Brevet FR3020856A1 — publié le 20151113

INSERT DE DECOMPRESSION POUR VANNE ROTATIVE ET VANNE ROTATIVE EQUIPEE D'UN TEL INSERT Domaine technique La présente invention concerne un insert de décompression pour une vanne rotative, cet insert de décompression étant agencé pour diffuser une partie d'un fluide circulant dans un conduit, pendant une phase d'ouverture partielle de ladite vanne rotative, ladite vanne rotative comportant un corps pourvu d'un segment amont avec une ouverture d'arrivée et raccordé à un tronçon d'arrivée du fluide dans ledit conduit et d'un segment aval pourvu d'une ouverture d'évacuation et raccordé à un tronçon de sortie du fluide dans le conduit, le corps de ladite vanne rotative ayant un évidement central constituant un siège dans lequel est logé un élément d'obturation rotatif, ledit élément d'obturation rotatif comportant un canal traversant pour assurer le passage du fluide à travers ladite vanne rotative lorsqu'elle est au moins partiellement ouverte. L'invention concerne également une vanne rotative d'un fluide circulant dans un conduit, comportant un corps pourvu d'un segment amont avec une ouverture d'arrivée et raccordé à un tronçon d'arrivée du fluide dans ledit conduit et d'un segment aval pourvu d'une ouverture d'évacuation et raccordé à un tronçon de sortie du fluide dans le conduit, ledit corps ayant un évidement central constituant un siège dans lequel est logé un élément d'obturation rotatif, ledit élément d'obturation rotatif comportant un canal traversant pour assurer le passage du fluide à travers ladite vanne rotative lorsqu'elle est au moins partiellement ouverte.30 Technique antérieure Une vanne rotative de ce type est par exemple illustrée par la publication FR 2 697 888 Al qui décrit une vanne à bille ou à boisseau comportant des canaux ménagés dans la bille ou le boisseau en vue de minimiser les turbulences lors de l'écoulement d'un fluide à travers la vanne rotative. Ces turbulences sont plus particulièrement dues aux pressions qui sont exercées par le fluide traversant la vanne au moment de son ouverture, et notamment dans la phase initiale de son ouverture. Ce type de vannes, actuellement très connues et largement utilisées, permet effectivement de réduire la pression en amont du siège de la vanne en vue de permettre une conversion de l'énergie due aux contraintes de pression pendant la phase d'ouverture jusqu'à un certain angle d'ouverture de la vanne. Le problème de l'usure des vannes en raison de ces contraintes est particulièrement crucial pour les vannes montées sur des conduits qui véhiculent des liquides très chargés, notamment en charges minérales, comme des grains de sable très érosifs ou similaires. En effet, lors de cette ouverture, l'énergie potentielle se transforme brusquement en énergie cinétique, libérant ainsi un fluide se déplaçant à grande vitesse, ce qui est source d'érosion et de turbulences. Ce phénomène engendre également des vibrations dans la vanne et augmente en outre le niveau sonore et la fatigue mécanique de cette vanne. Exposé de l'invention La présente invention se propose de pallier les inconvénients des vannes à sphère ou à segment de sphère connues en fournissant une vanne rotative dans laquelle on parvient à réduire de façon importante, simple et économique, la génération de turbulences néfastes au cours de la phase d'ouverture, et de réduire en conséquence à la fois l'usure, notamment lorsque la vanne est montée sur un conduit qui véhicule des fluides chargés, et le bruit. De surcroît, l'amélioration apportée à ce type de vanne peut être transposée sur quasiment toutes les vannes de ce type sous la forme d'un élément additif complémentaire pouvant être adapté sur les vannes existantes. Ce but est atteint par un insert de décompression tel que défini en préambule, caractérisé en ce que ledit insert de décompression comporte au moins un premier tronçon cylindrique, au moins un second tronçon cylindrique, dont la section est rétrécie par rapport à celle dudit premier tronçon cylindrique, et au moins un troisième tronçon, dit tronçon de raccordement de forme tronconique pour relier ledit premier tronçon audit second tronçon, et en ce que ledit insert de décompression comporte des moyens pour diffuser ledit fluide, dès le début de la phase d'ouverture de la vanne rotative, cet insert de décompression étant au moins disposé dans le tronçon amont du corps de ladite vanne rotative. De manière avantageuse, ledit troisième tronçon de forme tronconique a une base dont la section est sensiblement égale à la section dudit premier tronçon cylindrique et un sommet dont la section est sensiblement égale à celle dudit second tronçon cylindrique. Selon une forme de réalisation préférée, lesdits moyens pour diffuser le fluide comportent une