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La présente invention est relative à un système perfectionné de distribution d'un fluide liquide et plus particulièrement à un tel système spécialement adapté pour être utilisé avec une pompe à liquide qui doit fonc- tionner continuellement avec une pression de décharge appréciable quelles que soient les demandes de fluide.
Dans certaines applications telles que, par exemple, les groupes à comburant liquide, il est parfois nécessaire qu'un liquide soit délivré à une vitesse réglable prédéterminée, quelles que soient d'autres facteurs qui peuvent varier et qui influenceraient normalement la vitesse d'écoule- ment, tels que les vitesses variables du liquide délivré par une pompe, ou toute autre source de liquide, et les pressions de retour variables de l'ap- pareil auquel est fourni le liquide.
Les systèmes de ce type, connus jusqu'à présent, ont été utilisés avec des pompes dont la vitesse spécifique est limitée comme par exemple lors de la connexion directe avec une machine plus grande, peut-être celle, à laquelle le liquide est fourni. La Société Demanderesse propose, cependant, d'employer une pompe entraînée par une turbine fonctionnant à l'aide de l'é- nergie fournie par un gaz comprimé qui se détend dans la turbine. Une diffi- culté rencontrée dans un tel système est que s'il y a aucune charge sur la pompe, c'est-à-dire lorsque la pression de décharge est nulle, la vitesse de la pompe tend à augmenter dangereusement si du gaz comprimé relativement illimité est disponible à l'entrée de la turbine.
En conséquence, un objet de la présente invention est de présen- ter un système perfectionné de distribution d'un fluide liquide, comprenant une pompe entraînée par une turbine, une pression de retour étant continuel- lement maintenue à la pompe quelles que soient les autres conditions varia- bles de fonctionnement, de manière à limiter la vitesse de la pompe à une valeur maximum prédéterminée, le système comprenant aussi une valve d'étran- glement qui règle une surface de débit suivant le débit désiré, et une val- ve perfectionné de réglage de la pression qui limite de façon continue le débit de la pompe pour maintenir au moins une pression de décharge minimum à la pompe tout en réglant la pression dans la valve d'étranglement.
Dans un système tel que celui décrit, il est désirable d'utiliser une turbine et une pompe qui ne sont pas plus grandes que nécessaire pour donner le débit maximum désiré. Les dimensions le poids etlle prix de la pompe peuvent ainsi être diminués, Cependant, dans un système dans lequel la pression de décharge de la pompe est maintenue continuellement et dans lequel le débit requis par la pompe et le fluide fourni au moteur peuvent varier entre de larges limites, des pressions de décharge élevées peuvent exister à la pompe et constituer un sérieux danger de destruction.
En conséquence, un autre objet de l'invention est de présenter un système perfectionné de distribution d'un fluide liquide utilisant une pompe entraînée par une turbine, une pression de décharge étant continuel- lement maintenue à la pompe pour éviter les excès de vitesse, dans lequel la pression de déccharge ne peut pas atteindre les valeurs où la destruc- tion de la pompe peut avoir lieu par surpression.
Un autre objet de l'invention est de présenter un système de dis- tribution d'un fluide liquide utilisant une valve de réglage de la pression pour maintenir une pression constante à un orifice d'étranglement, et ser- vant en même temps à maintenir continuellement la pression de décharge la pompe à des valeurs qui sont suffisamment grandes à tout moment pour éviter la destruction de la pompe par excès de vitesse, et suffisamment fai- bles pour éviter la destruction de la pompe par surpression, quelles que soient la variations extrêmes de volume et de pression du fluide moteur four-
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ni à la turbine entraînant la pompe et le débit requis de la pompe.
Même lorsque l'arrivée du fluide moteur dans un système tel que décrit ci-dessus, est limité de telle manière que des pressions élevées destructrices ne peuvent exister à la pompe, des pressions excessives peu- vent entraîner un fonctionnement instable de la pompe.
Un autre objet de l'invention est, en conséquence, de présenter un système de distribution d'un fluide liquide comprenant une pompe entrai- née par une turbine, dans lequel la pression à la pompe est continuellement maintenue .pour éviter les excès de vitesse mais dans lequel la pression ma- ximum de la pompe ne dépasse pas les valeurs correspondant au fonctionne- ment instable de la pompe.
Dans les pompes à liquide entraînées par une turbine où la pres- sion du fluide peut varier entre de larges limites auxquelles le système doit s'accommoder, une arrivée accrue de fluide à la turbine provoque générale- ment une augmentation delà vitesse de la pompe et un accroissement corres- pondant du volume de liquide fourni par la pompe. Dans de telles conditions de débit élevé, si un débit très faible est requis du système, une valve de dérivation grande et coûteuse doit être prévue pour dériver la partie de liquide délivrée par la pompe et non requise du système.
En conséquence, un autre objet de l'invention est de présenter un système de distribution d'un fluide liquide comprenant une valve de di- vision et de limitation du débit de la pompe accomplissant la double fonc- tion de dériver la quantité de liquide fournie par la pompe et mn requise du système, et étranglant en même temps le débit de liquide aux parties du système situées au delà de la valve de division et de limitation du dé- bit de manière à limiter la quantité de liquide fournie par le système et à aider le passage du liquide pompé non requis dans la sortie de dérivation, pour permettre l'emploi de valves de plus petites dimensions.
