Brevet FR2549193A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne un système de réglage nouveau et perfectionné pour une vanne de commande opposant une grande résistance au débit du fluide, lui faisant ainsi perdre de l'énergie, en produisant des collisions et un partage du courant du fluide par lesquelles on évite le phénomène de cavitation. La cavitation qui se produit dans les vannes de commande a un effet néfaste se traduisant par l'usure des surfaces internes des vannes. On a cavitation quand la pression à l'orifice de commande chute en dessous de la tension de vapeur du fluide, entraînant la formation de bulles de vapeur. Au-delà de l'orifice de commande, où la pression augmente au-dessus de la tension de vapeur, les bulles de vapeur se résorbent. Les parties intérieures et les composants de la vanne proches de l'endroit où les bulles se résorbent souffrent des effets de la cavitation. Pour l'empacher, on doit énriter que la pression à l'orifice de commande ne chute en dessous de la tension de vapeur.On arrive à ce résultat en fractionnant la chute de pression de la vanne en de multiples chutes de pression, ce qui diminue la chute de pression se produisant à chaque fractionnement. Les concepteurs de vannes utilisent trois techniques de base pour maîtriser ou éliminer les dommages causés par la cavitation. Une première technique consiste à renforcer les surfaces internes de la vanne aux endroits où elle peut se produire. Dans une deuxième technique, on emploie des dispositifs de réglage débit-fermeture qui forcent les jets de fluide en caritatl.on à converger ensemble, la résorption des bulles de vapeur ayant alors lieu en des endroits éloignés des surfaces internes et des composants critiques de la vanne. Avec ces deux techniques, on tente de minimiser et de maîtriser les effets néfastes de la cavitation, mais non de l'éliminer. Par conséquent, ces techniques sont utilisées normalement dans des cas de chutes de pression basses où la cavitation n'est pas aussi importante que dans d'autres cas. Une troisième technique consiste à éliminer le phénomène de cavitation. On utilise des limiteur de courant pour soutenir la pression de sortie de la vanne de commande. Cette technique nécessite la mise en oeuvre d'un fractionnement à l'extérieur de la vanne de commande. Ces vannes sont donc chères et encombrantes. Un ensemble de réglage opposant une résistance au courant du fluide en dirigeant celui-ci à travers des passages d'absorption de l'énergie du fluide à direction axiale est décrit dans le brevet US-A-3 971 411. Des passages radiaux, constitués par des rainures dans un ou plusieurs cylindres, sont illustrés dans les brevets US-A-3 813 079 et 3 987 809. Un ensemble complexe et encombrant pour opposer une résistance au débit est illustré dans le brevet US-A-3 780 767 qui décrit une pluralité. de plaques avec des parties échancrées constituant des chambres de turbulence. Chacun des dispositifs décrits dans les brevets mentionnés ci-dessus définit simplement une technique de résistance au débit du fluide. Chacun met en oeuvre soit une résistance radiale, soit une résistance axiale au débit et est d'abord prévu pour réduire le bruit.En particulier, ces dispositifs ne transforment pas la grande chute de pression globale de la vanne en une pluralité de fractionnements de chutes de pression plus petites pour empêcher la création de bulles de vapeur dans le fluide cor aidé par la vanne. En bref, la présente invention a pour objet une vanne, comportant un corps de vanne avec un conduit d'entrée et un conduit de sortie, un siège de vanne annulaire positionné dans ledit corps de vanne entre ledit conduit d'entrée et ledit conduit de sortie, un noyau de vanne monté déplaçable en translation dans ledit corps de vanne, en contact avec ledit siège de vanne annulaire quand la vanne est fermée, caractérisée en ce qu'elle comporte encore une pluralité de cages disposées dans ledit corps de vanne, une première cage avec une pluralité d'ouvertures et une pluralité d'ailettes dans le sens radial, une seconde cage