Approche pratique du refroidissement moteur

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1 Approche pratique du refroidissement moteur
GTH Approche pratique du refroidissement Approche pratique du refroidissement moteur GTH Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

2 L'art perdu des avionneurs
GTH L'art perdu des avionneurs Approche pratique du refroidissement Les ingénieurs aéronautiques n'étudient plus le refroidissement des moteurs à explosion Beaucoup de concepteurs oublient (méprisent ?) les lois de l'aérodynamique Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

3 I – L'état des recherches
GTH Approche pratique du refroidissement Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

4 I – L'état des recherches
GTH Approche pratique du refroidissement Aux débuts de l'aviation La qualité aérodynamique est "élémentaire" Les avions sont très lents On ne se soucie pas de traînée Cylindres ou radiateurs dans le vent Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

5 I – L'état des recherches (suite)
GTH Approche pratique du refroidissement 1915 Hugo Junkers dépose un brevet de radiateur caréné Encore tout à fait d'actualité Hugo Junkers ( ) Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

6 I – L'état des recherches (suite)
GTH Approche pratique du refroidissement Junkers J2, 1916 Le seul modèle équipé Le radiateur caréné (Düsenkühler) passe inaperçu devant les défauts de l'appareil La machine est abandonnée après le crash du proto Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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GTH Approche pratique du refroidissement 1.2 L'effet Meredith En 1935, F.W.Meredith publie une note sur l'obtention d'une poussée grâce à la chaleur d'un radiateur Dans le monde, les aérodynamiciens adoptent ses données. L'effet Meredith est né. Mais en 1936 les vitesses restent trop faibles pour rendre cette poussée mesurable Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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GTH Approche pratique du refroidissement En , les Allemands posent les bases de l'aérodynamique du radiateur Aux USA, le NACA publie leurs travaux et effectue de nombreuses recherches, dont 75 % sur le refroidissement par air. En France Bréguet et Devillers publient en 1938 et 1939 la synthèse des connaissances de l'époque. Les recherches prennent fin avec les années 40, à l'apogée du moteur à pistons. Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

9 2 – Les bases du refroidissement
GTH Approche pratique du refroidissement Refroidir un corps, c'est prendre sa chaleur pour la transférer à un autre, qui alors se réchauffe Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

10 Inter Action Complément 2008
2-1 – Pourquoi refroidir ? GTH Approche pratique du refroidissement Les moteurs thermiques n'ont qu'un rendement inférieur à 30 % Il faut donc évacuer l'équivalent en chaleur de la puissance sur l'arbre Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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2-2 – Par eau ou par air ? GTH Approche pratique du refroidissement Tous les moteurs d'avion échangent de la chaleur avec l'écoulement aérodynamique. La chaleur de la combustion traverse les parois métalliques par conduction. Elle se communique à un fluide caloporteur chargé de l'emporter par convection loin du moteur. Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

12 2-2 – Par eau ou par air ? (suite)
GTH Approche pratique du refroidissement Dans le refroidissement liquide, un fluide intermédiaire ("eau" ou huile) transfère la chaleur vers l'atmosphère. Le fluide ultime reste donc l'air Adage de la Navy : "A water-cooled engine in an airplane makes as much sense as an air-cooled submarine" Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

13 2-3 – Les Radiateurs Deux grandes technologies
GTH Approche pratique du refroidissement Deux grandes technologies Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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2-3-1 – Nid d'abeille GTH Approche pratique du refroidissement Tubes de cuivre évasés et soudés à l'étain Surfaceair ≈ Surfaceeau Radiateurs anciens, gros moteurs à pistons, radiateurs d'huile sur turbomachines Standard dans la littérature Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

15 2-3-2 – Faisceaux à lames d'eau
GTH Approche pratique du refroidissement Plus modernes Le liquide circule dans des tubes aplatis munis d'ailettes Surfaceair >> Surfaceeau Des persiennes sur les ailettes rafraîchissent la couche-limite. Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

16 2-4 – Liquides de refroidissement
GTH Approche pratique du refroidissement Le meilleur est l'eau On y adjoint souvent de l'éthylène glycol pour abaisser le point de congélation Pour prévenir la cavitation des pompes et élever la température d'ébullition, le circuit est pressurisé Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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2-4-1 – L'ébullition GTH Approche pratique du refroidissement L'ébullition nucléée est un phénomène utile dans un circuit de refroidissement La vaporisation et les bulles circulantes accroissent l'échange thermique, et protègent les points chauds Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

