Brevet FR2456271A1 — publié le 19801205

La présente invention se rapporte aux vannes a papillon comprenant un corps trav ersé par un passage dans lequel un obturateur, ou papillon, est monté rotatif autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du passage, de manière à pouvoir être déplacé entre une position de fermeture, dans laquelle une garniture fixée ou formée sur la périphérie du disque de l'obturateur a un contact étanche avec un siège porté par le corps, et une position de pleine ouverture à peu près perpendiculaire à la position de fermeture. Dans les vannes connues de ce type, la tangente à la trajectoire circulaire des points de la périphérie du disque est, vers la fin du mouvement de fermeture, à peu près parallèle à la surface adjacente du siège, de sorte que la position de fermeture finale est obtenue par déformation et coincement de la garniture d'étanchéité au contact du siège. I1 en résulte que la position angulaire extrême de l'axe de l'obturateur, assurant le contact étanche de fermeture, est d'autant moins bien définie que le couple résistant à surmonter est relativement faible et de valeur variable. A l'ouverture au contraire le couple à exercer est relativement élevé, car il est nécessaire de décoller la garniture du siège contre lequel elle adhère sous l'effet de sa compression radiale. Ce couple d'ouverture est lui aussi dans une large mesure variable.Ces particularités de fonctionnement peuvent être acceptées lorsque la commande de l'obturateur est une commande manuelle ou une commande motorisée directe. Elles constituent toutefois des inconvénients sérieux dans le cas où la vanne à papillon est intégrée dans un système de régulation automatisé qui implique une servo-commande pour l'entraînement de l'axe de l'obturateur. L'invention vise à supprimer ces inconvénients et propose à cet effet une vanne à papillon du type mentionné, caractérisée en ce que la surface périphérique de l'obturateur et la surface conjuguée du siège sont des surfaces coniques définies par deux cônes de révolution ayant, pour la position de fermeture, un axe commun qui fait avec l'axe du passage un angle aigu, et en ce que l'axe de rotation de l'obturateur est, suivant l'axe du passage, déporté à l'opposé du sommet du cône définissant la surface du siège, par rapport au plan moyen du disque de l'obturateur. Cette disposition a pour effet de rendre possible que la tangente à la trajectoire circulaire des points de la périphérie du disque de l'obturateur fasse avec la surface conjuguée du siège, vers la fin du mouvement de fermeture, un angle appréciable, toujours supérieur à l'angle de frottement des matériaux entre eux. I1 en résulte que la position de fermeture de l'obturateur est une position de butée étanche exactement définie, comme celle d'une porte dans sa feuillure, qui correspond à une position angulaire également définie de l'axe de l'obturateur pour laquelle est appliqué un couple de commande important qui engendre une torsion de l'axe et corrélativement une élasticité dans le contact de l'obturateur sur son siège. Cette pression de contact élastique est identique aux différents points du siège, même à proximité de l'axe de rotation, ce qui revient à dire qu'à l'ouverture la garniture d'étanchéité s'écarte de son siège au même moment sur toute la périphérie, de forme elliptique, de l'obturateur, et ce sous un couple faible, bien défini. Le risque de grippage du papillon sur son siège est éliminé même lors de contraintes thermiques du corps et du papillon causées par des différences de température apparaissant instantanément lors d'une ouverture ou d'une fermeture brutale, avec des chocs thermiques importants. Le risque de collage est lui aussi évité, même lorsque des dilatations apparaissent, car l'obturateur se déplace alors sur son siège, augmentant ou diminuant la déformation en torsion de l'axe, soumis en permanence au couple de commande. La garniture d'étanchéité ne se trouve en contact avec le siège du corps qu'à la fermeture. L'usure due au frottement se trouve donc réduite au minimum. Pour améliorer la stabilité de l'obturateur dans ses différentes positions il est souhaitable que son axe de rotation soit déporté radialement, par apport à l'axe du passage, vers le sommet du cône qui définit la surface du siège et dont l'axe coupe, de préférence, l'axe de rotation de l'obturateur. Il est avantageux que la face amont du papillon ait, comme connu en soi, une forme en cuvette ou en assiette, ce qui donne une caractéristique débit-ouverture sensiblement exponentielle jusqu'à un angle d'ouverture de 800. Cette forme en assiette, combinée avec le désaxage du papillon, réduit notablement le couple dynamique surtout aux grands angles ouverture, sous l'action de l'écoulement d'un fluide. En outre la forme en assiette augmente le coefficient de débit critique ainsi que le coefficient de cavitation. L'invention sera explicitée de façon purement indicative au cours de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, dans