avec une pluralité d'ouvertures et une pluralité d'ailettes dans le sens radial, une troisième cage avec une pluralité d'ouvertures, ladite pluralité de cages étant diposée dans ledit corps de vanne pour constituer des passages du fluide dans le sens axial entre des cages voisines. La vanne de commande de débit de fluide nowelle et perfectionnée comporte un système de réglage qui empêche la cavitation à l'intérieur de la vanne. Le système de réglage comporte une pluralité de cages concentriques, s'adaptant les unes aux autres, disposées démontables sur le siège de vanne entourant le noyau de vanne. Les cages concentriques sont légèrement espacées les unes des autres pour définir des galeries de passage dans la direction axiale entre les cages voisines. Des ouvertures et des ailettes convenablement placées dans et sur les cages constituent un passage du fluide à grande résistance avec des zones spécialement étagées pour empêcher la pression du fluide de descendre en dessous de sa tension de vapeur. La dimension et l'espacement des ouvertures, ailettes et galeries sont tels qu'à des positions différentes du noyau, un passage du fluide continûment variable donne une répartition de chute de pression convenable pour empêcher la cavitation de se produire dans les phases intermédiaires aussi bien que dans la dernière phase du débit du fluide. Le système de réglage de vanne comporte une zone d'alimentation combinée s'agrandissant continument dans une galerie commune quand on soulève le noyau de vanne. Le passage du fluide a une configuration continflinent variable et une répartition de chute de pression contrastant avec la plupart des autres ensembles de réglage disposés radialement. La combinaison d'ouvertures radiales et d'ailettes permet d'obtenir une collision continuelle et une séparation ultérieure des courants de fluide dans les directions axiale et radiale en meme temps, causant une grande perte d'énergie additionnelle, éliminant donc les risques de cavitation. L'emplacement des ouvertures et des ailettes sur les cages permet d'avoir un plus grand fractionnement pour les positions basses du noyau de vanne, la chute de pression étant la plus forte et la capacité plus grande, et un fractionnement moins grand aux positions hautes, la chute de pression étant moindre. Les deux passages du fluide radial et axial sont en service en positions basses alors que seuls les passages radiaux sont en service en positions hautes. Les zones fractionnées définies par les ouvertures et les ailettes dans les cages concentriques permettent d'obtenir une diminution continuelle de la chute de pression de l'entrée à la sortie des cages 'concentriques, du fait que la sone de débit augmente progressivement. On obtient ainsi la chute d pression la plus basse dans la derniere phase à la cage extérieure. Ceci est un avantage puisque c'est à ce dernier fractionnement de pression que la chute approche le plus le niveau de la tension de vapeur et qu'on a donc le plus de risques de cavitation. Les objets, avantages et caractéristiques nouvelles de la présente invention, ainsi que d'autres, apparattront plus clairement dans la description suivante détaillée d'un exemple de réalisation préféré de l'invention illustré dans les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe verticale d'une vanne de commande réalisée selon les principes de la présente invention, la Fig. 2 est une vue partielle agrandie, en coupe, des cages de la vanne de la Fig. 1 avec un noyau de vanne en position partiellement ouverte, la Fig. 3 est une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la Fig. 2, la Fig. 4 est une vue identique à celle de la Fig. 2, avec le noyau de vanne en position de plus grande ouverture, la Fig. 5 est une vue en coupe selon la ligne 55 de la Fig. 4, la Fig. 6 est une vue identique à celles des Figs. 2 et 4 avec le noyau de vanne en position d'ouverture maximale, et la Fig. 7 est une vue en coupe selon la ligne 7-7 de la Fig. 6. En se référant d'abord à la Fig. 1, on a montré une vanne de commande qui est désignée d'une