Décembre 2015 - Pression totale d'entrée de refroidissement et pression de carter

7 décembre:
 Rapport sur les mesures en vol du 28 novembre: 

De moi au groupe SPEEDJOJO:
 Vous noterez quelques colonnes supplémentaires sur les tableaux de relevés, notamment le débit massique et le flux de chaleur qui sont obtenus avec des mesures de bonne qualité a priori. La seule colonne qui prête à discussion est la colonne IAS 1 dont les vitesses semblent sous évaluées mais qui n'ont aucune influence sur les grandeurs sus-mentionnées. J'ai noté les remarques qui me sont apparues dans l'analyse de ces résultats. S'il vous en venaient d'autres, n'hésitez pas à m'en faire part.
 Le protocole de mesure est disponible ici

 Robinets de commutation à la disposition de l'ingénieur de vol pour la mesures des différentes IAS. Notez le tube d'aspirine chargé de moyenner les 2 pressions totales gauche et droite d'entrées d'air et d'amortir le tout:

Rapport:

Mesures trainée de refroidissement. Hélice 2,8. volets négatif.023

le 28/11/15, local Cannes.

Mto : 14° 1012

TOW 650 kg

Régime initial décollage 2350 tpm

Montée à Vi = 150 km/h (badin) .

Volet réglé fermé 7 crans visibles (144 cm²).

FL	Rpm/PA/T° carb	FF	Puiss. cv/ FF théor.	IAS 1	IAS 2	IAS S	T°ext/T°S/ΔT	T° cylindres	M débit massique	Flux de chaleur kw
35	2437/880/+3°	24,1	75,4/22,7	165	148	90	7°/82°/75°	189/229/175/235	0,37	28
45	2436/853/+2°	22,1	73,4/22,0	164	144	89	6°/83°/77°	190/229/176/230	0,36	28
55	2440/823/+2°	22,1	70,9/21,3	164	146	88	7°/83°/76°	187/227/175/230	0,35	27
65	2445/790/+3°	22,1	67,9/20,4	162	143	88	7°/83°/76°	184/225/174/222	0,34	26
75	2449/758/+2°	20,5	65,5/19,7	160	143	85	6°/83°/77°	179/223/172/216	0,33	25

Fin de montée, huile à 128°C !

Croisière IAS = 202 km/h

Volets fermés complètement, 9 crans visibles (86 cm²).

FL	Rpm/PA/T° carb	FF	Puiss./ FF théor.	IAS 1	IAS 2	IAS S	T°ext/T°S/ΔT	T° cylindres	M débit massique	Flux de chaleur
75	2750/766/+0°	25,1	74,9/22,5	201	181	123	5°/78°/73°	172/215/166/209	0,28	20

Huile 115°C

TAS 230/124

Mesures de surface de sortie :

Tout fermé, 86 cm2 (9 crans visibles)

Tout ouvert, 349 cm2 (0 cran)

Si l'on fait l'hypothèse de linéarité entre ces 2 extrêmes, on obtient la correspondance suivante :

cran	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
surface	86	115	144	174	203	232	262	291	320	349

Hypothèse à vérifier bien sûr.

Analyse :

  D'après ces mesures, la traînée de refroidissement est nulle, même en montée !

T = S2.ρ₀.IASs.(√(T1/T2).IAS1 – IAS2)

 Le terme entre parenthèses est nul, ce qui neutralise S2.ρ₀.IASs

  A l'évidence, l'IAS1 est sous estimée par la mesure, un travail de repositionnement sur les sondes d'entrée d'air doit être mené.

  Le débit massique vaut M= ρ₂.S2.Vs = ρ₂ .S2.√(ρ₀/ρ₂).IASs = S2.√(ρ_0.ρ₂).IASs

ρ₀ = 1,225, ρ₂ = 0,757 (voir détail du calcul de ρ2 plus loin)

M = 0,0086 x √(1,225 x0,757) x 123/3,6 = 0,283 kg/s

 Puissance thermique dissipée W = M.ΔT.C = 20,5 kW !

  On constate que pour la même puissance moteur, en montée au FL35 et en croisière au FL75, le flux de chaleur est sensiblement différent, la différence étant vraisemblablement liée au régime moteur différent. Quand, à la même puissance, le moteur tourne plus vite, les gaz de combustion ont une densité moindre dans les cylindres et communiquent ainsi moins de chaleur au moteur et doivent sortir plus chaud à l'échappement, ce qui se retrouve sur la température moyenne des cylindres plus basse de 16°.

