EP3009684A1

EP3009684A1 - Ventilateur pour aéroréfrigérant

Info

Publication number: EP3009684A1
Application number: EP15183722.6A
Authority: EP
Inventors: Jacques Arnold; Aurélien Deruelle
Original assignee: GEA Batignolles Technologies Thermiques
Current assignee: Kelvion Thermal Solutions SAS
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: US20160076546A1; EP3009684B1; ES2644810T3; FR3025748B1; FR3025748A1; BR102015021916A2; PL3009684T3

Abstract

Un ventilateur industriel pour aéroréfrigérant comprend un moyeu (5) en forme de disque et une pluralité de pales (6) raccordées radialement au disque du moyeu par l'intermédiaire d'un goujon prévu sur une extrémité de chacune des pales, une bride prévue sur une face du moyeu et dans laquelle est inséré le goujon de la pale avec un angle de pale pour produire un flux d'air axial, chacune des pales présente un profil aérodynamique tel que la différence de pression entre intrados et extrados est plus faible en pied de pale (ΔP1) par rapport à celle en milieu de corde de pale (ΔPC) et est plus forte en tête de pale (ΔP2) par rapport à celle en milieu de corde de pale (ΔPC), et il est prévu un moyen de jointure (8) pour bloquer la recirculation d'air entre l'intrados et l'extrados en pied de pale.

Description

Domaine technique

L'invention concerne un ventilateur industriel pour aéro-réfrigérant, comprenant un moyeu en forme de disque et une pluralité de pales raccordées radialement au disque du moyeu par l'intermédiaire d'un goujon prévu sur une extrémité de chaque pale et d'une bride prévue sur une face du moyeu et dans laquelle est inséré le goujon de la pale.
Un tel ventilateur est par exemple utilisé pour les industries pétrolière, gazière et chimique. Par exemple, il peut être utilisé dans un échangeur de chaleur à air pour condenser et refroidir des liquides, comme du gaz naturel liquéfié, qui circulent dans des faisceaux de tubes à ailettes. Les faisceaux de tubes à ailettes sont installés sur une structure et ils sont soufflés par un ou plusieurs de tels ventilateurs actionnés par des moteurs électriques.

Technique antérieure

Un tel ventilateur industriel est notamment divulgué dans le document de brevet WO-2011/126568 . Il peut présenter des dimensions importantes, le diamètre du rotor dépassant souvent les 2 mètres de sorte que les pales sont en pratique montées sur place sur le moyeu en forme de disque. Lors du montage, l'angle de pale pour chaque pale est calé sur une valeur définie entre 25° et 45° lors de la conception de l'échangeur de chaleur, avec une tolérance de +/-1°.
On sait aussi que l'efficacité d'un ventilateur peut être affectée par un phénomène de recirculation d'air qui peut se produire à la base de chaque pale lorsqu'il existe un espace libre suffisant entre le moyeu et la base des pales pour laisser circuler de l'air qui passe de l'intrados de la pale vers l'extrados de la pale. L'efficacité globale du ventilateur est donc réduite car le profil de vitesse de l'air n'est pas homogène. A cause de ce phénomène de recirculation d'air, environ un tiers de la surface de la pale ne peut pas être chargée en air et est rendue inutile.
On sait aussi que les ventilateurs génèrent beaucoup de bruit. Une source à l'origine de bruit dans les ventilateurs provient de la production de vortex d'air à l'extrémité des pales. La publication de brevet US 2003/0077172 décrit un ventilateur dans lequel des ailettes sont placées aux extrémités des pales et permettent d'éliminer ces vortex en créant une barrière entre la basse pression et la haute pression sur les cotés de l'extrémité d'une pale. Une complexité dans la géométrie des pales peut être une piste afin de réduire la nuisance sonore générée par le ventilateur. Les pales peuvent ainsi présenter une structure complexe comme une courbure des bords d'attaque et de fuite, notamment ayant des bords d'attaque présentant un angle de flèche avant des extrémités des pales par rapport à la direction radiale. Les courbures avant des bords d'attaques sont utilisées pour désynchroniser les sources de bruit le long des pales mais ne réduisent pas la source de bruit elle-même. De plus cela rend instable le flux d'air autour de la pale et ainsi réduit leur efficacité.
Ce document WO-2011/126568 divulgue un ventilateur avec des pales qui présentent chacune un bord d'attaque et un bord de fuite sensiblement rectilignes. Cette forme de pale simplifiée a montré de manière surprenante qu'elle contribue à réduire le bruit de fonctionnement du ventilateur. Néanmoins ce ventilateur ne permet pas de limiter la recirculation du flux d'air autour du moyeu et ainsi ne présente pas une efficacité optimum.
Afin de limiter le phénomène de recirculation d'air qui peut se produire à la base de chaque pale, l'espace libre entre le moyeu et la base des pales doit être comblé. Ainsi, le document de brevet US 6,086,330 répond en partie à cela en divulguant un ventilateur moulé en une seule pièce dans lequel les pales sont reliées sur toute la longueur de leur base à un moyeu cylindrique, du bord de fuite au bord d'attaque. Néanmoins, un ventilateur industriel de grand diamètre obtenu par moulage aurait le désavantage d'être très encombrant, rendant ainsi son acheminement sur site difficile et son installation laborieuse par l'utilisation de grues élévatrices. De plus, après moulage aucun ajustement de l'angle d'inclinaison des pales n'est possible. Or un ajustement de l'angle de pale lors de l'installation des ventilateurs industriels sur site par rapport à un angle de pale théoriquement permettrait de réduire au maximum le jeu en bout de pale et compenser les pertes de charge sur le circuit d'air.
Enfin, un changement des pales des ventilateurs industriels directement sur site peut être avantageux lors des procédures de maintenance ou lors d'une mise à niveau.
Le document US 3,647,317 divulgue un exemple de ventilateur industriel présentant une partie des caractéristiques du préambule de la revendication 1.

