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La Turbine PTW-400

 

Turbine électrique très bon marché à réaliser soi-même avec CNC

Ce dossier a déjà été présenté en exclusivité au membre de la liste "découpe CNC" sous forme d'un dossier feuilleton en dix épisodes.

J'ai réalisé cette compilation pour que tout le monde puisse en profiter, car certains ne sont pas encore inscrit sur ce forum, ou n'ont pas accès aux pièces jointes.

Présentation :
 

La turbine électrique à la portée de tous pour presque rien!

La "Papy TurboWatt 400" est une turbine électrique format 400 (comme son nom l'indique) que tout possesseur d'une machine CNC peut réaliser à très peu de frais.

Le rendement de cette turbine n'est pas du tout ridicule, et est à mon avis plus intéressant que pas mal de ses concurrentes du commerce qui coûtent 20 à 30x plus cher.

Les essais en vol sur mon S-3A VIKING on montré des performances assez exceptionnelles.

Caractéristiques:

traction statique : 320gr à 12 A sous 3S Lipo (soit 120W)
vitesse théorique d'éjection : 252 km/h
RPM: 35000 t/min
diamètre de la veine d'air 60mm
diamètre extérieur 68 mm
Longueur 70 mm
Poids sans moteur: 16 gr

Absence de vibrations (contrairement à certaines bien connues que je ne nommerai pas!)
 

 

Le matos :

- Quelques chutes de polystyrène extrudé en 50 mm d'épaisseur (peu
importe la densité)

- une feuille de papier A4 (pour imprimante)
- Une bouteille (vide) de soda 1,5 L
- éventuellement un morceau de gaine thermoretractable transparente - largeur 50 à 60mm
(comme on utilise pour emballer les packs d'accus)

Un petit moteur bon marché speed 400 4,8V race
Une hélice GUNTHER 5x4.7

Un bon cutter avec lame n°11
De la colle (colle universelle Velpon ou Bison de préférence - aie...)
un peu d'époxy rapide.
Un peu de dextérité et de patience
une machine CNC bien réglée...

 

Les gabarits :

Ceux ci sont indispensables pour réaliser un assemblage précis de toutes les pièces de la turbine. Il sont découpés dans la même matière, et peuvent servir plusieurs fois (avion multi turbines)

la pièce "gabarit2 est à réaliser en trois exemplaires
la pièce gabarit ext. est à réaliser en 2 exemplaires et à assembler pour
réaliser un cylindre de 100 mm de long et 60 mm de diamètre.


  Découpe des pièces de la turbine

 - dresser les blocs pour la turbine proprement dite:
un bloc de 120 x70 en styro extrudé de 50 mm d'épaisseur.
- découper celui ci en  trois ( 1 bloc de 70x70, 1 bloc de 50 x 70 et un bloc de 19x 70)


 

Le bloc de 70 x70 va servir à la découpe de" la chambre de combustion" ou du "carter extérieur" ou encore en moins poétique,du tube extérieur.
Le bloc de 50 x 70 servira au tube intérieur ou "berceau moteur"
le bloc de 19 x 70 servira à la confection des pales du redresseur de flux.(j'ai oublié de noter le nom du profil original que j'ai choisi pour son épaisseur mince et sa forte courbure, en m'inspirant de ce qu'on trouve sur d'autres turbines du même genre)
 
Dans un premier temps, on découpe dans le bloc de 70 x70, placé verticalement sur la table, le creux correspondant au passage des trois pales de redresseur de flux dans ce tube, avec le bon calage.

le fichier utilisé est le fichier 1-paleext.cnc

Ensuite, après avoir fait faire une rotation de 90° au bloc (bord d'attaque de la pale vers l'axe Xgauche), on découpe en une seule fois, les trois secteurs qui formeront le tube extérieur.

le fichier utilisé est le fichier 2-ext.cnc
On peut voir sur la photo suivante le résultat obtenu après "démoulage"

Après avoir réalisé les gabarits de construction et la chambre de combustion, nous allons attaquer le berceau moteur.

Les blocs ont déjà été dressés.
Nous allons utiliser le bloc de 50 x70.
 
