4. Motoriser la vanne 4.1. Rôle de l'actionneur L'actionneur a une double fonction :

– comme tout actionneur, il convertir une énergie d'apport en énergie mécanique ;– de plus il doit transformer le signal de commande Y, provenant du régulateur, en une

position h correspondante de la tige de clapet (action sur l'obturateur).Idéalement, le lien entre h et Y sera linéaire : h = A . Y + B

Cet actionneur de vanne s'appelle un « servomoteur ».

4.2. Les énergies d'apport énergie électrique : malgré son omniprésence elle est peu utilisée du fait de la lenteur et du

coût des actionneurs électriques et aussi à cause des risques inhérents à cette énergie dans l'industrie (incendie, électrocution, explosion, ...) ;

énergie hydraulique : permet de développer des forces importantes mais sa mise en place est coûteuse ;

énergie électro-hydraulique : combinaison des précédentes ... énergie pneumatique : c'est la plus utilisée pour des raisons de sécurité et historiques

ainsi que pour des raisons de simplicité de mise en oeuvre et de réalisation des actionneurs.On rencontre des servomoteurs pneumatiques à membrane ou a piston, simple ou double effet pour obturateurs linéaires ou rotatifs.

4.3. Servomoteur pneumatique Le servomoteur pneumatique le plus courant est à membrane simple effet. Il peut être :– à action directe : la tige sort

du servomoteur lorsque le signal augmente ;

– à action indirecte : la tige rentre dans le servomoteur lorsque le signal augmente ;

Exemple de servomoteurs Masoneilan direct et indirect

– équipé d'une commande manuelle – réversible : l'assemblage du servomoteur détermine l'action (il permet les deux actions).

Exemple de servomoteur Samson réversible

Une pression de commande pc (type 0,2 – 1 bar) proportionnelle au signal Y (0 – 100%) est envoyé par le raccord de pression de commande dans le servomoteur. Elle agit sur une membrane épaisse en caoutchouc synthétique (nitrile NBR, éthylène propylène EPDM) renforcée ou non d'une toile (nylon par exemple). Cette poussée sur la membrane de section Sm développe une force motrice Fm.

Fm = pc . Sm

Cette force motrice déplace ou maintient en position la tige et donc le clapet de vanne.

4.4. Vaincre les résistances passives La force motrice Fm parviendra à positionner la tige si elle vainc et équilibre toutes les forces antagonistes s'exerçant sur la tige : la réaction du(des) ressort(s) Fr, les forces de frottement Ffr, la force du fluide Ffl, la force de fermeture assurant l'étanchéité désirée Fé.– La linéarité entre déplacement h

de la tige et valeur du signal pc est obtenue grâce à un (ou plusieurs) ressort(s) d'opposition.Ce déplacement h est égal à l'écrasement du (ou des) ressort(s) de compression de raideur Kr précontraint(s) de la valeur h0 :Fr = Kr . (h+h0)

– Le frottement Ffr se rencontre surtout entre la tige et le presse étoupe.Il s'oppose toujours au déplacement : dt diamètre de la tige en mm

valeur de f = 4 si joint en PTFE30 si joint en graphite

Remarque : c'est une force à minimiser (graissage, ...) pour un bon fonctionnement.– La force du fluide Ffl est due à la différence de pression Δp sur les faces du clapet. On se place

dans le cas le plus défavorable pour estimer Ffl c'est à dire à Δpmax lorsque l'obturateur est fermé:St section de la tige

Ffl = Δpmax . Ss – pt . St pt pression coté tigeSt section du siègeΔpmax = p1 max – patm

Remarques : Δp = 0 si le clapet est équilibré ;Ffl est orientée suivant le sens d'écoulement du fluide ; Ffl varie généralement avec l'ouverture.

L 0

h 0h

Ffr = f . dt

Exemples de variation de Ffl % en fonction de l'ouvertureObturateurs à clapet tourné

Obturateurs papillon

– Pour assurer l’étanchéité il faut que la tige pousse le clapet contre le siège avec une certaine force Fé. Lorsque cela est nécessaire, on peut tenir compte de cette force. Elle est fonction de la classe d'étanchéité.

Finalement :

Fm = Fr ± Ffr ± Ffl (± Fé) soit pc . Sm = Kr . (h+h0) ± Ffr ± (Δpmax . Ss – pt . St) (± Fé) (a)

4.5. Choix de l'actionneur Pour faire un pré-choix d'actionneur, les constructeurs fournissent des tableaux de pression différentielle admissible Δpmax tenant compte de la commande (soit pc), de la taille des servomoteur, tige et siège (Sm, St, St), du ressort (Kr), de la précontrainte (h0), de la course (h).Finaliser ensuite le choix avec le constructeur.

4.6. Réglages du servomoteur

De la relation (a) on tire : h=Sm

Kr⋅pc−h0

1Kr

⋅± F fl± F fr

introduit de l'hystérésisvarie avec la Δp donc la position hpermet de régler le « zéro »

donne la pente de la quasi-caractéristique

Le servomoteur (et donc la vanne) ne comporte que deux réglages :✔ la compression initiale du ressort h0 donne Fr0 permettant le démarrage du clapet à Fm0 ;

Remarque : Une précontrainte n'est possible que sur les servomoteurs indirects.✔ la longueur de la tige H pour obtenir la fermeture à 1 bar.

