Brevet FR2111987A1 — publié le 19720616

L'invention concerne une vanne parfaitement adaptée au réglage du débit d'un courant de fluide qui présente une valeur très grande et/ou une pression et une température très élevées; les manoeuvres de réglage de tels débits dans une telle vanne, exigeant des efforts remarquablement petits0 On sait que la mise en oeuvre, à l'aide d'une vanne, des opérations classiques de réglage du débit d'un courant de fluide engendre sur les organes de fermeture de cette vanne des efforts de poussée qui sont d'autant plus grands que la valeur du débit du courant et la pression supportée par ce dernier sont plus grands.D'ailleurs, les possibilités de transport d'un fluide1 par écoulement dans un tuyau sont1 d'une façon générale, limitées par les efforts de manoeuvre des éléments de vanne que des moyens classiques permettent de réaliser. Ainsi, ces impératifs limitent les débits dlhydrocerbure qui peuvent etre économiquement transportés dans des conduits ou lignes de tuyau ; ils limitent de meme, les possibilités d'application très particulières de courants de sodium à llétat liquide, sous pression et à chaud7 qui sont remarquablement propices au refroidissement de générateurs nucléaires" Pour assurer le refroidissement d'un générateur nucléaire de grande puissance, les vannes à clapet papillon qui équipent, souvent, les circuits de refroidissement des générateurs nucléaires de puissance moyenne, devraient comporter des arbres de clapet présentant des dimensions redhibitoires en raison des efforts appliqués, en position de fermeture, par le courant de sodium qu'exige le refroidissement d'un tel générateur et en raison des déformations engendrées par les chocs thermiques qui accompcgnent les variations brusques de débit d'un tel fluide cu cour de son réglage Invention se propose de remédier à ces inconvénients, Elle a pour objet une vanne de réglage d'un courant de fluide susceptible de présenter un très grand débit d'écoulement et de supporter des pressions éle uvées. Une telle vanne comporte vn corps présentant des ouies d'entrée et de sortie aménagées pour entre, respectivement, montées sur des éléments de tuyau, vn organe d'obturation susceptible d'etre déplacé, par rotation, autour d'un arbre monté transversalement dans ledit corps pour régler le débit d'un courant de fluide s'écoulant de l'ouie d'entrée vers l'ouie de sortie, ou vice versa. Selon l'invention, l'une des deux ouies d'entrée et de sortie est confondue avec l'ouverture d'un étui engagé dans le corps de la vanne et présentant, sur sa paroi latérale, deux ouvertures qui établissent une communication entre cette ouie de l'étui et une chambre formée par la paroi de l'étui et celle du corps muni de l'autre ouie et l'organe d'obturation, approprié au réglage de la section de passage desdites ouvertures, comporte deux joues associées entre elles par des entretoises solidaires de l'arbre ; lesdites ouvertures et leurs joues de fermeture étant symétriques par rapport à un plan comprenant l'axe géométrique de l'arbre et par rapport à un plan perpendiculaire à cet arbre. On comprend que les joues et leurs entretoises forment un équipage symétrique par rapport au plan comprenant l'axe de l'arbre autour duquel cet équipage peut tourillonner, de sorte que les efforts appliqués par la pression du fluide sur les joues, pour une position voisine de leur position de fermeture, sont réduits à une composante située dans le plan de symétrie comprenant l'axe de l'arbre. En outre, les joues d'obturation étant symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre, les efforts précités qu'entrarne la position de fermeture desdites joues sont sans effet sur le tourillonnement de l'arbre et il suffit, pour l'équilibre des éléments de la vanne en position de fermeture, d'adapter la résistance à la traction des entretoises aux poussées supportées par les joues alors que le fond de l'étui forme un cul-de-sac qui supporte la poussée statique du fluide. De tels aménagements entrarnent, évidemment1 des efforts réduits de déplacement de l'équipage d'obturation de la vanne, meme pour des vannes offrant une grande section d'écoulement et pour des fluides soumis à de grandes pressions. Dans un mode de réalisation préférée, les deux joues de l'équipage d'obturation embrassent la périphérie de l'étui et sont, ainsi, incorporées l'une à l'autre sous la forme d'un élément tubulaire d'obturation ; le cul-de-sac de ltétui séparé, alors1 de son ouverture formant une