Brevet FR2423696A1 — publié le 19791116

La présente invention est relative a une vanne a obturateur rotatif et notamment, mais non exclusivement, a une vanne a papil lon simplement excentré du type dans laquelle le corps de vanne ou la peripherie de ltobturateur présente une gorge annulaire recevant un dispositif d'étanchéité. L'invention a pour but de fournir une vanne à obturateur rotatif autorisant le passage du fluide dans les deux sens et assurant de façon économique le rattrapage automatique des phénomènes de fluage et d'usure dans le temps, notamment dans des conditions sévères de température ou de pression. A cet effet, l'invention a pour objet une vanne du type précité, caractérisée en ce que le dispositif d'étanchéité comprend une garniture comportant une partie active massive pourvue d'un jeu axial et reliée par un voile mince libre a un bourrelet de retenue, la surface de cette partie active dirigée vers le fond de la gorge étant tronconique et coopérant avec une surface d'appui tronconique conjuguée Dans un mode de réalisation avantageux, la surface d'appui tronconique est ménagée sur une bague de réaction logée dans la gorge. On peut en effet prévoir alors pour cette bague, au repos, un jeu axial permettant de rattraper les déplacements axiaux de l'obturateur aux fortes pressions, et/ou un jeu radial permettant de rattraper les défauts de centrage de cet obturateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue d'ensemble d'une vanne-papillon conforme à l'invention en position de fermeture, représentée en coupe dans un plan contenant l'axe de rotation du papillon et l'axe de la canalisation; la Fig. 2 est une vue analogue à plus grande échelle du dispositif d'étanchéité de cette vanne à l'état libre; la Fig. 3 représente le dispositif d'étanchéité de la Fig.2 soumis à une pression différentielle dans le cas d'un premier sens de circulation du fluide dans la canalisation, cette figure indiquant également les efforts engendrés ainsi que leurs résultantes;; la Fig. 4 représente le dispositif d'étanchéité de la Fig. 3 lorsqu'il est soumis aaes pressions élevées, pour le même sens de circulation du fluide; la Fig. 5 représenta le dispositif d'étanchéité de la Fig.2 pour le sens opposé de la circulation du fluide dans la canalisation, cette figure indiquant également les efforts engendrés ainsi que leurs résultantes; la Fig 6 est une vue analogue à la Fiq. 1 mais dans laquelle le papillon est en position d'ouverture; la Fig. 7 représente schématiquement le dispositif d'étan- chéité dans la position ouverte du papillon, vu suivant l'axe de la canalisation; les Fig. 8 à 10 sont des vues analogues à la Fig. 2 de variantes de réalisation de l'invention. La vanne représentée à la Fig. 1 comprend un corps de vanne 1, un papillon 2 et un dispositif d'étanchéité 3. Le corps 1 comprend une pièce principale 4 et un anneau rapporté 5. La pièce 4 est percée d'un passage 6 d'axe X-X présentant une partie cylindrique 7 et une partie tronconique convergente 8. L'anneau 5 présente un passage cylindrique 9 d'axe X-X, de diamètre inférieur au diamètre de la partie cylindrique 7. La pièce 4 comporte deux alésages alignés 10 d'axe Y-Y perpendiculaire et coplanaire à l'axe X-X. Du côté de la partie cylindrique 7, la pièce 4 présente une face d'extrémité plane Il perpendiculaire à l'axe X-X De l'autre (Fig. 2), cette pièce 4 présente successivement, en allant vers l'axe X-X, une face plane 12, une feuillure cylindrique 13 limitée par un épaulement radial 14, et une seconde feuillure cylindrique 15 limitée par un second épaulement radial 16. Dans la partie externe de ce dernier, la feuillure 15 se prolonge en une rainure annulaire 17 à section rectangulaire. La face externe 18 de l'anneau 5 est plane, alors que sa face interne est étagée en trois zones planes 19, 20 et 21 séparées par des surfaces cylindriques 22 et 23. Les surfaces 12 et 19 sont en contact sur toute leur étendue. La