EP2657531A1 - Ventilateur axial avec redresseur à effet centripète ayant un moyeux de diamètre réduit - Google Patents

Ventilateur axial avec redresseur à effet centripète ayant un moyeux de diamètre réduit Download PDF

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EP2657531A1
EP2657531A1 EP20130165560 EP13165560A EP2657531A1 EP 2657531 A1 EP2657531 A1 EP 2657531A1 EP 20130165560 EP20130165560 EP 20130165560 EP 13165560 A EP13165560 A EP 13165560A EP 2657531 A1 EP2657531 A1 EP 2657531A1
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EP
European Patent Office
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fixed
fan
cooling device
fins
diameter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20130165560
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marcel Briand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SDMO Industries SAS
Original Assignee
SDMO Industries SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SDMO Industries SAS filed Critical SDMO Industries SAS
Publication of EP2657531A1 publication Critical patent/EP2657531A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/002—Axial flow fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/02—Pumping cooling-air; Arrangements of cooling-air pumps, e.g. fans or blowers
    • F01P5/06—Guiding or ducting air to, or from, ducted fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • 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
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
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    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F04D29/544—Blade shapes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2070/00—Details
    • F01P2070/50—Details mounting fans to heat-exchangers

Definitions

  • the field of the invention is that of cooling systems based on fans. More specifically, the invention relates to a cooling device comprising one or more axial fans, for driving a cooling fluid (for example a mass of air) to an element whose temperature is sought to lower.
  • a cooling fluid for example a mass of air
  • the invention finds particular, but not exclusively, applications in the field of cooling of thermal engines, for example when they are integrated in a generator.
  • Axial fans or helical fans, are commonly used for cooling industrial plants. Their operating principle is based on the rotation of a propeller, comprising a plurality of movable blades, which makes it possible to axially drive a cooling fluid, along the axis of rotation of the propeller, towards an equipment that the it is desired to cool.
  • Such fans operate with any type of compressible fluid, but most often with ambient air. They allow to blow fresh air to the equipment to cool.
  • the air flow of such an axial fan is in a ventilation nozzle, allowing the flow of fresh air to the equipment to be cooled.
  • the patent document FR 2 784 423 proposes a solution to this first problem, in the form of an air duct for an electric fan comprising movable blades and interconnecting elements extending between an outer annular element and an inner annular element coaxial with the movable blades.
  • Such interconnection elements deflect the flow of air towards the axial direction.
  • the air flow is placed in the expected direction to cross the radiator, so that the penetration of air into the radiator beam is promoted.
  • a second problem encountered when using axial fans is that the centrifugal effect related to the rotation of the fan blades has the effect of increasing the flow rate, and therefore the pressure on the periphery of the fan; conversely, a zone of low pressure is generated in the center of the discharge zone.
  • an inactive cone is formed, downstream of the fan with respect to the direction of movement of the fluid, constituting a "dead" zone in which the pressure and the ventilation rate are weak or even null.
  • FIG. 1 Such an inactive cone is illustrated in figure 1 , which is derived from a calculation of CFD (for "Computer Fluid Dynamic”), and illustrates the distribution of fluid velocities in the fan environment.
  • CFD Computer Fluid Dynamic
  • the fan 1 when its blades rotate, sucks air, which is transmitted via a ventilation nozzle 2, to a device that is to be cooled, in this case a cooling radiator 3.
  • an inactive cone 4 whose base is located at the base of the fan blades 1, is formed downstream of the fan 1 with respect to the direction of displacement of the air flow. top may be more or less distant from the fan, depending on the characteristics and dimensions of the last.
  • the speed of movement of the air is almost zero.
  • the air flow rate in the inactive cone 4 may even be negative, if the pressure downstream of the cooling radiator 3 is greater than that of this dead zone: a recycling phenomenon then occurs, so that hot air downstream of the radiator passes back into the dead zone of the cone 4, which causes a loss of efficiency of the system consisting of the fan 1 and the radiator 3.
  • the radiator 3 thus receives fresh air blown by the fan 1 over its entire surface with the exception of the central zone 6 in the inactive cone 4.
  • the entire surface of the cooling radiator 3 is therefore not optimally used for heat exchange, which leads to a loss in useful dimensions, and therefore a decrease in the efficiency of the assembly consisting of the fan 1 and the radiator 3.
  • one solution is to move the radiator 3 (or more generally the equipment that one seeks to cool), the fan 1. Indeed, by placing the radiator sufficiently far from the fan, it manages to extract the radiator of the influence of the inactive cone 4.
  • the invention responds, in all or part of its aspects, to at least one of these needs by proposing a cooling device for a generator set comprising at least one axial fan comprising at least two rotating blades capable of driving a cooling fluid, through a ventilation nozzle, to an element to be cooled.
  • a cooling device comprises at least two fixed fins arranged opposite said movable blades in said ventilation nozzle.
  • the invention is based on a completely new and inventive approach to axial fan cooling.
  • such fixed fins disposed in the ventilation nozzle of the fan produce two combined effects: firstly, they allow a centripetal rectification of the flow of the cooling fluid, so as to remove the inactive cone and provide a flow rate of fluid through the dead zone behind the fan hub, and secondly, they make it possible to counter the rotation of the fan. coolant caused by the drive effect of the fan blades.
  • Their presence in the ventilation nozzle that is to say downstream of the fan relative to the direction of movement of the cooling fluid, thus increases the efficiency of the fan.
  • fixed fins are meant here, and throughout the rest of this document, blades fixed in rotation, as opposed to the blades of the fan.
  • fixed vanes could be adjustable or steerable, for example to modify an angle of inclination of all or part of the vanes with respect to the direction of displacement of the fluid.
  • Such fins can take various forms suitable for straightening the flow of air, or more generally fluid, from the fan, from the simplest to the most complex.
  • the curved shape of the fixed vanes is defined such that at any relative position of the movable vanes of the ventilator, one or more fixed vanes has a relative angle capable of transforming the tangential velocity of the fluid propelled into a radial velocity directed towards the center of the on the one hand, and transform the tangential velocity into axial velocity to straighten the flow and to promote the penetration of air into the radiator beam, on the other hand.
  • the mobile blades being fixed at their proximal end to a central hub, the fixed blades are connected at their proximal end to a connecting device of diameter less than or equal to the diameter of the central hub of the fan.
  • the fan has a central hub, on which are fixed the movable blades, which is an inactive area with respect to the flow of air or fluid.
  • the connecting device In order not to aggravate the phenomenon of appearance of this inactive zone, and not to degrade the centripetal rectification effect produced by the fixed vanes, it is therefore advantageous to limit the dimensions of the connecting device so that its outside diameter remains less than or equal to the diameter of the central hub of the fan.
  • such a connecting device comprises a tube on which are fixed the proximal ends of the fixed wings and a reinforcing disk, located near the central hub, the diameter of the tube being substantially less than the diameter of the disc of reinforcement, and the diameter of the reinforcing disc being less than or equal to the diameter of the central hub.
  • such a connecting device has substantially a cone-shaped or cone-shaped curved surface, whose diameter decreases away from the central hub to the element to be cooled.
  • Such forms are particularly suitable for producing a piece of plastic molding, which is advantageous.
  • a cone-shaped cone shape with a curved surface facilitates the reorientation of the centripetal flow towards the desired axial direction and sought for passing the cooling air through the beam, in the central area of the radiator.
  • the fixed fins are of curved shape and have a curvature in a plane substantially perpendicular to an axis of rotation of the movable blades, called the plane of rotation.
  • such fixed vanes have a direction of curvature adapted to direct a portion of said fluid driven by said movable blades towards the axis of rotation of said fan.
  • Such fins can be simple in shape, and therefore inexpensive. They make it possible to use the dynamic effect of the flow of air or fluid to guide part of the flow to the central zone downstream of the fan.
  • said fixed wings have, at their distal end, a non-zero angle with said axis of rotation.
  • the angle formed between the string of the fins and the axis of rotation is non-zero.
  • Such an inclination of the distal ends of the fins makes it possible to optimize the distribution of the air pressure generated by the fan on either side of the fixed vanes, and to avoid the formation of low pressure zones behind the fixed vanes. . It also reduces the noise generated by the passage of the mobile blades of the fan facing fixed fins, which induces the creation of a pressure wave.
  • the angle formed between the string of the fin at its distal end and the axis of rotation is substantially equal to 45 °.
  • Such an angle makes it possible to optimize the distribution of pressures upstream and downstream of the fixed fins, and thus to avoid a cavitation effect.
