Brevet FR2918130A1 — publié le 20090102

VENTILATEUR A ECOULEMENT AXIAL DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne des ventilateurs à écoulement axial et plus particulièrement une pale du ventilateur à écoulement axial qui améliore le rendement du ventilateur à écoulement axial pour une utilisation avec une machine électrique rotative et qui augmente la résistance structurale et l'aptitude au façonnage/formage au niveau d'une portion de fuite de la pale de ventilateur à écoulement axial. CONTEXTE DE L'INVENTION En général, dans un ventilateur à écoulement axial pour une utilisation en tant que ventilateur de refroidissement pour une machine électrique rotative, on emploie une surface portante - un profil transversal d'une pale - basée sur une surface portante série du National Advisory Committee for Aeronautics (appelée ci-après surface portante NACA ou profil aérodynamique NACA). La surface portante NACA est formée de telle sorte que sa portion de fuite soit progressivement plus mince vers son bord de fuite ; ainsi, la résistance structurale de la portion de fuite mince est faible, ce qui rend le façonnage ou le formage de la portion difficile. Pour cette raison, en général, une surface portante sans sa portion de fuite mince est utilisée. La publication de brevet japonais non examinée 2003-74495 (paragraphes 18 à 26 ; figure 3) décrit une surface portante ayant une portion de fuite identique à celle de la surface portante NACA et comprenant un élément antiturbulence tandis que l'épaisseur de la section intermédiaire de la surface portante est rendue plus fine que celle de la surface portante NACA. La surface portante telle que décrite dans la publication de brevet japonais non examinée 2003-74495 est basée sur la surface portante NACA ; cependant, la portion de fuite est identique à celle de la surface portante NACA, ce qui ne garantit pas la résistance d'une portion de fuite mince ou de surmonter la difficulté du façonnage ou du formage de la portion de fuite. Par ailleurs, dans la surface portante dans laquelle sa portion de fuite mince est omise, une longueur de surface portante - une distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite de la surface portante - est courte, ce qui réduit le volume de flux d'air [s'écoulant le long d'une surface de pression, et d'une surface d'aspiration, de la surface portante], pour diminuer de ce fait le différentiel de pression entre les deux surfaces. Il existe un problème selon lequel un angle de décalage plus petit destiné à compenser une diminution du volume de flux d'air et du différentiel de pression entraîne une réduction du rendement du ventilateur à écoulement axial. La présente invention est destinée à surmonter les problèmes susdits, et un objet de l'invention consiste à mettre à disposition un ventilateur à écoulement axial ayant une surface portante qui améliore le rendement du ventilateur à écoulement axial et augmente la résistance et l'aptitude au façonnage/formage de la portion de fuite mince. RESUME DE L'INVENTION Le ventilateur à écoulement axial selon la présente invention comporte une pale ayant une surface d'aspiration et une surface de pression. Le profil de surface d'aspiration est identique à un profil de surface portante prédéterminé, par exemple, une surface portante comprenant une surface portante série NACA ; une portion de bord de fuite sur la surface de pression étant modifiée par rapport à celle de la surface portante prédéterminée. Une caractéristique est qu'une portion de bord de fuite de pale entre les portions de bord de fuite sur les surfaces de pression et d'aspiration l'une en face de l'autre, a une épaisseur supérieure à celle d'une portion de bord de fuite d'une pale selon la surface portante prédéterminée, et a l'épaisseur nécessaire pour fournir une résistance structurale égale à une résistance prédéterminée ou dépassant celle-ci. Le ventilateur à écoulement axial selon la présente invention permet ainsi d'augmenter son rendement et également d'améliorer la résistance structurale et l'aptitude au façonnage/formage de la portion de bord de fuite de surface portante. Ces objets de la présente invention et d'autres seront mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante associée aux dessins annexés d'un mode de réalisation