Vanne La présente invention a pour objet une vanne servant à commander l'écoulement de fluides. On a déjà construit divers types de vannes, dans lesquels il était fait usage de dispositifs d'étanchéité élastique du type à anneau de section circulaire. Il était ainsi possible de réaliser une vanne qui soit capable d'être utilisée sous des pressions<B>'de,</B> travail relativement élevées sans risque que l'anneau se dégage de son logement.
Les anneaux d'étanchéité de section circu laire utilisés dans les vannes étaient faits de matières élastiques telles que le caoutchouc synthétique et, à l'état détendu, leur forme était circulaire en section, mais dans certains types de vannes, ces anneaux de section circulaire ne possèdent pas toutes les proprié tés désirées.
Par exemple, s'il est fait usage d'un tel anneau d'étanchéité dans une vanne du type papil lon ayant été construite avec un jeu entre la péri phérie du disque de vanne et le corps ou boîte à vanne, il est possible que l'anneau ne maintienne une étanchéité satisfaisante entre le corps, et le disque dans toutes les conditions de travail, en particulier si l'anneau est fait d'une matière élastique relative ment dure, telle qu'un caoutchouc synthétique dur, ou de matières du genre du Nylon ou du Té flon . De plus, l'utilisation d'un anneau de section circulaire tend à exiger des couples relativemeent éle vés pour faire tourner l'élément de vanne entre ses positions d'ouverture et de fermeture.
La présente invention vise à réaliser une vanne comportant un anneau d'étanchéité élastique, mais ne présentant pas ces inconvénients.
Cette vanne comprend un corps percé de con duits pour l'écoulement d'un fluide, un élément mobile entre une position de fermeture dans laquelle il obstrue le passage par lesdits conduits et une posi tion d'ouverture dans laquelle ce passage est libre, et un anneau d'étanchéité, en matière élastique, dis posé dans une cavité du corps, caractérisée en ce que l'anneau d'étanchéité et la cavité dans laquelle il est disposé possèdent, en section, une forme sensi blement triangulaire,
des portions délimitant la cavi té du corps formant des lèvres annulaires faisant nor malement pression sur l'anneau dans des régions annulaires opposées voisines de son sommet pour retenir l'anneau à l'intérieur de la cavité, le sommet de l'anneau étant arrondi et faisant saillie entre les dites lèvres pour entrer en contact avec ledit élément.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de la vanne objet de l'inven tion.
La fig. 1 est une vue en bout de ladite forme d'exécution constituée par une vanne du type papil lon.
La fig. 2 est une coupe transversale par la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe transversale par la ligne 3-3 de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue semblable à la fig. 3 mais représentant l'anneau d'étanchéité dans une position de travail différente.
La fig. 5 est une coupe transversale à plus grande échelle par la ligne 5-5 de la fig. 1.
La fig. 6 est une vue de détail en plan représen tant le dispositif de commande de la vanne et un dispositif d'encliquetage y associé. La forme d'exécution de vanne représentée est composée d'un corps formé de deux pièces 10a, 10b. Des passages ou conduits d'écoulement 11 formés par ces pièces sont destinés à être reliés à une tuyau terie associée. Les portions adjacentes des deux piè ces dudit corps sont usinées de manière qu'elles for ment des faces complémentaires annulaires 12 et 13, conjointement avec des faces complémentaires an nulaires déportées 14 et 16.
Une rainure ou creusure annulaire ménagée dans la pièce 10a est destinée à recevoir un anneau d'étanchéité élastique 18 dont le rôle est d'établir un joint élastique étanche au fluide entre les deux pièces.
Un élément 19 est constitué par un disque monté pour tourner autour d'un axe 21. Comme il sera expliqué plus loin, ce disque présente une surface de travail destinée à entrer en contact avec un anneau d'étanchéité élastique porté par le corps et à.assurer l'étanchéité avec l'aide dudit anneau. Des portions de bord opposées du disque 19 sont assujetties, aux extrémités intérieures de deux arbres 22 et 23 mutuellement alignés. Ces arbres sont reçus à l'inté rieur d'alésages 25 et 26 pratiqués dans la pièce 10b du corps et sont supportés de façon rotative par des coussinets 27 et 28 qui les entourent.
Une oreille ou saillie plate 31 formée sur l'extrémité intérieure de chacun des arbres 22, 23, est logée à l'intérieur d'une cavité annulaire 32 pratiquée au bord du dis que. Des vis 33 fixent les deux saillies au disque, les tolérances étant telles que les pièces peuvent être ali gnées exactement avant que les vis de fixation aient été serrées à fond.
