Ventilateurs axiaux

Un ventilateur axial est un type de ventilateur à travers duquel le gaz circule dans une direction axiale, parallèle à l'arbre sur lequel les pales tournent. Le flux est axial en entrée et en sortie. Le ventilateur est conçu pour produire une différence de pression, et donc une force, provoquant un écoulement à travers lui. Les performances du ventilateur sont notamment déterminées par le nombre et la forme des pales. Les ventilateurs ont de nombreuses applications, notamment dans les souffleries et les tours de refroidissement. Les paramètres opérationnels incluent la puissance, le débit, le différentiel de pression et l'efficacité.

Les ventilateurs axiaux comportent généralement moins de pales (deux à six) que les ventilateurs centrifuges. Les ventilateurs axiaux ont généralement un rayon plus grand et une vitesse de rotation (ω) inférieure par rapport aux ventilateurs canalisés (en particulier à puissance similaire).

Calcul des paramètres 
Contrairement au cas dans d'autres turbomachines, le calcul ne peut pas être effectué à partir des triangles de vitesse d'entrée et de sortie. Le calcul est alors effectué en considérant un seul triangle de vitesse, considéré pour un écoulement à travers un élément d'aube infinitésimal. L'aube est divisée en plusieurs éléments et divers paramètres sont déterminés séparément pour chaque élément. Deux théories peuvent être employées pour le calcul des paramètres des ventilateurs axiaux, en particulier la poussée axiale :

 Théorie du sillage
 Théorie des éléments de lame

Théorie du sillage 

Sur la figure, l’épaisseur du disque du ventilateur est considérée comme négligeable. La limite entre le fluide en mouvement et le fluide au repos est représentée. Par conséquent, l’écoulement est considéré comme ayant lieu dans un conduit convergent virtuel  où :

  est le diamètre du disque d'hélice
  est le diamètre en sortie

Pour satisfaire la contrainte de continuité à travers le disque d'hélice, les vitesses C1 et C2 doivent être égales (C1 = C2 = C), évitant ainsi une onde de choc. En revanche, une différence de pression totale (dynamique et stagnante) est générée à travers le disque.

 La surface A d'un disque d'hélice de diamètre D est :

 

 Le débit massique à travers l’hélice est :

 

 Puisqu'une poussée est une variation de masse multipliée par une vitesse de flux massique, c'est-à-dire une variation de quantité de mouvement, la poussée axiale sur le disque de l'hélice due à la variation d'impulsion de l'air, , est la suivante :

 

 Application du principe de Bernoulli en amont et en aval :

En soustrayant les équations ci-dessus :

 

 La différence de poussée due à la différence de pression est la surface projetée multipliée par la différence de pression. La poussée axiale due à la différence de pression s'avère donc être :

En identifiant la poussée telle que calculée en faisant intervenir la variation de quantité de mouvement à celle obtenue en faisant intervenir la variation de pression, on peut identifier la vitesse au niveau du disque comme la moyenne des vitesses en amont et en aval:

 

Par convention, on définit un paramètre : 

 

de manière à exprimer  comme suit:

 devient alors:

 Calcul du changement d'enthalpie de stagnation spécifique à travers le disque :

 

La puissance fournie à l'hélice s'obtient quant à elle en multipliant le débit massique et la variation d'enthalpie de stagnation:

 , où 

Dans le cas où l'hélice est utilisée pour propulser un avion, le terme  est en fait la vitesse de l'appareil. On a alors comme puissance utile ou effective, le produit de la poussée axiale avec la vitesse de l'avion; 

 

 On peut ainsi exprimer un rendement entre la puissance effective et la puissance idéale, comme suit:

 

 Soit  le diamètre du cylindre de sortie imaginaire. Par équation de continuité ;
 
 D'après les équations ci-dessus, on peut relier les vitesses et  par la relation suivante: 
 

Donc;

 

Par conséquent, l'écoulement peut être modélisé là où l'air circule à travers un conduit divergent imaginaire. Le diamètre du disque de sortie est donc lié au diamètre du disque d'hélice.

Théorie des éléments de lame 

Dans cette théorie, un élément infinitésimal () est pris à une distance  du pied de la pale et toutes les forces agissant sur l'élément sont analysées pour obtenir une solution. On suppose que l'écoulement à travers chaque section élémentaire radiale  est indépendant de l’écoulement à travers les autres éléments.

On exprime les forces de portance et de traînée dans les directions conventionnelles:

 
 

Les forces de portances et de trainées sont exprimées par rapport au coefficient de portance () et au coefficient de traînée ():

 
 

L'angle entre les forces de traînée de portance est donc déterminé par le rapport de leurs coefficients:

 

La force axiale peut donc s'exprimer en fonction des coefficients: 

 

Pour trouver la poussée totale, il convient encore de multiplier cette force unitaire par pale, par le nombre  de pales, c'est-à-dire . (l'espacement  entre pales est naturellement obtenu en divisant la circonférence par le nombre de pales, soit .

Par conséquent, le différentiel de pression sur un anneau d'hélice d'épaisseur  s'obtient ainsi:

 
 

En procédant de même pour la direction , on établit  comme

 

Le couple est alors 

La poussée et le couple d'une section élémentaire peuvent donc être exprimés simplement par leur proportionnalité respectivement à  et .

