Février 2016 - Sondes Kiel et piège à huile (2)

7 février:
Rapport d'essai en vol du 1er février.

Installation des nouvelles sondes à gauche et à droite.

Poste de l'ingénieur navigant.
Branchement des différentes sources de notre instrument ASX avec le tube d'aspirine comme dispositif opérant la moyenne et l'amortissement des deux sondes d'entrée.
 

Mesures trainée de refroidissement.
Le 01/02/16, local Cannes.
Météo: 16° 1024
Masse au décollage 680 kg
Sondes Kiel nouveau modele, une dans chaque entrée d'air, moyennées (tube aspirine).
Adressage 4 dernières sondes de tempé TC3: 1 sortie refroidissement, 2 cloison pare feu, 3 sortie couille, 4 entrée couille.
Régime initial décollage: 2400 tr/mn.


Montée à IAS avion = 150 km/h (badin et FL2).

Volet réglé fermé 7 crans visibles.

Croisière RPM 2750 tr/mn, FL 75. 

Temps de stabilisation thermique pour chaque mesure: 3 mn.
Ordre chronologique: ligne 4 à 1 (la température d'huile élevée ligne 4 est la conséquence de la montée précédente et de l'inertie thermique *).

 
V: réglage volet de sortie.


Données complémentaires:
Après le décollage en montée, noté à la volée: FL2 (IAS avion): 152, ASX (IAS1):172 plein gaz volet à 7.
Après les relevés croisière, volet à 4 (pour refroidir l'huile), 2750 tr/mn/FL75, FL2 196: valeur IAS1 sonde gauche: 217, sonde droite:202. La valeur des deux sondes moyennées par le tube d'aspirine s'établit entre les deux à 209. L'écart entre les deux sondes à IAS avion 150 est plus faible, de l'ordre de 6 km/h.


Mesures de surface de sortie:
Tout fermé, 76 cm2 (9 crans visibles) 10 cm2 de moins à cause du boa de la sortie couille.
Tout ouvert, 339 cm2 (0 cran).
Si l'on fait l'hypothèse de linéarité entre ces deux extrêmes, on obtient la correspondance suivante:

Hypothèse sera vérifiée ultérieurement.


Remarques:
 Les sondes Kiel donnent des pressions supérieures à nos précédentes mesures, ce qui est dû vraisemblablement à une tolérance meilleure au défaut d'orientation, mais également à un meilleur positionnement dans les entrées d'air (plus loin du cône d'hélice). Néanmoins, un écart significatif de pression a été détecté entre sonde droite et gauche allant de 5 km/h (plein gaz IAS 150) à 15 km/h (2750 tr/mn, IAS 196, volet 4) au bénéfice de la sonde gauche.

 Par ailleurs, les projections d'huile sur l'entrée d'air gauche ont permis de constater un point d'arrêt très à l'intérieur de la lèvre supérieure, suggérant une circulation avec un contournement important de l'entrée d'air par le dessus. Les photos prises après le vol montrent la circulation dessinée par l'huile. On voit nettement que la sonde Kiel génère un sillage bien symétrique à l'orientation étonnante, qui
indique que la sonde est mal orientée et qu'il se produit un retour vers le haut et vers l'avant de l'écoulement avant le contournement de la lèvre supérieure. Constatons que cette fuite a eu au moins le mérite de nous faire faire cette découverte !



 Il est facile de comprendre que plus le volet de capot est fermé et plus le contournement est important générant une traînée externe accrue, il convient donc de réfléchir à une forme d'entrée d'air moins sensible à ce problème.
 Le point d'arrêt bas, également matérialisé par l'huile est lui immobile, sur le bord de l'entrée d'air (lèvre inférieure).



Corrections à apporter sur ces mesures:
 Avant de refaire un vol d'essai, je vais tenter de corriger les mesures de cette moisson grâce aux remarques précédentes.
 Tout d'abord, réglons le problème des deux sondes d'entrée qui donnent des valeurs différentes. C'est la sonde qui indique la plus grande valeur qui a le plus raison, puisque nous mesurons une pression totale, même s'il existe une asymétrie liée au sens de rotation de l'hélice. Comme je connais la valeur moyenne de l'écart de pression entre les deux sondes, c'est facile à calculer.
 Ensuite, vous noterez que dans la colonne IAS1 du relevé croisière, la valeur évolue à la hausse quand on ouvre le volet de capot alors que la vitesse avion, elle, ne change pas. Elle ne devrait pas. Cela est vraisemblablement dû au fait que plus le volet est fermé et plus la sonde Kiel est en incidence avec le flux d'entrée dont une part importante contourne l'entrée d'air. La conclusion est que c'est la valeur mesurée avec le volet ouvert qui est la plus juste.
 Si j'opère cette double correction (en attendant un nouveau vol d'essai), j'obtiens les valeurs d'IAS1 corrigées que j'ai indiqué en rouge dans les tableaux. Avec ces valeurs corrigées, calculons la traînée interne de refroidissement et son coût sur la vitesse de croisière.

