Brevet FR2388192A1 — publié le 19781117

La présente invention concerne en général les robinets ou régulateurs de débit de liquides et de gaz, et en particulier un robinet qui, ne risquant pratiquement pas de sgobstruer, fonctionne assez silencieusement, sans vibrations ni phénomènes de cavitation entre sa position de fermeture complète et sa position d'ouverture complète. Les robinets classiques comportent simplement un orifice réglable de commande du débit dtun fluide. le réglage du calibre de cet orifice peut se faire, par exemple dans les robinetsvannes ou les robinets à soupape en modifiant la position d'une plaque, dans les robinets à tournant en modifiant la position d1une sphère percée diun trou ou, dans les robinets à boisseau ou à pointeau, en modifiant la position d'une clé effilée ou dtune tige pointue. Tous ces robinets sont sujets à des phénomènes gênants de cavitation qui les rendent bruyants, les font vibrer et les usent rapidement, notamment lorsque la différence entre les pressions en amont et en aval du fluide qui les traverse sont très grandes. Il existe aussi des robinets mélangeurs que traversent des courants de fluide à différents niveaux d'énergie, ce qui a-pour effet dtengendrer des turbulences très variables : c'est le cas par exemple du robinet décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3 515 1 58. Ges variations de la turbulence peuvent aussi faire vibrer exagérément le robinet et rendre son fonctionnement trop bruyant. Il est important de pouvoir régler sans à-coups les robinets, de leur pleine ouverture à leur fermeture complète.Pour les robinets qui débitent des liquides, le paramètre caractéristique de ce réglage est la valeur de Ov G v qui est la suivante relation dans laquelle Q est le débit, Ap est la différence de pression et 8 la densité du fluide débite. Il est très important que le facteur Cv varie régulièrement dès l'ouverture du robinet et que sa valeur maximale, qui correspond à la pleine ouverture du robinet, soit assez grande pour permettre un débit suffisant de ce dernier. Dans la plupart des applications, il est souhaitable que le rapport entre les dimensions de l'orifice du robinet et le débit du liquide qui le traverse soit linéaire.Ce débit doit donc être nul lorsque le robinet est fermé, et son augmentation doit être à peu près proportionnelle à l'aire de la section de l'orifice du robinet au cours de l'ouverture de ce dernier. Pour certains robinets qui ne remplissent pas ces conditions, le débit peut varier beaucoup pour une assez petite variation de la section de leur orifice, ce qui ne permet pas de régler facilement le robinet et par conséquent son débit, car de faibles modifications de la position de sa commande ont pour effet de faire beaucoup varier son débit. A mesure qu'on ouvre le robinet, la chute de la pression du fluide qui le traverse fait varier son débit. les caractéristi ques du robinet, c'est-à-dire le facteur G pour les diverses dimensions de son orifice, gouvernent ce rapport. Comme le montre la formule précitée, il est possible de déterminer le débit du robinet en déterminant les valeurs respectives de C , de p v et de S . La valeur de Ov dépend généralement des caractéristiques du liquide considéré, mais il existe pour les courants gazeux un coefficient analogue désigné souvent par Cg. Certains régulateurs de pression d'une autre conception comportent une "chambre de turbulence" qui destinée à faire chuter la pression du fluide, engendre des dépressions considé- rables, ctest-à-dire des pressions inférieures à la contrepression en aval. Les conséquences d'une telle différence de pression sont dWs phénomènes de cavitation etZou un écoulement supersonique du gaz en aval, ce qui dans tous les cas rend très bruyant le fonctionnement de l'appareil. Les règlements en vigueur concernant le niveau sonore maximal autorisé montrent bien la nécessité, qui se fait sentir depuis longtemps, dtun robinet dont le fonctionnement soit peu bruyant. On a suggéré sans beaucoup de succès divers moyens pour réaliser des robinets assez peu bruyants, par exemple de morceler le courant de fluide en lui faisant traverser dans le conduit interne du robinet un fin tamis métallique discoïde ou un tampon fibreux, mais il arrive souvent que les petits trous ou interstices de tels appareils se colmatent ou se bouchent. Si le fluide débité est un gaz, ce dernier engendre des sons particulièrement gênants lorsqu'il franchit une arrête tranchante. Si ltécoulement du courant gazeux devient supersonique, le bruit ainsi produit peut meme