Brevet FR2006087A1 — publié le 19691219

-1- 2006087 Jusqu'à présent, en pratique, les grosses turbines chauffées au moyen de combustibles fossiles étaient pourvues de vannes d'arrêt et d'obturation séparées pour la commande d'écoulement du fluide entre le groupe de réchauffage et l'admission 5 de la turbine. Un agencement similaire de vannes peut être utilisé pour les turbines de centrales nucléaires comme vanne d'arrêt ou d'obturation d'admission et vanne de réglage. Les vannes de blocage et d'arrêt sont celles qui arrêtent complètement le débit de fluide dans une position (fermeture), ou "10 qui laisse complètement libre l'écoulement dans la vanne dans une seconde position (ouverture) sans positions intermédiaires. Par contre, une soupape de réglage fonctionne en passant par un nombre infini de positions entre celles d'ouverture et de fermeture complètes, afin d'assurer ainsi une fonction continue 15 de réglage de débit en réponse à une fonction continue de commande . Les vannes destinées à régler le débit de vapeur motrice dans les grosses turbines sont généralement très grosses pour manutentionner les forts débits volumétriques que l'on rencon-20 tre dans ces turbines, avec des pertes minimales de pression. Les vannes de blocage, en particulier, sont devenues si grosses que, lorsqu'on les dispose dans les conduites dirigeant la vapeur partiellement détendue des turbines à haute pression à celles à basse pression, les dimensions des enveloppes de tur-25 bines sont souvent déterminées principalement par celles des vannes de blocage, et non pas les conditions de débit de vapeur à l'intérieur des turbines. En outre, en raison de la forte dimension des vannes utilisées dans les turbines à vapeur, un grand espace est requis 30 pour le montage de chaque vanne, et le support correct de chacune exige une construction de support considérable et coûteuse. Par suite, en raison de ces conditions requises de dimension, d'encombrement, et de support, ainsi que du prix de ces vannes et de leurs constructions de support, lee fonctions dis-35 tinctes ont été combinées dans un bloc de vanne unique tel que celui représenté dans le brevet Etats Unis 3 312 24-1, au nom de 0. N. Bryant et concédé à la Société Demanderesse, et les constructions de vanne à fonction unique ont été révisées pour BAD ORIGINAL 11264 -2- 200608? assurer un écoulement plus efficace du fluide afin de permettre la réduction de dimension de la vanne, selon, par .exemple, la description du 'brevet Etats-Unis 3 266 979 au.nom de R.D. Brown et al , concédé à la Société Demanderesse. 5 II reste,cependant, dans le domaine des vannes, le besoin d'une construction et fonction combinées de vanne, d'arrêt et de réglage, en particulier dans les turbines de centrale nucléaire, application dans laquelle les vannes à fonction unicruu. peuvent coûter jusqu'à 250 000 dollars, et qui exigent un es-10 pace d'installation et une construction de support considérables pour le montage et le support de vannes distinctes. La présente invention offre une construction de vannes combinées d'arrêt et de réglage qui n'exige essentiellement que la matière, l'espace et le prix d'une seule vanne, d'où s'en-15 suit une économie appréciable dans l'espace d'installation et dans la mise de fonds, tout en assurant simultanément deux fonctions, c'est-à-dire celle d'une vanne de réglage et celle d'une vanne d'arrêt. Ce résultat est obtenu en disposant des organes de vanne d'arrêt et de réglage concentriquement dans une boîte 20 à clapet, l'organe, de vanne de réglage étant concentriquement disposé dans l'organe de vanne d'arrêt. Ces organes s'associent à un siège fixe commun formant un orifice de sortie dans la boîte à clapet. Les organes de la vanne sont tous deux respectivement fi-25 xés à des tiges concentriques actionnées d'une extrémité de la boîte à clapet, l'une de ces tiges étant creuse pour abriter l'autre. Ces tiges sont disposées de manière à faire mouvoir les organes d'arrêt et de réglage le long.de l'axe central de la boîte à clapet. Un organe pilote peut être disposé à l'inté-30 rieur de