surface 13 est en contact avec la région extérieure de la surface 22, de sorte que les surfaces 14 et 20 sont parallèles et espacées. La surface 23 a le mime diamètre que la paroi radialement intérieure 24 de la rainure 17 et se trouve en partie en regard de la surface 15. L'anneau 5 et la pièce 4 définissent ainsi une gorge 25 dans laquelle est logée le dispositif d'étanchéité 3. Le papillon 2 est constitué d'un disque parallèle à l'axe Y-Y et muni de deux oreilles 26 traversées par des tourillons 27,28 et solidarisées de ceux-ci par des goupilles 29. Les tourillons traversent les alésages 10 avec interposition de bagues antifriction 3Q.L'alésage 10 traversé par le tourillon 28 a son orifice obturé par un couvercle 31, avec interposition d'une garniture d'étanchéité 32. L'extrémité 33 du tourillon 27,pourvue d'un joint torique 34, est adaptée pour recevoir soit une commande manuelle soit un servomoteur. Le papillon 2 est du type simplement excentré, c'est-à-dire que son centre géométrique A se trouve, en position de fermeture, sur l'axe X-X du corps de la vanne mais décalé par rapport à l'axe Y-Y de rotation du papillon. La périphérie 35 du papillon est tronconique. Le dispositif d'étanchéité 3 se compose d'une garniture d'étanchéité 36 en polytétrafluoroéthylène(PT.FE) et d'une bague d'appui métallique 37. La garniture 36 se compose d'une pièce active ou corps 38, d'un bourrelet de fixation 39 et d'un voile mince 40 reliant ce dernier au corps 38. Le corps 38 a une section massive de forme trapézoldale, avec deux faces planes 41, 42 reliées par deux faces tronconiques 43, 44 inclinées en sens opposés. Les faces 41 et 42 sont moins espacées l'une de l'autre que les surfaces 16 et 21 du corps de vanne. Le bourrelet 39 a à peu près le même diamètre moyen que l'épaulement 14 et une épaisseur axiale supérieure à l'espacement entre les surfaces 14 et20 du corps de vanne, comme représenté en trait interrompu à la Fig. 2. Le voile 40 a une section en L et se compose d'un anneau cylindrique 45 raccordé à la face plane 42 dont le diamètre extérieur est le plus grandet d'une couronne plane 46. Le diamètre intérieur de l'anneau 45 est supérieur au diamètre de la surface 23 du corps de vanne. L'épaisseur de la couronne 46 est inférieure à l'espacement entre les surfaces 14 et 20 de ce dernier. La bague 37 a en section la forme d'un trapèze rectangle sa face tronconique 47 est conjuguée de la face 43 de la garniture. Les diamètres intérieur et extérieur de la bague 37 sont respectivement supérieur et inférieur aux diamètres des surfaces 24 et 15 du corps de vanne. Lorsque le dispositif d'étanchéité 3 est monté dans le corps de vanne et que ce dernier est assemblé, le bourrelet 39 est serré axialement entre les surfaces 14 et 20 (Fig. 2) en laissant libre radialement vers l'extérieur un petit espace 39a.Les faces 14 et 20 peuvent être striées ou présenter un petit épaulement pour favoriser la retenue du bourrelet 39.Les faces 21 et 42 sont appliquées l'une contre llautre,alors qu'un jeu j1 existe entre les faces 16 et 41.Le voile 40 est entièrement @ibre et ménage un jeu axial j2 avec la surface 20 et un jeu radial j3 avec la surface 23. La garniture fait légèrement saillie dans la partie tronconique 8 du passage 6-9 du corps de vanne, sa face interne 44 coopérant avec la périphérie conjuguée 35 du papillon lorsque celui ci est en position de fermeture. La bague 37 flotte librement dans la région extérieure de la .4 5 gorge 25 en ménageant respectivement des jeux radiaux j4 et j avec les surfaces 15 et 24 du corps de vanne. Lorsque les surfaces 6 tronconiques 43 et 47 coopèrent, il existe un jeu radial j infé- rieur a 3 entre la bague 37 et le fond plan 48 de la rainure 17. En pratique, en raison notamment des défauts de centrage, l'axe du dispositif 3 est parallèle à l'axe X-X et voisin de celui-ci. Le voile mince 40 permet gracie à sa souplesse le déplacement axial et radial de la garniture