Brevet FR2523224A1 — publié le 19830916

L'invention se rapporte à une roue de ventilateur axiale, notamment pour un ventilateur de refroidissement pour moteurs à combustion interne à refroidissement par eau pour véhicules utilitaires, cette roue étant composée d'un moyeu et de pales de ventilateur montées sur ce moyeu. Les ventilateurs de refroidissement de ce genre prévus pour les véhicules automobiles, notamment pour les véhicules utilitaires, travaillent dans des conditions de fort étranglement, qui sont dues aux fortes pertes de charge engendrées dans le radiateur et dans le compartiment du moteur. La plupart des ventilateurs de refroidissement qu'on trouve actuellement sur le marché travaillent dans un intervalle de valeurs du coefficient d'étranglement allant de = 0,07 à 0,15, désignant le rapport de la pression dynamique rapportée à la surface du disque annulaire de la roue du ventilateur à l'élévation de pression totale qui, de son côté, est composée de la pression dynamique et de la pression statique.En raison du fort étranglement, les ventilateurs du genre cité au début n'atteignent qu'un débit volumique relativement petit en présence d'une forte contre pression de sorte que l'écoulement se décolle au niveau du moyen, ainsi qu'il est bien connu. Il s'établit sur les pales du ventilateur un écoulement orienté axialement et radialement obliquement vers l'arrière et, au-dessous d'une certaine limite entre cet écoulement dit semi-axial et le domaine de décollement un tourbillon annulaire dont les particules d'air pénètrent constamment dans l'aubage, en subissant de fortes pertes par choc et sont ensuite refoulées vers 1' exté- rieur. Ces phénomènes qui sont désignés en général par l'expression de pertes de ventilation, sont préjudiciables car ils consomment de l'énergie et réduisent ainsi le rendement du ventilateur.Un autre inconvénient consiste en ce que l'écoulement semi-axial décollé est très instable, ce qui se manifeste par des fluctuations de pression et exerce une influence préjudiciable sr la caractéristique du ventilateur dans la région des grandes valeurs du coefficient d'étranglement qui a été mentionné plus haut. Le but de l'invention est d'éviter les pertes de ventilation et de stabiliser l'écoulement sans cependant abandonner le mode de construction d'ensemble des roues de ventilateurs axiaux mentionnées au début. Ce but est atteint dans une roue de ventilateur axiale du genre cité au début par le fait que, dans la région du bord de fuite des pales du ventilateur, est monté sur le moyeu un disque dont le diamètre est supérieur d'au moins 30 % au diamètre du moyeu. Cette configuration supprime le tourbillon annulaire mentio-nné plus haut, et de cette façon, les pertes de ventilation. Lorsque le moyeu est de forme cylindrique, il se forme entre la paroi latérale du moyeu et le disque un nouveau tourbillon annulaire qui a pour effet que lté- coulement se comporte comme s'il était prévu un moyeu conique.De cette façon, l'écoulement semi-axial désiré est stabilisé sans modification du mode de construction Le tourbillon annulaire stationnaire n'est alors produit qu'une fois au moment du processus de démarrage et par conséquent, il ne consomme qu'une petite quantité d'énergie, contrairement au tourbillon qui se décolle. On a constaté que le ventilateur de refroidissement réalisé selon 1' invention présente une allure de caractéristique beaucoup plus uniforme que celle des formes de réalisation antérieures et possède un rendement supérieur d'environ 10 %. Naturellement, il est également possible de prévoir le disque selon l'invention dans le cas d'une roue de ventilateur axiale possédant un moyeu en forme de disque et des pales rivées sur ce moyeu. La stabilisation désirée de l'écoulement se produit également ici. Il est avantageux que le disque soit réalisé sous la forme d'un disque annulaire ajouté sur le moyeu qui peut être conique et forme une partie de la surface latérale d'un cône dont la pointe se trouve en avant du bord arrière du moyeu, considéré dans le sens de l'éécoulement. Suivant une autre caractéristique de 1' inven- tion,- le disque annulaire peut être constitué par un élément de fixation des pales du ventilateur, auquel cas il est avantageux de relier rigidement les pales