Brevet FR2538068A1 — publié le 19840622

La presente invention concerne un robinet bidirectionnel ou unidirectionnel à boisseau sphérique plus particulièrement destiné aux conduites de grande section véhiculant des fluides gazeux et liquides à haute pression. On entend généralement par grande section des sections supérieures au diamètre de 150 mm et par haute pression des pressions supérieures à 100 bars. Le domaine d'application de l'invention n'est toutefois pas limité à ces conditions d'emploi. Dans les robinets bidirectionnels et unidirectionnels de types connus, le corps creux du robinet est raccordé à la conduite par deux tubulures dont les axes respectifs sont confondus, ou perpendiculaires et concourent au centre d'un boisseau sphérique comportant un passage interne rectiligne ou coudé et un arbre de commande disposé de façon telle dans le boisseau sphérique et dans le corps que par rotation on réalise l'ouverture du robinet ou sa fermeture par des moyens d'étanchéité qui ne sont actifs que du côté d'une seule des tubulures. Ce mode de réalisation présente des inconvénients à savoir que, en position de fermeture du robinet le fluide exerce sa pression sur une seule portion de la face périphérique du boisseau sphérique et que celui-ci reçoit en plus de la part des moyens d'étanchéité une charge de même sens qu'il convient de moderer pour éviter la détérioration de l'étanchéité au cours des manoeuvres de rotation. Cette charge totale reçue par le boisseau sphérique et transmise à l'arbre de commande doit être supportée par des tourillons de grande section coopérant avec des paliers coûteux et encombrants s'ils sont sur roulements ou à des coussinets à coefficients de frottement plus élevés. Le boisseau sphérique transmet également à l'arbre de commande une charge axiale propor tionnellè à la section libre de l'arbre de commande. La présente invention qui a pour but de remédier à ces inconvénients est caractérisée en ce que le robinet bidirectionnel ou unidirectionnel comporte Un corps creux présentant deux tubulures de raccordement à la conduite respectivement selon un premier axe de la tubulure d'arrivée ou de départ et selon un deuxième axe de la tubulure de départ ou d'arrivée, ces axes respectifs rectilignes se coupant à angle droit à l'intérieur du corps creux. Un boisseau sphérique présentant une face périphérique de forme générale sphérique et comportant un passage coudé à angle droit, de même section droite que celles des deux tubulures, selon deux tronçons dont les axes perpendiculaires, dits un troisième axe et un quatrième axe concourent au centre du boisseau sphérique qui est traverse d'une part, par un premier canal de plus petite section que celle du passage coudé à angle droit et contigü à celui-ci, reliant les portions de la face périphérique du boisseau sphérique voisines de son axe perpendiculaire au plan du passage coudé à angle droit et d'autre part par un deuxième canal de petite section sensiblement égale à celle du premier canal reliant le passage coudé à angle droit à la portion centrale en forme de disque, de la face périphérique du boisseau sphérique, antagoniste et de même diamètre que l'orifice du passage coudé à angle droit situé selon le quatrième axe. - le boisseau sphérique étant disposé dans le corps creux du robinet dans une position telle que le deuxième axe et le troisième axe coincident et dans laquelle le premier axe passe par le centre du boisseau sphérique - des bagues d'étanchéité coaxiales avec le premier axe sont disposées en antagonisme de part et d'autre du boisseau sphérique dans une chambre cylindrique de révolution coaxiale avec le premier axe et obturée par un tampon du côté oppose à la première tubulure, pour coopérer d'une part avec la face interne du corps creux et avec la face interne -du tampon et d'autre part avec des portions antagonistes de la face périphérique du boisseau sphérique - des moyens de guidage et de rotation du boisseau sphérique sont constitués par un couvercle