pluralité d'ouvertures radiales ménagées dans au moins une paroi dudit insert de décompression. Selon un premier mode de réalisation, ladite pluralité d'ouvertures radiales est ménagée dans au moins une partie dudit second tronçon cylindrique. Selon un autre mode de réalisation, ladite pluralité d'ouvertures radiales est ménagée dans au moins une partie dudit tronçon de raccordement. Selon encore un autre mode de réalisation, ladite pluralité d'ouvertures radiales est ménagée à la fois dans au moins une partie dudit second tronçon cylindrique et dans au moins une partie dudit tronçon de raccordement. Ledit insert de décompression est avantageusement réalisé sous la forme d'un élément amovible agencé pour être mis en place et maintenu en position lorsqu'il est disposé dans le corps de ladite vanne rotative. De manière avantageuse, ledit insert de décompression est pourvu de moyens de fixation agencés pour le maintenir en position lorsqu'il est disposé dans le corps de ladite vanne rotative. Ce but est également atteint par une vanne rotative telle que définie en préambule, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un insert de décompression, tel que défini ci-dessus, disposé au moins dans ledit segment amont du corps de ladite vanne rotative. D'une manière avantageuse, elle comporte deux inserts de décompression respectivement disposés dans le segment amont et le segment aval du corps de ladite vanne rotative. Dans la forme de réalisation préférée, ledit insert de décompression comporte un premier tronçon cylindrique dont la section extérieure est égale à la section dudit segment amont dudit corps de vanne rotative, un second tronçon cylindrique dont la section est rétrécie par rapport à celle dudit premier tronçon cylindrique et un troisième tronçon, dit tronçon de raccordement de forme tronconique pour relier lesdits premier et second tronçons. Description sommaire des dessins La présente invention et ses avantages ressortiront mieux de la description de plusieurs formes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une première forme de réalisation d'une vanne rotative du type « vanne à bille », selon l'invention, en position partiellement ouverte, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une deuxième forme de réalisation d'une vanne rotative similaire à une vanne à sphère, selon l'invention, en position partiellement ouverte, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une troisième forme de réalisation d'une vanne rotative similaire à une vanne à sphère, selon l'invention, en position partiellement ouverte, - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une quatrième forme de réalisation d'une vanne rotative similaire à une vanne à sphère, selon l'invention, en position partiellement ouverte, - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'une vanne rotative identique à celle de la figure 1, en position entièrement ouverte, - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'une vanne rotative en position entièrement ouverte, comportant deux inserts de décompression identiques disposés de part et d'autre de la sphère d'obturation, et - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation d'une vanne rotative selon l'invention en position entièrement ouverte. Différentes manières de réaliser l'invention La figure 1 représente une vanne dite rotative 10, constituée d'une vanne à sphère ou d'une vanne à segment de sphère, cette vanne rotative étant montée sur un conduit 11 d'un fluide circulant dans ledit conduit 11 et comportant un corps 12 pourvu d'un segment amont 12a avec une ouverture d'arrivée 13a du fluide véhiculé dans le conduit 11 et d'un segment aval 12b avec une ouverture d'évacuation 13b de ce fluide. Le segment amont 12a est raccordé à un tronçon d'amenée 11 a du fluide et le segment aval 12b est raccordé à un tronçon d'évacuation 11 b du fluide. Le corps 12 de la vanne rotative 10 comporte un évidement central sphérique 14 constituant un siège dans lequel est logée une sphère d'obturation 15, rotative autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du corps 12 de la vanne rotative 10. La sphère d'obturation 15 comporte un canal traversant 16, dont la section est sensiblement égale à la section du segment amont 12a et du segment aval 12b du corps 12 de la vanne rotative 10, de telle manière qu'à pleine ouverture le fluide véhiculé par le conduit 11 puisse passer librement à travers la vanne 10, sans être freiné ou perturbé par des obstacles susceptibles de générer des turbulences. On a constaté que sur ce type de vannes en particulier lorsqu'elles sont placées sur des conduits 11 qui véhiculent des fluides chargés, se dégradent rapidement en raison de l'érosion subie suite aux turbulences induites par le fluide traversant la vanne rotative 