Développement d'une plateforme expérimentale simulant le fonctionnement d'un propulseur à axe transverse à pales commandées

Development of an experimental platform simulating a blade-controlled cross-flow propeller behaviour

• Auteur / Autrice : Guillaume Fasse
• Direction : Jacques-André Astolfi, Grégory Germain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, mécanique des fluides et énergétique
• Date : Soutenance le 15/11/2022
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Mazellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-André Astolfi, Grégory Germain, Nicolas Mazellier, Laurent David, Annie Leroy, Mohamed Benbouzid
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Mazellier, Laurent David

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Hydrodynamique

Navires -- Propulsion

Mots clés libres

Plateforme expérimentale

Pales commandées

Optimisation par méta-modèles

Experimental platform

Blade control

Meta-models optimisation

Résumé

L’étude menée dans ces travaux de thèse porte sur le développement d’une plateforme expérimentale de grande dimension qui permet de simuler le fonctionnement d’un propulseur à axe transverse. Contrairement aux propulseurs cycloïdaux actuels utilisant un système d’entrainement des pales mécanique, la spécificité de cette plateforme est l’utilisation de servo-moteurs pour la rotation des pales, permettant de simuler n’importe quelle loi de mouvement de pale. La gestion électrique de l’entrainement des pales utilisée dans ces travaux a nécessité le développement d’un système de contrôle-commande des moteurs afin d’avoir un mouvement des pales fiable et maîtrise. L’autre particularité de la plateforme réside dans ses dimensions qui permettent l’installation d’une instrumentation variée : mesure locale de l’effort hydrodynamique sur une pale, capteurs d’efforts globaux sur le châssis, couplemetré sur l’arbre principal, capteurs de position angulaire sur chaque pale. Ces deux particularités permettent de développer des procédures d’optimisation expérimentales des lois de contrôle des pales afin de dépasser les performances des systèmes existants. En utilisant un processus d’optimisation par méta-modèles sur deux objectifs de performances (poussée et rendement), les mesures des lois optimisées montrent des résultats remarquables avec des gains de 10 à 20 % sur le rendement et la poussée du propulseur.

This work studies the development of a large experimental blade-controlled platform which simulate the behaviour of transverse axis propellers. Unlike the existing cycloidal propellers which use a mechanical blade control system, this platform uses servo-motors to handle the blades’ rotations that allows the investigation of any blade pitch movement. The development of the blade control is detailed and leads to an accurate pitch tracking. The second specificity of the platform lies on its wide instrumentation which allow exhaustive in water measurements. This instrumentation is composed of an embedded load-cell on a blade, four load-cells on each corner of the platform, a torque sensor on the main shaft and angular sensors for each angle positions (the main axis and the auxiliary axis). These features permit the development of blade pitch motion optimisation using experimental measurements to surpass performances of existing propellers. Using a surrogate based optimisation method with gaussian process,two objectives are reached to simultaneously boost the thrust and the efficiency with gains in the range of 10% to 20%.