solidaire du corps creux et alésé selon le deuxième axe pour recevoir un arbre de commande, positionné axialement dans son mécanisme de commande en rotation ou dans le couvercle, claveté coulissant par une clavette dans un alésage du boisseau sphérique coaxial avec le troisième axe, et débouchant dans le passage coudé à angle droit, ces moyens étant tels qu'en position d'ouverture du robinet le premier axe et le quatrième axe coincident pour établir la communication entre les deux tubulures par l'intermédiaire du passage coudé à angle droit et qu'en position de fermeture le premier axe et le quatrième axe soient perpendiculaires pour interrompre la dite communication. On conçoit que par ces agencements, le boisseau sphérique coulissant sur l'arbre de commande ne reçoit pas de charge axiale selon l'axe de l'arbre de commande et que les deux canaux de petite section, sensiblement perpendiculaires entre eux mais non sécants permettent, en reliant des portions antagonistes de la face périphérique du boisseau sphérique soumises deux à deux et simultanément soit à la pression amont soit à la pression aval, d'annuler sur le boisseau sphérique les charges qu'elles reçoivent du fluide amont ou aval. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront à titre non limitatif de la description ci-dessous et des dessins annexés qui en font partie. Fig. I : Coupe du robinet bidirectionnel en position d'ouverture, selon l'invention, passant par l'axe de la conduite et par l'axe de l'arbre de commande selon la ligne I,I de la figure 2. Fig. 2 : Coupe selon la ligne II, II de la figure I passant par le canal (46) Fig. 3 : Coupe selon la ligne III, III de la figure I passant par les canaux (52) et (53) En se référant à la figure I, on voit que le robinet bidirectionnel comporte un corps creux (I) présentant une cavité cylindrique de révolution (58), coaxiale d'une part avec le raccordement au corps (I) de la tubulure (2) de 1 D'une part le premier groupe constitué par les bagues-d'étanchéité (4) et (II) identiques et antagonistes, alésées au diamètre de la tubulure (2), qui, en position de fermeture du robinet, reçoivent du fluide amont venant de la tubulure (2), directement ou par l'intermédiaire du canal de petite section (43), des charges différentielles qui les appliquent sur le boisseau sphérique (3) selon des cercles de contact (24) et (25) respectifs générés par le contact de portions coniques (22) et (23) de leurs faces en vis à vis du boisseau sphérique (3), les charges différentielles provenant de la pression du fluide appliquée-sur des couronnes libres transversales des bagues d'étanchéité (4) et (II) délimitées par le diamètre intérieur des joints d'etanchéité (6) et (13) et le diamètre plus petit des cercles de contact (24) et (25).Mais, dans le cadre de l'invention, les bagues d'étanchéité (4) et (II) comportent, en plus-, des portions circulaires de paroi finement tolérancées (26) et (27) respectivement qui affleurent la face périphérique du boisseau sphérique (3) en position de fermeture du robinet de façon à conformer des chambres semi-étanches en couronne (28) et (29) respectives isolées du fluide amont. D'autre part le deuxième groupe constitué par des bagues d'étanchéité (5) et (10) identiques et antagonistes, alésées à jeu au diamètre extérieur des bagues d'étanchéité (4) et (II). En position de fermeture du robinet elles reçoivent du fluide amont venant la tubulure (39) et occupant le volume interne du robinet situe de part et d'autre de l'arbre de commande (17) des charges différentielles qui les appliquent sur le boisseau sphérique (3) selon les cercles de contact (32)et (33) respectifs générés par le contact de portions coniques (30) et 31) de leurs faces en vis à vis du boisseau sphérique (3), ces charges différentielles provenant de la pression du fluide appliquée sur des couronnes libres transversales des bagues d'étanchéité (5) et (10) delimitées par le diamètre intérieur des joints d'étanchéite (7) et (14) plus grand