EP1996818B1 - Helice de ventilateur, en particulier pour vehicules automobiles - Google Patents

Helice de ventilateur, en particulier pour vehicules automobiles Download PDF

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EP1996818B1
EP1996818B1 EP07726892.8A EP07726892A EP1996818B1 EP 1996818 B1 EP1996818 B1 EP 1996818B1 EP 07726892 A EP07726892 A EP 07726892A EP 1996818 B1 EP1996818 B1 EP 1996818B1
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EP
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blade
thickness
leading edge
fan impeller
blades
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EP07726892.8A
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German (de)
English (en)
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EP1996818A1 (fr
Inventor
Stéphane MOREAU
Antoine Levasseur
Aurélien LEVASSEUR
Manuel Henner
Bruno Demory
Cédric LEBERT
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Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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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
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38—Blades
    • F04D29/384—Blades characterised by form

Definitions

  • a fan impeller includes a hub and blades extending radially outwardly from the hub, the blades having a flattened cross section with an airfoil profile with a leading edge and an edge between which a rope is defined.
  • Such propellers are used in particular for cooling the drive motor of motor vehicles, the propeller producing a flow of air through a heat exchanger, namely the cooling radiator of the drive motor.
  • the hub of the propeller also called “bowl” is adapted to be wedged on the shaft of a motor, which can be an electric motor driven by a control electronics.
  • flatened transverse section here means the plane closed curve obtained by cutting the blade by a cylindrical surface of revolution about the axis of the helix, and by unrolling this cylindrical surface flat.
  • the string is then defined as the line segment connecting the leading edge and the trailing edge.
  • Fan propellers are generally made by molding a plastic material. To reduce manufacturing costs, it is usual to make the blades of the propeller in the form of an airfoil profile of thickness as low as possible.
  • Thin blade propellers are compatible with a decrease in axial size, but are however better adapted to the cooling of motor vehicle engines in the case where the propeller is at a significant distance (typically several centimeters) from the radiator cooling beam.
  • thin-blade propellers as taught for example by FR-A-2,781,843 and US 2005/232778 have their aeraulic and acoustic performance degraded when they are at a close distance from the beam of a heat exchanger, for example a cooling radiator. This degradation is mainly due to the disturbances caused by the strong turbulence resulting from the heat exchangers.
  • Near distance here means a distance that is typically of the order of 1 cm.
  • the invention provides a solution to these problems.
  • a fan propeller of the type defined above in which the blade has a relative thickness which reaches its maximum value in the first quarter of the length of the rope from the leading edge, the relative thickness being defined by the ratio between the thickness of the blade and the length of the rope.
  • the blade has its maximum thickness in the first quarter of the rope from the leading edge. Furthermore, it is advantageous that this maximum relative thickness is at least 12%.
  • the blade of the propeller of the invention has a more massive profile, of the bulbous type, in the region immediately following the leading edge.
  • the leading edge has a radius of curvature as large as possible. This contributes to giving the profile of the blade a bulbous shape in the region following the leading edge.
  • the aircraft wing profile has a mean line (neutral fiber) without inflection point.
  • the airfoil profile comprises a lower surface having a curvature inversion. This characteristic makes it possible in particular to limit the disturbances and noise generated by the trailing edge.
  • the radially outer ends of the blades are interconnected by a ferrule.
  • the propeller 10 as represented on the Figures 1 to 3 comprises a multiplicity of blades 12, here nine in number, which extend generally radially from a central hub 14, also called “bowl”, and connected together, at the periphery of the propeller, by a ferrule 16.
  • the hub, the blades and the ferrule are formed integrally by molding, in particular a plastics material.
  • the hub 14 has a cylindrical wall of revolution 18 to which the feet of the blades 12 are connected and a flat front wall 20 facing upstream relative to the direction of the air flow produced by the rotation of the propeller.
  • the direction of rotation of the helix is indicated by the arrow F on the figures 1 and 3 .
  • a hole 22 to allow to wedge the propeller on a drive shaft (not shown) connected to an electric motor (not shown).
  • the blades 12 are generally identical and have a generally curved shape from the wall 18 of the hub 14 to the shell 16.
  • the cross section of the blade has a general airfoil profile with a leading edge 24 and a trailing edge 26.
  • airfoil profile is meant here an aerodynamic profile with rounded leading and trailing edges with no protruding angle and / or continuously varying thickness.
  • the rope 28 that is to say the line segment extending between the leading edge 24 and the trailing edge 28, is inclined at an acute angle with respect to a plane radial P, that is to say a plane perpendicular to the axis of the helix.
