Brevet FR2781843A1 — publié le 20000204

-1 Hélice de ventilateur compacte optimisée L'invention concerne une hélice de ventilateur comprenant un moyeu et des pales s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu, le moyeu étant propre à être fixé sur l'arbre d'un moteur de manière à permettre au moteur de transmettre à l'hélice une puissance d'au moins 150 watts. De telles hélices sont utilisées notamment pour le refroidis- sement du moteur d'entraînement de véhicules automobiles, l'hélice produisant un flux d'air à travers un radiateur de refroidissement. Il était admis jusqu'ici que les performances aérauliques et acoustiques de telles hélices sont d'autant meilleures que leur diamètre et leur longueur axiale sont plus importants. La place disponible dans le compartiment moteur des véhicules étant généralement très limitée, il est souhaitable de disposer d'hélices de refroidissement d'encombrement réduit, notamment dans la direction axiale. De manière surprenante, on a découvert que, pour un diamètre donné, les performances aérauliques et acoustiques ne se détériorent pratiquement qu'en-deçà d'une certaine longueur axiale optimale. L'invention vise notamment une hélice du genre défini en introduction, et prévoit que sa longueur axiale L, mesurée en mètre, n'est pas notablement supérieure à la valeur L0 donnée par la formule (I) suivante: L0 = 0,426262 -5,14288.D +23,1798.D2 -44,2505.D3+ 30,8841.D4, D étant le diamètre de l'hélice mesuré en mètre. Au moins pour certaines configurations géométriques des pales, il est préférable que L ne soit pas notablement infé- rieure à L0, car en-deçà les performances diminuent. De préférence, le domaine de variation de L par rapport à Lo0, vers le haut et le cas échéant vers le bas, est de 20 %. Les relations ci-dessus valent tout particulièrement lorsque la configuration géométrique de l'hélice présente certaines au moins des particularités suivantes: - Les extrémités axiales des pales et du moyeu tournées vers l'aval du flux d'air produit par l'hélice sont sensiblement contenues dans un même plan radial. - Le bord de fuite des pales est entièrement contenu dans ledit plan radial. - Les extrémités axiales des pales et du moyeu tournées vers l'amont du flux d'air produit par l'hélice sont sensiblement contenues dans un même plan radial. - Les extrémités radialement extérieures des pales sont reliées entre elles par une virole. - Les pales sont sensiblement identiques entre elles et uniformément espacées dans la direction circonférentielle selon un pas angulaire À, le point situé à mi-distance des bords d'attaque et de fuite à l'extrémité radialement extérieure étant décalé par rapport au point correspondant au pied de la pale, dans le sens opposé au sens de rotation de l'hélice, d'un angle a compris entre la moitié et les trois quarts environ dudit pas angulaire. Ceci concerne le cas des hélices dites symétriques. - Les bords d'attaque et de fuite de chaque pale sont bombés dans le sens de rotation de l'hélice, le point situé à mi- distance de ceux-ci s'écartant progressivement vers l'arrière du plan axial contenant sa position au pied de la pale, puis revenant progressivement jusque dans ce plan, sur une fraction de l'étendue radiale de la pale comprise entre 20 % et 70 %, et s'écartant progressivement de ce même plan vers l'avant sur la fraction restante. - L'angle aigu P entre la corde de la section transversale aplatie d'une pale et un plan radial décroît progressivement au moins sur les derniers 30 % de l'étendue radiale de la pale. - Le moyeu comprend une paroi sensiblement cylindrique à partir de laquelle s'étendent les pales, et une paroi de fond disposée sensiblement selon un plan radial, tournée vers l'amont du flux d'air produit par l'hélice, la paroi cylin- drique et la paroi de fond étant raccordées entre elles par un arrondi convexe d'un rayon de courbure compris entre 4 et 8 mm. - L'arrondi a sensiblement un profil en quart de cercle de rayon 5 mm. - Les pales s'étendent sur toute la longueur axiale de la paroi cylindrique du moyeu. - Le moyeu est creux et présente intérieurement des nervures. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue axiale d'arrière d'une hélice de ventilateur selon l'invention; - la figure 2 est une vue de côté en demi-coupe axiale de l'hélice; - la figure 3 est une partie agrandie de la figure 1; - la figure 4 est une vue de dessus du moyeu de l'hélice, montrant en outre la forme de la section transversale aplatie d'une pale; - les figures 5 et 6 sont des graphiques illustrant la longueur axiale en fonction du diamètre pour des hélices de ventilateur connues et pour des hélices de ventilateur selon l'invention; et - la figure 7 montre à plus grande échelle que la figure 4 la section transversale aplatie de la pale au voisinage du bord d'attaque de celle-ci. L'hélice illustrée sur les figures 1 à 4 comprend, de façon classique, une multiplicité de pales 1 s'étendant générale- ment radialement à partir d'un moyeu central 2 et reliées entre elles, à la périphérie de l'hélice, par une virole 3. Le moyeu, les pales et la virole sont formés d'une seule pièce par moulage. Le moyeu 2 présente une paroi annulaire cylindrique de révolution 4, à laquelle se raccordent les pieds des pales 1, et une paroi frontale plane 5, tournée vers l'amont, les termes amont et aval se référant ici au sens du flux d'air produit par la rotation de l'hélice. Les parois 4 et 5 sont reliées entre elles par un arrondi 6 à profil en arc de cercle de rayon 5 mm. En direction de l'axe A de l'hélice, la paroi 5 se raccorde à un manchon central 7 surmoulé sur un insert annulaire métallique 8 destiné à la liaison de l'hélice à l'arbre d'un moteur d'entraînement non représenté. Des nervures de renforcement 9 sont prévues à l'intérieur du moyeu 2. La virole 3 présente également une paroi annulaire cylindrique de révolution 10, à laquelle se raccordent les extrémités des pales, et qui se continue, du côté amont, par un évasement arrondi 11. Les extrémités axiales du moyeu et de la virole tournée vers l'aval du flux d'air et le bord de fuite des pales sont contenues dans un même plan radial 19. En revanche, la paroi du moyeu, qui, sur la figure 1, représente l'extrémité axiale de celui-ci du côté amont, est disposée en saillie par rapport à l'extrémité correspondante de la virole 3. Quant à la position du bord d'attaque des pales, il se déplace progressivement vers l'aval depuis le pied des pales, o il est situé à l'extrémité amont de la paroi cylindrique 4, c'est-à-dire à 5 mm en aval de la face amont de la paroi 5, jusqu'au voisinage de l'extrémité amont de la paroi cylindri- que 10. Selon l'invention, comme on le voit sur la figure 1, le point Ms situé à mi-distance du bord d'attaque 21 et du bord de fuite 20 d'une pale 1, à l'extrémité radialement extérieure de celle-ci, est décalé d'un angle a, dans le sens de rotation de l'hélice, indiqué par la flèche F1, par rapport au point Mp situé à mi-distance des bords d'attaque et de fuite au pied de la pale. L'angle a est avantageusement compris entre la moitié et les trois-quart environ du pas angulaire P des pales. On voit également sur les figures 1 et 3 que le bord d'atta- que 21 et le bord de fuite 20 de chaque pale sont bombés dans le sens de rotation F1, ainsi que la ligne médiane 23 le long de laquelle se déplace, du pied à l'extrémité de la pale, le point M situé à mi- distance des bords d'attaque et de fuite, la ligne 23 ayant pour extrémités les points Mp et Ms préci- tés. A partir de MD, la ligne 23 s'écarte progressivement vers l'arrière du plan axial P contenant celui-ci, puis revient progressivement pour couper le plan P en un point Mi. Elle s'écarte ensuite progressivement de ce même plan vers l'avant, jusqu'au point Ms. La distance entre les points Mp et Mi représente entre 20 et 70 % de l'étendue radiale des pales, c'est-à-dire de la distance entre les parois cylindri- ques 4 et 10. La figure 4 montre la section transversale aplatie