Brevet FR2497317A1 — publié le 19820702

La présente invention concerne un joint d'étanchéité d'une vanne papillon laquelle comporte un corps de vanne présentant un passage cylindrique pour le fluide et un élément de fermeture prati- quement en forme de disque monté dans le passage du fluide et pouvant être tourné d'une position ouverte à une position fermée autour d'un axe disposé en travers du passage de fluide, l'élément de fermeture ayant une surface périphérique d'étanchéité, le joint étant soumis à la pression du fluide, une gorge annulaire entourant le passage de fluide étant prévue dans le corps de vanne et étant située pratique- ment dans le plan de la surface périphérique d'étanchéité de l'élé- ment de fermeture quand celui-ci est en position fermée, dans lequel la gorge annulaire a, en coupe, la forme générale d'un T avec une cavité pratiquement rectangulaire formant la barre du T et une partie resserrée plus étroite entre la cavité et la surface du passage de fluide et formant la jambe du T, un joint annulaire étant logé dans la gorge annulaire avec une partie sortant dans le passage de fluide, le joint annulaire ayant en coupe au moins une première jambe et une seconde jambe, qui sont reliées à une de leurs extrémités et qui s'écartent l'une de l'autre à partir de ce point commun, avec encore une tige partant de ce point, les autres extrémités des première et seconde jambes du joint annulaire portant d'une manière étanche contre le fond de la cavité rectangulaire, la partie tige du joint annulaire formant la partie passant dans la partie resserrée de la gorge pour sortir dans le passage de fiuide et étant adaptée pour pouvoir porter, d'une manière étanche, contre la surface périphérique d'étanchéité de l'élément de fermeture quand celui-ci est en position fermée, la partie tige du joint annulaire étant plus étroite que la partie resserrée de la gorge pour laisser le fluide du passage entrer dans la cavité rectangulaire, et, au moins une des première et seconde jambes du joint annulaire étant adaptée pour se déplacer latéralement vers l'autre jambe quand elle est soumise à la pression du fluide qui entre dans la cavité. De plus, l'invention concerne un joint destiné à être utilisé dans une vanne papillon, lequel a, en coupe, au moins une première jambe et une seconde jambe qui sont reliées à une de leurs extrémités et qui s'écartent l'une de l'autre à partir de ce point commun. Les vannes papillons ont de nombreux avantages sur les autres types de vannes dans la régulation des débits de fluides, dont les plus importants sont leur faible coût de fabrication, la vitesse de leur ouverture et la faible résistance qu'elles opposent au débit du fluide quand elles sont complètement ouvertes. Cependant, ces vannes sont généralement limitées à des applications à basse pression à cause de la difficulté de réaliser des fermetures étanches aux hautes pressions. Dans certaines vannes de la technique antérieure, les joints comprennent un élément siège logé dans une gorge ou des gorges du corps de vanne. Dans les applications haute pression ou grande vitesse, beaucoup de ces sièges ont tendance à se déloger des gorges quand les vannes sont ouvertes, en rendant ainsi les vannes ineffica- ces. Pour empêcher de telles éjections des joints, on emploie dans quelques vannes des dispositions de gorges et des configurations de sièges élaborées, mais cette solution augmente le coût initial de la vanne, accroît le coût de réparation ou de remplacement des joints et augmente la possibilité de dommages sur les joints et de mauvais alignements. Dans plusieurs types de vannes, le contact entre le disque et le siège doit être rendu si dur, pour éviter les fuites, que la fermeture de la vanne, particulièrement quand il s'agit de vannes de grandes dimensions, nécessite un couple important. Dans quelques vannes de la technique antérieure comportant des joints utilisant une gorge et un siège élastique, le siège peut fluer à froid sous les pressions d'étanchéité utilisées, ce qui donc réduit la durée de vie du joint. Il existe un certain nombre de structures de vannes papillons utilisant ce que l'on appelle les joints "à pression de fluide". Pratiquement, dans ces structures, un élément de siège élastique est placé autour du passage de fluide de la vanne pour l'encercler dans une position telle qu'il est en contact avec la périphérie du disque de la vanne qui est alignée dans le passage pour bouger entre les positions ouverte et fermée. Pour augmenter le joint créé par l'élas- ticité naturelle de l'élément de siège contre le disque quand ce dernier est en position fermée, on prévoit généralement un espace de pression derrière le siège et des moyens de communication de fluide entre l'espace de pression et le