Distributeur

Le distributeur (grille fixe ou stator) est une pièce essentielle puisqu’elle permet de restituer l’énergie accumulée dans les gaz (comprimés et surchauffés) en les détendant. Le principe consiste à les faire circuler au travers d’une grille fixe, dont les canaux sont dits convergents et dont les aubes sont pourvues d’un profil. Il en résulte alors une forte accélération au détriment de la pression. Ces gaz sont ensuite dirigés vers la roue turbine (grille mobile ou disk) où ils sont convertis d’une part en énergie mécanique et d’autre part, en énergie cinétique (la poussée).

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J’ai utilisé de l’inox 303 pour des raisons de facilité d’usinage. J’en conviens, l’utilisation du titane ou d’autres super-alliages Inconel aurait été un choix plus judicieux mais ces métaux sont bien plus difficiles à usiner (Inconel est une marque). Malgré tout, si ce choix est déterminant, d’autres facteurs, comme le réglage, l’équilibrage… sont tout aussi prépondérants. Il est donc évident que les performances de ma turbine ne pourront rivaliser avec celles du commerce…

L’une des difficultés majeures qui a contribué à me faire adopter l’usinage plutôt que le soudage est de pouvoir garantir la concentricité entre les diamètres. Je me permets de vous rappeler que je n’ai pas la contrainte du poids puisque cette turbine est avant tout un prototype ayant vocation à comprendre ce moteur génial. Je me suis donc tout naturellement tourné vers le tour…

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la grille fixe est montée sur la bague du distributeur

Le distributeur, dans sa configuration actuelle, est l’assemblage de trois pièces usinées qui sont la bague du distributeur, la grille fixe et la couronne. L’ajustement de la bague avec la grille est coulissant, sans jeu. Par contre, le montage de la grille avec la couronne est coinçant puisqu’il s’agit d’un usinage conique. La portée conique de la grille correspond au diamètre en bout d’aubes. J’ai choisi une valeur de 2° pour préserver la géométrie du canal. En augmentant la conicité, la divergence serait trop importante à cet endroit. En deçà de cette valeur, la faible conicité accentuerait un problème dimensionnel car la cotation du distributeur (dans sa largeur) pourrait varier plus facilement. Le couple de serrage des six vis de fixation (M2,5) serait alors plus délicat avec le risque de voir l’assemblage se mettre en butée. L’effet coinçant du cône serait alors anéanti…

Pourquoi avoir créé un cône? Je n’ai trouvé d’autres moyens d’accouplement que le cône, compte tenu des raisons évoquées ci-dessus mais la raison principale est, bien sûr, de pouvoir fraiser les aubes!

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épaisseur max du profil 1,7mm

longueur aube non développée 14mm

Les aubes ne doivent pas être trop épaisses ni comporter de variations brusques de courbure. J’ai opté pour une épaisseur de 1,7mm car les aubes doivent supporter la chaleur tout en restant rigides. Est-ce un bon compromis? A surveiller…

Qu’elles sont les conséquences de l’introduction d’un secteur divergent dans le conduit d’échappement d’un turboréacteur (domaine subsonique)? Je me pose toujours la question…

Je sais, par contre, que le nombre d’aubes, leur forme, leur épaisseur, le calage, l’incidence du profil et bien d’autres facteurs sont déterminants.

Revenons à l’ajustement de la grille fixe (distributeur) avec la couronne.

Le grand diamètre du cône (en bout d’aubes) est légèrement inférieur à la portée cylindrique servant à loger le disk. Il en résulte le petit décolletage visible sur la photo en en-tête. Cet usinage ne doit en aucun cas servir de butée aux aubes sous peine de rendre le cône inefficace. Cela fragiliserait également le bout des aubes. Devant la justesse de cet usinage (température oblige), il faut s’assurer que la mise en butée se fasse bien entre le moyeu et toute la portée conique en bout d’aubes. Le cône peut ainsi remplir son rôle.

Cet épaulement reste pour moi une source d’interrogation… Il ne devrait plus apparaître sur la prochaine couronne de distributeur. Voir l’article Couronne distributeur2 en cours de réalisation

Tous ces réglages sont stables pour des tests pratiqués sur une machine tournant à 32.000trsmn avec combustion (moteur calé).

La roue turbine (grille mobile ou disk) provient du constructeur de micro-turbines, Wren_Turbines. Elle est composée de métaux spéciaux (Inconel) et a été conçue pour l’aéronautique. Son diamètre est de 55mm.

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disk livré non percé

 

 

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Il est impératif que cette pièce tourne parfaitement rond afin de minimiser les fuites et les vibrations. Toute excentricité crée un jeu supplémentaire qui vient s’ajouter à celui nécessaire au fonctionnement du disk. Si tel est le cas, ce jeu est alors doublé sur le diamètre. Toutefois, il faut bien évidemment du jeu en bout de pales sinon elles risquent de frotter. Tout est une question de dosage et c’est là toute la difficulté car l’allongement (fluage) des pales soumises à la force centrifuge et à la chaleur jouent en notre défaveur.

Ses pales (blades) sont au nombre de 21 et toutes sont dotées d’un profil. Elles sont de type « à réaction » essentiellement utilisées sur les turbines à gaz. Cela permet d’achever la phase de détente en récupérant l’énergie encore présente dans les gaz.

Une fois les gaz accélérés et dirigés par la grille fixe vers les pales du disk, ils n’ont de choix que de les faire tourner. L’énergie apportée par le carburant au flux d’air comprimé est indispensable pour enclencher le cycle vertueux. Pour comprendre le principe, il faut imaginer un volume d’air comprimé et surchauffé par le carburant (celui-ci n’apportant que très peu d’atomes). Dans un tel contexte, les gaz chauds ne demandent qu’à reculer les limites des parois de la chambre. La seule issue possible (normalement) est de sortir par la grille fixe. Bien que les gaz n’aient que l’envie de repousser les limites dimensionnelles de la chambre, il n’en demeure pas moins que la pression n’augmente pas pour autant. La combustion est dite isobarique (pression constante) à quelques détails près.

J’ai donc conçu, tourné et fraisé la grille fixe en ayant toujours cette réflexion à l’esprit. Je me suis bien sûr inspiré de documents techniques mais au final, tout est une question de compromis…

C’est aussi sur le distributeur que viennent se centrer les deux cylindres de la chambre mais aussi, le moyeu, le capot du moteur et la tuyère. Les six trous filetés M3 sur le pourtour du distributeur permettent la fixation du capot moteur (aluminium) où un joint torique (corde téflon 200°) assure son étanchéité. La tuyère se centre sur un cône de 22° et se fixe à l’aide de trois vis M3 (bientôt portées à 6). Son étanchéité est assurée par le cône. Trois rainures (120°) pratiquées au bout du cône assurent le centrage du croisillon qui supporte le cône d’éjection (voir page tuyère)…

 

le nouveau distributeur de turbine-II-2017