Brevet FR2496825A1 — publié le 19820625

VANNE DE REGULATION A CAGE ET CLAPET PILOTE. L'invention concerne une vanne ou robinet de régulation à cage et clapet pilote, notamment pour hautes pressions et grands débits. On connaît une vanne de ce type dans laquelle le fluide à commander circule entre une entrée et une sortie dans des ouvertures latérales ménagées dans une cage cylidrique recevant un clapet principal de réglage de débit, qui obture plus ou moins les ouvertures sous l'effet d'une tige de commande reliée au clapet principal par des moyens élastiques. Lorsque l'on désire fermer la vanne, on agit sur la tige de manière à ce que le clapet ferme d'abord les ouvertures,puis vienne s'appliquer sur un siège présenté par la cage, un clapet pilote porté par la tige prenant enfin appui sur, et obturant un orifice de passage ménagé dans le fond du clapet principal, appliquant ainsi celui-ci fermement sur son siège. Dans cette position du clapet principal,le fluide amont passant entre celui ci et la cage emplit une chambre amont limitée par le chapeau de la vanne, traversé à étanchéité par la tige, et la face amont du clapet principal, exercant ainsi sur celui-ci une préssion qui concourt à l'étanchéité de la fermeture. Lorsque l'on désire ouvrir la vanne, il suffit de soulever légèrement le clapet pilote, ce qui n'exige qu'un effort réduit, pour découvrir l'orifice traversant le fond du clapet principal et permettre la décompression du fluide emplissant la chambre amont, ce - 2 - qui a pour effet d'équilibrer les pressions s'exerçant sur le clapet principal et donc dé permettre de déplacer ensuite ce dernier facilement. Cependant, dans cette vanne connue, le fluide aval est en contact avec le clapet principal sur pratiquement toute sa section transervale, si bien que les fluctuations de sa pression, qui résultent par exemple de manoeuvres effectuées sur la canalisation sur laquelle est interposée la vanne, et qui peuvent être très rapides et de grande amplitude, exercent sur le clapet principal et la tige des efforts qui sont d'autant plus élevés que le diamètre nominal de la vanne est plus grand, qui entrainent, en position de régulation de la vanne, des vibrations, des battements, et une dérive du clapet principal, et qui sont même susceptibles d'endommager l'équipage mobile de la vanne. L'invention a pour but de proposer une vanne qui, tout en présentant les avantages des vannes à cage et clapet pilote connues, ne présente pas leurs inconvénients. La vanne de régulation selon l'invention, qui comporte une entrée et une sortie de fluide séparées par une cage à ouvertures transversales, et une tige de commande à clapet pilote entraînant un clapet principal apte à coulisser sur la cage, est caractérisée en ce qu'elle comporte entre sa sortie et la face transversale aval du clapet principal un organe de séparation fixe. C'est cet organe qui, en encaissant la plus grande partie des variations brutales de la pression du fluide 2496825' -3 - aval,permet de diminuer dans de grandes proportions les forces axiales exercées sur le clapet principal par le fluide aval. L'invention prévoit de ménager un passage entre l'entrée de la vanne et la chambre amont, et un trou traversant l'organe de séparation fixe et faisant communiquer la sortie et la chambre aval limitée par la face transversale aval du clapet principal et l'organe de séparation. De cette manière la pression du fluide amont s'exerce sur toute la face transversale amont du clapet principal par écoulement du fluide dans le passage, et dans l'état fermé de la vanne, la pression du fluide présent dans la chambre aval est ramenée à la valeur de la pression aval par passage du fluide de la chambre aval vers la sortie, si bien que la différence des pressions amont et aval exerce sur le clapet principal, comme pour la vanne connue, une force de fermeture s'ajoutant à celle de la tige de commande. De plus, en choisissant une section du trou traversant suffisamment faible, les variations brutales de pression du fluide aval n'agissent pour la plus grande part sur le clapet principal qu'avec une atténuation