Brevet FR2529634A1 — publié le 19840106

La présente invention concerne des vannes bidirectionnelles et en particulier une construction originale de dispositif d'étanchéité ayant des applications dans les vannes à papillon. Les vannes à papillon ont de nombreux avantages par rapport à d'autres types de vannes pour la régulation des débits de fluide, l'avantage le plus important étant la réduction du coût pour le fabricant, la facilité d'ouverture et le faible rétrécissement de la section d'écoulement du fluide en position d'ouverture totale. Cependant, l'utilisation de ces vannes est en général limitée aux applications à basse pression étant donné qu'elles ne peuvent pas assurer une étanchéité importante aux pressions élevées.Dans certaines vannes connues, les joints sont placés dans des gorges formées dans le corps de la vanne et ils sont souvent chassés lorsque la vanne est ouverte, si bien que le fluide peut s'écouler autour du joint. Dans d'autres vannes connues, un fluide à haute pression peut fuir par la vanne en s'écoulant entre le corps et le joint d'étanchéité alors que, dans de nombreuses autres vannes connues, un contact entre le disque et le joint doit être réalisé de manière très serrée afin d'éviter les fuites, à un point tel que l'ouverture de la vanne, surtout lorsqu'elle a un grand diamètre, nécessite un couple important.En outre, dans plusieurs vannes connues, utilisées dans des applications à pression élevée et/ou à température élevée, le dispositif d'étanchéité ou la bague formant un siège perd ses propriétés d'application d'une charge préalable voulue sur la face d'étanchéité de la bague formant siège lorsque la bague se dilate. Dans d'autres vannes à joint flottant, un fluide à haute pression qui pénètre dans la cavité lorsque la vanne est fermée, ne peut pas s'échapper lorsque la vanne est ouverte, si bien que le joint est chassé. Dans d'autres vannes à siège flottant, on a tenté de réduire le couple nécessaire à l'ouverture et à la fermeture du disque obturateur tout en améliorant la retenue de la face d'étanchéité de la bague formant siège lorsque cette bague se dilate, par utilisation de l'application indirecte ou partiell des forces exercées par un fluide sous pression et par un dispositif élastique à la face d'étanchéité. L'invention concerne une vanne bidirectionnelle très perfectionnée qui ne présente pas de fuite et dans laquelle le joint n'est pas chassé lors de la présence de fluides à haute pression, la vanne pouvant être commandée avec un couple relativement faible. L'invention concerne aussi un siège de vanne fiable, de durée exceptionnellement longue, relativement peu coûteux et de remplacement et d'entretien faciles. Elle concerne aussi une vanne bidirectionnelle ayant un dispositif perfectionné d'étanchéité qui met en oeuvre pleinement les avantages de l'application directe des forces dues à la pression du fluide et à un dispositif élastique sur la face d'étanchéité. La vanne bidirectionnelle selon l'invention comporte un corps ayant un passage de circulation de fluide et une cavité à proximité du passage, ayant une surface plane. Une bague de retenue fixée de façon amovible sur le corps a aussi une cavité. Les cavités forment une chambre qui débouche dans le passage et qui a un axe central parallèle à la surface plane du corps de la vanne. La bague de retenue est destinée à maintenir un dispositif d'étanchéité dans le corps. Un obturateur, placé dans le passage afin qu'il puisse pivoter, et ayant une portée périphérique, est destiné à coopérer avec un dispositif d'étanchéité. Le dispositif d'étanchéité a une structure originale comprenant une bague formant siège et un dispositif élastique d'appui. La bague formant siège a une partie externe, une partie interne sensiblement rectangulaire ayant une surface d'étanchéité et une bague d'épaulement disposée des deux côtés, et une partie articulée en L et décalée, reliant les parties interne et externe qui sont ainsi solidaires. La surface d'étanchéité a une gorge circonférentielle de dégagement.La partie en L a une cavité interne destinée au logement d'un dispositif élastique d'appui, si bien que, en présence d'un fluide sous pression agissant sur le dispositif d'étanchéité d'un côté ou de l'autre, un joint étanche au fluide et repoussé dynamiquement est établi entre le dispositif d'étanchéité et la portée périphérique de l'obturateur si bien que les forces exercées par le fluide sous pression et par le dispositif élas- tique d'appui sur la portée périphérique sont sensiblement perpendiculaires à cette portée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe en plan d'une vanne à papillon comportant le dispositif d'étanchéité ou joint selon l'invention, l'obturateur