Brevet FR2506420A1 — publié le 19821126

Vanne à boisseau avec atténuateur de turbulence L'invention concerne une vanne à boisseau avec atténuateur de turbulence. Ce type de vanne est particulièrement adaptée à la fonction de vanne de régulation automatique du débit d'un fluide. Cette fonction implique souvent une position de réglage fréquemment voisine de la fermeture. Des turbulences apparaissent alors dans les vannes à boisseau de type habituel en raison des vitesses élevées atteintes par le liquide dans les sections rétrécies. Elles provoquent un bruit génant et une usure prématurée, ceci par pulsations de pression, vibrations et dans le cas d'un liquide, par cavitation. Ceci est particulièrement sensible lorsque la différence de pression entre l'amont et l'aval de la vanne est importante et/ou la pression en aval est faible. C'est pourquoi une vanne à eau connue a été munie d'un atténuateur de turbulence. Celui-ci est constitué de plaques perforées placées dans le conduit qui est creusé dans le boisseau tournant de la vanne pour permettre le passage de l'eau quand la vanne est ouverte. Ces plaques sont disposées selon des plans parallèles entre eux et à la fois à l'axe du conduit et à l'axe de rotation du boisseau, de manière, lorsque la vanne est presque fermée, à obliger l'eau à passer à travers les perforations des plaques, ce qui atténue la turbulence. Cette vanne connue présente par ailleurs l'avantage que le débit d'eau diminue un peu plus progressivement que dans les vannes habituelles lorsuqe le boisseau approche de sa position de fermeture. Elle est décrite dans la demande de brevet européen nO 0013 601 (Bey). Elle présente l'inconvénient que l'atténuateur constitue un obstacle sur le passage de l'eau même lorsque la vanne est completement ouverte, et peut provoquer un bloquage de la circulation si l'eau charrie des éléments solides. La présente invention a pour but la réalisation d'une vanne à boisseau avec atténuateur de turbulence dans laquelle aucun obstacle n'est placé sur le passage du fluide lorsque la vanne est complètement ouverte, et dans laquelle le débit diminue très progressivement lorsque le boisseau approche de sa position de fermeture totale. Elle a pour objet une vanne à boisseau avec atténuateur de turbulence comportant - un corps de vanne raccordable par deux orifices à deux canalisations de part et d'autre de la vanne, - et un boisseau présentant une forme de révolution autour d'un axe et pouvant tourner dans le corps autour de cet axe entre une position angulaire d'ouverture et une position angulaire de fermeture, ce boisseau comportant un conduit qui le traverse et dont les deux orifices d'extrémités sont amenées en coincidence avec les deux orifices du corps de vanne lorsque le boisseau est amené en position d'ouverture, la section de ce conduit étant sensiblement constante sur toute sa longueur de manière à permettre une libre circulation dé fluide à travers la vanne ouverte, la partie "matérielle" constituant ce boisseau autour de ce conduit venant progressivement obturer les orifices du corps de vanne lorsque le boisseau est amené vers sa position de fermeture, - ce boisseau étant en outre muni d'au moins un atténuateur constitué d'éléments solides perméables fixés à sa partie matérielle de manière à atténuer la turbulence du fluide lorsque le boisseau approche de sa position de fermeture, - cette vanne étant caractérisé par le fait que chaque atténuateur est formé dans la partie matérielle du boisseau à l'extérieur du conduit à section constante à une extrémité de ce conduit, cet atténuateur étant limité par trois surfaces qui sont une surface externe de l'atténuateur constituant une partie perméable de la surface externe de révolution du boisseau dans sa partie matérielle, une surface imperméable constituant la limite entre l'atténuateur perméable et li partie imperméable du boisseau constituée par le reste de sa partie matérielle, et une surface perméable interne constituant la limite entre l'atténuateur et ltespace libre intérieur au conduit, - l'étendue angulaire de la surface externe de l'atténuateur à partir de l'axe de rotation du boisseau, étant choisie suffisamment petite et le diamètre du boisseau étant choisi suffisamment grand par rapport au diamètre des ouvertures du corps de vanne pour que, lorsque le boisseau est amené en position de fermeture, sa partie imperméable vienne obturer complètement l'un au moins des orifices du corps de vanne, grâce à quoi rien ne gène la circulation du liquide lorsque le boisseau est dans sa position d'ouverture et, lorsqu'il en est écarté, le passage offert au liquide est progressivement obturé d'abord de façon perméable par l'atténuateur, puis par l'atténuateur perméable et la partie imperméable du boisseau, puis complètement par cette partie imperméable. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue en perspective d'une vanne à eau selon l'invention, une partie du corps de la vanne étant arrachée pour montrer le boisseau et un atténuateur. Les figures 2 à 7 représentent des vues de cette vanne en coupe par un plan médian perpendiculaire à l'axe du boisseau, pour diverses positions angulaires de celui-ci allant de l'ouverture complète à la fermeture complète. La figure 8 représente une vue en coupe à échelle agrandie d'un atténuateur de cette vanne. Cette vanne comporte un corps 2 en deux parties qui se raccordent par brides entre elles et à deux canalisations extérieures non représentées. Ce corps présente deux orifices circulaires 4 en regard l'un de l'autre, de part et d'autre d'une cavité interne sphérique dont le centre est sur l'axe commun à ces deux orifices. Cette cavité est occupée par un boisseau rotatif sphérique comportant un conduit 6 qui le traverse et débouche par deux orifices 8, la partie matérielle du boisseau autour de ce conduit étant constituée par une partie "imperméable" pleine 10 et deux atténuateurs permea- bles 12. Le conduit 8 est cylindrique de révolution autour d'un axe passant par le centre du boisseau, le diamètre de ce conduit et celui de ses orifices d'extrémités 9 étant égal à celui des orifices 4 du corps de vanne de manière à permettre une circulation d'eau à section de passage constante. Le boisseau est monté rotatif autour d'un axe métallique de manoeuvre 14 qui traverse la paroi du corps de vanne par un palier étanche 16, et permet de faire tourner le boisseau autour d'un axe géométrique de rotation 18 qui passe par le centre de la sphère et est perpendiculaire à l'axe du conduit 8 et à celui des orifices du corps de vanne 4, ces deux derniers axes étant évidemment confondus lorsque la vanne est complètement ouverte, comme représentée sur la figure 1. Deux joints toriques 20, non visibles sur la figure 1, assurent l'étanchéité lorsque la vanne est complètement fermée, (voir figure 7). Les deux atténuateurs 12 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe de rotation 18 et sont formés dans la partie matérielle du boisseau, ctest-à-dire extérieurement au conduit cylindrique 8. Chaque atténuateur est symétrique par rapport à un plan passant par le centre de la sphère et perpendiculaire à l'axe de rotation 18. Il est limité par trois surfaces qui sont - une surface "externe" (22) de l'atténuateur constituant une partie perméable de la surface externe de révolution du boisseau (8, 10, 12), - une surface "imperméable" (24) constituant la limite entre l'atténuateur perméable et la partie imperméable (10) du boisseau constituée par le reste de sa partie matérielle, - et une surface perméable interne (26) constituant la limite entre l'atténuateur et l'espace libre intérieur au conduit (8). La surface imperméable 24 est constituée par trois plans : L'un passe par l'axe de rotation 18. Les deux autres sont perpendiculaires â cet axe et leur distance est comprise entre le diamètre du conduit 8 et le quart de celui-ci, et par exemple égale à la moitié de ce diamètre. L'atténuateur comporte à partir de sa surface perméable interne, une succession d'étages constitués chacun par une paroi percée de petites perforations, et s'étendant chacune de la surface externe à la surface imperméable, la surface externe comportant un orifice de grandes dimensions entre chaque étage et entre le dernier étage et la surface imperméable, de manière que, lorsqu'on amène progressivement le boisseau en position de fermeture, ces orifices de grandes dimensions soient