et un délai, ce qui augmente la sécurité présentée par la vanne. De façon préférée, un clapet anti-retour est disposé - 4 - dans le trou traversant, tout passage brutal du fluide aval vers la chambre aval et le clapet principal étant alors interdit. De manière avantageuse, la section de l'orifice traversant ménagé dans le clapet principal est largement supérieure à celle du passage entre l'entrée et la chambre amont, et celui-ci présente lui même une section supérieure à -celle du trou traversant l'organe de séparation fixe. Le fluide a alors toujours tendance à s'écouler du passage vers l'orifice puis vers le trou, et le clapet principal n'est pas freiné dans ses mouvements par le fluide. Dans la position de régulation de la vanne, dans laquelle le clapet pilote n'obture pas l'orifice ménagé dans la clapet principal, la pression du fluide dans la chambre amont, qui s'exerce sur toute la section transversale du clapet principal et qui est pratiquement égale à la pression amont, est alors sensiblement identique à celle qui règne dans la chambre aval, et qui ne s'exerce que sur une partie de cette section, le reste étant soumis à l'action du fluide aval, si bien que le clapet principal est constamment rappelé vers l'aval et occupe donc une position d'équilibré stable. De plus, le débattement de la tige par rapport au clapet principal etant limité, ces deux éléments viennent en butée réciproque, la position de la tige étant alors représentative de celle du clapet principal. Dans une première forme de réalisation, l'organe de séparation fixe est un plateau porté par le corps de la vanne, les parois latérales du clapet principal, en forme de pot, coulissant entre la tranche du plateau et la surface interne de la cage. Seule la tranche annulaire aval de la paroi latérale cylindrique du clapet principal est alors soumise directement aux efforts de pression axiaux du fluide aval. Avantageusement, le passage est réalisé par un trou traversant la cage et communiquant avec l'entrée de la vanne par un interstice ménagé entre la paroi externe de la cage et le corps de la vanne. Dans une seconde forme de réalisation, l'organe de séparation fixe est constitué par la cage elle-même, qui comporte alors un fond, la paroi latérale du clapet principal en forme de pot coulissant entre la surface extérieure de la cage et le corps de la vanne. Le clapet principal est ainsi complètement soustrait à l'action directe du fluide aval. Avantageusement, le fond de la cage est boulonné à une entretoise solidaire du corps de la vanne, ce qui permet un montage très simple de la cage et élimine tout problème d'étanchéité entre celle-ci et le corps de la vanne. Dans cette forme de réalisation, le corps est conformé de manière que dans les -positions de régulation et de fermeture, la surface extérieure de la paroi latérale du clapet principal soit constamment baignée par le - 6 fluide amont, et un certain jeu constituant ledit passage est ménagé entre le corps et le clapet dans la - position d'ouverture de la vanne. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-dessous, à titre d'exemple seulement, en se référant au dessin dans lequel: la figure 1 est une coupe axiale d'une première forme de réalisation d'une vanne selon l'invention, et la figure 2 est une coupe axiale d'une vanne selon l'invention selon une seconde forme de réalisation. La vanne de régulation 10 illustrée à la figure 1 comporte un corps 11 à passage traversant dans lequel le fluide à commander se déplace d'une entrée 12 à une sortie 13 en passant de la surface extérieure 14 d'une cage cylyndrique 15 à la surface intérieure 16 de celle-ci par des ouvertures latérales 17 qui y sont ménagées, et dont la forme et la section sont choisies en fonction de la courbe caractéristique et des performances de la vanne que l'on veut obtenir. La cage 15,qui prend appui par son bord inférieur 18 sur un épaulement annulaire 19 présenté par le corps 11 avec interposition d'un joint d'étanchéité 21, s'étend d'abord dans une chambre annulaire 22 ménagée dans le corps, qui est en communication avec l'entrée 12 et en regard des