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VANNE EN LIGNE AUTOVERROUILLABLE.
Domaine technique
La présente invention concerne tes vannes en lignes à commande intégrée utilisables avec tous types de fluide dans tous types de procédés et particulièrement pour l'alimentation en carburant ou comburant des moteurs-fusées à liquides, cryotechniques ou non.
Art antérieur
De telles vannes en ligne dont l'objet premier est de minimiser les pertes de charge du fluide en circulation sont le plus souvent fermées dans leur position de repos, et comportent une commande pneumatique intégrée. Compte tenu à la fois de l'effet dynamique du fluide en mouvement et de la possible perte de l'énergie de commande, qui ont chacun tendance à provoquer une fermeture de la vanne, il est nécessaire pour garantir son maintien en position d'ouverture de munir cette vanne d'un dispositif de verrouillage, pouvant être à simple effet (verrouillage de la position d'ouverture) ou à double effet (verrouillage des positions d'ouverture et de fermeture).
La figure 3 montre un exemple de réalisation d'une vanne en ligne cryotechnique de l'art antérieur comportant un piston 84 dont la tige de manoeuvre 86 est solidaire du clapet 88 de la vanne et dont le déplacement commande l'ouverture ou la fermeture de ce clapet. Le maintien dans ces positions d'ouverture et de fermeture est assuré par un système de verrouillage comportant classiquement un ensemble pneumatique 90 qui commande alternativement le déplacement d'un doigt mécanique 92 dans deux encoches 94, 96, espacées de la course du piston, et pratiquées dans la tige de manoeuvre 86. Ce système de verrouillage demande toutefois la réalisation de nombreux usinages, ce qui le rend particulièrement complexe.
En outre, la perte de la commande du verrouillage en provoquant un déblocage du doigt mécanique 92 peut avoir pour conséquence d'engendrer une fermeture non désirée de la vanne sous l'action d'un ressort de rappel 98 du clapet.
Objet et définition de l'invention
La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients précités en proposant une vanne en ligne qui soit à la fois simple dans sa réalisation et fiable dans son utilisation. Un but de l'invention est de proposer une vanne dont le positionnement du clapet est conservé en cas de perte de l'énergie de commande du verrouillage. Un autre but de l'invention est également de proposer une vanne dont la fabrication est particulièrement économique.
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Ces buts sont atteints par une vanne en ligne comportant un corps de vanne dans lequel est monté, par l'intermédiaire de bras de soutien, un mécanisme de
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commande d'un clapet, ce mécanisme comportant un corps central muni d'une chambre cylindrique dans laquelle peut coulisser un piston de commande entre une première position correspondant à un état de pleine ouverture de la vanne et une seconde position correspondant à un état de fermeture de la vanne, le maintien du piston de commande dans l'une et l'autre de ces deux positions étant assuré par un mécanisme de verrouillage,
ce mécanisme de verrouillage comportant au moins un moyen à vérin qui en agissant sur un collier cylindrique permet la libération de billes de verrouillage maintenues fixement par une virole comportant deux gorges annulaires espacées l'une de l'autre de la course du piston de commande et destinées à recevoir alternativement les billes de verrouillage, de telle sorte que soit garanti un maintien de la vanne dans son état de pleine ouverture comme dans celui de fermeture.
Par cette configuration à billes, il est possible de garantir de façon simple et avec fiabilité à la fois un verrouillage dans la position de fermeture et un verrouillage de la position d'ouverture de la vanne en évitant les risques d'une fermeture non désirée présents dans les dispositifs de l'art antérieur. En outre, la simplicité de la structure proposée permet d'envisager son usinage de façon particulièrement économique.
Selon le mode de réalisation envisagé, le moyen à vérin peut comporter au moins deux pistons dont les tiges de manoeuvre sont solidaires d'un plateau relié au collier cylindrique, de telle sorte qu'une pression exercée simultanément sur ces pistons provoque le déplacement du collier et autorise alors la libération des billes de verrouillage.
De préférence, la mise sous pression des pistons est assurée au travers de canaux d'alimentation percés dans le corps central du mécanisme de commande du clapet.
Les commandes de déplacement du piston de commande et des moyens à vérin sont effectuées indépendamment au travers de deux des bras de soutien, l'un au moins des autres bras restés disponibles pouvant être avantageusement mis en oeuvre pour délivrer une information sur la position, ouverte ou fermée, de la vanne à partir d'un capteur placé sur le corps central.
