Brevet FR2578589A1 — publié le 19860912

Ventilateur axial avec buse d'admission et dispositif de stabilisation"0 L'invention concerne des ventilateurs axiaux avec buses d'admission et grilles de protection, dont la courbe caractéristique pression-volue doit être stabilim sée. Il est connu que les ventilateurs axiaux ont, lorsqu'ils sont fortement étranglés, une plage de fonctionnement instable. Ceci résulte d'un décollement de l'écoulement dans la partie externe de la grille de la roue mobile. Dans des-ventilateurs axiaux comportant une buse d'admission, il se produit pour un fort étranglement, un écoulement en retour d'une partie déterminée du débit de refoulement à partir de la zone périphérique du carter du ventilateur, de sorte que la section transversale dear- rivée de l'écoulement à l'entrée du ventilateur, subit une striction et la définition fonctionnelle de la buse d'admission est influencée défavorablement0 Il se produit en outre, une chute de pression et de rendement, des ten- dances à la vibration des parties constitutives du ventis lateur et une pulsation du fluide refoule ainsi qu'une augmentation de la puissance sonore. Comme le rendement maximum du ventilateur se situe très près de cette plage de fonctionnement instable, il arrive très souvent que le point de fonctionnement du ventilateur tombe dans cette plage de fonctionnement insta blee Pour des raisons de sécurité, on renonce à faire fonctionner le ventilateur au maximum de rendement et le point de fonctionnement est fixé plus loin à droite sur la courbe caractéristique du ventilateur. Pour résoudre le problème de la stabilisation de la courbe caractéristique, il a été proposé jus qulà maintenant en fonction du type de construction du ventilateur axial, une série de possibilités de solutions qui ne sont toutefois pas avantageuses pour les types de construction à aspiration libre avec buses d'admission. Dans le document BE-PS 815 374 est décrite la disposition d'un anneau d'aspiration dans la buse d'admission. L'inconvénient de cet anneau d'aspiration en forme de buse disposé concentriquement au voisinage imme- diat de la roue mobile, est qu'il constitue une source de pertar aérodynamique s, de-vibrations de la roue mobile et de bruits plus intenses. Dans ce même document, i1 est proposé de disposer entre le distributeur annulaire amont et la roue mobile, un anneau cylindrique co-axial, Cette proposition a été complétée dans le document DjTrAS 1 064 191 par l'installation d'un anneau au voisinage du moyeu. Ces solutions présentent l'inconvénient qu'elles n'assurent qu'une stabilisation partielle, qu'elles comportent également des effets perturbateurs et qutel- les ne sont pas avantageuses pour des ventilateurs axiaux à aspiration libre. Dans le document DE-AS 1 428 077, est decrit un ventilateur axial d'un mode de construction tubulaire, dans lequel un canal de retour extérieur annulaire assure la stabilisation de la courbe caractéristique. La partie d'entrée de ce canal de retour se trouve au voisinage du bord extérieur d'entrée des aubes mobiles et a un diamètre supérieur à celui de la partie de carter du ventilateur axial. Dans ce canal de retour annulaire, il s'établit pour un fort étranglement, un écoulement en retour dirigige en sens inverse de l'écoulement principal. Cet écoulement en retour est ramené en amont sur l'écoulement principal. L'inconvénient est alors une longueur de construction axiale relativement grande et une complexité technique importante. Toutes les solutions proposées jusqu'à ce jour qui ont pour but de contrôler le fluide s'écoulant en retour par des anneaux ou bien par des canaux de dérivation et de le ramener sur l'écoulement principal à une distance relativement courte an amont de la roue mobile, ont de toutes façons l'inconvénient que le fluide ainsi amené perturbe l'écoulement principal par l'effet de giration ou bien du fait des composantes de vitesses radiales et ne permettent pas d'obtenir une stabilisation complète. Le but de l'invention est de stabiliser la courbe caractéristique pression-volume de ventilateurs axiaux comportant des buses d'admission, avec une complexi- té technique réduite, une courte longueur de construction et un bon effet de stabilisation, pour élargir la plage de fonctionnement utilisable pour des résistances d'ins tallations variant fortement et pour obtenir un fonctionne- ment en parallèle satisfaisant. Le problème pose à l'invention est9 pour des ventilateurs axiaux de construction courte comportant des buses d'admission, et dont le rapport du diamètre externe au # interne est supérieur ou égal à 1,15, de dériver l'écou- lement en retour prenant naissance dans le cas d'un fort étranglement, de façon que l'écoulement principal ne soit pas affecté et que dans la plage de fonctionnement optimal du ventilateur, une amélioration aérodynamique soit -obte- nue. Simultanément, on vise à obtenir grâce à une grille de protection, une fixation efficace de la buse avec des pertes de pression réduites. Cela est obtenu conformément à l'invention, en ce qu'un intervalle annulaire est ménage