CH622111A5 - Fluid outflow regulator - Google Patents

Description

La présente invention concerne les régulateurs d'écoulement de fluide, et plus particulièrement les régulateurs de pression de fluide en écoulement. The present invention relates to fluid flow regulators, and more particularly to fluid flow pressure regulators.

On connaît bon nombre de régulateurs d'écoulement de fluide fondés sur le principe de la commande d'écoulement en fonction d'une pression de référence du circuit, par exemple la pression aval, ou en fonction de pressions différentielles images du débit du fluide en écoulement. Many fluid flow regulators are known which are based on the principle of flow control as a function of a reference pressure of the circuit, for example the downstream pressure, or as a function of differential pressures images of the flow of the fluid in flow.

Quel que soit le principe de la commande adopté, ces régulateurs se trouvent confrontés aux problèmes posés par l'équilibrage du bloc obturateur en fonction des plages de pressions ou de débits du fluide à réguler. Ces problèmes d'équilibrage ont été partiellement résolus par l'utilisation d'obturateurs à double plateau ou de pistons d'équilibrage, dans le cas de bloc obturateur à déplacement linéaire, ou par des cylindres doubles perforés dans le cas d'obturateurs à déplacement angulaire. Il en résulte systématiquement une complexité structurale des organes sensibles se répercutant non seulement sur les coûts de fabrication mais également sur des risques de panne. Whatever the principle of the control adopted, these regulators are faced with the problems posed by balancing the obturator block as a function of the ranges of pressures or flow rates of the fluid to be regulated. These balancing problems have been partially solved by the use of double plate shutters or balancing pistons, in the case of a linear displacement shutter block, or by double perforated cylinders in the case of displacement shutters. angular. This systematically results in a structural complexity of the sensitive organs which has repercussions not only on the manufacturing costs but also on the risks of breakdown.

Par ailleurs, selon le type de régulation adopté, les plages de fonctionnement varient soit entre des débits presque nuls et des débits de l'ordre de 2 m3/s soit dans des gammes de vitesse autour de 2 m3/s mais avec une efficacité très diminuée à des débits presque nuls. Or, dans les installations à grande échelle, telles que les circuits de distribution urbains ou les canaux d'irrigation, les vitesses d'écoulement sont de plus en plus rapides. Par ailleurs, la possibilité de réguler un écoulement à débits faibles permet des économies considérables. Furthermore, depending on the type of regulation adopted, the operating ranges vary either between almost zero flow rates and flow rates of the order of 2 m3 / s or in speed ranges around 2 m3 / s but with very efficient decreased to almost zero flow rates. However, in large-scale installations, such as urban distribution circuits or irrigation canals, the flow speeds are faster and faster. Furthermore, the possibility of regulating a flow at low flow rates allows considerable savings.

Des régulateurs électroniques à asservissement ont également été proposés pour améliorer les performances et couvrir des gammes d'utilisation plus larges, mais, outre que ces régulateurs nécessitent des sources de puissance auxiliaires, leur coût d'achat et d'entretien sont considérablement élevés. Electronic servo regulators have also been proposed to improve performance and cover wider ranges of use, but, in addition to the fact that these regulators require auxiliary power sources, their purchase and maintenance costs are considerably high.

La présente invention a pour but d'obvier à ces divers inconvénients en proposant un régulateur d'écoulement de fluide utilisant comme seule source d'énergie celle du fluide à réguler, qui soit de construction simple et robuste, qui autorise un bon fonctionnement dans une large plage de débits, notamment jusqu'à des débits très faibles, voire nuls, et qui soit insensible à la valeur absolue des pressions des fluides à réguler. The object of the present invention is to obviate these various drawbacks by proposing a fluid flow regulator using as the only energy source that of the fluid to be regulated, which is of simple and robust construction, which allows proper operation in a wide range of flow rates, in particular up to very low or even zero flow rates, which is insensitive to the absolute value of the pressures of the fluids to be regulated.

Pour ce faire, et selon la présente invention, le régulateur présente les caractéristiques spécifiées à la revendication 1. To do this, and according to the present invention, the regulator has the characteristics specified in claim 1.

