FR2989730A1 - Ventilateur pour automobile comportant un stator en amont de l'helice - Google Patents

Abstract

Dispositif de ventilation pour le refroidissement d'un fluide parcourant un circuit de refroidissement d'un véhicule automobile, ledit dispositif comportant une armature (2) munie d'un orifice, une hélice positionnée dans ledit orifice et un capot support (6) au niveau duquel l'hélice est actionnée en rotation autour d'un axe de rotation pour générer un flux de ventilation, ledit capot étant relié à ladite armature par une pluralité de bras de maintien (14) s'étendant en travers dudit orifice, caractérisé en ce que lesdits bras de maintien sont positionnés en amont de ladite hélice. Préférentiellement lesdits bras (14) ont en coupe axiale la forme d'une aile.

Description

VENTILATEUR POUR AUTOMOBILE COMPORTANT UN STATOR EN AMONT DE L'HÉLICE Le domaine de la présente invention est celui de l'automobile, et plus particulièrement celui de la circulation de l'air pour le refroidissement d'équipements du véhicule, notamment de son 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 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 qui sert à forcer la circulation d'air se caractérise par un débit élevé et une pression faible et, pour cela, présente un écoulement orienté de façon très axiale, car des machines à écoulement radial produiraient plus de pression mais moins de débit. La géométrie de l'hélice étant définie, il est connu de maintenir le ventilateur par un support qui est disposé en aval de l'hélice. Celui-ci peut être constitué de plusieurs bras simples lorsqu'on ne cherche à lui donner qu'une fonction de tenue mécanique ou bien de bras en forme de stators lorsqu'on cherche à leur donner également une fonction aérodynamique. Les stators sont, par ailleurs, connus dans le domaine des compresseurs où la giration du fluide est importante et où ils permettent un redressement significatif de l'écoulement. Ils sont en revanche peu utiles lorsqu'ils sont placés en aval d'une hélice de ventilateur, qui est faiblement chargée aérodynamiquement et qui génère une giration faible, comme dans le domaine des ventilateurs placés à l'avant des véhicules. Le niveau de frottement atteint sur les stators annule alors le gain aérodynamique qui pourrait être obtenu. Il reste néanmoins intéressant de chercher à améliorer les performances aérodynamiques des ventilateurs de face avant des véhicules automobiles, dans le but de réduire les pertes aérodynamiques et d'augmenter le rendement des hélices. La présente invention a ainsi pour but de proposer un agencement pour un ventilateur d'automobile qui améliore les performances de celui-ci par rapport aux modèles actuellement en service.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de ventilation pour le refroidissement d'un fluide parcourant un circuit de refroidissement d'un véhicule automobile, ledit dispositif comportant une armature munie d'un orifice, notamment cylindrique, une hélice, positionnée dans ledit orifice, et un capot au niveau duquel ladite hélice est actionnée en rotation autour d'un axe de rotation pour générer un flux de ventilation, ledit capot étant relié à ladite armature par une pluralité de bras de maintien s'étendant en travers dudit orifice. Selon l'invention, lesdits bras de maintien sont positionnés en amont de ladite hélice. La notion d'amont et d'aval est définie, par exemple, par rapport à la direction du flux d'air généré par l'hélice. Dans le cas d'armature formant une buse convergeant axialement vers l'orifice où l'hélice est positionnée depuis un interface de fixation à un ou des échangeurs destinés à être traversés par le flux d'air, l'amont pourra aussi être défini par la face concave avec des dispositif de ventilation soufflant, c'est-à-dire des dispositifs de ventilation configurés pour que le ou les échangeurs soient situés entre le dispositif de ventilation et un moteur du véhicule, ou par la face convexe de la buse avec des dispositifs de ventilation aspirant, c'est-à-dire des dispositifs de ventilation configurés pour que le dispositif de ventilation soient situés entre le ou les échangeurs et le moteur du véhicule. Le positionnement des bras en amont de l'hélice permet de leur donner une fonction aérodynamique et ainsi d'agir sur le rendement de l'hélice et/ou le niveau de pression qu'elle délivre en aval. Ladite hélice est actionnée en rotation autour de son axe de rotation par un moyen d'entraînement qui pourra être supporté par ledit capot. Avantageusement lesdits bras ont en coupe axiale une forme allongée dont la plus grande dimension est inclinée, dans une direction circonférentielle en allant de l'amont vers l'aval du flux de ventilation et dans le sens opposé à celui de rotation de l'hélice, de façon à conférer une composante radiale au flux d'air. De façon préférentielle lesdits bras ont, en coupe, la forme d'une aile. Le bord d'attaque de ladite aile est, par exemple, orienté selon l'axe de rotation de l'hélice, dans la direction faisant face au flux de ventilation. Préférentiellement le profil d'aile présente son intrados du côté de la direction d'arrivée du flux de ventilation. Dans un mode préférentiel de réalisation de l'invention l'angle de calage du profil d'aile par rapport à l'axe de rotation est compris entre 10 et 60°.