préféré de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue illustrant une portion de pale d'un ventilateur à écoulement axial selon un mode de réalisation 1 de la présente invention ; la figure 2 est une vue en perspective de dessus d'une pale dans un mode de réalisation 1 ; la figure 3 est une vue illustrant un profil aérodynamique d'une portion de fuite de pale de la figure 2 ; la figure 4 est une vue illustrant une portion de fuite de pale d'un ventilateur à écoulement axial selon un mode de réalisation 2 de la présente invention ; la figure 5 est un graphique illustrant une relation entre le rendement du ventilateur et l'épaisseur d'une portion de bord de fuite de pale du ventilateur à écoulement axial selon le mode de réalisation 2 de la présente invention ; la figure 6 est une vue illustrant la portion de fuite de pale d'un ventilateur à écoulement axial selon un mode de réalisation 3 de la présente invention ; et la figure 7 est une vue agrandie d'une portion située vers le bord de fuite de la portion de bord de fuite de pale de la figure 6. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE Mode de réalisation 1 La figure 1 est une vue illustrant un ventilateur à écoulement axial selon le mode de réalisation 1 de la présente invention. Une pale 1 est montée sur un moyeu 3 couplé à un arbre rotatif 2 du ventilateur à écoulement axial, et est entraînée en rotation par un appareil d'entraînement (non représenté) qui entraîne l'arbre rotatif 2. Une aube fixe 4 est montée sur un carter 5. Le carter 5 entoure la pale 1, l'aube fixe 4, et le moyeu 3, pour former un passage pour l'écoulement d'air dans le ventilateur à écoulement axial. La figure 2 est une vue en perspective de dessus d'une pale du mode de réalisation 1 ; la figure 3 est une vue illustrant un profil aérodynamique d'une portion de fuite de la pale telle que représentée sur la figure 2. Dans une portion de fuite 6 telle que représentée sur la figure 3, une surface d'aspiration est désignée par le numéro de référence 7, une surface de pression est désignée par le numéro de référence 8, une portion de bord de fuite sur la surface de pression est désignée par le numéro de référence 8a, et sa surface de bord de fuite est désignée par le numéro de référence 9. Une surface portante de la pale 1, qui est basée sur la surface portante NACA, est formée selon un profil modifié par rapport au profil aérodynamique NACA en ce qui concerne la portion de fuite 6. Il convient de noter que la figure 3 représente la surface portante de pale 1 et la surface portante NACA qui sont superposées l'une sur l'autre, et une portion de surface portante NACA différente de la surface portante de pale 1 est représentée en transparence. Là où la surface portante de pale 1 et la surface portante NACA sont superposées l'une sur l'autre, les numéros de référence correspondant à la surface portante NACA sont représentés entre parenthèses. On représentera de la même façon les figures et les numéros de référence supplémentaires pour ce qui est de la surface portante NACA. Une surface d'aspiration 20 de la surface portante NACA coïncide avec la surface d'aspiration 7 de la surface portante de pale 1 ; cependant, une surface de pression 21 de la surface portante NACA diffère de la surface de pression 8 de la surface portante de pale 1 pour ce qui est d'une portion de pale vers le bord de fuite, et s'approche progressivement de la surface d'aspiration 20 vers le bord de fuite de pale. La ligne médiane (ligne de cambrure moyenne) de la surface portante NACA est désignée par le numéro de référence 22. Une limite C est située là où la surface de pression 21 de la surface portante NACA coïncide avec la surface de pression 8 de la surface portante de pale 1. Il convient de noter que la limite C est également une limite entre la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression 8 et une portion partiellement illustrée vers le bord de fuite (non représentée sur les figures à l'exception de la figure 2, où le bord de fuite n'est pas indiqué) sur la surface de pression 8. Une limite D représente une limite où une ligne perpendiculaire à la ligne médiane 22 de pale coupe la surface d'aspiration 20 tandis que la limite C représente une limite où la ligne coupe la surface de pression 21. Le numéro