  • This acute angle generally varies over the length of the blade, from the root of the blade which is fixed to the hub to the head of the blade which is fixed to the ferrule.
  • the length of the rope 28, between the leading edge 24 and the trailing edge 26, has a value L which is reported on the figure 4 .
  • FIG 5 generally illustrates a blade profile, not in accordance with the invention.
  • the figure 5 shows the flattened cross section of the blade, according to the previous definition, which has an airfoil profile.
  • the rope C of the profile extends between the leading edge BA and the trailing edge BF and has a length L.
  • the wing has an upper surface Ext ("extrados") and a lower surface Int ("intrados").
  • the profile comprises a mean line LM, also called “neutral fiber", which extends substantially halfway between the intrados and the extrados.
  • the thickness E of the blade is defined with respect to a circle whose center is located on the middle line (neutral fiber) and which comes into contact with the intrados and the extrados.
  • the points of tangency P 1 and P 2 of the circle with respectively the extrados and the intrados delimit a line segment which defines the thickness E at the considered points.
  • a relative thickness E rel is also possible to define as being the ratio between the thickness E of the profile and the length L of the rope.
  • the profile of the aircraft wing type has a thickness that is generally greater than the similar profiles of the prior art (see in particular FR-A-2,781,843 ).
  • the blade has a relative thickness E rel that reaches its maximum value E max in the first quarter of the length of the rope from the leading edge 24.
  • This maximum relative thickness E max is at least 12%. According to the invention, it may have a value of up to 20%, and which will most often be of the order of 15%.
  • the profile has, on the leading edge side, a characteristic bulbous shape, that is to say a more massive shape than in the case of the blades of the prior art. To favor this bulbous shape, the leading edge 24 has the largest possible radius of curvature.
  • the trailing edge 26 has a thickness as small as possible. This means that after the zone where the thickness is maximum, the upper surface 30 and the lower surface 32 are progressively closer to one another. In the example, the intrados 32 has an inversion of curvature, which makes it possible to reduce the thickness of the blade as one approaches the trailing edge 26.
  • the figure 7 is a similar representation, the difference being that the maximum thickness is on the abscissa. It can be seen that the yield or efficiency (dashed curve) has a peak in the position corresponding to substantially 12%. In addition, the sound pressure level decreases and reaches acceptable values between 12% and 20%. This shows that for values of E max between 12% and 20%, the sound pressure level is particularly low. On the other hand, the efficiency is greatest when one is close to the value of 12%. It then tends to decrease as we approach the value of 20%.
  • the invention finds particular application to the cooling helices of motor vehicle engines.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • L'invention concerne une hélice de ventilateur comprenant un moyeu et des pales s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu, les pales ayant une section transversale aplatie à profil en aile d'avion avec un bord d'attaque et un bord de fuite entre lesquels est définie une corde.
  • De telles hélices sont utilisées notamment pour le refroidissement du moteur d'entraînement de véhicules automobiles, l'hélice produisant un flux d'air à travers un échangeur de chaleur, à savoir le radiateur de refroidissement du moteur d'entraînement.
  • Le moyeu de l'hélice, appelé aussi « bol », est propre à être calé sur l'arbre d'un moteur, pouvant être un moteur électrique piloté par une électronique de commande.
  • L'expression « section transversale aplatie » entend désigner ici la courbe fermée plane obtenue en coupant la pale par une surface cylindrique de révolution autour de l'axe dé l'hélice, et en déroulant à plat cette surface cylindrique. La corde est alors définie comme le segment de droite reliant le bord d'attaque et le bord de fuite.
  • Dans le cas où une telle hélice est utilisée pour le refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, elle se trouve placée soit en avant soit en arrière du radiateur servant au refroidissement du moteur.
  • La conception de ces hélices pose de nombreux problèmes en pratique lorsque l'on cherche à améliorer leurs performances aérauliques et acoustiques.
  • Les hélices de ventilateur sont généralement réalisées par moulage d'une matière plastique. Pour diminuer les coûts de fabrication, il est habituel de réaliser les pales de l'hélice sous la forme d'un profil en aile d'avion d'épaisseur aussi faible que possible.
  • Par ailleurs, la plupart des hélices de ventilateur connues ont une profondeur axiale importante pour permettre de diminuer les charges qui s'exercent sur les pales et par conséquent le bruit généré par le ventilateur.
