FR3101117A1 - Ventilateur centrifuge axial à rendement amélioré - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un ventilateur (1) centrifuge axial pour la circulation d’un gaz (G) comportant une enveloppe (2) tronconique pourvue d’un orifice d’aspiration (4) et d’un orifice de refoulement (6) alignés sur un axe (A), une turbine (13) centrifuge et un moteur (16) logé dans une cage-moteur (17). Il comporte un conduit axial (24) au moins en partie annulaire s’étendant dudit orifice d’aspiration (4) audit orifice de refoulement (6). Il est caractérisé en ce qu’il comporte un conduit radial (25) périphérique s’étendant à la sortie de ladite turbine (13) pour maintenir le flux de gaz (G) aspiré sous pression et le guider en direction dudit conduit axial (24) dans un écoulement laminaire, sans discontinuité, ni perte de pression. Il comporte en outre un déflecteur (30) disposé à l’intérieur dudit canal radial (25) pour orienter le flux de gaz (G) aspiré et générer une augmentation de pression complémentaire. Figure pour l’abrégé : Fig 5

Description

Ventilateur centrifuge axial à rendement amélioré
La présente invention concerne un ventilateur centrifuge axial pour la circulation d’un gaz comportant une enveloppe de forme sensiblement tronconique comportant un pavillon d’aspiration pourvue d’un orifice d’aspiration et un corps de refoulement pourvu d’un orifice de refoulement, une turbine centrifuge pourvue de pales, logée à l’intérieur du pavillon d’aspiration et couplée à la sortie dudit orifice d’aspiration, un moteur couplé à ladite turbine et logé dans une cage-moteur disposée au moins en partie à l’intérieur dudit corps de refoulement, et un conduit axial au moins en partie annulaire s’étendant dudit orifice d’aspiration audit orifice de refoulement.
Les ventilateurs dits centrifuges axiaux ou axiaux-centrifuges se distinguent des autres ventilateurs en ce qu’ils comportent une turbine centrifuge et en ce que leur orifice d’aspiration et leur orifice de refoulement sont alignés sur un même axe. Ils sont connus de longue date et largement utilisés en particulier pour extraire des gaz viciés et corrosifs dans des milieux industriels. Selon leur puissance, on les trouve également dans des installations de VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée), des centrales de traitement d’air neuf, des installations de désenfumage, etc.
La technologie de ces ventilateurs a peu évolué depuis les publications FR 2 337 270, FR 2 474 610 et FR 2 624 923. Toutefois, les règlementations sont en constante évolution pour tenir compte des contraintes environnementales dans le but de réduire l’empreinte carbone des équipements et la consommation d’énergie. Les ventilateurs sont également ciblés par des exigences en matière d’écoconception qui imposent des valeurs de rendement minimales. A ce jour, les ventilateurs qui sont spécifiquement destinés à fonctionner dans des atmosphères toxiques, fortement corrosives, inflammables et/ou abrasives ne sont pas encore concernés par ces règlementations. En outre, la conception de ce type de ventilateurs ne permet pas d’atteindre le niveau de performances exigé compte tenu du flux d’air qui n’est pas suffisamment canalisé.
Présentation de l'invention
La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une nouvelle conception de ventilateur centrifuge axial qui permet d’atteindre le niveau de performances exigé par les règlementations en vigueur mais également d’anticiper l’évolution des règlementations, tout en offrant un ventilateur de conception simple, fiable, économique, durable, peu exigeant en entretien, dans lequel le moteur reste totalement isolé du gaz véhiculé par la turbine et facilement accessible.
Dans ce but, l'invention concerne un ventilateur du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu’il comporte un conduit radial périphérique s’étendant à la sortie de ladite turbine agencé pour maintenir le flux de gaz aspiré sous pression et le guider en direction dudit conduit axial dans un écoulement laminaire, sans discontinuité, ni perte de pression.
Dans une forme avantageuse de l’invention, ledit conduit radial a une dimension transversale sensiblement égale à la hauteur des pales de ladite turbine. Il peut être formé entre un plateau annulaire en aval dudit orifice d’aspiration et une plaque inférieure de ladite cage-moteur. Préférentiellement, le plus grand diamètre dudit plateau annulaire est supérieur au plus grand diamètre de la plaque inférieure de ladite cage-moteur, lui-même supérieur au plus grand diamètre de ladite turbine.
