Brevet FR2616874A1 — publié le 19881223

La présente invention concerne les vannes papillons et se rapporte plus particulièrement aux vannes de régulation. Les vannes de régulation sont utilisées comme organes de puissance pour la réalisation de systèmes asservis dont la fonction est de maintenir à une valeur de consigne ajustable un paramètre tel que le débit, la pression, le niveau, la température, appartenant à un processus plus ou moins complexe soumis à un contrôle et appelé processus industriel. Le role d'une vanne de régulation est par conséquent d'absorber une certaine puissance afin de maintenir une grandeur réglée à une valeur désirée. Les paramètres caractéristiques de celle-ci sont les suivants - Cv : coefficient de débit - F1 : coefficient de régime critique - Kc : coefficient de cavitation - Effets de la tuyauterie - Couples dynamiques et de manoeuvre Les calculs de dimensionnement de la vanne sont les suivants - Calcul de Cv et détermination des conditions d'écoulement : vaporisation, cavitation, débit laminaire - Calcul des vitesses d'entrée et de sortie de vanne - Calcul du niveau de bruit (NPS) - Vérification des servo-moteurs : efforts, couples, stabilité. Par principe, la vanne papillon a un fonctionnement très simple puisque la rotation du papillon permet d'étrangler la veine fluide et de s'opposer de façon variable à sa circulation. Mais si cette solution parait séduisante, elle s'accompagne néanmoins de certains inconvénients: 1) En s'écoulant autour du papillon, le fluide crée un couple dynamique qui tend à fermer le papillon. Ce couple particulièrement important aux grandes ouvertures (maximum à 70 d'ouverture, décroissant rapidement au-delà) est cause d'instabilité de la vanne en régulation. 2) Bien que la vanne papillon ait un coefficient de débit (Cv > élevé, sa capacité de réglage reste limitée du fait de sa forte récupération de pression. Ses coefficients F1 et Kc restent modestes et sont la source de phénomènes tels que cavitation ou vaporisation appraissant au-dessus d'une certaine détente. 3) En raison de sa géométrie, la vanne papillon est une source de bruit importante, bruit envers lequel les utilisateurs deviennent de plus en plus exigeants et que la régulation moderne cherche à combattre. Le but de l'invention est de remédier partiellement aux défauts de la vanne papillon à savoir 1) Diminuer le coefficient de débit de la vanne et supprimer ainsi l'utilisation de tuyauteries convergentes et divergentes en amont et en aval de la vanne. 2) Relever sensiblement les coefficients de cavitation et de régime critique. 3) Diminuer sensiblement le phénomène de bruit dans la vanne. 4) Diminuer sensiblement le couple dynamique du au passage du fluide. Elle a donc pour objet une vanne à papillon comprenant un corps de vanne dans le passage duquel est monté un papillon porté par un axe de rotation monté transversalement à l'axe du passage du corps de vanne, la surface extérieure du papillon coopérant en position de fermeture de celui-ci avec la surface interne du passage du corps de vanne, caractérisé en ce qu'audit papillon'sont associés des moyens de modification du débit du fluide dans toutes les positions d'ouverture du papillon. Suivant une caractéristique particulière de l'invention, lesdits moyens de modification du débit du fluide sont constitués par des coquilles s'étendant dans ledit passage du corps de vanne sur une portion de la section droite dudit passage à partir du plan de joint du papillon et définies par des volumes tangents audit passage dans le plan de joint du papillon, lesdites coquilles présentant des passages pour le fluide. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig,1 est une vue de face en arrachement partiel d'un premier mode de réalisation d'une vanne de régulation suivant l'invention; - la Fig.2 est une vue en élévation et en coupe de la vanne de régulation de la Fig.1; - la Fig.3 est une vue partielle en élévation et en coupe d'un second mode de réalisation d'une vanne de régulation suivant l'invention; - la Fig.4 est une vue partielle en élévation et en coupe d'un troisième mode de réalisation d'une vanne de régulation suivant l'invention; - la Fig.5 est une vue en perspective d'une variante de papillon d'une vanne de régulation suivant l'invention; - la Fig.6 est une vue de dessus du papillon de la Fig.5; et - la Fig.7 est un diagramme représentant les allures de la loi de débit en fonction de la position d'ouverture du papillon d'une vanne à papillon classique d'une part et d'une vanne suivant l'invention d'autre part. La vanne de régulation représentée aux Fig.1 et 2, à titre d'exempl,e nullement limitatif est une vanne papillon comportant un corps 1 formé d'un tron çon tubulaire 2 dont la surface intérieure définit un passage 3 pour le fluide et de deux brides d'extrémité 4 et 5 de fixation de la vanne dans une canalisation non représentée. Les brides 4 et 5 sont fixées au tronçon tubulaire 2 par soudage. Une couronne de renforcement 6 est également fixée par soudage à la surface extérieure du tronçon tubulaire 2 en un emplacement intermédiaire entre les brides d'extrémité 4 et 5 qui sont en outre reliées à ladite couronne au moyen d'entretoises de rigidification 7 régulièrement réparties à la périphérie du tronçon tubulaire 2. Dans le passage 3, au droit de la couronne de renforcement 6 est ménagée une surface annulaire d'étanchéité 8 destinée à coopérer avec la surface périphérique d'un papillon 9 monté à rotation dans le passage 3 du corps de vanne autour d'un axe 10 transversal à l'axe dudit passage. Dans le présent exemple, l'axe de rotation 10 du papillon 9 est centré par rapport à celui-ci et, comme le montre la Fig.1, il est porté par des paliers 11 solidaires du corps de vanne 1 et muni de disposi tifs d'étanchéité 12. Conformément au premier mode de réalisation de l'invention, représenté aux Fig.1 et 2, le papillon 9 est muni sur ses faces opposées de moyens de modification du débit du fluide dans le passage 3 de la vanne, constitués par des calottes ou coquilles 13 en forme de quart de sphère. Chacune des calottes ou coquilles 13 est fixée par l'une de ses bases le long d'une première demi-circonférence de la périphérie du disque du papillon 9, tandis que l'autre calotte 13 est fixée sur la face du papillon 9 opposée à celle à laquelle est fixée la première calotte selon l'autre demi-circon férence de la périphérie du papillon. Ainsi, les coquilles 13 occupent des positions symétriques par rapport au plan de joint du papillon. L'autre base de chacune des calottes ou coquilles 13 est reliée au papillon par une plaque semi-circulaire 14 correspondante formant un organe supplémentaire de contrôle du débit du fluide. Ainsi qu'on le verra par la suite ces plaques peuvent être omises dans certains cas. La fixation des calottes- 13 des plaques de liaison 14 entre elles d'une part et au papillon d'autre part, est assurée par exemple par soudage. Les calottes 13 sont pourvues d'orifices 15 destinées à permettre au fluide circulant dans la vanne de traverser les coquilles 13. De même, les plaques 14 de liaison des coquilles 13 avec le papillon 9 sont également pourvues d'orifices 16 qui, avec les orifices 13, permettent au fluide de traverser les volumes définis par les coquilles 13, les plaques de liaison 14 correspondantes et le papillon 9. Dans le présent mode de réalisation, le rayon extérieur de chaque coquille 13 est égal au rayon du papillon 9. Chacune des coquilles 13 prolohge donc le papillon et forme ainsi avec celui-ci une portion de boule. Le nombre, la dimension et la position des orifices 15 et 16 ménagés respectivement dans les coquilles 13 et les plaques de liaison 14, déterminent - le coefficient de débit Cv nominal de la vanne; - la loi de variation du coefficient de débit en fonction de l'ouverture du papillon; - le coefficient de régime critique Fl; - le coefficient de cavitation Kc. Lorsque le papillon 9 occupe une position d'ouverture déterminée, représenté en trait mixte à la Fig.2 après avoir été déplacé en rotation dans le sens de la flèche F, le fluide circulant dans le passage 3 pénètre dans chacun des deux volumes délimités par le papillon 9 proprement dit d'une part et