FAST CLOSING VALVE FOR A COMPRESSIBLE FLUID

Abstract: 1. A fast-closing shutoff valve with a concentric axial flow, comprising: a stationary body (1) comprising an inlet (2) for compressible fluid under inlet pressure (Po) and an outlet for compressible fluid (3) supplied with a seat (20), a stationary part (6) disposed inside the body (1) and connected to said body (1) by ribs (7), a movable part (11) sliding along the axis of said seat (20), resting on the stationary part (6) and resting by an obturation surface (13) on said seat (20) in the closed position, said movable part (11) defining a cavity (15) with the stationary part (6) and being per manently submitted to a force tending to apply it on said seat (20), this cavity (15) being apt to be brought either to the inlet pressure (Po) through an orifice (27) in a wall of the stationary part (6), or to a pressure (p2) which is lower than the inlet pressure (Po), this lower pressure (p2) being sufficiently low to permit the lifting of the movable part (11) from said seat (20) in order to put the valve into the open position, the lower pressure (p2) being applied to the cavity (15) through a channel, the force tending to permanently apply the movable part (11) to its seat (20) being obtained at least in part by a system of springs (19) situated inside the cavity (15) and backed-up at one end by the stationary part (6) and at the other end by the movable part (11), characterized in that the inlet pressure (Po) is applied to the cavity (15) through a stationary duct (29) which comprises an auxiliary valve (30), and in that the lower pressure (p2) is applied to the cavity (15) through said channel which is constituted by another stationary duct (32) which comprises another auxiliary valve (34), said auxiliary valve (30) comprising a fluid inlet (36) at the pressure Po which can be closed by a movable head (37), this head comprising three parts, in particular a hemispherical part (38) ensuring the actual closing of said inlet (36) when said auxiliary valve (30) is closed, a constricted part (39) which, during the opening of the auxili ary valve (30), moves through said inlet (36), permitting a strong fluid flow in said inlet (36), and a widened part (40) which is situated in said inlet (36) when the auxiliary valve (30) is com pletely open, permitting a reduced fluid flow in said inlet (36).

Description: Vanne d'arrêt à fermeture rapide pour fluide compressible La présente invention a trait à une vanne d'arrêt à fermeture rapide pour fluide compressible comportant - un corps fixe comprenant une entrée de fluide compressible sous pression Po et une sortie de fluide compressible munie d'un siège, - une partie fixe reliée au corps fixe, - une partie mobile coulissant selon l'axe dudit siège en prenant appui sur la partie fixe, ladite partie mobile venant s'appliquer en position de fermeture d'une façon étanche sur ledit siège bloquant toute sortie de fluide, - des moyens servant à commander le mouvement de la partie mobile dans le sens de la fermeture ou de l'ouverture, ladite partie mobile étant soumise à une force ayant tendance à l'appliquer en permanence sur ledit siège. Dans les vannes à fermeture rapide eonnues utilisées par exemple dans les turboalternateurs pour arrêter toute alimentation de vapeur, la partie fixe coopérant avec la partie mobile est située en dehors du corps et la partie mobile coulissant dans la partie fixe est manoeuvrée par servomoteur de puissance. De telles vannes sont encombrantes. Il est par ailleurs connu du document US-A 3587622 une vanne d'ar rêt à fermeture lente pour fluide non compressible, dans laquelle la partie mobile est disposée de l'intérieur du corps et forme avec la partie fixe une cavité qui est mise lentement à la pression du fluide. La vanne selon la présente invention permettant de diminuer l'in convenaient des vannes à fermeture rapide eonnues est caractérisée en ce que