côté haute pression de la vanne. Quand celle-ci est fermée, du fluide sous pression est dirigé vers l'espace de pression pour exercer une pression dirigée vers l'inté- rieur contre le siège en poussant ce dernier en contact dur avec la périphérie du disque. Particuliers aussi parmi de tels joints de la technique anté- rieure, il y a ceux dans lesquels un élément siège est retenu dans un creux de forme générale annulaire et dans laquelle la différence de pression de fluide appliquée en travers de la vanne en position fermée force le siège à se décaler dans un "coin" formé par une paroi du creux annulaire du corps de vanne et la surface d'étanchéité périphérique du disque. Une autre solution a consisté à prévoir un anneau siège qui a un diamètre interne plus faible que la surface d'étanchéité de l'élé- ment de fermeture et qui subit partiellement une contrainte contre la tendance à se détendre radialement par un cercle métallique élastique si bien qu'on obtient une adpatation de contact entre le siège et le disque qui résulte en une compression du siège et l'extension du cercle à la fermeture du disque. Une autre solution de la technique antérieure consiste encore à prévoir un élément siège retenu dans un creux du corps de vanne et une saillie annulaire rigide du côté aval du creux du corps, cette saillie fonctionnant comme un point d'appui pour limiter la flexion sous l'influence de la pression du fluide et augmenter l'efficacité du joint. Dans quelques vannes de la technique antérieure, on utilise un anneau siège qui a, à l'arrière, une gorge en forme de V, dans laquelle est logé un anneau de rappel. Les deux anneaux sont, à leur tour, logés dans une fente en forme de T du corps de vanne. Le fluide amont sous pression entre dans la fente et déplace l'anneau de rappel le long de la gorge pour pousser l'anneau siège en avant en meilleur contact d'étanchéité avec le disque. Ce type de joint a plusieurs inconvénients structurels. Par exemple, la partie aval de l'anneau siège peut s'écarter sous la pression du fluide, en entraînant éventuellement une éjection ou l'endommagement de l'anneau de rappel. De plus, le montage de l'anneau de rappel et de l'anneau siège dans la fente est généralement difficile, requiert l'utilisation de techni- ques spéciales et entraîne fréquemment des mauvais alignements du joint. De plus, ces joints ne sont généralement pas bidirectionnels, c'est à dire qu'ils assurent mieux l'étanchéité quand le côté amont du joint est d'un côté du disque ou de l'arbre de la vanne. Un objet de la présente invention consiste à prévoir un joint d'étanchéité pour vanne tournante de contrôle d'une fluide du type à papillon dans laquelle un disque formant élément de fermeture est monté pour tourner entre une position ouverte o le disque est pratiquement parallèle à l'axe du canal du flux de fluide à travers la vanne, et une position fermée o le disque est perpendiculaire à cet axe. Le disque est monté pour tourner sur un arbre qui est fixé d'un côté du disque. Le disque coopère avec un joint annulaire flexible entourant le canal de passage du fluide pour arrêter le débit de fluide à travers ce canal quand le disque est en position fermée. La pression interne du fluide agissant sur la vanne est utilisée pour augmenter la pression de contact entre le joint flexi- ble et, à la fois, le corps de vanne et son disque, indépendamment du sens dans lequel la pression de fluide est appliqué. Le mécanisme assurant l'étanchéité, dans sa forme la plus simple, ne comporte que deux composants: un joint annulaire et une gorge dans le corps de vanne. Le joint annulaire a une paire de jambes (ou bras) qui s'écartent l'une de l'autre à partir de leur point commun et une partie "tige" par dessus ce point commun. La gorge annulaire a, en coupe, la forme générale d'un T. Le joint annulaire est inséré dans la gorge avec ses jambes placées dans la barre du T et sa partie tige sortant de la partie resserrée plus étroite. La partie tige fournit la surface de contact étanche avec l'élément de fermeture en forme de disque, tandis que les jambes assurent le contact étanche avec le corps de vanne. Le fluide sous pression est admis d'un côté de la gorge et ce fluide pousse latéralement la jambe adjacente du joint vers l'autre côté de la gorge. Cela tend à faire monter le haut de cette jambe et la partie tige, les poussant en contacts plus étanches respectivement avec le fond de la gorge et la périphérie du disque. Le moyeu du disque et donc son arbre sont doublement décalés par rapport au centre du disque. Ainsi, il y a décalage par rapport au plan central de fermeture de la vanne et décalage par rapport l'axe de révolution du disque. Il en résulte que la rotation de l'arbre fait agir le disque comme une cane vis à vis du joint, à la fermeture comme à l'ouverture, quand il tourne dans un sens ou l'autre. 