de référence 21a désigne une portion de bord de fuite sur la surface de pression de la surface portante NACA, s'étendant vers le bord de fuite depuis la limite C. La surface d'aspiration 7 de la surface portante de pale 1 coïncide avec la surface d'aspiration 20 de surface portante NACA ; une portion de surface s'étendant vers le bord d'attaque depuis la limite C sur la surface de pression 8 coïncidant avec la surface de pression 21 de surface portante NACA ; ainsi, la limite D est également une limite où une ligne perpendiculaire à la ligne médiane de la pale 1 coupe la surface d'aspiration 7. Une portion s'étendant vers le bord de fuite depuis la limite C sur la surface de pression 8 et depuis la limite D sur la surface d'aspiration 7 est définie comme une portion de bord de fuite 10 de pale. La limite C doit être choisie de façon à être plus éloignée, vers le bord d'attaque, qu'une limite de la portion de bord de fuite mince où la surface portante NACA manque de résistance. Par ailleurs, la limite C où la portion mince a une résistance insuffisante variera en fonction d'une vitesse de rotation d'un ventilateur à écoulement axial, et du fluide à évacuer du ventilateur ou attiré dans celui-ci ; ainsi, l'emplacement de la limite C doit être choisi d'une manière appropriée avec une certaine marge de sécurité. Dans la surface portante NACA, l'épaisseur de portion de fuite entre la surface de pression 21 et la surface d'aspiration 20 est progressivement plus mince vers le bord de fuite de pale ; au fur et à mesure que le bord de fuite se rapproche, la résistance de la portion de fuite de surface portante baisse, ce qui rend difficile le formage en un profil prédéterminé dans lequel une portion à résistance réduite est étendue ou dilatée. Par conséquent, dans le mode de réalisation 1, afin d'améliorer la résistance structurale et l'aptitude au façonnage/formage de la portion de bord de fuite 10 de pale comportant une portion correspondant à la portion de bord de fuite mince de surface portante NACA, une épaisseur de la portion de bord de fuite - c'est-à-dire, l'épaisseur de la portion de bord de fuite 10 de pale entre la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression 8 et la portion de fuite sur la surface d'aspiration 7, l'une en face de l'autre - est définie en tant qu'épaisseur constante dl. La portion de bord de l'épaisseur dl a une résistance structurale égale à une résistance prédéterminée, ou dépassant celle-ci, calculée à partir d'une durée de vie de pale qui prend en considération un environnement dans lequel un ventilateur à écoulement axial est utilisé. Le profil de la surface d'aspiration 7 est défini comme étant identique à celui de la surface d'aspiration 20 de surface portante NACA si bien qu'une réduction du rendement du ventilateur à écoulement axial peut ne pas en résulter. Le bord de fuite 9 peut être profilé, par exemple, de telle sorte qu'un arc soit formé entre l'extrémité la plus externe A de la portion de bord de fuite sur la surface d'aspiration 7 vers le bord de fuite (ici, l'extrémité la plus externe est donc à partir de maintenant appelée extrémité distale ou première extrémité) et l'extrémité distale B de la portion de bord de fuite sur la surface de pression 8. Dans la surface portante de la pale 1, la surface portante de la surface d'aspiration 7 est faite à l'identique de celle de la surface portante NACA, tandis que la surface portante de la surface de pression 8 est modifiée par rapport à la surface portante NACA uniquement en ce qui concerne la portion de bord de fuite 8a ; ainsi, un écoulement séparé turbulent apparaissant au niveau de la portion de bord de fuite à cause de la modification de profil peut être maintenu à un niveau minimum. En conséquence, le ventilateur à écoulement axial comportant une pale ayant le profil aérodynamique décrit ci-dessus peut atteindre une performance de ventilateur en fonctionnement et un rendement de ventilateur comparativement favorable par rapport à ceux de la surface portante NACA. Par ailleurs, étant donné que la surface portante offrant la performance de base présentée par la surface portante NACA est appliquée au ventilateur à écoulement axial, il n'est pas nécessaire de construire un prototype de ventilateur à écoulement axial pour vérifier de