Brevet FR2239631A1 — publié le 19750228

L'invention concerne les soupapes de surjeté. Différents types de soupapes de sûreté sont utilisés pour fermer les ouvertures de décharge. Par exemple, des soupapes annulaires de divers types sont mises en oeuvre dans les machines hydrauliques montées notamment dans les barrages de retenue d'usines de production d'énergie hydroélectrique. Une soupape classique de sûrete comporte un servomoteur se présentant sous la forme d'un cylindre annulaire entourant un tube de décharge de manière que la pression d'un fluide, appliquée sur l'une ou l'autre des faces d'un piston annulaire, déplace axialement ce dernier. Ce piston est fixé à un obturateur cylindrique qui, en se rapprochant axialement ou en sté- lignant d'un déflecteur conique d'un courant d'eau, monté sur Itaxe du tube, ouvre ou ferme l'orifice de décharge de l'eau. Le déflecteur conique est situé dans la/de transition entre un tube étroit et un tube de grand diamètre. Il est destine à dévier le courant d'eau, de section transversale circulaire, sortant du tube étroit pour lui donner une forme en coupelle, de section transversale annulaire et de diamètre supérieur à celui du courant d'arrivee, afin: de dissiper l'énergie cinétique de l'eau de-décharge~ A la fermeture,-l'obturateur cylindrique de cette soupape se déplace dans le sens d'écoulement de l'eau et, lorsque ltorifice annulaire est partiellement ouvert, il dépasse de la zone de transition, en forme de- coupelle, située entre le petit et le grand tube.Il perturbe donô lté- coulement de l'eau en forme de coupelle et présentant une section transversale annulaire en ce point. La soupape de sûreté décrite ci-dessus présente plusieurs inconvénients. En effet, lorsque l'obturateur cylindrique est partiellement ouvert, il dépasse de la zone de transition, en forme de coupelle, délimitée entre le petit tube et le grand en affectant ltécoulement d'eau3 également en forme de-coupelle et de section transversale annulaire en ce point, par la création d'une "zone tourbillonnaire" entre la surface ex térieure de ltobturateur cylindrique de la soupape et le contour de la jonction du petit tube avec le grand. Cette zone compor te des remous et des dépressions qui provoquent des vibrations. De 11 air doit y être injecté pour supprimer les dépressions. Cette "zone tourbillonnaire" de l'écoulement de l'eau entre le côté extérieur de l'obturateur cylindrique et la jonc tion du petit tuyau avec le grand empoche également toute aug mentation du diamètre de ce dernier à une valeur convenant à la dissipation de l'énergie de l'eau, car l'augmentation du volume de la '1zone tourbillonnaire" entrasse une augmentation de la dépression, des remous et des vibrations. Le guidage par deux cotés de l'obturateur cylindrique du cylindre du servomoteur pose également un problème, car, pour chaque déformation, meme faible et, dans le cas de tuyaux de grand diamètre, relativement importante,due à la pression de l'eau, le coulissement de l'obturateur (c'est-à-dire le déplacement vers sa position d'ouverture ou de fermeture) est perturbé. Ce défaut a été éliminé en limitant au maximum les contraintes de certains éléments de la soupape en leur donnant une, grande rigidité. Ces éléments doivent donc être lourds et il en résulte une augmentation des prix-de transport, de monta, ge et d'installation. le plus, ce type classique de soupape de sûreté pré sente également des défauts de caractère technologique. Il est très difficile et très coûteux d'usiner avec précision les sur faces a'étanchéité' et de guidage de cette soupape, en raison de leurs grandes dimensions. Pour que les grandes surfaces de glissement donnent un fonctionnement convenable, elles doivent être en diverses matières coûteuses et de bonne qualité. L'invention concerne une soupape de surjeté ne présen tant nas les inconvénients mentionnés ci-dessus et pouvant être aisément fabriquée à bon marché en raison de son poids très inférieur à celui des soupapes antérieures. La soupape selon l'invention comporte un cylindre de servomoteur, situé à proximité d'une première extrémité d'une enveloppe cylindrique, sur l'axe central de cette dernière. Deux nervures radiales et creuses dépassent de ce cylindre, avantageusement sur toute la longueur de l'enveloppe. Le servomoteur, commandé par lez fluide de