Brevet FR2647873A1 — publié le 19901207

"Vanne pour la commande du débit d'un fluide" L'invention concerne une vanne pour la com- mande de débit d'un fluide. Cette vanne comporte des disques placés face à face et pouvant se déplacer l'un par rapport à l'autre. Chacun de ces disques comporte une ouverture pouvant être amenée dans l'alignement de transmission de fluide ou hors de l'alignement de transmission de fluide par rapport à un orifice de décharge. Plus par- ticulièrement, l'invention concerne un entraînement à engrenage formé par un manchon fixé au corps de vanne et destiné à faire tourner un élément tournant tout en étant en prise d'entraînement avec l'un des disques, de manière à commander ainsi le fonctionnement de la vanne. Les vannes à disques sont bien connues de la technique et servent en particulier de vannes,de com- mande pour réguler le débit de fluides haute pression tels que de la vapeur, ainsi que du gaz et du pétrole au niveau d'une tête de puits. En général, une vanne à disques est consti- tuée d'un corps de vanne comportant un orifice d'en- trée et un orifice de sortie reliés ensemble par une cavité intérieure. Deux disques sont placés en regard l'un contre l'autre, dans la cavité intérieure. Les disques présentent des diamètres convenables pour qu'on puisse les monter et les faire fonctionner dans la cavité intérieure du corps de vanne; Chaque disque est muni d'au moins une ouverture à travers laquelle le fluide peut s'écouler lorsque les ouvertures des disques se trouvent dans un certain degré d'alignement l'une par rapport à l'autre. Un mouvement angulaire relatif des disques permet aux ouvertures des disques de tourner pour venir dans la position d'alignement et hors de la position d'alignement l'un par rapport a l'autre, soit pour former un passage de débit de flui- de à travers la vanne, soit pour empêcher le passage du débit de fluide à travers la vanne. Le débit du fluide peut également être commandé en maintenant un degré voulu d'alignement ou de dékaut d'alignement relatif entre les ouvertures des disques. Pour produire un mouvement angulaire relatif entre les disques, l'un des disques, généralement le disque amont, est libre d'effectuer un mouvement de rotation, alors que l'autre disque, généralement le disque aval, est monté fixe par rapport au corps de- vanne. Un noyau est placé dans la cavité intérieure du corps de vanne et comporte un passage de fluide pour laisser passer le débit de fluide. Le noyau est fixé au disque rotatif pour tourner avec celui-ci. Le noyau est muni d'une ou plusieurs rainures à chacune de ses extrémités opposées pour qu'on -puisse y loger des. -L anneaux d'étanchéité, de manière & former un joint;- d'étanchéité séparant la partie d'entrée du corps pour passer à travers une fente annulaire convenable- ment placée dans le corps de vanne. Un couple appliqué à la poignée de commande provoque la rotation du noyau et du disque rotatif. On peut ainsi manoeuvrer manuel- lement la vanne entre les positions d'ouverture et de fermeture des disques. Cependant, pour permettre cette rotation, une fente annulaire doit être formée dans le corps de vanne pour assurer le dégagement et la liai- son avec le noyau. La fente annulaire formée dans le corps de vanne doit être d'une taille permettant la rotation de la poignée de commande pour ouvrir et fermer complète- ment la vanne et, dans beaucoup de cas, la fente annu- laire est formée de manière à s'étendre généralement sur au moins 90 de la circonférence du corps de van- ne. Le corps de vanne doit être conçu et réalisé en tenant compte de l'effet d'affaiblissement dû à la présence de la fente destinée à recevoir la poignée du rotor. Il existe également un danger toujours présent que l'environnement pénètre dans la fente annulaire du carter, ce qui peut être préjudiciable au matériau des joints d'étanchéité du rotor, en provoquant ainsi une panne prématurée. Dans ces formes de réalisation, la poignée de commande doit être dégagée et libre de tourner sur toute la plage