Brevet FR2697888A1 — publié le 19940513

Vanne de régulation à bille ou à boisseau. La présente invention concerne une vanne de régulation comportant un corps relié à un conduit d'entrée et à un conduit de sortie alignés selon un axe appelé axe de la vanne, ce corps étant pourvu d'un évidement dans lequel est logée une bille ou un boisseau rotatif autour d'un axe situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de la vanne, la bille ou le boisseau comportant au moins une zone de fermeture de ladite vanne s' étendant sur une partie de sa circonférence et définissant une position fermée lorsque la zone de fermeture est en face du conduit d'entrée, et une zone de régulation du fluide circulant dans la vanne s' étendant sur le reste de sa circonférence et définissant une position de régulation lorsqu'une partie de la zone de fermeture et une partie de la zone de régulation sont en face du conduit d'entrée, la bille définissant en outre une position ouverte lorsque la zone de régulation est en face du conduit d'entrée. Les vannes de régulation connues sont généralement constituées d' un corps muni d'une plaque d'obturation comprenant un orifice, et d'un obturateur à pointeau agencé pour obturer plus ou moins cet orifice. L'orifice a généralement une forme circulaire et le pointeau une forme conique. En introduisant plus ou moins le pointeau conique dans l'orifice circulaire, on assure la régulation du fluide traversant la vanne. Ce type de vanne présente un inconvénient majeur à savoir, la course de régulation est très courte, ce qui, dans certains cas, est insuffisant pour garantir une régulation fine. Un autre inconvénient de ce genre de vannes vient du fait qu'on n enregistre pratiquement pas de perte de charge en début d'ouverture. En effet, lors de cette ouverture, l'énergie potentielle se transforme brusquement en énergie cinétique, libérant ainsi un fluide se déplaçant à grande vitesse, ce qui est source d' érosion et de turbulences. Ce phénomène engendre également des vibrations dans la vanne et en augmente le niveau sonore et la fatigue mécanique.L'érosion n' agissant pas uniformément sur la plaque d'obturation et sur le pointeau, la vanne n'assure plus une étanchéité parfaite après un temps d'utilisation relativement court. Un autre type de vanne connue utilisée pour assurer une régulation, comporte un corps pourvu d'un évidement dans lequel se déplace un piston. Le corps de la vanne est pourvu d'une série de disques parallèles espacées et disposées dans un plan perpendiculaire à l' axe de déplacement du piston. Lorsque la vanne est fermée, le piston bouche entièrement l'orifice de cette vanne. A l'ouverture, le piston libère d'abord un espace compris entre deux premiers disques parallèles. Lorsque l'on déplace davantage le piston, on libère un deuxième espace compris entre les deux disques suivantes, puis un troisième espace et ainsi de suite.La régulation se fait donc par étapes, d' une manière discontinue, ce qui dans certaines applications, n' est pas satisfaisant. De plus, comme l'ouverture de la vanne n' engendre que peu de pertes de charges, les problèmes mentionnés précédemment, notamment ceux dus à l' érosion, aux vibrations, à la fatigue mécanique et au bruit, ne sont pas résolus. Une autre vanne de régulation connue comporte une bille pourvue d' un insert sphérique. Cet insert est composé d'une calotte sphérique et d'une série de plaques planes disposées de manière sensiblement parallèles entre elles et à la partie plane de la calotte sphérique. Cette calotte sphérique comporte une partie pleine dimensionnée de façon que lorsqu'elle est située en face du conduit d'entrée de la vanne, elle l' obture entièrement et empêche ainsi le fluide de traverser ladite vanne.Cette calotte sphérique comporte en outre des ouvertures périphériques conçues pour laisser passer le fluide à travers la vanne en début d'ouverture. Les plaques planes comportent des orifices disposés perpendiculairement à leur surface et conçus pour laisser passer le fluide à travers la vanne en début d'ouverture et sont séparées par un espace permettant le passage du fluide en fin d' ouverture. La perte de charge à l' ouverture est importante et la régulation se fait sur une course relativement grande. Cependant, l'inconvénient de ce type de vanne est que sa réalisation pratique nécessite un usinage important et un montage difficile des pièces ce qui a pour conséquence un coût de fabrication élevé. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en fournissant une vanne de régulation présentant une course de régulation importante et assurant une forte perte de charge à 1' ouverture tout en étant d'une réalisation facile et économique. Ce but est atteint par une vanne telle que définie en préambule, caractérisée en ce que la bille ou le boisseau comporte au moins un canal traversant ladite bille ou ledit boisseau de part en part, ledit canal ayant une section inférieure à la section du conduit d'entrée, et étant sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la bille ou du boisseau, le bord intérieur dudit canal étant sensiblement parallèle à l'axe de la vanne lorsque la bille ou le boisseau est en position ouverte. Selon la forme de réalisation préférée, la bille ou le boisseau comporte plusieurs canaux périphériques. Ces canaux peuvent être plans ou présenter des profils ondulés autour d'un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation. Ils peuvent aussi comporter une partie plane et une partie présentant des profils ondulés. Selon une autre forme de réalisation, lesdits canaux peuvent présenter une section à profil divergent. La bille ou le boisseau peut en outre comporter une entaille latérale agencée de manière qu'une partie de ladite entaille latérale soit en contact avec le conduit d'entrée, et qu'une autre partie de l'entaille latérale soit en contact avec le conduit de sortie lorsque la bille est en position ouverte. La présente invention et ses avantages ressortiront mieux de la description d'exemples de réalisation en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'une forme de réalisation d'une vanne selon la présente invention en position fermée, - la figure 2 est une vue en coupe verticale de la vanne de la figure 1 en position ouverte, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la vanne de la figure 1 en position de régulation, - les figures 4a et 4b sont des vues schématiques en perspective de formes de canaux tels qu'ils peuvent être réalisés dans une bille ou un boisseau selon la présente invention, - les figures 5a à 5f sont des vues en perspective d'exemples de réalisation de billes pour une vanne selon la présente invention, et - la figure 6 est une vue en perspective d' un exemple de réalisation d'un boisseau pour une vanne selon la présente invention. En référence aux figures 1 à 3, la vanne 10 comporte un corps 11 pourvu d'un évidement 12 dans lequel est logée une bille 13. Cette bille est rotative autour d'un axe 14 et comporte sur une première partie de sa périphérie une zone de fermeture 15, et sur une seconde partie de sa périphérie une zone de régulation 16. La zone de fermeture 15 est agencée de manière à empêcher le passage d'un fluide amené par un conduit d'entrée 17 relié au corps li de la vanne, vers un conduit de sortie 18 également relié au corps 11 de la vanne. Lesdits conduits d'entrée et de sortie sont alignés selon un axe appelé axe de la vanne. La zone de régulation 16 est conçue pour permettre le passage d'un fluide depuis le conduit d'entrée 17 jusqu'au conduit de sortie 18. Cette zone de régulation comporte des canaux 19 en forme de passages plans disposés selon des plans parallèles sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation 14 et traversant la bille de part en part. La bille tourne autour de son axe de rotation d' un angle p appelé angle d'ouverture, D étant défini comme l'angle formé entre l'axe de la vanne et la droite passant par le centre de la bille et le centre de la zone de fermeture. Cet angle d'ouverture est nul lorsque la bille est en position fermée. Il est égal à 90" ou plus lorsque ladite bille est en position ouverte, et varie entre 0 et 900 ou plus lorsque la bille est en zone de régulation. Selon ce mode de réalisation, lorsque l'angle d'ouverture est nul, la zone de fermeture 15 se trouve dans le prolongement du conduit d'entrée 17 et le fluide ne peut pas traverser la vanne. Lorsque l'on fait tourner la bille 13 autour de l'axe de rotation 14, une partie des canaux 19 entre progressivement dans le prolongement du conduit d'entrée 17. Pour un angle d'ouverture p faible, seule une faible surface de ces canaux se trouve en contact avec le conduit d' entrée. La quantité de fluide qui peut passer à travers les canaux et donc traverser la vanne est faible. Pour des angles d'ouverture P plus importants, la surface des canaux 19 se trouvant en contact avec le conduit d'entrée 17 est plus grande. Une plus grande quantité de fluide peut donc passer à travers la vanne. La commande de l'angle d'ouverture P permet donc une régulation précise de la quantité de fluide traversant la vanne. Pour de petits angles d'ouverture ,ss, la petite dimension des canaux crée des frottements importants ce qui occasionne des pertes de charge importantes et évite ainsi les problèmes occasionnés par une ouverture trop brusque de la vanne. La figure 4a représente une première variante de réalisation des canaux de la bille. Un de ces canaux 30 comporte des ondulations dont le profil présente une succession de zones angulaires 31 et de zones planes 32. Chaque zone angulaire peut être séparée en une zone préangulaire 33 et une zone post-angulaire 34. Dans ce type de canal, la circulation du fluide se fait comme suit. En début d'ouverture de