décharge, comporte un fond qui communique avec un couvercle conique de déviation, divergeant vers la circonferencede ltenveloppe à laquelle il est relié pour empêcher l'écoulement du fluide dans la direction axiale. Une ouverture circonférentielle est réalisée dans l'enveloppe à sa liaison avec le couvercle conique. Cette ouverture n'est interrompue qu'en deux points par les nervures radiales reliées au corps du couvercle. Le fond du cylindre du servomoteur est disposé sur le cote du couverele~orienté vers l'arrivée du fluide de décharge à pression constante. Sur le côté de l'enveloppe cylindrique opposé au précédent, le cylindre d'un second servomoteur, fonctionnant sous la commande d'un dispositif d'alimentation en fluide sous pres-sion, est disposé également sur l'axe central de l'enveloppe, à 11 aide des nervures radiales et creuses. La soupape de sûre- té selon l'invention comporte la tige du piston du servomoteur commandé par fluide. Ce piston est soumis à la pression cons -tante du fluide de décharge. Il fait partie d'un obturateur de manière que le corps cylindrique puisse se déplacer axialement en portant sur ltextrémité de l'enveloppe cylindrique et en délimitant avec cette dernière une ouverture circonférentielle de sortie du fluide de- décharge. Un ou plusieurs éléments d'indication sont fixés sur la tige du piston et dépassent des nervures creuses afin d'indiquer la position de l'obturateur et d'empêcher toute rotation des. éléments mobiles axialement de- la soupape de~st- reté selon l-tinvention. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels : la figure 1 est une coupe axiale de la soupape de sû- reté selon l'invention ; les figures tA et 1B sont des coupes transversales suivant les lignes A-B et C-D de la figure 1 ;; la figure 2 est une coupe transversale du montage de la soupape selon l'invention entre l'enveloppe hélicoidale -dJune machine hydraulique et l'eau d'aval la figure 3 est une coupe transversale d X ontage de la soupape selon l'invention entre l'enveloppe hélicoidale d'une turbine hydraulique de pompage et l'enveloppe hélico- dale de décharge pour la production de deux jets d'eau diffé rents la figure 4 est une vue en plan, avec arrachement par tiel, du montage de la soupape selon llinvention sur l'enve loppe hélicoïdale d'une machine hydraulique et sur l'enveloppe hélicoïdale de décharge représentée sur la figure 3 ; et la figure 5 est une élévation schématique, avec coupe partielle, du montage de la soupape de sûreté selon l'inven- tion dans un barrage. La figure i représente la soupape de sûre-té selon l'invention qui comporte une enveloppe cylindrique I renfermant, à proximité d'une première de ses extrémités et sur son axe central, un cylindre 10' d'un servomoteur 30' monté à l'aide d'au moins deux nervures radiales et creuses 36 et 36' dispo sées avantageusement sur toute la longueur de ltenveloppe. Le fluide de décharge à pression constante entrasse le servomoteur 30'- dont le fond 13, orienté face au courant du fluide d gécharge, se termine par un couvercle conique 1"' de déflexion qui diverge et porte sur l'enveloppe cylindrique 1 à la paroi de laquelle il est relié afin d'empêcher l'écoulement ~a-xial du fluide.La zone de contact du couvercle 1" avec la paroi de l'enveloppe 1 comporte une ouverture circonférentielle 15 qui n'est interrompue qu'en deux points par les nervures creuses et radiales 36 et 36' reliant le corps du couver cle 1"' au fond 13 du cylindre 10' placé sur le côté du couvercle 1"' orienté dans le sens de décharge du fluide. A l'autre extrémité de l'enveloppe cylindrique 1 et sur son axe cen triai, un cylindre 10 d'un-second servomoteur 6', commandé par un dispositif d'alimentation en fluide sous pression (non représenté), est également monté à l'aide des nervures creuses et radiales 36 et 36'. Le cylindre 10, recouvert d'un couvercle 7, renferme un piston 6 auquel une tige 5 est reliée par des vis 8.L'autre extrémité de cette tige 5 est également reliée par des vis 11 au piston 30 du cylindre 10' du servomoteur 30' commandé par le fluide de décharge. Le piston 301 fait partie d'un obturateur 2 comprenant un corps cylindrique 2' mobile axialement pour porter sur l'extrémité de l'enveloppe cylindrique 1 présentant l'ouverture circonférentielle 15 et reliée étroitement au piston 30 du servomoteur 30'. L'obturateur 