Dans un mode particulier de réalisation l'hélice comporte une virole périphérique à laquelle sont rattachées les têtes des pales, l'armature s'étendant vers l'intérieur de l'orifice de façon à recouvrir radialement l'extrémité amont de ladite virole. Le recouvrement de la virole a lieu, notamment, par l'amont.

Avantageusement le recouvrement de la virole périphérique se poursuit par une partie orientée axialement, en direction de l'aval, et s'étendant radialement à l'intérieur de ladite virole. De façon plus préférentielle la virole périphérique a la forme d'un cylindre de révolution et le recouvrement par l'armature a une forme en U.

L'invention porte également sur un module de refroidissement équipé d'un dispositif tel que décrit ci-dessus. Ledit module pourra comprendre un échangeur de chaleur situé en amont dudit dispositif. L'invention trouvera ses applications en particulier en tant dispositif de ventilation et/ou module de refroidissement pour face avant de véhicule.

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 simplifiée et schématique d'un module de refroidissement d'un bloc moteur d'un véhicule automobile ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif de ventilation pour moteur d'automobile, muni de bras simples de maintien de l'hélice ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif de ventilation pour automobile selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique du positionnement relatif d'un stator et d'une pale du dispositif de ventilation de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue détaillée, en coupe, du stator de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue schématique du triangle des vitesses dans le dispositif de ventilation de la figure 2 ; - la figure 7 est une vue schématique du triangle des vitesses dans le dispositif de ventilation de la figure 3 ; - la figure 8 est un diagramme montrant l'amélioration apportée par un dispositif de ventilation selon l'invention ; - la figure 9 est une vue en perspective avec coupe partielle d'un dispositif de ventilation selon l'invention avec un recouvrement de la virole de l'hélice, et - la figure 10 est une vue de détail de la figure 9.

En se référant à la figure 1, on voit un module de refroidissement 3 d'un bloc moteur 5 de véhicule automobile. Il comprend notamment une hélice 1 et un échangeur thermique 7 tel qu'un radiateur de refroidissement. L'hélice 1, positionnée ici entre le radiateur de refroidissement 7 et le bloc moteur 5, peut être agencée soit en avant soit en arrière du radiateur 7. Ces éléments 1, 5 et 7 sont sensiblement alignés axialement.

