Turbine motorisée à courbure vers l'avant
Une fois le débit volumique requis défini, qu'il s'agisse d'air frais ou de refroidissement industriel, il faut le combiner avec la résistance à l'écoulement que le ventilateur rencontrera dans l'application. Le débit volumique (en m³/h) et la pression (en Pascals - Pa) constituent le point de fonctionnement du ventilateur. Il est important de choisir un ventilateur dont les caractéristiques de performance atteignent le point de fonctionnement requis, à un niveau proche de son rendement maximal. L'utilisation du ventilateur à son rendement maximal permet de minimiser la consommation d'énergie et le bruit émis par le ventilateur tout en garantissant les performances requises.
Comment fonctionne le ventilateur centrifuge à courbure vers l'avant ?
Le nom « ventilateur centrifuge » vient du sens d'écoulement de l'air : l'air pénètre dans la turbine axialement, puis est propulsé vers l'extérieur depuis la circonférence extérieure du ventilateur. La différence de sens d'écoulement entre un ventilateur centrifuge à courbure avant et un ventilateur centrifuge à courbure arrière réside dans la direction de sortie de l'air de la circonférence de la turbine. Avec une turbine à courbure arrière, l'air sort radialement, tandis qu'avec une turbine à courbure avant, l'air sort tangentiellement de la circonférence du ventilateur.
Un ventilateur centrifuge à pales incurvées vers l'avant se caractérise par sa forme cylindrique et la présence de nombreuses petites pales sur la circonférence de la roue. Dans l'exemple ci-dessous, le ventilateur tourne dans le sens horaire.
Contrairement à la turbine à aubes courbées vers l'arrière, la turbine à aubes courbées vers l'avant nécessite un carter qui convertit l'air à haute vitesse sortant des extrémités des pales en une force statique à plus faible vitesse. La forme du carter dirige également le flux d'air vers la sortie. Ce type de carter de ventilateur est communément appelé volute ; on le désigne également sous le nom de volute ou de sirocco. L'installation d'une turbine à aubes courbées vers l'avant dans un carter à volute donne généralement lieu à une soufflante à aubes courbées vers l'avant.
Il existe deux types de soufflantes qui utilisent une turbine motorisée courbée vers l’avant, comme illustré ci-dessous…
Le ventilateur à simple entrée, à gauche, aspire l'air d'un côté du boîtier par l'entrée ronde et le dirige vers la sortie carrée (ici avec une bride de montage). Le ventilateur à double entrée possède un boîtier à spirale plus large qui aspire l'air des deux côtés de la spirale et le refoule vers la sortie carrée plus large.
Comme avec le ventilateur centrifuge à courbure arrière, le côté aspiration de la pale de la turbine aspire l'air du centre du ventilateur, ce qui entraîne un changement de direction du flux d'air entre l'entrée et l'échappement de 90°.
Caractéristiques du ventilateur
La zone de fonctionnement optimale d'un ventilateur centrifuge à rotor à aubes est lorsqu'il fonctionne à haute pression. Un ventilateur centrifuge à rotor à aubes est plus performant lorsque des pressions élevées sont requises pour des débits plus faibles. Le graphique ci-dessous illustre la zone de fonctionnement optimale…
Le débit volumique est représenté sur l'axe des abscisses et la pression du système sur l'axe des ordonnées. En l'absence de pression dans le système (le ventilateur souffle librement), un ventilateur centrifuge à pales inclinées vers l'avant produit le débit volumique le plus élevé. Lorsqu'une résistance à l'écoulement est appliquée du côté aspiration ou refoulement du ventilateur, le débit volumique diminue.
Il convient d'être prudent lors du choix d'un ventilateur à courbure avant destiné à fonctionner à basse pression et à débit volumique maximal. À ce stade, la turbine fonctionne en décrochage aérodynamique, comme un ventilateur axial fonctionnant au point de selle de sa courbure. À ce stade, le bruit et la consommation d'énergie seront à leur maximum en raison des turbulences.
Le rendement maximal se situe au point appelé « coude » de la courbe caractéristique. À ce point, le rapport entre la puissance de sortie du ventilateur (débit volumique (m³/s) x pression statique développée (Pa) et la puissance électrique absorbée (W) est maximal et la pression acoustique produite par le ventilateur est minimale. Au-delà et en deçà de la plage de fonctionnement optimale, le flux d'air à travers le ventilateur devient plus bruyant et son efficacité diminue.
