Brevet FR2557216A1 — publié le 19850628

PROCEDE DE REGULATION ANTI-POMPAGE DES VENTILATEURS HELICOIDES L'invention concerne un procédé de régu lation anti-pompage des ventilateurs hélicoides à pales à angle variable en régime de fonctionnement stable, tenant compte de la zone d'hystérésis,au moyen d'un dispositif de régulation qui utilise comme paramètres de régulation l'aug mentation de la pression et le débit d'air. Les ventilateurs hélicoRdes ont des plages de régime stable et instable qui fusionnent lorsque la courbe caractéristique-du ventilateur est discontinue (pour un ventilateur à pales fixes) ou lorsque l'ensemble des courbes est discontinu (pour un ventilateur à pales à angle variable). L'état de la technique connue est illustré par les figures 1, 2 et 3. La figure 1 montre une courbe caractéristique du premier type de ventilateur sur un diagramme débit Vpression Ptotal pour une vitesse constante de rotation du ventilateur (n) et un angle de pales fixe (ps). s) Si l'on con- necte seulement un conduit eut un étrangleur variable à une installation, le point de fonctionnement du ventilateur peut être déplacé tout le long de la courbe caractéristique. Quand 1 'étrangleur est grand ouvert, le ventilateur produit un débit élevé # à basse augmentation de pression t Ptotal (point de fonctionnement 1). Le débit diminue constamment avec l'augmentation de l'étranglement (points de fonctionnement 2, 3 et 4). Au point de fonctionnement 5, le ventilateur produit son maximum possible d'augmentation de pression dans la plage stable "a" de la courbe caractéristique. Si l'on continue 1 'étranglement, le courant à l'endroit des pales de roue décroche et l'augmentation de pression du ventilateur diminue soudainement (point de fonctionnement 6). Si l'on ferme le régulateur encore davantage, la pression du ventilateur augmente à nouveau (point de fonctionnement 7) ; toutefois, le courant vers les pales demeure rompu.Le ventilateur fonctionne maintenant "en pompage" dans la plage instable b de sa courbe caractéristique. Cette plage de fonctionnement doit être évitée autant que possible, étant donné que : - des forces latérales et alternatives se développent au niveau des pales du ventilateur, - les paliers sont soumis à des contraintes dynamiques élevées, - le système tout entier de canalisation qui a été connecté fait l'objet de contraintes sous ireffet des oscillations dues aux variations continuelles de pression, - le ventilateur devient considérablement plus bruyant, - le passage soudain dans la zone instable crée des problèmes dans le circuit de régulation du ventilateur, et - dans les cas extrêmes, il faut s'attendre à un endommagement du ventilateur et de l'installation. Apres avoir atteint le point de fonctionnement 6, si l'etrangleur est réouvert, très souvent le ventilateur ne fonctionne pas immédiatement sur la branche stable de la courbe caractéristique. I1 y a retour au point 3 de la plage stable seulement après avoir dépassé le point de fonctionnement 8, c'est-à-dire 9. De la une zone d'hystérésis "C" est formée (en hachures dans la figure 1), qui est délimitée par rapport à la courbe caractéristique stable par le point 3 (limite d'hystérésis). Le passage du point de fonctionnement 5 au point 6 ou du point 9 au point 3 se fait soudainement ; des points intérmédiaires ne peuvent donc être atteints.De plus, de légères perturbations qui se produisent même dans la portion "a" de la courbe caractéristique stable comprise entre les points 3 et 5, peuvent faire passer le ventilateur à la branche instable de la courbe caractéristique "b". En ce qui concerne le second type de ventilateurs mentionné dans lequel l'angle des pales peut etre variable pendant le fonctionnement, un ensemble de courbes caractéristiques est tracé sous forme de diagramme pression-débit (figure 2). A nouveau, sur la base d'une vitesse de rotation constante "n" du ventilateur, les courbes caractéristiques d'un ventilateur sont tracées sur le diagramme pour différents angles ss s des pales. Sur le diagramme de la figure 2, la rencontre de tous les points 5 (voir figure 1) des courbes indivi duelles caractéristiques est désignée : limite de décrochage (coupure