Brevet FR2077586A1 — publié le 19711029

La présente invention concerne les valves de commande à tourbillon. Ce genre de valve, bien que très utile dans de nombreuses applications, présente un certain nombre d'inconvénients : 5 a) les caractéristiques de la pression en fonction du débit ne permettent pas une grande souplesse d'application, b) les caractéristiques à résistance négative dans les circuits fluidiques logiques, ou bien dans les oscillateurs de puissance ne permettent pas non plus l'emploi des valves à tourbillon 10 de type courant. c) L'emploi de ces valves comme régulateurs de débit lorsque une source commune de, pression est utilisée comme signal de commande est très limité. Ces valves ont habituellement au moins une alimentation radiale et uneou plusieurs entrées tangentielles 15 de commande. En vue d'une modulation optimale du débit, la pression d'alimentation radiale doit être maintenue constante et la pression de commande doit lui être de 1 ,2 à 2 fois supérieure pour le débit minimum. Si une seule source de puissance est disponible, un étranglement doit être placé en série dans le circuit de débit pour 20 obtenir la perte de charge requise entre l'alimentation et la commande. Cette pression différentielle à travers un orifice est maximale pour le plus grand débit, alors que le fonctionnement efficace d'une valve de commande de débit exige des conditions opposées. Pour remédier à ces inconvénients, la p-résente invention 25 a pour objet une valve a tourbillon commandée en opposition dont l'alimentation radiale est supprimée et qui présente une alimentation tangentielle montée en opposition avec la commande, dont la section relative par rapport à l'ajutage de commande permet d'obtenir la caractéristique désirée de la valve. 30 L'invention va être maintenant décrite à titre d'exemple et en se référant au dessin annexé dans lequel : La Fig. 1 est un schéma d'une valve selon l'invention; La Fig. 2 en est une représentation analytique; Les Fiqs. 3 à 8 sont des relevés de caractéristiques 35 divers; La Fig. 9 est une coupe d'une valve selon l'invention; Les Figs. 10 et 11 sont des coupes de la précédente respectivement selon les repères 10-10 et 11-11; et La Fig. 12 est,un schéma de fonctionnement de la précé- 40 dente en régulateur de débit. BAD ORIGINAL 71 00463 2 2077586 En se référant à la Fig, 1, une valve à tourbillon commandée en opposition 10 comprend une entrée'de commande 12 et une entrée d'alimentation 14, communiquant toutes deux avec une chambre à tourbillon 1 6 définie par une paroi 1 7 et un orifice de sortie 5 centrale 18. Comme on le voit, les courants de fluide émis par les entrées 12 et 14 sont dirigés de façon à produire les tourbillons opposés dans la chambre 16, un tourbillon résultant étant la conséquence de cette opposition. L'analyse mathématique du fonctionnement de cette valve 10 va être faite ci-après, en introduisant un paramètre Wg définissant une alimentation radiale qui, dans la présente invention, est nulle. Cette analyse utilise également une variable empirique Wn définissant la relation entre le débit de sortie W et la fonction de o tourbillon vp qui est l'angle du vecteur vitesse de l'écoulement du 15 fluide par rapport à la direction tangentielle. Cette fonction est déterminée expérimentalement pour chaque configuration de valve0 Des détails concernant ces calculs sont consignés dans la brochure éditée par le ASME/HDL Fluidics Symposium, Chicago, tenu en mai 1967, pages 233-250 de l'article "Advances in Fluidics" sous 20 le paragraphe "Analyse des valves à tourbillon"0 Les définitions suivantes sont données î A = section de débit A2 = section de sortie A , = section de l'orifice de commande cl 25 C,j = section de débit Cd^ = coefficient d'orifice de sortie Cd„n = coefficient de débit de l'orifice de commande cl = diamètre de la chambre à tourbillon =pdiamètre de l'orifice de sortie 30 Fi (—) = fonction de débit 1 Ps- g = constante gravitationnelle k = rapport des chaleurs spécifiques 1 = longueur de la chambre à tourbillon P , = pression de commande 35 cl F _ Pg = pression d'alimentation de la chambre a tourbillon Pv = pression ambiante R = constante des gaz parfaits T = température du gaz de commande = température du gaz à l'entrée 12 BAD ORIGINAL 71 00463 3 2077586 10 Tg = température de l'alimentation Vc, , Vc2 = vitesses du débit de commande V = vitesse du débit radial de sortie de fluide = vitesse de débit tangentiel du même Wc-j » Wc2 = débit de commande en masse W = débit de sortie en masse o Wg = débit d'alimentation en masse WM = paramètre sand dimension lié au débit (* = densité du gaz y= angle de la vitesse de débit avec la direction tangentielle. 