Brevet FR2491576A1 — publié le 19820409

Siège de soupape La présente invention concerne un siège de soupape pour une soupape dans laquelle une surface de siège de soupape est for- mée autour d'une ouverture à une extrémité d'un alésage ou orifice de soupape tandis qu'un élément de soupape ferme cet alésage en venant en contact avec la surface de siège de sou- pape et, lorsqu'il découvre cet alésage en s'éloignant du siège de soupape, vient en contact avec une portion extérieu- re de la surface de siège, l'élément de soupape pivotant en utilisant cette portion comme point de pivotement. Le siège de soupape selon l'invention convient particulière- ment à des soupapes de commande de fluide, telles que celles utilisées pour les purgeurs à vapeur dans lesquels un flotteur flottant librement dans une chambre de soupape ferme l'ouvertu- re en venant directement en contact avec la surface de siège par sa propre surface extérieure. C'est un but de l'invention de fournir un siège de soupape ayant une portion moins sujette à l'usure, à savoir la portion périphérique extérieure de la surface du siège sur laquelle débouche l'alésage de soupape, cette portion venant en contact avec l'élément de soupape et servant de point de pivotement lorsque l'élément de soupape pivote. Le siège de soupape selon l'invention comprend: (l) une partie destinée à se raccorder au corps de soupape (2) un alésage de soupape à travers lequel le condensat peut circuler; (3) une surface de sigèe qui entoure une ouverture ménagée à l'extrémité de l'alésage ou orifice de soupape; (4) la portion périphérique intérieure entourant l'ouverture de soupape à la surface de siège ainsi que la paroi inté- rieure de l'alésage de soupape étant en acier inoxydable; (5) la partie qui est une portion de la surface de siège et qui entre au moins en contact avec l'élément de soupape et sert de point de pivotement lorsque le corps de soupape roule, étant en carbure. En fermant l'alésage de soupape, l'élément de soupape vient en contact avec la portion en carbure dans la portion péri- phérique extérieure de la surface de siège et pivote en uti- lisant cette portion comme point de pivotement pour s'appli- quer complètement sur le bord circulaire intérieur tout en- tier de l'alésage de soupape pour le fermer. En conséquence, l'élément de soupape pivote en utilisant une portion en carbure comme point de pivotement, un glissement pouvant également avoir lieu sur la portion en carbure. Le carbure est beaucoup plus résistant à l'usure que l'acier inoxydable, grâce à quoi le but recherché est atteint. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détailléé-donnée ci-après à titre d'exemple seulement, de plu- sieurs réalisations préférées en liaison avec le dessin joint sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un purgeur à vapeur avec un siège de soupape classique; la figure 2 est une portion à grande échelle du siège de sou- pape de la figure 1; la figure 3 est une vue en bout à grande échelle du siège de soupape de la figure 1; et, les figures 4, 5 et 6 sont trois vues similaires d'une por- tion d'un siège de soupape selon l'invention. Le purgeur à vapeur représenté sur la figure 1 comporte un corps 1 et un couvercle 2 reliés hermétiquement ensemble par l'intermédiaire d'un joint 3 intercalé entre eux, formant ainsi une chambre de soupape 4. Un tube d'arrivée 5 est monté au centre du fond de cette chambre, perpendiculairement au fond. Une plaque de fond 6 est montée au fond de la chambre en étant inclinée sous un angle aigu. Cette plaque de fond est. fixée entre le tube d'arrivée et le fond de la chambre lorsque le tube est vissé dans la chambre. Le corps 1 comporte en outre une arrivée 7 qui communique avec la chambre 4 par un passage d'arrivée 8, un filtre 9 y étant prévu, et un alé- sage d'arrivée 10 dans le tube d'arrivée 5. Dans la portion latérale supérieure de la chambre de soupape, un élément de siège de soupape 11 est monté dans le couvercle 2 de manière étanche avec intercalation d'un joint 12. Ce siège est vissé dans le couvercle 2 avec son axe faisant un angle de 450 par rapport à l'horizontale. Le siège est en acier inoxydable. A l'extrémité intérieure de ce siège et selon son axe est ménagé un alésage ou orifice de soupape 14 qui est suivi par une chambre intermédiaire 13 dont le diamètre est plus grand que celui de l'alésage de soupape 14. A l'autre extrémité de la chambre intermédiaire 13 est inséré un élément