Juillet 2010 - Compresseur électrique et campagne brins de laine

Compresseur d'admission:

 Sur une idée de Julien, nous devrions évaluer un nouveau projet, encore un, de compresseur électrique placé dans la veine d'admission, sur une base de turbine électrique d'avion télécommandé. Un rapide calcul semble démontrer que la puissance électrique nécessaire est compatible avec la génération avion. A suivre donc.

Plan pour fin d'année suite:

 Après examen attentif de l'installation moteur actuelle avec le père, il apparaît qu'un plan précis, chronologique des différents travaux est essentiel.

Compresseur d'admission:

 Après recherche sur le net, et quelques cogitations personnelles, il est clair que les turbines de modélisme ne conviennent pas pour une utilisation en compresseur. En effet, ces turbines sont dessinées pour avoir une vitesse maximum du flux et le débit est bien supérieur au débit nécessaire. Il faudrait que le pas soit plus faible. Par ailleur, le rendement est bien meilleur pour des turbines de cette taille si le compresseur est centrifuge. Ma recherche s'est donc plutôt orientée vers les sites de tuning auto où j'ai fait quelques touches. Globalement, on touche un milieu où les clients potentiels n'y connaissent pas grand chose (voir les différents forums) et les vendeurs font l'économie d'une description technique complète en se contentant de dire que ça marche, J'ai demandé un complément d'information sur le modèle Pulse-R de chez power tuning

http://www.power-tuning.fr/fr/Moteur/kit_turbo/p16516407.html

 Voir également le site http://www.electricsupercharger.com/products-eram.html

d'un vendeur américain qui vante le e-RAM Electric supercharger avec une documentation en ligne bien plus fournie. Il fournit 1 psi (68 mb) et environ 5% de puissance supplémentaire.  Vitesse de rotation 25300 rpm à vide. Débit d'air, 380 l/s à vide (O-200 à 2750 tpm: 70 l/s). Le ratio débit e-RAM/débit requis doit être supérieur à 2,5 pour obtenir 1 psi (on est à 5,4).

Consommation électrique: 60 A! C'est la puissance maximum du nouvel alternateur du Jojo. Cette turbine est sans maintenance pour 800 heures d'utilisation (remplacement des balais). Fonctionne avec les moteurs à carburateur, néanmoins il semble nécessaire d'équilibrer les pressions entre le flotteur de carburateur et l'admission (voir FAQ). La pression carburant doit être d'au moins 2 psi (pas d'alimentation par gravité).Vu la conso électrique, il sera prudent d'en limiter l'usage au décollage à moins qu'on trouve un moyen d'en contrôler la tension d'alimentation. Autre détail important, quand le dispositif ne tourne pas, il ne crée pas d'obstruction ni de pertes (peut être compensé par l'effet cyclone et un meilleur mélange/vaporisation de l'essence).

Bon tout ça pour dire que c'est le modèle qui me paraît le plus sérieux.

Petite étude thermodynamique:

 La question que je me pose est la suivante: Si le rendement pour comprimer de l'air était égal à 1, de quelle puissance électrique devrais-je disposer ? Cela me permettra en outre d'éliminer les publicités mensongères.

Équations d'état:

P1.V1 = n.R.T1

P2.V2 = n.R.T2

n: nombre de moles

Équations adiabatique:

P1.V1^γ = P2.V2^γ

Constantes:

γ = 1,4 pour l'air

R = 8,314 cte des gaz en Pa.m³.mol-1.K-1 ou J.mol-1.K-1

Masse molaire de l'air = 28,85 g/mol

Des équations ci-dessus, on obtient la nouvelle équation suivante:

(P1/P2)^(1-1/γ) = T1/T2 qui permet de trouver T2 connaissant le rapport de pression voulu et la température d'entrée.