Traînée interne:

  L'équation de la traînée interne s'écrit :

Tint = S2.ρ₀.IASs.(√(T1/T2).IAS1 – IAS2)

Tint en N, S2 en m², ρ₀ = 1,225 kg/m³, T en °K, IAS en m/s.

Dans le tableau ci-dessous, je présente séparément le terme que j'appelle A et qui représente la chute de vitesse réelle (et non indiquée) dans le circuit : A = (√(T1/T2).IAS1 – IAS2) m/s

L'autre membre du produit, noté B, représente le débit massique : B = S2.ρ₀.IASs en kg/s

La puissance utile au FL75 au régime de 2750 tr/mn est de 75 cv x 0,8 (Puissance sur arbre x rendement hélice) soit Pu = 44kW.

La puissance absorbée par le circuit sur la propulsion vaut Tint.TAS
 TAS (true air speed) est la vitesse vraie avion en m/s. Ici 63,8 m/s (124 kt).
Dans le tableau la colonne %Pu indique le pourcentage de puissance absorbée par le circuit sur la puissance utile Pu.
 VΔ est l'écart de vitesse exprimé en kt liée à la trainée de refroidissement.
 Pour ce calcul, une formule approchée permet à partir de la vitesse d'origine (124 kt dans ce cas) et de %P de calculer VΔ.

 VΔ = %Pu . 0,37 . TAS
Formule dont le détail est démontré dans un dossier précédent:

Pour en finir avec les performances prétentieuses.

En croisière au FL75 et pour différentes positions du volet de refroidissement on obtient les résultats suivants :

Conclusion sur ces chiffres :

Ce gain de 1,7 kt entre la position plein ouvert et plein fermé du volet n'a pas été mesuré sur les performances avion, ce qui met en évidence une dégradation conjointe de la traînée externe, ce qui est consistant avec les observations faites précédemment.
 Par ailleurs, le gain de vitesse peut sembler faible, je fais néanmoins remarquer que la position pleine ouverture du volet sur notre avion n'offre en surface de sortie que 339 cm2 et que cette configuration est déjà en quelque sorte optimisée. Vu la tendance de la courbe, la trainée peut augmenter très vite si l'orifice de sortie est plus important.
 La nouvelle de taille, c'est que la trainée interne devient pratiquement négligeable volet fermé et qu'on n'est pas loin de pouvoir créer de la poussée (faible) grâce à l'effet Meredith si on améliore encore la qualité des écoulements internes.

Conclusion sur l'aspect expérimental de la prise de mesures :

Tout d'abord, et pour obtenir des mesures de bonne qualité, il convient de déplacer une nouvelle fois ces sondes Kiel plus en avant (en avant de l'entrée d'air) et dans la partie basse où l'orientation des filets d'air est plus stable et mieux connue. Les sondes seront donc fixées non plus au moteur, mais au capot et dépasseront en extérieur, juste derrière l'hélice. Nos prochaines mesures se feront avec des choix de positions volet moins chaudes compte tenu du fait que la température d'huile est difficile à garder dans une plage raisonnable et aussi du faible gain en traînée interne obtenu entre les positions de volet les plus fermées.

La traînée externe :

Deuxièmement, quand j'en aurai fini avec ce dossier sur la traînée interne, les entrées d'air seront redessinées pour que le flux de contournement soit moins torturé afin de s'attaquer à la traînée externe cette fois-ci. Le gain potentiel semble intéressant en constatant que la recherche de l'amélioration de la traînée interne peut dégrader la traînée externe si le flux de contournement se fait mal.

Avant de se lancer dans la fabrication de nouveaux capots définitifs, je vais fabriquer des plastrons (gauche et droite) que je plaquerai sur les entrées d'air actuelles, plastrons qui seront percés de nouvelles entrées circulaires façon Lo Presti et dont le plan d'entrée sera le plus possible perpendiculaire à l'écoulement local évitant ainsi tout retour vers l'avant.

Écarts de température cylindres :

Lors de notre vol précédent, un écart moyen de 50° avait été mis en évidence entre les cylindres de gauche et ceux de droite, me faisant suspecter une obstruction du support gauche de sonde. Ce support a été modifié (vrillé) pour être plus plongeant et mieux orienté dans le flux d'entrée supposé.

