17 février 2017
RÉSUMÉ:
Des étudiants-chercheurs de l'ÉTS ont conçu une balance aérodynamique permettant de tourner automatiquement des pièces de modèles à échelle réduite dans une soufflerie à des angles précis afin de calculer les coefficients de portance, de traînée et de moment. Cette balance aérodynamique a été installée dans la soufflerie subsonique Price–Païdoussis du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) de l'École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal. Elle permet de réduire considérablement la durée des tests de soufflerie nécessitant la rotation de pièces de modèles à échelle réduite.
Most clés : soufflerie, balance aérodynamique, test, portance, trainée, moment
Introduction
Dans une soufflerie, il faut être en mesure de tourner fréquemment des pièces à des angles précis pour calculer les coefficients de portance, de traînée et de moment. La soufflerie subsonique Price – Païdoussis du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) de l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal ne disposait jusqu’à tout récemment que d’un système manuel de rotation des pièces.
Les étudiants-chercheurs du laboratoire LARCASE ont conçu une balance aérodynamique permettant de tourner automatiquement des pièces et, de cette façon, réduire considérablement le temps alloué à la réalisation des tests requis en soufflerie.
Balance aérodynamique conçue
Figure 1 Partie d’une aile posée sur le plateau porteur de la balance dans la soufflerie
Figure 2 Partie inférieure de la balance aérodynamique
La balance aérodynamique permet de faire une rotation automatique d’une pièce disposée dans la soufflerie Price – Païdoussis. Cette balance a été conçue et fabriquée à l’ÉTS. Les composantes de cette balance aérodynamique sont les suivantes :
- Un moteur électrique
- Un carter muni d’une vis sans fin
- Le plateau porteur
- Un axe central
- Une base de soutien
Une carte de contrôle permet d’activer le moteur pour obtenir une position précise à une vitesse de rotation choisie.
Choix du moteur électrique et de la carte de contrôle
Le moteur recherché devait être à un coût abordable et être contrôlable de façon à obtenir un ratio précis de rotation. Le système de contrôle doit faire tourner automatiquement le plateau porteur à un angle donné pour effectuer des tests en soufflerie sur une aile d’avion ou toute autre pièce.
Les chercheurs ont évalué les caractéristiques de trois types de moteurs : un moteur pas à pas, un moteur à courant continu et un servomoteur. Ils ont choisi le moteur pas-à-pas NEMA 23 de Phidgets (57STH56 NEMA 23 Bipolar Precision Gearless). Il possède les caractéristiques recherchées et il est économique (28 $ US) (figure 3).
Figure 3 Moteur pas à pas choisi
Figure 4 Carte de contrôle
Pour ce type de moteurs, la carte de contrôle proposée se détaille 95 $ US (PhidgetStepper Bipolar HC) (Figure 4). Plusieurs systèmes de codage informatique pour contrôler le moteur peuvent être utilisés : les langages de programmation C, Python et Java ou encore le logiciel LabVIEW. Nous utilisons déjà le logiciel LabVIEW pour la lecture des forces sur la balance aérodynamique : nous allons contrôler le moteur avec ce logiciel, ce qui permet d’utiliser une seule interface lors des tests.
Modélisation des pièces
Afin de mieux visualiser le système rotatif du changement d’angle à effectuer, une modélisation sur le logiciel CATIA V5 a été réalisée. Un premier assemblage a été réalisé avec un engrenage planétaire. Malheureusement, son prix était trop élevé. Nous avons fait une seconde modélisation aussi performante avec un engrenage de type « roue et vis sans fin ».
Le moteur fait tourner l’axe horizontal entraînant la rotation de la « vis sans fin » fixée sur lui. Les dents de la vis sans fin incrustées dans les creux de la roue dentée, entraînent sa rotation (Figure 5).
Figure 5 Principe de fonctionnement de la vis sans fin
L’axe central est relié à la roue dentée, mais aussi au plateau porteur (Figure 6). Le plateau peut ainsi tourner correctement. Pour compléter l’assemblage, il suffit de faire le montage de l’ensemble des pièces.
Figure 6 Dessin d’assemblage des pièces principales de la balance aérodynamique
Contrôle du moteur
Pour faciliter l’utilisation de la balance aérodynamique, une interface graphique conçue à l’aide du logiciel LabVIEW est fournie avec le moteur. Il s’agit d’un panneau de contrôle muni de curseurs faisant varier la position, la rapidité et l’accélération du moteur (Figure 7).
Figure 7 interface graphique du panneau de contrôle.
Grâce à cette automatisation, les variations d’angle se font à partir d’un ordinateur de la salle de soufflerie, rendant les tests plus rapides. En effet, nous pourrons effectuer les mesures de 30 angles et 4 vitesses d’air dans la soufflerie en moins de 30 minutes. Auparavant, ces tests auraient nécessité plus de 9 heures en changeant d’angles manuellement.
La balance aérodynamique réalisée aidera à effectuer des travaux de recherche importants et plus précis qui seront validés expérimentalement dans la soufflerie Price- Païdoussis. Plusieurs articles ont été rédigés au laboratoire LARCASE portant sur des études numériques expérimentalement validées dans la soufflerie Price- Païdoussis. Des exemples de ces travaux sont : des études numériques sur l’aile déformable de l’ATR-42 (Réf. 1 et 2), des études de modélisation aéro-structurelle d’une aile en utilisant CATIA V5 et XFLR5 (Réf. 3), des études sur de la conception d’un contrôleur de position et des techniques de calibration en soufflerie (Réf. 4, 5 et 6).