Dans la forme préférée de l’invention, le ventilateur comporte au moins un déflecteur disposé à l’intérieur dudit canal radial pour orienter le flux de gaz aspiré et générer une augmentation de pression. Il s’entend avantageusement entre ledit plateau annulaire et ladite plaque inférieure de la cage-moteur.
Ledit au moins un déflecteur peut être formé d’une paroi courbe s’étendant sur un secteur angulaire défini et décentré par rapport à l’axe de rotation de ladite turbine, de sorte que le bord d’attaque dudit au moins un déflecteur est plus proche dudit axe de rotation que son bord de fuite. Ledit secteur angulaire défini peut s’étendre sur un angle compris entre 60° et 120°, de préférence entre 80° et 100°.
Dans une forme préférée de l’invention, ledit ventilateur ne comporte qu’un seul déflecteur.
Ledit ventilateur comporte préférentiellement des entretoises disposées dans ledit conduit axial pour lier ladite cage-moteur à ladite enveloppe, lesdites entretoises étant profilées pour redresser le flux de gaz aspiré en direction dudit orifice de refoulement et engendrer un minimum de turbulence. Dans ce but, au moins une desdites entretoises est positionnée à la sortie dudit conduit radial à l’intersection entre ledit conduit radial et ledit conduit axial.
Ledit conduit axial peut être formé entre une paroi de ladite cage-moteur et une paroi de ladite enveloppe, lesdites parois étant majoritairement parallèles entre-elles, pour favoriser un flux de gaz laminaire. La dimension transversale dudit conduit axial peut être sensiblement égale ou supérieure à la dimension transversale dudit conduit radial.
En outre, le diamètre dudit orifice de refoulement est de préférence supérieur au diamètre dudit orifice d’aspiration dans un rapport de 30% à 50%, préférentiellement de 40%.
Brève description des figures
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d’un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue en élévation d’un exemple d’implantation d’un ventilateur selon l’invention,
la figure 2 est une vue éclatée en coupe et de côté du ventilateur selon l’invention,
la figure 3 est une vue en coupe et de côté du ventilateur de la figure 2 après assemblage,
la figure 4 est une vue en coupe et de face du ventilateur de la figure 3,
la figure 5 est une vue similaire à la figure 4, montrant le trajet du flux de gaz véhiculé par la turbine,
la figure 6 est une vue similaire à la figure 5 d’un ventilateur selon l’art antérieur, montrant comparativement le trajet du flux de gaz véhiculé par la turbine,
la figure 7 est une vue de dessus de la figure 3 montrant le trajet du flux de gaz dans le pavillon d’aspiration dévié par le déflecteur du côté refoulement, et
la figure 8 est une vue de dessous de la figure 3 montrant le trajet du flux de gaz du côté aspiration.
Description détaillée de l'invention
En référence aux figures, le ventilateur 1 centrifuge axial selon l’invention est destiné à évacuer un flux de gaz, tel que de l’air, généralement corrosif et agressif, dans le but de préserver l’air ambiant ou de contribuer à un processus industriel. Le ventilateur 1 selon l’invention a l’avantage d’être réalisé dans des matériaux thermoplastiques, tels que du polypropylène (PP), du polychlorure de vinyle (PVC), du polyéthylène (PE) ou similaires, qui conviennent particulièrement aux laboratoires, centres de recherche, industries chimiques, et plus largement à tous les secteurs confrontés à une problématique de transport de flux de gaz dangereux, corrosifs et/ou nocifs. Ce type de ventilateurs résiste parfaitement à la corrosion et aux agents agressifs, et sa large gamme de modèles lui permet de répondre à tous les types de besoins et de puissances avec des pressions statiques jusqu’à 2000 pascal, et des débits d’air jusqu’à 20.000 m3/h, sans que ces valeurs ne soient limitatives.
