Brevet FR2771154A1 — publié le 19990521

Soupape de sûreté La présente invention concerne une soupape de sûreté, qui est, selon la norme NFE 29-410, un organe de sûreté de pression qui s'ouvre automatiquement à une valeur prédéterminée supérieure à la pression atmosphérique sous l'action de la seule pression du fluide sans intervention d'aucune autre source d'énergie et qui évacue un débit de fluide suffisant pour empêcher la pression de dépasser la valeur maximale en service d'une quantité prédéterminée ; il se referme automatiquement en arrêtant l'écoulement du fluide lorsque les conditions de service ont été rétablies. Bien qu'on puisse faire remonter la soupape de sûreté au prototype élémentaire qui équipait la marmite de Denis Papin, le type moderne et usuel de soupape de sûreté comprend dans un corps une buse fixe et un ensemble clapet et porte-clapet réalisé en une ou plusieurs parties mobiles axialement par rapport à la buse vers laquelle il est rappelé par un ressort, le clapet et la buse comportant des portées d'étanchéité sous forme de lèvres annulaires antagonistes réalisant le siège de clapet, le porte-clapet comportant un bord annulaire à partie conique, la buse étant munie à l'extrémité sur son diamètre extérieur d'une bague de réglage coopérant en position fermée avec ladite partie conique du bord annulaire du porte-clapet. Les écoulements de fluide sont perturbés d'une part par le confinement immédiat en aval du col formé par la buse et le clapet, réalisé pour faciliter l'ouverture rapide du clapet, et d'autre part par l'existence du collecteur aval qui permet la nécessaire récupération du fluide évacué avant expulsion ou recyclage. Ce type de soupape est employé très couramment et donne généralement satisfaction. Toutefois, l'écoulement de fluide lors de la levée de soupape donne lieu à des bruits et des instabilités indésirables pour certains rapports de détente, qu'on veut s'efforcer de diminuer. Parfois, ces écoulements instables et les grandes puissances à dissiper peuvent conduire à des dégâts mécaniques. On a déjà proposé dans le document EP 0 156 672 A un procédé général de stabilisation des écoulements de fluides compressibles lors de détente supersonique, et une application particulière de ce procédé au cas des soupapes de régulation ; selon cette application, on prévoyait en particulier dans le siège du clapet de la soupape, et non dans le clapet luimême, des alvéoles spécialement disposés. Le but de la présente invention est de proposer une soupape de sûreté du type rappelé plus haut à stabilité améliorée. Le but de l'invention est atteint en ce que la partie conique du bord annulaire du porte-clapet est crénelée, de manière à constituer en quelque sorte un ensemble de tuyères azimutales contigus, qui partent du col formé par la buse et le clapet ou à proximité aval de celui-ci et qui permettent au fluide de se détendre différemment selon qu'il aborde une tuyère formée dans un créneau ou une tuyère formée dans un merlon. Cette stratification azimutale facilite, par viscosité, la dissipation de l'énergie du jet et sa stabilisation. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les créneaux sont formés sur ledit bord juste en aval de la ligne de contact dudit bord avec la bague de réglage. Dans un second mode de réalisation, ils sont formés légèrement en amont de cette ligne pour se rapprocher plus près du col formé par la buse et le clapet. Il est possible de combiner ces deux modes de réalisation. Certains créneaux peuvent être formés dès le bord extérieur de la portée du clapet. Avantageusement, le bord supérieur de la bague de réglage et le fond des créneaux sont conformés de manière concave, en direction radiale, pour former des tuyères concaves. