Un Turbopropulseur pour avions légers...

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Philippe Dejean
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par Philippe Dejean »

Bonjour Damien,
FAUVET Damien a écrit :Pour l’orientation du turbo, j’avais déjà vu plusieurs fois que tu faisais cette remarque, dans d’autres « postes ».
Pour ma part, je ne suis pas trop inquiet sur les efforts gyroscopiques encaissés par l’arbre et les paliers du corps HP si le turbo est placé parallèlement à l’axe de tangage.
Trois raisons à cela :
1) Les efforts liés à l’accélération de mise en rotation autour de l’axe de roulis sont assez modestes sur nos appareils.
D'accord l'accélération angulaire n'est pas très forte, mais ce qui compte pour les efforts gyroscopiques, c'est la vitesse angulaire... et plus particulièrement le produit des vitesses de rotations sur les deux axes perpendiculaires.
90 degrés/seconde, c'est déjà 15 t/min, alors qu'autour des axes de lacet et de tangage, les vitesses de rotation sont 10 fois plus faibles...
Appliquée normalement à l'axe d'un turbo qui tourne à près de 100.000 t/min, je pense que c'est toujours mieux d'aligner l'axe du turbo sur l'axe de roulis...


FAUVET Damien a écrit : 3) Beaucoup de turbocompresseurs sont montés dans cette configuration sur avions légers, cela ne semble pas pauser de problème…(voir exemples ci-dessous SMA, Continental TSIO 520 et 540, Lycoming TIO 360, etc…)
Ok mais aucun des avions motorisés par ces moteurs à turbo ne fait de voltige...
Ce seraient plutôt des avions de voyage IFR (pas plus de 30° d'inclinaison et virage standard "2 min turn" = 0,5 t/min en lacet)

Même si une Emeraude ne fait pas de voltige non plus, c'est un avion de sport maniable quand même très agréable aux ailerons...

FAUVET Damien a écrit : 2) Les turbos Garrett ont un « squeeze film (film d’huile )» qui permet d’amortir très efficacement les efforts gyroscopiques (heureusement pour les voitures de Rallye avec turbo).
Tant mieux ! Et ça marchera probablement avec les deux axes perpendiculaires, mais pourquoi mettre le turbo à l'épreuve par l'architecture du circuit ?

FAUVET Damien a écrit :Dans cette configuration, avec des échangeurs d’un rendement modeste de 75% ( et delta P air = 2% , delta P fumées = 4%), le calcul thermodynamique du cycle donne une consommation spécifique de 330 g/kWh @ 48,4 kW (c’est une valeur assez proche de ce que j’obtiens, en croisière, pour mon Continental C90-14F réglé un peu riche…).
Ce calcul est valable pour :
Un rendement isentropique compresseur de 78%
Un rendement isentropique turbine HP de 80%
Un rendement isentropique « total à statique » turbine BP de 82%
Si tu brûles du kéro Jet A1, ça correspond à un rendement de 25,5%, d'après mes calculs (voir l'abaque du post "rendement/consos")
FAUVET Damien a écrit : Avec des échangeurs de 85% de rendement, la consommation spécifique tombe à 267 g/kWh @ 48,1 kW.
Et donc à un rendement de 31,5%, alors que le Rotax 912 n'est qu'à 30%, le Vija à 29% et la plupart des moteurs aéronautiques un peu en dessous encore.

Bravo !!!

Mais ce que je voulais savoir, c'est quel rendement on aurait dans la configuration de ton dessin, c'est à dire sans aucun échangeur...

Je suis presque sûr qu'elle ferait aussi bien que les moteurs 2 temps à refroidissement par air soufflé (Rotax 503) rendement 17% qui correspondrait à 500 g de kéro par kWh !
Et même peut-être aussi bien que les moteurs 2 temps à refroidissement liquide (Rotax 582) rendement 19% qui correspondrait à 450 g de kéro par kWh...