pourvu d'un orifice 22 ayant un diamètre sensiblement égal à celui de l'alésage de soupape 14. La portion terminale intérieure du siège de soupape 11 qui entoure l'alésage de soupape 14, s'étend dans la chambre 4 et se termine en une portion conique dont l'extrémité intérieure forme une surface de siège de soupape 15, qui a une surface annulaire plane entourant l'ouverture à l'extrémité intérieure de l'alésage ou orifice de soupape. La chambre 4 communique avec une sortie 17 par l'intermédiaire de l'alésage 14, de la chambre intermédiaire 13 à l'intérieur du siège de soupape, de l'orifice 22 et d'un passage de sortie 16. Une portion de sphère ouverte inversée ou flotteur 18 est contenue dans la chambre de soupape de façon à y flotter librement. Le flot- teur 18 est une coque sphérique en acier inoxydable et est pourvu d'une pièce d'embouchure 19 à son ouverture circulaire. La pièce d'embouchure 19 est, dans ce cas, constituée par un anneau formant une ouverture d'arrivée circulaire 20 au fond du flotteur 18, et son poids est suffisamment élevé pour assurer que le centre de gravité de tout le flotteur est dé- calé vers l'ouverture d'arrivée par rapport au centre de la coque sphérique 23. Le tube d'arrivée 5 s'étend dans l'inté- rieur du flotteur 18 à travers l'ouverture d'arrivée 20 de ce flotteur. Un petit orifice 21 bst ménagé à la partie supérieu- re du flotteur. La figure 1 montre le purgeur à vapeur en position fermée. Aucun condensat ne circule à travers l'arrivée 7; la vapeur circule à travers l'arrivée, par l'intermédiaire du passage d'arrivée 8 jusque dans l'alésage 10 du tube d'arrivée. Une portion de la vapeur dans le flotteur se condense et une autre portion s'échappe du flotteur par le petit orifice 21. Toutefois, ces deux pertes de vapeur sont très faibles. Il en résulte qu'aussi longtemps que la vapeur arrive, le flotteur 18 reste dans sa position haute du fait de la poussée qui lui est impartie par la vapeur qu'il contient. Dans cette position la surface extérieure du flotteur est en contact avec la sur- face de soupape et ferme l'alésage de soupape. Lorsqu'il s'est formé un condensat dans l'installation de va- peur dans laquelle est monté le purgeur, ce condensat arrive par l'arrivée 7 et arrête l'arrivée de vapeur à l'intérieur du flotteur 18, d'o il résulte que le purgeur, c'est-à-dire le flotteur commence à s'ouvrir. La quantité de vapeur à l'in- térieur du flotteur 18 diminue progressivement du fait de la condensation et s'échappe à travers le petit orifice 21 et, de ce fait, la poussée exercée sur le flotteur 18 diminue progres- sivement. Lorsque cette poussée est tombée à une valeur prédé- terminée, le flotteur 18 commence à rouler en sens inverse des aiguilles d'une montre comme vu sur la figure 1 avec une por- tion en dessous de l'ouverture de l'alésage 14 de la surface du siège de soupape 15 servant de point de pivotement. Comme on le voit sur la figure 2, le flotteur se déplace de la po- sition présentée par la ligne en traits pleins A jusqu'à la position indiquée par la ligne en traits mixtes B. Lorsque la distance entre la surface extérieure du flotteur 18 et la sur- face de siège 15 augmente, la pression de fluide, qui exer- çait une poussée sur le flotteur 18 en direction de l'alésage de soupape, diminue progressivement. En conséquence, après un certain roulement, le flotteur quitte la surface de siège complètement et s'enfonce. Le flotteur 18 repose alors sur la plaque de fond 6 prévue au fond de la chambre de soupape avec sa pièce d'embouchure 19 en bas, prenant une position inclinée. Le condensat dans la chambre de soupape est évacué par l'évacuation 17 par l'intermédiaire de l'alésage de sou- pape 14, la chambre intermédiaire à l'intérieur du siège de soupape, l'orifice 22 et le passage d'évacuation 16. Lorsque le condensat à l'extrémité d'arrivée du purgeur a été évacué, de la vapeur arrive à nouveau à l'intérieur du flot- teur 18 par le passage d'arrivée 8 et l'alésage 10 du tube d'arrivée. La quantité de vapeur à l'intérieur du flotteur augmentant, la poussée exercée sur lui s'accroît, faisant à nouveau flotter le flotteur. Du fait que celui-ci repose sur la plaque de fond inclinée 6 prévue au fond de la chambre de soupape, le flotteur commence à flotter à partir de sa posi- tion inclinée, change de position en flottant et prend fina- lement une position pratiquement verticale avec son ouverture d'arrivée 20 vers le bas comme on le voit sur la figure 