10. Il est essentiel de réduire ces turbulences notamment en abaissant la pression au niveau du passage au travers de la vanne. La présente invention apporte une solution simple et efficace permettant de réduire ces pressions et par conséquent l'érosion subie par les parois intérieures du corps de vanne et de la sphère d'obturation. A cet effet, la vanne 10 est équipée d'au moins un insert de décompression 20 agencé pour diffuser une partie du fluide circulant dans un conduit 11, lors d'une phase initiale d'ouverture de la vanne rotative 10, cette phase initiale correspondant à l'ouverture partielle illustrée à la figure 1. En effet, c'est dans cette phase initiale d'ouverture que la pression dans le segment amont 12a est la plus élevée et que les turbulences sont fortes à cause notamment de la dépression générée par la partie aval du conduit 11. Bien évidemment, ces mêmes phénomènes se retrouvent lorsque la vanne de rotative 10 est en phase finale de fermeture. Pour permettre de diffuser une partie du fluide, ledit insert de décompression 20 se compose d'un premier tronçon cylindrique 21, dont la section extérieure est égale à la section intérieure dudit segment amont 12a du corps 12 de la vanne rotative 10, au moins un second tronçon cylindrique 22, dont la section est réduite par rapport à celle dudit premier tronçon cylindrique 21, et un tronçon de raccordement 23, de forme tronconique, agencé pour coupler entre eux ledit premier tronçon cylindrique 21 et ledit second tronçon cylindrique 22. La paroi dudit tronçon de raccordement 23 au moins et éventuellement celle dudit second tronçon cylindrique 22 comportent des ouvertures ou perforations radiales 24 traversantes constituant un réseau d'orifices périphériques de diffusion. La figure 1 représente la vanne rotative 10 en phase d'ouverture ou de fermeture. La sphère d'obturation 15 est tournée de telle manière qu'elle obture l'insert de décompression 20, tout en mettant en communication le canal traversant 16 avec l'espace localisé entre l'intérieur du segment amont 12a du corps 12 de la vanne rotative 10 et les tronçons 22 et 23 de l'insert de décompression 20. Cette mise en communication s'effectue à travers les ouvertures radiales 24 dans le but de réduire la pression dans le secteur amont de la vanne rotative 10 pendant cette phase préliminaire d'ouverture ou de fermeture du canal traversant 16.30 La figure 2 représente une vue similaire à celle de la figure 1, représentant une vanne rotative 110 à sphère, dont pratiquement tous les composants sont identiques à ceux de la vanne rotative 10 de la figure 1, notamment le corps 112, à l'exception de la sphère d'obturation 115, qui est logée dans une cavité sphérique 114 et qui est du type à cloisons intérieures 130 perforées, ménagées à l'intérieur du canal traversant 116. Dans ce système connu en soi, la vanne à sphère 110 est dite silencieuse, cette caractéristique étant due au fait que des passages 131 ou perforations dans les cloisons 130 permettent un écoulement du fluide avec une réduction des turbulences et par conséquent du bruit et de l'usure. Elle comporte par ailleurs un insert de décompression 20, identique à celui de la réalisation représentée par la figure 1, et disposé dans le segment amont 112a du corps 112 de la vanne rotative 110. La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 et représente une vanne rotative 210 dont pratiquement tous les composants sont identiques à ceux de la vanne rotative 10 de la figure 1, à l'exception de la sphère d'obturation 15 qui est remplacée par un segment de sphère 215 rotatif, qui peut tourner entre deux positions extrêmes, l'une correspondant à la pleine ouverture de la vanne et l'autre à la fermeture totale de cette vanne. Le segment de sphère 215 est logé dans un évidement sphérique central 214 du corps 212 de la vanne rotative 210. La phase d'ouverture ou de fermeture partielle, représentée par la figure 3, permet de libérer une partie de la pression en amont de la vanne, à travers les ouvertures ou perforations radiales 24 ménagées dans la paroi de l'insert de décompression 20 qui est similaire aux inserts de décompression 20 décrits précédemment. La figure 4 représente une autre forme de réalisation d'une vanne rotative 310 dont le corps 312 est composé d'un élément central 312c de forme extérieure cylindrique, d'un élément amont 312a et d'un élément aval 312b montés de part et d'autre de l'élément central 312c qui sont assemblés mécaniquement entre eux. Un tel corps 312 de vanne rotative 310 est plus facile à fabriquer que les corps 12, 112, 212 de vanne représentés par les figures 1 à 3 décrites ci-dessus. L'élément d'obturation 315 se compose de deux calottes sphériques 315a et 315b qui délimitent entre elles un canal traversant 316 et