Ventilateurs centrifuges: lois des ventilateurs, types d'aubes et effet système est une référence pratique pour les ingénieurs qui spécifient, dépannent ou entretiennent des ventilateurs déplaçant de l'air ou un gaz par action centrifuge, transformant l'énergie cinétique de l'impulseur en pression.
Les ventilateurs centrifuges dominent la ventilation industrielle, l'air de combustion, le captage de poussières et les fonctions CVC car ils génèrent plus de pression par unité de volume de boîtier que les ventilateurs axiaux et tolèrent une plage de résistances de gaine plus large.
Le gaz entre dans l'œil de l'impulseur le long de l'axe de l'arbre et est dévié d'environ 90 degrés par les pales en rotation, quittant la périphérie radialement dans un carter en spirale (volute) qui convertit la vitesse en pression statique à mesure que la section s'élargit vers la sortie.
Les pertes au cône d'entrée, les jeux aux extrémités des pales et la volute font que le rendement varie fortement selon le type d'aubes: environ 45 à 60 % pour les roues radiales robustes, jusqu'à 80 à 90 % pour les conceptions à courbure arrière et les aubes profilées.
La géométrie des pales détermine le rendement du ventilateur, le comportement en puissance, le bruit et la tolérance à la poussière ou à l'humidité. Choisir le mauvais type d'aube pour un flux de gaz sale est une cause fréquente d'usure prématurée et d'arrêts.
| Type d'aube | Rendement maximal typique | Courbe de puissance | Tolérance à la poussière | Bruit relatif |
|---|---|---|---|---|
| Radiale (à pales droites) | 45 à 60 % | Ne surcharge pas, augmente régulièrement avec le débit | Excellente, auto-nettoyante | Élevé |
| À courbure avant | 55 à 65 % | Surcharge : la puissance continue d'augmenter avec le débit | Faible, les pales s'encrassent facilement | Modéré à élevé |
| À courbure arrière | 75 à 85 % | Ne surcharge pas, atteint un pic près du point de meilleure efficacité (BEP) puis décroît | Moyenne, nécessite un gaz propre | Modéré |
| Aube profilée (airfoil) | 80 à 90 % | Ne surcharge pas, consommation la plus faible par unité de débit | Faible, non adaptée aux poussières abrasives | Faible |
Les pales radiales conviennent au manutention des matériaux et aux applications cimentières car les pales droites résistent aux dépôts et à l'érosion.
Les roues à courbure avant offrent un débit élevé dans un boîtier compact et à faible vitesse, courant dans les unités CVC compactes, mais nécessitent un moteur surdimensionné puisque la puissance continue d'augmenter avec le débit.
Les roues à courbure arrière et les aubes profilées conviennent aux services d'air propre comme le tirage forcé des chaudières; leur courbe non-surchargée protège le moteur sur l'ensemble de la plage de débit.
Pour une géométrie fixe du ventilateur et une densité de gaz constante, les lois des ventilateurs (lois d'affinité) relient les performances à une vitesse à celles à une autre :
La relation cubique sur la puissance explique pourquoi la commande à vitesse variable permet d'économiser tant d'énergie: une réduction de vitesse modeste entraîne une grande économie de puissance, valable approximativement pour une variation de vitesse d'environ 25 à 30 %.
Les mêmes lois s'appliquent approximativement en substituant le diamètre à la vitesse, bien que le rendement varie légèrement et doive être vérifié par rapport aux courbes du fabricant. Ce sont les mêmes lois d'affinité utilisées pour les pompes centrifuges; voir la lois d'affinité pour la dérivation.
La courbe de performance d'un ventilateur trace la pression statique en fonction du débit, la pression étant la plus élevée près du point d'arrêt et décroissant à mesure que le débit augmente. La courbe du système représente la résistance des gaines, clapets et filtres, qui augmente approximativement comme le carré du débit.
Le point de fonctionnement se situe là où les deux courbes se croisent. Un système sous-résistant (fuites, clapet ouvert) déplace le point de fonctionnement vers la droite, entraînant un débit et une puissance supérieurs à la valeur de conception.
Un système sur-résistant (filtres obstrués, gaines sous-dimensionnées) le déplace vers la gauche et, sur les roues à courbure avant et radiales, risque une zone d'instabilité (décrochage) près du pic de pression.
Vérifier le point de fonctionnement par rapport à la courbe de conception est une pratique standard lors de la mise en service et après toute modification du réseau de gaines.
Les courbes catalogue proviennent d'essais en laboratoire avec des conduits droits et non obstrués conformément à des normes telles que l'AMCA 210.
sur site, des coudes proches de l'entrée, un écoulement d'entrée non uniforme ou des transitions brutales de gaine ajoutent de la turbulence et des pertes de pression que la courbe catalogue ne capture pas.
La publication AMCA 201 quantifie ces pertes sous forme de facteurs d'effet système, une cause fréquente pour laquelle un ventilateur correctement sélectionné sous-performe après installation. Des tronçons de gaine droits et l'évitement de coudes à la connexion du ventilateur sont les principales corrections.
Les vibrations des paliers et de l'arbre doivent également être suivies en tendance par rapport à une norme telle que la sévérité de vibration ISO 10816-3 , car le déséquilibre dû à la poussière est une cause principale de défaillance des roulements; des supports d'isolation antivibratoire aident aussi.
Deux façons courantes de moduler la sortie d'un ventilateur sont les clapets et la commande de vitesse par variateur de fréquence.
Un clapet de refoulement ajoute de la résistance, déplaçant le point de fonctionnement vers la gauche, mais le ventilateur tourne toujours à pleine vitesse et absorbe la majeure partie de sa puissance en charge même à débit réduit, de sorte que l'obturation gaspille de l'énergie.
Des volets d'entrée (inlet vane dampers) pré-entraînent le gaz entrant et sont plus efficaces que l'obturation côté refoulement puisqu'ils reconfigurent la courbe, mais ne peuvent toujours pas égaler le contrôle de la vitesse, qui réduit la puissance approximativement avec le cube du rapport de vitesses et s'amortit généralement rapidement sur des ventilateurs à grande plage de variation.
Suivre en tendance la vitesse du ventilateur, le courant du moteur et la pression dans la gaine dans un système tel que Fabrico aide à détecter un ventilateur s'écartant de sa courbe ou un palier approchant d'une alarme ISO 10816-3.
Un ventilateur centrifuge refoule le gaz radialement via un carter en spirale et génère une pression élevée pour son encombrement ; un ventilateur axial pousse le gaz parallèlement à l'axe et convient aux débits élevés à basse pression, comme pour les tours de refroidissement.
Les roues à courbure avant présentent une courbe de puissance en surcharge : la puissance continue d'augmenter lorsque le débit augmente. Si la résistance du réseau de gaines diminue, le point de fonctionnement se déplace vers un débit plus élevé et la puissance peut dépasser la capacité du moteur.
Approximativement, en remplaçant la vitesse par le diamètre, mais le rendement n'est pas parfaitement conservé, donc les résultats doivent être confirmés par rapport à la courbe du fabricant.
Une géométrie d'entrée ou de sortie médiocre, comme un coude monté juste à la connexion du ventilateur, peut réduire de manière significative la pression ou le débit nominal ; la perte dépend du raccord et est tabulée dans la publication AMCA 201.
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