Bien entendu, ça ne te dispense pas de nous faire un super échangeur :angel_not:


Bons Vols

Philippe Dejean
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Coucou Philippe,

Je suis persuadé qu’il n’y aura pas de problème avec cette configuration, d’autant qu’elle est utilisée sur avion de voltige : le Rotax 914 est équipé d’un turbo avec arbre parallèle à l’axe de tangage (visible en bas à gauche de la photo). Ce moteur est utilisé sur un grand nombre d’ULM très nerveux (plus que l’Emeraude je pense), et sur des petites machines de voltige (Pioneer 300 : voir photo) qui évoluent en patrouille…
Je souhaite conserver cette configuration car elle simplifiera beaucoup le routage des canalisations d’air entre les échangeurs et la turbine, permettant d’éliminer plusieurs coudes, synonymes de pertes charge.

Pour le rendement de la turbine sans échangeur, il est faible : 12,1%, soit 708 g/kWh de Jet A1 @ 57 kW… c’est la conso spé d’un APU de cette classe, genre JSF 100 !
Le cycle thermodynamique sous 3 bars et 1000°C donne de bons résultats en régénératif, mais pas en « cycle de Brayton simple » (sans échangeur) : raison pour laquelle la turbine n’a pas (encore) percé en aviation légère.

Je vais donc vous faire de beaux petits échangeurs, bien performants… enfin j’espère :happy: !
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Philippe Dejean
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par Philippe Dejean »

Bonjour Damien,

Merci tour ta réponse.
FAUVET Damien a écrit :Pour le rendement de la turbine sans échangeur, il est faible : 12,1%, soit 708 g/kWh de Jet A1 @ 57 kW… c’est la conso spé d’un APU de cette classe, genre JSF 100 !
C'est énorme !
Même en ne prenant pas en compte le coût du carburant (et pourtant...),
pour une puissance de croisière de 50 kW continus ça fait 35,4 kg/h
Si on rapporte ça à une autonomie brute de 4 heures, on dépasserait les 140 kg de carburant
En comptant 25 kg de moteur, la masse de moteur + carburant atteindrait 165 kg

Avec ces même 165 kg, si on retranche la masse d'un C90 14F (84 kg), on emporterait 81 kg d'essence, soit 115 litres.
Comme le C90 avale ses 19 litres à l'heure, il aurait une autonomie brute de... 6 heures

Deux heures de vol ou... 27 kilos de charge marchande en plus !

Pas étonnant que la turbine n'ait pas encore percé.

Bons Vols

Philippe Dejean
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cp1315
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par cp1315 »

Philippe Dejean a écrit :
Pas étonnant que la turbine n'ait pas encore percé.
Ça sera bientôt de l'histoire ancienne :Jumpy:
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Salut Philippe, salut Laurent…

Oui, les turbines à cycle simple (sans échangeur) souffrent d’une consommation élevée lorsque leur puissance est en dessous de 300 ch.
C’est la raison pour laquelle les projets de petites turbines aéronautiques n’ont pas pris (Inodynn , JSF 100 et autres APU modifiés, etc…).

Si on compare les consommations spécifiques (CS) de plusieurs turbines en fonction de leur puissance, on aura les ordres de grandeur suivants :

Turbopropulseur de modélisme de 8 ch (Jet Cat) : CS = 1,2 g/kWh
APU de 100 ch (JFS 100): CS = 0,7 g/kwh
Turbine d’hélico de 400 ch (Allison 250) : CS= 450 g/kwh
Turbine d’hélico de 1 500 ch (Lycoming T53) CS = 300 g/kwh
Turbopropulseur de 10 000 ch (TP 400) = 240 g/kWh

Heureusement que la régénération (installation d’échangeurs thermiques) permet de diviser par plus de 2 la consommation d’une petite turbine (ce cycle n’est pas adapté aux turbines à fort taux de compression).
On obtient alors un moteur consommant peu, mais avec les avantages de la turbine (légèreté, fiabilité, pas de vibration, peu bruyant, quasi polycarburant, etc…).

