Projet Régulation

Code source vba IHM2017

Le code source (vba) présenté est au stade du développement mais, une fois abouti, il devrait en principe me permettre de contrôler la turbine sur son banc d’essais.

Je concentre pour le moment mes efforts sur la partie thermique et le compte tours qui fonctionne en test sur générateur de fonctions. Je m’affaire aussi à terminer une « régulation » rudimentaire qui devrait stabiliser la turbine en mode ralenti. Je devrai donc l’amener à l’autonomie sans assistance et ce ne sera qu’ensuite que je pourrai activer le programme. Tout est à tester et à améliorer en fonction des résultats à venir. (J’ai quelques notions d’informatique qui me permettent d’espérer réaliser ce programme mais je reste bien entendu ouvert à vos conseils éclairés…).

En attendant, mon projet de turbine à gaz suit son cours mais avec une évolution majeure puisque la version 2 remplace désormais la 1.

Stator_Disc

dscn1879

Il faut bien se rendre à l’évidence ! Vouloir réaliser un stator en acier inoxydable n’était pas un bon plan. Je m’étais pourtant fixé un objectif raisonnable en espérant amener ma turbine à l’autonomie et lui faire atteindre un ralenti stable. Malheureusement, il n’en est rien. Les tout derniers essais ont eu raison du stator. Il faut donc passer à autre chose et je me tourne tout naturellement vers un stator en acier spécial conçu pour l’aéronautique. Je dispose maintenant  d’un distributeur (nozzle guide vane) et d’une roue turbine (disc) performants qui devraient me permettre d’atteindre mon objectif.

Ci-joint le lien du distributeur chinois de matériel aéronautique et celui du vendeur en ligne où j’ai pu passer la commande de ces deux pièces.

http://fr.yilimfg.com/turbojet-aircraft-engine-parts/

http://alibaba.com

La première étape passe par une cotation précise des pièces mécaniques. À noter que le disc est livré pré percé (1/4 pouce) mais également rectifié aussi bien sur ses flancs que sur son diamètre extérieur. Le seul point négatif est qu’il faille refaire l’arbre de la turbine. Il en va de même pour la chambre et bien d’autres éléments… GO !

Stator

Après plusieurs tentatives, la réalisation du stator (grille fixe) est maintenant en bonne voie. Il reste néanmoins encore quelques usinages à réaliser dont le cône en périphérie des aubes, les trous de fixation et le polissage. Il est important de polir les aubes afin de ne pas donner prise à un éventuel pompage lors des futurs essais…

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La grille fixe (stator) doit être maintenant usinée pour pouvoir s’insérer dans la couronne du distributeur. Ne pouvant me fier aux graduations du tour, il est impératif de régler la tourelle par un autre moyen plus fiable. La solution retenue consiste à réaliser un gabarit conique ayant le même angle que celui déjà pratiqué sur la couronne (16°). Il faut pour cela procéder par petites touches successives et venir faire frotter la couronne sur le cône du gabarit. Un marquage à l’encre indélébile permet de relever les traces de frottement. Il est ensuite aisé d’usiner la grille une fois l’angle recherché trouvé.

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Le tournage du cône en périphérie de la grille est maintenant possible.

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L’ancienne grille et la nouvelle

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Le distributeur est fin prêt pour être monté.

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Les premiers résultats des tests montrent une déformation significative des aubes du stator (visible sur la photo). Le guidage de l’arbre n’est donc plus assuré. Les étincelles produites par le frottement du disk sur les parois du canal d’échappement étaient inévitables.

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Que faire ? Je pense qu’il faut purement et simplement abandonner l’inox et le remplacer par des métaux spéciaux car même au ralenti, l’inox ne résiste pas. La question qui se pose maintenant à moi est la suivante : faire ou acheter un distributeur (nozzle guide vanes)?

nozzleguidevanes

Couronne distributeur en cours de modification et grille2 en cours de réalisation

La modification de la couronne de distributeur et la création d’une nouvelle grille fixe(2) (stator) sont en cours de réalisation…

Pourquoi modifier la couronne de distributeur et pourquoi refaire une grille fixe? Tout simplement parce que le dernier distributeur(3) a travaillé sous l’effet de la chaleur tout comme le précédent d’ailleurs. Suivre le lien pour plus d’explications : Couronne distributeur3 en cours de réalisation