l'organe de réglage pour équilibrage de la pression de fluide dans celui-ci, cette vanne pilote étant actionnée par la tige destinée à faire mouvoir l'organe de vanne de réglage. . De cette manière,, les fonctions combinées d'arrêt et de 35 blocage, ou de réglage, sont efficacement et économiquement accomplies dans un seul bloc, avec les tiges de commande montées de manière compacte pour actionner, les organes de la vanne de la même extrémité du bloc, ce qui assure d'autres économies bad original 69 11264 -3- 2006087 de mise de fonds et d'espace. De plus, des économies sont réalisées en ce qui concerne les constructions et agencements de montage de la vanne combinée grâce à son poids et sa dimensions considérablement réduits. 5 L'invention ainsi que ces objets et avantages, ressorti- ront mieux de la description détaillée qui va suivre en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une coupe verticale d'une vanne d'arrêt et de réglage combinée construite selon les principes de l'in- 10 vention, la vanne étant représentée dans sa position de fermeture complète ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1, mais l'organe de vanne d'arrêt occupant sa position d'ouverture complète, et l'organe de vanne de réglage une position d'ouverture 15 partielle ; et - la figure 3 est une vue du dispositif de commande de vanne d'arrêt représenté aux figures 1 et 2, suivant les lignes III-III de la figure 1. En référence aux dessins en détail, la figure 1 représente 20 une vanne combinée portant la référence générale 10 et construite selon l'invention. La vanne comprend un corps tubulaire ou en forme de cupule, 12, présentant une extrémité annulaire ouverte ou partie d'étancliéité 14 s'associant à une paroi supérieure d'obturation ou d'extrémité 16, afin de former une chambre prin-25 cipale 17 de vanne. Le corps 12 est pourvu d'orifices d'admission et de sortie 18 et 19, respectivement, communiquant avec la chambre 17« Ainsi que représenté, les orifices d'admission et de sortie sont disposés pratiquement perpendiculaires entre eux, bien que l'invention ne se limite pas à cette disposition. 30 L'orifice de sortie 19 est pourvu d'un siège de vanne 20 de forme annulaire, formé en alignement axial avec un premier et un second organes mobiles, concentriques, 22 et 24, disposés dans la chambre 17• D'une manière dont une explication plus détaillée va suivre, l'organe mobile 22 fait fonction de vanne d'arrêt, et 35 l'organe mobile 24 fait fonction de vanne de réglage. Le second organe mobile ou de réglage 24, de forme générale cupulaire, est disposé à l'intérieur du premier organe mobile ou d'arrêt 22, pour engagement coulissant. Le premier organe 22 69 1 1264 ~4~ 2006087 f est de même construction en forme de cupule inversée montée coulissante dans un alésage 23 formé par un manchon ou guide descendant 25, lequel manchon ou guide peut faire partie intégrante de la paroi d'extrémité 16. 5 l'organe 22 est disposé dans le manchon descendant 25 de manière à former une chambre interne 26 à l'intérieur de la chambre principale 17» La- chambre 26 est délimitée par le manchon 25, la paroi 16 et la partie terminale de l'organe cupulaire 22. L'organe 24- est disposé concentriquement à l'organe 22 pour 10 former une seconde chambre interne 27 à l'intérieur de la chambre principale 17 et au-dessous de la première chambre interne 26. La communication de fluide entre les chambres internes 26, 27, peut être assurée par des ouvertures 22a formées dans la 15 partie terminale de l'organe cupulaire 22, ainsi que représenté, ou par d'autres moyens convenables. Les chambres 26 et 27 varient de volume selon la position des organes mobiles 22 et 24, d'une manière dont l'explication va suivre. Le premier organe 22 de la vanne est convenablement fixé à 20 une tige ou axe de manoeuvre 28 monté coulissant dans un dispositif d'étanchéité 29 fixé dans la paroi d'extrémité 16, afin de réduire au minimum la fuite de fluide dans l'atmosphère entre la tige 28 et la paroi 16 pendant l'usage de la vanne 10. La tige 28 est de construction creuse destinée à loger une 