Exposé de l'invention

Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un ventilateur industriel qui présente une bonne solidité mécanique avec une efficacité de flux améliorée et qui ne fait pas de bruit.
A cet effet, l'invention a pour objet un ventilateur industriel pour aéroréfrigérant, comprenant un moyeu en forme de disque et une pluralité de pales raccordées radialement au disque du moyeu par l'intermédiaire d'un goujon prévu sur une extrémité de chacune des pales et d'une bride prévue sur une face du moyeu et dans laquelle est inséré le goujon de la pale avec un angle de pale pour produire un flux d'air axial, caractérisé en ce que chacune des pales présente un profil aérodynamique tel que la différence de pression entre intrados et extrados est comprise entre 65% et 75% sur une zone à 30% de la longueur de la pale à partir du pied de pale par rapport à la différence de pression entre intrados et extrados en milieu de corde de pale et tel que la différence de pression entre intrados et extrados est compris entre 125% et 135% sur une zone à 30% de la longueur de la pale à partir de la tête de pale par rapport à la différence de pression entre intrados et extrados en milieu de corde de pale, et en ce qu'il est prévu un système de jointure pour bloquer la recirculation d'air entre l'intrados et l'extrados en pied de pale.
Le ventilateur selon l'invention présente un profil de pale beaucoup plus travaillé en pied de pale ce qui confère aux pales un profil aérodynamique améliorant les performances du ventilateur industriel. De plus avec cet agencement goujon/bride, on peut régler indépendamment et facilement la position radiale et l'angle de calage des pales par au rapport au moyeu. Le moyen de jointure remplie l'espace entre le moyeu et la base des pales, augmentant ainsi l'efficacité du ventilateur en limitant la recirculation de l'air en pied de pale.
Le ventilateur selon l'invention peut présenter notamment les particularités suivantes :

