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Soupape type "Adams" - Principe, calculs & schéma
Lun 2 Juil - 10:39
Tout est parti d’une demande de KBIO de lui faire un dessin propre de sa soupape d’Adams… Et ce qui était simple au départ est vite devenu assez complexe, le fonctionnement de ce type de soupape étant beaucoup plus compliqué que « Je me lève, ça fuit.. Je me baisse ça ferme... » quand il s’agit de tout dimensionner correctement. J’ai trouvé un excellent site avec beaucoup de détails sur les soupapes de sécurité (en anglais…) et dont je me suis largement inspiré :
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• Principe de fonctionnement :
Le principe est simple, une soupape avec un joint torique, maintenue fermée par la force d’un ressort s’opposant à la force exercée par la vapeur sur la surface de la soupape. Dans la réalité c’est un peu plus compliqué. Les différentes étapes d’ouverture et fermeture sont résumées sur le schéma ci-dessous. A bien rappeler que, pour être efficace, un joint torique doit impérativement être monté dans une gorge.
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Les calculs sont aisés, les seules formules utilisées étant :
. La relation liant force, surface et pression : F= PxS.
. La relation définissant la poussée d’un ressort de compression : F= ΔLxRaideur
- Vanne fermée : Le joint est comprimé. La surface exposée à la vapeur aura un diamètre noté Dv, diamètre supérieur au petit diamètre de la gorge contenant le joint, mais inférieur au diamètre nominal du joint (Dn). Point important. Dans cet état, la force exercée par la vapeur, Fv, est inférieure à la poussée de tarage du ressort Fr.
Fv= π x S(Dv)
- La pression augmentant, la soupape se soulève un poil et on arrive au point d’ouverture ou le joint n’est plus comprimé. La surface d’action de la vapeur a aussi augmenté (Dn >Dv). La force Fv augmente donc assez vite sous la double influence de l’augmentation de la pression et de la surface d’action . L’augmentation de pression par rapport à la pression de référence souhaitée pour arriver à ce point d’équilibre dépend de la raideur du ressort, puisqu’à tout moment Fressort = Fv. Bien sûr, à ce point, Fressort > Fr. Plus la raideur sera élevée et plus importante sera l’élévation de pression déclenchant l’ouverture.
- La pression augmente encore un chouïa. Le joint décolle et brutalement la surface exposée à la pression vapeur passe de Dn à Dm, surface totale de la soupape. On atteint l’état d’ouverture maximale, ouverture dépendant, de nouveau, de la raideur du ressort. Là les calculs seraient compliqués, la pression sur la surface totale de la bride n’étant pas uniforme. Il faudrait combiner pression, détente, laminage, etc… Mais le volume de vapeur dans la chaudière étant grand par rapport à la surface de fuite, on imagine bien que cet état va subsister un certain temps et la pression continuer à augmenter un peu.
- La pression finalement diminuant, la force Fv exercée par la vapeur va baisser et la soupape se fermer. Mais comme la surface exposée, état ouverte, était la surface totale de la soupape et pas seulement celle correspondant à Dv, la pression de fermeture sera inférieure à la pression de référence.
Nous obtenons donc un espèce de cycle autour de la pression de référence. Il est bien sûr souhaitable que la surpression à l’ouverture et la dépression à la fermeture ne soient pas trop importantes. La littérature donne 10% comme valeur acceptable.
Ce sont tous ces facteurs qu’il faudra intégrer de façon plus ou moins empirique lors du dessin de la soupape. Le choix du ressort en est un important : L’exposé précédent montre que pour minimiser l’amplitude du cycle il doit avoir une raideur "faible". Mais plus la raideur est faible et plus long doit être le ressort pour obtenir notre force de référence Fr. Et donc plus encombrant sera l’ ensemble…
• Calcul de la soupape :
Le but est d’obtenir une soupape avec un tarage possible de 2 à 4 bars.
Il faut bien démarrer avec quelques données basées purement sur l’encombrement final que l’on souhaite atteindre. J’ ai choisi:
- Diamètre total de la soupape : 12mm
- Diamètre nominal du joint : 8mm
- Diamètre du tore du joint : 1,5mm
- Diamètre de la tige de commande : 3mm
- Hauteur de la soupape : Environ 25mm
Les dimensions recommandées de la gorge pour cette dimension de joint sont : 2,2mm de large et 1,13mm de profondeur. Pour tenir compte de l’effort assez faible de compression je les ai « intuitivement » réduites à 2mm de largeur et 1mm de profondeur.
Ce qui nous donne un diamètre de 6mm pour le bord intérieur de la gorge. A « l’œil » en dessinant le joint dans son logement, j’évalue le diamètre Dv sur lequel jouera la pression soupape fermée à 7mm.
