Brevet FR2998634A1 — publié le 20140530

Vanne à obturateur sphérique, notamment pour turbine à gaz La présente invention concerne le domaine général des turbines à gaz. Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine des vannes utilisées dans les systèmes d'alimentation en combustible de telles turbines. Les systèmes de combustion des turbines à gaz industrielles brûlent un mélange de comburant, tel que de l'oxygène, et de carburant ou combustible, tel que du gaz ou du fioul liquide. Ces turbines à gaz, appelées turbines à gaz multi-combustibles, n'utilisent généralement pas simultanément le combustible liquide et le combustible gazeux, mais sont alimentées avec un combustible puis l'autre alternativement. L'opération qui consiste à changer le combustible d'alimentation est classiquement désignée par le terme de changement. Suite à ce changement de combustible, le système d'alimentation de l'un des combustibles est arrêté. Pour ce type de turbine à gaz, le combustible liquide stagnant à température élevée et en présence d'air peut subir une solidification. Dans le cas où le combustible est du fuel liquide, ce phénomène est désigné par le terme "cokéfaction". Cette solidification se manifeste notamment par la détérioration des éléments sensibles de la turbine, de la fonction d'étanchéité de composants mécaniques tels que des vannes et des clapets anti-retour, et par une diminution de la vitesse d'écoulement du combustible dans la turbine. Afin de remédier à cet inconvénient, il est connu de chasser le combustible liquide résiduel dans le système d'alimentation par une purge en admettant de l'air sous pression. Cette purge est destinée à nettoyer le système d'alimentation notamment dans les zones à haute température proches de la turbine. Toutefois, cette opération de purge a une efficacité limitée. En effet, l'air sous pression admis étant compressible, des variations du débit de combustible liquide purgé vers la chambre de combustion de la turbine sont possibles lors de la purge. Ceci implique des sauts de puissance. Cette purge provoque en outre une accumulation d'air dans le système d'alimentation, ce qui implique là encore de tels sauts de puissance. Ces sauts de puissance sont d'autant plus problématiques qu'ils peuvent déclencher une sécurité de type survitesse ou haute température à l'échappement de la turbine. Afin de remédier à ces inconvénients, il est possible de prévoir une première étape de purge du combustible liquide résiduel par admission d'eau sous pression dans le système d'alimentation de combustible liquide, puis une seconde étape de purge de l'eau introduite par admission d'air sous pression. Pour plus de détails sur un tel système permettant l'alimentation de la turbine en combustible liquide et l'admission d'eau et d'air, on pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR-A1-2 938 048 du demandeur. Ce système comprend des clapets anti-retour prévus sur le circuit d'alimentation en combustible liquide et sur le circuit d'admission d'air de purge qui sont positionnés à proximité de la chambre ou des chambres de combustion de la turbine. Compte tenu de cette disposition des clapets dans des zones à haute température, il a été constaté qu'un coincement des ressorts de tarage associés aux clapets dans une position ouverte ou fermée desdits clapets peut se produire. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient. Plus particulièrement, la présente invention vise à prévoir un dispositif permettant d'une part d'éviter la présence dans le système d'alimentation de la turbine d'un combustible liquide résiduel pouvant créer, en présence d'air et à température élevée, un résidu qui a tendance à se solidifier, et d'autre part d'accroître la sécurité de fonctionnement de la turbine. L'invention concerne une vanne, notamment pour turbine, comprenant un corps de vanne, au moins des premier, deuxième et troisième conduits d'amenée de fluide disposés sur le corps de vanne, au moins un conduit de sortie disposé sur le corps de vanne, et un obturateur sphérique mobile à rotation à l'intérieur du