé par un élément mobil. Nous avons donc une addition de vitesse relative.
Les nouvelles pièces on été designer par Cisco, et seront mis en production très prochainement.


Simplification
Les différents tests effectués sur les derniers développement n'ont pas donnés les résultats attendu.
Les turbines produites on été modifiées pour faire des testes complémentaires. à force de modification j'ai fini par trouver un design très épuré avec lequel j'ai obtenu un couple et vitesse maximale de rotation pour une dépression de référence toujours identique.
La simplicité du design me permet de produire moi même les éléments sans passer par la case imprimante 3D. la production sera plus longue mais moins couteuse.
Le travail à commencé et va s'étaler sur quelques semaines. La suite à la rentrée.
Voici quelques images de l'outil que je viens de bricolé pour pratiquer mes perçage d'ouies à 20° d'inclinaison, 36 par étage ça va être long !!








Suite de la refonte
Ces derniers mois ont été consacrées à mon apprentissage de SolidWorks. J'ai la chance de disposer de la version étudiant de ma fille. J'ai pris le temps de reprendre chaque dessin avec le soutient de Cisco qui maitrise parfaitement ce logiciel. A la suite quelques images en photo en réalisme que permet ce redoutable outil.











La dernière image représente le compresseur, que j'ai nommé hyper-compresseur. Il est constitué d'un groupe de pales centrales, Légèrement surbaissées vis à vis des pales périphériques. Un premier flux d'air va être produit par les pales centrales, flux d'air projeté sur la pente de surbaissement et ainsi créer un choc de compression créant un effet venturi unilatéral dont j'ai montré l'efficacité dans une de mes vidéos. Ce phénomène venturi va augmenter la dépression centrale produite par les pales périphériques. Je vais donc obtenir une plus grande quantité de flux expulsé et à plus grande vitesse.



Quelques images de la progression du montage du dernier protoype. pas mal de modifications ont été apportées afin de simplifier la production par l'imprimante 3D, mais aussi réduire le temps de gravure qui pouvait atteindre 12h pour certaine pièce.