  • Other values of this angle may also be adopted, depending in particular on the shape of the fixed vanes and the operating constraints imposed on the cooling device. An optimum value of this angle can be determined for example by CFD calculation or by focusing during performance tests.
  • said fixed wings are twisted.
  • they turn on their own, over their entire length, so as to increase the phenomenon of fluid flow rectification and improve the distribution of the air pressure and therefore the flow on the surface of the radiator.
  • these fins are preferably less than a full half turn on themselves. Such twisting may be progressive and increase from the center of the fins towards their distal end.
  • such a cooling device comprises a number N of fixed blades different from the number P of the mobile blades of the fan, in order to avoid the generation of noise by the superposition of acoustic pressure waves generated at the passage of each movable blade in front of a fixed fin.
  • the number N of fixed vanes and the number P of the mobile blades of the fan are two prime numbers between them, in order to reduce as much as possible the resonance phenomenon likely to generate noise.
  • the number N of fixed vanes and the number P of the mobile blades of the fan are two prime numbers between them, in order to reduce as much as possible the resonance phenomenon likely to generate noise.
  • such a cooling device comprises identical equidistant fixed fins, for example seven in number.
  • the fact that the fins are identical and equidistant makes it possible to obtain a homogeneous rectification of the flow of air or fluid over the entire blower footprint.
  • said fixed wings are connected at their distal end to a substantially annular element of diameter greater than the diameter of said axial fan, said substantially annular element having a flared shape on a portion extending upstream of said fan axial, so as to create a Venturi effect on said cooling fluid.
  • Such a shape contributes to the improvement of the efficiency of the fan.
  • said element to be cooled is a cooling radiator of a thermal engine cooling system.
  • thermal engine cooling systems are generally equipped with one or more cooling radiators, using ambient air to cool the various fluids circulating in the radiators (cooling water of the engine block, charge air, oil , fuel, etc.).
  • the cooling of the radiators is done by pulsed air by one or more axial fans blowing fresh air through the radiator beam.
  • the congestion constraint is generally a strong constraint, so that it is difficult to follow the recommendations of the fan manufacturers, who recommend placing the radiator as far as possible as far as possible from the fan (for example, according to certain specifications, at a distance of at least one and a half times the diameter of the fan), in order to extract it from the zone of influence of the inactive cone.
  • the invention therefore applies particularly advantageously in this context.
  • the invention also relates to a generator comprising a heat engine and an alternator connected to said heat engine and adapted to convert into electrical energy energy received from said engine.
  • such a generator set comprises at least one cooling device as described above.
  • the invention also relates to a generator characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • a generator is an autonomous device for producing electrical energy from a heat engine.
  • a generator makes it possible either to mitigate a power outage of the public grid, or to power electrical appliances in areas without access to the public electricity grid.
  • the heat engine rises in temperature, and it is It is important to provide the generator with an adequate cooling system to keep the temperature within an acceptable range to maintain proper operation.
  • Such a cooling system also avoids the deterioration of the engine and other components of the generator, which could be caused by the rise in temperature related to the heat discharges of its components.
  • such a cooling system generally comprises a radiator 3, in which circulates a fluid to be cooled (cooling water of the engine block, charge air, oil, fuel, etc.).
  • An axial fan 1 blows fresh air through the radiator bundle 3.
  • the air flow of this fan 1 is in a ventilation nozzle 2, which serves as a supply manifold for the radiator 3.
  • the air is propelled tangentially and radially towards the outside, by the centrifugal effect generated by the speed of rotation of the mobile blades.
  • the speed V of the air at the outlet of the blade therefore comprises a tangential component Vt and a radial component Vr (centrifugal effect), as illustrated in FIG. figure 8A .
  • This radial component of the air velocity results in a much greater flow rate, as well as greater pressure, in the peripheral areas of the fan.
  • the flow rate and the pressure are low or even zero or even negative in the central zone of rejection (dead cone).
  • the fan In order to maintain the operating temperature of the generator set within an acceptable range, both to maintain a good efficiency and to prevent deterioration of its components, it is important that the fan be as efficient as possible. According to the invention, and as illustrated on the figure 4 , therefore introduced into the ventilation nozzle 2 a set of fixed vanes 7, which form a counter-rotating system preventing the rotation of the air by the movable blades of the fan 1. By blocking the rotation of the mass of d air, thus improves the relative speed of the fan blades relative to the air, and thus the efficiency of the fan.
  • the generating sets being subjected to severe space constraints (they must remain compact to satisfy the user), it is not possible to solve the problem of the appearance of an inactive cone downstream of the fan 1 by retreating the radiator 3.
  • the shape of the fixed vanes 7, formed and / or mounted in the ventilation nozzle 2 is thus chosen so as to reduce the air flow displaced by the rotating blades of the fan 1 towards the corresponding central zone, according to FIG. prior art, to the zone of formation of the inactive cone. In doing so, we cancel the effect of this inactive cone.
  • curved fixed fins are chosen, the curvature of which uses the dynamic effect of the pulsed air to return a part towards the center by centripetal effect.
  • the curved shape of the fixed vanes is defined so that at any relative position of the mobile blades of the fan, the angle of incidence of the air flow propelled at the outlet of the fan blade on a fixed vane is such that it makes it possible to transform the tangential velocity Vt of the incident air into a radial velocity Vr directed towards the center.
  • This component Vr of the speed comes to oppose the centrifugal speed Vr created by the rotation of the fan (see figure 8A ) and according to the shape and curvature of the fixed fins, its standard may be equal to or greater than that of the centrifugal speed Vr.
  • centripetal function of the fixed fins of the invention corrects this problem and provides homogeneity of the airflow over the entire exchange surface.
  • the fixed fins of the invention produce a complementary effect, namely the rectification of the air flow in rotation, to make it an axially directed flow, in order to improve the efficiency. of the cooling system, placing the airflow in the expected direction to cross the radiator.
  • ⁇ 45 ° at the distal end of the fixed fins. Note that this value can be optimized according to the geometries of fixed blades and moving blades used, for example by CFD calculation.
  • This angle ⁇ makes it possible to straighten the flow of air, and to transform the tangential velocity of the air at the outlet of the moving blade into axial velocity, to favor the penetration of the air into the radiator bundle.
  • Axial positioning of the air flow also results in a reduction of the noise generated by friction of the air against the fins and other asperities of the radiator. Without this rectifying effect, the air is driven by a rotational movement at the outlet of the fan, and this, at a speed of rotation close to that of the fan. This tangential speed acts as a "wind instrument" on the radiator beam.
  • Ventilation represents a very important contribution to the overall noise of a generator type machine.
  • the presence of a rectifier according to the invention in the ventilation nozzle of a generator makes it possible to very significantly reduce the overall noise of the group (for example a reduction of the order of 3dBA on a soundproof group of 300kVA) .
  • the element referenced 9 corresponds to the ferrule placed around the fan and intended to improve the efficiency.
  • This ferrule corresponds to the elements referenced 24 and 25 on the Figures 11A and 11B .
  • the figure 5 presents in more detail the whole, taken from the figure 4 , comprising the ventilation nozzle 2 in which was mounted the system of fixed vanes 7, according to the invention.
  • these fins are seven in number, so that the number of movable blades of the fan 1, namely nine, and the number of fixed blades, namely seven, are two prime numbers between them, which avoids any phenomenon of resonance, and therefore to reduce the noise generated by the introduction of such fixed fins.
  • that of noise level is indeed also a strong constraint for generators.
  • Other combinations of numbers of fixed fins on the one hand and movable blades on the other hand are of course possible.
  • the arrow referenced 8 indicates the direction of rotation of the mobile blades of the fan 1 when it is in operation.
  • the fixed vanes are all identical and regularly distributed over the entire cavity of the fan 1.
  • fins, equidistant from each other, are, in this embodiment, of particularly simple shape, since they are each in the form of a ribbon, curved in a plane parallel to the plane of rotation of the fan 1, and whose The distal end is inclined at approximately 45 ° with respect to this plane of rotation.
  • the presence of the fixed wings vis-à-vis the mobile blades of the fan makes it possible to counteract the rotation of the air by the driving effect of the mobile blades of the fan 1.
  • Their curved shape makes it possible, in turn, to bring back the flow of air, by centripetal effect, towards the axis of rotation of the fan 1, in order to cancel the appearance of the inactive cone downstream of the fan.
  • such fixed fins can maintain, in the central area downstream of the fan, a sufficient pressure to supply the central zone with fresh air and prevent hot air from returning from the center of the radiator.