Des moyens d'étanchéité sont disposés pour em pêcher que des fuites se produisent autour des deux arbres. Ainsi, un anneau élastique de section circu laire 36 est disposé près de l'extrémité intérieure du coussinet 27, cet anneau étant retenu par un collier annulaire 37 formé sur l'extrémité correspondante de l'arbre. L'extrémité extérieure du coussinet 27 entre en contact avec un jonc élastique 38. Un autre anneau de section circulaire 39 sert à assurer une protection contre la pénétration de matières étran gères et à retenir le lubrifiant.
L'arbre 23 est simi- lairement pourvu d'un anneau 40 d'étanchéité pour fluides sous pression, lequel est retenu par une bride ou rebord 41. L'extrémité extérieure du coussinet 28 bute contre un jonc élastique 42. L'extrémité exté rieure de l'alésage 26 est fermée par un tampon 43.
L'extrémité extérieure de l'arbre 22 est établie de manière qu'elle s'accouple avec un organe de ma noeuvre constitué par une poignée de manaeuvre 46. Cette poignée est reçue dans un alésage borgne d'un bras 47 faisant corps avec un manchon 48 qui est dentelé intérieurement pour s'ajuster sur l'extrémité dentée 49 de l'arbre 22. Une plaque 51 est fixée à l'aide de vis au corps de la soupape et est pourvue d'une portion 52 en forme de secteur, qui est den telée. Dans un alésage 50 du bras 47 est ajusté de façon coulissante un poussoir d'encliquetage 53, qui est sollicité par un ressort 54 .vers les dents du sec- teur 52.
Une vis 55 permet de régler la poussée du ressort 54, et une vis 60 permet de bloquer le pous soir 53 contre le secteur dentelé. Grâce à cette dis position, l'arbre 22 peut être soit retenu dans toute position de travail à laquelle il peut avoir été amené par rotation, soit bloqué dans toute position désirée. Une dent 56 portée par la douille48 (fig. 6) entre en contact avec une vis d'arrêt réglable 57 dans la posi tion de complète ouverture de la soupape, alors qu'un épaulement de butée porté par le bras 47 vient buter contre une vis d'arrêt réglable 59 à la position de complète fermeture.
Un dispositif permet de bloquer rigidement l'une par rapport à l'autre les deux pièces du corps de soupape. C'est ainsi que des oreilles circonférentiel- lement espacées 61 de la pièce 10a dudit corps sont soumises à la poussée de vis 62 qui se vissent dans des oreilles 63 (fig. 1) de la partie 10b du corps.
Les fig. 1 et 2 représentent la façon dont la vanne peut être installée entre des brides d'accouple ment 64 faisant partie d'une canalisation associée. Des boulons de serrage 66 sont vissés dans les oreil les 67 de la pièce 10b du corps et bloquent les deux pièces du corps entre les brides 64.
Le dispositif d'étanchéité disposé entre le disque et le corps a été représenté en détail aux fig. 3 à 5. La périphérie du disque est usinée de manière à for mer une surface de travail 71 pour cet élément. Cette surface possède la forme d'un tronc de cône qui est tangentiel à une sphère dont le centre coïncide avec l'axe 21 et avec l'axe du passage 11 et dont le rayon correspond à la distance comprise entre ce centre et la portion médiane de la surface 71.
Des surfaces biseautées sont formées près des bords de la surface 71 et, vues en coupe (fig. 5), ces surfaces biseautées font un angle d'environ 300 avec la surface de tra vail du disque. Dans la portion du corps qui entoure le disque 19 est ménagée une cavité annulaire 74 destinée à recevoir l'anneau d'étanchéité élastique 76. Cet anneau est fait d'un élastomère approprié, tel que le Nylon ou le Téflon . Sa dureté (mesurée sur le duromètre) peut être de l'ordre de 90 ou davantage.
Le profil de l'anneau, en section (fig. 3), est de forme générale triangulaire. Il est pourvu de faces latérales relativement plates 77 et d'une base concave 78, comme représenté. La sur face 79 qui forme le sommet est arrondie et desti née à faire pression sur la surface de travail 71 du disque pour établir un joint étanche avec ladite surface. Les surfaces 81 formant les coins de la base de l'anneau sont elles-mêmes arrondies et se raccor dent aux surfaces latérales 77 et à la surface de base 78.
Les portions de base 82 de l'anneau forment des jambages capables de travailler à la fois à la flexion et à la compression, ce qui accroit effectivement le degré de souplesse offert par une matière élastique d'une dureté donnée. Les extrémités des jambages 82 coïncident avec la surface d'un cône dont l'axe coïn cide avec l'axe central du disque lorsque celui-ci occupe sa position de fermeture. La cavité 74 recevant l'anneau d'étanchéité pos sède elle-même un profil et une section triangulaires. Les côtés de cette cavité sont délimités par des lèvres 83 et 84 formées respectivement sur les parties res pectives 10a et 10b du corps.
