Brevet FR2789449A1 — publié le 20000811

La présente invention est d'une manière générale relative à un ventilateur à flux axial, et plus spécifiquement mais non exclusivement à un tel ventilateur utilisé en tant que générateur de courant d'air à travers un changeur de chaleur. Des ventilateurs à flux axial sont largement utilisés pour déplacer de l'air, spécialement dans des applications telles que des systèmes de refroidissement, et en particulier pour des systèmes de refroidissement pour des véhicules à moteur. Dans des applications de refroidissement de véhicules à moteur, de tels ventilateurs sont habituellement entraînés par des moteurs électriques, bien que des commandes à courroie et d'autres systèmes d'entraînement soient également utilisés. En identifiant des composants qui nuisent à une faible consommation de puissance, on a remarqué que les ventilateurs de l'état de la technique ont tendance à gaspiller de l'énergie, et nécessitent donc des moteurs d'entraînement relativement puissants. Un gaspillage d'énergie se manifeste normalement en faisant beaucoup de bruit, et c'est en prenant de nombreuses mesures efficaces dans le but de réduire le niveau général du bruit à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du véhicule que l'on a identifié les ventilateurs de l'état de la technique comme étant une source substantielle de bruit. Pour assurer un rendement adéquat, les ventilateurs de l'état de la technique peuvent être sur-dimensionnés et donc être plus lourds que nécessaire. C'est donc un objet de la présente invention que de proposer un ventilateur à flux axial qui atténue au moins en partie les problèmes de la technique antérieure. Suivant un premier aspect de l'invention, il est proposé un ventilateur à flux axial comportant un moyeu, une pluralité de pales et un support de tête de pale, chaque pale s'étendant à partir du moyeu jusqu'au support de tête de pale, dans lequel chaque pale présente un pas qui diminue sur une première partie intérieure de la longueur radiale de la pale et qui augmente sur une seconde partie extérieure de la longueur radiale de la pale. De préférence, chaque pale comporte une portion de pied et une portion de tête, et ladite première partie intérieure s'étend jusqu'à entre 40 % et 60 % de la longueur de la pale, et le seconde partie s'étend à partir de ladite première partie jusqu'à la portion de tête de la pale. Avantageusement, ladite première partie s'étend jusqu'à substantiellement 50 % de la longueur de la pale. Commodément, chaque pale comporte un bord d'attaque, pour lequel une ligne radiale passant à travers le pied de ladite pale au niveau dudit bord d'attaque passe également à travers la tête de ladite pale au niveau du bord d'attaque. Avantageusement, pour chaque pale, le bord de fuite au niveau de la tête de la pale et le point médian du pied de la pale sont situés sur une ligne radiale commune. Commodément, le ventilateur présente une portion de pied et une portion de tête, ladite portion de pied comportant une corde de pied et ladite portion de tête comportant une corde de tête, dans lesquelles un point médian de ladite corde de tête est situé angulairement en avant, par rapport au sens de rotation, du point médian de ladite corde de pied. De préférence, chaque pale présente une flèche définie par la déviation maximum d'une ligne médiale à travers une section transversale de la pale à partir de la corde correspondante, ladite flèche n'étant pas supérieure à 8 % de la longueur de ladite corde correspondante. Commodément, le rapport de l'épaisseur de pale maximum à la longueur de corde de chaque pale est inférieur ou égal à 1:10. Suivant un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un ventilateur à flux axial dans lequel chaque pale présentant un pied, une tête, un bord d'attaque et un bord de fuite, le pied étant fixé à ladite portion de moyeu, dans lequel pour chaque pale, le bord de fuite au niveau de la tête de la pale et le point médian du pied de la pale sont situés sur une ligne radiale commune. Suivant un troisième aspect de l'invention, il est proposé un ventilateur à flux axial dans lequel chaque pale comprenant une portion de pied présente une corde de pied, une portion de tête présentant une corde de tête, un bord d'attaque et un bord de fuite, le pied étant fixé à ladite portion de moyeu, dans lequel un point médian de ladite corde de tête est situé angulairement en avant, par rapport au sens de rotation, d'un point médian de ladite corde de pied. Avantageusement, l'angle sous-tendu au centre de rotation par ledit point médian de la corde de tête et ledit point médian de la corde de pied est inférieur ou égal à 360 /(4n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur de correction qui dépend