18 2-4-2 – Propriétés physiques
GTH Approche pratique du refroidissement Nom Formule brute T ébullition Masse volumique kg/m3 Capacité thermique massique J.kg-1.K-1 Eau H2O 100 1000 4180 Éthylène glycol C2H6O2 197 1109 2400 Propylène glycol C3H8O2 187 1036 2500 Le meilleur est l'eau ! L'ajout de glycol améliore l'antigel, mais diminue le refroidissement Les glycols purs ne sont pas techniquement intéressants Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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2-5 – Ordres de grandeur GTH Approche pratique du refroidissement Typiquement dans les radiateurs : - 6 à - 8 °C pour l'eau et - 20 à - 30 °C pour l'huile Échauffement de l'air dans un radiateur d'aviation : 0,5 à 0,7 ΔT entre l'air et le liquide Les pompes à "eau" débitent de 1 à 1,5 L/s pour 100 chevaux sur l'arbre (55 L/min pour les Rotax) Selon Rotax : les radiateurs doivent évacuer 30 kW pour l'eau et 9 kW pour l'huile Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

20 3 – Aérodynamique du radiateur
GTH Approche pratique du refroidissement Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

21 3-1 – Radiateur dans le vent
GTH Approche pratique du refroidissement On pourrait penser qu'un radiateur directement dans le vent refroidira efficacement En fait moins du tiers de l'air arrivant face au radiateur traverse le faisceau Le reste contourne en tourbillonnant. Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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3-2 – Le delta P GTH Approche pratique du refroidissement C'est la différence de pression ΔP entre les deux faces du faisceau qui oblige l'air à le traverser ΔP implique pression élevée sur la face avant, pression moindre sur la face arrière Conséquence, une force dirigée vers l'arrière, c'est-à-dire une traînée Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

23 3-3 – Le coût du refroidissement
GTH Approche pratique du refroidissement On ne peut pas refroidir sans traîner Tout l'art consiste à refroidir en ne payant que la traînée "obligatoire" Le refroidissement n'est économique qu'aux basses vitesses, avec des différences de températures air/ailettes aussi élevées que possible La traînée du radiateur ou des cylindres ne représente que quelques pourcents de la traînée totale d'une machine Et pourtant… Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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GTH Approche pratique du refroidissement Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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GTH Approche pratique du refroidissement Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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4 – Le radiateur caréné GTH Approche pratique du refroidissement On améliore le fonctionnement du radiateur en l'enfermant dans un conduit caréné Le carénage accompagne le ralentissement de l'air devant le radiateur, et augmente sa pression statique pour lui faire traverser le faisceau Les pression sur les parois diminuent la traînée La première tâche est d'éviter tout décollement Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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GTH Approche pratique du refroidissement Retenir ce schéma. C'est la clé du refroidissement, qu'il soit par air ou par liquide "Tout système de circulation interne comprend une entrée, un divergent, une obstruction ou perte de charge, un convergent et une sortie" Sighard Hoerner Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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4-1 – Entrée d'air GTH Approche pratique du refroidissement On ne prend pas l'air, on le laisse entrer Doit fonctionner dans tous les cas de vol Devrait être située à un point d'arrêt Une entrée unique peut alimenter plusieurs systèmes Entrée d'air de Yak 3. Noter qu'il s'agit d'une entrée multiple Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

29 4-3 – Arrondi externe et interne
GTH Approche pratique du refroidissement Le rayon de la lèvre est primordial Il s'y forme un point d'arrêt qui doit pouvoir se déplacer sans décollements Les filets d'air ne sont pas parallèles à la vitesse de l'avion La forme de l'entrée d'air doit en tenir compte Inter Action Complément 2008 Inter Action Compléments 2008

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31 4-3 – Section de la veine d'entrée
Ne pas confondre taille de l'entrée et section de la veine qui y pénètre Avant un obstacle la veine diverge en ralentissant C'est la diffusion externe, très intéressante car sans perte Lors des essais en soufflerie de notre radiateur, la veine en amont atteignait 17 mm pour une entrée de 25 mm Inter Action Complément 2008

32 4-4 – Le diffuseur (ou divergent)
L'air doit être ralenti sans décollement dans un diffuseur en forme de trompette C'est la partie la plus importante d'un circuit de refroidissement La présence du radiateur retarde les décollements intérieurs Un "bon" diffuseur permet de récupérer 80 à 90% de la pression dynamique Inter Action Complément 2008

33 4-4 – Le diffuseur (suite)
Les formes internes et externes doivent éviter les décollements Le rendement du diffuseur est primordial dans la réduction de la traînée de l'ensemble Toute perte en amont de l'échangeur se traduit par une augmentation de la traînée d'un facteur 3 ou plus Inter Action Complément 2008

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4-5 – La sortie L'air doit sortir tangentiellement à l'écoulement général A un emplacement où les lignes de courant sont rectilignes L'air doit être réaccéléré par un convergent Par réaction, une force vers l'avant est générée Le dessin est peu critique, et les pertes faibles Inter Action Complément 2008

