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CA 02215492 1997-09-12
WO 96/28680 PCT/EP96/00820
Description -
Dispositif de robinetterie
Domaine technicrue
L'invention concerne un dispositif de robinetterie, en
particulier un robinet pour liquides agressifs et/ou délicats,
tels que des liquides chimiques et des liquides alimentaires. Le
dispositif de robinetterie comporte un corps, un obturateur
manipulé par un arbre guidé dans un col du corps et une
manchette d'étanchéité munie d'une collerette qui s'étend sur
une certaine longueur le long du col.
Lorsqu'un tel robinet est installé sur une tuyauterie véhiculant
un fluide sous pression, il ne doit pas constituer un point
faible et il doit garantir la continuité de l'enceinte
constituée par le tuyau vis-à-vis du fluide sous pression.
Aucune fuite vers l'extérieur n'est permise, tant au niveau du
raccordement avec les tuyauteries amont et aval, qu'au niveau
des passages des arbres de manoeuvre et de guidage de
l'obturateur.
La manchette enveloppant le corps réalise toutes les étanchéités
nécessaires au robinet, l'étanchéité amont-aval, l'étanchéité
aux jonctions avec les tuyauterie et l'étanchéité autour des
passages d'arbre. Pour assurer l'étanchéité amont-aval à
l'obturateur, mais aussi à la portée du passage d'arbre, la
manchette peut comprendre un moyen élastique servant à créer la
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pression nécessaire. Dans le cas d'une manchette d'étanchéité en
élastomère ce moyen élastique est constitué par la manchette et
la collerette elles-mêmes. Dans le cas d'une manchette en
plastomère un sommier élastique placé entre le corps et la =
manchette constitue ce moyen élastique.
Pour renforcer la sécurité d'enceinte, une deuxième étanchéité
de sécurité peut être prévue fonctionnant comme presse-étoupe
autour de l'arbre.
État de la technicque
Pour des manchettes en élastomère l'étanchéité de passages
d'arbre est réalisée par compression de la collerette de la
manchette entourant l'arbre entre le corps, l'arbre et
l'obturateur. Outre le fait qu'il s'agit d'une etancheité
dynamique, les paramètres déterminant la compression de
l'élastomère pour un niveau d'étanchéité donné sont sujet à
variation en fonction des conditions de service du robinet, en
particulier les variations de pression.
Dans la demande de brevet DE-A-24 60 182 est décrit une vanne-
papillon, dont le papillon tourne autour d'un arbre traversant
un siège annulaire, dont la section en U coiffe l'intérieur et
les flancs du corps de vanne. Cette vanne-papillon comprend
d'une part une première étanchéité à la portée du passage
d'arbre assuré par un sommier élastique comprimé et d'autre part
autour de la partie traversante de l'arbre une rondelle
d'étanchéité tenue serrée par un moyen élastique, par exemple un
ressort de compression, entre le palier de l'arbre et le siège.
Cette deuxième étanchéité est une étanchéité de sécurité au cas =
où la première faillit.
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Du document DE-C-20 27 775 on connaît un robinet à papillon dont
sa manchette d'étanchéité est muni d'une collerette qui s'étend
le long de l'arbre. Cette collerette est étanchéifiée par un
presse-étoupe placé entre la collerette et le col du corps du
robinet, l'ensemble constituant la seconde étanchéité, la
première étanchéité étant réalisée à la portée du passage
d'arbre.
Du document EP-A-0 411 652 on connaît un robinet à boisseau
sphérique muni d'un second système d'étanchéité composé d'un
tore en élastomère logé dans un anneau d'un palier lisse guidé
dans le corps.
Ces principes de construction ont l'inconvenient que
l'étanchéité d'arbre dépend des déformations d'arbre ou des
variations de température. En position fermée, l'obturateur est
soumis à la pression différentielle entre l'amont et l'aval.
Cette pression différentielle crée une force radiale sur l'arbre
et l'arbre a tendance à se déplacer radialement vers l'aval. Le
déplacement est le résultat d'une part du rattrapage des jeux de
guidage de l'arbre dans la palier du corps et des jeux
d'emmanchement entre l'arbre et l'obturateur et d'autre part de
la déformation de l'arbre et de l'obturateur sous l'effet de la
charge due à la pression sur une des faces de l'obturateur.
La déformation des pièces sous l'efffet des charges est
inévitable. Le jeu entre l'arbre et la collerette augmente côté
amont et les moyens de la première étanchéité sont déchargé côté
amont et chargées côté aval. Le fluide de l'amont peut monter
maintenant en passant la première étanchéité jusqu'à une
éventuelle seconde étanchéité, par exemple la première garniture
de presse-étoupe.
