Brevet FR2745882A1 — publié le 19970912

La présente invention concerne d'une manière générale une vanne rotative de réglage dont l'ensemble obturateur-siège en acier sans joint assure en position fermée une étanchéité parfaite du fluide entre l'amont et l'aval, cette invention s'applique également aux vannes papillon de réglage ou d'isolement, aux vannes à boule ainsi qu'aux vannes à clapet anti-retour. L'état de la technique antérieure traditionnelle fait appel à trois techniques basiquement différentes pour assurer l'étanchéité entre l'amont et l'aval des vannes. La première concerne les vannes à obturateurs du type papillon à simple ou à double excentration dont la surface périphérique portante - d'étanchéité du papillon est circulaire à profil plat ou sphérique ; cette surface portante s'appuie à la fermeture sur un siège pourvu d'un joint également parfaitement circulaire en forme d'anneau ou de bague, le siège comprenant le joint est fréquemment fixé sur le corps du robinet, le joint de siège qu'il soit métallique ou en matière plastique a obligatoirement une partie souple, il se déforme donc au moment de la fermeture pour absorber les interférences mécaniques et assurer l'étanchéité avec l'obturateur, sa déformation engendre des frottements entre la pièce mobile soit l'obturateur et la pièce fixe qui est le siège ou le joint de. siège. Cette technique présente deux inconvénients majeurs qui sont d'une part l'usure créée par le frottement obligeant le remplacement périodique des pièces, et d'autre part, les frottements et la déformation nécessaire du joint créant un couple de manoeuvre additionnel de l'organe moteur de la vanne. Une deuxième technique antérieure peu industrialisée concerne un robinet papillon, le papillon qui est circulaire est équipé sur sa périphérie extérieure d'un joint élastique également circulaire ; à la fermeture le joint élastique du papillon prend appui sur une surface portante de siège située dans le corps du robinet. cette surface correspondant à une section de cône oblique telle que toute section du cône par un plan normal à l'axe horizontal du robinet soit une section circulaire, le brevet hollandais n03, 931, 955 décrit cette technologie. Un des inconvénients majeurs de cette technique connue réside dans l'absence de possibilité d'auto-centrage mécanique entre un papillon pièce mâle, à joint de périphérie circulaire et une portée de siège pièce femelle, qui n'est circulaire que sur un plan et un seul ; toute position du papillon autre que la position verticale théorique absolument perpendiculaire à l'axe horizontal de la vanne correspond à la superposition du papillon circulaire sur une section portante elliptique ; cette technique rend donc. indispensable l'utilisation d'un joint élastique périphérique au papillon devant absorber les interférences et jeux mécaniques pour assurer une étanchéité entre le papillon et son siège, de plus la flexion du joint élastique compromet une utilisation bi-directionnelle du fluide. La présente invention résoud ces difficultés.. La troisième technique plus récente concerne les robinets à papillon ou à boule caractérisés en ce que la surface portante d'étanchéité de l'obturateur et du siège respectif sont coniques à périphérie elliptique, cette portée de géométrie identique pour le papillon et pour le siège est géométriquement définie par un tronc de cône dont l'axe de rotation est incliné et désaxé par rapport à l'axe de la tuyauterie. Cet axe de rotation est déporté à l'opposé du sommet du cône définissant la surface portante du siège. Ces obturateurs sont à double excentration de l'axe, I'excentration est parfois publicitairement dénommée triple lorsque la portée du siège est excentrée. Les excentrations géométriquement définies permettent par un effet de came d'obtenir à l'ouverture et à la fermeture des angles de dégagements supérieurs aux angles de frottement entre le papillon et le siège. Les parties portantes d'étanchéité du papillon et du siège sont soit massifs en acier, soit du type à joint interchangeable ; ils sont alors composés d'une bague circulaire en acier dans lequel se loge le joint de siège de périphérie elliptique qui est du type métallo plastique c'est-à-dire composé d'un ensemble feuilleté de rondelles d'acier alternées avec des rondelles en matériau plastique ou élastique. Le brevet français nO 8317656 et le brevet américain n"3, 442, 488 décrivent cette technologie. Cette technique présente l'inconvénient d'être coûteuse, en effet, la fabrication elliptique de la portée du joint de papillon, et du joint de siège ou du siège lorsqu'il est massif, exige des outillages non conventionnels donc onéreux du fait que l'usinage de la partie portante est elliptique ; les