  • the inclination of approximately 45 ° at the end of the fins makes it possible to optimize the distribution of speed and air pressure on the radiator, avoiding the creation of a vacuum zone likely to form downstream of the fins. when such inclination does not exist.
  • Such inclination of the distal end of the fixed vanes also reduces the noise that may be generated by the passage of the movable blade of the fan in front of the fixed fin, which induces a pressure wave.
  • the value of the angle of the distal end of the fixed vane relative to the plane of rotation must be adapted on a case by case basis, for example by calculation of CFD, in order to reduce as far as possible the appearance of zones of depression. and / or the noise generated, depending on the objectives that we set. Such an adaptation must also take into account the shape of the fixed fin.
  • Such fixed fins may be made of any material appropriate to the type of cooling fluid considered. In the case of ambient air, these fins may be made of metal, or, for a lower production cost, plastic.
  • the set of fixed vanes can thus be made in the form of plastic molding, which is then reported in the ventilation nozzle. The cost of production can be further reduced by producing in a single block the assembly consisting of the ventilation nozzle and fixed fins.
  • FIGS. 6A to 6I specify the dimensions and shapes of the fixed vanes 7 in the exemplary embodiment given here by way of illustration.
  • the figure 7 illustrates the distribution of air velocities in the fan environment of the figure 2 after introducing a set of fixed vanes into the ventilation nozzle.
  • the fixed vanes disposed in the ventilation nozzle make it possible to supply the central zone with air, and to cancel the inactive cone of the figure 2 .
  • the fixed fins introduced into the ventilation nozzle have a curved ribbon shape, perpendicular along its length to the plane of rotation of the mobile blades of the fan.
  • the string of the fixed vanes form, at their distal end 31, a zero angle with the axis of rotation.
  • the figure 12 also illustrates such an embodiment, in which the rope fixed vanes 7 forms a zero angle with the axis of rotation referenced 33, over the entire length of these fixed vanes, ie their proximal end 30 at their distal end 31.
  • certain areas 10 of low pressure are formed behind the fixed fins. This defect can be corrected by tilting the distal end 31 of the fixed vanes, as mentioned above in connection with the figures 4 and 5 .
  • these cavitation zones 10 can be accentuated by modifying the shape of the fins to give them a more complex aerodynamic profile. It can thus be envisaged that the fins have a section profile non-symmetrical, that is to say that they have a lower surface and an upper surface of different shapes.
  • the shape, number and inclination of the fins can be optimized with respect to the example presented here, so as to optimize the efficiency of the cooling system considered.
  • the fins may have more complex shapes of propeller blades, for example.
  • the implementation of the invention has made it possible to lower the temperature of the radiator by 3 ° C., while keeping it at a distance from the radiator fan. only 10 to 15 cm.
  • the fan referenced 1 has a central hub 11, which is inactive with respect to the air flow.
  • the base of the fan blades is hooked on this hub 11.
  • this zone situated directly behind the hub of the fan to fix and stiffen the fixed vanes of the flow straightener.
  • this surface can be used, for example, to have a binding reinforcement disc 20 for fixed fins.
  • the shape used in the central area of the rectifier may range from a disc 20 to a cone 21, or use a more complex shape 22 of curved surface cone. These last two forms are particularly suitable for producing a piece made of plastic molding.
  • the fixed vanes 7 can be fixed at their proximal end to a connecting tube 23, and the assembly can be stiffened by means of the disc of reinforcement 20 on which are also fixed fixed fins 7.
  • the fixed vanes 7 are fixed at their proximal end to a cone 21, 22 which serves the dual role of means of assembly and stiffening.
  • the fixed wings are assembled to an annular element 25 of diameter greater than or equal to the diameter of the fan 1.
  • This annular element 25 has a flared portion 24, upstream of the fan, so as to create a Venturi effect on the air flow entering the fan 1.
  • the diameter of the disk 20 or that of the base of the cone 21, 22 equal to or smaller than that of the hub 11 of the fan 1 is preferably chosen.
  • the optimization of the central shape of the rectifier can be carried out for each application by CFD calculation or by results of experiments (each fan diameter having the associated rectifier).
  • the Figures 12 and 13 show two embodiments of fixed fins 7 of the invention.
  • the fixed vanes 7 are in the form of a ribbon, which is parallel to the axis of rotation 33 of the mobile blades of the fan, the proximal end of the fins 7 at their distal end 31.
  • the fixed vanes 7 are elsewhere assembled together at their proximal end 30 along an edge 23, which may be in the form of a small diameter tube.
  • the fixed vanes 7 are fixed to an annular element 25, or to the ventilation nozzle 2, by means of a tab or an attachment element 40.
  • Such a fixing lug 40 may be formed in the fin 7 at its distal end 31.
  • the fixing lug 40 may be connected to the annular element 25 or to the ventilation nozzle 2.
  • the fixing lugs 40 may not be integrally formed with the fixed fins 7, but attached to these fins at their distal end 31. They may also be integrally formed with the annular element 25.
  • the annular element 25 to which are connected the fixed fins 7 at their distal end 31 is substantially in the form of a cylinder whose axis of revolution corresponds to the axis of rotation of the mobile blades of the fan.
  • the fixed vanes 7 are thus disposed inside the cylinder formed by this annular element 25.
  • the fixed vanes 7 are directly secured to the inner wall of the annular element 25.
  • the figure 14 shows an example of a cooling system 100, which comprises a ventilation nozzle 2 surrounding an axial fan 1 and a radiator 3.
  • figure 15 illustrates the cooling system of the figure 14 , in which, in the ventilation nozzle 2, fixed vanes 7 have been added.
  • the fixed vanes 7 can be secured to an outer annular element 25, so that the annular element 25 can be secured to the ventilation nozzle. 2 in various ways, for example by welding, by screwing, by means of rivets, by gluing, by molding, etc.
  • the figure 16 shows an exemplary embodiment of the cooling system 100, wherein the outer annular element 25 is also formed around the axial fan 1 and has, at the level of the air inlet, a flared form of venturi type. This shape makes it possible to improve the flow of air at the inlet of the axial fan 1 and improves the efficiency of the cooling system 100.
  • the annular element 25 may have openings between the fixed vanes 7, way to supply air to the external areas of the radiator 3, especially when the latter has a rectangular shape.
  • the fixed vanes 7, in turn, can generate sufficient pressure in the central zone 6 to force the cooling air towards the central zone 6.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement, par exemple pour groupe électrogène, comprenant un ventilateur axial comprenant des pales mobiles en rotation, aptes à entraîner un fluide de refroidissement, au travers d'une buse de ventilation, vers un élément à refroidir. Selon l'invention, un tel dispositif de refroidissement comprend des ailettes fixes disposées en regard des pales mobiles dans la buse de ventilation, aptes à transformer une composante de vitesse tangentielle du fluide de refroidissement entraîné par le ventilateur axial : - d'une part, en une vitesse radiale du fluide dirigée vers le centre du dispositif de refroidissement, de façon à créer un redressement centripète du flux de fluide ; - d'autre part, en une vitesse axiale dudit fluide dirigée vers un axe de rotation dudit ventilateur, de façon à obtenir un redressement du flux de fluide dans une direction axiale. Les ailettes fixes sont reliées à leur extrémté radialement interne par un moyeux dont le diamètre est inférieur au diamètre du moyeux des pales mobiles.

Description

    1. Domaine de l'invention
  • Le domaine de l'invention est celui des systèmes de refroidissement à base de ventilateurs. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de refroidissement comprenant un ou plusieurs ventilateurs axiaux, permettant d'entraîner un fluide de refroidissement (par exemple une masse d'air) vers un élément dont on cherche à abaisser la température.
  • L'invention trouve notamment, mais non exclusivement, des applications dans le domaine du refroidissement des moteurs thermiques, par exemple lorsqu'ils sont intégrés dans un groupe électrogène.
    • 2. Art antérieur et ses inconvénients
  • Les ventilateurs axiaux, ou hélicoïdaux, sont couramment utilisés pour le refroidissement d'installations industrielles. Leur principe de fonctionnement repose sur la mise en rotation d'une hélice, comprenant une pluralité de pales mobiles, qui permet d'entraîner axialement un fluide de refroidissement, selon l'axe de rotation de l'hélice, vers un équipement que l'on souhaite refroidir. De tels ventilateurs fonctionnent avec tout type de fluide compressible, mais le plus souvent avec l'air ambiant. Ils permettent ainsi de souffler de l'air frais vers l'équipement à refroidir.
