EP0541429B1 - Virole annulaire profilée pour hélice de ventilateur et son application aux motoventilateurs d'automobile - Google Patents

Virole annulaire profilée pour hélice de ventilateur et son application aux motoventilateurs d'automobile Download PDF

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EP0541429B1
EP0541429B1 EP92402961A EP92402961A EP0541429B1 EP 0541429 B1 EP0541429 B1 EP 0541429B1 EP 92402961 A EP92402961 A EP 92402961A EP 92402961 A EP92402961 A EP 92402961A EP 0541429 B1 EP0541429 B1 EP 0541429B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/545—Ducts
    • F04D29/547—Ducts having a special shape in order to influence fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/325—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow fans
    • F04D29/326—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow fans comprising a rotating shroud
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the present invention relates to fairing devices for propellers, in particular axial ones, for example for motorized fan units of automobiles.
  • the subject of the invention is a profiled annular ferrule integral with the head of each of the blades of a fan propeller, of the type having a curved inlet flange whose convexity is directed towards the axis.
  • This ferrule is characterized in that the flange has a given axial length and a meridian cross section configured approximately as a quarter ellipse whose eccentricity is of the order of 1.5 and whose semi-major axis is between approximately a third and a half of this given axial length.
  • the subject of the invention is also the application of such a ferrule to the manufacture of a propeller for an automobile fan.
  • a profiled annular ring 10 is intended to be associated with the blades 20 of a fan propeller. More particularly, the ferrule 10 is intended to be fixed to the head 21 of each of the blades, the foot 22 of which is carried by a hub 30 intended to be driven by an axis shaft 100 of an electric motor, not shown. Each blade 20 also has a leading edge 23 and a trailing edge 24.
  • the profiled annular shell 10 has a curved inlet flange 11, the convexity of which is directed towards the axis 100 along which the propeller rotates normally and from which it is coaxial.
  • This flange 11 has a given axial length l and has a meridian cross section 110 configured approximately as a quarter ellipse.
  • the eccentricity e of this ellipse is defined, as it is classic, by the ratio of its semi-major axis and semi-minor axis a and b respectively, and is of the order of 1.5.
  • the length of the semi-major axis a of this ellipse is between approximately one third and half of the given axial length l of the flange.
  • the collar 11 is preferably provided with a centrifugal front flange 12, as illustrated, whose angular amplitude ⁇ , measured from the center O of the ellipse from its major axis, does not exceed approximately 45 °.
  • this rim 12 has a curved meridian cross section 120 which is approximately elliptical or even circular.
  • the flange 11 is provided with a rear extension 13, which is delimited by an inner wall 131 facing the axis 100 and by an outer wall 132.
  • the inner wall 131 has a curved meridian cross section 1310, which is approximately elliptical or even circular.
  • the outer wall 132 has a rectilinear meridian cross section 1320 which is, for example parallel to the axis 100 of the annular shell. It is clear that the particular configurations specific to the interior 131 and exterior 132 walls may not be adopted simultaneously.
  • this ferrule 10 according to the invention is intended to rotate preferably in a fairing nozzle 40 which is fixed.
  • a fairing nozzle 40 is for example fixed on the front wall of a radiator for cooling a thermal engine of an automobile or of an exchanger of an air conditioner of the passenger compartment.
  • the thickness of the extension posterior 13 of the shell 10 is not constant, and will become thinner in the direction of the air flow, from upstream to downstream.
  • a profiled annular ferrule according to the invention was used, the given axial length l of which is 32 mm, the ellipse of which has a semi-major axis a of 12 mm, and a half small axis b of 8 mm, whose maximum diameter D e measured at the front edge is 284 mm, whose internal diameter D i is 260 mm and whose maximum thickness between the internal and external walls is 3 mm.
  • connections between the flange, the front edge and the posterior extension are made so as to form a continuous surface, preferably without any marked angular zone; these connections are by example obtained by arcs of a circle.
  • Such a ferrule can be made of metal or synthetic material. When the latter type of material is used, such a ferrule can then be molded in one piece with the blades and the hub of a propeller.

