Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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._
Le secteur technique de la présente invention est
celui des ventilateurs ~ courant transversal appliqués ~ la
ventilation d'un local ou d'une machine ou bien à la sustenta-
tion d'un véhicule à coussin d'air, par exemple un navire à
05 effet de surface.
Ce type de ventilateur est bien connu et a été pro-
posé pour la première fois en 1892 par MORTIER pour la venti-
lation des mines de charbon. La particularité principale de ce
ventilateur est de présenter une caractéristique pression-
débit de type bossu, dont la partie croissante représente en-
tre 50 et 75% de la plage maximale (ou excursion) accessible
en débit. La seconde particularité est de présenter une pres-
sion à débit nul différente de zéro. Une autre caractéristique
de ce ventilateur réside dans la fourniture simultanée de
coefficients de débit et de pression élevés, comparativement
au ventilateur centrifuge qui ne fournit, à taille égale,
qu'un coefficient de pression élevé à coefficient de débit
faible et au ventilateur axial qui ne fournit par contre, à
taille égale, qu'un coefficent de débit élevé à coefficient de
pression faible. En conséquence, la puissance aéraulique four-
nie par le ventilateur transverse est alors nettement supé-
rieure. Le point faible de ce ventilateur réside tradition-
nellement dans le rendement obtenu qui peut être amélioré en
jouant sur les formes statoriques.
A titre indicatif, on conna~t le brevet DE-A-l 428
071 relatif à un ventilateur transverse ayant une caractéris-
tique de débit d'air stable et étant peu bruyant.
On connaît également le brevet DE-A-2 545 036 per-
fectionnant le ventilateur du brevet préc~dent par un système
complexe de parois-guides et de parois poreuses placées sur le
trajet du fluide pour réduire le bruit. Cependant, cet avanta-
ge peut être compromis par l'encrassement des parois poreuses
après un certain temps d'utilisation.
On conna~t encore le brevet FR-A-2 481 378 qui vise
à réduire le niveau de bruit et à fournir un débit d'air accru
pour une même vitesse du rotor par une forme particulière en
arrondi de la volute aval et des becs de volute et de crosse.
~,
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On notera toutefois que ces trois documents concer-
nent des appareils domestiques, où le débit d'air est infé-
rieur à 0,05 m3/s avec une pression inférieure à 50 Pa.
On conna~t encore un dispositif de ventilation des
05 radiateurs de fluide et des rhéostats d'une motrice à l'aide
d'un ventilateur transverse. Cependant, il s'agit surtout de
l'incorporation de ce ventilateur dans une structure où
l'espace est réduit.
Dans ces réalisations antérieures, on utilise sur-
tout les propriétés de débit du ventilateur transverse et onn'a jamais cherché à améliorer les formes du collecteur amont
et du diffuseur aval pour obtenir simultanément un débit et
une pression élevés, tout en visant un rendement élevé.
Une première tentative a été faite dans une étude
théorique publiée par G. HEID, Revue francaise de mécanique
1986-2, sur l'application de la théorie de BIDARD relative au
pompage des compresseurs, a l'étude du phénomène de pompage
dans les ventilateurs transverses. En effet, toutes les réali-
sations connues des ventilateurs transverses sont des configu-
rations figées répondant à un problème spécifique de débit ;l'homme de l'art ne peut donc pas à partir de ces réalisations
extrapoler les résultats obtenus. Cette étude a donc permis de
formuler les conclusions suivantes :
- du point de vue pression, le rotor se comporte comme
un seul étage, ce qui a pour avantage de donner la possibilité
d'augmenter le débit en augmentant sa longueur,
- seule la dissymétrie amont/aval des formes statori-
ques détermine le sens d'écoulement,
- pour un même couple pression/débit, on peut choisir
plusieurs combinaisons diamètre/longueur/vitesse de rotation
du rotor.
Le but de la présente invention est donc de définir,
pour la première fois, un ventilateur transverse dont les ca-
ractéristiques sont prévues à l'avance, pour obtenir simulta-
nément dans une installation technique des coefficients dedébit et de pression pouvant atteindre respectivement 2,5 à 3
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environ, tout en maîtrisant la stabilité du point de
fonctionnement sur l'ensemble de la plage de débit et en
particulier sur la partie croissante de la caractéristique
pression-débit sur laquelle on sait qu'un phénomène de
pompage peut prendre naissance. Il est connu qu'un tel
phénomène de pompage se traduit par des pulsations
périodiques en débit et en pression dans le circuit aval,
caractérisées par une fréquence et une amplitude de pompage,
ce qui rend la machine inutilisable dans une application
industrielle.