Il est impératif de reprendre  le principe mécanique de base qui permet à la grille de se monter dans la couronne. L’objectif principal est de faire en sorte que le distributeur ne puisse plus remettre en cause le fonctionnement du réacteur sous l’effet de la chaleur. On ne pourra malheureusement jamais supprimer totalement les contraintes physiques liées à la température; par contre, le nouveau montage devrait pouvoir les atténuer…

Schéma grille couronne

Par la réunion de la bague du distributeur et de la grille en une pièce unique, il devient plus facile de créer un échappement convergent (l’ancien montage présentait une légère divergence). La convergence est obtenue grâce à un cône. J’ai opté pour un cône de 16° optimisant par la même occasion le centrage de la grille avec la couronne. Une conicité accentuée doit permettre de mieux stabiliser le montage…

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Couronne modifiée avec son cône convergent de 16°


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bague actuelle du distributeur

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grille actuelle

La nouvelle grille regroupera ces deux éléments en une pièce unique. Le bout des aubes formera un cône convergent. Le profil des aubes, leur convergence et le calage ne devraient pas changer…


La nouvelle grille est actuellement au stade de l’ébauche…

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la pièce est montée sur un support incliné afin de donner de la convergence au pied des aubes

 


Le distributeur prend du retard ! Je dois refaire cette pièce avant même qu’elle n’ait pu être terminée. On remarque sur les photos qu’il est encore possible de sortir la forme du profil en périphérie mais il en va malheureusement autrement pour le pied des aubes. Pour réussir l’usinage du profil, il faut en principe adopter l’usinage par secteur sans brûler les étapes… (les axes d’usinage ne sont pas asservis)

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Schéma taillage aube

Cette approche permet de se rapprocher le plus possible de la courbe idéale. On limite également le cisaillement et le plat au pied des aubes en veillant à ce que l’axe de la fraise coïncide avec l’axe verticale de la pièce. Le nombre de secteurs est donc déterminant. Une fois l’ébauche du profil sortie, il faut ensuite incliner la tête de la fraiseuse de quelques degrés voire, selon le cas, faire tourner la pièce sur son axe pour que l’épaisseur de l’aube soit uniforme. Une fraiseuse cinq axes permettrait d’aller beaucoup plus vite…

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août-2016

Vous pouvez consulter l’article « Stator_09-2016» pour découvrir la toute dernière grille fixe en cours de réalisation…

Couronne distributeur3 en cours de réalisation

La couronne de distributeur N°3 est maintenant en cours de réalisation.

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Pourquoi créer une nouvelle couronne? Le distributeur actuel a travaillé sous l’effet de la chaleur et il m’est plus facile de refaire une couronne plutôt que de réusiner une nouvelle grille fixe. Je m’en explique dans l’article Tests statiques et dynamiques en cours.

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ébauche couronne3

Rien ne différenciera la nouvelle couronne de la précédente, sinon que la cotation du cône de la grille sera réduite de quelques centièmes. Cette modification permettra de bloquer la grille un peu plus en avant dans le cône. La position définitive de la grille devrait être atteinte après deux ou trois mises en température progressives de la turbine .

Toutefois, si ce distributeur devait subir le même sort que le précédent, il serait alors possible de stopper l’enfoncement du cône par des points de soudure avant que la limite de cotation ne soit atteinte. Une autre solution consisterait de prévoir un épaulement (butée). Cette option présenterait l’avantage d’être démontable mais créerait par ailleurs un obstacle à l’entrée de la grille. Il faudrait donc supprimer partiellement cet usinage ne laissant que la partie utile (une butée pour chaque aube) afin que l’échappement soit parfaitement lisse. J’envisage également d’introduire une dose de convergence en périphérie des aubes. C’est important et c’est aussi une façon de contrecarrer les effets indésirables du cône…
(Dans ces deux cas, le cône d’assemblage de la couronne avec la grille fixe n’est plus vraiment nécessaire…)

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On aperçoit l’encoche pratiquée sur chacune des aubes, la partie mâle étant prévue sur la couronne

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couronne de distributeur n°2 avec l’ébauche d’une troisième

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On aperçoit sur cette vue l’épaulement (1mm) décrit précédemment qui doit faire office de butée à la grille. Le blocage et le centrage de la grille sont bien sûr assurés par le cône. On peut voir également un espace (1mm) entre l’épaulement et les aubes. Ce jeu devrait disparaître avec les essais thermiques.