1 5 ou 20 Le débit WQ est défini par : Wo = WN Cd2 *2 (T } l/2 C1 f1 C1 = k g k + 1 Je - 1 1/2 (1) (2) et où : 25 v k-1 1 FT (t^) ri - 2 1/2 k + 1 1/2 (3) 30 *1 -JLw 1.00 (4) car 35 k- fv7 2 f-1 ps 1ÎTTÎ7 (5) Par suite de la conservation de la masse du débit à travers la valve, on a : WQ + Wcl + Wc2 4C BAD ORIGINAL 71 00463 4 2077586 OÙ Ws = O dans le présent cas. Utilisant l'équation de l'orifice pour calculer le premier débit de commande, on trouve : Wcl = Cdcl Acl ?Cl C, f, fMsi Pcl2Ps (7) (tcl) v2 ™ où et f^ (Ps/Pcl) sont de la forme donnée dans les équations (2)-(5), et wcl "-"cl Acl —T72 Cl ^(p-")51 Ps7Pcl (8' dcl» . _ Pareillement : i o Wc2 - cac2 ac2 0, (9) 20 Pc p ou : Wc2 = -Cde2 Ac2 C1 fn __c2 si Pg7 Pc2 (10) ' S 2^ Les sections respectives des débits sont calculées comme si ces sections étaient circulaires. 2 \ a2 = _dJ (11) Acl = °cl (12) 30 Ac2 = f- (13) Vr On a en outre TV = (14) 4 vt 35 V = = W° R Tg (15) A «Ws ^ ^ Vt - -L_ (Wcl vcl - Wc2 vc2) (--) O 40 BAD ORIGINAL 71 00463 5 2077586 Au cas où il existe des débits opposés importants, cette dernière valeur de V^. peut surpasser celle de ou de Vc2° Ceci ne peut se produire dans une véritable valve à tourbillon dans laquelle la vitesse tangentielle est supérieure, à la sortie à 5 l'entrée de commande tangentielle. En conséquence, la valeur de est limitée comme suit : Vt * Maximum (Vc1 , V^) (17) 10 Les vitesses de commande sont calculées sur la base de la vitesse du son et du nombre de Mach : 1 5 ou : vcl " c Mcl (18) Vc2 = C Mc2 (19) C =Vg k r T (20) r* 20 si Pcl* Ps' ! k - 1 V "cl. 25 car : f 2 k-1 (23) 30 Pcl V k + V Le nombre de Mach étant limité aux conditions subsoniques par la relation : 35 M , = 2 avec 5 2 (24) K + 1 PC1 k ■+ 1 Dans le débit inverse, si 40 P , cl s BAD ORIGINAL 71 00463 6 2077586 Mcl = O (26) m 2 est calculé pareillement avec les équations (22) à (26) mais en remplaçant Pg1 Par pe2" La valeur de requise pour résoudre l'équation (1) est donnée par un ensemble de mesures effectuées sur une valve de géométrie donnée, comme il est indiqué dans l'article mentionné plus haut. 10 Ces équations étant non linéaires doivent être résolues par une méthode itérative ou par un ordinateur. Les solutions de ces équations sont représentées aux Figs. 3 à 7. Dans cette analyse P^ doit être considéré comme la pression d'alimentation et Pc2 comme la pression de commande. 15 La Fig. 3 représente des courbes de pression en fonction du débit pour des diamètres égaux d'alimentation et de commande et différentes valeurs de ces diamètres, avec une pression d'alimentation de 3,5 kg/cm2. Ces courbes montrent qu'un débit maximum est obtenu quand P 2 et que le débit tourbillonnaire est nul. 20 Pour de grands orifices de commande, leur effet restrictif devient négligeable et le débit est limité presque entièrement par l'orifice de sortie. Ces courbes montrent aussi que le gain élevé de la pression en fonction du débit est obtenu pour les valeurs de P^-qui sont immédiatement inférieures à la valeur de P ^. Ceci montre que 25 le débit de la valve peut être commandé par une pression inférieure à la pression d'alimentation, ce qui est un avantage important de la présente valve. Les Figs. 4 et 5 montrent l'effet inattendu de la variation de la section Ac^ de l'entrée 12. Dans la Fig. 4, pour une 30 pression d'alimentation Pç de 3,5 kg/cm2, une "caractéristique négative prononcée se produit a l'orifice de commande dont le diamètre peut être choisi entre 0,35 et 0,76 mm par rapport à l'orifice d'alimentation dont le diamètre peut être de 2,5 mm, alors qu'un gain extrêmement élevé peut être obtenu au premier orifice 35 lorsque son diamètre est de 1,50 mm. La Fig. 5 montre clairement d'autres effets d'un changement dans les diamètres relatifs. La courbe correspondant à une entrée de commande d'un diamètre de 0,76 mm et à une entrée d'alimentation de 0,88 mm montre que la plage de gain élevé de