avec la théorie tourbillonnaire appliquée au hélices

181 Pages·2001·7.9 MB·French

&MOIRE PRÉSENTÉ A
L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
COMME EXIGENCE PARTIELLE
A L'OBTENTION DE LA
MA~TRIsEE N GENIE &CANIQUE
MING.
PAR
SIMON JONCAS
CONCEPTION ET FABRICATION D'UNE AILE ROTATIVE BASSE VITESSE
POUR UN HÉLICOPTÈRE A PROPULSION lXMiUNE
MONTRÉAL,D ÉCEMBRE 2000
@ droits réservés de Simon Joncas 2000
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permission. autorisation,
M. Christian Masson, directeur de mémoire
Département de génie mécanique de l'École de technologie supérieure
M. Louis Lamarche, professeur
Département de génie mécanique de l'École de technologie supérieure
M. Anh Dung Ngô, professeur
Département de génie mécanique de l'École de technologie supérieure
IL A FAIT L'OBJET D'UNE PRÉSENTATION DEVANT JURY ET UN PUBLIC
A L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPEIRIEURE
CONCEPTION ET FABRICATION D'UNE AILE ROTATIVE BASSE VITESSE
POUR UN HÉLICOPTÈRE À PROPULSION HUMAINE
Simon Joncas
(Sommaire)
En janvier 1998, à l'École de technologie supérieure, une équipe composée
d'étudiants gradués et sous-gradués débuta la conception et Ia fabrication d'un
hélicoptère à propulsion humaine (HP@ dans le but de relever le défi Igor Sikorslq
présenté par 1'American Helicopter Society. Depuis 1980, 19 HPH ont été fabriqués
dans le but de remporter l'épreuve mais jusqu'a ce jour, aucune n'a su répondre aux
exigences du concours et seulement deux ont pu s'arracher à la gravité l'instant de
quelques secondes.
Une des difficultés du projet réside dans la conception et la fabrication des
rotors qui se doivent d'avoir un diamètre minimum de près de 30 mètres pour générer
suffisamment de poussée. Le présent mémoire présente les différentes étapes menant à la
conception et à la fabrication des pales de 17HPH de I'ETS. D'un point de vue
aérodynamique, une méthode de calcul de la géométrie et des performances des rotors en
effet de sol sera développée. Un module de calculs des performances hors point de
conception sera égaiement développé dans le but de connaître le comportement global
des pales. Le design final des rotors convergea vers des rotors de 35 mètres de diamètre
absorbant une puissance de 300 Watts et conçu pour tourner à une vitesse de sept
rotations par minute. D'un point de vue mécanique, la structure jugée idéale pour résister
au chargement aérodynamique est de type monocoque fabriquée principalement de fibres
de carbone et de polystyrène expansé recouvert d'un mince film Myld. Sur le plan
fabrication, une série de quatre moules et un four utilisé pour polymériser la fibre de
carbone furent fabriqués pour rendre possible la mise en forme des pales.
Finalement, une série de tests statiques sur différents prototypes de pales ont
mené au développement final de ces dernières, qui afficheront en bout de ligne un poids
de 16 kilogrammes chacune.
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier sincèrement tout ceux qui ont pu contribuer de près ou de
loin au projet Hélios, l'hélicoptère à propulsion humaine de l'École de technologie
supérieure (ÉTs). Je tiens d'abord à souligner la contribution majeure des
commanditaires du projet qui ont su alimenter l'équipe de précieux conseils, de dons
monétaires et d'une multitude de produits de tous genres. Sans pouvoir nommer toutes
les personnes de l'industrie qui ont supporté notre projet, je tiens à leur exprimer tout
mon respect parce qu'ils l'ont tous fait pour la beauté de la cause et dans l'esprit de
contribuer à l'effort d'ingénierie dans lequel nous nous étions lancés. Messieurs,
mesdames, au nom de toute L'équipe Hélios, je vous remercie de nous avoir permis
d'aller au bout de nos idées.
J'aimerais également exprimer ma sincère reconnaissance au personnel de
l'École de technologie supérieure (ÉTs). Nombre d'entre eux ont su nous démontrer
intérêts et encouragements depuis la naissance du projet en janvier 1998. Sans que je
puisse tous vous nommez, soyez certains que votTe support journalier a grandement
contribué à conserver notre motivation dans un projet d'une telle envergure. J'admire la
philosophie que I'ÉTS a su conserver depuis plusieurs années concernant le support
qu'elle oEe aux projets étudiants. Étant impliqué depuis plusieurs années dans les
projets étudiants de ~'ÉTs,j e peux vous confirmer que votre support est extrêmement
précieux pour la communauté étudiante et qu'il permet la formation d'ingénieurs
d'application de très au niveau.
Finalement, j'aimerais remercier les gens qui, au fil du projet, m'ont fait vivre
plusieurs expériences enrichissantes faisant de moi un meilleur ingénieur et une
meilleure personne. Sur Ie plan technique, j'aimerais tout d'abord remercier Louis
Thirion, l'ingénieur mécanique le plus complet que je connaisse, qui a su m'encourager
et me prodiguer ses précieux conseils. Je tiens également à remercier les membres de
l'équipe Hélios, qui ont su résister à mes échéanciers souvent très optimistes, plus
particulièrement Christian Belleau à qui je dois exprimer mon respect pour m'avoir
épaulé techniquement depuis plus de deux ans. Sur le plan personnel, j'aimerais
remercier chaleureusement tout ceux et celles qui ont toléré le train de vie plutôt intense
que j'ai mené ces dernières années, plus spécialement ma famille qui m'a toujours
supporté sans jamais me juger. Mes remerciements vont également à celle qui n'a pu me
tolérer, tu m'as fait grandir, et fait de moi une meilleure personne, en m'obligeant à voir
les choses d'un autre œil.
Page