L'hélice 1 est montée en rotation autour d'un axe A. Lorsque l'hélice 1 est entraînée en rotation, par exemple par un moteur électrique (non représenté), l'hélice 1 brasse l'air et, l'entraîne à travers le radiateur. Le flux d'air s'écoule selon un sens d'écoulement orienté sensiblement du radiateur 7 vers le bloc moteur 5. Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » se référent au sens d'écoulement du flux d'air. La figure 2 montre un ventilateur comprenant une hélice 1 comportant des pales 11. Ladite hélice est portée par son armature de support 2. Sur l'armature de support 2, en amont de l'hélice 1, sont fixés des bras 4, par exemple radiaux, qui sont régulièrement disposés sur la circonférence de la découpe qui est pratiquée dans le support 2 pour laisser le passage au flux de ventilation. Ces bras sont des bras simples qui sont orientés radialement et qui présentent une symétrie par rapport au plan radial dans lequel ils s'étendent. De ce fait ils n'interagissent pas avec le flux qui traverse le ventilateur et n'ont aucune influence sur l'écoulement, si ce n'est la génération d'une force de traînée due au frottement de l'air ; en particulier ils ne modifient pas la direction suivie par celui-ci. Les bras 4 sont fixés du côté périphérique sur l'armature de support 2 de l'hélice et se rejoignent au centre sur un capot central fixe 6. A l'intérieur de ce capot sont fixés des paliers (non visibles sur la figure) qui sont porteurs de l'axe de rotation du moyeu 9 de l'hélice. L'hélice 1 est ainsi apte à se mouvoir en rotation au sein de la découpe pratiquée dans le support 2, dans le sens indiqué par la flèche Q de la figure, sous l'action du moteur électrique qui est positionné dans le capot central 6. La figure 3 montre un ventilateur amélioré selon l'invention. Il est analogue à celui de la figure 2 pour tous ses éléments, qui portent donc la même référence, à l'exception des bras de support du capot central 6. Les bras simples 4 de la figure 2 sont remplacés par des bras profilés, ou stators, ayant une fonction aérodynamique. Au lieu des bras en forme de plaques orientés selon la direction de l'écoulement qui traverse l'hélice, les stators 14 sont inclinés par rapport à cette direction de sorte que leur arête aval est décalée circonférentiellement par rapport à leur arête amont, dans le sens inverse de celle de rotation de l'hélice. De plus une forme particulière est donnée à ce stator pour améliorer son efficacité aérodynamique, en rapprochant celle-ci de la forme d'une aile. Le stator a ainsi une forme courbe définissant un extrados du côté aval de la rotation de l'hélice et un intrados du côté opposé. Il comporte également un bord d'attaque arrondi à son extrémité faisant face à l'écoulement et un bord de fuite plus mince à l'extrémité opposée. La figure 4 montre la disposition relative, en coupe dans un plan orienté axialement, d'une aube de stator 14 et d'une pale de l'hélice 1. Le flux d'air arrive selon une direction essentiellement perpendiculaire au sens de rotation et rencontre l'aube de stator qui le dévie dans un sens opposé à la rotation de l'hélice. Il est ensuite pris en charge par la pale de l'hélice 1 qui le propulse vers l'aval, ce qui accélère le mouvement de l'air à travers le radiateur. Le positionnement du stator dans le flux d'air est essentiellement défini par son angle de calage a, comme on peut le voir sur la figure 5, qui est l'angle entre l'axe de rotation de l'hélice (ou la direction d'arrivée de l'air en amont du ventilateur) et la corde de l'aube du stator, c'est-à-dire la ligne droite reliant le bord d'attaque au bord de fuite de l'aube de celle-ci. L'angle préférentiel, qui permet d'obtenir un bon fonctionnement aérodynamique, est, selon l'invention, compris entre 10 et 60°.

Les figures 6 et 7 décrivent le triangle des vitesses obtenu dans le cas, respectivement, d'un ventilateur selon la figure 2, comportant des bras simples alignés avec la direction amont de l'écoulement, et d'un ventilateur selon la figure 3, comportant des aubes de stators inclinées par rapport à cet écoulement. Le triangle des vitesses est une représentation graphique qui permet de concevoir la forme à donner à la pale d'une hélice pour optimiser son fonctionnement aérodynamique, en analysant l'angle sous lequel l'air arrive sur le bord d'attaque de celle-ci. La vitesse axiale V axiale est la vitesse de l'air qui arrive en amont de l'hélice 1. Elle dépend principalement du débit de l'hélice. La vitesse tangentielle est celle qui résulte de la rotation des pales de l'hélice et qui est égale au produit du rayon de rotation en un point par la vitesse de rotation Q de l'hélice.

En ajoutant vectoriellement la vitesse V axiale d'arrivée de l'air en amont du ventilateur à la vitesse tangentielle au bord d'attaque, on obtient le vecteur définissant la vitesse relative de la pale, au bord d'attaque, par rapport à l'air. Cette vitesse permet de connaître l'angle d'incidence de la pale et la valeur absolue de la vitesse relative de l'air, données avec lesquelles un homme du métier saura définir la forme optimale à donner à la pale.

Dans le cas d'un ventilateur selon la figure 2 où les bras 4 sont alignés dans le lit du vent, l'incidence de l'air au bord d'attaque de l'air ne résulte que des deux vitesses V axiale et R x Q, comme cela apparaît sur la figure 6. En revanche, lorsque ces bras sont en forme d'aubes de stator 14 la déflexion apportée par l'aube donne une composante circonférentielle à l'air avant son arrivée sur le bord d'attaque et il convient d'ajouter, comme on le voit sur la figure 7, la valeur de cette vitesse tangentielle dite de pré-rotation au produit R x Q pour déterminer l'incidence de l'air au bord d'attaque. La comparaison des deux figures montre que la direction incidente du flux d'air au niveau du bord d'attaque des pales du rotor permet plus facilement d'être en incidence positive ou sur incidence, c'est-à-dire d'attaquer lesdites pales par l'intrados, en présence d'aubes de stator 14 qu'en présence de bras droits 4. Pour obtenir, à V axiale constante, le même angle d'incidence avec des bras droits qu'avec des aubes de stator courbes, et donc les mêmes effets de compression, il faudrait augmenter la vitesse de rotation de l'hélice. L'invention permet donc en améliorant le fonctionnement aérodynamique de l'hélice d'obtenir un meilleur rendement pour celle-ci et/ou une augmentation, à vitesse de rotation constante, de la pression qu'elle délivre en aval. Le résultat obtenu est précisé sur la figure 8 qui montre pour chaque valeur de débit, en premier lieu par les courbes en traits pointillés, le gain obtenu sur la pression en aval de l'hélice et, en second lieu par les courbes en traits pleins, le gain en rendement de celle-ci.