du nombre de pales. Avantageusement, l'angle sous-tendu au centre de rotation par ledit point médian de la corde de tête et ledit point médian de la corde de pied est supérieur ou égal à 360 /(16n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur de correction qui dépend du nombre de pales. Suivant un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un ventilateur à flux axial dans lequel chaque pale comprend une portion de pied présentant une corde de pied et chaque pale présentant un bord d'attaque s'étendant à partir de la corde de pied jusqu'à une tête de la pale, dans lequel un point médian de chaque corde de pied de la pale est situé angulairement en arrière, par rapport au sens de rotation, de ladite tête du bord d'attaque de la pale. Avantageusement, l'angle sous-tendu au centre de rotation dudit ventilateur par ledit point médian et ladite tête dudit bord d'attaque est inférieur ou égal à 360 /(2n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur qui dépend du nombre de pales. Avantageusement, l'angle sous-tendu au centre de rotation dudit ventilateur par ledit point médian et ladite tête de la pale est supérieur ou égal à 360 /(8n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur qui dépend du nombre de pales. Un exemple préférentiel de l'invention va maintenant être décrite en faisant référence aux dessins joints, dans lesquels la Figure 1 montre une vue en perspective globale d'un ventilateur suivant l'invention; la Figure 2 montre une coupe transversale de la bague de support de tête de pale du ventilateur de la Figure 1; la Figure 3 montre une projection sur un plan orthogonal à l'axe de rotation du ventilateur de la Figure 1; la Figure 4 montre l'angle d'attaque de la pale du ventilateur de la Figure 1 le long de la ligne IV-IV' de la Figure 3; la Figure 5 montre l'angle d'attaque de la pale du ventilateur de la Figure 1 le long de la ligne V-V' de la Figure 3; la Figure 6 montre l'angle d'attaque de la pale du ventilateur de la Figure 1 le long de la ligne VI-VI' de la Figure 3; la Figure 7 montre sous forme de graphique la variation de l'angle d'attaque le long de la longueur radiale de la pale; les Figures 8A et 8B représentent un profil de pale et les angles relatifs sous-tendus au centre de rotation; la Figure 9 montre la variation en direction radiale du rapport de la flèche à la longueur de corde; et la Figure 10 montre la variation en direction radiale du rapport de l'épaisseur de pale à la longueur de corde. Dans les différentes figures, des repères identiques désignent des éléments identiques. Ainsi, dans la description qui suit, on utilise le terme "en avant" pour désigner la direction du sens de rotation et on utilise "en arrière" pour désigner la direction opposée au sens de rotation. En se référant à la Figure 1, un ventilateur axial destiné à tourner autour d'un centre de rotation 6 comporte un moyeu 1, une pluralité de pales 2, ici au nombre de 11, et un support de tête de pale 3 appelé bague dans la suite. Les pales sont fixées au moyeu à leurs pieds 4 et elles s'étendent radialement vers l'extérieur jusqu'à une zone de tête 5 o elles sont fixées à la bague 3. Le ventilateur est apte à tourner dans le sens horaire comme cela est montré par la flèche Z dans la vue montrée dans la Figure 1. Le moyeu 1 comporte une paroi latérale substantiellement cylindrique 10, ayant une surface courbe convexe 8 entre une face avant plane 9 et la paroi latérale 10. La face avant plane 9 est orthogonale à l'axe de rotation. Une zone centrale évidée est constituée d'une seconde surface courbe convexe 11 s'étendant à partir de la face avant 9 jusqu'à une surface plane en retrait 12. La surface plane 12 présente un trou axial concentrique avec le centre de rotation 6 du ventilateur. Le trou est défini par une paroi cylindrique qui, en service, est apte à engager un arbre moteur servant à la mise en rotation du ventilateur. La totalité du pied de chaque pale est fixée à la paroi latérale de la portion de moyeu 10. Les pales du ventilateur sont disposées à équidistance autour du moyeu. Les pieds de pale 4 comportent des cordes disposées en formant un angle avec la face avant du moyeu 10, afin de définir l'angle d'attaque de pied. Chaque pale s'incurve radialement vers l'extérieur à partir de son pied 4 en direction de la bague 3 d'une manière telle que l'angle d'attaque défini par l'angle entre une corde de pale respective et le plan de la face avant varie le long de la longueur de la pale. De même, l'épaisseur de la pale et la largeur de la pale varient le long de la longueur radiale de la pale. Chaque pale est fixée à la bague 3 le long de la totalité de sa tête 5, cette distance constituant la largeur de la pale à la tête. La bague 3 présente une première