25 seconde tige 30 en forme de barreau, dont la partie inférieure passe dans un organe pilote 32, auquel elle est convenablement fixée, cet organe pilote 32 étant disposé au centre du second organe 24, en alignement axial avec un orifice mineur 34 d'équilibrage de pression formé dans la partie inférieure de l'organe 30 24. La partie inférieure de la tige 30 passe librement dans une plaque ou disque de retenue 36 convenablement fixé au second organe 24 au-dessus de l'organe pilote 32 pour emprisonner celui-ci. La plaque 36 peut être pourvue d'orifices 37 ainsi que re-35 présenté. Les organes 22 et 24 de la vanne peuvent être commandés ou manoeuvrés de toute manière convenable. Toutefois, ainsi qu'illustré, la vanne 10 est disposée sur un axe vertical et est du 69 11264 -5- 2006087 type rappelé dans une position de fermeture en aboutement contre le siège 20, mais maintenu dans les positions d'ouverture et de réglage de fluide, en cours de fonctionnement normal, par une force exercée à 1'encontre de ce rappel. Par suite, les orga-5 nés de la vanne sont amenés en position de blocage de fluide et en aboutement avec le siège 20, à la figure 1, et sont déplacés dans le sens axial ascendant pour débloquer ce dernier ainsi que représenté à la figure 2. Pour maintenir les organes 22 et 24- en position de blocage 10 sur le siège 20, l'agencement est pourvu d'une enveloppe 40 dont l'extrémité inférieure est rigidement fixée à la paroi 16 d'extrémiué, de toute manière convenable, et supportant des parties des tiges de manoeuvre 28 et 30, en s'associant aux ressorts hélicoïdaux de rappel 42 et 44 d'une manière dont l'expli-15 cation va suivre. Ainsi que le montre la figure 1, les tiges 28, 30, passent dans l'enveloppe 40 et sont pourvues de butées 46 et 48 qui leur sont rigidement fixées. Ces butées forment des sièges pour la partie inférieure des ressorts 42 et 44, ces derniers étant 20 montés en compression dans l'enveloppe 40. Par suite, jusqu'à ce point de la description, la construction'de vanne 10 maintient efficacement les organes mobiles 22, 24, en position de blocage sur le siège 20, et la force qui maintient la vanne dans cette position est fournie par les ressorts comprimés 42 25 et 44. Ainsi que le montre la figure 3, la butée 46 est en outre fixée à un bras de levier 50 au moyen de biellettes 52 et 53 articulé à un épaulement inférieur 5^ â-e la butée 46. le bras de levier passe à travers l'enveloppe 40 et est monté pivo-30 tant sur un point d'appui 54 rigidement fixé à la paroi 16 d'extrémité de la chambre 17 de la vanne. l'organe d'arrêt 22 de 3-a vanne est mobile pour prendre une position d'ouverture ou de déblocage sous l'application d'une force descendante, à l'extrémité du bras de levier 50, 35 éloignée des biellettes 52 et 53- Cette force peut être appliquée manuellement ou au moyen debout mécanisme convenable de manoeuvre tel qu'un servomoteur ou un cylindre hydraulique (non représenté) actionné en.réponse à un signal "d'ouverture". BAD Ol ticâlMAL 69 11264 -6- 2006087: 10 . Quand la-force-;d'ouverture est appliquée au bras de levier 50, la butée 46, articulée à ee dernier par les biellettes 52, 53, fait mouvoir la tige 28 dans le sens ascendant à 1'encontre de la force^de fermeture appliquée par le-ressort 42. La vanne d'arrêt/remonte en direction du haut de la chambre 17 dans l'alésage 23, indépendemment "de l'organe de réglage 24, sous l'entraînement de la tige 28, pour ouvrir l'orifice d'admission 18. Le fluide s'écoule dans la vanne, mais reste bloqué tant que l'organe de réglage 24 porte sur le siège 20. Par suite, les deux organes de la "vanne doivent donc être éloignés du siège de la vanne avant que le fluide puisse s'écouler dans celle-ci, ainsi qu'indiqué par Tes flèches correspondantes de la figure 2. Ainsi que le montre la figure 1, la partie supérieure de ^5 ia tige 30 de vanne de réglage passe à travers une ouverture 55 formée dans l'extrémité supérieure de 1'enveloppe 40, et, selon l'explication ci-dessus, la partie de la tige située dans l'enveloppe 40 et dans la chambre 17 pasae à coulisse dans la tige 28 de vanne d'arrêt jusqu'à l'organe pilote 32. 