par rapport au corps de la vanne. Le bourrelet 39 assure, après serrage de l'anneau 5 contre la pièce 4, l'étanchéité externe de la vanne. On va maintenant decrire, en faisant référence à la Fig. 3, le comportement du dispositif d'étanchéité de la Fig. 2 lorsqu'un fluide voit sa circulation interrompue par le papillon 2. La Fig. 3 représente donc la vanne en position fermée, avec une mise en pression dans le sens "arbre amont", ce qui correspond, lorsque la vanne est ouverte, à une circulation du fluide dans le sens de la flèche f (voir Fig. I et 3). Les efforts subis par les diverses parties de la garniture d'étanchéité 36 du fait de la pression sont schématises par des flèches. Ces différents efforts se réduisent à un système de deux forces R1, A1. Dans le plan de la Fig. 3, R1 a une direction radiale et agit vers l'axe X-X; A1 est parallèle à l'axe X-X et est dirigée dans le même sens que la flèche f. Il est à noter que, dans ce sens de mise en pression, la bague 37 n'exerce aucune action sur la garniture 36. Les efforts de réaction qui s'exercent sur la garniture ont par conséquent comme résultantes une force axiale A2 développée par le papillon 2 et l'anneau de serrage 5 et une force radiale R2 développée par la périphérie du papillon. C'est cet effort de réaction R2 qui assure l'étanchéité de la vanne entre la garniture et le papillon; cet effort R2 est proportionnel à la pression du fluide. Lorsque le papillon est soumis å des pressions élevées, il a tendance a se déplacer axialement comme l'indiquent les pointilles de la Fig. 4. Le papillon présente alors un diamètre plus grand au niveau de la garniture. Cependant, grâce aux formes conjuguées et à la possibilité de coulissement relatif des surfaces .6 tronconiques 47 et 43 et à la présence du jeu j6, , la bague d'appui 37 peut se déplacer axialement suivant la flèche h pour venir dans la position indiquée en pointillés à la Fig. 4. Ce déplacement libère le diamètre de la garniture et évite ainsi l'apparition de surcontraintes au niveau de la surface de contact entre la partie massive 38 de la garniture et la périphérie du papillon.Ces surcontraintes, si elles n'étaient pas résorbées par le déplacement axial de la bague 37, entraîneraient un couple de manoeuvre élevé et augmenteraient les phénomènes de fluage, diminuant par suite les qualités d'étanchéité de la vanne, notamment lors d'une diminution de la pression. On va maintenant décrire, en faisant référence à la Fig. 5, le comportement du dispositif d'étanchéité 3 dans le cas inverse de celui de la Fig. 3, c'est-à-dire dans le cas d'une mise en pression arbre aval" qui correspond, lorsque la vanne est ouverte, à un sens de circulation du fluide s'effectuant suivant la flèche g (voir Fig. 1 et 5). La partie massive 38 de la garniture d'étanchéité se déplace axialement dans le même sens que la flèche g en entrainant la bague 37 jusqu'à ce que cette bague vienne en appui par sa tranche d'extrémité plane contre la surface 48 de la pièce 4. Après déplacement, la garniture d'étanchéité et la bague d'appui occupent la position représentée en pointillés à la Fig. 5. Comme dans le cas de la Fig. 3, les efforts dus à la pression du fluide sont repré sentés par des flèches. Ces efforts peuvent se réduire à un système de deux forces A3, R3. R3 est, dans le plan de la Fig. 5, dirigé radialement et vers l'extérieur; A3 est dirigé parallèlement à l'axe X-X et dans le même sens que la fleche g. L'effort axial A3 est équilibré par les réactions A4 du papillon et A5 de la bague 37, L'effort radial R3 est équilibré par les réactions R4 du papillon et R5 de la bague 37. C'est l'effort R4 qui assure l'étanchéité entre,la garniture et le papillon; comme dans le cas de la Fig.3, cet effort est proportionnel à la pression du fluide. L'expérience montre que les efforts R2 de la Fig.3,correspon- dant a un sens de mise en pression arbre amont,et R4 de la Fig.5, correspondant a un sens de