Brevet FR2293646A1 — publié le 19760702

La chute de pression d'un fluide dans une vanne régulatrice est due aux tourbillons qui se forment dans cette vanne. Plus grande est la vitesse à laquelle le fluide s'écoule dans le corps de la vanne et dans 11 intervalle siège-obturateur de section réduite, plus grande est la chute de pression qui en résulte, ou plus grande est la chute de pression entre la section amont de la vanne et la section aval de cette dernière, plus grande est la vitesse du fluide qui y circule. Une vitesse élevée du fluide peut être la cause d'ennuis sérieux, tels qu'une émission de bruits, une érosion et des vibrations, qui peuvent être parfois tolérés et qui, dans certains cas, entraînent une mise hors service de l'appareil et, dans d'autres cas, provoquent une pollution qui ne peut Qtre admise au-delà de certaines limites. Ces inconvénients peuvent être éliminés grâce à l'utilisation de vannes présentant une chute de pression élevée. Sur les fig. 1 à 6, on a représenté quelques types de ces vannes utilisées dans la technique antérieure. Les fig. 1, 2 et 3 concernent des vannes à garniture de siège à cage, la fig.4 des vannes à obturateur et à siège présentant des chutes de pression multiples, la fig. 5 des vannes à obturateur en forme de plongeur et à siège en labyrinthe, la fig. 6 des vannes à obturateur en forme de piston et à siège à chute de pression multiple obtenue au moyen de disques à alésages en quinconce. Toutefois, l'utilisation de telles vannes présente les limitations suivantes - Vannes à garniture de siège à cage (fig. 1, 2 et 3 ) réalisées par de fabricants lifférents. Ces vannes comportent habituellement une seule cage cylindrique dans la paroi de laquelle on a ménagé une série de perforations, ces perforations étant démasquées pendant la course d'un obturateur en forme de piston. La résistance à l'écoulement du fluide est supérieure à celle existant dans une vanne comportant un obturateur parabolique mais elle est cependant encore inadéquate lorsque les chutes de pression sont élevées. - Vannes avec obturateur et siège présentant des chutes de pression multiples (fig.4 - Fabricant : Masoneilan). L'organe de régulation, dans ces vannes, présente plu sieurs sections exposées aux effets dynamiques du fluide et des vibrations nuisibles sont alors induites. - Vannes avec obturateur en forme de piston et siège en labyrinthe (fig.5 Fabricant : Control Components). Le labyrinthe est formé par des disques plats superposés et la régulation est du type ayant lieu par paliers en ce sens que l'augmentation du débit est obtenue pour chaque partie de la course du piston qui est égale à l'épaisseur d'un disque Pour avoir une augmentation progressive et continue du débit, les disques doivent avoir une très faible épaisseur de sorte qut5n plus la hauteur du labyrinthe est limitée et qu'il existe un risque considérable d'obturation de ce labyrinthe par des impuretés salives qui sont toujours présentes dans le fluide traversant la vanne. - Vannes avec obturateur en forme de piston et siège présentant des étages multiples obtenus au moyen de disques qui comportent des trous en quinconce et qui sont superposés (fig.- 6 Fabricant : Parcol). Dans cette vanne également, les disques ont une épaisseur limitée et on rend le trajet d'écoulement du fluide tortueux à la fois dans la direction verticale et dans la direction horizontale en le limitant au moyen de disques non perforés. Le trajet imposé au fluide offre une résistance hydraulique médiocre et le risque d'obturation est le même que pour la vanne de la fig. 5. La présente invention a pour objet un dispositif (garniture) qui est adapté pour régler la vitesse du fluide sans en traSner les défauts présentés par les vannes classiques. On parvient à cet objet en utilisant des cages concentriques et en exploitant la chute de pression provoquée par le frottement du fluide sur les parois fixes et par l'impact mutuel des filets de fluide. Le dispositif faisant l'objet de la présente invention est formé, comme on peut le voit sur la vue éclatée de la fig.ll, par un obturateur en forme de piston coulissant dans un système de cage formé par plusieurs cylindres concentriques. Ces cylindres comportent des perforations ménagées à travers la cage iace laté- rale intérieure, le long de circonférences se trouvant dans des plans qui sont paralléles et perpendiculaires à l'axe de l'obturateur.Ces perforations, dont le diamètre augmente depuis le premier cylindre intérieur jusqu'au dernier cylindre extérieur, communiquent avec des rainures ou canaux ménages sur la surface latérale extérieure de ces mimes cylindres, le ong de circonférences se trouvant dans les mêmes plans que les perforations, et dont progressivement et continuellement démasquées pendant la course du piston. La position de chaque cylindre par rapport à celui qui le