ouie étant fermement assujet- ti au corps de la vanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés lesquels, description et dessins ne sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatif, Sur ces dessins1 - la figure 1 représente1 en coupe axiale et longitudinale, une vanne de réglage de débit conforme à l'invention. - la figure 2 représente, en coupe transversale, la vanne de réglage de la figure 1. - la figure 3 représente, en perspective, l'élément d'obturation de la vanne de la figure le - la figure 4 est une coupe similaire à celle de la figure 1 I'élément d'obturation étant disposé en position de fermeture0 - les figures 5 et 6 sont deux diagrammes relatifs au fonctionnement de la vanne de la figure 10 Sur les figures 1 et 2, on peut voir un manchon 1 présentant la forme d'un cylindre de révolution réalisé pâr roulage1 à chaud, d'une plaque en acier inoxydable.Les deux extrémités de ce manchon 1 ont été aménagées par des opérations de rétreint, sous la forme de deux cols coaxiaux le, Os, dans lesquels ont été respectivement engagés, à force, des tronçons de tube cylindrique et circulaire 2 et 3 réalisés, de même, par roulage b chaud de plaques d'acier inoxydable ; des cordons annulaires de soudure 2a, 2b, 3a, 3b étant réalisés sur la face interne du manchon 1 et sur les tranches correspondantes des tubes 2 et 3 pour assurer un ferme assemblage de ces tubes 2 et 3 à ce manchon I. 10 On précisera que les diamètres des faces internes des tubes 2 et 3 sont égaux, entre eux, et que ces faces cylindriques se trouvent, ainsi, disposées coaxialement dans le prolongement l'une de l'autre De plus, on notera que la tranche interne du tube 2 est située au droit de l'emplanture du col le alors qu'une partie appréciable du tube 3 est disposée à l'intérieur du manchon 1 pour ménager, à l'intérieur de ce dernier, une chambre annulaire lcO La partie extrême du tube 3 est fermée par une calotte de révolution 4 résultant d'opérations de formage appliquées à un flan en acier inoxydable et similaires aux opérations de roulage mentionnées plus haut ; la section radiale de cette calotte, dont la face concave est dirigée vers le tube 2, étant du type des sections élliptiques des fonds de réservoirs usuels destinés à contenir des fluides sous pression. De plus, cette calotte est engagée, par exemple, à force dans le tube 3 et des cordons de soudure 4a, 4b, effectués sur la tranche de la calotte et sur l'extrémité de la face latérale interne de ce tube, assurent le ferme assuiettis- sement de la calotte à ce dernier, Enfin, la partie du tube 3 qui est située entre le col Os et la calotte 4 présente des ouvertures longitudinales 5 identiques et ménageant, entre elles, des écarts angulaires égaux pour constituer une classique lanterne de communication entre la chambre Oc et le tube 3. Par ailleurs, les aménagements décrits plus haut réservent, entre les tranches disposées en regard des tubes 2 et 3, un écart "1", dans lequel est disposé un fourreau 6 de section circulaire et on précisera que le diamètre de la face externe de ce fourreau est, pratiquement, égal au diamètre de la face interne des parties extrêmes des tubes 2 et 3. Ce fourreau 6 (figures 2 et 3) présente deux trous égaux, diamétralement opposés dans le plan transversal médian de ce fourreau et deux douilles identiques 7 et 8 sont soudées sur la face interne du fourreau, en regard de ces trous, pour permettre le montage de ce fourreau 6 sur un arbre 9 et son assujettissement, à ce dernier, grâce à une clavette 10 engagée dans la douille 8. De plus, la partie du manchon 1 qui correspond au plan transversal médian de l'écart "I" comporte, également, deux trous diamétralement opposés dans lesquels sont coaxialement engagées et soudées, sur les bords de ces trous, une douille 11 et une douille fermée 12. Ces douilles sont, intérieurement, garnies de bagues pour constituer, respectivement, un palier et une butée de tourillonnement de l'arbre 9 qui peut être commandé, en rotation, par un servo mécanisme 13 à genouillère 14 monté sur l'extrémité de l'arbre 9 opposé à la butée 12 ; ce mécanisme étant porté par un bâti 15 fixé sur une trompette 16 assemblée au manchon 1 et munie d'un système de presse-étoupe dans lequel est engagé l'arbre 9. La description qui précède permet de comprendre que le fourreau 6 peut être déplacé entre les tubes 2 et 3 pour présenter diverses positions angulaires qui ménagent divers degrés d'ouverture de l'écart "I" Il et, en particulier (figure 