Généralités sur les machines axiale

Définition et classification des turbomachines

Les turbomachines sont des machines permettant d’échanger de l’énergie entre un élément tournant, une « roue » ou un « rotor » et un fluide les traversant. Pour le fluide, cela se traduit par un changement de ses propriétés thermodynamiques (pression, température…) et cinétiques. Cette définition très générale ne précise pas le sens d’échange d’énergie ni le type de fluide. On distingue ainsi, d’une part les machines recevant de l’énergie de la part du fluide et produisant de l’énergie mécanique (turbine), et d’autre part celles où le fluide reçoit de l’énergie du rotor (compresseurs, pompes et ventilateurs). Une autre classification permet de distinguer les turbomachines en fonction du fluide utilisé, les plus courants étant l’eau (pompes, hélices de propulsion de bateaux, de sous-marins) ou l’air (ventilateur, compresseurs…) et ce pour des régimes subsoniques (ventilateurs, pompes…) ou transsoniques (compresseurs, turbines…). Autres que le sens d’échange d’énergie ou le type de fluide, leur géométrie et la direction des tubes de courant dans le passage des pales permettent de distinguer les machines axiales des machines mixtes et des machines centrifuges. Enfin, ces machines peuvent être employées en champ libre ou en conduit. Lakshminarayana [2] propose la classification donnée dans la figure 1.1 et rappelle qu’une   large gamme de fluides peut être employée. Dans le cadre de cette étude, on s’intéresse aux machines axiales de type ventilateur, en conduit, dont le fluide est l’air, en régime subsonique, et où l’hypothèse d’écoulement incompressible reste valide.

Applications dans différents domaines

Les ventilateurs, à la différence des compresseurs, ont pour fonction de réaliser une faible élévation de pression. On parle alors de différence de pression au lieu de rapport de pression (ou de taux de compression) entre l’entrée et la sortie. Ils autorisent de plus des débits élevés comparés aux machines centrifuges. On les trouve dans diverses applications très courantes nécessitant un système de ventilation. Dans le bâtiment, ils sont employés pour renouveler l’air ambiant, assurer la climatisation (réchauffement et refroidissement), réguler le taux d’humidité ou contrôler la pression ambiante ou la concentration en polluant dans des lieux tels que les laboratoires chimiques utilisant des produits potentiellement dangereux. Ces systèmes de ventilation sont également très largement utilisés dans les ouvrages souterrains, mines, tunnels, métro, etc. pour les raisons citées précédemment. La figure 1.2 montre deux exemples d’utilisation dans des applications industrielles souterraines. On les emploie également dans des systèmes de refroidissement (et de séchage) très variés et à différentes échelles (figure 1.3). On les trouve notamment dans les ordinateurs pour réguler et favoriser la circulation d’air, dans l’industrie agricole lors de la phase de séchage de grains, dans l’industrie du verre à la sortie du four, dans les systèmes de refroidissement de moteur de voiture, ou encore, à plus grande échelle des ventilateurs sont utilisés dans les usines de production électriques dans les tours de refroidissement.  Dans certaines de ces applications, il est nécessaire d’avoir une plage de fonctionnement en terme de débits assez large tout en gardant des bonnes performances et hauts rendements. Pour satisfaire ce besoin, il est possible, rotor à l’arrêt, de modifier le calage des pales afin de modifier le point de fonctionnement et garantir le meilleur rendement. Néanmoins, ce système reste peu pratique et ne convient pas à toutes les applications. Des rotors, dits à pas variables comme illustré dans la figure 1.4, permettent de modifier le calage des pales en fonctionnement sans avoir à arrêter la machine et régler le calage au point de fonctionnement souhaité. Ce système est généralement plus coûteux et devient difficile à réaliser mécaniquement pour des ventilateurs de petites tailles. Dans les deux cas, il est clair qu’il existe un réel besoin de machines flexibles, c’est-à-dire capables de fonctionner efficacement sur la plus large plage de fonctionnement possible. On verra au cours de cette étude que les machines contrarotatives peuvent être une solution efficace pour répondre à ce besoin.