  • Les hélices à pales minces sont compatibles avec une diminution de l'encombrement axial, mais sont cependant mieux adaptées au refroidissement de moteurs de véhicules automobiles dans le cas où l'hélice se situe à une distance importante (typiquement de plusieurs centimètres) par rapport au faisceau du radiateur de refroidissement.
  • Compte tenu du fait que la place disponible dans le compartiment moteur des véhicules automobiles est souvent très limité, il est souhaitable non seulement de disposer d'hélices d'encombrement réduit dans la direction axiale, mais aussi de pouvoir réduire la distance entre l'hélice et le faisceau du radiateur de refroidissement.
  • Or, les hélices à pales minces, comme enseignées par exemple par FR-A-2 781 843 et US 2005/232778 , voient leurs performances aérauliques et acoustiques dégradées lorsqu'elles se trouvent à une distance proche du faisceau d'un échangeur de chaleur, par exemple d'un radiateur de refroidissement. Cette dégradation est due principalement aux perturbations engendrées par la forte turbulence issue des échangeurs de chaleur. L'expression "distance proche" entend désigner ici une distance qui est typiquement de l'ordre de 1 cm.
  • L'invention vient apporter une solution à ces problèmes.
  • Elle propose à cet effet une hélice de ventilateur du type défini précédemment, dans laquelle la pale présente une épaisseur relative qui atteint sa valeur maximale dans le premier quart de la longueur de la corde en partant du bord d'attaque, l'épaisseur relative étant définie par le rapport entre l'épaisseur de la pale et la longueur de la corde.
  • La pale présente son épaisseur maximale dans le premier quart de la corde en partant du bord d'attaque. Par ailleurs, il est avantageux que cette épaisseur relative maximale soit d'au moins 12 %.
  • On réalise ainsi une hélice de ventilateur dont les pales sont beaucoup plus épaisses dans la région qui suit immédiatement le bord d'attaque (dans le premier quart de la longueur de la corde).
  • Il a été constaté qu'un tel profil de pale permet d'améliorer les performances aérauliques et acoustiques spécialement dans le cas où l'hélice se trouve à proximité immédiate du faisceau d'un échangeur de chaleur, ce qui permet d'optimiser les performances du ventilateur tout en limitant l'encombrement axial de l'ensemble du ventilateur et de l'hélice. Autrement dit, la pale de l'hélice de l'invention présente un profil plus massif, du type bulbe, dans la région qui suit immédiatement le bord d'attaque.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le bord d'attaque présente un rayon de courbure le plus grand possible. Ceci contribue à donner au profil de la pale une forme en bulbe dans la région qui suit le bord d'attaque.
  • Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le profil en aile d'avion présente une ligne moyenne (fibre neutre) sans point d'inflexion.
  • En outre, il est avantageux que le profil en aile d'avion comporte un intrados présentant une inversion de courbure. Cette caractéristique permet notamment de limiter les perturbations et le bruit engendrés par le bord de fuite.
  • Dans un mode de réalisation préféré, les extrémités radialement extérieures des pales sont reliées entre elles par une virole.
  • Cependant, il entre également dans le cadre de l'invention de réaliser une hélice dans laquelle les extrémités précitées sont libres.
  • Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue de face d'une hélice de ventilateur selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue de profil de l'hélice de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue en perspective, partiellement en coupe, de l'hélice des figures 1 et 2 montrant le profil non développé d'une pale obtenu en coupant la pale par une surface cylindrique de révolution autour de l'axe de l'hélice ;
    • la figure 4 représente à échelle agrandie le profil aplati de la pale, tel qu'obtenu à partir du profil non-développé de la.figure 3 ;
    • la figure 5 est un schéma explicatif d'un profil de pale, de manière générale ;
    • la figure 6 est un graphique montrant des courbes de niveau de pression acoustique et de rendement (efficacité) d'une hélice selon l'invention en fonction de l'emplacement de l'épaisseur maximale du profil par rapport à la longueur de la corde ; et
    • la figure 7 est un graphique montrant des courbes de niveau de pression acoustique et de rendement (efficacité) d'une hélice selon l'invention, pour une épaisseur relative maximale donnée.
  • L'hélice 10 telle que représentée sur les figures 1 à 3 comprend une multiplicité de pales 12, ici au nombre de neuf, qui s'étendent généralement radialement à partir d'un moyeu central 14, encore appelé "bol", et reliées entre elles, à la périphérie de l'hélice, par une virole 16. Le moyeu, les pales et la virole, sont formés d'une seule pièce par moulage, en particulier d'une matière plastique.