La forme cylindrique creuse du bloc obturateur permet en effet de diminuer les variations des surfaces de ce bloc obturateur soumises aux diverses pressions, seule la tranche relativement fine du bord avant du cylindre obturateur étant soumise au régime transitoire s'établissant entre les pressions amont et aval du régulateur. The hollow cylindrical shape of the shutter block in fact makes it possible to reduce the variations in the surfaces of this shutter block subjected to various pressures, only the relatively thin edge of the front edge of the shutter cylinder being subjected to the transient regime being established between the upstream and downstream pressures. of the regulator.

La face avant du bord annulaire du piston cylindrique creux peut être biseautée. The front face of the annular edge of the hollow cylindrical piston can be bevelled.

La forme biseautée de ce bord avant du piston cylindrique permet ainsi, d'une part de déterminer avec précision la surface annulaire du bloc obturateur soumise à la pression amont entre les positions d'ouverture et de fermeture, et d'autre part d'améliorer l'écoulement laminaire du fluide au droit de la striction entre ce bloc obturateur et le siège, et donc de rendre les forces axiales exercées sur le cylindre plus indépendantes du débit du fluide. The bevelled shape of this front edge of the cylindrical piston thus makes it possible, on the one hand to precisely determine the annular surface of the shutter block subjected to the upstream pressure between the open and closed positions, and on the other hand to improve the laminar flow of the fluid in line with the necking between this obturator block and the seat, and therefore to make the axial forces exerted on the cylinder more independent of the flow of the fluid.

Le piston cylindrique creux peut être monté de façon à pouvoir coulisser de façon étanche le long de sa paroi externe dans le carter, la paroi interne du piston creux étant susceptible de coulisser de façon étanche le long d'un disque stationnaire coaxial au piston et solidaire du carter. The hollow cylindrical piston can be mounted so that it can slide in leaktight fashion along its external wall in the casing, the internal wall of the hollow piston being able to slide in leaktight fashion along a stationary disc coaxial with the piston and integral of the housing.

Le disque stationnaire permet ainsi d'isoler le fond du piston cylindrique obturateur de la pression amont et, de ce fait, d'affranchir le bloc obturateur des efforts axiaux induits par cette pression en lui procurant ainsi une souplesse de déplacement et une vitesse de réponse indépendantes de la valeur absolue de cette pression, même si cette dernière est élevée. Le piston obturateur n'est donc soumis qu'aux pressions différentielles exercées de part et d'autre de son fond, c'est-à-dire précisément des pressions de commande images des pressions de référence du fluide à réguler. Un tel régulateur permet ainsi une régulation d'écoulement à réponse rapide et avec un minimum de jeux d'établissement d'équilibre de pression avec des débits variant depuis 0 m/s jusqu'à plus de 6 m/s. The stationary disc thus makes it possible to isolate the bottom of the cylindrical piston shutter from the upstream pressure and, thereby, to free the shutter block from the axial forces induced by this pressure, thereby providing it with flexibility of movement and a response speed. independent of the absolute value of this pressure, even if the latter is high. The obturator piston is therefore only subjected to differential pressures exerted on either side of its bottom, that is to say precisely of the control pressures images of the reference pressures of the fluid to be regulated. Such a regulator thus allows flow regulation with rapid response and with a minimum of pressure balance establishment games with flow rates varying from 0 m / s to more than 6 m / s.

La présente invention sera mieux comprise au vu de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple, faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: The present invention will be better understood in the light of the following description of an embodiment, given by way of example, made in relation to the appended drawings, in which:

la figure 1 représente de façon schématique un régulateur à bloc obturateur cylindrique creaux selon la présente invention ; et la figure 2 représente, également de façon schématique mais FIG. 1 schematically represents a regulator with a cylindrical shutter block block according to the present invention; and Figure 2 shows, also schematically but

55 55

60 60

3 3

622 111 622,111

à une échelle agrandie, la zone de striction entre le siège et le bloc obturateur. on an enlarged scale, the necking area between the seat and the shutter block.

