EP0298861B1 - Pale falciforme pour hélice et son application notamment aux motoventilateurs pour automobiles - Google Patents

Pale falciforme pour hélice et son application notamment aux motoventilateurs pour automobiles Download PDF

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EP0298861B1
EP0298861B1 EP88401755A EP88401755A EP0298861B1 EP 0298861 B1 EP0298861 B1 EP 0298861B1 EP 88401755 A EP88401755 A EP 88401755A EP 88401755 A EP88401755 A EP 88401755A EP 0298861 B1 EP0298861 B1 EP 0298861B1
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propeller
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Jean-Claude Vera
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ECIA Equipements et Composants pour lIndustrie Automobile SA
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38Blades
    • F04D29/384Blades characterised by form

Definitions

  • the present invention relates to blades for a fan motor propeller used in particular in the automotive industry.
  • propellers are used, in particular for fans. This is the case in the automobile industry where motor fans are associated with heat-engine cooling radiators.
  • each blade of a propeller in particular of a fan unit, produces a wake which rotates at the speed of rotation of the propeller.
  • This wake generates a sound which is intense when it encounters a fixed obstacle. This is the case for example when the wake meets the arms of the supports of a fan unit which support the latter to maintain it in a fixed position relative to the radiator with which it is associated.
  • Such axial fans generate a highly turbulent wake which generates significant noise. Indeed, each time the wake of a blade passes in front of a support arm it produces a mechanical impulse which causes a particular noise adding to the aerodynamic noise of the fan and the noise of the motor which drives it.
  • the structure of the wake generated by a blade is a function of the aerodynamic definition of the latter and, in particular, of the evolution of the speed field in the channels which form between two neighboring blades.
  • these wakes can create around the support arms non-stationary systems which are sources of noise if the gap between the trailing edges of the blades of the support arms is relatively small. It has been found that the wake which is in the extension of the trailing edges of the blades disappears relatively quickly at a certain distance downstream, relative to the trailing edge, due to the damping due to the viscosity of the air and that this wake is then lost in the general turbulence of the flow.
  • Fan blades have already been proposed. Solutions are for example set out in documents EP-A-O 192 653 and EP-A-O 294 688, the latter document published after the priority date of this patent. The blades described therein are of a type listed in the preamble to the main claim.
  • the object of the invention is to construct a propeller blade, in particular of a fan unit for automobile use, the geometry of which gives it, at relatively fast speeds, great aerodynamic performance and a high level of silence.
  • the subject of the invention is a blade for a propeller, in particular a fan for a motor vehicle. consisting of a cylindrical central hub to which are fixed the feet of at least two blades where this blade has a leading edge and a trailing edge which are both curved and which are arranged one relative to the other of way to give the blade a sickle-shaped configuration, and where this sickle-shaped configuration tapers from the foot towards the periphery, characterized in that the respective concavities of the curved leading and trailing edges are directed downstream in the direction of flow of the fluid and in that the curved trailing edge consists of two arcs whose own mean radii of curvature are different and are connected without angular point.
  • such a blade is intended for a propeller which comprises an outer fairing made of a peripheral ferrule to which the blade heads are fixed.
  • This type of blade is particularly well suited for fan motor propellers associated with radiators of heat engines of automobiles.
  • the propeller blade according to the invention is intended to be used to make a propeller for a cooling radiator fan of automobile heat engines. It is clear however that such a blade which makes it possible to reduce the noise generated by its wake when it encounters a fixed obstacle located close to its trailing edge and in the wake of the latter, can receive other applications. .
  • a blade 10 is part of a propeller consisting of a central hub 20 and a peripheral ferrule 30.
  • the feet 12 and the blade heads 13 are fixed to this hub and to this ferrule respectively.
  • the blade 10 has a leading edge 14 and a trailing edge 15.
  • Support arms or the like which are intended to support the fan are not shown.
  • leading edges 14 and trailing edges 15 are both curved and are arranged relatively to one another so as to give the blade a sickle-shaped, or saber-like configuration, which going thinner from the foot to the blade head.
  • the respective concavities of the leading edges 14 and trailing edges 15 are directed downstream, in the direction of flow of the fluid shown diagrammatically by the direction of the arrow.
  • the trailing edge 15 consists of two arcs 152, 153 whose radii of curvature ⁇ 2 and ⁇ 3 proper means are different and are connected without angular point.
  • These curve arcs 152 and 153 are arcs of a circle or arcs of conics for example of centers 02 and 03 respectively.
  • the mean radius of curvature ⁇ 2 of the arc 152 located on the side of the foot 12 of the blade, must be smaller than the mean radius of curvature 3 of the arc 153, located on the side of the blade head 13.
  • this radius ⁇ 2 of the arc 152 is approximately approximately between a quarter and a third of the outside diameter D2 of the means 20 measured at the foot of the blade.
  • a value between approximately a quarter and a quarter is adopted for the radius ⁇ 2 of the arc 152 located on the blade 12 foot side.
  • the sickle-shaped configuration of the blade is such that the ratio of the lengths of the feet 12 and heads 13 of the blade, respectively, is of the order of about 0.4.
  • blades according to the invention and according to the prior art have geometries calculated according to conventional techniques so as to have similar aerodynamic performance with regard to the flow rates and the static pressure. Only the profiles of the leading and trailing edges change, curves according to the invention, rectilinear according to the prior art.
  • these propellers provide a flow of 1700 m3 / h with a static pressure of 15 mm of water column when the blade head diameter is 305 mm and the blade foot diameter 124 mm and when doing turn the conventional propeller at 2580 rpm and the propeller according to the invention at 2650 rpm.
  • These two propellers are associated with the same engine and the same vehicle radiator using support arms which have the same configuration.
  • Fig. 2 the sound pressure levels are analyzed in thirds of octaves and the overall noise level is represented weighted according to standard A.
  • the invention it has been possible to increase the axial distance which separates the trailing edge of the propeller blade from the fixed obstacles which constitute the support arms of the fan motor or the like and which generate noise.
  • the invention makes it possible to obtain a relatively low sound level by displacement of the frequency spectrum of the acoustic energy in the direction of the frequencies which correspond to a lower sensitivity of the human ear.