Selon la présente invention, il est prévu un
ventilateur à courant transversal comportant un collecteur
amont délimité par une face amont plane d'un élément de
volute et une face amont d'un élément de crosse, une roue
formant rotor munie de pales et un divergent délimité par
une face aval de l'élément de volute et une face aval de
l'élément de crosse, le collecteur et le divergent
délimitant en regard de la roue dans un plan perpendiculaire
à son axe de rotation deux passages longitudinaux rétrécis
formant des entrefers définis d'une part, par un bec de
l'élément de volute et d'autre part, par un bec amont de
l'élément de crosse, ventilateur dans lequel dans un
référentiel d'axes X des abscisses et Y des ordonnées
perpendiculaires dont l'origine est située sur l'axe de
rotation de la roue et dont l'axe X des abscisses est
parallèle à la face aval de l'élément de crosse:
ledit bec amont de l'élément de crosse décrit un
angle compris entre 290 et 330 à une distance de la roue
comprise entre 2 et 8% du diamètre extérieur de la roue,
une face de l'élément de crosse décrit un angle
dont le sommet est confondu avec le bec amont de l'élément
de crosse compris entre -20 et 60 par rapport à un axe
parallèle à l'axe des ordonnée concourant avec ledit bec
amont,
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-
ledit bec de l'élément de volute décrit un angle
compris entre 76 et 112 à une distance de la roue comprise
entre 2 et 8% du diamètre extérieur de la roue,
ladite face amont plane, concourante au bec de
l'élément de volute, est inclinée par rapport au plan
joignant l'axe de rotation de la roue et le bec de l'élément
de volute d'un angle d'une valeur comprise entre O et 70.
De préférence, l'élément de crosse présente entre
ses becs amont et aval une épaisseur comprise entre 1 et
40% du diamètre extérieur De de la roue.
De préférence, l'épaisseur de l'élément de crosse
est égale à 16% du diamètre extérieur de la roue.
De préférence, la face crosse-roue est plane et
inclinée par rapport à l'axe des ordonnées d'un angle com-
pris entre -20 et 60.
De préférence, la face crosse/roue est creuse
et réalisée sous la forme d'un arc de cercle passant par
les becs amont et aval d'élément de crosse placés tous deux
sur une parallèle à l'axe Y, tel que la tangente au bec
amont délimite un angle avec ladite parallèle à l'axe des
ordonnées variant entre 0 à 60.
De préférence, la longueur (1) de la face amont
de crosse projetée sur l'axe des abscisses est comprise
entre 90 et 100~ du diamètre extérieur de la roue.
De préférence, la face amont de crosse est cons-
tituée par une surface plane inclinée d'un angle compris
entre 10 et 30 par rapport à l'axe des abscisses.
De préférence, l'angle d'inclinaison est égal
à 26 et la longueur (1) à 95% du diamètre extérieur
de la roue.
De préférence, la face amont de crosse est cons-
tituée d'un arc de cercle ouvert vers la roue dont la tan-
gente au bec amont de crosse délimite par rapport au rayon
133798~
- 4a -
passant par le bec amont un angle compris entre 20 et 80.
De préférence, la volute aval est prolongée par
un divergent délimitant un angle de 7 par rapport à l'axe
des abscisses à partir d'un point situé sur une parallèle
à l'axe des ordonnées passant par le bec de crosse aval
à une distance de celui-ci comprise entre 60 et 90~ du dia-
mètre extérieur De de la roue.
De préférence, la volute aval est délimitée en
section par un premier arc de cercle concentrique à la roue
et un second arc de cercle reliant le premier arc de cercle
au divergent.
De préférence, la volute aval passe par un axe
situé sur une parallèle à l'axe des X passant par le bec
aval de crosse, à une distance de ce dernier comprise entre
1' ~0 ot 120~ tr~
_ 5 _ 1 33 798~
Aussi,.de ~référence, cette distance est égale
à 59~ du diamètre extérieur De de la roue.
De préférence, la roue est du type à aubes crochantes, dont
le di ~ tre interne est c ~ ris entre ?0 et 80% d~ son di~tre ex-
05 térieur, et chaque aube présente, en fonction du diamètreextérieur De de la roue, un rayon de courbure compris entre 10
et 15%, une corde comprise entre 10 et 15% et un allongement
compris entre 1 et 5.