  Autre remarque, les cylindres de gauche (n°2 et n°4) sont nettement plus chauds que ceux de droite d'environ 50°, en aggravation par rapport aux mesures précédentes, ce qui laisse supposer une obstruction dans l'entrée d'air gauche. Je soupçonne le support de Pitot gauche (lamelle d'alu) de ne pas être orienté correctement ainsi qu'un décollement dans la partie basse de l'entrée d'air compte tenu de l'orientation montante du flux d'entrée. Ce flux est montant du fait premièrement de la position supérieure des entrées d'air sur la face avant des capots moteur, mais aussi à cause de l'hélice montante à gauche. Par ailleurs, le déséquilibre persiste même en arrière entre les cylindres n°1 et n°2 ce qui laisse supposer une relative étanchéité ou indépendance entre le coté gauche et droit lié au faible volume du plenum supérieur et à la position centrale du bloc moteur créant une restriction entre les deux cotés.

  Enfin, concernant cette fois la température d'huile encore trop importante en fin de montée, une prolongation du tuyau de sortie de la couille vers l'orifice de sortie du circuit de refroidissement moteur est nécessaire pour diminuer l'influence des volets de capot sur le débit d'air interne de la couille.

 Sur cette vue, la sortie du circuit de refroidissement moteur est sur le bord droit de la photo, là où un bloc est visible. La sortie de la couille, bien visible au centre devra être prolongée par un boa jusqu'à la sortie.

 Pour mémoire, sur moteur Continental, la numérotation des cylindres est comme suit:

On compte dans l'ordre croissant de la cloison pare-feu vers l'hélice et les cylindres pairs sont à gauche (vue de dessus). Ce qui donne ARD:1, ARG:2, AVD:3, AVG:4.

Calcul de ρ₂ :

Pression en fonction de l'altitude en atmosphère STD :

P(z) = 1013,25.(1 – 7.10^-6.z)^5,255 z en ft

ex : P(7500) = 763 hPa

Perte de charge dans le filtre à air:
 Remarquons qu'au FL 75 en montée, la PA mesurée est de 758 hPa (IAS 150 km/h) alors qu'en croisière elle est de 766 hPa (IAS 202 km/h). On a une bonne récupération de la pression dynamique au niveau du carburateur dont la pression d'admission en croisière est légèrement supérieure à la pression statique extérieure (3 hPa) malgré la perte de charge du filtre à air.

A IAS 150 km/h la pression dynamique vaut 10,6 hPa.
A 202 km/h elle vaut 19,3 hPa.
En montée, la perte de charge dans l'admission est donc de 10,6 + 763 - 758 = 15,6 hPa.
En croisière, elle est de 19,3 + 763 - 766 = 16,3 hPa 
 

Masse volumique de l'air en fonction de la pression et de la température :

ρ = 0,3484.P/T P en hPa et T° en °K

ex : T° = 78°C = 351 °K et P = 763 hPa

ρ₂ = 0,757 kg/m3

Expression de la puissance mécanique (sur arbre) et du Fuel Flow théorique :

Pm (cv) = PA.RPM/[103.(T+273)]

Pm (kw) = PA.RPM/[140.(T+273)]

avec PA pression d'admission en hPa, RPM en tours par mn et la température carbu T en °C.

FF (l/h) = Pm/3,33 avec Pm en cv.

Conclusions:
 Je suis relativement satisfait de cette moisson de résultats qui valide le protocole de mesure. En pratique, l'ingénieur de vol avait beaucoup de boulot pendant toute la montée avec les commutations de robinets et l'enregistrement des données, le pilote se concentrant sur la tenue de vitesse et le réglage en continu de la richesse moteur. Après un bon briefing avant décollage, tout s'est passé d'une façon très fluide.
 Néanmoins, l'IAS 1 mesurée dans les entrées d'air est à l'évidence sous-évaluée par un défaut de positionnement et (ou) d'orientation des sondes, car bien que séduisante, une trainée de refroidissement nulle n'est pas réaliste, même avec l'effet Meredith. Une chose est à prendre en compte, c'est que la pression totale dans chaque entrée d'air n'est pas forcément uniforme sur toute sa surface compte tenu de l'hélice dont l'effet augmente en envergure de pale.
 Nous allons donc tacher d'apporter des solutions à ce problème que nous avions à l'évidence sous estimé.
 Les autres valeurs mesurées qui sont elles cohérentes, nous permettent quand même de calculer le flux de chaleur évacué par le circuit et sont en phase avec les valeurs fournies par le rapport NASA de 1981 disponible sur ce blog onglet documentation.
 Un facteur de correction sera apporté sur ce flux pour tenir compte de la dissipation de chaleur à travers les capots moteur. En première estimation, et pour des capots en composite verre, le flux de chaleur dissipé par les capots est de l'ordre de 5 kw grand maximum avec une delta T° de 80°C. Je vais prochainement affiner cette valeur notamment en mesurant les surfaces d'échange et l'épaisseur des capots, le coefficient de conductivité thermique du stratifié verre étant proche de 0,2 w/m/°K.
 Si un lecteur a de meilleures valeurs, je suis preneur. 