4) une position de fermeture0 On conçoit, alors, que le manchon 1 constitue un corps de vanne muni d'une ouie d'entrée 2 et d'une ouie de sortie 3 prévues pour être assemblées d'une manière appropriée sur des tuyaux, pour permettre le réglage du débit d'un courant de fluide (flèches f) par des déplacements adéquats du fourreau 6 qui constitue un organe d'obturation ; la disposition coaxiale des ouies 2 et 3 et du corps 1 assurant un écoulement aussi direct que possible de l'entrée à la sortie, par la lanterne 5. Evidemment, la disposition particulière de l'arête externe 6r de chaque tranche de l'obturateur 6 par rapport aux arêtes internes 2r, 3r des tranches des tubes 2 et 3 ne peut pas s'opposer à des fuites, surtout lorsque le fluide supporte des pressions élevées, Toutefois, cette disposition entrarne un mode de réalisation très simple et cette étanchéité est suffisante pour le réglage du débit d'un courant, En outre, pour la position de fermeture de l'obturateur 6, on remarquera que, grâce à la disposition coaxiale de cet obturateur 6 par rapport à celle de l'ouie d'entrée 2 et de l'extrémité intérieure du tube 3 fermée par la calotte 4, ces éléments constituent un étui cylindrique (figure 4) et supportent seuls la poussée statique du fluide sans appliquer de composante ou de couple sur l'arbre 9 qui exige, alors, pour entraîner en rotation l'obturateur 6, une énergie correspondant, seulement, au frottement usuel de rotation sans charge des parties de cet arbre dans les garnitures des butées et des paliers 12, 11 et dans le presse-étoupe de la trompette 16. La charge appliquée sur l'arbre 9 par la pression statique du fluide est, en effet, nulle Ainsi, les dimensions d'une telle vanne peuvent être adaptées à la valeur d'un très grand débit d'un courant de fluide pour permettre le réglage de ce débit en n'exigeant qu'une consommation d'énergie relativement faible, même dans le cas où la pression statique du fluide sur la calotte 4 atteint quelques dizaines de tonnes. Par ailleurs, on a choisi dans l'exemple de réalisation décrit plus haut, une disposition symétrique de l'arbre 9 par rapport aux tranches du fourreau 6 mais, évidemment, une disposition excentrée 17 de cet arbre, par rapport à ses tranches (figure 4) entrainerait des résultats similaires Toutefois, dans de tels cas, il conviendrait d'assureur à l'équipage constitué de l'arbre 9 et de l'obturateur 6, un plan de symétrie "P" (figure 3), les parties 6d, 6g de cet obturateur 6 situé de part et d'autre de ce plan pouvant être assimilées à deux joues destinées à fermer, chacune, une partie de l'écart ménagé entre les tranches en regard des tubes 2 et 3. A ce propos, le tube 2, dont l'ouverture est confondue avec l'ouie d'entrée, pourrait être prolongé à l'intérieur du corps 1 de la vanne pour former, avec la partie extrême du tube 3 munie de la calotte 4, un étui dans les flancs duquel seraient aménagées deux ouvertures symétriques par rapport au plan "P" comprenant l'arbre (mentionné plus haut) et par rapport à un plan perpendiculaire à cet arbre pour éviter des efforts sur ce dernier.Ces ouvertures pourraient être fermées par deux joues adéquates et associées rigidement entre elles par des entretoises solidaires de l'arbre 9 ; les tranches ou bords des ouvertures et des joues se présentant sous la forme de faces de révolution autour de l'axe de l'arbre 9 pour assurer, en position de fermeture, une étanchéité acceptable0 Ainsi serait satisfait le principe d'équilibrage des poussées du fluide sur des éléments de la vanne excluant l'arbre de l'obturateur0 Toutefois, la variante des figures 1 et 2 conduit à une réalisation remarquablement simple et son utilisation entraide des pertes de charge réduites et une bonne stabilité de fonctionnement0 A ce propos, on rappelera que pour apprécier les possibilités d'écoulement diurne vanne, on se réfère généralement à un nombre Cv (figure 5) qui représente, en fonction de lXangle d'ou- verture , des quantités de fluide traversant une vanne, par exemple en une minute, lorsque la perte de charge, dans cette vanne, est maintenue à une valeur prédéterminée. un coefficient Cf (figure 6) qui indique une réduction du débit consécutive à l'apparition de conditions critiques d'écoulement (cavitation et vaporisation des liquides, écoulement super sonique des gaz). Or, pour une valeur de l'écart "I" de llordre des 3/4 du diamètre "D" de l'ouie d'entrée, ces coefficients d'écoulement présentent, pour des angles d'ou- verture qui peuvent