249731 7 les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ain- si que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de des- cription suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe latérale d'un corps de vanne papillon et d'un joint suivant un premier exemple de réalisation de l'invention, la Fig. 2 est une vue en plan de la vanne de la Fig. 1, dans le sens de la flèche 2 de la Fig. 1, la Fig. 3 est une vue en coupe à plus grande échelle d'une partie du joint de la Fig. 1, et la Fig. 4 est une vue, analogue à celle de la Fig. 3, d'un autre exemple de réalisation d'un joint suivant l'invention. Les Figs. 1 à 3 montrent un premier exemple de réalisation du joint suivant l'invention. Comme le montrent les Figs. 1 et 2, une vanne, désignée d'une manière générale par 10, comprend un corps de vanne cylindrique 12 ayant un trou 14 pratiquement circulaire et ser- vant de passage au fluide, un élément de fermeture de vanne 16 et un siège de vanne désigné d'une manière générale par 18. Le corps 12 est formé de deux pièces 12A et 12B. Une ouverture ou gorge 22, destinée à recevoir le joint, est formée par les deux pièces 12A et 12B, à l'endroit o elles sont jointes, le creux de la gorge étant plus important dans la pièce 12A que dans la pièce 12B. Quand on assemble les deux pièces du corps 12, on insère entre elles le Joint 18, dont une partie est en saillie hors de la gorge 22. L'élément de fermeture 16 est un volet ou papillon en forme de disque qui peut être déplacé entre une position ouverte, représentée en traits mixtes, et une position fermée, représentée en traits pleins aux Figs. 1 et 2. Un arbre ou axe 19 monté le moyeu 24 du disque 16 constitue le moyen qui permet d'ouvrir ou de fermer la vanne. L'axe 19 est situé d'un côté du disque plut8t que dans son plan et, en coupe, Fig. 1, son centre repéré par la ligne A est décalé par rapport au centre de la vanne repérée par la ligne B. Il en résulte que le mouvement du disque n'est pas une rotation simple, mais plut8t une rotation excentrée avec une action de came. Le joint 18 et la gorge 22 coopèrent pour créer une étanchéité très efficace. La gorge 22 a, en coupe, la forme générale d'un T avec une partie haute ou "barre" 38, pratiquement rectangulaire, qui forme une cavité et une partie "jambe" courte 39, qui forme un manchon. Le joint 18 est logé dans la gorge 22 et a une partie tige 25 qui sort à travers la jambe 39 de la gorge 22 dans le passage de fluide de la vanne pour présenter une surface 26 qui s'adapte à l'élément de fermeture 16 pour réaliser l'étanchéité. La surface 26 assurant l'étanchéité et la surface périphérique de l'élément de fermeture 16 auraient, dans des conditions idéales, des formes de portions de sphère. Cepandant, étant donné l'élasticité du joint 18, on peut obtenir une étanchéité satisfaisante si la surface 26 est simplement conique. Si l'on se réfère maintenant à la vue agrandie de la Fig. 3, on voit que, quand le disque 16 est en position fermée, il entre en contact avec le joint 18 le long de la surface 26 et comprime le joint contre les parois au fond de la gorge 22. Cela entraîne une étanchéité à la fois sur la surface 26, entre le disque et le joint, et au fond 28 de la gorge 22, sur les surfaces d'extrémité 32 et 34 des jambes du joint. La partie tige 25 du joint est légèrement plus étroite que la partie jambe 39 de la gorge, si bien qu'il y a un espace entre le tige du joint et les parois de la jambe de la gorge, cet espace formant un passage 36 entre le passage du fluide 14 et la cavité 38 de la gorge. Le fluide entre dans la cavité 38 de la gorge par le passage 36 et sa pression "latérale" s'exerce sur la jambe amont 44 du joint 18, poussant cette jambe vers l'aval, c'est à dire vers la gauche en regardant la Fig. 3. Cet contrainte latérale tend à déformer élastiquement le joint en le forçant à s'allonger entre la surface d'étanchéité du disque et le fond 28 de la gorge, augmentant ainsi les pressions de surface sur la face 26 et au point de contact 34 entre le fond 28 et le bout de la jambe 44. Par analogie, cette action reviendrait à monter le haut d'une échelle inclinée en pous- sant l'échelle vers le mur sur laquelle elle repose. Au point 45A o la tige du joint et ses jambes se rejoignent, l'épaisseur de la tige est réduite pour faciliter le fonctionnement de la partie du joint entre les points 45A et 45B, comme le ferait une charnière, en permettant aux jambes 44 et/ou 48 de pivoter par rapport à la tige 25. Ce mouvement de pivot aide à rediriger la pression latérale sur la jambe du joint sous pression entre le disque et la gorge. La réduction d'épaisseur du joint annulaire au point 45 est