EP3271588B1

EP3271588B1 - Ventilateur pour automobile amélioré aérodynamiquement et acoustiquement

Info

Publication number: EP3271588B1
Application number: EP16713789.2A
Authority: EP
Inventors: Manuel Henner; Bruno Demory; Youssef BEDDADI; François Franquelin; Charles ROLAND
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2036-03-21
Also published as: FR3033845B1; US20180051712A1; EP3271588A1; FR3033845A1; US10584716B2; WO2016146850A1

Description

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, qui sont généralement 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 qui sont raccordées par leur pied à un moyeu central, et généralement maintenues ensemble en leur tête par une virole tournante (comme cela est illustré sur la figure 1).
Il est également d'usage de donner des effets de courbures aux pales afin d'en améliorer l'acoustique. La courbure est dite avant si la pale est courbée dans le sens de rotation, en considérant le plan perpendiculaire à l'axe de rotation ; elle est dite arrière dans le cas contraire. En utilisant les effets de courbure, les sources acoustiques qui sont situées le long de l'envergure de la pale se trouvent déphasée les unes par rapport aux autres, et on peut noter des réductions de bruit tonal de plusieurs décibels.
Si la courbure présente des effets bénéfiques pour l'acoustique, elle modifie aussi les propriétés aérodynamiques car elle produit des forces perpendiculaires à la surface de pale, ces forces créant à leur tour des écoulements radiaux. De façon générale, pour un même point de fonctionnement, une courbure arrière va produire un écoulement s'étendant radialement vers l'extérieur, alors qu'une courbure avant va produire un effet de contraction de l'écoulement (comme cela sera explicité plus en détail en relation avec la figure 2). Ainsi, une courbure arrière travaillera plus en tête, et favorisera le rendement à haut débit, alors qu'une courbure avant favorisera les bas débits en travaillant plus en pied.
Mais d'un point de vue aéroacoustique, les bénéfices sont inversés et la courbure arrière sera plus bruyante à haut débit du fait du travail plus important en tête, alors que la courbure avant sera plus bruyante à bas débit du fait du travail plus important en pied. Il est donc constaté que les bénéfices d'un effet de courbure (avant ou arrière) sont antagonistes et que, par cet effet, on ne peut satisfaire, à la fois, le rendement aérodynamique et la qualité acoustique pour une même plage de fonctionnement (bas ou haut débit).
Des solutions mixtes entre courbure arrière et courbure avant constituent alors un compromis qui est fréquemment utilisé. Ces courbures mixtes arrière-avant produisent un effet de contraction de l'écoulement, qui se centre à peu près à mi-envergure (voir figure 2). Une hélice de ventilation avec des pales présentant une courbure arrière-avant est divulguée dans EP 0 933 534 A2 . Mais, du fait de ces conditions particulières d'écoulement à mi-envergure, le gradient de pression entre le bord de fuite et le bord d'attaque est modifié et on observe un décollement marqué sur l'extrados de la pale, qui prend naissance au niveau de cette mi-envergure.
Il existe donc un besoin de concevoir des hélices améliorées, qui soient capables de produire des rendements aérodynamiques élevés sans que leurs performances aéroacoustiques en soient pour autant dégradées.
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, les pales de ladite hélice présentant une courbure arrière-avant du fait d'une inversion de courbure sur leur envergure.
Selon l'invention, lesdites pales comportent au moins une variation brusque de leur calage s'étendant sur un écart limité d'envergure, ladite variation de calage étant située à proximité d'un point d'inversion de courbure des pales. Par variation « brusque », on entend d'au moins 2° en plus ou en moins par rapport à un calage linéaire sur ledit écart d'envergure. Par écart « limité » d'envergure, on entend un écart d'envergure maximal de 25%, de l'envergure totale de la pale. Par variation située « à proximité » d'un point d'inversion de la courbure des pales, on entend située entre 20 et 80% de leur envergure. Avantageusement la variation de calage est comprise entre 3 et 5°.