Le régulateur représenté de façon schématique sur la figure The regulator shown schematically in the figure

1, comprend de façon traditionnelle une canalisation d'amenée ou d'entrée 1 comportant des moyens de solidarisation à un élément de conduite ou de canalisation, par exemple une bride 1, conventionally comprises a supply or inlet pipe 1 comprising means for securing to a pipe or pipe element, for example a flange

2, et une canalisation de sortie 3, comportant également une bride 4 permettant sa solidarisation à un autre élément de canalisation. La canalisation d'amenée 1 débouche dans une première chambre 5, formée dans la partie inférieure 6 du carter, cette première chambre 5 étant en communication avec une deuxième chambre annulaire 7, par l'intermédiaire d'un col cylindrique 8 et d'une zone de striction définie entre un bloc obturateur à déplacement linéaire et un siège annulaire 10 disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe du col cylindrique 8 et présentant un diamètre interne supérieur au diamètre de ce col. 2, and an outlet pipe 3, also comprising a flange 4 allowing it to be fixed to another pipe element. The supply pipe 1 opens into a first chamber 5, formed in the lower part 6 of the casing, this first chamber 5 being in communication with a second annular chamber 7, via a cylindrical neck 8 and a necking zone defined between a shutter block with linear displacement and an annular seat 10 disposed in a plane perpendicular to the axis of the cylindrical neck 8 and having an internal diameter greater than the diameter of this neck.

Le bloc obturateur à déplacement linéaire se présente sous la forme d'un piston cylindrique creux formé par une paroi latérale cylindrique 11 et un fond plat 12, l'ensemble du bloc obturateur 9 étant concentrique au col 8 et susceptible de se déplacer le long de son axe de symétrie à l'intérieur du carter 6 en coulissant contre un joint annulaire glissant 13 monté dans le carter 6 et coopérant avec la face externe 14 de la paroi longitudinale 11 du bloc obturateur 9. Un disque stationnaire 15, solidaire du carter 6, par exemple par une tige 16, est positionné à l'intérieur du bloc obturateur 9, le diamètre extérieur du disque 15 étant légèrement inférieur au diamètre interne du piston cylindrique 9 formé par la face interne 17 de la paroi longitudinale 11, le piston cylindrique 9 étant également susceptible de coulisser de façon étanche par rapport au disque stationnaire 15 par l'intermédiaire d'un joint annulaire glissant 18 monté sur la périphérie du disque stationnaire 15. The linear displacement shutter block is in the form of a hollow cylindrical piston formed by a cylindrical side wall 11 and a flat bottom 12, the entire shutter block 9 being concentric with the neck 8 and capable of moving along its axis of symmetry inside the casing 6 by sliding against a sliding annular seal 13 mounted in the casing 6 and cooperating with the external face 14 of the longitudinal wall 11 of the obturator block 9. A stationary disc 15, integral with the casing 6 , for example by a rod 16, is positioned inside the obturator block 9, the external diameter of the disc 15 being slightly less than the internal diameter of the cylindrical piston 9 formed by the internal face 17 of the longitudinal wall 11, the cylindrical piston 9 also being capable of sliding in leaktight manner with respect to the stationary disc 15 by means of a sliding annular seal 18 mounted on the periphery of the stationary disc 15.

Outre la chambre de stabilisation, ou chambre haute pression 5, et la chambre annulaire 7, ou chambre de basse pression, le régulateur comprend une chambre supérieure, ou chambre de commande, 19 formée entre la paroi supérieure du fond 12 du piston cylindrique 9 et la partie supérieure du carter, et une chambre d'équilibrage 20 située entre la paroi interne du fond 12 du piston cylindrique 9 et la face supérieure du disque stationnaire 15. Besides the stabilization chamber, or high pressure chamber 5, and the annular chamber 7, or low pressure chamber, the regulator comprises an upper chamber, or control chamber, 19 formed between the upper wall of the bottom 12 of the cylindrical piston 9 and the upper part of the casing, and a balancing chamber 20 situated between the internal wall of the bottom 12 of the cylindrical piston 9 and the upper face of the stationary disc 15.

