ES2198929T3

ES2198929T3 - Helice de ventilador.

Info

Publication number: ES2198929T3
Application number: ES99934796T
Authority: ES
Inventors: Stephane Moreau; Bruno Dessale; Eric Coggiola
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2004-02-01
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: WO2000006913A1; EP1034376A1; DE69907134T2; FR2781843A1; US6350104B1; DE69907134D1; EP1034376B1; FR2781843B1

Abstract

Hélice de ventilador, particularmente para la refrigeración del motor de arrastre de un vehículo automóvil, que comprende un cubo (2) y palas (1) que se extienden radialmente hacia el exterior a partir del cubo, siendo el cubo adecuado para ser fijado en el árbol de un motor con el fin de permitir al motor transmitir a la hélice una potencia de al menos 150 vatios, caracterizado por el hecho de que su longitud axial L, medida en metros es inferior o igual al valor L0 dado por la fórmula (I) siguiente: L0 = 0, 426262 - 5, 14288.D + 23, 1798.D2 - 44, 2505.D3 + 30, 8841.D4, siendo D el diámetro de la hélice medido en metros, estando D comprendido entre 0, 2 y 0, 5 metros.

Description

Hélice de ventilador.

La invención se refiere a una hélice de ventilador que comprende un cubo y palas que se extienden radialmente hacia el exterior a partir del cubo, siendo el cubo adecuado para ser fijado al árbol de un motor con el fin de permitir al motor transmitir a la hélice una potencia de al menos 150 vatios.

Tales hélices se utilizan particularmente para la refrigeración del motor de arrastre de vehículos automóviles, produciendo la hélice un flujo de aire a través de un radiador de refrigeración y son conocidas por ejemplo por la solicitud de patente EP 0 096 255 A1.

Hasta ahora era admitido que los rendimientos aeráulicos y acústicos de tales hélices son tanto mejores cuanto más importantes son su diámetro y su longitud axial.

El lugar disponible en el compartimiento motor de los vehículos al ser generalmente muy limitado, es deseable disponer de hélices de refrigeración que ocupen un espacio reducido, particularmente en la dirección axial.

De forma sorprendente, se ha descubierto que, para un diámetro dado, los rendimientos aeráulicos y acústicos prácticamente no se deterioran sin llegar a una cierta longitud axial óptima.

La invención se refiere particularmente a una hélice del tipo definido en la introducción, y prevé que su longitud axial L, medida en metros, no sea notablemente superior al valor L_{0} dado por la fórmula (I) siguiente:

L_{0} = 0,426262 - 5,14288.D + 23,1798.D^{2} - 44,2505.D^{3} + 30,8841.D^{4}

siendo D el diámetro de la hélice medido en metros.

Al menos para ciertas configuraciones geométricas de4 las palas, es preferible que L no sea notablemente inferior a L_{0}, pues más allá los rendimientos disminuyen.

Preferentemente, el campo de variación de L con relación a L_{0}, hacia arriba y llegado el caso hacia abajo, es

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del 20%.

Las relaciones indicadas anteriormente valen muy particularmente cuando la configuración geométrica de la hélice presenta al menos algunas de las particularidades siguientes:

- Los extremos axiales de las palas y del cubo vueltas río abajo del flujo de aire producido por la hélice están apreciablemente contenidos en un mismo plano radial.

- El borde de fuga de las palas está completamente contenido en el citado plano radial.

- Los extremos axiales de las palas y del cubo vueltos río arriba del flujo de aire producido por la hélice están apreciablemente conte3nidos en un mismo plano radial.

- Los extremos radialmente externos de las palas están unidos entre sí por una virola.

- Las palas son apreciablemente idénticas entre sí y uniformemente espaciadas en la dirección circunferencial según un paso angular \beta, estando el punto situado a media distancia de los bordes de ataque y de fuga en el extremo radialmente externo desplazado con relación al punto correspondiente al pie de la pala, en el sentido opuesto al sentido de rotación de la hélice, por un ángulo \alpha comprendido entre la mitad y las tres cuartas partes aproximadamente de dicho paso angular. Esto se refiere al caso de las hélices denominadas simétricas.

- Los bordes de ataque y de fuga de cada pala están alabeados en el sentido de rotación de la hélice, distanciándose progresivamente el punto situado a media distancia de estos hacia la parte posterior del plano axial que contiene su posición respecto al pie de la pala, volviendo luego progresivamente hasta este plano, en una fracción de la extensión radial de la pala comprendida entre un 20% y un 70%, y distanciándose progresivamente de este mismo plano hacia delante en la fracción restante.

