Micro Turbines et Turboréacteurs

Le modélisme a ses fans, et parmi eux ceux qui s’intéressent aux avions en modèle réduit. Les techniques de motorisation des avions miniatures sont très diverses, les plus communes étant le moteur électrique, et le moteur thermique à 1 cylindre. Ce sont, dirons nous, les techniques “normales”.

Mais certains passionnés ne s’en tiennent pas là. Ce qui les intéresse réellement, au delà du modèle réduit volant, est la réalisation du moteur lui même. Plutôt que d’utiliser des appareils commerciaux, ils cherchent à pousser le réalisme le plus loin possible, en réalisant un moteur lui même aussi réaliste que le reste de la maquette.

Cela donne lieu à de superbes réalisations, comme des moteurs thermiques miniatures. On en trouve plein de descriptions sur youtube.

La dernière catégorie de réalisations, que je mets à part, concerne les moteurs à réaction.

Le turboréacteur est une machine très complexe, qui a demandé des années de mise au point, et qui semble difficile d’accès aux bricoleurs. Elle fait inévitablement penser aux avions de ligne, et donc un truc avec lequel “on ne rigole pas”.

Pour faire simple, un turboréacteur est constitué de 3 éléments :

  • Un compresseur, consitué d’une série de roues à aubes (ce n’est pas celle qu’on voit sur un avion de ligne). Le compresseur a pour objectif de comprimer l’air entrant dans la partie suivante.
  • Une chambre de combustion, dans laquelle est injectée le carburant.
  • Une turbine, dans laquelle les gaz brûlés dans la chambre font tourner d’autres roues à aubes entrainant elle même le compresseur grâce à un arbre.
Coupe d'un réacteur (Wikipédia)
Coupe d’un réacteur (Wikipédia)

On a donc un système en circuit fermé: la combustion fait tourner la turbine, qui entraine le compresseur, qui entretient la combustion. Le tout est régulé par le contrôle du débit de carburant et de la pression d’air.

La poussée est produite par la grande vitesse des gaz brulés éjectés. Sur un avion de chasse, c’est le seul moyen de production. Sur un avion de ligne, on ajoute un ventilateur supplémentaire, ce qui en fait un turbofan, ou moteur double flux (une partie de l’air entre dans le moteur, une partie l’entoure, il y a 2 sources de poussée).

Bref, à première vue, c’est pas ce qu’on choisira pour propulser un modèle réduit!

Pourtant, la créativité des internautes est sans limite. Depuis quelques années, on trouve des mini turboréacteurs tout à fait fonctionnels (de 10cm de diamètre environ) pour équiper des modèles réduits, à des prix assez élevés.

La course à la miniaturisation était lancée! Les modélistes étant aussi des Makers, ils ont voulu se lancer dans l’aventure.

La plupart des turbopropulseurs DIY ne propulseront jamais un avion, mais ils ont l’avantage de permettre facilement l’étude de ces machines. Ils sont basés sur des turbo de voiture, qui ont exactement la même structure qu’un réacteur. Dans une voiture, l’échappement fait tourner la turbine, ce qui compresse l’air à l’admission; dans une utilisation “réacteur”, le moteur de la voiture est remplacé par une chambre de combustion maison raccordée au turbo. Cela donne par exemple ceci:

L’appareil marche; une fois démarrée, la réaction est auto entretenue, et régulée par le carburant. Utiliser un turbo de voiture a un grand avantage: c’est un appareil étudié, il fonctionne, il possède des paliers et des roues de turbine équilibrées.

Une autre catégorie d’appareils “home made” est plus hasardeuse, il s’agit des “tin can turbines”, autrement dit des “turbines boites de conserve”. On trouve pas mal de réalisations sur youtube, plus ou moins réussies, solides, abouties, fonctionnelles ou dangereuses, à base de boites de conserve ou de canettes de coca. Il y a plusieurs défis dans ces réalisations, qui n’ont pas tous été relevés par les concepteurs:

  • Solidité mécanique: l’aluminium est à bannir, il vaut mieux utiliser de l’acier
  • Solidité thermique: idem, l’aluminium ne résiste pas assez à la chaleur, qui peut atteindre plusieurs centaines de degrés
  • Réalisation des turbines: il faut les équilibrer, les rendre le plus régulières possibles, sinon les vibrations deviendront très intenses quand elles tourneront vite
  • Paliers: il faut utiliser un palier sérieux, au moins basé sur les roulements à billes. J’ai vu des essais avec des moyeux de roues de vélo. Ensuite il faut attacher correctement ce palier à l’ “emballage” avec des supports qui 1) ne gênent pas le passage de l’air, et 2) supportent la chaleur coté turbine
  • Carburant: un liquide tel que le kérosène serait pénible. Les meilleures constructions utilisent le butane.
  • Conception de l’ensemble: une des difficultés à surmonter est la théorisation, qui permet de savoir si on a conçu des roues de turbines qui compresseront l’air correctement. Je n’ai pas trouvé de théorie “simple”, mais on peut sans doute se baser sur les calculs disponibles sur le web en ce qui concerne les éoliennes ou les turbines à vapeur.
  • Compréhension du fonctionnement du compresseur: un grand nombre de vidéos montrent des moteurs non fonctionnels, ou qui ne tournent que quand on leur injecte de l’air comprimé: la raison est simple: les compresseurs de ces machines n’ont pas de stator, qui est indispensable à la compression: il s’agit d’ailettes fixes en regard des ailettes tournantes, et qui réalisent la compression. Sans stator, une turbine est un simple ventilateur. L’air n’y sera pas comprimé. La turbine en sortie a également besoin d’ailettes statiques, afin de diriger correctement le flux de gaz brulés sur les ailettes.