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Pour une manchette en élastomère les concepteurs ont de tout
temps cherché a pallier cet inconvénient par des artifices tels
que joint auxiliaire, formes speciales, inserts de renforcement.
Ces exemples ne sont pas exhaustifs. S'ils peuvent améliorer le
résultat, ils ne résolvent pas complètement le problème car ils
ne suppriment pas totalement le déséquilibre, sous l'effet de la
déformation, des pressions de contact autour du passage d'arbre.
De même, pour que la seconde étanchéité d'une manchette en
plastomère, ici le presse-étoupe, ne fuit pas, il est nécessaire
d'excercer une telle pression sur la collerette, afin que la
pression modifiée par les déformations d'arbre reste supérieure
à celle du fluide. Avec l'augmentation de la pression dans le
presse-étoupe, les forces de manoeuvre croissent également. Ceci
nécessite l'emploi d'un dispositif avec ressort de compensation,
encombrant et couteux.
Le-but de l'invention est de trouver une solution pour mieux
assurer l'étanchéité de l'arbre, sans augmenter la force de
manoeuvre et économiquement avantageuse.
Exposé de l'invention
L'objet de l'invention proposée présente un nouveau concept qui
permet de conserver une pression de contact également répartie,
entre la manchette et l'arbre, quelle que soit la pression
différentielle appliquée sur l'obturateur et donc quelle que
soit la déformation de l'ensemble arbre-obturateur.
Selon une première caractéristique un moyen de serrage est
positionné autour de la'collerette dans une espace du corps. Le moyen de
serrage est dimensionné d'une telle manière qu'il
excerce un effort sur la collerette et par conséquent sur
l'arbre. Le moyen de serrage est monté dans l'espace ayant une
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liberté de mouvement radial et/ou basculant en référence au
corps.
Le montage flottant dans l'espace du corps permet au moyen de
serrage de suivre les déplacements de l'arbre sous l'effet des
déformations dues à la pression ou à la température sur
l'obturateur. Cette liberté de mouvement fait que la pression de
contact pour l'étanchéité n'est aucunement modifiée et que cette
dernière est parfaitement fiable et durable, quelle que soit la
pression de service à l'intérieur du dispositif de robinetterie.
La compression radiale entre l'arbre et la manchette crée une
barrière étanche sans mettre en jeu un matériau ou un tore
auxiliaire et cette compensation est totalement indépendante du
déplacement de l'arbre et de l'obturateur.
Un autre mode de réalisation prévoit un revêtement pour
l'obturateur, le revêtement s'étendant plus loin que l'endroit
de serrage le long de l'arbre dans le col.
Il est possible d'assurer l'étanchéité même si la manchette et
le revêtement de l'obturateur sont en plastomère. Dans ce cas,
un sommier élastique est placé entre le corps et la manchette.
Dans un autre mode de réalisation le moyen de serrage comporte
un tore élastique logé dans un anneau de réaction et pressé par
cet anneau de réaction contre la collerette. L'anneau de
réaction est monté flottant dans le col et suit les mouvements
de l'arbre sans modifier la pression de contact nécessaire à
l'étanchéité. Il est possible de prévoir une liberté de
mouvement radial et axial en même temps.
De préférence, l'anneau de réaction est muni d'une partie
conique permettant de précontraindre le tore élastique et d'une
partie cylindrique comme siège du tore élastique. Parcela on
évite des dégradations lors de la mise en place et on assure une
précontrainte suffisante pour l'étanchéification.
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Pour améliorer le fonctionnement, le moyen de serrage comporte
supplémentairement un anneau d'appui sur lequel le tore
élastique repose. Les dimensions radiales de l'anneau d'appui =
sont de telle sorte qu'il peut également suivre un mouvement
radial de l'arbre.
Un autre mode de réalisation est l'arrangement de l'espace dans
le col près de l'obturateur autour de la collerette. Le moyen de
serrage se trouve dans le voisinage immediat à la première
étanchéité et est à monter par l'intérieur du corps.
De préférence le moyen de serrage comporte un ressort métallique
à enroulement hélicoidal. Dans une autre réalisation le sommier
élastique comporte une rondelle rigide limitant le mouvement
axial. Dans encore une autre réalisation la manchette comporte
un anneau assurant une compression radiale d'une collerette-
élastique du sommier ou de la collerette d'une manchette en
élastomère.