du ventilateur au disque annulaire, qui de son coté, est vissé sur le moyeu par une bride de fixation. En particulier dans le cas des roues de ventilateurs axiaux, munies d'ailettes de refroidissement orientées radialement, prévues sur le côté frontal d'attaque d'un coupleur à frottement de liquide formant le moyeu, on obtient une autre possibilité avantageuse de stabilisation de l'écoulement et, par conséquent, de suppression des pertes de ventilation lorsqu'il est prévu une surface déflectri-ce d'écoulement, combinée au disque annulaire, qui se trouve dans la région du c8té d'attaque du moyeu, et qui est accordée au contour extérieur du moyeu et à la position du disque annulaire de manière à éviter le décollement de l'écoulement au niveau de la périphérie du moyeu.Dans le cas de roues de ventilateurs munies d'ailettes- de refroidissement prévues sur le côté frontal du moyeu, ceci peut être obtenu d'une façon trrès simple et très- efficace par le fait que la surface déflectrice d'écoulement réalisée sous la forme d'un anneau frontal conique est montée dans la région extérieure des bords frontaux d'attaquedes ailettes de refroidissement, au moyen d'une bride de fixation intérieure et, de là, se raccorde à la partie annulaire conique de l'anneau frontal avec un profil à peu près en arc de cercle.Grâce à cette configuration, l'écoulement qui est tout d'abord dévié exclu sivement radialement vers l'extériear entre les ailettes de refroidissement, et qui est ensuite dévié dans une direction semi-axiale, vers le disque annulaire arrière, par l'action des pales du ventilateur, est appliqué contre le contour extérieur du moyeu avant de frapper le disque annulaire arrière. On évite ainsi totalement la formation d'un tourbillon de décollement à la périphérie du moyeu. L'invention est décrite ci-après à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels, la Fig. 1 est une représentation schématique d'une roue de ventilateur appartenant à un ventilateur de refroidissement connu pour moteurs à combustion interne à refroidissement par eau ; la Fig. 2 montre la configuration donnée selon l'invention à la roue d'un ventilateur de refroidissement pour moteurs à combustion interne à refroidissement par eau ; la Fig. 3 est un diagramme schématique montrant la caractéristique d'un ventilateur axial réalisé conformément à l'invention, et comparée à celle d'un ventilateur axial d'une construction connue ; ; la Fig. 4 représente la variation du rendement du nouveau ventilateur axial comparativement à celui d'un ventilateur de la forme de construction habituelle selon la Fig. 1 la Fig. 5 est une coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation d'une roue de ventilateur selon l'invention, combinée à un coupleur à frottement de liquide et munie d'ailettes de refroidissement fronta- les et d'un anneau déflecteur d'entrée frontal. Sur la Fig. 1, on a représenté une forme de réalisation d'une roue de ventilateur axiale connue, qui est utilisée comme ventilateur de refroidissement pour les moteurs à combustion interne à refroidissement par eau de véhicules utilitaires. La roue de ventilateur 1 est ici composée d'un moyeu 2 qui est relié rigidement à un arbre d'entratnement 3 qui n'est représenté que de façon schématique. Sur le moyeu cylindrique 2 sont montées des pales de ventilateur 4 qui sont disposées avec une certaine inclinaison sur l'axe de rotation 3, d'une façon connue et produisent un écoulement d'air qui circule dans le sens des flèches 5, à travers un carénage de ventilateur 6, simplement indiqué sur le dessin, et à travers le refroidisseur d'eau placé devant ce carè- nage.En raison du fort étranglement, l'écoulement à la sortie des pales 4 du ventilateur se produit, non pas dans une direction purement axiale mais au contraire d'une façon semi-axiale, obliquement vers ltextérieur, comme on peut le voir sur la Fig. 1, de sorte qu'il s'établit en arrière d'une ligne limite imaginaire G des phénomènes de décollement sous la forme d'un tourbillon annulaire 7. Ce tourbillon annulaire a pour effet que des particules d'air sont constamment aspirées dans la région des pales situées au-dessous de la ligne limite G et refoulées vers l'extérieur, en engendrant de grandes pertes par choc. Ces pertes par choc et le