Voici une turbine qui n’utilise pas de stator, comme on le voit dans les images de la construction. Elle s’arrête dès que l’alimentation en air comprimé est arrêté:

A l’opposé voici une turbine avec stator:

Note: c’est le même internaute, il semble donc avoir compris ce qui manquait à son premier montage 🙂

Bien… Comment peut on encore miniaturiser cette affaire? Il suffit de prendre des éléments encore plus petits. C’est possible, comme nous le montre cet utilisateur Youtube. Il a non seulement construit une turbine à air comprimé, mais il a aussi fait des essais de turbine à gaz, certes non fonctionnel, mais la vidéo de description de assemblage montre que tous les éléments nécessaires sont présents, y compris le stator. Vous apprécierez la précision du montage:

J’ai donc voulu faire le test, en construisant d’abord une petite roue à aubes, puis en tentant une aventure un peu plus grande.

Voici donc le processus de fabrication ma première turbine, selon les instructions de “johnnyq90” :

 

Découpe du disque de la turbine
Découpe du disque de la turbine avec une cisaille à tôle.

 

Le disque découpé. On améliorera les bords plus tard.
Le disque découpé. On améliorera les bords plus tard.
Collage sur le gabarit
Collage sur le gabarit
Le centrage doit être parfait.
Le centrage doit être parfait. On vérifie par transparence.
Fixation entre deux entretoises.
Fixation entre deux entretoises.
La turbine brute de découpage!
La turbine brute de découpage!
Mise en place des pales
Mise en place des pales

Le résultat n’est pas mal, mais pas encore parfait. La fixation de l’entretoise dans le mandrin d’une perceuse permet de vérifier le centrage, et de rectifier le tout grâce à un disque abrasif de dremel:

Rectification de la turbine.
Rectification de la turbine.

Ensuite, il faut fixer cette turbine sur un arbre. Donc il faut trouver un arbre et un palier. Après quelques recherches, les axes métalliques qui se trouvent sur les chariots de têtes de lecture de CD/DVD sont parfaits, ils sont en inox, bien rectilignes, et ont un diamètre de 3mm. On peut les utiliser facilement avec des mini-roulements tels que ceux disponibles dans certains ventilateurs d’informatique (il n’y en a pas dans tous les modèles!) Ces roulements ont un diamètre extérieur de 8mm, ce qui rentre presque parfaitement dans un tube en cuivre de 8/10mm. La turbine fait 20mm de diamètre, ce qui rentre aussi bien dans un manchon en cuivre de 22/24 mm. Au final on obtient ça:

Turbine sur palier
Turbine sur palier

La turbine a volontairement été écartée de son palier pour laisser voir le montage. Le roulement a reculé après quelques manipulations, et la turbine est entrée en force sur l’axe. Un petit coup d’air comprimé en bouteille et voici ce que cela donne:

Il y a encore beaucoup d’autres améliorations à faire, mais je n’ai pas trop de temps pour cela!

  • Il faut fignoler l’équilibrage de la turbine, pour cela on pourrait la monter sur un support mobile avec un accéléromètre qui indiquerait quels points de la turbine ne sont pas bien symétriques
  • Il faut trouver un moyen pour attacher correctement la turbine sur l’arbre, la tôle galvanisée n’est pas soudable! Peut être en la nettoyant au papier de verre? En tout cas la soudure sera difficile, l’étain n’est pas envisageable à cause de sa faible température de fusion. J’ai bien une idée avec du tube laiton de 3mm intérieur, mais il faut améliorer ça
  • Il faut trouver un moyen facile pour réaliser le stator. En gros, c’est une turbine identique, mais dans laquelle il faut percer un trou de 10mm de diamètre. En écrivant cette phrase, je me rends compte que ce n’est pas vraiment nécessaire, donc ce n’est plus vraiment un problème
  • Il faut enfin faire une chambre de combustion correcte avec injecteurs de gaz, etc.

C’est un gros travail, que je ne classe pas dans les choses prioritaires.

Pendant cette réalisation, j’ai eu besoin de réaliser des gabarits de coupe, qui permettent de diviser un cercle en N parties. Ce genre de chose n’existe pas sur le web, j’ai donc créé mon outil en me basant sur la librairie TCPDF. Vous trouverez donc ici mon outil “Turbine Template Generator” générant des gabarits de coupe pour des micro turbines.

Dans tous les cas je me suis bien amusé à réaliser cette mini turbine, et je pense qu’il y a du potentiel pour faire des choses très amusantes, et fonctionnelles.

A bientot!

 

Page wikipédia sur les turboréateurs

Des Vidéos de démontage d’un gros réacteur, qui montrent plein de détails.