Suivant une autre réalisation le moyen de serrage consiste en
une cage enveloppant la collerette vers l'espace, vers le col et
partiellement côté arbre. La cage peut s'étendre radialement
vers des brides entre la manchette et le corps. Cette cage suit
radialement le déplacement imposé par la déformation de l'arbre
sous l'effet de la pression différentielle appliquée sur le
papillon. Ceci procure une nette amélioration des performances.
Par le moyen de serrage consistant en un palier rotule guidant
l'arbre et permettant en même temps un mouvement basculant
composé d'un mouvement radial et axial, on peut imaginer
aisément que la déformation du papillon et de l'arbre sous
l'effet de la pression différentielle appliquée sur le papillon
va entrainer le basculement du palier de guidage dans sa rotule
et que la repartition de la compression de la collerette de la
manchette ne sera pas affectée ni dans son niveau, ni dans sa
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répartition et ceci quelle que soit la pression différentielle
du fluide véhiculé par le robinet. L'etancheité vers l'extérieur
autour du passage d'arbre se trouve ainsi parfaitement assurée
et fiabilisée.
Dans un autre mode de réalisation le palier rotule ne porte que
sur au moins une rélativement petite bande sphérique, ce qui
permet des solutions économiques.
Pour arriver à de grandes précisions, le palier rotule est logé
dans un logement arrangé dans le col.
Le logement de la collerette rotulant conserve une répartition
égale de la pression de contact autour du passage d'arbre,
indépendamment de la déformation de l'arbre et du papillon.
Présentation des différentes figures
Les dessins annexés illustrent l'invention réalisée dans un
robinet à papillon avec une manchette en plastomère.
La fig. la représente, en coupe partielle, sur son côté gauche
le passage d'arbre d'un robinet à papillon avec une
manchette et un obturateur revêtu en plastomère en
place et sur son côté droit lors de la mise en place,
la fig. lb représente le robinet de la fig. la soumis à une
pression P,
la fig. 2 représente un détail agrandi de la fig. 1,
la fig. 3 représente, en coupe partielle, le passage d'arbre
d'un robinet à papillon avec un système d'étanchéité
à monter par l'intérieur du corps,
les fig. 4 et 5 représentent d'autres modes de réalisation d'un
montage par l'intérieur du corps,
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les fig. 6 et 7 montrent un robinet à papillon avec une
manchette en élastomère et une cage pour
transmettre les déplacements radiaux de l'arbre
à la collerette de la manchette, =
la fig. 8 montre un robinet à papillon avec une manchette
en élastomère et un palier rotatif de l'arbre
pour transmettre les déplacements radiaux et
axiaux de l'arbre à collerette de la manchette,
les fig. 9 et 10 montrent un robinet à papillon avec une
manchette en élastomère et palier basculant
partiel,
les fig. 11 et 12 montrent un robinet à papillon avec une
manchette en élastomère et palier basculant du -
logement de la collerette.
Modes de réalisation
Un dispositif de robinetterie selon l'invention, représenté à la
fig. la, comprend un corps 1, un obturateur 2 manipulé par un
arbre 3 guidé dans un col 4 du corps 1.
L'étanchéité entre le corps 1 et l'arbre 3 est assurée par une
manchette d'étanchéité 5 munie d'une collerette 6 qui s'étend
sur une certaine longueur le long du col 4 entre celui-ci et
l'arbre 3. A une certaine distance du début de la collerette 6
elle est rélativement mince, ce qui permet de transmettre des
efforts radiaux.
Autour de la collerette 6 est positionné un moyen de serrage
7,8,9 dans un espace 10 dans le col 4 du corps 1. Le moyen de
serrage 7,8,9 comporte un anneau d'appui 7 axial, un anneau de =
réaction 8 radial et un tore élastique 9. L'anneau de réaction
8 est placé dans l'espace 10 et dimensionné d'une telle manière,
qu'il est mobile entre l'arbre 3 et le corps 1.
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Dans l'agrandissement fig. 2 de la fig. 1 les éléments du moyen
de serrage 7,8,9 sont représentés dans un état initial. Dans
l'anneau de réaction 8 est logé radialement le tore élastique 9
de sorte qu'il excerce à son côté orienté vers l'arbre 3 un
effort F sur la collerette 6 et par conséquent sur l'arbre 3.
Son côté orienté vers le corps est en appui sur l'anneau de
réaction 8.
L'effort F est créé par la précontrainte de l'anneau 8 sur le
tore 9 lors du montage du moyen de serrage 7,8,9. Pour éviter
l'echappement du tore 9 sous charge dans le sens axial, il
s'appûie d'un côté axialement sur l'anneau d'appui 7 et est logé
d'autre côté dans l'anneau de réaction 8 réalisé en forme de L.
