Avril 2016 - Mais où passent les Watt ?

3 avril:
Régulation de température d'huile.
 J'ai avancé sur l'étude permettant une régulation de la température d'huile moteur.
 Comme je le disais dans mes conclusions du mois dernier, la couille ne participe en rien au refroidissement de l'huile, même en envoyant de l'air frais dessus, ça parait presque évident maintenant, mais je m'étais engagé dans une impasse. La surface d'échange est très insuffisante, de plus, l'huile présente dans la couille ne circule que très peu puisque c'est un réservoir, ce qui diminue encore plus l'échange thermique. La température de l'huile représente donc une espèce de moyenne des lieux où elle circule dans le moteur.
 Donc si on veut tourner avec un moteur plus chaud, il faut refroidir l'huile avec un radiateur, c'est la décision que nous avons prise.
 L'air frais de refroidissement de ce radiateur est généralement capté dans le plenum supérieur, ou grâce à une écope supplémentaire dédiée. L'huile est donc plus ou moins refroidie en fonction de la vitesse avion. Je me suis donc demandé si l'on ne pouvait pas faire un peu mieux pour adapter le refroidissement à la température moteur sans avoir recourt à une régulation électromécanique complexe amenant du poids et un risque sur la fiabilité.
 Je suis donc parti du constat que le moteur était chaud quand le volet de capot était fermé, c'est même pour cela qu'il a été installé. Ce n'est malheureusement pas vrai en descente, mais si j'utilise cette condition (position du volet), ce n'est pas pire que sur une alimentation classique.
 Dans les autres cas, montée, croisière, ça fonctionne. Si je ferme le volet, le moteur chauffe et la pression dans le plenum inférieur augmente.

 Il est donc plus judicieux d'alimenter le radiateur par de l'air à la pression de ce plenum. Problème, l'air y est déjà chaud. Solution: détendre de l'air en provenance du plenum supérieur à la pression du plenum inférieur.
 Comment? Avec un détendeur simple comme un volet libre en ouverture égalisateur de pression qui déleste une partie de l'air froid en trop.
 Sur ce schéma, E1 est la pression du plenum supérieur par rapport à la pression extérieure et ne dépend que de la vitesse avion. E2 est la pression dans le plenum inférieur, dépend de E1 et de la position du volet de sortie. Le clapet égalisateur de pression impose une pression E2 devant le radiateur.
 Le système fonctionne bien si i4 (le courant de délestage) est bien dirigé vers l'extérieur, dans le cas contraire, de l'air chaud du plenum inférieur serait admis à travers le radiateur. Cela pourrait se produire si le tuyau d'alimentation dans lequel circule i2 présentait une résistance trop importante (tuyau trop étroit), la chute de pression dans le tuyau d'apport étant supérieure à la chute de pression à travers le moteur. Une solution simple serait d'associer une fonction anti-retour à ce clapet, mais si ce clapet se ferme, il n'y a plus de régulation.

 J'ai donc synthétisé le circuit en utilisant une analogie électrique qui fonctionne assez bien où l'on peut assimiler les pressions à des tensions, les débits à des courants et les résistances internes de frottement à des résistances électriques. La loi électrique U=R.I se décline en E = R.i dans mon modèle pneumatique en particulier pour les conduites longues où il y a bien une quasi proportionnalité entre le débit et la différence de pression.

 Exprimons donc i2 et i3:
 i2 = (E1 -E2)/R2 et i3 = E2/R3
 Nous voulons que i4 soit toujours positif.
 Cela n'est possible que si: i2 > i3 et donc que: (E1 -E2)/R2 > E2/R3
ou encore: (E1 - E2)/E2 > R2/R3

 Les valeurs numériques issues de nos essais nous donnent en croisière:
E1 = 25 hPa
5 hPa < E2 < 15 hPa  en déplaçant le volet de sortie de pleine ouverture à pleine fermeture.

 En reprenant l'inégalité précédente et en remplaçant E1 et E2 par les valeurs numériques, on peut donc écrire:
4 > (E1 - E2)/E2 > 10/15 > R2/R3

 En ne retenant que la partie qui nous intéresse on a:
 R3 > 1,5.R2
 Si cette condition est satisfaite, le radiateur sera toujours alimenté en air froid, même quand E2 est maximale (volet de capot fermé).

 Remarquons que la résistance du radiateur est incluse dans R3 ce qui nous facilite la réalisation de cette condition. On pourra même faire en sorte d'ajuster R2 à la hausse pour limiter le délestage i4 s'il s'avérait inutilement important.
 Il faut également que la taille de l'orifice de délestage soit grande par rapport à la section du tuyau d'apport si l'on veut que la détente se fasse bien.

