Brevet FR2309710A1 — publié le 19761126

L'invention se rapporte à une soupape combinée à fermeture instantanée et de régulation pour centrales à turbine, en particulier à turbine à vapeur, les corps de la soupape à fermeture instantanée et de la soupape de régulation étant disposés coaxialement dans une cage commune et étant commandés indépendamment. Dans les centrales actuelles, une soupape à fermeture instantanée est toujours associée aux soupapes de régulation montées sur les conduits du fluide de travail des turbines, en particulier des turbines à vapeur, afin qu'en cas de défaillance de la régulation ou sous l'effet de tout autre facteur extérieur, au moins un arrêt rapide immédiat puisse être effectué. Ainsi, le principe classique de la sécurité double est assuré pour l'ensemble de la centrale.Par ailleurs, des soupapes dites de dérivation sont montées depuis longtemps dans les conduits intermédiaires des turbines à vapeur à resurchauffeur, car sinon le volume de vapeur présent dans le resurchauffeur et dans le conduit de raccord suffirait à accélérer le rotor de la turbine à une vitesse surcritique élevée et inadmissible qui mettrait l'ensemble de la centrale en danger malgré que le conduit sous haute pression a éte fermé à la suite d'un arrtt. Dans certaines soupapes connues à fermeture instantanée et de régulation (brevet suisse nO 539 805), ces deux soupapes sont logées dans une cage commune. Le corps de la soupape de régulation est monté en amont du corps de la soupape à fermeture instantanée et il a une forme en cloche dans la cavité de laquelle le corps en forme de plateau de la soupape à fermeture instantanée s'insère pendant la course d'ouverture. Les soupapes sont de préférence montées de manière que les deux corps se trouvent à la même position relative lorsqu'ils sont aux positlonsextremes. Au cours du développement des centrales, il a semblé naturel d'utiliser cette forme de soupape en présence de grands volumes dé vapeur au lieu des soupapes de dérivation même pour les soupapes de régulation de la vapeur vive. Dans ce cas, la soupape de régulation en cloche est destinée à l'adaptation du régime de la turbine à vapeur aux variations de puissance. L'expérience a toutefois montré que les soupapes de régulation de cette forme en position d'étranglement ont tendance à vibrer. Elles risquent donc de subir des dégâts par usure et par les efforts alternés en régime prolongé à charge partielle. L'invention a pour objet une soupape combinée du type mentionné qui n'a pas ces inconvénients. Selon une particularité essentielle de l'invention, la soupape de régulation est en aval de la soupape à fermeture instantanée et elle est disposée de manière que la circulation de la vapeur tende à l'ouvrir et le corps de la soupape de régulation est constitué en piston de soulagement ou servo-piston. La disposition selon l'invention a l'avantage que le montage de la soupape à fermeture instantanée en amont de la soupape de régulation permet une fixation exempte de vibration du corps de la soupape en raison de la différence totale de pression s'exerçant en position d'ouverture entre la vapeur vive et l'atmosphere. De plus, et contrairement à la soupape combinée mentionnée en préambule, le corps de la soupape à fermeture instantanée n'est plus balayée en service par le flux massique étranglé de la soupape de régulation, de sorte qu'une autre source de vibration est éliminée.La soupape de régulation selon l'invention a l'avantage que la circulation étranglée s'é carte du centre et donc que la concentration d'énergie au centre, en direction du guide de la soupape, est totalement éliminée, de sorte que la tendance à vibrer est fortement réduite. Selon un mode de réalisation avantageux conforme à l'invention, la soupape à fermeture instantanée est équirée d'une soupape à course préliminaire destinée à soustraire ses éléments à la pression et disposée à une extrémité de sa tige. Des manchons rapportés, solidarisés avec le corps de a soupape à fermeture instantanée, peuvent comporter des sièges pour a soupape ? course préliminaire. Selon w1 mode de réalisation particulièrement avantageux, le corps de la soupape