portion de paroi cylindrique annulaire définissant une surface cylindrique intérieure et extérieure, dont l'extension axiale correspond à la longueur axiale des pales dans leur zone de tête. Les têtes de pale sont attachées à la surface intérieure 111 des côtés de la portion cylindrique. Une seconde portion de lévre courbe 112 de la bague s'étend autour de la portion cylindrique de façon radiale vers l'extérieur et convexe vers l'avant du ventilateur comme on le voit. La seconde portion courbe est effilée à sa longueur extérieure 7, ce qui signifie que l'épaisseur de la matière se réduit. Il est possible de voir plus clairement ce détail dans la vue en coupe transversale de la Figure 2. La bague sert à conférer une résistance supplémentaire aux pales et en coopération avec un carénage adéquat à maintenir le flux d'air dans la direction axiale en réduisant les tourbillons à la tête, comme cela est connu dans la technique. En se référant maintenant à la Figure 3, la projection de chaque pale s'incurve à partir de son pied d'abord vers l'arrière sur substantiellement 50 % de sa longueur radiale et ensuite vers l'avant sur les 50 % substantiellement restants de sa longueur radiale. Tant le bord d'attaque 13 que le bord de fuite 14 de chaque pale 2 s'incurvent d'une façon généralement mutuellement similaire, les courbes étant concaves lorsqu'on les regarde par rapport au sens de rotation. La courbure du bord de fuite 14 est plus grande que celle du bord d'attaque 13. En continuant à se référer à la Figure 3, on peut voir que le ventilateur présente un bord de fuite incliné vers l'avant 14, en ce sens qu'une première ligne radiale O passant à travers la tête de pale au niveau du bord de fuite 14 est disposée en avant d'une deuxième ligne radiale E qui passe à travers le pied de pale au niveau du bord de fuite. Au contraire, le bord d'attaque 13 n'est pas incliné, donc une troisième ligne radiale A passe à la fois à travers la tête et le pied au niveau de ce bord. Comme on l'a indiqué précédemment, la pale présente un pas qui varie le long de la longueur radiale, et ceci va maintenant être décrit en se référant aux Figures 4 à 6. La Figure 4 montre la section transversale de la pale au niveau de la portion de pied, prise le long de la ligne IV-IV' o elle est attachée au moyeu. La pale comporte une corde formée par la ligne droite T entre le bord d'attaque 13 et le bord de fuite 14. L'angle a entre la corde de la pale au niveau de son pied et un plan X-X orthogonal à l'axe de rotation constitue l'angle d'attaque de pied. La figure montre également une ligne médiale de la section transversale S qui se trouve à équidistance de la surface supérieure 102 et de la surface inférieure 103 de la pale. On verra que la section transversale de la pale est généralement concavo-convexe, avec la surface supérieure 102 convexe et la surface inférieure 103 concave: cette forme de pale générale continue le long de la longueur radiale tout entière. Comme on le voit, la pale présente une épaisseur maximum L en un point 104 situé approximativement au quart de la distance du bord d'attaque vers le bord de fuite, l'épaisseur étant définie comme étant la distance entre les deux surfaces de la pale dans une direction perpendiculaire à la corde. La pale présente une flèche M qui constitue la distance maximum entre la corde T et la ligne médiale S, en un point 105 situé environ à la moitié de la distance entre les bords d'attaque et de fuite. La Figure 5 montre la section transversale de la pale au niveau de la ligne V-V' à mi-distance le long de la longueur radiale de la pale, avec une corde et des lignes médiales similaires à celles de la Figure 4. L'angle b est l'angle d'attaque correspondant. L'épaisseur maximum L est plus proche du bord d'attaque 13 que dans la Figure 4, se trouvant environ à un sixième de la distance le long de la corde. La Figure 6 montre la section transversale de la pale au niveau de la ligne VI-VI' o elle est attachée au support de tête de pale, l'angle c étant l'angle d'attaque de tête. Le point d'épaisseur maximum L est encore plus proche du bord d'attaque 13, puisqu'il est situé environ à un huitième de la distance à partir du bord d'attaque. Dans la variante décrite, le point situé à mi-distance le long du rayon de pale correspond au point d'angle d'attaque minimum, et donc l'angle b est plus petit que l'angle d'attaque de pied a. L'angle d'attaque de tête est plus grand que l'angle d'attaque minimum b et, dans la variante décrite, il est légèrement plus grand que l'angle d'attaque de pied a. Une variation typique entre l'angle d'attaque minimum et maximum le long de la pale est 10 . Dans la Figure 7, on peut voir la variation du pas le long de la longueur d'une pale sous la forme d'une représentation graphique. Comme on l'a noté, dans la variante décrite, la position radiale de l'angle d'attaque minimum se situe à mi-distance entre le pied et la bague de support de tête. Donc: Rm = 0,5(Rf.