 On voit donc qu'une régulation de température d'huile peut facilement être obtenue au prix modique d'un seul clapet monté libre sur charnière. Mais alors pourquoi mettre un clapet plutôt qu'un orifice simple puisqu'il ne s'oppose pas au passage de l'air de délestage?
 J'ai eu une autre petite idée. La régulation telle que décrite ne fait pas intervenir la température extérieure, il est pourtant facile de comprendre que les besoins de refroidissement augmentent par temps chaud. Si je place sur le clapet un petit poids qui s'oppose à l'ouverture, je peux introduire un offset de pression supplémentaire en face du radiateur et ainsi créer une fonction ÉTÉ/HIVER sur ma régulation. Cela revient à ajouter une résistance R4 dans mon schéma électrique sur le fil dans lequel circule i4, ce qui a pour conséquence d'augmenter i3 et donc le refroidissement de l'huile (position ÉTÉ).


4 avril:
Fin de la GV, mise en service de la sonde EGT.
 Cet après midi on a terminé la GV du jojo, plus qu'à faire signer les papiers.
 L'avion sera donc prêt pour l'Envolée du Massif Central prévu à la pentecôte.
 Papa en a profité pour brancher la sonde EGT à notre instrument TC3 de chez MGL. On a ensuite fait un point fixe pour noter quelques valeurs du rapport de GV et faire chauffer le moteur afin de prendre les compressions.
 J'en ai profité pour contrôler le bon fonctionnement de la sonde EGT, ça marche. J'ai même pu observer qu'à environ 1500 tr/mn, avion au sol, l'EGT mesurée était bien influencée par l'ouverture du volet de capot, 408°C capot fermé et 365°C plein ouvert alors que le débit de refroidissement est faible. C'est de bon augure pour la suite pour résoudre l'énigme du mois dernier concernant la répartition des différents flux de chaleur où j'avais une disparition de Watt thermiques volet fermé.
 J'ai donc supposé qu'ils partaient dans les gaz d'échappement, ça semble se confirmer, mais il va falloir faire des mesures en l'air pour lesquelles j’attends un écart de 187°C.

 J'ai également pu observer les températures indiquées par mes 4 sondes positionnées de gauche à droite (de 1 à 4) à la sortie du circuit pour voir un éventuel gradient latéral. J'en ai bien vu un, les deux sondes du milieu (2 et 3) indiquent la même valeur, par contre la 1 est plus froide alors que la 4 est plus chaude. Cela parait normal, la ligne d'échappement étant à droite. A confirmer en vol bien sûr, mais la sonde unique de nos mesures précédentes était placée plutôt au centre où l'on a bien une valeur moyenne.

 Le temps d'aller et de revenir de New York et si la météo est bonne, on s'organisera un petit vol d'essai, disons lundi prochain.


9 avril:
 J'ai réalisé un schéma d'installation des capteurs et de l'instrumentation montée sur le SPEEDJOJO pour étudier le refroidissement moteur. Il servira à illustrer le dossier que je prépare pour le colloque de Cachan en juin, mais je ne résiste pas à l'envie de le publier dans ce blog, ne serait-ce que pour mieux faire comprendre nos travaux actuels. Un bon dessin valant mieux qu'une longue explication, le voici.

12 avril: 
Vol d'essai.
  Hier nous avons effectué un nouveau vol d'essai pour évaluer la part de chaleur transmise par les collecteurs d'échappement au circuit de refroidissement.
 Les résultats ne confirment pas mon hypothèse d'apport massif de chaleur par les pots à l'air de refroidissement. Le différentiel d'apport entre la position de pleine ouverture et de pleine fermeture du volet de capot n'est que de 2 kW, l'EGT passant de 674°C à 699°C, soit une delta T° de 25° avec un débit massique à l'échappement d'environ 75 g/s.
 Je suis donc bien embêté !