Et oui Laurent, j’espère que ça sera bientôt LE moteur aéro par excellence…

A+
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Petit rectificatif :

Turbopropulseur de modélisme de 8 ch (Jet Cat) : CS = 1200 g/kWh
APU de 100 ch (JFS 100): CS = 700 g/kwh
Turbine d’hélico de 400 ch (Allison 250) : CS= 450 g/kwh
Turbine d’hélico de 1 500 ch (Lycoming T53) CS = 300 g/kwh
Turbopropulseur de 10 000 ch (TP 400) = 240 g/kWh
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Philippe Dejean
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par Philippe Dejean »

Bonjour Damien,

Merci pour ton petit rectificatif, mais c'était un peu évident (si tu trouves une turbine qui consomme 0,7 ou même 1.2 gramme de kéro par kWh :alien: , c'est à dire avec un rendement autour de 10.000 %, je te l'achète tout de suite ! :angel_not: )

Si on fait passer une courbe de régression entre ces 4 points on arrive à :

CS [kg/kWh] = 1,82 x (Puissance [kW]) élevé à la puissance (-0,238)

Comme la consommation de carburant est égale à la CS multipliée par la puissance :

C [kg/h] = CS [kg/kWh] x (Puissance [kW])

on a :

C [kg/h] = 1,82 x (Puissance [kW]) élevé à la puissance (-0,238) x (Puissance [kW]) = 1,82 x (Puissance [kW]) élevé à la puissance (1-0,238)

et donc :

C [kg/h] = 1,82 x (Puissance [kW]) élevé à la puissance (0,762)

en retournant l'équation, on obtient :

Puissance [kW] = (0,55 x C [kg/h]) élevé à la puissance (1,312)

Tu te demandes où je veux en venir ? J'y arrive :

La seule donnée à peu près fiable que j'ai recueillir concernant l'hélicoptère "Djinn", c'est que sa turbine "Palouste" avait un compresseur qui délivrait une pression (relative) de 255 kPa et une consommation de 120 litres soit 100 kg à l'heure.

L'équation ci-dessus donne une puissance (nette sur arbre? - ce qui n'a pas forcément beaucoup de sens dans le cas de la Palouste dont la sortie est de l'air comprimé, mais on fait avec ce qu'on a...) de 231,4 kW (Notes la précision ! :lol: )

Ce qui donne une CS de 100 / 231,4 = 0,432 kg/kWh...

On voit bien que la CS trouvée est inférieure à celle de la turbine Allison de puissance 1/3 plus grande, ce qui montre la limite de la méthode où on mélange allègrement des machines de technologie différentes !

Par contre, ça permet de situer le résultat au milieu des données et de reprendre le calcul en se limitant à une régression linéaire entre les consommations des deux machines encadrantes :

JFS100 : 75 kW x 0,7 kW/kWh = 52,5 kg/h et Allison 250 : 300 kW x 0,45 kW/kWh = 135 kg/h

Le calcul donne que 100 kg/h correspondent à une puissance de : 204,5 kW (274 HP) et donc une CS de 0,488 kg/kWh, et un rendement sur arbre de 17%. Compte tenu de la faible pression sortie compresseur (c'est le même pour l'air "utile" et l'air admis dans la chambre de combustion), ce chiffre me semble un peu sur-estimé, et je prendrai 15% dans la suite du calcul)

15% correspond à une CS de 0,56 kg/kWh et amènerait donc à une puissance de 100/0,56 = 178 kW

Avec tes échangeurs, tu prévois de remonter le rendement d'une turbine de 50 kW de 12,1% à 25,5% avec un échangeur "ordinaire" et à 31,5% avec un "bon" échangeur...

Il ne me semble pas impossible qu'en cycle régénératif, la Palouste voie son rendement passer de 15 à 30%, c'est à dire que sa consommation soit divisée par 2, passant de 120 à 60 litres/heure...


Même en comptant un surplus de masse d'échangeurs de 30 kg, l'autonomie du "Djinn" passerait de 2 heures avec 240 litres de kéro à 3 heures 20 minutes avec 200 litres, et avec la même autonomie de deux heures, la charge utile augmenterait de 70 kg...
Tout cela sans compter la réduction de moitié du coût du carburant à l'heure de vol ! :yop:

Dans les années 1950, malgré sa simplicité, le "Djinn" a été pénalisé par sa forte conso et sa faible charge utile face au Bell47, mais avec un "Kit" à ta façon, ce pourrait être "le retour du Djinn" 50 ans après... :Jumpy:

(Si j'ai fait une grossière erreur de calcul :blushing: , n'hésite pas à me le faire savoir :bangin:)

