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Le Forum Avions Piel, consacré aux Pierres Précieuses. Super Emeraude, Beryl, Saphir, CP80 etc

Time:2018-02-28 05:13Turbochargers information Click:

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Bonjour Etienne,

Excuses mon inculture technique, je connaissais que le coupleur et toutes ses variantes complexes utilisées dans nos centrales (notemment cette "usine à gaz" que peut devenir le VORECON dans certaines versions ):



mais pas le convertisseur de couple :



Dans tous les cas, ces produits industriels sont d'une robustesse qui va bien au dela du TBO de nos petits moteurs, par contre la légèreté n'est pas au rendez-vous !

L'astuce du convertisseur de couple, c'est que la pièce supplémentaire, le stator, exerce un couple de réaction sur une partie fixe à travers une roue libre et que par voie de conséquence la relation d'égalité des couples des deux parties du coupleur simple est rompue.

Est-utilisable pour un GMP d'avion, et si oui est-intéressant ?

En lisant la description de l'article de Philippe Boursin,



j'ai noté :

" Tout comme un levier s'appuie sur son point fixe pour transformer les valeurs des forces s'exerçant sur ses extrémités, le liquide utilise le stator comme point fixe pour multiplier la valeur du couple moteur.
Dans ces conditions, on obtient une multiplication du couple moteur variant de 2,29/1 quand la turbine est immobile (véhicule à l'arrêt) à 1/1 lorsque la turbine atteint environ 90 % de la vitesse de l'aubage d'entrée.
Lorsque cette valeur est atteinte, l'angle du fluide à la sortie de la turbine est tel que le stator est entraîné dans le même sens que les turbine et pompe.

Ce convertisseur devient un simple coupleur, il n'y a plus multiplication du couple. "

De cette description, je déduis que le glissement nominal est dans le gamme des 10% (100% - 90%), et qu'en terme de puissance, le rendement est de l'ordre de 90%.

En croisière, la puissance hélice sera de l'ordre de 75% de 150 CV, soit 112,5 CV à la vitesse de rotation de 2700 t/min et donc un couple de 293 Nm.

Un glissement en mode coupleur de 10% impliquerait côté moteur, le même couple de 293 Nm, une puissance accrue de 10% donc 123,75 CV à la vitesse elle-même accrue de 2970 t/min.

Ton moteur pourrait le supporter, mais le coupleur chaufferait et c'est une gabegie énergétique : il faut solidariser le coupleur en croisière pour garder les conditions hélices au niveau du moteur.

Au décollage, on peut essayer de raisonner à l'envers en supposant le convertisseur parfaitement adapté à ton usage.

Ton moteur "crache" ses 150 CV au régime où il est le plus à l'aise pour le faire 3500 t/min. Le couple moteur est de 301 Nm.

L'hélice, elle tourne à 2750 t/min à la vitesse de décollage et de montée initiale. Dans ces conditions, elle absorbe la puissance fournie par le moteur, soit 150 CV, moins les pertes du convertisseur de couple (10% soit 15 CV), c'est à dire 135 CV, et le couple est alors de 351 Nm c'est à dire grosso-modo ce que peut sortir le moteur à 2750 t/min...

Ce que je me dis, c'est qu'on peut éviter le convertisseur de couple et faire un peu mieux en faisant tourner l'hélice un peu plus vite, par exemple à 3000 t/min.

Toujours d'après ton diagramme, à 3000 t/min, le moteur a un couple maximal de 325 Nm, ce qui fait 139 CV, tout en laissant le couple avec une marge de 25 Nm par rapport à son maximum.

A 2750 t/min, tu pouvais utiliser une hélice de diamètre maximal 1,89 m (Mach 0,8 en bout de pale), un diamètre plus raisonnable de 1,77 m (Mach 0,75), ou même de 1,65 m (Mach 0,7) pour réduire le bruit au maximum.

A 3000 t/min, l'hélice doit être plus petite respectivement, 1,73 m, 1,62 m et 1,51 m.

Cela se traduit par une légère perte de rendement propulsif théorique (hélice parfaite) :

Avec une hélice de 1,73 m au lieu de 1,89 m le Rp passe de 0,9930 à 0,9924 en croisière et de 0,9654 à 0,9624 en montée.
Avec une hélice de 1,62 m au lieu de 1,77 m le Rp passe de 0,9926 à 0,9919 en croisière et de 0,9632 à 0,9600 en montée.
Avec une hélice de 1,51 m au lieu de 1,65 m le Rp passe de 0,9920 à 0,9913 en croisière et de 0,9607 à 0,9574 en montée.

Ces chiffres montrent bien une dégradation, mais elle de dépasse pas 1 pour mille en croisière et 3 pour mille en montée.
Le rendement d'un hélice réelle est loin d'égaler le rendement propulsif théorique qui constitue une limite physique (comme la loi de carnot pour les moteurs)

Une bonne part de l'énergie est perdue en frottement de l'air sur les pales, en tourbillons marginaux en bout de pale, et en rotation du flux d'air derrière l'hélice.