ce fait ses performances ; il n'est pas non plus nécessaire d'effectuer de manière répétée une modification et un réglage du profil. Ceci permet de supprimer des coûts et un temps de construction d'un prototype de la pale 1 de ventilateur à écoulement axial, offrant ainsi la possibilité de raccourcir la période de temps nécessaire au développement du ventilateur à écoulement axial, et également de parvenir à une réduction du coût de développement. Tel qu'examiné ainsi ultérieurement, le ventilateur à écoulement axial dans le mode de réalisation 1 a la surface d'aspiration 7 de pale 1 identique à celle de la surface portante prédéterminée ; la portion de bord de fuite 8a de la surface de pression 8 de pale 1 est modifiée par rapport à la surface portante prédéterminée ; la portion de bord de fuite 10 de pale a une épaisseur offrant une résistance structurale égale à la résistance prédéterminée ou dépassant celle-ci, moyennant quoi le rendement du ventilateur peut être amélioré, et la résistance et l'aptitude au façonnage/formage du bord de fuite de surface portante peuvent être améliorées. Mode de réalisation 2 La figure 4 est une vue illustrant une portion de bord de fuite de pale d'un ventilateur à écoulement axial selon le mode de réalisation 2 de la présente invention ; la figure 4 diffère de la figure du mode de réalisation 1 en ce que l'épaisseur de l'extrémité distale de la portion de bord de fuite 10 et l'épaisseur de l'extrémité la plus interne de la portion de bord de fuite 10 vers le bord d'attaque sont modifiées, de telle sorte que la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression fusionne en douceur avec la surface de pression 8. Ici, l'extrémité la plus interne est désormais appelée extrémité proximale ou seconde extrémité. Il convient de noter que la figure 4 représente la surface portante de la pale 1 et la surface portante NACA, superposées l'une sur l'autre, où une portion de surface portante NACA différente de la surface portante de pale est indiquée en transparence. L'épaisseur d'extrémité distale de la portion de bord de fuite 10 de pale est une épaisseur dl - c'est- à-dire, l'épaisseur du bord de fuite ; l'épaisseur d'extrémité proximale de la portion de bord de fuite 10 est une épaisseur d2 - c'est-à-dire l'épaisseur au niveau de la limite D -supérieure à l'épaisseur dl ; l'épaisseur dl est faite pour varier progressivement (ou augmenter) vers le bord d'attaque depuis la portion de bord de fuite - par exemple, l'épaisseur dl doit être faite pour augmenter de manière linéaire. Avec cet agencement, la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression fusionne en douceur avec la portion de bord d'attaque s'étendant vers le bord d'attaque depuis l'extrémité proximale de la portion de bord de fuite 8a. Ainsi, l'écoulement séparé dans la portion de bord de fuite peut être réduit par comparaison avec celui du mode de réalisation 1. De plus, étant donné que l'épaisseur d'extrémité proximale d2 de la portion de bord de fuite de pale 1 est supérieure à l'épaisseur dl, les limites C et D sont situées plus loin vers le bord d'attaque que celles du mode de réalisation 1 ; en conséquence, la résistance structurale de la portion de bord de fuite 10 de pale peut être accrue par comparaison avec celle du mode de réalisation 1. La figure 5 est un graphique illustrant une relation entre le rendement du ventilateur et l'épaisseur d'une portion de bord de fuite 10 de pale du ventilateur à écoulement axial. L'axe horizontal représente un rapport d'épaisseur de la portion de bord de fuite 10 de pale, c'est-à-dire, d2/dl, tandis que l'axe vertical représente un rendement de ventilateur rIVENTILATEUR du ventilateur à écoulement axial. Le symbole n1 tel que représenté sur la figure 5 représente le rendement du ventilateur lors de l'utilisation de la surface portante NACA ; n2 représente le rendement de ventilateur lorsque le rapport d'épaisseur d2/dl est une valeur égale à un (1). Ici, le rapport d'épaisseur d2/dl, lorsqu'il est égal à une valeur de un (1), correspond à celui du mode de réalisation 1. Le fait d'augmenter le rapport d'épaisseur d2/dl accroît le rendement de ventilateur, ce qui s'approche du rendement de ventilateur n1 auquel parvient la surface portante NACA lorsqu'elle est utilisée. Le fait d'accroître