Brevet FR2705131A1 — publié le 19941118

ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur et élément d'obturation du type bouchon pour celui-ci" La présente invention concerne les soupapes de commande de vapeur, et des éléments d'obturation du type bouchon destinés à celles-ci, telles qu interposées entre une boîte à vapeur et une entrée de turbine à vapeur, qui reçoivent de la vapeur provenant de la boite et distribuent la vapeur par effet de soupape vers des secteurs annulaires de l'entrée de turbine, et en particulier un ensemble formant soupape équilibrée, améliorée de commande de vapeur et un élément d'obturation du type bouchon destiné à un tel ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur. Les soupapes de commande de vapeur pour turbine à vapeur, avec le temps, sont devenues plus grandes et doivent agir à des pressions plus élevées. Ceci entraÇne des forces tres importantes qui dépassent les capacités des dispositifs de commande à soupape habituels connus. Une solution de la technique antérieure a été d'équilibrer les forces mentionnées ci-dessus en ajoutant un piston d'équilibrage sur la queue de soupape qui se déplace en vaet-vient de maniere coulissante dans un cylindre ou un guide. Dans cette solution, la pression obtenue au niveau de la base de la soupape du type bouchon est communiquée, à travers des passages intérieurs, à 1 'extrémité opposee de la soupape, c'est à dire de l'élément d'obturation du type bouchon. Cet expédient équilibre approximativement les forces.Du fait de la nature élaborée de cette conception, l'élément d'obturation du type bouchon, ayant un bouchon au niveau d'une première extrémité et le piston d'équilibrage au niveau de l'autre extrémité, a été perçu comme comportant des éléments distincts et en conséquence a été fabriqué en ayant un col visible mais non necessaire entre ceux-ci. Egalement, pour faciliter la fabrication, des éléments d'obturation ont été formés à partir d'éléments réellement séparés, le bouchon de diamètre plus grand et le piston d'équilibrage recevant une queue par l'intermédiaire de l'agencement d'une fente en T. Au niveau des limites hautes de dimension et de pression de tels éléments d'obturation, on a rencontré des problemes de vibration, de commande de position et de rupture de queue. C'est un but de la présente invention de fournir un ensemble formant soupape équilibrée, améliorée, de commande de vapeur et un élément d'obturation du type bouchon destiné à celle-ci, qui évitent les problèmes mentionnés ci-dessus. C'est en particulier un but de la présente invention de fournir un ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur comportant un siège de soupape annulaire, un élément d'obturation du type bouchon destiné à assurer la fermeture sur ledit siège et l'ouverture en s'éloignant de ce dernier, un chapeau de soupape ayant un alésage longitudinal central formé à travers celui-ci, ledit élément d'obturation ayant une tête d'obturation et une queue, ladite queue étant en contact de manière coulissante avec ledit alésage, ledit chapeau comportant un guide cylindrique suspendu, ladite tête étant en contact de manière coulissante avec le guide, ladite tête ayant des moyens formant canal d'utilisation du fluide formé à l'intérieur de celle-ci pour équilibrer la pression s'exerçant sur une première extrémité de ladite tête par celle s'exerçant sur l'extrémité opposee de ladite tête, la première extrémité de ladite tête comportant des moyens qui y sont formés pour assurer qu'une pression moyenne et représentative engendrée au niveau de celle-ci soit transmise à I'extrémité opposée de ladite tête via lesdits moyens formant canal, lesdits moyens formés dans la première extrémité de ladite tête comportant une cavité, lesdits moyens formant canal étant composés d'un alésage central axial formé dans ladite tête et de plusieurs passages divergents s'étendant à partir dudit alésage central axial et en communication de fluide avec celui-ci, lesdits passages débouchant vers l'extérieur de ladite tête sur ladite première extrémité et