Brevet FR2375522A1 — publié le 19780721

La presente invention a pour objet une vanne à papillon pour fonctionnement à haute temperature, par exemple pour fonctionner à des températures de 7000 à 800 OC, et pouvant aller jusqu'à 900 Oc. Ltinvention vise plus particu lièrement les vannes à papillons c'est-à-dire les robinets du type comportant dans une canalisation un obturateur constitué par un organe sensiblement plan, articulé sur un axe situé dans son plant de façon à pouvoir pivoter autour de cet axe entre une position de fermeture dans laquelle l'obturateur est perpendiculaire à la canalisation et une position d'ouverture dans laquelle l'obturateur est parallele à l'axe de la canalisation.De préférence, l'axe d'articulation passe par le centre de gravitée la plaque pour équilibrer l'obturateur. Il est bien évident que l'invention peut stappliquer à des dispositifs analogues exposés à des conditions similaires. Quand le fluide circulant dans la canalisation est à une température élevée, l'obturateur ainsi que son axe sont portés à cette température. Il en résulte d'abord des problemes de dilatation et d'étanchéité, et surtout de fonctionnement mecanique. Il s'est montré--nécessaire de refroidir l'axe d'articulation de l'obturateur. On a donc déjà proposé un axe de structure creuse > traversé par un fluide de refroidissement. On parvient ainsi à refroidir convenablement un des paliers de l'axe, celui par lequel arrive le fluide de refroidissement.Mais le réfrigérant traverse la canalisation véhiculant le gaz chaud, et parvient à l'autre palier à une temperature assez relevée, et le refroidissement de ce second palier est assuré dans des conditions tres défavorables. C'est un but de l'invention de fournir une solution permettant de refroidir les deux paliers dans des conditions favorables, ce qui maintient une possibilité de fonctionnement correcte pour toutes les températures de service, et limite les déformations et dilatations. C'est un autre but de l'invention de prévoir des moyens pour limiter les effets défavorables des dilatations thermiques. Conformément à l'invention, dans une vanne à papillon du type ci-dessus, les extrémités de l'axe de l'obturateur sont formées par deux demi-arbres extérieurs à la canalisation, pour assurer la portée et la commande de ltoburateur, ces deux demi-arbres pouvant s'étendre à travers la paroi de la canalisation et légèrement au-delà de cette paroi vers 1 'intérieur,et ces demi-arbres sont creux et comportent chacun indépendamment des moyens pour assurer une circulation de fluide dans la partie creuse. Dans une disposition avantageuse de l'invention, chaque demi-arbre creux comporte un tube intérieur concentrique séparant volume intérieur du demi-arbre en un volume central et un volume annulaire, ces volumes étant en communication à l'extrémité du demi-arbre du côté de la -canalisation, et ces volumes étant en communication avec ltexterieur, chacun indépendamment; du côté exterieur du demi-arbre. Les arrivées de fluide de refroidissement sont de preférence indépendantes et réglables en débit en fonction de la tembérature des paliers ou des segments d'étanchéité. Selon une autre caractéristique de l'invention, les demi-arbres sont portés par des paliers à rotules pour rattraper les défauts d'alignement ainsi que la flèche du papillon et de son axe sous la poussée du gaz. Avantageusement, une des rotules peut être montée coulissante dans son logement pour pouvoir absorber la dilatation de l'axe, et l'obturateur peut avoir une section légèrement inférieure à celle de la canalisation à obturer, pour tenir compte de la dilatation thermique, et excentrée vers le palier fixe. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant bien entendu partie de ladite invention. Sur les dessins, la figure 1 est une vue en plan de la vanne selon l'invention, représentée en place avec la canalisation à obturer en section, la figure 2 est une vue en coupe axiale du palier bloqué, la figure 3 est une vue à échelle agrandie du détail A de la figure 2, et la figure 4 est une vue en coupe axiale du palier libres Dans l'exemple represente, la canalisation il a une section circulaire, ainsi que l'obturateur 12, dont la section à température ordinaire est réduite par rapport à celle de la canalisation, pour tenir compte de la dilatation thermique.L'obturateur est articulé sur un axe 13 prolongé à l'extérieur de la canalisation à ses deux extrémités par deux demi-arbres 14 et 15, montés dans des paliers 16 et 17. L'étanchéité est réalisée par des boîtes d'étanchéité 18 et 19, de type classique, rendues solidaires du pourtour