Le ventilateur 1 comporte une enveloppe 2 d’axe A et de forme sensiblement tronconique, comportant dans sa partie basse élargie un pavillon d’aspiration 3 pourvu d’un orifice d’aspiration 4, et dans sa partie haute conique un corps de refoulement 5 pourvu d’un orifice de refoulement 6. Le corps de refoulement est relié au pavillon d’aspiration par une ceinture 7 cylindrique, et les orifices d’aspiration 4 et de refoulement 6 sont sensiblement alignés sur l’axe A. En référence à la figure 1, le ventilateur 1 peut être monté sur une toiture 8, au-dessus d’une ouverture 9 via un support 10, l’orifice d’aspiration 4 étant couplé à une gaine d’aspiration 11 via un conduit d’aspiration 12. Bien entendu, l’implantation illustrée n’est qu’un exemple non limitatif et s’étend à toute autre implantation en fonction de l’application considérée et de l’élément support qui reçoit ledit ventilateur, cette implantation pouvant être aussi bien à l’extérieur qu’à l’intérieur d’un bâtiment ou d’un local.
De manière connue, le ventilateur 1 comporte, en référence plus particulièrement aux figures 2 à 4, une turbine 13 centrifuge, en forme de roue pourvue de pales 14 et d’un moyeu central 15, ainsi qu’un moteur 16 couplé directement à la turbine 13 par son moyeu central 15. La turbine 13 est logée dans le volume délimité par le pavillon d’aspiration 3 et la ceinture 7, et couplée à l’orifice d’aspiration 4. Le moteur 16 est logé dans une cage-moteur 17 disposée dans le volume du corps de refoulement 5, accessible par une ouverture 18 latérale ménagée dans la paroi dudit corps. Cette ouverture 18 est fermée par une porte 19 permettant un accès audit moteur 16 simple et rapide, sans démonter le ventilateur 1. Bien entendu, toute autre disposition du moteur 16 peut convenir. Dans l’exemple illustré, la cage-moteur 17 comporte une plaque inférieure 20, une plaque supérieure 21 et une paroi périphérique 22 qui relie la plaque inférieure 20 et la plaque supérieure 21. La cage-moteur 17 permet d’isoler complètement le moteur 16 du gaz qui circule à travers le ventilateur 1. A cet effet, le moteur 16 est boulonné à la plaque inférieure 20 de la cage-moteur 17 via un organe d’étanchéité (non représenté), et l’arbre moteur (non représenté) traverse la plaque inférieure 20 pour se coupler au moyeu central 15 de la turbine 13. La cage-moteur 17 est en outre liée mécaniquement au corps de refoulement 5 par des entretoises 23 (fig. 2 et 8). L’espace libre entre la paroi du corps de refoulement 5 et celle de la cage-moteur 17 délimite un conduit axial 24 au moins en partie annulaire qui s’étend de l’orifice d’aspiration 4 à l’orifice de refoulement 6.
Le ventilateur 1 selon l’invention est remarquable en ce que certaines caractéristiques constructives ont été modifiées afin de favoriser le couple débit-pression de gaz aspiré et évacué dans le but de satisfaire aux exigences de rendement. Ces modifications sont le résultat d’études de l’écoulement d’air et de campagnes d’essais qui ont permis d’analyser le comportement aéraulique du ventilateur et d’optimiser le trajet du flux de gaz pour créer un flux laminaire, sans perte de pression et avec le moins de turbulences possibles.
Une des modifications majeures a consisté à créer un conduit radial 25 périphérique qui s’étend à la sortie de la turbine 13 pour maintenir le flux de gaz aspiré sous pression et le guider en direction du conduit axial 24 sans discontinuité, ni perte de pression. Cette modification a permis de fluidiser au maximum le flux de gaz G aspiré avant de lui faire opérer un changement de direction du conduit radial 25 vers le conduit axial 24. Ce conduit radial 25 a une dimension transversale H sensiblement égale à la hauteur des pales 14 de la turbine 13 pour canaliser le flux de gaz G. Il est formé entre deux surfaces parallèles, l’une appartenant à un plateau annulaire 26 en aval de l’orifice d’aspiration 4 et l’autre à la plaque inférieure 20 de la cage-moteur 17. Le plateau annulaire 26 est ajouté au pavillon d’aspiration 3 et lié à la ceinture 7 par tout moyen approprié. Dans l’exemple représenté, il est maintenu en position entre deux anneaux de blocage 27, 27’ logés dans des gorges 28 prévues à cet effet dans ladite ceinture 7. Un anneau de blocage 27 peut être fixe et l’autre anneau de blocage 27’ peut être amovible et constitué par exemple d’un circlips ou similaire. La plaque inférieure 20 de la cage-moteur 17 comporte un logement 29 pour recevoir la partie supérieure de la turbine 13 de sorte que le sommet des pales 14 est sensiblement aligné dans le prolongement de la face correspondante de la plaque inférieure 20. Le plus grand diamètre du plateau annulaire 26 est par conséquent supérieur au plus grand diamètre de la plaque inférieure 20 de la cage-moteur 17, lui-même supérieur au plus grand diamètre de la turbine 13. Ainsi la continuité entre le conduit radial 25 et le conduit axial 24 est garantie.
