Brevet FR2332469A1 — publié le 19770617

L'invention se rapportse à une soupape commandée par pression et passant spontanément d'un état à l'autre - de fermeture à l'ouverture ou inversement - sous une charge prédéterminée et restant dans est tst mtme zones sue la charge a cesse. La soupape selon 11 invention trouve une application, par exemple, comme soupape de sécurité dans les circuits de carburant de moteurs de propulsions d'aéronefs et elle est destinée à ouvrir sous une pression prédéterminée un circuit en dérivation sur le filtre pour permettre au carburant d'arriver au moteur lorsque ce filtre est bouché et qu'il se produit en conséquence une élévation de pression sur un ctté de la soupape ; par ailleurs, les fuites que laisse passer cette soupape sous la pression d'ouverture doivent setre très faibles et, après ltouverturef cette soupape doit opposer une très faible résistance à la circulation ou provoquer sous l'effet de cette résistance une très faible chute de pression . La soupape peut toutefois wetre aussi utilisée dans d'autres circuits hydrauliques ou pneumatiques. lies critères suivants sont imposés à la soupape faible poids et faibles cotes ; grand débit, par exemple de 104 lZh ; faible perte de pression, par exemple d'environ 0,8 bar après ouverture sous une pression prédéterminée, par exemple de 1,5 bar ; faibles fuites à l'état fermé qui ne doivent pas dé passer environ 10 3 l/h,par exemple sous une charge s'exerçant sur la soupape fermée et correspondant à 95 % de la pression d'ouverture ; réponse rapide - par exemple de l'ordre de quelques millisecondes - et grande fiabilité, ce qui signifie que la soupape doit rester fonctionnelle de façon fiable même après plusieurs années pendant lesquelles elle n'a pas fonctionné lorsqu'il faut qu'elle entre en service, c'est-à-dire lorsqu'un filtre bouché provoque une élévation inadmissible de pression dans le conduit de carburant. Selon une particularité essentielle de la soupape de l'invention qui satisfait aux critères mentionnés, ltorgane d'obturation consiste en une membrane annulaire tronconique à deux états stables qui est fixée sous précontrainte entre une cage et un couvercle de soupape de manière que la hauteur du tronc de c8ne soit réduite par rapport à celle qu'elle a lorsqu'elle n'est pas sous charge et dont la hauteur h lorsqu'elle n'est pas sous charge est un multiple de son épaisseur s. L'invention sera décrite plus en détail en regard Aes d ins annexes n titre ple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une coupe transversale schématique de la llieflibiane de la soupape selon l'invention la figure 2 est un graphique représentant la caractéristique du débit en fonction de la pression d'une soupape selon l'invention ; et les figures 3a et 3b sont des demi-coupea axiales d'un exemple de réalisation d'une soupape selon l'invention, d'une part, en position de fermeture et, d'autre part, en position d1-ouverture. La figure 1 représente schématiquement une membrane destinée à une soupape selon l'invention. lie rapport de la hauteur h à l'épaisseur- s d'une membrane à génératrice rectiligne peut avantageusement être supérieur à 1,4. La figure 1 illustre les grandeurs h et s ainsi que d'autres grandeurs, relatées plus bas, de la géométrie de la membrane. La figure 2 représente schématiquement à échelle déformée - les débits indiqués des plages 0 - A ainsi que 0 - B sont trop grands par rapport à ceux qui sont indiqués au-delà de A et B - la caractéristique de débit par rapport à la pression d'une soupape selon l'invention, A et B désignant les deux points ou plages de transition d'un état stable à l'autre, les débits Q étant portés en ordonnées tandis que les différences de pression Ap de part et d'autre de la membrane sont portées en abscisses.La membrane peut passer d'un état à l'autre aux deux points A et B, comme montré sur la figure, de sorte que la soupape est utilisable pour la commande d'efforts unilatéraux de pression ainsi que pour de tels efforts qui sont bilatéraux, le point de changement de position n'étant pas