le moyen de jointure est une ailette qui s'étend le long de l'intrados et de l'extrados perpendiculairement à la surface de la pale au niveau du pied de la pale. Cette ailette permet d'utiliser la surface à la base des pales afin d'éviter la recirculation du flux d'air à la base des pales, de l'intrados vers l'extrados, tout en assurant de bonnes performances aérodynamiques.
la bride comporte au moins une mâchoire ;
le ventilateur comporte au moins trois pales ;
l'enveloppe des pales est en matériaux composites ;
l'enveloppe des pales est sous la forme d'un tissu prémodellable avec un renforcement de fibres ;
le renforcement de fibres est du tissu de verre ;
l'enveloppe des pales est imprégnée d'un matériau à deux composants comme du polyester, des esters de vinyle, des époxydes ou équivalents ;
son revêtement peut être moulé par injection ;
les pales sont creuses et rigidifiées par remplissage de leur cavité avec un matériau léger tel qu'une mousse en polyuréthane ;
les pales ont un intrados qui présente une zone de surface plane pour recevoir un inclinomètre et le pas entre les angles d'inclinaison des pales peut être ajustée avec une précision de + ou - 0.1°;
chacune des pales a un angle de calage ajustable entre 25° et 45°;
la position de chacune des pales raccordées radialement au disque de moyeu est ajustable par une vis ;
le moyen de jointure est une forme de révolution combiné à des éléments d'étanchéité tels que des joints élastomères ou silicones.

L'invention s'étend à un échangeur de chaleur à air à tubes à ailettes caractérisé en ce qu'il comprend un ventilateur selon l'invention.

Présentation sommaire des dessins

La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 est une illustration d'un aéroréfrigérant
la figure 2 est une illustration d'un ventilateur selon l'art antérieur
la figure 3 est une vue en perspective d'un ventilateur avec ailettes selon l'invention,
la figure 4 est une vue schématique de la connexion entre le moyeu et une pale.