  • Le moyeu 14 présente une paroi cylindrique de révolution 18 à laquelle se raccordent les pieds des pales 12 et une paroi frontale plane 20 tournée vers l'amont, par rapport au sens du flux d'air produit par la rotation de l'hélice. Le sens de rotation de l'hélice est désigné par la flèche F sur les figures 1 et 3.
  • Dans la paroi frontale 20 est aménagé un trou 22 pour permettre de caler l'hélice sur un arbre d'entraînement (non représenté) relié à un moteur électrique (non représenté).
  • Les pales 12 sont généralement identiques et ont une forme généralement incurvée depuis la paroi 18 du moyeu 14 jusqu'à la virole 16.
  • On se réfère maintenant plus particulièrement aux figures 3 et 4 pour décrire la configuration d'une pale 12 de l'hélice dont on a représenté la section transversale circulaire non développée sur la figure 3 et la section transversale aplatie sur la figure 4. On désigne ici par l'expression "section transversale aplatie" la courbe fermée plane obtenue en coupant la pale par une surface cylindrique de révolution autour de l'axe de l'hélice (voir la figure 3), et en déroulant à plat cette surface cylindrique (voir la figure 4).
  • Comme on le voit sur les figures 3 et 4, la section transversale de la pale présente un profil général en aile d'avion avec un bord d'attaque 24 et un bord de fuite 26. Par l'expression « profil en aile d'avion », on entend désigner ici un profil aérodynamique avec des bords d'attaque et de fuite arrondis à contour sans angle saillant et/ou une épaisseur qui varie de manière continue.
  • En considérant le profil aplati de la figure 4, on voit que la corde 28, c'est-à-dire le segment de droite qui s'étend entre le bord d'attaque 24 et le bord de fuite 28, est inclinée d'un angle aigu ● par rapport à un plan radial P, c'est-à-dire un plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice. Cet angle aigu ● varie généralement sur la longueur de la pale, depuis le pied de la pale qui est fixé au moyeu jusqu'à la tête de la pale qui est fixée à la virole.
  • La longueur de la corde 28, comprise entre le bord d'attaque 24 et le bord de fuite 26, présente une valeur L qui est reportée sur la figure 4.
  • Pour faciliter la compréhension de la suite, on se réfère maintenant à la figure 5 qui illustre de manière générale un profil de pale, non conforme à l'invention. La figure 5 montre la section transversale aplatie de la pale, selon la définition précédente, qui présente un profil en aile d'avion. La corde C du profil s'étend entre le bord d'attaque BA et le bord de fuite BF et possède une longueur L. L'aile possède une surface supérieure Ext ("extrados") et une surface inférieure Int ("intrados"). Le profil comporte une ligne moyenne LM, encore appelée "fibre neutre", qui s'étend sensiblement à mi-distance entre l'intrados et l'extrados.
  • L'épaisseur E de la pale est définie par rapport à un cercle dont le centre est situé sur la ligne moyenne (fibre neutre) et qui vient en contact avec l'intrados et l'extrados. Les points de tangence P1 et P2 du cercle avec respectivement l'extrados et l'intrados délimitent un segment de droite qui définit l'épaisseur E aux points considérés. Sur la figure 5 on a représenté plusieurs cercles de ce type en différents endroits le long de la ligne moyenne. On voit que le diamètre du cercle, qui correspond à l'épaisseur E, varie en fonction de la position du centre le long de la ligne moyenne. À partir de là, on peut définir également une épaisseur relative Erel comme étant le rapport entre l'épaisseur E du profil et la longueur L de la corde.
  • Ces rappels étant faits, on revient maintenant à la figure 4. On voit que le profil du type aile d'avion présente une épaisseur généralement plus importante que les profils analogues de la technique antérieure (voir en particulier FR-A-2 781 843 ). Dans l'invention, la pale présente une épaisseur relative Erel qui atteint sa valeur maximale Emax dans le premier quart de la longueur de la corde en partant du bord d'attaque 24. Cette épaisseur relative maximale Emax est d'au moins 12 %. Selon l'invention, elle peut présenter une valeur allant jusqu'à 20 %, et qui le plus souvent sera de l'ordre de 15 %. Il en résulte que le profil présente, du côté du bord d'attaque, une forme caractéristique en bulbe, c'est-à-dire une forme plus massive que dans le cas des pales de la technique antérieure. Pour favoriser cette forme en bulbe, le bord d'attaque 24 présente un rayon de courbure le plus grand possible.
