Turbine_en_surpression

Vue de dessus du compresseur et de l'expulseur sans leur chapeau étanche

Lors de la mise en rotation du compresseur muni de son expulseur le flux est aspiré au centre puis vient s'accumuler dans la zone d'expulsion où il subit une surcompression avant d'être poussé à grande vélocité par les ouïes de sorties L'objectif est d'obtenir une vitesse de flux égale à la somme algébrique de la vitesse angulaire périphérique du compresseur expulseur et de la vitesse vectorielle d'expulsion du flux sur-comprimé, par les ouïes.

Le protocole de mesure sera le suivant :
Mise en rotation du compresseur lié au diffuseur, mesure de cette vitesse.
Cela produit la mise en rotation de la turbine de récupération.
La mesure de la vitesse de la turbine de récupération sera l'indicateur de la validité du mécanisme.
Sur une maquette précédente un premier résultat encourageant avait été obtenu.
voir courbe de mesure ci-dessous.

La progression des ces deux courbes montre une non linéarité. Le compresseur diffuseur est mis en rotation via le moteur d'entrainement primaire, on commence la mesure à 2400tr/mn pour finir à 5200tr/mn En parallèle la courbe de mesure de la vitesse de la turbine de récupération montre une progression qui commence à 540tr/mn pour finir à 2400tr/mn. durant cette période de mesure la vitesse du compresseur est grosso modo multipliée par deux alors que la vitesse de la turbine est multipliée environ par quatre. cette mesure permet de déduire que la non linéarité est due à l'augmentation de la vitesse d'expulsion du flux produite par la compression qui augmente en fonction de la vitesse de rotation du compresseur diffuseur. La maquette n'a pas pu être utilisée pour mesurer le comportement à des vitesses supérieures. C'est la raison pour laquelle je dois produire une seconde maquette plus aboutie qui me permettra de faire des mesures à des vitesses supérieures, mais aussi doit permettre d'augmenter le facteur multiplicateur de vitesse de la turbine de récupération. En extrapolant la courbe ci-dessus on peut imaginer qu'aux alentours de 10000tr/mn de vitesse de compresseur diffuseur nous aurions une vitesse de turbine de récupération quasiment identique et donc à 20000tr/mn une vitesse de turbine de récupération supérieure. C'est donc dans cette zone de vitesse qu'il serait possible d'exploiter ce différentiel positif en le réintroduisant sur le compresseur.

Voici la première turbine sur laquelle j'ai produis la courbe de mesure ci-dessus.

Les films de mesures

Voici la forme globale que la prochaine maquette aura, le châssis n'étant pas représenté sur ce dessin.

Le compresseur centrifuge muni de son expulseur est motivé par un moteur électrique rapide (30000tr/mn). La turbine de récupération est maintenue par un « saladier » monté sur roulements eux-mêmes maintenu par le châssis (non représenté).

Voici la forme globale avec le support.

Afin de connaitre plus précisément la puissance consommée par le compresseur je me suis livré à quelques mesures.
Mesure sur le moteur de turbine.
Moteur seul sans compresseur.
Tension d'alimentation 20V sous un courant de 1A96 soit 39.2W
Tension d'alimentation 32.2V sous un courant de 1A90 soit 61.2W

Moteur avec compresseur obturé.
Tension d'alimentation 20V sous un courant de 2A63 soit 52.6W V = 7020 tr/mn
Tension d'alimentation 32.2V sous un courant de 3A35 soit 107.9W V = 10200 tr/mn

Moteur avec compresseur efficient.
Tension d'alimentation 20V sous un courant de 2A96 soit 59.2W V = 5640 tr/mn
Tension d'alimentation 32.2V sous un courant de 3A88 soit 125W V = 8400 tr/mn

Ceci nous amène à l'observation suivante,
Sous 20V le compresseur empreinte 59.2 W - 39.2W soit 20W pour comprimer l'air masse du compresseur compris
Sous 32.2V le compresseur empreinte 125 W - 61.2W soit 63.8W pour comprimer l'air masse du compresseur compris