SOMMAIRE ..................... ..,,........+...... .............................................................................. i
..
REMERCIEMENTS ........................................................................................................
il
...
LISTE DES TABLEAUX .............................................................................................. vu1
LISTE DES FIGURES .................................................................................................... ix
INTRODUCTION ................... ......,... ...........................................................................1
CHAPITRE 1 MISE EN SITUATION ............................................................................. 3
1.1 Historique des hélicoptères à propulsion humaine ............................ ............ 3
1.2 L'équipe Hélios .............................................................................................. 7
1.2.1 Généralités ................... ..... .. ...............................................................7.
1.2.2 Philosophie de design .. ........................................................................... 8
..................................................................................
1.3 Elaboration du concept 9
1.3.1 Effet de sol .............................................................................................. 9
1.3- 2 Contrôler Ia rotation de Ia nacelle et la position en vol .... ............ . ....... 11
1.3.3 Système de propulsion efficace et fabrication ultra légère ................... 11
........................................................................
1.3.4 Types de configurations 11
1- 3- 5 Ergonomie et optimisation du ratio poids/puissance ... ..... .................... 13
.....................................................................................
1.4 Système de contrôle 17
.................................................
CHAPITRE 2 CONCEPTION AÉRODYNAMIQUE 20
2.1 Choix du profil ........................ . ................................................................ 2 1
.................................................................................
2.1.1 Hypersustentation 2 1
2.1.2 Caractéristiques de l'écoulement ........................................................... 24
2.2 Calculs de la géométrie de la pale .............................................................. 29
2.2.1 Théorie de Froude ................................................................................ 3 0
2.2.2 Théorie de l'élément de la pale ............................................................ 34
2.2.3 Théorie tourbi~lomaired es rotors ...................................................... 37
2.3 Conception d'une pale hors effet de sol. .................................................... 43
2.3.1 Résolution des équations de vitesses induites ...................................... 43
2.3- 2 Données d'entrées ......................................................................... 4 4
2.3 -3 Données de sortie. ............................................................................. 4 7
2.3 -4 Limitation du programme de conception hors effet de sol ................... 51
2.4 Module de calcul des performances hors point de design ........................... 52
2.4.1 Problématique .....................................................................................5 2
2.4.2 Calcul des performances hors point de conception ............................... 53
2.5 Module de calcul des performances en &et de sol ..................................... 60
2.6 Optimisation et design final ......................................................................... 60
. . .
2.6.1 Optmsation d'une pale ................. ................................................ 6 0
,.,
2.6.2 Evaluation des performances .. .... .......................................................... 63
2.6.3 Positionnement de l'arbre de la pale .................................................... 64
CHAPITRE 3 CONCEPTION MÉCANIQUE.. ........ .... ...................................... 67
3.1 Recherche bibliographique concernant la structure ................................. .... 67
3.2 Structure. ................ ... ............................................................................... 70
...........................................................................................
3.2.1 Chargement 70
3-3 Section de la pale .......................... ....................................................... 72
.,.
3.4 Choix des matériaux ..................................... ... ............................................ 73
3 -5 Détermination théorique des laminés ....................................................... 76
3 .5 .1 Caractérisation des laminés ................................................................. 7 7
3.5.2 Modèle isotropique .............................................................................. 80
..................................................................
3.6 Conception de l'arbre de la pale 86
CWITRE 4 FABRICATION D'OUTILLAGE ................... ... .............................. 9 0

vii
B : PHOTO DU BANC D'ESSAI PÉDALEUR .......................................................... 135
C : DONNÉES DU PROFIL DAEDALUS 3 1 .... ......................................................... 137
D : PROGRAMME DE CONCEPTION DES PALES D'HÉLIOS ............................. 143
E :P ERFORMANCE DE L'HPH DE OS&= A 3MÈTR.Es .............................1..5. 3
F :P ROPRIÉTÉ DE LA FIBRES DE CARBONE ................................................. 160