corps de vanne et comprenant des premier et deuxième canaux de distribution agencés sur ledit obturateur de sorte que, dans une première position de l'obturateur, le premier canal de distribution de l'obturateur assure une communication fluidique entre le premier conduit d'amenée et le conduit de sortie. Dans une deuxième position de l'obturateur, ledit premier canal de distribution assure une communication fluidique entre le deuxième conduit d'amenée et le conduit de sortie. Dans une troisième position de l'obturateur, le deuxième canal de distribution de l'obturateur assure une communication fluidique entre le troisième conduit d'amenée et le conduit de sortie. Dans un mode de réalisation, le premier canal de distribution comprend une portion cylindrique traversant ledit obturateur pour le raccordement du premier conduit d'amenée et du conduit de sortie dans la première position de l'obturateur, et une portion circonférentielle prolongeant la portion cylindrique et ménagée sur la surface extérieure de l'obturateur pour le raccordement du deuxième conduit d'amenée et du conduit de sortie dans la seconde position dudit obturateur. Les premier et deuxième canaux de distribution sont avantageusement formés sur l'obturateur, notamment par usinage. De préférence, les premier et deuxième canaux de distribution de l'obturateur s'étendent dans des plans distincts afin d'éviter toute communication fluidique entre lesdits canaux. Dans un mode de réalisation, le corps de vanne comprend une pluralité de conduits de sortie, chacun des premier et deuxième canaux de distribution de l'obturateur étant configurés pour permettre l'alimentation de l'ensemble des conduits de sortie. L'obturateur est avantageusement mobile à rotation autour d'un axe s'étendant transversalement par rapport aux conduits d'amenée et au conduit de sortie. Dans un mode de réalisation, la vanne comprend un circuit de refroidissement disposé à l'intérieur du corps de vanne et destiné à être traversé par un fluide de refroidissement. Le circuit de refroidissement peut entourer l'obturateur. Dans un mode de réalisation, la vanne comprend au moins un drain d'évacuation s'étendant à l'intérieur du corps de vanne et débouchant au niveau d'un logement dudit corps à l'intérieur duquel est monté l'obturateur. Le corps de vanne et l'obturateur peuvent avantageusement être réalisés en matière métallique. Dans un mode de réalisation, le corps de la vanne est sphérique. L'invention concerne également un système d'alimentation pour turbine comprenant au moins une chambre de combustion pouvant être alimentée en fluide combustible, le système comprenant des moyens d'arrivée de fluide combustible, des moyens d'arrivée d'un liquide de purge, des moyens d'arrivée d'un gaz de purge, et une vanne telle que définie précédemment, dans lequel les premier, deuxième et troisième conduits d'amenée de la vanne sont respectivement reliés aux moyens d'arrivée de fluide combustible, aux moyens d'arrivée du liquide de purge, et aux moyens d'arrivée du gaz de purge. Dans un mode de réalisation, la vanne pour turbine comprend un corps de vanne, un conduit d'amenée disposé sur le corps de vanne et destiné à être alimenté en fluide combustible, des premier et deuxième conduits de purge disposés sur le corps de vanne et destinés respectivement à être alimentés en liquide de purge et en gaz de purge, au moins un conduit de sortie disposé sur le corps de vanne et destiné à être relié à la chambre de combustion de la turbine, et un obturateur sphérique mobile à rotation à l'intérieur du corps de vanne et comprenant des premier et deuxième canaux de distribution. Lesdits premier et deuxième canaux de distribution sont agencés sur l'obturateur de sorte que, dans une première position de l'obturateur, le premier canal de distribution de l'obturateur assure une communication fluidique entre le conduit d'amenée en fluide combustible et le conduit de sortie. Dans une deuxième position de l'obturateur, ledit premier canal de distribution assure une communication fluidique entre l'un des premier et deuxième conduits de purge et le conduit de sortie. Dans une troisième position de l'obturateur, le deuxième canal de distribution de l'obturateur assure une communication fluidique entre l'autre conduit de purge et le conduit de sortie. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 3 et 4 à 6 illustrent schématiquement une vanne dans trois positions d'alimentation selon des premier et second exemples de l'invention. Sur les figures 1 à 3, on a représenté une vanne, référencée 10 dans son ensemble, destinée à être utilisée dans un système d'alimentation pour turbine comprenant une ou plusieurs chambres de combustion pouvant être alimentées par du gaz ou par du combustible liquide. La vanne 10 comprend un corps 12 de vanne, un conduit d'amenée 14 destiné à être alimenté en combustible liquide, un premier conduit de purge 16 destiné à être alimenté en liquide de purge, un deuxième conduit de purge 18 destiné à être alimenté en gaz de purge, un conduit de sortie 20 destiné à être relié à la ou les chambres de combustion de la turbine associée, et un obturateur 22 sphérique monté à l'intérieur d'un logement 24 de forme complémentaire du corps de vanne. Les conduits d'amenée 14, de purge 16, 18 et de sortie 20 sont distincts et disposés sur le corps 12 de vanne de manière à déboucher au niveau du logement 24. Dans l'exemple de réalisation illustré, le corps 12 de vanne présente en section une forme générale carré. D'autres formes peuvent être prévues pour le corps 12 de vanne, par exemple sphérique. Le corps 12 et l'obturateur 22 sont avantageusement réalisés en matière métallique, ce qui favorise l'obtention d'une bonne étanchéité entre ces deux éléments. Comme cela sera décrit plus en détail par la suite, l'obturateur 22 est mobile à rotation par rapport au corps 12 de vanne de manière à raccorder sélectivement le conduit de sortie 20 de la vanne au conduit d'amenée 14 en combustible liquide ou à l'un des conduits de purge 16, 18. L'obturateur 22 est mobile à rotation autour d'un axe 22a transversal aux conduits d'amenée 14, de purge 16, 18 et de sortie 20. L'obturateur 22 comprend un premier canal de distribution 26 formé sur ledit obturateur et permettant, dans une première position dudit obturateur relativement au corps 12 telle qu'illustrée à la figure 1, d'obtenir une communication fluidique entre le conduit d'amenée 14 en combustible liquide et le conduit de sortie 20. Dans cette position, la vanne 10 permet une alimentation en combustible liquide de la ou des chambres de combustion la turbine. Le canal de distribution 26 comprend une portion cylindrique 26a de diamètre constant qui traverse l'obturateur en débouchant de part et d'autre dans le logement 24 du corps de vanne. La portion cylindrique permet le raccordement du conduit d'amenée 14 et du conduit de sortie 20. Dans la position d'alimentation en combustible liquide telle qu'illustrée à la figure 1, une première extrémité de la portion cylindrique 26a du canal de distribution formant entrée est située en regard de la sortie du conduit d'amenée 14 débouchant au niveau du logement 24, et une seconde extrémité opposée formant sortie est située en regard de l'entrée du conduit de sortie 20 débouchant au niveau du logement 24. Dans cette position, le combustible liquide issu du conduit d'amenée 14 traverse la portion cylindrique 26a du canal de distribution avant d'être véhiculé par le conduit de sortie 20. Le canal de distribution 26 comprend également une portion circonférentielle 26b s'étendant circonférentiellement sur la surface extérieure de l'obturateur 22 à partir de la seconde extrémité de la portion cylindrique 26a. Dans une deuxième position de l'obturateur 22 relativement au corps 12 telle qu'illustrée à la figure 2, le canal de distribution 26 assure le raccordement du conduit de purge 16 au conduit de sortie 20. Dans cette position, la vanne 10 permet une admission du liquide de purge dans le système d'alimentation de combustible liquide de la turbine afin de pouvoir chasser le combustible liquide résiduel dans ledit système d'alimentation. Pour permettre une communication