la courbe 40 a été déplacée vers un point corresoondant,à une pression immédia-/ temènt inférieure à 3,5 kg/cm2 BAD ORIGINAL 71 00463 7 2077586 En accroissant le diamètre de l'entrée de commande par rapport à l'entrée d'alimentation, on crée le même effet, sur un tourbillon dextrogyre que si l'on diminuait le diamètre de la première entrée. Autrement dit, une plage de gain élevé est introduite pour un diamè-5 tre de 1 mm de l'orifice de contrôle, alors qu'un débit triple est obtenu pour une pression de commande donnée correspondant à un diamètre de 1,12mm de l'orifice de commande. Cet effet est également obtenu en modifiant l'orifice d'alimentation par rapport au précédent.Dans 10 /les limites de cette possibilité, une analyse a été faite d'une valve à tourbillon à double sortie, montrant une légère résistance négative avec une alimentation radiale classique, le résultat étant représenté à la Fig. 6. La résistance négative est extrêmement marquée, ce qui est très favorable à l'utilisation de ce type de 15 valve comme élément de mémoire fluidique. Ces courbes ont été enregistrées en alimentant l'une des entrées de commande sous une pression de 3,5 kg/cm2. La Fig. 7 montre une famille de courbes enregistrées sous différentes pressions de commande Pc« Ceci montre que la valeur de la commande agit 20 également sur la forme de la caractéristique pression-débit, en augmentant les gains pour un accroissement de la pression d'alimentation jusqu'à ce que une caractéristique de résistance négative soit crée à la pression de 3,5 kg/cm2. La Fig. 8 montre d'autres courbes enregistrées pour une 25 valve de proportion similaire, mais plus petite,, Les Figé. 9 à 11 montrent une valve à entrée de commande opposée. On voit, à la Fig. 9, un corps de valve 20 associé à un corps 22 pour constituer une chambre à tourbillon 24. Cette dernière est alimentée par une première entrée de fluide 26 communiquant avec 30 un passage annulaire 28 qui envoie le fluide dans la chambre 24 au moyen de 4- entrées tangentielles 30. Une seconde entrée 32 envoie du fluide par l'entremise d'un raccord amovible 34 formé dans un passage central 36, au moyen de 4 canaux 38 dirigés tangentiellement et opposés au passage 30. Une sortie est prévue en 40. 35 Dans cette disposition, la somme des aires des passages 38, 30 est modifiée en remplaçant le raccord 34 par un autre raccord disposé dans le passage 38. La Fig. 12 illustre schématiquement l'incorporation de cette valve dans un dispositif régulateur de pression. Une source 40 de pression 12 est connectée à une entrée d'une valve 44 en même 71 00^63 8 2077586 temps qu'à l'entrée d'un amplificateur à fluide 46 du type à jet confiné* Ce régulateur inclut également un dispositif de commande 48 produisant un signal de sortie pouvant indiquerla pression à la sortie 52. Le signal émis par le dispositif 48 est appliqué dans la chambre de l'amplificateur qui délivre un signal 50, lequel est à son tour appliqué à une autre entrée opposée de la valve 44. La sortie 52 est connectée à l'utilisation 54, dont la pression est ainsi régulée à toute valeur désirée. 9 2077586 REVENDICATIONS 1. Valve à tourbillon à commande en opposition comprenant 5 une chambre à tourbillon pourvue d'un orifice de sortie central, et de deux groupes d'orifices d'entrée tangentiels dirigés en sens opposés caractérisée en ce que les sections respectives desdits groupes d'orifices d'entrée diffèrent suffisamment l'un de l'autre pour susciter la production d'un tourbillon résultant et pour pro- 10 duire une résistance négative dans la caractéristique pressions-débits de cette valve. 2. Régulateur de pression comprenant une valve selon 1, caractérisé en ce qu'il inclut en outre une source de fluide sous pression reliée auxdits orifices d'entrée de la valve, et des mo- 1 5 yens de liaison entre le point d'un circuit à réguler et la sortie de la valve, 3. Régulateur selon 2, caractérisé par de^taoyens de variation de la pression transmise de la source à l'un des groupes d'orifices, 20 4. Régulateur selon 3, caractérisé en ce que lesdits mo yens de variation de la pression comprennent des moyens produisant un signal fluidique représentant la pression audit point et aussi des moyens pour faire varier cette pression de fluide en fonction de ce signal. BAD ORIGINAL