Brevet FR2940827A1 — publié le 20100709

Domaine de l'invention La présente invention concerne un robinet à obturateur sphérique de grandes dimensions, notamment un robinet de garde de turbine de contrôle hydroélectrique, comprenant - un corps formé d'une virole bordée par deux couvercles et des raccords pour être montés dans l'axe d'une conduite et - un obturateur sphérique, pivotant, formé d'une couronne sphérique définissant un passage cylindrique d'axe se déplaçant dans un plan de pivotement lorsque l'obturateur pivote entre sa position d'ouverture to dans laquelle le passage est aligné sur l'axe de la conduite et sa position de fermeture dans laquelle une calotte de la couronne sphérique vient avec son siège, fermer le siège du corps du robinet. Etat de la technique On connaît des robinets à obturateur sphérique du type dé- 15 fini ci-dessus qui nécessitent des systèmes compliqués pour réaliser l'étanchéité lors de la fermeture. De façon plus détaillée, les robinets à tournant sphérique connus ont un obturateur sphérique centré qui nécessite un couple de manoeuvre à la fermeture très élevée car la sphère est soumise à la pression différentielle et n'a pas tendance à la fermeture. Il 20 faut vaincre le frottement des tourillons de la sphère sur les paliers. En conséquence, les actionneurs qui équipent ces robinets sont de grandes dimensions. La sécurité qui bloque la rotation de la sphère est extérieure et nécessite une intervention humaine ce qui représente un risque de sé- 25 curité. De plus, cela ne permet pas le démontage de l'actionneur pour des interventions de maintenance car le robinet est sous pression. En outre, les sièges de ces robinets à tournant sphérique peuvent être de deux types : Le premier type de siège est appliqué en permanence contre la sphère. 30 Il faut que toute la surface extérieure de la sphère présente une géométrie avec un état de surface de haute qualité. Cet état doit être inoxydable. Or, de telles propriétés sont difficiles à conserver dans le temps, notamment dans le cas d'une eau de barrage ou de rivière qui est plus ou moins chargée. En outre, ces sièges appliqués en continu contre la 35 sphère génèrent un couple supplémentaire. - Le second type de siège est appliqué contre la sphère uniquement en position de fermeture. Mais cela nécessite un système de pilotage des sièges. En conclusion, les robinets à tournant sphérique ou obturateur sphérique de grandes dimensions, connus, ne sont pas satisfaisants ni du point de vue de leur fonctionnement ni du point de vue des risques sur le plan de la sécurité et des possibilités d'intervention pour les travaux d'entretien. But de l'invention La présente invention a pour but de réaliser des robinets à tournant sphérique pour la protection des turbines de centrales hydroélectriques, qui soient robustes, résistent à des eaux de qualité très to variable, soient fiables, permettent une fermeture naturelle de l'obturateur sphérique même en l'absence d'énergie et garantissent une étanchéité par-faite tout en étant d'encombrement réduit. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un robinet à ob- 15 turateur sphérique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que l'axe de pivotement de l'obturateur est décalé d'un décalage par rapport au plan médian de la couronne sphérique de l'obturateur et d'un décalage par rapport à l'axe du passage pour qu'en position ouverte, le pas-sage de l'obturateur soit aligné sur l'axe du corps et que le mouvement 20 de pivotement de l'obturateur dans le sens de la fermeture rapproche l'enveloppe sphérique et la calotte par rapport au siège du corps, le mouvement de pivotement inverse, d'ouverture de l'obturateur écartant l'enveloppe sphérique et la calotte par rapport au siège du corps, le siège est un siège mobile formé d'anneau circulaire axé sur l'axe du 25 corps et mobile en coulissement suivant cet axe par rapport au corps pour s'appliquer contre le siège fixe de la calotte sphérique de l'obturateur, - une butée de fin de course d'ouverture de l'obturateur est placée sur la trajectoire du bord du passage du côté de la calotte coopérant avec le 30 siège mobile, le bord