successivement obturés par le corps de vanne sur le bord d'un orifice de ce corps, pour obliger le liquide à passer à travers les perforations d'un nombre croissant d'étage. Chacune de ces parois est constituée d'une tôle cylindrique coaxiale au conduit . L'expression "orifice de grande dimensions" désigne ici la section de l'intervalle entre deux étages (ou entre le dernier étage et la surface imperméable) par la surface externe sphérique du boisseau. Mais il est bien évident que ces orifices de grandes dimensions pourraient prendre d'autres formes. De préférence, les petites perforations (32) ont chacune une section inférieure au centième de celle des orifices (4) du corps de vanne (2), la section de chacun des orifices de grandes dimen suions (34, 36) étant inférieure au quart de la section des orifices (4) du corps (2), et, à chaque étage (30), supérieure à la somme des sections des petites perforations (32) de l'étage au-dessous (28). De préférence, le nombre des petites perforations (32) de chaque étage (28, 30) est supérieur à trois. De préférence encore le diamètre du boisseau (8, 10, 12) est supérieur à 1,6 fois et de préférence voisin de 2 fois celui des orifices du corps de vanne (2), l'étendue angulaire de la surface externe de l'atténuateur (12) à partir de l'axe de rotation (18) du boisseau étant comprise entre 20 et 300 et de préférence voisine de 250. Le fonctionnement de la vanne selon l'invention est le suivant. A pleine ouverture le boisseau présente son conduit dans le prolongement de la conduite extérieure et aucune modification de section n'est apportée à l'écoulement du fluide (figure 2). Au cours de la première partie de la manoeuvre de fermeture (figure 3) les deux atténuateurs sont progressivement introduits dans l'écoulement, et créent une obturation moins importante que celle d'un boisseau obturateur classique placé dans la meme position angulaire. La turbulence est plus fine à l'aval de par la perméabilité offerte par les perforations des étages. Dans la position de la figure 4, le premier étage de chaque atténuateur vient assurer une obturation de plus en plus marquée et constituer deux étages de détente, l'un à l'entrée, l'autre à la sortie du boisseau. L'écoulement est freiné progressivement, et la répartition de la perte de charge entre les deux étages conserve une valeur admissible pour chacun d'eux, vis-à-vis du risque de cavitation. Dans la positon de la figure 5, le deuxième étage de chaque atténuateur vient à son tour assurer une obstruction supplémentaire, toujours progressive, formant ainsi quatre étages de détente. L'écoulement à travers les quatre tôles perforées subit une déperdition étagée et contrôlée de son énergie. Dans la position de la figure 6, l'obturateur ne présente plus de passage à l'écoulement. La vanne est fermée, ltétanchéité totale étant obtenue par une rotation supplémentaire (figure 7), grâce aux joints 20. Par rapport à la vanne à atténuateur connue précédemment décrite, la vanne selon l'invention présente notamment les avantages suivants : 10 - Absence de tout obstable sur le parcours du liquide à travers la vanne ouverte, notamment pour le passage d'engins de nettoyage ou de curage des conduites, ou de débris chariés par le liquide. 20 - le premier étage (28! des deux atténuateurs (12) est mis en travers de tout l'écoulement pour un angle d'ouverture relativement faible (à préciser et vérifier par l'inventeur). Or c'est précisément aux petits degrés d'ouverture que les conditions de non cavitation et ou de faible bruit imposent la mise en action de l'atténuateur. 