Un autre problème qui se présente dans la réalisation et le fonc- tionnement de systèmes de distribution d'un fluide liquide du type décrit ci-dessus, dans lesquels une valve sensible à la pression est prévue pour maintenir automatiquement une pression constante à une valve d'étranglement, résulte du fait qu'un ressort est généralement le moyen le plus commode pour déterminer la pression à maintenir Il est évident que cette pression doit être maintenue à une valeur constante située entre des limites aussi rapprochées que possible.
Malheureusement cependant, en employant un ressort, le gradient normal de ce dernier dans lequel la force requise pour dévier le ressort croît avec l'augmentation de la déviation, provoque une variation ou "régulation" de la pression dite "constante" qui est maintenue avec dif- férentes ouvertures de la valve sensible à la pression.
En conséquence, un autre objet de l'invention est de présenter un système de distribution d'un fluide liquide dans lequel une valve sensi- ble à la pression maintient une pression constante aux bornes d'une valve d'étranglement,utilisant une structure perfectionnée de valve sensible à la pression ayant une double action, à savoir une variation simultanée d' un orifice de dérivation et d'un orifice d'étranglement, dans des directions opposées, pour contrôler la dérivation du liquide non requis, délivré par la pompe, avec un mouvement minimum de la valve sensible à la pression, de manière à diminuer l'effet de régulation du gradient du ressort.
Un autre objet-de l'intention est de présenter un système perfec- tionné de distribution d'un fluide liquide, utilisant une pompe entraînée par une turbine, dans lequel l'énergie fournie au moteur est limitée par le maintien continu d'une presssion de retour à la ppmpe, limitant le mouve- ment illimité -le pompage peur limiter la quantité de fluide moteur fourni
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à la turbine;
le système suivant l'invention utilise aussi une valve d'étran- glement de contrôle du débit et une valve de réglage de la pression pour .maintenir une pression constante aux bornes de la valve d'étranglement des moyens étant prévus pour assurer la sécurité contre les surpressions pour une valeur maximum permise prédéterminée de la pression à la pompe, la val- ve de réglage de la pression remplissant aussi les fonctions de valve de sécurité contre les surpressions.
Suivant l'invention, un système peut 8tre utilisé, comprenant une pompe centrifuge à liquide entraînée par une turbine recevant un flui- de moteur tel que du gaz comprimé. Une valve d'étranglement réglable est con- nectée entre la pompe et l'appareil auquel est destiné le liquide. Une val- ve de division et de limitation du débit de la pompe à double action, de réglage de la pression, est connectée entre la pompe et la valve d'étrangle- ment et comprend des tubes de contrôle de la pression connectés aux con- duits d'entrée et de sortie de la valve d'étranglement, pour mantenir une pression constante aux bornes de cette dernière, l'amplitude de la pression "constante" étant déterminée par la force exercée par un ressort;
la valve de limitation du débit de la pompe possède en même temps des éléments de con- trôle du débit dérivé et du débit direct.
Pour une meilleure compréhension de l'invention, on se référera au texte qui suit, ainsi qu'au dessin qui l'accompagne, qui est une repré- sentation schématique d'une forme préférée de l'invention.
On a représenté sur le dessin une turbine 10 qui est reliée à un conduit 11 de réception du fluide moteur, un gaz convenable sous, pression par exemple. Cette turbine 10 est connectée à une pompe centrifugée 12 qui pom- pe le fluide par un conduit d'entrée 13 et le refoule dans le conduit de sortie 14 Ce dernier est relié à une valve 15 de limitation du débit de la pompe qui fournit à cette dernière le liquide pompé sous pression. Cette valve 15 de limitation du débit de la pompe divise ce débit entre une conduit t dé retour 16,qui fait retourner une partie du fluide pompé au conduit 13 d'entrée de la pompe,et le conduit 17 par lequel une partie dulique compes cou le vers une valve d'étranglement 18.
Un conduit de sortie 19 est connecté à cette valve d'étranglement 18 pour amener la partie de fluide qui traver- se la dite valve vers l'appareil (non représenté) dans lequel le liquide pompé doit être utilisé. Un moteur électrique 20 qui peut être alimenté par l'intermédiaire des connexions électriques 21 à partie d'un système électri- que (non représenté) contrôlable automatiquement ou Manuellement, est pré- vu pour régler la surface de décharge de la valve d'étranglement 18 au moyen d'une vis sans fin 22 et pignon 23, 'd'un arbre de transmission représenté sché magiquement en 24 et d'une came 25 de réglage du piston de la valve.
Ainsi qu 'on le décrira plus en détails dans la suite, la valve
15 de limitation du débit de la pompe maintient automatiquement une pression sensiblement constante à la valve d'étranglement 18 de manière à assurer un débit proportionnel à la surface de l'ouverture de l'étranglement. La valve 15 maintient aussi constamment une pression de retour à la pompe 12.