Le bord avant de la paroi longitudinale 11 du piston cylindrique 9 présente une face biseautée 21 formant un angle aigu avec une directrice de la face interne 17 du piston cylindrique 9 et raccordant cette face interne 17 à la face externe 14 en formant une arête annulaire 22 de même diamètre que le diamètre interne de la paroi longitudinale 11 du piston cylindrique 9. De cette façon, la zone de striction entre les parties haute pression et basse pression du régulateur est délimitée avec précision entre le plan de l'arête 22 et la plan de la face supérieure du siège annulaire 10. Cette configuration permet, d'une part d'améliorer l'écoulement laminaire du fluide au droit de cette striction, comme représenté par les flèches sur la figure 2, mais également d'éviter que la surface du piston cylindrique soumise à la pression amont ne varie substantiellement entre les positions d'ouverture et de fermeture du bloc obturateur, cette surface étant sensiblement limitée à l'arête 22 du cyclindre, la face biseautée 21 du piston cylindrique étant pratiquement intégralement soumise à la pression aval régnant dans la chambre annulaire 7 du fait de la détente laminaire opérée entre l'arête 22 et le joint 10. Le fond 12 du piston cylindrique 9 étant isolé de la haute pression régnant dans la chambre 5 par le ? disque stationnaire 15 et de la basse pression régnant dans la chambre annulaire 7 par le joint 13, le piston cylindrique 9 n'est soumis à aucune poussée axiale de la part de ces pressions, les efforts induits sur les parois longitudinales 11 du piston cylindrique 9 s'équilibrant du fait de la configuration de révolution de m ce piston et n'affectant pas ainsi ses capacités de déplacement le long de son axe de symétrie. The front edge of the longitudinal wall 11 of the cylindrical piston 9 has a bevelled face 21 forming an acute angle with a directrix of the internal face 17 of the cylindrical piston 9 and connecting this internal face 17 to the external face 14 by forming an annular edge 22 of the same diameter as the internal diameter of the longitudinal wall 11 of the cylindrical piston 9. In this way, the necking zone between the high pressure and low pressure parts of the regulator is precisely delimited between the plane of the edge 22 and the plane of the upper face of the annular seat 10. This configuration makes it possible, on the one hand, to improve the laminar flow of the fluid in line with this necking, as shown by the arrows in FIG. 2, but also to prevent the surface of the cylindrical piston subjected to the upstream pressure does not vary substantially between the open and closed positions of the obturator block, this surface being substantially limited to the edge 22 of the cylinder , the bevelled face 21 of the cylindrical piston being practically entirely subjected to the downstream pressure prevailing in the annular chamber 7 due to the laminar expansion operated between the edge 22 and the seal 10. The bottom 12 of the cylindrical piston 9 being isolated from the high pressure prevailing in chamber 5 by the? stationary disc 15 and the low pressure prevailing in the annular chamber 7 by the seal 13, the cylindrical piston 9 is not subjected to any axial thrust on the part of these pressures, the forces induced on the longitudinal walls 11 of the cylindrical piston 9 balancing due to the configuration of revolution of this piston m and thus not affecting its ability to move along its axis of symmetry.