Les surfaces latérales 86 de la cavité sont formées sur les faces intérieures des lèvres 83 et 84. L'intervalle qui sépare ces lèvres est tel que lesdites lèvres compriment normalement l'anneau à un degré limité dans deux régions oppo sées, lorsque l'anneau est à l'état détendu (c'est-à-dire lorsqu'il n'est pas soumis à une pression différen tielle). Il s'ensuit que chacune des lèvres est en con tact étanche avec l'anneau, lorsque celui-ci est dans cet état détendu, outre que ce contact est tel qu'il assure une force de retenue mécanique importante. La surface de base 87 de la cavité épouse générale ment la surface d'un cône dont l'axe coïncide avec l'axe du disque en position de fermeture, et cette sur face 87 est en contact étanche avec l'une et l'autre des surfaces arrondies 81, à l'état détendu de l'an neau.
Les coins de la cavité sont formés par des sur faces arrondies 88, dont le rayon est légèrement supérieur au rayon des surfaces 81.
Les dimensions adoptées sont telles que des espa ces 89 existent entre les surfaces 77 et 86, de même qu'entre les surfaces 78 et 87, à l'état détendu de l'anneau. De préférence, les espaces 89 communi quent avec les passages d'écoulement correspondants d'une manière propre à assurer la transmission de la pression. C'est ainsi qu'un ou plusieurs conduits de faible section 90 établissent une telle communication pour un des côtés de la cavité et qu'un ou plusieurs autres conduits de faible section 91 établissent une telle communication pour l'autre côté. Une telle communication n'est pas essentielle, mais elle con tribue à assurer l'application désirée d'une pression du fluide sur l'anneau d'étanchéité.
Ainsi qu'il sera expliqué plus loin, l'espace 92 qui sépare les surfaces 78 et 87 est en communica tion de transmission de pression avec le courant d'amont ou côté à haute pression dé la soupape, grâce à une disposition de clapets de retenue qui sera décrite plus loin.
Comme représenté à la fig. 3, la surface arron die 79 de l'anneau d'étanchéité 76 fait normalement saillie sur une distance sensible au-delà des lèvres 83 et 84. Les surfaces périphériques 93 et 94 de ces lèvres sont celles d'un cône, et leurs dimensions sont telles qu'un faible jeu existe entre elles et la surface de travail 71 du disque.
Dans la position de ferme ture du disque, la surface arrondie 79 de l'anneau d'étanchéité 76 exerce une pression sur la surface 71, l'anneau étant soumis à un certain degré de compression de manière à établir un contact étanche avec le disque, et, en outre, à presser les jambages 82 de l'anneau dans une direction propre à appli quer les surfaces arrondies 81 sur les surfaces adja centes de la cavité et assurer ainsi un joint étanche entre ces surfaces. La fig. 5 représente une disposition convenable de clapets de retenue dont le rôle est d'établir une communication entre l'espace 92 situé à la base de l'anneau d'étanchéité et le côté amont de la vanne.
Ainsi, deux clapets de retenue 96 et 97 sont montés dans les deux pièces 10a et 10b du corps, ces clapets pouvant être du type à bille, comme représenté. Le courant d'amont appliqué par l'intermédiaire du con duit 98 ouvre le clapet 96 en surmontant l'action de son ressort de compression 99, ce qui permet à ladite pression d'amont d'être appliquée par l'intermédiaire de conduits 101 et 102 à l'espace 92. De même, lorsque la pression d'amont est appliquée au clapet 97 par l'intermédiaire du conduit 103, ce clapet s'ou vre, ce qui effectue une mise sous pression de l'es pace 92 par l'intermédiaire des conduits 101 et 102.
Les clapets de retenue empêchent le fluide de passer directement de l'un à l'autre des côtés du disque.
L'assemblage des éléments de la vanne décrite s'effectue comme suit: On assemble d'abord les ar bres 22 et 23 pourvus des organes d'étanchéité y associés à l'intérieur de la partie 10b du corps de vanne. Les arbres ayant été amenés à une position faisant un angle de 1801, par rapport à celle qu'ils occupent à la fig. 2, on insère le disque 19,à partir de sa droite, et on le fixe librement aux arbres à l'aide des vis 33. On pose alors l'anneau d'étanchéité de section approximativement triangulaire 76, on place la partie 10a du corps dans la position repré sentée avec son joint annulaire de section circulaire 18, et l'on fixe l'une à l'autre les deux pièces du corps, à l'aide des boulons de fixation 62.