Description

  • La présente invention concerne les pales pour hélice de motoventilateurs utilisées notamment dans l'industrie automobile.
  • Dans de nombreux secteurs techniques on utilise des hélices notamment pour des ventilateurs. C'est le cas dans l'industrie automobile où l'on associe des motoventilateurs aux radiateurs de refroidissement des moteurs thermiques.
  • Comme on le sait, chaque pale d'une hélice, notamment d'un groupe motoventilateur, produit un sillage qui tourne à la vitesse de rotation de l'hélice. Ce sillage est générateur d'un son qui est intense lorsqu'il rencontre un obstacle fixe. C'est le cas par exemple lorsque le sillage rencontre les bras des supports d'un groupe motoventilateur qui soutiennent ce dernier pour le maintenir en position fixe par rapport au radiateur auquel il est associé.
  • De tels ventilateurs axiaux sont générateurs d'un sillage fortement turbulent qui génère des bruits importants. En effet, chaque fois que le sillage d'une pale passe devant un bras support il produit une impulsion mécanique qui entraîne un bruit particulier s'ajoutant au bruit aérodynamique du ventilateur et du bruit du moteur qui l'entraîne.
  • On saisit donc tout l'intérêt qu'il y a à diminuer le bruit engendré par un tel sillage tournant qui défile devant les bras _ support du ventilateur pour obtenir un fonctionnement plus silencieux.
  • La structure du sillage générée par une pale est fonction de la définition aérodynamique de cette dernière et, en particulier, de l'évolution du champ de vitesses dans les canaux qui se forment entre deux pales voisines. On a pu observer tout spécialement, que ces sillages peuvent créer autour des bras support des systèmes non-stationnaires qui sont sources de bruit si l'intervalle qui sépare les bords de fuite des pales des bras support est relativement petit. On a constaté que le sillage qui se trouve dans le prolongement des bords de fuite des pales disparaît relativement vite a une certaine distance en aval, par rapport au bord de fuite, du fait de l'amortissement dû à la viscosité de l'air et que ce sillage se perd alors dans la turbulence générale de l'écoulement.
  • On voit donc que si l'on peut réussir à augmenter la distance qui sépare le bord de fuite d'une telle pale d'hélice des brass support qui la maintiennent sans pour autant augmenter l'encombrement axial de l'ensemble, on peut réduire le bruit engendré par le sillage lorsqu'il vient rencontrer des bras de fixation ou analogues.
  • Des pales de ventilateur ont déjà été proposées. Des solutions sont par exemple exposées dans les documents EP-A-O 192 653 et EP-A-O 294 688, ce dernier document publié après la date de priorité de ce brevet. Les pales qui y sont décrites sont d'un type énuméré dans le préambule de la revendication principale.
  • Le but de l'invention est de construire une pale d'hélice notamment de groupe motoventilateur à usage automobile, dont la géométrie lui confère, à des régimes de rotation relativement rapides, de grandes performances aérodynamiques et un niveau de silence important.
  • Pour parvenir à ce résultat on a fait en sorte qu'au moins la section prépondérante de la pale qui est génératrice du bruit acoustique soit le plus éloignée possible des obstacles fixes des bras support ou analogues.