par des coquilles 13 et les plaques de liaison 14 d'autre part, en passant par les orifices 15 de l'une des coquilles 13 et les orifices 16 de la plaque de liaison 14 qui lui est associé ainsi que par lesxorifices 15 de l'autre coquille 13. Le fluide ressort des volumes définis par le papillon d'une part et les coquilles 13 et les plaques de liaison 14 d'autre part, en passant par les orifices 15 de la première coquille située au-delà du plan de joint défini par l'élément d'étanchéité 8 après rotation dudit papillon 9 et en passant par les orifices 15 de l'autre coquille ainsi que par les orifices 16 de la plaque de liaison 14 associée à cette autre coquille. La veine fluide se partage au passage du papillon en deux parties subissant pratiquement les mêmes modifications de débit de la part des deux en-sembles symétriques par rapport à l'axe dit du papillon et formés d'une part par le papillon proprement dit et d'autre part par les coquilles 13 et les plaques de liaison 14 associées. Ainsi, les paramètres de la vanne deviennent parfaitement ajustables. Grâce à l'agencement de -l'invention, le coefficient de débit nominal Cv de la vanne peut être ajusté à une valeur désirée lors de la conception de celle-ci en jouant sur le nombre et le diamètre des orifices 15 des coquilles 13 et des orifices 16 des plaques de liaison 14. La loi de variation du coefficient Cv en fonction de l'angle d'ouverture peut également être obtenue à la demande grâce au positionnement angulaire des orifices 15 et 16 précités lors de l'ouverture de la vanne, ainsi qu'à leur nombre et à leur taille; Enfin, les coefficients de cavitation Kc et de régime critique Fl peuvent aussi être obtenus à la demande pour une ouverture donnée. Il suffit à cet effet, à section de passage égale, de jouer sur le nombre et le diamètre des orifices 15 et 16. La vanne suivant l'invention a notamment pour avantage de présenter un coefficient de débit Cv plus faible pour un diamètre de passage donné et peut donc fonctionner sur une plage de réglages plus importante tout en étant au même diamètre que la tuyauterie à laquelle elle est associée. L'augmentation des coefficients Kc et Fl aboutit à de plus fortes détentes admissibles par la vanne et recule ainsi le seuil des phénomènes de cavitation, de vaporisation et autres. Gracie à la forme du papillon auquel sont adjointes les coquilles 13 décrites plus haut, le point d'arrêt du fluide qui est l'endroit auquel la pression statique est maximale se trouvant le plus proche de l'axe de rotation, le papillon présente un couple dynamique très faible et a par conséquent une stàbilité très grande, autorisant ainsi la régulation aux grandes ouvertures et donc sur une plage plus étendue. La vanne représentée à la Fig.3 comporte elle aussi un papillon 18 monté à rotation autour d'un axe 19 dans un passage 20 d'un corps de vanne 21. Cette vanne diffère essentiellement de la vanne décrite en référence aux Fig.1 et 2, en ce que les moyens de modifications du débit du fluide associés au papillon 18 sont constitués par des coquilles 22 à peu près en forme de quarts de sphére dont le diamètre intérieur est égal au diamètre intérieur du passage cylindrique 20, lesdites coquilles 22 étant fixées à la paroi du corps de vanne 21. Les coquilles 22 présentent des orifices 25 pour le passage du fluide, tandis que le papillon 18 est un papillon ordinaire dont la surface périphérique coopère en position de fermeture avec la paroi du corps de vanne 21 et dans toutes les positions d'ouverture, avec les parois intérieures des coquilles 22. Dans le cas présent, les coquilles 22 sont reliées à la paroi du corps de vanne 21 seulement par une de leurs grandes bases et les modifications du débit du fluide dans le passage 20 de la vanne ainsi que la détente dudit fluide ne sont assurées que par les orifices 25 ménagées dans les coquilles 22 pour diverses positions d'ouverture du papillon 18. Sur la Fig.4, on a représenté une vanne pa-pillon dont la construction résulte de la combinaison des caractéristiques de la vanne papillon décrite en référence aux Fig.1 et 2 et de celle