entre la buse d'admission et le carter du ventilateur de façon qu'à travers cet intervalle, le fluide refoulé s'éconlant en retour hors de la zone de la roue mobile lors d'un décolle- ment de l'écoulement dans le cas d'un fort étranglement, puisse s'échapper dans l'espace libre en dehOrS du ventila- teur.Il est avantageux que le diamètre de la sortie de la buse d'admission soit égal ou légèrement supérieur au diamètre du carter du ventilateur, et soit de préférence compris entre 1,0 et 1,03 par rapport à celui-ci. la largeur de l'intervalle annulaire est de 0,ç3 à 0,07 du dia- mètre de passage du carter du ventilateur1 A l'orifice d'entrée du carter du ventilateur, est disposé un c6ne directeur de façon qu'il s'ouvre en sens opposé du sens de l'écoulement principal et que son angle dlinclinaison 04 soit adapté à la direction d'écoulement du fluide refoulé s'écoulant en retour pour un fort étranglement.Cet angle d inclinaison t se si- tue dans un ordre de grandeur de 35 à 50 , per rapport à l'axe du ventilateur. Le côté entrée des aubes de la roue mobile pénètre dans la zone de l'intervalle annulaire. Avantageusement, cette profondeur de pénétration est de 20 à 50 % de de l'étendue axiale des aubes sur leur diamètre externe. La grille de protection est en forme de cor- beille et va en s'élargissant dans le sens de l'écoulement. La buse d'admission est disposée dans cette grille de protection en forme de corbeille. Elle s'applique à sa périphérie contre les barreaux de la grille de protection. Ainsi les différentes parties instables acquièrent du fait de leur liaison, une rigidité élevée. La distance entre le fond de la grille de protection et l'entrée de la buse d'adnission est de 0,02 à 0,06 D, D étant le diamètre du ventilateur axial. L'écoulement en retour dans le cas d'un fort étranglement est dirigé le long du cane directeur dans l'espace libre en dehors de la buse d'admission. Ainsi, un mélange direct du fluide refoulé s'écoulant en retour avec l'écoulement principal est évitée La giration résiduaire de l'écoulement en retour peut se dissiper dans une large mesure. L'écoulement en retour dérivé le long du contour de la buse d'admission, forme sur celui ci à l'ex- térieur un jet libre d'écoulement inverse qui constitue une surface de séparation par rapport à l'écoulement point cipal avec un angle de cane important. De ce fait, il ne se produit pas de perturbations et la roue mobile est uni- formément sollicitée par l'écoulement en provenance de la buse0 La zone instable constatée jusque là ne s'établit plus. l1allure de la courbe caractéristique pres- sion-volume ne comporte plus de chute de pression dans une large étendue de l'angle de positionnement des aubes mobiles. La zone stabilisée de la courbe caractéristique est utilisable en pratique. Lors du fonctionnement du ventilateur axial dans une zone de faible étranglement, et même au point de rendement maximal, un écoulement partiel est aspiré à partir de l'espace libre par l'intermédiaire de l'intervalle an- nulaire. Pour permettre l'injeftion avec de faibles pertes de cet écoulement partiel, le cône directeur comporte dans sa zone externe et dans la zone de transition vers le car- ter du ventilateur, des arrondis en forme de buses avec des rayons de courbure de 0003 à 0,01 x D, n étant le dia mètre du carter du ventilateur0 Grâce à la division de l'écoulement de refoulement à l'entrée de la buse, la perte de pression, rapportée au système d'admission, c'est-à-dire à la buse d'admission et à l'intervalle annulaire, est plus réduite-que dans le cas de la réalisstion sans dispositif de stabilisation. La répartition favorable de la vitesse se traduit par une légère amélioration du rendement sur l'ensemble de l'étendue de fonctionnement du ventilateur. Grâce à la disposition de la buse d'admission dans la corbeille de la grille de protection, la grille de protection se trouve très éloignée de la roue mobile et vient ainsi se placer dans une zone de faible vitesse d'admission. Les pertes de pression à la grille sont ainsi réduites et les corps étrangers ne restent pas adhérents. L'invention va dtre exposée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur les dessins ci-joints dans lesquels : - la figure 1 représente un ventilateur axial à aspiration libre avec un équipement de postdistribution, - la figure 2 montre les courbes caractéristiques du ventilateur sans et avec un dispositif de stabilisation, - la figure 3 montre à plus grande échelle le détail A de la figure 1. Le ventilateur axial est constitué de la buse d'admission 1, du carter de ventilateur 2, et de la roue mobile 5. Entre la buse d'admission l et le carter de ventilateur 2, se trouve un espace annulaire 3. Un cône directeur 4 est disposé à l'orifice d'entrée sur le carter de ventilateur 2 de façon qu'il s'ouvre de l'angle d'inclinaison C Le cône directeur 4 se raccorde par un arrondi en forme de buse 10 au carter de ventilateur 2. Dans cet exemple, le ventilateur axial comporte une paroi de séparation 11. Sur cette paroi est fixée, de façon en soi connue, la grille de protection 12. Cette