On fait alors tourner les arbres pour amener le disque à la position représentée à la fig. 2. La poussée qu'exerce le joint 76 sur le disque 19 a pour effet de centrer ce disque, et les vis 33 peuvent par conséquent maintenant être serrées de manière à fixer les arbres au disque.
La vanne décrite ci-dessus fonctionne de la manière suivante : Ainsi qu'il a été mentionné pré cédemment, lorsqu'il ne s'exerce aucune pression dif férentielle, l'anneau d'étanchéité 76 occupe la posi tion détendue de la fig. 3. Lorsque la face gauche du disque 19 est soumise à une pression, l'anneau d'étanchéité 76 est sollicité par la pression différen tielle du fluide vers la position représentée à la fig. 4. On notera que la portion arrondie 81 de l'anneau a été pressée contre la surface arrondie 88 de la cavité et que la surface latérale 77 de l'anneau 76 a été pressée contre la surface latérale 86 de ladite cavité.
L'espace 89 qui existe sur le côté gauche de l'anneau communique avec la pression d'amont du fluide par le conduit 91, outre que l'espace 92 sépa rant les surfaces 78 et 87 communique avec le côté amont du courant de fluide par l'intermédiaire du clapet de retenue 96.
Ainsi, dans de telles conditions, l'anneau 76 est pressé par le fluide d'amont dans deux directions, l'une d'elles étant celle d'une poussée latérale résultant de la pression qui s'exerce sur la surface 77 et qui sollicite l'anneau 76 de manière à l'appliquer contre la surface 86 de la cavité, et l'autre étant celle d'une poussée exercée par le fluide sous pression sur la surface 78 de l'anneau et tendant à solliciter ledit anneau vers la position de contact d'étanchéité avec la surface 71 de l'anneau 76.
Lors que la différence de pression diminue, l'anneau 76 revient à sa position détendue, et le fluide sous pres sion que contient l'espace 92 est mis à même de s'échapper vers le côté amont en passant en regard de la portion de base 82 de l'anneau 76. Il reste généralement un peu de fluide sous. pression em prisonné dans l'espace 92, alors même que la pres sion aurait été réduite à celle de l'atmosphère dans les passages 11 du corps. La valeur de cette pression peut varier selon divers facteurs; dont l'un est le degré d'écrasement existant entre les surfaces 81 et 87.
Si l'on suppose qu'une pression de fluide relati vement élevée a été appliquée sur une des faces du disque ou élément 19, par exemple le maximum de pression de travail pour lequel la vanne a été. calcu lée, la pression d'amont sera transmise par l'intermé diaire d'un des clapets de la manière décrite plus haut, et une telle pression règnera dans l'espace 92.
La réduction d'une telle pression d'un tel maximum de pression à la pression atmosphérique s'accompa gnera d'un échappement d'une partie du fluide sous pression que contient l'espace 92, de la manière pré cédemment décrite, mais une différence de pression sera maintenue entre la pression régnant dans ledit espace 92 et la pression régnant dans le conduit d'admission, cette différence correspondant générale ment à la pression du fluide résiduel emprisonné dont il a été question plus haut.
On supposera maintenant qu'il se produit une inversion de la pression différentielle. L'anneau 76 sera comprimé dans le sens opposé, c'est-à-dire de manière à contraindre les surfaces de gauche 77 et 86 à entrer en contact. Dans ce cas encore, l'espace 89, qui se trouve à droite de l'anneau 76 communi que avec le côté amont situé à droite, et l'espace 92 est mis en communication avec la pression régnant en amont par l'intermédiaire du clapet de retenue 97, la réduction de cette différence de pression per met de nouveau à l'anneau 76 de revenir à son état détendu, ce qui s'accompagne d'un certain degré d'échappement du fluide sous pression que,
contenait ledit espace 92.
Une caractéristique de la vanne décrite plus haut est que la pression du fluide contribue à maintenir un contact étanche au fluide entre le corps et le dis que de la vanne, bien que la matière dont est fait l'anneau 76 soit relativement dure. Ceci peut en partie être attribué au fait que lorsqu'une pression différentielle est appliquée, la surface 78 et l'une des surfaces latérales 77 de l'anneau 76 sont exposées à la pression d'amont.