La couronne doit maintenant passer à la phase fraisage et perçage…

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Malheureusement, les derniers tests dynamiques en date ont eu raison de ce montage. Les contraintes thermiques sont trop importantes…

Je dois envisager son remplacement et concevoir un montage plus sérieux…


Projet d’une nouvelle grille fixe

J’ai d’ores et déjà prévu d’intégrer des modifications importantes sur la nouvelle grille. Elles devraient permettre d’optimiser la détente mais aussi l’assemblage de la grille avec la couronne.

Par la réunion de la bague du distributeur et de la grille en une pièce unique, il devrait être plus facile de créer un échappement convergent. La convergence sera obtenue grâce à un cône. D’autre part, une conicité accrue devrait permettre une meilleure stabilité  et un meilleur centrage de la grille dans la couronne.

Tous les autres paramètres devraient en principe être conservés en l’état.

La première étape de construction consiste à reprendre la couronne actuelle du distributeur et d’usiner un cône convergent.

La deuxième étape se limite à la réalisation d’une ébauche de la grille au tour puis d’un passage à la fraiseuse pour le taillage des aubes.

La troisième et dernière étape est dédiée à la finition du profil et au polissage des aubes avec une mini-meuleuse. La pièce est ensuite reprise au tour pour une mise à la cote sauf pour l’un des usinages. En effet, il faut veiller à la concentricité et cela passe par une dernière opération au tour. L’axe du distributeur doit se confonde avec celui de l’arbre.

Schéma grille couronne

Vous pouvez consulter l’article « Couronne distributeur en cours de modification et grille2 en cours de réalisation » pour de plus amples explications.

 

Tests statiques et dynamiques en cours

Je pense que les difficultés de démarrage de la turbine se limitent maintenant à un problème de combustion…

Ce constat fait, je n’incrimine pas pour autant l’étage HP (version2) ni même le distributeur (version2), écartant pour le moment un défaut de conception.

Si le rôle du compresseur/diffuseur est bien défini, celui du distributeur (grille fixe) reste plus complexe à cerner. En effet, le distributeur joue un rôle prépondérant dans le cycle thermodynamique en assurant, d’une part, la détente des gaz et d’autre part, en participant à l’émergence d’une pression dans la chambre. C’est justement ce dernier point qui m’intéresse.

Normalement, un gaz ne peut monter en pression que s’il se trouve enfermé dans un milieu clos. L’aspect d’une chambre de combustion d’un turboréacteur ne semble pas à première vue répondre à ce critère… Il faut donc impérativement recréer les conditions propices à l’apparition de la pression. La première condition est satisfaite par le compresseur qui, d’une certaine manière, contient la combustion dans la chambre, évitant ainsi un retour de flamme. La deuxième condition, me semble-t-il, est assurée par la grille fixe qui favorise la montée en pression, grâce à la géométrie du profil et à la disposition de ses aubes (convergentes). Ces dernières ont pour effet d’obturer partiellement le canal d’échappement et donc de faire naître cette pression.

N’inversons pas les rôles ! Le compresseur comprime à la condition expresse que le distributeur agisse comme une « valve de décharge ». Ce mécanisme s’amorce  à environ 20% du régime nominal.

Par ailleurs, il ne peut pas y avoir de pression dans un milieu ouvert, situation rencontrée en phase transitoire, quand la turbine est à l’arrêt et jusqu’au moment où elle devient autonome.

Tentative de vérification de l’étage HP par un test statique (sans détente)…

Ce test statique permet-il réellement de contrôler l’efficacité du compresseur?

La pression relevée est d’environ 50mbar à 20.000trsmn (j’en espérais 100mB!). La bougie est retirée afin de préserver le compresseur et la tuyère est obturée pour simuler un « bourrage » à l’entrée du distributeur.

Je travaille également à remplacer l’allumage à incandescence par un allumage à étincelles plus performant. L’objectif recherché est  de brûler tous les gaz afin d’optimiser la détente.