de fonctionnement. Lorsque la vanne est utilisée dans des applications o l'on utilise une commande à distance, il existe la possibilité que la poignée puisse se déplacer de manière intempestive. en créant ainsi des conditions dangereuses pour toutes les personnes, et en particulier les ouvriers, se trouvant au voisinage de la vanne. De plus, dans ces formes de réalisation de la vanne, la manoeuvre de la vanne par n'importe quel autre moyen qu'un moyen manuel est difficile du fait qu'il faut faire basculer la poignée de commande sur toute une plage de la position angulaire pour ouvrir et fermer la vanne. Dans les applications haute pres- sion, des forces plus importantes que celles pouvant être généralement développées par une personne moyen- ne, peuvent être nécessaires pour faire fonctionner la vanne. De plus, dans les environnements dangereux et en particulier les environnements explosifs, la taille et la forme de la fente destinée & la poignée de ma- noeuvre dans le corps de vanne, ne permettent pas de répondre aux exigences de sécurité d'incendie. La présente invention a donc pour but de créer une construction de vanne à disques perfection- née permettant de remédier aux défauts et inconvé- nients indiqués ci-dessus des vannes à disques selon l'art antérieur. Un autre but de la présente invention est de créer un dispositif d'entraînement perfectionnement pour manoeuvrer une vanne à disques. La vanne de l'invention est à cet effet caractérisée en ce qu'elle comprend: un corps de van- ne comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie séparés par une cavité intérieure; un noyau tournant allongé s'étendant sur une partie importante de la longueur de la cavité et comportant un passage de fluide longitudinal pour conduire le fluide prove- nant de l'orifice d'entrée du corps de vanne; des moyens d'engrenage portés par le noyau pour le faire tourner autour d'un axe dirigé suivant la longueur de la cavité intérieure du corps de vanne; un disque amont fixé à l'extrémité aval du noyau pour constituer un ensemble, ce disque amont comportant un passage de fluide pour conduire le fluide provenant du passage du noyau; un disque aval supporté par le corps dé vanne en regard et contre le disque amont, ce disque aval comportant un passage de fluide pour conduire le flui- de provenant du passage de fluide du disque amont; et des moyens d'entraînement comprenant des dents d'engrenage venant en prise avec les moyens d'engrena- ge du noyau pour le faire tourner-avec le disque amont, de façon que les passages de fluide du noyau et du disque amont puissent être amenés dans la position de transmission de fluide et hors de la position de transmission de fluide avec le passage de fluide du disque aval. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les dents d'engrenage des moyens d'engrenage s'étendent sur une partie du pourtour extérieur du noyau. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les moyens d'engrenage sont formés d'un seul tenant avec le noyau. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les moyens d'engrenage comprennent un segment d'engrenage fixé autour de la circonférence extérieure du noyau. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'arbre d'entraînement peut tourner au- tour d'un axe dirigé dans une direction essentielle- ment perpendiculaire à l'axe du noyau. Les caractéristiques et avantages de la pré- sente invention, ainsi que d'autres, seront mieux com- pris à la lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins ci-joints dans les les- quels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une vanne à disques mettant en oeuvre les caractéristiques de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la vanne à disques de la présente in- vention; - la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective d'un autre modederéalisation du noyau de la vanne des figures 1 et 3. En se référant tout d'abord à la vue éclatée de la figure 1, celles-ci représente la vanne à dis- ques selon une première