Dans une version préférentielle, le clapet et son mécanisme de commande sont maintenus dans le corps de vanne au moyen de trois bras de soutien disposés à 120-.
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On notera que la structure de vanne décrite précédemment est particulicremcnt adaptce à un fonctionnement en ambiance sévère et notamment en ambiance cryotechniquc pour l'alimentation en carburant ou comburant de moteurs-fusées.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 montre un premier exemple de réalisation d'une vanne en ligne à verrouillage à double effet selon l'invention, - la figure 2 montre un second exemple de réalisation d'une vanne en ligne à verrouillage à simple effet selon l'invention, et - la figure 3 montre une vanne en ligne de l'art antérieur.
Description détaillée de modes de réalisation préférentiels
Conformément à l'invention, une vanne en ligne munie d'un dispositif de verrouillage à double effet est illustrée sur la figure 1. Cette vanne comporte un corps de vanne 10 relié classiquement par brides parallèles 12, 14 en amont à une tubulure d'entrée (non représentée) et en aval à une tubulure de sortie (non représentée) et dans lequel est réalisé perpendiculairement à l'axe longitudinal du corps de vanne un siège de clapet 16.
Le clapet 18, son ressort de rappel 20, et son mécanisme de commande sont montés dans un carter cytindro-conique 21 centré dans le corps de vanne 10 par l'intermédiaire de plusieurs bras de soutien, avantageusement trois bras 22, 24, (26 non représenté) disposés à 120*, aisément démontables et au travers desquels sont acheminés les moyens de commande (préférentiellement hydraulique ou pneumatique), de déplacement, et de verrouillage du clapet 18.
Le déplacement du clapet d'une position de pleine ouverture à une position de fermeture est effectué axialement par une tige de manoeuvre 28 dont l'une des deux extrémités est reliée à ce clapet et qui comporte au niveau de son autre extrémité un piston de commande 30 pouvant se déplacer dans une chambre cylindrique 32 pratiquée dans un corps central 34 du mécanisme de commande sous l'action d'un fluide de commande issu de moyens de déplacement externes (non représentés). De préférence, la liaison entre le clapet et l'extrémité correspondante de la tige de manoeuvre est effectuée au moyen d'un dispositif
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auto-centrcur 36 qui permet de rattraper tout léger décentrage du clapet sur son siège.
La face avant du piston de commande 30 est solidaire d'un arbre 38 (formant ainsi un piston à double tige) muni de première et seconde gorges annulaires de
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verrouillage 40, 42, espacées de la course du piston de commande, et destinées à recevoir chacune et alternativement au moins une bitte 44, 46 formant, avec une virole annulaire de maintien 48, un collier cylindrique formant chemise annulaire 50 et son ressort de maintien 52, un mécanisme de verTouillage/déverrouillage de la tige de manoeuvre 28 (et donc du clapet 18) dans chacune des positions déterminées d'ouverture ou de fermeture.
La virole annulaire 48 qui est montée à coulissement sur l'arbre 38 comporte au moins un trou de logement 54, 56 dans lesquels est maintenue la au moins une bille de verrouillage. La chemise annulaire 50 qui est montée également
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à coulissement sur la virole 48 possède sur la plus grande partie de sa longueur un alésage interne qui s'ajuste avec le diamètre extérieur de la virole et sur une petite partie de sa longueur un alésage de plus grand diamètre définissant une cavité annulaire 58 pour recevoir les billes libérées par le coulissement de la chemise sur la virole sous l'action du déplacement de la tige de manoeuvre 28. La chemise 50 comporte un épaulement externe sur lequel vient s'appuyer une extrémité du ressort de maintien 52 dont l'autre extrémité prend appui sur le corps 34 du mécanisme de manoeuvre.
L'extrémité de la chemise 50, opposée à la cavité annulaire, est montée dans un plateau 60 qui est solidaire de tiges de manoeuvre 62,64 d'au moins deux pistons 66,68 disposés symétriquement par rapport à l'axe de la vanne et pouvant coulisser dans deux cylindres 70,72 pratiqués dans le corps central 34. Un canal central d'alimentation 80 traversant un des bras 24 de soutien de ce mécanisme communique avec des canaux d'alimentation 74,76, 78 percés dans le corps au niveau des cylindres des pistons 66,68 pour amener directement sur une face avant de ces pistons un fluide de commande depuis un ensemble de commande de verrouillage/dévcrrouillage externe (non représenté).
