Brevet FR2257033A1 — publié le 19750801

La présente invention est relative aux soupapes permettant de commander les conditions et en particulier la vitesse d'un fluide. Dans une grande quantité d'applications pratiques on ressent le besoin d'un appareil permettant de modifier la-vitesse d'écoulement d'un fluide sans production de bruit et/ou de vibrations. Le terme "laminage" est généralement utilisé pour désigner la fonction qui consiste à modifier ou à régler l'écoulement drun fluide à l'intérieur d'une gamme de vitesses d'écoulement. Les différentes structures par l'intermédiaire desquelles cette fonction est exécutée sont généralement appelées soupapes de laminage pour les distinguer de celles dont la fonction est d'ouvrir ou de fermer un chemin d'écoulement par tout ou rien. Dans la mesure où les soupapes "ouvertfermés ne fonctionnent pas instantanément, si bien que du bruit et des vibrations de laminage peuvent etre produits à l'époque de l'ouverture ou de la fermeture, la présente invention est encore applicable à cette dernière catégorie de soupapes. Une soupape de commande type permettant d'agir sur l'écou- lement de fluides sous pression élevée utilise une structure dans laquelle la surface de la section transversale du chemin suivi par Je fluide est modifiée. Ce type de structure produit du bruit et des vibrations en quantité appréciable et est sujet à subir des dommages causés par le phénomène de cavitation. Toutefois ce type de structure est moins coûteux et drun emploi plus commode. En général, le-bruit, les vibrations et la cavitation qui sont engendrés dans les soupapes à orifice sont une conséquence de l'effet Venturi qui conditionne le mouvement du fluide au travers de l'orifice. Lorsque l'orifice a une section transversale réduite, c'est-à- d'un bruit -transmis par le fluide et de vibrations dans la structure environnante, dont certaines surviennent à des fréquences audibles. Dans des cas extrêmes, la turbulence résulte en des baisses de pression localisées en aval de l'orifice de surface transverale réduite pour former des poches de vapeur.Dans ces poches, la vapeur revient à l'état liquine du fait de l'implosion des bulles de #vapeur sous l'effet de la pression du milieu environnant. Ce phénomène est appelé cavitation et il en résulte du bruit et une érosion des surfaces adjacentes. Il existe de nombreuses applications dans lequelles on désire vivement réduire le bruit et les effets de cavitation dans le fonctionnement des pistons. Un effet aussi utile est obtenu lorsque le bruit résultant est d'une amplitude et d'une fréquence telles qu'il n'est pas facilement transmis aux structures environnantes ou par ces dernières. On a réalisé de nombreuses structures tendant à étouffer le production de bruit, de vibrations et même de cavitation résultant du fonctionnement des soupapes dans les systèmes à pression élevée. Un tel dispositif consiste à créer un baffle consistant en une multiplicité de couches successives formant de minces écrans qui sont maintenus rigidement ensemble et brasés de préférence puisqu'il est nécessaire d'éviter toute vibration mécanique de la part des composants. Un autre dispositif comprend des baffles ou des boisseaux en métal fritté. Ces deux derniers dispositifs se sont révélés incapables dans différentes applications de fournir une quiétude suffisante. La présente invention concerne un silencieux pour compris à appareil de commande d'écoulement qui fluide qui sera compris à l'aide de la description qui suit n se référant aux dessins dans lequels la figure 1 est une représentation en section transversale d'une soupape du type à piston équipée suivant l'invention - la figure 2 est une représentation en section d'une partie d'un empilement d'éléments suivant l'invention qui sont utilisés dans la soupape de la une~représentation figure 1 la figure 3 est une représentation suivant une arete d'une partie ment empilement d'éléments suivant l'invention montrant l'aligne ment des éléments. la figure 4 est une vue en plan d'un premier groupe d'éléments assurant le silence de la soupape suivant groupe l'invention la figure 5 est une vue en plan d'un second groupe d'éléments assurant le silence de la d'un groupe d'éléments soupape la figure 6 est une vue en plan d'un groupe d'éléments semblable à celui de la figure 4, mais utilisant des passages d'une forme différente les ceux les figures 7 et 8 sont des vues en plan d'éléments semblables à ceux des figures 4 et 5 respectivement après usinage la figure 9 est une vue en plan