1, lorsqu'il atteint la position de fermeture. Ceci est dû au fait que, grâce à la pièce d'embouchure 19, le centre de gra- vité du flotteur est décalé depuis le centre de la coque sphé- rique 23 vers l'ouverture d'arrivée 20, et que le courant de condensat en direction de l'alésage de soupape tend à déplacer la partie supérieure du flotteur en direction de cet alésage, c'est-à-dire vers la droite sur la figure 1. En flottant, le flotteur 18 entre d'abord en contact avec la portion inférieure de la surface de siège dans la position in- diquée par la ligne en traits mixtes B sur la figure 2, et roule ensuite sur cette surface de siège, atteignant la posi- sition indiquée par la ligne en traits pleins A pour fermer l'alésage de soupape. Ceci résulte du fait que la pression de fluide a pour effet de déplacer le flotteur 18, lorsqu'il flotte, en direction de l'alésage de soupape. L'opération précédente s'effectue chaque fois que du conden- sat pénètre par l'arrivée 7. La durée d'évacuation varie en fonction de la quantité de condensat en circulation; si cette quantité est faible, le flotteur pivote en utilisant la portion inférieure de la surface de siège 18 comme point de pivotement,sans quitter la surface de siège, laissant ainsi s'évacuer une petite quantité de condensat chaque fois. Le purgeur à vapeur fonctionne comme décrit ci-dessus et éva- cue automatiquement du condensat sans perte de vapeur. Dans le purgeur décrit ci-dessus, le flotteur 18 roule sur la surface de siège 15 en utilisant sa portion inférieure comme point de pivotement chaque fois que le flotteur ouvre et ferme l'alésage de soupape. A ce moment, le flotteur glisse le long de la surface de siège 15, bien que cette distance de glisse- ment soit très faible. Il en résulte que la portion inférieure de la surface de siège, qui est en acier inoxydable, s'use et qu'un évidement 24 y apparaît et se développe relativement vite. Si cet évidement atteint le bord intérieur de la surface de siège 15, le flotteur 18 ne peut plus fermer complètement l'alésage de soupape, même s'il est dans la position fermée représentée sur la figure 1. En d'autres termes, le purgeur permet le passage de vapeur et fuit et, en conséquence, ne joue plus son rôle de purgeur de vapeur. Dans la réalisation de l'invention représentée sur la figure 4, le sièege de soupape 31 comporte un corps 32 et un élément annulaire 33. Le corps 32 est en acier inoxydable, JIS SUS 420 J2, et se termine par une partie allongée 35 de forme cy- lindrique, laquelle entoure un alésage de soupape 34. A l'au- tre extrémité, le corps 32 est conçu pour être raccordé au corps de soupape, de la manière représentée à titre d'exem- ple sur la figure 1. L'élément annulaire 33 est en carbure, contenant par exemple du carbure de tungstène comme composant dur principal, et en un alliage constitué principalement de cobalt et de nickel comme liant. L'élément annulaire 33 pré- sente à son extrémité intérieure, au voisinage de la partie périphérique intérieure, un décrochement 36. L'élément an- nulaire 33 est fixé à la partie allongée 35 et y est raccor- dé en sertissant l'extrémité de la partie allongée 35 et cette opération de sertissage remplit le décrochement 36. Après que l'élément annulaire 33 a été fixé sur le corps 32, en utili- sant une brasure à l'argent à leur surface de contact, la surface extérieure 38 de l'élément annulaire 33 est usinée pour la-rendre conique. Les surfaces terminales de l'élément annulaire 33 et de la partie allongée 35 sont rectifiées pour former une surface commune constituant la surface de siège annulaire entourant l'ouverture de l'alésage de soupape. La brasure à l'argent 37 est un alliage formé principalement d'ar- gent, de cuivre et de zinc. L'élément de soupape touche une portion de l'élément annu- laire 33 en carbure, à savoir une portion périphérique à l'extérieur de l'ouverture de l'alésage de soupape dans la surface de siège 39, et pivote en utilisant cette portion comme point de pivotement. Il résulte de la résistance à l'u- sure très élevée du carbure que cette usure peut être réduite au minimum. Lorsque la soupape s'ouvre, du fluide provenant de la cham- bre de soupape circule à grande vitesse à travers l'alésage de soupape. Comme la portion périphérique intérieure de l'alésage de soupape dans le siège de soupape 39 et la paroi intérieure de l'alésage de soupape 34 sont en acier inoxydable, le siège de soupape a une meilleure résistance à