manière générale par la référence numérique 10. La vanne 10 comporte un corps 12 avec un conduit d'entrée 14 et un conduit de sortie 16. Des brides 15 et 17 sont montées sur le corps 12 près de l'entrée 14 et de la sortie 16, repectivement, pour permettre le raccordement de la vanne 10 à une conduite dans un système de distribution de fluide. A l'intérieur du corps de vanne 12, entre l'entrée 14 et la sortie 16, se trouve une chambre centrale 18 de noyau de vanne. La chambre 18 est en communication avec l'entrée 14 par un passage 20 dans le corps 12 et un orifice 22. La sortie 16 est en communication avec la chambre 18 par un passage 24. La chute de pression dans la vanne 10 se situe approximativement 2 entre 35 et 211 Kg/cm , dans un exemple de réalisation commercial, ce qui peut produire de la cavitation pouvant endommager les surfaces internes du corps de vanne 12. Le débit du fluide dans la vanne 10 est commandé par un noyau de vanne 30, monté déplaçable en translation, disposé à l'intérieur de la chambre 18. L'extrémité supérieure de la chambre 18 comporte un orifice ou ouverture 32 pour permettre l'insertion du noyau de vanne 30 dans la chambre 18. Le noyau de vanne 30 est déplaçé en translation dans la chambre 18 par un organe de commande externe (non montré), mécaniquement relié à la vanne 30 par une tige 34 qui passe dans l'ouverture 32 et qui est fixée au noyau de vanne 30 à l'aide d'une goupille 36.La goupille 36 fournit une liaison amovible entre la tige 34 et le noyau de vanne 30, permettant un démontage facile du noyau de vanne 30 pour le remplacer ou le réparer. Un chapeau de vanne amovible 38 est fixé au corps de vanne 12 par des goujons filetés et des écrous 40 et 42. Un joint métalloplastique 44 entoure l'ouverture 32 et est maintenu en place par le chapeau 38 pour réaliser l'étanchéité entre ce dernier et le corps de vanne 12. La vanne étant en position fermée, Fig. 1, le noyau de vanne 30 est en contact jointif avec un siège de vanne annulaire 46 positionné de façon démontable dans l'ouverture 22. Pour éviter le phénomène de cavitation dans la vanne 10, on prévoit m passage à grande résistance constitué par un ensemble cage de vanne désigné d'une manière générale par la réference numérique 48. L'ensemble cage de vanne n8 comporte une pluralité de cages concentriques, s'adaptant les Ünes aux autres Pans l'exemple de réalisation préféré illustré, il y a trois cages cylindriques 50, 52 et 54 bien qu:un nombre quelconque puisse ttre utilisé en fonction de l'exemple de réalisation choisi. Les cages cylindriques 50, 52 et 54 comportent des ouvertures, des ailettes et des galeries dont l'espacement et la taille sont tels qu'à des ouvertures variables du noyau 30, un passage du fluide continûment variable permette d'obtenir la répartition de chute de pression désirée pour éviter la cavitation. Les cages 50 et 52 comportent des épaulements 56 et 58, respectivement, qui définissent des espaces ou galeries tels que la galerie coaxiale 60 entre les vages 50 et 52 et la galerie coaxiale 62 entre les cages 52 et 5t1 La cage 50 comporte de plus une pluralité de nervures ou ailettes fi4 dans ne partie inférieure.La cage 52 comporte également une pluralité d'ailettes OU nervures 66 dans sa partie inférieure alors que la cage 54 ne comporte pas d'ailettes, Ls passages radiaux à travers la première cage 50 sont constitués par une pluralité d'ouvertures ou orifices 68 sur toute la longueur de la cage 50 correspondant à la plage de trarlslation totale du noyau 30. La seconde cage 52 comporte des ouvertures radiales ou orifices 70 dans sa partie inférieure et dans sa partie supérieure, et une partie pleine 72 entre les deux. La troisième cage 54 a sa partie inférieure pleine et sa partie supérieure comporte une pluralité d'ouvertures 76. Ies cages 50, 52 e-t 54 sont positionnées de façon démontable à l'intérIeur du corps de vanne 12 et sont radialement fixées entre elles par une goupille 78. Le démontage de la goupille 78 permet de tourner la seconde cage médiane 52 par rapport aux première et troisième