Cette inflexion de calage, par rapport à une pale présentant une évolution continue de son calage le long de l'envergure, permet d'éviter les décollements du flux d'air sur la pale et donc d'éviter tant les nuisances acoustiques que les pertes de rendement provoquées par ces décollements.
Préférentiellement un pic de la variation de calage est positionné, par rapport au point d'inversion de courbure, à une distance inférieure ou égale à 30% de l'envergure de la pale. La proximité de ce pic du point d'inversion de la courbure permet de faire agir celui-ci au plus près de l'endroit où les décollements se produisent, et donc améliore son efficacité.
Plus préférentiellement ladite distance est inférieure ou égale à 10% de l'envergure de la pale.
Dans un mode particulier de réalisation la variation de calage est dite positive, la valeur du calage étant supérieure audit calage linéaire sur tout l'écart d'envergure.
Dans un autre mode particulier de réalisation la variation de calage est dite négative, la valeur du calage étant inférieure audit calage linéaire sur tout l'écart d'envergure.
Avantageusement la variation de calage a une pente positive, respectivement négative, jusqu'à son pic, suivie d'une pente négative, respectivement positive. Cette forme en pointe représente un optimum en matière d'efficacité pour la suppression des décollements du flux qui sont généralement observés sur l'extrados.
De façon préférentielle au moins une des pentes de la variation de calage a, en valeur absolue, une valeur supérieure à 1 ° par 10% de variation d'envergure. Et, de façon plus préférentielle, l'autre pente a, en valeur absolue, une valeur inférieure à 1°par 10% de variation d'envergure.
Avantageusement la courbure des pales au point d'inversion de sa courbure est comprise entre -4 et -25°.
Dans un mode particulier de réalisation la variation de courbure entre le point d'inversion et la tête des pales est comprise entre 4 et 25°.
Préférentiellement les courbures des pales en pied et en tête différent de moins de 10°. Et plus préférentiellement lesdites courbures sont toutes deux inférieures à 10°.
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'art antérieur,
la figure 2 est une vue schématique donnant la forme de l'écoulement de l'air traversant une l'hélice selon la figure 1, dans les cas, respectivement, d'une courbure arrière, d'une courbure avant et d'une courbure mixte arrière-avant de ses pales,
la figure 3 est une vue de face d'une hélice à courbure mixte arrière-avant,
la figure 4 est une vue en perspective d'une pale de l'hélice de la figure 3, selon l'art antérieur,
la figure 5 est une vue en perspective d'une pale de l'hélice de la figure 3, modifiée selon l'invention,
la figure 6 est une vue schématique donnant l'évolution de la courbure de la pale de la figure 5 le long de son envergure,
la figure 7 est une vue schématique donnant l'évolution du calage de la pale de la figure 5 le long de son envergure, respectivement selon un premier mode de réalisation de l'invention et selon un mode de réalisation de référence,
la figure 8 est une vue schématique donnant l'évolution du calage de la pale de la figure 5 le long de son envergure, respectivement selon un second mode de réalisation et selon un mode de réalisation de référence,
la figure 9 est une vue de face d'une hélice, dans une première mise en œuvre de l'invention,
la figure 10 est une vue de face d'une hélice, dans une seconde mise en œuvre de l'invention, et
la figure 11 une vue de face d'une hélice, dans une troisième mise en œuvre de l'invention.