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de deux exemples de réalisation, se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une soupape de sûreté de l'art antérieur, le clapet étant en position levée, - la figure 2 est une vue en deux demicoupes longitudinales analogues à la figure 1 représentant, pour la demi-coupe droite, un premier mode de réalisation de soupape de sûreté conforme à l'invention, le clapet étant en position fermée, et, pour la demi-coupe gauche, la soupape de l'art antérieur en même position à titre de comparaison, - la figure 3 est analogue à la figure 2 pour un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est un tableau représentant schématiquement les différentes configurations de porte-clapet, de clapet et de bague de réglage ayant fait l'objet d'essais dans le cadre de l'invention, - la figure 5 est un tableau des differentes combinaisons de configurations de soupape essayées, - les figures 6, 7 et 8 montrent les résultats concernant respectivement la valeur efficace ou niveau global des pulsations de pression P (pression pariétale dans le collecteur d'échappement vis-à-vis du col), et des fluctuations de force Fx et de force Fy obtenus pour les diverses configurations essayées, - les figures 9 et 10 représentent l'évolution des efforts moyens Fz en fonction du temps lors d'une variation du taux de détente, respectivement sur une soupape de l'art antérieur et sur une soupape conforme à l'invention. Une soupape de sûreté 1 comprend au sein d'un corps 2 représenté seulement en partie, une buse 3 terminée par un col 4 portant une lèvre annulaire plate 5 formant avec un élément antagoniste décrit plus loin un siège de clapet. Sur le même axe longitudinal 6 que la buse 3, un porte-clapet 7 est monté mobile en translation grâce à une tige non représentée coulissant dans un alésage formé dans un chapeau de soupape fixé au corps ; le porte-clapet est rattaché à la tige par une tête de tige 8. Le porte-clapet comporte un évidement cylindrique axial 9 entouré d'une jupe cylindrique 10 terminée par un bord annulaire à portée conique 11. Un clapet 12 est inséré dans l'évidement 9 où il est retenu grâce à la coopération d'une queue 13 munie d'un jonc 14 frottant sur la paroi cylindrique d'un trou 15 pratiqué au fond de l'évidement. La face dégagée 16 du clapet 12 comporte au voisinage de sa périphérie une lèvre annulaire plate 17 constituant l'élément antagoniste de la lèvre 5 pour realiser le siège de clapet. Le col 4 de la buse est entouré d'une bague de réglage 18 portant une ceinture de crans radiaux 19 entre deux desquels peut venir s'engager l'extrémité d'une vis d'arrêt 20 accessible de l'extérieur du corps 2. La bague de réglage 18 est montée sur un filetage 21 extérieur de la buse 3 de sorte que sa rotation entraîne un degré choisi de déplacement axial de la bague 18 dont le nez supérieur 22 vient au contact de la portée conique 11 du porteclapet 7 pour définir en position fermée du clapet (figures 2 et 3) une chambre annulaire supplémentaire 23 radialement extérieure aux lèvres en contact 5, 17. Un ressort non représenté logé dans le chapeau de soupape et muni d'une vis de tarage charge de façon permanente et contrôlée le porte-clapet et donc le clapet 12 vers la buse 3. Tous ces éléments sont classiques dans l'art antérieur. Le fonctionnement de la soupape est le suivant. Lorsque le clapet est fermé et que la pression au sein de la buse 3 atteint puis dépasse légèrement la pression de consigne, le clapet se soulève de façon infime à l'encontre de la force exercée par le ressort de soupape ; les lèvres 5, 17 s'écartent légèrement et la pression peut alors aussi s'établir dans la chambre annulaire 23, ce qui augmente d'autant la surface du clapet soumise à cette pression et permet d'accélérer la levée du clapet jusqu'à sa butée haute. On a représenté sur la figure 1 la section circulaire S1 de la buse, la section cylindrique S2 de passage entre les lèvres opposées 5, 17 et la section de passage de sortie S3 entre la bague de réglage 18 et le bord 11 du porte-clapet 7. Pour une certaine géométrie et une levée suffisante du clapet, il est facile de calculer que S1 est la section géométrique de passage minimum de l'écoulement ; c'est dans cette section qu'on atteint le nombre de Mach unité. L'écoulement supersonique se développe en aval de manière très complexe. Selon l'invention, on modifie la géométrie de la soupape de manière à contrôler la dissipation d'énergie cinétique. Dans un premier mode de réalisation représenté sur la partie droite de la figure 2, on a crénelé la partie conique 11 du bord 10 du porte-clapet 7 de manière à y former un certain nombre de merlons alternant avec des créneaux 24 et constituer ainsi un ensemble de tuyères azimutales relativement divergentes séparées par des tuyères moins divergentes. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les créneaux sont formés uniquement en aval du point définissant la section S3, c'est-à-dire à partir du point de contact de la bague de réglage 18 avec la portée conique 11 du bord 10. Pour améliorer l'efficacité des tuyères de détente ainsi formées, on peut modifier la bague de réglage 18 comme le montre la figure 2, c'est-à-dire en créant un profil spécial 25 de tuyère, conique ou même concave ; le profil 26 donné au fond des créneaux peut aussi être concave. On a aussi représenté sur la figure 2 la forme spéciale donnée à la surface exposée 16 du clapet, surface formée par la révolution d'une génératrice concave vers l'extérieur, à l'exception du sommet convexe. La figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention semblable au précédent si ce n'est que les créneaux 24 sont formés dès en amont de la section S3, en fait dès le voisinage du clapet 12, c'est-à-dire qu'on agit plus près de la nappe de jet supersonique. Cette solution, si elle apporte une efficacité améliorée, fait cependant perdre une partie du bénéfice de la levée rapide, du fait que les créneaux détruisent l'étanchéité de la chambre 23. On peut limiter cet effet négatif en prévoyant un nombre réduit de créneaux de ce type, alternant avec des créneaux du type de ceux de la figure 2. Afin d'évaluer l'intérêt des diverses géométries possibles, on a conduit des expériences sur la configuration de base représentée en figure 1 et sur dix-huit configurations combinant les particularités de construction montrées sur la figure 4. P1, P2 et P3 désignent trois porte-clapets 7 dont le bord comporte respectivement zéro créneau (bord lisse), 14 créneaux et 30 créneaux. C1, C2 et C3 désignent respectivement des clapets 12 long, moyen et court en fonction de l'importance de Ta saillie formée par la surface 16. Bl, B2 et B3 désignent respectivement des bagues de réglage lisse, ou munies de 14 ou 30 créneaux. On a formé et essayé dans des conditions identiques la configuration de base et les dix-huit combinaisons listées dans le tableau de la figure 5. On a mesuré les fluctuations d'efforts Fx et Fy (c'est-àdire dans un plan radial de la soupape) ainsi que les fluctuations de pression pariétale P. Ces résultats, reportés sous forme de graphiques dans les figures 6, 7 et 8, montrent clairement des valeurs inférieures pour les configurations 4 à 15, c'est-à-dire les configurations comportant un porte-clapet crénelé conforme à l'invention. I1 est intéressant de noter qu'en revanche, les configurations 16 à 18 dans lesquelles le porte-clapet est lisse mais la bague de réglage est crénelée n'apportent pas d'amélioration marquée à la stabilité de l'écoulement. Les figures 9 et 10 montrent l'évolution des efforts moyens Fz (selon l'axe de la tige de clapet) lors d'une variation du taux de détente pendant le temps, pour la soupape de la configuration de base (figure 9) et pour la combinaison 12 du tableau de la figure 5 (figure 10). La comparaison des deux figures confirme bien l'amélioration obtenue grâce à l'invention. EVENI > ICATIONS 1. Soupape de sûreté (1) comprenant dans un corps (2) une buse fixe (3) et un ensemble de clapet (12) et porte-clapet (7) réalisé en une ou plusieurs parties mobiles axialement par rapport à la buse (3) vers laquelle il est rappelé par un ressort, le clapet (12) et la buse (3) comportant des lèvres annulaires antagonistes (17, 5) réalisant le siège de clapet, le porte-clapet (7) comportant un bord annulaire à partie conique (11), la buse étant munie à l'extrémité sur son diamètre extérieur d'une bague de réglage (18) coopérant en position fermée avec ladite partie conique (11) du bord annulaire du porte-clapet (7), caractérisé en ce que la partie conique (11) du bord annulaire du porte-clapet (7) est crénelée. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que les créneaux sont formés dans ladite partie (11) à proximité aval de la ligne de contact en position fermée dudit bord avec la bague de réglage (18). 3. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que certains créneaux sont formés dès le bord extérieur de la portée du clapet (12). 4. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bord supérieur de la bague de réglage (18) est conformé de manière concave.