obtenue en découpant une fente pratiquement "horizontale". Le fluide sous pression peut entrer dans cette fente du côté amont du joint annulaire et il a tendance à écarter les surfaces haute et basse de la fente, ce qui améliore l'effet de charnière. Un second exemple de réalisation de l'invention est montré à la Fig. 4. Dans ce cas, on a ajouté au joint des troisième et quatrième jambes 49A et 49B. La pression du fluide admis dans la cavité 38 non seulement pousse latéralement sur la jambe 44, mais pousse aussi la jambe 49A vers l'aval, le long de la paroi latérale 52 de la cavité. Cela augmente la force d'étanchéité au point de contact 54 entre la jambe 49A et la paroi 52. La jambe 49A agit comme un levier poussant la jambe 44 vers la gauche. Pour faciliter le mouvement entre les jambes du joint et les parois de la gorge, le joint peut être en TFE ou en un matériau ayant un coefficient de friction aussi bas. Suivant l'utilisation de la van- ne, d'autres matériaux peuvent mieux convenir que le TFE, soit par exemple du caoutchouc ou même un métal. De plus, la ou les jambes du joint qui doivent se déplacer latéralement forment, de préférence, un angle C, Fig. 3, compris entre 550 et 850 environ avec le fond 28 de la gorge ou un angle divergeant en 45B allant de 10 à 700, pour permettre le mouvement latéral approprié de la jambe amont. Quand le joint est en TFE, la ou les jambes du joint peuvent, par exemple, se déplacer de 0,075 à 0,5 mm environ pour provoquer une élévation de la tige de 0,025 à 0,037 mm environ. On notera que le joint a une structure symétrique et peut être actionné de n'importe quel cÈté du disque. On compte sur la pression du fluide pour augmenter le mécanisme d'étanchéité et réduire ainsi le besoin d'avoir une grande zone de contact entre le disque et le joint, ce qui a pour effet de permettre la réduction du couple nécessaire pour coller ou décoller le disque. En se référant à la Fig. 1, si la pression est plus grande à gauche qu'à droite du disque 16, la pression du fluide admis dans la gorge force la jambe 48 du joint vers la droite, en accomplissant un mouvement équivalent à celui de la jambe 44 vers la gauche. Les jambes écartées du joint le retiennent automatiquement dans la gorge 22 en empêchant son éjection. Le joint est simple en ce qui 24973 1 7 concerne son fonctionnement et sa construction. Tout ce qui est néces- saire pour l'assemblage, c'est de placer le joint dans la partie de gorge 22 du corps 12A, puis de monter la partie 12B sur la partie 12A. Donc le remplacement du joint est une opération simple. En option, on peut ajouter un ressort 58 entre les jambes 44 et 48 du joint, comme le montre la Fig. 4, pour initialement précon- traindre le joint, le renforcer et éviter les déformations plas- tiques. Le ressort peut, par exemple, être un ressort jarretière, comme indiqué, ou un ressort à lames conforme à la forme du joint, et qui n'est pas montré. Bien entendu, si on n'a pas besoin d'étanchéité dans les deux sens, la jambe aval 48 ou les jambes avals 48 et 49B peuvent être sup- primées. Il apparaîtra maintenant que, d'une manière générale, l'inven- tion concerne l'utilisation d'un joint élastique placé entre l'élé- ment de fermeture d'une vanne et le corps de celle-ci. L'utilisation d'un joint élastique permet à l'élément de fermeture d'être position- né sur son siège avec un couple faible, quand le joint est à l'état relâché. Le joint a, au moins, deux jambes qui divergent du point o elles sont re]iées. A la fermeture de l'élément de fermeture, la force pousse les bouts des jambes du joint contre le corps de vanne, les écartant légèrement. Puis, la pression du fluide agit contre la jambe amont du joint en la déplaçant latéralement et en déformant le joint élastiquement. Cela augmente la pression de contact du joint sur la face d'étanchéité de le disque et sur le corps de vanne. REVENDICATIONS 1) Joint d'étanchéité (18) d'une vanne papillon (11) laquelle comporte un corps de vanne (12) présentant un passage cylindrique (14) pour le fluide et un élément de fermeture (16) pratiquement en forme de disque monté dans le passage du fluide (36) et pouvant être tourné d'une position ouverte à une position fermée autour d'un axe (19) disposé en travers du passage de fluide, l'élément de fermeture (16) ayant une surface périphérique d'étanchéité, le joint (18) étant soumis à la pression du fluide, une gorge annulaire (22) entourant le passage de fluide (36) étant prévue dans le corps de vanne (12) et étant située pratiquement dans le plan de la surface périphérique d'étanchéité de l'élément de fermeture (16) quand celui-ci est en position fermée, caractérisé en ce que la gorge annulaire (22) a, en coupe, la forme générale d'un T avec une cavité (38) pratiquement