à fermeture ins'antanée et le courvercle qui le loge lorsqu'il est en position d'ouverture comportent un siège plan circulaire qui assure un bon appui des deux pièces lorsque la soupape est en position d1 ouverture Selon un mode de réalisation avantageux, la soupape de régulation peut titre balayée des deux côtés par le fluide de travail. I1 est préférable dans ce cas de prélever le fluide de travail par des canaux du corps de la soupape de régulation sur le caté d'arrivée de cette dernière. I1 est par ailleurs avantageux de dimensionner les surfaces du piston de la soupape de régulation de manière que les forces d'attaque du fluide de travail exercent un effet de fermeture sur cette soupape. Aucune soupape à course préliminaire n'étant nécessaire dans ce mode de réalisation, la construction est très simple et en principe peu sujette à pannes gracie à l'absence d'éléments mobiles dans la chambre à vapeur. En variante de réalisation de l'invention, le corps de la soupape de régulation est équipé d'une servocommande par la pression du fluide de travail. I1 est préférable dans ce cas que, lors de ltouverture de la soupape de régulation, les chambres de piston soient reliées à un circuit de fluide de travail dont le niveau de pression soit inférieur à celui du fluide devant être commandé par la soupape de régulation. En plus de l'avantage connu du principe du réglage d'entrée qui permet d'obtenir des forces de réglage suffisamment grandes avec une inertie suffisamment faible, ce mode de réalisation a l'avantage particulier que le corps de la soupape de régulation qui est constitué en servopiston est commandé par le fluide de travail lui-même. Aucune pression hydraulique élevée n'étant nécessaire, cette disposition permet de faire l'économie du travail de pompage et de plus l'ensemble du système est simplifié. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale d'une soupape combinée à fermeture instantanée et de régulation; et la figure 2 est une coupe axiale partielle d'une variante de réalisation dans laquelle la soupape de régulation est commandée par un servo-piston. Les éléments qui ne sont pas nécessaires à la compréhension de l'invention, par exemple les éléments de montage des tiges, les garnitures, clavettes, dispositifs de manoeuvre des tiges , etc., sont supprimés pour la clarté du dessin. La figure 1 illustre une cage commune 1 qui loge la soupape 2 à fermeture instantanée et la soupape 3 de régulation. Un filtre cylindrique 4 à vapeur est monté du côté de l'arrivée de la soupape combinée d'une part sur le couvercle 5 de la soupape 2 et d'autre part sur le siège 6 des soupapes. Lorsque celles-ci sont à la position d'ouverture représentée, le corps 7 de la soupape à fermeture instantanée et le siège 6 forment un canal annulaire aérodynamique d'entrée dans la soupape 3 de régulation. Une tige 8 de manoeuvre de la soupape 2 est constituée à l'extrémité située du côté de cette dernière en soupape 9 à course préliminaire et à siège double. Deux manchons rapportés 10 et 11, dont chacun comporte un siège 12, 13 ainsi que des canaux radiaux 14, 15, sont fixés dans le corps 7. Lorsque la soupape est dans la position d'ouverture représentée, le corps 7 et le guide non représenté de la tige forment joints d'étanchéité du côté de la chambre à vapeur au moyen d'un siège plan annulaire 16 et du siège 12 de la soupape 9 à course préliminaire. Le siège 16 assure par ailleurs un appui fixe du corps 7 contre le couvercle 5. L'explication du mode de fonctionnement sera basée tout d'abord sur une soupape balayée par le fluide de travail. La pression totale de vapeur qui règne dans la chambre correspondante s'exerce sur le corps 7 de la soupape à fermeture instantanée. e processus de fermeture est amorcé par une poussée vers l'intérieur exercée sur la tige 8. La soupape 9 à course préliminaire libère le siège 12 et s'applique contre le siège 13. Le fluide de travail parvient dans la chambre d'équilibrage 20 en passant par le canal 17 du couvercle 5, le canal 18 du corps 7 de soupape, le canal 14 du manchon rapporté 10 et par le siège ouvert 12, puis le long de l'interstice annulaire 19 compris entre la