En pratique une hélice bipale peut atteindre 85% à son point d'adaptation,
Une tripale peut atteindre 86%
Une paire d'hélices quadripales coaxiales contrarotatives (qui annulle la rotation du flux) est connue pour atteindre 94 %

Dès qu'on s'éloigne du point d'adaptation, le rendement diminue et en pratique il faut plutôt compter sur une plage à 80% de rendement autour de la vitesse de croisière et 70% en montée pour une hélice bipale à pas fixe.

Il y a donc beaucoup à gagner avec une bonne adaptation hélice.

C'est pourquoi je pense qu'il y aurait beaucoup plus à gagner à mettre une hélice tripale de diamètre 1,62 m à pas variable en prise directe, plutôt qu'un convertisseur de couple et une hélice bipale de 1,77 m à pas fixe :

- Dans le premier cas, au décollage, le moteur tourne à 3000 t/min, ce qui permet de produire 139 CV. Par l'adaptation du pas, on peut estimer le rendement hélice de l'ordre de 75-80% au moment de la rotation, ce qui donne une puissance utile comprise entre 77 et 82 kW. En croisière, où le faible diamètre de l'hélice est le moins pénalisant, on peut bénéficier d'un rendement hélice de 83-84%, à un régime qui peut être adapté au mieux pour réduire la consommation du moteur qui produit (forfaitairement) 75% de 150 CV, soit 112,5 CV. La puissance utile est alors d'environ 69 kW.

- Dans le second cas, avec une hélice bipale optimisée pour la croisière au régime de 2700 t/min, le moteur en prise directe (convertisseur bloqué transparent) développe sans problème les 112,5 CV voulus et son rendement optimal est aquivalent à l'hélice à pas variable, soit 83-84%. La puissance utile est donc la même : 69 kW. Au décollage, par contre, les conditions sont différentes. Le moteur développe ses 150 CV à un régime de 3500 t/min. De son côté, l'hélice à pas fixe se stabilise à la vitesse où (en fonction de la vitesse et de la densité de l'air), elle consomme la puissance disponible sur l'arbre, soit 135 CV (150 CV moins les dix pourcents perdus dans le glissement du convertisseur). Avec un rendement dans ces conditions de 70% environ (pas trop grand) au moment de la rotation, la puissance utile est alors de l'ordre de 70 kW.

- Si on met une hélice de pas plus petit pour améliorer les performances au décollage et en montée, on peut améliorer le rendement et égaler les 77 à 82 kW de puissance utile qu'on obtiendrait avec l'hélice à pas variable, mais en croisière, l'hélice aurait un pas trop petit, et son diamètre interdirait de tourner plus vite que 2700 t/min. La puissance absorbée par l'hélice "moulinant dans le vide tomberait à une valeur beaucoup plus faible (de l'ordre de 60 kW). Le rendement dans ces conditions serait assez bon (80%), mais la puissance utile serait limitée à environ 50 kW, ce qui donnerait une vitesse de croisière pour le Super-Diamant qui passerait de 230 km/h à 230 x (50/69)^(1/3) = 206 km/h.
Il est évident que cette solution serait économique : en supposant une consommatition de 225 g/kWh (ce n'est par irréaliste, on peut descendre à 210 g/kWh avec ce genre de moteur), stabilisé à 60 kW (81,5 CV) à 2700 t/min, le moteur ne consommerait que 13,5 kg (soit un peu moins de 16 litres de gazole à l'heure, ou environ 7,7 litres / 100 km) et ne fatiguerait pas trop non plus, mais c'est au prix d'une certaine réduction de performance...

Le petit calcul "coin de table" et un peu "pifométrique" concernant les hélices mériterait d'être affiné, et le bilan de poids entre la solution à convertisseur de couple et celle à hélice à pas variable restent à faire...
Mais il me semble que la solution qui consiste à tourner un peu plus vite et d'adapter le pas est plus performante que celle de la grande hélice à pas fixe avec un convertisseur de couple pour les basses vitesses.
En terme de facilité de pilotage, les deux solutions doivent se valoir car "un peu d'électronique" peut aussi bien gérer l'ensemble (variation de pas - injection diesel) que l'ensemble (convertisseur de couple - injection diesel). Le système sans convertisseur ayant besoin d'un capteur en moins puisque là, il n'y a pas de différence entre les tours hélice et les tours moteur.