  • Le débit d'air d'un tel ventilateur axial se fait dans une buse de ventilation, permettant l'écoulement de l'air frais vers l'équipement à refroidir.
  • Deux problèmes principaux se posent cependant lors de l'utilisation de tels ventilateurs axiaux.
  • Lorsque le ventilateur est en fonctionnement, ses pales mobiles entrent en rotation et ont tendance à agir sur la masse de fluide dans laquelle elles tournent pour l'entraîner à son tour en rotation. Cette mise en rotation du fluide environnant diminue la vitesse relative des pales par rapport au fluide, ce qui se traduit par une diminution du rendement du ventilateur.
  • Le document de brevet FR 2 784 423 propose une solution à ce premier problème, sous la forme d'une conduite d'air destinée à un ventilateur électrique comprenant des pales mobiles et des éléments d'interconnexion s'étendant entre un élément annulaire extérieur et un élément annulaire intérieur coaxiaux aux pales mobiles. De tels éléments d'interconnexion dévient l'écoulement de l'air vers la direction axiale. Ainsi, le flux d'air est placé dans la direction attendue pour traverser le radiateur, de sorte qu'on favorise la pénétration de l'air dans le faisceau de radiateur.
  • Un tel effet est également connu de l'utilisation de pales fixes ou contrarotatives dans les turbines, turbo-propulseurs ou réacteurs.
  • Un deuxième problème rencontré lors de l'utilisation de ventilateurs axiaux est que l'effet centrifuge lié à la rotation des pales du ventilateur a pour effet d'augmenter le débit, et donc la pression sur le pourtour du ventilateur; à l'inverse, une zone de basse pression est générée au centre de la zone de refoulement.
  • Plus précisément, lors de la mise en rotation des pales mobiles, il se forme, en aval du ventilateur par rapport au sens de déplacement du fluide, un cône inactif, constituant une zone « morte » dans laquelle la pression et le débit de ventilation sont faibles, voire nuls.
  • Un tel cône inactif est illustré en figure 1 , qui est issue d'un calcul de CFD (pour « Computer Fluid Dynamic », en français « Mécanique des Fluides Numérique »), et illustre la distribution des vitesses de fluide dans l'environnement du ventilateur.
  • Dans l'exemple de la figure 1, le ventilateur 1, lorsque ses pales entrent en rotation, aspire de l'air, qui est transmis, via une buse de ventilation 2, vers un équipement que l'on cherche à refroidir, en l'occurrence un radiateur de refroidissement 3.
  • Comme illustré sur cette figure, il se forme, en aval du ventilateur 1 par rapport au sens 5 de déplacement du flux d'air, un cône inactif 4, dont la base se situe à la base des pales du ventilateur 1, et dont le sommet peut être plus ou moins éloigné du ventilateur, en fonction des caractéristiques et des dimensions de ce dernier. Dans ce cône inactif 4, la vitesse de déplacement de l'air est quasi nulle. Dans certains cas, le débit d'air dans le cône inactif 4 peut même être négatif, si la pression en aval du radiateur de refroidissement 3 est supérieure à celle de cette zone morte : il se produit alors un phénomène de recyclage, de sorte que de l'air chaud situé en aval du radiateur repasse dans la zone morte du cône 4, ce qui entraîne une perte d'efficacité du système constitué du ventilateur 1 et du radiateur 3.
  • Comme on le voit sur la figure 2 , le radiateur 3 reçoit donc de l'air frais pulsé par le ventilateur 1 sur toute sa surface, à l'exception de la zone centrale 6 située dans le cône inactif 4.
  • Toute la surface du radiateur de refroidissement 3 n'est donc pas utilisée de façon optimale pour l'échange thermique, ce qui entraîne une perte en dimensions utiles, et donc une baisse du rendement de l'ensemble constitué par le ventilateur 1 et le radiateur 3.
  • Pour résoudre ce problème, une solution consiste à éloigner le radiateur 3 (ou plus généralement l'équipement que l'on cherche à refroidir), du ventilateur 1. En effet, en plaçant le radiateur suffisamment loin du ventilateur, on parvient à extraire le radiateur de l'influence du cône inactif 4.
  • Cependant, une telle solution nuit à la compacité du système et, dans certains contextes, conduit à une augmentation inacceptable des dimensions de l'ensemble. C'est le cas notamment des groupes électrogènes, dans lesquels le moteur thermique est refroidi au moyen d'un ou plusieurs radiateurs de refroidissement associés à un ou plusieurs ventilateurs axiaux, et qui doivent répondre à de sévères contraintes d'encombrement.
  • On notera par ailleurs que la conduite d'air présentée dans le document de brevet FR 2 784 423 précité n'apporte pas de solution à ce problème d'apparition d'une zone morte.
  • Il existe donc un besoin d'une technique de refroidissement par ventilateur axial permettant de pallier ces différents inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, il existe un besoin d'une telle technique permettant d'améliorer le rendement de l'hélice de ventilation d'un ventilateur axial.
  • Il existe également un besoin d'une telle technique qui permette de réduire l'influence néfaste du cône inactif situé en aval d'un ventilateur axial, sans accroître l'encombrement global du système de refroidissement.
  • Il existe également un besoin d'une telle technique qui soit fiable et peu coûteuse à mettre en oeuvre.
  • Il existe aussi un besoin d'une telle technique qui n'augmente pas, voire réduise, le niveau sonore du système de refroidissement.
    • 3. Exposé de l'invention
  • L'invention répond, dans tout ou partie de ses aspects, à l'un au moins de ces besoins en proposant un dispositif de refroidissement pour groupe électrogène comprenant au moins un ventilateur axial comprenant au moins deux pales mobiles en rotation, aptes à entraîner un fluide de refroidissement, au travers d'une buse de ventilation, vers un élément à refroidir. Un tel dispositif de refroidissement comprend au moins deux ailettes fixes disposées en regard desdites pales mobiles dans ladite buse de ventilation.
  • Selon l'invention, de telles ailettes fixes présentent une forme incurvée apte à transformer une composante de vitesse tangentielle dudit fluide de refroidissement entraîné par ledit ventilateur axial :
    • d'une part, en une vitesse radiale dudit fluide dirigée vers le centre dudit dispositif de refroidissement ;
    • d'autre part, en une vitesse axiale dudit fluide dirigée vers un axe de rotation dudit ventilateur.
  • Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive du refroidissement par ventilateur axial. En effet, de telles ailettes fixes, disposées dans la buse de ventilation du ventilateur produisent deux effets combinés : d'une part, elles permettent un redressement centripète du flux du fluide de refroidissement, de façon à supprimer le cône inactif et assurer un débit de fluide au travers de la zone morte située derrière le moyeu du ventilateur, et d'autre part, elles permettent de contrer la mise en rotation du fluide de refroidissement provoquée par l'effet d'entraînement des pales du ventilateur. Leur présence dans la buse de ventilation, c'est-à-dire en aval du ventilateur par rapport au sens de déplacement du fluide de refroidissement, permet donc d'accroître le rendement du ventilateur.
  • On notera que, par ailettes fixes, on entend ici, et dans toute la suite de ce document, des ailettes fixes en rotation, par opposition aux pales du ventilateur. On pourrait cependant envisager que de telles ailettes fixes soient réglables ou orientables, par exemple pour modifier un angle d'inclinaison de tout ou partie des ailettes par rapport à la direction de déplacement du fluide.
  • De telles ailettes peuvent prendre diverses formes aptes à redresser le flux d'air, ou plus généralement de fluide, du ventilateur, des plus simples au plus complexes. Cependant, la forme incurvée des ailettes fixes est définie de sorte qu'à toute position relative des pales mobiles du ventilateur, une ou plusieurs ailettes fixes présente un angle relatif capable de transformer la vitesse tangentielle du fluide propulsé en vitesse radiale dirigée vers le centre d'une part, et de transformer la vitesse tangentielle en vitesse axiale pour redresser le flux et favoriser la pénétration de l'air dans le faisceau de radiateur, d'autre part.
  • Selon un premier aspect de l'invention, les pales mobiles étant fixées en leur extrémité proximale sur un moyeu central, les ailettes fixes sont reliées en leur extrémité proximale à un dispositif de liaison de diamètre inférieur ou égal au diamètre du moyeu central du ventilateur.