lequel - la fig. 1 est une vue en coupe axiale d'un exemple d'exécution d'une vanne à papillon suivant l'invention; - la fig. 2 est une vue en perspective schématisant la définition géométrique du papillon obturateur et de son siège; - la fig. 3 est une vue en plan avec arrachement de la vanne de la figure 1; - la fig. 4 est une vue en coupe partielle, à plus grande échelle, de la garniture d'étanchéité de la vanne des figures 1 et 3; - les fig. 5 et 6 sont des vues analogues à la figure 4, de variantes d'exécution de la garniture d'étanchéité. Le corps 1 de la vanne à papillon des figures 1 et 3 a la forme générale d'un anneau dont l'alésage 2, d'axe XX, constitue un passage pour le fluide dont la circulation dans le sens F à travers des conduites, non représentées, assemblées avec le corps 1 est commandée par l'obturateur 3 monté rotatif autour d'un axe géométrique YY,perpendiculaire à l'axe XX mais excentré par rapport à lui. L'extrémité amont du corps 1 comporte un épaulement 4 sur lequel est engagée, avec interposition d'un joint torique 6 appliqué sur un chanfrein 7 du corps, une feuillure 8 formée à la périphérie d'un anneau 9 fixé au corps par des vis 10,Ndont l'alésage 11 constitue un siège pour la surface périphérique 12 du disque ou plateau 13 de l'obturateur 3. La partie principale 15 de ce disque est prolongée vers l'aval par deux bossages 14 traversés chacun d'un perçage cylindrique 16, d'axe YY, dans lequel est engagé et fixé, au moyen d'une clavette 17, un demi-axe correspondant 18 tourillonnant dans le corps 1 et assurant le montage rotatif de l'obturateur. A cet effet le corps de vanne comporte, suivant l'axe YY, deux prolongements parallélépipédiques 19 dans chacun desquels est formé un logement étagé 20, qui reçoit un empilage annulaire 21, comprenant un guide 22, une entretoise 23 et des tresses 24 en amiante graphitée qui, avec un chapeau 26 dont la collerette est fixée au prolongement 19 correspondant au moyen de goujons 27, forment un presse-étoupe à l'égard du demi-axe 18 engagé à contact glissant dans l'alésage 28 de l'empilage 21. Dans une gorge périphérique profonde 31 du disque 13 de l'obturateur 3 est insérée une garniture d'étanchéité annulaire 32 qui, en position de fermeture, est appliquée élastiquement en contact de pression sur la surface conjuguée 11 du siège. La gorge périphérique 31 est définie par deux feuillures complémentaires 33, 34 formées respectivement dans le dessus de la partie principale 15 du disque et dans le dessous d'une contre-plaque 35 fixée au moyen de vis 36 dans la partie 15. La garniture 32 est, dans l'exemple représenté aux figures 2 et 4, constituée par plusieurs lames ondulées 37, en acier inoxydable, entre lesquelles sont insérés des anneau 38 en matériau d'étanchéité collés aux lames 37. La garniture composite 32 est ainsi maintenue et serrée fortement entre la partie 15 et la contre-plaque 35. Le matériau d'étanchéité des anneaux 38 est choisi en fonction des conditions d'utilisation, et peut être notamment du téflon chargé, de la klingerite armée (amiante agglomérée par un liant), du carbone pur, de l'amiante, de 1 'amian- te graphitée. De façon classique, pour réduire le couple dynamique à l'ouverture, la face amont, opposée à l'axe 18, du disque 13 de l'obturateur est creusée de manière à former une cuvette 39 qui, dans l'exemple représenté, est circulaire. Suivant une caractéristique importante de l'invention, le disque obturateur 13 a,comme le montre de façon schématique la figure 2, une forme définie par deux sections planes parallèles et obliques, qui sont elliptiques, d'un cône de révolution C d'axe ZZ, de sommet S et dont l'angle d'ouverture est désigné paroc. De façon plus précise,l'axe ZZ coupe l'axe géométrique YY de rotation de l'obturateur et fait un angle aigu P avec la normale au plan du disque 13, qui est parallèle à l'axe XX du passage de vanne 2, dans la position de fermeture de la figure 1, pour laquelle le sommet S est situé, par rapport à cet axe XX, du même côté que l'axe YY. La surface périphérique 12 de l'obturateur 3 est donc coni -que. il en est de meme de la surface de siège conjuguée 11 qui est définie par un cône de révolution C1 ayant, dans la position de fermeture, un axe confondu avec l'axe ZZ du cône C. La tranche 41 de la garniture d'étanchéité 32 formeelle- même une surface conique qui, en position fermée, coincide avec la surface conique de siège 11. A la figure 1 les flèches TA, T3 désignent les tangentes aux trajectoires circulaires CA, C B des points A et B du grand axe du contour elliptique de la garniture 32. Ces tangentes font avec les génératrices correspondantes du cône C1 un angle qui est supérieur à l'angle de frottement entre la garniture 32 et la surface de siège 11. L'angle d'ouverture Ci des cônes C, C1 est compris entre 28 et 380. Quant à l'angle 0 définissant l'obliquité de l'axe ZZ, il est de l'ordre de 200. Dans la variante de la figure 5, la garniture 132 comprend deux anneaux