35 4-7 – Réglage du refroidissement
Si la section d'entrée est suffisante, le débit ne dépend que de la section de sortie On règle par un volet de capot permettant une fermeture totale Inutile d'accroître la section de sortie au-delà de la section frontale du radiateur Le volet doit être long pour éviter les décollements L'angle doit rester faible pour ne pas faire aérofrein Inter Action Complément 2008

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4-8 – La bavette On propose parfois de faire un rebord décrochoir à la sortie L'idée est d'aspirer par l'aval Mais Une extraction aval a un rendement inférieur à 30 % Le coût en traînée est 3 à 5 fois plus élevé qu'avec un diffuseur correct Inter Action Complément 2008

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4-9 – Et après la sortie… Inter Action Complément 2008

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5 – Avionnage d'un Rotax 914 Inter Action Complément 2008

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5 – Avionnage d'un Rotax 914 Objectif : une installation Rotax 914 plus satisfaisante que celle d'origine en terme de refroidissement et de traînée, en incluant un intercooler Sans moyens de calcul ou de simulation, l'étude préalable s'appuie sur la comparaison des installations des MCR-4S et MCR-01, et le MC-100 de Michel Colomban Inter Action Complément 2008

40 Le projet IF Igor, heureux propriétaire
GTH Le projet IF Approche pratique du refroidissement Igor, heureux propriétaire Nicolas, ingénieur Dyn'Aéro, expert Autocad sous ensemble "capots IF" Début du projet "avion" : février 2001 Chantier "refroidissement" : automne printemps 2004 Premier vol : novembre 2004 Réflexion : tout le temps… Inter Action Compléments 2008

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5-1 – Étude préalable Après de savantes considérations, les points suivants sont arrêtés : Disposition des radiateurs Refroidissement des cylindres Ventilation turbo Vapour lock Sortie inférieure Position des entrées d'air Inter Action Complément 2008

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5-2 – Dimensionnement Après échanges avec Michel Colomban et le BE de Dyn'Aéro, une section d'environ 4 dm² semble appropriée Le faisceau retenu mesure 410 mm de long sur 99 mm de haut et 42 mm de profondeur Des considérations sur les entrées d'air et les débits permettent d'envisager une section "sûre" de 1,28 dm² Inter Action Complément 2008

43 Définition de l'emplacement du bloc radias
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44 Convergent de sortie en tôle roulée
Inter Action Complément 2008

45 5-3 – Caractérisation du faisceau
Première étape : déterminer le coefficient de résistance du bloc radiateurs On mesure la différence de pression statique Δp entre l'entrée et la sortie d'un élément enfermé dans un conduit, et la pression dynamique à l'entrée (q = ρV²/2) Inter Action Complément 2008

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Coefficient de résistance du faisceau : Inter Action Complément 2008

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Le coefficient c permet de dimensionner l'entrée d'air selon la littérature Pour notre bloc radiateurs, la section correspondante est très proche de la valeur sûre estimée auparavant A partir d'une certaine section d'entrée, le débit ne dépend que de la section de sortie Inter Action Complément 2008

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On peut alors dessiner un diffuseur d'entrée selon la littérature Méthode suffisante pour un diffuseur correct sans décollement, supérieur à ce qu'on rencontre en standard Inter Action Complément 2008

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5-4 – Étude en soufflerie Lors de discussions avec M.Colomban, la fabrication d'une soufflerie est décidée C'est l'air qui nous montrera le meilleur dessin de diffuseur Inter Action Complément 2008

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5-4-1 – Les étapes La majorité de l'écoulement contourne le faisceau La tension du fil unique fausse la visualisation Pose d'une petite cloison au bas du faisceau pour stabiliser l'écoulement La veine est équipée de prises de pression Inter Action Complément 2008

53 Inter Action Complément 2008
5-4-1 – Les étapes (suite) Relevé à la canne à pêche Tracé de la ligne de courant entrant dans le bloc radias La veine est très divergente à l'entrée du bloc Inter Action Complément 2008

54 Inter Action Complément 2008
5-4-1 – Les étapes (suite) Report sur le plan de l'installation Cette paroi correspondra au plafond du diffuseur Le plafond est mis en place dans la veine La procédure est répétée, car le plafond modifie l'écoulement Inter Action Complément 2008

55 Inter Action Complément 2008
5-4-1 – Les étapes (suite) Le diffuseur sera défini à partir de l'ensemble radia+convergent Etude de la nouvelle ligne de courant avec le plafond en place Inter Action Complément 2008

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5-4-1 – Les étapes (suite) La lèvre inférieure épouse la nouvelle ligne Elle est courte pour limiter les pertes par frottement Différentes combinaisons sont testées pour améliorer l'écoulement à l'approche du faisceau Inter Action Complément 2008

