lundi 9 janvier 2012

les Moteurs à compresseur (restructuré 13 / 02 / 2016)



Accéder aux hautes altitudes


Les moteurs des avions opérationnels de 1900 à 1943 étaient tous des moteurs à pistons. 

La plupart consommaient de l'essence et étaient à 4 temps. 

Quelques diesels apparurent en Allemagne à la fin des années 20. 

Leur développement ne fut pas aussi grand qu'attendu car le principe même de leur fonctionnement imposait des moteurs très lourds.

Les avions qui volaient à la sortie de la Grande Guerre employaient les moteurs existants pour voler à l'intérieur d'une tranche d'altitude comprise entre le sol et environ 2 000 m.

Cependant, les constructeurs commencèrent à développer des avions de plus en plus fiables. 




Le développement des lignes aériennes consomma rapidement les derniers moteurs issus du conflit au moment exact où se posait concrètement le problème du franchissement quotidien des montagnes.

Traverser une chaîne de montagnes nécessite à la fois qu'un avion ait un plafond suffisant (malgré sa  charge) et que son temps de montée soit court.

Certes, les chasseurs passaient facilement au-dessus des montagnes Européennes, l'excellent chasseur Nieuport 29 C1 de 1920, par exemple, avait un plafond pratique de 8 500 m. 

Mais on savait que même un plafond de cet ordre serait un jour insuffisant, que ce soit pour passer les Montagnes Rocheuses, la Cordillère des Andes ou l'Himalaya.



Le principale problème des moteurs à essence au tout début des années 20 était alors lié à la diminution de la pression atmosphérique (cette force physique qui nous permet de lire l'altitude sur un altimètre).

Certes, cela entraîne une baisse de la résistance à l'air qui, à puissance constante, devrait améliorer la vitesse. 

Sauf que, justement, parce que la quantité d'oxygène baisse, la puissance des moteurs baisse également.


Apporter de l'oxygène au moteur


L'idée n'est pas sorcière : Il suffit de comprimer l'air qui arrive au moteur.

On commença à augmenter le taux de compression de certains moteurs. Mais on se heurta alors au problème du cliquetis, c'est à dire l'explosion prématurée du mélange air-essence.

Comme l'essence à fort taux d'octane coûtait cher, cette solution n'était pas satisfaisante.

Le compresseur, justement, comprime l'air pour apporter ce qu'il faut d'oxygène dans les cylindres pour que les explosions se produisent dans les cylindres. 



Une nouvelle question fut posée : Le compresseur doit-il être placé en amont ou en aval du carburateur ?

La réponse ne pouvait être qu'expérimentale, mais la concurrence féroce entre les motoristes ne permit de la connaître qu'au milieu des années 30 : Si le compresseur est placé en aval du carburateur, le mélange carburé - gazeux - entre très chaud dans le moteur.
Ce n'est pas le cas lorsque le compresseur est placé en amontdisposition qui apporte le meilleur rendement du moteur.


Un dernier problème restait à résoudre problème est qu'il faut trouver l'énergie nécessaire à faire tourner ce compresseur.

On peut utiliser une partie de la puissance du moteur, mais cela signifie que le moteur sera de toute manière un peu moins puissant.


La solution qui parut la plus simple était d'employer l'énergie "gratuite" fournie par les gaz d'échappement. C'est le principe du turbo-compresseur.

Le premier modèle testé, le turbo-compresseur Rateau était très efficace, mais le concepteur avait - à ce que disait un de ses concurrents - un peu négligé l'aérodynamique interne de son turbo-compresseur, ce qui perturbait son rendement.

Par ailleurs, son principe de construction était trop en avance sur la métallurgie du temps. 

Comme il utilisait les gaz d'échappement pour faire tourner la turbine du compresseur, cette dernière avait du mal à résister à la température de 800° où elle devait fonctionner. 

Malgré l'emploi d'alliages de tungstène, la fiabilité restait douteuse. 