précede immédiatement est telle que des trajets en labyrinthe, dont chacun se trouve dans un seul plan, se trouvent ainsi créés le fluide pouvant pénétrer dans ces trajets de manière à se dilater en dissipant ainsi la majeure partie de son énergie cinétique. Sur les fig. 7 et 8, on a représenté des vues en coupe transver sales de deux vannes régulatrices comportant une garniture permettant de régler la vitesse constituée par des cages formées par des cylindres concentriques du type décrit ci-dessus, une des cages déterminant un trajet rectiligne et l'autre un trajet coudé, tandis que les figures 9 et 10 représentent respectivement une coupe transversale verticale et une coupe transversale horizontale de la garniture. le trajet du fluide, dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'obturateur, est représenté sur la fig. 10 (coupe trans versalc faite par s-sKe la garniture représentée sur la fig. 9). Quand l'obturateur I est déplacé à l'intérieur de l'en semble cylindre -siège 2, un nombre continuellement croissant de perforations 3 se trouve démasqué. Le fluide qui sort des perforations 3 du premier cylin dre est divisé en jets qui ont des directions opposées 4 et qui heurtent les filets de fluide 5 qui s'écoulent dans la direction opposée. Ensuite, le fluide pénétre dans les autres perforations 6 du cylindre suivant et ainsi de suite jusqusà ce qu'il sorte du cylindre 7. L'impact du fluide contre les parois du corps 8 (fig.7) de la vanne est minimal étant donné que la majeure partie de l'énergie cinétique intrinsèque a été transformée en chaleur par le frottement dans la garniture. Comme mentionné ci-dessus, le plan d'expansion du flui de est perpendiculaire à l'axe du cylindre. Pour cette raison, les ailes 9 formées sur chaque cylindre limitent l'expansion dans la direction verticale de sorte que la chute de Pre^íon due aux cages euccesssves est constante et e proportionnelle à la long gueur de course de l'obturateur. Ce fa permet d'obtenir des valeurs choisies au préalable de résistance selon le nombre de cylindres et en fonction de la longueur de course de l'obturateur. Cette configuration de trajet implique des pertes de pression élevées sans que des passages de section très fortement réduite soient nécessaires de sorte que le risque d'obturation ou de colmatage du dispositif de régulation se trouve éliminé. En plus des avantages indiqués ci-dessus, le dispositif que l'on vient de décrire présente un certain nombre d'avantages supplémentaires suivants (a) Faible niveau de bruit La nature du bruit et les paramètres qui déterminent son niveau sont fonction de la puissance mécanique et du facteur de rendement acoustique. Dans le cas de la garniture selon la présente invention, le facteur rendement acoustique a une très faible valeur en raison du fait que la récupération de pression est faible et que la configuration géométrique spéciale de la garniture a un effet amortisseur et ne permet pas la formation d'ondes de choc très intenses. Un facteur de rendement acoustique faible exige qu'un faible pourcentage d'énergie mécanique soit transformé en énergie acoustique. Si on ajoute à cette propriété la vitesse du fluide à laquelle est liée l'énergie mécanique, le résultat est qu'il est possible de concevoir une vanne rnortant une garniture à cages concentriques avec n'import( quelle limite de niveau de bruit. (b) Stabilité dgnamiuue La stabilité dynamique est très bonne en raison de la configuration géométrique de l'obturateur qui est un piston cylindrique simple guidé à l'intérieur de la cage située le plus à l'intérieur. Cette disposition symétrique permet une répartition uniforme des filets de fluide sur la surface G contact. De ce fait, les variations de force vive qui sont la cause d'effets de désd équilibrage se trouvent éliminées et les déséquilibres de torsion sont totalement absents. Ceci est un avantage considérable étant donné que l'on peut utiliser des servomoteurs moins puissants, avec les économies que cela entrain, tout en obtenant une régulation satisfaisante. (c) Capacité élevée de régulation de débit La capacité de rézllatior est définie comme étant le rapport entre le débit de la vqle +otalment ouverte et le débit régulé minimal. Dans une vanne à siège simple comportant un obturateur qui est guidé à la fois sur la tige -supérieure et sur la tige inférieure, un certain jeu est nécessaire entre le siège et la surface due l'obturateur pour que ce dernier puisse coulisser librement. Si l'obturateur aine forme cylindrique et s'il peut hêtre guidé directement dans te siège, comme dans le cas présent, les jeux se trouvent considérablement réduits et il en est de même pour le débit réglable minimal. a garniture selon la présente invention présente donc une capacité de régulation plus élevée que les garnitures classiques. (d) Longue durée de vie utile l'épaisseur