18 décembre:
 Recherche Pitots insensibles à l'orientation, désespérément ...
 J'ai fait jouer mes relations dans le milieu pour rechercher un design de sonde totale peu sensible à l'orientation des filets d'air et à la turbulence pour tacher d'obtenir une pression totale de bonne qualité dans nos entrées d'air. Cela va permettre d'avancer un peu plus sur mon dossier sur le refroidissement moteur.
 Je me suis donc adressé à mon ami Matthieu Barreau qui est maintenant une star de la télévision grâce à sa participation dans la réalisation de manipes pour l'émission "on est pas que des cobayes".
 Il a donc fait suivre ma question à la communauté d'Inter-action, et la réponse est arrivée très vite de Bernard de Go Mars sous la forme d'un pdf très complet téléchargeable ici.
 Il en ressort que nos sondes actuelles très simples (bouts de tube en laiton) peuvent accepter jusqu'à 20° d'incidence avec une erreur inférieure à 1%. Mais on peut faire bien mieux, notamment avec les sondes Kiel qui supportent des valeurs d'incidence jusqu'à plus de 45°. C'est relativement facile à réaliser, il suffit d'ajouter à nos sondes actuelles une bague concentrique d'un diamètre supérieur pour canaliser l'écoulement face à la sonde.


 Rapport du père:
 Interesting. Pour nos Pitots, je note un angle de 20°.
c'est pas si mal.

Rapport des activités du jour:
Modifié et installé 2 Pitots à gauche.
Remis la sonde de pression au joint spi.
Freiné ce qui ne l’était pas encore.

La priorité étant le problème d'huile, j'ai branché l'ASX (anémomètre de manipes) sur le spi et le carter moteur. J'ai conservé comme référence la statique de bord.

Après plein et observation des évolutions de 2 Osprey (tilt-rotor, impressionnants!), petit vol d'essai avec Didi vers Fayence.
 Météo assez merdique, nuages bas, entrées maritimes et visibilité très dégradée face a l'ouest (soleil bas).

 A 2000ft, 2600 rpm, je lis 216 km/h sur FL2 (anémomètre avion). l'ASX me donne 217 km/h pour la pression devant le joint spi, et 0 pour le carter. L'huile est à 90°. Je retrouve cette concordance à 175 km/h (FL2), et toujours 0 pour le carter.

Retour hangar et vérification du tuyau de carter qui me semble bien (pas de liquide à l'intérieur).
S'il n y a pas de lézard dans la mesure, on a donc une pression différentielle sur le joint qui devrait interdire toute fuite!

Voici des photos des sondes, et des écoulements.

3 premières photos avant le vol.

Les autres après, comme indiqué par l'huile.


J'ai bien observé l’écoulement, mais rien déduit  d'utile !

De moi:
 Joli travail. Au sujet des écoulements, je constate au contraire que ces photos sont exploitables. L'écoulement est correct en extérieur et décollé en intérieur avec vraisemblablement un divergent trop prononcé. L'huile s'arrête brutalement à 2 ou 3 cm du bord d'attaque à l'intérieur, puis on trouve quelques gouttes dispersées au hasard synonyme de circulation très turbulente. On peut améliorer les choses en donnant de l'épaisseur au capot dans cette partie.
 On voit bien le vrillage que tu as donné au support de Pitots par rapport à l'installation d'origine pour moins perturber le flux d'entrée.
 Donc, 2 sondes installées pour voir si des variations de pression existent en latéral. Il faudrait transformer ces sondes en sondes Kiel, encore du boulot pour toi car je termine ma qualif juste avant Noël, désolé !
  Le petit tube coudé pourrait être soudé à l'étain dans autre plus gros, disons un tube en cuivre de 12 avec, malgré la faible épaisseur, un coup de foret de face pour rendre l'entrée conique.
 