d'écoulement d'air) "d". La limite d'hystérésis résultant de la rencontre des points 3 est désignée par 8'e". En outre, une ligne "f" de limitation est insérée, laquelle passe par les points 9 des courbes caractéristiques. Le point 10 est trouvé par projection verticale du point particulier 9 sur la branche stable de la courbe. La courbe reliant le point 10 de toutes les courbes caractéristiques est appelée ligne de limitation "g". Finalement, une courbe caractéristique de l'installation "h" de forme parabolique est insérée sur le graphique de la figure 2.Cette courbe est produite quand plusieurs consommateurs utilisent une installation et qu'ils ne modifient pas leur niveau d'étranglement en aval du ventilateur. En général, pour une installation, on choisit un ventilateur tel que le point de fonctionnement B soit situé dans la zone du meilleur degré d'efficacité et soit suffisamment éloigné de la zone instable... Mais lorsqu'on exige un débit plus élevé, au lieu du débit fourni par ce ventilateur au point de fonction nement B avec un angle de pale sB > on peut l'obtenir en agran- dissant l'angle de pale. Alors, le point de fonctionnement B monte vers le haut en liaison avec l'angle de pale ss s sur la courbe caractéristique de l'installation. Simultanément, le point de fonctionnement B se déplace sur la courbe caractéris tique du ventilateur de l'angle de pale agrandi ss 5 en direction de la limite de décrochage d. Sur la figure 2, le point de fonctionnement B atteindrait par conséquent la limite de décrochage à un angle de pale s un peu supérieur à 50 degrés. Mais la courbe caractéristique de l'installation h peut aussi, du fait de mauvais fonctionnement et de phénomènes parasitaires, se transformer, par exemple devenir plus raide. Le point de fonctionnement suivant B de cette courbe caractéristique de l'installation h, se déplace ainsi en direction de la limite de décrochage d et menace de le dépasser, parce qu à un angle de pale inchangé, le point de fonctionnement B se déplace vers la gauche sur la branche stable de la courbe caractéristique du ventilateur attribué à cet angle de pale. En d'autres termes : la position du point de fonctionnement B dans le champ des courbes caractéristiques du ventilateur (figure 2) indique de façon décisive si le ventilateur travaille en plage stable ou instable. Ainsi, on trouve la position du point de fonctionnement à l'endroit où la courbe caractéristique de l'installation h se croise avec cette courbe caractéristique du ventilateur s qui est attribuée à l'angle de pale, avec lequel le ventilateur fonctionne. Si le point de fonctionnement est situé sur la branche stable de cette courbe caractéristique du ventilateur, alors le ventilateur fonctionne en plage stable. Si le point de fonctionnement est situé au contraire sur la branche instable de la courbe caractéristique, alors le ventilateur travaille en plage instable et donc-avec un courant incohérent. Dans le but d'empêcher le fonctionnement en pompage du ventilateur dans la plage instable de fonctionnement, le point de fonctionnement B a été régulé jusqu'ici au moyen des paramètres de débit # et d'augmentation de pression I Ptotal utilisant une régulation de la limite de décrochage tenant compte de l'hystérésis résultante dans la plage stable de fonctionnement ; il a seulement été possible de le maintenir sous la ligne de limitation "f" de la figure 2 pour les raisons suivantes. Comme indiqué sur la figure 3, extrait d'un ensemble de caractéristiques de la figure 2, nous avons la un point de fonctionnement "C" à la fois sur la branche instable bl de la courbe caractéristique d'un ventilateur avec l'an gle de pale ss sl et à la fois sur la branche stable a2 d'une courbe caractéristique avec l'angle ss s2. Le procédé de régulation utilisé jusqu'ici ne permet pas de discerner, en utilisant les o paramètres déterminés V et APtotal Si le ventilateur se déplace le long de la ligne caractéristique ss sl ou le long de la ligne /3s2. C'est seulement sous les points de fonctionnement 9 et sous la ligne de limitation "f" qui passe par ces points qu'il y a une attribution précise d'un point de fonctionnement par les paramètres # et # ptotal