Brevet FR2617562A1 — publié le 19890106

La présente invention se rapporte aux vannes pour. fluide sous haute pression, plus précisément aux vannes à clapet destinées par exemple à être utilisées dans des canalisations pour. eau de chaudiere. La pression dans les canalisations est de l'ordre de 20 MPa et la température peut atteindre 350-C. On connait des vannes à clapet susceptibles d'interrompre 1 écoulement d'un fluide sous haute. pression. Ces vannes sont généralement à commande électromagnétique comportant un électro-aimant dont la puissance est directement proportionnelle à la pression régnant dans la canalisation et aux forces antagonistes à vaincre pour assurer les manoeuvres de fermeture et d'ouverture du clapet. Pour qu'une vanne ar réte complétement la circulation du fluide. il faut que le clapet soit appliqué fortement contre son siège ge, ce qui demande aussi des organes de commande exer çant des forces très élevées sur le clapet. Une très haute pression exige ainsi un électro-aimant très puissant, donc très couteux et très volumineux. Les vannes connues sont en outre généralement munies de tiges de commande et de guidage dont les sorties posent des problèmes d'étanchéité au niveau des presse-étoupes. Afin d'éviter les phénomènes de cavitation entrainant une rapide destruction des clapets et des sièges. il existe des vannes conçues de façon à provoquer une chute de la pression du fluide, mais ces vannes ne peuvent pas être utilisées dans le cas où une perte de charge importante est inacceptable. L'invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients en fournissant un ensemble de vanne à clapet qui produise une fermeture fiable de la canalisation dans laquelle la vanne est disposée et qui puisse être manoeuvrée à l'aide d'un système de com mande à faible énergie. La vanne selon invention profite de la haute pression pour sa fermeture, mais également pour son ouverture et ne cause pas de cavi tations ni de perte de charge importante. L'invention a pour objet un ensemble de van ne à clapet pour fluide sous haute pression comportant un corps muni d'une ouverture -amont et d'une ouverture aval et d'un clapet mobile disposé à l'intérieur du corps, ledit clapet pouvant être déplacé pour venir en butée contre un siège prévu dans le corps, caractérisé en ce qu il est pourvu de moyens de commande de fermeture du clapet sous l'effet de la haute pression, de moyens de eutallsation des moyens de commande de fermeture du clapet et de moyen-s de commande d'ouver ture du clapet sous l'effet de la haute pression. Suivant d'autres caractéristiques de l'in vention - Les moyens de commande de fermeture et de commande d'ouverture du clapet sous l'effet de la haute pression sont agencés dans un noyau central fixé à l'intérieur du corps de façon à former dans celui-ci un passage annulaire pour le fluide. - Les moyens de commande de la fermeture du clapet comportent un cylindre managé dans le noyau, un piston monté coulissant dans le cylindre et dont la tige porte le clapet, une chambre principale définie par le cylindre et par une grande surface radiale de la tête du piston et un canal ménagé dans le cylindre pour mettre en communication la chambre principale avec le fluide en amont du clapet. - Les moyens de commande de 1 ouverture du clapet comporte une chambre auxiliaire définie par le cylindre, la tige, une petite surface radiale du pis ton et par un épaulement de guidage de la tige ménagé dans le cylindre et au moins un trou de mise en communication de la chambre auxiliaire avec le fluide en amont du clapet. - Les moyens de neutralisation des moyens de commande de fermeture comportent un conduit d'une section plus grande que ledit canal, ce conduit mettant en communication la chambre principale avec le fluide en aval du clapet, et une vanne de commande ménagée dans le conduit. - Les moyens de commande de la fermeture du clapet comportent en outre un ressort hélicoïdal dont l'une des extrémités prend appui contre le fond d'un alésage traversant le piston et s'étendant sur une partie de la longueur de la tige, et dont 1 autre extrémité prend appui contre le fond d'un alésage correspondant ménagé dans le cylindre. - La tige du piston et le clapet sont- d'un seul tenant. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descripton qui va suivre faite en référence au dessin annexé sur lequel - la Figure 1 est une vue en coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'une vanne conforme à l'invention dans sa position fermée - La Figure 2 est une vue en coupe verticale de la meme vanne que dans la f-igure 1 dans sa position ouverte. - La Figure 3 est une vue en coupe verticale d'un second mode de réalisation d'une vanne conforme à l'invention dans sa position fermée; Les Figures 1 et 2 montrent un mode de réalisation préféré de l'invention avec les parties mobiles en différentes positions, c'est-à-dire entièr ment fermée ou respectivement entièrement ouverte. La vanne à clapet 1 a, de préférence, la forme d'un corps de révolution et comporte un corps 2 constitué par une pièce amont 2a et par une pièce aval 2b. La pièce amont est pourvue d'une ouverture centrale 3 reliée à un tronçon de canalisation 4 et la pièce aval est, de la meme façon, munie d'une ouverture centrale 5 opposée à l'ouverture de la pièce amont et reliée à un autre tronçon de canalisation 6. Le fluide sous haute pression -peut circuler dans le sens indiqué par la flèche F à travers un passage central 7 formé dans les deux pièces et reliant les deux ouvertures opposées. Ce passage s'élargit vers le centre du corps 2 pour des raisons qui seront expliquées plus loin. La pièce amont est réunie à la pièce aval à l'aide de goujons 8 régulièrement répartis qui traversent la pièce aval et coopèrent avec des trous taraudés correspondants percés dans la pièce amont. Les goujons 8 sont, à leurs extrémités faisant saillie de la pièce aval, munis de rondelles 9 et d'écrous 10 sollicitant la partie aval vers la partie amont. Cette liaison est de préférence complétée par une soudure aux périphéries adjacentes des deux pièces. La soùdure améliore en même temps l'étanchéité du joint, cette étanchéité étant en outre assurée par un joint torique 11 logé entre les deux pièces dans un évidement circulaire 12. Un noyau central 13 en forme de corps de révolution est disposé coaxialement au corps 2 dans la partie la plus large du passage 7. Ses dimensions sont telles qu'elles laissent un passage annulaire 14 entre la face externe du noyau et la paroi du corps 2. Le noyau central 13 est- fixé à la paroi du corps 2 à l'aide de supports 15 sous forme d'ailettes réguli rement réparties sur la périphérie de la partie inférieure du noyau. Le noyau central comporte un élément cylindrique 16 comportant un alésage qui est, à son extrémité amont, fermé par un couvercle ogival 17 ayant son sommet dirigé vers l'ouverture amont 3. Ce couvercle 17 est, à sa base, pourvu d'un épaulement 18 délimité par une portion axiale cylindrique filetée 19 destinée, à coopérer avec un taraudage 20 à l'extrémité amont du cylindre 16. Le couvercle 17 est de préférence immobilisé contre le cylindre par une soudure circulaire continue qui, en même temps, assure l'étanchéité du joint. Le noyau central comporte en outre un piston 21 monté coulissant dans le cylindre 16. Le piston est pourvu d'un segment 22 assurant l'étanchéité dans l'interstice entre le segment et le cylindre. La partie aval du piston constitue une tige 23 d'un seul tenant avec le piston. Entre la tète du piston 21 et la tige est formé ainsi un épaulement circulaire 21a dont la surface radiale est plus petite que la surface radiale opposée 21b de la tete du piston. La tige 23 est guidée par la portion aval du cy -lindre 16 à partir d'un épaulement 16La, cette portion ayant ainsi un plus petit diamètre que celui de la portion amont servant comme guidage au piston. L'ex- trémité libre de la tige 23 est de forme ogivale et constitue un clapet 24 d'obturation dont une surface circulaire est destinée à pouvoir venir en appui contre une surface circulaire complémentaire 25a d'un siège 25 ménagé dans la pièce aval 2b du corps 2 afin d'obstruer le passage au fluide. Le siège 25 est, de préférence, réalisé comme une pièce séparée en un matériau plus dur que le reste du corps 2. L'extrémité du clapet peut aussi avantageusement être recouverte d'une couche du meme matériau. Le siège est retenu contre le corps 2 à l'aide d'une pièce d'assemblage 26. Un joint torique 27 est disposé entre le siège 25 et le corps 2. Le noyau central 13 comportant le cylindre 16, le couvercle 17 et le clapet 24 constitue un ensemble avec un profil hydrodynamique tel qu'il assure une perte de charge minimale dans la vanne. Le piston 21 et la tige 23 sont pourvus d'un alésage axial 28 traversant le piston et s'étendant sur une partie de la longueur de la tige. Cet alésage est destiné à loger un ressort hélicoïdal 29 dont l'une des extrémités prend appui contre le fond de cet alésage et 1 autre extrémité contre le fond d'un alésage axial correspondant 30 ménagé dans le couvercle 17. Le ressort hélicoïdal 29 sert à faciliter la fermeture du clapet 24 en le sollicitant vers son siège. Le piston 21 et le cylindre 16 délimitent avec le couvercle 17 une chambre principale 31 et, avec la tige 23, l'épaulement 16a et l'épaulement 21a, ils déliment une chambre auxiliaire 32. Le couvercle17 est pourvu d:un canal axial 33 