Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le climat nordique est connu pour ses conditions givrantes et verglaçantes pendant l'hiver. Dans les endroits isolés et en présence de ces conditions, l'hélicoptère est souvent le moyen de transport privilégié des services de secours. Ces situations difficiles, très présentes dans le Nord canadien en général et au Québec en particulier, peuvent empêcher les secouristes d'intervenir, la principale cause étant l'absence d'un système de dégivrage des pales des petits aéronefs.

Les pales d'aéronefs sont sensibles au givre. Ce problème est bien connu dans le domaine aéronautique. La formation de glace sur les pales d'aéronefs peut modifier leur profil aérodynamique. Ce problème est souvent traité, pour les hélicoptères, en équipant les pales d'une structure chauffante. En effet, plusieurs résistances sont noyées dans les pales. L'alimentation des résistances est assurée par une source d'énergie électrique. La puissance nécessaire pour le dégivrage est relativement élevée et est de l'ordre de 40 kW/m2. Pour les gros hélicoptères, on dispose d'une source qui est en mesure de produire la puissance requise; or son transfert est complexe. Dans le cas des petits aéronefs, la situation est plus embarrassante, car il n'existe aucune source dans l'appareil qui puisse fournir cette puissance, ce qui représente un handicap majeur pour les entreprises d'hélicoptères. Un réel besoin d'innovation dans ce domaine s'impose.

En vue de surmonter ces handicaps, le présent projet de recherche propose une source d'alimentation suffisante pour produire la puissance aux éléments chauffants, soit une génératrice électrique de type synchrone à aimants permanents à flux transverse. Afin de simplifier le transfert d'énergie, l'enroulement de la génératrice tournera avec les pales; on n'aura donc pas besoin d'auxiliaire pour assurer ce transfert.

L'objectif général du projet est la recherche, le développement, la conception et la fabrication d'une génératrice à aimants permanents à flux transverse tournant à basse vitesse afin d'alimenter le système de dégivrage des pales des petits aéronefs en cours de vol. Il s'agit de prélever une partie de la puissance fournie par la turbine via l'axe du rotor principal, afin de la convertir en une puissance électrique et d'alimenter les éléments chauffants. Cette innovation permettra de voler partout durant toute l'année de façon sécuritaire tout en protégeant la vie des utilisateurs de ces appareils, même dans les pires conditions climatiques.

Ce projet est bénéfique pour les entreprises d'hélicoptères. Il se déroule dans le cadre d'une collaboration entre le LIMA et le LICOME à l'UQAC, Bell Helicopter Textron, CRSNG et le CRIAQ.

Cette thèse est articulée autour de deux axes principaux. Dans un premier temps, les recherches ont porté sur l'identification des problèmes liés à l'utilisation des systèmes de protection contre le givre des pales du rotor principal des différents aéronefs en cours de vol. Dans ce premier travail, nous nous sommes plus particulièrement concentrés sur les difficultés rencontrées par les entreprises d'aéronefs utilisant les systèmes déjà opérationnels de protection contre le givre.

Les hélicoptères sont les appareils dont il est difficile de protéger les pales du rotor principal. Plusieurs systèmes ont été considérés par les constructeurs d'hélicoptères, entre autres les systèmes électrothermiques, ceux utilisant les fluides antigivre ou pneumatiques.

Dans l'état actuel des connaissances technologiques, tous les hélicoptères qui ont été certifiés à voler dans des conditions givrantes utilisent des systèmes électrothermiques de protection contre le givre de leur rotor principal. Les petits hélicoptères, dont il est question dans ce travail, sont interdits de vol dans les conditions givrantes par manque d'énergie pour faire fonctionner ces systèmes. Le système électrothermique considéré dans cette thèse est conçu pour protéger les pales du rotor principal des petits aéronefs en cours de vol.

Dans un deuxième temps, la thèse porte sur la source de puissance alimentant le système électrothermique. Depuis quelques années, de nombreuses recherches se penchent sur le développement de systèmes de convertisseurs électromécaniques pour des applications variées telles que le transport routier, ferroviaire ou aéronautique. Le développement de nouvelles machines électriques à basse vitesse, de faible poids et de très grande compacité est une alternative très prometteuse. Ce projet intéresse fortement de nombreuses industries dans le domaine des transports aériens. La génératrice synchrone à aimants permanents à flux transverse (GSAPFT) est considérée comme une structure compacte et de plus forte puissance massique par rapport aux autres machines électriques (machines à flux axial, machines à flux radial).

Une structure de machine à flux transverse a fait l'objet d'une étude électromagnétique. De plus, une étude analytique nous a permis de déterminer les dimensions générales de la machine. Cette étude a été suivie d'une phase de validation du modèle analytique par simulations numériques. Ces deux études ont permis de déterminer les variations des caractéristiques de la machine à flux transverse en fonction des différentes dimensions géométriques de ses parties actives.

À partir des calculs effectués en utilisant les modèles analytiques et numériques, un prototype de la machine à flux transverse (600 W, 320 tr/min) a été conçu et fabriqué au Laboratoire international des matériaux antigivre (LIMA) de l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC).

Un banc d'essai a été réalisé afin de pouvoir comparer les résultats théoriques et expérimentaux. Les mesures menées sur ce prototype ont été comparées aux résultats obtenus théoriquement. Cette phase de l'étude démontre de façon satisfaisante la fiabilité des modèles théoriques développés.

Enfin, une nouvelle configuration de cette machine a été proposée. Les simulations numériques relatives à cette structure sont particulièrement encourageantes et nécessitent des investigations poussées. Pour des raisons logistiques et financières, le prototype de cette configuration n'a pas été fabriqué.

Les résultats théoriques et expérimentaux obtenus tout au long de cette thèse ont démontré le potentiel de la machine à aimants permanents à flux transverse pour l'intégrer dans le mât des petits hélicoptères afin d'alimenter le système de protection des pales du rotor principal.