De préférence, les aubes sont vrillées longitudi-
nalement d'un angle d'hélice inférieur à 10.
De préférence, la roue est vrillée par rotationdés flasques d'extrémité l'un par rapport à l'autre.
De préférence, l'élément de bec de crosse est
vrillé d'un angle d'hélice inférieur à 10.
Un résultat de la présente invention réside dans
l'obtention d'un rendement élevé qui atteint 70 à 80%.
Un autre résultat réside dans la mise à profit des
caractéristiques intrinsèques du ventilateur transverse pour
l'obtention d'un flux en nappe ou d'un rideau d'air ; le débit
étant de ce fait proportionnel à la longueur de la roue, à vi-
tesse de rotation constante, on conserve la valeur des coeffi-
cients aérauliques réduits.
Un autre résultat réside dans l'accroissement de la
marge au pompage.
Un autre résultat réside dans l'accessibilité à des
puissances de l'ordre du mégawatt, tout en conservant un en-
combrement minimal comparé à celui des machines classiques de
même puissance.
On sait que les caractéristiques d'un ventilateur
sont usuellement d~finies par les coefficients sans dimension
de débit Cd, de pression Cp et de rendement ~ selon les rela-
tions :
Qv ~ P Qv ~ p
Cd = ------- Cp = -------- et 9 = -------
2L~ R2 p ~2R2 C ~J
-
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où L est la longueur de la roue (m), ~J la vitesse de rotation
de la roue (rd/s), R le rayon de la roue, p la masse volumique
de l'air (~g/m3), Qv le débit du ventilateur (m3/s) et ~ P la
variation de pression (Pa).
05 L'invention sera mieux comprise à la lecture du com-
plément de description qui va suivre d'un mode de réalisation
donné ~ titre indicatif en relation avec un dessin sur lequel
- la figure 1 est une vue générale du montage d'un
ventilateur transverse,
- la figure 2 est une illustration schématique de la
position du bec amont de l'él~ment de crosse,
- la figure 3 est une illustration schématique de la
face roue-crosse plane et la figure 4 celle de la face roue-
crosse creuse,
- la figure 5 est une illustration de la face amont
plane de crosse et la figure 6 celle de la face amont creuse
de crosse,
- la figure 7 est une illustration schématique de la
position du bec de volute et de la face amont de bec de volu-
te,
- la figure 8 illustre le tracé de la volute aval,
- la figure 9 illustre la réalisation d'une aube de la
roue,
- la figure 10 représente une réalisation particuli~re
de la roue,
- la figure 11 illustre un exemple de courbes aérauli-
ques obtenues selon l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté un exemple de réa-
lisation d'un ventilateur transverse comportant une roue 1,
tournant dans le sens de la flèche F, un él~ment de crosse 2
et un élément de volute 3. Les éléments de volute et de crosse
constituent le stator de la machine tournante et délimitent
une partie amont de section convergente et une partie aval 4a
de section divergente, cette dernière étant suivie d'un cir-
cuit d'utilisation 4b partiellement représenté.
L'élément de crosse 2 comprend une face amont 5 ouvolute amont, un bec amont 6, une face roue-crosse 7, un bec
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aval 8 et une face aval 9.
L'élément de volute 3 comprend une face amont 10, un
bec de volute 11 et une volute aval 12.-
Le bec amont 6 de crosse est placé à une distance de
05 la roue 1 appelée entrefer 13 de bec de crosse (ECR). Le bec11 de volute est également placé à une distance de la roue 1
appelée entrefer 14 de bec de volute (EVR).
Pour définir les carac~téristiques du ventilateur se-
lon l'invention, on se donne un repère d'axes perpendiculaires
OXY dont l'origine O coincide avec l'axe de la roue 1 et dont
l'axe des abscisses est parallèle à la face aval 9 de
l'élément de crosse. Les dimensions linéaires sont exprimées
classiquement en pourcentage du diamètre extérieur De de la
roue 1.
La position du bec amont 6 de crosse est défini,
conformément à la figure 2, par 1'angle ABCAM entre 1'axe X et
le rayon D de la roue 1 passant par ce bec. Cet angle peut
être compris entre 290 et 330. On peut par construction adop-
ter une valeur fixe de cet angle, la position des autres élé-
ments étant définie à partir de cette valeur. Sur la figure 2,
cet angle est de 309 à entrefer nul.
