WO2016050304A1

WO2016050304A1 - Ventilateur pour automobile á pales optimisées pour l'acoustique et l'aérodynamique

Info

Publication number: WO2016050304A1
Application number: PCT/EP2014/071136
Authority: WO
Inventors: Bruno Demory; Manuel Henner; Youssef BEDDADI
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2017-04-02

Abstract

L'invention concerne une hélice de ventilation (1) comprenant un moyeu (9) et des pales (11) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu (9) entre un pied de pale (11 a) et une tête de pale (11 b), lesdites pales (11) comprenant une première, une seconde et une troisième partie, ladite première partie s'étendant vers l'extérieur à partir dudit pied de pale (11 a), la troisième partie s'étendant vers l'intérieur à partie de ladite tête de pale (11 b) et la seconde partie s'étendant entre la première et la troisième partie caractérisée en ce que lesdites pales (11) ont une courbure arrière dans ladite seconde partie, combinée à une courbure nulle ou avant dans ladite première partie et/ou une courbure nulle dans la dite troisième partie.

Description

VENTILATEUR POUR AUTOMOBILE Â PALES OPTIMISÉES

POUR L'ACOUSTIQUE ET L'AÉRODYNAMIQUE

Le domaine de la présente invention est celui de l'automobile, et plus particulièrement celui de la circulation de l'air pour le refroidissement des équipements du moteur.

Les véhicules à moteur thermique ont besoin d'évacuer les calories que génère leur fonctionnement et sont pour cela équipés d'échangeurs thermiques, notamment des radiateurs de refroidissement, placés à l'avant du véhicule et traversés par de l'air extérieur. Pour forcer la circulation de cet air à travers le ou les échangeurs, un ventilateur est placé en amont ou en aval. L'hélice de ventilation qui sert à forcer la circulation d'air présente un écoulement orienté de façon axiale. Elle comprend des pales raccordées par leur pied à un moyeu central, et généralement maintenues ensemble en leur tête par une virole tournante.

Pour une bonne performance de l^'hélice, il est d^'usage de donner une courbure à la pale. La courbure est représentée par la projection, sur un plan orienté orthogonalement à l^'axe de rotation de l^'hélice ou plan de rotation, de la courbe reliant soit les points du bord d'attaque soit ceux du bord de fuite soit, plus fréquemment, les points situés à mi-corde. Une courbure arrière en un point implique que la pale est courbée, en projection sur le plan de rotation, dans le sens inverse de la rotation, alors qu'une courbure avant indique que la pale est courbée, en ce point, dans le sens de rotation. Les effets de courbure des pales sont employés pour donner des propriétés et des caractéristiques particulières aux hélices. Ainsi, une courbure avant favorise les bas débits en travaillant plus en pied, tandis qu'une courbure arrière travaille plus en tête et favorise le rendement à haut débit.

En revanche, d'un point de vue aéroacoustique, les bénéfices sont inversés. La courbure arrière est plus bruyante à haut débit du fait du travail plus important en tête, et la courbure avant est plus bruyante à bas débit du fait du travail plus important en pied. Il est donc généralement admis que les bénéfices d'un effet de courbure (avant ou arrière) sont antagonistes et qu'ils ne peuvent à la fois satisfaire le rendement aérodynamique et la qualité acoustique pour une même plage de fonctionnement (bas ou haut débit).

Par ailleurs, d^'un point de vue théorique, l^'utilisation d^'un effet de courbure augmente la surface de la pale et par conséquent le frottement du fluide et les pertes. Les pertes minimales, et donc le rendement maximal, seraient obtenus par une pale droite, i.e. une pale s'étendant du bol vers la virole extérieure selon la direction d'un rayon issu de l'axe de rotation. Cette solution a malheureusement le désavantage de produire des fluctuations de forces issues des profils aérodynamiques qui sont strictement en phase les uns avec les autres. Ces fluctuations de forces et de pression s^'additionnent et il en résulte un bruit tonal marqué par la fréquence de passage des pales et de ses harmoniques, qui est plus élevé qu'avec une pale courbée qui, elle, produit naturellement des déphasages.