mettant la chambre principale 31 en communication avec le passage en amont du clapet. Un deuxième canal, ou conduit, 34 met la chambre principale 31 en communication avec le passage en aval du clapet. Le conduit 34 a une section transversale sensiblement plus grande que celle du canal axial 33 et s'étend à partir d'un orifice 35 ménagé dans la paroi du cylindre 16 à proximité du couvercle 17. Il traverse la paroi du cylindre et sort au niveau des supports 15 pour ensuite traverser le passage annulaire 14 où il peut éventuellement suivre la surface d'un support 15 ou être intégré dans celui-ci. Ensui te, il traverse la paroi du corps 2 et pénètre finalement de nouveau dans cette paroi pour aboutir à un point se trouvant en aval du clapet 24. Pour éviter que le piston 21 masque l'orifice 35, il est possible d'utiliser le ressort 29 afin de limiter le débattement du piston dans le sens de l'ouverture du clapet. Cela est facilement obtenu en utilisant un ressort qui, à l'état comprimé, est à spires jointives. Le conduit 34 est, entre sa sortie du corps 2 et son retour dans ce corps, relié à une vanne de commande 36 qui sert à régler le débit dans ce conduit. Cette vanne est de préférence une vanne électromagnétique classique munie d'un bobinage 37 et d'un noyau plongeur 38 pourvu d'un téton 39 susceptible de déplacer une bille 40 disposée dans le circuit de passage du fluide afin de régler l'ouverture et la fermeture de la vanne, réglant ainsi le débit dans le conduit 34 qui la traverse. La bille est retenue contre un siège à l'aide d'un ressort de rappel 42 lorsque le noyau plongeur n'est pas activé. La vanne peut naturellement aussi être pneumatique ou hydraulique. En tout état de cause, on peut se contenter d'une vanne de commande à faible énergie. La chambre auxiliaire 32 est mise envcommu- nication avec le passage en amont du clapet 24 par un ou plusieurs trous 43 régulièrement répartis sur la périphérie du cylindre 16. La figure 3 montre un second mode de réalisation de la vanne dans sa position fermée. Les élé- ments qui sont analogues aux éléments constitutifs de la vanne suivant le premier mode de réalisation portent pour des raisons de simplicité les mêmes référen ces. Seules les différences entre les modes de réalisation seront donc décrites ci-après. La vanne selon le second mode de réalisation comporte un noyau central 44 disposé dans le passage 7 du corps 2 de vanne et pourvu d'un couvercle 45 dirigé vers l'aval et d'un clapet 46 dirigé vers l'amont. Le siège 25 est ici disposé dans la pièce amont 2a afin de coopérer avec le clapet 46 pour la fermeture de la vanne. Selon ce second mode de réalisation, le couvercle 45 n'est pas percé et la chambre principale 31 du noyau est mise en communication avec la pression amont par un canal axial 47 ménagé dans le clapet 46. La chambre auxiliaire 32 est, comme dans le premier mode de réalisation, mise en communication avec le fluide dans le passage annulaire 14, avec la différence que la pression aval règne dans la chambre auxiliaire. La surface circulaire de contact 25a du siège 25 avec le clapet 46 délimite une surface amont 46a du clapet. Cette surface 46a est ainsi exposée à la pression amont. La surface utile pour l'ouverture du clapet est égale à la section du clapet à l'endroit où la surface amont 46a est délimitée par la surface de contact 25a. Les moyens de commande de la fermeture du clapet sont, comme dans le premier mode de réalisation, constitués par la chambre principale 31, la grande surface radiale 21b du piston 21 et par le canal axial 47, de mise en communication d la chambre principale avec la pression amont. Les moyens de neutralisation des moyens de commande de fermeture sont les memes que dans le premier mode de réalisation, c'est-à-dire qu'ils sont constitués par le conduit 34 qui met la chambre principale 31 en communication avec la pression aval et la vanne de commande 36. L'ensemble de vanne suivant l invention fonctionne de la façon suivante. Lorsque la vanne de commande 36 se trouve en position fermée (voir figure 1), le fluide est empêché par la bille 40 de s'écouler de la chambre principale 31 par le conduit 34. La chambre principale est en permanence en communication avec le passage en amont du clapet par le canal axial 33 du couvercle 17. La pression amont règne ainsi dans la chambre principale. Cette haute pression crée une force dirigée contre la grande surface radiale 21b du piston 21 qui tend à déplacer celui-ci avec sa tige 23 dans le sens de la fermeture du clapet. La chambre auxiliaire 32 est également, par ses trous 43, en communication permanente avec le passage en amont du clapet. Comme le noyau a une forme hydrodynamique appropriée, on peut