mise en pression "arbre aval", sont du même ordre de grandeur. On peut donc en déduire que la vanne fonctionne de façon quasi-symétrique dans les deux sens de mise en pression. I1 est à remarquer que l'importance du jeu j1 prévu entre la face d'extrémité 41 de la partie massive 38 de la garniture et la face correspondante 16 du corps 1 de la vanne permet à la partie massive 38 de se déformer, à partir de la position représentée en pointillé à la Fig. 5, afin de rattraper les déplacements du papillon et le fluage de la garniture. On se référera maintenant aux Fig. 6 et 7; on supposera que la longueur axiale de la bague 37 a été augmentée, comme représenté par le pointillé 51 à la Fig 2 avant assemblage des parties 4 et 5 du corps de vanne, afin-dlavoir un jeu axial j6 nul et d'entraîner un certain préserrage axial de la bague d'appui 37 entre la surface 48 de la pièce 4 et la surface 43 de la garniture 36. On a représenté à la Fig. 7 la périphérie intérieure 49 de la garniture, vue suivant l'axe X-X, lorsque-le papillon est en position ouverte. Cette périphérie 49 n'est pas exactement circulaire mais légèrement ovalisée, avec un grand axe voisin de l'axe Y-Y et parallèle à celui-ci. 4 Cette ovalisation est rendue possible par le jeu radial j (Fig.2) prévu entre le fond 15 de la gorge 25 et la périphérie extérieure de la bague 37. Elle est due au phénomène suivant: lorsque le papillon pivote de sa position de fermeture à sa position d'ouverture, sa périphérie sort du contour circulaire de départ, représenté en pointillé à la Fig. 7; le serrage de la partie 38 de la garniture, régu lièrement réparti au départ, vient se localiser aux deux seuls points 4 de contact C et C entre le papillon et la garniture. Grâce au jeu 3, au préserrage indiqué, et a l'élasticité de la bague métallique relativement mince 37, ce serrage localisé provoque l'ovalisation simul tanée de la partie 38 de la garniture et de la bague 37; cette der nière a été représentée à l'état ovalise sur la Fig. 7 par le contour en trait mixte 50. Le serrage localisé est ainsi partiellement relâché. Lorsque le papillon se ferme, il entre progressivement en contact avec toute la périphérie intérieure 44 de la garniture, la partie massive 38 de. celle-ci et la bague 37 revenant alors, par simple rappel élastique, a la forme parfaitement circulaire initiale.Au cours de ce mouvement le serrage de la partie 388 qui était localisé aux points C et C', se repartit progressivement sur toute la périphérie de la garniture. 4 Ainsi, grâce à la présence du jeu 34, la garniture ne subit pas de surcontrainte importante aux points C et C' de contact entre le papillon en position d'ouverture et la garniture. Par conséquent, on n'observe pas de fluage excessif de la garniture aux points C et C', même si le papillon reste longtemps en position ouverte, et les manoeuvres répétées du papillon n'entraînent pratiquement pas d'usure localisée en ces points. La vanne de l'invention présente les avantages suivants, obtenus même dans le cas d'un papillon simplement excentré, qui est la solution la plus simple et la plus économique: - la vanne fonctionne de façon quasi-symétrique pour les deux sens de mise en pression.Ceci élimine le risque de fuites du à un montage à l'envers,rend possible l'utilisation de la vanne dans les réseaux maillés et évite l'utilisation d'un dispositif de commande surdimensionné pour encaisser les efforts dans le sens le plus dur à manoeuvrer;; - l'effort d'étanchéité est proportionnel à la pression, ce qui entraîne des efforts de manoeuvre qui sont fonction des performances demandées et permet par conséquent l'utilisation d'actionneurs dont le prix est calculé au plus juste en rapport avec les performances à réaliser.Cette proportionnalité permet également l'utilisation d'un matériau semi-rigide tel que le PTFE pour constituer la garniture. A son tour, l'utilisation pour constituer la garniture d'une matière plastique permet