Brevet FR2225674A1 — publié le 19741108

La présente invention se rapporte d'une manière générale à la distribution des gaz combustibles sous pression, et concerne plus particulièrement une vanne de coupure à déclenchement automatique destinéeà interrompre l'alimentation en gaz d'une installation des' que cette dernière appelle un débit de gaz dépassant-une valeur critique déterminée. Des vannes du typeconsidéré sont connues dans la technique, qui comportent un clapet destiné à fermer un siège d'étanchéité bordant un orifiee pratiqué à travers une membrane manométrique interposée entre des raccords d'entrée et de sortie de fluide sons pression, élastiquement maintenue dans une position de repos déterminée et déplacée dans le sens de fermeture par les forces de pression correspondant aux pertes de charge entre siège et clapet lorsque le débit de fluide atteint une valeur limité déterminée. tes vannes de ce type sont de structure très simple et ont 9bon fonctionnement parfaitement sûr, puisque la grandeur contrôlée, à savoir le débit de gaz, est la source même de l'énergie de commande d la fermeture, et puisque tout dépassement de débit -. même instantané, qui tend à rapprocher le siège mobile porté par la membrane manométrique de son clapet pour effet d'accroître les pertes de charge entre siège et clapet, et donc d'augmenter la différence de pression de part et d'autre de la membrane dans le sens de la fermeture. C'est dire que le mécanisme présente une caractéristique inhérente de réaction positive, ou en d'autres termes, que toute amorce de fermeture conduit nécessairement à la fermeture complète de la vanne.De surcroît, cette fermeture est irréversible, et il convient d'adjoindre à la vanne un dispositif mécanique et/ou pneumatique pour pouvoir en commander la réouverture après sa fermeture automatique. Toutefois, les vannes du type spécifié ont pour inconvénient que la valeur limite au débit de gaz, conditionnée par la construction et le réglage de la vanne, varie en fonction de la pression d'alimentation sous laquelle elle reçoit le gaz; en effet, la force de rappel exercée sur la membrane manométrique reste constante, tandis que les pertes de charge entre siège et clapet et par suite les forces de pression exercées sur la membrane croissent proportizanellement à la racine carré de la pression d'alimentation. Par conséquent, lorsque cette pression devient supérieure à sa vâeur normale, la vanne se ferme pour un débit de gaz dont la valeur apparente est inférieure à sa valeur de réglage mais dont la valeur réelle est supérieure à cette dernière. L' invention a précisément pour objet de pilier cetinconvénient inhérent aw vannes de coupure du type spécifié en leur apportant des perfectionnements de nature à à annuler toute influence de la pression du gaz sur la valeur du débit limite provoquant la fermeture de la vanne. A cet effet, une vanne conforme à l'invention est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte un clapet monté mobile dans l'axe du siège d'étanchéité porté par la membrane, et dont la levée par rapport audit siège est contrôlée par un organe manométrique exposé à la pression d'entrée du fluide, de manière que la valeur limité du débit soit sensiblement indépendante de ladite pression. organe manométrique précité comprend avantageusement une seconde membrane manométrique et des moyens de rappel associés agissant contre l'action de la pression du fluide. Ainsi, dans une vanne de coupure construite conformément à l'invention, la levée initiale du clapet par rapport au siège d'étanchéité en position de repos décroît lorsque la pression d'alimentation croît, ce qui permet la fermuture automatique'de la vanne pour un débit critique sensiblement constant, exprimé dans les conditions normales. La constante du débit critique de gaz provoquant la fermeture automatique de la vanne peut être encore mieux assurée en modifiant la loi de déplacement du clapet en fonction de la pression du gaz et/ou la loi de variation de la section de passage entre siège et clapet en fonction de la levée de ce dernier, de manière à rendre l'une au moins de ces lois non linéaires A cet effet, l'organe manométrique de correction peut comporter un unique ressort, par exemple conique, à flesibilité våriable en fonction de sa compression, ou plusieurs ressorts de flexibilités différentes entrant sucessivement en action.Par ailleurs, la membrane manométriq de l'organe de correction peut présenter une surface active variable, sa périphérie extérieure prenant progressivement appui sur une portée annulaire judicieusement profilée. Enfinet comme déjà indiqué, le clapet et/ou le siège précités peuvent être conformés de manière que la section de passage qu'ils délimitent varie de façon non linéaire en fonction de la levée du clapet D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée et qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par le dessin annexé , sux lequel - la figure est une demi ~coupe axiale d'une vanne de coupure à déclenchement automatique par excès de débit, pourvue d'un organe manométrique de correction conforme à l'invention; et - la figure est une demi-coupe complémentaire de celle de la figure 1 illustrant divers perfectionnements des moyens de correction. La vanne 10 est représentée en coupe axiale sur a dessin comporte un corps formé par l'assemblage d'un couvercle 11 qui porte un raccord latéral 12 d'arrivée de gaz sous pression, et d'un fond-13 pourvu d'un raccord latéral de sortie de gaz 14. Entre les deux