fluidique entre le conduit de purge 16 et le conduit de sortie 20, l'entrée de la portion cylindrique 26a du canal de distribution est en regard de la sortie du conduit de purge 16 débouchant au niveau du logement 24, et l'extrémité de la portion circonférentielle 26b dudit canal de distribution vient en regard de l'entrée du conduit de sortie 20. Dans cette position, le liquide de purge issu du conduit de purge 16 traverse la portion cylindrique 26a et la portion circonférentielle 26b du canal de distribution avant d'être véhiculé par le conduit de sortie 20. Dans la position d'admission en liquide de purge telle qu'illustrée à la figure 2, l'obturateur 22 a pivoté de quelques degrés autour de l'axe 22a dans le sens anti-horaire par rapport à la première position de l'obturateur 22 de la figure 1 permettant l'alimentation en combustible liquide. La dimension dans le sens circonférentiel de la portion 26b du canal de distribution dépend de la position angulaire relative du conduit d'amenée 14 et du conduit de purge 16. L'obturateur 22 comprend également un deuxième canal de distribution 28 assurant, dans une troisième position dudit obturateur relativement au corps 12 de vanne telle qu'illustrée à la figure 3, une communication fluidique entre le conduit de purge 18 et le conduit de sortie 20. Dans cette troisième position de l'obturateur 22, la vanne 10 permet une admission du gaz de purge dans le système d'alimentation de combustible liquide de la turbine afin de pouvoir chasser le liquide de purge résiduel précédemment admis. Les canaux de distribution 26, 28 sont distincts et peuvent être formés sur l'obturateur 22 par usinage. Le canal de distribution 28 est constitué d'une portion cylindrique de diamètre constant traversant l'obturateur 22 et débouchant de part et d'autre dans le logement 24 du corps de vanne. Le canal de distribution 28 permet le raccordement du conduit de purge 18 et du conduit de sortie 20. Dans la position d'alimentation en gaz de purge telle qu'illustrée à la figure 3, l'entrée du canal de distribution 28 est en regard de la sortie du conduit de purge 18 débouchant au niveau du logement 24, et la sortie dudit canal de distribution est en regard de l'entrée du conduit de sortie 20. Dans cette position, le gaz de purge issu du conduit de purge 18 traverse le canal de distribution 28 avant d'être véhicule par le conduit de sortie 20. Le canal de distribution 28 s'étend à l'intérieur de l'obturateur 22 dans un plan distinct de celui du canal de distribution 26 de sorte à éviter toute communication fluidique entre les deux canaux. Seules les sorties des canaux de distribution 26, 28 sont situés dans un même plan afin de pouvoir être raccordés chacun au conduit de sortie 20. Le conduit de purge 18 est situé dans un plan différent de celui contenant le conduit d'amenée 14 et le conduit de purge 16. L'obturateur 22 peut être piloté par un actionneur (non représenté), par exemple un actionneur à air, pour commander le passage de la vanne vers l'une des quatre positions distinctes, à savoir la position d'alimentation en combustible liquide, ou d'admission en liquide de purge ou d'admission en gaz de purge, ou encore la position de fermeture. La vanne 10 comprend encore un circuit 30 de refroidissement disposé à l'intérieur du corps 12 de vanne et entourant l'obturateur 22. Un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, circule à l'intérieur du circuit 30. Le circuit 30 de refroidissement comprend quatre conduites 32 à 38 de circulation formées directement dans le corps 12 de vanne et reliées entre elles de sorte à former un circuit 30 de refroidissement de forme générale carrée à l'intérieur duquel est situé l'obturateur 22. Un orifice d'entrée 40 est ménagé sur le corps 12 de vanne au niveau de l'intersection des conduites 32, 36. Un orifice de sortie est ménagé sur le corps 12 de vanne au niveau de l'intersection des conduites 34, 38. Le circuit de refroidissement 30 permet d'obtenir le refroidissement du conduit d'amenée 14 et de l'obturateur 22 de sorte à limiter le risque de solidification du