Ce petit calcul montre aussi que dès qu'on accepte un certain "détarage" d'un moteur, comme dans le cas de l'hélice petit pas, on perd certes en performances, mais on gagne en souplesse de solutions. Dans l'exemple ci dessus le moteur est utilisé à 60 kW continus en croisière. Il est donc équivalent d'un moteur de 80 kW (108 CV) utilisé à 75%.
Or on voit sur la courbe du moteur Subaru qu'il peut fournir ces 80 kW dès 2300 t/min, ce qui est suffisamment bas pour entraîner au moment du décollage, une hélice adaptée pour la croisière...
(Conclusion : en prise directe, le subaru remplacerait facilement un O-235, en consommant 16 litre de gazole à l'heure en croisière et 21 litre à l'heure pleins gaz)

Pour remplacer directement un O-320, la solution la plus évidente serait de le faire tourner plus vite avec un réducteur de rapport 5/7 environ. Quand l'hélice tourne à 2500 t/min, le moteur tourne à 3500 t/min. Les 150 CV sont disponibles à 2500 t/min hélice pour le décollage, et en croisière à 75%, le couple résistant vu par le moteur qui tourne à 3500 t/min est alors de 226 Nm.
Dans ces conditions de croisière la vitesse moyenne piston n'est encore que de 10 m/s, mais la pression moyenne effective tombe à 14,4 bars, ce qui laisse augurer d'un bon TBO.
Pour cette configuration, la consommation serait d'un peu moins de 22 litres de gazole à l'heure en croisière et de 29 litres à l'heure pleins gaz.
(A titre de comparaison, le O-320 consomme respectivement 30 et 40 litres/heure d'essence 100LL pour le même usage.)

Pour une autonomie brute de 5 heures de croisière (réserves à déduire en pratique), le O-320 doit partir avec 105 à 110 kg d'essence dans un réservoir de contenance au moins égale à 150 litres.
Pour la même autonomie brute de 5 heures de croisière, le subaru réducté devrait partir avec 93 kg de gazole dans un réservoir de contenance au moins égale à 110 litres.

Outre le fait qu'un réservoir de 110 litres peut être plus léger qu'un réservoir de 150 litres d'au moins 2,5 kg, l'avion décollerait avec une masse de carburant réduite de 15 kg. Sur la totalité du vol, l'écart de masse est en moyenne de la moitié, soit 7,5 kg. Le Subaru Diesel avionné peut donc être un dizaine de kilos plus lourd que le O-320 sans que cela soit pénalisant sur l'ensemble du vol, et il reste alors un allègement supplémentaire de 7,5 kg avec les pleins pour améliorer les performances lors du décollage.

La consommation kilométrique en croisière rapide (230 km/h) du Super Diamant équipé d'un Subaru Diesel est donc de 22 x 100/230 = 9,6 litres / 100 km.
Bien sûr, il est toujours possible de réduire les gaz pour se retrouver dans une configuration où les tours moteurs sont réduits d'environ 8% (3220 t/min moteur au lieu de 3500 ; 2300 t/min hélice au lieu de 2500) et la pression moyenne effective réduite d'un quinzaine de pourcents (12,25 bars au lieu de 14,4) , pour se retrouver avec des performances proche de celle calculée pour la configuration "prise directe-petit pas" : 206 km/h - 7,7 litres / 100 km)

Ce qui différencie principalement la motorisation diesel de la motorisation "essence", c'est l'écart de rendement à charge partielle : Alors que le rendement d'un moteur à essence diminue rapidement à charge partielle, le diesel a un rendement proche de l'optimal sur une large plage de charge. (Voir figure)

Il est donc plus intéressant de voler en "croisière économique" avec une motorisation diesel qu'avec une motorisation essence.
Cette caractéristique devrait également être prise en compte pour calculer les réserves de carburants à l'arrivée : La quantité de carburant nécessaire pour attendre en "tournant en rond" une autorisation de se poser est beaucoup faible avec une motorisation diesel qu'avec une motorisation essence.

Comment choisir entre les diverses solutions

Il n'y a pas de bonne solution universelle.

- Pour un avion lent, comme un remorqueur, l'adaptation hélice impose un grand diamètre et donc systématiquement un réducteur. l'optimisation du couple hélice-réducteur et la faible gamme de vitesse rendent la pas variable inutile.

- Pour un avion rapide, comme un CP80, une hélice de petit diamètre en prise directe a un bon rendement et permet de faire tourner le moteur à son meilleur régime. L'hélice à pas variable permet des performances un peu supérieures, mais l'hélice à pas fixe est la solution à la fois la plus légère, la plus fiable et la moins couteuse... et le moteur est largement assez puissant.

- Pour un avion "intermédiaire" comme le Super-Diamant, le problème est plus complexe et différentes solutions se défendent.
o Le réducteur permet au Subaru de remplacer le O-320 sans pertes de performances.
o Une hélice à pas variable (électrique) de diamètre réduit exploite au mieux la puissance moteur sur une large gamme de vitesse et conserve la vitesse de croisière.
o L'hélice petit pas (en prise directe ou avec convertisseur de couple) entraine une réduction de vitesse de croisière, mais une économie de carburant.

Bons Vols

Philippe Dejean

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