  • Il est en effet nécessaire de prévoir des moyens de fixation des ailettes fixes les unes par rapport aux autres et, idéalement, de rigidifier leur assemblage, soumis au flux de fluide. On prévoit donc un dispositif de liaison de ces ailettes fixes. Par ailleurs, le ventilateur présente un moyeu central, sur lequel sont fixées les pales mobiles, qui constitue une zone inactive en ce qui concerne le débit d'air ou de fluide. Afin de ne pas aggraver le phénomène d'apparition de cette zone inactive, et de ne pas dégrader l'effet de redressement centripète produit par les ailettes fixes, on choisit donc avantageusement de limiter les dimensions du dispositif de liaison de façon que son diamètre extérieur reste inférieur ou égal au diamètre du moyeu central du ventilateur.
  • Dans un premier mode de réalisation, un tel dispositif de liaison comprend un tube sur lequel sont fixées les extrémités proximales des ailettes fixes et un disque de renfort, situé à proximité du moyeu central, le diamètre du tube étant sensiblement inférieur au diamètre du disque de renfort, et le diamètre du disque de renfort étant inférieur ou égal au diamètre du moyeu central.
  • Dans un deuxième mode de réalisation, un tel dispositif de liaison présente sensiblement une forme de cône ou de cône à surface incurvée, dont le diamètre diminue en s'éloignant du moyeu central vers l'élément à refroidir.
  • De telles formes se prêtent particulièrement à une réalisation de pièce en moulage plastique, ce qui s'avère avantageux. En outre, une telle forme de cône ou de cône à surface incurvée (comme illustré sur les figures annexées) facilite la réorientation du flux centripète vers la direction axiale voulue et recherchée pour faire passer l'air de refroidissement au travers du faisceau, dans la zone centrale du radiateur.
  • Selon un autre aspect de l'invention, les ailettes fixes sont de forme incurvée et présentent une courbure comprise dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe de rotation des pales mobiles, appelé plan de rotation.
  • Ainsi, de telles ailettes fixes génèrent un effet centripète sur le fluide de refroidissement pulsé par les pales mobiles du ventilateur, qui tend à ramener du fluide de refroidissement vers la zone centrale située en aval du ventilateur. De cette façon, la présence de ces ailettes fixes empêche la création du cône inactif décrit précédemment en relation avec l'art antérieur.
  • Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, de telles ailettes fixes présentent un sens de courbure apte à orienter une partie dudit fluide entraîné par lesdites pales mobiles vers l'axe de rotation dudit ventilateur. De telles ailettes peuvent être de forme simple, et donc peu coûteuses. Elles permettent d'utiliser l'effet dynamique du flux d'air ou de fluide pour orienter une partie du flux vers la zone centrale en aval du ventilateur.
  • Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, lesdites ailettes fixes présentent, en leur extrémité distale, un angle non nul avec ledit axe de rotation. Ainsi, l'angle formé entre la corde des ailettes et l'axe de rotation est non nul.
  • Une telle inclinaison des extrémités distales des ailettes permet d'optimiser la répartition de la pression d'air générée par le ventilateur de part et d'autre des ailettes fixes, et d'éviter la formation de zones de basse pression en arrière des ailettes fixes. Elle permet également de réduire le bruit généré par le passage des pales mobiles du ventilateur en regard des ailettes fixes, qui induit la création d'une onde de pression.
  • De façon avantageuse, l'angle formé entre la corde de l'ailette en son extrémité distale et l'axe de rotation est sensiblement égal à 45°. Un tel angle permet en effet d'optimiser la répartition des pressions en amont et en aval des ailettes fixes, et donc d'éviter un effet de cavitation. D'autres valeurs de cet angle peuvent également être adoptées, en fonction notamment de la forme des ailettes fixes et des contraintes de fonctionnement imposées au dispositif de refroidissement. Une valeur optimale de cet angle pourra être déterminée par exemple par calcul de CFD ou par mise au point au cours d'essais de performances.
  • De manière préférentielle, lesdites ailettes fixes sont vrillées. Ainsi, elles tournent sur elles-mêmes, sur l'ensemble de leur longueur, de façon à accroître le phénomène de redressement de flux de fluide et à améliorer la répartition de la pression d'air et donc du débit sur la surface du radiateur. On notera cependant que ces ailettes font, de préférence, moins d'un demi tour complet sur elles-mêmes. Un tel vrillage peut être progressif et augmenter du centre des ailettes vers leur extrémité distale.
  • Selon un autre aspect avantageux de l'invention, un tel dispositif de refroidissement comprend un nombre N d'ailettes fixes différent du nombre P de pales mobiles du ventilateur, afin d'éviter la génération de bruit par la superposition d'ondes de pression acoustiques générée au passage de chaque pale mobile devant une ailette fixe.
  • Préférentiellement, le nombre N d'ailettes fixes et le nombre P de pales mobiles du ventilateur sont deux nombres premiers entre eux, afin de réduire autant que possible le phénomène de résonance susceptible de générer des nuisances sonores. Par exemple, dans le cas d'un ventilateur à neuf pales mobiles, on dispose sept ailettes fixes dans la buse de ventilation.
  • Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, un tel dispositif de refroidissement comprend des ailettes fixes identiques équidistantes, par exemple au nombre de sept. Le fait que les ailettes soient identiques et équidistantes permet d'obtenir un redressement homogène du flux d'air ou de fluide sur l'ensemble de l'empreinte du ventilateur.
  • Selon un autre aspect de l'invention, lesdites ailettes fixes sont reliées en leur extrémité distale à un élément sensiblement annulaire de diamètre supérieur au diamètre dudit ventilateur axial, ledit élément sensiblement annulaire présentant une forme évasée sur une portion s'étendant en amont dudit ventilateur axial, de façon à créer un effet Venturi sur ledit fluide de refroidissement.
  • Une telle forme contribue à l'amélioration de l'efficacité du ventilateur.
  • Selon un aspect avantageux de l'invention, ledit élément à refroidir est un radiateur de refroidissement d'un système de refroidissement de moteur thermique. En effet, les systèmes de refroidissement de moteurs thermiques sont généralement équipés d'un ou plusieurs radiateurs de refroidissement, utilisant l'air ambiant pour refroidir les différents fluides qui circulent dans les radiateurs (eau de refroidissement du bloc moteur, air de suralimentation, huile, combustible, etc.). Le refroidissement des radiateurs se fait par air pulsé par un ou plusieurs ventilateurs axiaux soufflant de l'air frais au travers du faisceau de radiateur. Dans ces systèmes, la contrainte d'encombrement est généralement une contrainte forte, de sorte qu'il est difficile de suivre les préconisations des constructeurs de ventilateurs, qui préconisent de placer le radiateur aussi loin que possible du ventilateur (par exemple, selon certaines spécifications, à une distance au moins égale à une fois et demie le diamètre du ventilateur), afin de l'extraire de la zone d'influence du cône inactif. L'invention s'applique donc de manière particulièrement avantageuse dans ce contexte.
  • L'invention concerne également un groupe électrogène comprenant un moteur thermique et un alternateur relié audit moteur thermique et apte à transformer en énergie électrique une énergie reçue dudit moteur thermique.
  • Selon l'invention, un tel groupe électrogène comprend au moins un dispositif de refroidissement tel que décrit précédemment.
  • L'invention concerne également un groupe électrogène caractérisé en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
    • 4. Présentation des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, en relation avec les dessins, parmi lesquels :
    • la figure 1, déjà commentée en relation avec l'art antérieur, illustre la distribution des vitesses de fluide dans l'environnement d'un ventilateur axial, et plus précisément la formation d'un cône inactif en aval du ventilateur;
    • la figure 2, également commentée en relation avec l'art antérieur, illustre la zone centrale d'un radiateur, disposé en aval du ventilateur axial, affectée par le cône inactif de la figure 1 ;
    • la figure 3 décrit certains éléments d'un système de refroidissement de moteur thermique d'un groupe électrogène ;
    • la figure 4 illustre le dispositif de la figure 3 dans lequel ont été ajoutées des ailettes fixes, conformément à l'invention ;
    • la figure 5 détaille l'ensemble constitué de la buse de ventilation et des ailettes fixes de la figure 4 ;
    • les figures 6A à 6I illustrent plus en détails la forme et les dimensions des ailettes fixes de la figure 5, dans un exemple particulier de réalisation de l'invention. Plus précisément :
      • ○ les figures 6A et 6B présentent les vues de face et de derrière des ailettes fixes ;
      • ○ la figure 6C illustre la vue de droite des ailettes de la figure 6A ;
      • ○ la figure 6D présente une vue en coupe A-A des ailettes de la figure 6B ;
      • ○ la figure 6E présente une vue en coupe B-B des ailettes de la figure 6B ;
      • ○ la figure 6F présente une vue en coupe D-D des ailettes de la figure 6D ;
      • ○ les figures 6G et 6H offrent deux vues en perspective des ailettes fixes, avec des détails sur le moyeu central des ailettes d'une part, et sur leur zone d'attache distale d'autre part ;
      • ○ la figure 6I offre un détail de la section des ailettes de la figure 6C.