d'un élément sans perforation après usinage la figure 10 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation du groupe d'éléments de la figure 4 ;; - la figure Il est une vue en plan d'un autre mode de réalisation dtun second groupe d'éléments coopérant avec les éléments de la figure 10 - la figure 12 est une vue en plan d'un autre élément du second groupe - la figure 13 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation d'un élément assurant le silence suivant l'invention et qui à lui seul remplace plusieurs éléments des modes de réalisation précé dents ; et, - la figure 14 est une représentation en coupe illustrant l'associa tion d'un élément suivant la figure 13 avec deux éléments sans perforation. A la figure 1 est représentée une soupape de contrôle d'écoulement de fluide 10 permettant de fournir une quantité désirée defluide indépendamment des variations de pression. Une source qui n'a pas été représentée fournit du fluide à l'entrée 12 de la soupape, et cette dernière le restitue à sa sortie 14. A l'intérieur d'une chambre centrale 16 de la soupape, on trouve un manchon creux de forme générale cylindrique 18 avec un alésage intérieur 20. Fixés dans la paroi latérale du manchon creux 18 et en communication avec le passage d'entrée 12 on trouve une multitude de petits orifices 22 disposés radialement et axialement qui communiquent avec l'alésage 20 et avec la chambre 16 et par l'intermédiaire d'un passage 24. Le fluide parvenu dans la chambre 16 emprunte un passage 26, une chambre en anneau 28, une chambre 30, un passage 32, et parvient à une chambre 34 définie partiellement par l'alésage 20. Un piston 36 capable de prendre un mouvement alternatif à l'intérieur de l'alésage 20 comprend des distributeurs 38, 40 et 42. Un ressort 44 bute contre le distributeur 38 et pousse ce dernier vers la gauche. Un dispositif de commande de soupape 46 disposé à l'intérieur de l'alésage 20 bute contre le distributeur 42. il est déplaçable manuellement d'une manière radiale grssce à la rotation de la partie extérieure d'un arbre 48 qui est maintenu dans la position souhaitée au moyen d'un éc#rou de verrouillage 50. La pression du fluide dans la tuyauterie d'admission 12 est transmise par un passage 52 dans une chambre en anneau 54 à partir de laquelle il est mis en communication avec une multiplicité de transitions radiales 56 reliées à un passage axial 58 et de là à une chambre 60. La pression du fluide dans la chambre 60 s'exerce contre le fond du disUributeur 42 en opposition à la force développée par le ressort 44. La rotation à la main de l'arbre 48 fait tourner le dispo sitif 46 qui est échancré sur une partie de son pourtour pour coupe vrir ou découvrir successivement le nombre souhaité d'orifices 22. Lorsque le dispositif 46 a tourne jusqu'à prendre la position souhaitée et couvrir le nombre désiré d'orifices 22, l'écrou de verrouillage 50 est serré pour maintenir ce dispositif 46 dans la position radiale désirée. Le fluide s'écoulant au travers de la soupape 10 passe dans le conduit d'entrée 12, par les orifices 22 restés libres, le passage 24 et la chambre 16. De la chambre 16 il traverse un grand- nombre de passages finement divisés qui sont situés à l'intérieur des éléments 62 représentés sous la forme de rondelles, et de là il parvient à la chambre formée à l'intérieur de l'alésage 20 et comprise entre les dsistributeurs 38 et 40. Cette chambre communique avec la tuyauterie de sortie 14 par une conduite 64. Les orifices 22 interposent une chute de pression contrôlée et essentiellement la seule chute de pression substantielle entre --le passage d'entrée 12 et la chambre 34. Etant donné que les passages 52, 56 et 58 communiquent avec la chambre 60 et qu'aucune vitesse de débit ne survient dans ces passages excepté lors des déplacements transitoires du piston 36, le fluide est transmis à la chambre 60 à la pression d'entrée et cette pression agit pour entraîner le piston 36 vers la droite contre l'effort du ressort 44. Etant donné que les pressions sur les faces opposées du distributeur 38 agissent sur des surfaces égales, le piston 36 recherche une position dans laquelle la différence de pression est contre-balancée par l'effort du ressort 44. Suivant la représentation, le piston 36 est dans sa position la plus à gauche. Dans le cas d'une chute de pression-substantielle en aval de la tuyauterie de sortie 14, #cette diminution de pression est communiquée à la chambre 34, et la pression d'entrée dans la chambre 60 amène le piston 36 à se déplacer