ladite extrémité opposée. C'est aussi un but de la presente invention de fournir un élément d'obturation du type bouchon pour ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur, comportant une tête d'obturation et une queue venue de matière, ladite tête ayant des moyens formant canal d'utilisation de fluide qui y est formé pour équilibrer la pression s'exerçant sur une première extrémité de ladite tête par la pression s'exerçant sur l'extrémité opposée de ladite tête, la première extrémité de ladite tête ayant des moyens qui sont formés dans celle-ci pour assurer qu'une pression moyenne et représentative s'exerçant au niveau de celle-ci sera transmise à l'extrémité opposée de ladite tête via les moyens formant canal, lesdits moyens formés dans la première extrémité de ladite tête comportant une cavité, lesdits moyens formant canal etant composés d'un alésage central axial forme dans ladite tête et de plusieurs passages divergents agencés à partir dudit alésage central axial et en communication de fluide avec ce dernier, lesdits passages débouchant vers l'extérieur de ladite tête sur ladite première extrémité et ladite extrémité opposée de celle-ci. D'autres buts de la présente invention, ainsi que les nouvelles caractéristiques de celle-ci, apparaStront à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple uniquement, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un ensemble formant soupape de commande de vapeur de la technique antérieure, celle-ci comportant l'agencement formant liaison à fente en T mentionné ci-dessus, - la figure 2 est une vue en coupe d'un élément d'obturation du type bouchon de la technique anterieure dans lequel la queue de celui-ci est venue de matière avec le bouchon et le piston d'équilibrage, - la figure 3 est une vue en coupe d'une boite à vapeur représentant des ensembles nouveaux formant soupape équilibrée de commande de vapeur agencés dans celle-ci pour commander la distribution de vapeur vers des secteurs annulaires de l'entrée d'une turbine, et - la figure 4 est une vue à echelle fortement agrandie d'un ensemble nouveau mentionné ci-dessus formant soupape équilibrée de commande de vapeur, celui-ci comportant un élément d'obturation du type bouchon selon la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, l'ensemble 10 formant soupape de commande de vapeur de la technique antérieure comporte un siège 12 de soupape ayant une configuration de venturi, et un chapeau 14 de soupape, comportant un guide 16 de soupape suspendu à partir de ce dernier, le guide ayant une douille 18 de guidage de soupape qui est fixée à l'intérieur de celui-ci. L'élément 20 d'obturation du type bouchon comporte une extrémité de bouchon arrondie 22 qui vient en appui sur le siege 12 et s'éloigne de ce dernier, et une extrémité cylindrique 24 formant piston d'équilibrage. L'extrémité 24 peut se déplacer en va-et-vient de manière coulissante dans le guide 16 suivant la douille 18, et comporte un alésage traversant 26 longitudinal central. Les extrémités 22 et 24 sont reliées par l'intermédiaire d'une partie 28 formant col. A l'intérieur de l'extrémité 24 formant piston d'équilibrage est formée une rainure rectiligne 30 qui reçoit une extrémité formant liaison en T de la queue 32 de l'élément d'obturation. Il a été constaté que les problèmes de tels ensembles 10 formant soupape proviennent de pressions non uniformes et instables s'exerçant au niveau de la partie inférieure de l'extrémité 22 de bouchon et en conséquence la pression communiquée à la partie supérieure de l'extrémité 24 du piston d'équilibrage n'est pas représentative de la pression moyenne engendrée au niveau de la partie inferieure de l'extrémité 22 de bouchon. L'alésage 26 débouche seulement sur la partie centrale de la partie inférieure de l'extrémité 22 de bouchon et, comme noté, la pression s'exerçant au niveau de celle-ci est transférée à l'extrémité 24, et s'exerce de manière non représentative. De plus, la liaison en T est considérée comme constituant un defaut de structure. Les pressions non uniformes et instables