Caractéristiques de performance 

La relation entre le différentiel de pression et le débit volumique est une caractéristique importante des ventilateurs. Les caractéristiques typiques des ventilateurs axiaux peuvent être étudiées à partir des courbes de performances. Une courbe de performances de ventilateur axial est présentée sur la figure. (La ligne verticale joignant le point d'efficacité maximale est tracée et rencontre la courbe de pression au point "S") . On peut faire les observations suivantes:

 À mesure que le débit augmente, le rendement augmente jusqu’à atteindre une valeur maximale, puis diminue.
 La puissance des ventilateurs augmente avec une pente positive presque constante.
 Des fluctuations de pression sont observées aux faibles débits. À partir du point S, la pression diminue.
 Les variations de pression à gauche du point « S » provoquent un écoulement instable qui est dû aux deux effets de décrochage et de pompage.

Causes d'un débit instable 
Le décrochage ("stall") et le pompage affectent les performances du ventilateur et de ses pales, et en diminuent le rendement. Ils sont donc indésirables. Ils se produisent en raison d’une conception inappropriée des propriétés physiques du ventilateur, et s’accompagnent généralement d’une génération de bruit.

Décrochage 
La cause du décrochage est la séparation du flux des surfaces des pales. Cet effet peut s'expliquer par l'écoulement sur un profil aérodynamique aile. Lorsque l'angle d'incidence augmente (lors de l'écoulement à faible vitesse) à l'entrée du profil, le modèle d'écoulement change et une séparation se produit. Il s'agit de la première étape du décrochage. À ce point, le flux se sépare, conduisant à la formation de vortex avec reflux dans la région séparée (voir l'article surtension du compresseur). La zone de décrochage pour le ventilateur axial unique et les ventilateurs axiaux fonctionnant en parallèle est illustrée sur la figure.

Ce graphique permet de déuire les points suivants:

 Pour les ventilateurs fonctionnant en parallèle, les performances sont moindres par rapport aux ventilateurs individuels.
 Les ventilateurs doivent fonctionner dans une zone de fonctionnement sûre pour éviter les effets de décrochage.

Les variateurs électroniques de vitesse ne sont pas pratiques pour certains ventilateurs axiaux 
De nombreuses pannes de ventilateurs axiaux se sont produites après que des ventilateurs axiaux à pales contrôlées aient été verrouillés dans une position fixe et que variateurs électroniques de vitesse aient été installés.En effet, les ventilateurs axiaux présentent des zones d'instabilité sévères, et ne doivent donc pas être mis en fonctionnement dans toutes les conditions. On veillera notamment à des combinaisons d'angles de pales, de vitesses de rotation, de débits massiques et de pressions qui peuvent exposer le ventilateur à des conditions de décrochage.

Effet de pompage 
Le pompage provoque une panne complète des ventilateurs. Il est principalement du à trois facteurs:

 Surtension du système
 Surtension du ventilateur
 Mise en parallèle

Surtension du système 
Cette situation se produit lorsque la courbe de résistance du système et la courbe de pression statique du ventilateur se croisent, ont une pente similaire, ou sont parallèle l'une à l'autre. Plutôt que de se croiser en un point défini, les courbes s'avoisinent sur une plage étendue de régions, signalant la montée en puissance du système. Ces caractéristiques ne sont pas observées dans les ventilateurs axiaux.

Surtension du ventilateur 
Ce fonctionnement instable résulte du développement de gradients de pression dans le sens opposé de l'écoulement. Le résultat est l'oscillation des pales du ventilateur créant des vibrations et donc du bruit.

Mise en parallèle 
Cet effet concerne le cas de ventilateurs multiples. Un symptome est que cela provoque un bruit, spécifiquement appelé battement. Pour éviter les battements, on peut notament modifier les conditions d'entrée, ou introduire des différences de vitesse de rotation entre les différents ventilateurs.

Méthodes pour éviter un écoulement instable 
En concevant les pales du ventilateur avec un rapport moyeu-pointe approprié et en analysant les performances sur le nombre de pales afin que le flux ne se sépare pas sur la surface des pales, ces effets peuvent être réduits. Certaines des méthodes permettent de surmonter ces effets, comme la recirculation de l'excès d'air à travers le ventilateur. Les ventilateurs axiaux sont des dispositifs à vitesse spécifique élevée qui les font fonctionner avec un rendement élevé et, pour minimiser les effets, ils doivent fonctionner à basse vitesse. Pour contrôler et diriger le débit, il est suggéré d'utiliser des aubes directrices. Les écoulements turbulents à l'entrée et à la sortie des ventilateurs provoquent décrochage. L'écoulement doit être rendu laminaire, ce qui peut être fait en utilisant un stator pour éviter les effets de décrochage

Voir également 

 Ventilateur mécanique
 Hélice (marine)
 Hélice (avion)
 Ventilateur industriel
 Ventilateur de plafond
 Turbofan
 Hélice canalisée
 Ventilateur de fenêtre
 Surtension du compresseur
 Calage du compresseur
 Marche de l'hélice
 Cavitation
 Propulseur azimutal
 Gouvernail de cuisine
 Bateau à vapeur
 Propulseur
 Couperet
 Hélice repliable
 Hélice modulaire
 Hélice supercavitante

Remarques 

Génie mécanique