    • la figure 7 illustre la nouvelle distribution des vitesses d'air de la figure 1, après introduction d'ailettes fixes dans le dispositif de la figure 3, conformément à l'invention ;
    • les figures 8A et 8B illustrent les composantes de vitesse du fluide de refroidissement au niveau des pales mobiles du ventilateur et des ailettes fixes ;
    • la figure 9 présente une autre vue du dispositif de l'invention, permettant d'illustrer l'angle α formé par la corde des ailettes fixes et l'axe de rotation des pales mobiles ;
    • les figures 10, 11A et 11B présentent différents exemples d'assemblage des ailettes fixes de l'invention ;
    • la figure 12 présente un exemple de mode de réalisation, dans lequel les ailettes fixes présentent un angle d'inclinaison nul par rapport à l'axe de rotation des pales mobiles du ventilateur sur toute leur longueur;
    • la figure 13 présente un exemple de réalisation des ailettes fixes et d'un élément annulaire auquel elles sont solidarisées ;
    • les figures 14, 15 et 16 présentent un exemple de système de refroidissement selon l'invention, dans lequel un ventilateur axial est entouré par une buse de ventilation (figure 14), dans lequel des ailettes fixes sont disposées dans la buse (figure 15), et dans lequel un élément annulaire formé autour du ventilateur dans la buse présente en entrée une forme de venturi (figure 16).
    5. Description d'un mode de réalisation de l'invention
  • On présente désormais, en relation avec la figure 3 , un mode de réalisation de l'invention, dans lequel le dispositif de refroidissement de l'invention fait partie d'un système de refroidissement de moteur thermique d'un groupe électrogène.
  • On rappelle tout d'abord qu'un groupe électrogène est un dispositif autonome permettant de produire de l'énergie électrique à partir d'un moteur thermique. Un groupe électrogène permet ainsi, soit de pallier une coupure du réseau électrique public, soit d'alimenter des appareils électriques dans des zones dépourvues d'accès au réseau électrique public.
  • Un groupe électrogène comprend de manière connue :
    • un bâti,
    • un moteur thermique monté sur le bâti,
    • un alternateur monté sur le bâti et relié au moteur thermique pour pouvoir transformer l'énergie reçue du moteur thermique en énergie électrique,
    • un boîtier de commande et de raccordement relié à l'alternateur,
    • au moins une entrée d'air dans le bâti pour alimenter le moteur thermique.
  • En fonctionnement, le moteur thermique monte en température, et il est important de prévoir, dans le groupe électrogène, un système de refroidissement adéquat, afin de maintenir sa température dans une plage acceptable pour conserver un fonctionnement correct. Un tel système de refroidissement permet également d'éviter la détérioration du moteur et d'autres composants du groupe électrogène, qui pourrait être causée par l'élévation de la température liée aux rejets thermiques de ses composants.
  • Comme exposé précédemment, un tel système de refroidissement comprend généralement un radiateur 3, dans lequel circule un fluide à refroidir (eau de refroidissement du bloc moteur, air de suralimentation, huile, combustible, etc.). Un ventilateur axial 1 souffle de l'air frais au travers du faisceau de radiateur 3. Le débit d'air de ce ventilateur 1 se fait dans une buse de ventilation 2, qui sert de collecteur d'alimentation pour le radiateur 3.
  • Comme illustré en figure 8A, l'air est propulsé tangentiellement et radialement en direction de l'extérieur, par l'effet centrifuge généré par la vitesse de rotation des pales mobiles. La vitesse V de l'air en sortie de pale comprend donc une composante tangentielle Vt et une composante radiale Vr (effet centrifuge), comme illustré sur la figure 8A. Il résulte de cette composante radiale de la vitesse de l'air un débit beaucoup plus important, ainsi qu'une pression plus importante, dans les zones périphériques du ventilateur. Inversement, le débit et la pression sont faibles, voire nuls ou même négatifs dans la zone centrale de rejet (cône mort).
  • Afin de maintenir la température de fonctionnement du groupe électrogène dans une plage acceptable, tant pour conserver un bon rendement que pour éviter la détérioration de ses composants, il est important que le ventilateur soit aussi efficace que possible. Conformément à l'invention, et comme illustré sur la figure 4, on introduit donc dans la buse de ventilation 2 un ensemble d'ailettes fixes 7, qui forment un système contrarotatif empêchant la mise en rotation de l'air par les pales mobiles du ventilateur 1. En bloquant la mise en rotation de la masse d'air, on améliore ainsi la vitesse relative des pales du ventilateur par rapport à l'air, et donc le rendement du ventilateur.
  • Par ailleurs, les groupes électrogènes étant soumis à des contraintes d'encombrement sévères (ils doivent rester compacts pour satisfaire l'utilisateur), il n'est pas possible de résoudre le problème de l'apparition d'un cône inactif en aval du ventilateur 1 en reculant le radiateur 3. Conformément à l'un des aspects de l'invention, et comme illustré sur la figure 4 , on choisit donc la forme des ailettes fixes 7, formées et/ou montées dans la buse de ventilation 2, de façon à ramener le flux d'air déplacé par les pales en rotation du ventilateur 1 vers la zone centrale correspondant, selon l'art antérieur, à la zone de formation du cône inactif. Ce faisant, on annule donc l'effet de ce cône inactif. Plus précisément, selon cet aspect de l'invention, on choisit des ailettes fixes de forme incurvée, dont la courbure utilise l'effet dynamique de l'air pulsé pour en ramener une partie vers le centre par effet centripète.
  • Ainsi, et comme illustré en figure 8B, la forme incurvée des ailettes fixes est définie de sorte qu'à toute position relative des pales mobiles du ventilateur, l'angle d'incidence du flux d'air propulsé en sortie de la pale du ventilateur sur une ailette fixe soit tel qu'il permette de transformer la vitesse tangentielle Vt de l'air incident, en une vitesse radiale V-r dirigée vers le centre.
  • Cette composante V-r de la vitesse vient s'opposer à la vitesse centrifuge Vr créée par la rotation du ventilateur (voir figure 8A) et selon la forme et l'incurvation des ailettes fixes, sa norme peut être égale ou supérieure à celle de la vitesse centrifuge Vr.
  • Sur la figure 8B, on notera que :
    • V désigne la vitesse de l'air redressé par une ailette fixe. Sa direction est tangente à l'ailette fixe considérée ;
    • Vt désigné la vitesse tengentielle de l'air en sortie de la pale mobile du ventilateur;
    • V-r désigne la composante radiale dirigée vers le centre de la vitesse de l'air redressé par les ailettes fixes.
  • Le résultat de l'optimisation de la forme et du nombre d'ailettes fixes permet ainsi une alimentation beaucoup plus homogène de la surface du radiateur, et une mise en pression de la zone centrale (face au moyeu de ventilateur), supprimant le cône mort et assurant un débit au travers de cette zone qui est équivalent à celui existant dans les zones externes.
  • Dans les cas les plus défavorables, en l'absence d'ailettes fixes jouant le rôle de redresseur centripète, la pression est tellement basse dans la zone centrale entre le ventilateur et le radiateur, qu'une faible contre pression en aval du radiateur suffit à provoquer un retour d'air chaud en amont du radiateur, au travers de cette zone : un tel recyclage de l'air dégrade fortement la performance du système de refroidissement.
  • La fonction centripète des ailettes fixes de l'invention corrige ce problème et apporte une homogénéité du flux d'air sur toute la surface d'échange.
  • Outre cet effet de redressement centripète du flux d'air, les ailettes fixes de l'invention produisent un effet complémentaire, à savoir le redressement du flux d'air en rotation, pour en faire un flux dirigé axialement, afin d'améliorer le rendement du système de refroidissement, en plaçant le flux d'air dans la direction attendue pour traverser le radiateur.
  • Pour ce faire, comme illustré en figure 9, les ailettes fixes sont conçues de façon à ce que l'angle α formé par la corde de l'ailette fixe et l'axe de rotation des pales mobiles du ventilateur évolue progressivement d'une valeur α=0° à l'extrémité proximale des ailettes fixes vers une valeur α non nulle en extrémité distale des ailettes. Par exemple, α=45° à l'extrémité distale des ailettes fixes. On notera que cette valeur peut être optimisée en fonction des géométries d'ailettes fixes et de pales mobiles utilisées, par exemple par calcul de CFD.