On constate, pour tous les débits envisagés, un gain tant sur la pression délivrée que sur le rendement, ce qui démontre l'intérêt de l'invention. Par ailleurs, la disposition choisie pour l'invention qui consiste, outre la forme aérodynamique donnée aux bras de soutien 14, à les positionner en amont de l'hélice, permet de libérer de la place en aval de celle-ci, ce qui donne une nouvelle possibilité d'agencement dans le cas d'une hélice comportant une virole périphérique. La figure 9 montre un ventilateur dans lequel les pales 11 de l'hélice 1 sont attachées les unes aux autres, par leurs têtes, à une virole périphérique 12 de forme cylindrique qui s'étend selon l'axe de rotation de l'hélice. En référence aux figures 9 et 10, on voit que le support 2 présente un évidement 13 formant logement pour la virole périphérique 12. Cet évidement est lui aussi de forme cylindrique selon l'axe de rotation de l'hélice pour une première partie et il comporte une seconde partie de forme torique, qui prolonge sa partie cylindrique vers l'amont, en recouvrant l'extrémité amont de la virole 12 par une forme en U définissant une gorge. La paroi interne du tore est orientée selon une direction axiale et se situe ainsi radialement à l'intérieur du cylindre formé par la virole périphérique 12. De la sorte, l'air qui circule à l'extérieur de la virole 12, en remontant de l'aval de l'hélice vers l'amont, dénommé écoulement de jeu, est redirigé par ce recouvrement vers l'aval de l'hélice et il ne vient pas perturber son écoulement en amont. La suppression des tourbillons qui seraient associés au mélange de l'écoulement de jeu avec l'écoulement amont permet de gagner significativement en variation de pression et en rendement. Les courbes présentées sur la figure 8 sont données pour une configuration d'hélice avec recouvrement de sa virole périphérique 12 par un évidement 13 pratiqué dans le support 2.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de ventilation pour le refroidissement d'un fluide parcourant un circuit de refroidissement d'un véhicule automobile, ledit dispositif comportant une armature (2) munie d'un orifice, une hélice (1) positionnée dans ledit orifice et un capot (6) au niveau duquel l'hélice est actionnée en rotation autour d'un axe de rotation pour générer un flux de ventilation, ledit capot étant relié à ladite armature par une pluralité de bras de maintien (4, 14) s'étendant en travers dudit orifice, caractérisé en ce que lesdits bras de maintien sont positionnés en amont de ladite hélice.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel lesdits bras (14) ont en coupe axiale une forme allongée dont la plus grande dimension est inclinée de façon à conférer une composante radiale au flux d'air, dans le sens opposé à celui de rotation de l'hélice.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel lesdits bras ont, en coupe, la forme d'une aile.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel le profil d'aile présente son intrados du côté de la direction d'arrivée du flux de ventilation.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4 dans lequel l'angle de calage du profil d'aile par rapport à l'axe de rotation est compris entre 10 et 60°.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel l'hélice (1) comporte une virole périphérique (12) à laquelle sont rattachées les têtes des pales (11), l'armature (2) s'étendant vers l'intérieur de l'orifice de façon à recouvrir radialement l'extrémité amont de ladite virole.
7. 7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel le recouvrement de la virole périphérique (12) se poursuit par une partie orientée axialement, en direction de l'aval, et s'étendant radialement à l'intérieur de ladite virole.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7 dans lequel la virole périphérique (12) a la forme d'un cylindre de révolution et dans lequel le recouvrement par l'armature (2) a une forme en U.
9. 9. Module de refroidissement comprenant un dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. 10. Module selon la revendication 9 comprenant un échangeur de chaleur situé en amont dudit dispositif.