qui sont disposées à l'intérieur d'une cavité centrale 314 du corps 312. La cavité centrale 314 ménagée à l'intérieur de l'élément central 312c est sphérique. Le mode de fonctionnement de la vanne rotative 310 est identique à celui des vannes rotatives 10, 110, 210 précédentes et son but est également de réduire la pression en amont. On notera qu'un insert de décompression 20 est disposé de chaque côté de la vanne rotative 310. La vanne rotative 310 peut fonctionner dans les deux sens, c'est-à-dire que l'entrée amont peut devenir la sortie aval et réciproquement en fonction du sens de circulation du fluide dans le conduit 311. Les deux inserts de décompression 20 sont destinés à exercer alternativement les mêmes fonctions de réduction de la pression et de diminution de l'érosion due aux turbulences d'eaux chargées. La figure 5 représente la vanne rotative 10 de la figure 1 à pleine ouverture. On notera que le canal traversant 16 de la sphère d'obturation 15, de forme cylindrique, a exactement la même section que le segment amont 12a de la vanne et que le segment aval 12b respectivement raccordés au tronçon d'amenée 11a et au tronçon d'évacuation 11b du fluide véhiculé dans le conduit 11. Cette configuration rend la vanne rotative 10 autonettoyante à pleine ouverture. Un seul insert de décompression 20 est prévu du côté amont de la vanne rotative 10, cette vanne étant prévue pour une utilisation unidirectionnelle, de gauche à droite sur la figure 5. A pleine ouverture, le passage d'un dispositif de raclage est possible, même si la section d'une partie du insert de décompression 20 est inférieure à la section du conduit 11 et à celle des segments amont 12a et aval 12b du corps 12 de ladite vanne rotative 10. La figure 6 représente une vanne rotative 10' sensiblement identique à la vanne rotative 10 de la figure 1, à pleine ouverture, mais ayant la caractéristique d'être bidirectionnelle. A cet effet, la vanne rotative 10' comporte deux inserts de décompression 20 identiques respectivement situés des deux côtés du canal traversant 16, de forme cylindrique, et ayant strictement les mêmes fonctions selon le sens de circulation du fluide dans le conduit 11. A pleine ouverture de la vanne rotative 10', le coté amont sera rincé par le flux arrivant et la fonction de nettoyage automatique s'effectuera du côté de l'entrée de la vanne rotative. Ce côté change en fonction du sens de circulation du fluide dans le conduit 11. La figure 7 représente une vanne rotative 10" qui dérive de la vanne rotative 10' de la figure 6, du fait qu'elle est bidirectionnelle et comporte deux inserts de décompression 20 identiques respectivement situés des deux côtés du canal traversant 16 ayant une forme complexe. Ce canal traversant 16 est en effet sphérique dans sa partie centrale 16c et cylindrique dans ses secteurs d'extrémité 16a et 16b. A pleine ouverture, le passage du fluide dans le corps 12 de la vanne rotative 10" est limité à la section de la partie étroite des inserts de décompression 20 au niveau des seconds tronçons cylindriques 22. Possibilités d'application industrielle Ces différents modes de réalisation ont des fonctionnements similaires et permettent tous d'atteindre les buts fixés par l'invention, à savoir réduire la pression du coté amont, diminuer le bruit, les turbulences et l'érosion du corps de la vanne et de l'élément d'obturation, ainsi que de permettre un auto-nettoyage de la vanne, grâce à la présence, du côté amont, dans le sens de la circulation du fluide, d'un insert de décompression qui commence à laisser passer le fluide au début de l'ouverture de la vanne, autorise le débit maximum à pleine ouverture de la vanne et réduit à nouveau ce débit en fin de fermeture de la vanne. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais s'étend à toutes modifications ou variantes évidentes pour l'homme de l'art. Les différents canaux traversants peuvent être adaptés dans tout type d'éléments d'obturation, tels que des sphères ou similaires, selon les objectifs à atteindre et en fonction des paramètres des fluides à réguler.10 REVENDICATIONS1. Insert de décompression (20) pour une vanne rotative (10, 10', 10" 110, 210, 310), cet insert de décompression étant agencé pour diffuser une partie d'un fluide circulant dans un conduit (11, 111, 211, 311) pendant une phase d'ouverture partielle de ladite vanne rotative, ladite vanne rotative comportant un corps (12, 112, 212, 312) pourvu d'un segment amont (12a, 112a, 212a, 312a) avec une ouverture d'arrivée (13a) et raccordé à un tronçon d'arrivée (11a, 111a, 211a, 311a) du fluide dans ledit conduit et d'un segment aval (12b, 112b, 212b, 312b) pourvu d'une ouverture d'évacuation (13b) et raccordé à un tronçon de sortie (11b, 111b, 211b, 311b) du fluide dans le conduit, ledit