Dans un premier temps, on découpe dans le bloc de 70 x50, placé
verticalement sur la table, le creux correspondant au passage des trois
pales de redresseur de flux dans ce tube, avec le bon calage.     

 

le fichier utilisé est le fichier 3-paleint.cnc

Ensuite, après avoir fait faire une rotation de 90° au bloc (bord
d'attaque de la pale vers l'axe X gauche), on découpe en une seule fois,
les trois secteurs qui formeront le tube intérieur.

 

le fichier utilisé est le fichier 4-int.cnc

On peut voir sur la photo suivante le résultat obtenu après "démoulage"

 

Après avoir réalisé les gabarits de construction, les éléments du tube extérieur et du tube intérieur, on va découper les dernières pièces : les pales du redresseur de flux.

On utilise le dernier petit bloc de mousse qui fait 19 x 70. (en fait 50 x50 x 19 suffisent.)

Vous trouverez le fichier CNC pour découper six pales (on en utilise que trois pour une seule turbine).

On place le bloc verticalement sur la table, les 19 mm correspondent à la dimension "longueur du tronçon dans CNC, on le place donc le long du bord de la table, petit côté vers le fil.

 

le fichier utilisé est le fichier  5-pales.cnc 

Attention, vitesse lente et réglage de chauffe au poil (ou plutôt presque aux cheveux) et placement du bloc sur le bord de la table pour pas que le fil puisse traîner!

On peut voir sur la photo suivante l'ensemble des pièces en styro qui sont l'âme de cette turbine.

 

Après avoir découpé toutes les pièces CNC, on va commencer les renforts et la finition des pièces avant de faire leur assemblage.

1) Le tube extérieur :

- Avant tout, il faut découper, dans la bouteille de soda de 1,5 l , la section bien droite  

 


- Ensuite, on fend le tube sur toute sa longueur, et on y découpe trois sections bien droites : une de 70 mm de long, une de 50 mm de long et une de 19mm de long.

 


-
On place ensuite la section de 70mm autour du gabarit (cylindre en styro de 60 mm de diamètre et 100 mm de long. On coupe ce qu'il y a de trop de façon a avoir un chevauchement de 8 à 10 mm. On colle le chevauchement, en serrant bien, sans coller le plastique au gabarit. on peut placer deux ou trois élastiques autour du tout pendant le séchage de la colle.

Petite remarque en passant : Si vous avez déjà réalisé des verrière en plusieurs pièces au départ de bouteilles, vous aurez constaté qu'il est très difficile de faire coller les morceaux ensemble. En effet la cyano n'adhère pas bien même en ponçant les surfaces en contact et l'époxy c'est encore pire. Eh bien, une foi de plus, la fameuse colle universelle fonctionne très bien pour cette application!

-
En laissant le plastique sur le gabarit, on colle les trois sections en styro sur celui-ci et l'un à l'autre. Ces pièces doivent en principe s'ajuster exactement pour former un tube, sans jeux. Pour ce faire, on enduit de colle toute la surface extérieure du plastique, les bords et la surface intérieure des trois secteurs du tube en styro. on laisse la colle évaporer quelques minutes, on assemble et on maintient le serrage avec des élastiques.

 

- Maintenant, c'est une des parties les plus délicates à réaliser : il faut découper le passage des pales dans le tube de plastique, bien en face des découpes dans le tube en styro. pour cela il faut avoir un scalpel avec une lame pointue (n°11) neuve ou parfaitement affûtée.
Il faudra vérifier et éventuellement ajuster la découpe, lorsqu'on aura terminé les pales.

 


 

Le tube intérieure
 

Il y a deux manières de réaliser le tube intérieur (berceau moteur)

La première ressemble à celle utilisée pour la tube extérieur, la seconde (meilleure à mon avis) nécessite l'utilisation d'un morceau de gaine thermo rétractable qui sert d'habitude à emballer les packs d'accus (en vente au mètre dans les magasins de modélisme).

- Il faut disposer du moteur (ou d'un autre speed 400 qui a le même boiter). Les premières manipulations sont identiques pour chaque méthode :
découper une bande de papier de 175 mm de long sur 50 mm de large.