mentionnées ci-dessus résultent de la longue surface incurvée de l'extrémité 22 de bouchon, l'écoulement de vapeur passant entre cette surface et le siège 12. Les pressions varient de manière considérable dans cette zone et l'écoulement se sépare de la surface au niveau d'un certain point variable et non connu situé sur la surface de l'extrémité 22 de bouchon après qu'il ait passé à travers la partie la plus étroite de la zone. Comme représenté sur la figure 1, l'extrémité arrondie 22 de bouchon, coopérant avec le siège 12 de soupape, définit une zone ou région 34 de transition d'écoulement longue ou importante. La longueur de celle-ci en contact avec le fluide est alors obtenue entre la surface la plus extérieure de l'extrémité 22 de bouchon et un certain point non défini représenté arbitrairement au niveau de la reference numérique 36. Sur les figures 2 à 4, les composants ou les parties qui portent des références numériques qui sont les mêmes ou analogues à celles représentées sur la figure 1 indiquent les mêmes composants ou des composants analogues à ceux de la figure 1. La figure 2 décrit un élément 20a d'obturation de la technique antérieure conçu pour surmonter le défaut de l'élément 20 d'obturation à liaison en T de la figure 1. Ici, la queue 32a est venue de matière avec l'extrémité 24a formant piston d'équilibrage. Cependant, ici aussi, l'alésage central 26a débouche uniquement centralement au niveau de la partie inférieure de l'extrémité 22a de bouchon. L'utilisation de l'élément 20a d'obturation entraîne que les pressions non représentatives citées cidessus sont communiquées à 1 'extrémité 24a du piston d'équilibrage. De plus, l'élément d'obturation 20a, ayant une extrémité 22a de bouchon arrondie semblable fournira la même zone de transition d'écoulement longitudinal et une longueur étendue de contact avec le fluide comme cela apparat avec l'utilisation de l'élément d'obturation 20 de la figure 1. La figure 3 représente une boite à vapeur 38 qui reçoit de la vapeur provenant d'un collecteur (non représenté) et qui répartit la a vapeur vers des secteurs annulaires 40 et 42 d'une entrée 44 de turbine. Les nouveaux ensembles 45 respectivement 48 formant soupape équilibrée de commande de vapeur sont représentés situés à travers la boite 38. Les extrémités 50 respectivement 52 des pistons d'équilibrage des ensembles, qui comportent des éléments 54 respectivement 56 d'obturation du type bouchon selon la présente invention, se déplacent par translation à l'intérieur des guides 16a et 16b du chapeau et des douilles de guidage 18a et 18b.Les extrémités 50 respectivement 52 coopèrent avec les guides 16a et 16b et les douilles 18a et 18b pour définir entre eux des chambres 58 respectivement 60 à volume variable dans lesquelles agissent les extrémités 50 respectivement 52. Un agrandissement du nouvel ensemble 46, à gauche sur la figure 3,est représenté sur la figure 4. Comme représenté, l'ensemble 46 comporte un élément d'obturation 54 qui comporte une cavité circulaire 62 formée dans l'extrémité 22b formant bouchon de celui-ci. L'alésage longitudinal central 26b de celui-ci communique avec plusieurs passages divergents 64 (ici quatre bien que seuls deux soient représentés) qui debouchent au niveau de la cavité circulaire 62. De plus, un autre passage 64a axialement aligne s'étend directement depuis l'alésage 26b et débouche au niveau du centre de la cavité 62. La surface extérieure de l'élément d'obturation 54 et le bord circonférentiel 66 de la cavité 62 définissent une paroi circonférentielle conique 68.Les passages 64 sont tangents à la paroi 68 et ceux-ci, par coopération avec le passage 64a, assurent qu'une pression moyenne et représentative engendrée à travers la cavité 62 sera transférée dans l'alésage 26b pour être communiquée à l'extrémité 50 du piston d'équilibrage et dans la chambre 58. L'élément d'obturation 54 n'a pas de col; il a simplement une tête 70 et une queue 32b. L'extrémité de tête de la tête 70, qui se rapproche et s'éloigne du siège 12 de soupape, a un diamètre donné. L'extrémité