les moyens servant à commander le mouvement de la partie mobile comportent des premiers moyens permettant de mettre très rapidement l'intérieur de la cavité à la pression Po du fluide et des seconds moyens permettant de mettre l'intérieur de la cavité à une pression p2 inférieure à la pression Po, cette pression p2 étant suffisamment faible pour permettre le décollement de la partie mobile lorsque celle-ci est en position de fermeture. La partie fixe étant à l'intérieur du corps et située dans le fluide sous pression, l'encombrement de la vanne est réduit. Par ailleurs, cette vanne utilise ltenergie du fluide sous pression pour fermer la vanne et ne necessite pas un servomoteur de puissance Selon une réalisation particulièrement simple de l'invention, lesdits premiers et seconds moyens comportent, d'une part, un orifice ménagé dans une paroi de la partie fixe de la cavité et, d'autre part, une canalisation branchable de façon amovible sur l'orifice de la cavité pour mettre cette cavité à la pression p2. Selon une variante de réalisation permettant de simplifier les problèmes d'étanchéité entre partie fixe et partie mobile, lesdits premiers moyens et lesdits seconds moyens comportent un orifice ménagé dans une paroi de la partie fixe de la cavité, des moyens de liaison fixes entre cet orifice et une vanne auxiliaire servant à mettre en communication l'intérieur de la cavité avec un espace à pression Po, et en ce que lesdits seconds moyens comportent un orifice ménagé dans la paroi de la partie fixe de la cavité et des moyens de liaison entre cet orifice et une vanne auxiliaire servant à mettre en communication l'intérieur de la cavité avec un espace à pression p2. Selon un perfectionnement de ladite variante de réalisation, ladite vanne auxiliaire servant à mettre en communication l'intérieur de la cavité avec un espace à pression Po comporte une entrée de fluide à la pression Po obturable par une tête mobile qui comprend une partie hémisphérique assurant l'obturation proprement dite de ladite entrée lorsque la vanne auxiliaire est fermée, une partie étranglée qui au cours de l'ouverture de la vanne auxiliaire, se déplace à travers ladite entrée permettant un fort débit de fluide dans ladite entrée et une partie évasée qui se trouve dans ladite entrée, lorsque la vanne auxiliaire est complètement ouverte, permettant un débit réduit de fluide dans ladite entrée. Selon un perfectionnement de l'invention, l'entrée et la sortie de fluide sont coaxiales, ce qui diminue les pertes de charges de la vanne. De préférence, la paroi externe du groupement, constituée par la partie fixe et par la partie mobile, a une forme aérodynamique, ce qui a également pour effet de diminuer les pertes de charge. Selon une réalisation particulièrement simple de l'invention, la force ayant tendance à appliquer la partie mobile sur son siège est obtenue au moins en partie par un ressort disposé dans la cavité et prenant appui à une extrémité sur la partie fixe et à l'autre extrémité sur la partie mobile. Selon un autre perfectionnement de l'invention, la cavité comporte deux chambres, une première chambre située dans la partie mobile et une seconde chambre comportant l'orifice de la cavité, les deux chambres communiquant par une ouverture obturée par un élément de la partie fixe, lorsque la partie mobile est dans la position ouverture et étant dégagée au cours du coulissement de la partie mobile dans une position située entre la position ouverture et la position fermeture. Grâce à ce perfectionnement, la partie mobile, par effet de dashpot, est freinée en fin de course fermeture. En effet, il se produit une augmentation brutale du volume de la cavité en cours de remplissage, ce qui à pour effet d'abaisser instantanément la pression interne de la cavité et de diminuer, annuler ou inverser momentanément l'effort de fermeture de la partie mobile. Selon un autre perfectionnement de l'invention, la tige de la partie mobile est munie à son extrémité d'un piston formant dashpot de fin de course avec un cylindre solidaire du fond du corps interne de vanne. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant à des modes de réalisation particuliers cités à titre d'exemple non limitatif et représentés sur les dessins annexés. La figure 1 représente la vanne selon la figure 1 en position d'ouverture. La figure 2 représente la vanne selon l'invention en position de fermeture. La figure 3 représente une variante de réalisation de l'invention. La vanne selon la figure 1 comporte un corps 1 ayant une entrée 2 et une sortie 3 coaxiales avec le corps 1. L'entrée 2 se poursuit par une tuyauterie d'arrivée 4 et la sortie 3 par une tuyauterie de sortie 5, les deux tuyauteries étant coaxiales avec le corps 1. La vanne comprend également une partie fixe 6 disposée à l'intérieur du corps 1 et reliée au corps 1 par quelques nervures 7. La partie fixe 6 comporte un cylindre 8 de diamètre D2 et un cylindre 9 de diamètre D1 coaxiaux avec le corps 1, le cylindre 9 entourant le cylindre 8. Les deux cylindres 8 et 9 sont réunis par un fond 10 en forme d'anneau. La vanne comporte également une partie mobile 11 comprenant une tige de guidage 12 supportant un clapet 13 dont la paroi latérale forme un cylindre 14 muni intérieurement de lamelles d'étanchéité. La tige 12 coulisse dans le cylindre 8 et le cylindre 14 se meut à l'extérieur du cylindre 9. Le groupement partie fixe 6 et partie mobile 11 définit une cavité interne 15 limitée par les cylindres 8 et 9 et le fond 10 de la partie fixe 6 et la paroi interne du clapet 13. Cette cavité 15 débouche à l'extérieur de la partie fixe par un orifice 27 ménagé dans le cylindre 9. Une nervure interne 16 en forme d'anneau est solidaire de la paroi du clapet 13 et divise la cavité 15 en deux chambres 17 et 18. En position d'ouverture, le cylindre 8 coopère avec la nervure 16 pour séparer la chambre 17 de la chambre 18. Dans la chambre 17 est disposé un ou plusieurs ressorts 19, dont une extrémité s'applique sur le fond 10 et l'autre extrémité est appliquée sur la nervure 16. En position de fermeture (voir figure 2), le clapet 13 s'applique sur un siège 20 solidaire de la sortie 3 et de diamètre D3. La partie fixe 6 comporte sur la face opposée au clapet 13 un capot 21 de forme aérodynamique et est munie d'une ouverture 22. Une canalisation 23 mobile fait communiquer la cavité 15 avec un espace à une pression p2. Cette canalisation est mue par le piston 24 d'un servomoteur. Du fluide sous pression peut être injecté dans l'espace 25 situé au-dessus du piston 24 et ce fluide pousse la canalisation 23 contre l'orifice 27 de la cavité 15. Lorsque cette pression de fluide disparait, un ressort 26 disposé en-dessous du piston 24 écarte la canalisation de l'orifice ce 27. Une aspiration 28 à une pression inférieure à la pression atmosphérique disposée le long de la canalisation 23 empêche les fuites vers l'extérieur du fluide compressible. La pression p2 est choisie nettement inférieure à la pression Po du fluide, par exemple de la vapeur, à l'entrée du corps 1 de la vanne. En position d'ouverture de la partie mobile 11, la canalisation 23 est appliquée sur l'entrée 16 et il règne à l'intérieur de la cavité 15 la pression p2. Le clapet 13 est soumis à la force fl du ou des ressorts 19 et à l'effort f2 dû au passage du fluide le long du clapet 13 qui tendent tous deux à faire déplacer le clapet 13 sur son siège 20. Dans le sens inverse, il s'exerce une différence de pression Po-p2 sur l'anneau de diamètre extérieur D1 et de diamètre intérieur D3. La force F en résultant est nettement supérieure aux forces fl et f2 qui tendent à pousser le clapet 13 vers son siège 21. Lorsque la pression de fluide disparaît en 25, la canalisation 23 est retirée de l'entrée 27 et le fluide à la pression Po s'engouffre dans la cavité 15. Nous ne tiendrons pas compte, dans un