vers la droite.Ce déplacement vers la droite amène le distributeur 40 à couvrir successivement un nombre de plus en plus élevé d'orifices finement divisés qui déchargent le fluide des disques 62 dans la chambre comprise entre les distributeurs 40 et 38. Etant donné que la soupape 10 est calculée pour fonctionner avec des différences de pressions très élevées, de l'ordre de 2800 kg/cm2, toute action de laminage signifi cative se traduirait par la création de bruit et de vibrations en l'absence de moyens tels que le silencieux 62. L'expérience montre que l'utilisation d'un tel silencieux réduit le bruit de structure associé aux soupapes de ce type de 130 dB à des fréquences allant jusqu'à 10 KHz à moins de 80 du dans cette gamme de fréquences. On notera que la soupape décrite est seulement l'une parmi un grand nombre qui a été choisie simplement comme support en vue de la description du silencieux suivant l'invention. Le silencieux serait utilisable en particulier dans des servo-soupapes électrohydrauliques telles que celle qui a été décrite dans le brevet français NO 1.326.031 demandé le 7 juin 1962, en particulier en association avec le second étage d'une telle soupape. La figure 2 représente partiellement un chemin d'un empilement de disques consistant en des groupes successifs d'éléments. Entre chaque paire de disques 66 on trouve une paire de disques 68 ayant des ouvertures allongées 76 et entre ces derniers, un disque unique 70 comportant des orifices 74 de diamètre relativement faible. T, écoulement du fluide est confiné entre les disques solides 66 et s'effectue d'une chambre 72 constituée par une ouverture ménagée dans le disque inférieur 68 en coopération avec un disque 66 et le disque 70. L'écoulement s'effectue à partir de cette chambre 72 au travers d'un petit orifice 74 du disque 70 jusqu a une chambre similaire 76 dans le disque 68 du haut.De cette manière, le fluide s'écoule dtune chambre au travers d'un orifice vers une chambre similaire, puis change de direction pour traverser. le petit orifice suivant et tomber dans une autre chambre plus grande. il suit cette configuration de l'extérieur vers l'intérieur de l'empilement de disques. Dans la disposition telle qu'illustrée à la figure 2 il y a une résistance de friction vraiment minime dans les chambres allongées 72, 76, 72 .... et toute la chute de pression survient essentiellement au travers des orifices 74 ménagés dans le disque 70. La figure 3 montre de quelle manière les disques 68 et 70 en particulier sont crantés afin de fournir un repère et assurer que lto ientation de ces disques les uns par rapport aux autres est telle que l'écoulement du fluide se produit comme il a été décrit. Les figures 4 à.9 sont des vues en plans de plusieurs disques 66, 68, 68a et 70 à différents étages de la production. Les disques 66 sont des disques pleins suivant la représentation de la figure 9 avec une large ouverture centrale et ils sont usinés aux dimensions désirées. La figure 4 représente la vue en plan d'un disque désigné par 68 aux figures 2 et 3, mais comme ses perforations sont d'une forme quelque peu différente, on le désigne par la référence 68a. Une série de perforations- en forme d'haltère a été découpée dans le disque 68a et ces perforations s'étendent dans toute l'épaisseur du disque. La figure 5 représente- un disque 70 porteur d'une multiplicité de fins orifices 74 prévus pour être dispos#és entre les chambres formées dans les disques 68 ou 68a. La figure 6 représente un disque 68 dans lequel les perforations allongées ont des parois longitudinales. Les rangées de perforations s'étendent sur toute la surface du disque et non sim- pliement sur un petit arc comme il est représenté. Les figures 4 à 6 montrent les encoches servant de repère qui ont été ménagées dans le périmètre extérieur des disques. Lorsque les disques 68 ou 68a sont assemblés dans un empilement, l'alignement des encoches extérieures comme représenté à la figure 3, assure un chemin continu pour l'écoulement du fluide à l'intérieur de l'empilement comme représenté à la figure 2. Lorsque les empilements ont été réalisés comme il était souhaité, les disques peuvent être assemblés entre eux de façon définitive, par brasage, soudure, ... Ils sont ensuite usinés à la dimension convenable comme il est représenté aux figures 7 à 9 avec enlèvement de la circonférence extérieure et l'alésage intérieur. agrandi jusqu'à ce que. les deux extrémités des ouvertures allongées des disques 68 et 68a soient exposées. Une fois que cette