A Papa:
 Je suis toujours à la recherche des Watts manquants.
 J'ai repris le calcul du débit massique, rien à faire, je n'ai pas trouvé d'erreur sur la façon de le calculer.
 Il vaut bien Qm = S. IAS sortie.(1,225 x Ro sortie)^0,5
S = section de sortie.
 Le terme entre parenthèses est proche de 1 et n'influence le résultat final qu'au second ordre.
 La piste de l'EGT n'ayant pas donné de résultats probants (2 kW de différence entre plein ouvert et plein fermé), je ne vois plus qu'un problème de mesure des grandeurs.
 Concernant la température, mes dernières mesures avec 4 sondes réparties sur la largeur de l'orifice de sortie confirment la justesse des mesures précédentes.
 Reste la mesure d'IAS de sortie qui, si elle était sous évaluée par une fuite, pourrait expliquer mon problème.
 Il me semble donc qu'au minimum, nous devrions contrôler l'étanchéité de ce circuit à chaud (en chauffant les raccords au sèche cheveux).
 De mémoire, les raccords ne sont pas en silicone car on avait du mal à les enfiler sans repousser les tubes en laiton à travers le plancher. Tu remarqueras que les tuyaux actuels s'enfilent sans difficulté, il se pourrait bien qu'à chaud ça fuit quand ils se dilatent, car ils ne sont pas très souples.
Si l'on bloque une colonne d'air sous pression dans le Pitot (en soufflant dedans et en pliant le tuyau de soufflage), nous devrions pouvoir contrôler sur l'ASX si ça fuit ou pas.
 Pas besoin de voler, facile à faire.
 C'est vraiment pour moi l'explication de la dernière chance.
 Organisons donc cette manipe.
La bise.


14 avril:
Hangar.
 Après midi au hangar hier, Papa a travaillé sur son pilote auto qui déconne en ce moment et moi j'ai investigué sur les sondes de pression de sortie refroidissement.
 J'ai donc contrôlé l'étanchéité des deux circuits (totale et statique) comme prévu en chauffant les sondes au sèche cheveux. Choux blanc, car tout est bien étanche.
 J'ai ensuite contrôlé minutieusement (avec une équerre) le positionnement en abscisse de la sonde statique par rapport à la position de la section de sortie. Là, il y a bien quelque chose. Le problème étant que la position de la section de sortie varie en fonction de l'ouverture du capot du fait de la cinématique. Néanmoins, la position de la statique était quand même en avant de la position moyenne de la section de sortie.

 Les conséquences sur les mesures sont les suivantes:
En pleine ouverture, la sortie offrant un divergent, le défaut de positionnement de la sonde statique majore la vitesse indiquée. A contrario, en pleine fermeture, avec un convergent, la vitesse indiquée est minorée. Déplacer la statique vers l'arrière contribue donc à rééquilibrer les vitesses de sortie dans le sens souhaité, car je rappelle que je suis à la recherche de Watts manquant (et donc de débit massique) en position de pleine fermeture ou de Watts en trop en position pleine ouverture.
 Je suis sceptique sur le fait que cet écart de position explique à lui seul  le différentiel de Watts thermiques mesurés, mais j'ai quand même déplacé la sonde de 2 cm vers l'arrière, nous verrons bien.
 J'ai aussi remarqué qu'il existe des petites fuites sur le panneau sup qui prolonge vers l'avant le plancher et à travers duquel passe les purges carburant. Celles ci pourraient être à l'origine de jets d'air parasites perpendiculaires au flux de sortie qui pollueraient le flux sur les sondes, en particulier la sonde totale. J'ai donc méthodiquement scotché tous ces orifices.
 Résultats au prochain vol d'essai, sans conviction.


19 avril:
 Nouvelle idée !
 Toujours à la recherche des Watts manquants, j'ai peut être une bonne piste. Si j'ai vérifié la relative homogénéité de la température de sortie, je n'ai par contre pas vérifié que la vitesse était également homogène sur tout l'orifice de sortie. Le volet a été conçu il y a déjà un certain temps, et à l'époque nous ne nous doutions pas des manipes que nous allions faire. Du coup, le volet a été fait au plus simple en découpant le bas du capot et en articulant les parties découpées. Entre temps, le volet a été bien amélioré, on lui a donné de l'épaisseur pour soigner l'aérodynamique externe et on a installé des convergents en interne, mais la forme de l'orifice n'est pas idéale. La partie centrale de l'orifice n'est pas trop mal, mais les bords sont plus en forme de fentes horizontales qui se ferment complètement en position volet fermé. L'idéal serait un orifice rectangulaire moins large et plus haut avec un volet en partie basse qui permettrait en plus d'avoir moins d'imprécisions sur la mesure de la section de sortie et sans doute aussi une vitesse plus homogène.
 Je vais donc dans un premier temps mesurer quelles améliorations apporte le déplacement de la sonde statique de sortie (travail de jeudi dernier) et dans un second temps placer une sonde totale dans la partie la plus à gauche de l'orifice pour pouvoir comparer sa mesure à celle qui est placée au milieu.
 Finalement, ça me semble la meilleure piste que nous ayons, je me demande pourquoi je n'y ai pas pensé avant !