J’ai préparé deux bagues en acier de différente largeur pour les tests dynamiques. Je compte les placer à tour de rôle sur l’arbre entre le roulement à billes et le disc. Elles devraient me permettre de vérifier la position idéale du disque par rapport à la grille. Il est important de récupérer toute l’énergie issue de la détente (le calage des aubes de la grille étant fixe de conception).

Test dynamique_06-2016

Commentaire à chaud ! Cet essai n’a pas résolu les difficultés d’inflammation du gaz malgré la mise en place d’une bougie à étincelles. J’utilise donc un allume gaz comme appoint en attendant de pouvoir me pencher sur la question… Quant à l’arrêt de la turbine, je suppose qu’il est provoqué par le  frottement du disc soumis à l’élévation de température. Je vais devoir le rectifier et réduire son diamètre de 2/100mm. Le jeu entre les pales du disc et le conduit d’échappement devrait alors avoisiner 1/10mm (la cotation théorique serait ainsi atteinte). J’ai dû aussi changer la taille des cartouches de gaz car ces essais sont gourmands en carburant. Par ailleurs, j’ai peut-être sous-estimé la consommation…

Après démontage

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Le shroud est également marqué. Cela est dû à un petit problème de centrage entre le shroud et le diffuseur. Je fais avec pour le moment tout en retirant un peu de matière là où ça frotte (2 à 3/100mm)…

Les frottements persistent même après avoir rectifié le disc. Je communiquerai à nouveau une fois le problème éliminé…


Que se passe-t-il sur cette vidéo?

Les problèmes de frottement disparus laissent maintenant le champ libre aux suivants…

Je ne peux faire prendre des tours au rotor sans provoquer une extinction de flamme. Grâce à la chaleur et aux étincelles de la bougie le ré allumage est assuré dès lors que je réduis le nombre de tours de l’arbre.

Je n’ai pas encore démonté la turbine mais je pense, à cause d’un TAT  (temps d’arrêt turbine) trop court, que le roulement à billes de sortie est gêné par un excès d’huile, ou…

Le problème d’extinction est par contre plus délicat à analyser…


Je viens de réaliser une tôle de turbulence pour contrecarrer l’extinction. Enfin ! C’est son but…

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La position de cette tôle dans la chambre est importante. Elle devrait normalement protéger la flamme des turbulences inhérentes à l’introduction du flux d’air comprimé dans la zone de dilution. Je n’ai pas retenu pour le moment l’accroche flamme… Malheureusement, les prochains tests dynamiques ne pourront reprendre qu’après avoir réalisé une troisième couronne de distributeur…



J’interromps donc momentanément les tests dynamiques en raison d’un problème de centrage de l’arbre. Les contraintes thermiques des derniers essais ne se sont pas limitées à stabiliser le distributeur. Ce que je redoutais est arrivé ! L’assemblage conique qui assure la liaison entre la grille fixe et la couronne a travaillé. La grille fixe n’est maintenant plus à sa place dans la couronne, créant de ce fait un jeu. Le problème a été évoqué dans l’article  Distributeur2 terminé.

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Les aubes de la grille fixe, maintenant en saillie, modifient l’aspect dimensionnel du distributeur. Les conséquences sur le centrage du disc ne sont pas négligeables…

L’effet de la chaleur sur le montage (couronne/grille fixe) a donc provoqué le déplacement de la grille dans la couronne dans des proportions importantes. (Le cône faisant 1°, une dilatation de la couronne de 1/100mm provoque un déplacement de la grille de 5,7/10mm). Face à cette contrainte mécanique, je compte modifier la cotation du cône de façon à disposer d’une réserve. Les essais thermiques (progressifs) devront ensuite permettre de stabiliser la grille dans sa position définitive ( j’espère que les aubes ne sont pas en cause. Si tel était le cas, je pourrais envisager une solution mécano soudée…).

Une nouvelle couronne est en cours de réalisation (couronne n°3)…

 

 

Distributeur2 terminé

Le distributeur (stator) est maintenant terminé, prêt à être monté. Mais avant, je peux vous donner quelques petites précisions techniques sur ce tout nouveau modèle…

Il est, comme pour le précédent, constitué de trois pièces qui sont l’anneau, la grille fixe et la bague du distributeur.