Dans unr conduit 11 qui fournit le fluide moteur à la turbine 10, une simple valve 27 de fermeture peut être prévue qui par un ressort 28 dans la position fermée un solénolde 29 ouvrant la val- ve 27 lorsque le fonctionnement de l'appareil le demande. On voit que la -turbine 10 comprend une roué 30 de'turbine qui, par l'ntermédiaire d'un arbre 31, entraîne le rotor 32 de la pompe 12. Comme représenté, la turbine et la pompe peuvent être placées'dans une enveloppe commune, et présenter une structure commune 33 dont la partie centrale constitue un palier pour l'arbre 31 commun à la turbine et à la pompe. Dans la structure 33, des pas- sages convenables 34 pour le fluide moteur sont aussi prévus, ainsi que des déflecteurs convenables 35.
Des aubes fixes convenables 36 peuvent aussi
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être prévues, ainsi qu'il est bien connu des spécialistes.
La valve 15 de limitation du débit de la pompe est constituée par une enveloppe 40 laissant une partie intérieure creuse cylindrique dans laquelle se meut d'un mouvement alternatif un piston 42 possédant des bornes terminales 43 et 44. Le piston 42 est maintenu dansla position dans laquelle il est le plus à droite (pour le dessin)par un ressort 45' Dans la position normale de non-fonctionnement, le ressort 45 fait appuyer la borne terminale 44 contre le stop formé par l'élément 46 qui ferme l'extré- mité droite de la valve de limitation du débit de la pompe. Pour plus de clarté dans l'explication du fonctionnement de cette valve, cependant le piston 42 est représenté dans une position de fonctionnement typique.
On re- marquera que, dans la position représentée le liquide venant de la pompe 12 fourni à la valve 15 par l'intermédiaire du conduit 14, se divise en deux courants, en courant retournant par le conduit 16 au conduit d'entrée 13 de la pompe 12, l'autre courant allant par le conduit 17 vers la valve d'étran- glement 8 La position du piston 42 de la valve et le rapport de division de l'écoulement sont déterminés par les pressions de contrôle dans les chambres terminales 47 et 480 Ces chambres sont maintenues respectivement aux pressions du liquide à l'entrée,
et à la sortie de la valve d'étrangle- ment 18 La chambre 47 est connectée dans ce but au conduit 19 de sortie de la valve d'étranglement par un tube 49 de contrôle de la pression et la chambre 48 est connectée dans ce but au conduit 17 d'entrée de la valve d'é- tranglement par un tube de contrôle 50. La position de la valve 15 de limi- tation du débit de la pompe dépend donc de la pression de sortie de la valve d'étranglement dans la chambre 17 et la force du ressort 45 qui agit en sens inverse de la pression d'entrée de la valve d'étranglement dans la chambre 48. On voit donc qu'une différence constante est maintenue entre les deux pressions du fluide par la force du ressort 45 (et la surface de l'alésage 41 de la valve).
Si la pression d'entrée devient trop élevée par rapport à la pression de sortie, le piston 42 de la valve se déplace vers la gau- che, dérivant la plus grandepartie du débit de la pompe 12 au-delà de la borne 43 et dans le conduit de retour 16 et étranglant le passage du fluide pompé de la pompe 12 à la borne 44 pour diminuer la quantité de fluide pas- sant vers le conduit 17. Inversement, si la pression de décharge dans la chambre 47 devient trop élevée, le piston se déplace dans l'autre direction pour corriger cette condition.
Une valve réglable à pointeau 51 peut être con- nectée en série dans le tube 49 de manière à stabiliser le fonctionnement de ce système en limitant la vitesse à laquelle le fluide peut s'écouler vers ou de la chambre 47 par le tube 49 de manière à limiter la vitesse de déplacement du piston 42
De manière à être certain qu'aucune fraction du liquide ne soit transmis à 1 appareil qui l'utilise, lorsqu'on ne le désire pas, une valve 52 à solénoïde est prévue dans le conduit de sortie 19 pour établir une fer- meture positive lorsque désiré.
Le système comprend aussi une valve pilote 54 de secours, lors des surpressions, qui comprend un piston 55 normalement forcé dans une position fermée par le ressort 56. Cette valve 54 est connectée par un tube 57 de contrôle de la pression au conduit 14 de sortie de la pompe pour déceler une surpression à la pompe.
Si une telle surpression-se produit, le piston 55 est déplacé contre la force du ressort 56, ouvrant une lumière 58 qui est normalement fermée par la borne 59 du ¯piston 55 de manière à décharger la pression dans le tube 49 La décompression est réalisée par l'intermédiaire du tube 60 qui est connecté au conduit 16 à basse pression netournant vers le conduit d'entrée 13 à basse pression, de la pompe 12 On voit que comme la val- ve pilote 54 est connectée à une de ses extrémités à l'entrée de la pompe et, à l'autre extrémité à la sortie de la pompe, elle est très sensible à
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la pression de celle-ci.
Un tube à basse pression 61 est également prévu pour la valve
18 à étranglement de manière à constituer une sortie pour le liquide qui peut fuir au-delà des bornes de la valve 18 Un alésage central 62 est pré vu pour assurer la communication de l'extrémité droite de la valve 18 avec le tube à basse pression 61, pour éviter la création de pression entre les extrémités de la valve d'étranglement 18.