doubler. En outre, de nombreux types de robinets ou de régulateurs comportent des cavités qui peuvent constituer en fait des résonateurs de llelmholtz. Certains robinets récents comportent plusieurs conduits internes et/ou de nombreux disques destinés à les rendre assez silencieux (voir par exemple les brevets des Etats-Enis d1Mnérique NO 3 133 557 et NO 3 316 936). Toutefois, les robinets de ce type peuvent aussi s1obstruer par suite de leur faible marge de tolérance interne, bien qu'à un moindre degré que ceux qui contiennent de fins tamis métalliques. La présente invention concerne donc en général un-robi net qu'il est possible d2ouvrir à fond, mais doucement et sans à-coups, dont le fonctionnement est assez silencieux et qui risque peu d'entre obstrué par des particules solides. Ce robinet, qu'il soit destiné à débiter du liquide ou du gaz, est conçu de manière à fonctionner assez silencieusement et, s'il débite du liquide, à éviter que ne s'y produisent, par rapport à la contre-pression en aval, des dépressions susceptibles d'engen- drer des phénomènes de cavitation et par conséquent des vibrations et un niveau sonore excessifs. Le robinet de l'invention comprend un ou plusieurs ajutages d'où sort un jet de fluide qui se met. ensuite à tourner tangentiellement dans une chambre annulaire de turbulence pour passer enfin dans un conduit en chicane constitué par une série de manchons coaxiaux et espacés de la périphérie vers le centre. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 représente en coupe axiale le robinet selon l'invention; la figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1; les figures 3 et 4, qui reproduisent la partie supérieure de la figure 2, montrent deux positions différentes de l'obturateur du robinet; et la figure 5 est un graphique qui montre comment varie le Cv du robinet selon l'invention en fonction de l'aire de son orifice. le principe de l'invention consiste à transformer en énergie cinétique une partie de la pression à dissiper en éjec- tant le fluide par un ajutage que forme en 51 ouvrant au moins un obturateur d'admission, par exemple un papillon ou organe analogue, cette ouverture formant un convergent qui accélère le courant de fluide. Ce jet sort tangentiellement à la paroi d'une chambre annulaire de turbulence dans laquelle il engendre un fort tourbillon, l'augmentation de sa vitesse tangentielle ayant pour effet de faire beaucoup chuter la pression. Le liquide ou le gaz passe alors dans un labyrinthe, c' est-à-dire dans un conduit annulaire en chicane que forment entre eux des manchons coaxiaux, ce conduit étant de préférence plus long que la chambre de turbulence. Dans ce conduit, la très grande composante de la vitesse du fluide, qui le fait tourbillonner, constitue sous forme d'énergie cinétique celle qutil s'agit de dissiper en faisant tomber la pression. Le frottement du fluide sur les parois de ce conduit a pour effet de faire diminuer cette composante latérale qu Ittourbillonnaire" sans incidence sur la composante axiale ou "de chasse", c' est dire celle qui détermine la vitesse de ltécoulement.Le fluide suit donc un long conduit en chicane dans lequel peut statté- nuer la composante tangentielle de sa vitesse, tandis que la composante axiale de cette dernière est déterminée par le volume total du fluide qui circule dans le robinet, de sorte qu'elle n'est pas affectée par ce phénomène. Il est possible de parvenir à ce résultat en augmentant I' intervalle qui sépare les parois annulaires, à mesure que leur rayon décroit, afin de maintenir constante l'aire de la section droite du conduit. la composante axiale est beaucoup plus petite que la composante "tourbillonnaire", sauf à la sortie du conduit oU le fluide "tranquillisé" et libéré passe dans le conduit de sortie du robinet.Il est possible de donner à ce conduit, situé à l'extré- mité d'aval du robinet, une orientation telle que son axe inscrive un angle compris entre 60 et 1200 environ, et de préférence proche de 900, avec la composante axiale précitée afin de supprimer si nécessaire une turbulence résiduelle. A mesure que le robinet approche de sa fermeture, l'opération d'étranglement devient généralement de plus en plus difficile, et le fluide met beaucoup plus de temps pour parcourir son trajet hélicoïdal du fait que la composante "de chasse" devient plus faible. Le graphique de la figure 5 montre comment varie le facteur C d'un robinet selon l'invention en en fonction v de son ouverture. Il montre aussi, en fonction de cette dernière, le rapport PPt entre l'énergie axiale et