forme de réalisation de la présente invention. La vanne comprend un corps de van- ne 10 muni d'une partie d'entrée 12 et d'une partie de sortie 14. De préférence, et comme illustré sur les figures, les parties d'entrée et de sortie 12 et 14 comportent des extrémités filetées pour permettre une liaison par vissage avec une tuyauterie extérieure. D'autres moyens de liaison peuvent évidemment être utilisés. Le corps de vanne 10 définit une cavité in- térieure 16 entre les orifices des parties 12 et 14. Un noyau allongé 18 en forme générale de bobine et muni d'un passage de fluide 20 suivant son axe longi- tudinal, est monté à rotation dans la cavité intérieu- re 16. Ce noyau s'étend sur une partie importante de la longueur de la cavité 16. Des rainures 19 sont for- mées dans la surface cylindrique du noyau 18 à chacune de ses extrémités opposées pour permettre la mise en place d'un joint d'étanchéité. Des joints toriques 22 et 24 sont montés dans les rainures 19 aux extrémités opposées du noyau 18. Le noyau 18 comporte une partie médiane de diamètre réduit dans laquelle est prévu un dispositif,d'engrenage 26. Dans la forme de réalisa- tion de la présente invention représentée sur les figures 1 &à,3, le dispositif d'engrenage 26 est cons- titué d'un certain nombre de*dents d'engrenage usinées dans le matériau constituant le noyau 18, de sorte que les dents d'engrenage font partie intégrante de ce noyau. Dans une seconde forme de réalisation de la présente invention représentée sur la figure 4, le dispositif d'engrenage 26 comportant les dents d'engrenage 26B est constitué de segments d'engrenage semi-cylindriques 26A fixés dans une cavité convenable 26C formée dans la zone centrale de la bobine rotatri- ce 18A comme indiqué sur la figure. Dans les deux formes de réalisation, et com- me indiqué sur la figure 2, un disque amont 28 est fixé du côté de sortie ou côté aval du noyau 18. Ce disque 28 est fixé à la bobine par des tiges 30 qui s'adaptent dans des ouvertures de la face d'extrémité aval du noyau 18. La figure 1 illustre un disque 28 contenant deux ouvertures ou orifices 32 pour former un passage de fluide. Le noyau 18 et le disque amont 28 qui lui est fixé peuvent tous deux tourner dans la cavité intérieure 16 du corps de vanne 10. Comme on peut mieux le voir sur la figure 2, le disque aval 34 est placé en regard contre le disque amont 28, et contient des ouvertures ou orifices 36 correspondant-en nombre et en position diamétrales aux ouvertures 32 du disque 28. La vue en coupe de la fi- gure 2 illustre la vanne dans la position de fermeture dans laquelle les ouvertures 32 et 36 ne sont pas en alignement. Le disque aval 34 ne peut tourner dans la cavité intérieure 16 de la vanne 10, mais se trouve au contraire maintenu dans une position fixe par les ti- ges de fixation 38. La forme préférée de -réalisation des figures 1 à 3 comprend en outre un manchon amovi- ble 40 contenant des alésages 42. Les tiges de fixa- tion 38 pénètrent dans les alésages 42 réalisés sous la forme de trous de perçage dans le manchon 40. Le manchon 40 est fixé à la partie 14 de la vanne 10 par- des oreilles 41, de manière à positionner simultané- ment le disque aval 34 et le manchon 40. Comme indiqué sur la figure 2, un joint torique d'étanchéité 43 est placé entre le disque 34 et la partie de vanne 14 pour empêcher le passage du fluide autour du disque 43 et en particulier entre le manchon 40 et la partie de vanne 14.