  • L'invention a pour objet une pale pour hélice notamment de ventilateur pour véhicule automobile constituée d'un moyeu central cylindrique auquel sont fixés les pieds d'au moins deux pales où cette pale présente un bord d'attaque et un bord de fuite qui sont tous deux courbes et qui sont agencés l'un relativement à l'autre de manière à donner à la pale une configuration falciforme, et où cette configuration falciforme va s'amincissant du pied vers la périphérie, caractérisée en ce que les concavités respectives des bords d'attaque et de fuite courbes sont dirigées vers l'aval dans le sens d'écoulement du fluide et en ce que le bord de fuite courbe est constitué de deux arcs dont les rayons de courbure moyens propres sont différents et se raccordent sans point anguleux.
  • De préférence, une telle pale est destinée à une hélice qui comprend un carénage extérieur fait d'une virole périphérique à laquelle les têtes de pale sont fixées.
  • Ce type de pale convient particulièrement bien pour des hélices de motoventilateurs associés aux radiateurs des moteurs thermiques des automobiles.
  • D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent et de l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, où:
    • la Fig. 1 est une coupe méridienne axiale schématique partielle représentant une pale d'hélice suivant l'invention; et
    • les Fig. 2A et 2B illustrent respectivement le bruit engendré par une hélice suivant l'invention et celui engendré par une hélice conforme à la technique antérieure dont les caractéristiques de vitesse et de débit ainsi que les dimensions sont pratiquement les mêmes.
  • Les pales d'hélice pour motoventilateurs étant bien connues dans la technique, on ne décrira que ce qui se rapporte à l'invention. Pour le reste l'homme du métier puisera dans les solutions classiques à sa disposition pour résoudre les problèmes spécifiques qui lui sont posés.
  • Dans ce qui suit on supposera que la pale pour hélice suivant l'invention est destinée à être utilisée pour faire une hélice pour un ventilateur de radiateur de refroidissement des moteurs thermiques d'automobiles. Il est clair toutefois qu'une telle pale qui permet de réduire le bruit qu'engendre son sillage lorsqu'il rencontre un obstacle fixe situé à proche distance de son bord de fuite et dans le sillage de ce dernier, peut recevoir d'autres applications.
  • Comme on le voit sur la Fig. 1, une pale 10 fait partie d'une hélice constituée d'un moyeu 20 central et d'une virole 30 périphérique. Les pieds 12 et les têtes 13 de pale sont fixés à ce moyeu et à cette virole respectivement.
  • La pale 10 présente un bord d'attaque 14 et un bord de fuite 15.
  • Des bras support ou analogues qui sont destinés à soutenir le motoventilateur ne sont pas représentés.
  • Comme on le voit sur l'illustration, les bords d'attaque 14 et de fuite 15 sont tous deux courbes et sont agencés relativement l'un à l'autre de manière à donner à la pale une configuration falciforme, ou en sabre, qui va s'amincissant du pied vers la tête de pale. Comme on l'observe sur le dessin, les concavités respectives des bords d'attaque 14 et de fuite 15 sont dirigés vers l'aval, dans le sens d'écoulement du fluide schématisé par la direction de la flèche.
  • On note que le bord de fuite 15 est constitué de deux arcs 152, 153 dont les rayons de courbure ρ2 et ρ3 moyens propres sont différents et se raccordent sans point anguleux. Ces arcs de courbe 152 et 153 sont des arcs de cercle ou des arcs de coniques par exemple de centres 0₂ et 0₃ respectivement.
  • Pour obtenir la réduction maximale du bruit sans perte d'efficacité par rapport à une hélice traditionnelle, on a observé que le rayon de courbure ρ2 moyen de l'arc 152, situé du côté du pied 12 de la pale, doit être plus petit que le rayon de courbure 3 moyen de l'arc 153, situé du côté de tête 13 de pale. De préférence ce rayon ρ2 de l'arc 152 est compris approximativement entre le quart et le tiers environ du diamètre extérieur D₂ du moyen 20 mesuré au pied de pale.