tout à fait le- même dans un sens que dans l'autre en raison des tensions résiduelles de la membrane. ha membrane utilisée en obturateur selon l'inven- tion passe d'un état à l'autre dès que la charge prédéterminée de pression est dépassée, la théorie des plaques planes donnant un seuil du rapport de la hauteur h à l'épaisseur s de la membrane pour qu'elle puisse atteindre deux états stables. La précontrainte F sous laquelle la membrane selon 11 invention est maintenue détermine la course v = h - f (figure 1) que la membrane doit parcourir sous la charge prédéterminée pour passer au second état stable. Cette course est donnée par la hauteur h de la membrane dont est déduite la course f que la précontrainte F lui a déjà fait parcourir et dont la longueur est fonction notamment, par exemple,- du rapport adopté h/s.La distance f que la précontrainte a fait parcourir à la membrane est adoptée selon les nécessités de manière que la course v de renversement sous l'effort de pression soit la plus faible possible. Cette condition est cependant contraire au fait que la membrane doit par ailleurs avoir une certaine élasticité sous l'effet des coups de bélier ou des chasses de pression, c'est-à-dire que-la précontrainte ne doit pas la rapprocher suffisamment du point de renversement pour que de brèves fluctuations et chasses de pression la retournent et provoquent en conséquence une ouverture de la soupape préalablement fermée. lie choix de la précontrainte convenable est donc commandé expérimentalement par les critères indiqués, compte tenu des conditions mentionnées, partiellement contradictoires. lie rapport h/s est déterminant pour qurune membrane puisse avoir deux états stables. En théorie, le rapport h/s doit etre au minimum de 1,41 pour qu'une membrane soit bistable. On adopte en pratique des valeurs aussi grandes que possible pour obtenir une caractéristique ayant un maximum bien marque. La force nécessaire à provoquer un retournement de la membrane est fonction de ses cotes géométriques, à savoir la hauteur h, l'épaisseur s, le diamètre extérieur Da et le diamètre interne Di, ces cotes étant indépendantes du matériau. Cette force est par ailleurs fonction des caractéristiques du matériau, à savoir du module d'élasticité et de la constante de Poisson elle est toutefois indépendante de la précontrainte de la membrane. En pratique, les tolérances inévitables de la matière ainsi que les erreurs géométriques ont pour conséquence que cette force et donc que le point de renversement dépendent légèrement de la précontrainte. Cette dépendance doit se déterminer expérimentalement. La membrane peut avantageusement etre centrée dans la cage de la soupape afin de permettre au renversement de stef- fectuer correctement dans les deux sens. Dans les applications dans lesquelles la soupape est utilisée pour un effort unilatéral de pression, il est par ailleurs-préférable de prévoir un dispositif hydraulique ou pneumatique de rappel qui remet la membrane en position initiale après que la soupape a répondu dans le sens de la commande. La soupape selon l'invention telle que représentée sur les figures 3a et 3b sert par exemple, comme mentionné préalablement, de dispositif de sécurité sur le circuit du carburant de réacteurs et il obture en service normal (figure 3a) un circuit I qui est -simplement esquissé sur le dessin et qui permet à un filtre 2, qui est aussi simplement esquissé et qui est monté dans les conduits 13 d'arrivée de carburant aux propulseurs, d'entre dérivé lorsqu'il est bouché ; des flèches indiquent la circulation du carburant sur les figures 3a et 3b. Une cage 3 de soupape en forme de plaque annulaire et circulaire est fixée sur un support 4 en forme de manchon sur lequel est aussi monté le filtre 2 qui ntest pas représenté en détail. lia cage 3 comporte sur son pourtour extérieur un filetage 18 sur lequel se visse un cousercle 5. Ce dernier comporte sur son pourtour plusieurs passages 6 sur chacun desquels est fixée une telle perforée 7 en forme de tamis. lies tales 7 forment des éléments filtrants grossiers