d'une pale, c'est-àdire la courbe fermée plane obtenue en coupant la pale par une surface cylindrique de révolution autour de l'axe A de l'hélice, et en déroulant à plat cette surface cylindrique. Cette section transversale aplatie présente un profil en aile d'avion, dont la corde 25 est inclinée d'un angle aigu Q par rapport à un plan radial tel que le plan 19 contenant l'extrémité aval de l'hélice. L'invention prévoit que l'angle Q, ou angle de calage, décroît progressivement sur les derniers 30 % de l'étendue radiale de la pale, c'est- à-dire depuis la surface cylindrique 27 indiquée sur la figure 3 jusqu'à la paroi 10, la distance entre la surface 27 et la paroi 10 représentant 30 % de la distance entre les parois 4 et 10. Avantageusement, le point 28 de la section transversale aplatie le plus éloigné de la corde 25 se trouve sensiblement à égale distance des extrémités de celle-ci, tandis que la distance h entre le point 28 et la corde 25 est au moins égale à 3 % de la longueur 1 de celle-ci, et en particulier égale à 10 % de cette longueur. La figure 7 montre à plus grande échelle la région de la section transversale aplatie de la pale voisine du bord d'attaque. Selon l'invention, le profil de la pale comporte dans cette région un arc d'ellipse 29, le rapport des axes de l'ellipse étant supérieur à 1,5. Sur le graphique de la figure 5, chacun des points marqués par une croix, un triangle, un carré ou un cercle a pour coordonnées le diamètre et la longueur axiale, en millimè- tres, de l'hélice d'un ventilateur de refroidissement existant sur le marché. Le tableau ci-après donne la longueur axiale et le rendement maximal pour des hélices de ventilateur ayant des diamètres usuels pour le refroidissement des moteurs de véhicules automobiles, à savoir 280, 320, 350, 380 et 450 mm. Le rendement maximal est la valeur maximale du rendement obtenue en faisant varier la vitesse de rotation du ventilateur. Le tableau concerne, pour chaque diamètre, cinq hélices dési- gnées par les références 1 à 5, les quatre premières étant des hélices disponibles dans le commerce et la cinquième étant une hélice selon l'invention. Certaines des hélices référencées 1 à 4 correspondent à des points marqués sur la figure 5. Diamètre 280 mm Référence 1 2 | 3 4 5 Longueur axiale (mm) 45 32 42 50 22 Rendement maximal (%) 54 t 45 49 52 59 Diamètre 320 mm Référence 1 2! 3 4 5 Longueur axiale (mm) 53 32 44 44 28 Rendement maximal (%) 50 47T 55 55 55 Diamètre 350 mm Référence 1 2 3 I 4 5 Longueur axiale (mm) 38 47 471 55 32 Rendement maximal (%) 50 47 511 51 54 Diamètre 380 mm Référence 1 | 2 3 4 5 Longueur axiale (mm) 42 40 40 45 35 Rendement maximal (%) 55 55 54 56 59 Diamètre 450 mm Référence 1 |2 3 4 5 Longueur axiale (mm) 54 89! 52 60 40 Rendement maximal (%) 56 47| 52 56 56 Les hélices référencées 5 ont été définies par la méthode de calcul connue sous la dénomination "Computational Fluid Dynamics" (CFD), décrite par Éric Coggiola et al. dans l'article AIAA 98-0772 "On the use of CFD in the automotive engine cooling fan system design" présenté à Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, à Reno, États-Unis d'Amérique, du 12 au 15 janvier 1998. Sur la figure 5, les points correspondant aux hélices référencées 5 sont indiqués par des étoiles à huit branches. La formule (I) n'est autre que l'équation de la courbe Cl qui passe sensiblement par ces points. Dans le domaine considéré, c'est-à-dire pour des diamètres compris entre 0,2 et 0,5 m environ, cette équation peut-être en pratique remplacée par l'équation linéaire approchée (II): Lo= 0,00584 + 0,105.D Lo et D étant mesurés en mètre. La droite représentative de cette équation est représentée en C2 sur la figure 5. Les courbes C1 et C2 sont reproduites sur la figure 6, avec une plus grande échelle pour les ordonnées. On voit sur la figure 5 que, pour un diamètre donné, la longueur axiale des hélices existantes est plus élevée, parfois très sensiblement, que la valeur L0 donnée par la formule