ouvertures 17, puis avec un jeu 23 dans une cheminée cylindrique 24 du corps, jusquau bord supérieur 26 de la cheminée 24 avec lequel un décrochement 25 de son bord supérieur est de niveau. - 7 - Un joint 27 d'étanchéité est pressé sur le décrochement et le bord 26 par la surface annulaire inférieure 28 d'un chapeau 29 maintenu sur la partie supérieure du corps par des moyens non représentés, et traversé avec interposition de moyens d'étanchéité 31 par une tige de commande 32 coaxiale à l'axe XX' de la cage 15. La partie supérieure de la tige 32, extérieure au corps et au chapeau de la vanne, est reliée à des moyens de déplacements axiaux non représentés, et son extrémité inférieure comporte un renflement cylindrique 33 dont la face inférieure conique 34 reçoit une bille 35 portée par le fond 36 d'un clapet pilote 37 formé d'une partie inférieure 38 et d'une partie supérieure 39 rendues solidaires par vissage et entourrant le renflement 33. Le fond 36 est apte, lorsque la tige 32 est déplacée vers le corps 11, à fermer par sa surface plane inférieure venant au contact d'une portée 40, un orifice de passage 41 ménagé dans le fond 42, sensiblement normal à l'axe XX', d'un clapet principal 43 en forme de pot, dont la paroi latérale cylindrique 44 glisse sur la surface interne 16 de la cage 15, la face 45 amont du fond 42, ou face en regard du chapeau 29 étant solidarisée, par- des moyens non représentés, au bord inférieur d'une cloche 46. La cloche 46, percée de trous latéraux 47 et d'un trou axial 48 recevant la tige 31, entoure le clapet pilote 37, un ressort 49 étant placé entre le fond de la cloche 46 et une lèvre annulaire 50 présentée par la partie supérieure 39 du clapet pilote de manière à solliciter celui ci vers fond 42. Le clapet principal 43 coiffe un plateau 51 circulaire, disposé sensiblement perpendiculairement à l'axe XX', avec interposition entre la surface interne 52 de la paroi 44 et le plateau 51 d'un joint d'étanchéité 53 logé dans une rainure de la paroi latérale du plateau, ce dernier présentant, à l'opposé de la tige 32, un pied axial 54 solidarisé avec le fond 55 du corps 11 opposé au chapeau 29 grâce à un goujon 57 engagé dans un trou 58 du fond 55 et fixé à ce dernier par un boulon 56. Un trou traversant 61 de section S1 est ménagé dans le plateau de manière à faire communiquer la sortie 13 de la vanne avec la chambre aval 62 limitée par la surface supérieure 63 du plateau 51 et la surface inférieure ou aval 64 du fond 42, et un passage traversant 65 est ménagé dans la cage 15 au niveau de la cheminée 24. Le fonctionnement de la vanne qui vient d'être décrite est le suivant Dans l'état fermé de la vanne, qui est celui représenté, la partie périphérique 66 de la tranche aval de la paroi 44 est au contact d'une portée d'étanchéité 67 ménagée sur la surface interne 16 de la cage 15, en dessous des ouvertures latérales 17, de manière à empêcher tout passage direct du fluide de la chambre annulaire 22 vers la sortie 13, et le clapet pilote 37 porte par sa partie inférieure 38 sur la portée 40 présentée par la surface 45 du fond 42 autour -9- de l'orifice 41, de manière à empêcher tout passage du fluide de la chambre amont 71 limitée par le chapeau 29, la partie supérieure de la cage 15, et la surface amont du clapet 43, vers la chambre 62. Le fluide amont présent à l'entrée 12 se glisse dans le jeu 23 ménagé entre la cage 15 et le corps 11, puis dans le passage 65 pour remplir la chambre 71 et sa press-ion P1 s'exerce donc sur toute la surface 45, soit directement, soit par l'intermédiaire de la cloche 46 ou du clapet pilote 37. Le fluide se trouvant dans la chambre 62 est ramené par l'intérmediaire du trou 61 à la pression aval P2, si bien que c'est sensiblement la différence des pressions P1 - P2 qui s'exerce sur le clapet 43 pour l'appliquer sur la portée 67. Dans cette configuration également, les a-coups de la pression aval P2 sont filtrés par le trou 61, de section limitée, et seules les forces résultant de la pression s'exerçant sur la surface 72 annulaire interne de la tranche de la paroi 44 qui n'est pas en contact avec