décrite en référence -à la Fig.3. Dans cette vanne, le papillon 26 comporte fixées à une portion de sa périphérie, des coquilles en forme de portion de sphères 27 munies d'orifices 28 destinés à provoquer la détente du fluide qui traverse la vanne. Celle-ci comporte en outre des déflecteurs 29 en forme de coquille fixés à la paroi du corps de vanne de manière que leurs surfaces intérieures soient concentriques aux surfaces extérieures des coquilles 27 correspondantes avec lesquelles ils sont destinés à coopérer. Un tel agencement permet à la fois d'assurer la détente du fluide qui traverse la vanne et d'autre part de modifier la loi de débit de celui-ci grace à la coopération du déflecteur 29 avec les orifices 28 des coquilles 27 correspondantes. Lorsqu'une détente n'est pas nécessaire et que seule la modification de la loi de débit est souhaitée, le papillon de la vanne peut être associé à des coquilles non percées et munies de passages en forme d'échancrures dont la forme et le nombre permettent d'obtenir la loi de débit souhaitée. Un papillon permettant une modification de la loi de débit de la vanne est représentée à la Fig.5. Ce papillon 31 comportant un axe 32 moyen duquel il est destiné à être monté à rotation un corps de vanne transversalement à l'axe du passage de celleci, comporte sur ces faces opposées deux coquilles en forme de quart de sphère 33 qui présentent chacune une échancrure 34 à peu près en son milieu. Chacune des échancrures 34 définit des écrans latéraux 35 qui assurent la modification de débit du fluide désiré et permettent d'ajuster la loi de débit en fonction de la position d'ouverture du papillon en dégageant, en fonction de la position angulaire de celui-ci une partie plus ou moins importante des échancrures 34 ménagées dans les coquilles 33. La forme des échancrures apparait clairement sur la vue de dessus représentée à la Fig.6 de sorte que l'on comprend que lorsque le papillon 31 est en place dans son corps de vanne des échancrures 34, ménagés dans ses coquilles 33 définissent avec la paroi intérieure du corps de vanne (non représenté) des passages dont la section dépend de la position angulaire du papillon. On a représenté sur la Fig.7, un diagramme représentant des lois comparées de débit d'une vanne classique d'une part, et d'une vanne suivant l inven- tion d'autre part. Sur ce graphique, on a porté en abscisse le dégré d'ouverture du papillon en pourcents et en ordonnée les valeurs du coefficient de débit Cv. La courbe a représentant la loi de débit d'une vanne classique a été représentée en pointillés alors que la courbe b représentant la loi de débit d'une vanne suivant l'invention a été tracée en trait plein. On voit que la loi de débit d'une vanne suivant l'invention peut être modifié pratiquement à volonté grace notamment à la modification du nombre et de la forme des orifices ménagés dans les coquilles associées au papillon. Ainsi qu'on peut le déduire de la description des divers modes de réalisation de la vanne suivant l'invention, les coquilles peuvent etre indifféremment installées sur le papillon ou dans le corps de vanne, de façon fixe ou amovible. L'utilisation de coquilles à ouvertures de forme spéciale permet d'ajuster la loi de débit aux conditions de fonctionnement de la vanne. L'utilisation de coquilles percées permet d'effectuer une simple détente du fluide. L'utilisation de plaques à trous telles que des plaques de liaison 14 du mode de réalisation-des Fig.1 et 2, permet d'assurer une seconde détente du fluide. L'utilisation de coquilles à ouvertures de forme spéciale et de coquilles à trous, les unes étant montées dans le corps de vanne et les autres, sur le papillon ou inversement, comme cela a été décrit en référence à la vanne représentée à la Fig.4, permet d'effectuer une simple détente pour obtenir une loi de débit spécial. Les divers agencements qui viennent d'être décrits peuvent être utilisés séparément, montés dans le corps de la vanne ou sur le papillon de façon fixe ou amovible ou utilisés ensemble deux par deux. Eventuellement, les coquilles perforées sur le papillon, les