La dimension de l'entrefer 13 (ECR) est comprise en-
tre 2 et 8% du diamètre extérieur De de la roue et plus parti-
culièrement entre 2 et 3%.
Sur la figure 3, on a schématisé à entrefer ECR nul
l'épaisseur Ec de la crosse et son inclinaison AFRC par rap-
port à la parallèle 15 à l'axe Y passant par le bec amont 6 de
crosse. L'épaisseur Ec est comptée entre la face aval 9 plane
et le plan 16 parallèle à cette face passant par le bec 6.
L'~paisseur Ec est comprise entre 0,1 et 40% du diamètre exté-
rieur De de la roue 1 et avantageusement entre 14 et 18%.
Cette épaisseur Ec étant définie, la face 7 crosse-
roue peut être soit plane, soit creuse, afin d'organiser
l'écoulement interne de l'air en fonction de l'application en-
visagée. De même, la face crosse-roue 7a, représentée sur la
figure 3, est plane et calée d'un angle AFRC, par rapport à la
parallèle 15, compris entre -30 et + 60 et plus particulière-
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ment entre -10 et +10. Par contre, la face crosse-roue 7b,
représentée sur la figure 4, est creuse, en arc de cercle, le
bec amont 6 et le bec aval 8 de crosse étant dans cette confi-
guration alignés sur la parallèle 17 à l'axe Y. Le centre B de
05 courbure de cet arc de cercle est situé sur la médiatrice de
la corde 18 joignant les becs 6 et 8 et l'angle AFRC est dé-
terminé par la tangente 19 passant par le bec 6 et la corde
18. Cet angle est compris entre 0 et 60 et avantageusement
entre 10 et 25. A noter que lorsque l'angle AFRC est nul, la
face 7b est plane.
La face amont 5 de crosse peut être soit plane 5a
(figure 5) soit creuse 5b (figure 6). Elle s'étend entre le
bec amont 6 de crosse et un point MFAC. La face 5a est définie
par sa position angulaire par rapport à l'axe X et par sa lon-
gueur projetée sur ce même axe. L'angle AFAC est compris entre25 et 80 et sa longueur (1) projetée est comprise entre 90 et
100% du diamètre extérieur De de la roue 1.
La face creuse 5b, représentée sur la figure 6, est
définie par l'angle AFAC entre le rayon de la roue passant par
le bec amont 6 de crosse et la tangente en ce point à la forme
étudiée. L'angle AFAC est compris comme précédemment entre 25
et 80 et plus particulièrement entre 60 et 78. Le centre C
de courbure est situé sur la médiatrice à la corde 20 passant
le bec 6 et le point MFAC. La longueur (1) de la face creuse
projetée sur un axe parallèle à l'axe X est comprise entre 90
et 100% du diamètre extérieur De de la roue 1.
Le bec 11 de volute, dont la position est schémati-
sée sur la figure 7, est situé sur un arc de cercle 21, à une
distance ou entrefer 14 (EVR) comprise entre 2 et 8% du diamè-
tre extérieur De de la roue 1. L'arc de cercle 21 est délimitépar l'angle ABC compris entre 76 et 112. Sur cette figure, on
voit également la face amont 10 du bec de volute incliné de
l'angle AFABV par rapport au rayon passant par le bec 11 de
volute. L'angle AFABV est compris entre 0 et 70. Ces deux an-
gles sont choisis de facon à assurer une alimentation optimalecompatible avec le point nominal recherché.
La figure 8 représente la volute aval 12 qui est
~ ~ 9 1:337984
constituée de trois parties 21, 22 et 23. La partie 21 est un
arc toujours concentrique à la roue 1 et existe lorsque
l'angle ABC est inférieur à 112. Les deux parties 22 et 23
sont définies à partir de l'élément de crosse 2 en délimitant
OS une première section notée SHBCAV (section horizontale de bec
de crosse aval) parallèle à l'axe X, telle que sa longueur
soit comprise entre 80 et 100% du diamètre extérieur De de la
roue 1, et une seconde section notée SBCAV ( section verticale
de bec de crosse aval), telle que sa longueur soit comprise
entre 60 et 90% du diamètre De extérieur de la roue 1. Ces
sections définissent les deux points MHBCAv et MVBcAv. La vo-
lute est alors constituée par la partie 22 en arc de cercle
passant par le point MHBCAv tangent à la partie 21 et à la
partie plane 23 passant par le point MVBcAv et faisant un an-
gle de 7 avec l'axe X.