l'énergie totale dissipée dans un robinet selon l'invention. Il montre enfin le rapport (12Ts)2/pt entre la chute de pression du fluide qui passe par l'ajutage d'admission et l'énergie totale dissipée.Le rapport précité Pa/Pt indique que 11 énergie cinétique axiale ou "de chasse" augmente à mesure que s'ouvre le robinet, ce rapport ayant une valeur très faible lorsque le robinet est peu ouvert. On voit sur ce graphique que la chute de pression précitée diminue à mesure que le robinet s'ouvre. Pour une description plus détaillée de la manière classique de mesurer l'écoulement d'un fluide, il est possible de se référer aux documents suivants "Elements of Fluid Mechanics" de D. G. Shepard (pages 113 à 187) édité par Harcourt, Brace & World, Inc. (1965), et "Principles of Turbomachimery!!, de D. G. Shepard, édité par Macmillan (6ème édition, 1965). Le fluide ne change pas brusquement de direction, c'est à-dire ne rencontre pas de saillies dans le sens correspondant à la composante de turbulence, de sorte qu'il n'existe presque pas de dépressions dynamiques susceptibles de provoquer des phénomènes de cavitation (dans le cas où le robinet débite un liquide). Chaque fois que le diamètre du conduit diminue, et cela jusqu' à ce que le fluide parvienne dans le conduit axial de sortie, la composante de turbulence augmente et la pression tombe proportionnellement à la diminution du rayon de ce conduit, ce qui contribue, par frottement, à réduire 11 énergie de turbulence. Comme il n1 existe dans le robinet ni cavité, ni arête tranchante, il n'y a pas d'émission de sons qui sont généralement engendrés dans ces deux cas. Il est possible de donner une certaine rugosité aux parois cylindriques du conduit afin de contribuer à dissiper la composante de turbulence, ce qui peut se faire au moyen de striures axiales, de rainures, d'une opération de sablage, etc. Cette rugosité peut s'atténuer progressivement entre l'extré- mité d'amont du conduit annulaire et son extrémité aval où la pression est la plus faible et la tendance à la cavitation la plus grande. S'il s'agit d'un grand robinet, il est possible de recouvrir les parois des conduits annulaires d'une pellicule lisse et souple en élastomère, qui amortit les vibrations de la pression et diminue la vitesse de la couche limite turbulente. Cela a pour effet de rendre plus silencieux l'écoulement d'un gaz et de réduire les frottements aussi bien dans le cas des gaz que des liquides. Cette diminution des frottements sur les parois a pour effet d'augmenter la vitesse du mouvement 'ltourbillonnaireX' dans la chambre de turbulence presque jusqu'à la fermeture du robinet. On peut aussi envisager d'utiliser un dispositif analogue à celui du robinet selon l'invention pour équiper les silencieux de moteurs à combustion interne. Le tourbillon très rapide amortit les variations de la pression dues à la sortie intermittente des gaz d'échappement. L'appareil utilisé dans ce cas doit de préférence comporter plusieurs obturateurs périphériques d'admission qu'il est possible de régler en fonction de la puissance du moteur considéré. Il est possible de faire varier l'aire de la section de la veine gazeuse qui s'écoule directement de façon à régler sa vitesse et par conséquent la durée du passage du fluide dans les conduits. Il est aussi possible de déterminer convenablement la longueur axiale totale du conduit, le nombre de ses tronçons coaxiaux et leur calibre interne. Le robinet selon l'invention peut supporter des pressions et des chutes de pression considérables. Il est aussi possible de le faire fonctionner au moyen des commandes classiques actuellement utilisées pour actionner d'autres robinets ou régulateurs de débit, mais sa commande est beaucoup plus facile du fait qu'il est équilibré et exige donc des commandes moins puissantes. Afin d'éviter de possibles à-coups dans le mouvement de son ou de ses obturateurs de commaiide du type papillon, il est-possible de lui ou de leur donner un certain déséquilibre de sorte que la pression tend toujours à le ou les faire pivoter dans le mAsme sens.Bien entendu, il est aussi possible d'utiliser des obturateurs d'un autre type que des papillons, par exemple des vannes ou des clés modifiées, des obturateurs commandés par une came et un levier, etc. Pour en revenir à la description détaillée du robinet selon l'invention, la figure 1 met en évidence qu'il comporte un corps ou logement 1 comportant une entrée 3 et une sortie 5. Le réglage du débit du fluide qui passe de l'entrée 3 dans le corps 1 est assuré par un papillon 