  • Par exemple, pour un moyeu 20 dont la longueur axiale ou épaisseur est de l'ordre de 55 mm on adopte pour le rayon ρ₂ de l'arc 152 situé du côté de pied 12 de pale, une valeur comprise approximativement entre le quart et le tiers du diamètre de la virole 30 mesuré en tête de pale. Pour une longueur axiale du moyeu 20 ne dépassant pas 38 mm, on choisit pour le rayon ρ₂ une valeur égale à environ la moitié de ce diamètre de la virole.
  • Ceci vaut tout spécialement pour les sections médianes de la pale, les plus énergétiques sur le plan de l'émission acoustique. Ces sections occupent approximativement une zone à peu près également répartie entre pied et tête de pale qui s'étend sur environ les trois quarts de celle-ci.
  • Suivant l'invention, la configuration falciforme de la pale est telle que le rapport des longueurs des pieds 12 et têtes 13 de pale, respectivement, est de l'ordre de 0,4 environ.
  • Les dimensions indiquées sont des ordres de grandeur. C'est par exemple ainsi qu'on a observé que le rayon de courbure ρ3 moyen de l'arc 153 situé du côté de tête 13 de pale, est fonction de la longueur axiale L du moyeu 20.
  • Pour illustrer l'amélioration qu'apporte une pale d'hélice suivant l'invention, on a comparé ses caractéristiques sonores avec celles d'une pale traditionnelle illustrée schématiquement sur la Fig. 1 en trait mixte discontinu.
  • Ces pales suivant l'invention et suivant la technique antérieure ont des géométries calculées suivant les techniques classiques de manière à avoir des performances aérodynamiques analogues en ce qui concernent les débits et la pression statique. Seuls changent les profils des bords d'attaque et de fuite, courbes suivant l'invention, rectilignes suivant la technique antérieure.
  • Par exemple, ces hélices procurent un débit de 1700 m³/h avec une pression statique de 15 mm de colonne d'eau lorsque le diamètre de tête de pale est de 305 mm et le diamètre de pied de pale 124 mm et lorsqu'on fait tourner l'hélice classique à 2580 tr/mn et l'hélice suivant l'invention à 2650 tr/mn. On associe ces deux hélices au même moteur et au même radiateur de véhicule à l'aide de bras support qui ont la même configuration.
  • Les performances de ces deux hélices sont illustrées respectivement sur la Fig. 2A pour l'hélice suivant l'invention et sur la Fig. 2B pour une hélice traditionnelle. Sur ces graphiques on a porté en abscisses les fréquences sonores en kHz et le niveau sonore en dB. On constate immédiatement la réduction du niveau sonore global pour l'hélice suivant l'invention puisque ce dernier est de 61,5 dB alors que pour une hélice traditionnelle il est de 66,5 dB.
  • Sur la Fig. 2, les niveaux de pression acoustique sont analysés en tiers d'octaves et le niveau du bruit global est représenté pondéré suivant la norme A.
  • On observe aussi que le maximum est atteint pour une fréquence plus basse avec une pale suivant l'invention.
  • Grâce à l'invention on a pu augmenter la distance axiale qui sépare le bord de fuite de la pale de l'hélice des obstacles fixes que constituent les bras support du motoventilateur ou analogues et qui sont générateurs de bruit. L'invention permet d'obtenir un niveau sonore relativement bas par déplacement du spectre de fréquences de l'énergie acoustique en direction des fréquences qui correspondent à une moindre sensibilité de l'oreille humaine.

