Electrification du rotor Lipp
Proposition surréaliste
de projet de fin d'études
Sommaire
1. Description du rotor Lipp.................................. 2
2. Electrification..................................................... 4
3. Objectif du projet.............................................. 5
4. Contenu du projet............................................. 5
4.1. Etudes préalables...................................................... 5
4.2. Fabrication................................................................. 6
1. Description du rotor Lipp
Le rotor Lipp est un dérivé du rotor Voigt-Schneider utilisé en lieu et place d'une hélice dans les gros remorqueurs marins.
Le rotor Lipp est un moyen de propulsion équivalent à une hélice de navire. Le principe de propulsion s'approche du principe de la godille ou de la queue de poisson. Les pales d'un rotor Lipp ont un axe vertical qui lui-même engendre un cylindre en se déplaçant. Pour cela, les pales sont montées sous un plateau tournant.
Chaque pale du rotor pivote en fonction de sa position. L'angle que forme la pale avec le lit (la direction) du déplacement est cyclique. Cet angle est tel que la pale est constamment perpendiculaire à la droite qui relie son axe à un point appelé point de commande.
On conçoit que plus le point de commande est éloigné, plus le débattement sera faible. On conçoit aussi qu'à faible vitesse, le débattement soit grand et lent et qu'à grande vitesse, ce débattement soit faible et rapide. Selon la vitesse et l'usage, on déplacera donc le point de commande. L'ensemble tourne à vitesse plus lente que l'hélice.
Si l'on développe le mouvement d'une pale, l'axe de celle-ci suit une sinusoïde et l'incidence de la pale varie dans le même sens.
Comparaison avec d'autres systèmes
Pour sa part, le rotor Voith-Schneider qui équipe certains gros remorqueurs, possède un point de commande intérieur, ce qui provoque une zône de travail inversée (noeud dans la développée sinusoïde), avec tourbillons et des oscillations de grande amplitude, incompatibles avec une vitesse rapide.
Par comparaison avec le fonctionnement d'une hélice, les pales de celle-ci forment un angle très ouvert avec l'axe du déplacement, ce qui provoque la cavitation, alors que les pales du rotor Lipp ont un débattement oscillant faible dans le lit du déplacement (en silence et sans tourbillons).
Rotor directeur (effet gouvernail)
En modifiant d'un même angle les 3 pales, on change la direction du flux, faisant ainsi effet de gouvernail, avec un bon rendement en marche arrière.
En plaçant un second rotor à l'avant, on peut rendre le navire (ou une plateforme) manoeuvrant avec précision dans tous les sens: rotation sur place, translations, marche en crabe.
Mécanique
Le problème mécanique posé pour un rotor à point de commande intérieur est classique. Par contre, le placement d'un point de commande à l'extérieur, à une distance règlable, doit recourir à une astuce bien évidemment brevetée par M. Lipp.
Dans la version actuelle, le plateau tournant est entraîné par un arbre principal lui-même entraîné par un moteur principal. Les pales sont solidaires de cet arbre au travers d'un pignonnage dissymétrique. En effet, en référence au plateau tournant, les pales exécutent à chaque tour de l'arbre principal un tour en sens inverse, avec un effet de retard pendant une moitié de révolution et d'avance pendant l'autre moitié.
Vu de l'extérieur, les pales ont un mouvement de godilles (ou de palmes verticales, ou de queues de poisson).
2. Electrification
Le rotor Lipp est entièrement mécanique et d'un coût raisonnable. Une solution électrotechnique et électronique est absurde. Au-delà de la provocation, remplacer les pignons par des moteurs électriques est d'un grand intérêt didactique, et une certaine volonté de mêler technologie et surréalisme.
La solution propose un moteur par pale, fixé sur un plateau lui-même entraîné par un moteur principal.
Les moteurs de pale sont accélérés puis retardés à chaque tour, en synchronisme avec leur position par rapport à la direction du navire.
Il s'agit d'asservir la variation de la vitesse angulaire à l'angle de rotation de l'arbre principal. La solution originale retenue pour la mesure de l'angle de rotation est de placer un accéléromètre à un axe sur le plateau. Le signal de sortie est une sinusoïde dont la période est égale à un tour de plateau. Les moteurs de pales sont asservis à ce signal. Le circuit électronique, intégré au plateau, permet de commander les variations de vitesse indépendemment de l'extérieur
Le cable d'énergie des moteurs de pale arrive par l'évidement central de l'arbre principal, au travers d'un joint tournant.
Pour rendre directeur le rotor (effet gouvernail), il suffit d'appliquer un déphasage collectif (identique) sur tous les moteurs. La commande de déphasage se fait de l'extérieur au travers du joint tournant par exemple.