l'érosion que ceux de la technique antérieure. On utilise comme liant pour le carbure un alliage constitué principalement de nickel et de cobalt, un tel alliage ayant une très bonne résistance à l'érosion pour des vitesses de fluide élevées, par comparaison avec des alliages convention- nels constitués principalement de cobalt. Toute la portion périphérique extérieure de l'alésage de sou- pape dans la surface de siège de soupape est en carbure. De ce fait, le siège de soupape peut être monté dans le corps de soupape par vissage quelle que soit sa position, car l'élément de soupape est toujours en contact avec une portion en carbure et pivote en.utilisant une portion en carbure pour point de pivotement, quelle que soit la position du siège de soupape. Ce siège de soupape est aisé à fabriquer, car il est réalisé de telle sorte que l'élément annulaire 33 est monté autour de la partie allongée 35. L'élément annulaire 33 ne peut pas s'échapper, car la portion supérieure de la partie allongée 35 est sertie, se dilate vers l'extérieur et remplit le décrochement ménagé dans l'extrémi- té de cet élément annulaire. L'élément annulaire 33 ne pas tourner lorsque sa surface exté- rieure est usinée ou lorsque sa surface terminale est meulée, car il est fixé sur le corps 32. La partie allongée 35 peut aisément être d'une seule pièce avec le corps 32. En outre, le renforcement fourni par l'élé- ment annulaire 33 prévu à l'extérieur de la partie allongée 35 empêche celle-ci d'être endommagée par le rebondissement de l'élément de soupape. Dans la réalisation représentée sur la figure 5 un siège de soupape 41 comporte un corps 42 et un élément annulaire 43. Le corps 42 est en acier inoxydable et est réalisé d'une ma- nière sensiblement identique à celle du corps 32 représenté sur la figure 4, En conséquence, une description détaillée de ce corps est inutile. Dans cette deuxième réalisation du siège de soupape, l'alésage de soupape est repéré en 44, la partie prolongée cylindrique en 45 et la surface de siège de soupape en 46. De la même manière que dans la première réalisation repré- sentée sur la figure 4, l'élément annulaire 43 est en car- bure, et d'un alliage utilisant essentiellement du nickel et du cobalt comme liant. Dans ce cas, on place la poudre de carbure autour de la partie allongée 45 et on l'y fixe par frittage. Ensuite la surface extérieure est usinée et la surface de siège est rectifiée. Par comparaison avec la première réalisation représentée sur la figure 4, celle de la figure 5 convient pour une produc- tion en série, car il n'est pas nécessaire de fixer mécani- quement l'élément annulaire 43 en déformant la portion ter- minale de la partie allongée 46 et en brasant la portion annulaire 43 à l'argent. Dans la réalisation représentée sur la figure 6, le siège de soupape 51 comporte un corps 52 et une broche 53. Le corps 52 est en acier inoxydable et est réalisé d'une manière con- ventionnelle. En d'autres termes, la partie allongée conique 55 est formée à une extrémité du siège de soupape pour entou- rer l'alésage de soupape 54, la surface terminale libre étant rectifiée pour former une surface de siège de soupape 56. Un trou 57 est prévu sur la périphérie extérieure de la sur- face de siège de soupape 56 et une broche 53 y est introduite. La broche 53 est en carbure et contient comme liant un alliage constitué principalement par du nickel et du cobalt; l'extré- mité supérieure de la broche est sensiblement au niveau de la surface de siège de soupape 56. Dans cette réalisation, l'élément de siège 51 ne peut être installé parvissage dans le corps de la soupape, comme dans la réalisation de la figure 4. Au contraire, on doit monter le siège de soupape par des boulons de façon que la broche 53 soit positionnée au point de pivotement du corps de soupape. Par comparaison avec celles représentées sur les figures 4 et , cette troisième réalisation est facile à produire, car il suffit de ménager un trou 57 dans un siège de soupape de réa- lisation classique pour introduire la broche 53. En outre, comme la partie allongée est réalisée sous forme de tronc de cône massif, elle ne risque pas d'être endommagée même si l'élément de soupape vient heurter la surface de siège. On a essayé de réaliser en carbure la paroi intérieure de l'alésage de soupape et toute la surface de siège de soupape, mais le bord intérieur de la surface de siège et la paroi in- térieure de l'alésage de soupape furent érodés