Par Charles Blouin
Les bancs d’essai sont d’excellents outils pour mesurer les performances des moteurs. En appliquant une charge contrôlée au moteur, ils permettent de caractériser son couple, sa vitesse de rotation et sa puissance.
Mais est-ce le seul moyen d’obtenir une compréhension complète des performances du moteur ?
Nous souhaitions savoir s’il était possible de cartographier les performances du moteur sans banc d’essai à frein traditionnel, en utilisant plutôt un banc de poussée moteur-hélice.
(Spoiler : c’est effectivement possible.)
Table des matières :
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Dispositif expérimental
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Cartographie de la consommation électrique du moteur
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Cartographie du rendement du moteur
1. Dispositif expérimental
Nous avons utilisé notre banc de poussée Flight Stand 15 pour mesurer les performances du moteur en termes de couple, de vitesse de rotation, de puissance, entre autres.
Nous avons installé 6 hélices différentes de diverses marques sur le moteur afin de les utiliser comme charges pour notre test. Leurs diamètres étaient les suivants :
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11”
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16”
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18”
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22”
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26”
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30”
Figure 1 : Banc de poussée Flight Stand avec moteur et hélices de test
Nous avons conçu un test par paliers automatisé avec 10 incréments de gaz de 1150 à 2000 µs et l’avons effectué avec chaque hélice.
Les données ont été enregistrées à l’aide du logiciel Flight Stand, puis exportées au format .CSV.
Les cartes du moteur ont été générées à l’aide d’un notebook Google Colab exécutant Python. Le code peut être consulté et adapté à vos propres fichiers de données de performance moteur. Pour utiliser vos propres données, vous devrez utiliser les mêmes unités et titres de colonne que ceux du fichier exporté ou modifier le code pour l’adapter à l’unité de votre choix.
Figure 2 : Test par paliers automatisé dans le logiciel Flight Stand
2. Cartographie de la consommation électrique du moteur
Quatre variables sont présentées sur le graphique ci-dessous. L’axe des abscisses présente la vitesse de rotation en tr/min, tandis que l’axe des ordonnées présente le couple en Nm. Le tracé des courbes de niveau représente la puissance modélisée. Les points représentent les données réelles mesurées, et leur couleur indique l’écart entre la mesure et le modèle.
Un polynôme du troisième degré a été appliqué aux données pour modéliser la consommation électrique. Les prévisions sont représentées par les zones colorées du graphique, chacune correspondant à une plage de 25 W.
La couleur des points de données représente l’erreur entre la valeur prédite par le modèle et la valeur mesurée de la puissance électrique en watts. L’erreur maximale du modèle était de 0,8 watt sur 150 watts mesurés, soit 0,5 %.
Figure 3 : Cartographie de la consommation électrique du moteur
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3. Cartographie du rendement du moteur
La cartographie du rendement du moteur ci-dessous a été dérivée de la cartographie de la puissance de la section précédente.
Sur cette carte, chaque zone colorée représente le rendement prédit du moteur en %, chaque zone couvrant une plage de 2 %.
À des rendements très faibles, <50 %, l’erreur de mesure atteignait jusqu’à 3 points de pourcentage, ce qui est attendu car la puissance mesurée et le couple sont assez faibles dans ces plages. À des rendements plus élevés, là où le moteur fonctionne normalement en vol, l’erreur était beaucoup plus négligeable, <1 point de pourcentage pour des rendements compris entre 74 et 86 %.
Figure 4 : Cartographie du rendement du moteur
4. Validation du modèle
Lors de la génération des modèles de performance, l’hélice de 18” a été délibérément exclue de l’ensemble de données afin de vérifier l’exactitude du modèle à l’aide de données de test indépendantes.
Le modèle a été développé à partir des mesures effectuées sur les cinq autres hélices, puis utilisé pour prédire les performances du moteur aux points de fonctionnement mesurés avec l’hélice de 18”. Les valeurs prédites ont été comparées aux mesures réelles afin de déterminer avec quelle précision le modèle représente le comportement physique du moteur, plutôt que de simplement s’ajuster aux données utilisées pour le développer.
Cette approche permet également d’identifier un éventuel surapprentissage, lorsqu’un modèle s’ajuste bien à l’ensemble de données initial mais ne parvient pas à prédire avec précision de nouvelles mesures.
Puisque l’hélice de 18” se situe dans la plage de tailles d’hélices utilisées pour développer le modèle, ce test évalue sa capacité à prédire les performances du moteur entre des conditions de fonctionnement connues. Les résultats ont montré que le rendement prédit du moteur différait des valeurs mesurées de moins d’un point de pourcentage sur la majeure partie de la plage testée.
La figure ci-dessous présente la cartographie de la consommation électrique du moteur, avec les points de données mesurés de l’hélice de 18” ajoutés à des fins de comparaison.
Figure 5 : Cartographie de la consommation électrique du moteur avec les points de données de la sixième hélice (18”) ajoutés.
Conclusion
En résumé, il est effectivement possible de cartographier la puissance et le rendement du moteur sans banc d’essai à frein traditionnel. Nous avons pu utiliser les données de notre banc de poussée Flight Stand et un polynôme du troisième degré pour modéliser la consommation électrique et le rendement du moteur, générant ainsi des cartes permettant de prédire les performances dans des configurations non encore testées.
Pour en savoir plus sur la caractérisation des moteurs, consultez notre article sur Comment et pourquoi mesurer le couple du moteur