La commande de déplacement du clapet (commande de l'ouverture de la vanne) est assurée au travers d'un autre de ces bras de soutien, par exemple le bras 22, par un canal d'alimentation en pression 82 qui débouche directement dans la chambre 32 du corps central 34 à l'intérieur de laquelle peut se déplacer le piston de commande 30 sous l'action des moyens de déplacement.
Bien entendu, la vanne comprendra également un ou plusieurs capteurs de position (comme illustré sur la figure 2 par la référence 158), sous la forme d'électroaimants ou de bobines d'induction, pour rendre compte de la position
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ouverte ou fermée de la vanne. L'information de position peut transiter avantageusement par l'un des bras de soutien, en particulier par celui ne véhiculant ni la commande d'ouverture de ! a vanne ni la commande de verrouittage/déverrouiltage. De même, on notera que, si nécessaire, ce bras peut être muni également d'un canal central aboutissant dans la chambre cylindrique 32 du corps central 34 et pouvant servir à la mise à l'air libre de cette chambre.
Le fonctionnement particulièrement simple de la vanne décrite ci-dessus peut être exposé comme suit. Dans un premier état stable qui peut être qualifié d'état de repos, la vanne étant dans une position de pleine ouverture, le ressort 20 de rappel du clapet est comprimé et le piston 30 est en butée aval.
La bille de verrouillage 44,46 est fixe dans son logement 54,56 au niveau de la première gorge annulaire 40 et verrouille l'arbre 38, le ressort de maintien 52 est détendu et les pistons de manoeuvre du verrouillage 66,68 sont dans leur position de repos amont en butée au fond de leur cavité respective 70, 72. La fermeture de la vanne est commandée à partir du mécanisme de verrouillage/déverrouillage qui injecte un fluide de commande dans le canal d'alimentation principal 74, lequel fluide traversant ensuite les canaux d'alimentation secondaires 76,78 parvient dans les cylindres des pistons qu'il chasse vers une position de butée aval. Ce mouvement simultané des pistons provoque un déplacement correspondant du plateau 60 et donc de la chemise 50 à laquelle il est fixé.
Le ressort de maintien 52 est comprimé et les billes de verrouillage libérées s'effacent dans la cavité annulaire 58 tandis que l'arbre 42 ainsi rendu libre est rejeté en arrière entraînant dans son déplacement la tige de manoeuvre 28 et, sous l'action du ressort de rappel du clapet 20, le clapet 18 dont elle est solidaire par l'intemlédiaire du dispositif auto-centreur 36. Ce mouvement de recul s'achève lorsque le piston de commande 30 vient en butée amont, le clapet 18 étant alors positionné sur son siège 16. Le verrouillage de cette position de fermeture est assuré par le retour des billes 44,46 dans leur logement respectif, en prise avec la seconde gorge annulaire 42 de l'arbre.
La cavité annulaire 58 libérée, la chemise 50 (et le plateau 60 ainsi que les pistons qui lui sont liés) peut revenir dans sa position initiale sous l'action du ressort de maintien 52. La vanne est dans un nouvel état stable que la dynamique du fluide comme la perte de toute énergie de commande (l'alimentation en fluide de commande du
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verrouillage peut d'ailleurs être coupée dès la libération des billes de verrouillage) ne peut aucunement influencer. De même, une mise sous pression du canal d'alimentation en pression 82 sera sans effet sur la vanne du fait du maintien dans une position fixe (par la chemise 50) des billes de verrouillage 44,46.
Le retour du
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clapet dans sa position initiale d'ouverture nécessite donc au préalable une nouvelle injection du fluide de commande (via les canaux 74,76, 78) pour obtenir
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une libération des billes, le déplacement du clapet étant ensuite réalisé très simplement en agissant sur le piston de commande 30 au travers du canal d'alimentation en pression 82. L'état de repos initial correspondant à la pleine ouverture de la vanne est obtenu lorsque le piston de commande 30 venant en butée aval positionne la première gorge annulaire 40 au droit des logements des billes 54,56 et ainsi permet un nouveau blocage de celles-ci.