de la canalisation, et l'entrainement est assuré par un moteur 20 ou tout autre dispositif. Les demi-arbres 14 et 15 sont creux et comportent chacun une entrée de fluide de refroidissement 22, respectivement 23, et des trous de sortie 24, respectivement 25. Le papillon est excentré à froid vers la rotule fixe, pour obtenir après dilatation son centrage à chaud à l'intérieur du corps du registre. Le demi-arbre 15, représenté plus en détail sur la coupe de la figure 2, est creux depuis son extrémité extérieure jusqu a un point situé à l'intérieur de la canalisation 11, à une distance relativement courte de la paroi. Il comporte un tube intérieur 27, centré par des ailettes 28 et fixé à droite en 29, par soudure par exemple. L'extrémité centrale 30 du tube 27 est libre. Le tube 27 est connecté à l'extérieur par une tubulure 23, et le volume annulaire compris entre le tube 27 et la paroi interne du -demi-arbre 15 communique avec l'extérieur par un certain nombre de trous 25 répartis circonférentiellement. Le demi-arbre 14 est identique au demi-arbre 15 pour cette disposition du circuit de refroidissement. Lesdeus demi-arbres ne diffèrent que par les paliers 16 et 17, le premier 16 étant glissant et le second 17 étant fixe, et par la jonction du demi-arbre 15 au moteur 20 assurant l'entraînement de l'axe de l'obturateur. En fonctionnement, la canalisation 119 qui comporte un revêtement interne de ciment 1 la maintenu par une armature 11b dans laquelle est coulé du béton réfractaire 11c, l'ensemble étant fixé à l'intérieur de l'enveloppe métallique lîd par l'intermédiaire de tiges en acier inoxydable 11e, peut véhiculer un fluide chaud, tel qu'un gaz, à une température de 750 QC, pouvant en pointe accidentelle atteindra 900 0C. Le gaz peut entraîner des poussières ; par exemple dans certaines applications,-le gaz est de l'oxyde de carbone chargé de silice.Avec un diamètre intérieur de canalisation de 160 cm, le gaz peut avoir par exemple une surpression de 0,1 bar, et une vitesse de 45- mètres/ secondes. Avec ces dimensions, le temps de rotation du papillon peut être de 90 secondes pour 900 Grâce à l'i=vention, les manoeuvres peuvent rentre très rares, par exemple une fois par moisi sans risque de grippage. A titre d'exemple, le papillon et l'axe de commande sont d'une seule pièce qui peut être réalisée en mécanosoudure et usinez en acier inoxydable à 18 % de chrome, 38 % de nickel, 0,12 z de carbone et 2 z de silicium. Un fluide réfrigérant est introduit dans la tubulure 23 (22), parcourt toute la longueur du tube 27, et revient le long de la paroi interne du demi-arbre 15 (14) pour sortir par les trous 25 (24). Oa-obtient ainsi un refroidissement efficace de l'axe, dans la partie exposée à des actions mécaniques, sans échange de chaleur notable avec le gaz circulant dans la canalisation 11. Le débit de fluide réfrigérant est réglable en fonction de la température des paliers ou des segments d'étanchéité, par exemple à l'aide de sondes, non représentées, placées aux emplacenants appropriés. Afin de rattraper les défauts d'alignement ainsi que la flèche du papillon et de son axe sous la poussée du gaz, selon une caractéristique de l'invention, les paliers sont montés à rotule. Les mêmes pièces comportent les mimes références sur les deux rotules. Celles-ci sont facilement démontables. Un bottier intermédiaire 35 permet après dmontage, de faire passer la boîte à joint 19 (18) à l'exterieur du palier. ta rotule est constituée d'une partie malte 36 en acier inoxydable par exemple, fixée sur l'axe à l'aide d'un circlips. La partie femelle 37 est en deux parties et en graphite. Cette solution permet d'avoir un bon coefficient de frottement à la température de l'ordre de 350 OC; qui peut être maintenue grâce au dispositif de refroidissement selon l'invention de pouvoir fonctionner sans graissage, et d'éviter l'oxydation à chaud. Sur le demi-arbre 15, des bagues 38, 39 assurent la fixation de la position des parties femelles en graphite de la rotule, tandis que sur le demi-arbre 14, ces parties femelles en graphite peuvent glisser dans le bottier intermédiaire. Le boîtier intermédiaire, les bagues, les couvercles ainsi que la visserie, peuvent ê *e en acier inoxydable à 13 Z de chrome et 0,06 Z de carbone pour éviter 11 oxydation et la corrosion et afin de démonter l'ensemble facilement pour changer les rotules. Les couvercles peuvent avantageusement être munis d'une garniture en amiante imprégnée de bisulfure de molybdène assurant ltétanchéité aux agents extérieurs (poussières, eau). Sur l'axe, derrière la rotule mâle, une entretoise de grand diamètre 