- Premiers calculs : La force de tarage
Pour simplifier, j’approxime 1kgf=10N et 1bar= 1kgf/cm2.
La force de tarage du ressort pour tenir la soupape fermée correspond à la force exercée par la vapeur agissant sur le diamètre Dv de 7mm (A ce stade, je fais l'impasse sur l'effort supplémentaire pour comprimer le joint):
A 2 bars : 0,8kgs
A 3 bars : 1,2kgs
A 4 bars : 1,6kgs
Avec ces valeurs, on cherche un ressort pouvant « coller », en se souvenant que les raideurs faibles sont à privilégier. J’ai cherché chez mon fournisseur préféré de ressorts :
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Le Cl0580-080-145 paraît pas mal avec les caractéristiques suivantes :
- Inox
- Ø fil 0,8mm, Øint 3,8mm
- Charge maxi : 2,2kgs
- Longueur libre : 14,5mm. Longueur à pleine charge 9,4mm.
- Raideur : 0,424kg/mm
La charge maxi est nettement supérieure à la charge théorique max recherchée de 1,6kgs ce qui donne la marge nécessaire pour la compression du joint, effort supplémentaire dont je n’ai pas tenu compte dans les calculs…
La longueur du ressort sera donc de :
A 2 bars : L= 12,6mm
A 3 bars : L= 11,7mm
A 4 bars : L= 10,7mm
Donc une course de réglage totale du repos à 4bars d’environ 4mm. Prévoir 2 ou 3mm de plus pour tenir compte des incertitudes du calcul.
Pour le moment tout paraît bon…
- Derniers calculs : Ouverture et raideur du ressort.
A l’ouverture, le diamètre actif passe à 8mm. La force exercée par la vapeur et la compression supplémentaire du ressort deviennent :
A 2 bars : 1kg & 0,5mm
A 3bars : 1,5kgs & 0,7mm
A 4 bars : 2kgs & 0,9mm
Le déplacement de la soupape est donc égal ou supérieur à la compression théorique maximum du joint (Diamètre nominal joint – Profondeur gorge = 0,5mm).
Tout paraît consistant, il n’y a plus qu’à dessiner la soupape...
• Dessin de la soupape :
Rien de bien nouveau, de multiples dessins de ce type de soupape existent sur le Net… Quelques détails importants tout de même :
- Le joint doit être dans une gorge (oui, je sais, je me répète mais j’ai vu beaucoup d’exemples sans, ce qui est une hérésie mécanique :carj: …).
- Le niveau de finition de la surface d’appui du joint et des parois de la gorge est fondamental pour obtenir une bonne étanchéité (surtout avec une compression faible), point également souvent négligé. Les specs parlent en microns de rugosité ! Ne pas hésiter à soigner l’état de surface et même à passer un petit coup de pâte à polir.
- Les longueurs de guidage haute & basse doivent être suffisantes pour éliminer tout risque de coincement par arc-boutement. L’ ajustement de la tige dans l’alésage doit être juste libre sans excès (disons h9E8 par exemple pour les spécialistes !!).
- Plutôt que de faire le tarage en déplaçant la platine supérieure par un jeu d’écrous/contre-écrous directement sur les tiges de liaisons, platine qu’il faut garder au mieux horizontale, j’ai préféré placer une noix de réglage dans la platine supérieure. Les deux platines sont donc montées fixes. Le tarage se fait en vissant/dévissant la noix centrale. Un pas fin (optionnel) aidera à la précision. La tige de la soupape est munie d’une fente permettant éventuellement de la bloquer durant le réglage (risque d’endommager le joint torique par rotation). Une modif simple à usiner et améliorant considérablement le confort et la précision durant le réglage.
- Il y a peu ou pas de vibrations. Un simple bon serrage devrait suffire pour les tiges latérales d’assemblage. Les plus anxieux peuvent braser la partie basse et mettre un Nylstop en partie haute…
- Il faut assurer un libre passage de la vapeur sur la queue de la soupape. 4 canelures (environ 1x0,5mm) sont prévues à cet effet. A faire selon l’outillage dont vous disposez.
- Enfin, se pose la question du type de joint torique, matériau et dureté. Un nitrile classique (limité à 110°C en continu) serait sans doute Ok pour utilisation à 2bars. Trop juste pour 3 ou 4 bars. Dans ce cas préférer silicone ou Viton. Pour la dureté, un joint « tendre » est recommandé lorsque la force de compression est faible (ce qui est notre cas). Le joint travail en statique, donc pas de risques d’usure rapide ou d’extrusion. Les 20 ou 30 shore dont j’avais parlé dans un post précédent sont sans doute trop faibles et pas faciles à trouver. Entre 50 &70 ça devrait aller.