Durant le fonctionnement de la valve pilote 54 lors d'une sur- pression à la pompe, la lumière 58 est ouverte pour décharger la pression dans le tube 490 Ceci amène une réduction immédiate de la pression dans la chambre 47 de la valve 15 de limitation du débit de la pompe, permettant au piston 42 de se déplacer vers la gauche, dérivant plus le liquide pompé dans le conduit 16 de dérivation à basse pression et limitant le passage de plus de fluide vers le conduit 17 dans la valve d'étranglement 18. De cette manière, la combinaison de la valve pilote 54 et de la valve 15 de limitation du débit de la pompe agissent ensemble comme un système à deux étages de secours contre les surpressions. La valve 15 accomplit donc aussi une fonction de sécurité contre les surpressions, en plus de fonctions décri- tes précédemment.
Evidemment; dans ces conditions critiques de surpression, la "pression constante" maintenue aux bornes de la valve d'étranglement est perturbée. Il est évident que l'orifice de limitation du débit réalisé par la valve 51 à pointeaux dans le tube à pression 49, permet une dissipation rapide et relativement complète de la pression dans la chambre 47 lors du fonctionnement de la valve pilote 54 en empêchant un remplissage rapide de liquide sous pression venant du conduit de décharge 19.
De la description qui précède,il ressort que les objectifs men- tionnés plus haut ont été pleinement atteints. On sait que la vitesse d'une turbine alimentée par une quantité de fluide moteur relativement illimitée, peut devenir excessive et la turbine peut se détériorer si des forces de retardement ne sont pas disponibles sous forme d'une charge convenable. Par conséquent, lorsque le conduit 19 de sortie ne réclame pas de liquide ou très peu, mais que le fluide moteur fourni par le conduit 11 à la turbine 10 est relativement illimité, le flux de liquide qui est pompé par le con- duit 14 et qui peut passer dans le conduit 17 est positivement limité par la borne 44 de la valve 15, dans une proportion suffisante pour maintenir la pression constante prédéterminée aux bornes de la valve 18.
Comme cette limitation positive de débit est impospar la borne 44, la Terne 43 peut aussi étrangler partiellement le flux de la partie restante du fluide qui est pompé par le conduit 14 de sortie de la pompe, de manière à maintenir une certaine valeur de la pression de retour sur la pompe 12 et dans l'alé- sage central de la valve 15, sans tenir compte du débit requis de liquide.
En maintenant ainsi une presisn de retour continue, et une charge continue, sur la pompe 12 on évite des vitesses excessives de la pompe et de la tur- bine. La valve 15 peut donc être exactement considérée comme une valve de limitation et de division du débit de la pompe, à double action de régulation de la pression, puisqu'elle agit doublement pour diviser le débit de la pom- pe pour régler une pression constante à la valve d'étranglement, tout en limitant le débit total de la pompe.
La pression de décharge maintenue à la pompe 14 ne peut pas être maintenue à une valeur trop élevée car il pourrait en résulter la deqtruc- tion de la pompe par surpression. Il n'est pas non plus désirable que le sys- tème de secours lors des surpressions, comprenant la valve pilote 54, entre en fonctionnement, car elle détruit la pression constante, autrement manite- nue par la valve 15 aux bornes de la valve d'étranglement 18. Aussi, même à des pressions inférieures à celles pouvant amener la destruction de la pompe par surpression, et inférieures à celles pour lesquelles le système
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de secours va fonctionner, durant les conditions de fonctionnement à faible niveau du fluide moteur d'entrée dans la turbine 10,
le maintien d'une pression trop élevée de décharge à la pompe peut donner lieu à un fonction- nement instable de cette dernière. En conséquence, les ouvertures aux bornes 43 et 44 de la valve 15 de limitation du débit de la pompe, sont telles que, sous la condition extrême d'entrée maximum du fluide moteur par le con- duit 11 dans la turbine 10, un débit total suffisant de liquide peut tràver- ser la valve 15 pour éviter de dépasser à la pompe 12 la pression maximum de sécurité. Cette condition est maintenue quelle que soit la quantité de liquide prise par la valve 18 et la position résultante du piston 42. Une telle construction évite aussi, comme expliqué plus haut,un fonctionnement instable de la pompe.
Comme il peut y avoir une pression de retour consi- dérable dans le conduit 19 de sortie et une pression supérieure résultante dans le conduit 17 reliant les valves 15 et 18, et pratiquement pas de pression dans le conduit 16 de retour à la pompe, on voit que la position du piston 42 de la valve aurait un effet appréciable sur la pression de dé- charge maintenue à la pompe 12, comme l'ouverture de l'orifice à la borne 43 vers le conduit 16 de décharge à basse pression aurait un plus grand ef- fet de dissipation de la pression que l'ouverture de l'orifice à la borne 44 vers le conduit 17 à haute pression.
Cependant, cette valve est construi- te de telle manière qu'un mouvement axial donné du piston 42 de la valve ou- vre un plus petit orifice à la borne 43 qu'à la borne 44 et les dimensions sont choisies de:préférence pour maintenir la pression de décharge de la pom- pe à environ la pression maximum permise, quelle que soit la position axia- le du piston 42 de la valve, sous la condition extrême d'entrée maximum du fluide moteur par le conduit 11 vers la turbine 10.
