WO1999026003A1 - Soupape de surete - Google Patents

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WO1999026003A1
WO1999026003A1 PCT/FR1998/002415 FR9802415W WO9926003A1 WO 1999026003 A1 WO1999026003 A1 WO 1999026003A1 FR 9802415 W FR9802415 W FR 9802415W WO 9926003 A1 WO9926003 A1 WO 9926003A1
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valve
nozzle
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holder
ring
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PCT/FR1998/002415
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Inventor
Michel Pluviose
Marcel Watremetz
Original Assignee
Centre Technique Des Industries Mecaniques
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K17/00Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves
    • F16K17/02Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side
    • F16K17/04Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded
    • F16K17/0433Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded with vibration preventing means

Definitions

  • the present invention relates to a safety valve, which is, according to standard NFE 29-410, a pressure safety device which opens automatically to a predetermined value greater than atmospheric pressure under the action of the only pressure of the fluid without the intervention of any other energy source and which evacuates a flow of fluid sufficient to prevent the pressure from exceeding the maximum value in service by a predetermined quantity; it closes automatically, stopping the flow of the fluid when the operating conditions have been restored.
  • a safety valve which is, according to standard NFE 29-410, a pressure safety device which opens automatically to a predetermined value greater than atmospheric pressure under the action of the only pressure of the fluid without the intervention of any other energy source and which evacuates a flow of fluid sufficient to prevent the pressure from exceeding the maximum value in service by a predetermined quantity; it closes automatically, stopping the flow of the fluid when the operating conditions have been restored.
  • the modern and usual type of safety valve comprises in a body a fixed nozzle and a valve and valve holder assembly made in one or more several parts movable axially with respect to the nozzle towards which it is returned by a spring, the valve and the nozzle comprising sealing surfaces in the form of antagonistic annular lips providing the valve seat, the valve holder comprising an annular edge with conical part, the nozzle being provided at the end on its outside diameter with an adjusting ring cooperating in the closed position with said conical part of the annular edge of the valve holder.
  • the fluid flows are disturbed on the one hand by the immediate confinement downstream of the neck formed by the nozzle and the valve, made to facilitate rapid opening of the valve, and on the other hand by the existence of the downstream collector which allows the necessary recovery of the evacuated fluid before expulsion or recycling.
  • the object of the present invention is to provide a safety valve of the type mentioned above with improved stability.
  • the object of the invention is achieved in that the conical part of the annular edge of the valve holder is crenellated, so as to constitute in a way a set of contiguous azimuthal nozzles, which leave of the neck formed by the nozzle and the valve or close to it downstream and which allow the fluid to relax differently depending on whether it approaches a nozzle formed in a slot or a nozzle formed in a merlon.
  • This azimuthal stratification facilitates, by viscosity, the dissipation of the energy of the jet and its stabilization.
  • the slots are formed on said edge just downstream from the line of contact of said edge with the adjustment ring. In a second embodiment, they are formed slightly upstream of this line to come closer to the neck formed by the nozzle and the valve. It is possible to combine these two embodiments. Certain slots can be formed from the outside edge of the valve seat.
  • the upper edge of the adjustment ring and the bottom of the slots are shaped concave, in the radial direction, to form concave nozzles.
  • FIG. 2 is a view in two longitudinal half-sections similar to Figure 1 showing, for the right half-section, a first embodiment of a safety valve according to the invention, the valve being in the closed position, and, for the left half-section, the valve of the prior art in the same position to compare,
  • Figure 3 is similar to Figure 2 for a second embodiment of the invention
  • Figure 4 is a table schematically showing the different configurations of valve holder, valve and adjusting ring having been the subject of '' tests within the framework of
  • FIG. 5 is a table of the different combinations of valve configurations tested
  • FIGS. 9 and 10 show the evolution of the average forces Fz as a function of time during a variation of the expansion rate, respectively on a valve of the prior art and on a conforming valve to the invention.
  • a safety valve 1 comprises within a body 2 shown only in part, a nozzle 3 terminated by a neck 4 carrying a flat annular lip 5 forming with an opposing element described below a valve seat.
