Didacticiel : concevoir un ventilateur de gaine de 400 mm avec Heliciel

Un artisan doit extraire l'air de son atelier de finition : un renouvellement d'air calculé à 3 000 m³/h, à travers une gaine courte de 400 mm de diamètre dont les pertes de charge (grille, gaine, sortie) ont été estimées à 30 Pa au débit nominal. Il veut tailler lui-même l'hélice du ventilateur, entraînée par un moteur à variateur.

• Organisation et phases de conception :

1. Le modèle ventilateur et le mode « conduite forcée »
2. Du débit à la vitesse d'air, de la pression à la poussée
3. Chercher le régime… et comprendre la limite de l'hélice de gaine
4. La courbe caractéristique du ventilateur
5. Bilan, bruit et modèle à télécharger

1 : Le modèle ventilateur : à l'ouverture du modèle, remarquez le message d'Heliciel : « Mode CONDUITE FORCÉE actif : la section de passage est imposée par le conduit… l'induction axiale est considérée comme nulle et les pertes tourbillonnaires de bout de pale désactivées ». Une hélice en gaine ne travaille pas comme une hélice libre : le tube impose la veine d'air, et le jeu en bout de pale supprime (idéalement) les pertes de bout.

2 : Traduire le besoin : deux conversions fondent tout dimensionnement de ventilateur de gaine :

• débit → vitesse axiale : Heliciel déduit la section de passage du diamètre de gaine (400 mm) et du moyeu (128 mm) : S = 0,1128 m², donc 3 000 m³/h = 0,833 m³/s → 7,39 m/s dans la veine ;
• pression → poussée : la pression fournie par l'hélice est sa poussée répartie sur la section : ΔP = T / S. Nos 30 Pa demandent donc T = 30 × 0,1128 = 3,4 N de poussée. Une pression modeste ne demande que quelques newtons — mais chaque pascal se gagne.

3 : Chercher le régime… et comprendre : à 960 tr/min (régime hérité du modèle), l'hélice de 400 mm à 5 pales ne fournit que 16 Pa au débit nominal : insuffisant. Nous avons alors demandé beaucoup plus de régime, et découvert une leçon d'aéraulique :

• à 1 850 tr/min : 28,5 Pa ; à 3 200 tr/min : 32 Pa seulement, pour 329 W absorbés — le supplément de puissance part en giration (l'air sort en tourbillon à 7,4 m/s tangentiels) au lieu de devenir de la pression ;
• c'est la limite physique de l'hélice de gaine sans redresseur : passé un certain point, tourner plus vite ne comprime plus, ça visse l'air. Pour des pressions élevées (100 Pa et plus), il faut des aubes redresseuses en aval, un étage contrarotatif… ou un plus grand diamètre ;
• notre cible de 30 Pa reste, elle, accessible : à 1 950 tr/min, l'hélice reconstruite fournit 32,9 Pa au débit nominal. Nous lissons enfin les incidences (fonction « lisser incidences » : toute la pale à l'incidence de la zone 0,75 R, ici 10°) pour une pale régulière, facile à fabriquer : ΔP = 34,6 Pa, 238 W absorbés, couple 1,16 N·m. Marge de 15 % sur le besoin : adoptée.

4 : La courbe caractéristique : un ventilateur ne vit jamais seul : il s'équilibre avec son réseau. L'analyse multi-points balaie la vitesse d'air dans la gaine (donc le débit) à 1 950 tr/min, géométrie figée :

Lecture : en dessous de ~2 000 m³/h, notre calage (incidence 10°, volontairement chargé) décroche et la « pression » devient négative : si le réseau est plus résistif que prévu (filtre encrassé, grille obstruée), le débit chute et le ventilateur sort de sa zone de travail. La marge prise à l'étape 3 n'est donc pas un luxe. C'est tout l'intérêt de confronter la courbe du ventilateur à la courbe du réseau — la démarche est détaillée dans la page ventilateur et ventilation.

5 : Bilan, bruit et modèle

• Hélice de gaine 5 pales Ø 400 mm (moyeu 128 mm), incidence lissée à 10°, calage 27° à 0,7 R ;
• point nominal : 3 000 m³/h sous 34,6 Pa à 1 950 tr/min, 238 W à l'arbre — un moteur 4 pôles avec variateur, ou un brushless, convient ;
• bruit : fréquence de passage de pales 162,5 Hz (harmoniques 325 / 487,5 Hz), bout de pale à 41 m/s ;
• leçon d'aéraulique : sans redresseur, l'hélice de gaine plafonne en pression — dimensionnez le réseau AVANT le ventilateur.

Le projet complet est téléchargeable ici : ventilateur_gaine_400mm_3000m3h.hlc (à ouvrir avec Heliciel). Il est également intégré aux modèles livrés avec le logiciel.

Je reste à votre disposition pour toutes remarques ou compléments d'information via contact@heliciel.com

• JF Iglesias développeur Heliciel.