du carburant provenant du circuit 1 et pénétrant dans une chambre 8 située à l v ntérieur de la soupape entre la cage 3 et le couvercle 5 dès que cette soupape lui libère le passage. L'organe obturateur est une membrane 9 disposée dans la chambre 8- et qui, lorsque la soupape est fermée, prend appui par son périmètre interne contre un joint d'étanchéité 10 et extérieurement contre un épaulement il de la cage 3. Lorsque la soupape est ouverte, c'est-à-dire lorsque la membrane 9 s'est rabattue à l'autre état stable sous l'effet d'une élévation de pression dans le circuit 1 et donc aussi sous la pression d'ouverture régnant sur le coté droit de la chambre 8 dans la représentation de la figure 3b, cette membrane 9 libère un passage annulaire 12 vers le conduit 13 de carburant situé au centre de la cage 3. Se conduit 13 auquel est aussi raccordé le circuit dl- rect passant par le filtre 2 mène à la pompe haute pression du propulseur. Lorsque la soupape est en position d'ouverture (figure 3b), le pourtour extérieur de la membrane 9 s'applique contre une garniture 14, tandis que son pourtour interne repose contre le fond d'une dépouille annulaire 15 de la paroi interne de la cage 3, cette dépouille assurant également le centrage de la membrane ainsi maintenue en position correcte dans la cage 3. Un conduit 16 menant à une source non représentée de pression hydraulique ou pneumatique est raccordé à la partie gauche de la chambre 8 par un canal 17; cette source constitue un dispositif de rappel de la membrane. Ce dispositif applique éventuellement la force correspondant par exemple au point A (figure 2) et destinée à rabattre la soupape à sa position correspondant à celle du service normal du système lorsque le point B de la figure 2 est considéré comme étant celui du renversement dans le sens de la commande. La variation de la distance séparant la- cage 3 et le couvercle 5 permet de régler la précontrainte F de la membrane, c1est-à-dire la course élastique désignée par f sur la figure 1, de manière que la précontrainte fasse parcourir à la membrane une proportion déterminée de la hauteur h, par exemple approximativement 50 %. Selon le rapport adopté h/s, il ne subsiste plus alors qu'une très faible course v jusqu'au point ou à la plage 3 de renversement de la soupape (figure 2). Selon la théorie, un renversement de la membrane 9 peut s'obtenir pour des courses selles que d'élasticité f/0,43 h 0,43 h que le rapport h/s est grand. Des valeurs du rapport h/s comprises entre 5 et 10 ont donné à l'expérience en pratique de bons résultats. Des valeurs plus petites ont pour conséquence des temps de réponse trop longs pour une soupape destinée à l'application mentionnée en effet, le point de renversement est d'autant plus marqué, c'est-à-dire que la plage de retournement est d'autant plus étroite que le rapport h/s est grand. De plus grandes valeurs du rapport h/s ne peuvent s'obtenir que très difficilement au prix de moindres résistances mécaniques des matériaux de la membrane pour laquelle, par exemple, les aciers inoxydables à ressort conviennent bien. En résumé, les points de vue suivants sont importants pour le choix du matériau et le choix des cotes géométriques d'une membrane a) la pression ou la plage de pression (point B sur la figure 1) donnée par les critères imposés à la soupape et à laquelle le retournement doit avoir lieu, c'est-à-dire le point de retournement avec une tolérance admissible ; b) les températures auxquelles la soupape est exposée ; elles sont décisives pour le choix du matériau et il faut tenir-compte d'une part de la température maximale de pointe et d'autre part, de la température continue en service ; la température de pointe a une influence sur la caractéristique de la membrane (figure 2), car elle détermine pour une bonne part le choix du matériau, tandis que la température continue sous charge influe sur la vie utile de la membrane - et donc aussi sur le choix du matériau c) le débit à l'ouverture et la perte de pression qui en résulte ont une influence décisive sur les cotes de la