La figure 1 montre une hélice 1, de l'art antérieur, qui est montée en rotation autour d'un axe passant par son centre O 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 2, avantageusement destiné à coiffer le moteur d'entrainement de l'hélice,
une pluralité de pales 3 (ici au nombre de six), avec leurs premières extrémités, ou pieds 3a, qui sont fixées sur le moyeu 2 et qui s'étendent radialement à partir de ce moyeu,
et, bien que cet élément ne soit pas impératif, une virole périphérique 4, de forme annulaire cylindrique, à laquelle se raccordent les deuxièmes extrémités, ou têtes 3b, des pales 3.

En ce qui concerne les pales 3, elles sont généralement identiques les unes aux autres et peuvent présenter une section transversale sensiblement en aile d'avion, avec un extrados et un intrados. Elles s'étendent ainsi transversalement entre, respectivement, un bord d'attaque qui entre en premier en contact avec le flux d'air lors de la rotation de l'hélice 1, et un bord de fuite qui lui est opposé.
Dans une coupe de la pale selon un plan parallèle à l'axe de rotation, perpendiculairement à la ligne reliant les points à mi-corde, la ligne reliant le bord d'attaque au bord de fuite est dénommée ligne de corde, alors que la ligne reliant les points équidistant des extrados et intrados de la pale est dénommée ligne de cambrure. Les caractéristiques aérodynamiques d'une pale sont définies par les paramètres suivants, qui sont évolutifs tout le long de la pale :

sa corde, qui est la longueur de la ligne de corde, exprimée en mm,
sa cambrure, qui est la valeur maximale de la distance entre la ligne de corde et la ligne de cambrure, rapportée à la longueur de la ligne de corde et exprimée en pourcents,
son calage, qui est l'angle que fait la ligne de corde avec l'axe de rotation de l'hélice. (Nota : par convention dans ce texte, l'angle de calage est l'angle complémentaire de l'angle de calage habituellement défini en aérodynamique).

La figure 2 montre la déviation que subit un fluide en traversant l'hélice 1 dans le cas, respectivement, d'une courbure arrière, d'une courbure avant et d'une courbure mixte arrière-avant de ses pales 3.
Sur la figure de gauche la courbure arrière produit un écoulement qui s'étend radialement vers l'extérieur alors que la figure centrale montre qu'une courbure avant produit une déviation centripète de l'écoulement. Sur la figure de droite qui correspond à une courbure mixte arrière-avant, les deux effets précédents se neutralisent et produisent ensemble un maintien d'une direction axiale, avec une contraction de l'écoulement qui se centre à peu près à mi-envergure. En revanche, du fait de ces conditions particulières d'écoulement à mi-envergure, le gradient de pression entre le bord de fuite et le bord d'attaque est modifié et on peut observer un décollement marqué sur l'extrados de la pale 3, qui prend alors naissance sensiblement à mi-envergure. C'est cet effet de décollement que l'invention se propose de réduire, en jouant notamment sur la distribution du calage le long de l'envergure de la pale, et en particulier aux alentours de ce point à mi-envergure.
La figure 3 montre une hélice 1 dont les pales 3 ont une courbure est mixte, arrière en pied 3a puis avant à partir de la mi-envergure et ce, jusqu'à la tête 3b.
La figure 4 montre, quant à elle, une pale, selon l'art antérieur, de l'hélice de la figure 3. Le calage de la pale 3 varie de façon continue le long de l'envergure, sans variation brusque de celle-ci.
En revanche la figure 5 montre une pale d'hélice 3 selon l'invention qui présente un pic 5 d'inflexion pour son calage au niveau du point de l'envergure où la courbure s'inverse, c'est-à-dire là où se situe l'effet de contraction de l'écoulement. Le positionnement, la forme et l'intensité de ce pic 5 sont donnés par les figures 6 à 8.
La figure 6 montre l'évolution de la courbure dans le cas d'une courbure mixte arrière-avant. La courbure est nulle en pied de pale 3a, ce qui signifie que la ligne des points situés à mi-corde s'éloigne du moyeu 2 en lui étant perpendiculaire. La courbure s'accroit, dans le sens arrière, jusqu'à atteindre une valeur arrière maximale égale, dans l'exemple représenté, à -13°et positionnée à mi-envergure. A partir ce p oint la pale 3 reprend une courbure avant, réduisant sa courbure progressivement, de -13° vers 0° qu'elle atteint, à titre d'exemple, en tête de pale 3b. La courbe qui est représentée sur la figure correspond à la forme la plus simple envisageable pour une pale à courbure mixte, dans un but d'illustration de l'invention ; celle-ci n'est en revanche pas limitée à ces formes géométriques simples.
Les figures 7 et 8 montrent l'évolution du calage le long de l'envergure d'une pale 3, dans une version d'hélice de référence (calage dit initial) et, respectivement, dans deux versions de réalisation de l'invention (calage dit modifié). L'invention se caractérise par une inflexion du calage formant un pic 5 de calage ; ce pic se situe ici à 50 % de l'envergure, c'est-à-dire précisément autour du point d'inversion de la courbure. Celte inflexion est soit positive (figure 7) soit négative (figure 8). Mais dans les deux cas son amplitude est importante, la pente de l'inflexion étant supérieure ou égale, en valeur absolue, à 1° par 10% de variation de courbure. Les valeurs préférentielles retenues dans la version représentée sur les figures et fournies à titre d'exemple sont de 3 et 5° pour 10% de variation de calage, selon que la pente est ascendante ou descendante et selon que la courbe de calage initiale est elle-même décroissante ou croissante autour du point d'inversion de la courbure. A titre d'exemple la courbure peut présenter des pentes de même valeur absolue de part et d'autre du point d'inversion.
Les figures 9 à 11 représentent trois cas de mise en œuvre de l'invention sur des hélices à courbure mixte.
Sur la figure 9 la courbure est arrière-avant avec des courbures nulles en pied 3a et en tête 3b et une inversion de courbure située à 75% de l'envergure. En ce point la courbure est égale à -4°.
Sur la figure 10 la courbure est arrière-avant avec des courbures nulles en pied 3a et en tête 3b et une inversion de courbure située à 50% de l'envergure. En ce point la courbure est égale à -25°
Sur la figure 11 la courbure est arrière-avant avec des courbures nulles en pied 3a et égale à 7° en tête 3b. L'inversion de courbure est située à 20% de l'envergure, et en ce point la courbure est égale à -30°.
On voit donc que l'invention, à savoir le positionnement d'une inversion, ou pic, de calage 5, peut être mise en œuvre sur tout type d'hélice à courbure mixte arrière-avant, avec une grande plage de valeurs possibles pour la courbure en pied, la courbure en tête et pour la position de l'inversion de courbure le long de l'envergure.
De façon préférentielle l'invention porte sur une courbure arrière-avant :