davantage le rapport d2/dl entraînera à son tour une baisse de rendement du ventilateur. Lorsque le rapport d2/dl atteint une valeur égale à deux (2), le rendement de ventilateur devient rn2 ; le fait d'augmenter davantage le rapport d2/dl amènera le rendement de ventilateur à baisser davantage que le rendement présenté dans le mode de réalisation 1. Ainsi, il est préférable que le rapport d'épaisseur d2/dl soit choisi dans une plage d'un minimum de un (1) et d'un maximum de deux (2). Ici, la discussion susdite se réfère à un cas dans lequel l'épaisseur de la portion de bord de fuite augmente de manière linéaire vers le bord d'attaque depuis la portion de bord de fuite ; cependant, l'épaisseur peut maintenir l'épaisseur constante dl jusqu'au point, intermédiaire, de la portion de bord de fuite et par la suite augmenter progressivement. Même dans ce cas, la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression peut fusionner en douceur avec la surface de pression 8 ; de plus, le changement d'épaisseur de la portion de bord de fuite n'est pas limité à un changement à augmentation linéaire. Mode de réalisation 3 La figure 6 est une vue illustrant une portion de bord de fuite de pale d'un ventilateur à écoulement axial selon un mode de réalisation 3 de la présente invention ; la figure 7 est une vue agrandie d'une portion située vers le bord de fuite de la portion de bord de fuite de pale de la figure 6 ; la figure 6 diffère de la figure 5 du mode de réalisation 2 en ce que la portion de bord de fuite de pale peut être formée de telle sorte que [du fait que toute la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression est incurvée] la portion de bord de fuite 8a fusionne plus en douceur avec la portion de bord d'attaque sur la surface de pression 8 que l'exemple du mode de réalisation 2. Il convient de noter que les figures 6 et 7 illustrent la surface portante de la pale 1 et la surface portante NACA qui sont superposées les unes sur les autres, où une portion de surface portante NACA différente de la surface portante de pale 1 est représentée en transparence. La surface portante de la pale 1 dans le mode de réalisation 3 est définie comme suit. La surface portante de la pale 1 est faite pour être identique à la surface portante NACA pour ce qui est du profil de la surface d'aspiration 7, tandis que le profil de la surface de pression 8 est modifié par rapport à la surface portante NACA en ce qui concerne uniquement la portion de bord de fuite 8a de la surface de pression. Une extrémité distale A de la surface d'aspiration est positionnée de façon à être identique à un bord de fuite de la surface d'aspiration de la surface portante NACA ; une épaisseur prédéterminée dl est définie entre l'extrémité distale A et l'extrémité distale B ; l'extrémité distale B est choisie de façon à se trouver sur une ligne 11 le long de la surface de bord de fuite de la surface portante NACA -c'est-à-dire, la ligne 11 reliant l'extrémité distale A au bord de fuite E de la surface de pression de surface portante NACA. Ici, l'épaisseur de pale représente une distance - mesurée le long d'une direction orthogonale par rapport à la ligne médiane de la pale - entre la surface d'aspiration 7 et la surface de pression 8 de la surface portante ; ainsi, la ligne 11 d'extrémité distale est également une ligne orthogonale par rapport à la ligne médiane de la pale définissant l'épaisseur dl de la portion située vers le bord de fuite. Ensuite, un point situé sur la ligne 11 d'extrémité distale de la surface portante NACA et du côté surface de pression est choisi comme centre O (non représenté) ; le profil de la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression est formé comme un arc circulaire ayant son centre dans le centre O. A cet instant, la limite C entre la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression et une portion vers le bord d'attaque sur la surface de pression 8 est choisie de telle sorte que l'épaisseur de l'extrémité proximale de la portion de bord de fuite 10 de pale soit une épaisseur prédéterminée d2. La surface de bord de fuite 9 peut être faite de telle sorte que, par exemple, un demi-cercle soit formé entre l'extrémité A de la surface d'aspiration 7 et l'extrémité distale B de la surface de pression 8. Bien