que le diamètre des cercles de contact (30) et (31). Mais, dans le cadre de l'invention, les bagues d'étanchéité (5) et (10) comportent, en plus, des portions circulaires de paroi finement tolérancées (34) et (35) respectives qui affleurent la face périphérique du boisseau sphérique (3) en position de fermeture du robinet, de façon à conformer des chambres semi-étanches en couronne (36) et (37) respectives isolées du fluide amont. La création de ces deux paires de chambres semi-étanches; antagonistes va permettre d'introduire le fluide amont dans la paire assurant 1- 'étanchéité de fermeture et de décharger les deux cercles de contact correspond;ants avant le début et après la fin de toute manoeuvre de rotation et plus partTeuliè- rement dans la portion du cycle de rotation voisin de la position de feirme- ture du robinet. Les moyens actuellement préférés pour réaliser avant le début et après la fin de toute manoeuvre l'introduction du fluide amont dans les chambres semi-étanches sont dessinés dans la figure I et détaillés quant à leurs orientations dans les figures 2 et 3. En se référant à ces trois figures, on voit que les joints (44) et (45) situés entre l'arbre de commande (17) et le boisseau sphérique (3) délimitent un tronçon étanche dans lequel deux canaux (46) et (47), dont la section est voisine de la section de fuite des chambres semi-étanches (28) (29) (36) (37), traversant l'arbre de commande (17) et le boisseau sphérique (3) pour déboucher symétriquement sur la face périphérique du boisseau sphérique (3) dans une zone orientée à sensiblement 600 par rapport au plan du passage coudé à angle droit (38) et dans des plans superposés perpendiculaires à l'arbre de commande (17), à savoir, d'une part, pour le canal (46) le plan perpendiculaire à l'arbre de commande (17) coupant les chambres semi-étanches en couronne (36) et (37) au voisinage les portions circulaires de paroi finement tolérancées (34) et (35) les plus proches de l'alésage du boisseau sphérique (3) qui reçoit l'arbre de commande (17) et d'autre part, pour le canal (47) le plan perpendiculaire à l'arbre de commande (17) coupant les chambres semi-étanches en couronne (28) et (29) au voisinage des portions circulaires de paroi finement tolérancées (26) et (27) les plus proches de l'alésage du boisseau sphérique (3) qui reçoit l'arbre de commande (17).Le canal (46) communique avec un canal (48) de même section, interne à l'arbre de commande (17) et débouchant dans une chambre en secteur (50) de même section conformée sur la paroi extérieure de l'arbre de commande (17) et communicant sur une rotation d'au moins 90" avec un canal (52) de même section traversant le couvercle (19) et relié par une vanne extérieure au robi à une portion du volume interne du robinet recevant le fluide amont venant de la tubulure (39).Le canal (47) communique avec un canal (49) de même section interne à l'arbre de commande (17) et débouchant dans une chambre en secteur (51) antagoniste à la chambre en secteur (50) et de même section conformée sur la paroi extérieure de l'arbre de commande (17) et communicant sur une rotatif d'au moins 90" avec un canal (53) de même section traversant le couvercle (19) et relié par une vanne extérieure au robinet à une portion du volume interne du robinet recevant le fluide amont venant de la tubulure (2). A ce statde de l'exposé, on remarque que les deux lignes de canaux partant des canaux (46) et (47) sont indépendantes, en négligeant la faible section de communication due au jeu existant entre l'arbre de commande (17) et l'alésage du boisseau sphérique (3), et que dans un robinet unidirectionnel on peut choisir l'une ou l'autre de ces lignes de canaux, par exemple la ligne de canaux partant du canal (46) si la tubulure (390) est en amont et la ligne de canaux partant du canal (47) si la tubulure (2) est en amont. Dans les figures 2 et 3, le boisseau sphérique (3) et son arbre de commande (17) solidaires en rotation sont représentés en position d'ouverture