Brevet FR2564531A1 — publié le 19851122

La présente invention se réfère aux ventilateurs centrifuges utilisés pour la propulsion de i'air ou autre gaz. On sait que pour un ventilateur centrifuge classique, tournant à vitesse constante, la pression totale (ou "énergie classique") qu'il fournit en fonction du débit en volume qui le traverse, correspond a une courbe caractéristique qui ne décroît pas de façon régulière a mesure que le débit croit, mais qui présente une zone dans laquelle la pente est positive, pour passer ensuite par un maximum au-delà duquel elle décroît.On a l'habitude de dire que la courbe du ventilateur n'est pas 'monotone", au sens mathématique de ce terne ; on dit aussi que le ventilateur "décroche" et qu'une telle courbe caractéristique présente des risques de pompage si le point représentatif du fonctionne usent du ventilateur se trouve à gauche du maximum, dans la zone à pente positive, alors qu'en fonctionnement normal, ce point doit se situer au-del du maximum, du coté des grands débits ou la pente de la caractéris- tique reste constamment négative. L'expérience montre que cette zone à pante positives dans laquelle la pression fournie par le vertilateur croît quand le débit augmente est responsable de nombreuses instabilités de fonctionnement tant dans le cas d'un ventilateur unique que dans celui d'une série de ventila tueurs t-ravaillant en parallèle. Ce- ir-Labilités rendent le fonctionnement exagérément bruyant un provoquant des phénomènes oscillatoires de l'air ou autre gaz dans les gaines de raccordement ; ces ces phénomènes, connus sous le terme de "pompage"5 sollicitent ces gaines en vibration. La présente invention vise a permettre la réalisation d'un ventilateur centrifuge pour lequel la courbe caractéristique de la pression totale en fonction du débit en volume est monotone, c'est-à-dire qui n'a plus de zone à pente positive, ou tout au moins dont la pente d'une telle zone est treks faible, afin d'empêcher l'établissement diun phénomène de pompage. L'invention est basée sur la considération faite par la Demanderesse que la zone à pente positive situe à gauche du maximum est due au fait que le débit de fluide dans la roue du ventilateur est insuffisant pour qu'un écoulement sain puisse s' y établir. Dans ces conditions, suivant l'invention, on cherche à augmenter le débit qui traverse la roue mais sans changer le débit réellement aspiré à l'extérieur et 3 par suite, sans changer le débit refoulé à l'extérieur de l'enveloppe du ventilateur. A cet effet, on prévoit un accroissement et un contrôle du débit recyclé à l'entrée de la roue, c'est-à-dire de la quantité de fluide qui passe directement de l'intérieur de l'enveloppe à l'entrée des aubes de la roue, par l'espace ou jeu qui existe toujours entre le pavillon d'aspiration et le disque avant de la roue. Si on se contente d'accroître ce jeu, le débit recyclé évoqué ci-dessus augmente, mais le rendement du ventilateur diminue beaucoup. Pour éviter ce grave inconvénient, conformément à l'invention on prévoit de fixer de petites ailettes sur l'extérieur du pavillon au niveau du col de ce dernier, afin de diriger et de réguler le débit d'air recyclé. Dans ces conditions, lorsque le débit utile est faible, il s'y ajoute le débit recyclé qui représente alors une fraction assez importante de ce débit utile, l'ensemble constituant le débit global qui traverse la roue. Gr ce aux aiglettes, le fluide recyclé se présente à l'entrée de la roue suivant une direction et une vitesse compatibles avec la direction et la vitesse du fluide aspiré à travers le pavillon d'entrée. Ce fait est essentiel pour que l'écoulement dans la roue du débit global soit sain et produise ainsi une pression suffisante pour supprimer sur la courbe caractéristique la zone à pente positive. Par contre, lorsque le débit utile du ventilateur devient grand, le débit recyclé a tendance à diminuer car la différence de pression entre l'intérieur de l'enveloppe et l'entrée de la roue diminue ; en conséquence le débit recyclé n'est plus qu'une très faible fraction du débit total qui traverse la roue. Dans ces conditions, la portion de la courbe caractéristique du ventilateur qui correspond aux débits moyens et grands n'est presque pas modifiée par la présence du dispositif objet de l'invention, ce qui permet en particulier de conserver un bon rendement maximal au ventilateur. le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 représente la caractéristique d'un ventilateur centrifuge usuel, présentant une zone de décrochement. Fig. 2 et 3 illustrent certains phénomènes d'instabilité résultant de la forme particuliàre d'une telle caractéristique. Fig. 4 montre la caractéristique susceptible d'être obtenue par mise en oeuvre de la présente invention. Fig. 5 est une coupe axiale d'un ventilateur centrifuge comportant application de l'invention. On a représenté en fig. 1 la caractéristique d'un ventilateur centrifuge usuel lorsqu'il tourne à vitesse constante. Les abscisses correspondent aux débits et les ordonnées aux pressions totales (différences entre les pressions totales d'aval et d'amont). Comme on peut le constater, la courbe présente un maximum