venant en appui contre cette butée (116), en posi- tion de fermeture. Le robinet à obturateur sphérique selon l'invention permet grâce à la double excentration (ou double décentrement) de l'obturateur sphérique de générer un couple de fermeture qui compense le couple ré- 35 listant engendré par le frottement des paliers. Ainsi, le robinet a besoin d'un contrepoids uniquement pour initier sa fermeture et le robinet se met naturellement en position de fermeture en l'absence d'énergie pour com- mander le vérin d'actionnement de l'obturateur sphérique et cela quel que soit le régime de l'écoulement dans le passage de la sphère. Le robinet offre également des avantages concernant l'étanchéité car grâce à la double excentration, le siège fixe de l'obturateur formé par la couronne sphérique en acier inoxydable accoste d'abord en fin de fermeture, le joint de polyuréthane puis le siège mobile. Ce siège mobile est autocontrôlé et poussé contre le siège fixe de la sphère par ses ressorts. On évite ainsi le couple supplémentaire que générerait le frotte-ment des sièges appliqué en continu sur le tournant sphérique. La réalisa- tion du tournant ou obturateur sphérique est également plus simple car elle ne nécessite pas un état de surface de haute qualité. Cela est d'autant plus important que le robinet de grandes dimensions reçoit des eaux de barrage ou de rivière qui sont généralement chargées. Comme en fin de rotation de fermeture, la couronne sphéri- que est en butée cela fixe la position d'alignement finale du siège mobile. Cette butée constitue également une sécurité indépendante de toute intervention humaine. Même si la butée extérieure au robinet est défaillante, l'obturateur sphérique est nécessairement retenu par sa couronne sphérique en appui contre la butée. Enfin, bien que les sièges ne soient pas appliqués en permanence contre l'obturateur sphérique, il ne nécessite pas de système de pilotage. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le siège mobile est le siège aval du robinet et il est monté sur des ressorts de com- pression pour être repoussé par le siège fixe de l'obturateur venant en position de fermeture. Grâce à la double étanchéité en ligne ainsi réalisée et au siège mobile, soumis à la pression amont, le siège se plaque sur le siège fixe de la sphère avec une force proportionnelle à la pression différentielle de part et d'autre du robinet. Ce robinet s'utilise tout particulièrement comme robinet de garde d'une turbine de centrale hydroélectrique. Suivant une autre caractéristique avantageuse, - le couvercle muni du siège mobile est formé d'une couronne extérieure et d'une couronne intérieure, formant des surfaces de guidage, la sur- face de guidage intermédiaire constituant une rainure périphérique entre la surface de butée de la couronne extérieure et l'autre surface de guidage de la couronne intérieure, et - le siège, mobile par rapport au couvercle entre les deux butées délimitant sa latitude de mouvement, s'appuie par ailleurs sur les ressorts de compression, pour être repoussé par le siège de l'obturateur sphérique venant en position de fermeture. Le siège mobile est, de préférence, formé de deux parties concentriques, définissant la surface d'appui de l'obturateur sphérique. Entre les deux parties, il est prévu un joint, de préférence en polyuréthane, contre lequel le siège fixe de l'obturateur vient s'appliquer en premier lieu avant de rencontrer la seconde partie du siège mobile qui est, de ~o préférence, en cupro-aluminium nickel. Le robinet selon l'invention est intégré dans la conduite de préférence par des brides entretoises ce qui permet de l'extraire facilement sans avoir à toucher à la conduite ou d'intervenir sur le système d'étanchéité du robinet sans avoir à démonter le robinet. 