Le maintien de la pression maximum de sortie à la pompe dans ces conditions est évidemment désirable pour obtenir l'effet maximum de limitation de la vitesse de-la pompe.,
En plus des avantages décrits précédemment résultant de la limita- tion de la vitesse et de la pression de la pompe pour éviter la destruction de cette dernière ou son fonctionnement instable, il y a un autre avantage résultant du maintien d'une pression constante à la pompe 12, car en limi- tant ainsi la vitesse de celle-ci, le volume du débit de fluide est réduit par rapport à ce qu'il serait si une pression inférieure était maintenue à la pompe. Pour cette raison, un plus petit volume de liquide doit être pris par la valve 15 pour.maintenir la "pression constante" aux bornes de la valve d'étranglement et une plus petite valve convient.
Un facteur permettant aussi l'utilisation d'une plus petite valve réside dans l'étran- glement du liquide à la borne 44 lorsqu'une réduction du débit de liquide de la valve 15 vers la valve 18 est requise. Ceci, en effet, fait passer un débit plus grand de fluide par l'orifice à la borne 43. L'orifice à la borne 43 et la valve 15 peuvent ainsi être plus petits pour un débit donné.
L'emploi de cette valve de limitation du débit de la pompe per- met donc une forte réduction des dimensions de la valve par rapport à cel- les connues jusqu'ici.
De plus, en maintenant une pression de retour constante à la pompe 12, qui est supérieure aux pressions de retour maintenues dans les systèmes antérieurs, la consommation de puissance de la pompe 12 est limi- tée, et la puissance d'entrée à la turbine 10 l'est donc aussi. Dans ces conditions, il est évident que la turbine a un effet d'étranglement appré- ciable de manière à limiter la quantité de fluide moteur déchargés à tra- vers la turbine et vers l'atmosphère par les passages 34, Le système empê- che donc la dissipation inutile du fluide moteur disponible au conduit 11.
On remarquera aussi que la valve 15 de limitation du débit de la pompe est un appareil à double action, en maintenant une pression cons- tante aux bornes de la valve d'étranglement 18, car un mouvement du piston
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42 vers la gauche, en corrigeant la pression à une valeur plus faible par exemple, ne provoque pas seulement une ouverture plus grande à la borne 43 pour permettre la dérivation d'une plus grande quantité de liquide délivré par la pompe 12; mais il y a aussi un mouvement de fermeture simultané de la borne 44, diminuant l'orifice par lequel le fluide pompé peut passer vers la valve d'étranglement 18 par le conduit 17.
Cette double action per- met évidemment une action de régulation plus effective et plus sensible pour une valeur donnée du mouvement de la valve que dans les systèmes antérieurs.
Un mouvement plus petit de la valve permet d'utiliser une valve plus com- pacte. D'autre par, un mouvement de moindre amplitude signifie une moins grande compression du ressort 45 de sorte que le gradient de la force du ressort ne provoque pas tant de "régulation" dans la calibration de la valve 15 "à pression constante", que dans les systèmes antérieurs.
De ce qui précède, il ressort que la Société Demanderesse présen- te un système de distribution d'un fluide liquide présentant certains avan- tages par rapport à l'art antérieur et particulièrement bien adapta pour être incorporé dans le circuit d'une pompe entraînée par une turbine.
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The present invention relates to an improved system for dispensing a liquid fluid and more particularly to such a system specially adapted for use with a liquid pump which must operate continuously with an appreciable discharge pressure whatever the demands. of fluid.
In some applications such as, for example, liquid oxidizer units, it is sometimes necessary for a liquid to be delivered at a predetermined adjustable rate, regardless of other factors which may vary and which would normally influence the flow rate. - ment, such as the variable speeds of the liquid delivered by a pump, or any other source of liquid, and the variable return pressures of the device to which the liquid is supplied.
Systems of this type, known hitherto, have been used with pumps whose specific speed is limited, for example when directly connected to a larger machine, perhaps the one to which the liquid is supplied. The Applicant Company proposes, however, to employ a pump driven by a turbine operating with the aid of energy supplied by a compressed gas which expands in the turbine. A difficulty encountered in such a system is that if there is no load on the pump, i.e. when the discharge pressure is zero, the speed of the pump tends to increase dangerously if compressed gas. Relatively unlimited is available at the entrance of the turbine.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an improved liquid fluid distribution system comprising a pump driven by a turbine, a back pressure being continuously maintained at the pump regardless of the others. variable operating conditions, so as to limit the speed of the pump to a predetermined maximum value, the system also comprising a throttle valve which regulates a flow surface according to the desired flow rate, and an improved valve Pressure regulator that continuously limits the flow of the pump to maintain at least a minimum discharge pressure to the pump while adjusting the pressure in the throttle valve.
In a system such as that described, it is desirable to use a turbine and a pump which are not larger than necessary to give the maximum desired flow rate. The dimensions, weight and price of the pump can thus be reduced, however, in a system in which the discharge pressure of the pump is continuously maintained and in which the flow rate required by the pump and the fluid supplied to the motor can vary between wide limits, high discharge pressures may exist at the pump and constitute a serious danger of destruction.
Consequently, another object of the invention is to present an improved system for the distribution of a liquid fluid using a pump driven by a turbine, a discharge pressure being continuously maintained at the pump to avoid excessive speed, in which the discharge pressure cannot reach the values where the destruction of the pump can take place by overpressure.