dont l'inversion se situe entre 20 et 80% de l'envergure de la pale,
dont la courbure a, en ce point d'inversion, une valeur comprise entre -4 et -25°,
et dont la variation de courbure entre le point d'inversion et la tête est comprise entre 4 et 25°.

Avantageusement la courbure en pied et en tête sont proches l'une de l'autre, c'est-à-dire avec un écart inférieur ou égal à 10°, et plus préférentiellement elles sont proches l'une comme l'autre de zéro, c'est-à-dire inférieures à 10°.
Associé à cette courbure, le calage de la pale 3 présente une variation brusque, et limitée en envergure, de sa valeur. Cela se traduit par un calage qui s'écarte, sur un segment donné d'envergure de la pale, du calage linéaire existant entre les deux points d'extrémité de ce segment. Cette variation de calage se définit, selon l'invention, avantageusement comme suit.
La variation de calage se situe en envergure dans une zone proche du point de courbure arrière maximale. L'écart d'envergure entre le point de courbure maximale et le pic d'inflexion 5 est inférieur ou égal à 30% de l'envergure, plus préférentiellement inférieur ou égal à 10%.
Le pic d'inflexion 5 est constitué par une variation brusque du calage, d'au moins 2° sur une variation au maximum de 25% de l'envergure. Préférentiellement cette variation se situe entre 3 et 5°.
Préférentiellement le calage se situe d'un même côté par rapport audit calage linéaire, sur tout l'écart d'envergure, que ce soit au-dessus ou en-dessous.
Dans un premier mode de réalisation, la variation brusque de calage a une pente positive supérieure à 1° par 10% de variation de calage, jusqu'à l'atteinte d'un pic d'inflexion 5, puis, à partir de ce pic, une pente négative inférieure à -1° par 10% de variation de calage. Dans un second mode, elle a, tout d'abord, une pente négative inférieure à -1° par 10% de variation de calage, puis une pente positive supérieure à 1°par 10% de variation de calage.
Enfin, l'invention a été illustrée par des pales 3 ne présentant qu'un seul pic d'inflexion 5 ; dans des versions alternatives plusieurs pics peuvent être présents le long de l'envergure de la pale 3, l'un d'eux au moins présentant les caractéristiques minimales décrites ci-dessus.
Sur le plan des performances la géométrie proposée pour la pale 3 par la présente demande de brevet tend à trouver un optimum tant du point de vue aérodynamique qu'aéroacoustique. Les objectifs poursuivis sont un bon rendement, une minimisation des effets acoustiques et une minimisation de la déflection en tête de pale 3b.
La géométrie s'appuie tout d'abord sur une courbure mixte arrière-avant, et sur une loi de distribution de calage le long de l'envergure qui est adaptée à la nature tridimensionnelle de l'écoulement. Des performances améliorées sont obtenues grâce à une inflexion de forme qui est positionnée à proximité de l'envergure où la courbure s'inverse. Cette inflexion a pour effet de modifier localement l'angle d'attaque de l'écoulement incident sur le profil aérodynamique et ainsi d'améliorer l'écoulement sur son extrados et de minimiser les décollements. Grâce à ce dessin amélioré, la trainée du profil est réduite pour la même portance, et la suppression des décollements améliore l'acoustique en minimisant les bruits d'interaction de l'hélice avec son support. Au niveau des performances aérodynamiques on constate une amélioration avec, dans l'exemple de l'hélice de la figure 3, un rendement qui passe de 43.8 à 45.2 %, à même vitesse de rotation et même débit.
Au final, l'utilisation des variations de calage décrites dans la présente demande de brevet permet d'obtenir des hélices de ventilation automobile produisant un très bon compromis entre l'aérodynamique, l'acoustique et les effets de déflexion structurels.
L'invention a été décrite dans le cas d'une hélice présentant une virole 4 reliant l'extrémité externe 3b des pales. Il est bien évident que qu'elle peut tout aussi bien être réalisée en l'absence de virole, pour autant que la forme donnée aux pales 3 soit celle décrite ci-dessus.
L'invention concerne aussi un groupe moto-ventilateur comprenant une telle hélice, et son moteur d'entrainement. 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'entrainement 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 alors, 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