7, équilibré ou un peu déséquilibré, qui entoure un arbre 9 dont il est solidaire. Les figures 2 à 4 montrent mieux cet arbre 9 et cet obturateur d'admission 7 qui, sur ces figures, a diverses positions de fonctionnement. Sur la figure 3, ce papillon a dépassé sa position d'ouverture maximale du fait que sa levre ou son rebord d'aval ne converge plus vers la paroi 19 de la chambre de turbulence. En faisant ainsi saillie dans cette chambre, cette lèvre fait en grande partie cesser le mouvement tourbillonnant du jet de fluide. Un effét de chasse intervient lorsque l'obturateur est ainsi grand ouvert. Comme le montre la figure 1, une commande 11 permet de régler la position de l'obturateur 7 qui tourne avec l'arbore 9. Ce dernier peut être assujetti à un levier 15 qui, en tournant, le fait lui-meme tourner, ce qui fait pivoter l'obturateur > 7. Dès qu'il a passé par l'ajutage 79 formé par lrobtura teur 7 avec la paroi cylindrique 19, le fluide pénètre dans une chambre annulaire de turbulence 17 que forment entre elles la paroi périphérique précitée 19 et deux parois cylindriques intérieures 21 et 23.Ces deux dernières sont respectivement et perpendiculairement en contact avec deux autres parois latérales 29 et 27 qui font. passer le courant de fluide par un orifice 31 dans un intervalle annulaire 33 formé entre elles par les parois précitées 21 et 23. la surface intérieure 25 de la paroi 21 se raccorde perpendiculairement à une face 35 qui fait passer le courant de fluide par un orifice 73 dans un inter valle annulaire 37 formé par la paroi 23 et une paroi cylindri- que intérieure 41. Enfin, une surface 43, qui se raccorde perpendiculairement à la paroi 23, fait passer le courant de fluide par un orifice 75 dans un intervalle annulaire 45 formé par la paroi 41 et la surface périphérique 49 d'une tige cylindrique 50. Le courant de fluide longe alors axialement cet intervalle 45 et parvient à la sortie 5 du corps du robinet. Afin d'atténuer la turbulence résiduelle éventuelle de c courant de fluide, l'axe du conduit d'évacuation 5 précité peut Astre perpendiculaire à celui de la tige 50 et par conséquent au sens de délacement du courant de fluide dans l'intervalle annulaire 45. La longueur Sw de la chambre de turbulence est de préférence inférieure à celle B1 du conduit en chicane. Comme le rayon de ltécoulement axial diminue à mesure que le fluide se rapproche de l'ase des manchons ou parois cylindriques, il est possible d'augmenter la section du conduit pour que l'écoulement reste à peu près constant. Une forme avantageuse de réalisation du robinet selon l'invention peut comporter un obturateur d1admission 7 consistant en un papillon un peu déséquilibré et pivotant autour de l'axe de l'arbre 9. Comme le montre aussi la figure 1, l'enveloppe du conduit d'évacuation 5 peut eAtre assujettie au corps 1 du robinet au moyen d'une vis 51. En outre, ce corps 1 peut comprendre essentiellement trois sous-ensembles 53, 55 et 59 assemblés au moyen d'une vis 61. L'entrée 7 du robinet peut partiellement comporter un tuyau fileté 63 vissé dans un orifice taraudé 65 du corps 1. L'intervalle annulaire intérieur 45 est en outre partiellement délimité par une surface interne 67 de ltenve- loppe 54 du conduit d'évacuation, qui assure l'étanchéité de l'extrémité d'aval de la surface cylindrique 49. Il est en outre possible d'introduire 11 extrémité de la tige 50 dans une cavité 52 formée par l'enveloppe 54 précitée. La position de la tige 50 peut autrement être déterminée au moyen d'entretoises. Les figures I à 4 ne montrent qu'un seul obturateur ou papillon 7, mais il est bien entendu possible d'en monter plusieurs à la périphérie de la chambre annulaire de turbulence et de les commander simultanément comme dans les robinets-vannes d'une turbine hydraulique. Blexistenee d'un unique obturateur dtadmission n'est pas obligatoire dans le cadre de l'invention. RETTENDICATIONS 1. Robinet ou appareil analogue, caractérisé en ce que son corps forme intérieurement des parois cylindriques espacées et coaxiales (19, 21, 23, 39, 41) dont les diamètres respectifs décroissent de la périphérie vers le centre, la paroi périphérique (19) est séparée de sa voisine (21) par un intervalle annulaire périphérique dans lequel débouche le conduit d'admission du robinet et un dispositif destiné à dissiper l'énergie du courant de fluide comporte d'une part un ajutage destiné à faire entrer dans ledit intervalle périphérique des quantités variables de fluide et à accélérer ce fluide tangentiellement à la paroi périphérique (19), d'autre part un ensemble déflec teur destiné à faire passer, en l'accélérant tangentiellement, le fluide sortant de l'intervalle périphérique précité dans les intervalles annulaires successifs formés entre elles par les autres parois (21, 23, 39, 41), les deux parois (39, 41) les plus rapprochées du centre formant entre elles un intervalle annulaire d'évacuation du fluide. 