15 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un robinet à obturateur sphé-20 rique selon l'invention, en position ouverte, la figure 2 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 1, l'obturateur du robinet étant en position fermée, - la figure 3 est une vue montrant le détail de la partie I de la figure 1, le couvercle et le siège étant représentés en coupe mais séparés l'un de 25 l'autre, - la figure 4 est une vue agrandie de la partie I de la figure 1, lorsque le siège aval est en position comprimée, - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 4 lorsque le siège aval est en position déployée, 30 la figure 6 est une vue agrandie de la partie I avec la partie de l'obturateur sphérique en position ouverte, la figure 7 est une vue analogue à celle de la figure 6 montrant l'obturateur sphérique en position fermée, - les figures 8A-8B montrent le principe de fonctionnement de 35 l'obturateur sphérique à double excentrement. Description d'un mode de réalisation de l'invention Selon la figure 1, l'invention concerne un robinet à obturateur sphérique 1, tournant, à double excentration installé dans une conduite non représentée entre une partie amont AM et une partie aval AV. Le robinet 1 d'axe XoXo.est monté dans la conduite par l'intermédiaire d'une paire de raccords dont seul le raccord gauche 2 est représenté avec une bride entretoise 3 pour permettre l'adaptation en ion- gueur et le montage/démontage. La bride entretoise aval telle que présentée et aussi celle en amont permettent de démonter le robinet d'une manière très facile. En outre, la bride entretoise aval permet d'accéder pour la maintenance, au dispositif d'étanchéité du robinet sans démonter le robinet de la conduite. Le robinet 1 se compose d'un corps 100 et d'un obturateur sphérique 200 ainsi que de mécanismes d'actionnement non représentés pour pivoter l'obturateur autour d'un axe CR perpendiculaire au plan des figures, entre sa position ouverte (figure 1) et sa position fermée (figure 2) ce qui correspond à un pivotement limité à un angle de l'ordre de 90° en- tre ces deux positions. Le corps 100 du robinet est formé de deux couvercles 110, 120 situés de part et d'autre d'une virole 130 à laquelle ils sont assemblés par des moyens non détaillés. Ces couvercles sont eux-mêmes fixés aux raccords en aval et en amont. La virole 130 comporte un purgeur 131 permettant d'évacuer l'air à l'intérieur du robinet et un purgeur 132 en bas de la virole. Le couvercle aval 110 est muni d'un siège aval, mobile, 150 qui sera détaillé ultérieurement et le couvercle amont 120 n'a pas de siège. La virole et les deux couvercles sont des pièces en acier for-25 gé assemblées par des goujons de positionnement et des écrous. Le corps 100 comporte également des équipements tels que des anneaux de levage non représentés. L'obturateur sphérique 200 représenté en position ouverte, se compose d'un corps en forme de couronne annulaire 220 s'inscrivant 30 dans une enveloppe sphérique ; il est traversé par un passage cylindrique 210 aligné en position d'ouverture sur l'axe XoXo du robinet. Le dia-mètre du passage correspond au diamètre de passage des raccordements de l'installation. L'obturateur sphérique 200 est en fait constitué par la cou- 35 ronne annulaire 220 définissant des calottes sphériques 221, 222, celle (221) représentée en position haute à la figure 1, a un joint annu- laire 230, fixe, intégré à la calotte. Les moyens d'assemblage du joint fixe (ou siège fixe) 230 à la calotte de l'obturateur sphérique ne sont pas détail-lés. Le siège fixe 230 est, de préférence en acier inoxydable martensitique et dans le cas d'une eau chargée, il est stellité ou revêtu de car-5 bure de tungstène. Le bord 223 du passage 210 est un bord périphérique uni-que dont il faut distinguer deux parties car la partie 223A du bord du côté de la calotte 221 ne joue pas le même rôle que la partie 223B de ce même bord 223 situé du côté de la calotte 222 du fait du double décentrement. 