combustible liquide à l'intérieur de ces deux éléments. La vanne 10 comprend également une pluralité de drains 44 d'évacuation disposés sur le corps 12 de vanne de manière à déboucher au niveau du logement 24 afin d'assurer si nécessaire une évacuation vers l'extérieur du combustible liquide ou du liquide de purge pouvant s'écouler entre le logement 24 et l'obturateur 22. Dans l'exemple de réalisation illustré, les drains 44 sont au nombre de quatre. Il est bien entendu possible de prévoir un nombre de drains différent et/ou une disposition des drains différente de celle illustrée sur les figures. Le mode de réalisation illustré sur les figures 4 à 6, sur lesquelles les éléments identiques portent les mêmes références, diffère en ce que la vanne 10 comprend en outre quatre conduits de sortie 50 à 56 additionnels disposés sur le corps 12 de vanne, débouchant au niveau du logement 24 dudit corps et destinés à être reliés à la ou les chambres de combustion de la turbine. L'obturateur 22 comprend des canaux de distribution 60, 62 conçus de sorte à pourvoir alimenter simultanément l'ensemble des conduits de sortie 20 et 50 à 56. De façon analogue au premier mode de réalisation, le canal de distribution 60 est prévu pour assurer une communication fluidique entre d'une part les conduits de sortie 20 et 50 à 56 et d'autre part le conduit d'amenée 14 ou le conduit de purge 16. Le canal de distribution 62 permet d'assurer une communication fluidique entre les conduits de sortie et le conduit de purge 18. Les canaux de distribution 60, 62 sont formés sur l'obturateur 22 et le traversent en débouchant de part et d'autre au niveau du logement 24 du corps de vanne. Le canal de distribution 60 s'étend à l'intérieur de l'obturateur 22 dans un plan distinct de celui du canal de distribution 62. Le canal de distribution 60 comprend une première portion tronconique 60a de petit diamètre qui est prolongée par une seconde portion tronconique 60b de grand diamètre s'évasant vers l'extérieur et à l'extrémité de laquelle s'étendent six canaux de dérivation 60c à 60h. Dans la première position de l'obturateur 22 relativement au corps 12 telle qu'illustrée à la figure 4 permettant une alimentation en combustible liquide, l'entrée de la portion tronconique 60a du canal de distribution est en regard de la sortie du conduit d'amenée 14 et les canaux de dérivation 60c à 60g sont situés en regard de l'entrée des conduits de sortie 20 et 50 à 56. Dans cette position, le combustible liquide issu du conduit d'amenée 14 traverse les première et seconde portions tronconiques 60a, 60b puis se dirige vers les canaux de dérivation 60c à 60g du canal de distribution avant d'être véhiculé par le conduit de sortie 20. Dans la deuxième position de l'obturateur 22 relativement au corps 12 telle qu'illustrée à la figure 5 permettant une admission de liquide de purge, l'entrée de la portion tronconique 60a du canal de distribution est en regard de la sortie du conduit de purge 16 et les canaux de dérivation 60d à 60h sont situés en regard de l'entrée des conduits de sortie 20 et 50 à 56. Dans cette position, le liquide de purge issu du conduit de purge 16 traverse les première et seconde portions tronconiques 60a, 60b puis se dirige vers les canaux de dérivation 60d à 60h du canal de distribution avant d'être véhiculé par le conduit de sortie 20. Le canal de distribution 62 comprend une portion cylindrique 62a qui est prolongée par une portion tronconique 62b s'évasant vers l'extérieur. Dans la troisième position de l'obturateur 22 relativement au corps 12 telle qu'illustrée à la figure 6 permettant une admission de gaz de purge, l'entrée de la portion cylindrique 62a du canal de distribution 60 est en regard de la sortie du conduit de purge 18 et la sortie de la portion tronconique 62b est située en regard de l'entrée des conduits de sortie 20 et 50 à 56. Dans cette position, le gaz de purge issu du conduit de purge 16 traverse les portions cylindriques 62a et tronconique 62b du canal de distribution avant d'être véhiculé par le conduit de sortie 20. Dans les deux modes