étant représenté en trait plein dans sa position de fermeture et en trait mixte dans sa posi tion d ouverture la figure 2 est une coupe agrandie du joint de la figure 1, lorsqu'il n'est pas soumis à des forces, cette con- dition se présentant lorsque la vanne est ouverte et permet la circulation du fluide la figure 3 est une coupe agrandie du joint de la figure 1 lorsqu'il est dans sa condition de charge préalable, celle-ci ayant lieu lorsque l'obturateur est fermé et lorsque la canalisation n'est pas sous pression la figure 4 est une coupe agrandie du joint de la figure 1 lorsqu'il est soumis à une charge préalable et à une pression, cette condition étant observée lorsque l'obturateur est fermé et lorsqu'il existe une différence de pression de part et d'autre de l'obturateur, c'est-à-dire que du fluide sous pression est placé dans le canal qui est formé d'un côté du dispositif d'étanchéité ; et la figure 5 est une coupe agrandie du joint de la figure 1, le joint étant soumis à une charge préalable et à la pression du fluide, cette condition étant observée lorsque l'obturateur est fermé et lorsqu'il existe une différence de pression de part et d'autre de la vanne, le fluide sous pression exerçant une force du côté du dispositif d'étanchéité opposé à celui qui est représenté sur la figure 4. On se réfère aux dessins et plus précisément à la figure 1 qui représente une vanne portant la référence générale 10 ayant un passage 12 de circulation d'un fluide formé dans un corps 14, la vanne étant placée dans un conduit 18. La vanne 10 peut être fixée dans le conduit par soudage, à l'aide de brides boulonnées ou de toute autre manière connue. Un obturateur tel qu'un disque obturateur 21 ayant une portée périphérique curviligne 22, est représenté en trait plein dans la position de fermeture et en trait mixte en position d'ouverture. Le disque 22 est'fixé à la tige 16 qui en dépasse et il est supporté par le corps 14 de manière que-la tige puisse présenter un déplacement axial La tige 16 a une poigne ou un autre dispositif (non représenté) qui lui est fixé de manière classique afin qu'elle forme un axe autour duquel le disque 21 peut être entraîné en rotation afin que le passage 12 de circula- tion soit ouvert ou fermé. Un dispositif 30 d'étanchéité comprend une bague 31 formant siège et un dispositif élastique d'appui tel qu'un ressort 50, et il est disposé entre le corps 14 et la bague 40 de retenue qui est raccordée de façon amovible sur le corps 14 par des dispositifs de retenue 42, comme représenté.Comme l'axe de rotation du disque 21 ne coln- cide pas avec un axe central passant par la bague 31, le disque a un mouvement excentrique par rapport à la bague 31, si bien que la séparation du disque 21 et de la bague 31 est plus rapide que dans le cas où les axes centraux du disque et de la bague coïncidaient. Cependant, l'invention peut être aussi mise en oeuvre avec coïncidence de l'axe de rotation du disque et de l'axe central de la bague formant siège. Comme l'indique la figure 2, le corps 14 De la vanne a une cavité formée par des surfaces planes 72 et 72A qui sont séparées par une première gorge intermédiaire 76 et par une seconde gorge 78 qui est adjacente à la surface 72. La bague 40 de retenue a une cavité délimitée par les surfaces 82 et 82A juxtaposées aux surfaces 72 et 72A respectivement et séparées par une gorge intermédiaire 86,-la première surface 88 prolongeant la surface 82, mais dans un plan perpendiculaire à celle-ci, alors que la surface 89 prolonge la surface 88, dans un plan qui est pratiquement perpendiculaire à celle-ci. Les cavités précitées du corps 14 et de la bague 40 délimitent-une chambre 60 destinée à loger le dispositif 30 d'étanchéité. Il faut noter que la chambre 60 est disposée de manière que son axe central soit parallèle à la surface plane 72 du corps 14 de la vanne. Le dispositif 30 d'étanchéité comporte une bague 31 formant siège, formée d'une matière qui résiste à la chaleur et aux produits chimiques, par exemple un polymère fluorocarboné, d'uréthanne, ou élastomère, et un dispositif élastique d'appui, par exemple un ressort métallique sans fin 50. La bague 31 formant siège a une partie externe 32, une partie articulée en L 33 et une partie interne 34 qui sont formées en une seule pièce. Lorsque le disque est en position d'ouverture et lorsque la bague de retenue 40 est fixée au corps 14, la partie externe 32 est serrée, de préférence, afin qu'elle soit retenue en place dans la région délimitée par la seconde gorge 78 et la surface 89.Le volume ou la masse de la partie externe 32 est supérieur au volume ou à la masse de la matière qui peut être contenue entre la seconde gorge 78 et la surface 89 placée en regard, si