du matériau enlevé et, de ce fait, l'érosion, est directement proportionnelle au cube de la vitesse. C'est ainsi que, compte tenu de ce qu'il a été dit en ce qui concerne la possibilité de réglage de la vitesse dans la garniture en question, l'érosion peut virtuellement être éliminée. l'absence des vibrations, qui sont une autre cause d'usure, accroît en outre la durée de vie utile de la garniture selon la présente invention. Si les conditions de service sont les mêmes, on peut estimer, en comparant une vanne à garniture profilée avec une vanne à garniture à cages multiples, que la durée de vie utile de la première cage de la garniture selon la présente invention (celle qui est soumise aux plus grandes contraintes) est de 8 à 10 fois plus longue, tandis que pour les cages suivantes, l'usure est virtuellement nulle. (e) Besoins d'entretien et de nettoyage réduits On a vu que la résistance fluidodynamique est due non seulement au frottement de glissement sur les surfaces métalliques de la garniture mais aussi au choc des filets de fluide arrivant des différents trous et convergeant dans une nouvelle section de passage en plus des variations brusques de sens et de direction. Le résultat est que, en dépit de la résistance élevée, les sec tions des passages de la garniture à cages multiples sont des perforations dont la superficie est suffisamment grande pour empêcher tout risque de colmatage et tou' blocage avec des fluides qui sont spécialement sujets à de tels défauts. () Larves possibilités d'utilisation La garniture à cages multiples peut titre montée, sans modification du corps de la vanne et presque sur tous les types de vannes régulatrices. Sur les fig. 7, 8 et 12, on a représenté schématiquement quelques corps de vannes sur lesquels la garniture selon la présente invention peut être installée. (g) Possibilité satisfaisante d'étanchéité et d'équilibrage L'étanchéité de la garniture en question est la même que celle de la vanne sur laquelle elle est installée. Chaque fois qu'une étanchéité parfaite est nécessaire, on peut adopter des solutions spéciales telles que celles ayant recours à une pièce rapportée de nature tendre.Dans le cas des vannes à siège simple, si le a P et la superficie de section des passages sont tels qutils exigent des servo-moteurs puissants, ou bien sont meme inacceptables, on a recours à un équilibrage de ltobturateur.Dans une vanne à garniture à cage multiples, :'obturateur peut être équilibré statiquement à la fois avec un équilibrage interne pour des températures de service comprises entre -1900C et 2300C et avec un équilibrage externe pour des températures atteignant 1000C. (h) Facilité d'entretien et d'accessibilité La facilité d'assemblage et de désassemblage est maximale. En fait, il n'existe aucune pièce soudée ou aucune connexion mécanique rigide et l'ensemble est réalisé avec des assortiments précis. Ceci facilite les vérifications au cours des entretiens de routine et les économies de main-d'oeuvre obtenues sont importantes. I1 est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qutà titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes et des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention dont l'étendue est définie par les revendications ci-annexées. REVENDI CÂTI ONS 1 - Vanne régulatrice comprenant un corps et un obturateur du type en forme de piston qui coulisse à l'intérieur d'un système de cages cylindriques pourvues de perforations qui sont démasquées progressivement d'une façon continue pendant la course du piston , la vanne susvisée étant caractérisée par le fait que le système de cages cylindriques à l'intérieur duquel le piston coulisse est formée par une multiplicité de cylindres concentriques comportant des perforations formées à travers la surface latérale intérieure, le long de circonférences se trouvant dans des plans parallèles perpendiculaires è l'axe de l'obturateur, lesdites per formations communiquant avec des rainures ou canaux horizontaux for mée sur la surface latérale extérieure deedits cylindres ,le long de circonférences se trouvant dans les mêmes plans que les perforations, de sorte qu'en superposant les cylindres concentriquement, on forme des trajets en labyrinthe dont chacun se trouve dans un seul plan et à travers lesquels le fluide se dilate en s'écoulant de la section amont vers la section aval de la vanne et en dissipant la fraction principale de son énergie cinétique. 2 - Vanne régulatrice suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les dimensions des perforations et des canaux formés dans les cylindres concentriques des cages sont calculés en fonction de la vitesse et de la chute de pression du fluide à travers la vanne. 3 - Vanne régulatrice suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que l'obturateur peut être équilibré à la fois intérieurement et extérieurement.