Pour autant, il permit de surpasser les plafonds des meilleurs avions d'environ 2 000 m.


Les compresseurs mécaniques


Les simples compresseurs mécaniques, très courants sur les voitures de sport de l'époque, n'avaient pas ce type de contrainte et on était arrivé à augmenter leur rentabilité énergétique.

A partir de 1931, tous les moteurs d'avions militaires commencèrent à en être équipé.

Ce type de compresseur comprime le mélange d'air d'altitude et de carburant de manière à retrouver la pression du niveau de la mer (voire un peu plus).

Il permet alors de rétablir la puissance des moteurs jusqu'à une altitude nettement plus élevée, là où l'air raréfié réduit la résistance à l'avancement de l'avion. Du coup, la vitesse maximale possible augmente considérablement. 

La faible pression extérieure lors d'un vol à haute altitude favorise également l'éjection des gaz d'échappement, ce qui augmentait encore le rendement.



Différence entre résultats de laboratoire (au sol) et en vol à haute altitude


Les compresseurs étaient nécessairement essayés dans des "laboratoires" où la pression de l'air était diminuée artificiellement au niveau voulu.

Le moteur Hispano-Suisa 12 Ycrs, par exemple, donnait 860 Cv à 3 250 m d'altitude simulée en laboratoire.

Par contre, on s'aperçut que les avions atteignaient toujours leur vitesse maximale nettement plus haut que cette altitude.


Ce fut, entre autres, le cas du prototype du Dewoitine 510, équipé du moteur 12 Ycrs. 

Il atteignait 330 km/h au niveau de la mer mais sa vitesse passait à 402 km/h à 4 800 m d'altitude, soit 1 500 m au dessus de l'altitude maximale de rétablissement de puissance.

A l'altitude officielle de rétablissement, il atteignait 372 km/h.


document personnel de l'auteur
courbe vitesse de pointe / altitude du Dewoitine 510 à moteur HS 12YCrs


L'explication en est que l'avion, en se déplaçant, subit une augmentation de la pression dynamique de l'air qui augmente la pression d'air dans le compresseur, donc la puissance du moteur, jusqu'à ce que soit atteint ce surcroît d'altitude.

Ce phénomène est renforcé parce que :
  • L'air en altitude est nettement plus froid que l'air au niveau de la mer, ce qui permet d'augmenter la quantité de mélange introduit dans les cylindres.
  • La plus faible pression en altitude aide à vider les cylindres des gaz brûlés par la combustion.


La bonne qualité de l'écoulement de l'air jusqu'au compresseur est très importante. 

Le moteur Hispano-Suiza 12 Y 45 des Dewoitine 520 rétablissait la puissance jusqu'à 4 200 m en laboratoire, ce qui se traduisait par une vitesse de 535 km/h à 5 500 m en vol réel.

Ceci était dû à l'excellent compresseur S 39-H3 (voir dans ce post).

Une amélioration dans l'aérodynamique des entrées d'air permit alors de gagner encore 700 m et de passer à 550 km/h. 

Mais, sur le D. 520, si le montage de l'entrée d'air était fait à la va-vite, l'écoulement de l'air était perturbé et le gain d'altitude et de vitesse revenait à ce qui existait avant l'emploi des entrées d'air sophistiquées.



Les compresseurs sophistiqués sont venus de France


En 1936, les compresseurs n'avaient qu'un seul étage.

La Bataille de France comme celle de Grande Bretagne ne verront que ce type de compresseur chez quelque belligérant que ce soit.

Si je dis cela, c'est parce que nombre de sites Anglo-Saxons attribuent toujours la faiblesse de la Chasse Française de 1940 au manque de compresseurs à double étage sur les moteurs en service.


Cet anachronisme est typique de leur méconnaissance de l'Histoire : Ils comparent les moteurs Français de 1940 aux moteurs Alliés de 1945 ! 