Another object of the invention is to provide a system for distributing a liquid fluid using a pressure regulating valve to maintain constant pressure at a throttle orifice, and at the same time serving to maintain continuously discharge the pump pressure to values which are high enough at all times to avoid destruction of the pump by over speeding, and low enough to avoid destruction of the pump by overpressure, regardless of the extreme variations volume and pressure of the operating fluid supplied
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nor to the turbine driving the pump and the required pump flow.
Even when the flow of working fluid to a system as described above is limited so that destructive high pressures cannot exist at the pump, excessive pressures can cause unstable pump operation.
Another object of the invention is, therefore, to present a system for the distribution of a liquid fluid comprising a pump driven by a turbine, in which the pressure at the pump is continuously maintained. To avoid excessive speed. but in which the maximum pressure of the pump does not exceed the values corresponding to the unstable operation of the pump.
In turbine driven liquid pumps where the fluid pressure can vary between wide limits to which the system must accommodate, an increased flow of fluid to the turbine generally causes an increase in pump speed and a corresponding increase in the volume of liquid supplied by the pump. Under such high flow conditions, if very low flow is required from the system, a large and expensive bypass valve must be provided to bypass the portion of liquid delivered by the pump and not required from the system.
Accordingly, another object of the invention is to present a system for distributing a liquid fluid comprising a valve for dividing and limiting the flow of the pump performing the dual function of diverting the quantity of liquid supplied. by the pump and min required of the system, and at the same time restricting the flow of liquid to the parts of the system located beyond the dividing and limiting valve so as to limit the quantity of liquid supplied by the system and to help the passage of pumped liquid not required in the bypass outlet, to allow the use of valves of smaller dimensions.
Another problem which arises in the construction and operation of liquid fluid dispensing systems of the type described above, in which a pressure sensitive valve is provided to automatically maintain a constant pressure at a pressure valve. The constriction results from the fact that a spring is generally the most convenient means of determining the pressure to be maintained. It is obvious that this pressure must be maintained at a constant value situated between limits as close as possible.
Unfortunately, however, by employing a spring, the normal gradient of the latter in which the force required to deflect the spring increases with increasing deflection, causes a variation or "regulation" of the so-called "constant" pressure which is maintained with it. Different openings of the pressure sensitive valve.
Accordingly, another object of the invention is to provide a system for dispensing a liquid fluid in which a pressure sensitive valve maintains a constant pressure across a throttle valve, using an improved structure. a pressure sensitive valve having a double action, namely a simultaneous variation of a bypass orifice and a throttle orifice, in opposite directions, to control the bypass of the liquid not required, delivered by the pump, with minimum movement of the pressure sensitive valve, so as to decrease the regulating effect of the spring gradient.
Another object-of-intention is to present an improved system for the distribution of a liquid fluid, using a pump driven by a turbine, in which the energy supplied to the motor is limited by the continuous maintenance of a pressure. return to speed, limiting unlimited movement - pumping can limit the quantity of motor fluid supplied
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to the turbine;
the system according to the invention also uses a flow control throttling valve and a pressure regulating valve to maintain a constant pressure at the terminals of the throttle valve means being provided to ensure safety against overpressures for a predetermined maximum permissible value of the pressure at the pump, the pressure regulating valve also fulfilling the functions of a safety valve against overpressures.
According to the invention, a system can be used, comprising a centrifugal liquid pump driven by a turbine receiving a motor fluid such as compressed gas. An adjustable throttle valve is connected between the pump and the device to which the liquid is intended. A pressure regulating, double acting pump dividing and limiting valve is connected between the pump and the throttle valve and includes pressure control tubes connected to con- inlet and outlet of the throttle valve, to maintain a constant pressure across the latter, the amplitude of the "constant" pressure being determined by the force exerted by a spring;
the pump flow limiting valve has at the same time control elements for the bypass flow and the direct flow.
For a better understanding of the invention, reference will be made to the following text, as well as to the accompanying drawing, which is a schematic representation of a preferred form of the invention.
There is shown in the drawing a turbine 10 which is connected to a duct 11 for receiving the working fluid, a suitable gas under pressure, for example. This turbine 10 is connected to a centrifuged pump 12 which pumps the fluid through an inlet duct 13 and delivers it into the outlet duct 14 The latter is connected to a valve 15 for limiting the flow of the pump which supplies the latter the liquid pumped under pressure. This valve 15 for limiting the flow of the pump divides this flow between a return duct 16, which returns a part of the pumped fluid to the inlet duct 13 of the pump, and the duct 17 through which a dulic part compes cou the to a throttle valve 18.
An outlet duct 19 is connected to this throttle valve 18 for supplying the portion of fluid which passes through said valve to the apparatus (not shown) in which the pumped liquid is to be used. An electric motor 20 which can be powered through the electrical connections 21 as part of an automatically or manually controllable electrical system (not shown) is provided to adjust the discharge surface of the throttle valve. 18 by means of a worm 22 and pinion 23, 'a transmission shaft shown magically dried at 24 and a cam 25 for adjusting the valve piston.
As will be described in more detail below, the valve
15 for limiting the flow rate of the pump automatically maintains a substantially constant pressure at the throttle valve 18 so as to provide a flow rate proportional to the area of the opening of the throttle. The valve 15 also constantly maintains a return pressure to the pump 12.