10 Le joint fixe 230 de section triangulaire est destiné à coopérer avec le siège aval 150, mobile, du couvercle 110 lorsque l'obturateur 200 est pivoté de 90° dans la position de fermeture représentée à la figure 2. L'obturateur sphérique 200 porte deux tourillons de pivo- 15 tement 240, situés dans des positions symétriques par rapport au plan de la figure 1, l'un à l'avant, l'autre à l'arrière, pour que l'obturateur 200 puisse pivoter de sa position d'ouverture à sa position de fermeture ou in-versement, dans le sens des flèches (�A) autour de l'axe géométrique de pivotement CR. L'obturateur 200 est une pièce forgée monobloc avec ses 20 tourillons et son siège fixe 230 est en acier inoxydable martensitique. Il est boulonné à la sphère. La situation de l'axe de pivotement CR du robinet, par rapport au corps 100 et par rapport à l'obturateur 200, apparaît plus claire-ment à la figure 8A dans la position ouverte et à la figure 8B dans la 25 position fermée. Par définition, le plan de pivotement de l'obturateur 200 est le plan des figures, c'est-à-dire que l'axe XIX1 du passage de l'obturateur 200 pivote dans ce plan autour de l'axe de pivotement CR (perpendiculaire à ce plan) d'un angle de préférence de 90° dans le cas de la réalisation représentée aux figures pour passer de sa position ouverte à 30 sa position fermée (flèche +A) ou inversement, par un mouvement de sens opposé (flèche -A). L'axe de pivotement CR de l'obturateur sphérique 200 est doublement décentré ou décalé par rapport au centre C de la sphère enveloppe de l'obturateur sphérique dans le plan de pivotement : 35 Le centre de pivotement CR est décalé d'un décalage Ab par rapport à l'axe X1X1 et d'un décalage Aa par rapport à la direction du plan médian MM de la sphère, l'axe XIX1 et la trace MM du plan médian passant par le centre C. Les décalages Aa, Ab sont définis pour la surface sphérique de l'obturateur 200 occupant la position ouverte selon les figures 1 ou 8A. L'axe de pivotement CR est l'axe des tourillons 240 dans le corps 100 du robinet, c'est-à-dire celui des paliers des tourillons fixés à la virole 130. Les paliers largement dimensionnés et auto-lubrifiés en bronze avec des inserts en graphite sont logés dans des plaques supports fixées à la virole et dont la poussée est reprise directement par la virole. Grâce au double décentrement Da, Ab, du centre de pivote-ment CR par rapport au centre C de la sphère, avec une tendance à la to fermeture, on obtient un mouvement d'avancée dans le sens du pivote-ment de la flèche (+A) ou un mouvement de recul dans le sens de pivote-ment inverse (-A). Le mouvement de fermeture se traduit par le rapproche-ment de la calotte 221 contre le siège aval mobile 150 jusqu'à ce que le 15 bord avant 223A du passage 210 arrive en appui contre la butée fixe 160. Au début du contact avec le siège mobile 150, la calotte 220 repousse le siège mobile jusqu'à la fin du pivotement de l'obturateur du fait du double décentrement, et en fin de pivotement, le siège fixe 230 est appliqué contre le siège mobile 150 et la partie 223A du bord 223 comme cela sera détaillé 20 ensuite. Dans la position fermée représentée à la figure 2, l'étanchéité est double. Elle est réalisée d'une part, par le contact du siège fixe 230 de la sphère contre le joint élastomère et d'autre part, par un contact métal-métal du siège mobile avec sa partie en cupro-aluminium 25 nickel contre le siège fixe en acier martensitique de la sphère. La structure du siège aval mobile 150 sera décrite ci-après en référence aux figures 3 à 7 qui sont toutes des agrandissements de la section correspondant à la partie I de la figure 1. La figure 3 montre le couvercle aval 110 formé d'une cou- 30 ronne extérieure 111 et d'une couronne intérieure 112, concentriques à l'axe XoXo et recevant entre elles, le siège aval mobile 150. La couronne extérieure 111 forme une surface de guidage cylindrique 113 avec un épaulement 114 constituant une butée et muni de logements cylindri- ques 115 répartis, recevant chacun un ressort de compression 116 parai- 35 lèle à l'axe XoXo. La couronne intérieure 112 comporte deux surfaces de guidage 117, 118 séparées par un épaulement 119 formant un arrêt pour le mouvement d'avancée du siège aval 150. La couronne intérieure 112 forme ainsi deux surfaces cylindriques 117, 118 de guidage du siège 150. La surface cylindrique 117 a un diamètre plus grand que la surface cylindrique 118, ayant elle-même un diamètre plus grand que la surface cylindrique 113 (par rapport à l'axe XoXo) de sorte qu'après assemblage de la couronne extérieure 111 et de la couronne intérieure 112, la surface de guidage 117 constitue une gorge périphérique délimitée entre l'épaulement 114 et