- El ángulo agudo \Omega entre la cuerda de la sección transversal aplastada de una pala y un plano radial disminuye progresivamente al menos en los últimos 30% de la extensión radial de la pala.

- El cubo comprende una pared apreciablemente cilíndrica a partir de la cual se extienden las palas, y una pared de fondo dispuesta apreciablemente según un plano radial, vuelta río arriba del flujo de aire producido por la hélice, estando la pared cilíndrica y la pared de fondo unidas entre sí por un redondeado convexo, con un radio de curvatura comprendido entre 4 y 8 mm.

- El redondeado tiene sensiblemente un perfil en cuarto de círculo con un radio de 5 mm.

- Las palas se extienden por toda la longitud axial de la pared cilíndrica del cubo.

- El cubo es hueco y presenta interiormente unas nervaduras.

Las características y ventajas de la invención se expondrán con más detalle en la descripción dada a continuación, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1 es una vista axial de la parte posterior de una hélice de ventilador según la invención;

- la figura 2 es una vista lateral en media sección axial de la hélice;

- la figura 3 es una parte ampliada de la figura 1;

- la figura 4 es una vista por encima del cubo de la hélice que muestra además la forma de la sección transversal aplastada de una pala;

- las figuras 5 y 6 son gráficos que ilustran la longitud axial en función del diámetro para hélices de ventilador conocidas y para hélices de ventilador según la invención; y

- la figura 7 muestra a mayor escala que la figura 4 la sección transversal aplastada de la pala en la proximidad del borde de ataque de ésta.

La hélice ilustrada en las figuras 1 a 4 comprende, de forma clásica, una multiplicidad de palas 1 que se extienden generalmente de forma radial a partir de un cubo central 2 y unidas entre sí, con la periferia de la hélice, por una virola 3. El cubo, las palas y la virola están formados por una sola pieza por moldeado. El cubo 2 presenta una pared anular cilíndrica de revolución 4, a la cual se unen los pies de las palas 1, y una pared frontal plana 5, vuelta río arriba, los términos río arriba y río abajo se refieren aquí al sentido del flujo de aire producido por la rotación de la hélice. Las paredes 4 y 5 están unidas entre sí por un redondeado 6 con perfil en arco de círculo con un radio de 5 mm. En dirección al eje A de la hélice, la pared 5 se une con un manguito central 7 sobremoldeado sobre un elemento de inserción anular metálico 8 destinado para la unión de la hélice con el árbol de un motor de arrastre no representado. Unas nervaduras de refuerzo 9 se encuentran previstas en el interior del cubo 2. La virola 3 presenta igualmente una pared anular cilíndrica de revolución 10, a la cual se unen los extremos de las palas, y que se continúa, por el lado río arriba, por un ensanchamiento redondeado 11.

Los extremos axiales del cubo y de la virola vuelta río abajo del flujo de aire y el borde de fuga de las palas están contenidas en un mismo plano radial 19. Por el contrario, la pared 5 del cubo, que, en la figura 1, representa el extremo axial de este por el lado río arriba, está dispuesta en saliente con relación al extremo correspondiente de la virola 3. En cuanto a la posición del borde de ataque de las palas, se desplaza progresivamente río abajo desde el pie de las palas, donde queda situado en el extremo río arriba de la pared cilíndrica 4, es decir a 5 mm río abajo de la superficie río arriba de la pared 5, hasta la proximidad del extremo río arriba de la pared cilíndrica 10.

Según la invención, como se aprecia en la figura 1, el punto M_{s} situado a media distancia del borde de ataque 21 y del borde de fuga 20 de una pala 1, en el extremo radialmente exterior de ésta, está desplazado por un ángulo \alpha, en el sentido de rotación de la hélice, indicado por la flecha F1, con relación al punto M_{p} situado a media distancia de los bordes de ataque y de fuga respecto al pie de la pala. El ángulo \alpha está ventajosamente comprendido entre la mitad y las tres cuartas partes aproximadamente del paso angular \beta de las palas.

Se aprecia igualmente en las figuras 1 y 3 que el borde de ataque 21 y el borde de fuga 20 de cada pala están alabeados en el sentido de rotación F1, así como la línea central 23 a lo largo de la cual se desplaza, del pie al extremo de la pala, teniendo el punto M situado a media distancia de los bordes de ataque y de fuga, la línea 23 por extremos los puntos M_{p} y M_{s} anteriormente citados. A partir de M_{p}, la línea 23 se distancia progresivamente hacia atrás del plano axial P que contiene éste, luego vuelve progresivamente para cortar el plano P en un punto M_{i}. La misma se distancia seguidamente de forma progresiva de este mismo plano hacia delante, hasta el punto M_{s}. La distancia entre los puntos M_{p} y M_{i} representa entre un 20 y un 70% de la extensión radial de las palas, es decir de la distancia entre las paredes cilíndricas 4 y 10.