2 comporte des orifices 34 lui permettant de se sous traire à l'effeiLdu fluide-de'charge. il coulisse sur l'en- veloppe 1 ou le cylindre 10' par ses surfaces 33 et 31 pour guider le fluide de décharge et l'empêcher de passer, respectivement.Un ou plusieurs repères 9 sont montés sur la tige 5 reliant les deux pistons 6 eb 30 des servomoteurs 6' et 30' et dépassent de la surface extérieure de ltenveloppe 1 par l'une des nervures creuses 36 et 36' pour indiquer la position de l'obturateur 2 et empêcher toute rotation des éléments 6, 5 et 2 mobiles axialement. Un conduit 23 d'alimentation en fluide comprimé de commande, passant dans la nervure creuse 361 et relié à une source de fluide sous pression (non représentée), aboutit dans le volume 28 du cylindre 10 du servomoteur 6'. Des rainures de la paroi de ce cylindre 10 et de son fond 14 et un tube 27 de décharge passant dans la nervure creuse 36 relient le cylindre 10 du servomoteur à l'atmosphère pour en décharger le fluide de commande qui, dans le cas d'une fuite, risque de s'échapper par la tige 5 du piston dans le fluide de décharge ou le long du piston 6 dans l'espace délimité à l'intérieur du servomoteur 6'. Un conduit 22 est relié à l'espace intérieur 21 du servomoteur 30' pour l'alimenter en fluide de décharge à pression constante et pour en permettre l'échappement.Ce conduit 22 passe également dans la nervure creuse 36. L'enveloppe 1- comporte un collet 1' orienté latéralement par rapport au servomoteur 6' et relié par des vis à un collet correspondant 4 d'une conduite 16 d'alimentation, bien que ce collet 1' soit, avec un tronçon évasé et amovible 1" d'écoulement, délimité par une surface circonférentielle 19 et emboîté de manière amovible dans la partie 3 de décharge, généralementnoyéedans le béton d'un mur 18 du bâtiment d'une usine ou d'un barrage, A son -extr-émité opposée à celle reliée à l'enveloppe, la partie 3 de décharge comporte un raccord 17 permettant le montage d'un autre tube de décharge décrit plus en détail ci-après. La figure 2 représente le montage de la soupape de sûreté selon l'invention entre l'enveloppe hélicoldale 39 d'une machine hydraulique 40 et 11 eau d'un canal 42 d'aval. L'enveloppe 1 de la soupape de sûreté est donc reliée à l'enveloppe hélicoïdale 39 de la turbine par la conduite 16 d'alimentation et à la conduite 41 de décharge aboutissant dans le canal 42 par la partie 3. il apparatt sur la figure 2 que 1'eau de décharge, après avoir effectué son- t-ravai-l d-an-s- la turbine, passe dans le canal 42 de décharge par un siphon 43. Les figures 3 et 4 représentent le montage de la soupape de sûreté selon l'invention entre l'enveloppe hélicoïdale d'une turbine hydraulique de pompage et l'enveloppe héli costale de décharge pour obtenir deux jets d'orientations différentes. L'enveloppe 1 de la soupape selon l'invention est donc reliée à l'enveloppe hélicoïdale 39 de la machine hydraulique de la même manière que dans la forme de réalisation représentée sur la figure 2, à l'aide dé la conduite 16 d'alimentation. Cependant, elle est reliée par la partie 3 et par le tube 41 de décharge à l'enveloppe hélicoldale 44 pour faire tourner le jet sortant de cette s-oupape. Ce jet du fluide de décharge atteint l'enveloppe hélicoïdale 44 qui lui applique un mouvement de rotation. I1 est déchargé entre des ailettes 45 de guidage dans un tube 46 qui tourne ainsi autour du jet vertical demanière que la partie du fluide s'échappant dela turbine par le siphon après avoir effectué ce travail, atteigne le tube 46 à peu près verticalement. Le choc de deux jets se rencontrant à angle droit est ainsi évité et les conditions d'écoulement, obtenues pendant le fonctionnement de la turbine et de la soupape, à tous les régimes, sont favorables. La figure 5 représente le montage de la soupape de su- reté selon l'invention dans un barrage. L'enveloppe 1 est reliée par une première extrémité à un conduit 41' d'amenée de l'eau du lac de retenué et elle aboutit, par son autre extrémité, à une ouverture 48 de la paroi d'un barrage 49. il est avantageux, dans le cas de soupapes de sûret-é montées dans des barrages, que l'obturateur 2 soit fermé par l'eau et ouvert par pression dthuile. Par conséquent, il est nécessaire d'amener 1 t eau sous pression du lac de retenue dans l'espace 28 du servomoteur 6' (figure 