  • a valve holder 7 is mounted movable in translation by means of a rod (not shown) sliding in a bore formed in a valve cap fixed to the body; the valve holder is attached to the rod by a rod head 8.
  • the valve holder has an axial cylindrical recess 9 surrounded by a cylindrical skirt 10 terminated by an annular edge with a conical bearing 11.
  • a valve 12 is inserted in 1 'recess 9 where it is retained through the cooperation of a tail 13 provided with a rod 14 rubbing on the cylindrical wall of a hole 15 made at the bottom of one recess.
  • the open face 16 of the valve 12 has, in the vicinity of its periphery, a flat annular lip 17 constituting the opposing element of the lip 5 for producing the valve seat.
  • the neck 4 of the nozzle is surrounded by an adjustment ring 18 carrying a belt of radial notches 19 between two of which can engage the end of a stop screw 20 accessible from outside the body 2.
  • the adjusting ring 18 is mounted on an external thread 21 of the nozzle 3 so that its rotation causes a selected degree of axial displacement of the ring 18, the upper nose 22 of which comes into contact with the conical surface 11 of the valve holder 7 to define in the closed position of the valve ( Figures 2 and 3) an additional annular chamber 23 radially external to the lips in contact 5, 17.
  • the geometry of the valve is modified so as to control the dissipation of kinetic energy.
  • the conical part 11 of the edge 10 of the valve holder 7 has been crenellated so as to form there a number of merlons alternating with notches 24 and thus constitute a set of relatively divergent azimuthal nozzles separated by less divergent nozzles.
  • the slots are formed only downstream of the point defining the section S3, that is to say from the point of contact of the adjusting ring 18 with the conical bearing 11 of the edge 10.
  • the adjustment ring 18 can be modified as shown in FIG.
  • FIG. 2 also shows the special shape given to the exposed surface 16 of the valve, a surface formed by the revolution of a concave generator towards the outside, with the exception of the convex top.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the invention similar to the previous one except that the slots 24 are formed from upstream of the section S3, in fact from the vicinity of the valve 12, that is to say say that we are acting closer to the supersonic jet water table.
  • This solution if it brings improved efficiency, however, loses part of the benefit of rapid lifting, because the slots destroy the tightness of chamber 23.
  • This negative effect can be limited by providing a reduced number of slots of this type, alternating with slots of the type of those in FIG. 2.
  • experiments were carried out on the basic configuration shown in Figure 1 and on eighteen configurations combining the construction features shown in Figure 4.
  • PI, P2 and P3 denote three valve holders 7 whose edge has zero respectively slot (smooth edge), 14 slots and 30 slots.
  • C1, C2 and C3 respectively designate long, medium and short valves 12 depending on the size of the projection formed by the surface 16.
  • Bl, B2 and B3 respectively designate smooth adjustment rings, or provided with 14 or 30 slots .
  • FIGS. 9 and 10 show the evolution of the average forces Fz (along the axis of the valve stem) during a variation of the expansion rate over time, for the valve of the basic configuration (FIG. 9) and for combination 12 of the table in FIG. 5 (FIG. 10).
  • the comparison of the two figures confirms the improvement obtained thanks to the invention.

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Abstract

La soupape (1) comprend une buse fixe (3) et un clapet (12) porté par un porte-clapet (7), comportant des lèvres annulaires antagonistes (5, 17) réalisant le siège de clapet; le porte-clapet (7) comporte un bord annulaire à partie conique (11) crénelée; la buse est entourée d'une bague de réglage (18) coopérant en position fermée avec ladite portée conique (11) du bord annulaire du porte-clapet.

Description

Soupape de sûreté
La présente invention concerne une soupape de sûreté, qui est, selon la norme NFE 29-410, un organe de sûreté de pression qui s'ouvre automatiquement à une valeur prédéterminée supérieure à la pression atmosphérique sous l'action de la seule pression du fluide sans intervention d'aucune autre source d'énergie et qui évacue un débit de fluide suffisant pour empêcher la pression de dépasser la valeur maximale en service d'une quantité prédéterminée ; il se referme automatiquement en arrêtant 1 ' écoulement du fluide lorsque les conditions de service ont été rétablies.