20 La vanne de réglage 24 peut être ouverte et commandée par "-■ une force appliquée axialement à l'extrémité supérieure de la tige 30 à l1encontre de la force du ressort hélicoïdal 44 portant contre la-butée 48 fixée à cette tigé. Ainsi que celle requise pour -faire mouvoir la vanne d'arrêt 22, cette force peut 25 être appliquée manuellement ou au moyen d'un mécanisme approprié (non représenté) commandé par un signal. Toutefois", dans ce cas, le signal est un signal de commande ayant pour fonction de disposer avec- précision, 11 organe 24 de la vanne dans la chambre 17 afin de régler exactement Te débit de fluide passant dans la chambre lorsque la vanne d'arrêt 22 se trouve à sa position d.'ouverture représentée à la figure 2. En fonctionnement, le fluide sous pression est dirigé par l'admission 18 dans la chambre 17 ainsi qu'indiqué par la flèche de la -figure 1. Lorsque les organes 22 et 24 de la vanne occupent tous deux la position de fermeture, représentée à la figure -1, la pression de fluide se développe dans les chambres intérieures 26 et 27 en raison de la fuite inévitable le long de la surface d'alésage 23 et de la surface d'engagement d'alé- SÂD vjfiîuiNAL 69 11264 -7- 2006087 sage de l'organe 22 de vanne. La pression de fluide est donc essentiellement identique dans les chambres 26, 27 et 17, et aucune différence de pression n'existe à travers l'organe 22. Aucun fluide toutefois ne s'écoule par la vanne 10, de sorte 5 qu'aucune pression de fluide n'existe dans l'orifice de sortie 19 lorsque les organes de la vanne sont tous deux dans leur position de fermeture. Par suite une différence de pression se développe dans la vanne 10 lorsque le fluide sous pression est dirigé dans l'orifice d'admission 18; si la vanne est de forte di-10 mension, comme celles utilisées dans les turbines à vapeur, la différence de pression dans celle-ci est forte. Avec la fuite de pression dans les chambres internes 26 et 27, cette forte différence de pression se développe à l'organe de réglage 24, aux ouvertures 22& de la partie terminale de 15 l'organe 22, en admettant le fluide de la chambre 26 dans la chambre 27. Par suite, la force de cette différence de pression est appliquée à l'organe de réglage 24 ce qui rend difficile son ouverture à moins d'un équilibrage de la pression de chaque côté de celui-ci. 20 Pour cette raison, l'organe de vanne de réglage 24 peut être pourvu de l'organe pilote 32 et de l'orifice mineur 34, bien que l'invention ne se limite pas à cet agencementi Lorsque la force d'ouverture de l'organe de réglage 24 est appliquée à la tige 30, la vanne pilote s'ouvre d'abord puisque l'organe de 25 réglage 24 n'est pas directement fixé à la tige 30. La pression dans la chambre 27 ainsi détendue par la fuite à travers les ouvertures 37 de la plaque de retenue 36 et 1'orifice mineur 34 dans l'orifice de sortie 19j permet l'égalisation de la pression de chaque côté de l'organe de réglage 24 avant l'application de 30 la force d'ouverture à celui-ci. Cette détente de pression de chaque côté de l'organe de réglage avant l'application de la force d'ouverture réduit cette force d'ouverture de l'organe 24. Lorsque 1'organe pilote 32 remonte sous la commande de la force appliquée à la tige 30, il s'engage sur la plaque de rete-33 nae 36 fixée à l'intérieur de l'organe de réglage 24 et soulève ce dernier du siège 20 ainsi que représenté à la figure 2; ce soulèvement est indépendant de l'organe d'arrêt 22. Quand la force de manoeuvre est complètement supprimée de la tige 30, la 69 11264 2006087 force appliquée par le ressort hélicoïdal 44 ramène l'organe de réglage à sa position de fermeture sur le siège, et fait porter 1'organe pilote sur 1'orifice 34 de 1'organe de réglage ainsi que le montre la figure 1. 