1) pour fermer l'ouverture 15 de décharge, et d'alimenter l'espace 21 du servomoteur 30' en huile sous pression pour dégager cette même ouverture. Le fonctionnement de la soupape de sûreté représentée sur la figure 1 sera à présent decrit. La figure 1- représente l'obturateur-2 dans la position qu'il occupe lorsque lrouver- ture 15 de décharge est totalement fermée. La position de cet obturateur 2 correspondant à un dégagement total de l'ouvertu- re 15 est représentée en trait pointillé. Lorsque l'obturateur 2 est en position de fermeture, ltespace 28 du servomoteur 6'est sous la pression constante du fluide de commande portant sur la surface 29 du piston 6 du servomoteur 6' afin que la force tendant à fermer cet obturateur 2 soit supérieure à celle de l'eau de décharge contenue dans l'espace 21 du servomoteur 30'.Par conséquent, l'obturateur 2 ferme l'ouverture 15 de dercharge. - Lorsque la pression du fluide de commande régnant dans l'espace 28 du servomoteur 6' diminue de sorte que la force exercée sur le piston 30 du servomoteur 30-l devient supérieure à celle exercée sur le piston 6 du servomoteur 6', l'obtura- teur 2 dégage l'ouverture 15 de décharge de manière que le fluide sous pression pénètre dans l'espace 21 du servomoteur 30' et, simultanément, que le fluide de commande soit refoulé de l'espace 28 du servomoteur 6'.La pression à laquelle le fluide de commande est soumis'lorsqu'il est refoulé dépend de la pression exercée par le fluide de décharge sur le piston 30 du servomoteur 30' et pouvant être utilisée pour la mise en oeuvre d'autres mécanismes d'obturation, par exemple l'anneau de guidage des ailettes d'une machine hydraulique. La chute de pression du fluide de commande dans l'es- pace 28 du servomoteur 6' peut être évitée en empêçhant le refoulement- de ce fluide etç par conséquent, le dégagement de 1 fouverture 15 de décharge. Cette dernière est fermée lorsque ie fluide de commande est introduit dans l'espace 28 du servomoteur 6'. Le fluide de décharge est donc refoulé de l'espace 21 du servomoteur 30' jusqu'à ce que l'obturateur 2 ferme l'ouverture 15 en portant sur la surface 20 de l'enveloppe 1. Par conséquent, l'ouverture 15 de décharge peut etre fermée par le fluide de commande introduit. dans l'espace 28 du servomoteur 6'.L'introduction du fluide de décharge dans l'es- pace 21 du servomoteur 301 tend constamment à dégager l'ouvert ture 15. Cette opération se produit lorsque la pression du fluide de commande est telle que ce dernier est refoulé de l'espace 28 du servomoteur 6t. La soupape de sûreté selon l'invention présente plusieurs avantages par rapport au mécanisme d'obturation clas situe de ce type. En effet, pendant la décharge, le corps cylindrique 2' de l'obturateur 2 n'entre pas en contact avec le liquide s'écoulant, car ses deux catés sont soumis approximativement à la même ~ ~~ ~~:.De plus le-aorps-cylindrique- 2-' - ne- portant sur l'en- veloppe 1 que par un seul côté, les déformations affectant les soupapes de très grand diamètre (par exemple lorsque l'ob- turateur 2 est en position de fermeture) ne posent pas de problème de grippage pendant le coulissement guidé de l'obturateur. Le guidage du mouvement axial de l'obturateur 2 à llai- de du piston 30 (réalisé d'une seule pièce avec cet obturateur 2) dans le cylindre 10' du servomoteur 30' ne pose pas de dif ficulté, car le diamètre du cylindre ou du piston est relati vement faible. Par conséquent, les tolérances souhaitées en cequi concerne la technologie et en fonction des déformations éventuelles en charge peuvent être respectées sans difficulté et permettent à l'obturateur 2 de coulisser et d'être guidé convenablement sans que ces déformations risquent d'entraîner un grippage. De plus, les déformations n'affectant pas le guidage de ltobturateur 2, il n'est pas nécessaire de donner de grandes dimensions aux éléments mobiles pour les soustraire au maxi muni aux contraintes et, par conséquent, aux petites déformations. Il en résulte un faible poids pourra soupape selon l'in- vention, même lorsque le diamètre des éléments de décharge est grand. De plus, les courses ou déplacements des éléments coulissants s'effectuant aisément du fait de l'absence de tout frottement important dû a' des déformations éventuelles en charge, il suffit d'une force relativement faible pour vaincre les frottements