opération a été réalisée il est possible au fluide de s'écouler au travers de 1' empilement comme il a été représenté à la figure 2. Les figures 10 à 12 illustrent un second mode de réalisation de la configuration de disques dans laquelle le fluide peut s'écouler au travers d'un grand nombre d'orifices en parallèle. Le disque 80 à la figure 10 présente une quantité d'ouvertures 82, 84, 86 et 88 qui sont d'une surface telle qu'elles servent à définir les dimensions des chambres. qui recouvrent un groupe de plusieurs orifices. Le disque 90 à la figure Il présente une quantité d'ouvertures 92, 94 et 96 qui sont déplacés radialement par rapport aux ouvertures dans le disque 80. le disque 100 à la figure 12 comprend un nombre de groupes d'orifices 102, 104 et-t06 qui sont espacés de façon telle#que lorsque les disques 80, 90 et 100 sont empilés, une configuration d'écoulement essentiellement identique à celle de la figure 2 en résulte à l'exception que des orifices supplémentaires sont en parallèle avec celui qui a été illustré comme transportant le fluide d'une chambre à la suivante.Par conséquent, le fluide entrant par l'ouverture 82 va s'écouler par la rangée extérieure du groupe d'orifices 102 dans une chambre définie par l'ouverture 92, au travers de la rangée -intérieure du groupe d'orifices 102, vers une chambre définie par l'ouverture 94, puis de là par la rangée esté- rieure du second groupe d'orifices 104, et ainsi de suite Un troisième mode de réalisation est représenté par le disque 110 à la figure 13. Un grand nombre de cloisons 116 disposées coaxialement et s'étendant à partir des faces opposées du disque 110 coopèrent avec des disques 66 sans perforation pour définir un certain nombre de chambres annulaires qui communiquent entre elles par l'intermédiaire d'orifices 114. La figure-14 est une coupe en section suivant l'axe de symétrie du disque 110 montrant l'association de ce disque 110 avec deux disques 66 sans perforation et montrant une configuration dtécoulement semblable à celle de la figure 2 sauf que les chambres ont une forme annulaire. Dans tous les modes de réalisation représentés, la théorie du fonctionnement est essentiellement la même. On a observé que le bruit causé par l'écoulement d'un fluide au travers d'un orifice est une fonction du nombre de Reynold et l'un des facteurs du nombre de Reynold qui a causé des problèmes avec de semblables dispositifs est la viscosité du fluide qui peut changer d'une quantité substantielle et rendant variable l'émission du bruit.Avec la conception précédemment décrite dans laquelle l'écoulement s'effectue d'une chambre d'un volume relativement grand au travers d'un petit orifice vers une autre chambre relativement grande, les vitesses au travers des orifices sont contrôlées par la sélection du diamètre de l'orifice et la chute de pression totale au travers de l'empilement et il y a une quantité relativement faible de perte due à la résistance par frottement. Dans cette application, le fonctionnement est tel que le nombre de Reynold est maintenu dans une gamme dans laquelle il y a vraiment peu de changement dans le coefficient d'orifice. il y a aussi une variation vrai#ment faible dans les caractéristiques de l'écoulement en fonction des variations de viscosité.Cette configuration permet donc de concevoir une structure silencieuse pour les soupapes supportant des différences de pressions vraiment considérables et dans lesquelles des variations de viscosité ont comparativement peu d'effet sur les caractéristiques générales d'écoulement. Ceci est vraiment très utile car de telles variations sont un facteur qui doit être continuellement surveillé parce qu'il peut en résulter des variations de température dans tout le système. Le calcul#du nombre et des dimensions des orifices en série pour obtenir la réduction de bruit désirée est basé sur la compréhension que la vitesse ou l'écoulement au travers des orifices individuels ne doit pas dépasser des valeurs qui correspondraient à un nombre de Reynold excessif. L'utilisation de la configuration en haltères de la figure 4 permet d'incorporer un orifice additionnel dans les plaques 68a ainsi que dans la plaque 70, si bien que le nombre d'orifices an série s'en trouve accru. On voit aussi que puisque le nombre de Reynold est une fonction du diamètre de l'orifice et de la viscosité du fluide, certains réglages du diamètre des orifices peuvent être exécutés pour compenser les variations de viscosité du fluide tout au long de ce chemin d'écoulement au travers des