la vanne, le fluide se déplace en suivant le profil des canaux. Il rencontre d'abord une zone plane 32, puis une zone pré-angulaire 33 dans laquelle il subit une légère détente. Il continue ensuite dans une zone post-angulaire 34 où il subit une légère compression et ainsi de suite. Ces cycles de compression et de détente occasionnent une perte de charge importante en début d'ouverture. En fin d' ouverture, le fluide se déplace transversalement à travers l'ensemble des zones planes 32. Chaque portion de fluide se déplace dans un plan et forme un ensemble de nappes de fluide. Il n'y a plus de cycles de compression et de détente, donc pratiquement plus de perte de charge en fin d'ouverture. Les nappes peuvent être constituées de portions sensiblement planes lorsque le profil des canaux correspond à une ligne brisée. Ces nappes peuvent avoir une surface gauche par exemple lorsque les canaux ont un profil ondulé, sinusoïdal ou similaire. La figure 4b représente une deuxième variante de réalisation des canaux de la bille. Cette disposition est particulièrement avantageuse dans le cas où le fluide circulant à travers la vanne est un fluide compressible. Un des canaux 40 comporte une zone pré-angulaire 41, une zone post-angulaire 42, une zone plane longitudinale 43 et une zone plane transversale 44 ce qui lui donne une forme ondulée. Dans ce mode de réalisation, la perte de charge est importante en début d'ouverture et pratiquement inexistante en fin d'ouverture. En effet, étant donné que le profil du canal 40 présente une section divergente, lorsque la bille est en position de régulation, la pression s' exerçant sur le fluide dans la partie de la vanne reliée au conduit d'entrée, est supérieure à la pression du fluide dans la partie de la vanne reliée au conduit de sortie. Le fluide subit ainsi une détente qui est accompagnée d'une augmentation de volume possibles puisque les canaux présentent un profil à section divergente. Les figures 5a à 5f représentent plusieurs formes possibles de réalisation de la bille équipant la vanne. En référence à la figure 5a, la bille 50 comporte des canaux 51 réalisés sous la forme d' ouvertures planes parallèles entre elles et s' étendant depuis la périphérie de la bille 50 vers l'intérieur. Ces ouvertures sont disposées de telle manière que, lorsque la vanne est en positon ouverte, les bords intérieurs 52 des canaux sont sensiblement parallèles à l'axe de la vanne. Dans ce mode de réalisation, seule une faible surface des canaux 51 est en contact avec le conduit d' entrée au début de 1' ouverture. Lorsque la vanne est entièrement ouverte, toute la surface disponible des canaux est en contact avec le conduit d'entrée. En début d'ouverture, la faible surface de contact entre les canaux 51 et le conduit d'entrée crée des remous et par conséquent, des pertes de charge importantes, alors qu' en fin d' ouverture, le fluide traverse facilement la bille sans subir de grande perte de charge. En référence à la figure 5b, la bille 55 comporte des canaux 56 plans présentant une section à profil divergent. Cette forme de canaux à section à profil divergent est utilisée comme mentionné en référence à la figure 4b, pour des fluides compressibles dans le but de permettre une détente du fluide. La figure 5c illustre une bille comportant des canaux 60 tels que celui représenté par la figure 4a. Le profil de ces canaux est ondulé autour d'un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 61 de la bille 62. Ces canaux 60 peuvent avoir un profil de ligne brisée, un profil sinusoïdal ou tout autre profil ondulé. Dans ce mode de réalisation, le profil ondulé des canaux 60 a pour but d'augmenter encore la perte de charge. Lorsque la bille est en début d' ouverture, la fluide se déplace longitudinalement dans les canaux. Chaque fois qu' une portion de fluide arrive à proximité d' une ondulation, elle subit une compression. Dès que cette portion a dépassé ladite ondulation, elle subit une détente. Cette série de cycles de compressions et de détentes provoque une importante perte de charge. Lorsque la bille est en position ouverte, le fluide se déplace transversalement dans les canaux. Chaque portion de fluide se déplace dans un plan. Il n'y a donc plus de cycles de compressions et de détentes, donc plus de perte de charge. En référence à la figure 5d, les canaux 70 présentent des ondulations autour de plans sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation 71 de la bille 72 dans une première zone s' étendant vers l'intérieur de la bille, et sont prolongés par des canaux sensiblement plans dans une deuxième zone s' étendant vers la périphérie de la bille. Cette réalisation peut être considérée comme étant une combinaison des réalisations selon les figures 5a et 5c. Dans ce mode de réalisation, la forme ondulée des canaux 70 assure une perte de charge importante en début d'ouverture, alors