premier temps, de la séparation en deux chambres de la cavité 15 par la nervure 16. La pression à l'intérieur de la cavité 15 passe plus ou moins rapidement de p2 à Po et la force due à la différence entre la pression du fluide et la pression à l'intérieur de la cavité tend à s'annuler, si bien que sous l'effet des forces fl et f2, le clapet 13 est poussé vers son siège. Il faut remarquer que l'effort de fermeture f2 augmente considérablement en fonction de la course du clapet. Vers la fin de course, la pression aval du clapet pl chute notablement, ce qui augmente l'effort de fermeture dû au passage du fluide le long du clapet 13. Par des mesures expérimentales, on a aussi relevé un effort en fin de course cinq fois plus élevé qu'en début de course. C'est pourquoi il est intéressant, pour des questions de tenue mécanique, de freiner en fin de course le clapet 13, ce qui est possible grâce à la nervure 16. En effet, cette nervure entoure en position d'ouverture le cylindre 8, mais avec un très léger espace entre les deux, si bien qu'il règne la pression p2 aussi bien dans la chambre 18 que dans la chambre 17. Lorsque la canalisation 23 est enlevée, le fluide à pression Po s'engouffre dans la chambre 17 par l'orifice 27. Il s'ensuit que le clapet 13 part sous l'effet des forces fl et f2 vers son siège 20. Après avoir parcouru une certaine course, la nervure 16 se dégage du cylindre 8 mettant brusquement en communication la chambre 18 avec la chambre 17. Il en résulte momentanément une diminution de la pression dans la cavité 15 et les forces tendant à la fermeture peuvent être réduites, voire annulées ou même inversées. Ceci peut être obtenu par le choix du rapport convenable des volumes des chambres 17 et 18 ainsi que par le choix du pourcentage de course pour lequel l'amortisseur entre en action. Le fluide à pression Po continue par ailleurs à arriver par ltori- fice 27, ce qui atténue l'effet amortisseur avec le temps. Il est ainsi possible de maîtriser convenablement, lors d'une fermeture du clapet 13, la valeur de l'accélération en fonction du temps, de manière à réaliser la fermeture dans le temps nécessaire, sans craindre le matage ou la déformation des pièces entrant en contact, clapet 13 et siège 20. Lorsque le clapet 13 est fermé (figure 2) et que l'on désire ouvrir, on envoie la pression de fluide en 25 et la canalisation 23 vient s'appliquer sur l'orifice 27, la pression p dans la cavité 15 va passer de Po à p2. Il s'exerce alors une pression différentielle PO-p sur l'anneau de diamètre extérieur D1 et de diamètre intérieur D3. Lorsque l'effort dû à cette pression différentielle équilibre les efforts dûs au ressort fl et à la pression p-pl (pl est en général inférieur ou égal à p2) sur un cercle de diamètre D3 (en négligeant l'effort dû à la pression Po sur l'extrémité de la tige 11), le clapet 13 décolle du siège 20, la pression en aval du clapet 13 augmente tandis que la pression p de la cavité 15 diminue Jusqu'à p2 et le clapet 13 revient dans sa position d'ouverture, le cylindre 14 venant se bloquer contre un épaulement du cylindre 9 et un renflement de la tige 11 venant à proximité du cylindre 8. Il convient de choisir p2 suffisamment faible pour que le décollement soit possible. Grâce, d'une part, au montage coaxial de i'entrée 2 et de la sortie 3 et, d'autre part, à la forme aérodynamique de la paroi externe du groupement de la partie fixe 6 et de la partie mobile 11 qui coopère avec la forme de la paroi interne du corps 1, les pertes de charge sont très réduites lorsque la vanne est ouverte. En effet, il n'y a pas de déviation dans la direction du flux et il n'y a pas de discontinuité dans les sections de passage du fluide. La vanne représentée à la figure 3 comporte les mêmes éléments que celle représentée aux figures précédentes, sauf les moyens de mise sous les pressions Po ou p2 de la cavité 15, ainsi que des moyens de freinage de la partie mobile en