du robinet et la flèche indique le sens de la rotation de 90" pour le fermer. Les bandes (54) (55) (56) et (57) représentent les projections simplifiées des largeurs de chambres semi-étanches (28) (29) (36) et (37) respectives et elles vont permettre de décrire la coopération des éléments qui concourent à décharger les cercles de contact (25) (26) (32) et (33) respectifs pendant les manoeuvres de rotation du boisseau sphérique (3). Dans la position d'ouverture du robinet représentée dans la figure 2, on constate que les canaux (46) et (47) ne débouclent pas dans les chambres semi-étanches (28) (29) (36) et (37), mais celles-ci sont déjà remplies du fluide amont qui y a pénétré directement à la fin du cycle précédant la position d'ouverture totale du robinet. L'ouverture simultanée des deux vannes extérieures au corps du robinet avant le début de la manoeuvre de fermeture est inopérante puisque les deux lignes de canaux partant des canaux (46) et (47) sont deja remplies de fluide et les bagues d'étanchéité (4) (5) (10) et (11) n'exercent sur le boisseau sphérique que leurs charges d'assise. Apres quelques degrés de rotation le contour de l'orifice (42) du boisseau sphérique (3) situé en position d'ouverture du robinet vis à vis de la tubulure et le contour de la paroi circulaire en forme de disque (41) franchissent simultanément les cercles de contact (24) et (25) respectifs et le fluide en circulation est alors directement admis dans les chambres semi-étanches (28) (29) (36) et (37). Cette situation se poursuit pendant une portion de cycle de rotation voisine de 20 , c'est-à-dire jusqu'au moment ou les canaux (46) et (47) arrivent en vis des chambres semi-etanches (36) et (37) et (28) et (29) -respectives. Pendant tout le reste du cycle de rotation de 900 les deux vannes extérieures au robinet alimenteront en fluide amont les chambres semi-étanches appartenant au groupe de bagues d'étanchéité soumises au fluide amont et en fluide aval les chambres semi-etanches appartenant au groupe de bagues d'étanchéité soumise au fluide aval, ceci ayant pour effet de'ne conserver sur les cercles de contact que des charges voisines des charges d'assise des bagues d'étanchéité, une fois atteinte la position de fermeture du robinet, la fermeture simultanee des deux vannes extérieures au robinet entrainera le vidage des chambres semi-etanches et les deux bagues d'étanchéité soumises au fluide amont appliqueront sur le boisseau sphérique des charges d'étanchéité égales et antagonistes sur les cercles de contact respectifs. Le cycle d'ouverture du robinet débutera par l'ouverture préalable des deux vannes extérieures au robinet et le fluide amont reintroduit dans les chambres semi-étanches appartenant aux bagues d'etancheite soumises au fluide amont ramènera la charge sur les cercles de contact appartenant aux bagues d'étanchéité soumises au fluide amont à une valeur voisine des charges d'assise des dites bagues d'étanchéité. REVEN3IC..ETIONS I - Robinet bidirectionnel ou unidirectionnel à boisseau sphérique du type comportant un corps creux raccordé à la conduite par deux tubu lures dont les axes respectifs sont confondus ou perpendiculaires et ooncourent au centre àtun boisseau sphérique comportant un passage interne rectiligne ou coude et un arbre de commande disposé de façon telle dans le boisseau sphérique et dans le corps que par rotation on réalise l'ouverture du robinet ou sa fermeture par des moyens d'é- étanchéité qui ne sont actifs que du côté d'une seule des tubulures. caractérisé en ce qu'il comporte : un corps creux (I) présentant deux tubulures de raccordement à la conduite respectivement selon un pre mier axe de la tubulure (2) d'arrivez ou de depart et selon un deu xième axe de la tubulure (39) de part ou d'arrivée, ces deux axes se coupant à angle droit à l'intérieur du corps creux (I), - un boisseau sphérique (3) présentant une face périphérique de forme générale sphérique et comportant un passage coudé à angle droit (38) de même section