-. Le noyau 18 tourne autour d'un axe dirigé suivant sa longueur et se trouve entraîné par un dis- positif d'entraînement comprenant un arbre d'entraine- ment 44 muni & son extrémité d'un engrenage conique 46. L'engrenage 46 vient en prise avec un engrenage conique 48 supporté en rotation par un axe 51. Un en- grenage 52 est verrouillé par une clavette sur le moyeu 50 de l'engrenage 48. Les dents de l'engrenage 52 viennent en prise avec les dents de l'engrenage 26 formé sur le noyau 18. Dans la forme de réalisation de la figure 4, l'engrenage 52 vient en prise avec les dents d'engrenage 26B du segment d'engrenage 26A s'é- tendant sur une partie du pourtour extérieur du noyau. La liaison entre l'engrenage 52 et les dents 26 est établie maintenue par l'emboîtement d'un prolongement de la vanne et un carter d'entraînement, comme cela sera décrit ci-après. Suivant la forme de réalisation préférée de la présente invention, le corps de vanne comprend un prolongement vertical faisant partie intégrante de ce corps de vanne. Le prolongement 54 comporte une ouver- ture 55 dégageant l'engrenage 26 destiné à venir en prise avec l'engrenage 52. Le prolongement 55 comprend une collerette 56 qui constitue un dispositif de fixa- tion destiné & recevoir la collerette supérieure cor- respondante 57 d'un carter d'entraînement 58 servant à loger les engrenages 46, 48 et 52, et & supporter l'arbre d'entraînement 44, ainsi disposé perpendicu- lairement & l'axe du noyau Lorsqu'on le désire, la zone délimitée par le prolongement de carter 54 et le carter d'entraînement 58 est pressurisée au-dessus de la pression atmosphérique, -ce qui présente un intérêt particulier lorsque le fluide circulant dans la vanne est combustible. De plus, le chemin tortueux formé en- tre l'atmosphère extérieure et l'ouverture 55 donne à vanne, une grande sécurité en cas d'incendie. Les fi- gures 1 à 3 illustrent une ouverture 55 du corps de S vanne communiquant avec la cavité intérieure 16 en un endroit particulier choisi pour permettre à l'engrena- ge 52 de pénétrer dans celle-ci de façon qu'il puisse venir en prise avec le dispositif d'engrenage 26. Les figures 2 et 3 illustrent en outre un organe de manoeuvre 60 représenté sous la forme d'un bloc. Cet organe de manoeuvre, comme cela est bien connu de la technique, peut être actionné-électrique- ment, hydrauliquement ou pneumatiquement, pour produi- re la rotation de l'arbre d'entraînement 44. Lorsqu'elle est convenablement raccordée, la vanne 10 de la présente invention fonctionne en vanne de commande de débit pour contrôler le débit de fluide à travers celle-ci. Le fluide pénétrant dans la vanne par l'orifice d'entrée de la partie d'entrée 12 passe tout d'abord par le passage de fluide 20 du noyau 18. Le fluide passe ensuite par les ouvertures 32 du disque amont 28. Si on désire ouvrir la vanne pour permettre au fluide de passer i travers celle-ci, l'organe de manoeuvre 60 est actionné pour faire tour- ner l'arbre'd'entraînement 44 de manière àamener les ouvertures 32 et 36 des disques 28 et 34 en aligne- ment. La rotation de l'arbre d'entraînement 44 produit la rotation des engrenages 46, 48 et 52, ainsi que celle de l'engrenage 26 de façon & faire tourner le noyau 18. Comme le disque amont 28 est fixé & la bobine 18 et entraîné en rotation avec celle-ci, les ouvertures 32 du disque 28 sont entraînées en rotation pour venir en alignement avec les ouvertures 36 du disque aval 34. Lorsque les ouvertures 32 et 36 sont 26-47873 convenablement alignées, le fluide peut passer de l'orifice d'entrée de la partie d'entrée 12 vers l'orifice de sortie de la partie de sortie 14. Lorsqu'inversement on désire fermer la van- ne, et empêcher le passage du débit de fluide à tra- vers celle-ci, l'organe de manoeuvre 60 fait tourner l'arbre d'entraînement 42 pour amener le noyau 18 & faire tourner le disque amont 28 de manière à désali- gner les ouvertures 32 et 36 pour bloquer ainsi le passage du fluide & travers la vanne. Le débit du fluide peut être réglé en alignant partiellement les ouvertures 32 et 36 des disques 28 et 34. On constate ainsi qu'on peut ouvrir ou fer- mer la vanne 10 en faisant simplement tourner l'arbre d'entraînement 44. Comme l'arbre d'entraînement 44 peut être enfermé dans la partie de carter d'entraîne- ment 58, il n'existe aucune liaison exposée risquant de créer des conditions dangereuses telles que celles que pourraient se produire en cas d'ouverture ou de fermeture non voulue de la vanne. De plus, par un choix approprié des rapports d'engrenages de la boîte d'engrenage, on peut réduire les dimensions