2. Robinet selon la rerendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble déflecteur comprend des conduits qui font commu niquer lesdits intervalles annulaires successifs et ces derniers comportent chacun, à l'opposé l'une de autre, une entrée et une sortie qui communique avec l'entrée du plus petit intervalle annulaire voisin, de façon à former un conduit en chicane dans lequel le fluide longe alternativement en sens contraires les d*s intervalles annulaires en allant du plus grand au plus petit. 3. Robinet selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface des parois qui forment le conduit en chicane est de plus en plus lisse à mesure que ce conduit s1 éloigne de l'intervalle annulaire périphérique et se rapproche de ltinter- valle annulaire d'évacuation. 4. Procédé de régulation du débit d'un fluide, caractérisé en ce quril consiste à régler le débit du fluide à son entrée dans une chambre annulaire de turbulence, à accélérer ce fluide tangentiellement à la paroi intérieure de cette chambre en faisant ainsi décroltre sa pression et en dissipant son énergie, à accélérer la veine fluide tout en faisant progressivement décroitre son diamètre et en la faisant en outre tourner tangentiellement à la paroi intérieure de plusieurs conduits annulaires coaxiaux, successifs et espacés vers l'in- térieur par rapport à ladite chambre, afin de faire davantage encore décroitre pression et énergie du fluide, enfin à faire sortir ce dernier du conduit annulaire qui est le plus rapproché de leur axe commun. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à rendre de plus en plus lisse les parois des dits conduits annulaires coaxiaux, du conduit péripnérique vers le conduit le plus rapproché de leur axe commun. 6. Procédé selon la revendication 4,-caractériaé en ce que la surface interne desdits conduits annulaires est constituée par une pellicule souple en élastomère. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu1il consiste en outre à évacuer en définitive ledit fluide perpendiculairement à stase des conduits annulaires. 8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réglage initial du débit du fluide est assuré au moyen d'au moins un obturateur articulé approximativement en son milieu et monté à l'entrée de la chambre annulaire de turbulence. 9. Robinet caractérisé en ce que son corps forme intérieurement des parois cylindriques espacées et coaxiales~(19, 21, 23, 39, 41) qui délimitent entre elles, de la périphérie vers l'intérieur, un conduit en chicane constitué d'une succession de tronçons annulaires, la paroi périphérique (19) est séparée de sa voisine (21) par un intervalle annulaire périphérique dans lequel débouche le conduit d'admission du robinet, un ajutage est destiné à faire passer de ce conduit d'admission dans ledit intervalle annulaire et le long de la paroi périphérique des quantités variables de fluide qutun canal dirige, à sa sortie dudit intervalle périphérique, dans le conduit forme par la succession de tronçons annulaires dont les diamètres respectifs sont de plus en plus petits de la périphérie vers le centre, et ledit canal fait communiquer ces tronçons dont les extrémités opposées de chacun forment une entrée et une sortie qui communique avec l'entrée du plus petit tronçon voisin, le fluide passant dans le conduit en chicane ainsi formé en longeant alternativement en sens conT lL~res 'es tronçons annulaires progressivement plus petits de la périphérie vers le centre. 10. Robinet selon l'une des revendications 1 et 9, caractérisé en ce que la surface de la paroi du conduit formé par les tronçons annulaires est constituée d'une pellicule souple en élastomère. 11. Robinet selon l'une des revendications 1 et 9, caractérisé on ce que 11 intervalle annulaire dlévacuation débouche afin de réduire la vitesse tangentielle du courant de fluide, dans un conduit de sortie dont laxe fait avec le sien un angle compris entre 600 et 1200 environ. 12. Robinet selon l'une des revendications i et 9, caractérisé en ce que ledit ajutage comporte au moins un obturateur qui, articulé dans sa partie médiane, pivote à proximité de ladite paroi périphérique (19), entre elle et la paroi intérieure voisine (21)