- Commencer par enrouler un tour de la bande de papier autour du moteur, bien droit et bien serré. Il reste de quoi faire un second tour, mais cette fois on enduit d'abord de colle et on termine l'enroulement en serrant bien (l'idéal est de tenir le moteur au centre du rouleau de papier vu que la cloche du moteur est légèrement conique) - la bande de papier est donc collée sur elle-même, mais pas sur le moteur - il ne peut pas y avoir de jeu 

 

 - Après un petit temps de séchage, on colle les trois secteurs en styro du tube intérieur sur le tube de papier, toujours en place sur le moteur.

 


Première méthode :

- Après séchage, on ponce légèrement l'extérieur du tube (styro) pour enlever les bavures éventuelles, et on prépare la bande de 50 mm de large de plastique provenant de la bouteille. On enroule la bande de plastique en la collant sur toute la surface du styro avec un chevauchement de 5 ou 6 mm. Pour ce collage, on enduit toute la surface de l'extérieur du tube styro et toute la surface de l'intérieur du plastique de colle universelle, on laisse évaporer les solvants quelques minutes, puis on enroule bien serrant avec un petit chevauchement.

 

 

 

 


Seconde Méthode :

- Après séchage, on ponce légèrement l'extérieur du tube (styro) pour enlever les bavures éventuelles, et on prépare la bande de 60 mm de long de gaine thermo rétractable (celle que j'ai utilisé fait 58 mm de large aplatie). On encolle toute la surface de styro et on laisse évaporer les solvants quelques minutes. On enfile la gaine par dessus en laissant dépasser de +/-3 mm coté arrière du moteur et 7mm coté avant.

 

 On peut voir qu'après rétraction (au décapeur thermique sans exagérer pour ne pas déformer), la gaine déborde vers l'intérieur côté avant du moteur. Cela a deux avantages: le premier c'est d'avoir une butée pour empêcher le moteur d'avancer, le second est l'avoir un renfort vers l'avant lorsqu'on aura découpé le passage des pales du redresseur de flux. Dans le cas du renfort avec le plastique de bouteille, on doit découper le passage de la pale  à l'extrémité du tube, et cela fait un affaiblissement du serrage autour du moteur.
De plus la rétraction fait que le moteur est maintenu par serrage dans ce tube, et il n'est presque plus utile de le coller. Il faudra juste assurer avec une goutte de cyano, lorsqu'on aura tout réglé.

 


Dernière étape (commune aux deux méthodes) :

- On découpe avec un scalpel bien affûté le passage des pales du redresseur de flux dans le plastique sans entamer le papier.

 

 

 

Les pales du redresseur de flux
 

- On va utiliser le dernier morceau de la bouteille de soda.

- On a donc une bande de 19 mm de large et d'une longueur correspondant au périmètre de la bouteille (environs 27 cm).

- On coupe cette bande en trois pour avoir des morceaux de 9 cm que l'on va plier en deux bien droit, comme sur la photo 

 

- La courbure correspond a peu près à l'extrados de la pale, mais est dans le mauvais sens pour l'intrados. A l'aide d'un tournevis ou autre outil cylindrique de petit diamètre, on va forcer le plastique à prendre une courbe dans l'autre sens pour correspondre à l'intrados en roulant le plastique avec les doigts autour de la lame du tournevis.


- On dispose donc de trois pales et de leur coffrage en plastique dur.

 


- On colle le coffrage sur chacune des pales avec la colle universelle (application - évaporation -serrage.)

  


- On coupe le bord de fuite de chaque pale, bien droit,  à une longueur de 40 mm.

 


- Après séchage des pales, on les introduit, sans forcer, dans les fentes du tube extérieur en les passant de l'intérieur vers l'extérieur. si ça coince, on ajuste la découpe avec le scalpel.

- On fait de même pour vérifier que les pales entrent bien dans leur logement dans le tube intérieur (de préférence en ayant le moteur en place pour ne pas déformer le tube) .

 

Assemblage du corps de turbine.

- On dispose maintenant d'un tube extérieur renforcé et découpé pour le passage des pales, d'un tube intérieur renforcé et découpé pour le passage des pales et enfin de trois belles pales renforcées. il faudra aussi préparer le trois gabarits préparés lors du début.

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- On va avoir besoin d'un peu d'époxy rapide et de quelques élastique larges.