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Le but de cette réalisation est d’obtenir un couloir d’échappement parfaitement lisse qui va de l’échappement de la grille à celui du disc. Cette portion d’échappement est constituée de deux tronçons, l’un formé d’un cône et l’autre formé d’un cylindre. La jonction des deux doit être adaptée (sans perte). Le cône doit aussi être efficace pour pouvoir maintenir la grille coincée dans l’anneau tout en respectant les contraintes dimensionnelles de l’ensemble.

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Une fois la grille fixe emmanchée dans l’anneau, il est important que les forces exercées pour son blocage soient supérieures aux forces appliquées (plus tard) par les vis de fixation. En effet, les dimensions structurelles de cette pièce ne doivent pas varier en fonction du serrage des vis. Je pense que les premiers essais thermiques n’auront qu’un impact très limité sur cette pièce. Toute la question est de savoir s’ils se limiteront uniquement à la stabiliser…

J’ai évoqué, dans les articles précédents, mes inquiétudes à avoir introduit un secteur divergent dans le couloir d’échappement. Je pense qu’il faut relativiser sur ce point car le cône ne fait que 2°. La divergence du canal en bout d’aube n’est donc que de 1° (il me reste toujours, en cas de besoin, la possibilité d’introduire de la convergence aux pieds des aubes. Ce sera une façon de contrecarrer ce problème…).

Tout cela serait parfait mais c’est sans compter sur certaines imperfections inhérentes à l’utilisation d’un cône. En effet, certains cônes ont la particularité de centrer ou de coincer plus que d’autres. Dans notre cas, le peu de conicité favorise un blocage efficace au détriment du centrage. Le manque de concentricité (toute proportion gardée) engendré par le montage de la grille dans l’anneau a été éliminé par une passe au tour de quelques dixièmes de millimètres. L’ensemble est maintenant parfaitement concentrique.

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Pourquoi ne pas avoir inversé le cône de façon à obtenir un tronçon convergent? C’est parce que le serrage des vis de fixation aurait pour effet de décoller la grille fixe comme pourrait le faire un arrache moyeu…

Il faut maintenant usiner le disc (alliages spéciaux Inconel) afin qu’il puisse s’insérer dans le nouvel échappement. Le jeu prévu en bout d’aube n’est que de 5/100mm pour la première phase d’essais. Je pense qu’il ne faut pas excéder 1/10mm… Les portées de serrage doivent aussi être dressées pour éviter tout balourd de couple…

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tour transformé en rectifieuse cylindrique…

La roue turbine est montée sur une pièce tournée qui n’a pas été démontée pour préserver la concentricité entre les diamètres. L’ajustement serré assure l’entraînement du disc et accepte les efforts de coupe.

Place maintenant aux tests…


La première phase d’essais montre clairement un ajustement trop serré du disc dans son logement. Le serrage est apparu rapidement dès la mise en température de la turbine. Ce n’est pas une surprise car j’ai volontairement limité le jeu à 5/100mm. Je dois donc reprendre la rectification du disc et porter ce jeu à 7/100mm ce qui laisse encore une marge pour arriver au 1/10mm de jeu « théorique ». Il faut bien sûr veiller à ne pas perdre la concentricité des usinages.

Je procède de cette façon pour limiter le plus possible les fuites afin de préserver la pression fournie par le compresseur et ainsi parvenir plus facilement à l’autonomie.

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frottements visibles

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chaque reprise demande un nouveau support pour garantir la concentricité

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reprise du disc

Place aux essais dynamiques…

Carter

Le carter en aluminium doit être remplacé car le passage de la connectique de tachymétrie a changé. La réduction du nombre d’aubes du diffuseur axial ne permet pas de réutiliser l’ancien carter…

Test turbine

Test du nouvel étage HP 04-2016_Entrée d’air-Shroud / Diffuseur

Test sans combustion (statique)

La turbine est maintenant nettement moins bruyante (voir l’article diffuseur & shroud en cours de réalisation). Je mesure également une très faible pression à la sortie du diffuseur axial aux environs de 25.000trsmn. Il n’y a pas de frottement suspect…

Test turbine sans combustion

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mesure indicative

iPhone placé à 1m de la turbine en milieu fermé

L’enregistreur indique 103dB


Test avec combustion

La turbine ne parvient pas à l’autonomie car l’extinction de la flamme se produit trop tôt. Je ne peux donc pas me prononcer sur le potentiel du tout nouveau diffuseur.