orifices en série. Gela permet une utilisation optima de l'espace dans une soupape de laminage, puisque#ciaque o-ifice peut être dimensionné pour fournir une chute de pression maximum au-dessous du niveau de bruit requis. En plus de l'effet du nombre de-Reynold sur le bruit résultant d'un seul orifice, d'orifices en série et de chemins en série ou en parallèle, on a déterminé que le bruit de laminage en haute fréquence, comme lorsque l'un quelconque des chemins d'écoulement est ouvert seulement en partie, peut être contrôlé en réglant la vitesse du fluide laminé par rapport à la longueur de l'ouverture du chemin. Par conséquent, étant donné un chemin d'écoulement avec une impédance fixe, les vitesses de laminage dans ce chemin peuvent être contrôlées en contrôlant la largeur de l'entrée de ce chemin. En fournissant un laminage silencieux en plus d'un écoulement silencieux dans le chemin largement ouvert, le bruit de haute fréquence, au dessus de 5 NEz approximativement, peut être contrôlé. Le bruit aux fréquences plus basses peut être contrôlé en limitant les vitesses dans les parties non calibrées de la soupape à des valeurs très basses, approximativement 600 cm par seconde ou moins. REVENDICATIONS 1) Dispositif de commande d'écoulement de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend :une structure rigide comportant une série d'éléments laminés empilés ayant leurs faces en contact, ces éléments considérés alternativement ayant les uns des configurations respectives de passages ménagées en chacun d'eux, ces configurations de passages étant décalées les unes par rapport aux autres tout en se recouvrant partiellement, les autres éléments comportant des moyens définissant une multiplicité d'orifices de surface effective sensiblement inférieure à la surface des passages tout en étant alignés avec les parties en recouvrement de ces paires de passages si bien qu'une configuration d'écoulement de fluide est créée à l'intérieur de cette structure et que la chute de pression dans cette structure est sensiblement celle qui est causée par les pertes aux orifices au travers de ces orifices en série. 2) Dispositif de commande suivant la revendication i, ca caractérisé en ce que les premiers de ces éléments considérés dans l'alternance ayant des configurations respectives de passages sont munis de chambres de section relativement grande. 3) Dispositif de commande suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins certains de ces éléments comportent une multiplicité d'orifices parallèles dirigeant le fluide dans les chambres individuelles. 4) Dispositif de commande suivant la revendication i, ca ractérisé en ce que cette structure rigide comprend une série d'éléments empilés ayant leurs faces au contact et disposés en groupes, deux des éléments de chaque groupe étant des disques et un troisième élément étant interposé entre ces disques et comprenant un disque comportant une multiplicité de cloisons annulaires concentriques sur une face et une multiplicité de cloisons semblables sur la face opposée, espacées radialement des cloisons annulaires portées par la première face et une multiplicité d'orifices ménagés dans la partie centrale de cet élément entre les cloisons annulaires. 5) Dispositif de commande suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape et en ce que la structure rigide comporte une série de disques empilés comprenant : un p mier groupe incorporant une configuration de fentes allongées ; un second groupe posé entre des paires de disques du premier groupe et muni d'orifices de surface sensiblement inférieure à celle des fentes allongées et un troisième groupe de disques sans perforation disposés sur les faces opposées de chacun des disques de la paire du premier groupe pour confiner l'écoulement dans les passages définis et formés entre les paires de disques non perforés. 6) Dispositif de commande suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le premier groupe de disques et le second groupe de disques sont munis de crans servant de repères. 7) Dispositif de commande suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les fentes allongées du premier groupe ont une configuration en forme d'haltère. 8) Dispositif de commande suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'orifices en série et leurs surfaces effectives sont choisis de façon telle que le nombre de Reynold pour chacun de ces orifices ne dépasse pas une valeur désirée équivalente au niveau de bruit qui peut être toléré dans une application déterminée.