Les résultats sont spectaculaires, le delta n'étant plus que de 30° en montée et, encore plus intéressant, je constate qu'en croisière l'écart est de 25° avec le volet fermé mais tombe à 8° volets ouvert. Si vous reprenez mon schéma matérialisant les différents points d'arrêt dans l'entrée d'air (fig 1), c'est tout à fait cohérent car volet fermé, le support de sonde est encore en incidence forte par rapport au flux entrant.

Ce support disparaîtra pour nos prochaines mesures car les sondes seront fixées au capot., ce qui devrait logiquement encore améliorer le refroidissement des cylindres de gauche.

Température d'huile :

Pour ces mesures, j'ai placé une sonde de température en entrée couille et une autre en sortie.

En analysant finement les résultats on constate que la ΔT est plus influencée par la position du volet que par la température d'huile. Or, la sortie d'air se faisant au col du volet, il ne devrait pas y avoir d'influence de ce dernier. Je pense avoir une explication à cette anomalie. L'enveloppe de la couille n'est pas totalement étanche, j'ai bien tenté d'en limiter les fuites mais c'est pas parfait. Du coup, quand on ferme le volet, la pression dans la chambre inférieure monte et à partir d'une certaine position volet, de l'air bien chaud du plenum inférieur doit entrer par les fuites dans l'enveloppe dont la pression interne est quelque part entre la pression d'entrée (celle du plenum supérieur) et celle de sortie (pression extérieure).

Si mon hypothèse est la bonne, il faut donc retenir les valeurs capot ouvert entre 0 et 4, ce qui donne une ΔT d'environ 25° pour une température d'huile de 115°C.

Pour statuer définitivement sur la qualité de l'échange thermique il me faudrait connaître le débit d'air que je n'ai pas mesuré, mais comme ça, à vue de nez, cela me semble très insuffisant.

On ne va peut-être pas échapper au radiateur.

Bref, encore du boulot en perspective ! 

15 février:
Matinée au hangar aujourd'hui avec le père et le fils Julien en vacances.

 Papa avait déjà installé son piège à huile devant le joint d'arbre moteur et il a donc fallu remonter l'hélice et faire quelques autres bricoles. Julien a collé un support de camera GoPro après l'avoir ajusté à la courbure du pare brise.

   

  Voici quelques photos de la fameuse boite à camembert, en réalité réalisée avec un autre emballage alimentaire, un couvercle de pot à confiture Bonne Maman certifié aéro. Didier, un copain de hangar, nous a percé le couvercle au diamètre de l'arbre moteur avec une précision au dixième ! Papa l'a ensuite coupé en deux pour pouvoir prendre en sandwich l'arbre moteur. Des attaches sur les deux cotés permettent de ré-assembler le couvercle. 

  Il est ensuite tenu en place avec un autre procédé emprunté à l'industrie alimentaire, la fermeture à cannette, qui équipe habituellement les pots de terrines et foie gras. Le tout doit bien sûr rester démontable.

  

  Dans la partie basse, un tuyau qui communique avec l'intérieur de la boite sort à l'horizontale.

  

 

  Le tuyau flexible est raccordé à la sortie du reniflard.
 Comme espéré, de l'air sous pression dynamique devrait passer par le faible espace circulaire qui existe entre la boite et l'arbre moteur entrainant ainsi les vapeurs d'huile par le tuyau jusqu'au reniflard où la pression est plus faible.
 Essai moteur au sol satisfaisant, reste à faire l'essai plus démonstratif en vol.
 L'espoir est grand ! 
 

  Le déplacement, que j'espère final, des sondes Kiel a aussi été mené.

 Elle sont maintenant en un lieu où je connais l'orientation du flux d'entrée et devraient cette fois ci donner entière satisfaction. 

  

 J'ai aussi pris quelques côtes pour la préparations des futurs plastrons d'entrées d'air que je me propose de réaliser. Mes calculs préliminaires me permettent des définir un diamètre d'entrée d'air circulaire de 11 cm, une de chaque coté évidemment.

 Reste à effectuer un petit vol d'essai que nous n'avons pas eu le temps de réaliser. Demain soir peut être... 

 

Surface de sortie mesurée cran par cran en cm2 (avec boa couille en place) :

Le boa prend 16 cm2 (4x4). 

16 février

Vol d'essai réalisé ce soir, 4 tours de piste dont une vent arrière à vitesse croisière 2750 tpm. A l'issue du vol, aucune trace d'huile sur le capot ou le pare brise, le piège semble fonctionner.

J'ai également noté quelques valeurs de pression avec les sondes Kiel positionnées en avant des entrées d'air.