miroite que celles des deux tubulures (2) et (3r;; se lon deux tronçons dont les axes perpendiculaires, dits un troisième axe et un quatrieme axeras centre dU boisseau spnerique t) qui est traversé d'une part, par un premier canal de plus petite section (43) que celle du passage coudé à angle droit (38) et contigü à celui-ci, reliant les portions de la face periphrique du boisseau spherique (3) voisines de son axe perpendiculaire au plan du passage coudé à angle droit (38) et d'autre part, par un deuxième canal de petite section (40), sensiblement égale à celle du premier canal (43), reliant le passage coudé à angle droit (383 à la portion centrale en furme de disque (41) de la face périphérique du boisseau sphérique (38), antagoniste et de meme diamètre que l'orifice du passage coudé à angle droit (38) situé selon le quatrième axe. - le boisseau sphérique (38) étant disposé hans le corps creux (I) dans une position telle que le deuxième et le troisième axe coincident et dans laquelle le premier axe passe par le centre du boisseau sphérique (3), - des bagues d'étanchéité (4)(II) et/ou (5)(in) selon que le robinet est bidirectionnel ou unidirectionnel, coaxiales après le premier axe sont disposées en antagonisme dans une chambre cylindrique de rvolu- tion (58) coaxiale avec le premier axe et obturée par un tampon (I2) du coté opposé à la première tubulure (2), pour coopérer, d'une part avec la face interne du corps creux (I) et d'autre part avec des portions antagonistes de la face périphérique du boisseau sphérique (3). - des moyens de guidage et de rotation du boisseau sphérique (3) sont constitués par un couvercle (I9) solidaire du corps creux (I) et alésé selon le deuxième axe pour recevoir un arbre de commande (I7), positionné axialement dans son mécanisme de commande ou dans le couvercle (lu), claveté coulissant par une clavette (I8) dans un alésage du boisseau sphérique (3) coaxial avec le troisième axe, et débouchant dans le passage coudé à angle droit (38), ces moyens étant tels qu'en position d'ouverture du robinet le premier axe et le quatrième axe coïncident pour établir la communication entre les deux tubulures par l'intermédiaire du passage coudé à angle droit (38) et qu'en position de fermeture le premier axe et le quatrième axe soient perpendiculaires pour interrompre la dite communication. 2 robinet unidirectionnel selon la revendication I et destiné à une conduite dans laquelle la tubulure (2) est en amont caraotérisé en ce qu'il comporte - deux bagues d'étanchéité (4) et (II) coaxiales avec la cavité cylindrique de révolution (58), identiques et antagonistes, situées de part et d'autre du boisseau sphérique (3), alésées au même diamètre que celui de la tubulure (2) de la conduite et coopérant respectivement, d'une part avec la face interne du corps creux (I) et avec la face interne du tampon (I2) au moyen de ressorts de compression (8) et (I6) respectifs et au moyen de joints coulissants (6) et (I4) respectifs et d'autre part, avec la face périphérique (3) selon des cercles de contact (24) et (25) respectifs, de plus petits diamètres que les diamètres intérieurs des joints coulissants (6? et (I4) res pectifs, générés par le contact des portions circulaires coniques (22) et (23) de leurs faces en vis à vis du boisseau sphérique (3) les dites bagues d'étanchéité (4) et (II) comportant sur les faces en vis à vis du boisseau sphérique (3) des portions circulaires de paroi finment tolérancées (26) et (27) respectives, concentriques aux cercles de contact (24) et (25) respectifs et de plus grand diamètre que ceux-ci, et qui affleurent la face périphérique du boisseau sphérique (3), afin de conformer vis à vis de la face périphérique du boisseau sphérique (3) en position de fermeture du robinet des chambres semi-étanches en couronne (28) et (29) respectives. 