Il existe donc un besoin de concevoir des hélices représentant un optimum tant en matière d'aérodynamique que d'aéroacoustique, c'est-à-dire alliant un bon rendement et une minimisation des effets acoustiques.

A cet effet, l^'invention a pour objet une hélice de ventilation comprenant un moyeu et des pales s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu entre un pied de pale et une tête de pale, lesdites pales comprenant une première, une seconde et une troisième partie, ladite première partie s^'étendant vers l'extérieur à partir dudit pied de pale, la troisième partie s'étendant vers l^'intérieur à partie de ladite tête de pale et la seconde partie s'étendant entre la première et la troisième partie caractérisée en ce que lesdites pales ont une courbure arrière dans ladite seconde partie, combinée à une courbure nulle ou avant dans ladite première partie et/ou une courbure droite dans la dite troisième partie. Avec de telles caractéristiques, le déposant a constaté des résultats particulièrement satisfaisants à la fois en termes de rendement et de minimisation des effets acoustiques.

Selon différents aspects de l^'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :

- ladite première partie s^'étend radialement vers l'extérieur à partir dudit pied de pale jusqu^'à ladite seconde partie,

ladite seconde partie s^'étend radialement vers l^'extérieur à partir de ladite première partie jusqu^'à ladite troisième partie,

ladite troisième partie s'étend radialement vers l'extérieur à partir de ladite seconde partie jusqu^'à la tête de pale,

ladite seconde partie s^'étend jusqu'à une distance comprise entre 66 et 95% de l^'envergure des pales,

la variation de courbure dans ladite seconde partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 5° par 5% d^'envergure des pa les,

- la variation de courbure dans ladite seconde partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 3° par 5% d^'envergure des pa les, ladite variation de courbure dans la seconde partie de la pale est au maximum entre 55% et 75% d'envergure des pales,

ladite variation de courbure dans la seconde partie de la pale est au maximum à environ 65% d'envergure des pales,

- ladite première partie s'étend de 0 à au plus 33% de l^'envergure des pales,

ladite courbure avant est comprise entre 0 et 10 'dans ladite première partie, ladite courbure avant est d'environ 2.5 pour 20 % d'envergure des pales,

la variation de courbure dans ladite première partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 2° par 5% d^'envergure des pa les,

la variation de courbure dans ladite première partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 1 °, par 5% d^'envergure des pa les,

ladite troisième partie s^'étend à partir de 80%, notamment 95%, de l^'envergure des pales,

la variation de courbure dans ladite troisième partie est comprise entre -1 et 1 ° par 1 % d'envergure des pales,

l^'angle entre le rayon passant par ledit pied de pale et le rayon passant par ladite tête de pale est compris entre -20^e et -40^e; notamment e ntre -25 et -35°.

la variation de calage des pales est inférieure ou égale à 15%, notamment inférieure à 9%

- le calage des pales est maximum à environ 90% d^'envergure des pales,

le calage des pales diminue en tête de pale,

le calage des pales est compris entre 70 et 85^e, notamment entre 73 et 81 °, chaque pale possède un profil avec une corde s ^'étendant entre un bord d^'attaque et un bord de fuite, ladite corde étant maximum entre 10% et 65% d'envergure des pales,

l^'augmentation de longueur de la corde entre la corde en pied de pale et la plus longue corde est comprise entre 10% et 30%,

la longueur de la corde en tête de pale est inférieure de 15% à 35% à la longueur de la corde en pied de pale,

- la longueur de la corde en tête de pale est inférieure d^'environ 22% à la longueur de la corde en pied de pale,

ladite hélice comprend une virole périphérique, reliant les têtes de pales,

lesdites pales se raccordent de façon droite sur ladite virole périphérique. L'invention concerne également un groupe moto-ventilateur comprenant une hélice telle que décrite plus haut ainsi qu'un système de refroidissement comprenant un tel groupe moto-ventilateur. Un tel système pourra comprendre un ou des échangeurs de chaleur traversés par le flux d^'air généré par l'hélice.