Bons Vols

Philippe Dejean
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Salut Philippe,
Pour le bilan de puissance du Djinn, il faut utiliser le calcul de thermodynamique simplifié suivant :
Le flux délivré par le Palouste fournit une puissance thermodynamique isentropique (réversible) de 170 kW (source Turboméca). La température au niveau du « piquage » P2 est de 418 °K. Si on détend ce flux dans 2 tuyères, on aura une vitesse du flux de 510 m/s. Pour une vitesse en bout de pales d’environ 220 m/s, le rendement propulsif de la tuyère sera de 60%. Donc, sur 170 kW, il ne restera que 102 kW (138 ch) de puissance efficace : cela colle parfaitement avec le comportement de la machine qui est plutôt mou (je connais quelqu’un qui en possède un, à Rouen).
Le Palouste consomme bien 100 kg/h @ 75% de puissance, donc 76kw : la consommation spécifique du Djinn est donc de 1,3 kg/kwh…
Le cycle régénératif n’est pas applicable à un turbogénérateur type Palouste. Il faut un turbomoteur qui entraine un compresseur, mais cela ne change rien au bilan énergétique : un turbomoteur à échangeur de 250g/kWh, entrainant un compresseur de 80% de rendement, avec éjection en bout de pales avec un rendement propulsif de 60%, aura une Cs de 520g/kwh (c’est beaucoup mieux qu’un Palouste, cela équivaut à une alouette II)… ça vaudrait le coup d’essayer !

Pour revenir à la turbine, je me suis procuré l’ensemble des équipements pour fabriquer le circuit de lubrification du corps HP : tout est en raccord JIC et durite blindée… c’est beau ! Il y a également un radiateur d’huile (qui pourra servir au chauffage de la cabine), une pompe BOSH 165, et des sondes de pression et T° d’huile qui viennent se greffer sur un support de filtre à huile type « Mocal »… (le petit carton simule le réservoir d’huile de 3,7 litres).
J’attends avec impatience le début de l’usinage de mes pièces…
A+
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Attaquons le vif du sujet… ce qui me plait le plus : la fabrication du moteur :Jumpy: .

Tout d’abord, petite vue de la modification du rouet de compresseur qui est en cours. C’est la réalisation d’un lamage et d’un trou taraudé M5 pour installation du « couplage au démarreur », qui permet également de porter l’anneau magnétique de captage de vitesse.

Afin de garantir une concentricité inférieure à 1/100 de mm, une galette a été usinée et légèrement frettée sur le diamètre de référence du rouet, puis un détourage de l’ensemble est effectué au « Pépitas »…

A+...
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par AERODYNE »

Ne serait ce pas plutôt "Pupitas"
« Le savoir est la seule richesse qui s’accroit quand on la partage ».

AERODYNE
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Oui, effectivement, c'est un Pupitas et pas Pepitas... :lol:
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Bonjour à tous,
Hier, j’ai reçu l’ensemble des pignons pour le réducteur. Ces pignons ont été taillés par une société spécialisée, en 16Nicr6, puis cémentés, trempés, avec ensuite un revenu. Ils ont ensuite été rectifiés pour éliminer les déformations liées aux traitements thermiques. En effet, compte tenu des vitesses de rotation et pressions de contact (700 MPa), j’ai sélectionné une classe de taillage précise « ISO Classe 5 »: c’est plus ou moins ce qui est utilisé en aéronautique pour les transmissions de puissance.
Il y a également un léger déport négatif pour équilibrer le "glissement spécifique" dû à la grande différence de taille des roues.

Normalement, je récupère le rouet de compresseur modifié la semaine prochaine, avec le petit écrou de maintien de l’aimant.

Je pourrai ensuite remonter le turbo GT4294, et démarrer l’installation sur le banc d’essai, en attendant les autres pièces, qui, je l’espère arriveront en avril pour le corps HP, et à l’été pour le corps BP et le réducteur…

A+
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par cp1315 »

Superbe Damien :yop:

J'ai hate de voir la suite, fais signe pour les premieres rotations :Jumpy:
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Pas de problème Laurent, je te tiens au jus !!! :beer:
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par cp1315 »

J'espère bien mon chère Damien :lol: :lol: :lol:
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

La semaine dernière, j'ai récupéré le rouet de compresseur modifié (taraudage et lamage) ainsi que le petit écrou de fixation pour le couplage du démarreur et le maintien de l'aimant de captage de vitesse.