Résultats :

Montée à IAS 150 après le décollage :

Kiel gauche 196, Kiel droite 201, moyenne 197, sortie radiateur (IAS2) 146.

Croisière 2750 tpm 1000 ft (1017), 13°C au sol. IAS avion 220

Kiel gauche 262, Kiel droite 252, moyenne 258, sortie radiateur 189.

Ces mesures montrent un gros déficit de vitesse (environ 25 km/h) sur nos anciennes mesures d'IAS1, nous allons donc reprendre une série de mesures avec le protocole maintenant devenu habituel en montée et en croisière avec une montée volet à 5 (plus froid).

 Il est intéressant de constater qu'à 150 km/h, c'est la sonde droite qui donne la valeur la plus forte alors que la gauche capte plus de pression à 220 km/h. Les deux sondes sont placées de manière symétrique avec la même inclinaison vers le bas de quelques degrés. Malgré le design Kiel devant rendre les sondes peu sensibles à l'incidence locale, il semble qu'elles le soient quand même un peu et mettent en évidence par leurs mesures différentes l'influence de l'hélice par la mise en rotation du flux d'air. Le fait que les valeurs maximales s'inversent à différentes vitesses est par contre lié à l'incidence de vol différente. Difficile de corriger ce dernier effet qui introduit la même variation d'incidence pour les deux sondes, par contre il est possible de corriger l'asymétrie générée par l'hélice en orientant la sonde droite plus vers le haut par rapport à celle de gauche.
 Je vais tacher de mesurer cette différence d'angle pour en tenir compte pour la forme des futures entrées d'air. L'entrée d'air gauche devra regarder un peu plus vers le bas que celle de droite. Dans le même ordre d'idée, les entrées d'air d'air doivent également loucher pour être bien face au flux entrant. Je vais également réfléchir à une possible amélioration de l'entrée d'air du carburateur qui elle aussi subit une composante latérale en installant une ou deux vannes pour redresser le flux devant le filtre, ce qui devrait augmenter un peu la pression d'entrée.

 Dernière chose et non des moindres, constatée lors de ce vol, la pression d'entrée est maintenant indépendante  de la position du volet de sortie, c'est une nécessité qui n'était pas remplie avec la position précédente des sondes, c'est un élément de satisfaction supplémentaire qui finit de valider la dernière installation. Comme expliqué précédemment, la position du volet et donc le débit admis modifie l'orientation du flux dans l'entrée d'air. Les sondes étant maintenant en avant de l'entrée ne subissent plus de variation d'incidence liée à ce débit variable.


19 février:
Et la fuite d'huile alors ? 
 Julien est allé rendre visite à son frère Nicolas en stage chez Electravia à Sisteron avec le SPEEDJOJO. Cet aller/retour a permis de constater qu'il n'y a plus de fuite d'huile externe, le piège fonctionne à merveille même s'il ne résoud pas le problème de fond.


24 février:
 Ci dessous le lien de présentation de la plaquette du colloque d'Inter-Action prévu de se dérouler les 10 et 11 juin 2016 auquel votre serviteur participera en tant qu'expert circuit de refroidissement.
 Oui je me là pète un peu !

 Tous les thèmes abordés et les conditions d'inscription sont décrits dans cette plaquette. 

Inscrivez vous nombreux, je ferai une séance de dédicace à la Sarko pour les plus attentifs ! 
 

PLAQUETTE_COLLOQUE_2016-V2.pdf



Le point du père:

Temps de m... aujourd’hui.
J'ai fait un passage rapide au hangars pour remettre en place les cartes PA (pilote auto). Je te rappelle que le problème est que le mode CAP déconnecte sans rien dire. Soupçonnant un court -ju au niveau du fond de panier, j'ai isolé les pinoches en cause, et reconstitué les connections en fils flottants. C'est dans la console, donc non apparent.
J'ai aussi remis le tab de lacet après avoir changé les charnières. Et là, je me suis aperçu que le servo était décalé (au niveau pignons). Sans doute a t-il été forcé.
Donc j'ai démonté le morceau pour voir ça de plus prés à la maison.
Autre problème: la bille semble perdre son liquide interne et ça va devenir gênant. Te rappelles tu où tu l'avais trouvé? Apparemment pas chez Spruce.
Pour les crachotis interphone, j'ai des pistes, mais faut faire tourner le moteur pour faire apparaitre le problème.
Voila pour les nouvelles. Des bisous....

De moi:
 Merci pour ces infos. Non je ne sais plus d'où vient la bille. Je vais chercher sur les sites à partir d'une photo de la nôtre.