bien que la partie externe est comprimée à l'intérieur et forme un joint étanche à la périphérie. Cette région a de préférence une plus petite dimension le long de l'axe AA' formé par connexion des points de contact de la surface 88 et de la surface 89 d'une part et de la surface 72 et de la seconde gorge 78 d'autre part, afin que la partie externe soit retenue à demeure. Bien qu'un tel mode de réalisation soit avantageux, la partie externe 32 peut avoir toute configuration convenable permettant sa retenue par un dispositif adapté. La partie 33 qui est raccordée à la partie externe 32 dont elle est solidaire, a une cavité 55 destinée à loger le ressort 50 qui exerce des forces antagonistes ou de support sur la structure qui est à son contact et empêche l'affaissement de la partie 33 lorsque des différences de pression sont exercées sur le côté de la bague 31 qui est tourné vers la bague de retenue. La cavité 55 a une surface plane de base 59. La partie 33 est suspendue librement à la partie 32 dans la chambre 60, si bien que les pressions exercées de part et d'autre de la bague 31 provoquent un déplacement des parties 33 et 34 autour de l'axe AA', comme une charnière. La partie 33 a une surface 91 qui est de préférence chanfreinée ou découpée afin qu'une plus grande partie de la chambre 60 soit inoccupée et permette un déplacement libre des parties 33 et 34 autour de l'axe AA', sans obstacle. La partie 33, bien qu'elle soit élastique et flexible, a une configuration en L non conique qui, lorsqu'elle subit une force due au fluide sous pression, prend une forme en arc de cercle. La partie interne 34 qui est solidaire de la partie 33, a une forme sensiblement rectangulaire en coupe, et elle a une surface d'étanchéité 36. La partie interne 34 a des parties annulaires 35 et 37 formant des épaulements qui dépassent dans les gorges 86, 76 et permettent la limitation de la saillie de la bague 31 formant siège dans le passage 12 et empêchant l'éjection de cette bague 31 lorsque le disque est ouvert ou fermé. La surface 36 d'étanchéité a une étendue axiale AD et une gorge circonférentielle 70 est placée dans sa partie centrale axiale. La gorge 70 est limitée axialement par des bords circonférentiels B et C, la distance axiale séparant les bords D et C étant de préférence supérieure aux distances axiales AB et CD disposées de part et d'autre de la gorge. De préférence, les dimensions axiales AB et CD sont égales.La gorge 70 a une dimensionaxiale d'environ 0,25 mm qui doit être égale à la distance de déplacement lorsque le disque vient au contact de la bague d'étanchéité 31. La surface 36 d'étanchéité est de préférence sensiblement parallèle à la surface 56 de base et elle peut avoir une configuration générale sphérique, conique ou autre. Les parties 35 et 37 ont de pré férence une configuration trapézoïdale en coupe. Comme la chambre 60 a une largeur supérieure à celle des parties 33 et 34, des canaux 100, 101 sont formés entre les parties 33 et 34 et les cavités de la bague 40 et du corps 14 respèctivement, si bien que l'introduction de la bague 31 formant siège dans la chambre 60 est facilitée, la mise sous pression ou hors pression de la cavité 55 est facilitée, et les différentes parties peuvent se déplacer librement pendant le fonctionnement de la vanne.Le canal 101 a une dimension axiale supérieure à fois à la dimension axiale du canal 100 et au déplacement axial permis à la tige de commande. Comme l'indique la figure 3, dans la position de fermeture, mais sans application de pression, le disque 21 provoque le coincement de la portée 22 sur la partie interne 34, si bien que la surface d'étanchéité 36 subit une expansion vers l'extérieur et forme deux joints linéaires aux bords circonférentiels B et C dans la zone 110. Sur la figure 4, du fluide sous pression est introduit dans le canal 100. La composante 120 des forces appliquées par le fluide sous pression agit normalement sur les parties 33 et 34 si bien qu'elles pivotent autour de l'axe AA'. Le ressort 50 qui empêche l'affaissement de la partie 33, déplace celle-ci jusqutà ce qu'elle soit totalement comprimée contre la surface plane 72. Le déplacement des parties 33 et 34 provoque un élargissement axial du canal 100 et le contact de la partie interne 34 et de la partie annulaire d'épaulement 37 avec la surface 72A et la gorge 76 respectivement si bien qu'un déplacement plus important de la partie interne 34 n'est plus possible. La composante 122 de forces exercées par le fluide agit radialement sur la partie 33 et repousse celle-ci et le ressort 50 vers le bas, la force étant transmise par la partie interne 34 directement à la surface d'étanchéité 36. Etant donné que la surface plane 72 est parallèle