Description des modes de réalisation

Sur la figure 1, on a ici illustré un exemple d'un aéroréfrigérant utilisé dans les industries pétrolière, gazière et chimique. Sur cette figure, un échangeur de chaleur à air 1 condense et refroidit des liquides qui circulent dans des faisceaux de tubes à ailettes 2. Les faisceaux de tubes à ailettes 2 sont installés sur une structure et ils sont soufflés par un ou plusieurs ventilateurs 3 actionnés par des moteurs électriques 4.
La figure 2 illustre un ventilateur 3 industriel pour aéroréfrigérant selon l'état de l'art. Ce ventilateur 3 comprend un moyeu 5 en forme de disque et une pluralité de pales 6 raccordées radialement au disque du moyeu 5 par l'intermédiaire d'un goujon 7 prévu sur une extrémité de chaque pale 6 et d'une bride (non schématisée) prévue sur une face du disque du moyeu 5 et dans laquelle est inséré le goujon 7 de la pale 6 avec un angle de pale pour produire un flux d'air axial.
La flèche F indique le sens de rotation des pales 6.
Les pales 6 présentent une courbure des bords d'attaque et de fuite, notamment les bords d'attaque présentent un angle de flèche avant des extrémités des pales par rapport à la direction radiale.
Des espaces libres sont visibles entre le moyeu 5 et la base des pales 6. Ces espaces induisent une recirculation du flux d'air à la base de la pale 6 de l'intrados vers l'extrados. Cette recirculation d'air contribue à une diminution de la pression sur la pale 6 et à une diminution de la vitesse de l'air dans la zone à la base de la pale 6. Sans moyen de jointure entre le moyeu 5 et la base des pales 6, environ un tiers de la surface de la pale 6 ne peut pas être chargée en air et est rendue inutile. Le profil de vitesse de l'air n'étant pas homogène, l'efficacité globale du ventilateur 3 est réduite.
La figure 3 est une vue en perspective d'un ventilateur selon l'invention, présentant un moyen de jointure 8 à ailettes agencées à la base des pales 6 pour bloquer la recirculation d'air entre l'intrados et l'extrados en pied de pale. Sur chaque pale, l'ailette s'étend le long de l'intrados et de l'extrados perpendiculairement à la surface de la pale 6 au niveau du pied de la pale 6.
Le moyen de jointure 8 a une forme de révolution.
Afin d'améliorer le blocage de l'air à la base de la pale, le moyen de jointure peut être combiné à des éléments d'étanchéité tels que des joints en élastomères ou en silicones.
Le ventilateur 1 comprend dans le cas d'exemple un moyeu 5 plat sous forme de disque portant sur sa face inférieure au sens de l'air quatre pales 6. Les pales 6 s'étendent radialement entre une base de pale au niveau du moyeu 5 et une tête de pale. Elles ont une forme simplifiée. En effet chaque pale présente un bord d'attaque opposé à un bord de fuite qui sont tous les deux rectilignes. Les barycentres de toutes les sections le long de la pale 6 sont parfaitement alignés. De part leur forme simplifiée, les coûts de fabrication des pales 6 sont réduits.
Les ventilateurs 3 selon l'invention comprennent au moins trois pales 6.
Comme représenté sur l'une des pales 6 de la Figure 3, la longueur l de la pale 6 est divisée par des pointillées en trois zones, notamment une zone à 30% de la longueur de la pale à partir du pied de pale, une zone à 30% de la longueur de la pale à partir de la tête de pale, et une zone en milieu de corde de la pale. Sur chacune de ces zones et en différents points, des mesures de pression entre intrados et extrados sont réalisées. Ainsi, selon l'invention, chacune des pales 6 présente un profil aérodynamique tel que la différence de pression (ΔP1) entre intrados et extrados est comprise entre 65% et 75% sur une zone à 30% de la longueur de la pale à partir du pied de pale par rapport à la différence de pression (ΔPC) entre intrados et extrados en milieu de corde de pale et tel que la différence de pression (ΔP2) entre intrados et extrados est comprise entre 125% et 135% sur une zone à 30% de la longueur de la pale à partir de la tête de pale par rapport à la différence de pression (ΔPC) entre intrados et extrados en milieu de corde de pale.
Selon l'invention chaque pale 6 a un profil aérodynamique comme visible sur la Figure 3 avec un angle de calage plus important en pied de pale qu'en tête de pale ce qui permet d'avoir une pression plus uniforme le long de la corde de la pale 6.
La figure 4 illustre la connexion entre le moyeu 5 et une pale 6. Un goujon 7 part de la base des pales et est fixé sur une cloison 9 transversale de fermeture du pied de pale. Ce goujon 7 permet d'attacher les pales 6 sur la face inférieure du disque du moyeu 5 par l'intermédiaire d'une bride 10 fixé au moyeu 5.
Selon l'invention, cette bride 10 comporte au moins une mâchoire.
Sur la Figure 4, cette bride 10 comprend deux mâchoires 10a, 10b fixées sur la face inférieure du moyeu 5. Comme visible sur la Figure 4, le goujon 7 d'une pale 6 se loge dans les deux mâchoires 10a, 10b.
Selon l'invention, il est possible d'ajuster la position radiale de chaque pale 6 par rapport au disque du moyeu 5 par le coulissement du goujon 7 dans la bride 10 à l'aide d'une vis de réglage.
Selon encore l'invention, l'angle de calage des pales 6 par rapport au moyeu 5, qui définit ainsi l'incidence de la pale par rapport au flux d'air, forme un angle de calage nominal de 36° avec la surface du moyeu 5. Selon l'invention le calage de l'angle de pale est réglable entre 25° et 45°. L'angle de calage est optimum calculé est au environ de 36°. Il peut être ajusté à l'aide d'un inclinomètre. Cet inclinomètre peut être disposé sur une zone parfaitement plane de la surface intrados de la pale. Le pas entre les angles d'inclinaison des pales 6 peut ainsi être ajusté avec une précision de + ou - 0.1°.
Lors de l'installation sur site d'un aéroréfrigérant, il est avantageux de pouvoir régler sur place la position radiale des pales et le calage de l'angle des pales du ventilateur. Le ventilateur peut ainsi être apporté en pièces détachées et assemblé sur site. Il n'est alors plus nécessaire de fabriquer un ventilateur en une seule pièce, par exemple par moulage d'un moyeu 5 avec les pales 6, qui peut être encombrante à transporter et aussi non réglable sur site. Souvent le réglage de l'angle de calage est nécessaire afin de pouvoir ajuster le débit d'air sur site ou d'accroitre les performances de l'échangeur de chaleur dans le futur.
Selon l'invention, l'enveloppe des pales peut être en matériaux composites, sous la forme d'un tissu prémodelable avec un renforcement de fibres. Ce renforcement de fibre peut être du tissu de verre. Avantageusement cette enveloppe est imprégnée d'un matériau à deux composantes avec durcissement comme du polyester, des esters de vinyle, des époxydes ou équivalents. Il est aussi possible que le revêtement soit moulé par injection.
D'autre part, les pales 6 peuvent être creuses. Elles peuvent être rigidifiées par remplissage de sa cavité avec un matériau léger tel qu'une mousse en polyuréthane. De part leur structure allégée, les pales sont plus faciles à installées.
Un ventilateur selon l'invention d'au moins 4 mètres de diamètre a été produit et testé. Il a été montré que ce ventilateur avait de meilleures performances et une réduction du bruit qu'un ventilateur dit « Super Low Noise ». De plus, due à la haute efficacité aérodynamique du ventilateur selon l'invention, une faible vitesse de fonctionnement est nécessaire et ainsi la production de bruit reste limitée.
Le ventilateur selon l'invention procure même de meilleurs performances tout en émettant autant de son qu'un appareil de l'art antérieur. Il a été montré qu'un tel ventilateur présente aussi de meilleures performances tout en consommant moins énergiquement qu'un ventilateur de l'art antérieur.
L'invention s'étend à un échangeur de chaleur à air 1 à tubes à ailettes 2 comprenant un ventilateur 3 selon l'invention.