requises de l'organe de manoeuvre. Par exemple, si le rapport d'engrenages est de 2: 1, et si un couple de 56,5 N-m est nécessaire pour faire tourner la bobine 18 et le disque 28, le couple d'entrée demandé & l'organe de manoeuvre 60 pour faire fonctionner la vanne n'est que de 28, 25 N-m. De plus, l'adjonction de l'ensemble de carter 58 et du prolongement 54 permet&i la vanne 10 de la présente invention d'être utilisée dans des cir- cuits de déplacement de matériaux combustibles; en outre, la partie de carter d'entraînement 54 sert à protéger les engrenages et le noyau 18. Bien que la présente invention ait été dé- crite en se référant aux formes préférées de réalisa- tion des différents figures, il est évident que d'au- tres formes de réalisation analogues peuvent être utilisées ou que des modifications et additions peu- vent être apportées aux formes de réalisation décrites ci-dessus pour effectuer les mêmes fonctions de la présente invention sans s'écarter de celle-ci. Par suite, la présente invention ne doit pas être limitée à une seule forme de réalisation, mais doit au con- traire être interprétée au sens large conformément aux revendications ci-jointes. * 25 REVENDICATIONS 1') Vanne pour la commande du débit d'un fluide caractérisée en ce qu'elle comprend: un corps de vanne (10) comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie séparés par une cavité intérieure (16); un noyau tournant allongé s'étendant sur une partie importante de la longueur de la cavité (16) et comportant un passage de fluide longitudinal (20) pour conduire le fluide provenant de l'orifice d'entrée du corps de vanne; des moyens d'engrenage (52-26) portés par le noyau pour le faire tourner autour d'un axe di- rigé suivant la longueur de la cavité intérieure du corps de vanne; un disque amont (28) fixé à l'extré- mité aval du noyau pour constituer un ensemble, ce disque amont comportant un passage de fluide (32) pour conduire le fluide provenant du passage (20) du noyau; un disque aval (34) supporté par le corps de vanne en regard et contre le disque amont, ce disque aval comportant un passage de fluide (36) pour condui- re le fluide provenant du passage de fluide (32) du disque amont; et des moyens d'entraînement comprenant des dents d'engrenage (48-52) venant en prise avec les moyens d'engrenage du noyau pour le faire tourner avec le disque amont, de façon que les passages de fluide du noyau et du disque amont puissent être amenés dans la position de transmission de fluide et hors de la position de transmission de fluide avec le passage de fluide du disque aval., 2) Vanne selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les dents d'engrenage moyens d'engre- nage (26) s'étendent sur une partie du pourtour extérieur du noyau. 3-) Vanne selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les moyens d'engrenage (26) sont for- més d'un seul tenant avec le noyau. 4') Vanne selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les moyens d'engrenage comprennent un segment d'engrenage fixé autour de la circonférence extérieure du noyau. 5e) Vanne selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les moyens d'entraînement comprennent un élément d'engrenage (48) venant en prise avec un arbre d'entraînement (44) et des moyens de manoeuvre destinés à faire tourner cet arbre d'entraînement. 6') Vanne selon la revendication 5, caracté- risée en ce que l'arbre d'entraînement peut tourner autour d'un axe dirigé dans une direction essentielle- ment perpendiculaire à l'axe du noyau. 7*) Vanne selon la revendication 5, caracté- risée en ce que les moyens destinés à faire tourner l'arbre d'entraînement comprennent un organe de ma- noeuvre. 8') Vanne selon la revendication 5, caracté- risée en outre en ce que le corps de vanne comprend une partie de carter destinée à supporter l'arbre d'entraînement et les moyens destinés à faire tourner celui-ci. 9') Vanne selon la revendication 8, caracté- risée en ce que la partie de carter forme une chambre étanche avec le corps de vanne.