Brevet FR2276489A1 — publié le 19760123

Il est courant d'assurer la ventilation longitudinale des tunnels par des dispositifs à induction injectant un débit masse de qm kg/s d'air à une vitesse de V m/s afin d'apporter une quantité de mouvement qm x V kg m/s qui communiquera à l'air une poussée capable de vaincre la perte de charge due au frottement de l'air, aux différences de pression entre l'entrée et la sortie du tunnel, à l'effort de pistonnement positif ou négatif dû au mouve- ment des véhicules, etc...Cette injection peut se faire au moyen de ventilateurs placés dans des centrales situées hors de la galerie, prenant l'air à l'extérieur en tout ou partie dans la galerie, ou au moyen de ventilateurs placés dans la galerie elle-même, en dehors du gabarit de circulation. I1 s'agit, en général, de ventilateurs hélicoides dits de poussée, à grande vitesse de soufflage. Simples à installer, et convenant particulièrement bien à l'équipement de tunnels existants dont ils ne nécessitent pas de modifier le gros oeuvre, ils possèdent certains défauts auxquels pallie le ventilateur faisant l'objet de la présente invention. La figure 1 est la coupe transversale d'un tunnel dont la section co"- plète (1), délimitée par ses parois (2), est de S m2 ; le gabarit de circulation est représenté en (3) : sur cette figure 1 nous avons représenté la solution classique de ventilation longitudinale au moyen d'un ventilateur hélicoïde (4) à axe horizontal ayant une section de refoulement de s m2 par laquelle sort un débit de qm kg/sec à une vitesse moyenne de Vm/s.La figure 2 est une coupe longitudinale du même tunnel équipé du même ventilateur (4), montrant les insonorisateurs (6) et (7) habituellement montés de part et d'autre du groupe iioto-ventilateur. Le diamètre du ventilateur (4) doit être au plus égal à l'espace libre entre la paroi du tunnel (2) et le gabarit (3). Sa section de refoulement s est donc faible vis-à-vis de S. Pour créer une poussée de F Newton donnée, égale à qm x V = PsV2 il faut donc que V soit grand. Or, la puissance aéraulique correspondante est egale au produit du débit volume sV m3/s par la pression dynamique au refoulement 1/2 pV2, soit 1/2 p sV3 = 1/2 F x V. Pour une poussée F donnée la puissance est proportion- nelle à la vitesse d'éjection V. I1 y a donc intérêt à accroître s pour diminuer V. D'autre part, la pression totale du ventilateur intervient au carre dans le calcul du niveau de puissance sonore, il y a un grand intérêt à diminuer cette pression : sa valeur élevée nécessitée par la faible valeur de s oblige à équiper les ventilateurs du type précédent dtinsororisateurs placés à l'amont et à l'aval : il reste malgré ces précautions que le jet d'air à grande vitesse est encore une source de bruit non négligeable. Les dispositions caractéristiques de la présente invention permettent d'augmenter la section s donc de diminuer la pression à fournir par le ventilateur, ce qui conduit à un gain appréciable de puissance installée et d'énergie consommée, et à une réduction importante du niveau sonore pouvant permettre de réduire ou même de supprimer l'insonorisation. La figure 3 et la figure 4 sont ho loges des figures 1 et 2 rais montrent un tunnel équipé d'un ventilateur (4) conforme à 1 'invention : sa roue (8) du type hélicoïde est à axe voisin de la verticale et elle est montée sur le bout d'arbre d'un moteur électrique (9) : elle tourne dans une virole cylindrique (10) de faible hauteur précédée d'un pavillon d'aspiration (11) et suivi d'une enveloppe (12) dont la section droite évolue du cercle à un rectangle dont les deux grands côtés (13) et (14) sont horizontaux s'ils sont rectilignes, ou en forme d'arc dont la corde est horizontale s'ils sont curvilignes afin d'en diminuer l'encombrement par une meilleure adaptation à la forme de la voûte.Cette enveloppe est équipée de directrices (15) afin d'assurer dans les meilleures conditions possibles le guidage ge de l'air depuis une direction sensiblement verticale qu'il a à l'aval de la roue jusqu'à une direction sensiblement horizontale qu'il doit avoir à l'aval du ventilateur pour être injecté dans le tunnel. La figure 5 est une vue en plan correspon dant nt au montage précédent dans le cas où l'axe de rotation est rigoureusement vertical.La figure 6 est une coupe longitudinale montrant un ventilateur conforme à l'invention mais dont l'axe est légèrement incliné sur la verticale de manière à diminuer l'angle dont l'air doit tourner dans 1 'enveloppe pour parvenir à lthorizontale afin de diminuer la perte de charge interne de l'appareil et profiter au mieux de la vitesse horizontale que l'air a dans la galerie amont. Ces dispositions permettent d'adopter un ventilateur de grand diamètre qui respecte le gabarit de circulation et d'adopter une section s importante on prendra pour la section s et pour la section utile de la roue du ventilateur des valeurs très voisines l'une de l'autre pour que la perte de charge interne de l'appareil soit faible. Par exemple, un ventilateur tel que celui représenté sur la figure 1, s'il a un diamètre de 1 mettre, un enaJmbrement diamétral de 1,2 m avec ses insonorisateurs, une section