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Etude des tuyères I. Introduction : Les tuyères ou les buses sont des conduits

Etude des tuyères I. Introduction : Les tuyères ou les buses sont des conduits de forme spéciale (conique ou oblongue) dans lesquels un fluide accélère alors que sa pression diminue. On peut obtenir des valeurs importantes des vitesses avec des taux de compression relativement faibles dans le cas des fluides compressible. Ce genre de fluide ayant une très grande vitesse à la sortie de la tuyère peut être utilisé dans des nombreuses applications industrielles ; par exemple dans les turbines, les éjecteurs et les injecteurs et même dans le domaine de l’astronautique (les fusées et la propulsion à réaction). II. But de la manipulation : Cette manipulation consiste à étudier le rendement d’une tuyère ou buse soit comme énergie cinétique soit comme producteur de poussée spécifique. La manipulation aide aussi l’étudiant à se familiariser avec ce type d’appareil qui est équipé de tous instruments nécessaires pour la mesure de la pression, du débit massique, de la température, de la poussée et de la force d’impact. III. Étude théorique : 1. Vitesse du jet :  Vitesse théorique : V2 = [2(h1-h2s)] 1/ 2  Vitesse expérimentale : V2 = F/Qm Avec : h1-h2s = γ / (γ-1) × R × T1× [1-(rp) (γ-1)/γ] : la variation isentropique de l’enthalpie ou γ = 1.4 ; R = 287.1 J/kg.K et rp = P2/P1 F : force exercée dans une direction axiale Qm : Débit massique de l’air 2. Rendement de la tuyère : η = V2 2 / 2(h1-h2s) 3. Poussée spécifique: I = F / Qm Avec : F : Réaction du jet On note que : 1 : entrée de la tuyère 2 : sortie de la tuyère s : après processus isentropique IV. Description du dispositif expérimental : Dans l’appareil d’étude des tuyères, l’air est comprimé par un compresseur entre 700 et 900 kN.m-2 puis amené dans une tuyère montée sur la paroi d’une chambre. Le jet d’air sortant de la tuyère percute un dispositif de choc monté à l’extrémité d’un cantilever. En quittant le dispositif de choc, l’air possède une vitesse axiale nulle puis il passe par une vanne régulatrice de pression et il sera finalement rejeté dans l’atmosphère à travers un débitmètre d’air. La force associée au changement du moment entraine la déviation du cantilever qui sera mesurée par un micromètre, le contact est aussi détecté par un voyant lumineux et un voltmètre. La force exercée est déterminée par à partir d’un essai d’étalonnage par contrepoids sur le cantilever. L’appareil est livré avec 5 tuyères, chacun possède un taux de détente différent, dans notre manipulation on va travailler avec la tuyère nº1. V. Étude expérimentale : 1. Etalonnage du cantilever : Force (N) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Lecture sur le cadran 12 23 36 46 54 72 86 98 On trace alors la courbe d’étalonnage : l’évolution de la force F (N) en fonction de la lecture sur le cadran L. (voir Fig. 1) Cette courbe sera utilisée dans la détermination de la force F dans les expériences ultérieures. En effet la courbe F = f(L) est une droite qui passe par l’origine d’équation F = a L, avec a est la pente de la courbe. a = (4 – 0) / (98 – 0) = 0.04 donc F = 0.04 L 2. Détermination de la vitesse du jet et du rendement de la tuyère : On utilise la tuyère nº1 et on effectue les séries de mesure suivantes : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 P1 (bar) 3 3 3 3 3 3 3 P2 (bar) 0 0.5 1 1.5 2 2 2.75 T1 (ºC) 21 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 22 T2 (ºC) 20 20 20 20 20.5 20.5 20.5 Qm (g/s) 2.25 2.95 3 2.9 2.6 2 1.3 Lecture sur le cadran 42 35 30 25 18 10 6 F(N) 1.68 1.4 1.2 1 0.72 0.4 0.24 On va calculer pour chaque essai la vitesse du jet et le rendement de la tuyère ; les résultats obtenus seront notés dans le tableau suivant : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 V2 exp (m/s) 746.7 474.5 400 344.8 276.9 200 184.6 V2th (m/s) 768.1 483.7 394.9 325.5 252.98 167.3 118.32 h1-h2s (J/kg) 2.95 105 1.17 105 0.78 105 0.53 105 0.32 105 0.14 105 0.07 105 rp 0 0.17 0.34 0.5 0.67 0.84 0.92 η exp 0.945 0.96 1.025 1.12 1.19 1.42 2.43 η th 1 1 1 1 1 1 1 On trace alors les courbes théorique et expérimentale du rendement en fonction du taux de compression : η exp =f (rp) et η th = f (rp) (Voir Fig. 2).  Interprétation : La courbe en noir représente l’évolution du rendement expérimental en fonction du taux de compression. Le rendement η exp augmente progressivement avec le taux de compression rp. A une certaine valeur de rp = 0.92, le rendement de la tuyère est maximal (η = 2.43) qui n’est pas une valeur logique (très grande). La courbe en rouge représente l’évolution du rendement théorique en fonction du taux de compression. Le rendement η th est constant quelque soit rp. Il est maximal (η = 1). On remarque aussi qu’il ya certaines valeurs de rendement supérieures à 1 (il atteint même 2 dans le cas expérimental) ce qui n’est pas logique ; ceci est du à l’imprécision du matériel et aux erreurs de lecture. 3. Détermination de la réaction du jet et de la poussée spécifique : On utilise la tuyère nº1 et on effectue les séries de mesure suivantes : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 P1 (bar) 3.5 3 3 3 3 3 3.1 P2 (bar) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 T1 (ºC) 19.5 19.5 20 20 20.5 20.5 21 T2 (ºC) 19 18.5 18.5 18.5 19 19.5 19.5 Qm (g/s) 3.2 3 3 2.95 2.55 2.1 1.4 Lecture sur le cadran 32 25 22 17 12 5 -2 F(N) 0 0.17 0.34 0.5 0.67 0.84 0.96 On va calculer pour chaque essai la réaction du jet et la poussée spécifique ; les résultats obtenus seront notés dans le tableau suivant : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 F(N) 1.28 1 0.88 0.68 0.5 0.2 -0.08 I 400 333.4 293.4 230.5 196 95.2 -57.14 On trace alors la courbe de la poussée en fonction du taux de compression : I = f (rp). (Voir Fig. 3)  Interprétation : La figure 3 représente l’évolution de la poussée spécifique en fonction du taux de compression. La poussée diminue progressivement en augmentant rp. On remarque qu’elle peut aussi prendre des valeurs négatives. Elle est maximale lorsque rp est nulle. VI. Conclusion générale : On peut conclure que le rendement et la poussée spécifique sont inversement proportionnels. On remarque une différence apparente entre la courbe d’évolution du rendement expérimentale et celle théorique. En effet, le rendement ne peut pas dépasser 1. Cette différence est due à l’imprécision du matériel et des erreurs de mesure. On peut remarquer aussi qu’on a travaillé avec des faibles pressions qui ne dépassent pas 3 bars, alors qu’on doit travailler avec des pressions entre 7 et 9 bars, et ceci parce que le compresseur utilisé ne peut pas délivrer des valeurs importantes de pression. De ce fait, arrive les imprécisions des mesures et la différence entre la théorie et l’expérience. uploads/Litterature/ tuyere.pdf