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Description

  • La présente invention concerne les dispositifs de carénage des hélices, notamment axiales par exemple pour groupes motoventilateurs d'automobile.
  • Divers profils de carénage ont déjà été proposés pour des viroles montées sur les têtes des pales d'hélice de ventilateur. Parmi ces profils, en section droite méridienne, se trouve l'arc de cercle qui confère à l'hélice une entrée évasée dans le carénage tournant ou virole, de façon à minimiser le décollement des filets d'air s'écoulant le long du profil du carénage.
  • Toutefois, il se forme habituellement au contournement de la collerette d'entrée d'une telle virole, un décollement, stationnaire ou non, des filets d'air de plus ou moins grande amplitude, qui provoque une dégradation des performances aérodynamiques des parties en tête de pales.
  • Un tel décollement entraîne la formation de tourbillons et interagit avec les couches fluides tapissant l'intrados et l'extrados des pales. Il en résulte des conditions d'écoulement particulièrement défavorables, tout spécialement dans la partie de tête des pales, qui introduisent :
    • une perte additionnelle de pression totale du fluide, à la traversée de l'hélice;
    • une augmentation perceptible du niveau sonore de fonctionnement de l'installation.
  • Des exemples de solution selon la technique antérieure sont illustrés par le document US 3 937 192. On observera en particulier qu'une telle solution impose un jeu ou écart important, de l'ordre d'une vingtaine de millimètres, entre la paroi extérieure de la virole annulaire tournante raccordée aux têtes des pales, et la paroi intérieure du carénage fixe ou buses, qui lui fait face.
  • Toutefois, cette solution ne convient pas pour obtenir une réelle augmentation des performances des hélices.
  • Un autre état de la technique est illustré aussi par les documents EP 0 490 308 (Etat de la technique selon l'Art. 54(3) CBE.) et DE 27 03 352.
  • Tous les éléments qui sont nécessaires à l'invention et qui sont aussi présents dans le document allemand cité en dernier lieu sont énoncés dans le préambule de la revendication 1 dont la partie caractérisante notamment expose les particularités distinctives de l'invention.
  • L'invention a pour objet une virole annulaire profilée solidaire de la tête de chacune des pales d'une hélice de ventilateur, du type présentant une collerette d'entrée cintrée dont la convexité est dirigée vers l'axe. Cette virole est caractérisée en ce que la collerette a une longueur axiale donnée et une section droite méridienne configurée approximativement en quart d'ellipse dont l'excentricité est de l'ordre de 1,5 et dont le demi-grand axe est compris entre environ le tiers et la moitié de cette longueur axiale donnée.
  • L'invention a aussi pour objet l'application d'une telle virole à la confection d'hélice pour motoventilateur d'automobile.
  • D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent, ainsi que de l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, où :
    • la Figure 1 est une vue partielle schématique d'un mode de réalisation d'une virole selon l'invention;
    • les Figures 2A, 2B, 2C sont des sections méridiennes de détail, partielles de variantes d'exécution d'une virole selon l'invention;
    • la Figure 3 illustre des graphes comparatifs des pressions et des rendements, en fonction du débit, pour une hélice équipée d'une virole traditionnelle (trait mixte) et une hélice équipée d'une virole selon l'invention (traits fort); et
    • la Figure 4 est un graphe illustrant le résultat de l'analyse harmonique normalisée, au tiers d'octave en classe A, du bruit rayonné par une hélice équipée d'une virole traditionnelle (trait fin) et une hélice équipée d'une virole selon l'invention (trait fort).
  • Les hélices de ventilateur, et tout spécialement celles des motoventilateurs d'automobile, étant bien connues dans la technique, on ne décrira dans ce qui suit que ce qui concerne directement ou indirectement l'invention. Pour le surplus, le spécialiste de la technique considérée puisera dans les solutions classiques courantes à sa disposition pour faire face aux problèmes particuliers auxquels il est confronté.
  • Dans ce qui suit, un même numéro de référence identifie toujours un même élément homologue, quel que soit le mode de réalisation ou sa variante d'exécution.
  • Pour la commodité de l'exposé, on décrira successivement les divers constituants d'une virole annulaire profilée suivant l'invention avant d'en exposer son fonctionnement et sa fabrication.