cages 50 et 54. La rotation de la cage 52 décale angulairement les ouvertures 70 pa rapport aux ouvertures 68 dans la partie la plus basse de la cage 50 (Fig. 3). Par ce décalage, on force le fluide à s'écouler selon un trajet sinueux pour passer dans les ouvertures 70. Le courant du fluide dans les positions basses (Figs. 2 et 3) entre en contact avec les ailettes 64 qui le dirigent dans la galerie coaxiale (60). Quand le fluide est passé dans les ouvertures 70 de la partie inférieure de la cage 52, il entre dans la galerie coaxiale 62.Quand le fluide est passé dans l'ouverture 70 de la partie inférieure de la cage 52, il entrè dans la galerie coaxiale 62, coulant vers le haut devant les ailettes 66, puis il passe dans les ouvertures 76 vers la chambre 18. Cette configuration donne plus de fractionnements améliorant 1 'anti- cavitation. C'est le résultat qu'on veut obtenir puisque c'est pour les positions d'ouverture minimale que la chute de pression et les risques de cavitation sont les plus grands. Si le noyau de vanne 30 est monté approximativement à la moitié de son ouverture (Figs. 4 et 5), un plus grand nombre d'ouvertures 68 sont en service et le fluide dans les parties inférieures des cages 50 et 52 passe par le trajet sinueux déjà décrit. Dans la partie médiane des cages 50 et 52, les ouvertures 70 et 68 sont décalées par rapport aux ouvertures 76 (Fig. 5) et le courant est sensiblement radial. Dans des vannes plus grandes, la zone de débit définie par les ouvertures 70 et 76 peut être sensiblement plus grande que la zone de débit dans la galerie 60 et il y aura un petit débit et une petite chute de pression à travers la partie inférieure de la cage 52. Pour briser le débit dans la galerie 60 de ces vannes plus grandes, une ailette 65 est prévue, qui dirige une partie du débit dans la galerie 60 dans les ouvertures 70 de la partie inférieure de la cage 52, répartissant ainsi plus également la chute de pression totale sur toute la longueur de la cage 52. A pleine ouverture ou position complètement levée du noyau 30 (Fig. 6), les ouvertures 68, 70 et 76 sont toutes en service mais décalées, constituant un trajet radial sinueux de capacité maximale pour le fluide et moins de fractionnement puisque c'est à ce niveau que la chute de pression est la plus faible. En variante, dans les positions les plus hautes, les ouvertures 68, 70 et 76 peuvent être alignées (Fig. 7) et/ou agrandies pour obtenir des débits encore plus grands. Dans les positions basses (Figs. 2 et 3), il y a une chute de pression plus élevée et des risques plus grands de cavitation. Ainsi, des passages du fluide radiaux et axiaux dans ces positions basses sont en service alors que seuls des passages radiaux sont utilisés dans les positions hautes. Dans les positions basses, le seul passage axial est dans la galerie 62. Le débit axial dans la galerie 60 s'y ajoute quand le noyau de vanne 30 est levé en position intermédiaire (Figs. 4 et 5) au-dessus de la dernière ailette pleine 64. Avec cette configuration, on a une augmentation progressive de la zone de débit qui permet d'obtenir la chute de pression la plus petite lors du dernier fractionnement, à la sortie de la cage 54, ce qui est un avantage puisque c'est lors de ce dernier fractionnement que la chute de pression approche le plus le niveau de la tension de vapeur, et qu'on a donc le plus de risques d'avoir de la cavitation. Puisque les zones en galerie 60 et 62 sont toujours traversées par le fluide, il y a toujours une répartition de la chute de pression le long du diamètre extérieur du noyau de vanne 30. Au contraire, les systèmes radiaux antérieurs séparent le courant en passages radiaux individuels à différents niveaux de levage et il n'y a pas de fractionnement de la chute de pression d'après la position de levage du noyau. Ainsi, l'entière chute de pression a lieu sur le côté principal du noyau de vanne, d'où quelques dommages dus à la cavitation sur le côté principal du noyau. REVENDICATIONS 1) Vanne (10) comportant un corps de vanne (12) avec un conduit d'entrée (14) et un conduit de sortie (16), un siège de vanne annulaire (46) disposé dans ledit corps de vanne entre le conduit d'entrée (14) et le conduit de sortie (16), un noyau de vanne (30) monté déplaçable en translation dans le corps de vanne (12), en contact avec le siège (46) quand la vanne est fermée, caractérisée en ce qu'elle comporte encore une pluralité de cages (50, 52, 54) disposées dans le corps de vanne (12), la première cage (50) comportant une pluralité d'ouvertures (68) et une pluralité d'ailettes orientées dans le sens radial (64, 65), la seconde cage (52) comportant une pluralité d'ouvertures (70) et une pluralité d'ailettes orientées dans le sens radial (66), la troisième cage (54) comportant une pluralité d'ouvertures (76), ladite pluralité de cages étant positionnée dans le corps de vanne (12) pour définir des passages du fluide dans le sens axial entre les cages voisines. 2) Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les première, deuxième et troisième cages (50, 52 et 54) sont positionnées de façon mobile dans la chambre interne (18) pour permettre une rotation relative des unes par rapport aux autres. 3) Vanne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une pluralité de cages (50, 52, 54) sont concentriques au noyau de vanne (30) et l'entourent. 4) Vanne selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la première cage (50) comporte des ouvertures (68) sur toute sa longueur correspondant à la plage entière de translation du noyau (30), les ailettes (64) étant disposées sur seulement une partie de la longueur de la cage (50). 5) Vanne selon une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la seconde cage (52) comporte une première et seconde zones avec des ouvertures (70) et une zone pleine entre les première et seconde zones. 6) Vanne selon une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la troisième cage (54) comporte des ouvertures (76) sur seulement une partie de sa longueur. 7) Vanne selon une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la base de chaque cage (50, 52, 54) est en contact avec le siège de vanne annulaire (46), les ouvertures (68) dans la première cage (so) étant disposées sur toute sa longueur, la première cage (50) ayant une partie inférieure et une partie supérieure, les ailettes (64) de la première cage (50) étant disposées sur sa partie inférieure, la seconde cage (52) comportant une partie inférieure, une partie médiane et une partie supérieure, les ouvertures dans la seconde cage (52) se trouvant dans ses parties inférieure et supérieure, la partie médiane étant pleine, la troisième cage (54) comportant une partie inférieure et une partie supérieure, les ouvertures (76) de la troisième cage se trouvant dans sa partie supérieure, sa partie inférieure étant pleine. 8) Vanne selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la première cage de vanne cylindrique (50) est monté démontable sur le siège de vanne (46) entourant le noyau de vanne (30), en ce que la seconde cage de vanne cylindrique (52) est concentrique avec la première cage (50) et montée démontable sur le siège de vanne (46) de telle façon que soit constituée entre elle et la première cage (50) une première galerie (60) coaxiale, les ailettes (64) de la première cage (50) se trouvant dans la galerie (60), et en ce que la troisième cage cylindrique (54) est concentrique avec les première et dewième cages (50, 52) et mon-tée démontable sur le s ège de vanne (46 > de façon à définir une seconde galerie (62) coaxiale entre elle et la seconde cage (52), les ailettes (fi6) de la seconde cage (52) se trouvant dans la seconde galerie (62). 9j Vanne selon une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les ouvertures (68) dans la premiere cage (50) sont décalées angulairement par rapport aux ouvertultes (70) de la seconde cage (52), celles-ci étant alignées avec oelles (76) de la troisième cage (54). 10) Vanne selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une ailette additionnelle (65) dans la partie supérieure de la première cage (50).