Surtensions, décrochages et instabilités des ventilateurs : les mystères des entrepreneurs

Mar 13, 2024

La figure 1 (page 7) montre le flux pour un système idéal. Les figures 2 à 5 (pages 8 et 10) montrent diverses conditions de variation temporelle du débit.

Les personnes impliquées dans la mesure des débits savent que les conditions d’écoulement idéales ne sont pas courantes. Chaque point de mesure du débit est généralement moyenné dans le temps pendant 10 secondes ou plus pour obtenir une lecture précise. Des variations de 10 % des lectures de débit et de pression sur de courtes périodes sont relativement courantes.

Cependant, des ventilateurs mal sélectionnés ou mal appliqués peuvent produire des variations bien plus importantes que cela. Les conditions peuvent devenir si sévères que le débit à travers le ventilateur peut osciller entre le sens direct et le sens inverse (débit sortant de l'entrée) plusieurs fois par minute (voir Figure 4).

Les variations de débit et de pression rendent non seulement plus difficile la mesure du débit, mais elles peuvent également créer divers problèmes :

Comprendre les causes d’un écoulement instable peut être utile pour éviter ces problèmes. Certaines des causes étant complexes, les chercheurs ont manifesté un certain intérêt.

Il n’y a pas eu d’accord uniforme dans les conclusions sur les causes exactes. Cependant, grâce à leurs recherches, nous pouvons découvrir les conditions qui ont tendance à fonctionner normalement et éviter celles qui ne le sont pas.

Ce changement de direction (et de vitesses relatives) permet au ventilateur de générer de la pression. Si l’angle d’attaque devient trop important, l’air ne suivra plus uniformément la surface de la pale.

La quantité de déviation et la pression générée cessent d’augmenter et diminuent normalement. C'est ce qu'on appelle le point de décrochage.

Dans un ventilateur, les pales tournent normalement à vitesse constante. Par conséquent, pour modifier l’angle d’attaque, il faut changer le système auquel le ventilateur est fixé. Des débits plus élevés à travers l’entrée augmentent l’angle d’attaque ; des débits plus faibles le diminuent.

Par conséquent, si un ventilateur fonctionne en décrochage, c’est parce que le cfm est trop faible. Sur un système donné, cela est dû à la sélection d'un ventilateur trop grand (ce qui rend la vitesse de l'air trop faible dans le ventilateur).

Dans certains ventilateurs, l’angle d’attaque n’est pas uniforme sur toute la largeur de la pale. Ce ne sont normalement pas les ventilateurs les plus efficaces, bien que la gravité du décrochage soit souvent moindre puisque seule une partie de la pale cale à un débit donné.

Certaines personnes disent que les ventilateurs centrifuges à pales radiales sont toujours en panne, car il y a une mauvaise correspondance entre la vitesse directionnelle de la pale et celle de l'air qui s'approche. C’est essentiellement vrai. Cependant, ces types de ventilateurs peuvent avoir des débits très variables dans le temps à des débits très faibles, car les pertes internes sont dominées par le décrochage et la pression chute à ce stade.

Un ventilateur fonctionnant au point de décrochage ou à proximité aura généralement de fortes augmentations de bruit. Sur certains ventilateurs, le son sera presque comme si la turbine était heurtée par un objet solide (martelage). Le décrochage pur a tendance à avoir une fréquence aléatoire, mais il existe des cas particuliers où une fréquence pure est générée. Ceci sera discuté plus tard.

Le débit d'un ventilateur en décrochage est variable dans le temps. Cependant, ce n’est généralement pas la principale source de préoccupation. L’augmentation du bruit généré peut constituer un problème, mais cela aussi peut être résolu.

La principale préoccupation d’un ventilateur fonctionnant en décrochage est le risque de dommages mécaniques. Ceux qui ont vécu un voyage en avion cahoteux ont une idée de la gravité des impacts de chocs aérodynamiques.

Un ventilateur fonctionnant continuellement en décrochage peut subir une fatigue structurelle du métal. Cela est particulièrement vrai pour les ventilateurs à flux axial ayant des pales longues et minces ou des pales fabriquées en tôle.

Les ventilateurs centrifuges sont moins sujets aux dommages. On sait que les ventilateurs centrifuges conçus pour des pressions relativement élevées mais fonctionnant à des pressions très basses (moins de 1 po sp) fonctionnent en continu pendant de nombreuses années sans dommage.

Il y a un autre inconvénient à faire fonctionner un ventilateur en décrochage. Cela signifie que l’efficacité du ventilateur est loin d’être optimale. Un ventilateur de plus petite taille coûte moins cher et a un coût de fonctionnement inférieur. Il survivra probablement également à un ventilateur plus grand.