La commande du déplacement du bloc obturateur 9 en fonction de paramètres du fluide en écoulement est effectué au moyen de la pression régnant dans la chambre de commande 19. i5 Cette chambre 19 comporte un orifice 23 susceptible d'être connecté, par une canalisation 24 (esquissée en pointillés), soit à une prise de pression située dans un endroit de la canalisation où l'on veut réguler la pression, par exemple la pression aval au niveau de la conduite 3, soit à toute autre source de pression 20 dépendant d'une pression caractéristique du fluide en écoulement à réguler. En supposant que la canalisation 24 est reliée à une prise de pression aval de l'installation, toute variation du débit dans l'installation entraînera une variation de cette pression aval, cette variation se traduisant à son tour par un déplacées ment du bloc obturateur 9 modifiant la section de striction du régulateur de façon à contrebalancer la variation de cette pression aval. Pour assister les déplacements du bloc obturateur 9 celui-ci est avantageusement sollicité en permanence par un moyen de poussée mécanique, constitué, par exemple par un 3o ressort 25 l'effort réglable résultant étant transmis par l'intermédiaire d'une tige 26 fixée au fond 12, cette tige traversant la paroi supérieure de la chambre 19 à travers un joint d'étan-chéité 27. En place et lieu du ressort 25, un contre-poids peut également permettre d'équilibrer la poussée exercée sur le bloc 35 obturateur 9 par le fluide sous pression se trouvant dans la chambre de commande 19. Pour parfaire cet équilibrage, la chambre d'équilibrage 20 est reliée, par l'intermédiaire d'un orifice 28 et d'une canalisation 29, soit à l'air libre, soit à une source de gaz sous-pression selon l'importance de la pression de •io commande régnant dans la chambre de commande 19. The movement of the shutter block 9 as a function of the parameters of the flowing fluid is controlled by means of the pressure prevailing in the control chamber 19. i5 This chamber 19 includes an orifice 23 capable of being connected, by a pipe 24 ( sketched in dotted lines), either at a pressure tap located in a place in the pipe where the pressure is to be regulated, for example the downstream pressure at the level of line 3, or at any other pressure source 20 depending on a pressure characteristic of the flowing fluid to be regulated. Assuming that the pipe 24 is connected to a pressure tap downstream of the installation, any variation in the flow rate in the installation will cause a variation in this downstream pressure, this variation in turn being translated by a displacement of the shutter block 9 modifying the neck section of the regulator so as to counterbalance the variation of this downstream pressure. To assist the movements of the shutter block 9, it is advantageously permanently requested by a mechanical pushing means, constituted, for example by a 3o spring 25, the resulting adjustable force being transmitted by means of a rod 26 fixed to the bottom 12, this rod passing through the upper wall of the chamber 19 through a gasket-seal 27. In place and place of the spring 25, a counterweight may also make it possible to balance the thrust exerted on the block 35 shutter 9 by the pressurized fluid located in the control chamber 19. To perfect this balancing, the balancing chamber 20 is connected, by means of an orifice 28 and a pipe 29, either to the air free, either to a source of pressurized gas depending on the importance of the control pressure prevailing in the control chamber 19.

En variante, pour faire fonctionner le régulateur comme stabilisateur de débit, il est possible de raccorder les canalisations 24 et 29 des chambres 19 et 20, aux prises de pression d'un organe déprimogène, constitué par exemple d'un élément ven-45 turi ou d'un diaphragme, disposé dans une canalisation de l'installation à commander de façon à asservir le déplacement du bloc obturateur 9 aux variations de pression induites par les variations de la vitesse d'écoulement. Alternatively, to operate the regulator as a flow stabilizer, it is possible to connect the pipes 24 and 29 of the chambers 19 and 20, to the pressure taps of a pressure-reducing member, for example consisting of a ven-45 turi element or a diaphragm, disposed in a pipe of the installation to be controlled so as to control the movement of the shutter block 9 to the pressure variations induced by the variations in the flow speed.

50 Pour éviter que les grandes vitesses d'écoulement du fluide au droit de la striction, notamment en raison de leur caractéristique laminaire, n'induisent, du fait de la cavitation, une usure anormale des sièges 10, celui-ci est disposé dans son logement 30 de telle sorte que la face supérieure 31 du siège soit située 55 dans un plan sensiblement en retrait par rapport au plan 32 de la structure de carter dans lequel est ménagé le logement 30, la zone de striction étant en fait délimitée entre ce plan 32 et l'arête 22 du bloc d'obturateur 9. 50 To prevent the high flow velocities of the fluid in line with necking, in particular due to their laminar characteristic, from inducing, due to cavitation, abnormal wear of the seats 10, the latter is arranged in its housing 30 so that the upper face 31 of the seat is located 55 in a plane substantially recessed with respect to the plane 32 of the casing structure in which the housing 30 is formed, the necking zone being in fact delimited between this plane 32 and the edge 22 of the shutter block 9.