considérer que c'est pratiquement la pression amont qui règne dans la chambre auxiliaire. La pression agissant sur les parois de la chambre auxiliaire et notamment sur la petite surface radiale circulaire 21a crée une force qui tend à déplacer le piston à l'encontre de l'action du ressort hélicoïdal 29 dans le sens de l'ouverture du clapet. Il y a donc deux forces opposées provoquées par la méme haute pression. Comme la surface radiale 21b est beaucoup plus grande que la surface radiale 21a, le piston est déplacé avec le clapet vers la position de fermeture de celui-ci et maintenu dans cette position. Ce déplacement est facilité-par-l'effort du ressort hélicoïdal qui agit dans le meme sens. Lorsque la vanne de commande 36 est mise dans sa position d'ouverture (voir figure 2), le téton 39 agit sur la bille 40 pour la déplacer afin de permettre l'écoulement du fluide par le conduit 34. La chambre principale est ainsi mise en communication avec le passage en aval du clapet 24 et est purgée par le conduit 34. La section du conduit 34 étant sensiblement plus grande que la section du canal axial 33, ceci entraine un débit de vidange plus grand par le conduit 34 que le débit de remplissage par le canal axial 33. La pression à l'intérieur de la chambre principale 31 diminue ainsi et cela a pour conséquence que la force agissant sur la grande surface radiale 21b du piston diminue dans la meme mesure.La force opposée agissant sur la petite surface 21a de la chambre auxiliaire devient alors prépondérante et déplace le piston 21 avec le clapet 24 dans le sens de 1 ou- verture du clapet à l'encontre de l'action du ressort hélicoïdal 29. L'ouverture du clapet est en outre facilitée par la haute pression qui exerce une force agissant sur le clapet 24 dans la zone immédiatement en amont de la partie circulaire 24a de celui-ci et qui a un effet de coin. Le clapet se stabilise ensuite dans une position d'ouverture ou il reste jusqu'à ce que la vanne de commande 36 soit à nouveau fermée, ce qui entraine une élévation de la pression à l'intérieur de la chambre principale 31 et par conséquent la fermeture du clapet. On peut constater que plus la pression dans l'ensemble de vanne est élevée, plus la manoeuvre d'ouverture et de fermeture est aisée et plus l'étan chéité obtenue est élevée. L'ensemble de vanne suivant le second mode de réalisation de l'invention fonctionne de la façon suivante. Lorsque la vanne de commande 36 se trouve en position fermée, le fluide est empeché par la bille 40 de s'écouler de la chambre principale 31 par le con duit 34. La chambre principale est en permanence en communication avec le passage en amont du clapet 46 par le canal axial 47 du clapet 46. La pression amont règne ainsi dans la chambre principale. Cette haute pression crée à l'intérieur de la chambre 31 une force dirigée contre la grande surface radiale 21b du piston 21 qui tend à déplacer celui-ci avec sa tige 23 dans le sens de la fermeture du clapet. Une force opposée est dirigée contre la surface amont 46a du clapet 46 et tend à déplacer le clapet à l'encontre de l'action du ressort hélicoïdal 29 dans le sens de l'ouverture du clapet.Comme la surface radiale 21b est plus grande que la section du clapet 46, le piston est déplacé avec le clapet vers la position de fermeture de celui-ci et maintenu dans cette position. Ce déplacement est facilité par l'effort du ressort hélicoïdal qui agit dans le même sens. Lorsque la vanne de commande 36 est mise dans sa position d'ouverture, le téton 39 agit sur la bille 40 pour la déplacer afin de permettre l'écoulement du fluide par le conduit 34. La chambre principale 31 est ainsi mise en communication avec le passage aval et est purgée par le conduit 34. La section du conduit 34 étant sensiblement plus grande que la section du canal axial 47, ceci entraine un débit de vidange plus grand par le conduit 34 que le débit de remplissage par le canal axial 47.La pression à l'intérieur de la chambre principale 31 diminue ainsi et cela a pour conséquence que la force agissant sur la grande surface radiale 21b du piston diminue dans la même mesure. La force opposée agissant sur la surface amont 46a du clapet 46 devient alors prépondérante et déplace le piston 21 avec le clapet 24 dans le sens de l'ouverture du clapet à l'encontre de l'action du ressort hélicoïdal 29. Le clapet se stabilise ensuite dans une position d'ouverture où il reste jusqu'à ce que la vanne de commande 36 soit à nouveau fermée, ce qui entraine une élévation de la pression à l'intérieur de la chambre principale 31 et par conséquence la fermeture du clapet. On peut aussi noter que selon ce mode de réalisation la chambre auxiliaire 32 de mise en communication avec le passage annulaire 14 par les trous 43 ne joue aucun role pour la commande de fermeture de la vanne. Les trous 43 servent simplement de trous d'évacuation du fluide lors du déplacement du clapet vers sa position de fermeture. L'ensemble de vanne selon l'invention est ainsi très facile à manoeuvrer et ne demande qu une énergie de commande très faible. Il est très fiable et facile à fabriquer étant donné que sa construction est extrêmement simple et qu'il comporte peu d'éléments. Un autre avantage procuré est qu'il provoque une perte de charge peu importante grace à sa forme hydrodynamique particulière. REVENDICATIONS 1.