L^'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l^'invention, donné à titre d^'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins :

- la figure 1 est une vue de face d'une hélice, selon l'invention,

- la figure 2 est une vue schématique montrant la courbure d'une pale de l'hélice de la figure 1 le long de son envergure,

- la figure 3 est un schéma donnant l'évolution de la courbure, en degré, selon l'envergure de la pale, en pourcent,

- la figure 4 est un schéma donnant la variation de la courbure, en degré, par pas de 5% le long de l'envergure de la pale, donnée en pourcent,

- la figure 5 est un schéma donnant, en degré, l'évolution du calage de la pale le long de son envergure, donnée en pourcent, et

- la figure 6 est un schéma donnant, en mm, l'évolution de la longueur de la corde de la pale le long de son envergure, donnée en pourcent.

Comme illustré à la figure 1 , l^'invention concerne une hélice 1 , montée en rotation autour d'un axe passant par le centre O de l^'hélice et orienté ici orthogonalement au plan de la figure. Le sens de rotation de l'hélice 1 est désigné par la flèche F. Lorsque l'hélice 1 est entraînée en rotation, par exemple par un moteur électrique (non visible), l'hélice 1 brasse l'air qui la traverse. Le flux d'air s'écoule alors selon un sens d'écoulement orienté sensiblement axialement.

Dans la suite de la description les termes "amont" et "aval" se comprennent en référence au sens d'écoulement du flux d'air. Les termes "axial", "radial" ou "tangentiel" sont, eux, utilisés en référence à l'axe de rotation de l'hélice.

Cette hélice 1. comprend :

- un moyeu central 9, encore appelé « bol », avantageusement destiné à coiffer le moteur d^'entraînement de l'hélice,

- une pluralité de pales 1 1 , ici au nombre de sept, avec leurs premières extrémités 1 1 a fixées sur le moyeu 9, qui s'étendent radialement à partir de ce moyeu, lesdites pales étant avantageusement toutes identiques,

- et, bien que cet élément ne soit pas impératif, une virole périphérique 13 à laquelle se raccordent les deuxièmes extrémités 1 1 b des pales 1 1. Le moyeu 9 présente une paroi frontale 15 amont, par rapport au sens d'écoulement du flux d'air produit par la rotation de l'hélice 1 , et une paroi de forme générale sensiblement cylindrique ou légèrement tronconique 17 s'étendant vers l'aval et à laquelle se raccordent les premières extrémités 1 1 a des pales 1 1. La paroi frontale 15 et la paroi tronconique 17, peuvent être reliées entre elles par un arrondi 19.

La paroi frontale 15 pourra servir à relier l^'hélice 1 à un axe, non-visible, du moteur électrique d'entraînement en rotation de l'hélice 1. Ce moteur électrique est généralement monté de façon coaxiale avec le bol ou moyeu 9 de l'hélice 1 .

En ce qui concerne les pales 1 1 , elles s'étendent ici depuis la paroi tronconique 17 du moyeu 9 jusqu'à la virole 13 périphérique. Ces pales 1 1 sont généralement identiques et peuvent présenter une section transversale sensiblement en aile d'avion. Elles s'étendent ainsi transversalement entre, respectivement, un bord d'attaque 25 qui entre en premier en contact avec le flux d'air lors de la rotation de l'hélice 1 . et un bord de fuite 27 qui lui est opposé. Le bord d'attaque 25 d'une pale 1 1 s'étend de l'extrémité amont de la paroi tronconique 17 du moyeu 9, jusqu'à partie amont de la virole périphérique 13. Le bord d'attaque 25 est donc relié au moyeu 9 à proximité de son plus petit diamètre. Le bord de fuite 27, lui, s'étend de l'extrémité aval de la paroi tronconique 17 du moyeu 9, à proximité du plus grand diamètre de celui-ci et s'étend jusqu'à la partie aval de la virole 13.