Ces mêmes commentateurs pourraient tout aussi bien s'étonner que nous n'ayons pas engagé nos Mirages 2000 ou nos Rafales !

C'est assez piquant, car la technologie fiable du compresseur à double étage était celle des établissements Français Farman, dont la licence a été achetée par Rolls-Royce en 1938. 

Elle sera appliquée à partir du moteur Merlin XX, qui n'entra en service que bien après la bataille d'Angleterre, vers 1942.


D'ailleurs, leur propre chasseur Curtiss P 40, généralement reconnu comme un bon avion à basse altitude, était évalué comme complètement surclassé à haute altitude.

Cette mauvaise réputation est entièrement due à la très mauvaise qualité du compresseur associé à son médiocre moteur Allison.

Comme le P 40 dut faire face à deux chasseurs exceptionnels au niveau des aptitudes ascensionnelles - le Messerschmitt Bf 109 F et le Mitsubishi A6 M2 Reisen (ou Zéro) - il fut leur souffre-douleur.







17 commentaires:

  1. Effectivement les moteurs français sont traités dans le monde anglo-saxon avec beaucoup de condescendance... Voir notamment Bill Gunston qui trouve les performances du 12Y "pathétiques".

    En sus, les commentateurs - qu sont maintenant largement traduits en français via Wikipédia - vivent dans une double ignorance, chronologique et technique.

    Chronologique parce qu'en effet, on ne voit apparaître de compresseurs à 2 vitesses réellement opérationnel qu'aprés la bataille de France.

    Tehcnique, parce que les auteurs ignorent que le compresseur Planiol-Szidlowski, en série sur le D520, avait été testé dès Aout 1940 par le NACA, qui avait démontré que sa "circulation variable" surpassait nettement le compresseur DVL à couplage hydrualique (qui valait un système à deux vitesses) - Naca report n° 795.

    Gnôme-Rhône avait testé le compresseur à 2 vitesses sur le 14P, type intermédiaire entre le 14N et le 14R, dont il serait d'ailleurs intéressant de connaître les raisons de l'abandon...

    Et son licencié Piaggio, sur le P.X RC (en gros, 9K avec des cylindres de 14N premières séries), montait en série un compresseur à deux vitesses...

    Cordialement,

    Alain Breton

    RépondreSupprimer
  2. Cher ami, j'en aurai peut-être su davantage si j'avais eu l'intelligence d'acheter, quand il en était encore temps, le Docavia sur les moteurs d'avion à piston Français.
    Je suis toujours sidéré par le French bashing permanent de nos "so called" alliés. Mais j'ai pu constaté que le Jane's de 1945 était déjà dans ce style...

    Soit dit en passant, si vous en aviez envie, j'aimerais bien que vous écriviez un post sur le compresseur S39 que j'adorerai lire.

    RépondreSupprimer
  3. Bonjour

    J'ai peut-être enfin compris comment ne pas rester anonyme...

    Une note sur le compresseur S39 ? Pourquoi pas, je vais m’y mettre mais ce sera Sans Garantie du Gouvernement.

    Petit détail sur le compresseur du Merlin, il était bien de technologie Farman, mais uniquement au niveau de l’entraînement (triple cascade de pignons, l’une pour la première vitesse, les deux autres en parallèle pour la deuxième. Et les embrayages également) , le compresseur stricto sensu étant d’origine Rolls-Royce – et très perfectible, comme le démontra Stanley Hooker.

    Lorsque le Merlin fut construit aux USA sous le nom de V-1650, les ingénieurs de Packard pointèrent deux difficultés : les culasses intégrales avec les blocs-cylindres, et l’entraînement du compresseur. La première question mis des mois à être résolue, par contre dès le départ le V-1650 sortit des chaînes outre-atlantique avec un entraînement « made in USA ».