 L'energie nécessaire pour comprimer n moles vaut:

E = n.R.(T2-T1)

 On trouve n grace à la deuxième équation d'état:

n = P2.V2/(R.T2)

Voyons ce que ça donne pour l'E-ram qui doit maintenir 68 mb jusqu'à 150 L/s:

P1 = 100000 Pa

P2 = 106800 Pa

T1 = 288°K

V2 = 0,15 m³

On obtient T2 = 293,5°K  et n = 6,57 moles

Puis E = 300 J

Si chaque seconde 150 L sont comprimés on a la puissance W = 300 w

Si l'on compare cette puissance à celle électrique consommée de 800 w, on obtient un rendement de 37,5%.

Question: que fait la puissance électrique du moteur si le débit est moindre?

Réponse du père: elle ne devrait pas changer de façon significative, le rpm diminue mais le couple augmente.

Message de moi au père:

Je poursuits mes recherches sur les turbos basse pression electrique d'un point de vue purement théorique. D'après mes calculs, pour essayer de valider les perfos annoncées de l'E-ram, la puissance théorique avec un rendement égal à 1 pour obtenir 1 psi (68mb) est de 300 w à 150 l/s (débit maxi de l'E-ram pour que ça fonctionne). Notre débit étant de 70 l/s, on est dans les clous. La puissance électrique de l'E-ram étant de 800w, ça nous donne un rendement global de 37,5%, ce qui parait réaliste. Néanmoins, je suis pas totalement convaincu. Pour cette taille de turbine, je reste convaincu qu'une turbine centrifuge aurait un meilleur rendement. Pourquoi ne pas tenter d'acquérir un turbo de bagnole et le bricoler avec un entrainement électrique? Donne moi ton avis sur l'E-ram après être allé sur le site.

Biz

Le père:

Je suis allé sur les 2 sites.
Avec 1 psi, ca fait 6% de surpression, donc assez logiquement 6% de puissance.
le compresseur axial est surement assez bon pour obtenir du debit a une pression faible, ce qui est le cas ici.
En terme de rendement, je ne suis pas sur que le centrifuge soit meilleur. Une reflexion intense va etre necessaire!!
D'autrre part, 60A en continu, c'est pas raisonable.
Donc, il faut absolument gagner la dessus, si on veut rester electrique.
On peut bricoler a partir d'un turbo, va falloir prevoir un budget et du temps

Moi:

Si on limite l'utilisation au déco, 60A on peut les fournir et ça augmente la charge utile de 40kg avec les même perfos décollage. L'utilisation en croisière augmentera la conso pour gagner environ 3 kt...Pour comprimer de l'air il faut que la vitesse des ailettes soit très importante pour être dans le domaine compressible ce qui suppose grand diamètre et rpm important. C'est pour cela que le compresseur centrifuge est préféré pour les moteurs turbine de petite puissance, comme les réacteurs de modélisme ou même les turboprop d'avion.

Moi:

http://www.vintagebus.com/howto/e-ram/

Un type a fait des mesures sur sa porshe 911 avec un moteur de 3,6L. A voir absolument.

Ses conclusions sont peu flatteuses pour l'augmentation de perfo de sa voiture, 2 à 3 hp pour la puissance max. Mais à y regarder d'un peu plus prés (il fournit les courbes avec et sans e-ram) le gain pourrait bien être présent. En effet, son installation ne comprend qu'une turbine, et le gros moteur à fort régime consomme trop d'air à mon avis et dépasse les 150 l/s. J'ai donc comparé les puissances à différentes vitesses (donc différents rpm) en faisant une petite étude graphique sur photofiltre. En pièce attachée, les résultats, pas si décevants pour les puissances intermédiaires, et c'est pour nous la seule étude contradictoire.

Pour revenir à notre échange d'hier, je pense maintenant que tu as raison pour les compresseurs centrifuges. Je me suis documenté sur les turbos de bagnoles, la pression de sortie est particulièrement sensible au régime de rotation, en tout cas beaucoup plus qu'un compresseur axial. Or le régime de ces turbos approchent les 200000 tpm, soit environ 10 x plus que les moteurs electriques envisagés...

Si tu as refermé la cam, je suis en vacances et nous pourrions commencer notre campagne fils de laine la semaine prochaine si t'es ok?

biz

Remarque:

 5 à 6 % de puissance en plus, c'est 120 à 140 tpm moteur en plus au décollage, c'est facilement vérifiable.