atteindre 400, l'allure régulière et uniforme, des courbes des figures 5 et ó ce qui garantit un fonctionnement stable de la vanne exemptde phénomènes de pulsation d'écoulement pour tous ces angles diouverture. Par ailleurs, on indiquera que la nature des aciers constituant les éléments de la vanne décrite plus haut et les soudures d'assemblage de ces éléments entre eux peuvent être adaptées à la nature et aux conditions de température et de pression du sodium à l'état liquide, en vue d'assurer le réglage du débit d'un courant de ce fluide issu d'un échangeur de refroidissement d'un générateur nu cléaire . Il apparat, clairement, que les formes symétriques par rapport à l'axe gé néral diécoulement "xy" des éléments de la vanne sont parfaitement adaptées aux déformations que peuvent produire les chocs thermiques entraidés par des variations de débit, du fait de la température relativement élevée du sodium à l'état liquide. A ce sujet, on notera que, pour préserver des effets de la température du sodium liquide, les éléments de presse-étoupe de la trompette 16 et maintenir ces éléments à une température de l'ordre de 50 à 600 Celsius, llextrémité de cette trompette, adjacente au corps, est équipée transversalement de disques 18 en aluminium noirci par oxydation pour former des ailettes de refroidissement. En outre, la position verticale de ces ailettes 18 qu'impose une classique disposition horizontale de l'arbre 9 assujetti au servo mécanisme 13 est propice à un échange efficace de chaleur par convection0 Au surplus, les dimensions de la vanne peuvent être adaptées sans inconvénients, comme on l'a précisé plus haut, à la valeur de très grands débits qu'en xige le refroidissement d'un générateur nucléaire de grande puissance, Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux termes de la description qui précède mais elle en comprend, au contraire, toutes les variantes à ia portée d'un homme de l'art. Ainsi, un courant de fluide pourrait être admis par les ouvertures 5 de la lanterne pour s'échapper par l'ouie 2 ; par tailleurs, ces ouvertures 5 pourraient présenter des formes diverses, appropriées à l'écoulement d'un fluide. REVEN DICAT 10 NS 1. Vanne de réglage de débit d'un courant de fluide, pouvant sup porter des pressions élevées, comportant un corps muni d'ouies d'entrée et de sortie destinées à entre, respectivement, montées sur des éléments de tuyau, un élément tubulaire présentant un plan longitudinal de symétrie et assujetti, en rotation, à un arbre disposé dans ledit plan et monté transversalement et toutillonnant dans ledit corps pour former un obturateur tubulaire, vn dispositif de siège approprié audit obturateur tubulaire, caractérisé en ce que l'obturateur tubulaire constitue, approximativement, la partie médiane et tourillonnante d'un étui en trois parties, dont l'ouverture est confondue avec l'une des ouies et que la partie en cul-de-sac dudit étui est solidaire du corps de vanne en ménageant, dans ce dernier, une chambre présentant l'autre ouie. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ouies d'entrée et de sortie sont disposées coaxialement, I'une par rapport à l'autre ; la partie en cul-de-sac étant fixée au corps de la vanne par une lanterne solidaire de l'autre ouie. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les trois parties de l'étui se présentent sous la forme de tronçons de tube circulaire et que le diamètre des faces internes des parties extrêmes d'ouverture et en cul-de-sac est sensiblement égal au diamètre de la face externe de l'obturateur tubulaire. 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'axe de l'arbre de l'obturateur tubulaire est situé dans le plan transversal médian de symétrie dudit obturateur. 5. Vanne selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que le cul-de-sac est constitué par une calotte de section transversale élliptique, dont la face concave est dirigée vers l'ouverture de l'étui. 6. Vanne selon l'une des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que le corps de vanne et les trois parties de l'étui se présentent sous la forme d'éléments issus de flans en acier inoxydable conformés à chaud ; les éléments d'entrée et de sortie étant assemblés au corps par des cordons de soudure situés à l'intérieur dudit corps. 7. Vanne selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracté risée en ce que l'arbre de l'obturateur tubulaire est monté dans une trompette à presse-étoupe qui est équipée d'ailettes de refroidissement.