L'avantage d'une turbine motorisée à simple ouïe d'admission et à courbe caractéristique est sa forte pente. Ceci est particulièrement utile dans les systèmes exigeant une filtration constante. Lorsque l'air traverse un filtre à particules, celui-ci retient les poussières et le pollen en suspension. Plus la filtration est fine, plus les particules retenues sont fines. Au fil du temps, le filtre s'encrasse progressivement, ce qui nécessite une pression accrue pour fournir le même volume d'air. Dans ce cas, l'utilisation d'une turbine à forte pente signifie que, à mesure que le filtre s'encrasse, le débit volumique reste constant tandis que la pression à travers le filtre augmente.
L'avantage d'une turbine à double entrée à aubes inclinées vers l'avant réside dans le fait qu'elle peut, à partir d'un surpresseur de taille relativement petite, fournir un débit important. Cependant, son utilisation présente un compromis : sa pression de développement est plus faible, ce qui signifie qu'elle ne peut fonctionner qu'avec des systèmes à basse pression.
Options de montage
Comme mentionné précédemment, la turbine motorisée à courbure avant produit de l'air à grande vitesse à l'extrémité des pales. Cet air doit être dirigé et ralenti pour convertir la pression dynamique en pression statique. Pour faciliter ce processus, nous construisons une volute autour de la turbine. Cette forme est créée par le rapport des distances entre le centre de la turbine et la sortie du ventilateur. Comme pour le ventilateur à courbure arrière, il est également recommandé de laisser un léger chevauchement entre la bague d'entrée et l'embouchure de la turbine. Ces deux points de montage sont illustrés dans le schéma ci-dessous.
Le diamètre de la bague d'admission ne doit permettre qu'un petit espace entre la roue et la bague pour éviter la recirculation de l'air.
Considérations de montage - Dégagements
Il est important de garantir un espace libre suffisant au niveau de l'aspiration et du côté du ventilateur…
Un espace insuffisant côté aspiration du ventilateur augmente la vitesse d'aspiration, ce qui entraîne des turbulences. Ces turbulences s'accentuent lors du passage de l'air dans la turbine, ce qui réduit l'efficacité du transfert d'énergie des pales du ventilateur vers l'air, engendre davantage de bruit et réduit le rendement du ventilateur.
Les recommandations générales concernant les conditions d’admission et d’échappement sont les suivantes :
Côté entrée
- Aucune obstruction ni changement de direction d'écoulement à moins d'un tiers du diamètre du ventilateur à partir de l'entrée du ventilateur
Résumé – Pourquoi choisir un ventilateur centrifuge à pales incurvées vers l’avant ?
Lorsque le point de fonctionnement requis se situe dans la zone de pressions système élevées par rapport à un débit volumique faible, un ventilateur centrifuge à simple ouïe et à pales inclinées vers l'avant est recommandé. Si l'application requiert un débit volumique élevé dans un espace restreint, un ventilateur centrifuge à double ouïe et à pales inclinées vers l'avant est recommandé.
Le ventilateur doit être sélectionné dans sa plage optimale, c'est-à-dire au niveau du coude de sa courbe caractéristique. Le point d'efficacité maximale se situe à proximité de la limite de pression la plus élevée de la courbe caractéristique, là où le ventilateur fonctionne le plus silencieusement. Il est recommandé d'éviter tout fonctionnement en dehors de cette plage optimale (aux extrêmes de débit volumique élevé), car les turbulences et l'efficacité aérodynamique des pales de la turbine à ces points engendreront du bruit et entraîneront un décrochage aérodynamique de la turbine. À basse pression et à débit volumique élevé, il convient de tenir compte de la température de fonctionnement du moteur en charge, car il existe un risque de surchauffe du moteur.
L'air à l'entrée de la turbine doit être aussi lisse et laminaire que possible. Pour optimiser le rendement, un espace libre d'au moins un tiers du diamètre de la turbine doit être prévu à l'entrée du ventilateur. L'utilisation d'une bague d'entrée (buse d'entrée) recouvrant l'entrée de la turbine permet d'éliminer les perturbations d'écoulement avant que l'air ne soit aspiré par le ventilateur, de réduire le bruit induit par les turbulences, de minimiser la consommation d'énergie au point de fonctionnement et d'optimiser le rendement.
La caractéristique de fonctionnement abrupte, la capacité de pression plus élevée des soufflantes à simple entrée et la capacité de débit élevé des soufflantes à double entrée signifient que le ventilateur incurvé vers l'avant est une option utile à considérer dans une large gamme d'installations.
Date de publication : 16 août 2023