refoulement de l'air sont désignés par l'expression de pertes de ventilation, elles consomment de l'énergie et détériorent ainsi le rendement du ventilateur.Comme on peut le voir sur la Fig. 3, l'écoulement décollé a en outre pour effet que la caractéristique 8 d'un tel ventilateur de refroidissement présente dans l'intervalle de travail, c'est-à-dire dans le cas d'un étranglement compris entre T 5 0,07 et T = 0,15 un ensellement 8a qui se produit également de la même façon dans courbe de rendement 9 de la Fig. 4 (qui est valable pour la forme de réalisation connue de la Fig. 1). Dans la configuration selon l'invention qui est représentée sur la Fig. 2, un disque réalisé sous la forme d'un disque annulaire 10, est monté sur le moyeu 2 dans la région du bord de fuite 4b des palis du ventilateur, le diamètre 3S de ce disque étant s,pA- rieur d'au moins 30 Z au diamètre D1 du moyeu 2. Ainsi qu'on peut également le voir sur la Fig. 2, le disque annulaire 10 est de forme conique et il forme ainsi une partie de la surface latérale d'un cône dont la pointe fictive 11 se trouve en avant du bord arrière 2b du moyeu. Gâce à cette configuration, il se forme dans la région du disque annulaire 10 un tourbillon annulaire stable 12 qui, par rapport à l'écoulement dans le sens des flèches 9, se comporte comme un bord de moyeu conique le long de la ligne G et de cette façon, conduit à donner à la caractéristique 13 du nouveau ventilateur de refroidissement, une allure plus uniforme, repré-sentée sur la Fig. 3 et qui ne présente plus d'ensellement De même, la variation du rendement indiquée par la courbe 14 est beaucoup plus uniforme et, dans la région à considérer des valeurs du coefficient d'étranglement, comprises entre T = 0,07 et 0,15, est située environ 10 % plus haut que le rendement d'un ventilateur connu, comme la courbe 9 l'indique. Le disque ne doit pas nécessairement être de configuration conique. Il peut également être disposé perpendiculairement à l'axe du moyeu. Toutefois, dans la plupart des cas, la forme conique est meilleure. Un avantage consiste en ce que le disque peut également être monté après coup sur des roues de ventilateur déjà existantes, par exemple, ce disque peut être emmanché par son diamètre intérieur sur un moyeu cylindrique ou encore il peut être monté sur un moyeu en forme de disque. La Fig. 5 montre une variante d'une roue de ventilateur axiale suivant l'invention dans une forme de réalisation avantageuse dans laquelle le moyeu 2 fait partie du carter extérieur d'un coupleur à frotte ment de liquide qu'on a omis de représenter de façon plus détaillée du fait qu'il est connu et qui est essentiellement composé d'un disque de friction 20 en traîné par un arbre non représenté et du carter, qui entoure étroitement ce disque et est muni du couvercle 21, ce carter étant entratné en rotation, selon le degré de remplissage, par le frottement d'un liquide contenu dans la chambre formée entre le disque 20 et le carter.Le moyeu ainsi entrainé en rotation est garni de pales de ventilateur 4 qui, dans l'exemple de réalisation représenté, est relié rigidement au disque annulaire conique 10 qui, ici, joue le rôle d'un élément de fixation pour les pales 4 du ventilateur et est relié au moyeu 2 au moyen d'une bride de fixation intérieure 10a et par l'intermédiaire de vis 22. Le moyeu 2 présente, sur son côté frontal d'attaque 2a, plusieurs ailettes de refroidissement 23 orientées radialement qui couvrent encore également une certaine région axiale 24 du moyeu 2. Dans la région radialement extérieure 23a des ailettes de refroidissement 23, est prévu un anneau frontal 25 réalisé sous la forme d'une surface déflectrice d'écoulement, qui est réuni rigidement aux bords d'attaque frontaux 23b des ailettes de refroidissement 23, par le fait que l'anneau frontal 25 est vissé en des endroits convenablement conformés des ailettes de refroidissement 23, au moyen d'une bride de fixation intérieure 25a.En partant de la bride de fixation 25a qui s'étend sensiblement radialement, l'anneau frontal 25 se raccorde à une région 25bà profil en arc de cercle et, de là, à une partie annulaire conique 25c dont le bord de fuite 25d se trouve en arrière des bords d'attaque 4a des pales 4 du ventilateur, considéré dans le sens