Conclusion:

 L'E-ram, est de loin la solution qui demande le moins de travail, elle est conforme à l'esprit qui consiste à obtenir quelques chevaux de plus pour le décollage sur terrains limitatifs malgré une conso électrique de 60A qui correspond au maximum de ce que peut fournir l'alternateur. C'est acceptable pour une utilisation limitée à cet usage. La petite étude théorique indépendante semble confirmer la véracité des performances annoncées. Le prix de 250 euros est acceptable compte tenu du risque de non fonctionnement qui donc est limité. Cela nous met le coût du cheval supplémentaire à 50 euros, ce qui est très bon marché. L'installation à bord semble aisée, le poids, non communiqué, ne devrait pas dépasser quelques centaines de grammes. L'E-ram contient un dispositif anti éclatement (grille) qui protège l'entrée du carburateur de débrits éventuels si le compresseur venait à éclater. Le père se pose néanmoins la question de savoir combien de temps l'E-ram pourrait fonctionner en continu avant destruction (refroidissement). Le constructeur ne donne pas de limitations en continu, mais le produit est destiné à la course automobile, donc à priori il doit supporter un usage intensif.

 Je pense donc que nous devrions expérimenter l'E-ram lors de l'installation du nouveau moteur.

Petite question personnelle en suspend:

Est-il possible de faire varier la tension d'alimentation de la turbine dans le but d'en limiter la consommation, pour un usage en montée/croisière?

Instruments de contrôle:

 Je ne pense pas qu'il soit nécessaire de mesurer la ∆P car la différence de tours moteur entre E-ram OFF et ON en donnera une bonne idée. Par contre, la vitesse de rotation, la température du moteur électrique et l'intensité du courant devraient être mesurées pour fixer des limitations. Il faudrait pas que ça foute le feu ! On pourra même envisager une coupure auto en cas de surchauffe, de surrégime ou de surintensité. La densité de l'air diminuant avec l'altitude, le régime devrait augmenter si rien n'est fait pour contrôler l'alimentation. Il faut également une protection éléctrique adéquate (disjoncteur?).

 En ce qui concerne les commandes et contrôles, je vois bien un voyant de fonctionnement, un voyant d'alarme et un inter 3 positions, OFF, MCT et TOF (idée Julien) si l'on peut contrôler la tension d'alimentation.

OFF = système désactivé et reset des alarmes.

MCT = maxi continu, avec une tension d'alimentation inférieure à 12V qui permettrait une utilisation en continu pour la montée/croisière en préservant la turbine et l'alternateur.

TOF = takeoff, où la turbine serait alimentée directement par la batterie.

 Un swich de mise en route devra être placée sur la commande de gaz, il activera le système en position plein gaz.

 Le TC3 de MGL peut afficher la température du moteur électrique, il suffit de trouver une sonde appropriée. Il faudra par contre un petit instrument discret pour la rpm et un afficheur pour l'intensité.

 Il faut également repenser l'architecture électrique du réseau de bord pour y intégrer l'E-ram harmonieusement.

Programme d'essais:

 Nous sommes allés faire quelques mesures de performances avec Julien le matin, avec l'hélice calée à 3,3°. Sans entrer dans le détail (voir plus loin pour cela), nous avons validé le calage hélice, c'est à dire que plein gaz au FL75, nous avons environ 2750 tpm (en fait 2770 mixturé). Nous avons fait également des mesures de vitesses indiquées à 2000 ft, plein gaz et à 2750 tpm, ainsi que des mesures de vario entre 2000  et 3000 ft. Ces mesures nous servirons de références pour évaluer les différentes améliorations prévues.

 Nous en avons également profité pour coller une première série de brins de laine avec le père et repérer les endroits où l'on peut fixer la camera.

Prochain vol et premières observations très bientôt.

Essais vitesse de référence. Hélice 3,3. Ref

le 13/07/10. Avion propre, sans carène de queue, beau temps calme.