Comme prévu, je reprendre mes travaux sur le nouvel anneau de distributeur.

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ébauche distributeur inox 303

En attendant les prochains essais, vous pouvez consulter l’article “Couronne Distributeur2 en cours de réalisation” pour de plus amples explications…

Diffuseur2 & shroud2 en cours de réalisation

N’ayant pas pu amener la micro-turbine à l’autonomie, je me suis résolu à construire un autre diffuseur. En effet, les mesures de pression effectuées sur le précédent se sont avérées trop faibles voir quasi inexistantes. J’espère que le nouveau sera plus efficace…

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Le modèle de diffuseur axial (ci-dessus) est dépourvu de profil et le divergent est altéré par un nombre d’aubes trop important (de mon point de vue).

NOUVEAU DIFFUSEUR

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Le fraisage se fait sur un montage incliné à 1,5° permettant d’introduire de la divergence au pied des aubes

6 usinages par aube (axiale) sont nécessaires pour obtenir le profil désiré

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Cette pièce n’est pas opérationnelle. Elle doit encore recevoir certains usinages comme les trous de fixation, la réservation de la connectique de tachymétrie et les deux passages de carburant et d’huile…

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Une des aubes est condamnée pour la connectique de la roue phonique.

Le diffuseur radial comporte 11 coins (wedges)

Le diffuseur axial comporte 36-1 aubes (blades) avec profil. Le divergent est reproduit sur deux plans, entre les aubes et au pied de chaque aube.

Les principales caractéristiques sont :

Diamètre extérieur du diffuseur axial 87,4mm

Diamètre intérieur du diffuseur axial 77mm

Diamètre extérieur du diffuseur radial 77mm

Diamètre intérieur du diffuseur radial 60.5mm.

Diamètre expulseur 60,1mm.

L’entrefer n’entre donc pas dans la fourchette préconisée (1.04 à 1.06) mais les essais à venir devraient permettre de trouver le bon compromis…

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Épaisseur du diffuseur (pièce usinée) 19,2mm

Longueur des aubes du diffuseur axial 11,3mm

Angle du divergent au pied des aubes du diffuseur axial 1,5°

Angle des coins du diffuseur radial 16°

Angle du divergent au pied des coins du diffuseur radial 2°

 

SHROUD

Je dois maintenant entreprendre la réalisation du nouveau shroud. Cet élément fait aussi office d’entrée d’air.

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rond aluminium (2017) diamètre 90×50

Certains diamètres doivent être parfaitement concentriques.

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Ce n’est pas l’axe de la micro-turbine.

L’approche pour obtenir la géométrie de l’empreinte de l’impeller sur le shroud se fait par petites touches successives .

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Empreintes laissées par le frottement de l’impeller sur le shroud.

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On aperçoit nettement les traces d’encre laissées par les pales de l’impeller.

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La géométrie du shroud reflète maintenant parfaitement celle de l’impeller. Attention! Il faut aussi veiller à ne pas perdre la concentricité du shroud puisque l’empreinte finale est obtenue à la main avec de la toile Émeri…

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Le couple shroud/diffuseur est prêt pour le perçage et le taraudage…

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11 perçages au pas de 32° 44′ dont 9 à M2,5 pour la fixation et 2 au diamètre de 2.1mm pour l’alimentation en carburant et en huile

Une partie de la gorge de centrage doit être comblée pour que la géométrie des canaux du diffuseur radial soit parfaitement lisse. Il faut donc réaliser une couronne à l’image de la gorge où seront prélevés onze secteurs.

Couronne fraisée au pas du diffuseur radial

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Vérification de l’emboitement des deux pièces avant le tronçonnage des secteurs.

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après tronçonnage de l’anneau

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après ébavurage

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Le jeu entre l’inducteur et l’entrée d’air est de 5/100mm sur le rayon. Le jeu entre l’expulseur et le shroud est de 1/100mm. Ils sont depuis passés respectivement à 1.5/10 et 2/100 (03-2017).

Le diffuseur est maintenant prêt pour les premiers tests (sans combustion)…

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précédent diffuseur

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nouveau diffuseur