membrane d) les fuites maximales avant le renversement de la soupape ; elles peuvent varier en fonction du choix de la précontrainte, c'est-à-dire de la détermination de la course f parcourue sous l'effet de cette dernière, une élévation de la précontrainte, c'est-à-dire une augmentation de la course préréglée f ayant pour conséquence une diminution des fuites e) la sécurité contre les chasses de pression elle est aussi fonction de la course de préréglage f, mais est par contre d'autant plus grande que f est petit ; f) l'étanchéité assurée par la membrane ; elle peut varier par ailleurs en fonction de la conformation du bord assurant l'étanchéité et de sa surface d'appui sur la pièce complémentaire - par exemple un joint d'étanchéité -. lies conditions a à f ne sont pas indépendantes les unes des autres et la démarche empirique suivante associée au calcul a donné de bons résultats pour le choix de la membrane. Comme mentionné précédemment, le rapport h/s doit etre le plus grand possible ; on prend donc pour base une valeur déterminée par l'expérience. On adopte ensuite un matériau-con- venable ayant une résistance mécanique déterminée et un module d'élasticité déterminé en fonction des températures auxquelles la soupape est exposée. lie débit Q étant essentiellement déterminé par la section d'ouverture qui est fonction du diamètre interne Di et de la hauteur de la membrane à l'état renversé, le débit exigé détermine pratiquement les cotes Di et f ; le diamètre extérieur Da est ensuite principalement déterminé par le fait qu'à un point donné de renversement, la force nécessaire à ce renversement de la membrane résulte du produit de la surface de cette dernière et de la pression voulue d'ouverture. On calcule ensuite pour la membrane ainsi pratiquement adoptée si la résistance mécanique du matériau choisi est suffisante aux conditions imposées de température, précontrainte, vie utile et d'après les cotes adoptées. Si tel n'est pas le cas, il faut corriger la membrane, par exemple par modification de h, f et/ou s ou par le. choix d'un autre matériau. Lorsqu'une membrane ayant une résistance convenable a été trouvée,on l'optimise expérimentalement et on détermine ensuite les fuites maximales avant retournement. Ces fuites peuvent encore être réduites dans certains cas par élévation de la précontrainte lorsque la soupape est montée. La sécurité contre les chasses de pression diminue alorstoutefois,de sorte qu'il faut trouver expérimentalement un compromis optimal. Il est finalement possible dans certains cas d'améliorer dans une certaine mesure l'étanchéité de la membrane en conformant et usinant soigneusement son bord qui assure cette étanchéité et/ou la surface de l'élément contre lequel elle prend appui. Belon un mode de réalisation avantageux, le rapport de 12 épaisseur s de la membrane à son diamètre interne Di est su périeur à 3.10 3 pour un diamètre extérieur Da : 20 mmcDa c100 mm. REVENDICATIONS i. Soupape commandée par pression et passant spontanément d'un état å l'autre sous un effort prédéterminé de pression et restant dans cet état même après que l'effort a cessé, caractérisée en ce que ltorgane obturateur consiste en une membrane annulaire tronconique à deux états stables, montée sous précontrainte entre une cage et un couvercle de soupape de manière que la hauteur du tronc de cône soit réduite par rapport à celle qu'elle a lorsqu'elle n'est pas sous charge, cette hauteur du tronc de cgne de la membrane qui n'est pas sous charge étant un multiple de son épaisseur s. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport h/s d'une membrane à génératrice rectiligne est supérieur à 1,4. 3. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la membrane est centrée le long de son pourtour par rapport à la cage. 4. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif hydraulique ou pneumatique de rappel. 5. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que le rapport de l'épaisseur s de la membrane à son dia mètre interne Di est supérieur à 5.10 5 pour un diamètre extérieur Da : 20 mm c Da#îoe mm.