rectangulaire formant la barre du T et une partie resserrée (39) plus étroite entre la cavité (38) et la surface du passage de fluide (36) et formant la jambe du T, un joint annulaire (18) étant logé dans la gorge annulaire (22) avec une partie sortant dans le passage de fluide (36), le joint annulaire (18) ayant en coupe au moins une première jambe (44) et une seconde jambe (48), qui sont reliées à une de leurs extrémités et qui s'écartent l'une de l'autre à partir de ce point commun (45A), avec encore une tige (25) partant de ce point (45A), les autres extrémités des première et seconde jambes (44,48) du joint annulaire (18) portant d'une manière étanche contre le fond de la cavité rectangulaire (38), la partie tige (25) du joint annulaire (18) formant la partie passant dans la partie resserrée (39) de la gorge (22) pour sortir dans le passage de fluide (36) et étant adaptée pour pouvoir porter, d'une manière étanche, contre la surface périphérique d'étanchéité de l'élément de fermeture (16) quand celui-ci est en position fermée, la partie tige (25) du joint annulaire (22) étant plus étroite que la partie resserrée (39) de la gorge (22) pour laisser le fluide du passage (36) entrer dans la cavité rectangulaire (38), et, au moins une des première et seconde jambes (44,48) du joint annulaire (18) étant adaptée pour se déplacer latéralement vers l'autre jambe quand elle est soumise à la pression du fluide qui entre dans la cavité (38). 2) Joint (18) suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des troisième et quatrième jambes (49A, 49B) partant respectivement des extrémités libres des première et seconde jambes (44, 48), les troisième et quatrième jambes (49A,49B) étant adaptées pour porter, d'une manière étanche, contre les parois latérales de la cavité rectangulaire (38). 3) Joint (18) suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les première, seconde, troisième et quatrième jambes (44, 48, 49A et 49B) formant, en coupe, pratiquement un W, les première et seconde jambes (44, 48) formant les deux jambes internes du W et les troisième et quatrième jambes (49A, 49B) formant les deux jambes externes du W. 4) Joint (18) suivant l'une des revendications 1 à 3, caractéri- sé en ce que la partie du joint comprenant les jambes (44 à 49B) est plus large que la partie resserrée (39) de la gorge (22). ) Joint (18) suivant l'une des revendications 1 à 4, caractéri- sé en ce que l'axe de rotation (19) de l'élément de fermeture (16) est décalé par rapport au centre de l'élément de fermeture (16) ainsi que par rapport au plan de la surface d'étanchéité de l'élément de fermeture (16), de manière à ce que sa rotation exécute l'action d'une came. 6) Joint (18) suivant l'une des revendications 1 à 5, caractéri- sé en ce que les surfaces des première et seconde jambes (44,48) du joint (18) forment un angle de 55 à 85 environ avec le fond de la gorge (22) quand la vanne (11) est en position ouverte. 7) Joint (18) suivant l'une des revendications 1 à 3, caractéri- sé en ce qu'une partie (45) du joint (18) forme une zone de charnière élastique. 8) Joint (18) suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend encore une partie fendue adjacente à ladite zone de charnière élastique (45), dans laquelle le fluide sous pression entre pour faciliter le mouvement de la zone charnière (45). 9) Joint (18) destiné à 8tre utilisé dans un vanne papillon (11), caractérisé en ce qu'il a, en coupe, au moins une première jambe (44) et une seconde jambe (48) qui sont reliées à une de leurs extrémités et qui s'écartent l'une de l'autre à partir de ce point commun (45A). 10) Joint (18) suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend encore des troisième et quatrième jambes (49A,49B) partant des extrémités libres des première et seconde jambes (44,48), les première, seconde, troisième et quatrième jambes (44 à 49B) formant, en coupe, un W, les première et seconde jambes (44,48) formant les deux jambes internes du W et les troisième et quatrième jambes (49A,49B) formant les deux jambes externes du W. 11) Joint suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il est en une seule pièce et en un matériau ayant un coefficient de friction faible pour faciliter le mouvement latéral de chaque jambe (44 à 49B) prévue pour se déplacer latéralement. 12) Joint (18) suivant la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les première et seconde jambes (44,48) forment entre elles un angle (en 45B) allant de 100 à 700 environ. 13) Joint (18) suivant l'une des revendications 9 à 12, caractér- isé en ce qu'une portion (45) du joint (18) comporte une zone charnière élastique. 14) Joint (18) suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte encore une fente adjacente à ladite zone charnière.