l'épaulement 119 pour réaliser deux butées de fin de course pour le siège mobile 150. Le siège aval 150 est formé de deux anneaux, un anneau principal 151 à section en forme de T recevant un anneau d'usure 152 en io un matériau différent. L'assemblage des deux anneaux qui réalise un décrochement de butée 153, se fait avec interposition de joints 154, 155, notamment en polyuréthane. Ces deux anneaux 151, 152 définissent une surface d'appui SA pour recevoir le siège fixe 230 de l'obturateur sphérique 200 ; le joint 155 dépasse de la surface d'appui SA pour réaliser le 15 premier contact avec la calotte 221 lorsque l'obturateur s'approche de sa position fermée, le contact se poursuit ensuite principalement avec la sur-face d'appui au niveau de l'anneau d'usure 152 qui est, par exemple, réalisé en cupro-aluminium nickel type Cu A110 Fe5 Ni3 à haute résistance. Le joint 155 en polyuréthane a l'avantage de résister à une eau à dureté 20 élevée. Pour l'assemblage, le siège aval 150 est d'abord monté sur la couronne intérieure 112 du couvercle aval 110 puis, la couronne 111, 112 est assemblée à la couronne intérieure 112. Le siège mobile 150 comporte trois surfaces de glisse- 25 ment 156, 157, 158 destinées à glisser avec les surfaces de guidage 113, 117, 118 du couvercle 110. Le pied de l'anneau principal 151 qui forme la surface de glissement 157 est logé dans la gorge formée par la surface de glissement 117 et les épaulements 114, 119 ; il limite le mouvement du siège mobile, par ailleurs poussé par les ressorts 116 répartis à la péri- 30 phérie. Le siège aval 150, mobile, peut occuper deux positions extrêmes représentées aux figures 4 et 5. La position extrême, repoussée, est celle représentée à la figure 4. Elle correspond à une distance de recul (e) entre le décrochement 153 formé par l'anneau principal 151 et la bu- 35 tée 119 de la couronne intérieure 112. L'autre position extrême est la position avancée lorsque le décrochement 153 de l'anneau principal 151 est en appui contre l'épaulement 119 de la couronne intérieure 111. Les ressorts de compression 116 poussent le siège mobile 150 dans la position de la figure 5 et la poussée exercée par l'obturateur sphérique 200 venant en position de fermeture repousse le siège mobile 150 vers la position représentée à la figure 4 ou dans une po- sition intermédiaire. La couronne intérieure 112 porte également la butée de fin de course 160 qui limite le mouvement de pivotement de l'obturateur sphérique 200 dans sa position de fermeture. La figure 6 montre de nouveau la disposition relative des io différents éléments du siège aval 150 mobile, monté entre la couronne intérieure 111 et la couronne extérieure 112 du couvercle aval 110 ainsi que la position de la partie 223B du bord 223 du passage 210 de l'obturateur sphérique 200 en position ouverte, l'axe X1X1 de l'obturateur 200 étant aligné sur l'axe XoXo du corps 100 comme cela apparaît à la figure 1. 15 La figure 7 montre la position de fermeture. Dans cette position, le siège fixe 230 de l'obturateur tournant 200 est appliqué contre la surface d'appui SA du siège aval mobile 150 en ayant repoussé celui-ci contre la force développée par les ressorts de compression 116. Dans cette position, le bord 223A est en appui contre la butée 160. Du fait du double 20 décentrement de l'obturateur sphérique 200, la partie 223B du bord 223 de l'obturateur peut passer par-dessus la butée de fin de course 160 lors du mouvement de pivotement de retour de l'obturateur dans le sens de la flèche (-A) alors que ce décentrement conduit à un déplacement de la partie 223A du bord 223A délimitant le passage 210 de l'obturateur sphéri- 25 que côté amont qui vient en fin de course contre la butée 160. Io NOMENCLATURE robinet raccord gauche bride entretoise 1 2 3 100 110 111 to 112 113, 117, 118 114, 119 116 120 15 130 131 132 140 150 20 151 152 153 154 155 25 156, 157, 158 160 corps du robinet couvercle couronne extérieure couronne intérieure surfaces de guidage épaulements ressort de compression couvercle virole purgeur haut purgeur bas raccord siège mobile anneau principal anneau d'usure décrochement de butée joint joint surfaces