  • Comme on le voit, une virole 10 annulaire profilée selon l'invention, est destinée à être associée aux pales 20 d'une hélice de ventilateur. Plus particulièrement, la virole 10 est destinée à être fixée à la tête 21 de chacune des pales dont le pied 22 est porté par un moyeu 30 destiné à être entraîné par un arbre d'axe 100 d'un moteur électrique, non représenté. Chaque pale 20 présente aussi un bord d'attaque 23 et un bord de fuite 24.
  • Comme on le voit, la virole annulaire profilée 10 présente une collerette 11 d'entrée cintrée, dont la convexité est dirigée vers l'axe 100 suivant lequel l'hélice tourne normalement et duquel elle est coaxiale. Cette collerette 11 a une longueur l axiale donnée et a une section droite méridienne 110 configurée approximativement en quart d'ellipse. L'excentricité e de cette ellipse est définie, comme il est classique, par le rapport de ses demi-grand axe et demi-petit axe a et b respectivement, et est de l'ordre de 1,5. La longueur du demi-grand axe a de cette ellipse est comprise entre environ le tiers et la moitié de la longueur axiale donnée l de la collerette.
  • Comme on peut l'observer, le grand axe de cette ellipse est parallèle à l'axe 100 de la virole annulaire 10.
  • La collerette 11 est munie de préférence d'un rebord 12 frontal centrifuge, comme illustré, dont l'amplitude angulaire θ, mesurée du centre O de l'ellipse à partir de son grand axe, n'excède pas environ 45°. De préférence, ce rebord 12 a une section droite méridienne 120 courbe qui est approximativement elliptique voire circulaire.
  • S'il y a lieu, la collerette 11 est munie d'un prolongement 13, postérieur, qui est délimité par une paroi intérieure 131 faisant face à l'axe 100 et par une paroi extérieure 132. De préférence, la paroi intérieure 131 a une section droite méridienne 1310 courbe, qui est approximativement elliptique voire circulaire. De préférence, la paroi extérieure 132 a une section droite méridienne 1320 rectiligne qui est, par exemple parallèle à l'axe 100 de la virole annulaire. Il est clair que les configurations particulières propres aux parois intérieure 131 et extérieure 132 peuvent ne pas être adoptées simultanément
  • Comme il est classique, cette virole 10 selon l'invention est destinée à tourner de préférence dans une buse 40 de carénage qui est fixe. Une telle buse est par exemple fixée sur la paroi antérieure d'un radiateur de refroidissement d'un moteur thermique d'automobile ou d'un échangeur d'un climatiseur de l'habitacle.
  • Comme on peut l'observer en particulier sur les Figures 2B et 2C, l'épaisseur du prolongement postérieur 13 de la virole 10 n'est pas constante, et va s'amincissant dans le sens du flux d'air, de l'amont vers l'aval.
  • Pour les exemples comparatifs de performance qui suivent, on a utilisé une virole annulaire profilée selon l'invention dont la longueur axiale donnée l est de 32 mm, dont l'ellipse a un demi-grand axe a de 12 mm, et un demi-petit axe b de 8 mm, dont le diamètre maximal De mesuré au rebord frontal est de 284 mm, dont le diamètre Di intérieur est de 260 mm et dont l'épaisseur maximale entre les parois intérieure et extérieure est de 3 mm.
  • L'examen des graphes indique clairement qu'une hélice équipée d'une virole selon l'invention améliore les rendements aéraulique tout en maintenant voire réduisant le niveau sonore du bruit dans les conditions normales de fonctionnement. Cette analyse harmonique au tiers d'octave, en pondération A, est conduite selon le protocole d'essais classique en la matière, côté aspiration, en chambre sourde et en champ libre c'est-à-dire que l'hélice pourvue de sa virole selon l'invention et placée dans son carénage fixe ou buse, est seule étudiée lorsqu'elle tourne à 2300 t/min (voir Figure 4). Sur les graphes de la Figure 3, on a porté en abscisses le débit Q et en ordonnées le rendement η exprimé en pourcentage et la différence de pression Δp statique, entre amont et aval, exprimée en millimètre d'eau, la plage de fonctionnement est indiquée en trait fort sur l'axe des abscisses.
  • Il est clair que la configuration ellipsoïdale peut être approchée par une configuration circulaire osculatrice. De même, les raccordements entre collerette, rebord frontal et prolongement postérieur sont faits de manière à former une surface continue, de préférence sans zone anguleuse marquée; ces raccordements sont par exemple obtenus par des arcs de cercle.
  • Une telle virole peut être fabriquée en métal ou en matériau synthétique. Lorsqu'on utilise ce dernier type de matériau, une telle virole peut alors être moulée d'un seul tenant avec les pales et le moyeu d'une hélice.
  • Ce qui précède montre tout l'intérêt et les avantages apportés par l'invention tout spécialement lorsqu'une virole selon l'invention fait partie d'une hélice pour motoventilateur d'automobile.