24 avril:

 Je suis allé faire  un petit vol pour le plaisir mardi dernier, tout seul, donc pas moyen de prendre des mesures correctement en toute sécurité en assurant la nécessaire vigilance extérieure. Pas grave. Ça m'a permis d'aller poser à Cipières redevenu bien sec. Ça m'a aussi permis de reprendre l'entrainement après l'hiver pour préparer l'Envolée du Massif Central prévue à partir du 13 mai.




 Au retour j'ai observé un Piper Archer III qui prenait de l'essence à la pompe. Il avait de superbes entrées d'air Lo Presti et je n'ai pas résisté à aller prendre quelques mesures.
 Sur cette photo (origine Tagazou on line), on voit ce qui se fait de mieux à mon avis en matière d'entrées d'air pour moteurs avec cylindres à plat.
L'avion est donné pour avoir une vitesse de croisière de 120 kt, c'est à dire à peu près comme le nôtre, mais avec 180 cv installés au lieu de nos 100 cv.
 Les entrées d'air ont un diamètre de 14,5 cm.
 Je me suis donc demandé si la surface des entrées d'air que je destine au jojo, avec le même design Lo Presti était proportionnelle à celle du Piper en considérant les puissances respectives des deux avions. Mes calculs préparatoires pour le Jojo me donnent deux entrées d'air de diamètre 11 cm, soit deux fois 95 cm2.
 Pour l'Archer III, nous avons deux fois 165 cm2.
 Si je fais le rapport des surfaces entre les deux avions on obtient 1,74. Le rapport des puissances donne lui 1,8.
 J'en conclus que je dois pas être loin de la vérité si cet avion est correctement refroidi.


25 avril:

Hangar et vol d'essai.
 Aujourd'hui nous avons installé la petite manipe pour vérifier si des écarts de vitesse existent latéralement au niveau de la sortie refroidissement.
 L'idée, c'est aussi d'en profiter aussi pour aller poser à Cipières pour entrainement, l'Envolée n'est plus très loin et l'hiver nous a un peu rouillé!




 Le petit Pitot commandé au père était prêt, il n'y avait plus qu'à le coller et le déformer un peu pour le rendre bien parallèle à la peau.
 Sur cette vue, l'avant de l'avion est à droite et on voit bien la fente latérale de sortie d'air.
 J'ai ensuite branché un tuyau pour relier le Pitot à notre installation.
 Quelques vérifications instrumentales au sol plus tard, nous étions prêts.
 Décollage pour une série de mesures au-dessus du plateau de Caussole et puis finalement nous renonçons à aller à Cipières pour cause de présence de moutons à proximité de la piste.

 Papa nous ramène à Cannes en passant par les gorges du Loup, en ouvrant bien l’œil car le coin est plein de parapentes et ailes volantes diverses.









Analyse des mesures du jour:
 L'hypothèse de déficit latéral de vitesse est battu en brèche, car la vitesse y est même un peu supérieure à la vitesse au centre. Grrr!
 Le repositionnement de la statique de sortie produit à l'inverse des résultats sensibles qui me conduisent à une réévaluation à la hausse du débit de sortie. Malheureusement, cette augmentation de débit et générale, c'est à dire pour toutes les positions du volet de sortie et ne corrige pas le différentiel tant espéré. Il me manque toujours des Watts thermiques en position de volet fermé, et pas rien, presque 15 kW!

Perspectives:
 En fait, avec nos dernières manipes, je me suis lancé sans le dire dans une vérification systématique de notre installation de mesure, en traquant là où ils pouvaient l'être, les défauts de mesure, les erreurs de positionnement des sondes.
 Il reste une chose à contrôler concernant l'installation, c'est de vérifier si il n'existe pas de gradient de température dans l’épaisseur de la veine d'air de sortie, le gradient latéral ayant déjà été vérifié.
 J'ai donc commandé au père un support de sondes de température, pour les étager dans le plan vertical au niveau de la charnière volet.
 Pour être honnête, je n'y crois pas trop, mais on va vérifier.

 Je pense à chaque fois que c'est la manipe de la dernière chance, mais la réflexion dans le temps m'ouvre à chaque fois de nouvelles portes, de nouvelles options.
 Je suis intimement persuadé qu'on passe à coté de quelque chose d'énorme, trop gros pour le voir, il faut donc penser différemment, en dehors de la boite comme disent les Anglais...
 Je lâche pas l'affaire.