de l'écoulement. La surface interne de l'anneau frontal 25 est légère- ment inclinée sur la surface conique du disque annulaire 10 mais elle reste à peu près parallèle de cette surface de sorte que l'air qui pénètre entre l'anneau frontal 25 et le contour du moyeu dans la régit des ailettes de refroidissement 23, selon les flèches 5, est dévié vers le bord avant conique du disque anulai- re 10. La formation de tourbillons de décollement sur la face extérieure du moyeu est évitée par le fait que l'écoulement produit par le couvercle du carter de coupleur muni de ses ailettes de refroidissement évite les tourbillons annulaires 12 qui se produisent encore dans la forme de réalisation de la Fig. 2. L'écoulement est alors dévié plus loin vers l'extérieur avec une direction semi-axiale, comme c'est également le cas dans la forme de réalisation de la Fig. 2. Tous les avantages de la roue de ventilateur suivant l'invention sont donc conservés. En outre, on évite la formation d'un tourbillon au niveau du moyeu. Dans le cas de roues de ventilateurs du genre représenté sur la Fig. 5, où le moyeu forme en même temps le carter d'un coupleur å frottement de liquide, on obtient également un refroidissement optimal de ce coupleur à frottement de liquide puisque l'air qui circule dans le sens des flèches 5 peut être efficacement canalisé sur les ailettes de refroidissement 23 et le couvercle 21 du carter. REVENDICATIONS 1 - Roue de ventilateur axiale, notamment pour un ventilateur axial pour moteurs à combustion interne à refroidissement par eau de véhicules utilitaires, qui est composée d'un moyeu et de pales de ventilateur montées sur ce moyeu, caractérisée en ce que, dans la région du bord de fuite (4b) des pales (4) du ventilateur est monté sur le moyeu (2) un disque (10) dont le diamètre (Ds) est supérieur d'au moins 30 % au diamètre (DL) du moyeu. 2 - Roue de ventilateur axiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le disque est réalisé sous la forme d'un disque annulaire (10) monté sur le moyeu (2). 3 - Roue de ventilateur axiale selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le disque annulaire (10) est de forme conique et fait partie de la surface latérale d'un cône dont la pointe (ll) se trouve en avant du bord arrière (2b) du moyeu, considéré dans le sens de l'écoulement (5). 4 - Roue de ventilateur axiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le disque annulaire (10) est réalisé sous la forme d'un élément de fixation des pales (4) du ventilateur. 5 - Roue de ventilateur axiale selon la revendication 4, caractérisée en ce que les pales (4) du ventilateur sont reliées rigidement au disque annulaire (10), lequel est fixé au moyeu (2) par des vis, au moyen d'une bride de fixation (lOa). 6 - Roue de ventilateur axiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au disque annulaire (10) est combinée une surface déflectrice d'écoulement (25), située dans la région du bord d'attaque du moyeu (2) et qui est construite en fonction du contour extérieur du moyeu (2) et de la po sition du disque annulaire (10) de manière à éviter le ddcollement de l'écoulement au niveau de la périphérie du moyeu. 7 - Roue de ventilateur axiale selonla revendication 6, caractérisée en ce que la surface déflectrice d'écoulement est constituée par un anneau frontal conique (25) dont la surface interne s'étend à peu près parallèlement au disque annulaire (10). 8 - Roue de ventilateur axiale selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que le bord de fuite (25b) de l'anneau frontal (25) fait saillie dans la région située en arrière des bords d'attaque (4a) des pales (4) du ventilateur - considéré dans le sens de l'écoulement 9 - Roue de ventilateur axiale selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, comportant des ailettes de refroidissement orientées radialement, prévues sur le côté frontal d'attaque d'un coupleur à frottement de liquide qui forme le moyeu, caractérisée en ce que l'anneau frontal (25) est monté dans la région extérieure des bords frontaux d'attaque (23b) des ailettes de refroidissement (23) au moyen d'une bride de fixationn intérieure (25a) et, de là, se raccordent à la partie annulaire conique (25c) par l'intermédiaire d'une région (25b) à profil en arc de cercle.