Claims (11)

  1. Virole annulaire profilée solidaire de la tête de chacune des pales d'une hélice de ventilateur, du type présentant une collerette d'entrée cintrée dont la convexité est dirigée vers l'axe (100), caractérisée en ce que cette collerette (11) a une longueur (l) axiale donnée et une section droite méridienne (110) configurée approximativement en quart d'ellipse dont l'excentricité est de l'ordre de 1,5 et dont le demi-grand axe (a) est compris entre environ le tiers et la moitié de cette longueur axiale donnée (l).
  2. Virole selon la revendication 1, caractérisée en ce que le grand axe (2a) de l'ellipse est parallèle à l'axe (100) de la virole annulaire (10).
  3. Virole selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la collerette (11) est munie d'un rebord (12) frontal centrifuge dont l'amplitude angulaire (θ) mesurée du centre (O) de l'ellipse à partir de son grand axe (2a) n'excède pas environ 45°.
  4. Virole selon la revendication 3, caractérisée en ce que ce rebord (12) a une section droite méridienne (120) courbe.
  5. Virole selon la revendication 4, caractérisée en ce que la section droite méridienne (120) du rebord (12) est approximativement elliptique voire circulaire.
  6. Virole selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la collerette (11) est munie d'un prolongement (13) postérieur.
  7. Virole selon la revendication 6, caractérisée en ce que le prolongement postérieur (13) a une paroi intérieure (131) à section droite méridienne (1310) courbe.
  8. Virole selon la revendication 7, caractérisée en ce que la section droite méridienne (1310) courbe de la paroi intérieure (131) du prolongement (13) est approximativement elliptique voire circulaire.
  9. Virole selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le prolongement postérieur (13) a une paroi extérieure (132) à section droite méridienne (1320) rectiligne.
  10. Virole selon la revendications 9, caractérisée en ce que la section droite méridienne (1320) rectiligne de la paroi extérieure (132) du prolongement (13) est parallèle à l'axe (100) de la virole annulaire (10).
  11. Application d'une virole selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à la confection d'hélices pour motoventilateurs d'automobile.
EP92402961A 1991-11-07 1992-11-02 Virole annulaire profilée pour hélice de ventilateur et son application aux motoventilateurs d'automobile Expired - Lifetime EP0541429B1 (fr)

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EP0541429A1 EP0541429A1 (fr) 1993-05-12
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