- On commence par coller deux des trois pales du redresseur de flux dans leur logement sur le tube intérieur (équipé provisoirement du moteur). On place la troisième pale dans son emplacement sans la coller. On nettoie soigneusement tous les débordements éventuels de colle, et on place les trois gabarits entre les pales, puis on enserre le tout avec trois ou quatre élastique pendant la polymérisation.

 

 

 
- Lorsque la colle à durci, on enlève les élastiques et les gabarits. On fait passer la troisième pale dans un des emplacement du tube extérieur, et on encolle le logement de la troisième pale dans le tube intérieur.

- On présente le tube intérieur muni de ses deux pales déjà collées dans le tube extérieur et on les fait pénétrer dans les encoches prévues. On positionne la troisième pale en l'enfonçant jusqu'au fond de son logement préencollé dans le tube intérieur. On enlève rapidement les débordements éventuels de colle et on introduit les trois gabarits de positionnement dans leur logement.

 


- On laisse prendre le collage de la troisième pale dans le tube intérieur tout en maintenant le tout en place avec des élastiques placés autour du tube extérieur.

 


- Dès que la colle a pris, on retire les élastique, on vérifie que les gabarits puissent bien coulisser, on revérifie les alignements et on bourre de l'époxy rapide depuis l'extérieur, dans les interstices entre le tube ext et les pales. on laisse prendre sans bouger avec les gabarits en place..

 

- Après durcissement complet de l'époxy, on doit avoir un assemblage léger et très rigide. On peut admirer la plus grosse partie du travail terminée..

 


-
Il faut aussi enlever tout ce qui peut dépasser du tube extérieur(colle, bout de pales etc) avec une lame et/ou du papier de verre.

-
Le gabarit cylindrique devrait rentrer facilement dans l'avant de la turbine et pouvoir tourner sans trop de serrage.

- A ce stade, si la turbine n'est pas prévue pour être installée dans un tube épais comme une nacelle, on peut renforcer  le tube extérieur avec de la fibre ou de la mèche de carbone. Pour ce faire, on laisse le gabarit cylindrique en place pendant le recouvrement pour éviter tout faux rond surtout au niveau du rotor..   

dernière minute :

Si vous n'avez pas suivi les discutions sur la surchauffe éventuelle du moteur par manque d'aération, je vous explique ici comment réaliser des sorties d'air appelées "sorties Pierre".

Il suffit d'entailler par l'intérieur, le tube intérieur au travers du papier, jusqu' à la couche de plastique, sans entamer celle ci de manière à réaliser deux rainures d'une largeur égale aux ouilles du moteur, sur la partie arrière du tube, entre les ouilles et l'extrémité arrière.
Regardez la photo si vous n'avez rien compris!

 

 
"Rotor de turbine".

Il manque la partie principale de notre belle turbine!

- On va utiliser une "bête" hélice GUNTHER ( 5 x 47 ) qui en dépit de ce que certains disent, est une excellente hélice. Ceux qui ont déjà fait la comparaison en vol avec, par exemple, une Graupner CAM PROP de mêmes dimensions, beaucoup plus chère ne me contrediront pas!

 


- Bon, ben cette belle hélice, on va la massacrer (si vous pouvez en récupérer dont les bouts de pales ont subi des outrages.... mais vérifiez bien que au niveau de l'axe, elle ne soit pas fendue!)

- Première chose à faire : on prend son pied.....à coulisse et on marque les deux pales à 30 mm du centre en enfonçant légèrement une des pointes à mesurer l'intérieur dans le trou du petit cône en plastique noir, tout en traçant un arc de cercle sur la pale avec l'autre pointe, comme avec un compas.

 


- A l'aide d'une pince coupante ou de tout autre outil du même genre, coupez les deux pales bien droit ,légèrement à l'extérieur du trait.

- Vous allez maintenant placer l'hélice recoupée sur le moteur destiné à la turbine ou un autre qui traîne dans l'atelier,.vous allez raccorder ce moteur à une alimentation variable, ou à défaut un accu de faible voltage ou encore un variateur... de façon à le faire tourner à une vitesse raisonnable.