portées annulaires d'assemblage du couvercle Il et du fond 13 est enserrée de manière étanche la périphérie extérieure d'une membrane manométrique annulaire 15 dont la périphérie intérieure est serrée entre deux plateaux annulaires dont l'un forme du côté amont une surface de butée 16 et dont l'autre forme côté aval un siège d'étancheité 17.Un ressort de rappel 18 prenant appui sur le fond 13 repousse la membrane manométrique 15 jusqu a engagement de la surface 16 de son plateau amont avec une surface de butée 19 formée par le corps 11. De la sorte, le siège d'étanchéité mobile 17 porté par la membrane manométrique 15 possède une position de repos déterminée par construction. te siège d'étanchéité annulaire 17 bordant le débouché aval de l'orifice central de la membrane manométrique 15 coopère avecun clapet de fermeture 20 pourvu sur sa face en regard du siège 17 d'une garniture d'étanchéité 21 et sur sa face opposée d'une queue axiale 22 coulissant dans un trou borgne pratiqué dans l'axe d'une pièce de butée 23 montée dans un alésage épaulé 24 traversant une saillie intérieure centrale 25 du fond 13 de la vanne.La pièce de butée 23 et alésage épaulé 24 comporta'une part des portées cylindriques entre lesquelles est interposé un joint torique d'étanchéité 26 et d'autre part des portions filetées permettant de déplacer la pièce de butée par vissage ou dévissage dans l'alésage 24, et ainsi de régler la levée maximale par rapport au siège 17 du clapet 20, qui prend appui sur l'extrémité intérieure plane de la pièce de butée 23. Comnedéjà indiqué, la vanne 10 comporte des moyens de correction de l'influence de la pression d'entrée du gaz sur le débit critique qui déclenche la fermeture automatique de la vanne. Ces moyens, désignés par 30 dans leur ensemble, comprennent essentiellement une seconde membrane manométrique 3t obturant l'alésage central du couvercle 11 et dont la périphérie extérieure est serrée de manière étanche entre une portée annulaire dudit couvercle et un capot 32 rapporté sur ce dernier. La périphérie intérieure de la membrane eét de même serrée de manière étanche entre deux plleaux 33, 34 dont le premier est solidaire d'une tige axiale 27 elle-meme solidaire du clapet 20 et dont le second forme cuvette d'appui pour un ressort de rappel 35 dont l'extrémité opposée prend appui sur une cuvette 36 dont la position peut être réglée à l'aide d'une vis pointeau 37 vissée dans l'axe du capot 32. le fonctionnement de la vanne de coupure qui vivent d'être décrite est le suivante Lorsque la pression et le débit de gaz restent dans des limites respectives normales, les différents organes de la vanne de coupure 10 prennent les positions relatives représentées sur la figure 1: en particulier, les pertes de charge entre le siège 17 et le clapet 20 créant de part et d'autre de la membrane manométrique 15 une pression différentielle insuffisante pour vaincre la force du ressort 18, de sorte que la surale de butée du plateau 16 de la membrane reste plaquée contre la surface de butée 19 du couvercle 1f, comme représenté par ailleurs, less forces de- pression exercées sur la membrane manométrique 31 sont insuffisantes pour vaincre la force du ressort de rappel 35, qui donc maintient le clapet 20 contre la pièce de butée 23, comme représenté Dans ces conditions, la levée du clapet 20 par-rapport au siège 17 et par suite les pertes de charge entre siège et clapet pour une pression déterminée et le débit critique de fermeture de la vanne sont uniquement déterminés par le réglage de la pièce de butée 23. En supposant que la pression garde une valeur normale, insuffisante pour agir sur la membrane manométrique 31, mais que le débit de gaz appellé par l'insta~lation protégée par la vanne 10 devienne supérieure à la valeur critique sus-mentionnée, les pertes de charge entre le siège 17 et le clapet 20 créent de part et d'autre de la membrane manométrique 15 une pression différentielle suffisante pour vaincre la force du ressort de rappel 18; dès lors, le siège 17 porté par la membrane 15 se rapproche du clapet 20, ce qui a pour effet d'accroître les pertes de charge et donc d'accélérer le déplacement de la membrane.Du fait de cette réaction positive, tout dépassement de débit, même instantané, provoque la fermeture irréversible de la vanne; én effet, dès que le siège 17 engage le clapet 20, l'intégralité de la pression du guz s'exerce:ur-la totalité de la surface de la membrane 15, ce qui interdit la réouverture de la vanne. Cette réouverture ne peut donc être assurée que par un dispositif mécanique et/ou pneumatique auxiliaire (non représenté) d'un type bien connu dans la technique. Dans le cas où le débit reste inférieur à sa valeur critique -mais oU la pression du gaz devient supérieure à sa valeur normale, la membrane manométrique 31 soulève légèrement le clapet 20, ce qui-a pour effet de réduire la levée initiale du clapet et donc d'augmenter les pertes de charge entre siège et clapet à débit égal. De la sorte, la fermeture automatique de la vanne est déclenchée pour un débit apparent d'autant plus faible que la pression du gaz est élevée, ce qui permet de maintenir sensiblement constante la valeur critique du débit de gaz, ramené xaBx conditions normales. Bien entendu, les valeurs critiques du débit et de la pression peuvent être respectivemznt réglées selon les besoins en agissant sur la pièce de butée 23 et sur la vis pointeau 37. Dansle mode de réalisation de la vanne conforme à l'invention qui vient d'être décrit, on observera