Alt press ft	T°	Ε std	Masse kg	Régime en tpm	Vi km/h	Vp km/h /kt	Remarques	Qlt
2000	23	+12	690	2840PG	219	231/125	Volet capot partiellement ouvert.	***
2000	23	+12	690	2750	210	222/120	Vcpo, GS 121 Cap 280°.	***
2000	24	+13	690	2750	209	221/119	Vcpo.	***
2000	24	+13	690	2840PG	220	233/126	Vcpo.	***
7600	17	+17	680	2770PGM	192	223/120	Vcf, GS 135 Cap 100°	***
2000	24	+13	680	2850PG	221	234/126	Vcf, GS 124 Cap 100°	***
2000	24	+13	680	2750	213	226/122	Vcf, GS 121 Cap 100°	***

Remarques:

Présentation chronologique des mesures. TAS= IAS +1,6%/1000ft + 1%/5°

Vcpo : volet de capot partiellement ouvert

Vcf : volet de capot fermé

PGM : plein gaz mixturé

Qlt : facteur de qualité de la mesure lié à la stabilité de la masse d'air:

 *** = bonne qualité, ** = qualité moyenne, * = qualité médiocre

Essais vario de référence. Hélice 3,3. Ref

le 13/07/10. Avion propre, sans carène de queue, beau temps calme, vent géographique calme à 2000 ft, 15 kt d'Ouest laminaire au FL75.

Tranche d'alt press	T° moy	E std	Masse kg	Régime tpm	Vi km/h	Temps mn:s	Vario ft/mn	Vario en std 700kg	Remarques	Qlt
2000/3000	23	+12	690	2500	150	1:51	541	620	Vcpo	***
6000/7000	17	+17	680	2440	140	3:00	333	399	Vcf, non mixturé !	***
2000/3000	24	+13	680	2500	150	1:57	513	586	Vcf	**

Si je fais référence à une étude personnelle précédente sur le jojo, je peux corriger les varios bruts pour les ramener en atm std à la masse de 700 kg.

Vz std = Vz brute . 1/(1 – corr)

La correction est fonction de l'écart à la température std (voir ci-dessous).

Le rapport de vario est égal au rapport inverse de masse à Vi = cte.

Pour les valeurs ci-dessus, std + 12 donne correction = + 14%, std + 17 donne + 19%, std + 13 donne +15%.

cas 1: vario corr = 620 ft/mn

cas 2: 399 ft/mn

cas 3: 586 ft/mn

Corrections de température:

De isa – 9 à isa + 1, appliquer une correction de -/+ Δ isa en %

de isa -17 à isa – 10 et de isa + 2 à isa + 7, appliquer une correction de -/+ Δ isa + 1 en %

de isa + 8 à isa + 33, appliquer une correction de + Δ isa + 2 en %.

J'ai retrouvé mon programme de calcul sur casio qui calcule le vario en fonction de l'altitude, de la température et de la masse. Le calage hélice devait être un peu plus faible, à 3,5 je pense car à 150 km/h le régime est de 2580 sur mes relevés. Si je veux le réutiliser, il faudra que je modifie le rapport entre la vitesse indiquée et le régime moteur.

Pour les perfos croisière, je crois me souvenir que la température joue assez peu sur la Vp car si la température augmente, la puissance moteur diminuant, la Vi diminue également, mais la Vp reste la même.

Conclusions sur les mesures:

On retient que la Vp est sensiblement constante pour la tranche d'altitude 0-FL75 à régime constant de 2750 tpm. Cette Vp est de 120 kt. La conso distance diminue donc avec l'altitude en mixturant. Au dessus du FL75, le régime de 2750 tpm ne pourra pas être maintenu, et la Vp diminuera. Le FL75 est donc le FL opti au régime de 2750 tpm.

Le vario moyen entre 2000 et 3000 ft à Vi = 150, pondéré de la qualité des mesures, et ramené à 700 kg en std, est de 610 ft/mn.

Ces valeurs servirons de base aux développements futurs.