La figura 4 muestra la sección transversal aplastada de una pala, es decir la curva cerrada plana obtenida cortando la pala por una superficie cilíndrica de revolución alrededor del eje A de la hélice, y desarrollando en plano esta superficie cilíndrica. Esta sección transversal aplastada presenta un perfil en ala de avión, cuya cuerda 25 está inclinada por un ángulo agudo \Omega con relación a un plano radial tal como el plano 19 que contiene el extremo río abajo de la hélice. La invención prevé que el ángulo \Omega, o ángulo de calado, disminuya progresivamente en el último 30% de la extensión radial de la pala, es decir desde la superficie cilíndrica 27 indicada en la figura 3 hasta la pared 10, representando la distancia entre la superficie 27 y la pared 10 un 30% de la distancia entre las paredes 4 y 10.

Ventajosamente, el punto 28 de la sección transversal aplastada más alejado de la cuerda 25 se encuentra apreciablemente a igual distancia de los extremos de ésta, mientras que la distancia h entre el punto 28 y la cuerda 25 es al menos igual al 3% de la longitud 1 de ésta, y en particular igual al 10% de ésta longitud.

La figura 7 muestra a mayor escala la región de la sección transversal aplastada de la pala próxima al borde de ataque. Según la invención, el perfil de la pala comprende en esta región un arco de elipse 29, siendo la relación de los ejes de la elipse superior a 1,5.

En el gráfico de la figura 5, cada uno de los puntos marcados por una cruz, un triángulo, un cuadrado o un círculo tiene por coordenadas el diámetro y la longitud axial, en milímetros, de la hélice de un ventilador de refrigeración existente en el mercado.

La tabla dada a continuación proporciona la longitud axial y el rendimiento máximo para hélices de ventilador con diámetros usuales para la refrigeración de los motores de vehículos automóviles, a saber 280, 320, 350, 380 y 450 mm. El rendimiento máximo es el valor máximo del rendimiento obtenido modificando la velocidad de rotación del ventilador. La tabla se refiere, para cada diámetro, a cinco hélices designadas por las referencias 1 a 5, estando las cuatro primeras hélices disponibles en el comercio y la quinta es una hélice según la invención. Algunas de las hélices referenciadas 1 a 4 corresponden a puntos marcados en la figura 5.

Diámetro 280 mm
Referencia	1	2	3	4	5
Longitud axial (mm)	45	32	42	50	22
Rendimiento máximo (%)	54	45	49	52	59
Diámetro 320 mm
Referencia	1	2	3	4	5
Longitud axial (mm)	53	32	44	44	28
Rendimiento máximo (%)	50	47	55	55	55
Diámetro 350 mm
Referencia	1	2	3	4	5
Longitud axial (mm)	38	47	47	55	32
Rendimiento máximo (%)	50	47	51	51	54

Referencia	1	2	3	4	5
Longitud axial (mm)	42	40	40	45	35
Rendimiento máximo (%)	55	55	54	56	59
Diámetro 450 mm
Referencia	1	2	3	4	5
Longitud axial (mm)	54	89	52	60	40
Rendimiento máximo (%)	56	47	52	56	56

Las hélices referenciadas con 5 han sido definidas por el método de cálculo conocido bajo la denominación "Computational Fluid Dynamics" (CFD), descrito por Eric Coggiola et al. en el artículo AIAA 98-0772 "On the use of CFD in the automotive engine cooling fan system design" presentado por Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, en Reno, estados Unidos de América, del 12 al 15 de enero 1998.

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En la figura 5, los puntos que corresponden a las hélices referenciadas con 5 están indicados por estrellas de ocho brazos. La fórmula (I) no es otra que la ecuación de la curva C1 que pasa apreciablemente por estos puntos. En el ámbito considerado, es decir, para diámetros comprendidos entre 0,2 y 0,5 m aproximadamente, esta ecuación puede ser en la práctica sustituida por la ecuación lineal aproximada (II):

L_{0} = - 0,00584 + 0,105.D

estando L_{0} y D medidos en metros. La recta representativa de esta ecuación está representada por C2 en la figura 5. Las curvas C1 y C2 se reproducen en la figura 6, a una mayor escala para las ordenadas.