- Il faut aussi disposer d'une feuille de papier de verre à gros grain. On tient  le moteur en main, bien parallèle à la surface du papier de verre et on approche délicatement le moignon d'hélice en rotation de manière à réduire légèrement son diamètre par usure.  


- Il faut faire cela par approches successives en mesurant à chaque fois le diamètre atteint avec le pied à coulisse. Lors des dernières passes, on contrôle  moteur en place dans la turbine que le rotor puise faire un tour complet (à la main) en ne s'approchant pas à moins de 0,5 mm de la paroi à aucun endroit ( n'oublions pas que malgré l'utilisation d'une machine numérique, nous avons à faire à une oeuvre artisanale et unique! donc si il y a un léger faux rond, ce n'est pas dramatique.
Il faut aussi tenir compte du fait que lorsque le rotor tourne à 35000 tours, les palles s'écartent légèrement par la force centrifuge.

 

 


- De même, lors des essais de la turbine, faites très très fort attention si vous la faites tourner en la maintenant par le carter extérieur de ne pas écraser, même légèrement le tube extérieur, car si une pale vient à toucher la paroi en plastique de bouteille, le plastique va fondre et se boursoufler à cet endroit et vous risquez fort de devoir tout recommencer!!!!! Si on veut à tout prix la faire tourner en mains, il faut soit l'avoir déjà installé dans une nacelle rigide, soit la maintenir au niveau des pales du redresseur de flux sans appuyer, et accélérer le moteur progressivement,  ce qui n'est pas évident, vu la traction non négligeable de l'engin.

DONC  PRUDENCE !!!!!!!

Une nacelle universelle et quelques  extra....

D'abord , une petite astuce :
Les petits cônes en plastique des hélices Gunther sont bien joli et pratiques, mais comme j'ai déjà perdu pas mal d'hélices de ce type en vol, je me méfie. On peur utiliser un adaptateur d'hélice du commerce, mais je pense qu'ils ont tous un diamètre de 5mm alors que le trou de l'hélice gunther fait 4mm et qu'il ne reste pas trop de matière autour! On peut toujours les re- forer, mais...
J'avais déjà expliqué dans un dossier précédant, comment je réalisais mes adaptateurs M4 moi même. Depuis, j'en réalise toujours mais encore plus simplement :

Il faut une vis M4x10 de préférence à tête hexagonale, une mèche de 6 ou une mèche à centrer et une mèche de 2,3mm .


Au moyen d'une perceuse à colonne, on fait un avant trou de centrage dans la tête de la manière suivante : on place une mèche de 6 ou une mèche à centrer à l'envers dans le mandrin. On abaisse le mandrin avec la mèche jusque dans l'étau ajustable et on serre la queue de la mèche dans l'étau après l'avoir bien positionné. On pointe la tête de la vis.

 

Ensuite, on fait de même avec la mèche de 2,3mm et on traverse la vis de part en part. si la mèche émerge bien au centre de la pointe de la vis, on a gagné.

 
Si on à bien refroidi la mèche pendant le forage, il faudra presser la vis sur l'axe du moteur au moyen d'un étau..

 


Encore une chose :
pour effectuer toutes les opérations au cours de la réalisation de cette turbine, spécialement lors des réglages de la longueur des pales, il est plus commode d'avoir un porte hélice à vis que de devoir placer et retirer plusieurs fois le l'hélice avec son cône en plastique à serrage.

Mise en place de la turbine dans le modèle :


Si la turbine est destinée à être placée dans un fuseau, il faudra lui adjoindre un tube d'entrée et une tuyère de sortie.

Pour la fixation de turbine elle même, je conseille de découper deux bagues (ou quatre demi bagues si on veut pouvoir ouvrir le fuseau à cet endroit), de 5 à 10 mm d'épaisseur, ayant un diamètre intérieur correspondant au diamètre extérieur de la turbine et une forme extérieure correspondant à la forme intérieure du fuseau à cet endroit.

La nacelle :

Elle est constituée de 4 pièces: la lèvre d'entrée, la section centrale et la "tuyere en deux parties. On construire cette nacelle de manière à ce qu'elle reste démontable, ce que je vais faire, pour pouvoir faire des modifications éventuelles à la turbine (moteur speed 300 ou cdrom).