Tout ça donne ce dessin :
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Je mets en attachement la version PDF échelle 3, format A3. Et pour ceux qui le souhaitent, je peux envoyer sur demande le fichier Autocad (.DW) correspondant.
Ouf !! Voilà, voilà… Une modélisation avant de tester sur un proto...
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Marcel.
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• Principe de fonctionnement :
Le principe est simple, une soupape avec un joint torique, maintenue fermée par la force d’un ressort s’opposant à la force exercée par la vapeur sur la surface de la soupape. Dans la réalité c’est un peu plus compliqué. Les différentes étapes d’ouverture et fermeture sont résumées sur le schéma ci-dessous. A bien rappeler que, pour être efficace, un joint torique doit impérativement être monté dans une gorge.
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Les calculs sont aisés, les seules formules utilisées étant :
. La relation liant force, surface et pression : F= PxS.
. La relation définissant la poussée d’un ressort de compression : F= ΔLxRaideur
- Vanne fermée : Le joint est comprimé. La surface exposée à la vapeur aura un diamètre noté Dv, diamètre supérieur au petit diamètre de la gorge contenant le joint, mais inférieur au diamètre nominal du joint (Dn). Point important. Dans cet état, la force exercée par la vapeur, Fv, est inférieure à la poussée de tarage du ressort Fr.
Fv= π x S(Dv)
- La pression augmentant, la soupape se soulève un poil et on arrive au point d’ouverture ou le joint n’est plus comprimé. La surface d’action de la vapeur a aussi augmenté (Dn >Dv). La force Fv augmente donc assez vite sous la double influence de l’augmentation de la pression et de la surface d’action . L’augmentation de pression par rapport à la pression de référence souhaitée pour arriver à ce point d’équilibre dépend de la raideur du ressort, puisqu’à tout moment Fressort = Fv. Bien sûr, à ce point, Fressort > Fr. Plus la raideur sera élevée et plus importante sera l’élévation de pression déclenchant l’ouverture.
- La pression augmente encore un chouïa. Le joint décolle et brutalement la surface exposée à la pression vapeur passe de Dn à Dm, surface totale de la soupape. On atteint l’état d’ouverture maximale, ouverture dépendant, de nouveau, de la raideur du ressort. Là les calculs seraient compliqués, la pression sur la surface totale de la bride n’étant pas uniforme. Il faudrait combiner pression, détente, laminage, etc… Mais le volume de vapeur dans la chaudière étant grand par rapport à la surface de fuite, on imagine bien que cet état va subsister un certain temps et la pression continuer à augmenter un peu.
- La pression finalement diminuant, la force Fv exercée par la vapeur va baisser et la soupape se fermer. Mais comme la surface exposée, état ouverte, était la surface totale de la soupape et pas seulement celle correspondant à Dv, la pression de fermeture sera inférieure à la pression de référence.
Nous obtenons donc un espèce de cycle autour de la pression de référence. Il est bien sûr souhaitable que la surpression à l’ouverture et la dépression à la fermeture ne soient pas trop importantes. La littérature donne 10% comme valeur acceptable.
Ce sont tous ces facteurs qu’il faudra intégrer de façon plus ou moins empirique lors du dessin de la soupape. Le choix du ressort en est un important : L’exposé précédent montre que pour minimiser l’amplitude du cycle il doit avoir une raideur "faible". Mais plus la raideur est faible et plus long doit être le ressort pour obtenir notre force de référence Fr. Et donc plus encombrant sera l’ ensemble…
• Calcul de la soupape :
Le but est d’obtenir une soupape avec un tarage possible de 2 à 4 bars.
Il faut bien démarrer avec quelques données basées purement sur l’encombrement final que l’on souhaite atteindre. J’ ai choisi:
- Diamètre total de la soupape : 12mm
- Diamètre nominal du joint : 8mm
- Diamètre du tore du joint : 1,5mm
- Diamètre de la tige de commande : 3mm
- Hauteur de la soupape : Environ 25mm
Les dimensions recommandées de la gorge pour cette dimension de joint sont : 2,2mm de large et 1,13mm de profondeur. Pour tenir compte de l’effort assez faible de compression je les ai « intuitivement » réduites à 2mm de largeur et 1mm de profondeur.
Ce qui nous donne un diamètre de 6mm pour le bord intérieur de la gorge. A « l’œil » en dessinant le joint dans son logement, j’évalue le diamètre Dv sur lequel jouera la pression soupape fermée à 7mm.
- Premiers calculs : La force de tarage
Pour simplifier, j’approxime 1kgf=10N et 1bar= 1kgf/cm2.