grille de protection 12 est en forme de tronc de cône. A l'intérieur de cette grille se trouve la buse d'admission 1. La buse d'admission 1 vient alors en appui contre les barreaux 13 de la grille. La distance entre la buse d admission 1 et le fond de la grille de protection 12, est fixée par des extrémités 14 recourbées vers l'intérieur des barreaux de la grille. La grille de protection 12 aussi bien que la buse d'admission 1, sont d'une construction légère et permettant de les empiler. Après le montage, elles acquièrent une grande rigidité. La largeur de l'intervalle annulaire 3 est fixée par la position des extrémités repliées 14 des barreaux de la grille. Lors d'un fonctionnement fortement étranglé, le ventilateur aspire l'écoulement principal 8 par l'in termédiaire de la buse d'admission 1. Dans la zone de la roue mobile, il se produit sur le diamètre externe, un écoulement en retour 6. Cet écoulement en retour est dirigé par l'intervalle annulaire 3 en dehors de la buse d'admis- sinon ss dans espace libre 70 L'angle d'inclinaison &alpha; du c"ne directeur fi correspond à la direction principale de l'écoulement en retour 6. Au point de fonctionnement optimal pour #/# opt 0,8, la roue mobile 5 aspire l'écoulement principal 8 à travers la buse d'admission 1 et un écoulement partiel 9 à travers l'intervalle annulaire 3O Il est avantageux d'avoir aussi un arrondi 10 au diamètre extérieur du c8ne directeur 4. La paroi de séparation 11 entre l'espace d'aspiration et lespace de refoulement peut être disposée depuis le diamètre extérieur du cône directeur 4 jusqu'à l'orifice de sortie du carter de ventilateur 2. Sur la figure 2 sont représentées les courbes caractéristiques du ventilateur axial sans et avec le stabilisateur conforme à l'invention. Sur ce graphique, les coefficients techniques sans dimension caractéristi ques de l'écoulement, # ,# et # , sont représentés sous la forme de coefficients proportionnels par rapport au point optimal du ventilateur. Le niveau de puissance sonore spécifique a été défini par : V pg LPsp = LP(A) - 10 lg dB(A) - 20 lg dB (A) 1 m/s 1 Pa Sans stabilisateur, on a les courbes caractéristiques A, B et C, et avec stabilisateur les courbes caractéristiques D, E et P. Pour le ventilateur sans stabilisateur, lorsque l'étranglement croit le coefficient de pression (cour be caractéristique A) à gauche de l'optimum de rendement, croit tout d'abord jusqu'au point X. Du fait du décollage de l'écoulement dans la grille de la roue mobile, le coefficient de pression tombe lorsque l'étranglement continu à croître et il croît ensuite à nouveau lorsque le coefficient de rendement tombe à zéro. Dans la zone à gauche du sommet X, le ventilateur fonctionne de façon instable, ce fonctionnement s'accompagnant d'une puissance sonore plus élevée (courbe caractéristique C) et d'une chute de rendement plus importante (courbe caractéristique B). Avec le stabilisateur conforme à l'invention, l'évolution du coefficient de pression (courbe caractéristique D) ne présente plus de zones critiques. Le coefficient de pression # montre lorsque l'étranglement augmente, une allure à peu près constamment croissante. Le coefficient de pression et le rendement (courbe caractéristique 3) sont alors nettement accrus. Le niveau de puissance sonore (courbe caract6- ristique P) présente à gauche de l'optimum du ventilateur, dans une large zone, une valeur réduite à peu près constante. La plage de fonctionnement économique du ventilateur, avec le dispositif de stabilisation, est en pratique utilisable jusqu'à #: #opt = 0,5. REVENDICATIONS 1.- Ventilateur axial avec une buse dtad- mission et un dispositif de stabilisation, ventilateur caractérisé en ce que, entre l'orifice de sortie de la buse d'admission (1) et l'orifice d'entrée du carter (2) du ventilateur, un cône directeur (4) est disposé de fa çon qu'il s'ouvre dans la direction opposée à celle de l'écoulement principal (8) et débouche dans un espace libre (7). 2.- Ventilateur axial selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cône directeur (4) a un angle d'inclinaison de 350 à 500. 3.- Ventilateur axial selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre de sortie de la buse d'admission (1) est de 1.à 1,03 x D et que la margeur de l'intervalle annulaire (3) est de 0,03 à 0,07 x D, D étant le diamètre d'entrée du carter (2) du ventilateur. 4.- Ventilateur axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 20 % à 50 % de la largeur, prise sur le diamètre extérieur, des aubes de la roue mobile (5) se situent dans la zone de l'intervalle annulaire (3). 5.- Ventilateur axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la grille de protection (12) est en forme de corbeille conique, allant en s' élargissant dans le sens de l'écoulement principal (8), la buse d'admission (1) étant disposée à l'inté- rieur de la grille de protection (12) de façon qu'elle soit à une distance minimale du fond de la grille de protection (12) comprise entre 0,02 et 0,06 D, et qu'elle s'applique de tous côtés à son diamètre extérieur contre la grille de protection (12).