que la partie plane des canaux génère un flux sensiblement laminaire à la sortie de la vanne. En fin d'ouverture, le fluide circule selon des nappes de fluide planes quelle que soit la forme des canaux 70. En référence à la figure 5e, la bille 80 comporte une entaille latérale 81, dont la dimension et la position sont adaptées pour permettre à un fluide de passer directement du conduit d'entrée au conduit de sortie lorsque la bille est en position ouverte. Selon ce mode de réalisation, lorsque la bille 80 est en début d'ouverture, seuls les canaux permettent la liaison entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie. Ils assurent une perte de charge importante en début d'ouverture. Lorsque l'angle d'ouverture p devient plus important, l'entaille latérale 81 assure également la liaison entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie, ce qui permet de diminuer la perte de charge et d'augmenter le débit. La bille 90 illustrée par la figure 5f, comporte des canaux 91 de forme ondulée tels que celui décrit en référence à la figure 4a et est utilisée dans le cas d'un fluide compressible. La vanne selon l'invention peut également être équipée d'un boisseau 100 tel que représenté par la figure 6. Ce boisseau 100 comporte des canaux 101 périphériques, situés dans des plans parallèles sensiblement perpendiculaires à son axe de rotation 102. Dans cette forme de réalisation, les canaux 101 sont disposés de manière que seule une faible surface utile des canaux soit en contact avec le conduit d' entrée en début d'ouverture, alors qu'une grande surface desdits canaux assure la liaison entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie dans le cas d'une plus grande ouverture. La rotation du boisseau 100 autour de l'axe de rotation 102 assure donc une régulation de la quantité de fluide traversant la vanne. Ces différents modes de réalisation ont des fonctionnements similaires et permettent tous d'atteindre les buts fixés par l'invention. La présente invention n' est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais s' étend à toutes modifications ou variantes évidentes pour l' homme de l'art. Les différentes formes de canaux peuvent notamment être réalisées indifféremment dans des billes ou dans des boisseaux. Revendications 1. Vanne de régulation comportant un corps relié à un conduit d' entrée et à un conduit de sortie alignés selon un axe appelé axe de la vanne, ce corps étant pourvu d'un évidement dans lequel est logée une bille ou un boisseau rotatif autour d'un axe situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de la vanne, la bille ou le boisseau comportant au moins une zone de fermeture de ladite vanne s'étendant sur une partie de sa circonférence et définissant une position fermée lorsque la zone de fermeture est en face du conduit d'entrée, et une zone de régulation du fluide circulant dans la vanne s'étendant sur le reste de sa circonférence et définissant une position de régulation lorsqu'une partie de la zone de fermeture et une partie de la zone de régulation sont en face du conduit d'entrée, la bille définissant en outre une position ouverte lorsque la zone de régulation est en face du conduit d'entrée, caractérisée en ce que la bille (13, 50, 55, 62, 72, 80, 90) ou le boisseau (100) comporte au moins un canal (19, 30, 40, 51, 56, 60, 70, 91, 101) traversant ladite bille ou ledit boisseau de part en part, ledit canal ayant une section inférieure à la section du conduit d'entrée (17), et étant sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (14, 61, 71, 102) de la bille ou du boisseau, le bord intérieur dudit canal étant sensiblement parallèle à l'axe de la vanne lorsque la bille ou le boisseau est en position ouverte. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bille (13, 50, 55, 62, 72, 80, 90) ou le boisseau (100) comporte plusieurs canaux (19, 51, 60, 70, 91, 101). 3. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits canaux (19, 51, 60, 70, 91, 101) sont des canaux périphériques. 4. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux (19, 51, 101) sont plans. 5. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux (30, 40, 60, 91) présentent des profils ondulés autour d'un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation (61). 6. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie des canaux (70) est plane et une autre partie des canaux présente des profils ondulés. 7. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux (40, 56, 91) présentent une section à profil divergeant. 8. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bille (80) ou le boisseau comporte en outre, un entaille latérale (81) agencé de manière qu' une partie de celle-ci soit en contact avec le conduit d' entrée, et qu'une autre partie de l' entaille latérale (81) soit en contact avec le conduit de sortie lorsque la vanne est en position ouverte.