Ceci peut aussi être en partie attribué au fait que les jambages 82 sont soumis non seulement à une compression, mais aussi à une flexion, ce qui permet un degré sensible de flexion élastique sans qu'on ait entièrement à compter sur une compression directe. Une autre caractéristique de la vanne décrite est que, bien que l'anneau 76 éta blisse une obturation effective entre le corps et le disque dans toutes les conditions de travail, le cou ple nécessaire pour faire mouvoir le disque vers et à l'écart de sa position de fermeture est relativement faible, en comparaison avec celui qui serait néces saire s'il était fait usage d'un anneau d'étanchéité de section transversale circulaire ayant une dureté com parable.
Même sous des conditions d'une pression différentielle relativement élevée, le couple néces saire pour actionner la vanne est relativement modéré.
Lorsque le disque de soupape occupe sa posi tion de complète ouverture, il fait pression sur l'an neau 76 en deux points espacés de sa circonférence. Si la vanne reste ainsi ouverte pendant un temps considérable, une telle pression de contact est sus ceptible d'occasionner la formation d'entailles dans l'anneau d'étanchéité, de sorte que lorsque la ferme ture de la vanne se produit, l'anneau 76 ne revient pas immédiatement à son état initial normal, ce qui occasionne un certain degré de fuite.
Cette difficulté est surmontée, dans la vanne représentée, en raison du fait que la poussée résultant de la pression diffé rentielle appliquée sollicite l'anneau contre le disque, de sorte qu'il n'est pas absolument nécessaire de compter entièrement sur un retour rapide de la matière élastique à son état normal après qu'elle a été soumise à une compression de longue durée.
Ainsi qu'il ressort de ce qui précède, la vanne représentée peut être installée en vue de permettre à la pression de s'exercer indifféremment vers un côté ou vers l'autre. Quelles que soient les différen ces de pression pour lesquelles la vanne a été cal- culée, un jeu est maintenu entre la périphérie du disque et les surfaces périphériques adjacentes de la boite, de telle -sorte que ces surfaces ne frottent pas lorsqu'on fait tourner le disque.
A titre d'exemple, dans un cas particulier, la vanne avait été construite avec les proportions géné rales illustrées sur le dessin et avec des conduits d'écoulement de 152 mm de diamètre. Le diamètre du disque au centre de la zone de contact du disque avec l'anneau d'étanchéité, était d'environ 146 mm, Les divers angles indiqués à la fig. 3 étaient les sui vants : l'angle 1 que font entre elles les surfaces laté rales 77 de l'anneau 76 à l'état détendu était d'envi ron 600. L'angle 2 que fait chacune des surfaces laté rales 86 avec la base 87 de la cavité était de 43ù. L'intervalle annulaire séparant les lèvres 83 et 84 était de 4,38 mm.
La surface courbe 79 avait reçu un rayon de 3,57 mm et les surfaces courbes 81 avaient reçu un rayon de 0,8 mm. La largeur maxi mum, mesurée en travers de la base de l'anneau, était de 10,73 mm et l'épaisseur, mesurée de la sur face 79 à la ligne de base, était de 7,15 mm. L'an neau était fait d'un caoutchouc synthétique ayant une dureté (mesurée sur le duromètre) d'environ 98. Le jeu métallique existant entre le disque de vanne et les surfaces 93 et 94 était de 0,2 mm en position de fermeture. La vanne fonctionnait d'une manière également satisfaisante quel que soit le côté où la pression du fluide était appliquée, sur une échelle de pressions de travail allant de zéro à 42 kg/ce.
Après avoir appliqué le maximum de pression de travail sur une des faces du disque (en position de fermeture), puis réduit la pression à celle de l'atmosphère, on a constaté que l'espace 92 retenait du fluide empri sonné sous une pression de 10,5 à 14 kg/cm2.
Les conduits d'échappement 90 et 91 jouent un certain rôle dans le mode de travail décrit plus haut, bien que, en apportant quelque changement au prin cipe du fonctionnement, il soit possible de supprimer ces conduits. Dans de telles conditions, la pression régnant dans l'espace 92 pousse l'anneau 76 contre les lèvres 83 et 84, ainsi que contre la surface de travail 72 du disque. En supposant que la pression d'admission ait été réduite à partir d'une valeur maximum de 42 kg/cm2, du fluide sous cette pression maximum reste emprisonné dans l'espace 92,à moins qu'il ne se produise un mouvement du disque ayant pour effet d'écarter l'anneau d'étanchéité de sa posi tion de contact avec les lèvres 83 et 84.
En général, il semble qu'il soit désirable de faire usage des con duits d'échappement 90 et 91, en particulier parce que ceci évite de retenir dans l'espace 92 une pres sion de travail maximum qui, sous certaines condi tions, pourrait soumettre l'anneau d'étanchéité à des forces tendant à lui donner une déformation perma nente.