29 avril:
A Papa:
 Salut 'Pa,
 Je cogite encore sur mes Watts manquants, et j'ai une théorie (encore) qui je crois mérite ton attention et pourrait expliquer également nos interrogations passées sur la façon dont nos fuites d'huile se dispersaient.

 Pour l'illustrer, je t'ai mis en pièce jointe un schéma de mon cru que j'ai élaboré avec toutes les mesures de températures cylindres que j'avais relevées, mais pas encore analysées.
 Comme tu vas le voir, je n'ai pas indiqué les températures elles-mêmes, mais le différentiel entre chaque cylindre et celui qui est le plus chaud, car j'ai constaté que ces différentiels dans mes mesures étaient très répétitifs pour une phase de vol et une position de volet de sortie donnée. Les valeurs que je mentionne sont moyennées des petits écarts inévitables mais sont relativement précises.
Je présente cela sous forme de schémas pour une meilleure visualisation et analyse.

Mon analyse:
En montée, le différentiel gauche/droite est flagrant, ce qui veut dire que l'entrée gauche est mal alimentée. La raison vraisemblable est d'une part l'incidence avion plus forte en montée, mais aussi le flux hélice qui en rajoute une couche pour l'incidence. A droite par contre, l'hélice réoriente positivement le flux face à l'entrée.
En croisière, les choses s'améliorent un peu, j'allais dire "logiquement" car l'incidence est plus faible. Le cylindre 4 reste néanmoins le plus chaud alors qu'il est le premier devant l'entrée d'air. Et puis, quand j'ouvre le volet de capot en grand, on note une bien meilleure répartition du flux de refroidissement cylindre, le numéro 3 restant le mieux refroidi.

Voici ma théorie:
Si mon entrée droite récupère plus de pression que la gauche et que par magie je ferme hermétiquement l'orifice de sortie, une circulation s'opèrera de l'entrée droite vers la gauche qui va se mettre à dégueuler emmenant avec elle une partie des Watts thermiques récupérés au passage. Cela ne peut pas arriver quand la résistance de sortie est faible avec 2 générateurs de pression différente, mais si j'augmente l'impédance de sortie cela peut très bien se produire. Or c'est justement ce que suggère mes schémas quand on manipule le volet.
Cette représentation est consistante avec la répartition des températures cylindres qui montrent le déséquilibre droite/gauche mais aussi les cylindres arrières un peu plus chaud que le 3, car l'air leur parvenant est déjà un peu réchauffé, le 2 étant refroidi principalement par de l'air venant du coté droit. Si une partie de l'air dégueule dehors au niveau du 4, pas étonnant qu'il soit mal refroidi.
 Souviens toi également que lors de nos problèmes de fuites d'huile, tout sortait coté gauche. J'ai encore les photos de nos observations où l'on voit nettement un reflux à l'intérieur de la lèvre supérieure.
 Enfin, ça pourrait bien expliquer les Watts manquants qui foutraient le camps par devant.
 Une manipe pour vérifier?
Il suffit de placer une sonde de tempé sur la lèvre d'entrée, légèrement décollée de la peau pour éviter la conduction thermique. Si de l'air chaud sort par là, on le mesurera.
Ah mais!

De Papa:
 Ça me plait ton truc. Mais pas facile de canaliser mieux. Peut être une cloison médiane?
 Ou l’œil droit qui regarde devant et l'autre qui regarde en bas? 

De moi:
 Ou les deux à la fois, pour répartir les prélèvements d'air au plus symétrique, sinon ça aura une influence sur la trainée de contournement externe si une entrée admet plus d'air que l'autre.
 Quelle usine à gaz !
 Une autre solution pour faire face à ce déséquilibre de pression d'alimentation, c'est l'entrée d'air unique, pas besoin de cloison, simplicité d'adaptation.
 Une fois la fuite par l'entrée d'air gauche mise en évidence (et là j'y crois fort), je suggère de faire un vol en bouchant complètement l'entrée gauche, c'est gonflé, mais si mon analyse est la bonne, ça ne devrait pas être pire que la situation actuelle. Ça devrait même être mieux avec la fuite en moins, la pression sous capot devrait être plus élevée. La surface nécessaire d'entrée d'air totale doit être d'au moins 190 cm2, ce qui ferait un diamètre d'entrée d'air unique de 15,6 cm. L'entrée droite fait largement plus. On se limitera dans un premier temps à un tour de piste. Prudence, prudence !