Calcul de Cz, Cxi, Cxt et Cxp:

P =1/2.ρ.S.Cz.V²  avec P = 690 x 9,81 = 6770 N

                                      ρ = 1.155 à 2000 ft

                                      S = 13,6 m²

                                      V = 234 km/h = 65 m/s

Cz = 0,204

Cxi = Cz²/П/λ  avec λ = 5,6

Cxi = 0,00237

Puissance utile Wu:

Wu = η.Wo.2850/2750.(1,1.ρ/ρo-0,1) avec Wo = 100 cv = 73,6 kw

Wu = 60 kw

Puissance utile corrigée de la température Wuc: - 0,3%/°

isa +13     60 x 0,961

Wuc = 57,7 kw

Cxt = 2.Wuc/(ρ.S.V³) = 0,02675

Cxp = Cxt – Cxi = 0,02438

Remarques:

Sans exposer ici le détail du calcul, on obtient 1% de vitesse supplémentaire en ajoutant 2,7% de puissance, ce qui valide une précédente étude.

Par ailleurs, le Cxi, à cette masse et cette vitesse, représente 8,9% du Cxt.

Campagne brins de laine:

 Première moisson de photos de l'écoulement faites du cockpit (en attendant les supports camera) lors d'un vol touristique avec Sophie et Domdom.

Derrière le capot, on note une forte composante latérale, le brin le plus à gauche étant placé sur l'axe de symétrie. Bien que globalement dans une direction bien définie, les brins sont assez agités (influence de l'hélice ou du mauvais raccord capot/fuselage ?) Il serait interessant de bien indiquer l'axe de symétrie, avec un scotch noir par exemple, et de placer les brins de manière symétrique sur le capot. Peut être devrions nous faire un essai en scotchant par une bande large la fuite capot pour voir l'influence sur l'agitation des brins.

Belle allure générale des brins sur l'aile en croisière avec toutefois l'influence bien visible du carrenage de commande d'aileron qui oriente le brin aval sur la droite (cette position du brin est toujours la même, il est peu agité). On notera également la fuite entre l'aileron et le volet qui fait sortir le brin collé sur le chant du volet et qui perturbe également les deux brins adjacents. Nous devrions placer quelques brins supplémentaires autour du carrenage et autour de la jonction aileron/volet pour bien comprendre ce qui se passe.

 Du côté de l'emplanture (vue ci-après), l'écoulement est satisfaisant jusqu'à la limite de ce qu'on pouvait voir de l'intérieur. On note toutefois que plus on approche du fuselage et plus l'écoulement est rentrant, de l'ordre de 15° par rapport aux écritures, ce qui suggère l'influence du fuselage sur cette partie.

Volets sortis au cran 2, c'est très différent. On note que l'écoulement sur l'extrados des volets est presque complètement décollé à l'exception de la partie à proximité immédiate de l'aileron où un vortex recolle localement le brin à cet endroit. L'écoulement sur l'aileron devient franchement rentrant et alimente le vortex.

 Je n'ai pas pensé à faire une photo avec le premier cran de volet et c'est bien domage.   Dans cette configuration, je pense qu'il n'est pas souhaitable d'avoir un large décollement comme avec les volets 2, si l'on veut augmenter la portance sans trop augmenter la trainée pour le décollage.

 A voir donc.

 Je mettrais bien quelques brins supplémentaires plus en avant sur le raccord plastique volets, pour essayer de voir à partir de quel endroit précis ça décolle, plus quelques brins sur l'aile en avant des volets.

Je suis allé au hangar pour prendre quelques mesures et faire un carrenage en mousse.

 De retour à la maison, j'ai fait les finitions du bloc de mousse, puis stratifié ce dernier. J'ai également stratifié des cloisons de séparation verticales aérodynamiques, pour faibles amplitude de débattement des ailerons, à coller sur les chants, près du bord de fuite des ailerons.

 J'ai également préparé une cloison en cornière destinée à être collée sur le chant du volet en partie basse (environ 8 mm d'espace). Cette cornière est stratifié en 2 couches de verre 160g/m2, pour garder de la souplesse et que ça ne coince pas si ça touche. On verifiera évidemment que la cinématique des ailerons n'interfère pas avec les volets pour toutes les configurations volets.

