BR102020017390A2

BR102020017390A2 - Bomba multifásica

Info

Publication number: BR102020017390A2
Application number: BR102020017390-1A
Authority: BR
Inventors: Karel DE RAEVE; Marco Carvalho; Thomas Welschinger
Original assignee: Sulzer Management Ag
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2021-10-13
Also published as: EP3812596A1; US20210123476A1; US11415169B2; EP3812595A1

Abstract

bomba multifásica. a presente invenção refere-se a uma bomba multifásica para transportar um fluido de processo multifásico, que compreende um alojamento de bomba (2) com uma entrada de bomba (21) e uma saída de bomba (22), um rotor (3) disposto no alojamento da bomba (2) e configurado para girar em torno de uma direção axial (a) e pelo menos um mancal radial (53, 54) que possui um carreador de suporte (58) e uma estrutura de suporte (57) para sustentar o rotor (3) em relação a uma direção radial perpendicular à direção axial (a), na qual o rotor (3) compreende um eixo de bomba (5) e pelo menos um impulsor (31) montado de modo fixo sobre o eixo da bomba (5) para transportar o fluido de processo a partir da entrada da bomba (21) para a saída da bomba (22), na qual uma película de compressão amortecedora (10) é provida para reduzir as vibrações do rotor (3), na qual a película de compressão amortecedora (10) é disposta em torno da estrutura de suporte (57) do mancal radial (53, 54), na qual a película de compressão amortecedora (10) possui uma superfície radialmente externa (101), na qual uma lacuna de amortecimento (12) é criada em um local entre a estrutura de suporte (57) do mancal radial (53, 54) e a superfície radialmente externa (101) da película de compressão amortecedora, e na qual a lacuna de amortecimento (12) é configurada para receber um fluido de amortecimento.

Description

BOMBA MULTIFÁSICA

[001] A presente invenção refere-se a uma bomba multifásica para transportar um fluido de processo multifásico de acordo com o preâmbulo da reivindicação independente.

[002] Bombas multifásicas são usadas em várias indústrias diferentes, em que é necessário transportar um fluido de processo multifásico que compreende uma mistura de uma pluralidade de fases, por exemplo, uma fase líquida e uma fase gasosa. Um importante exemplo é a indústria de processamento de petróleo e gás em que bombas multifásicas são usadas para transportar fluidos de hidrocarboneto, por exemplo, para extrair petróleo bruto do campo petrolífero ou para o transporte do petróleo/gás através de tubulações ou para dentro de refinarias.

[003] Combustíveis fósseis geralmente não estão presentes na forma pura em campos petrolíferos ou campos de gás natural, mas sim como uma mistura multifásica que contém componentes líquidos, componentes gasosos e provavelmente componentes sólidos também. Tal mistura multifásica composta, por exemplo, por petróleo bruto, gás natural, substâncias químicas, água do mar e areia tem que ser bombeada para fora do campo petrolífero ou campo de gás natural. Para tal transporte de combustíveis fósseis, usa-se bombas multifásicas que são capazes de bombear uma mistura de líquido-gás que também pode conter componentes sólidos, tal como, por exemplo, areia.

[004] Um dos desafios referentes à concepção de bombas multifásicas é o fato de que em várias aplicações a composição do fluido de processo multifásico é extremamente variável durante a operação da bomba. Por exemplo, durante a exploração de um campo petrolífero, a proporção da fase gasosa (por exemplo, gás natural) e da fase líquida (por exemplo, petróleo bruto) é extremamente variável. Essas variações podem ocorrer repentinamente e causar uma queda na eficiência da bomba, vibrações na bomba ou outros problemas. A proporção da fase gasosa na mistura multifásica é comumente medida pela fração sem dimensão de volume de gás (GVF) que designa a proporção de volume do gás no fluido de processo multifásico. Em aplicações na indústria de petróleo e gás, a GVF pode variar de 0% a 100%.

[005] Atualmente, tendo em vista uma exploração eficiente de campos de petróleo e gás, existe uma crescente demanda por bombas que possam ser instaladas diretamente no fundo do mar, em particular, a uma profundidade de 500 m, de 1000 m ou até mesmo de mais de 2000 m abaixo da superfície da água. Não é necessário dizer que o modelo de tais bombas é um desafio, principalmente porque essas bombas precisam operar em um ambiente submarino difícil por um longo período e com o mínimo possível manutenção e trabalho de assistência. Tal condição requer medidas específicas para minimizar a quantidade de equipamentos envolvidos e para otimizar a segurança da bomba.

[006] É bem sabido na técnica que as bombas multifásicas são propensas a vibrações do rotor. O rotor da bomba compreende um eixo de bomba e um ou mais impulsores fixados ao eixo da bomba de um modo à prova de torque. Há várias razões pelas quais as vibrações do rotor são um problema, principalmente em bombas multifásicas. Uma típica bomba centrífuga monofásica possui uma quantidade significativa de amortecimento interno devido ao vazamento do fluido de processo monofásico através das vedações internas ou lacunas ao longo do rotor da bomba. Exemplos de tais vedações ou lacunas são a vedação do olho do impulsor, a vedação do cubo do impulsor, anéis de desgaste, buchas de regulagem e o tambor de equilíbrio. O fluxo de vazamento do fluido de processo através dessas vedações ou lacunas neutraliza as vibrações e gera um amortecimento do rotor. O fenômeno físico no qual este amortecimento baseia-se é o efeito Lomakin. O efeito Lomakin é uma força criada em pequenas lacunas, por exemplo, em anéis de desgaste, buchas de regulagem ou dispositivos de equilíbrio em bombas centrífugas. A força é o resultado de uma distribuição desigual de pressão em torno da circunferência do eixo da bomba durante períodos de rotor excentricidade ou deflexão do eixo da bomba. Devido à excentricidade do rotor, o espaço, ou seja, a lacuna entre o rotor e a parte estacionária que circunda o rotor, é maior em um lado do rotor do que no outro lado do rotor, o que resulta em diferenças na velocidade local do fluido. A velocidade local do fluido é maior nesses locais em que o espaço é maior. Uma velocidade local maior causa uma pressão mais baixa e uma velocidade menor local causa uma pressão mais alta. Tal condição cria uma força corretiva resultante, a qual sempre atual na direção oposta à deflexão ou excentricidade do eixo. Desse modo, o efeito Lomakin suporta a centralização do eixo da bomba e com isto gera um amortecimento do rotor.