L’amélioration apportée par ce conduit radial 25 sur la canalisation du flux de gaz G apparait très nettement dans les figures 5 et 6 qui illustrent respectivement le ventilateur 1 selon l’invention et un ventilateur 1’ de l’art antérieur qui ne comporte pas de conduit radial 25. Dans le ventilateur 1’ de l’art antérieur, on remarque qu’à la sortie de la turbine 13, le flux de gaz G aspiré se détend dans le volume du pavillon d’aspiration 3 et une partie G’ dudit flux crée des turbulences perturbant ainsi l’écoulement du gaz et pénalisant les performances aérauliques du ventilateur. A l’inverse, dans le ventilateur 1 de l’invention, on remarque qu’à la sortie de la turbine 13, le flux de gaz G aspiré est parfaitement canalisé. Il ne se crée ni perte de pression, ni turbulence, et le flux de gaz G aspiré s’écoule de manière fluide et laminaire.
Une autre modification majeure réside dans l’ajout d’un déflecteur 30 à l’intérieur du canal radial 25 pour augmenter la pression du flux de gaz G aspiré (fig. 2, 3 et 7). Il est formé d’une paroi courbe qui s’étend parallèlement à l’axe A entre le plateau annulaire 26 et la plaque inférieure 20, et sur un secteur angulaire défini et décentré par rapport à l’axe de rotation de la turbine 13 correspondant audit axe A. Le secteur angulaire défini peut s’étendre sur un angle compris entre 60° et 120°, de préférence entre 80° et 100°, et préférentiellement égal à 90°, sans que ces valeurs ne soient limitatives. Le centre B du déflecteur 30 est décalé dans le sens de l’écoulement du flux de gaz G, de sorte que le bord d’attaque 31 du déflecteur 30 est plus proche de l’axe A que son bord de fuite 32 (fig. 7). La turbine 13 centrifuge induit un effet centrifuge sur le flux de gaz G aspiré comme représenté par les flèches sur les figures 7 et 8, et le déflecteur 30 interposé sur son trajet aura comme effet d’orienter ce flux et d’ajouter une pression supplémentaire, qui va encore améliorer le rendement du ventilateur 1.
Comme on l’a vu précédemment, des entretoises 23 sont positionnées dans le conduit axial 24 pour lier la cage-moteur 17 au corps de refoulement 5 de l’enveloppe 2. Ces entretoises 23 sont profilées et orientées dans ledit conduit axial 24 pour redresser le flux de gaz G aspiré en direction de l’orifice de refoulement 6 et générer le minimum de turbulences. En référence à la figure 8, la première entretoise 23 est positionnée à la sortie du conduit radial 25 à l’intersection avec le conduit axial 24, et correspond à celle que rencontre le flux de gaz G aspiré lorsqu’il change de direction entre le conduit radial 25 et le conduit axial 24. La position et l’orientation de cette première entretoise 23 permettent de réduire drastiquement les turbulences, appelées « phénomènes de décollement » qui sont synonymes de pertes de rendement et qui sont de gros consommateurs de pression.
La géométrie de l’enveloppe 2 et celle de la cage-moteur 17 ont été également modifiées pour que le conduit axial 24 présente une dimension transversale D la plus constante possible. Le parallélisme entre la paroi périphérique 22 de la cage-moteur 17 et la paroi du corps de refoulement 5 a été amélioré, ce qui a induit une augmentation de la hauteur du conduit axial 24. En outre, le diamètre de l’orifice de refoulement 6 a été augmenté pour qu’il soit supérieur au diamètre de l’orifice d’aspiration 4 dans un rapport d’environ 30% à 50%, et préférentiellement de 40%, sans que ces valeurs ne soient limitatives. L’effet technique de ces modifications réside dans la création d’une veine de gaz quasi constante entre l’orifice d’aspiration 4 et l’orifice de refoulement 6, réduisant également les pertes de pression.