  • Cet angle α permet de redresser le flux d'air, et de transformer la vitesse tangentielle de l'air en sortie de pale mobile en vitesse axiale, pour favoriser la pénétration de l'air dans le faisceau de radiateur.
  • Un tel redressement du flux d'air dans la direction axiale, combiné avec l'effet de redressement centripète décrit précédemment, a pour résultat une amélioration du rendement de la fonction de ventilation.
  • De la mise en direction axiale du flux d'air résulte également une diminution du bruit généré par frottement de l'air contre les ailettes et autres aspérités du radiateur. Sans cet effet de redressement, l'air est animé d'un mouvement de rotation en sortie du ventilateur, et ceci, à une vitesse de rotation avoisinant celle du ventilateur. Cette vitesse tangentielle agit comme un « instrument à vent » sur le faisceau du radiateur.
  • On notera que la ventilation représente une contribution très importante au bruit global d'une machine de type groupe électrogène. La présence d'un redresseur selon l'invention dans la buse de ventilation d'un groupe électrogène permet de réduire de façon très significative le bruit global du groupe (par exemple une réduction de l'ordre de 3dBA sur un groupe insonorisé de 300kVA).
  • Sur la figure 9, l'élément référencé 9 correspond à la virole placée autour du ventilateur et destinée à améliorer le rendement. Cette virole correspond aux éléments référencés 24 et 25 sur les figures 11A et 11B.
  • La figure 5 présente plus en détail l'ensemble, extrait de la figure 4, comprenant la buse de ventilation 2 dans laquelle a été monté le système d'ailettes fixes 7, conformément à l'invention. Dans l'exemple particulier de la figure 5, ces ailettes sont au nombre de sept, de sorte que le nombre de pales mobiles du ventilateur 1, à savoir neuf, et le nombre d'ailettes fixes, à savoir sept, sont deux nombres premiers entre eux, ce qui permet d'éviter tout phénomène de résonance, et donc de réduire le bruit généré par l'introduction de telles ailettes fixes. Outre le critère d'encombrement, celui du niveau sonore est en effet également une contrainte forte pour les groupes électrogènes. D'autres combinaisons de nombres d'ailettes fixes d'une part et de pales mobiles d'autre part sont bien sûr possibles à souhait.
  • On notera que, sur la figure 5, la flèche référencée 8 indique le sens de rotation des pales mobiles du ventilateur 1 lorsque celui-ci est en fonctionnement.
  • Dans cet exemple particulier, les ailettes fixes sont toutes identiques et régulièrement réparties sur l'ensemble de l'empreinte du ventilateur 1. Ces ailettes, équidistantes les unes des autres, sont, dans cet exemple de réalisation, de forme particulièrement simple, puisqu'elles se présentent chacune sous forme d'un ruban, recourbé dans un plan parallèle au plan de rotation du ventilateur 1, et dont l'extrémité distale est inclinée d'environ 45° par rapport à ce plan de rotation.
  • Ainsi, la présence des ailettes fixes en vis-à-vis des pales mobiles du ventilateur permet de contrer la mise en rotation de l'air par effet d'entraînement des pales mobiles du ventilateur 1. Leur forme incurvée permet quant à elle de ramener le flux d'air, par effet centripète, vers l'axe de rotation du ventilateur 1, afin d'annuler l'apparition du cône inactif en aval du ventilateur. Ainsi, de telles ailettes fixes permettent de maintenir, dans la zone centrale située en aval du ventilateur, une pression suffisante pour alimenter la zone centrale en air frais et éviter tout retour d'air chaud depuis le centre du radiateur. Enfin, l'inclinaison d'environ 45° en extrémité des ailettes permet d'optimiser la répartition de vitesse et de pression d'air sur le radiateur, en évitant la création d'une zone de dépression susceptible de se former en aval des ailettes lorsqu'une telle inclinaison n'existe pas. Une telle inclinaison de l'extrémité distale des ailettes fixes permet également de réduire le bruit susceptible d'être généré par le passage de la pale mobile du ventilateur devant l'ailette fixe, qui induit une onde de pression.
  • La valeur de l'angle de l'extrémité distale de l'ailette fixe par rapport au plan de rotation doit être adaptée au cas par cas, par exemple par calcul de CFD, afin de réduire autant que possible l'apparition de zones de dépression et/ou le bruit généré, en fonction des objectifs que l'on se fixe. Une telle adaptation doit également tenir compte de la forme de l'ailette fixe.
  • De telles ailettes fixes peuvent être réalisées en tout matériau approprié au type de fluide de refroidissement considéré. Dans le cas de l'air ambiant, ces ailettes peuvent être réalisées en métal, ou, pour un coût de production moindre, en matière plastique. L'ensemble des ailettes fixes peut ainsi être réalisé sous forme de moulage plastique, que l'on vient ensuite rapporter dans la buse de ventilation. Le coût de production peut encore être réduit en réalisant d'un seul bloc l'ensemble constitué de la buse de ventilation et des ailettes fixes.
  • Les figures 6A à 6I précisent les dimensions et formes des ailettes fixes 7 dans l'exemple de réalisation donné ici à titre illustratif.
  • La figure 7 illustre la distribution des vitesses d'air dans l'environnement du ventilateur de la figure 2, après introduction d'un ensemble d'ailettes fixes, dans la buse de ventilation. Comme on peut le noter, les ailettes fixes disposées dans la buse de ventilation permettent d'alimenter la zone centrale en air, et d'annuler le cône inactif de la figure 2. Dans cet exemple, les ailettes fixes introduites dans la buse de ventilation présentent une forme de ruban incurvé, perpendiculaire sur toute sa longueur au plan de rotation des pales mobiles du ventilateur. En d'autres termes, la corde des ailettes fixes forme, en leur extrémité distale 31, un angle nul avec l'axe de rotation. (La figure 12 illustre également un tel mode de réalisation, dans lequel la corde des ailettes fixes 7 forme un angle nul avec l'axe de rotation référencé 33, sur toute la longueur de ces ailettes fixes, i.e. de leur extrémité proximale 30 à leur extrémité distale 31.) Dans cette configuration, on remarque donc que certaines zones 10 de basse pression (phénomène de cavitation) se forment à l'arrière des ailettes fixes. Ce défaut peut être corrigé en inclinant l'extrémité distale 31 des ailettes fixes, comme évoqué précédemment en relation avec les figures 4 et 5.
  • Notamment, au vu de la forme et de la largeur des zones de cavitation 10, on choisit d'incliner l'extrémité des ailettes fixes d'environ 45° par rapport à l'axe de rotation. Cet angle présente une valeur dégressive, d'environ 45° en extrémité distale des ailettes fixes, à 0° en extrémité proximale de ces ailettes. Une telle évolution de l'inclinaison des ailettes du centre vers la périphérie permet, outre d'en faciliter la construction, d'épouser la forme dégressive des zones de cavitation 10.
  • L'atténuation de ces zones de cavitation 10 peut être accentuée en modifiant la forme des ailettes pour leur donner un profil aérodynamique plus complexe. On peut ainsi envisager que les ailettes présentent un profil de section non symétrique, c'est-à-dire qu'elles présentent un intrados et un extrados de formes différentes.
  • En effet, on notera que la forme, le nombre et l'inclinaison des ailettes peuvent être optimisés par rapport à l'exemple présenté ici, de façon à optimiser le rendement du système de refroidissement considéré. Notamment, les ailettes peuvent présenter des formes plus complexes de pales d'hélices par exemple.
  • Dans l'exemple décrit précédemment, dans lequel les ailettes fixes présentent une forme relativement simple, la mise en oeuvre de l'invention a permis d'abaisser de 3°C la température du radiateur, tout en le maintenant à une distance du ventilateur de seulement 10 à 15 cm.
  • On décrit désormais plus en détail, en relation avec les figures 10, 11A et 11B, des exemples d'assemblage des ailettes fixes du redresseur de l'invention.
  • Comme illustré sur la figure 9 et sur les figures 11A et 11B, le ventilateur référencé 1 possède un moyeu central 11, qui est inactif en ce qui concerne le débit d'air. La base des pales du ventilateur vient s'accrocher sur ce moyeu 11.
