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BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique i

BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 1/17 BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 -------------------- ÉPREUVE E.4.1 Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Durée : 4 heures – Coefficient : 3 Matériel autorisé : Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée conformément à la circulaire N° 99-186 du 16/11/99. L’usage de tout autre matériel ou document est interdit. -------------------- Le sujet comporte 17 pages numérotées de 1/17 à 17/17. Les documents réponses (pages 15 et 16) sont à remettre avec la copie. -------------------- Il sera tenu compte de la qualité de la rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le (la) correcteur (trice) attend des phrases construites respectant la syntaxe de la langue française. Chaque réponse sera clairement précédée du numéro de la question à laquelle elle se rapporte. Les notations du texte seront scrupuleusement respectées. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 2/17 PRÉSENTATION GÉNÉRALE Une soufflerie permet de recréer les conditions de vol afin de valider, sur des maquettes à échelle réduite, les résultats de simulation des caractéristiques aérodynamiques de différents avions. La soufflerie étudiée produit un flux d'air dont la vitesse est inférieure à celle du son (vitesse dite « subsonique »). La plage de vitesse exploitable, de 0 à 200 m.s-1, correspond aux phases de décollage et d'atterrissage des avions. L'exploitant de la soufflerie s'engage auprès de ses clients à fournir les conditions d'essais définies par les caractéristiques suivantes : 1. Vitesse du vent réglable entre 0 et Mach 0,36, avec un temps de montée en vitesse de 1 minute. 2. Réglage des conditions d'écoulement (réglage obtenue en faisant varier la pression dans la soufflerie). 3. Les moyens de mesurage : écoulement, déformation … Illustration 1: Maquette de l’airbus A380 dans la chambre d'essai BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 3/17 Pour atteindre ces conditions d'essais, la soufflerie est constituée de 4 parties. 1. La chambre ou veine d'essais est la partie où sont testées les maquettes (longueur : 11 m ; largeur 4,5 m et hauteur 3,5 m). 2. Le ventilateur de 16 pales est entrainé par un moteur de 9,5 MW ; la vitesse de l'air dans la veine d'essais est réglée par orientation des pales. 3. Un réservoir de 300 m3 et un groupe de compresseurs, permettent de réguler la pression entre 1 et 3,85 bar à l'intérieur de la soufflerie. 4. Les aéroréfrigérants permettent de réguler la température de l'air à l'intérieur de la soufflerie. Illustration 2 : Vue générale de la soufflerie Chambre d’essai BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 4/17 Enjeu : Pour maintenir les conditions d'essais proposées à ses clients, l'exploitant doit veiller à maintenir en fonctionnement l'ensemble des composantes de l'installation. Pour des raisons de maintenance l'exploitant souhaite réaliser une pré-étude pour remettre à niveau les éléments suivants : alimentation en énergie du moteur du ventilateur ; contraintes sur les compresseurs et régulation de pression. Dans l'épreuve E41, nous réaliserons une pré étude sur les éléments suivants : Partie 1 : bilan énergétique de la soufflerie. Partie 2 : pilotage du ventilateur. Partie 3 : analyse et amélioration de l'alimentation électrique du moteur du ventilateur durant la phase de démarrage. Partie 4 : régulation de la pression dans la chambre d'essais. Illustration 3: Vue de l'intérieur de la soufflerie -- Ventilateur BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 5/17 Partie 1 : bilan énergétique de la soufflerie On se propose d'étudier la puissance aéraulique nécessaire pour obtenir les conditions de vent souhaitées dans la chambre d'essais. On validera le rendement énergétique du tunnel et la puissance du moto ventilateur installé. Pour améliorer l'efficacité énergétique on utilise un tunnel fermé. L'air est canalisé et réinjecté dans le ventilateur selon le schéma suivant : Illustration 4: Profil du tunnel Des filtres et des éléments de canalisation permettent d’obtenir au niveau des maquettes un écoulement le plus laminaire possible et dépourvu de poussières dangereuses. Ces éléments et le frottement de l’air sur les parois engendrent des pertes de charge qui devront en régime permanent être compensées par le ventilateur. Q1.1 Donner, pour un fluide incompressible, la relation liant le débit volumique Q à la vitesse du fluide v, et à la section du conduit S. On donnera les unités légales de chaque grandeur. Q1.2 On rappelle que la veine d’essais est de section rectangulaire de hauteur 3,5 m et de largeur 4,5 m. La vitesse du vent maximale que l'on souhaite obtenir est Mach 0,36. On rappelle que : N mach= V V son avec Vson= 340 m.s-1. Déterminer la valeur du débit maximum Qmax dans le ventilateur. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 6/17 Q1.3 La puissance aéraulique Paérau fournie par le ventilateur durant la phase de montée en vitesse est : Paérau=ρo⋅ V 2 2 ⋅Q avec ρo masse volumique de l'air : 1,293 kg.m-3 Montrer que Paérau = 18,7 MW. Q1.4 Le tunnel étant fermé (voir illustration 4), le ventilateur ne devra fournir en régime permanent que les pertes de charge pour maintenir les conditions d’essai à vitesse maximale. Une série de mesures, réalisée lors de l’essai de montée en vitesse, a permis de relever les pertes relatives en différents points du tunnel. ÉLÉMENTS PERTES RELATIVES Collecteur Veine 1er diffuseur 1er coude Cylindre 2eme coude Cylindre 2eme diffuseur 3eme coude 4eme coude Cylindre TOTAL 0,0048 0,0093 0,0391 0,046 0,0026 0,046 0,002 0,016 0,0087 0,0087 0,0002 0,1834 Les pertes relatives correspondent aux rapports des pertes mesurées sur la puissance Paérau développée lors de la montée en vitesse. Montrer que la puissance aéraulique fournie par le ventilateur en régime permanent est PV = 3,43 MW. Q1.5 Quelle grandeur physique sera modifiée par cette perte d'énergie dans le tunnel. Quelle solution a été mise en œuvre afin de maintenir des conditions de mesure optimale ? Q1.6 L’illustration 4 permet d’observer que le profil du tunnel n’est pas uniforme. La section est minimum au niveau de la veine d’essais. Justifier, en utilisant une argumentation scientifique, l’intérêt de ce profil. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 7/17 Partie 2 : pilotage du ventilateur On désire étudier l’influence de quelques paramètres de pilotage de la soufflerie : • l’angle de calage des pales du ventilateur ; • la consigne pression pour régler les caractéristiques de l'écoulement définies par le nombre de Reynolds Re. Q2.1 On rappelle les conditions en régime établi dans la chambre d’essais : Section S = 15,75 m². Vitesse du vent V max = 122,4 m.s-1. Débit volumique Q max= 1928 m3.s-1. Puissance aéraulique PV = 3,43 MW. On donne la relation entre la puissance aéraulique délivrée par le ventilateur, son débit d’air et l’écart de pression entre l’amont et l’aval des pales (identifié aux pertes de charge dans le tunnel). PV = ∆p . Qmax Compléter le document réponse N° 1 (page 15) en don nant le point de fonctionnement correspondant à cet essai réalisé pour une vitesse de rotation du ventilateur de 360 tr.min-1. En déduire l'angle αmax de calage des pales. Q2.2 Un client désire mener un essai spécifique dans des conditions d’écoulement telles que : Re = 6.106 (nombre de Reynolds) V1 = 0,23 Mach = 79 m.s-1 a) Déduire des courbes ci-dessous la valeur de la consigne de pression p1. Nombre de Mach 0,23 0,36 N 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 7,93 Re×106 BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15NC-EQPEM Page 8/17 b) Déterminer pour cet essai le débit volumique Q1. c) Compléter le document réponse N° 1 en donnant l e point de fonctionnement correspondant à cet essai. En déduire l'angle α1 de calage des pales à programmer. Q2.3 Un autre essai a été réalisé avec un angle de calage des pales α2 = 20° et une pression p2 = 1,6 bar. La vitesse de rotation du ventilateur est de 360 tr.min-1. La chaîne d’énergie du système est indiquée ci-dessous : Les vitesses de rotation sont exprimées en tr.min-1, les puissances en W, les moments de couple en N·m, le débit Qv en m3.s-1, l’écart de pression ∆p en Pa. a) Déterminer la puissance électrique Pa absorbée par le moteur. b) Déterminer les paramètres en couple et en vitesse en entrée et en sortie du réducteur. Moteur ηm = 0,94 Réducteur ηr = 0,93 R = 0,2424 Ventilateur ηv = 0,86 Nv, Cv Nm,Cm Pa Q, ∆p Paérau Pv Pm BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E4.1 : Étude uploads/Industriel/ bts-et-2015-noumea.pdf