    Pour finir, j’ai glissé dans la notice française Wikipédia de l’Hispano-Suiza 12Y, une anecdote qui met le moteur en relation avec Rolls-Royce… je vous la laisse découvrir.

    Bien cordialement,

    Alain

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. A moi d'avoir des questions : Comment éviter la conservation des points chauds ?
      Comment fonctionnaient les amortisseurs dynamiques de vibrations ? Etaient-ce juste des contrepoids ?

      Sur le site du VG33 de Frank Devillers, il y a une page sur l'HS 12Y47 qui montre que le moteur du VG 33 utilisait bien des bielles à fourche, mais Louis Bonte dit, dans son livre, que Hispano n'utilisait que le système à bielles et biellettes et que cela expliquait sa faible vitesse de rotation.

      A bientôt !

      Supprimer
  4. Re bonjour

    Les points chauds dans un moteur à refroidissement liquide s'évitent par une circulation renforcée et contrôlée, et/ou un dessin optimisé de la "cavité" où passe le liquide, avec un choix judicieux de ses entrées et sorties.

    Hispano utilisait aussi un artifice (dont il n'était pas l'inventeur), les "clarinettes" qui étaient de simples tubes percés traversant la culasse en longueur, dont les trous étaient orientés de façon à répandre le liquide froid sur les parties les plus chaudes (sièges et guides de soupapes d'échappement, notamment).

    Une autre difficulté est d'arriver à absorber les poches de vapeur qui peuvent se former en cas d'effort prolongé, au moyen d'évents reliés aux points supérieurs du circuit. Il est probable que c'est la formation d'une poche et son extension qui est à l'origine de l'accident du Merlin-Hispano. Rubbra qui rapporte l'anecdote, indique que cet épisode se situe juste à un moment où un fabricant mit au point des soupapes thermostatiques hyper-sensibles, qui permirent enfin de résoudre les problèmes de dilatation des culasses. Mais en fait, la question des fuites internes du Merlin ne fut réellement éradiquée que lorsque les équipes de Packard eurent mis au point les culasses démontables des dernières versions.

    Les amortisseurs dynamiques de vibration sont en effet des contrepoids, mais fixés de façon flottante au vilebrequin, formant un système pendulaire. Comme les masses sont rappelées en place par la force centrifuge, l'ingénieur Sarrazin (et d'autres, il y a aussi un dénommé Salomon qui avait fait breveter à peu près la même chose) avait démontré que la période dudit ensemble varie avec le régime, et que de ce fait une masse déterminée absorbe un harmonique déterminé à tous les régimes. D'où l'intérêt de la chose pour réduire les vibrations, notamment de torsions sur les (longs) vilebrequins de V-12.

    Bonte est un peu trop catégorique. Les 12Y ont existé avec trois sortes d'embiellages, voir le tableau récapitulatif que j'ai publié ici :
    http://www.aerostories.org/~aeroforums/forumtek/aff.php?nummsg=13032

    Un schéma du réducteur à "roue élastique" est ici :

    http://www.aerostories.org/~aeroforums/forumtek/aff.php?nummsg=13043

    Et juste pour finir de contrarier Bonte, il faut rappeler que lors de la mise au point du fameux Rolls-Royce "R" de la coupe Schneider, les ingénieurs furent obligés d'abandonner les bielles concentriques pour venir au système bielles-biellettes, dans la version R3 qui donnait 2.200 ch à 3.200 t/mn. Pour mémoire, le RR "R" avait la même cylindrée que l'Hispano 12Y...

    Cordialement,

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. Je suis extrêmement impressionné et satisfait.
      Vos explications sont lumineuses et j'admire encore plus l'équipe des moteurs Hispano.

      En fait, les 12Y les plus récents ont des bielles concentriques.

      Pour revenir au RR "Griffon", qui semble avoir eu une certaine parenté avec le "R", il semble avoir moins bien marché que le Merlin. Mais peut être que la fin de la guerre et l'arrivée des réacteurs n'a pas encouragé à la recherche de solutions...