41 permet son démontage à l'aide d'un extracteur. Cette pièce est montée légèrement serrée sur l'axe pour assurer sa rotation. L'extrémité du demi-arbre 15 qui pénètre dans le servo-moteur pour assurer l'entralnement du papillon est refroidie par une arrivée 42 d'air qui s'échappe annulairement autour de l'axe en 43. Cette disposition protège le mecanisme du servo-moteur > par exemple en limitant la température de lthuile du carter. On a représenté à titre d'exemple sur la figure 2, et à échelle agrandie sur la figure 3, une boîte d'étanchéité 19. Les trois segments 45, 46, 47 sont chacun en trois partiels, ils sont en graphite, pour résister à la température qui peut être de l'ordre de 400 OC. Sur r l'extérieur des segmentes, à l'intérieur d'une gorge circulairet des ressorts 45a, 46a, 47a, en acier inoxydable, sont montés en extension pour assurer un bon contact sur l'axe et un léger serrage pour assurer l'étanchéité. Un tel dispositif est connu en soi. De chaque côté du corps de registre, deux vis à bout plat 51 disposées en V permettent de centrer l'axe afin de démonter facilement les paliers à rotule et les segments d'étanchéité. En période de fonctionnement, cas vis sont démontées et remplacées par des vis bouchon. De chaque côté du corps du registre près des segments d'étanchéité, est prévue une arrivée 52 d'air de purge. La mise sous pression de cette purge est commandée en même temps que la rotation du servo-moteur. Cette purge a pour but de chasser les particules et poussières qui se seraient introduites dans la fourrure autour de l'axe et qui risqueraient de provoquer un grippage de celui-ci. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n' est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Vanne à papillon, du type comportant dans une canalisation un obturateur sensiblement plan, articulé sur un axe situé dans ce plan, les extrémités de l'axe étant formées par deux demi-arbres extérieurs àla canalisations pour assurer la portée et la commande de l'obturateur, caractérisée en chaque les demi-arbres (14, 15) sont creux et comportent--cbacun indépendamment, des moyens pour assurer une circulation de fluide dans la partie creuse. 2/ Vanne selon la revendication I > caractérisée en ce que la partie creuse de chaque demi-arbre s'étend depuis l'extrémité extérieure de l'arbre, à travers la paroi de la canalisation et légèrement au-delà de cette paroi vers l'intérieur de la canalisation. 3/ Vanne selon la revendication I, caracterisee en ce que dans chaque demi-arbre creux est disposé un tube intérieur concentrique (27, figure 2), séparant le volume intérieur du demi-arbre en un volume central et un volume annulaire; ces volumes étant en communication à l'extrémité (30) du demi-arbre du côté de la canalisation, et ces volumes étant en communication avec l'extérieur chacun indépendamment, du côte extérieur du demi-arbre (23-, 25), les deux arrivées de fluide de refroidissement pouvant être indépendantes et réglées automatique- ment en débit en fonction de la température des paliers ou des segments d'étanchéité. 4/ Vanne selon une des revendications précédentes, caractérisée on ce que les demi-arbres sont portés chacun par un palier à rotule (36 > 37)0 5/ Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une des rotules est montée à un emplacement fise, et que l'autre est montée coulissante dans son support pour pouvoir accompagner l'arbre dans son déplacement sous l1effet de la dilatation. 6/ Vanne selon les revendications 4 ou 5, caractérisée on ce que la rotule du palier comporte une partie màle (36) en acier inoxydable et une partie femelle (37) en graphite, réalisée en deux demi-parties pour en permettre le montage. 7/ Vanne selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée- on ce que la rotule est munie du côté du corps de la vanne d'une entretoise (41) permettant de la tirer lors d'un démontage. 8/ Vanne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en cé que l'obturateur a une section réduite à froid pour avoir à chaud une section adaptée à celle de la canalisation, et excentrée vers le palier non glissant. 9/ Vanne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est punie d'un dispositif de refroidissement 42 de la partie du demi-arbre qui pénètre dans un servo-moteur de cammaDde, et en ce que le débit de fluide de refroidissement dudit demi-arbre est réglable automatiquement en fonction de la température de celui-ci. 10/ Vanne selon l'une des revendications précedentes, caractérisée en ce qu'elle est munie de deux arrivées (52) d'air de purge de l'intervalle entre la canalisation et les demi-arbres.