Bien qu'on puisse faire remonter la soupape de sûreté au prototype élémentaire qui équipait la marmite de Denis Papin, le type moderne et usuel de soupape de sûreté comprend dans un corps une buse fixe et un ensemble clapet et porte-clapet réalisé en une ou plusieurs parties mobiles axialement par rapport à la buse vers laquelle il est rappelé par un ressort, le clapet et la buse comportant des portées d'étanchéité sous forme de lèvres annulaires antagonistes réalisant le siège de clapet, le porte-clapet comportant un bord annulaire à partie conique, la buse étant munie à l'extrémité sur son diamètre extérieur d'une bague de réglage coopérant en position fermée avec ladite partie conique du bord annulaire du porte-clapet. Les écoulements de fluide sont perturbés d'une part par le confinement immédiat en aval du col formé par la buse et le clapet, réalisé pour faciliter l'ouverture rapide du clapet, et d'autre part par l'existence du collecteur aval qui permet la nécessaire récupération du fluide évacué avant expulsion ou recyclage.
Ce type de soupape est employé très couramment et donne généralement satisfaction. Toutefois, l'écoulement de fluide lors de la levée de soupape donne lieu à des bruits et des instabilités indésirables pour certains rapports de détente, qu'on veut s'efforcer de diminuer. Parfois, ces écoulements instables et les grandes puissances à dissiper peuvent conduire à des dégâts mécaniques . On a déjà proposé dans le document EP 0 156
672 A un procédé général de stabilisation des écoulements de fluides compressibles lors de détente supersonique, et une application particulière de ce procédé au cas des soupapes de régulation ; selon cette application, on prévoyait en particulier dans le siège du clapet de la soupape, et non dans le clapet lui- même, des alvéoles spécialement disposés.
Le but de la présente invention est de proposer une soupape de sûreté du type rappelé plus haut à stabilité améliorée.
Le but de 1 ' invention est atteint en ce que la partie conique du bord annulaire du porte-clapet est crénelée, de manière à constituer en quelque sorte un ensemble de tuyères azimutales contiguës, qui partent du col formé par la buse et le clapet ou à proximité aval de celui-ci et qui permettent au fluide de se détendre différemment selon qu'il aborde une tuyère formée dans un créneau ou une tuyère formée dans un merlon. Cette stratification azimutale facilite, par viscosité, la dissipation de l'énergie du jet et sa stabilisation .
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les créneaux sont formés sur ledit bord juste en aval de la ligne de contact dudit bord avec la bague de réglage. Dans un second mode de réalisation, ils sont formés légèrement en amont de cette ligne pour se rapprocher plus près du col formé par la buse et le clapet. Il est possible de combiner ces deux modes de réalisation. Certains créneaux peuvent être formés dès le bord extérieur de la portée du clapet.
Avantageusement, le bord supérieur de la bague de réglage et le fond des créneaux sont conformés de manière concave, en direction radiale, pour former des tuyères concaves .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de deux exemples de réalisation, se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une soupape de sûreté de l'art antérieur, le clapet étant en position levée,
- la figure 2 est une vue en deux demi- coupes longitudinales analogues à la figure 1 représentant, pour la demi-coupe droite, un premier mode de réalisation de soupape de sûreté conforme à l'invention, le clapet étant en position fermée, et, pour la demi-coupe gauche, la soupape de l'art antérieur en même position à titre de comparaison,
- la figure 3 est analogue à la figure 2 pour un second mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est un tableau représentant schématiquement les différentes configurations de porte-clapet, de clapet et de bague de réglage ayant fait l'objet d'essais dans le cadre de
1 ' invention, la figure 5 est un tableau des différentes combinaisons de configurations de soupape essayées,
- les figures 6, 7 et 8 montrent les résultats concernant respectivement la valeur efficace ou niveau global des pulsations de pression P (pression pariétale dans le collecteur d'échappement vis-à-vis du col) , et des fluctuations de force Fx et de force Fy obtenus pour les diverses configurations essayées, les figures 9 et 10 représentent l'évolution des efforts moyens Fz en fonction du temps lors d'une variation du taux de détente, respectivement sur une soupape de 1 ' art antérieur et sur une soupape conforme à l'invention.