La figure 2 montre un autre mode de réalisation d'une vanne selon l'invention comportant un dispositif de verrouillage à simple effet. Les différents éléments composant cette vanne sont sensiblement analogues avec un corps de vanne 100 muni d'un siège de clapet 102. Le clapet 104, son ressort de rappel 106, et son mécanisme de commande 108 sont maintenus dans ce corps de vanne au moyen de trois bras de soutien 110,112, (114 non représenté) disposés avantageusement à 120*. Le déplacement du clapet 104 est effectué axialement par une tige de manoeuvre 116 dont l'une des extrémités est reliée au clapet via un dispositif auto-centreur 118 et dont l'autre extrémité est formée par un piston de commande 120 pouvant se déplacer dans une chambre cylindrique 122 réalisée dans le corps central 124 du mécanisme de commande du clapet.
La face avant de ce piston de commande est solidaire d'un arbre 126 comportant une gorge annulaire de verrouillage 128 destinée à recevoir au moins une bille de verrouillage 130, 132 constituant le verrou de cet arbre. Chaque bille est maintenue en position par une virole 134 montée à coulissement sur l'arbre 126 et qui comporte des logements 136,138 pour ces billes. Le dégagement des billes de verrouillage est assuré dans une cavité annulaire interne 142 d'un collier cylindrique 140 pouvant coulisser sur cette virole. Ce collier 140 est fermé à une extrémité et est en contact, sur la face interne de son fond, avec l'extrémité d'une tige de manoeuvre 144 d'un piston 146 qui peut se déplacer dans un cylindre 148 solidaire du corps central 124, sous l'action d'une pression hydraulique ou pneumatique, amenée par un canal d'alimentation 150.
La liaison entre ce canal d'alimentation et un ensemble de commande de verrouillage/déverrouillage externe peut être réalisé au travers de l'un des bras de soutien par un canal d'alimentation 152, éventuellement via un conduit flexible 154. Un ressort de maintien 156 qui repose sur un épaulement externe du collier cylindrique 140 permet de ramener ce collier dans sa position de repos en l'absence d'action de l'ensemble vérin 144,146, 148. Une indication de la position du piston 120 est fournie par un capteur 158
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avantageusement monté dans le corps 124 au droit de t'une ou l'autre des positions extrêmes de ce piston de commande, le compte rendu de cette position pouvant être transmis au travers de l'un des bras de soutien.
Comme dans le mode de réalisation précédent, la commande de l'ouverture de la vanne est assurée au travers d'un des bras 110 de soutien par un canal d'alimentation en pression 160 qui débouche directement dans la chambre 122 du corps central 124 à l'intérieur de laquelle peut se déplacer le piston de commande 120 sous l'action de moyens de déplacement hydraulique ou pneumatique.
Le fonctionnement de cette vanne à verrouillage à simple effet est similaire dans son principe à celui décrit précédemment. Ainsi, la fermeture de la vanne est commandée par l'injection d'un fluide de commande au niveau du cylindre 148 du piston 146 depuis le canal central d'alimentation 152, via les conduits 154,150. Sa mise sous pression, en chassant le piston, provoque un déplacement de la tige de manoeuvre 144 et simultanément du collier cylindrique 140 sur lequel elle est appuyée. Le ressort de maintien 156 est comprimé et les billes de verrouillage 130, 132 alors libérées s'effacent dans la cavité annulaire 142 tandis que l'arbre 126 ainsi rendu libre est rejeté en arrière sous l'action du ressort de rappel du clapet 106.
Ce mouvement de recul s'achève lorsque le piston de commande 120 vient en butée amont, le clapet 104 étant alors positionné sur son siège 102. Dans cette position extrême du piston de commande, les billes de verrouillage sont maintenues dans la cavité annulaire et le ressort de maintien reste comprimé. L'ouverture de la vanne peut ensuite être réalisée en agissant simplement sur le piston 120 au travers du canal d'alimentation en pression 160. L'état de repos initial correspondant à la pleine ouverture de la vanne est obtenu lorsque ce piston revient en butée aval, positionnant à nouveau la gorge annulaire 128 au droit des billes de verrouillage 130, 132. Celles-ci, en descendant dans cette gorge 128 vont permettre un retour du collier cylindrique à sa position d'origine sous l'action de ressort 156 et garantir ainsi un blocage de l'arbre 126.