Surtension, décrochage et instabilités dans les ventilateurs : les mystères des entrepreneurs

La figure 1 (page 7) montre le débit d'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 débit et de pression de 10 % sur de courtes périodes sont relativement courantes.

Cependant, des ventilateurs mal sélectionnés ou 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 l'avant et l'arrière (débit sortant de l'entrée) plusieurs fois par minute (voir Figure 4).

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

Une compréhension des causes d'un débit instable peut être utile pour éviter ces problèmes. Parce que certaines des causes sont complexes, les chercheurs ont montré un certain intérêt.

Il n'y a pas eu d'accord uniforme dans les conclusions sur les causes exactes. Cependant, à partir de leurs recherches, nous pouvons apprendre les conditions qui ont tendance à fonctionner normalement et éviter les conditions qui ne le font pas.

Ce changement de direction (et de vitesses relatives) permet au ventilateur de générer de la pression. Si l'angle d'attaque devient trop sévère, 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 changer l'angle d'attaque, le système auquel le ventilateur est attaché doit être changé. 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 bas. Sur un système donné, cela est dû à la sélection d'un ventilateur trop grand (ce qui rend les vitesses d'air trop faibles 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 car seule une partie de la lame cale à un débit donné.

Certaines personnes disent que les ventilateurs centrifuges à pales radiales sont toujours en décrochage, car il y a une mauvaise correspondance entre la vitesse directionnelle de la pale et celle de l'air qui 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 niveau ou à proximité du point de décrochage aura généralement de fortes augmentations de bruit. Sur certains ventilateurs, cela sonnera presque comme si la turbine était impactée par un objet solide (martèlement). Le décrochage pur a tendance à avoir une fréquence aléatoire, mais il existe des cas particuliers où une fréquence pure est générée. Cela sera discuté plus tard.

Il existe une nature variable dans le temps pour le débit d'un ventilateur en décrochage. Cependant, ce n'est normalement pas la principale cause de préoccupation. L'augmentation du bruit généré peut être un problème, mais cela aussi peut être traité.

La principale préoccupation pour un ventilateur fonctionnant en calage est le potentiel de dommages mécaniques. Ceux qui ont eu un voyage en avion cahoteux ont une idée de la gravité des chocs aérodynamiques.

Un ventilateur fonctionnant en permanence 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 à partir de tôle.

Les ventilateurs centrifuges sont moins sujets aux dommages. Les ventilateurs centrifuges conçus pour des pressions relativement élevées mais fonctionnant à des pressions très basses (moins de 1 pouce sp) sont connus pour fonctionner en permanence en calage 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 n'est pas optimale. Un ventilateur de plus petite taille coûte moins cher et a un coût de fonctionnement inférieur. Il durera également probablement plus longtemps qu'un ventilateur plus grand.

Ces ventilateurs sont enfermés dans un boîtier de type scroll qui aide à générer la pression du ventilateur. La pression autour de la périphérie de la roue du ventilateur varie en fonction de sa proximité avec la sortie du ventilateur (où elle est la plus élevée). Ces ventilateurs ont plusieurs pales, généralement de 9 à 12.

Nous appellerons le passage entre chaque lame une cellule. Le débit à travers chaque cellule peut varier puisque la pression autour de la périphérie varie. Près du point de décrochage, il devient possible pour la plupart des cellules d'avoir le flux direct normal, tandis qu'une ou deux cellules ont un flux inverse.

L'air qui « jaillit » vers l'arrière à travers ces cellules n'a nulle part où aller, il se déplace donc vers une cellule adjacente, déviant l'air qui la traversait déjà. Ce changement d'angle d'attaque oblige maintenant cette cellule à décrocher. Il a alors également un flux inverse, passe sur sa bulle d'air, et autour de la roue du ventilateur.

La plupart des chercheurs ont rapporté que la fréquence de déplacement de ce décrochage rotatif se produit à environ les deux tiers du régime de rotation du ventilateur. Certains ont observé deux cellules mobiles générant à la fois une fréquence de quatre tiers de tr/min.

Il existe d'autres rapports de décrochage tournant allant des deux tiers à plus de 90% de la fréquence de fonctionnement. Cette fréquence apparaîtra à la fois dans les mesures acoustiques et vibratoires, mais elle est normalement trouvée par des plaintes de bruit.

Périodiquement, ce système "éjecte" le feu à l'entrée du brûleur. Il s'agissait probablement d'un cas grave de surtension du système.

Le son émis par un ventilateur en plein essor est communément décrit par les observateurs comme « whoosh » ou « whoomp ». Plusieurs critères doivent être remplis pour avoir une surtension :

Dans le concept, un système en surtension est comme un oscillateur. L'énergie transmise à l'air alterne entre la création d'énergie cinétique (vitesse élevée dans le conduit) et d'énergie potentielle (compression de l'air dans le plénum). La pente positive sur la courbe du ventilateur permet une grande amplification de cette oscillation.