Le tout est serré au couple avec du frein filet fort...

Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par Superpotez »

Bonjour Damien

Sacré bon boulot .... :clapping: :clapping: :clapping: J'ai hâte :taz: aussi de voir la turbine en fonctionnement.

Félicitations.

Lulu
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Bonjour Lulu,

Et moi donc, j'ai hâte aussi...merci pour les encouragements !

A+, Damien
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Bonjour à tous,

J'ai récupéré 80% des pièces du corps HP la semaine dernière. Je vais commencer par adapter l'ensemble démarreur (photos ci-dessous, et schéma page précédente) sur la volute de compresseur du Turbo GT42.
L'ensemble tournant (rouet de compresseur et turbine) du turbo a été porté hier chez "HP Turbo Hoet", à Gennevilliers, pour ré-équilibrage après installation de l'aimant de captage de vitesse et de son écrou de fixation / couplage au démarreur.

Je vais attaquer le roulage / soudage de la chambre de combustion et le pré-assemblage de sous éléments.

D'autres photos très prochainement. :Jumpy:

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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Afin de piloter le régime du démarreur ci-dessus, j'utilise un variateur brushless de modélisme 80 Ampères, commandé par un testeur de servo dont le potentiomètre sera divisé en 3 résistances fixes, shuntées par un interrupteur, pour sélectionner les vitesses désirées (off, allumage / ventilation, pleine puissance).

Le testeur est alimenté en 5V par un régulateur de tension 12V / 5V, monté sur une platine...

L'électronique, c'est pas ce que je préfère... ça marche jamais du premier coup (là, du deuxième...) :blushing:

PS : admirez le chantier bien rangé !
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Et voilà, le système de contrôle du servo-démarreur est terminé et fonctionne bien :lol:

Et j'ai également fabriqué les 3 "pattes" supportant le démarreur (tube aplati et cintré, puis percé) et installé tout cela sur l'entrée d'air du module HP (le turbo Garrett GT42 qui a été remonté après re-équilibrage à moins de 2g.mm) :Jumpy:
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Avec l'échangeur, devant une cloison de CP320... :angel_not:
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par Ebonv »

Bravo,

tu avance bien.

Si tu le veux, tu pourra utiliser mon "banc e mesure".

On en parlera à Joigny

A+

Etienne
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Philippe Dejean
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par Philippe Dejean »

Bonsoir Damien,
FAUVET Damien a écrit :Avec l'échangeur, devant une cloison de CP320... :angel_not:
1/ Bravo !

2/ La fixation du démarreur par 3 petit bouts de tubes écrasés aux deux bouts est-elle sûre vis à vis des vibrations (fatigue du métal) ?

3/ Pour éviter le petit bout du démarreur qui dépasse du capot côté pilote, serait-il possible de tourner le réducteur d'un quart de tour et décaler ainsi la turbine un peu vers le côté passager (et d'autant vers le haut, mais ça ne devrait pas poser de pb...) ?

4/ Re-Bravo !

Bons Vols

Philippe Dejean
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FAUVET Damien
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Re: Un Turbopropulseur pour avions légers...

Message par FAUVET Damien »

Salut Etienne, salut Philippe,

Etienne : merci pour les encouragements et ta proposition d’utilisation du banc « e mesure »… mais qu’est ce que c’est ? Ca va peut-être m’intéresser car je suis en pleine recherche de carte d’acquisition pour les capteurs de couple / vitesse / pressions / T° et débit d’essence…
Le couplemètre (acheté chez un fournisseur spécialisé, 1000 Nm maxi) est intégré au moteur (juste derrière l’hélice).
L’ensemble du banc repose sur une remorque à plateau…

Philippe,

Le système de fixation du démarreur est provisoire (il sera en plastique dur je pense)…

Pour le petit bout de démarreur qui dépasse, je ne peux pas tourner le réducteur, car les trous de drainage de l’huile sont en bas du demi cercle inférieur.
Il est cependant possible de décaler encore un peu l’échangeur pour ramener le corps HP vers le centre.
Je pense cependant laisser le démarreur dépasser dans la veine d’entrée d’air de la turbine qui se trouvera à cette endroit.

A+
Verrouillé