Présentation

Nous proposons d’étudier l’hydrogénérateur Racing Aluminium, produit par la société française Watt & Sea, conçu pour améliorer l’autonomie énergétique des voiliers de course au large. Cet hydrogénérateur équipe plus de 90% des voiliers de la classe IMOCA 60 qui ont participé au Vendée Globe 2021. Le Vendée Globe est un tour du monde à la voile en solitaire, sans escale et sans assistance, qui a lieu tous les quatre ans. Il se dispute sur des IMOCA. Les skippers partent des Sables d'Olonne en Vendée, parcourent environ 45 000 kilomètres autour du globe en contournant les trois caps mythiques (Bonne Espérance, Leeuwin et enfin le cap Horn) pour revenir aux Sables d’Olonne.

L’hydrogénérateur sert à produire de l’électricité suivant un principe très proche de celui d’une éolienne. Il est installé à l’arrière du voilier. Une fois immergé dans l’eau, l’hélice est entraînée par le flux d’eau créé par le déplacement du bateau. L’hélice est en prise directe avec une machine électrique utilisée en génératrice, elle-même connectée électriquement au régulateur/convertisseur afin de permettre la recharge du parc de batteries à bord.

L’hydrogénérateur étudié est le Racing Aluminium, modèle adapté aux voiliers naviguant jusqu’à 30 noeuds (environ 15 m/s). Il est pourvu d’une hélice à pas variable pilotée électroniquement et actionnée par un circuit hydraulique permettant d’optimiser la production électrique en fonction de la vitesse du bateau. L’hydrogénérateur peut être relevé aisément pour le maintenir hors de l’eau afin de le préserver et de ne pas ralentir le bateau quand la recharge est terminée. Les IMOCA sont équipés de deux hydrogénérateurs. Sous l’effet du vent, le voilier gîte (roulis du bateau), seul l’hydrogénérateur du côté opposé au vent est immergé. Les deux hydrogénérateurs ne sont jamais en production simultanée.

1. La première partie vous propose d’étudier l'énergie à bord et de vérifier les performances de l’hydrogénérateur, d’étudier la chaîne de conversion et de faire le lien entre les solutions techniques adoptées et les performances attendues en termes de traînée et de puissance disponible ;

2. La deuxième partie porte sur la validation du dimensionnement de l’hydrogénérateur et plus particulièrement le système de modification de l’angle de calage des pales, ainsi que la liaison encastrement par emmanchement conique entre l’arbre d’hélice et le moyeu porte pales ;

3. La troisième partie porte sur l’industrialisation de pièces du système (justifier le besoin fonctionnel d’une spécification, choix de procédés de fabrication, gamme d’usinage, métrologie) ;

4. La quatrième et dernière partie porte sur la conception de la liaison pivot de l’arbre d’hélice, la transformation de mouvement pour le calage des pales ainsi que la liaison pivot du mâtereau pour retirer l’hydrogénérateur de l’eau (concevoir une pièce en optimisant le triptyque produit-procédés-matériaux, concevoir et dimensionner une liaison mécanique).

Partie 1 : Énergie à bord et performances de l’hydrogénérateur

Partie 2 : Validation du dimensionnement de l’hydrogénérateur

Partie 3 : Industrialisation de pièces de l’hydrogénérateur

Le sujet et le corrigé de cette épreuve sont également disponibles sur le site de l’UPSTI (Union des Professeurs de Sciences et Techniques Industrielles)

https://www.upsti.fr/espace-etudiants/annales-de-concours [7]