la portée 67, de valeur très réduite par rapport à la surface 64, sont transmises par le clapet 43 vers la tige 32. Dans une variante de réalisation non représentée, le trou 61 comporte un dispositif anti-retour interdisant complètement tout passage brusque du fluide aval dans la chambre 62. Lorsque l'on désire passer en position de régulation, 2496825- - 10 - la tige 32 est soulevée, ce qui a d'abord pour effet de libérer l'orifice 41, si bien que le fluide se trouvant dans la chambre 71, sous une pression P1 égale à celle du fluide amont, passe dans la chambre 62, les surfaces 45 et 64 du fond 42 du clapet principal 43 étant alors soumises toutes les deux à la même pression P1, La valeur de la surface 45 étant égale à la somme de celles de la surface 64 et des surfaces 66 et 72, le clapet 43 est alors soumis à une force F axiale dirigée de la tige 32 vers le pied 54, et de valeur sensiblement égale à: F= I (P1 -P2) (Dé-Di) (1) expression dans laquelle De et Di sont les diamètres externe et interne de la paroi 44. La tige 32 continuant à être soulevée, la force qu'elle exerce par l'intermédiaire du ressort 49 sur le clapet 43 augmente et le ressort est comprimé jusqu'au moment ou la face supérieure du clapet 37 s'applique sur le fond de la cloche 46, ce qui a pour résultat d'entraîner vers le haut le clapet 43 qui suit alors exactement le mouvement de la tige 32 et découvre des rangées successives d'ouvertures latérales 17, libérant ainsi un passage direct de l'entrée 12 vers la sortie 13 pour le fluide à commander. Lorsque le débit du fluide ou la différence de pression P1-P2 a atteint la valeur désirée, le mouvement de - il - la tige 32 est arrêtée, et l'on choisit les sections S1, S2, et S3 du trou traversant 61, de l'orifice 41, et du passage 65 ainsi que du jeu 24 de manière que: S S 52" S3' si bien qu'il s'établit un passage continuel de fluide de l'entrée 12 vers la chambre 71, puis vers la chambre 62 et enfin vers la sortie 13, la force F tendant à ouvrir l'orifice 41, et à maintenir dans une position d'équilibre stable le clapet 43. Comme précédemment, les variations brusques de la pression P2 n'agissent sur la tige 32 que par l'intermédiaire des surfaces 72 et 66 de la tranche de la paroi 44, surfaces extrêmement réduites par rapport à celle du fond 42. Dans une seconde forme de réalisation, la vanne comporte (fig 2), de manière similaire à la vanne décrite précédemment, un corps 11, un chapeau 29, une tige 32 agissant sur un clapet principal 45 par l'intermédiaire d'un renflement 33, d'un clapet pilote 37, d'une cloche 46, et d'un ressort 49, le fond 42 du clapet 45 présentant un orifice 41 apte à être obturé par le fond 36 du clapet pilote 37, la chambre 71 communiquant avec la chambre 62 par l'intermédiaire de l'ouverture 41 et des ouvertures 47 ménagées dans la cloche 46. La cage 15 s'applique comme précédemment sur le décrochement annulaire 19 du fond 55 du corps 11 avec - 12 - interposition d'un joint d'étanchéité 21 et présente en regard de la chambre 22 une configuration cylindrique axiale dans laquelle sont percées une pluralité de rangées d'ouvertures latérales 17. Cependant, contrairement à la réalisation précédente, la cage 15 ne s'étend pas jusqu'au chapeau 29, mais se coude vers l'axe XX' pour former un fond 101 circulaire, à légère cônicité dirigée vers le fond 55 du corps 11, comportant un passage traversant 100 en regard du fond 42, et percé en son centre d'une ouverture de passage d'une entretoise 102 ancrée par son filetage inférieur 103 dans le trou taraudé 58, un boulon 104 étant vissé sur la partie supérieure filetée de l'entretoise 102, qui dépasse du fond 101 vers la chambre 71, de manière à appliquer fermement la cage 15 sur le décrochement 19. Le clapet 43 est logé avec un jeu 23 dans la cheminée 24 du corps 11, et sa paroi 44 s'étend vers le fond 55 du corps 11 dans le volume annulaire 22, en entourant la cage 15, sa surface interne 105 glissant sur la surface externe 106 de la partie cylindrique de cette dernière, avec interposition d'un joint 107 logé dans une rainure annulaire 108 placée au-dessus des ouvertures