Dans des conditions extrêmes, l'air peut temporairement refouler par l'entrée.

Dans un système fixe, la fréquence des surtensions est constante. Habituellement, la fréquence est suffisamment basse pour que vous puissiez compter le nombre de cycles par minute (cpm) ; c'est assez audible. Les rapports les plus graves surviennent à une fréquence inférieure à 300 cpm. Un chercheur a rapporté que cet effet semble disparaître à des fréquences supérieures à 450 cpm.

Dans les systèmes à volume variable, les capteurs sont utilisés pour fournir des informations qui contrôlent les registres, les aubes, les commandes de vitesse ou d'autres moyens de réglage du débit. Si le système de contrôle répond trop rapidement, il surcorrigera et devra se réajuster dans l'autre sens.

Dans des conditions extrêmes, un système peut continuellement effectuer des allers-retours.

Certains ventilateurs ne sont pas stables pour toutes les plages de débit.

Marcher près de l'entrée (n'essayez pas ça !) D'une grande centrifugeuse lors d'un test d'air a entraîné une réduction du débit de plus de 15 %. Ce ventilateur a continué à fonctionner au débit inférieur jusqu'à ce que le test soit redémarré.

Nous pouvons déterminer la stabilité d'un ventilateur en effectuant deux tests à l'air. Lors d'un test, nous commençons à plein débit (livraison gratuite) et mesurons le débit et la pression au fur et à mesure que nous ajoutons de la résistance. Dans le deuxième test, nous commençons à l'arrêt et réduisons progressivement la résistance.

Nous avons maintenant deux courbes de ventilateur débit/pression. S'ils ne se superposent pas, nous avons une région d'instabilité. Puisqu'il n'y a que deux conditions possibles sur n'importe quel système, on parle d'écoulement bistable.

Bien que le bruit change entre les deux conditions d'écoulement, aucune n'est particulièrement répréhensible. Si le ventilateur est classé dans la condition de débit élevé et qu'il se déclenche dans la condition inférieure, la perte de débit peut être un problème.

Un écoulement bistable a été observé dans des ventilateurs centrifuges inclinés vers l'arrière, généralement à des performances proches du débit libre et presque toujours à des débits supérieurs à celui où se produit le meilleur rendement.

Les ventilateurs qui ont un grand creux dans la région de décrochage peuvent avoir un autre type de problème. Les ventilateurs centrifuges vaneaxiaux et à courbe vers l'avant peuvent tous deux avoir de grands creux.

Le problème avec les systèmes à flux parallèle peut se produire dans la séquence de démarrage. Si les ventilateurs sont correctement dimensionnés et démarrés simultanément, il n'y a pas de problème. Cependant, si un ventilateur est démarré en premier, le deuxième ventilateur est déjà exposé à une contre-pression pendant qu'il monte en vitesse.

À pleine vitesse, une condition peut survenir où un ventilateur fonctionne à un débit à droite du point de pression statique de pointe, tandis que l'autre ventilateur est piégé sur le côté gauche de la pointe.

Il est tout à fait possible d'avoir deux ventilateurs identiques ne partageant pas la charge de manière égale. Une condition plus grave peut exister si des ventilateurs non identiques fonctionnent en parallèle.

Il y a quelques années, une plainte concernant un système avec deux ventilateurs en parallèle a été reçue d'un client. Après avoir installé un deuxième ventilateur plus grand en parallèle avec un ventilateur plus petit qui fonctionnait, le débit combiné n'était pas celui attendu. Les mesures ont révélé que le deuxième ventilateur par lui-même générait plus de pression que le premier ventilateur n'en était capable à tout moment de sa courbe de ventilateur. Le ventilateur d'origine était complètement surpuissant et le débit soufflait par son entrée. Il a été conseillé au client d'éteindre le ventilateur d'origine (économie d'énergie) et de bloquer solidement la branche du conduit vers le ventilateur d'origine (boucher la fuite).

Il y avait deux leçons apprises ici:

1. Ne mélangez pas deux ventilateurs différents (ou ne faites pas fonctionner deux ventilateurs identiques à des vitesses différentes) pour un fonctionnement en parallèle.

2. Si plus de débit est nécessaire sur un système constant, augmentez la capacité de pression du ventilateur ou ajoutez un second ventilateur en série.

Nous aimerions tous simplement brancher un ventilateur dans un système et avoir un flux continu et régulier. Ce serait bien si les calculs du système étaient ultra-précis, ce qui permettrait d'éviter facilement les mauvais points de fonctionnement.

Cependant, dans le monde réel, les ventilateurs sont souvent utilisés dans des conditions moins qu'optimales, et souvent dans des conditions où le décrochage est probable. Même dans ce cas, les problèmes graves sont rares.

Lorsque des problèmes surviennent, il existe des méthodes pour identifier le type de problème, et une fois identifié, des solutions peuvent être mises en œuvre.