De plus, les bords d'attaque 25 et de fuite 27 définissent entre eux une multitude de cordes 29 (dont une est représentée en pointillés). Une fois développées à plat dans des plans parallèles à l'axe A, lesdites cordes représentent des segments de droite qui s'étendent entre le bord d'attaque 25 et le bord de fuite 27.

Cette corde 29 est avantageusement inclinée d'un angle aigu, dit angle de calage, par rapport à un plan radial, c'est-à-dire un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe A de l'hélice 1. Cet angle, qui définit, par la technique dite du triangle des vitesses, l'incidence qu'aura la pale par rapport au flux d'air en fonction de la vitesse de rotation de l'hélice, varie sur la longueur de la pale 1 1 , depuis l'extrémité 1 1 a de la pale 1 1 fixée au moyeu 9 jusqu'à l'extrémité 1 1 b de la pale 1 1 fixée à la virole 13.

Enfin, en ce qui concerne la virole périphérique 13 de la figure 2, lorsque l'hélice 1 en est munie, elle présente une paroi annulaire cylindrique de révolution 31 , à laquelle se raccordent les extrémités 1 1 b des pales, qui se continue par un évasement arrondi 33.

Selon l'invention, les pales 1 1 de l^'hélice 1 présentent une courbure qui évolue le long de leur rayon et leur forme détaillée est donnée par la figure 2 qui montre leur projection, sur un plan radial, de sa ligne à mi-corde. Une projection dans le même plan de leur bord d'attaque et/ou de leur bord de fuite suivra avantageusement le même profil. Cette ligne est présentée dans un référentiel orthogonal dont le sommet est au centre du moyeu 9 et dont l'axe des ordonnées correspond à la droite radiale passant par le point à mi-corde du pied de pale. La géométrie de ces pales se caractérise par une courbure en pied qui est orientée légèrement vers l^'avant, sur à peu près un tiers de l'envergure, puis par une courbure marquée vers l'arrière jusqu^'au 4/5 de l^'envergure, et enfin par un raccordement droit sur la virole, dans le cas où celle-ci existe. Dans le cas contraire la courbure en tête est simplement alignée avec une direction radiale. La courbure part de la référence zéro en pied pour augmenter jusqu'à un angle positif maximum, référencé a, pour ensuite décroître en augmentant en valeur négative, jusqu'à un maximum qui se trouve en valeur absolue au niveau de la tête de pale, et qui est référencé β.

La figure 3 présente d'une façon différente la même distribution de la courbure entre le pied et la tête de la pale, en exprimant cette fois la courbure, en chaque point à mi-corde le long de l'envergure, par la valeur en degrés de l^'angle de son rayon par rapport au rayon de référence, c'est-à-dire en écart angulaire par rapport à l'axe des ordonnées de la figure précédente. La figure 4 donne, quant à elle, le taux de variation de cette courbure lorsqu'on se déplace le long de l'envergure de la pale ; elle est donnée sous la forme de l'écart en courbure entre deux points de l'envergure qui sont distants l'un de l'autre de 5% de la valeur de l'envergure. Les caractéristiques de la courbure de la pale peuvent se résumer comme suit :

La pale possède tout d'abord une courbure avant, ou nulle, pour tous les points à mi- corde situés sur une première partie s^'étendant approximativement entre 0 à 33% de l'envergure. Cette courbure augmente de la valeur zéro en pied, jusqu'à une valeur a proche de 2,5 à environ 20% d^'envergure, cet angle pouvan t aller, dans le cadre de l'invention, jusqu'à une valeur maximale de 10 . Cet angle maxim um étant très faible, la courbure reste faiblement positive et proche de zéro sur cette première partie de l'envergure de la pale. Avantageusement, la variation de courbure par 5% d'envergure ne dépasse pas 2 d^'angle dans cette première partie et a préférentiellement, comme illustré sur la figure 4, une valeur maximale en pied de 1 °.