I. On voit par ailleurs sur le tableau que le rendement maximal de l'hélice selon l'invention, pour un diamètre donné, est supérieur, ou à peu près égal, au rendement maximal des hélices connues, une légère supériorité de ces dernières n'étant obtenue, dans des cas limités, qu'au prix d'un encombrement axial sensiblement supérieur. Revendications 1. Hélice de ventilateur, notamment pour le refroidissement du moteur d'entraînement d'un véhicule automobile, comprenant un moyeu (2) et des pales (1) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu, le moyeu étant propre à être fixé sur l'arbre d'un moteur de manière à permettre au moteur de transmettre à l'hélice une puissance d'au moins 150 watts, caractérisée en ce que sa longueur axiale L, mesurée en mètre, est inférieure ou sensiblement égale à la valeur L0 donnée par la formule (I) suivante: L0= 0,426262 - 5,14288.D +23,1798.D2- 44,2505.D3+ 30,8841.D4, D étant le diamètre de l'hélice mesuré en mètre. 2. Hélice selon la revendication 1, caractérisée en ce que L est sensiblement égale à L0. 3. Hélice selon l'une des revendications 1 et 2, caractéri- sée en ce que L ne s'écarte pas de L0 de plus de 20 %. 4. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les extrémités axiales des pales et du moyeu tournées vers l'aval du flux d'air produit par l'hélice sont sensiblement contenues dans un même plan radial (19). 5. Hélice selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bord de fuite des pales est entièrement contenu dans ledit plan radial. 6. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les extrémités axiales des pales et du moyeu tournées vers l'amont du flux d'air produit par l'hélice sont sensiblement contenues dans un même plan radial. 7. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les extrémités radialement extérieures des pales sont reliées entre elles par une virole (3). 8. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pales sont sensiblement identiques entre elles et uniformément espacées dans la direction circonférentielle selon un pas angulaire A, le point (Ms) situé à mi-distance des bords d'attaque et de fuite à l'extrémité radialement extérieure étant décalé par rapport au point correspondant (Mp) au pied de la pale, dans le sens opposé au sens de rotation (F1) de l'hélice, d'un angle a compris entre la moitié et les trois quarts environ dudit pas angulaire. 9. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bords d'attaque et de fuite de chaque pale sont bombés dans le sens de rotation de l'hélice, le point (M) situé à mi-distance de ceux-ci s'écartant progressivement vers l'arrière du plan axial (P) contenant sa position (Mn) au pied de la pale, puis revenant progressi- vement jusque dans ce plan, sur une fraction de l'étendue radiale de la pale comprise entre 20 % et 70 %, et s'écartant progressivement de ce même plan vers l'avant sur la fraction restante. 10. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'angle aigu Q entre la corde (25) de la section transversale aplatie d'une pale et un plan radial (19) décroît progressivement au moins sur les derniers 30 % de l'étendue radiale de la pale. 11. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyeu comprend une paroi sensible- ment cylindrique (4) à partir de laquelle s'étendent les pales, et une paroi de fond (5) disposée sensiblement selon un plan radial, tournée vers l'amont du flux d'air produit par l'hélice, la paroi cylindrique et la paroi de fond étant il raccordées entre elles par un arrondi convexe (6) d'un rayon de courbure compris entre 4 et 8 mm. 12. Hélice selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'arrondi a sensiblement un profil en quart de cercle de rayon 5 mm. 13. Hélice selon l'une des revendications 11 et 12, caracté- risée en ce que les pales s'étendent sur toute la longueur axiale de la paroi cylindrique (6) du moyeu. 14. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyeu est creux et présente intérieurement des nervures (9).