à l'axe central LL de la chambre 60 et que la surface 36 d'étanchéité est parallèle à la surface de base 59, touté la composante 122 de la force exercée par le fluide et la composante 51 de la force exercée par le ressort lorsqu'il n'a pas fléchi, sont exercées directement sur la surface 36 d'étanchéité, et provoquent ainsi l'application d'une charge dynamique aux bords B et C. En conséquence, l'application directe de ces forces provoque une application sensiblement perpendiculaire à la portée 22 au niveau des bords B et C, si bien que l'étanchéité au niveau des deux joints linéaires formés par la portée et les bords B et C est excellente. Sur la figure 5, du fluide sous pression est transmis dans le canal 101. La composante 130 de la force due au fluide agit normalement sur la partie interne 34 et dans la cavité 55 de la partie 33 en provoquant le pivotement des parties 33 et 34 autour de l'axe AA', et l'élargissement axial du canal 101, ainsi que le contact de la surface 91 avec la cavité de la bague 40. La partie interne 34 et la partie annulaire d'épaulement 35 sont en butée contre la surface 82A et la gorge 86 respectivement. La force 130 exercée par le fluide sous pression peut être divisée en composantes 56, 57 et 58. Les surfaces 82, 88 retiennent la partie 33 lorsqu'elle est soumise aux forces correspondant aux composantes 56 et 58 respectivement. La composante 57, de même que la force 51 appliquée par le ressort à l'état non fléchi, sont transmises par la partie interne 34 directement à la surface 36 d'étanchéité, si bien que les bords B et C subissent une charge dynamique accrue par application directe, ces forces étant appliquées en direction sensiblement perpendiculaire sur la portée 22 au niveau des bords B et C, si bien que l'étanchéité au niveau des joints linéaires formés par la portée et les bords B et C est excellente. Lorsque la surface 36 d'étanchéité s'use en cours d'utilisation, les sommets des bords B et C s'usent progressivement et chaque joint linéaire que forme chaque bord avec la portée 22 forme une bande qui s'élargit axialement. Finalement, les deux bandes d'étanchéité se raccordent et n'en forment plus qu'une seule. Plus précisément, le sommet du bord B s'élargit vers l'extérieur, vers A et F, le point central de la gorge 70 alors que le sommet du bord C s'élargit vers l'extérieur, vers D et F. En conséquence, la distance axiale AB est de préférence égale initialement à la distance axiale CD afin quel'étendue axiale des deux bandes d'étanchéité soit pratiquement la même pendant toute la durée d'utilisation de la bague 31. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses élements constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Vanne bidirectionnelle, caractérisée en ce qu'elle comprend A. un corps de vanne (14) ayant un passage de circulation et une cavité à proximité du passage, la cavité ayant une surface plane avec une gorge (-76), B. une bague de retenue (40) entourant le passage et fixée de façon amovible au corps, la bague ayant une cavité qui a une surface ayant une gorge (86), C. une chambre (60) reliée au passage et formée entre les cavités, la chambre ayant un axe central parallèle à la surface plane, D. un obturateur (21) disposé dans le passage afin qu'il puisse pivoter entre une position d'ouverture et une position de fermeture dans lesquelles il permet et empêche respectivement la circulation du fluide, l'obturateur ayant une portée périphérique destinée à être au contact d'un dispositif d'étanchéité, et E. un dispositif d'étanchéité (30) qui comprend - une partie externe (32) destinée à être fixée entre le corps de vanne et la bague de retenue, - une partie articulée en L (33) qui est déca lée mais solidaire de la partie externe, cette partie en L ayant une cavité destinée à loger un dispositif élastique d'appui, la cavité ayant une surface de base - une partie interne sensiblement rectangulai re (34) solidaire de la partie en L, la partie interne ayant une surface d'étanchéité qui est sensiblement parallèle à la surface de base, la partie interne ayant une partie annulaire d'épaulement (35, 37) sur chaque face, la partie annulaire d'épaulement d'une face dépassant dans la gorge du corps et la partie annulaire d'épaulement de l'autre face dépassant dans la gorge de la bague de retenue, et - un dispositif élastique d'appui (50) placé dans la cavité et exerçant des forces de support sur la partie en L afin que celle-ci ne puisse pas s'écraser, - si bien, que lorsque le dispositif d'étanchéité est soumis à la pression d'un fluide, appliquée d'un côté ou de l'autre lorsque l'obturateur est fermé, le parallélisme de la surface plane avec l'axe central et de la surface d'étanchéité avec la surface de base provoque l'application des forces combinées du dispositif d'appui et du fluide sur la partie interne pratiquement en direction perpendiculaire à la portée périphérique, si bien que l'étanchéité de la vanne est excellente. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des deux parties annulaires d'épaulement (35, 37) a une configuration sensiblement trapézoïdale. 3. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie externe (32) est fixée dans une partie de la chambre et a un volume supérieur à celui qui peut être contenu dans cette partie, si bien que la partie externe est comprimée et forme un joint étanche au fluide à sa périphérie. 4. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie en L (33 ) est élastique, flexible et de configuration courbe sensiblement non conique, si bien que, lorsqu'un fluide exerce une pression, la partie en L prend une forme en arc de cercle. 5. Vanne selon la revendication 1 caractérisée en ce que chacune des gorges (76, 86) a une configuration sensiblement trapézoldale. 6. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface d'étanchéité (36) a une gorge circonférentielle (70) de dégagement. 7. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que la gorge de dégagement (70) est dans la position axialement centrale de la surface d'étanchéité, et les parties de surface d'étanchéité qui sont placées de part et d'autre de la gorge ont une dimension axiale identique. 8. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que la gorge de dégagement (70) a une dimension axiale supérieure à celle des parties de surface d'étanchéité qui se trouvent de part et d'autre de la gorge. 9. Vanne bidirectionnelle, caractérisée en ce qu'elle comprend A. un corps de vanne (14) ayant un passage de circulation qui le traverse et une cavité proche du passage, la cavité ayant une surface plane qui a une gorge (76), B. une bague de retenue (40) entourant le passage et fixée de façon amovible au corps, la bague ayant une cavité dont une surface a une-gorge (86), C. une chambre (60) qui communique avec le passage et qui est formée entre les cavités, la chambre ayant un axe central parallèle à la surface plane, D. un disque (21) fixé à une tige et disposé dans le passage afin qu'il puisse pivoter autour de la tige entre une position d'ouverture et une position de fermeture, permettant ou empêchant respectivement la circulation du fluide dans la vanne, le disque ayant une portée périphérique destinée à coopérer avec une gorge de dégagement, E. une tige (16) supportée par le corps et permettant un déplacement axial, et F. un dispositif d'étanchéité (30) qui comprend - une partie externe (32) destinée à être fixée entre le corps et la bague de retenue, - une partie articulée en L (33) qui est décalée et solidaire de la partie externe, la partie en L ayant une cavité destinée à loger un dispositif élastique d'appui, la cavité ayant une surface de base, - une partie interne sensiblement rectangulaire (34) solidaire de la partie en L et ayant une surface d'étanchéité qui a une gorge circonférentielle de dégagement, la surface d'étanchéité étant sensiblement parallèle à la partie de base et la gorge de dégagement étant limitée par deux gorges circonférentielles, la partie interne ayant une première partie annulaire d'épaulement (35) d'un premier côté, dépassant dans la gorge du corps de vanne, et une seconde partie annulaire d'épaulement (37) de l'autre côté, dépassant dans la gorge de la bague de retenue, un canal étant formé entre chaque partie annulaire d'épaulement et la gorge correspondante, si bien que l'étendue axiale du canal formé entre la première partie annulaire d'épaulement et sa gorge est supérieure à la distan ce axiale comprise entre la seconde partie annulaire d'épaule ment et la gorge correspondante, la première distance étant supérieure au déplacement axial possible de la tige, et - un dispositif élastique d'appui (50) placé dans la cavité et exerçant des forces de support sur la partie en L afin que celle-ci ne puisse pas s'écraser, - Si bien que, lorsque l'obturateur est fermé la portée périphérique forme un joint linéaire avec chacun des deux bords circonférentiels, et que, - lorsque le dispositif d'-étanchéité est soumis à la pression du fluide d'un côté ou de l'autre après fermeture de l'obturateur, le parallélisme de la surface plane avec l'axe central d'une part et de la surface d'étanchéité avec la surface de base d'autre part provoque l'application des forces combinées du dispositif d'appui et du fluide agissant sur la partie interne en direction sensiblement perpendiculaire à la portée périphérique, si bien que l'étanchéité de la vanne au niveau des deux joints linéaires est excellente.