Claims (9)

1. Pale (10) pour hélice notamment de ventilateur pour véhicule automobile constituée d'un moyeu (20) central auquel les pieds (12) de pale sont fixés, où cette pale présente un bord d'attaque (14) et un bord de fuite (15) qui sont tous deux courbes et qui sont agencés l'un relativement à l'autre de manière à donner à la pale une configuration falciforme, et où cette configuration falciforme va s'amincissant du pied (12) vers la périphérie, caractérisée en ce que les concavités respectives des bords d'attaque (14) et de fuite (15) courbes sont dirigés vers l'aval dans le sens de l'écoulement du fluide et en ce que le bord de fuite (15) est constitué de deux arcs (152, 153) dont les rayons de courbure (ρ₂, ρ₃) moyens propres sont différents et qui se raccordent sans point anguleux, et cela selon une projection sur un plan axial du moyeu.
2. Pale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'un au moins de ces arcs (152, 153) est un arc de cercle.
3. Pale selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un au moins de ces arcs (152, 153) est un arc de conique.
4. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les têtes (13) de pale sont fixées à une virole (30) périphérique.
5. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rapport des longueurs des pied (12) et tête (13) de pale est de l'ordre de 0,4 environ.
6. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rayon de courbure (ρ₂) moyen de l'arc (152) situé côté pied (12) de pale est plus petit que le rayon de courbure (ρ₃) moyen de l'arc (153) situé côté tête (13) de pale.
7. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le rayon de courbure (ρ₂) moyen de l'arc (152) situé côté pied (12) de pale est compris approximativement entre le quart et le tiers environ du diamètre du moyeu (20) au pied (12) de pale.
8. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le rayon de courbure (ρ₃) moyen de l'arc (153) situé côté tête (13) de pale est appairé à la longueur axiale du moyeu (20).
9. Application d'une pale conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8 à la confection d'hélice pour motoventilateur notamment pour le refroidissement d'un radiateur d'automobile.
EP88401755A 1987-07-09 1988-07-05 Pale falciforme pour hélice et son application notamment aux motoventilateurs pour automobiles Expired - Lifetime EP0298861B1 (fr)

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FR8709773 1987-07-09

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EP0298861A1 EP0298861A1 (fr) 1989-01-11
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EP0294688A1 (fr) * 1987-06-03 1988-12-14 INDUSTRIE MAGNETI MARELLI S.r.l. Rotor de ventilateur axial pour le refroidissement du radiateur du système de refroidissement d'un moteur à combustion interne pour véhicules automobiles

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