La pale présente ensuite, sur une deuxième partie, une courbure arrière qui croît progressivement, en valeur absolue, jusqu'à une distance radiale proche de la tête, mais qui, selon l'invention, peut se situer entre 66% et 95% de l^'envergure. Préférentiellement comme on le voit sur la figure 4, la valeur de la variation de courbure dans cette seconde partie, par 5% de variation d^'envergure croît progressivement en valeur absolue jusqu^'à une valeur négative de 3° à 65% de l^'envergure, puis elle dimi nue ensuite pour revenir vers zéro. Avantageusement, la variation de courbure ne dépasse pas 5 par 5% de variation d'envergure sur cette seconde partie.

La dernière ou troisième partie de l^'envergure est caractérisée par une courbure très atténuée, la ligne des points à mi-corde devenant sensiblement droite et orientée radialement. La variation de courbure est ainsi proche de zéro en extrémité, avec des valeurs extrêmes ne dépassant pas +/- 1 par pource nt de variation d'envergure. Au final, l'angle β de la position angulaire en tête est compris entre -20 et -40° et a préférentiellement une valeur comprise entre -25 et -30° comme illust ré sur la figure 3.

Les formes données à la pale ci-dessus répondent bien au problème d'une diminution des nuisances acoustiques par le déphasage qu'elles créent le long du rayon des pales mais elles demandent à être optimisées pour ne pas dégrader leur rendement aérodynamique. Pour cela l'invention propose de combiner les courbures de pale avec d^'autres caractéristiques géométriques, comme la variation du calage du profil de la pale et la variation de la longueur de sa corde, afin d^'obtenir les meilleures répartitions de charges aérodynamiques possibles. Les valeurs préconisées par l'invention sont illustrées sur les figures, numérotées respectivement 5 et 6.

Comme déjà dit, le calage d'un profil de la pale au niveau d'un point sur l'envergure est défini comme l'angle que fait la corde de la section de la pale au niveau de ce point, avec la direction axiale.

Pour optimiser la performance aérodynamique de l'hélice, la variation retenue pour le calage le long de l'envergure est légèrement différente de celui qui est retenu habituellement, en se basant simplement sur le triangle des vitesses, c'est à dire celui orienté selon la somme vectorielle de la vitesse tangentielle et de la vitesse axiale. La loi de calage préconisée par l'invention est illustrée sur la figure 5, où ce calage démarre à 73 en pied de pale et où il ne varie que de 9 du pied à la tête. Il possède ainsi un maximum à 81 qui est situé légèrement avant l'envergure maximale, c'est-à-dire environ aux 90% de l^'envergure. L'invention préconise par ailleurs, quelle que soit la valeur en pied, que le calage ne varie pas de plus de 15% entre le pied et la tête.

En ce qui concerne la corde du profil en tout point sur l'envergure, sa longueur préconisée est de présenter une longueur maximale en milieu de pale, cette longueur évoluant à partir de sa longueur en pied, qui est prise comme référence. La longueur de la corde augmente alors jusqu'à une valeur maximale, qui est par exemple positionnée entre 20 et 50% de l'envergure, et elle diminue ensuite jusqu'à atteindre sa valeur en tête. Par rapport à la valeur de référence, la longueur maximale pourra se situer entre +10 et +30% alors que la valeur en tête pourra se situer à une valeur inférieure de 15 à 35% par rapport à la valeur de référence.

De façon préférentielle, comme illustré sur la figure 6, l'invention préconise une corde qui prendrait une valeur maximale égale à +16% de la valeur en pied, ce maximum étant situé à 35% de l'envergure, et une valeur de corde en tête qui est inférieure de 22% à la valeur en pied.