L'anneau de réaction 8 est montée flottant dans l'espace 10 avec
une liberté de mouvement axial et radial par rapport au col 4.
Le jeu radial est indiqué par X. Le mouvement axial est
cependant limité par une pièce de retenu il fixée dans le col 4.
Cette pièce de retenu 11 sert également comme palier radial de
l'arbre 3.
Le robinet à papillon illustré à titre d'exemple montre un
obturateur 2 avec un revêtement 12 en plastomère comme le PTFE
(téflon), qui s'étend le long de l'arbre 3 dans le col 4, et une
manchette 5 en plastomère comme le PTFE (téflon) avec une
collerette 6 et un sommier élastique 13.
L'étanchéité entre l'obturateur 2 et le col 4 est réalisé par
deux moyens. Premièrement il y a une étanchéité au niveau de
l'entrée de l'arbre 3 dans le corps 1. La manchette en
plastomère n'ayant pas d'élasticité suffisante, un sommier en
élastomère 13 est prévu entre le corps 1 et la manchette 5 pour
créer une précontrainte entre la manchette 5 et le revêtement de
l'obturateur pour assurer l'étanchéité amont/aval et le premier
niveau d'étanchéité autour de l'arbre 3. Après cette première
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étanchéité se trouve l'étanchéité de sécurité assurée par le
moyen de serrage 7,8,9. =
La mise en place du moyen de serrage 7,8,9 se fait comme
démontrée dans la fig. la côté droit. Une fois l'obturateur 2
avec l'arbre 3 insérés dans le corps 1 et le col 4, l'anneau
d'appui 7 est enfilé sur l'arbre 3 et descendu vers l'obturateur
2. Après avoir passé le bout de la collerette 6 il se trouve
dans l'espace 10 ou il est retenu par un épaulement 14 du corps
1.
Ensuite le tore élastique 9 non-déformé est enfilé sur l'arbre 3
et descendu vers l'obturateur 2. Après avoir passé le bout de la
collerette 6 il se trouve placé sur l'anneau d'appui 7. Puis
l'anneau de réaction 8 est mis en place. En descendant, l'anneau
8 dépasse le tore 9 se met avec sa partie conique 16 entre le
tore 9 et le corps 1. En descendant davantage l'anneau 8, le
tore 9 est serré radialement entre la collerette 6, qui s'appui
contre l'arbre 3, et l'anneau 8. Ceci provoque une déformation
élastique du tore 9 entré dans la partie cylindrique 17 de
l'anneau de réaction 8 et crée ainsi une force d'étanchéié F,
qui assure l'étanchéité entre l'arbre 3 et la collerette 6.
Finalement une pièce de retenu 11 est montée pour limiter le
mouvement axial du moyen de serrage 7,8,9.
La fig. ib représente l'état du dispositif de robinetterie sous
pression P. Suite à la pression une force est excercée sur
l'obturateur, ce qui provoque un décalage Y de l'axe 15 vers 15'
et une fléxion de l'obturateur 2 et de l'arbre 3 en direction de
la force créée par la pression P. L'étanchéité au niveau de l'entrée de
l'arbre 3 est affaibli, car l'arbre 3 s'est éloigné
du corps 1 côté amont et donc la précontrainte du sommier en
élastomère 13 a diminuée. Ceci est représenté par un jeu X'
augmenté résultant de ce décalage.
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Pour maintenir l'étanchéité globale du dispositif, la deuxième
= étanchéité est conservée grâce au moyen de serrage 7,8,9 mobile
radialement. Le moyen de serrage 7,8,9 suit le déplacement en
direction radiale de l'arbre 3 sans modifier la pression de
contact F nécessaire à l'étanchéité.
La fig. 3 montre un robinet à papillon avec un système
d'étanchéité à monter par l'intérieur du corps 1. On retrouve en
principe les mêmes éléments, mais au lieu d'une pièce de retenu
11 comme butée et palier d'arbre on trouve un corps d'une forme
appropriée et un palier il' supplémentaire.
Les fig. 4 et 5 montrent un robinet à papillon avec un système
d'étanchéité intégré. Les deux étanchéités sont arrangées sur un
minimum de place.
Dans la fig. 4 est représenté un robinet à papillon 20 monté
entre deux brides 21,22. Il comporte un obturateur 2 revêtu avec
un revêtement 12 montant le long d'un arbre 3 dans un col 4 d'un
corps 1. Une manchette 5 assure l'étanchéité avec les brides
21,22 et l'arbre 3. Pour réaliser cela, elle est munie d'une
collerette 6 montant dans le col 4 du corps 1. La manchette 5
étant en plastomère, un sommier élastique 13 est prévu pour
assurer l'étanchéité à l'entrée. Le long du col 4 et entre le
corps 1 et la collerette 6 se trouve un espace 10 dans lequel
est placé un moyen de serrage 23,24. Pour éviter l'échappement
du sommier 13 dans l'espace 10 une rondelle rigide 25 est
associé au sommier 13 et orientée vers l'espace 10, fonctionnant
comme butée pour le sommier 13.