tige 8 et le manchon rapporté Il et finalement par le canal 15 de ce dernier.Ainsi, le corps 7 est soustrait à la pression; lors de la suite de la poussée de la tige 8 vers l'intérieur, la soupape 9 s'appliquant contre le siège 13 entre le corps 7. Lorsqu'il faut ouvrir la soupape 2 à fermeture instantanée en position de fermeture, il faut soulever la tige 8 pour amorcer ce processus. Le siège 13 est alors libéré èt le fluide de travail parvient par l'arrivée et les canaux 18, 14, le siège ouvert 13 et le canal 21 dans la chambre formée par les soupapes fermées et par le siège 6. Le corps 7 est alors soustrait à la pression et suit le mouvement de soulèvement que continue d'effectuer la tige 8 dont la soupape 9 à course préliminaire est appliquée contre le siège 12. Le corps 22 de la soupape de régulation 3 est constitué en piston solidaire de la tige de manoeuvre 23. Ce mode d'exécution ne nécessite aucune soupape à course préliminaire et donc il est très simple et peu sujet à pannes > car aucune pièce librement mobile n'est présente dans la chambre de vapeur. Le fluide étranglé de travail s'écartant du centre en service, toute concentration d'énergie dans le centre du piston et dans la direction du guide de la soupape est évitée, de sorte que la tendance de la soupape 3 de régulation à vibrer est fortement réduite. La tige 23 coulisse dans un guide 24 et le corps 22 de soupape coulisse dans un guide 25 dont le contour extérieur forme un diffuseur annulaire 26 avec le siège 6. Un couvercle 27 fixe le guide 24 de la tige et le guide 25 du corps constitué en piston à l'intérieur de la cage 1. Des canaux 29 et un interstice annulaire 30 raccordent les chambres 28 et 28a de piston à l'-arrivée de la soupape 3. Les surfaces du corps 22 sont dimensionnées de manière que la somme des forces que la vapeur exerce sur la piston tendent à fermer la soupape. La soupape ne pouvant être maintenue en position de fermeture qu'alors qu'une pression règne dans les chambres de piston 28 et 28a, ce piston est équipé de segments d'étanchéité non représentés. Les fuites sont ainsi faibles; celles qui se produisent sont évacuées par l'interstice annulaire 30 du guide 25 ét le canal 31 de la cage 1 vers une chambre à basse pression. L'ouverture et la fermeture de la soupape 3 de régulation ne nécessitent pas d'autres explications, car la tige 23 de manoeuvre en soulève ou abaisse directement le corps 22. La figure 2 représente à échelle légèrement agrandie une soupape de régulation 3' qui, à la différence du mode de réalisation de la figure 1, comporte un réglage dtentrée par la vapeur. Lorsque les éléments de la disposition de la figure 2 coïncident avec ceux de la figure 1, ils portent les mêmes références. Lorsqu'ils ont une similitude de fonctionnement, mais sont d'un mode de réalisation différent, ils portent les mêmes références, mais avec le signe prime Le corps 22' de soupape est'un servo-piston à servo-commande par la pression de vapeur et donc il n'est pas solidaire de la tige de manoeuvre 23'. Le piston 22' et la tige 23' coulissent également dans leur guide respectif 25 et 24'. Un manchon rapporté 32 disposé à l'intérieur du piston n'est qu'en une pièce dans la représentation du dessin, pour clarifier ce dernier.Ce manchon 32, qui peut bien entendu autre en plusieurs parties pour faciliter le montage, est solidarisé avec le piston et comporte des canaux 33 qui débouchent dans une chambre annulaire 34. Un canal 35 fait communiquer cette dernière avec le c8té arrivée du corps 22'. Une chambre 36 située à l'intérieur du piston communique avec un circuit non représenté à basse pression de vapeur (dans les turbines à resurchauffe, par exemple avec la sortie de la turbine haute pression s'il s'agit d'une soupape de régulation de haute pression) par l'intermédiaire d'un canal 37 et d'un évidement 39 réalisés dans le corps de la soupape, puis par une chambre 47, un canal 30' et un évidement 40 du guide 25 ainsi que par le canal 31 de la cage 1. Le manchon rapporté 32 comporte un évidement qui forme deux arêtes 41 et 42 de commande. Une surépaisseur de la tige 23' de manoeuvre se loge dans cet évidement et forme les