qu'au delà d'une certaine pression critique déterminée par la surface de la membrane 31 et la force de son ressort de rappel 35, la levée initiale du clapet 20 est réduite en fonction linéaire de l'accroissement de pression. Or, le débit apparentktle vertes de charge entre siège et clapet croissent comme la racine carré de la pression. Par conséquent, il peut être délicat d'obtenir ur me gamme de pressiorssuffisante un réglage satisfaisant du débit critique de gaz provoquant le déclenchement automatique de la vanne.Cette discordance entre la loi de déplacement du clapet 20 et la loi de variation des pertes de charge entre siège et clapet peut être levée par divers artifices illustrés par la figure : Sur cette figure on été simultanément représenté trois artifices distincts procurant desrésultats semblables, mais qui bien entendu peuvent être utilisés isolément ou en toutg combinaisors partielles. te premier de ces artifices consiste à substituer au ressortlélicoldal 35, dont la force varie linéairerent- avec la compression et dont la flexibilité est en conséquence invariable, un ressort conique 35' dont la force croit plus rapidement avec la compression, ses spires de plus grand rayon étant plus souples et comprimées avant que n'interviennent ses spires de moindre rayon et de ce fait plus raide. Ainsi donc, l'emploi du ressort conique 35' à flexibilité variable permet de rendre non linéaire la relation entre la pression du gaz et la levée du clapet. Ce même résuZat peut être obtenu aussi simplement par le second artifice, qui consiste à substituer à la membrane 71 sensiblement plate une membrane dite enroulable 31' dont la périphérie extérieure prend progressivement appui sur une portée interne 38 du capot 32' lorsque la pression du gaz soulève ladite membrane. Moyennant un profilage judicieux de la portée 38, qui conditionne la réddetion de la surface active de la membrane 31' en fonction de son déplacement axial, on peut obtenir toute relation non linéaire désirée entre la pression du gaz et la levé initiale du clapet. Le troisième artifice consiste à substituer au siège d'étanchéité plan 17 et au clapet 20 également plan un siège 17' et un clapet 20' dont les portions en regard sontjudicieusement profitées de manière que la moindre section de passage entre siège et clapet varie de manière non linéaire en fonction de la levée de ce dernier. Par cette artifice comme par les précédents,-il est donc possible de maintenir constante la valeur critique du débitprovoquant le déclenchement automatique dXta vanne. On remarquera enfin que le déplacement du clapet par une membrane manométrique confère à la vanne de limitàtion de débit une fonction supplémentaire de protection contre les surpressions, puisque touX augmentation importante de pression peut soulever suffisamment le clapet pour provoquer la fermeture de la vanne, sensiblement de la même manière qu'en cas de dépassement du d-ébit limite. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au- mode de réalisation décrit et illustré, non plus qu'aux artifices mentionnés, qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tout les moyens constituant des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés, considérés séparément ou en combinaisons et mis en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. RBVBND I CATI ONS 1. Vanne de coupure à déclenchement automatique par excès de débit , du type comportant un clapet destiné à fermer un siège d'étanchéité bordant un orifice pratiqué à travers une membrane manométrique interposée entre des raccords d'entrée et de sortie de fluide sous pression, élastiquement maintenue dans une position de repos déterminée et déplacée dans le seasde fermeture par les forces de pression correspondant aux pertes de charge entre siège et clapet lorsque le débit de fluide atteint une valeur limite déterminée, caractériséeen ce que le clapet est monté mobile dans l'axe du siège d'étanchéité porté par la membrane, et en ce que sa levée par rapport audit siège est contrôlé par un organe manométrique exposé à la pression d'entrée du fluide, de manière que la valeur limite du débit vrai de gaz soit sensiblement indépendante de sa pression. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe manométrique précité comprend une seconde membrane manométrique et des moyens de rappel associés agissant contre l'action de la pression du fluide. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de rappel précités prennent appui sur des moyens de butée réglables. 4. Vanne selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de rappel précités tendent à maintenir le clapet précité en butée contre des moyens de réglage de sa levée maximale. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les moyens de rappel précités sontconstitués par un unique ressort, par exemple conique, à flexibilité variable en fonction de sa compression. 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les moyens de rappel précités comprennent plusieurs ressorts de flexibilités différentes entrant successivement en action. 7. Vanne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la seconde membrane citée présente une surface active variable, sa périphérie extérieure prenant progressivement appui sur une portée annulaire judicieusement profilée. 8. Vanne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le clapet et/ou le siège précités sont profilés de manière que la section de passage qu'ils délimitent varie de façon non linéaire en fonction de la levée du clapet.