La volute est enfin reliée au plan divergent 24 parla partie plane 23 prolongeant ce dernier. Le divergent 4b e~'
délimité par une surface plane prolongeant la face aval 9 de
crosse et la partie plane 24 faisant un angle de 7 avec l'axe
X. Ceci conduit à un divergent de ventilateur à 7, valeur
communément admise en mécanique des fluides pour ce qui
concerne l'obtention d'une perte de charge minimale.
La roue d'un ventilateur transverse est définie de
facon connue par les paramètres suivants : diamètres extérie~r
et intérieur, longueur, nombre de pales, rayon de courbure d~
la pale, corde de la pale, angles d'entrée et de sortie de lz
pale, diamètre de flasque. Les plages de variation de ces pa-
ramètres sont bien connues et il n'est pas nécessaire de les
expliciter en détail.
Par simplification, on a représenté sur la figure
une aube 25 de la roue 1 qui est du type crochante,
c'est-à-dire quand ~11 est supérieur à 90. Chaque aube est
définie par les paramètres suivants :
- le rapport du diamètre interne Di et du diamètre
externe De de la roue ; ce rapport est usuellement compris e -
tre 0,7 et 0,8 ;
- le rayon de courbure R ; il est compris entre 10
- lO 1337984
et 15% du diamètre extérieur De de la roue,
- la corde C ; elle est comprise entre 10 et 15% du
diam~tre ext~rieur De de la roue,
- l'allongement ; il est exprimé par le rapport
05 longueur/diamètre et varie entre 1 et 5.
Ces paramètres permettent de caler l'aube et de dé-
finir les angles ~11 et ~12 qui varient respectivement dans la
fourchette 120 à 170 et 70 à 100.
La roue 1 peut être vrillée comme représenté sur la
figure 10 par rotation des flasques 26 et 27 l'un par rapport
à l'autre d'un angle d'hélice AH. Le bord d'attaque 28 de cha-
que aube 25 définit alors une courbe présentant un angle
d'hélice AH inférieur à 10. Cette réalisation permet entre
autres de diminuer le bruit et l'amplitude des vibrations. En
variante, la ligne décrite par le bec 11 de volute et/ou le
bec amont 6 de crosse peuvent être vrillés suivant la même
loi.
Sur la figure 11, on a représenté la caractéristique
pression/débit d'un ventilateur transverse ayant les caracté-
ristiques géométriques suivantes :
diamètre extérieur De = 283 mm
diamètre intérieur Di = 223 mm soit Di/De = 78,95%
nombre d'aubages Np = 40
Crosse droite EC = 46 mm soit Ec/De = 16,25%
AFRC
AFAC à ent~efer mini = 40
Rayon de courbure de la volute amont de crosse
= 251 mm
AFABv à entrefer mini = 40o
SHBCAy ~ entrefer mini = 166 mm soit 58,64% de De
SVBcAv à entrefer mini = 220 mm soit 77,73% de De
Rayon de courbure de la volute aval = 301 mm
soit 106,47% de De
Entrefer volute/roue EVR = 6 mm soit 2,12% de De
Entrefer crosse/roue ECR = 8 mm soit 3,03% de De.
La puissance obtenue est d'environ 2 KWatt pour un ventilateur
de 420 mm de longueur, alors que l'obtention d'une puissance
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équivalente à l'aide d'un ventilateur axial ou centrifuge né-
cessiterait un diamètre et une longueur d'au moins 2 à 3 fois
plus grands. Les valeurs ~ P et Qv sont mesurées à la sortie
du ventilateur. La courbe P représente la variation de pres-
05 sion et la courbe R le rendement.
On constate qu'on obtient simultanément de fortsmaxima de pression de l'ordre de 750 Pa pour de forts débits
de l'ordre de 2 m3/s et ce pour un rendement utilisable de
l'ordre de 60%. En outre, ce ventilateur dispose d'une marge
au pompage ~ Q accrue, comparativement aux machines classiques
à courbe bossue et peut être utilisé dans une plage
d'excursion en débit exempte de risques de pompage. Sur cette
figure, on voit que cette marge ~ Q est de l'ordre de 1 m3/s.
Ce type de ventilateur peut donc être utilisé notamment dans
la sustentation des navires à effet de surface.