Hélice de ventilation (1) comprenant un moyeu (2) et des pales (3) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu (2) entre un pied de pale (3a) et une tête de pale (3b), les pales de ladite hélice présentant une courbure arrière-avant du fait d'une inversion de courbure sur leur envergure,
caractérisée en ce que lesdites pales (3) comportent, entre 20 et 80% de leur envergure, au moins une variation de leur calage d'au moins 2°, s'étendant sur un écart d'envergure maximal de 25%, en plus ou en moins par rapport à un calage linéaire existant entre les deux points d'extrémité de cet écart d'envergure.
Hélice de ventilation selon la revendication 1, dans laquelle la variation de calage est comprise entre 3 et 5°.
Hélice de ventilation selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle un pic (5) de la variation de calage est positionné, par rapport à un point d'inversion de courbure, à une distance inférieure ou égale à 30% de l'envergure de la pale (3).
Hélice de ventilation selon la revendication 3, dans laquelle ladite distance est inférieure ou égale à 10% de l'envergure de la pale (3).
Hélice de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la variation de calage est dite positive, la valeur du calage étant supérieure audit calage linéaire sur tout l'écart d'envergure.
Hélice de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la variation de calage est dite négative, la valeur du calage étant inférieure audit calage linéaire sur tout l'écart d'envergure.
Hélice de ventilation selon la revendication 5, respectivement 6, dans laquelle la variation de calage a une pente positive, respectivement négative, jusqu'à son pic (5), suivie d'une pente négative, respectivement positive.
Hélice de ventilation selon la revendication 7, dans laquelle au moins une des pentes de la variation de calage a, en valeur absolue, une valeur supérieure à 1° par 10% de variation d'envergure.
Hélice de ventilation selon la revendication 8, dans laquelle l'autre pente a, en valeur absolue, une valeur inférieure à 1° par 10% de variation d'envergure.
Hélice de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la courbure des pales (3) au point d'inversion de sa courbure est comprise entre -4 et -25°.
Hélice de ventilation selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle la variation de courbure entre le point d'inversion et la tête des pales (3b) est comprise entre 4 et 25°.
Hélice de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle les courbures des pales en pied (3a) et en tête (3b) différent de moins de 10°.
Hélice de ventilation selon la revendication 12, dans laquelle lesdites courbures sont toutes deux inférieures à 10°.
Groupe moto-ventilateur comprenant une hélice (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
Système de refroidissement de véhicule automobile comprenant un groupe moto-ventilateur selon la revendication précédente et un ou plusieurs échangeurs de chaleur traversés par le flux d'air généré par ladite hélice.