relativement vite du fait de la vitesse élevée des fluides circulant à travers l'orifice de soupape. La raison en est que le compo- sant liant du carbure est érodé et éliminé par le fluide en circulation. Au contraire, selon la présente invention, le bord intérieur de la surface de siège et la paroi intérieure de l'alésage de soupape sont en acier inoxydable et, en con- séquence, ont une aussi bonne résistance à l'érosion que les sièges de soupape antérieurs. Dans le cas o la portion de pivotement de l'élément de sou- pape est réalisée séparément du siège de soupape et disposée dans le voisinage de l'alésage de soupape, l'inconvénient en est un plus grand nombre de pièces et la difficulté de montage du fait de l'espace limité au voisinage de l'ouverture de l'alésage de soupape. Au contraire selon la présente invention, il suffit de fixer le siège de soupape dans le corps de sou- pape, car une portion de la surface de siège de soupape cons- titue le point de pivotement. Si le siège de soupape est usé au point qu'il s'y est formée une cavité au point de contact ou de pivotement, la force né- cessaire pour faire fonctionner l'élément de soupape est plus grande. Selon la présente invention, le point de pivotement est moins sujet à usure et déformation, du fait qu'il est en carbure, et ainsi plus résistant à l'usure. De ce fait, une soupape équipée d'un siège de soupape selon la présente inven- tion fonctionne bien plus longtemps. il Revendications 1. Siège de soupape, comprenant une partie disposée pour être reliée au corps de soupape, une partie en acier inoxydable (32) équipée d'un alésage de soupape (34) à travers lequel peut circuler un fluide, et une partie périphérique intérieure adjacente à l'ouverture située à une extrémité de l'alésage de soupape et entourée par la surface de siège de soupape, caractérisé par une partie en carbure (33) qui constitue une portion circonférentielle extérieure de l'alésage de soupape (14) et sert de point de contact et de point de pivotement à l'élément de soupape. 2. Siège de soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carbure contient comme composant dur principal du carbure de tungstène et un alliage essentiellement constitué par du nickel et du cobalt comme liant. 3. Siège de soupape selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi intérieure de l'alésage de soupape et la por- tion périphérique intérieure de la surface du siège de soupa- pe sont en acier inoxydable, se prolongent cylindriquement (45) et sont formés d'une seule pièce avec la partie (42) destinée à se raccorder au corps de soupape, et que la partie en carbure (43) a une forme annulaire et est montée autour de cette partie prolongée (45). 4. Siège de soupape selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie annulaire (33) a un décrochement (36) adja- cent à la portion de surface intérieure terminale, lequel décrochement sert à fixer cet anneau en sertissant l'extrémi- té de la partie prolongée (35), grâce à quoi de la matière est déplacée vers l'extérieur et remplit le décrochement. 5. Siège de soupape selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par une partie en carbure (33) disposée pour former une portion périphérique extérieure entourant l'ouverture de l'alésage de soupape dans la surface de siège de soupape et fixée par bra- sure à l'argent à une partie différente (35) de l'élément de siège. 6. Siège de soupape selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que la paroi intérieure de l'alésage de soupape (44) et la portion périphérique intérieure de la surface du siège de soupape sont en acier inoxydable et constituent un prolongement cylindrique (45) d'une seule pièce avec la par- tie destinée à se raccorder au corps de soupape, et en ce qu'une poudre de carbure est disposée autour de cette partie prolongée cylindrique (45) qui est frittée par un procédé de frittage de poudre métallique pour former la partie péri- phérique extérieure (45) de la surface du siège de soupape. 7. Siège de soupape selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la paroi intérieure de l'alésage de soupape (54) et la portion périphérique intérieure de la surface de siège de soupape sont en acier inoxydable et qu'une broche (53) en carbure est prévue dans un trou (57) formé dans la portion de la partie périphérique extérieure (55) de la surface de siège de soupape en tant que point de contact et de point de pivo- tement à l'élément de soupape.