3. Objectif du projet
Le projet consiste à réaliser une maquette prototype d'un rotor Lipp électrifié.
Cette maquette devrait faire la démonstration d'un principe de propulsion de navire qui remplace la traditionnelle hélice.
Ce projet met en jeu la capacité des réalisateurs
- à théoriser des phénomènes mécaniques, électriques, électrotechniques et hydrodynamiques
- à réaliser des montages électroniques particuliers
- à aboutir dans la confection d'une machine
Les résultats obtenus expérimentalement pourront être particulièrement valorisés.
Le projet s'adresse à des étudiants polyvalents et de bonne curiosité d'esprit.
4. Contenu du projet
Le détail du projet présenté ci-dessous montre qu'il est réalisable à peu de frais et dans un temps limité.
4.1. Etudes préalables
Mécanique
L'étude mécanique et hydrodynamique préalable a pour objet:
- de déterminer la géométrie des pales, afin de minimiser la puissance des moteurs de pales
A priori, pour des vitesse faibles, le calcul en statique devrait suffire. A haute vitesse, certains phénomènes peuvent devenir prépondérant. Il convient de les mettre en évidence
- de calculer la puissance du moteur principal.
- de définir l'architecture mécanique de l'ensemble
Electronique
L'étude électronique permet de définir les éléments nécessaires:
- accéléromètre à un axe
- moteurs capables de tourner en synchronisme et de recevoir une commande d'avance et de retard à chaque tour
- amplificateurs pour l'application du signal de sortie de l'accéléromètre sur la commande puissance de chaque moteur
- déphaseurs pour commander l'avance et le retard à chaque tour sur chaque moteur
- déphaseur global (effet gouvernail)
- commande de vitesse du moteur principal
4.2. Fabrication
La fabrication passe par différentes phases à valider successivement. Les phases ci-dessous sont décrites à titre d'exemples.
- Etude du signal fourni par un accéléromètre
L'accéléromètre est suspendu à un balancier
L'accélération est a priori sinusoïdale, équivalente à celle que l'on peut enregistrer en mettant l'accéléromètre sur un plateau tournant. Plus le balancier est court, plus la période est courte (plus le plateau tourne vite)
- Commande de la vitesse
Il s'agit de vérifier que l'on peut faire varier la vitesse du moteur en synchronisme avec la période d'un signal sinusoïdal issu d'un générateur de (très basse) fréquence
- Avance-retard
Il s'agit de vérifier que la vitesse de rotation peut, à chaque tour, être accélérée puis ralentie, à l'aide du même signal sinusoïdal.
La période du signal détermine la vitesse de rotation et l'amplitude du signal détermine l'amplitude de l'avance et du retard, de façon inversement proportionnelle (plus le rotor tourne vite plus le débattement des pales est petit)
La vérification de l'avance et du retard peut se faire à l'aide d'un moteur témoin ayant une vitesse de rotation identique, sans avance ni retard
- Superposition d'un déphasage externe
Il s'agit de vérifier qu'une commande externe peut décaler la sinusoïde de commande d'une valeur connue. Dans le dispositif final, cette commande sera appliquée simultanément à tous les moteurs pour modifier l'orientation de la poussée (gouvernail)
- Intégration de l'accéléromètre
Il s'agit de vérifier que l'accéléromètre a le même effet que le générateur de fréquence
- Intégration de 3 moteurs
- Intégration mécanique
Le plateau tournant supporte 3 moteurs décalés de 120°, l'accéléromètre et l'électronique associée
- Essai en rotation simulée
- Intégration du joint tournant et du moteur principal
Il s'agit de rendre le plateau solidaire de l'axe (vertical) du moteur principal et d'intégrer la commande externe et les alimentation
- Intégration des pales
Les pales sont fixées sur les axes des moteurs
- Essai en petit bassin
Le prototype est supposé de petite dimension (pales de 8cm x 8cm par exemple, avec une cuve circulaire de 1,20m de diamètre remplie de 10 cm d'eau).
Le moteur principal est fixé au flanc du bassin. Le plateau tournant est tenu hors d'eau. Seules les pales sont immergées.
La mise en route du rotor doit provoquer la mise en rotation de l'eau. Une petite bille flottante libre permet de mesurer la vitesse du flux.
- Essai en grand bassin
Le rotor peut être monté sur un engin flottant équipé d'un récepteur de télécommande.
La démonstration idéale serait de confronter deux engins identiques, l'un propulsé par une hélice et l'autre par le rotor Lipp électrifié.