 


La lèvre d'entrée : notre belle machine à découper au fil chaud est incapable de découper des formes non développables. On pourrait donc découper un tube épais puis par ponçage, arriver à la forme définitive. j'ai déjà fait ce genre de chose, et ce n'est pas facile d'avoir un beau travail régulier sur toute la circonférence!

J'ai donc utilisé une astuce : j'ai dessiné le profil de la lèvre, pour en faire un .dat. je découpe un long tronçon avec ce profil, mais pour une fois, j'ai  choisi le sens du poly le plus malléable dans la longueur.

 fichier o-lèvre.cnc

Ensuite, il suffit de coller une bande de scotch sur tout l'extérieur et de cintrer la forme sur un mandrin d'un diamètre plus faible que celui de la turbine. Ensuite inl faudra mettre le "boudin" en place sur la turbine et couper les deux extrémités (petit à petit) de manière a fermer le cercle sans jeux.
On colle les deux extrémités ensemble en dehors de la turbine et on laisse sécher en maintenant avec un tour de scotch.

 

On découpe les tronçons suivants dans du poly de 50mm d'épaisseur placé debout. au moyen des fichiers  

 

 



 

Quelques commentaires

Ayant déjà pas mal pratiqué la turbine électrique, je vous donne ici quelques déductions de mes mesures et autres expériences: (si vous cherchez sur Internet et dans la littérature, vous trouverez parfois des avis contraires!.....):

Position de la turbine dans le modèle : à mon avis l'idéal est de placer la turbine le plus en arrière possible, car un tube d'entrée de section constante améliore la poussée par rapport à la même turbine sans son tube, même avec une longueur conséquente.

Une belle lèvre d'entrée améliore aussi le rendement (en théorie jusqu'à 30%, en pratique , parfois beaucoup, parfois très peu??)

Un resserrement de la tuyère : lors de tous les essais que j'ai fait, un resserrement , même faible et au max, pour arriver à une section correspondante à celle de la turbine moins celle du moteur, provoque toujours une perte de poussée statique, une perte de tours moteurs et une consommation accrue. J'ai lu quelque part, un article qui prétendait le contraire????
Il est toutefois possible qu'en vol, le resserrement provoquant une accélération du flux d'air, les performances soient meilleures à grande vitesse. A tester!

Une et pire deux turbines qui vibrent, ont un rendement fort diminué et provoquent des problèmes radio ou similaires ! l'avantage de la PTW 400, est la très faible masse du rotor....

Une dernière chose, j'ai fabriqué un magnifique "cône d'entrée" de forme hémisphérique, et du diamètre exact du tube intérieur, comme on le voit sur beaucoup de turbines du commerce, et bien malgré un centrage et équilibrage parfait, j'ai mesuré une perte de plus de 30% de la poussée statique! De plus un fort bruit de succion se faisait entendre!  Donc soit le petit cône d'origine, soit un petit adaptateur d'hélice. (la mise en place d'un cône à l'arrière du moteur ne semble pas non plus apporter d'amélioration. De plus ça risque de diminuer le refroidissement du moteur)

dernières caractéristiques mesurées :

Turbine complète sans moteur (fabriquée lors de l'écriture du dossier) = 13gr
lèvre 2gr nacelle 11gr (là, on pourrait encore gagner un peu!) soit au total 26 gr + les 73gr du moteur.  Qui essaye avec un moteur CDRom?
 

Tests en Vol....

Réaliser des turbines, c'est bien, prouver qu'elles fonctionnent bien c'est mieux!
J'ai donc réalisé un banc test volant : Un S-3A VIKING de 1m30 d'envergure, avec deux de ces turbines et alimenté par 3s1p lipo 2650mAH.
J'ai même installé un train rentrant perso avec la cinématique du vrai.
 

Eh bien, a part des problèmes d'incidence  au roulage, qui m'ont donné quelques frayeurs, les turbines ont des performances excellentes, car l'avion de 1200gr, avec son gros fuseau et son train d'atterrissage, décolle facilement à 2/3 gaz et peut voler à belle vitesse.

 

 

 

 


Un futur dossier?
Si cela en intéresse plus d'un, j'essayerai de le réaliser rapidement.
 

Les fichiers CNC

Dossier de Papy Kilowatt

 


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