corps (12, 112, 212, 312) ayant un évidement central (14, 114, 214, 314) constituant un siège dans lequel est logé un élément d'obturation (15, 115, 215, 315) rotatif, ledit élément d'obturation (15, 115, 215, 315) comportant un canal traversant (16, 116, 216, 316) pour assurer le passage du fluide à travers ladite vanne rotative (10, 10', 10", 110, 210, 310) lorsqu'elle est au moins partiellement ouverte, caractérisé en ce que ledit insert (20) de décompression comporte au moins un premier tronçon cylindrique (21), au moins un second tronçon cylindrique (22), dont la section est rétrécie par rapport à celle dudit premier tronçon cylindrique (21), et au moins un troisième tronçon (23), dit tronçon de raccordement de forme tronconique pour relier ledit premier tronçon audit second tronçon, et en ce que ledit insert de décompression (20) comporte des moyens pour diffuser ledit fluide, dès le début de la phase d'ouverture de la vanne rotative, cet insert de décompression étant disposé au moins dans le segment amont (12a, 112a, 212a, 312a) du corps (12, 112, 212, 312) de la vanne rotative (10, 110, 210, 310). 2. Insert de décompression selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit troisième tronçon (23) de forme tronconique a une base dont la sectionest sensiblement égale à la section dudit premier tronçon cylindrique (21) et un sommet dont la section est sensiblement égale à celle dudit second tronçon cylindrique (22). 3. Insert de décompression selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour diffuser ledit fluide comportent une pluralité d'ouvertures radiales (24) ménagées dans au moins une paroi dudit insert de décompression (20). 4. Insert de décompression selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite pluralité d'ouvertures radiales (24) est ménagée dans au moins une partie dudit second tronçon cylindrique (22). 5. Insert de décompression selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite pluralité d'ouvertures radiales (24) est ménagée dans au moins une partie dudit troisième tronçon (23) dit tronçon de raccordement. 6. Insert de décompression selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite pluralité d'ouvertures radiales (24) est ménagée à la fois dans au moins une partie dudit second tronçon cylindrique (22) et dans au moins une partie dudit troisième tronçon (23) dit tronçon de raccordement. 7. Insert de décompression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un élément amovible agencé pour être mis en place et maintenu en position lorsqu'il est disposé dans le corps de ladite vanne rotative. 8. Insert de décompression selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est pourvu de moyens de fixation agencés pour le maintenir en position lorsqu'il est disposé dans le corps de ladite vanne rotative. 9. Vanne rotative (10, 10', 10", 110, 210, 310) d'un fluide circulant dans un conduit (11, 111, 211, 311), comportant un corps (12, 112, 212, 312) pourvu d'un segment amont (12a, 112a, 212a, 312a) avec une ouverture d'arrivée (13a) et raccordé à un tronçon d'arrivée (11a, 111a, 211a, 311a) du fluide dans ledit conduit (11, 111, 211, 311) et d'un segment aval (12b, 112b, 212b, 312b) pourvu d'une ouverture d'évacuation (13b) et raccordé à un tronçon de sortie (11b, 111b, 211b, 311b) du fluide dans le conduit (11, 111, 211, 311), ledit corps ayant un évidement central (14, 114, 214, 314) constituant un siège dans lequel est logé un élément d'obturation (15, 115, 215, 315) rotatif, ledit élément d'obturation comportant un canal traversant (16, 116, 216, 316) pour assurer le passage du fluide à travers ladite vanne rotative lorsqu'elle est au moins partiellement ouverte, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un insert de décompression (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, disposé au moins dans ledit segment amont (12a, 112a, 212a, 312a) du corps (12, 112, 212, 312) de ladite vanne rotative (10, 10', 10", 110, 210, 310). 10. Vanne rotative selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte deux inserts de décompression (20) respectivement disposés dans le segment amont (12a, 112a, 212a, 312a) et le segment aval (12b, 112b, 212b, 312b) du corps (12, 112, 212, 312) de ladite vanne rotative (10, 10', 10", 110, 210, 310). 11. Vanne rotative selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que ledit insert de décompression (20) comporte un premier tronçon cylindrique (21) dont la section extérieure est égale à la section dudit segment amont (12a), un second tronçon cylindrique (22) dont la section est rétrécie par rapport à celle dudit premier tronçon cylindrique (21) et un troisième tronçon (23), dit tronçon de raccordement de forme tronconique pour relier lesdits premier et second tronçons (21, 22).30