Si on ôte la mobilisation des masses pures a savoir moteur + compresseur sans air,
sous 20V la mobilisation de l'air demande 59.2w - 52.6W soit 6.6W
Sous 32.2V 125.00W - 107.9W soit 17.1W

Globalement le compresseur tournant à 5640 tr/mn consomme 20W réel et pour 8400 tr/mn consomme 64W
La mesure de la puissance extractible d'une turbine de récupération comparée à la puissance réelle absorbée par le compresseur nous donnera le coefficient de production du système

Description du mécanisme de fonctionnement pneumatique en sortie du diffuseur.

Evolution de la turbine

Vue coupe haute

Vue coupe basse

Vue de détails

Le flux est centrifugé via le compresseur puis il vient s'accumuler dans l'expulseur ou il subit une surpression avant d'être éjecté, le flux est ensuite géré par le guide de flux statique qui est munie de profiles hélicoîdaux qui achemine le flux vers le bas en direction des pales de récupérations. Le flux possède une vitesse linéaire résultant de la vitesse de rotation de l'expulseur additionnée de la vitesse d'expulsion du à la compression. Ceci est rendu possible grâce au différentiel de section entrée sortie du flux entre la bouche du compresseur 1250mm² et la section globale de sortie des buses d'expulsion 360mm². Le guide de flux n'étant pas fermé la circulation de l'air sous pression et orienté produit une aspiration par effet venturi en partie haute du guide de flux qui n'est pas obturé. ce mécanisme permet d'augmenter sensiblement le volume d'air acheminé vers les pales de récupération. Le couple exprimé sur les pales de récupérations est proportionnelle au volume et à la vitesse linéaire du flux. Le mécanisme de poussée du compresseur "sur lui même", (sur les pales de récupérations fixées au compresseur), est rendu possible pas trois mécanismes.
1-Le flux passe par un via (guide de flux), qui sert d'interface de transmission et d'amplificateur.
2-la vitesse du flux en sortie de l'expulseur est plus élevé que la vitesse de l'expulseur lui même donc plus élevé que la vitesse des pales de récupération liées au compresseur lié à l'expulseur.
3-L'aspiration venturi créer par la géométrie de l'ensemble guide expulseur produit un tourbillon pneumatique qui accompagne activement la rotation du rotor.
Le diamètre de chaque buse d'expulsion est de 4mm, la pression moyenne d'expulsion est de 4 bars ce qui donne une vitesse d'expulsion d'environ 10m/s pour une vitesse de rotor de 6000tr/mn
Les pales de récupération reçoivent une poussée différentiel de flux dont la vitesse est d'environ 10m/s.

Voici quelque systèmes industriels qui exploitent l'amplification de flux par effet venturi.

Le couteau à air comprimé

Le Transvector

Voici une vidéo montrant le delta de poussée sans et avec addition de flux par effet venturi