Une soupape de sûreté 1 comprend au sein d'un corps 2 représenté seulement en partie, une buse 3 terminée par un col 4 portant une lèvre annulaire plate 5 formant avec un élément antagoniste décrit plus loin un siège de clapet. Sur le même axe longitudinal 6 que la buse 3, un porte-clapet 7 est monté mobile en translation grâce à une tige non représentée coulissant dans un alésage formé dans un chapeau de soupape fixé au corps ; le porte-clapet est rattaché à la tige par une tête de tige 8. Le porte-clapet comporte un évidement cylindrique axial 9 entouré d'une jupe cylindrique 10 terminée par un bord annulaire à portée conique 11. Un clapet 12 est inséré dans 1 ' évidement 9 où il est retenu grâce à la coopération d'une queue 13 munie d'un jonc 14 frottant sur la paroi cylindrique d'un trou 15 pratiqué au fond de 1 ' évidement . La face dégagée 16 du clapet 12 comporte au voisinage de sa périphérie une lèvre annulaire plate 17 constituant l'élément antagoniste de la lèvre 5 pour réaliser le siège de clapet. Le col 4 de la buse est entouré d'une bague de réglage 18 portant une ceinture de crans radiaux 19 entre deux desquels peut venir s'engager l'extrémité d'une vis d'arrêt 20 accessible de l'extérieur du corps 2. La bague de réglage 18 est montée sur un filetage 21 extérieur de la buse 3 de sorte que sa rotation entraîne un degré choisi de déplacement axial de la bague 18 dont le nez supérieur 22 vient au contact de la portée conique 11 du porte- clapet 7 pour définir en position fermée du clapet (figures 2 et 3) une chambre annulaire supplémentaire 23 radialement extérieure aux lèvres en contact 5, 17. Un ressort non représenté logé dans le chapeau de soupape et muni d'une vis de tarage charge de façon permanente et contrôlée le porte-clapet et donc le clapet 12 vers la buse 3. Tous ces éléments sont classiques dans l'art antérieur. Le fonctionnement de la soupape est le suivant. Lorsque le clapet est fermé et que la pression au sein de la buse 3 atteint puis dépasse légèrement la pression de consigne, le clapet se soulève de façon infime à 1 ' encontre de la force exercée par le ressort de soupape ; les lèvres 5, 17 s'écartent légèrement et la pression peut alors aussi s'établir dans la chambre annulaire 23, ce qui augmente d'autant la surface du clapet soumise à cette pression et permet d'accélérer la levée du clapet jusqu'à sa butée haute . On a représenté sur la figure 1 la section circulaire SI de la buse, la section cylindrique S2 de passage entre les lèvres opposées 5, 17 et la section de passage de sortie S3 entre la bague de réglage 18 et le bord 11 du porte-clapet 7. Pour une certaine géométrie et une levée suffisante du clapet, il est facile de calculer que SI est la section géométrique de passage minimum de l'écoulement ; c'est dans cette section qu'on atteint le nombre de Mach unité. L ' écoulement supersonique se développe en aval de manière très complexe .
Selon l'invention, on modifie la géométrie de la soupape de manière à contrôler la dissipation d'énergie cinétique. Dans un premier mode de réalisation représenté sur la partie droite de la figure 2, on a crénelé la partie conique 11 du bord 10 du porte-clapet 7 de manière à y former un certain nombre de merlons alternant avec des créneaux 24 et constituer ainsi un ensemble de tuyères azimutales relativement divergentes séparées par des tuyères moins divergentes . Dans le mode de réalisation de la figure 2, les créneaux sont formés uniquement en aval du point définissant la section S3 , c'est-à-dire à partir du point de contact de la bague de réglage 18 avec la portée conique 11 du bord 10. Pour améliorer l'efficacité des tuyères de détente ainsi formées, on peut modifier la bague de réglage 18 comme le montre la figure 2, c'est-à-dire en créant un profil spécial 25 de tuyère, conique ou même concave ; le profil 26 donné au fond des créneaux peut aussi être concave. On a aussi représenté sur la figure 2 la forme spéciale donnée à la surface exposée 16 du clapet, surface formée par la révolution d'une génératrice concave vers l'extérieur, à l'exception du sommet convexe .