La force de tarage du ressort pour tenir la soupape fermée correspond à la force exercée par la vapeur agissant sur le diamètre Dv de 7mm (A ce stade, je fais l'impasse sur l'effort supplémentaire pour comprimer le joint):
A 2 bars : 0,8kgs
A 3 bars : 1,2kgs
A 4 bars : 1,6kgs
Avec ces valeurs, on cherche un ressort pouvant « coller », en se souvenant que les raideurs faibles sont à privilégier. J’ai cherché chez mon fournisseur préféré de ressorts :
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Le Cl0580-080-145 paraît pas mal avec les caractéristiques suivantes :
- Inox
- Ø fil 0,8mm, Øint 3,8mm
- Charge maxi : 2,2kgs
- Longueur libre : 14,5mm. Longueur à pleine charge 9,4mm.
- Raideur : 0,424kg/mm
La charge maxi est nettement supérieure à la charge théorique max recherchée de 1,6kgs ce qui donne la marge nécessaire pour la compression du joint, effort supplémentaire dont je n’ai pas tenu compte dans les calculs…
La longueur du ressort sera donc de :
A 2 bars : L= 12,6mm
A 3 bars : L= 11,7mm
A 4 bars : L= 10,7mm
Donc une course de réglage totale du repos à 4bars d’environ 4mm. Prévoir 2 ou 3mm de plus pour tenir compte des incertitudes du calcul.
Pour le moment tout paraît bon…
- Derniers calculs : Ouverture et raideur du ressort.
A l’ouverture, le diamètre actif passe à 8mm. La force exercée par la vapeur et la compression supplémentaire du ressort deviennent :
A 2 bars : 1kg & 0,5mm
A 3bars : 1,5kgs & 0,7mm
A 4 bars : 2kgs & 0,9mm
Le déplacement de la soupape est donc égal ou supérieur à la compression théorique maximum du joint (Diamètre nominal joint – Profondeur gorge = 0,5mm).
Tout paraît consistant, il n’y a plus qu’à dessiner la soupape...
• Dessin de la soupape :
Rien de bien nouveau, de multiples dessins de ce type de soupape existent sur le Net… Quelques détails importants tout de même :
- Le joint doit être dans une gorge (oui, je sais, je me répète mais j’ai vu beaucoup d’exemples sans, ce qui est une hérésie mécanique :carj: …).
- Le niveau de finition de la surface d’appui du joint et des parois de la gorge est fondamental pour obtenir une bonne étanchéité (surtout avec une compression faible), point également souvent négligé. Les specs parlent en microns de rugosité ! Ne pas hésiter à soigner l’état de surface et même à passer un petit coup de pâte à polir.
- Les longueurs de guidage haute & basse doivent être suffisantes pour éliminer tout risque de coincement par arc-boutement. L’ ajustement de la tige dans l’alésage doit être juste libre sans excès (disons h9E8 par exemple pour les spécialistes !!).
- Plutôt que de faire le tarage en déplaçant la platine supérieure par un jeu d’écrous/contre-écrous directement sur les tiges de liaisons, platine qu’il faut garder au mieux horizontale, j’ai préféré placer une noix de réglage dans la platine supérieure. Les deux platines sont donc montées fixes. Le tarage se fait en vissant/dévissant la noix centrale. Un pas fin (optionnel) aidera à la précision. La tige de la soupape est munie d’une fente permettant éventuellement de la bloquer durant le réglage (risque d’endommager le joint torique par rotation). Une modif simple à usiner et améliorant considérablement le confort et la précision durant le réglage.
- Il y a peu ou pas de vibrations. Un simple bon serrage devrait suffire pour les tiges latérales d’assemblage. Les plus anxieux peuvent braser la partie basse et mettre un Nylstop en partie haute…
- Il faut assurer un libre passage de la vapeur sur la queue de la soupape. 4 canelures (environ 1x0,5mm) sont prévues à cet effet. A faire selon l’outillage dont vous disposez.
- Enfin, se pose la question du type de joint torique, matériau et dureté. Un nitrile classique (limité à 110°C en continu) serait sans doute Ok pour utilisation à 2bars. Trop juste pour 3 ou 4 bars. Dans ce cas préférer silicone ou Viton. Pour la dureté, un joint « tendre » est recommandé lorsque la force de compression est faible (ce qui est notre cas). Le joint travail en statique, donc pas de risques d’usure rapide ou d’extrusion. Les 20 ou 30 shore dont j’avais parlé dans un post précédent sont sans doute trop faibles et pas faciles à trouver. Entre 50 &70 ça devrait aller.
Tout ça donne ce dessin :
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