déflecteurs non perfores montés dans les passages du corps de vanne et les plaques de liaison entre les coquilles et le papillon peuvent être utilisées à la fois dans des cas très particuliers. Dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, l'invention est appliquée à des vannes à papillon droit avec un passage du corps de vanne d'axe centré sur le papillon.. Cependant, l'invention peut également être appliquée à des vannes dont le papillon est excentré, c'est à dire que sa section droite est décalée par rapport à l'axe du passage du corps de vanne. Elle est également applicable à des vannes à papillon de forme particulière, c'est à dire de la catégorie des papillons dits équilibrés. REVENDiCATIONS 1. Vanne à papillon comprenant un corps de vanne dans le passage duquel est monté un papillon (9;18;26;31) porté par un axe de rotation monté transversalement à l'axe du passage du corps de vanne (1;21), la surface extérieure du papillon coopérant en position de fermeture de celui-ci avec la surface interne du passage du corps de vanne, caractérisé en ce qu'audit papillon sont associés des moyens (13,15,14, 16; 22,25; 27,28,29; 33,34,35)de modification du débit du fluide dans toutes les positions d'ouverture du papillon. 2. Vanne à papillon suivant la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de modification du débit du fluide sont constitués par des coquilles (13;22;27,29;33) s'étendant dans ledit passage du corps de vanne sur une portion de la section droite dudit passage à partir du plan de joint du disque du papillon (9;18:26;31) et définies par des volumes tangents audit passage (15,16; 25; 28; 34) dans le plan de joint du disque du papillon, lesdites coquilles presentant des passages (15.16; 25; 28; 34) pour le fluide. 3. Vanne à papillon suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte deux coquilles (13) en forme de portion de sphère fixées chacune par un de ses bases sur une face du papillon dans des positions symétriques par rapport au plan de joint du disque du papillon (18), les surfaces extérieures desdites coquilles affleurant la surface de la périphérie du papillon, lesdites coquilles comportant des orifices (15 > pour le passage du fluide, le nombre etla forme desdits orifices étant adapte à la loi de débit et à la détente du fluide désiré dans la vanne. 4. Vanne à papillon suivant la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites coquilles (13) sont reliées au papillon par leur autre base au moyen de plaques (14) pourvues d'orifices (16) pour le passage du fluide, lesdites plaques formant des organes supplémentaires de contrôle du débit du fluide. 5. Vanne à papillon suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que lesdites coquilles (22) sont de forme à peu près en quart de sphère et sont fixées à la paroi du corps de vanne (21), le diamètre intérieur desdites coquilles étant égal au diamètre intérieur du passage (20) dudit corps de vanne, des passages (25) pour le fluide étant ménagés dans lesdites coquilles. 6. Vanne à papillon suivant la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits passages pour le fluide ménagés dans les coquilles sont constitués par un ensemble d'orifices (25) ou par des échancrures. 7. Vanne à papillon suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le papillon (26) comporte fixées à une portion de sa périphérie des coquilles en forme de portions de sphères (27) munies d'orifices (28) destinés à provoquer la détente du fluide et en ce qu'elle comporte en outre des déflecteurs (29) en forme de coquilles fixés à la paroi du corps de vanne de manière que leurs surfaces intérieures soient concentriques aux surfaces extérieures des coquilles (27) avec lesquelles ils sont destinés à coopérer. 8. Vanne à papillon suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le papillon (31) comporte sur ses faces opposées des coquilles (33) présentant chacune une échancrure (34) définissant dges écrans latéraux (35) de modification du débit de fluide et d'ajustement de la loi de débit de la vanne en fonction de la position d'ouverture du papillon.