In a conduit 11 which supplies the working fluid to the turbine 10, a simple closing valve 27 can be provided which by a spring 28 in the closed position a solenoid 29 opening the valve 27 when the operation of the apparatus requires it. . It can be seen that the turbine 10 comprises a turbine wheel 30 which, through a shaft 31, drives the rotor 32 of the pump 12. As shown, the turbine and the pump can be placed in a casing. common, and have a common structure 33 whose central part constitutes a bearing for the shaft 31 common to the turbine and to the pump. In the structure 33, suitable passages 34 for the working fluid are also provided, as well as suitable deflectors 35.
Suitable fixed vanes 36 can also
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be provided, as is well known to specialists.
The valve 15 for limiting the flow of the pump is constituted by a casing 40 leaving a cylindrical hollow inner part in which a piston 42 moves with a reciprocating movement having terminal terminals 43 and 44. The piston 42 is held in the position in which it reciprocates. which it is furthest to the right (for the drawing) by a spring 45 'In the normal non-operating position, the spring 45 causes the terminal terminal 44 to press against the stop formed by the element 46 which closes the end. right end of the pump flow limiting valve. For greater clarity in explaining the operation of this valve, however, piston 42 is shown in a typical operating position.
It will be noted that, in the position shown, the liquid coming from the pump 12 supplied to the valve 15 through the conduit 14, divides into two streams, flowing back through the conduit 16 to the inlet conduit 13 of the pump 12, the other current going through the line 17 to the throttle valve 8 The position of the piston 42 of the valve and the flow division ratio are determined by the control pressures in the end chambers 47 and 480 These chambers are maintained respectively at the pressures of the liquid at the inlet,
and at the outlet of the throttle valve 18 The chamber 47 is connected for this purpose to the outlet duct 19 of the throttle valve by a pressure control tube 49 and the chamber 48 is connected for this purpose to the inlet duct 17 of the throttle valve via a control tube 50. The position of the valve 15 for limiting the flow of the pump therefore depends on the outlet pressure of the throttle valve in the chamber 17 and the force of the spring 45 which acts in the opposite direction to the inlet pressure of the throttle valve in the chamber 48. It can therefore be seen that a constant difference is maintained between the two pressures of the fluid by the force of the spring 45 (and the surface of the bore 41 of the valve).
If the inlet pressure becomes too high relative to the outlet pressure, the piston 42 of the valve moves to the left, bypassing most of the flow of pump 12 past terminal 43 and into the return duct 16 and restricting the passage of the pumped fluid from the pump 12 to the terminal 44 to reduce the quantity of fluid passing to the duct 17. Conversely, if the discharge pressure in the chamber 47 becomes too high, the piston moves in the other direction to correct this condition.
An adjustable needle valve 51 may be connected in series in tube 49 so as to stabilize the operation of this system by limiting the rate at which fluid can flow to or from chamber 47 through tube 49 in such a manner. to limit the displacement speed of the piston 42
In order to be certain that no fraction of the liquid is transmitted to the apparatus which uses it, when it is not desired, a solenoid valve 52 is provided in the outlet duct 19 to establish a positive closure. when desired.
The system also comprises an emergency pilot valve 54, during overpressures, which comprises a piston 55 normally forced into a closed position by the spring 56. This valve 54 is connected by a pressure control tube 57 to the outlet duct 14. pump to detect excess pressure at the pump.
If such overpressure occurs, piston 55 is moved against the force of spring 56, opening a lumen 58 which is normally closed by terminal 59 of ¯piston 55 so as to relieve pressure in tube 49 Decompression is performed. via the tube 60 which is connected to the low pressure duct 16 leading to the low pressure inlet duct 13 of the pump 12 It can be seen that as the pilot valve 54 is connected at one of its ends to the pump inlet and, at the other end at the pump outlet, it is very sensitive to
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the pressure of it.
A low pressure tube 61 is also provided for the valve
18 throttled so as to constitute an outlet for the liquid which may leak beyond the terminals of the valve 18 A central bore 62 is provided to ensure communication of the right end of the valve 18 with the low pressure tube 61, to prevent the creation of pressure between the ends of the throttle valve 18.
During the operation of the pilot valve 54 during an overpressure at the pump, the lumen 58 is opened to relieve the pressure in the tube 490 This brings about an immediate reduction of the pressure in the chamber 47 of the limiting valve 15. of the pump flow, allowing the piston 42 to move to the left, more bypassing the liquid pumped in the low pressure bypass line 16 and limiting the passage of more fluid to the line 17 in the throttle valve 18 In this way, the combination of pilot valve 54 and pump flow limiting valve 15 together act as a two-stage overpressure back-up system. The valve 15 therefore also performs a safety function against overpressure, in addition to functions described above.
Obviously; under these critical overpressure conditions, the "constant pressure" maintained at the terminals of the throttle valve is disturbed. It is evident that the flow-limiting orifice made by the needle valve 51 in the pressure tube 49 allows rapid and relatively complete dissipation of the pressure in the chamber 47 during the operation of the pilot valve 54 by preventing a rapid filling of pressurized liquid from the discharge line 19.
From the above description, it emerges that the objectives mentioned above have been fully achieved. It is known that the speed of a turbine supplied with a relatively unlimited quantity of working fluid can become excessive and the turbine can deteriorate if retarding forces are not available in the form of a suitable load. Consequently, when the outlet duct 19 does not demand liquid or very little, but the working fluid supplied by the duct 11 to the turbine 10 is relatively unlimited, the flow of liquid which is pumped by the duct 14 and which can pass through the duct 17 is positively limited by the terminal 44 of the valve 15, in a sufficient proportion to maintain the predetermined constant pressure at the terminals of the valve 18.