Associée à la courbure définie précédemment, la combinaison d'une relative faible variation de calage du pied à la tête et d'une variation présentant des longueurs de corde maximales dans la zone inférieure à la mi-envergure, aboutit à la production d'une hélice de ventilation qui est optimisée à la fois pour l^'acoustique et pour l^'aérodynamique. Les expérimentations faites ont confirmées ces bonnes performances aérodynamiques puisque les rendements statiques obtenus sont couramment compris entre 55 et 63%, selon les mesures effectuées par la norme ISO DP 5801.

L^'invention concerne aussi un groupe moto-ventilateur comprenant une telle hélice, et son moteur d'entraînement. Ledit groupe pourra comprendre une buse munie d'un orifice de passage d'air à l'intérieur duquel l'hélice tourne autour de son axe, ledit moteur d^'entraînement étant porté par la buse par l^'intermédiaire de bras radiaux formant avantageusement des pales de stator.

L'invention concerne encore un système ou module de refroidissement d'un bloc moteur de véhicule automobile. Il comprend notamment le groupe moto-ventilateur évoqué plus haut et un radiateur de refroidissement. L'hélice pourra être située entre le radiateur de refroidissement et le bloc moteur ou en amont dudit radiateur. Ces éléments sont, par exemple, sensiblement alignés selon l^'axe de rotation de l'hélice.

Claims

Revendications

Hélice de ventilation (1 ) comprenant un moyeu (9) et des pales (1 1 ) s étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu (9) entre un pied de pale (1 1 a) et une tête de pale (1 1 b), lesdites pales (1 1 ) comprenant une première, une seconde et une troisième partie, ladite première partie s'étendant vers l^'extérieur à partir dudit pied de pale (1 1 a), la troisième partie s'étendant vers l^'intérieur à partir de ladite tête de pale (1 1 b) et la seconde partie s^'étendant entre la première et la troisième partie caractérisée en ce que lesdites pales (1 1 ) ont une courbure arrière dans ladite seconde partie, combinée à une courbure nulle ou avant dans ladite première partie et/ou une courbure droite dans la dite troisième partie.

Hélice de ventilation selon la revendication précédente, dans laquelle ladite seconde partie s^'étend jusqu'à une distance comprise entre 66 et 95% de l'envergure des pales.

Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la variation de courbure dans ladite seconde partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 5 ° par 5% d^'envergur e des pales.

Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la variation de courbure par 5% d'envergure dans ladite seconde partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 3° par 5% d^'envergure des pales.

Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite variation de courbure dans la seconde partie des pales est au maximum entre 55 et 75% d^'envergure des pales.

Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite première partie s'étend de 0 à au plus 33% de l^'envergure des pales.

Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite courbure avant est comprise entre 0 et 10 dans ladite première partie.

8. Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la variation de courbure dans ladite première partie est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 2° par 5% d^'envergure des pales.

9. Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite troisième partie s'étend à partir de 80% de l'envergure des pales.

10. Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la variation de courbure dans ladite troisième partie est comprise entre - 1 et 1 °, par 1 % d'envergure des pales.

1 1. Hélice de ventilation selon l^'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'angle entre le rayon passant par ledit pied de pale et le rayon passant par ladite tête de pale est compris entre -20 et -40 :

12. Hélice de ventilation selon la revendication précédente, dans laquelle l^'angle entre le rayon passant par ledit pied de pale et le rayon passant par ladite tête de pale est compris entre -25 et -35°.

13. Hélice de ventilation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite hélice comprend une virole périphérique (13).

14. Hélice de ventilation selon la revendication précédente, dans laquelle lesdites pales (1 1 ) se raccordent de façon droite sur ladite virole périphérique (13).

15. Groupe moto-ventilateur comprenant une hélice (1 ) selon l^'une quelconque des revendications précédentes.