Brevet FR2874409A1 — publié le 20060224

5. 30 2874409 Ventilateur pour tunnel A) DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne l'optimisation du dessin des accélérateur de tunnel utilisées pour créer des déplacement d'air dans les tunnels, locaux sous terrains et mines. B) ETAT DE LA TECHNIQUE La majorité des accélérateurs de tunnel utilisent des hélices conventionnelles à pales indépendantes, dont l'hélice à un diamètre proche de celui du cylindre de sortie du ventilateur. Le jet produit par ces ventilateurs est extrêmement rapide si bien que son efficacité pour entraîner l'air environnant est médiocre. Ces ventilateurs sont extrêmement bruyant et nécessitent l'usage d'atténuateurs de bruit, ce matériel complémentaire, confectionné généralement à base de tôle perforé, de laine de verre ou de laine de roche, est onéreux et a une longévité douteuse, notamment au niveau de la stabilité de ses performances. La pollution, l'encrassement (suies, poussières, humidité) réduisent sensiblement leur performances acoustiques. De plus en cas d'incendie les pales indépendantes des ventilateurs conventionnels ont une tenue mécanique limite. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet de définir une géométrie optimale de la roue, d'obtenir: une tenu mécanique supérieure, une efficacité aéraulique et acoustique inégalée. C) CONTENU DES FIGURES La figure 1 représente la vue de coté en coupe d'une configuration préférentielle du ventilateur selon l'invention. La figure 2 représente la vue en perspective d'une variante préférentielle du diffuseur primaire 6 selon l'invention La figure 3 représente la vue en perspective d'une variante préférentielle du diffuseur secondaires 16 selon l'invention 5. D) DESCRIPTION DES ELEMENTS DES FIGURES 1) Moyeu de l'hélice 2) Pale 3) Convergent carénant l'anneau tournant 17 4) Pavillon d'admission principal 5) Moteur 6) diffuseur primaire 7) supports des organes 8) carénage moteur 9) Bord de fuite du diffuseur principal 10) Col de la tuyère de mélange 11) Pavillon d'admission secondaire 12) enveloppe extérieure du ventilateur 13) bord de fuite du diffuseur secondaire 14) carénage intérieur du circuit secondaire 15) convergent secondaire 16) diffuseur secondaire 17) Anneau tournant 18) Col aval hélice REMARQUES: É Il est tout d'abord précisé que, sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. É Il est aussi précisé que les figures représentent plusieurs modes de réalisation de l'objet selon l'invention, mais qu'il peut exister d'autres modes de réalisation qui répondent à la définition de cette invention. É Il est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si les modes de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustrés comportent plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. É Il est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, [par exemple E = E(p, i, s, ...)],, ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, [par exemple a, et/ou ti, et/ou p, ...] soit en combinaison totale et/ou partielle[par exemple E( s, i, p) , et/ou E( s, Z), et/ou E(t, p), et/ou E( s, p)]. E) PRINCIPE DE LA CIRCULATION DU FLUIDE DANS L'ACCELERATEUR SELON L'INVENTION Le but de l'invention est de minimiser les pertes aérauliques et acoustiques dans la 20 roue. Pour cela on utilise une hélice à gros moyeu 1 et petites pales 2 équipée d'un anneau tournant. Cet anneau tournant travaille en coopération: avec un convergent de mise en forme de l'écoulement 3 qui a un diamètre d'alésage juste supérieur à celui de l'anneau tournant. avec un col 18, (c'est à dire la section la plus petite, située à proximité immédiate du bord de fuite de l'anneau tournant) ayant un diamètre d'alésage légèrement inférieur à celui de l'anneau tournant. 5. 10 Cette configuration, décrite ci dessus garantie: É que l'écoulement est parfaitement collé et la couche limite ré accéléré au passage d'une pièce à la suivante. É Le faible jeux axial aisément réalisable avec cette disposition, garantie une parfaite étanchéité entre pièces statiques et pièces rotatives garantissant des pertes quasi nulles en bout de pales et donc un niveau sonore minimum. É Avantageusement un rayon une ellipse ou une lintéaire (= forme dont le rayon de courbure varie progressivement) d'entrée sont ménagés au bord d'attaque de l'anneau tournant et du col afin de rendre progressive la variation de section de passage et optimiser le bon collage et la ré accélération de la couche limite venant de l'amont Le but de l'invention est d entraîner un maximum d'air en maximisant le transfert de quantité de mouvement entre le jet de la machine et l'air environnant: É de façon à minimise le cisaillement et donc le bruit de jet à la sortie du ventilateur. É De façon à maximise la poussée de l'accélérateur et donc maximiser son efficacité en mobilisation de l'air en tunnel. Pour atteindre cet objectif: É On utiles une hélice à fort rapport de moyeu (petites envergure des pale 2 & gros diamètre de moyeu 1) de façon à obtenir une grande pression dynamique et donc une très faible pression statique à l'arrière de l'hélice (la pression statique peut préférentiellement être inférieure à la pression atmosphérique dans les conditions normales d'utilisation de la machine). Une telle hélice nécessite l'usage d'un diffuseur de manière à convertir la pression dynamique ainsi