M ; à gauche de ce maximum M se trouve une portion de courbe a à pente positive tandis qutà droite de M la portion b de la courbe présente une pente négative. La zone d'instabilité (ou de "décrochement") correspond à la portion a. Pour obtenir un fonctionnement régulier du ventilateur, le point représentatif doit se trouver dans la partie b, la pente négative de cette portion assurant la stabilité. Mais on comprend que si pour une raison quelconque la résistance à l'écoulement de l'air augmente, ie point représentatif remonte vers la gauche sur la partie b jusqu'à se trouver très près du maximum M, par exemple au point référéncé A en fig. 2. La moindre augmentation ultérieure de la résistance au refoulement suffit alors pour que le point passe par le maximum et retombe de l'autre côté de celui-ci, par exemple en B sur la partie a à pente positive qui correspond nécessairement à un fonctionnement instable puisque le débit et la pression varient dans le même sens.En outre, du fait de cette instabilité et des oscillations qu'elle entraîne, l'installation devient bruyante. On peut noter qu'on retrouve là un phénomène analogue à celui qu'on rencontre avec certains composants électriques ou électroniques dont la caractéristique comporte une partie à résistance négative. Mais en plus de l'instabilité, les oscillations et vibrations que celle-ci provoque entraînent un fonctionnement bruyant et abaissent le rendement. On remarquera qu'on a figuré en e en fig. 2 la courbe représentative de la résistance à l'écoulement pour le maximum M en vue de compléter le diagramme ; c'est lorsque la résistance dépasse cette courbe e que le phénomène de décrochement se produit. Dans le cas d'une installation à plusieurs ventilateurs en parallèle (par exemple deux), il peut fréquemment arriver que ceux-ci se répartissent mal la charge. En pareil cas, le point de fonctionnement de celui qui est traversé par un débit trop faible peut aisément s'élever jusqu'au maximum M et retomber dans la zone de décrochement a. On aboutit alors au fonctionnement représenté en fig. 3 dans laquelle C1 représente le point de fonctionnement du ventilateur à plus fort débit demeuré dans la zone stable b, et C2 celui du ventilateur à débit plus faible qui est passé dans la zone de décrochement a. Le fonctionnement est évidemment mauvais et bruyant en même temps que le rendement est médiocre. là encore el et e2 représentent les résistances à l'écoulement. D'autre part, l'instabilité résultant de la zone a provoque l'amorçage de phénomènes périodiques si la canalisation de refoulement présente des paramètres propres à assurer une résonance. Pour en revenir à fig. 2, le ventilateur dont le point de fonctionnement est situé en B constitue avec sa canalisation de refoulement un système vibrant identique a celui, par exemple, d'un arc électrique associé à un circuit oscillant ; il peut donc s'amorcer des oscillations entretenues à fréquence sonique ou subsonique entraînant un fonctionnement absolument inadmissible. L'invention permet d'obtenir une caractéristique telle que celle de fig. 4 dans laquelle la pente reste toujours négative, c'est-à-dire où il n'existe pas de zone de décrochement susceptible d'entraîner de l'instabilité. Dans un ventilateur centrifuge suivant l'inventionel que représenté en fig. 5, on trouve, comme -dans la construction classique, une enveloppe 1, une roue (formée par un disque arrière 2, un disque avant 3, et des aubes 4), et enfin un pavillon fixe d'entrée 5 dont le bord arrière s'engage à l'intérieur du disque avant 3 précité, en ménageant un jeu annulaire j. Ce jeu j a été réglé pour obtenir un débit recyclé suffisant ; par ailleurs et surtout, suivant l'invention, des ailettes 6 sont fixées à l'extérieur du pavillon 5 afin de guider en direction de la fente circulaire ou jeu ; de recyclage, l'air qui tourne dans l'enveloppe 1 entre le flasque avant de celle-ci et le disque 3 de la roue. Comme il-va de soi le nombre, la forme, les dimensions de ces ailettes 6 sont adaptés au type de ventilateur centrifuge considéré et c'est uniquement pour mieux fixer les idées qu'on donnera ci-après un exemple de réalisation qui a donné d'excellents résultats lors des essais. I1 s'agit en fait d'un ventilateur de 90KW équipé d'une roue d'un diamètre de 1000 mm, comprenant 11 aubes profilées. Cette roue est montée dans une enveloppe de 500 mm de largeur ; le pavillon est pourvu de 8 ailettes extérieures tandis que le jeu annulaire j est de l'ordre de 20 mm. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVENDICATION Ventilateur centrifuge, du genre dans lequel le disque avant (2) de la roue (2-3-4) est engagé autour du bord arrière du pavillon d'aspiration (5) en ménageant un mince jeu annulaire (j), caractérisé en ce que le pourtour extérieur du pavillon supporte une série d'ailettes longitudinales (6) propres à orienter et à réguler le fluide recyclé qui s'écoule à travers le jeu (i) précité, afin de supprimer ou au moins réduire dans une large mesure la zone de décrochement à pente positive (a) qui apparaît normalement sur la courbe caractéristique de fonctionnement pression totale en fonction du débit de l'appareil.