de queue de la tête, qui comporte l'extrémité 50 du piston d'équilibrage, a un diamètre différent bien que pas tellement plus petit, et cette conception donne à l'élément d'obturation 54 une masse qui résiste aux pressions de vapeur exercées. Le diamètre de l'extrémité de queue de la partie constituant l'élément 54 est choisi de telle sorte que la force nette s'exerçant sur la structure complète soit contenue à l'intérieur des capacités du dispositif de commande par soupape. Dans t'extrémité de queue de l'élément d'obturation 54, en outre, sont agencés des passages divergents 64b pour communiquer avec la chambre 58, et agencés en fonction de la queue 32b venue de matière. Il est à noter que la surface extérieure de l'élément 54, au niveau de l'extrémite de tête de celui-ci, et de la surface intérieure de la paroi 68, c'est-à-dire le bord 66, est très étroite ou courte, cette dernière définissant la zone ou région 34a de transition d'écoulement. Elle a une dimension en largeur qui n'est pas plus grande que 10% du diamètre de l'extrémité de tête de la tête 70. Du fait que l'élément 54 est pratiquement cylindrique, i7 n'a pas la forme de bouchon arrondie de l'extrémité 22 de bouchon de l'élément d'obturation 20 (de la figure 1). La configuration à côté rectiligne de l'élément 54, et l'extrémité creusee à fond de manière générale plat; ou extrémité de tête de 1 'élément 54, coopèrent avec la zone de transition courte pour définir un changement aigu de la pente 72 de la surface pour entraSner une séparation de l'écoulement. Bien que l'on ait decrit la présente invention en liaison avec certains modes spécifiques de réalisation de celle-ci, il doit être compris de manière claire que ceci a été fait à titre d'exemple uniquement et non pas à titre de limitation de la portée de la presente invention telle qu'établie dans les buts de celle-ci et les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur comportant un siège (12) de soupape annulaire, un élément d'obturation (54) du type bouchon destiné à assurer la fermeture sur ledit siège (12) et l'ouverture en s'éloignant de ce dernier, et un chapeau (14) de soupape ayant un alésage longitudinal central formé à travers celui-ci, ledit élément d'obturation (54) ayant une tête d'obturation (70, 50) et une queue (32b), ladite queue étant en contact de manière coulissante avec ledit alésage, ledit chapeau (14) comportant un guide cylindrique suspendu (16a, 18a), ladite tête (70, 50) étant en contact de manière coulissante avec le guide, ladite tête ayant des moyens (64, 64a, 26b) formant canal d'utilisation du fluide formé à l'intérieur de celle-ci pour équilibrer la pression s'exerçant sur une première extrémité de ladite tête par celle s'exerçant sur l'extrémité opposée de ladite tête, caractérisé en ce que la première extrémité de ladite tête comporte des moyens (62, 66) qui y sont formés pour assurer qu'une pression moyenne et représentative engendrée au niveau de celle-ci soit transmise à l'extrémité opposée de ladite tête via lesdits moyens formant canal (64, 64a, 26b), lesdits moyens (62, 66) formés dans la première extrémité de ladite tête comportant une cavite (62), et en ce que lesdits moyens formant canal sont composés d'un alésage central axial (26b) formé dans ladite tête et de plusieurs passages divergents (64, 64a) s'étendant à partir dudit alésage central axial (26b) et en communication de fluide avec celui-ci, et en ce que lesdits passages (64, 64a) débouchent vers l'extérieur de ladite tête sur ladite première extrémité et ladite extrémité opposée. 2. Ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur selon la revendication 1, caractérise en ce que ladite cavité (62) est constituée d'un évidement circulaire ayant une paroi circonférentielle conique (66), en ce que lesdits passages (64, 64a) débouchent sur ladite première extrémité de ladite tête en débouchant dans ledit évidement et en étant tangents à ladite paroi (66), et en ce que ledit alésage axial central (26b) débouche dans ledit évidement et centralement par rapport audit évidement. 