Les industriels on compris depuis longtemps qu'il était possible d'amplifier un volume d'air en mouvement, en moyenne les Transvectors sont alimentés par un flux d'air sous une pression de 7 bars cette pression sortant par ne veine de 0.05mm d'épaisseur sa vitesse est de 300m/s environ Le résultat est que le volume d'air expulsé à haute vitesse est capable d'entrainer avec lui 25 fois son volume. en revanche la vitesse moyenne du flux déplacé est plus faible, dans ce cas elle est d'environ 72m/s.
On peut supposer que plus le flux secondaire engendré est important moins la vitesse de déplacement de se flux est élevé.
Pour en revenir à la turbine en surpression, la recherche consiste à localiser le bon compromis volume/vitesse.
Toujours grâce au concept du compresseur expulsant le flux dans le sens de sa rotation nous allons obtenir une vitesse de flux résultant de l'addition de la vitesse d'expulsion et de la vitesse du compresseur expulseur. La vitesse d'expulsion dépendant de la section des buses d'expulsion et du taux de compression. la compression dépendant elle de la vitesse de rotation du compresseur expulseur.
Le profil des buses de sorties est conçu pour créer un effet Coanda, ces buses étant en rotation dans le guide de flux conçu pour permettre des entrées d'air il se produit donc un effet Venturi.
le volume de flux global résultant va être guidé et projeté sur la turbine de récupération. le compromis à trouver est une amplification du volume d'air sans perdre trop de vitesse afin que la vitesse du flux reste supérieur à la vitesse du rotor compresseur.
Les facteurs sur lesquelles on doit intervenir sont:
1- La section des buses d'expulsions qui va définir la vitesse de sortie du flux expulsé donc la capacité d'amplification du volume.
2- La section des ouïes d'entrée d'air du stator guide de flux définissant le volume additionnel d'air.
mais aussi la vitesse globale de se volume ces eux paramètres vont permettre d'ajuster le couple résultant du compromis volume vitesse poussant sur les pales de récupérations. Une fois ces paramètres approximés il suffira de faire varier la vitesse du moteur d'entrainement du compresseur pour parvenir à une vitesse critique ou la vitesse et le volume du flux produit va produire un couple de poussé sur la turbine de récupération suffisamment important, pour aider la rotation du rotor et ainsi diminuer la consommation du moteur d'entrainement.

Voici une vidéo montrant le fonctionnement d'un Transvector

Quelques images d'exploitation d'effets venturi et Coanda.

Pour en revenir à la conception de la turbine, la forme définitive va être identique au représentations ci-dessous.
la première image sera la forme de la turbine de mesure afin d'évaluer le différentiel de vitesse entre compresseur et turbine de récupération. Les deux éléments n'étant pas liés ils pourrons avoir des vitesses différentes.
La seconde image représente la turbine avec la turbine de récupération couplée au compresseur.

L'expulseur à été beaucoup retravaillé, c'est l'élément fondamentale du système sans une forme précise rien ne fonctionne comme souhaité.

Voivi la présentation des pièces fraichement reçu.

Premiers tours du compresseur

Mesure de puissance consommée avec le nouveau compresseur
Tension d'alimentation 20V sous un courant de 3A25 soit 65W V = 5220 tr/mn
Tension d'alimentation 32.2V sous un courant de 4A17 soit 134.2W V = 7560 tr/mn

Le nouveau compresseur emprunte :
25.8W pour produire le flux à 5220tr/mn sous 20V
73W pour produire le flux à 7560tr/mn sous 32.2V

Ce nouveau compresseur produit plus de poussée mais il consomme également plus de puissance, il faut trouver le bon compromis.

Après collage du chapeau de compresseur

La poussée est plus forte à présent, le collage du chapeau à permis d'obtenir un flux de sortie de buses plus puissant car avant cela, le chapeau se soulevait sous l'effet de la pression, ainsi le flux sortait en dehors des buses.

Mesure de poussée directe d'un flux de 6.5 Bar sur le capteur

La poussée du flux de 6.5 Bar directement sur le capteur produit 140g ce qui n'est que légèrement suppérieur à la poussée obtenue par le nouveau compresseur sur l'aubage de mesure,(voir vidéo deux ci-dessus), qui je le rappel n'est pas obtimisé au niveau du diamètre

Je suis toujours à la recherche de vitesse, une petite turbine positionnée à l'arrache me permet de faire une mesure intermédiare pour tenter de mettre en évidence un différentiel de vitesse en diminution avec l'accélération du compresseur.

C'est pas gagné !

Reprise de la mesure avec la même turbine
L'ajout d'un concentrateur de flux en périphérie permet de guider le flux pour qu'il ne se disperse pas avant l'élément de mesure
la mesure met en évidence que la vitesse récupérée varie exponentiellement avec la vitesse du compresseur
l'expulsion du flux est bien soumis à sa vitesse propre du à la compression, additionné de la vitesse de l'expulseur, à savoir la turbine.