As this positive flow limitation is imposed by terminal 44, the Terne 43 can also partially restrict the flow of the remaining part of the fluid which is pumped through the outlet pipe 14 of the pump, so as to maintain a certain value of the pressure. back onto pump 12 and into the central bore of valve 15, regardless of the required liquid flow rate.
By thus maintaining a continuous return pressure, and a continuous load, on the pump 12, excessive pump and impeller speeds are avoided. The valve 15 can therefore be considered exactly as a valve for limiting and dividing the flow of the pump, with a double action of regulating the pressure, since it acts doubly to divide the flow of the pump to regulate a constant pressure. to the throttle valve, while limiting the total flow of the pump.
The discharge pressure maintained at the pump 14 cannot be maintained too high as this could result in the destruction of the pump by overpressure. It is also not desirable that the overpressure back-up system, comprising the pilot valve 54, should come into operation, because it destroys the constant pressure, otherwise operated by the valve 15 across the valve d. 'throttling 18. Also, even at pressures lower than those capable of destroying the pump by overpressure, and lower than those for which the system
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emergency will operate, during operating conditions at low level of the driving fluid entering the turbine 10,
maintaining too high a discharge pressure at the pump may result in unstable pump operation. Consequently, the openings at terminals 43 and 44 of the valve 15 for limiting the pump flow rate are such that, under the extreme condition of maximum entry of the working fluid through line 11 into the turbine 10, a flow rate sufficient total of liquid can pass through valve 15 to prevent pump 12 from exceeding maximum safety pressure. This condition is maintained regardless of the amount of liquid taken up by the valve 18 and the resulting position of the piston 42. Such a construction also avoids, as explained above, unstable operation of the pump.
Since there can be considerable back pressure in outlet line 19 and resulting higher pressure in line 17 connecting valves 15 and 18, and virtually no pressure in line 16 back to the pump, one can sees that the position of the piston 42 of the valve would have an appreciable effect on the discharge pressure maintained at the pump 12, as opening the orifice at terminal 43 to the low pressure discharge line 16 would have an effect. greater pressure dissipation effect than opening the orifice at terminal 44 to the high pressure line 17.
However, this valve is constructed such that a given axial movement of the valve piston 42 opens a smaller orifice at terminal 43 than at terminal 44 and the dimensions are preferably chosen to maintain. the discharge pressure of the pump at approximately the maximum allowable pressure, whatever the axial position of the piston 42 of the valve, under the extreme condition of maximum entry of the working fluid through the duct 11 towards the turbine 10 .
Maintaining the maximum outlet pressure to the pump under these conditions is obviously desirable in order to obtain the maximum effect of limiting the speed of the pump.
In addition to the advantages described above resulting from limiting the speed and pressure of the pump to avoid destruction of the latter or its unstable operation, there is another advantage resulting from maintaining a constant pressure at the pump. pump 12, because by thus limiting the speed thereof, the volume of fluid flow is reduced compared to what it would be if a lower pressure were maintained at the pump. For this reason, a smaller volume of liquid must be taken by valve 15 to maintain "constant pressure" across the throttle valve and a smaller valve is suitable.
A factor also permitting the use of a smaller valve is the constriction of liquid at terminal 44 when a reduction in the flow of liquid from valve 15 to valve 18 is required. This, in effect, causes a greater flow of fluid to pass through the orifice at terminal 43. The orifice at terminal 43 and valve 15 can thus be smaller for a given flow rate.
The use of this valve for limiting the flow of the pump therefore makes it possible to greatly reduce the dimensions of the valve with respect to those known hitherto.
In addition, by maintaining a constant back pressure to pump 12, which is higher than the back pressures maintained in prior systems, the power consumption of pump 12 is limited, and the input power to the turbine. 10 is therefore also. Under these conditions, it is obvious that the turbine has an appreciable throttling effect so as to limit the quantity of working fluid discharged through the turbine and to the atmosphere through the passages 34. The system prevents therefore the unnecessary dissipation of the working fluid available in line 11.
It will also be noted that the valve 15 for limiting the flow of the pump is a double-acting device, by maintaining a constant pressure at the terminals of the throttle valve 18, because a movement of the piston
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42 to the left, by correcting the pressure to a lower value for example, not only causes a larger opening at terminal 43 to allow the bypass of a greater quantity of liquid delivered by the pump 12; but there is also a simultaneous closing movement of the terminal 44, reducing the orifice through which the pumped fluid can pass to the throttle valve 18 through the conduit 17.
This double action obviously allows a more effective and more sensitive regulation action for a given value of the movement of the valve than in previous systems.
Smaller movement of the valve allows a more compact valve to be used. On the other hand, a movement of less amplitude means less compression of the spring 45 so that the gradient of the spring force does not cause so much "regulation" in the calibration of the valve 15 "at constant pressure", as in earlier systems.
From the foregoing, it emerges that the Applicant Company presents a system for distributing a liquid fluid having certain advantages over the prior art and which is particularly well suited to be incorporated into the circuit of a driven pump. by a turbine.