C VS

1 feuille dessins 1 sheet of drawings

Claims (9)

622 111622,111 1. Régulateur d'écoulement de fluide comportant une tuyauterie d'amenée, une tuyauterie de sortie, des moyens de raccordement de tuyauteries à des canalisations, un carter, un bloc obturateur mobile dans le carter et susceptible de coopérer 5 avec un siège disposé dans le carter pour établir de façon sélective une communication entre la tuyauterie d'amenée et la tuyauterie de sortie, ce bloc obturateur étant sollicité par une pression de pilotage, caractérisé en ce que le bloc obturateur est constitué d'un piston cylindrique creux comportant une face in formant fond susceptible de se déplacer suivant son axe de symétrie pour coopérer par la face avant du bord annulaire opposée au fond avec un siège annulaire disposé suivant un plan sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement du bloc obturateur. 15 1. Fluid flow regulator comprising a supply pipe, an outlet pipe, means for connecting pipes to pipes, a casing, a shutter block movable in the casing and capable of cooperating with a seat arranged in the casing to selectively establish communication between the supply piping and the output piping, this obturator block being urged by a pilot pressure, characterized in that the obturator block consists of a hollow cylindrical piston having a face in forming a bottom capable of moving along its axis of symmetry to cooperate through the front face of the annular edge opposite the bottom with an annular seat arranged in a plane substantially perpendicular to the direction of movement of the shutter block. 15 2. Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston cylindrique creux est monté de façon à pouvoir coulisser le long de sa paroi externe cylindrique dans le carter, et le long de sa paroi interne de façon étanche contre un disque stationnaire solidaire du carter. 20 2. Regulator according to claim 1, characterized in that the hollow cylindrical piston is mounted so as to be able to slide along its cylindrical external wall in the casing, and along its internal wall in leaktight manner against a stationary disc integral with the casing. 20 2 2 REVENDICATIONS 3. Régulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face externe du fond du piston cylindrique creux est soumise à une pression fonction d'une pression caractéristique du fluide en écoulement à réguler. 3. Regulator according to claim 2, characterized in that the external face of the bottom of the hollow cylindrical piston is subjected to a pressure which is a function of a pressure characteristic of the flowing fluid to be regulated. 4. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- 25 risé en ce que la face avant du bord annulaire du piston cylindrique creux est biseautée. 4. Regulator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the front face of the annular edge of the hollow cylindrical piston is bevelled. 5. Régulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le siège annulaire est disposé dans un logement du carter de façon que la face du siège coopérant avec l'arête de la face 30 biseautée du piston cylindrique creux soit en retrait par rapport au plan défini par les bords de ce logement. 5. Regulator according to claim 4, characterized in that the annular seat is disposed in a housing of the casing so that the face of the seat cooperating with the edge of the bevelled face of the hollow cylindrical piston is recessed relative to the plane defined by the edges of this housing. 6. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le piston cylindrique creux est soumis à l'action d'un moyen de rappel tendant à s'opposer à la force de la 35 pression à réguler. 6. Regulator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the hollow cylindrical piston is subjected to the action of a return means tending to oppose the force of the pressure to be regulated. 7. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la chambre formée entre la face interne du fond du piston creux et le disque stationnaire est reliée à une source de pression. 40 7. Regulator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the chamber formed between the internal face of the bottom of the hollow piston and the stationary disc is connected to a pressure source. 40 8. Régulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la face interne du fond du piston creux est soumise à une pression fonction du débit du fluide en écoulement à réguler. 8. Regulator according to claim 7, characterized in that the internal face of the bottom of the hollow piston is subjected to a pressure depending on the flow rate of the fluid in flow to be regulated. 9. Régulateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les faces du fond du piston creux sont soumises à des pressions 45 différentielles fonction du débit du fluide à réguler. 9. Regulator according to claim 8, characterized in that the faces of the bottom of the hollow piston are subjected to differential pressures 45 depending on the flow rate of the fluid to be regulated.