et, par conséquent, la soupape de sûreté selon l'invention répond de manière très sensible aux forces de commande. Un autre avantage de la soupape selon l'invention est qu'elle ne présente pas de "zone pefturbée" apparaissant dans le courant du liquide de décharge à la jonction de l'en- veloppe; 1 avec la partie avec;la de grand diamètre, même pour l'ou- verture minimale de. l'obturateur 2. Par conséquent, les lignes d'écoulement du liquide dans cette zone de jonction entre un élément de faible diamètre et un élément de grand diamètre, c' est-à-dire la jonction entre l'enveloppe 1, ou son ouverture évasée 1", avec la partie 3 de décharge, restent approximativement parallèles et ne se décollent pas de la paroi en provoquant des remous et en faisant apparaître des zones de dépression-(comme c'est le cas des soupapes classiques qui nécessitent une conduite spéciale d'amenée d'air comprimé pour supprimer ces zones de dépression, comme mentionné précédem- ment). Enfin, le tube 27 de décharge du fluide de commande du servomoteur 6' passant dans la nervure creuse 36, il est possible de vérifier ce servomoteur par ses surfaces extérieures pour détecter d'éventuelles fuites. il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la soupape décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Soupape de sûreté comportant une enveloppe cylindrique partiellement fermée, à une première extrémité, par un déflecteur conique et creux, situe sur l'axe de l'enveloppe et destiné à dévier le jet de fluide sortant de la soupape, un obturateur-cylindrique, commandé par un servomoteur, se déplaçant axialement dans ladite première extrémité et coopérant -avec le déflecteur, la soupape étant caractérisée en ce qu'elle comporte un cylindre faisant partie du servomoteur,monté sur l'axe de 11 enveloppe cylindrique, dans ladite première extrémité de cette dernière, à l'aide d'au moins deux nervures creuses et radiales disposées avantageusement sur toute la longueur de-l'enveloppe, une conduite, destinée au passage du fluide de décharge à pression constante, étant reliée à ce cylindre dont le fond est orienté face au courant du fluide de décharge et constitue un couvercle évasé, de forme conique, diver-geant dans le sens d'écoulement et relié à sa circonférence à la paroi de l'enveloppe pour interrompre la décharge du fluide dans la direction axiale, une ouverture circonférentielle de la paroi de l'enveloppe permettant au fluide de sortir à peu près radialement de cette dernière, cette couverture n'étant interrompue qutauboints de liaison des nervures creuses avec le couvercle, un autre cylindre faisant partie d'un second servomoteur étant également monté sur l'axe central de l'enveloppe, à sa seconde extrémité, à l'aide des nervures creuses, une conduite etant reliée à cet autre cylindre pour l'alimenter en fluide de commande et un- tube e de detcharge permettant a ce fluide de commande de s'écouler, le second servomoteur comportant un piston relié par une tige, sur laquelle au moins un élément d'indication est monté, à un piston du premier cylindre cîté,ce piston faisant partie de l'obturateur dont le corps cylindrique est mobile pour s'appliquer sur la première extrémité de l'enveloppe présentant l'ouverture, cet obturateur comportant des orifices de décharge. 2. Soupape selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite traversant une nervure creuse et destinée à alimenter en fluide de commande l'espace délimité à l'intérieur du cylindre du second servomoteur, cette conduite étant également destinée à l'écoulement du fluide de commande, une autre conduite alimentant en fluide- de décharge à pression--constante -llesFe -délimité - 1-' intérieur du pr e- mier cylindre cité du premier servomoteur, cette dernière conduite permettant également l'écoulement du fluide de décharge de cet espace, le tube de décharge, destiné à l'écoulement du fluide de commande fuyant éventuellement du servomoteur, traversant une autre nervure creuse afin de permettre un/con- trolle visuel et un accès aisé pour les opérations d'entretien. 3. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un élément d1 indication est fixé sur la tige reliant les pistons et peut- se déplacer axialement dans une nervure creuse pour empêcher également ainsi la rotation de l'obturateur et des pistons des servomoteurs.