de refoulement D de 0,8 m2 , s'il souffle à 40 m/s avec un débit de 32 m3/s, créera une poussée de 1,25 x 32 x 40 = 1 600 N si l'air a une densité de 1,25 kg/m3 la pression cinétique à la sortie est 1/2 x 1,25 x 402 = 1 000 Pascal : la puissance absorbée par la roue, si le ventilateur a un rendement global de 0,80 sera de 32 x 1000 = 0,8 40 000 watts, soit 40 kW. La même poussée de 1 600 N pourra être créée par un ventilateur conforme à l'invention dont la roue aurait un diamètr-e de 2,0 mètres, une section de refoulement de 3,2 m2, une vitesse de soufflage de 20 m/s, un débit de 64 m3/s puisque 1,25 x 64 x 20 = 1 600 N.La pression cinétique ne serait que de 1/2 x 1,25 x 202 = 250 Pascal et la puissance 64 x 250 0,8 = 20 000 watts soit 20 kW, si l'on suppose que le rendement global du ventilateur est également de 0,8 , ce qui est plausible, la perte de charge due à l'effet de coude étant du même ordre que celle des insonorisateurs très développés nécessités par la disposition classique de la figure 1.Si ce dernier a un niveau de puissance sonore NW dB sans insonorisateur, le ventilateur conforme à l'invention aura un niveau de puissance sonore augmenté de 10 log 2 et diminué de 20 log 4 car il fournit 2 fois plus de débit et 4 fois moins de pression, soit une diminution de 30 log 2 = 9 dB par rapport à NWdB, en supposant que les deux machines sont équipées de roues ayant des caracté- ristiques acoustiques voisines. Enfin le bruit du jet à 20 m/s du ventilateur conforme à l'invention est plus faible que celui du jet à 40 m/s du ventilateur classique de poussée. Dans ce qui précède, l'on a supposé l'air immobile dans la galerie pour simplifier les calculs, mais les mimes considérations restent valables si l'air du tunnel a une vitesse V m/s dans la section S et v' = VS VS dans dans la section S - s, au droit du ventilateur : la différence des vitesses V v' est plus faible dans le cas du ventilateur conforme à l'invention, ce qui conduit alors à une perte de charge à la sortie encore plus faible et à un meilleur rendement de l'induction. Dans certains cas l'on désire pouvoir faire souffler le ventilateur soit dans une direction, soit à l'opposé, selon les nécessités du trafic dans le tunnel. L'invention prévoit que le ventilateur est alors monté sur un axe de pivotement vertical qui peut etre confondu avec l'axe de rotation de la roue si celui-ci est vertical comme représenté sur la figure 3 ou différent tel que représenté sur la figure 6 ; l'axe de pivotement (16) est matérialisé par un dispositif (17) équipé de paliers et de butée dont une partie est scellée au plafond de la galerie et l'autre sur l'enveloppe (12).Le pivotement de 1800 est coinrrndé à distance par un verin pneumatique ou électrique si le moteur (9) pivote en même tempos que le ventilateur, son alimentation en courant électrique est assurée par un câble souple formant une boucle. L1 invention prévoit également que la roue 8 du ventilateur peut être du type hélico-centrifuge ou centrifuge, auquel cas l'on donne à l'enveloppe (12) une forme se rapprochant de celle de la volute d'un ventilateur centrifuge à très grand refoulement, et les directrices (15) sont supprimées : ce mode de réalisation est représenté sur les figures 7, 8 et 9 : ce type de ventilateur peut être monté soit fixe, soit pouvant pivoter de 1800 ou7 radians comme dans le cas où la roue est du type hélicoïde. La roue centrifuge sera, de préférence, choisie du type à pales couchées en arrière et a l'avantage d'être plus silencieuse, à caractéristiques égales, que la roue hélicoide. Le pivotement du ventilateur autour d'un axe vertical dans le cas où le renversement du sens de l'air est nécessaire, a le grand avantage de permettre d'utiliser un ventilateur à rendement élevé, qu'il soit hélicoide ou centrifuge. La position de 1 'enveloppe après pivotement de 1800 est représentée en pointillé en (18) sur la figure 9. REVENDICATIONS 1. Ventilateur dit de poussée, destiné à la ventilation longitudinale par induction de tunnels routiers ou ferroviaires, caractérisé par le fait que l'axe de rotation de la roue est vertical ou très voisin de la verticale et que cette roue tourne dans une enveloppe possédant un orifice de sortie assurant un guidage de l'air tel qu'il en sorte, suivant une direction sensi blement horizontale et ayant une section au plus égale à 120 % de celle d'entrée, de l'air dans la roue qui aspire vers le bas. 2. Dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que la roue est du type hélicolde et où 1 'enveloppe comporte des directrices à génératrices horizontales assurant le guidage de l'air entre la verticale et 1 'horizon tale. 3. Dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que la roue est du type hélico-centrifuge ou centrifuge et où ltenveloppe a la forme d'une volute de ventilateur centrifuge à très grand refoulement. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2, ou 1 et 3, où le ventilateur est pivotant sur un axe vertical matérialisé par un arbre et des paliers, l'élément fixe étant attaché à la voûte du tunnel et ltélément mobile sur le ventilateur, la rotation de 1800 étant assurée à distance par un vérin.