30 - La diminution de débit est plus progressive à l'approche de la fermeture (à vérifier). L'invention s'applique bien entendu tout aussi bien à d'autres formes de boisseau, par exemple conique, et au cas où les conduites de part et d'autre du boisseau auraient des sections différentes de celle du conduit du boisseau. Dans le cas où le fluide circulant serait un gaz, l'atténuateur contiendrait de préférence, outre des plaques perforées, constituant une enceinte, un feutre ou un amas de grains dans cette enceinte. REVENDICATIONS 1/ Vanne à boisseau avec atténuateur de turbulence comportant : - un corps de vanne (2) raccordable par deux orifices (4) à deux canalisations de part et d'autre de la vanne - et un boisseau (8, 10, 12) présentant une forme de révolution autour d'un axe (18) et pouvant tourner dans le corps autour de cet axe entre une position angulaire d'ouverture et une position angulaire de fermeture, ce boisseau comportant un conduit (8) qui le traverse et dont les deux orifices d'extrémités (9) sont amenées en coincidence avec les deux orifices (4) du corps de vanne lorsque le boisseau est amené en position d'ouverture, la section de ce conduit étant sensiblement constante sur toute sa longueur de manière à permettre une libre circulation de fluide à travers la vanne ouverte, la partie "matérielle" (10, 12) constituant ce boisseau autour de ce conduit (8) venant progressivement obturer les orifices (4) du corps de vanne (2) lorsque le boisseau est amené vers sa position de fermeture, - ce boisseau étant en outre muni d'au moins un atténuateur (12) constitué d'éléments solides perméables fixés à sa partie matérielle de manière à atténuer la turbulence du fluide lorsque le boisseau approche de sa position de fermeture, - cette vanne étant caractérisé par le fait que chaque atténuateur (12) est formé dans la partie matérielle (10, 12) du boisseau à l'extérieur du conduit à section constante (8) à une extrémité de ce conduit, cet atténuateur étant limité par trois surfaces qui sont une surface externe (22) de l'atténuateur constituant une partie perméable de la surface externe de révolution du boisseau (8, 10, 12) dans sa partie matérielle, une surface "imperméable" (24) constituant la limite entre l" atténuateur perméable et la partie imperméable (10) du boisseau constituée par le reste de sa partie matérielle, et une surface perméable interne (26) constituant la limite entre l'atténuateur et l'espace libre intérieur au conduit (8), - l'étendue angulaire de la surface externe de l'atténuateur à partir de l'axe de rotation (18) du boisseau, étant choisie suffi samment petite et le diamètre du boisseau étant choisi suffisamment grand par rapport au diamètre des ouvertures (4) du corps de vanne pour que, lorsque le boisseau est amené en position de fermeture, sa partie imperméable (10) vienne obturer complètement l'un au moins des orifices (4) du corps de vanne. 2/ Vanne selon la revendication~1, caractérisé par le fait que l'atténuateur (12) comporte, à partir de sa surface perméable interne (26), une succession d'étages (28, 30) constitués chacun par une paroi (25, 30) percée de petites perforations (32), et s'étendant chacune de la surface externe (22) à la surface imperméable (24), la surface externe comportant un orifice de grandes dimensions (34, 36) entre chaque étage (28, 30) et entre le dernier étage (30) et la surface imperméable (24), de manière que, lorsqu'on amène progressivement le boisseau en position de fermeture, ces orifices de grandes dimensions soient successivement obturés par le corps de vanne sur le bord d'un orifice (4) de ce corps, pour obliger le fluide à passer à travers les perforations (32) d'un nombre croissant d'étages. 3/ Vanne selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les petites perforations (32) ont chacune une section inférieure au centième de celle des orifices (4) du corps de vanne (2), la section de chacun desdits orifice de grandes dimensions (34, 36) étant inférieure au quart de la section des orifices (4) du corps (2), et, à chaque- étage (30), supérieure à la somme des sections des petites perforations (32) de l'étage au-dessous (28). 4/ Vanne selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le nombre des petites perforations (32) de chaque étage (28, 30) est supérieur à trois. 5/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le diamètre du boisseau (8, 10, 12) est supérieur à 1,6 fois et de préférence voisin de 2 fois celui des orifices du corps de vanne (2), l'étendue angulaire de la surface externe (22) de l'atténuateur (12) à partir de l'axe de rotation (18) du boisseau étant comprise entre 200 et 300 et de préférence voisine de 250. 6/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux atténuateurs disposés symétriquement l'un de l'autre par rapport à l'axe du boisseau.