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L'essai n° 14 Pas de décollement interne ni externe Les pressions donnent un rendement d'environ 89 % L'ouverture est de 25 mm Inter Action Complément 2008

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59 5-5 – Essais du volet de capot
L'ouverture maxi est fixée à 78% de la surface frontale du radiateur Recherche des décollements en toute position Sortie fermée : formation d'un coin d'eau morte à l'entrée Aucun décollement externe Inter Action Complément 2008

60 5-6 – Étude complémentaire
Le montage du capot impose un joint devant l'entrée d'air Un obstacle de 3,2 mm est placé à l'endroit prévu pour vérifier l'effet sur la couche limite L'écoulement se révèle peu sensible à l'obstacle La configuration est validée, et le relevé est transmis à notre dessinateur pour numérisation Inter Action Complément 2008

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5-7 – Réalisation Le tracé du diffuseur est intégré au profil du capot et tracé à l'échelle 1 L'ensemble du capot est mis en forme en attendant les noyaux d'entrée d'air Parallèlement une machine à fil chaud à commande numérique a été étudiée Inter Action Complément 2008

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Les moteurs pas à pas sont prêtés par l'IUT 1 de Grenoble Le programme tourne sur un Pocket PC prêté par le LEG Jeu de lèvres d'entrée d'air "La trompette", ou noyau du diffuseur Matériau : polystyrène extrudé Inter Action Complément 2008

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La forme extérieure du capot terminée L'entrée d'air est réalisée séparément Le diffuseur en place L'étanchéité est complète : tout l'air admis traverse le bloc radiateurs Inter Action Complément 2008

64 5-8 – Refroidissement cylindres
Airbox Rotax vue par l'arrière gauche Le méplat dans l'arrivée d'air semble destiné à éviter la pompe à essence sur 912 Aucune fuite, étanchéité au silicone haute température L'entrée d'air a un diamètre d'environ 80 mm Inter Action Complément 2008

65 5-9 – L'installation terminée
L'entrée d'air cylindres se trouve sous le cône Elle s'évase en diffuseur Pod vu de profil Inter Action Complément 2008

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6. Les essais "Concevoir une machine volante n’est rien ; la construite est peu ; l’essayer est tout" Capitaine Ferber Inter Action Complément 2008

68 Inter Action Complément 2008
6 – Les essais (suite) Les entrées et les sorties sont équipées de prises de pression totale et statique Le moteur, les entrées et les sorties des fluides reçoivent des sondes de température Inter Action Complément 2008

69 Inter Action Complément 2008
6 – Les essais (suite) Au sol : aucun problème de température, même en cas de point fixe prolongé En vol : températures satisfaisantes et faciles à régler Nous avons conservé les graduations en mm d'ouverture utilisées pendant les essais en vol Inter Action Complément 2008

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Constatations et découvertes Températures très faciles à ajuster à 5 degrés près, constante de temps de l'ordre de 1 à 2 minutes Les circuits d'aérodrome ne demandent que peu de réglages En croisière ouvertures de capot assez réduites : 4 à 8 mm par temps froid, 22 mm l'été, 34 mm par canicule. L'huile suit les culasses avec un écart de 10-15°C Les efforts aérodynamiques tendent à ouvrir le volet de capot Les températures cylindre maximales dépendent peu de la température extérieure, écart de 10 °C environ pour des températures extérieures entre -14 et + 37°C. Inter Action Complément 2008

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ISA - 6 °C Inter Action Complément 2008

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ISA °C Inter Action Complément 2008

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ISA - 6 °C Inter Action Complément 2008

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ISA °C Inter Action Complément 2008

75 6-2 – Pressions En croisière, on observe des ΔPt radiateurs de l'ordre de 200 à 250 mm d'eau, pour une vitesse de 130 kt soit une pression dynamique de 280 mm d'eau Les ΔP cylindres sont de 100 à 150 mm d'eau, comparable aux moteurs à refroidissement par air

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7. Conclusion La comparaison directe avec un MCR-4S équivalent donne un gain d'environ 7 kt à 100 % de la puissance Nous attribuons 2 kt à la meilleure finition, et environ 5 kt à l'installation de refroidissement, soit 10 % de la traînée totale, ou l'équivalent d'une douzaine de chevaux… Très satisfaite, l'équipe de concepteurs s'est octroyé un peu de repos, et a reporté les calculs détaillés…à plus tard ! Inter Action Complément 2008

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Mais au-delà des calculs, le plus important…. Les températures en hiver Inter Action Complément 2008

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Ou en été… Inter Action Complément 2008

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Merci… Inter Action Complément 2008