Claims

Ventilateur industriel (3) pour aéroréfrigérant, comprenant un moyeu (5) en forme de disque et une pluralité de pales (6) raccordées radialement au disque dudit moyeu (5) par l'intermédiaire d'un goujon (7) prévu sur une extrémité de chacune desdites pales (6) et d'une bride (10) prévue sur une face du moyeu (5) et dans laquelle est inséré ledit goujon (7) de ladite pale (6) avec un angle de pale pour produire un flux d'air axial, caractérisé en ce que chacune desdites pales (6) présente un profil aérodynamique tel que la différence de pression (ΔP1) entre intrados et extrados est comprise entre 65% et 75% sur une zone à 30% de la longueur de ladite pale (6) à partir du pied de pale par rapport à la différence de pression (ΔPC) entre intrados et extrados en milieu de corde de pale (6) et tel que la différence de pression (ΔP2) entre intrados et extrados est comprise entre 125% et 135% sur une zone à 30% de la longueur de ladite pale (6) à partir de la tête de pale par rapport à la différence de pression (ΔPC) entre intrados et extrados en milieu de corde de pale (6), et en ce qu'il est prévu un moyen de jointure (8) pour bloquer la recirculation d'air entre l'intrados et l'extrados en pied de pale.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de jointure (8) est une ailette qui s'étend le long de l'intrados et de l'extrados perpendiculairement à la surface de ladite pale (6) au niveau du pied de ladite pale (6).
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bride (10) comporte au moins une mâchoire.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois pales (6).
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe desdites pales (6) est en matériaux composites.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe desdites pales (6) est sous la forme d'un tissu prémodellable avec un renforcement de fibres.
Ventilateur (3) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit renforcement de fibres est du tissu de verre.
Ventilateur (3) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite enveloppe desdites pales (6) est imprégnée d'un matériau à deux composants comme du polyester, des esters de vinyle, des époxydes ou équivalents.
Ventilateur (3) selon les revendications 5 à 8, caractérisé en ce que son revêtement est moulé par injection.
Ventilateur (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites pales (6) sont creuses et rigidifiées par remplissage de leur cavité avec un matériau léger tel qu'une mousse en polyuréthane.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pales (6) ont un intrados qui présente une zone de surface plane pour recevoir un inclinomètre et en ce que le pas entre les angles d'inclinaison desdites pales (6) est ajustée avec une précision de + ou - 0.1°.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites pales (6) a un angle de calage ajustable entre 25° et 45°.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position de chacune desdites pales (6) raccordées radialement audit disque de moyeu (5) est ajustable par une vis.
Ventilateur (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de jointure (8) est une forme de révolution et est combiné à des éléments d'étanchéité tels que des joints élastomères ou silicones.
Echangeur de chaleur (1) à air à tubes à ailettes (2) caractérisé en ce qu'il comprend un ventilateur (3) selon l'une des revendications précédentes.