la tenue en température et pression. L'utilisation du PTFE entraîne également une grande résistance à la corrosion.Le coût de la-garniture est relativement faible; - la garniture effectue automatiquement un rattrapage de l'usure et du fluage sur toute sa surface, grâce d'une part à la propor tionalité indiquée ci-dessus, et d'autre part à sa liberté de déplacement radial par glissement relatif des surfaces tronconiques conjuguées 43 et 47, et également un rattrapage des déplacements axiaux du papillon aux fortes pressions, - l'usure et le fluage localisés aux points d'appui du papillon en position ouverte sont presque totalement supprimés; - le dispositif d'étanchéité ne présente pas une géométrie compliqué, ce qui en diminue le coût et réduit les risques d'erreurs à l'usinage;; - le rattrapage automatique de l'usure et du fluage permet la bonne tenue de la vanne au cours des manoeuvres successives et dans le temps et autorise de légers défauts de centrage du papillon; - la surface cylindrique 23 (Fig. 2) prévue dans la gorge 25, en combinaison avec la forme en L du voile 40 de la garniture, évite de façon efficace l'extrusion de la garniture lors de l'utilisation de la vanne dans des conditions sévères. La Fig. 8 représente une variante de l'invention dans laquelle la bague d'appui'37 est supprimée et la surface tronconique con juguée de la surface 43 de la garniture est constituée par une surface tronconique 47a usinée directement dans la pièce 4 du corps de vanne et constituant le fond de la gorge 25. Cette solution permet de faciliter la fabrication de la vanne et le montage de son dispositif d'étanchéité. Le court de fabrication .4 et le temps de montage sont donc reduits.En revanche,les jeux 3 et .6 3 sont supprimés,ce qui ôte à la vanne les avantages liés à ces jeux, notamment la possibilité d'ovalisation de la partie 38-de la garniture et la faculté de dilatation radiale aux fortes pressions dans le sens f explique en regard de la Fig. 4. Egalement en variante,comme indiqué plus haut, on peut conser .6 ver la bague 37 mais prévoir au montage un jeu 7 nul et un certain préserrage axial.Cette variante,comme la précédente,convient dans le cas de pressions peu élevées. On peut encore envisager , dans le mode de réalisation de .6 la Fig. 2, oenbler le jeu 3 au montage par insertion entre la bague 37 et la surface 48 d'un dispositif annulaire élastique à action axiale (non représenté). Dans la variante illustrée à la Fig. 9, les surfaces 16 et 48 de la pièce 4 sont coplanaires,de sorte que la rainure 17 n'exis- te plus.Par conséquent,le jeu axial j1 est considérablement augmenté, et la fabrication et le montage de la vanne sont simplifies. Dans la variante de la Fig. 10, lXorientation axiale de la surface tronconique 43, du voile 40 et de la bague 37 a été inversée; les surfaces planes 14 et 20 du corps de vanne sont en contact. Le bourrelet 39 de la garniture est serré entre le fond 48 de la rainure 17 et une tranche d'extrémité d'une entretoise annulaire 52 dont l'autre tranche d'extraite s'appuie sur la surface 2Q. La périphérie extérieure de l'entretoise 52 est au contact de la surface cylindrique 15 de la pièce 4. Le jeu axial j1 de la partie 38 de la garniture est ménagé entre les surfaces 21 et 42, tandis que les faces 16 et 41 sont en contact.Cette variante fonctionne de façon analogue à celle de la Fig. 2 En variante encore, la surface intérieure 44 de la partie massive 38 de la garniture, ctest-à-dire la surface de contact avec la périphérie 35 du papillon 2, peut être purement conique, purement sphérique ou une combinaison de ces deux profils, de même que la periphérie du papillon. En raison des possibilités de déformation de la garniture, les surfaces 35 et 44 ne sont pas nécessairement parfaitement conjuguées. D'autres variantes peuvent être envisagées pour ce qui concerne les formes, les angles et les proportions géométriques-définis dans les différentes flgures