de glissement butée fixe de fin de course 200 210 30 220 221 222 223 223A 35 223 230 240 obturateur sphérique passage cylindrique couronne sphérique calotte sphérique calotte sphérique bord du passage 210 partie de bord côté de la calotte 221 partie de bord côté de la calotte 222 siège fixe / joint annulaire fixe tourillon C Centre de l'obturateur SA surface d'appui CR axe de pivotement de l'obturateur e distance de recul XoXo axe du robinet X1X1 axe du passage 210 AM partie amont AV partie aval10 REVENDICATIONS1 °) Robinet à obturateur sphérique de grandes dimensions, notamment un robinet de garde de turbine de contrôle hydroélectrique comprenant - un corps (100) formé d'une virole (130) bordée par deux couver- cles (210) et des raccords (240) pour être montés dans l'axe (XoXo) d'une conduite et - un obturateur sphérique (200), pivotant, formé d'une couronne sphérique (220) définissant un passage cylindrique (210) d'axe (XIX1), cet axe se déplaçant dans un plan de pivotement lorsque l'obturateur (200) pi-vote entre sa position d'ouverture dans laquelle le passage (210) est aligné sur l'axe (XoXo) de la conduite et sa position de fermeture dans laquelle une calotte (221) de la couronne sphérique (220) vient avec son siège (230), fermer le siège du corps (100) du robinet, caractérisé en ce que 15 - l'axe de pivotement (CR) de l'obturateur (200) est décalé d'un décalage (Da) par rapport au plan médian (MM) de la couronne sphérique (220) de l'obturateur et d'un décalage (Ab) par rapport à l'axe (XIX1) du passage (210) pour qu'en position ouverte, le passage (210) de l'obturateur soit aligné sur l'axe (XoXo) du corps (100) et que le mouve- 20 ment de pivotement (+A) de l'obturateur (200) dans le sens de la fermeture rapproche l'enveloppe sphérique et la calotte (221) par rapport au siège (150) du corps (100), le mouvement de pivotement inverse (-A), d'ouverture de l'obturateur (200) écartant l'enveloppe sphérique et la calotte (221) par rapport au siège (150) du corps (100), 25 - le siège (150) est un siège mobile formé d'anneau circulaire axé sur l'axe (XoXo) du corps (100) et mobile en coulissement suivant cet axe par rapport au corps (100) pour s'appliquer contre le siège fixe (230)de la calotte sphérique (221) de l'obturateur (200), - une butée (116) de fin de course d'ouverture de l'obturateur (200) est 30 placée sur la trajectoire du bord (223A) du passage (210) du côté de la couronne (220) coopérant avec le siège mobile (150), le bord (223A) venant en appui contre cette butée (116), en position de fermeture. 2°) Robinet à obturateur sphérique selon la revendication 1, 35 caractérisé en ce que le siège mobile (150) est le siège aval du robinet et il est monté sur des ressorts de compression (116) pour être repoussé par le siège fixe (230) de l'obturateur (200) venant en position de fermeture.3°) Robinet à obturateur sphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le couvercle (110) muni du siège mobile (150) est formé d'une couronne extérieure (111) et d'une couronne intérieure (112), d'axe XoXo formant des surfaces de guidage (113, 117, 118), la surface de guidage intermédiaire (117) constituant une rainure périphérique entre la surface de butée (114) de la couronne extérieure (110) et l'autre surface de guidage (118) de la couronne intérieure (112), et - le siège (150) mobile par rapport au couvercle (110) entre les deux butées (114, 119) délimitant sa latitude de mouvement s'appuie par ail-leurs sur des ressorts de compression (116), pour être repoussé par le siège (230) de l'obturateur sphérique venant en position de fermeture. 4°) Robinet à obturateur sphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le siège mobile (150) est formé d'un anneau principal (151) à section en T recevant un anneau d'usure (152), l'assemblage des deux anneaux formant un décrochement de butée (153) et les deux anneaux forment une surface d'appui (SA) avec un joint (155) qui dépasse de la surface d'appui (SA). 5°) Robinet à obturateur sphérique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'anneau d'usure (152) est réalisé en cupro-aluminium nickel et le joint (155) est en polyuréthane.30