crée en pression statique, par application du THEOREME de BERNOULLI. É En aval de l'hélice et du col 18 on dispose une zone de transition préférentiellement constituée par un diffuseur 6 destiné à mettre en forme un écoulement divergent (préférentiellement sous un angle de 7 O) É Préférentiellement on n'utilise qu'un embryon de diffuseur 6 puis on organise un système à double flux en ménageant une entrée d'air secondaire le plus proche possible de l'hélice. L'air extérieur, capté entre le pavillon principal 4 e t le pavillon secondaire I l et accéléré par la différence de pression qui règne entre la zone située en amont des pavillons et la dépression qui règne entre le col 10 et le bord de fuite primaire 9. la coopération des carénages 14 et 15 constitue un convergent qui accélère le flux secondaire et approche sa vitesse et son orientation de celle du jet principal. il y a donc un accouplement et un entraînement du jet secondaire par le jet principal dans le sillage du bord de fuite. on obtient ainsi un jet mélangé. 5. É On organise le jet de mélange, constitué par le jet principal et le jet secondaire pour que sa trajectoire de sortie de la machine soit le plus divergente et non décollée possible (préférentiellement l'angle de divergence peut atteindre 14 ) pour ce faire on utilise un diffuseur secondaire 16. on pousse donc l'air extérieur à la machine avec un jet de grande section et de vitesse raisonnable. t le grand angle de divergence permet d'impacter et donc de mobiliser la plus grande section possible, contrairement aux jets cylindrique de sortie classique qui ont tendance a réduire encore plus leur section à la sortie de la machine. É Pour accroître l'efficacité du mélange entre le jet principal et le jet secondaire on utilise un diffuseur 6 ayant un bord de fuite 9 festonné, (par exemple avec une forme sinusoïdale) ayant une modulation hélicoïdale de son festonnement calculé de telle sorte que son angle par rapport à une génératrice soit égal à l'angle de rotation de l'écoulement à la sortie de l'hélice soit environ 45 . (rappelons que le flux d'air à la sortie d'une hélice tourne environ à mis vitesse de la vitesse de rotation de l'hélice et a environ un angle de 45 par rapport à une génératrice locale d'un divergent lisse). Pour accroître l'efficacité du mélange entre le jet mélangé et l'air entourant la machine on utilise un diffuseur 16 ayant un bord de fuite 13 festonné, (par exemple avec une forme sinusoïdale) ayant une modulation hélicoïdale de son festonnement calculé de telle sorte que son angle par rapport a une génératrice soit égal a l'angle de rotation de l'écoulement à la sortie de l'hélice soit environ 45 . (rappelons que le flux d'air à la sortie d'une hélice tourne environ à mis vitesse de la vitesse de rotation de l'hélice et a environ un angle de 45 par rapport à une génératrice locale d'un divergent lisse) É Pour maximiser l'efficacité de la machine sa surface extérieure doit être la plus lisse possible et doit être pendue par un support profilé à la manière des réacteurs d'avions afin que l'air extérieur puisse s'écouler librement autour de la machine et être entraîné par le jet de mélange. É Le festonnement a pour objectif d'accroître la surface de contact entre deux jet et donc de favoriser le mélange et l'entraînement Remarque: çk, L'usage d'une roue à anneau tournant permet de renforcer sa structure de façon considérable, ce qui est indispensable pour garantir une bonne tenue mécanique et donc un bon fonctionnement en cas d'incendie. É L'usage d'un fort rapport de moyeu = ( d moyeu / d hélice) en coopération avec un diffuseur (ou des anti rotateurs) permet de minimiser le diamètre de l'hélice par rapport à une hélice conventionnelle ce qui est un avantage considérable pour garantir une bonne tenue mécanique et donc un bon fonctionnement en cas d'incendie. É Les roue conventionnelle ont des rapport de moyeu qui induisent des rapport vitesse débitante (v) sur vitesse de rotation en bout de pale (u) de l'ordre de 30 % ce paramètre est appelé vitesse d'avancement. avec un diffuseur et un fort rapport de moyeu il est possible et souhaitable de dépasser 50 % ; des valeurs de vitesse d'avancement de 80 % ne sont pas aberrantes. 5. REVENDICATIONS 1. accélérateur de tunnel à haut rendement, caractérisée par l'usage d'une roue à anneaux tournantl7 en coopération avec un convergent 3 dont l'alésage est proche et légèrement supérieur à l'alésage de l'anneau tournant. 2. accélérateur de tunnel à haut rendement selon la revendications 1, caractérisée par l'usage d'une roue à anneaux tournant17 en coopération avec un col 18 dont l'alésage est proche et légèrement inférieur à l'alésage de l'anneau tournant. 3. accélérateur de tunnel à haut rendement selon les revendications 1 & 2, caractérisée par l'usage d'un diffuseur principal 6 s'étendant du col 18 au bord de fuite 9 4. accélérateur de tunnel à haut rendement selon les revendications 1, 2 & 3, caractérisée par l'usage d'un diffuseur principal 6 dont le bord de fuite 9 est festonné 5. accélérateur de tunnel à haut rendement selon les revendications 1,2,3 & 4, caractérisée par l'usage d'un diffuseur secondaire 16 6. accélérateur de tunnel à haut rendement selon les revendications 1,2,3, 4 & 5 caractérisée par l'usage d'un diffuseur secondaire 16 dont le bord de fuite 13 est festonné