illustrant divers exemples de réalisation de la vanne de 1 t invention. L'invention a été décrite uniquement dans le cadre d'une vanne-papillon dans laquelle la garniture d'étanchéité est disposée dans le corps; elle peut cependant être appliquée également au cas d'une vanne-papillon dans laquelle la garniture d'étanchéité est portée par le papillon lui-m8me. L'invention peut aussi s'appliquer aux autres types de vannes dutypeàobturateur rotatif,telles que par exemple les vannes à boisseau sphérique ou les vannes à papillon doublement excentré ou à obturateur à double mouvement. I1 est à noter que l'analyse des efforts sous pression faite aux Fig. 3 et 4 montre que le fonctionnement de la vanne de l'invention suivant les modes de réalisation des Fig. 2, 9 et 10 reste possible si l'on supprime la bague 37, mais dans un seul sens de mise en pression, à savoir le sens f. De plus, dans le cas d'un fonctionnement sévère (haute pression, vitesse élevée), on peut doter la partie massive 38 d'une extension annulaire identique à la partie 45 du voile 40, en saillie sur son autre face plane 41. Une telle extension (non représentée) crée un obstacle supplémentaire 'à 11 ex- trusion de la garniture dans le passage du corps de vanne. La garniture d'étanchéité peut être constituée d'un matériau semi-rigide autre qu'une matière plastique ou encore d'une matière souple telle qu'un élastomère. - REVENDICATIONS 1.- Vante à obturateur rotatif, du type dans laquelle le corps de 7anne ou la périphérie de l'obturateur présente une gorge annulaire recevant un dispositif d'étanchéité qui comprend une garniture comportant une partie active massive pourvue d'un jeu axial et reliée par un voile mince libre à une partie de fixation, cette vanne étant caractérisée en ce que la surface (43) de la partie active (38) de la garniture (36) qui est dirigée vers le fond (15) de la gorge (25) est tronconique et coopère directement avec une surface d'appui tronconique conjuguée (47). 2.- Vanne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le voile (40) comporte, à partir de la partie de fixation (39), une couronne plane (46) et un anneau cylindrique (45), la face de ce dernier tournée vers le passage (7-s-9) du corps de vanne (1) se trouvant en regard d'une surface cylindrique de retenue (23). 3.- Vanne suivant l'une des revendications 1 et 2,dans laquelle les deux faces de la partie active adjacentes à la surface d'étanchéité de la garniture sont planes et disposées avec ledit jeu entre deux faces planes de la gorge, caractérisée en ce que le jeu (j ) n'existe que du côté de ladite surface tronconique con@@guée (47) et est maintenu lorsque la pressiondeservice est appliquée dans le sens (g > tendant a l'éliminer. 4.- Vanne suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'anneau cylindrique (45) se raccorde a la face plane (41, 42) de la partie active (38) qui est située du côt opposé à ladite surface active conjugue (47). 5.- Vanne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface d'appui tronconique (47a) constitue le fond de la gorge (25). 6.- Vanne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface d'appui tronconique (47) est ménagée sur une bague de réaction (37) logée dans la gorge (25). 7.- Vanne suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la bague (37) est, au repos, flottante axialement. 8.- Vanne suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que la bague (37) présente un jeu radial (j4) par rapport au fond (15) de la gorge (25). 9.- Vanne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérise en ce que la garniture (36 > est réalisée d'une seule pièce en une matiere souple tel qu'un élastomère ou semi-rigide telle que le PTFE. 10.- Vanne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite partie de fixation (39) de la garniture (36) est constituée par un bourrelet laissant subsister, du côté radiaiement opposé à la partie active (38),un jeu radial.