+ Ri) o Rm est le rayon de pas minimum, Rf est le rayon de pied et Ri est le rayon de tête. Toutefois, cette relation particulière est uniquement une caractéristique de la variante, et d'autres arrangements sont envisagés. Le ventilateur de la variante préférée est caractérisé par un haut rendement, ce qui autorise un petit diamètre de 280 mm. Le fait de prévoir une pale présentant un pas qui diminue sur une première partie intérieure de la longueur radiale de la pale et qui augmente sur une seconde partie extérieure de la longueur radiale de la pale pourrait être appliqué à des ventilateurs de tailles différentes et présentant différents nombres de pales. La Figure 8A montre une projection d'une pale 2 et comprend la troisième ligne radiale A décrite précédemment qui passe à travers le bord d'attaque à la fois au niveau du pied 19 et de la tête 20. La figure montre également une première ligne radiale O qui passe à la fois à travers la tête et le pied du bord de fuite. En continuant à se référer à la Figure 8, le bord d'attaque 13 du ventilateur est tangentiel à une quatrième ligne radiale C. On rencontre le point tangent 15 dans les premiers 30 % de la longueur radiale de la pale. En outre, la quatrième ligne radiale C est située en avant de la première ligne radiale O. Pour obtenir une bonne résistance de la pale, il est souhaitable que la quatrième ligne radiale C soit coïncide avec, soit soit située en avant de, dans le sens de la rotation, la première ligne radiale O, parce que cela permet qu'il y ait une portion de pale sur une ligne radiale qui passe par le centre de rotation, ou entre deux lignes radiales qui passent par le centre de rotation, le long d'une longueur radiale entière de la pale. La Figure 8B montre une vue similaire d'une pale 2 comme la Figure 8A mais comprenant une représentation de la ligne médiane 16. Dans la variante décrite, la première ligne radiale O qui croise la tête 18 de la pale à son bord de fuite 14 passe également par le point médian du pied de la pale 17. Une cinquième ligne radiale D, qui passe par le point médian de la tête 21 de la pale est située en avant de la première ligne radiale O et sous-tend au centre de rotation un angle d qui est défini par: 360 3600 angle d 2 Une autre caractéristique de la variante décrite montrée dans la Figure 8A est que la troisième ligne radiale A passe à travers la tête et le pied du ventilateur au niveau du bord d'attaque et que le bord d'attaque sous-tend au niveau du centre de rotation un angle, l'angle e, qui se trouve entre les limites suivantes: 360 360 correction variable comme ci-dessus. Avec 11 pales, le facteur de correction est 2 pour les deux limites, par conséquent: 4 En se référant maintenant à la Figure 9, qui montre la variation du rapport flèche/longueur de corde avec le rayon de la pale, on verra que le rapport flèche: longueur de corde augmente le long de la moitié intérieure de la pale et ensuite diminue le long de la moitié extérieure, bien que ne dépassant pas 2:23. En considérant la Figure 10, qui montre la variation du rapport de l'épaisseur de pale maximum à la longueur de corde avec le rayon de la pale, on verra que ce rapport diminue le long de la moitié intérieure de la pale et augmente le long de la moi tié extérieure tout en ne dépassant pas 1:10. On a décrit une variante préférée de l'invention, mais il convient de comprendre que l'invention n'est pas limitée aux caractéristiques de celle-ci, pas plus qu'à des conceptions similaires de ventilateurs excepté dans la mesure o cela est spécifié par des caractéristiques relatées dans les revendications annexées, ou à leurs équivalents. Il apparaîtra clairement à l'homme du métier qu'aucune bague n'est nécessaire pour l'invention, et que là o l'on a prévu une bague, les pales du ventilateur peuvent se prolonger au-delà de la bague. En outre, l'inclinaison particulière des pales, les angles d'attaque, et d'autres paramètres spécifiés ici, y compris le nombre de pales, peuvent être choisis en fonction de l'application à laquelle le ventilateur est destiné. Bien que l'on ait décrit un ventilateur dans le contexte d'utilisation pour un système de refroidissement de véhicule, d'autres applications sont possibles. REVENDICATIONS: 1. Ventilateur à flux axial comportant un moyeu, une pluralité de pales (2) et un support de pale (3), chaque pale s'étendant à partir du moyeu jusqu'au support de pale, caractérisé en ce que chaque pale (2) présente un pas qui diminue sur une première partie intérieure de la longueur radiale de la pale et augmente sur une seconde partie extérieure de la longueur radiale de la pale (2). 2. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pale (2) comporte une portion de pied (4) et une portion de tête (5), et ladite première partie intérieure s'étend jusqu'à entre 40 % et 60 % de la longueur de la pale, et la seconde partie s'étend à partir de la première partie jusqu'à la portion de tête de la pale. 3. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première partie s'étend jusqu'à substantiellement 50 % de la longueur de la pale. 4. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pale comporte un bord d'attaque (13), pour lequel une ligne radiale passant à travers le pied de ladite pale audit bord d'attaque passe également à travers la tête de ladite pale au bord d'attaque. 5. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pale (2) présente un bord d'attaque (13) et l'angle balayé au centre du ventilateur par le bord d'attaque est inférieur ou égal à 360 /(2n + K) et supérieur ou égal à 360 /(8n + K), o n correspond au nombre de pales et K est un coefficient de correction entier. 6. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour chaque pale (2) le bord de fuite (14) au niveau de la tête de la pale et le point médian du pied de la pale sont situés sur une ligne radiale commune. 7. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite portion de pied comporte une corde de pied et ladite portion de tête comporte une corde de tête, caractérisé en ce que un point médian de ladite corde de tête est disposé angulairement en avant, par rapport au sens de rotation, d'un point médian de ladite corde de pied. 8. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pale (2) présente une flèche définie par la déviation maximum d'une ligne médiale à travers une section transversale de la pale à partir de la corde correspondante, ladite flèche n'étant pas supérieure à 8 % de la longueur de ladite corde correspondante. 9. Ventilateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de l'épaisseur de pale maximum à la longueur de corde de chaque pale est inférieur ou égal à 1:10. 10. Ventilateur selon la revendication 1 dans lequel chaque pale (2) présente un pied (4), une tête (5), un bord d'attaque (13) et un bord de fuite (14), le pied étant fixé au moyeu et la tête étant fixée à la portion de support de pale, caractérisé en ce que pour chaque pale, le bord de fuite au niveau de la tête de la pale et le point médian du pied de la pale sont situés sur une ligne radiale commune. 11. Ventilateur à flux axial selon la revendication 10 dans lequel chaque pale comprend une portion de pied présentant une corde de pied, une portion de tête présentant une corde de tête, un bord d'attaque et un bord de fuite, le pied étant fixé à ladite portion de moyeu et la tête étant fixée à la portion de support de pale, caractérisé en ce que un point médian de ladite corde de tête est situé angulairement en avant, par rapport au sens de rotation, d'un point médian de ladite corde de pied. 12. Ventilateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'angle sous-tendu au centre de rotation par ledit point médian de la corde de tête et ledit point de la corde de pied est inférieur ou égal à 360 /(4n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur de correction qui dépend du nombre de pales. 13. Ventilateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'angle sous-tendu au centre de rotation par ledit point médian de la corde de tête et ledit point médian de la corde de pied est supérieur ou égal à 360 /(16n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur de correction qui dépend du nombre de pales. 14. Ventilateur à flux axial selon la revendication 1 dans lequel chaque pale comprend une portion de pied présentant une corde de pied et chaque pale présentant un bord d'attaque s'étendant à partir de la portion de pied jusqu'à une tête de la pale, caractérisé en ce que un point médian de chaque corde de pied de la pale est situé angulairement en arrière, par rapport au sens de rotation, de ladite tête du bord d'attaque de la pale. 15. Ventilateur selon la revendication 14, dans lequel l'angle sous- tendu au centre de rotation dudit ventilateur par ledit point médian du pied et ledit bord d'attaque de la tête de la pale est inférieur ou égal à 360 /(2n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur de correction qui dépend du nombre 16 de pales. 16. Ventilateur selon la revendication 14, dans lequel l'angle sous- tendu au centre de rotation dudit ventilateur par une ligne médiale au niveau de la tête et par ladite ligne médiale au niveau du pied est inférieur ou égal à 360 /(4n+k), o n correspond au nombre de pales et k est une valeur de correction qui dépend du nombre de pales.