fin de course. La cavité 15 comporte un premier orifice 27 percé dans la paroi de la partie fixe 6 et relié par une conduite 29 percée dans une nervure 7 et dans le corps 1 à une vanne auxiliaire 30 disposée en dehors du corps 1. Cette vanne auxiliaire 30 est reliée à une canalisation 31 prenant du fluide à la pression Po en amont ou en aval de l'entrée 2. La cavité 15 comporte un second orifice 32 percé dans la paroi de la partie fixe 6 et relié par une conduite 33 percée dans une nervure 7 et dans le corps 1 à une vanne auxiliaire 34 disposée en dehors du corps 1. Cette vanne auxiliaire 34 est reliée à une canalisation à pression p2. Une canalisation 35 de faible section est mise en dérivation entre l'entrée et la sortie de la vanne auxiliaire 34. La vanne auxiliaire 30 comporte une entrée de fluide 36 à la pression Po obturable par une tête mobile 37 qui comprend une partie hémisphérique 38 assurant l'obturation proprement dite de ladite entrée 36 lorsque la vanne auxiliaire 30 est fermée, une partie étranglée 39 qui au cours de l'ouverture de la vanne auxiliaire 30, se déplace à travers ladite entrée 36 permettant un fort débit de fluide dans ladite entrée 36 et une partie évasée 40 qui se trouve dans ladite entrée 36 lorsque la vanne auxiliaire 30 est complètement ouverte permettant un débit réduit de fluide dans ladite entrée 36. Ainsi, lorsqu'on ouvre la vanne 30, la vanne. 34 étant fermée, la partie hémisphérique 38 de la tête 37 décolle de l'entrée 36 et la partie étranglée 39 se déplace à travers l'entrée 36 laissant une ouverture en anneau importante entre elle et les bords de l'entrée 36, si bien qu'une grande masse de fluide à pression Po est admise dans la cavité 15. Lorsque la vanne 30 est ouverte, la partie évasée 40 de la tête 37 se trouve dans l'entrée ne laissant libre qu'une ouverture en anneau de faible épaisseur, Si bien qu'il ne se maintient qu'un débit réduit dans l'entrée 36. Ainsi la vitesse du clapet 13 qui est très rapide lors de l'ouverture de la vanne 30 se ralentit en fin de course lorsque la vanne 30 est complètement ouverte. Néanmoins le temps de fermeture du clapet reste très court. Lorsqu'on ferme la vanne 30, la partie hémisphèrique 38 de la tête 37 venant s'appliquer sur l'entrée 36, et qu'on ouvre la vanne 34, le clapet 13 s'ouvre. Lorsque le clapet 13 est ouvert, on peut fermer la vanne 34, la canalisation de faible débit 35 suffisant à maintenir la cavité à la pression p2. La vanne selon la figure 3 est munie d'un autre moyen 41 de réaliser le freinage de la partie mobile 11 en fin de fermeture. Cet autre moyen 41 comporte un anneau circulaire 42 fixé par un écrou 43 sur le prolongement, fileté, de la tige 12, formant ainsi un piston 44 . Cet anneau mobile 42 pénètre, à partir d'une certaine course, dans un cylindre circulaire fixe 45 solidaire du fond 10 du corps interne de vanne. Par le choix convenable - du pourcentage de course pour lequel l'anneau mobile 42 commence à pénétrer dans le cylindre fixe 45, - du jeu entre l'anneau mobile 42 et le cylindre fixe 45, il est possible de créer un effort s'opposant à l'effort d'aspiration du clapet, particulièrement élevé en fin de course. Grâce à cet effet d'amortissement créé par la compression du matelas de gaz emprisonné entre l'anneau mobile 42 et le cylindre fixe 45, il est possible d'induire l'effort antagoniste nécessaire pour réduire la vitesse du clapet au moment du contact avec le siège à la valeur maxima admissible. Dans la réalisation de la figure 3, on peut également employer le moyen de freinage 41 seul ou concurremment avec l'effet d'amortissement déjà décrit obtenu par la présence de la nervure 16. Du point de vue pratique, le casque 21 du corps interne doit être rapporté sur le fond 10 afin que le montage de l'anneau 42 soit possible. Cela peut être réalisé soit par un emmanchement avec serrage à chaud du casque 21 soit par un montage mécanique avec vis de fixation.