 En ce qui concerne la fuite d'huile au joint spi et tes mesures qui confirment que la pression est plus forte en extérieur devant le joint qu'à l'intérieur, je reste perplexe sur l'explication de cette fuite qui est pourtant bien là. Cette progression de l'huile ne peux donc se faire que par un processus mécanique, comme si le plan de joint fonctionnait comme une pompe. Il serait peut être utile dans cette optique d'inspecter l'arbre de sortie à la recherche de rayures comme tu le suggérais. Donc, nouveau joint, grrr!

 Reste l'hypothèse pulsatoire, une onde de pression forte mais courte, donc invisible aux instruments, liée à un problème de segmentation ou pas.

 Dans cette hypothèse, on peux aussi penser que la grande longueur du tuyau relié au reniflard peut influencer les choses. En effet, ce tuyau contient une masse d'air plus importante que les tuyaux plus courts généralement installés. Même s'il n'est pas bouché, il pourrait se comporter comme un filtre passe bas et ne pas amortir l'éventuelle onde de pression. Le fait que le reniflard soit positionné prêt du joint doit nous faire réfléchir, ce n'est peut-être pas par hasard que la mise à pression extérieure du carter soit à proximité immédiate du joint. Pour lever ce doute, il faudrait placer un "condensateur" (analogie électrique) sur la sortie, soit en enlevant le tuyau (beurk), soit en mettant une vessie en série entre le reniflard et le tuyau.

19 décembre:
De Papa:
 Tout à fait d'accord avec ton interprétation des écoulements.  Mais ça n'apprend rien sur l'origine de la fuite d'huile. A ce propos, je confirme qu' il s'agit d'huile "naturellement"pulvérisée par la fuite. Je constate que la partie humide se trouve au-delà du cône d’hélice, et à gauche seulement. On aurait pu s'attendre à une pulvérisation sur 360°, et je ne trouve pas confirmation de ça.
 D'accord aussi pour tes 2 interprétations de cette fuite. Didier m'a suggéré aussi un effet de pompe. L’hypothèse impulsionnelle tient debout également, tes remarques concernant " l’impédance" du tuyau aussi.
 Avant d'investiguer dans ces directions, je veux confirmer que le mano (y compris le tuyau) fonctionne autour du millibar. Je vais donc monter une manipe au sol à base de tube en U et de pinard (ndlr: liquide à usage barométrique).
 Concernant les sondes Kiel, et d’après la fig 2.3, il  me semble qu'un diamètre de 8 ou 9mm serait plus conforme.
Bon, y a encore du boulot!


23 décembre:
Courrier des lecteurs:
Bonjour Frédéric,
Je suis avec grand intérêt les expérimentations que vous menez sur le F-PKPL. Vos essais récents m'amènent à faire quelques commentaires:

1. Sur la fuite d'huile au joint spi: vous chercher à supprimer cette fuite en créant une contre-pression aérodynamique à l'extérieur du joint. Vous n'avez aucune chance d'y parvenir de cette façon et voici pourquoi:
La pression dynamique maximale (1/2 Ro x V2) que vous pouvez obtenir à la vitesse de 120 kts au niveau de la mer est de 2327 Pa soit 23 millibars. La pression dans le carter est de l'ordre de quelques centaines de millibars, soit environ 10 fois plus. On voit tout de suite dans quel sens l'huile va s'écouler!
D'où tiens-je cette valeur de pression dans le carter? Je n'ai pas trouvé de valeur communiquée par Continental mais l'Installation Manual du Rotax 912 recommande de mesurer la pression dans le carter et mentionne: "The pressure in the crankcase at full throttle must not exceed the prevailing ambient pressure by more than 0.45 bar (6.53 psi) at 90 °C (194 °F) oil temperature." Le Continental O-200 et le Rotax 912S développent la même puissance et même si le Rotax obtient ses 100 HP par des moyens différents (petite cylindrée, tournant deux fois plus vite) la pression de blow-by doit être du même ordre de grandeur pour les deux moteurs.
Sur votre mesure de pression carter: d'après les photos publiées, votre prise de pression semble être soudée sur le coude de sortie du reniflard. Donc vous mesurez la pression de sortie du reniflard, après la détente qui se produit en sortie de carter et non la pression dans le carter. En aval de votre point de mesure, c'est la mise à l'air libre. Il n'est donc pas étonnant que vous mesuriez zéro delta P. Pour mesurer la pression dans le carter, il faut connecter un manomètre directement sur le carter, pas dans le flux du reniflard; je ne sais pas si c'est possible sur le 0-200.
La cause de la fuite: joint défectueux ou surfaces en contact avec le joint détériorées: c'est là qu'il faut intervenir: pas marrant!