à la plage stable de fonctionnement du ventilateur.Dans le procédé de régulation connu, lequel empêche de dépasser la ligne. de régulation-limite "f", on obtient un fonctionnement sûr et la protection du ventilateur dans la plage stable de fonctionnement ; mais une plage relati vement plus grande demeure inutilisée au-dessus de cette ligne de limitation "f" pour un fonctionnement du ventilateur de façon très efficace. Ceci s'applique en particulier aux ventilateurs hélicoides à plusieurs étages" dans lesquels la zone d'hystérésis est plus grande que pour les ventilateurs à un étage". L'invention se propose de réaliser un procédé de régulation pour les ventilateurs hélicoïdes du type mentionné ci-dessus où la gamme de fonctionnement atteint ou presque la ligne de décrochage, de telle sorte que l'on obtienne ainsi une attribution précise du point de fonctionnement sur la branche stable de la courbe caractéristique du ventilateur. L'objectif de l'invention est atteint du fait que le point de fonctionnement du ventilateur est déterminé jusque dans la plage de fonctionnement où, à un angle de pale donné, une augmentation de pression précise est -attribuée au débit produit, en utilisant comme paramètres de régulation o l'angle ss s de pale d'hélice et le débit V, et jusque dans la limite de décrochage, en utilisant, en plus, l'augmentation de pression 8 aptotal comme paramètre de régulation. Déjà en utilisant comme paramètre de régulation l'angle ffi s de pale, il est possible de placer le point de fonctionnement B jusqu'à la ligne de limitation g Comme le montre la figure 3, le point 10 est trouvé par pro Section verticale du point 9 de la courbe caractéristique ss sl sur la branche stable de la courbe caractéristique al à un débit minimal V min 1 ; la ligne de limitation "9" est tracée par les différents points 10.Dans un ventilateur qui fonctionne sous cette ligne de limitation "g", la régulation de la limite de décrochage permet de déterminer le point de fonctionnement B avec précision en utilisant les paramètres mesurés ss s et V, étant donné que jusqu'à la ligne de limitation "g", une augmen tation précise de pression # ptotal est en relation avec un débit # pour un certain angle ss s de pales de roue. En appli- quant le procédé ainsi inventé dont la protection partielle est revendiquée, on obtient une augmentation considérable de la plage des courbes caractéristiques utilisable (de la ligne de limitation f à la ligne de limitation g dans la figure 2) pour un fonctionnement stable du ventilateur. En passant à la phase suivante de l'invention et en utilisant l'augmentation de pression AP comme paramètre de régulation supplémentaire, il est possible, pour le dispositif de régulation relié au ventilateur, de con trôler le point de fonctionnement B ou C avec précision, même dans la plage des courbes caractéristiques (figures 2 et 3) com prise entre la ligne de limitation g et la limite de décrocha ge d.Par exemple, si la régulation établit que le ventilateur fournit une plus faible augmentation de pression par rapport à l'augmentation de pressionaptotaî, atteinte lors du fonctionne ment dans la branche stable al de la courbe caractéristique psl pour des débits V situés entre les points 5 et 10, il se pro l'écoulement d'air/ duit undécrochage de # et le fonctionnement a lieu dans la pla- ge instable de la courbe caractéristique. Donc, en plus des pa ramètres de régulation es et V nécessités jusqu'ici, il faut aussi décimer si l'augmentation de pression ss Ptot 1 atteint la va requise leur i pour un fonctionnement du ventilateur dans la plage sta ble de l'ensemble des courbes caractéristiques. Si la ligne de limitation "g" est malgré tout dépassée en raison des changements rapides de pres sion dans l'installation (sous régulation utilisant les para mètres de régulation sss et #) ou si la limite de décrochage "d" est dépassée (sous régulation utilisant le paramètre supplé mentaire de régulation ap total) le ventilateur peut être ra mené à la plage stable de fonctionnement de telle sorte que l'angle de pales est d'abord rétogradé par lå ré gulation jusqu'à ce que le point de fonctionnement B ou C sous la limite d'hystérésis "e" se situe sur la branche stable de la ligne caractéristique Fs correspondante.Par la suite, l'angle de pales est légèrement augmenté à nouveau pour que le point de fonctionnement B ou C sur la branche stable caractéristique approche la ligne de limitation g ou la limite de décrochage d respectivement. La structure du système de régulation dans un ventilateur hélicoïde avec pales à angle variable est décrite ci-dessous et illustrée dans la figure 4. Un conduit 21 est connecté au ventilateur 20 pour conduire l'air. La valeur du débit # réel est mesurée en deux points 22 et 23 sur la gaine en mesurant la différence de pression ; elle est convertie dans le convertisseur 24 de mesure en un courant électrique I proportionnel au débit et envoyé à un régulateur de débit 25 extérieur. Celui-ci compare la valeur réelle convertie avec une valeur de référence de débit Vref aussi converti. Dès qu'il se produit un écart, un signal de contrôle "Y entrée" est envoyé du régulateur de débit 25 via la ligne 26, 27 à une unité de régulation de l'angle des pales 28 qui contrebalance l'écart. Un régulateur de limite de décrochage 29 est aussi prévu sur la ligne 26, 27. Le signal proportionnel à la valeur réelle du débit # réel est aussi envoyé du convertisseur 24 au régulateur de la limite de décrochage. Le régulateur de la limite de décrochage 29 reçoit d'autres signaux convertis en courant proportionnel par les convertisseurs 30, 31 et 32 de mesure. L'augmentation de pressions Total est mesurée aux points 22 et 33 en utilisant le convertisseur 30. La température "t" de l'air transporté relevée au point 34 du conduit 21 est envoyée sous forme de signal au convertisseur 31. La différence de pression est corrigée dans le régulateur de la limite de décrochage 29 en utilisant ce paramètre afin de déterminer avec o précision la valeur réelle du débit V réel.Le convertisseur 32 reçoit le signal mesuré de l'angle de pales ss s, l'angle étant mesuré au point 35 au moyen d'un indicateur de position sur l'unité de régulation de l'angle des pales 28. De par l'utilisation des signaux proportionnels envoyés au régulateur de la limite de décrochage 29 concernant le débit V réel, l'augmentation de pression t et l'angle ss s de pales d'hélice, la position du point de fonctionnement B ou C dans l'ensemble des courbes caractéristiques du ventilateur 20 est contrôlée (voir figures 2 et 3).Tant que le point de fonctionnement B ou C est sous la ligne de limitation "g" (pour une régulation utilisant les paramètres : angle de pales ss s et débit V) ou sous la ligne de décrochage d (pour une régulation utilisant le paramètre d'augmentation de pres sion a Ptotal en plus) le signal "Y entrée" du régulateur de débit 25 ressort inchangé du régulateur de la limite de décrochage 29 et est transmis en tant que signal "Y de sortie" vers l'unité 28 pour la régulation des pales d'hélice. Si, toutefois, une variation de l'angle des pales est exigée par le régulateur de débit 25, car le point de fonctionnement B ou C se trouverait au-delà de la ligne de limitation "g" ou de la limite de chute d, le signal de contrôle du régulateur de la limite de décrochage 29 est corrigé, c'est-à-dire réduit. En outre, s'il y a une chute inattendue du débit vers les pales d'hélice, le point de fonctionnement B ou C est ramené par le régulateur de la limite de décrochage 29 à une plage stable de fonctionnement en réduisant à nouveau l'angle des pales. REVENDICATION 1/ - Procédé de régulation anti-pompage des ventilateurs hélicoïdes à pales d'hélice à angle variable dans la plage de fonctionnement stable, tenant compte de la zone d'hystérésis au moyen d'un dispositif de régulation en déterminant les paramètres de régulation : augmentation de pression et débit, caractérisé par le fait que le point de fonctionnement du ventilateur est déterminé jusque dans la plage de fonctionement où, à un angle de pale donné, une augmentation de pression précise est attribuée au débit produit, en utili sant comme paramètres de régulation : l'angle s de pale d'hé- o lice et le débit V, et jusque dans la limite de décrochage, en utilisant, en plus, l'augmentation de pression p Ptotal comme paramètre de régulation.