de réalisation illustrés, la vanne est prévue pour être utilisée dans le système d'alimentation en combustible liquide de la turbine. En variante, il pourrait encore être possible d'utiliser la vanne dans le système d'alimentation en combustible gazeux de la turbine ou encore dans un autre type d'application nécessitant l'utilisation d'au moins trois fluides de nature différente. REVENDICATIONS1. Vanne, notamment pour turbine, comprenant : - un corps (12) de vanne, - au moins des premier, deuxième et troisième conduits d'amenée (14, 16, 18) de fluide disposés sur le corps de vanne, - au moins un conduit de sortie (20) disposé sur le corps de vanne, et - un obturateur (22) sphérique mobile à rotation l'intérieur du corps de vanne et comprenant des premier et deuxième canaux de distribution (26, 28 ; 60, 62) agencés sur ledit obturateur de sorte que : - dans une première position de l'obturateur, le premier canal de distribution (26 ; 60) de l'obturateur assure une communication fluidique entre le premier conduit d'amenée (14) et le conduit de sortie (20), - dans une deuxième position de l'obturateur, ledit premier canal de distribution (26 ; 60) assure une communication fluidique entre le deuxième conduit d'amenée (16) et le conduit de sortie (20), et - dans une troisième position de l'obturateur, le deuxième canal de distribution (28 ; 62) de l'obturateur assure une communication fluidique entre le troisième conduit d'amenée (18) et le conduit de sortie (20). 2. Vanne selon la revendication 1, dans laquelle le premier canal de distribution (26) de l'obturateur comprend une portion cylindrique (26a) traversant ledit obturateur pour le raccordement du premier conduit d'amenée (14) et du conduit de sortie (20) dans la première position de l'obturateur, et une portion circonférentielle (26b) prolongeant la portion cylindrique et ménagée sur la surface extérieure de l'obturateur pour le raccordement du deuxième conduit d'amenée (16) et du conduit de sortie (20) dans la seconde position dudit obturateur. 3. Vanne selon la revendication 1, dans laquelle le corps (12) de vanne comprend une pluralité de conduits de sortie, chacun des premier et deuxième canaux de distribution (60, 62) de l'obturateur étant configurés pour permettre l'alimentation de l'ensemble des conduits de sortie. 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les premier et deuxième canaux de distribution (26, 28 ; 60, 62) sont formés sur l'obturateur, notamment par usinage. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les premier et deuxième canaux de distribution (26, 28 ; 60, 62) de l'obturateur s'étendent dans des plans distincts afin d'éviter toute communication fluidique entre lesdits canaux. 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'obturateur (22) est mobile à rotation autour d'un axe (22a) s'étendant transversalement par rapport aux conduits d'amenée (14, 16, 18) et au conduit de sortie (20). 7. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit de refroidissement (30) disposé à l'intérieur du corps de vanne et destiné à être traversé par un fluide de refroidissement. 8. Vanne selon la revendication 7, dans laquelle le circuit de refroidissement (30) entoure l'obturateur (22). 9. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un drain d'évacuation (44) s'étendant à l'intérieur du corps de vanne et débouchant au niveau d'un logement (24) dudit corps à l'intérieur duquel est monté l'obturateur (22). 10. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps (12) de vanne est sphérique. 11. Système d'alimentation pour turbine comprenant au moins une chambre de combustion pouvant être alimentée en fluide combustible, le système comprenant des moyens d'arrivée de fluidecombustible, des moyens d'arrivée d'un liquide de purge, des moyens d'arrivée d'un gaz de purge, et une vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier, deuxième et troisième conduits d'amenée de la vanne sont respectivement reliés aux moyens d'arrivée de fluide combustible, aux moyens d'arrivée du liquide de purge et aux moyens d'arrivée du gaz de purge.