  • Par ailleurs, le bord de fuite 26 présente une épaisseur aussi faible que possible. Cela signifie que, après la zone où l'épaisseur est maximale, l'extrados 30 et l'intrados 32 se rapprochent progressivement l'un de l'autre. Dans l'exemple, l'intrados 32 présente une inversion de courbure, ce qui permet de réduire l'épaisseur de la pale à mesure que l'on s'approche du bord de fuite 26.
  • On remarque sur les figures 3 et 4 que, en partant du bord d'attaque, l'épaisseur croît de manière continue jusqu'à Emax puis décroît de manière continue jusqu'au bord de fuite.
  • Le fait d'avoir l'épaisseur la plus importante dans le premier quart de la longueur de la corde, en partant du bord d'attaque 24, permet de réduire le bruit généré par les turbulences de l'air lorsque l'hélice est située à proximité immédiate d'un échangeur de chaleur, c'est-à-dire à une distance qui peut être typiquement de l'ordre de 1 cm pour un radiateur standard de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile.
  • De plus, le fait de réduire l'épaisseur du profil au niveau du bord de fuite 26 permet aussi de limiter les perturbations et le bruit engendrés par le bord de fuite du profil:
    • La ligne moyenne LM ou fibre neutre est sans point d'inflexion. Elle est de.préférence donnée par une formule polynomiale, comme enseignée par la publication FR-A-2 781 843 , déjà citée.
  • On se réfère maintenant à la figure 6 qui montre les variations du niveau de pression acoustique NPA (exprimé en décibels) ainsi que la variation du rendement ou efficacité R (exprimé en pourcentage) en fonction de la position de l'épaisseur maximale relative Emax par rapport à la longueur de la corde. On a identifié en abscisse les points qui correspondent respectivement au quart, à la moitié, aux trois quarts et à la totalité de la longueur L. On voit que la courbe correspondant au rendement ou efficacité (représentée en trait interrompu) présente un sommet dans la région qui correspond sensiblement à L/4. La courbe correspondant au niveau de pression acoustique (représentée en trait continu) est une courbe croissante qui tend vers une valeur asymptotique à partir de L/2. À la valeur L/4, le rendement atteint déjà une valeur significative.
  • On comprend par conséquent que, en plaçant la valeur de l'épaisseur maximale , dans le premier quart de la longueur de la corde, sensiblement dans la région correspondant à L/4, on a à la fois une efficacité maximale et un niveau de bruit particulièrement acceptable.
  • La figure 7 est une représentation analogue, la différence étant que l'épaisseur maximale figure en abscisse. On voit que le rendement ou efficacité (courbe en trait interrompu) présente un sommet dans la position correspondant sensiblement à 12 %. Par ailleurs, le niveau de pression acoustique diminue et atteint des valeurs acceptables entre 12 % et 20 %. Ceci montre que pour des valeurs de Emax comprises entre 12 % et 20 %, le niveau de pression acoustique est particulièrement bas. Par contre, l'efficacité est la plus grande lorsque l'on est proche de la valeur de 12 %. Elle tend ensuite à décroître à mesure que l'on approche de la valeur de 20 %.
  • La comparaison des deux figures précédentes montre l'intérêt d'avoir une épaisseur relative qui atteint sa valeur maximale dans le premier quart de la longueur de la corde en partant du bord d'attaque.
  • L'invention trouve une application particulière aux hélices de refroidissement des moteurs de véhicule automobile.

Claims (6)

  1. Hélice de ventilateur pour le refroidissement du moteur d'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un moyeu (14) et des pales (12) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu, les pales ayant une section transversale aplatie à profil en aile d'avion avec un bord d'attaque (24) et un bord de fuite (26) entre lesquels est définie une corde (28),
    caractérisée en ce que la pale (12) présente une épaisseur relative (Erel) qui atteint sa valeur maximale (Emax) dans le premier quart de la longueur de la corde (28) en partant du bord d'attaque (24), l'épaisseur relative étant définie par le rapport entre l'épaisseur (E) de la pale et la longueur (L) de la corde (28) et en ce que l'épaisseur relative maximale (Emax) est comprise entre 12% et 20%.
  2. Hélice de ventilateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur relative maximale (Emax) est de l'ordre de 15%.
  3. Hélice de ventilateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le bord d'attaque (24) présente un rayon de courbure le plus grand possible.
  4. Hélice de ventilateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le profil en aile d'avion présente une ligne moyenne (LM) sans point d'inflexion.
  5. Hélice de ventilateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le profil en aile d'avion comporte un intrados (32) présentant une inversion de courbure.
  6. Hélice de ventilateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les extrémités radialement extérieures des pales (12) sont reliées entre elles par une virole (16).
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