Claims: REVENDICATIONS 1/ Vanne d'arrêt à fermeture rapide pour fluide compressible comportant - un corps fixe (1) comprenant une entrée (2) de fluide sous pression Po et une sortie (3) de fluide munie d'un siège (20), - une partie fixe (6) reliée au corps fixe (1), - une partie mobile (11) coulissant selon l'axe dudit siège (20) en prenant appui sur la partie fixe (6), ladite partie mobile (11) venant s'appliquer en position de fermeture d'une façon étanche sur ledit siège (20) bloquant toute sortie de fluide, - des moyens servant à commander le mouvement de la partie mobile (11) dans le sens de la fermeture ou de l'ouverture, ladite partie mobile (11) étant soumise à une force ayant tendance à l'appliquer en permanence sur ledit siège (20), caractérisée en ce que la partie fixe (6) est disposée à l'intérieur du corps (1) et est située dans le fluide sous pression, ladite partie fixe (6) définissant avec la partie mobile (11) une cavité (15), et en ce que les moyens servant à commander le mouvement de la partie mobile comportent des premiers moyens permettant de mettre très rapidement l'intérieur de la cavité (15) à la pression Po du fluide et des seconds moyens permettant de mettre l'intérieur de la cavité (15) à une pression p2 inférieure à la pression Po, cette pression p2 étant suffisamment faible pour permettre le décollement de la partie mobile (11) lorsque celle-ci est en position de fermeture. 2/ Vanne d'arrêt selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers et seconds moyens comportent, d'une part, un orifice (27) ménagé dans une paroi de la partie fixe (6) de la cavité (15) et, d'autre part, une canalisation (23) branchable de façon amovible sur l'ori- fice (27) de la cavité (15) pour mettre cette cavité à la pression p2. 3/ Vanne d'arrêt selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers moyens comportent un orifice (27) ménagé dans une paroi de la partie fixe (6) de la cavité (15), des moyens de liaison fixes (29) entre cet orifice (27) et une vanne auxiliaire (30) servant à mettre en communication l'intérieur de la cavité avec un espace à pression Po (31) et en ce que lesdits seconds moyens comportent un orifice (32) ménagé dans la paroi de la partie fixe (6) de la cavité (15) et des moyens de liaison (33) entre cet orifice (32) et une vanne auxiliaire (34) servant à mettre en communication l'intérieur de la cavité (15) avec un espace à pression p2. 4/ Vanne d'arrêt selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une canalisation de faible débit (35) est mise en dérivation entre l'entrée et la sortie de la vanne auxiliaire (34). 5/ Vanne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la vanne auxiliaire (30) servant à mettre en communication l'intérieur de la cavité (15) avec un espace à pression Po (31) comporte une entrée de fluide (36) à la pression Po obturable par une tête mobile (37) qui comprend une partie hémisphérique (38) assurant l'obturation proprement dite de ladite entrée (36) lorsque la vanne auxiliaire (30) est fermée, une partie étranglée (39) qui au cours de l'ouverture de la vanne auxiliaire (30), se déplace à travers ladite entrée (36) permettant un fort débit de fluide dans ladite entrée (36) et une partie évasée (40) qui se trouve dans ladite entrée (36) lorsque la vanne auxiliaire (30) est complètement ouverte permettant un débit réduit de fluide dans ladite entrée (36). 6/ Vanne d'arrêt selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce que l'entrée (2) et la sortie (3) de fluide sont coaxiales. 7/ Vanne d'arrêt selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi externe du groupement constitué par la partie fixe (6) et par la partie mobile (11) a une forme aérodynamique. 8/ Vanne d'arrêt selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la force ayant tendance à appliquer la partie mobile (11) sur son siège (20) est obtènue au moins en partie par un système de ressorts (19) prenant appui à une extrémité sur la partie fixe (6) et à l'autre extrémité sur la partie mobile (11). 9/ Vanne d'arrêt selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit système de ressorts (19) est disposé dans la cavité (15). 10/ Vanne d'arrêt selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité (15) comporte 2 chambres (17, 18), une première chambre (18) étant située dans la partie mobile (11) et une seconde chambre (17) comportant l'orifice (27) de la cavité (15), les deux cham bres (17, 18) communiquant par une ouverture qui est obturée par un élément (8) de la partie fixe (6) lorsque la partie mobile (11) est dans la position ouverture et qui est dégagée, au cours du coulissement de la partie mobile (11), dans une position située entre la position ouverture et la position fermeture. 11/ Vanne d'arrêt selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tige (12) de la partie mobile (11) est munie à son extrémité d'un piston (44) formant amortisseur de fin de course avec un cylindre (45) solidaire du fond (10) du corps interne de vanne.

Inventors: BESSAY, RAYMOND
Applicants: ALSTHOM
Application year: 1982
Main classification: F16K1
IPC codes: F16K1, F16K31, F16K27