27 Juillet:

 La camera étant réparée, nous allons au terrain avec Julien et le père avec comme objectif d'installer la camera en bout d'aile droite, de monter le carrenage de commande d'aileron droit et les cloisons d'étanchéité, de positionner un peu plus de brins de laine sur le fuselage, et enfin de faire un petit vol le soir pour les prises de vue.

Constatations:

Le carrenage de commande d'aileron ne donne pas satisfaction, on voit nettement un décollement provoqué par ce dernier. Il va falloir faire autre chose. Par contre, les deux cloisons d'aileron/volet éliminent complètement la fuite, du moins visiblement, les brins de laine sont bien parallèles. On valide donc cette configuation, la même modification sera effectuée sur l'aile gauche.

Nous avons filmé longuement le fuselage dans sa partie centrale.

 Plusieurs constatations: le flux est agité dans la partie où l'air contourne le bord d'attaque sans que l'on puisse en déterminer la source (hors champ caméra). L'écoulement est particulièrement calme sur toute la partie supérieure, du pare brise à l'arrière du cockpit. Il n'a pas été mis en évidence d'influence néfaste de fuites cabines pouvant provoquer un décollement. L'écoulement est globalement correct sur les flans avec 2 remarques: l'écoulement en milieu de corde n'est pas parallèle au profil, et il semble que la couche limite du fuselage alimente l'aile par une composante latérale. Par ailleurs, la zone de recompression près du bord de fuite est plus agitée, avec une réorientation des brins vers le haut. L'influence de la vitesse, et donc de l'incidence, est faible sur l'allure générale, avec néanmoins une agitation un peu plus marquée, aux grands angles, au niveau du bord de fuite de la jonction voilure/fuselage.

 Les volets positionnés au premier cran provoquent un décollement sur pratiquement toute l'envergure du volet. Un essai de sortie progressive montre que l'écoulement ne décolle pas si l'on  ne dépasse pas un angle égal à la moitié de l'angle premier cran. Ce braquage pourrait être validé pour le décollage.

28 Juillet:

 Retour à Cannes avec Julien pour de nouvelles prises de vue sur la partie avant du fuselage.    Préalablement nous posons quelques brins supplémentaires et démontons entièrement le carrenage de commande aileron droit.

 Nous constatons que, indépendemment de la vitesse, il existe une large zone d'instabilité qui semble dûe au rétreint de fuselage, en arrière du capot moteur. Nous avons donc l'explication de l'origine des remous de bord d'attaque de la veille.

A noter également un décollement très localisé sur la lèvre supérieure de l'entrée d'air de refroidissement qui est dû à une forme inadéquate.

 Du côté de la commande d'aileron, ça se passe bien, très bien même, les brins de laine sont calmes, avec juste une légère orientation vers l'extérieur du brin n°2. On ne peut néanmoins pas laisser en l'état, de l'eau de pluie pourrait rentrer par la fente de passage. Il faut essayer avec le petit carrenage étroit d'origine.

Projet à court terme:

 La réalisations de karmans d'emplanture est à lancer dès que possible, l'écoulement dans cette zone n'étant pas si mauvais, ces carrenages seront de taille limitée (rayon maxi 10 cm) ce qui préservera également la zone dédiée aux piétons.

 A ce stade, il ne paraît pas encore nécessaire de prévoir des carrenages pour la partie arrière du fuselage, l'écoulement observé étant, pour la partie visible, bien parallèle au bord inférieur du fuselage.

Pour la partie avant du fuselage, j'envisage de coller de la mousse extrudée pour modifier les volumes, puis de stratifier avec une couche de sergé carbone/kevlar 200 g. Il faudra également reprendre les lèvres d'entrée d'air de refroidissement moteur dans leur partie supérieure. Pourquoi pas, également, remplacer la prise d'air cabine par une entrée d'air Naca, légèrement réorientée vers le haut (face à l'écoulement général) et positionnée plus en avant et plus basse, pour augmenter le rayon de virage de la veine d'air prélévée et dégager de la place pour la découpe (par rapport au bord supérieur du capot inférieur).

 Les plastrons rouge et vert (sur la photo) seraient définitifs, le capot serait remplacé ultérieurement par une version plus légère et adaptée au choix d'hélice qui serait fait plus tard.