que l'épaisseur d2 d'extrémité proximale de la portion de bord de fuite 10 de pale soit choisie de manière arbitraire, le procédé susdit permet à la portion 10 de fusionner en douceur, dans la limite C sur la surface de pression 8, avec la portion située vers le bord d'attaque sur la surface de pression 8. Tel que décrit ci-dessus, lorsqu'on fait une comparaison avec le cas du mode de réalisation 2, la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression peut fusionner en douceur avec une portion plus éloignée vers l'avant vers le bord d'attaque depuis la portion de bord de fuite 8a. Ceci permet de réduire l'écoulement séparé par comparaison avec celui du mode de réalisation 2, ce qui se traduit de ce fait par un accroissement du rendement du ventilateur à écoulement axial. De plus, un avantage de ce mode de réalisation est qu'il définit de manière non ambiguë le profil de la portion de bord de fuite 8a sur la surface de pression en déterminant l'épaisseur dl d'extrémité distale et l'épaisseur d2 d'extrémité proximale de la portion de bord de fuite 10 de pale 1. Bien que l'on ait décrit les exemples dans lesquels les modes de réalisation 1 à 3 utilisent la surface portante NACA en tant que surface portante prédéterminée, les modes de réalisation sont également applicables à la modification de généralement toute autre surface portante ayant une portion de fuite progressivement plus mince vers le bord. Par ailleurs, l'exemple dans lequel la surface portante modifiée est appliquée à la pale du ventilateur à écoulement axial a été décrit ; la surface portante modifiée est également applicable à l'aube fixe du ventilateur à écoulement axial. Bien que la présente invention ait été représentée et décrite avec référence à ses modes de réalisation préférés, les hommes du métier comprendront que diverses modifications et analogues pourraient y être apportées sans s'éloigner de l'esprit ni de la portée de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ventilateur à écoulement axial comprenant : un arbre rotatif (2) capable d'effectuer une 5 rotation ; une pluralité de pales (1) disposées autour de l'arbre rotatif (2) et effectuant une rotation en même temps que celui-ci ; une pluralité d'aubes fixes (4) disposées autour 10 de l'arbre rotatif (2) ; dans lequel les pales (1) comportent chacune une surface d'aspiration, une surface de pression et une surface de bord de fuite (9) ; la surface d'aspiration ayant le même profil qu'une surface portante prédéterminée ; la surface de 15 pression ayant une portion de bord de fuite d'un profil différent de celui de la surface portante prédéterminée ; et la portion de bord de fuite (10) de pale entre les surfaces de pression et d'aspiration les unes en face des autres de la portion de bord de fuite 20 ayant une épaisseur supérieure à celle d'une portion de bord de fuite selon la surface portante prédéterminée et ayant une épaisseur destinée à fournir une résistance égale à une résistance prédéterminée ou dépassant celle-ci. 25 2. Ventilateur à écoulement axial selon la revendication 1, dans lequel la portion de bord de fuite (10) de pale a une épaisseur constante. 30 3. Ventilateur à écoulement axial selon la revendication 1, dans lequel la portion de bord defuite sur la surface de pression fusionne en douceur avec une portion de bord d'attaque s'étendant vers un bord d'attaque depuis la portion de bord de fuite, et un rapport d'épaisseur d'un numérateur sur un dénominateur est de 1/2 lorsque le dénominateur représente une épaisseur choisie parmi une première plage d'épaisseur d'extrémité de la portion de bord de fuite (10) de pale et le numérateur représente une épaisseur choisie dans une seconde plage d'épaisseur d'extrémité. 4. Ventilateur à écoulement axial selon la revendication 1 ou 3, dans lequel la portion de bord de fuite sur la surface de pression, est formée selon un arc circulaire dont le centre est situé sur une ligne perpendiculaire par rapport à la ligne médiane de la pale (1) définissant l'épaisseur de la portion vers le bord de fuite et dont le centre est situé du côté de la surface d'aspiration. 5. Ventilateur à écoulement axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le profil de surface portante prédéterminé est basé sur un profil de surface portante de série NACA.