      En tout cas, merci (et aussi pour le futur texte sur le S39 ;-)

      Supprimer
  5. Bonjour

    Bon, voilà, mon petit pensum sur le S39-H3 est prêt... qu'est-ce que j'en fais ? visiblement, le cadre dans lequel j'écrit n'est pas destiné à recevoir ce genre de document (texte Word avec images)...

    Cordialement

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. Bonjour, je vois 2 solutions pour la publication : l'une dans mon blog car j'ai le droit d'inviter des auteurs. Ce sera une première pour moi, mais j'imagine que ce ne doit pas être sorcier. Par contre, mon blog est assez confidentiel (9141 visites en 11 mois et demi), normal vu le faible nombre de gens passionnés par les sujets que je traite. Sinon, pourquoi pas dans Wikipédia où vous avez vos entrées.

      Pour les illustrations dans ce blog, il faut les intégrer soit depuis un album Picasa, soit depuis une URL. Elles ne sont visibles que si elles sont publiques. Je conseille donc que vous marquiez celles vous appartenant.

      Supprimer
  6. Essai .....
    http://img685.imageshack.us/img685/940/hispano5.jpg

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. voilà, j'ai placé votre photo après le paragraphe sur le 12Y45. J'ai reconnu le vilebrequin d'un 12Y, j'imagine que la structure de la bielle correspond à un amortisseur ?

      Supprimer
  7. Wikipédia, pourquoi pas... mais écrivant dans l'esprit Blog, j'ai fais cela comme une "conversation à baton rompu", qui n'est pas celui de Kikipédia... Nous allons voir

    RépondreSupprimer
  8. Bonsoir

    Non, la bielle a la structure habituelle Hispano (assemblage par goupilles pour la bielle centrale, boulons pour le reste = c'est donc un 12Y 21 à 47, mais pas un 12Y 49 qui avait ses bielles tout à boulon).

    Le système d'amortissement se plaçait en bout de vilebrequin, côté compresseur - je viens d'en mettre 2 photos sur la notice Wikipédia "Hispano Suiza 12Y".

    Cordialement

    RépondreSupprimer
  9. Bon... mon texte ne passe pas, avec les adresses d'illustrations il fait 8200 caractères, soit plus du double autorisé...

    Any solution ?

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. Je ne sais pas si c'est la bonne solution, mais je vous ai inclus dans mon cercle d'amis, ce qui devrait permettre de partager plus facilement, dixit Google.
      Par contre, les photos d'amortisseurs n'apparaissent pas sur le wiki.
      Cordialement

      Supprimer
  10. Le plus simple serait que vous m'envoyiez votre adresse Gmail (moi c'est bretoal arobazzzzz gmail point com).

    Pour les amortisseurs Sarazin, sur Wikipédia il y a un petit futé qui a enlevé les photos pour "copyright violation" (??? une notice technique vieille de 75 ans...), je vais les mettre sur ImageShack...

    Cordialement

    RépondreSupprimer
  11. Bonjour

    Voici un vilebrequin muni des amortisseurs Sarazin - deux masses à l'arrière côté compresseur, à gauche sur le cliché :

    http://img268.imageshack.us/img268/1159/sarazin1.jpg

    Et ici un détail :

    http://img259.imageshack.us/img259/2470/sarazin2.jpg

    Bien cordialement,

    RépondreSupprimer
    Réponses
    1. Cela paraît si simple...

      Je me souviens du jour (au printemps 1958) où le vilebrequin du moteur de la Salmson 2300cc de mon père a divorcé (à environ 5000 t/m d'un de ses contrepoids, qui a traversé la paroi du moteur, a rebondit sur le sol de l'autoroute de l'Ouest et a fait des bonds sur environ 100 m ! J'imagine donc ce qu'aurait pu donner la perte de ces régulateurs !

      Supprimer