La figure 3 illustre un second mode de réalisation de 1 ' invention semblable au précédent si ce n'est que les créneaux 24 sont formés dès en amont de la section S3, en fait dès le voisinage du clapet 12, c'est-à-dire qu'on agit plus près de la nappe de jet supersonique. Cette solution, si elle apporte une efficacité améliorée, fait cependant perdre une partie du bénéfice de la levée rapide, du fait que les créneaux détruisent l'étanchéité de la chambre 23. On peut limiter cet effet négatif en prévoyant un nombre réduit de créneaux de ce type, alternant avec des créneaux du type de ceux de la figure 2. Afin d'évaluer l'intérêt des diverses géométries possibles, on a conduit des expériences sur la configuration de base représentée en figure 1 et sur dix-huit configurations combinant les particularités de construction montrées sur la figure 4. PI, P2 et P3 désignent trois porte-clapets 7 dont le bord comporte respectivement zéro créneau (bord lisse) , 14 créneaux et 30 créneaux. Cl, C2 et C3 désignent respectivement des clapets 12 long, moyen et court en fonction de l'importance de la saillie formée par la surface 16. Bl, B2 et B3 désignent respectivement des bagues de réglage lisse, ou munies de 14 ou 30 créneaux.
On a formé et essayé dans des conditions identiques la configuration de base et les dix-huit combinaisons listées dans le tableau de la figure 5. On a mesuré les fluctuations d'efforts Fx et Fy (c'est-à- dire dans un plan radial de la soupape) ainsi que les fluctuations de pression pariétale P. Ces résultats, reportés sous forme de graphiques dans les figures 6, 7 et 8, montrent clairement des valeurs inférieures pour les configurations 4 à 15, c'est-à-dire les configurations comportant un porte-clapet crénelé conforme à l'invention. Il est intéressant de noter qu'en revanche, les configurations 16 à 18 dans lesquelles le porte-clapet est lisse mais la bague de réglage est crénelée n'apportent pas d'amélioration marquée à la stabilité de l'écoulement.
Les figures 9 et 10 montrent l'évolution des efforts moyens Fz (selon l'axe de la tige de clapet) lors d'une variation du taux de détente pendant le temps, pour la soupape de la configuration de base (figure 9) et pour la combinaison 12 du tableau de la figure 5 (figure 10) . La comparaison des deux figures confirme bien l'amélioration obtenue grâce à l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Soupape de sûreté (1) comprenant dans un corps (2) une buse fixe (3) et un ensemble de clapet (12) et porte-clapet (7) réalisé en une ou plusieurs parties mobiles axialement par rapport à la buse (3) vers laquelle il est rappelé par un ressort, le clapet (12) et la buse (3) comportant des lèvres annulaires antagonistes (17, 5) réalisant le siège de clapet, le porte-clapet (7) comportant un bord annulaire à partie conique (11), la buse étant munie à l'extrémité sur son diamètre extérieur d'une bague de réglage (18) coopérant en position fermée avec ladite partie conique (11) du bord annulaire du porte-clapet (7) , caractérisé en ce que la partie conique (11) du bord annulaire du porte-clapet (7) est crénelée.
2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que les créneaux sont formés dans ladite partie (11) à proximité aval de la ligne de contact en position fermée dudit bord avec la bague de réglage (18) .
3. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que certains créneaux sont formés dès le bord extérieur de la portée du clapet (12) .
4. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bord supérieur de la bague de réglage (18) est conformé de manière concave .
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