3 robinet bidirectionnel selon les revendications I et 2 caractrisé en ce qu'il comporte - deux bagues d'etanchéité (5) et (IO) coaxiales avec la cavité cylin drique de révolution (58), identiques et antagonistes, situées de part et d'autre du boisseau sphérique (3), alésées à jeu au diamètre extérieur des bagues d'étanchéité (4) et (II) respectives et coopé rant respectivement, d'une part1 avec la face interne du corps creux (I) et avec la face interne du tampon (I2) au moyen de ressorts de compression (9) et (15) respectifs et au moyen de joints coulissants (7) et (I3) respectifs et d'autre part, avec la face périphérique 'lu boisseau sphérique (3) selon des cercles de contact (32) et (33) res pectifs, de plus grands diamètres que les diamètres intérieurs des joints coulissants (7) et (I3) respectifs, générés par le contact des portions circulaires coniques (30) et (31) respectives de leurs faces en vis à vis du boisseau sphérique (3), les dites bagues d'étanchéité (5) et (Io) comportant sur leurs faces en vis à vis du boisseau sphé rique (3) des portions circulaires de paroi finement tolérancées (34) et (35) respectives, concentriques aux cercles de contact (32) et (33) respectifs et de plus petits diamètres que ceux-ci et qui affleu rent la face périphérique du boisseau sphérique (3), afin de confor mer vis à vis de la face périphérique du boisseau sphérique (3), en position de fermeture du robinet des chambres semi-étanches (36) et (37) respectives. 4 robinet uniPirectionnel selon les revendications I et 2 caractérisé en ce qu'il comporte - un boisseau sphérique (3) dont l'alésage qui reçoit l'arbre de com mande (I7) est étanché par deux joints (44) (45) en étage, disposés dans la zone voisine de la clavette (I8) et créant entre eux un tron çon étanche cans lequel un canal (47) traverse à la fois l'arbre de commande (17) et le boisseau sphérique (3) pour déboucher symétrique ment sur la face périphérique du boisseau sphérique (3) dans les zo nes orientées à sensiblement 600 par rapport au plan du passage cou dé à angle droit (38) et situées dans le plan perpendiculaire à l'ar bre de commande (I7) passant dans les chambres semi-étanches en cou ronne (28) et (29) dans leur portion la plus voisine de orifice de l'alésage du boisseau sphérique (3) qui reçoit l'arbre de commande (I7) et au voisinage des cercles de contact (24) et (25), le dit ca nal (47) communicant avec un canal longitudinal (49) interne à l'ar bre de commande (I7) et débouchant dans une chambre en secteur (5I) conformée sur la paroi de l'arbre de commande (I7) pour communiquer sur une rotation de 900 avec un canal (53) traversant le couvercle (19) et relié par une vanne extérieure au robinet à une portion (tU volume interne du robinet remplie du fluide amont venant de la tubu lure (2). 5- RobinetJbidirectionnel selon l'ensemble des revendications précéden tes caractérisé en ce qu'il comporte - un boisseau sphérique (3) dont l'alésage qui reçoit l'arbre de com mande (I7) est étanché par deux joints- (44) et (45) en étage, dispo sés dans la zone voisine de la clavette (I8) et créant entre eux un tronçon étanche dans lequel un canal (46) traverse à la fois l'arbre de commande (I7) et le boisseau sphérique (3) pour déboucher symétri quement sur la face périphérique du boisseau sphérique (3) dans des zones orientées à sensiblement 600 par rapport au plan du passage coudé à angle droit (38) et situées dans le plan perpendiculaire à l'arbre de commande (I7) passant dans les chambres semi-étanches en couronne (36) et (37) dans leur portion la plus voisine de l'orifice de l'alésage du boisseau sphérique (3) qui reçoit l'arbre de comman de (I7) et au voisinage de leurs parois circulaires finement tolé rancées (34) et (35), le dit canal (46) communicant aveo un canal longitudinal (48) interne à l'arbre de commande (I7) et débouchant dans une chambre en secteur (50) conformée sur la paroi de l'arbre de commande (I7) pour communiquer sur une rotation de 900 avec un canal (52) traversant le couvercle (I9) et relié par une Banne exté rieure au robinet à une portion du volume interne du robinet remplie de fluide amont venant de la tubulure (39).