5 Lorsque 1'organe de réglage 24 occupe sa position de fer meture représentée à la figure 1, il bloque l'écoulement du fluide dans la vanne combinée 10 (de même que l'organe d'arrêt 22), quand ou si cet organe d'arrêt reste ouvert. L'organe de réglage de la vanne peut donc assurer l'interruption du débit 10 de fluide en cas de défaut de fonctionnement de l'organe d'arrêt ou de son dispositif de commande. Ce point est particulièrement important dans les applications de turbines à vapeur dans lesquelles il est désirable d'assurer une double sécurité de l'arrêt ou de la coupure d'excitation des groupes de turbi-15 nés en 1'occurrence de conditions anormales ou dangereuses. Ainsi que peuvent s'en rendre compte les techniciens avertis, dans le domaine des vannes, la construction de vanne combinée 10 de la présente invention assure une économie de mise de fonds, d'installation et d'espace que ne permettaient pas • 20 économies de mise de fonds et d'espace représentent approximativement la moitié de celles requises dans le cas de vannes d'arrêt et de réglage distinctes. Ces économies sont réalisées sans aucun sacrifice en ce qui concerne le comportement de la 25 vanne, ni en ce qui concerne la capacité volumétrique de celle-ci, en débit de fluide sous pression. Bien que l'on ait représenté une seule forme de réalisation de l'invention, celle-ci n'a été représentée qu'à titre d'exemple sans aucun caractère restrictif, les techniciens pou-30 vant y apporter diverses modifications qui restent dans la portée de l'invention. 1 1264. -9- 2006087 . E_E_V_E_W_5_I_Ç_A_T_I_0_N_S 1.- Vanne de commande de débit d'un fluide sous pression, comprenant un carter formant une chambre principale de vanne et pourvu d'un orifice d'admission et d'un orifice de sortie, un 5 siège fixe associé à l'un au moins de ces orifices, et un premier organe monté coulissant dans ce carter et venant porter sur ce siège fixe à une première position qui bloque le débit du fluide, et s'en éloignant, suivant l'axe de la vanne, pour prendre une seconde position permettant un débit total de ce 10 fluide dans cet orifice, vanne caractérisée par le fait qu'un second organe, disposé concentriquement au premier, se déplace indépendemment de ce premier organe, par rapport au siège fixe, pour régler le débit de fluide dans la vanne lorsque le premier organe occupe sa position d'ouverture, ces premier et second 15 organes étant pourvus de dispositifs de commande indépendants. 2.- Vanne selon revendication 1, caractérisée par le fait que le siège est formé dans l'orifice de sortie. 3.- Vanne selon revendication 1-ou 2, caractérisé par le fait que les orifices d'admission et de sortie sont perpendicu- 20 laires entre eux. 4.- Vanne selon revendication 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que le premier organe de la vanne a la forme d'une cupule renversée et est disposé dans la chambre principale de manière à y former une première chambre interne, le second organe 25 de la vanne, de forme cupulaire, forme une seconde chambre interne conjointement avec le premier organe, et l'agencement comporte des moyens assurant la communication du fluide entre ces première et seconde chambres internes. 5-- Vanne selon l'une ou l'autre des précédentes revendi-30 cations 1 à 4, caractérisée par le fait que le second organe est pourvu d'un orifice mineur d'équilibrage de pression, orifice auquel est associé un organe pilote, le mouvement initial du second organe faisant prendre à l'organe pilote sa position d'ouverture . 35 Vanne selon l'une ou l'autre des précédentes revendica tions 1 à 5, caractérisée par le fait que le carter de la vanne comprend une paroi d'extrémité, le dispositif de manoeuvre des premier et second organes consiste en une tige tubulaire fixée 11264 -10- 2006087 au premier organe et passant à travers cette paroi d'extrémité, une tige interne est montée coulissante dans la tige tubulaire et est fixée au second, organe-,-.-la^tigç tubulaire étant pourvue d'un dispositif de manoeuvré constitué, par un ressort destiné 5 à rappeler le premier .organe en direction de la première position, une "butée rigidement fixée, à" cette tige creuse pour supporter ce ressort, un bras fixé à cette butée et capable de faire mouvoir le premier organe de la vanne de sa première à sa seconde position. 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