Je suis rentré hier d'Afrique. Déroutement en vol sur Las Palmas à l'aller cause passager en arrêt cardiaque. Il est mort au parking. La formation ne recule devant aucun sacrifice pour les mises en situation et ma formation. C'était un peu la guerre, mais ça va.

Je revole lundi, d'ici là peut être pourrons nous faire un petit vol d'essai si la météo le permet.

Bisous

Du père:
T'as raison, ils ne mégotent pas pour les formations!
La bille vient de ULM techno. Je vais commander.
J'ai pu réparer le servo lacet. le pignon et la glissière ont manifestement pris un coup. Mais comme il y a deux glissières, j'ai repris celle qui ne servait à rien. Quant au pignon, je lui ai fait faire un demi tour, et tout va bien.
Il faut aussi que je refasse une petite carène  pour protéger le servo de la pluie. les UV ont pourri le plastique. Donc un petit moule à faire pour former la carène à chaud, à partir d'une bouteille de Badois!
j'irai sans doute samedi.


26 février:
Courrier à Matthieu Barreau d'Inter-Action:
 Qui prépare activement le colloque de Cachan, conseille et participe à l'élaboration des articles des intervenants.
 Je glisse donc dans ce blog un de nos échanges dans lequel je fais mention d'une formule pour calculer la puissance sur arbre si l'on connait la pression d'admission, le régime moteur et la température dans le carburateur.

Mon cher Matthieu, 
Voici les formules approchées que j'ai pondu pour calculer la puissance sur arbre et le fuel flow mixturé de notre O-200 en fonction du régime, de la température carbu et de la pression d'admission.
Je ne vais pas te submerger de calculs qui sont néanmoins vérifiables, mais mon calcul théorique donne des valeurs très proches des formules simplifiées ci-dessous avec un rendement moteur de 26%. Je fais d'ailleurs l'hypothèse simplificatrice d'un rendement constant sur la plage des régimes moteurs normaux d'utilisation.
Tu vas bien sûr hurler avec les unités mais c'est pour que ce soit plus pratique :)


P (kW) = PA.RPM / (136.(T + 273))
 ou
P (cv) = PA.RPM / (100.(T + 273))

et FF (l/h) = P (cv)/3,3

                                                         PA en hPa, RPM en tr/mn, T en °C

 C'est donc assez simple et extrapolable à d'autres moteurs. Pour déterminer le terme constant de l'équation du moteur considéré (136 ou 100 pour nous) il suffit de prendre les spécifications constructeur établies en standard au niveau de la mer à pleine puissance.
 On remplace donc dans l'équation PA par 1013, T par 5° (STD - 10°, car on mesure expérimentalement une chute de 10° dans le carbu par rapport à la température extérieure à cause de la vaporisation du carburant), RPM par le régime donné par le constructeur à la puissance nominale et P par la puissance nominale.

Pour nous, Cte = 1013hPa x 2750tpm / (100cv x 278°) = 100 pour l'équation donnant P en cv.

Notre instrument MAP2-T de chez mgl (pas cher) nous fourni sur un seul petit écran LCD (diamètre 57) les trois infos nécessaires au calcul de la puissance; régime, T° carbu et PA.

27 février:
 J'ai pu faire mes mesures complémentaires hier avec le père dans le rôle du pilote d'essai et moi en ingénieur de vol tyrannique: "tiens ta vitesse !"
 Au préalable, papa réinstallait le servo du tab de direction et moi je modifiais l'orientation de la sonde Kiel droite vers le haut (+1°), en laissant la gauche à sa valeur initiale (-6°).
 J'ai déplacé deux sondes de température sous les capots. En plus des quatre températures cylindres nous avons ensuite et dans l'ordre: la sortie du circuit, la zone des accessoires devant la cloison pare-feu, la zone juste en dessous du cylindre
n°1 (pour savoir à combien ça sort juste en dessous) et le fond de plenum supérieur (pour connaitre l'élévation de température entre l'entrée et le fond de la chambre au dessus du moteur).

 La météo n'était pas fameuse, mais c'était calme et on a pu faire des aller/retours Est/ouest le long de la zone de Canjuers au FL75.
 Je suis très satisfait de la moisson de mesure, Papa l'était moins, son pilote automatique ne fonctionne toujours pas bien.


 Aujourd'hui j'ai donc fait un programme excel pour compiler ces données et faire les calculs des grandeurs recherchées en automatique.
 

 C'est un peu indigeste comme ça, mais avec l'aide de mon ami Matthieu nous devrions pouvoir sortir quelques courbes intéressantes pour commenter efficacement ces résultats. Je mettrai bientôt en ligne ce programme pour les plus passionnés.