- Ensemble de vanne à clapet pour fluide sous haute pression comportant un corps (2) muni d'une ouverture amont (3) et d'une ouverture aval (5 > , et d'un clapet mobile (24 ; 46)) disposé à l'intérieur du corps (2), ledit clapet pouvant être déplacé pour venir en butée contre un siège (25) prévu dans le corps caractérisé en ce qu'il est pourvu de moyens de com mande de fermeture (21b, 31, 33 ; 21b, 31, 47) du clapet sous l'effet de la haute pression, de moyens de neutralisation (34, 36) des moyens de commande de fermeture du clapet (24 ;46)et de moyens de commande d'ouverture (21a, 32, 43 ; 46a) du clapet sous l'effet de la haute pression. 2.- Ensemble de vanne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande de fermeture (21b, 31, 33) et de commande d'ouverture sur la surface (21a, 32, 43) du clapet (24) sous l'effet de la haute pression sont agencés dans un noyau central (13) fixé à l'intérieur du corps (2) de façon à former dans celui-ci un passage (14) pour le fluide. 3.- Ensemble de vanne suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande de la fermeture du clapet comportent un cylindre (16) ménagé dans le noyau, un piston (21) monté coulissant dans le cylindre et dont la tige (23) porte le clapet (24), une chambre principale (31) définie par le cylindre (16) et par une grande surface radiale (21b) de la tête du piston (21), et un canal (33) ménagé dans le cylindre mettant la chambre principale (31) en communication avec le fluide en amont du clapet. 4.- Ensemble de vanne suivant la revendica tion 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'ouverture du clapet (24) comportent une chambre auxiliaire (32) définie par le cylindre (16), la tige (23), une petite surface radiale (21a) du piston et par un épaulement (16a) de guidage de la tige ménagé dans le cylindre (16), et au moins un trou (43) de mise en communication de la chambre auxiliaire (32) avec le fluide en amont du clapet. 5.- Ensemble de vanne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande de fermeture (21b, 31, 47) du clapet 146) sous l'effet de la haute pression sont agencés d'une part dans un noyau central (44), fixé à l'intérieur du corps (2) de façon à former dans celui-ci un passage (14) pour le fluide et d'autre part dans le clapet (46) et en ce que les moyens de commande d'ouverture (46a) sont constitués par la surface du clapet (46) en regard de l'ouverture amont (3). 6. - Ensemble de vanne suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande de la fermeture du clapet comportent un cylindre (16) ménagé dans le noyau, un piston (21) monté coulissant dans le cylindre et dont la tige (23) porte le clapet (46), une chambre principale (31) définie par le cylindre (16) et par une grande surface radiale (21b) de la tête du piston (21), et un canal (47) ménagé dans le clapet mettant la chambre principale (31) en communication avec le fluide en amont du clapet. 7. - Ensemble de vanne suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'ouverture du clapet (46) sont constitués par la surface amont (46a) du clapet délimitée par la surface circulaire de contact (25a) du siège (25) avec le clapet. 8.- Ensemble de vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de neutralisation des moyens de commande de fermeture comportent un conduit (34) d'une section plus grande que ledit canal (33 ; 47), ce conduit mettant la chambre principale (31) en communication avec le fluide en aval du clapet, et une vanne de commande (36) ménagée dans le conduit. 9.- Ensemble de vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande de la fermeture du clapet comportent en outre un ressort hélicoïdal (29) dont 1 une des extrémités prend appui contre le fond d'un alésage (28) traversant le piston (21) et s'étendant sur une partie de la longueur de la tige (23), et dont l'autre extrémité prend appui contre le fond d'un alésage correspondant (30) ménagé dans le cylindre (16). 10. - Ensemble de vanne suivant 1' une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la tige (23) du piston et le clapet (24 46) sont d'un seul tenant.