Les perfectionnements apportés au ventilateur 1 de l’invention ont pour effet soit d’augmenter le couple débit-pression de gaz évacué sans augmenter la puissance du moteur, soit de maintenir le couple débit-pression de gaz évacué et de diminuer la puissance du moteur. Dans tous les cas, le rendement du ventilateur est augmenté et la consommation énergétique réduite.
La présente invention n'est bien entendu pas limitée à l’exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier.

Claims (13)

  1. Ventilateur (1) centrifuge axial pour la circulation d’un gaz (G) comportant une enveloppe (2) de forme sensiblement tronconique comportant un pavillon d’aspiration (3) pourvue d’un orifice d’aspiration (4) et un corps de refoulement (5) pourvu d’un orifice de refoulement (6), une turbine (13) centrifuge pourvue de pales (14), logée à l’intérieur du pavillon d’aspiration (3) et couplée à la sortie dudit orifice d’aspiration (3), un moteur (16) couplé à ladite turbine (13) et logé dans une cage-moteur (17) disposée au moins en partie à l’intérieur dudit corps de refoulement (5), et un conduit axial (24) au moins en partie annulaire s’étendant dudit orifice d’aspiration (4) audit orifice de refoulement (6), ventilateur caractérisé en ce qu’il comporte un conduit radial (25) périphérique s’étendant à la sortie de ladite turbine (13) pour maintenir le flux de gaz (G) aspiré sous pression et le guider en direction dudit conduit axial (24) dans un écoulement laminaire, sans discontinuité, ni perte de pression.
  2. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit conduit radial (25) a une dimension transversale (H) sensiblement égale à la hauteur des pales (14) de ladite turbine (13).
  3. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit conduit radial (25) est formé entre un plateau annulaire (26) en aval dudit orifice d’aspiration (4) et une plaque inférieure (20) de ladite cage-moteur (17), et en ce que le plus grand diamètre dudit plateau annulaire (26) est supérieur au plus grand diamètre de la plaque inférieure (20) de ladite cage-moteur (17), lui-même supérieur au plus grand diamètre de ladite turbine (13).
  4. Ventilateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un déflecteur (30) disposé à l’intérieur dudit canal radial (25) pour orienter le flux de gaz (G) aspiré et générer une augmentation de pression.
  5. Ventilateur selon la revendication 4, prise selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un déflecteur (30) s’étend entre ledit plateau annulaire (26) et ladite plaque inférieure (20) de la cage-moteur (17).
  6. Ventilateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit au moins un déflecteur (30) est formé d’une paroi courbe s’étendant sur un secteur angulaire défini et décentré par rapport à l’axe de rotation (A) de ladite turbine (13), de sorte que le bord d’attaque (31) dudit au moins un déflecteur (30) est plus proche dudit axe de rotation (A) que le bord de fuite (32) dudit au moins un déflecteur (30).
  7. Ventilateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit secteur angulaire défini s’étend sur un angle compris entre 60° et 120°, de préférence entre 80° et 100°.
  8. Ventilateur selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte un seul déflecteur (30).
  9. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte des entretoises (23) disposées dans ledit conduit axial (24) pour lier ladite cage-moteur (17) à ladite enveloppe (2), lesdites entretoises (23) étant profilées pour redresser le flux de gaz (G) aspiré en direction dudit orifice de refoulement (6) et engendrer un minimum de turbulence.
  10. Ventilateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’au moins une entretoise (23) est positionnée à la sortie dudit conduit radial (25) à l’intersection entre ledit conduit radial (25) et ledit conduit axial (24).
  11. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit conduit axial (24) est formé entre une paroi de ladite cage-moteur (17) et une paroi de ladite enveloppe (2), lesdites parois étant majoritairement parallèles entre-elles.
  12. Ventilateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la dimension transversale (D) dudit conduit axial (24) est sensiblement égale ou supérieure à la dimension transversale (H) dudit conduit radial (25).
  13. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre dudit orifice de refoulement (6) est supérieur au diamètre dudit orifice d’aspiration (4) dans un rapport de 30% à 50%, préférentiellement de 40%.
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