Problèmes rencontrés dans le cas 1 :Si Ffl0 > Fm0, alors réglage « zéro » impossibleIl faut augmenter Fm :

– choisir un actionneur plus grand– augmenter pc

Si Ffl100 > Fm100 (1 bar), alors il faut augmenter Fm :– choisir un actionneur plus grand– augmenter pc (0,4-2 bar ; 0,6-3 bar)

Cependant le risque est de rendre ΔFr importante, la course correspondante H peut dépasser le déplacement maximal réglable.

Problèmes rencontrés dans le cas 2 :ΔFr devient rapidement important, donc H aussi.

Fm

Ffl

Fr

Fm

Fr

Ffl

0,2

1 p c (

bar)

F (%

)

ouvert fermé pos. (%)

h

F m

Fr

Ffl

Fr

Fm

h 0

0

H

ouvert fermé pos. (%)

F m

Fr

Fm

Ffl

Fr

0,2

1 p c (

bar)

F (%

)

h

H

0

h 0

F m

Fr

Ffl0

Fm0

0,2

1 p c (

bar)

F (%

)

h

0

H

Ressort en traction

5. Caractéristiques intrinsèques de la vanne 5.1. Capacité du robinet zoom sur la section de passage Sp

Le robinet de la vanne se comporte comme une restriction (organe déprimogène) dont la section de passage Sp est variable. C'est un générateur de pertes de charges, normalement maîtrisées.

J 1−2=⋅U 2

2 avec ξ coefficient de perte de charge singulière.

L'expression du débit qv traversant la vanne devient similaire à celle d'un OD :

p1−2

=⋅

q v2

2⋅S p2 ==> qv= 2

⋅S p⋅ p1−2

==> qv=k⋅S p⋅ p1−2

Interviennent :– la section de passage Sp ;– la perte de charge Δp = p1 – p2 ;– la masse volumique ρ du fluide ;– un coefficient k dépendant du profil interne de la vanne, du type

d'écoulement et du système d'unité choisi ; il est considéré constant.

La capacité du corps de vanne est le débit maximum qv max qu'il laisse passer à pleine ouverture Sp max.

Problème : cette capacité dépend de plusieurs paramètres (k, Δp, ρ vus ci-dessus) et ne permet pas une comparaison immédiate entre deux corps de vanne.

5.2. Coefficient de débit Pour comparer des vannes différentes et effectuer un choix cohérent parmi celles-ci, on introduit un coefficient de débit C utilisé pour énoncer la capacité d'une vanne dans des conditions spécifiées Δ p 0, ρ 0 et pour une ouverture donnée, généralement l'ouverture maximale.

– à toutes conditions : qv=k⋅S p⋅ p

– aux conditions spécifiées C=qv0=k⋅S p⋅ p0

0

– d'oùpour une vanne donnée k⋅S p=qv⋅ p

=C⋅ 0

p0

soit C=qv⋅ 0⋅ p0

pavec ρ / ρ0 = d densité du fluide

qv=k⋅S p⋅ p

qv max=k⋅S p max⋅ p

• Kv Coefficient de débit utilisant le Système International d'unité

le coefficient Kv est le nombre de mètres cubes d'eau à la température comprise entre 5 et 40°C traversant en une heure une restriction sous une chute de pression de un bar.

• Cv Coefficient de débit d'origine défini en 1944 par un constructeur de vanne américain

le coefficient Cv est le nombre de gallons U.S. (3,785 l) d'eau (de 40 à 100°F) traversant en une minute une restriction sous une chute de pression de 1 psi (6895 Pa).

• En Europe, nous travaillons dans le SI mais les constructeurs donnent souvent le Cv, d'où l'intérêt d'exprimer le Cv à partir des unités métriques :

On parle de coefficient de débit nominal Cv100 (appelé parfois Kvs) lorsque la vanne est 100 % ouverte à H100. A la fermeture complète H0, les vannes de réglage ont généralement un débit de fuite Cv0 ≠ 0 (leur rôle n'est pas d'isoler une conduite).

5.3. Lois intrinsèques de variation du débit en fonction de la course du clapet Du simple fait de la forme de l'obturateur (siège + clapet) de la vanne, la section de passage Sp peut être différente pour une même position de la tige de clapet. Ainsi il est possible de donner des lois différentes de variation de débit en fonction de la course du clapet.

Caractéristiques intrinsèques de débit dans des vannes classiques -->

Attention, ces caractéristiques sont établies dans les conditions d'essais spécifiées précédemment pour le coefficient de débit Cv, soit Δp0 et ρ0 constants sur toute la caractéristique.

Les trois lois les plus usités sont :• Ouverture rapide (ou ToR) : le débit augmente fortement pour une faible ouverture de vanne.• Linéaire : course et débit sont proportionnels.• Égal pourcentage (= %) : le débit suit une loi exponentielle de la course. Pour une même

variation de la course, la variation du débit est, en tout point de la courbe, le même pourcentage du débit précédent.

5.4. Rangeabilité intrinsèque A faible ouverture, la caractéristique théorique de la vanne est difficilement maîtrisable à cause des jeux, des vibrations, de la finesse du profil de l'obturateur. La plage de réglage intrinsèque est le rapport des Cv maximum et minimum contrôlables : ri=

Cv maximumCv minimum

Cette rangeabilité est de :– environ 30:1 pour des vannes droites classiques à caractéristique linéaire ;– environ 50:1 pour des vannes droites classiques à caractéristique = % ;– au moins 100:1 pour les vannes rotatives et ce jusqu'à plusieurs centaines.

Kv=qv m3/h⋅d⋅ 1

pb ar

Cv=qv gpmUS ⋅d⋅ 1 p psi

Cv=1,16⋅qv⋅ d p