machines devant usiner ces pièces sont par nécessité spéciales c'est-à-dire peu répandues et donc coûteuses. Par ailleurs, I'étanchéité entre le papillon et le siège n'est possible que si à la fermeture il y a superposition absolue de l'ellipse de l'obturateur sur l'ellipse du siège, le grand axe de l'ellipse de l'obturateur devant impérativement être superposé et confondu avec le grand axe de l'ellipse du siège, or ceci est difficilement réalisable en mécanique traditionnelle et fait donc appel à des tolérances d'usinage très serrées donc onéreuses. La présente invention résoud les problèmes ci-dessus décrits, cette invention est caractérisée par la réalisation d'une vanne à obturateur rotatif. Cette vanne est caractérisée en ce que les deux pièces mécaniques principales assurant l'étanchéité soit : I'obturateur, pièce mobile rotative et le siège, pièce fixe sur lequel l'obturateur prend appui à la fermeture, ont une ligne d'étanchéité circulaire , cette ligne est appelée cercle de base. La partie portante d'étanchéité de l'obturateur et du siège est géométriquement définie par un tronc de cone droit à base circulaire, I'une des génératrices du cône est parallèle à l'axe du cercle de base et orthogonale au plan du dit cercle. FIG.l. Dans le schéma de la FIG.1, O est le centre du cercle de base Co, S le sommet du cône, et la génératrice SA est perpendiculaire au plan du cercle Co. La propriété caractéristique du cône est l'homothétie de centre S : toute section par un plan Pn parallèle au plan Po sera donc un cercle homothétique de Co dans le rapport défini par les distances respectives de Po et Pn au sommet S. Ainsi dans le schéma FIG.2 les seetions du cône par les plans P1 et P2 parallèles à Po sont des cercles C1 et C2. La vanne suivant la présente invention est FIG.3 constituée d'un corps de vanne 1, d'un axe rotatif 2, de deux paliers 3 et d'un siège conique circulaire fixe massif 4 et d'un obturateur circulaire 5 à double excentration exl et ex2 claveté sur l'axe rotatif 2, I'axe 2 étant parallèle FIG.4 au plan Po et orthogonal au diamètre AB du cercle de base, les surfaces portantes de contact du siège et de l'obturateur étant respectivement délimitées par deux plans parallèles. La présente invention concerne les surfaces portantes d'étanchéité à la fermeture et non les autres caractéristiques mécaniques ou aérodynamiques de l'obturateur Les conditions de fonctionnement de l'ensemble sont les suivantes - en position fermée les surfaces portantes de contact métal-métal du siège et de l'obturateur sont confondues. - I'ouverture et la fermeture de la vanne qui s'effectuent par rotation de l'axe 2 et de l'obturateur 5 s'effectuent sans aucun frottement car en tous points de la surface portante de contact, L'angle de dégagement défini comme l'angle formé par la normale au siège et la tangente à la trajectoire de l'obturateur. est supérieur de 90" à l'angle de coincement déterminé par la nature des aciers ou matériaux en présence. En action d'ouverture ou de fermeture, lorsque l'obturateur s'éloigne ou approche le siège, I'autocentrage obturateur-siège s'effectue sans frottement suivant la présente invention car les surfaces de contact qui sont générées par des cercles n'exigent aucun alignement particulier de leurs axes. Afin de déterminer la valeur des excentrations exl et ex2, la géométrie des surfaces portantes d'étanchéité du siège et du papillon, ainsi que la trajectoire relative des surfaces portantes respectives, il est nécessaire de déterminer les cosinus directeurs de la normale et de la tangente - définies ci-dessus. La présente invention est caractérisée en ce que la géométrie des surfaces portantes doit répondre à la formulation mathématique formulée dans le présent texte descriptif. Nous établirons les formulations mathématiques nécessaires dans le cas le plus général d'un cône à base circulaire, mais de sommet quelconque. Soient le cercle de centre 0, de rayon R, d'axe Ox, un point S, sommet du cône, n'appartenant ni à Ox ni au plan du cercle, le plan défini par Ox et S, déterminant le diamètre AB du cercle de base, I'axe Oy porté par OA, l'axe Oz terminant le trièdre trirectangle direct Oxyz, (pO l'angle SO, SA ; (pt l'angle SB,SA. Le point courant M du cercle déterminé par son angle polaire e = AOM, I'axe de rotation Cc parallèle à Oz. C dans le plan xOy, c projection de M sur cet axe. Ces éléments sont figurés FIG.5. les coordonnées de M sont X=O Y = R.cos6 Z = R.sinO Dans le mouvement de rotation, le point M de l'obturateur décrit un cercle de centre c et de rayon cM. La tangente t au cercle trajectoire du point M est contenue dans le plan horizontal (parallèle à xOy et orthogonal à Cc) passant par M ; elle est de plus perpendiculaire