  • En effet, tous les ventilateurs axiaux comportent physiquement une zone inefficace en leur centre, et par construction les pales du ventilateur sont fixées sur un moyeu central. La taille de ces moyeux varie d'une fabrication à une autre, mais leur diamètre représente environ 20% à 40% (voire 50%) du diamètre extérieur des ventilateurs.
  • Selon l'invention, on a donc avantageusement envisagé d'utiliser cette zone située directement derrière le moyeu du ventilateur pour fixer et rigidifier les ailettes fixes du redresseur de flux. Ainsi, cette surface peut être par exemple mise à profit pour disposer un disque 20 de renfort de liaison des ailettes fixes.
  • La forme utilisée dans la zone centrale du redresseur peut aller d'un disque 20 à un cône 21, ou utiliser une forme plus complexe 22 de cône à surface incurvée. Ces deux dernières formes se prêtent particulièrement à une réalisation de pièce en moulage plastique.
  • Ainsi, les ailettes fixes 7 peuvent être fixées en leur extrémité proximale à un tube de liaison 23, et l'ensemble peut être rigidifié au moyen du disque de renfort 20 sur lequel sont également fixées les ailettes fixes 7. En variante, les ailettes fixes 7 sont fixées en leur extrémité proximale à un cône 21, 22 qui joue le double rôle de moyen d'assemblage et de rigidification.
  • En leur extrémité distale, les ailettes fixes sont assemblées à un élément annulaire 25, de diamètre supérieur ou égal au diamètre du ventilateur 1. Cet élément annulaire 25 présente une portion de forme évasée 24, en amont du ventilateur, de façon créer un effet Venturi sur le flux d'air entrant dans le ventilateur 1.
  • On choisit de préférence le diamètre du disque 20 ou celui de la base du cône 21, 22 égal ou inférieur à celui du moyeu 11 du ventilateur 1.
  • L'utilisation d'un cône central 21, et spécialement avec une surface incurvée 22, facilite la réorientation du flux centripète vers la direction axiale voulue et recherchée pour faire passer l'air de refroidissement au travers du faisceau, dans la zone centrale du radiateur, ainsi qu'illustré en figure 11B.
  • L'optimisation de la forme centrale du redresseur peut être réalisée pour chaque application par calcul CFD ou par résultat d'expériences (chaque diamètre de ventilateur ayant sont redresseur associé).
  • Les figures 12 et 13 présentent deux exemples de réalisation des ailettes fixes 7 de l'invention.
  • Dans l'exemple de la figure 12, les ailettes fixes 7 se présentent sous forme d'un ruban, qui est parallèle à l'axe de rotation 33 des pales mobiles du ventilateur, de l'extrémité proximale des ailettes 7 à leur extrémité distale 31. Les ailettes fixes 7 sont par ailleurs assemblées les unes aux autres en leur extrémité proximale 30 le long d'un bord 23, qui peut se présenter sous la forme d'un tube de faible diamètre. En leur extrémité distale 31, les ailettes fixes 7 sont fixées à un élément annulaire 25, ou à la buse de ventilation 2, par l'intermédiaire d'une patte ou d'un élément de fixation 40. Une telle patte de fixation 40 peut être formée dans l'ailette 7 au niveau de son extrémité distale 31. La patte de fixation 40 peut être reliée à l'élément annulaire 25 ou à la buse de ventilation 2. Alternativement, les pattes de fixation 40 peuvent ne pas être intégralement formées avec les ailettes fixes 7, mais rapportées sur ces ailettes au niveau de leur extrémité distale 31. Elles peuvent également être intégralement formées avec l'élément annulaire 25.
  • Dans l'exemple de la figure 13, l'élément annulaire 25 auquel sont reliées les ailettes fixes 7 en leur extrémité distale 31 se présente sensiblement sous la forme d'un cylindre dont l'axe de révolution correspond à l'axe de rotation des pales mobiles du ventilateur. Les ailettes fixes 7 sont ainsi disposées à l'intérieur du cylindre formé par cet élément annulaire 25. En outre, leur corde s'incline par rapport à l'axe de rotation du ventilateur, d'un angle nul en leur extrémité proximale 30 vers un angle d'environ 45° en leur extrémité distale 31. En cette extrémité distale 31, les ailettes fixes 7 sont directement solidarisées à la paroi interne de l'élément annulaire 25.
  • La figure 14 présente un exemple de système de refroidissement 100, qui comprend une buse de ventilation 2 entourant un ventilateur axial 1 et un radiateur 3. La figure 15 illustre le système de refroidissement de la figure 14, dans lequel on a ajouté, dans la buse de ventilation 2, des ailettes fixes 7. Les ailettes fixes 7 peuvent être solidarisées à un élément annulaire externe 25, de telle sorte que l'élément annulaire 25 puisse être solidarisé à la buse de ventilation 2 de diverses manières, par exemple par soudure, par vissage, au moyen de rivets, par collage, par moulage, etc.
  • La figure 16 présente un exemple de réalisation du système de refroidissement 100, dans lequel l'élément annulaire extere 25 est également formé autour du ventilateur axial 1 et présente, ua niveau de l'entrée d'air, une forme évasée de type venturi. Cette forme permet d'améliorer le flux d'air en entrée du ventilateur axial 1 et améliore l'efficacité du système de refroidissement 100. Dans certains modes de réalisation, l'élément annulaire 25 peut présenter des ouvertures entre les ailettes fixes 7, de façon à alimenter en air des zones externes du radiateur 3, notamment lorsque ce dernier présente une forme rectangulaire. Les ailettes fixes 7, à leur tour, peuvent générer suffisamment de pression dans la zone centrale 6 pour forcer l'air de refroidissement vers la zone centrale 6.
  • Bien que l'invention ait été présentée ici dans le contexte particulier du refroidissement de moteurs thermiques de groupes électrogènes, elle peut trouver d'autres applications avantageuses dans d'autres domaines techniques, par exemple dans le domaine automobile.

Claims (10)

  1. Dispositif de refroidissement pour groupe électrogène comprenant au moins un ventilateur axial comprenant au moins deux pales mobiles en rotation, aptes à entraîner un fluide de refroidissement, au travers d'une buse de ventilation, vers un élément à refroidir,
    ledit dispositif comprenant également au moins deux ailettes fixes disposées en regard desdites pales mobiles dans ladite buse de ventilation,
    caractérisé en ce que lesdites ailettes fixes présentent une forme incurvée apte à transformer une composante de vitesse tangentielle dudit fluide de refroidissement entraîné par ledit ventilateur axial :
    - d'une part, en une vitesse radiale dudit fluide dirigée vers le centre dudit dispositif de refroidissement ;
    - d'autre part, en une vitesse axiale dudit fluide dirigée vers un axe de rotation dudit ventilateur.
  2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lesdites pales mobiles étant fixées en leur extrémité proximale sur un moyeu central, lesdites ailettes fixes sont reliées en leur extrémité proximale à un dispositif de liaison de diamètre inférieur ou égal au diamètre dudit moyeu central.
  3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de liaison comprend un tube sur lequel sont fixées les extrémités proximales desdites ailettes fixes et un disque de renfort, situé à proximité dudit moyeu central, le diamètre du tube étant sensiblement inférieur au diamètre dudit disque de renfort, et le diamètre dudit disque de renfort étant inférieur ou égal au diamètre dudit moyeu central.
  4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de liaison présente sensiblement une forme de cône ou de cône à surface incurvée, dont le diamètre diminue en s'éloignant dudit moyeu central vers ledit élément à refroidir.
  5. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites ailettes fixes présentent une courbure comprise dans un plan sensiblement perpendiculaire à un axe de rotation desdites pales mobiles, appelé plan de rotation.
  6. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites ailettes fixes présentent, en leur extrémité distale, un angle non nul avec ledit axe de rotation.
  7. Dispositif de refroidissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites ailettes fixes sont vrillées.
  8. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre N d'ailettes fixes et un nombre P de pales mobiles du ventilateur, N et P étant deux nombres premiers entre eux.
  9. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites ailettes fixes sont reliées en leur extrémité distale à un élément sensiblement annulaire de diamètre supérieur au diamètre dudit ventilateur axial, ledit élément sensiblement annulaire présentant une forme évasée sur une portion s'étendant en amont dudit ventilateur axial, de façon à créer un effet Venturi sur ledit fluide de refroidissement.
  10. Groupe électrogène comprenant un moteur thermique et un alternateur relié audit moteur thermique et apte à transformer en énergie électrique une énergie reçue dudit moteur thermique,
    caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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