latérales 17 de la cage 15. Le fonctionnement de la vanne qui -vient d'être décrite est similaire au fonctionnement de la vanne précédente, le jeu existant entre la paroi 44 et la cheminée 24 jouant le rôle du passage 65, la portée 67 étant ici placée sur la partie inférieure de la surface 106, sous les ouvertures 17. - 13 - REVENDICATIONS 1.Vanne de régulation (10) comportant une entrée (12) et une sortie (13) de fluide séparées par une cage (15) à ouvertures transversales (17), et une tige de commande (32) à déplacement axial (X,X') entraînant un clapet principal (43) apte à coulisser sur la cage, caractérisée en ce qu'elle comporte entre sa sortie et la face transversale aval (64) du clapet principal un organe de séparation fixe(51,1l0) qui, en encaissant la plus grande partie des variations brutales de la pression du fluide aval, permet de diminuer dans de grandes proportions les forces axiales éxercées sur le clapet principal par le fluide aval. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, pour permettre à la préssion amont de s'exercer sur la face amont (45) du clapet principal, un passage (65) est ménagé entre l'entrée de la vanne et une chambre amont (71) délimitée par la face amont (45) du clapet principal et le chapeau (29) traversé à étanchéité par la tige. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un trou traversant (61,100) est formé dans l'organe de séparation fixe, de manière à ce qu'en position de fermeture de la vanne la préssion aval s'éxerce sur la face correspondante du clapet principal. - 14 - 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un clapet antiretour est placé dans le trou traversant pour interdire tout passage du fluide aval vers la chambre aval délimitée par l'organe de séparation et le clapet principal. 5. Vanne selon une quelconque des revendications 2 à 4, un orifice traversant (41) étant ménagé dans le clapet principal, caractérisée en ce que la section de l'orifice traversant (41) est largement supérieure à celle du passage (65). 6. Vanne selon une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le passage présente lui même une section supérieure à celle du trou (61,100) traversant l'organe de séparation fixe. 7. Vanne selon une quelconque des revendications précédentes, le débattement de la tige par rapport au clapet principal etant limité, caractérisée en ce que la résultante axiale des forces éxercées par le fluide sur la face amont du clapet principal etant légèrement supérieure à la résultante des forces exercées par le fluide sur la face aval, la tige et le clapet principal viennent en butée réciproque dans l'état de régulation de la vanne, la position de la tige étant alors représentative de celle du clapet principal. 8. Vanne selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'organe de séparation fixe est un plateau (51) porté par le corps de la vanne, la paroi latérale (44) du clapet principal, en forme de pot, coulissant entre la tranche _ 15 - du plateau et la surface interne de la cage. 9.Vanne selon une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le passage est réalisé par un trou traversant la cage et communiquant avec l'entrée de la vanne par un interstice ménagé entre la paroi externe de la cage et le corps de la vanne. 10. Vanne selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'organe de séparation fixe est constitué par la cage elle-même, qui comporte alors elle aussi un fond (101), la paroi latérale du clapet principal en forme de pot coulissant entre la surface extérieure de la cage et le corps de la vanne. ll.Vanne selon la revendication 10, caractérisée en ce que le fond de la cage est boulonné à une entretoise (102) solidaire du corps(55) de la vanne. 12.Vanne selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que le corps est conformé de manière que dans la position de régulation et/ou de fermeture, la surface extérieure de la paroi latérale du clapet principal soit constamment baignée par le fluide amont, un certain jeu constituant ledit passage étant ménagé entre le corps et le clapet dans la position d'ouverture de la vanne.