= 30 Le moyen de serrage 23,24 consiste en deux ressorts métalliques
23 à enroulement hélicoidal et en un anneau 24. Les ressorts 23
excercent une force représenté par des flêches sur la collerette
6 créant autant de barrières étanches. Le moyen de serrage 23,24
est monté radialement et axialement flottant dans l'espace 10,
tandis que le sommier 13 est fixe.
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Dans la fig. 5 le moyen de serrage consiste en un anneau rigide
26 attaché au sommier 13 et s'étendant le long de l'arbre 3. Le
sommier 13 comporte une collerette 27 orientée vers le col 4 et
parallèle a la collerette 6 de la manchette 5. L'anneau 26 tient
comprimée la collerette 27 après la mise en place.
La mise en place du moyen de serrage 23,24;26 selon les fig. 4
et 5 dans le col 4 se fait du côté obturateur 2. Dans le cas de
la fig. 4, le sommier 13 et le moyen de serrage 23,24 sont
insérés dans le corps 1. Dans le cas de la fig. 5, uniquement le
sommier 13 doit être inséré. Ensuite la manchette 5 avec
l'obturateur 2 et l'arbre 3 montés est appuyée dans le col 4.
- Lors du montage, une précontrainte est crée dans les ressorts
23, et respectivement dans la collerette 27, par le serrage des
ressorts 23 et de la collerette 27 entre la collerette 6 et les
anneaux 24;26 et conservée par les anneaux 24;26.
Les fig. 6 et 7 montrent un robinet à papillon avec une
manchette en élastomère 5 et une cage 30;31 transmettant les
déplacements radiaux de l'arbre à la collerette 6 de la
manchette 5. La cage 30;31 enveloppe la collerette 6 vers
l'espace 10, vers le col 4 et partiellement côté arbre 3. Pour
limiter le déplacement axial de la collerette 6, la cage 31
s'étend radialement vers des brides 21,22 entre la manchette 5
et le corps 1.
la fig. 8 montre un robinet à papillon avec une manchette en
élastomère 5 et un palier rotule 33 de l'arbre 3 comme moyen de
serrage pour transmettre les déplacements radiaux et axiaux de
l'arbre 3 à la collerette 6 de la manchette 5. Le palier rotule
33 est logé dans un logement 34 arrangé dans le col 4. Sous
l'effet de la pression différentielle appliquée sur l'obturateur
2, on peut imaginer aisément que la déformation de l'obturateur
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2 et de l'arbre 3 va entrainer la rotation à travers un palier
= de guidage 35 de l'arbre 3 et du palier rotule 33 dans son
logement 34 et que la repartition de la compression de la
collerette 6 de la manchette 5 ne sera pas affectée ni dans son
niveau, ni dans sa répartition et ceci quelle que soit la
pression différentielle du fluide véhiculé par le robinet. Le
basculement du palier 33 se fait autour du centre 36 de la
sphère de rayon R. Le mouvement de basculement est composé d'un
mouvement radial et axial.
Pour simplifier la réalisation, les fig. 9 et 10 montrent un
robinet à papillon avec une manchette en élastomère 5 et un
palier rotatif partiel.Le palier rotule 33 ne porte que sur de
rélativement petites bandes sphériques 37,38,39. Une bande
sphérique 38 se trouve au milieu du palier rotule 33, l'autre
bande sphérique 37;39 se trouve à l'opposé de la portée de
l'obturateur 2. Pour guider l'arbre 3 un palier 35 est prévu.
Une modification du palier rotule 33 consiste en la suppression
de la pièce 40.
Les fig. 11 et 12 montrent un robinet à papillon avec une
manchette en élastomère 5 et un palier rotule du logement 41 de
la collerette 6. Seul le logement 41 de la collerette 6 est
constitué comme palier rotule, l'arbre est guidé par le palier
35. Le contre-logement 42 lui-même du logement 41 est une partie
sphérique 42 du corps ou une pièce indépendante 43 monté
flottant dans l'espace 10.
Application industrielle
Il est évident que l'invention s'utilise aussi pour assurer
l'étanchéité des arbres'dans des robinets à boisseau ou autres
dispositifs de robinetterie.