d'étanchéité 43, 44 qui, en position de fermeture, s'appliquent sur la surface de siège 11 et entre lesquels est ménagé un espace annulaire 46, dans lequel il est possible d'injecter par un conduit 47 un gaz de contrôle de l'étanchéité. Dans l'exemple de la figure 6, la garniture d'étanchéité 232 est constituée par une gaine cylindrique déformable 48 portée par un support 49 inséré dans une rainure 51 du papil lot, et appliquée élastiquement, en position de fermeture, au contact de la surface de siège 11, sous l'effet d'un ressort torique 52 à spires jointives (joint "helicoflex"). La pression radiale de la garniture 232 peut elle-même imprimer à l'anneau 9, portant le siège 11, une déformation élastique suggérée par la double flèche 53 (fig. 1), qui assure son centrage dans le corps 1 ainsi qu'une bonne étanchéité entre ce dernier et l'anneau 9. Le papillon-obturateur 3 de la vanne suivant l'invention est particulièrement adapté pour être soumis à l'action d'une servo-commande s'exerçant à l'extrémité libre de l'un des demi-axes 18. - REVENDICATIONS 1 - Vanne à papillon comprenant un corps traversé par un passage dans lequel un obturateur, ou papillon, est monté rotatif autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du passage, de manière à pouvoir être déplacé entre une position de fermeture, dans laquelle une garniture fixée ou formée sur la périphérie du disque de ltobturateur a un contact étanche avec un siège porté par le corps, et une position de pleine ouverture à peu près perpendiculaire à la position de fermeture, caractérisée en ce que la surface périphérique (12) de l'obturateur (3) et la surface conjuguée (11) du siège sont des surfaces coniques définies par deux cônes de révolution (Ci C1) ayant, pour la position de fermeture, un axe (ZZ) commun qui fait, avec l'axe (XX) du passage (2), un angle aigu ((3 ), et en ce que l'axe de rotation (YY) de l'obtura- teur est, suivant l'axe du passage, déporté à l'opposé du sommet du cône définissant la surface du siège, par rapport au plan moyen du disque (13) de l'obturateur. 2 - Vanne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe (ZZ) des contes (c,c1)définissant les surfaces conjuguées (11,12)coupe l'axe de rotation (YY) de l'obturateur (3). 3 - Vanne suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'axe de rotation (YY) de l'obturateur (3) est, par rapport à l'axe (XX) du passage (2), déporté radialement vers le sommet du cône (C1) définissant la surface de siège (11). 4 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le disque (13) de l'obturateur (3) comporte une partie principale (15) sur laquelle est fixée une contreplaque (35), la garniture d'étanchéité (32) étant serrée entre cette contre-plaque et la partie principale. 5 - Vanne suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la garniture d'étanchéité (32) est logée dans une gorge (31) formée entre la partie principale (15) et la contreplaque (35). 6 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la tranche (41) de la garniture d'étanchéité (32) forme une surface conique qui, en position de ferme ture, coincide avec la surface conique (11) du siège. 7 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la garniture (32) se compose de lames métalliques (37) entre lesquelles sont interposés des anneaux (38) en matériau d'étanchéité. 8 - Vanne suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les anneaux (38) sont en un matériau tel que le téflon chargé, la klingérite armée, le carbone pur, l'amiante, 1' amiante graphitée. 9 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'obturateur (3) comporte du côté opposé au sommet (S) du cône (C) définissant sa surface périphérique (12) deux bossages (14) dans chacun desquels est fixé un demiaxe (18) tourillonnant dans le corps de vanne (1). 10 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la surface de siège (11), conique, constitue l'alésage d'un anneau (9) fixé sur le corps (1) avec interposition d'un joint torique (6). 11 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la face amont de l'obturateur (3) comporte une cuvette (39), comme connu en soi. 12 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la garniture d'étanchéité (132) comprend deux anneaux d'étanchéité (43, 44) entre lesquels est formé un espace libre (46) dans lequel un gaz peut être injecté par un conduit (47) formé dans le siège annulaire (9). 13 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la garniture d'étanchéité (232) est constituée par une gaine déformable (48) solidaire d'un support (49) fixé dans le disque (13) de l'obturateur et appliquée élastiquement, pour la position de fermeture, sur la surface de siège (11), par un ressort (52) comportant des spires disposées en forme de tore. 14 - Vanne suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que l'angle au sommet (cQ des contes (C,C1) est compris entre 28 et 380, tandis que l'angle ((3) définissant l'obliquité de l'axe (ZZ) du cône (C) est de l'ordre de 200.