3. Ensemble formant soupape equilibrée de commande de vapeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite extrémité opposée de ladite tête (70, 50) et ledit guide (16a, 18a) définissent de manière complémentaire entre eux une chambre (58) à volume variable. 4. Ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits passages (64a) qui ouvrent sur ladite extrémité opposée de ladite tête s'ouvrent dans ladite chambre (58). 5. Ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite tête (70, 50) a une surface extérieur circonférentielle, ladite surface et ladite paroi (66) définissent une zone de transition annulaire (34a) entre elles, ladite tête a une extrémité de tête (70) de contact avec le siege et une extrémité de queue (50), ladite extrémité de tête (70) de ladite tête a un diamètre de dimension donnée, ladite extrémité de queue (50) a un diamètre ayant une dimension qui est plus petite que ladite dimension donnée, et ladite zone de transition (34a) a une dimension en largeur qui n'est pas plus grande que 10t de ladite dimension donnée. 6. Ensemble formant soupape équilibrée de commande de vapeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit diamètre de ladite extrémité de queue (50) est choisi de telle sorte que la force nette s'exerçant sur la structure complète soit située à l'intérieur des capacités d'un dispositif de commande par soupape. 7. Elément d'obturation (54) du type bouchon pour ensemble (46) formant soupape équilibrée de commande de vapeur, comportant une tête d'obturation (70, 50) et une queue (32b) venue de matière, ladite tête ayant des moyens (26b, 64, 64a) formant canal d'utilisation de fluide qui y est formé pour équilibrer la pression s'exerçant sur une première extrémité de ladite tête (70, 50) par la pression s'exerçant sur l'extrémité opposée de ladite tête, la première extrémité de ladite tête ayant des moyens (62, 64, 64a) qui sont formés dans celle-ci pour assurer qu'une pression moyenne et représentative s'exerçant au niveau de celle-ci sera transmise à l'extrémité opposée de ladite tête via les moyens formant canal (26b, 64, 64a), caractérisé en ce que lesdits moyens (62, 64, 64a) formés dans la première extrémité de ladite e tête comportent une cavité (62), en ce que lesdits moyens formant canal (26b, 64, 64a) sont composés d'un alésage central axial (26b) formé dans ladite tête (70, 50) et de plusieurs passages divergents (64, 64a) agencés à partir dudit alésage central axial (26b) et en communication de fluide avec ce dernier, et en ce que lesdits passages (64, 64a) débouchent vers l'extérieur de ladite tête sur ladite première extrémité et ladite extrémité opposée de celle-ci. 8. élément d'obturation selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite cavité (62) est constituée d'un évidement circulaire ayant une paroi circonférentielle conique (66), en ce que lesdits passages (64, 64a) qui débouchent sur ladite premiere extrémité de ladite tête débouchent dans ledit évidement et sont tangents à ladite paroi (66), et en ce que ledit alésage central axial (26b) débouche dans ledit évidement et centralement par rapport à ce dernier. 9. Elément d'obturation selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite tête (70, 50) a une surface circonférentielle extérieure, ladite surface et ladite paroi (66) définissent entre elles une zone de transition annulaire (34a), ladite tête (70, 50) a une extrémité de tête (70) de contact avec le siège (12) de soupape et une extrémité de queue (50), ladite extrémité de tête (70) de ladite tête ayant un diamètre de dimension donnée, ladite extrémité de queue (50) ayant un diamètre d'une dimension qui est de manière typique plus petite que ladite dimension donnée, et en ce que ladite zone de transition (34a) a une dimension en largeur qui n' est pas plus grande que 10% de ladite dimension donnée. 10. Elément d'obturation selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit diamètre de ladite extrémité de queue (50) n'est pas plus petit qu'approximativement 80% dudit diamètre de ladite extrémité de tête.