2. Sur la ventilation de la couille: les surfaces d'échanges étant réduites, votre système ne sera jamais très efficace, même si vous parvenez à obtenir un flux d'air conséquent, ce qui n'est peut être pas le cas aujourd'hui. Il faut aussi penser à ce que j'appelle le "réchauffage du flux aval". Imaginez que vous découpiez le flux d'air de ventilation en tranches perpendiculairement au flux; dans les premières tranches, l'air frais pompe efficacement les calories de l'huile chaude, tout en se réchauffant au passage. Les tranches en aval, préchauffées, participent beaucoup moins au refroidissement et les tranches suivantes ne refroidissent plus rien. Pour qu'un échangeur soit efficace, il faut une grande surface d'échange et une faible longueur du flux d'air. Voir les radiateurs des automobiles: grande surface frontale et seulement quelques centimètres d'épaisseur.
Pour le Speed Jojo, je pense qu'il faudrait installer un petit radiateur bien alimenté (je suppose qu'il n'y en a pas actuellement), ce sera beaucoup plus efficace que de ventiler la couille et cela ne traînera pas davantage.

Amitiés aéronautiques
Rémi Guerner


Réponse du père:
 1- Continental préconise une pression de carter inférieure à 1 pouce d'eau, c est à dire 2.5mb.
C'est très largement inférieur à la pression totale que l'on récupère en face externe du joint.
Les photos jointes montrent l’intérieur du carter dans la zone du palier avant. On y voit les ouvertures de communication entre les chambres avant et la chambre principale, source de la pression.

On y voit aussi la prise de reniflard constituée d'un coude et d'un tube d'environ 70mm de longueur, et de 12mm de diamètre dirigé vers le plan du joint.
Je considère que le freinage des gaz expulsés par le reniflard est essentiellement dû à la tuyauterie: d'abord le coude précédant, ensuite 1m de tuyau souple diamètre 15mm, et ensuite 1.7 mètres de tube PVC diamètre 22mm. Le freinage apporté par la communication entre chambres me semble négligeable.
Dans ces conditions, la mesure de pression au niveau du coude subit un effet "potentiométrique" que j’évalue grossièrement comme suit: Pm=Pc*Rav/(Rav+Ram).
Pm=pression mesurée; Pc pression carter. Rav "résistance" Aval (de la prise de mesure); Ram" résistance amont".
Considérant que le freinage des gaz est un effet de frottement, donc de surface mouillée (et non de volume comme en électricité), je dis que Ram est proportionnelle à
Longueur/diamètre, soit Ram# 70/12=5.8; Rav=1000/15 + 1700/22 = 144. Donc Pm est pratiquement égale à Pc.
Bon, d'accord, c'est à la louche, mais ça me suffit.
Ceci dit, ça fuit quand même!

Et les théories avancées ne sont pas simples à vérifier. En particulier, les photos montrent que la communication entre chambre reniflard et chambre avant du palier sont assez étroites. Il y a, dans cette chambre, un disque (taillé avec le vilebrequin) qui est censé centrifuger l'huile issue du palier avant. Si les trous sont bouchés, alors j'ai une pompe centrifuge qui me met la chambre en pression. Faut démonter pour vérifier!  (au moins le joint, sinon le carter)
Donc Je change de paradigme, et je vais tenter de corriger le symptôme, cad essayer de capter la fuite avant qu'elle ne nous pourrisse le pare-brise.
 
2- D'accord sur les remarques a propos de la couille. Nous n'avons pas mesuré la température de l'air en sortie. Ce paramètre devrait tout nous dire: s'il est très chaud, l’échange est bon, mais pas assez de débit.  Si c'est tiédasse, l’échange est mauvais donc la géométrie n'est pas bonne.

Bon, y a du taf !