Se aprecia en la figura 5 que, para un diámetro dado, la longitud axial de las hélices existentes es más elevada, a veces muy apreciablemente, que el valor L_{0} dado por la fórmula I. Se aprecia por otro lado en la tabla que el rendimiento máximo de la hélice según la invención, para un diámetro dado, es superior, o aproximadamente igual, al rendimiento máximo de las hélices conocidas, obteniéndose tan sólo una ligera superioridad de estas últimas, en casos limitados, a coste de una ocupación de espacio axial sensiblemente superior.

Claims

1. Hélice de ventilador, particularmente para la refrigeración del motor de arrastre de un vehículo automóvil, que comprende un cubo (2) y palas (1) que se extienden radialmente hacia el exterior a partir del cubo, siendo el cubo adecuado para ser fijado en el árbol de un motor con el fin de permitir al motor transmitir a la hélice una potencia de al menos 150 vatios, caracterizado por el hecho de que su longitud axial L, medida en metros es inferior o igual al valor L_{0} dado por la fórmula (I) siguiente:

L_{0} = 0,426262 - 5,14288.D + 23,1798.D^{2} - 44,2505.D^{3} + 30,8841.D^{4}

siendo D el diámetro de la hélice medido en metros, estando D comprendido entre 0,2 y 0,5 metros.

2. Hélice de ventilador, particularmente para la refrigeración del motor de arrastre de un vehículo automóvil, que comprende un cubo (2) y palas (1) que se extienden radialmente hacia el exterior a partir del cubo, siendo el cubo adecuado para ser fijado al árbol de un motor con el fin de permitir al motor transmitir a la hélice una potencia de al menos 150 vatios, caracterizado por el hecho de que su longitud axial L, medida en metros es inferior o igual al valor L_{0} dado por la fórmula (II) siguiente:

L_{0} = - 0,00584 + 0,105.D

3. Hélice según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada por el hecho de que L es sensiblemente

\hbox{igual a L _{0} .}

4. Hélice según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada por el hecho de que L no se distancia de L_{0} más del 20%.

5. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que los extremos axiales de las palas y del cubo vueltas río abajo del flujo de aire producido por la hélice están apreciadamente contenidos en un mismo plano radial (19).

6. Hélice según la reivindicación 5, caracterizada por el hecho de que el borde de fuga de las palas está completamente contenido en el citado plano radial.

7. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que los extremos axiales de las palas y del cubo vueltos río arriba del flujo de aire producido por la hélice están apreciablemente contenidos en un mismo plano radial.

8. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que los extremos radialmente externos de las palas están unidos entre sí por una virola (3).

9. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que las palas son apreciablemente idénticas entre sí y uniformemente espaciadas en la dirección circunferencial según un paso angular \beta, estando el punto (M_{s}) situado a media distancia de los bordes de ataque y de fuga en el extremo radialmente externo desplazado con relación al punto correspondiente (M_{p}) al pie de la pala, en el sentido opuesto al sentido de rotación (F1) de la hélice, por un ángulo \alpha comprendido entre la mitad y las tres cuartas partes aproximadamente de dicho paso angular.

10. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que los bordes de ataque y de fuga de cada pala están alabeados en el sentido de rotación de la hélice, distanciándose progresivamente el punto (M) situado a media distancia de estos hacia la parte posterior del plano axial (P) que contiene su posición (M_{p}) respecto al pie de la pala, volviendo luego progresivamente hasta este plano, en una fracción de la extensión radial de la pala comprendida entre un 20% y un 70%, y distanciándose progresivamente de este mismo plano hacia delante en la fracción restante.

11. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que el ángulo agudo \Omega entre la cuerda (25) de la sección transversal aplastada de una pala y un plano radial (19) disminuye progresivamente al menos en los últimos 30% de la extensión radial de la pala.

12. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que el cubo comprende una pared apreciablemente cilíndrica (4) a partir de la cual se extienden las palas, y una pared de fondo (5) dispuesta apreciablemente según un plano radial vuelto río arriba del flujo de aire producido por la hélice, estando la pared cilíndrica y la pared de fondo unidas entre sí por un redondeado convexo (6) con un radio de curvatura comprendido entre 4 y 8 mm.

13. Hélice según la reivindicación 12, caracterizada por el hecho de que el redondeado tiene apreciablemente un perfil en cuarto de círculo con un radio de 5 mm.

14. Hélice según una de las reivindicaciones 12 y 13, caracterizada por el hecho de que las palas se extienden por toda la longitud axial de la pared cilíndrica (6) del cubo.

15. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que el cubo está hueco y presenta interiormente unas nervaduras (9).