à cM. La normale n au point correspondant du siège est la normale au plan tangent au cône qui contient la génératrice SM et la droite du plan yOz tangente en M au cercle de base. Cosinus directeurs de t Soit m la projection de M sur xOy. La trajectoire de M se projette sur xOy suivant le cercle (Cm) trajectoire de m. La FIG.6 représente cette projection. Soient Xc et Yc les coordonnées du point C. Le point m a pour coordonnées X et Y. Soit 4= (Cx, Cm) les cosinus directeurs de la tangente en m (et donc de t , équipolent à cette tangente) s'écrivent Xt = sin 5 Yt = - cos r Zt=O Zt = 0 Cosinus directeurs de n Considérons la FIG.7 sur laquelle on a fait figurer la projection s de S sur le plan (OM, Ox) la projection N de s sur le plan (Oy, Oz) la projection m de M sur le plan (Ox, Oy) la tangente au cône t 1 portée par SM la tangente au cône t 2 située dans le plan yOz du cercle de base et portée par la tangente au cercle dans ce plan la normale au cône en M, n, perpendiculaire aux deux normales ci-dessus Les coordonnées de S : Xs Ys Z5=0 Les coordonnées de s sont : Xs Ys cos2 e Ys sin e .cos e t2 1OM Ox est orthogonal à toutes les droites de yOz, donc à t 2 t 2 est donc perpendiculaire au plan (OM, Ox) n, perpendiculaire à t 2, appartient donc à ce plan. Soit P l'intersection de n et Ox L'angle 8 défini plus haut est aussi l'angle des deux plans xOy et (Ox. OM) Soient ss l'angle (Ms, Ox), # l'angle (Ox, NlP). Les cosinus directeurs de n s'écrivent Xn = cos # Yn = sin # . cos e Zn = sin # .sin e # et ss étant complémentaires, sin # = cos ss et cos 4 = - sin ss Le produit scalaire des deux vecteurs unitaires n et t est égal au cosinus de l'angle qu'ils forment et s'écrit n.t = cos # n.t = Xn.Xt + Yn.Yt + Zn.Zt soit cos # = sin # . cos # - cos #. sin 5. cos e on trouve en définitive Dans le cas du cône droit qui nous intéresse, Ys = R, et tg (Po = R/Xs et l'expression devient: que l'on peut écrire, en utilisant les coordonnées réduites x = Xc/R et y = Yc/R La surface portante de contact d'étanchéité du siège et de l'obturateur est un tronc de cône limité par deux plans parallèles à la distance e de part et d'autre du cercle de base (C). Cette surface est entièrement définie par la section du cône par les deux plans. Il suffit pour la générer de définir, pour toute position du point courant M, L'angle (p de la génératrice SM et de l'axe du cône SO en fonction de l'angle polaire e de M compté sur le cercle (C), ou de l'angle a des deux plans MOS et AOS. La FIG.8 précise ces points et indique en outre la projection N de M sur Oy et la projection P de M sur OS. Les angles de la figure sont définis ci-dessous # = (OA, OM) a = (PN, PM) # = (SO, SM) #o = (SO, SA) #t = (SA, SB) Le calcul sera effectué dans le cas du cône droit, pour lequel Ys = R et SA # OA MN et MP étant orthogonaux à OS, NP l'est également. Donc (NO, NP) = #o OP = ON . sin #o ON = R . cos # OP = R . cos e. sin spO OS = R / sin epO NP = ON . cos #o NP = R. cos e . cos zpO PS = OS - OP PS = R I sin (Po. R - cos 8. sin #o PS = R . (1 - sin #o . cos# )/sin epO MP = OM - OP MP = R2 . (1 - sin2 #o. cos #) tg (P = MP/SP Il peut être plus intéressant d'exprimer # en fonction de &alpha;, on écrit alors cos &alpha; = NP IMP soit: et enfin REVENDI CAT IONS 1) Vanne rotative de réglage dont lensemble obturateur-siège en acier sans joint assure en position fermée une étanchéité parfaite du fluide entre l'amont et l'aval, I'ensemble corps de vanne étant principalement constituée d'un corps 1, d'un axe rotatif 2, de deux paliers 3, d'un siège conique circulaire fixe massif 4 et d'un obturateur circulaire 5 à double excentration ex1 et ex2 claveté sur l'axe rotatif 2, caractérisée en ce que que les deux pièces mécaniques principales assurant l'étanchéité soit, l'obturateur, pièce mobile rotative et le siège, pièce fixe sur lequel l'obturateur prend appui à la fermeture ont une ligne d étanchéité circulaire, cette ligne étant appelée cercle de base. la partie portante d'étanchéité de l'obturateur et du siège est géométriquement définie par un tronc de cone droit à base circulaire. 2) Vnne ~ suivant la revendication 1 -- caractérisée en ce que à l'ouverture et à la fermeture du papillon l'angle de dégagement est supérieur à 90 à l'angle de coincement déterminé par la caractéristique .des aciers de l'obturateur et du siège. 3) Vanne ~~~~~~~~~~~ suivant la revendication I 1, caractérisée en ce que les surfaces de contact sont générées par des cercles n'exigeant aucun alignement particulier de leurs axes. 4) Vanne. > suivant la revendiction 1 . la revendication 2 et la revendication 3 caractérisée en ce que la géométrie des surfaces portantes doit répondre à la formulation mathématique formulée dans le présent descriptif.