arêtes complémentaires de commande qui correspondent avec les arêtes 41 et 42. La tige 23' de manoeuvre comporte une cavité 45 qui communique en permanence avec la chambre 28 de piston et, par la chambre 46 constituée en rainure, avec la chambre de piston 28a. Donc, les artels de commande 41 et 42 permettent de faire communiquer sélectivement les chambres de piston 28 et 28a sélectivement avec le c8té arrivée de la soupape 3' de régulation ou avec le circuit à basse pression. Le mode de fonctionnement de la servo-commande est donc le suivant Lorsque le corps 22' est fermé etque la tige 23' de manoeuvre est déplacée de la position représentée vers le bas, ltarete de commande 42 se ferme, l'arête 41 libère la communication entre lachambre 36 à basse pression et la cavité 45 qui communique avec les chambres 28 et 28a de piston. Donc, la vapeur sous haute pression s'échappe de ces chambres par le circuit 28a, 46, 28, 45, 41, 36, 37, 39, 47, 30', 40 et 31. La pression régnant dans les chambres 28 et 28a chute et les forces de la vapeur qui s'exercent par le c8té arrivée sur le corps 22' le repoussent vers le bas dans le sens de l'ouverture. L'arête 41 de commande se referme lors de ce mouvement et l'ar8te 42 commence de s'ouvrir jusqu'à ce que le circuit 35, 34, 33, 45, 28, 46, 28a fasse régner dans les chambres 28 et 28a une pression qui maintient l'équilibre avec les forces que la vapeur exerce dans le sens de l'ouverture. Le canal 30' du guide 25 est de préférence constitué en étranglement. Ainsi, en cas de déplacement rapide du piston, une variation notable de pression peut appa rattre momentanëment - dans la chambre 47. Cette disposition ainsi que la chambre 46 sont destinées à s'opposer à la tendance du servo-piston à vibrer en produisant un amortissement. I1 va de soi que les soupapes combinées, décrites et représentées peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Soupape combinée à fermeture instantanée et de régulation pour turbines , en particulier des turbines à vapeur, soupape dont les corps sont disposés coaxialement dans une cage commune et sont commandés indépendamment, caractérisée en ce que la soupape de régulation est disposée en aval de la soupape à fermeture instantanée et montée de manière que la circulation de la vapeur tende à l'ouvrir et le corps de la soupape de régulation est constitué en piston de soulagement ou en servo- piston. 2. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la soupape à fermeture instantanée est équipée d'une soupape à course préliminaire destinée à en soustraire ses pièces à la pression, ladite soupape à course préliminaire étant disposée à une extrémité d'une tige et permettant d'une part de soustraire à la pression ladite soupape à fermeture instantanée et d'autre part d'en provoquer les courses au moyen de sièges que comportent des manchons rapportés qui sont solidarisés avec le corps de ladite soupape à fermeture instantanée. 3. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de la soupape à fermeture instantanée et un couvercle de la cage comportent un siège plan annulaire 4. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la soupape de régulation est soumise de deux côtés à la pression du fluide de travail. 5. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide de travail, dont la pression s'exerce dans des chambres de piston de la soupape de régulation, peut etre prélevé du côté arrivée de cette soupape par des canaux que son corps comporte. 6. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les surfaces de piston de la soupape de régulation sont dimensionnées de manière que les forces du fluide de travail qui l'attaquent tendent à fermer cette soupape. 7. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de la soupape de régulation est équipé d'une servo-commande par la pression du fluide de travail. 8. Soupape combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce qutà l'ouverture de la soupape de régulation, des chambres que comporte son piston communiquent avec un circuit de fluide de travail dont le niveau de pression est inférieur à celui du fluide. de travail que cette soupape de régulation doit commander.