[007] Uma bomba multifásica pode ser projetada para transportar fluidos de processo multifásicos que possuem uma GVF de 0% a 100%, ou seja, todos os fluidos de processo desde um líquido puro (GVF = 0%) até um gás puro (GVF = 100%). Em valores de GVF alta, o aumento de pressão gerado pela bomba multifásica é significativamente menor que em valores de GVF baixa. Uma bomba multifásica, que é, por exemplo, configurada com impulsores hélico-axiais, possui tipicamente apenas o tambor de equilíbrio e as lacunas difusoras como espaços. Esses espaços são projetados para permitir o vazamento de um líquido e, portanto, são de forma considerável grandes para aplicações ou condições operacionais com GVFs altas. Desse modo, o problema referente às bombas multifásicas é que, para condições operacionais com altos valores de GVF, o amortecimento do rotor gerado pelo efeito Lomakin é muito pequeno, visto que a bomba multifásica possui uma quantidade pequena de lacunas ou espaços ao longo de seu eixo e essas lacunas e espaços são bastante grandes para um fluido de processo que possui um alto teor de gás ou que está próximo de próximo de um fluido de processo gasoso puro. Além disso, como já foi dito, em altos valores de GVF, o aumento de pressão gerado pela bomba diminui de forma considerável. Portanto, a queda de pressão ao longo dos espaços e lacunas é extremamente reduzida, de modo que a força estabilizante gerada pelo efeito Lomakin diminui tremendamente.

[008] Para tratar deste problema em uma bomba multifásica, foi proposta no documento US 9.273.699 a provisão de um dispositivo de estabilização hidrodinâmica para o rotor. O dispositivo é configurado como um amortecedor Lomakin lubrificado com fluido de processo, ou seja, um amortecedor que funciona com base no efeito Lomakin. O amortecedor compreende um anel de cobertura que se estendendo ao longo das pontas radialmente externas das pás de um impulsor hélicoaxial. O anel de cobertura é fixado às pás do impulsor. Desse modo, uma lacuna é formada entre o anel de cobertura giratório e a parte estacionária do alojamento da bomba que circunda o anel de cobertura. De acordo com uma modalidade, um fluido de processo em pressão alta da linha de descarga da bomba multifásica é injetado dentro da lacuna entre o anel de cobertura e a parte estacionária. Tal fluido cria uma camada de estabilização hidrodinâmica que gera um amortecimento do rotor baseado no efeito Lomakin. A força resultante do efeito Lomakin é direcionada de modo a centralizar o eixo da bomba e com isto amortecer as vibrações do rotor.

[009] Tal dispositivo de estabilização hidrodinâmica tem provado ser muito eficiente na prática, no entanto, ainda existe espaço para aprimoramentos referentes ao amortecimento do rotor de uma bomba multifásica.

[0010] O dispositivo proposto no documento US 9.273.699 requer que uma parte do fluido de processo pressurizado seja recirculada para formar uma camada de estabilização na lacuna. A recirculação do fluido de processo pressurizado reduz o desempenho hidráulico e, com isto, a eficiência total da bomba. Particularmente em altos valores de GVF, a eficiência do dispositivo é reduzida de um modo análogo ao que foi descrito precedentemente neste documento.

[0011] Portanto, um objetivo da invenção é a provisão de uma bomba multifásica com um amortecimento do rotor aprimorado, para que as vibrações do rotor sejam reduzidas de forma considerável, principalmente em fluido de processo multifásico com altos valores de GVF.

[0012] O tema da presente invenção que alcança este objetivo é caracterizado pela reivindicação independente.

[0013] Desse modo, de acordo com a invenção, propõe-se uma bomba multifásica para transportar um fluido de processo multifásico que compreende um alojamento de bomba com uma entrada de bomba e uma saída de bomba, um rotor disposto no alojamento da bomba e configurado para girar em torno de uma direção axial e pelo menos um mancal radial que possui um carreador de suporte e uma estrutura de suporte para sustentar o rotor em relação a uma direção radial perpendicular à direção axial, em que o rotor compreende um eixo de bomba e pelo menos um impulsor montado de modo fixo sobre o eixo da bomba para transportar o fluido de processo da entrada da bomba para a saída da bomba, uma película de compressão amortecedora é provida para reduzir as vibrações do rotor, a película de compressão amortecedora é disposta em torno da estrutura de suporte do mancal radial, a película de compressão amortecedora possui uma superfície radialmente externa, uma lacuna de amortecimento é criada em um local entre a estrutura de suporte do mancal radial e a superfície radialmente externa da película de compressão amortecedora e a lacuna de amortecimento é configurada para receber um fluido de amortecimento.

[0014] Desse modo, de acordo com a invenção, uma película de compressão amortecedora é disposta em torno da estrutura de suporte do mancal radial. Visto que a função da película de compressão amortecedora não se baseia no efeito Lomakin, mas sim em um princípio físico diferente, a saber, as forças viscosas geradas pela compressão do fluido de amortecimento, a película de compressão amortecedora atenua de modo confiável a vibração do rotor também em valores de GVF muito altos.

[0015] De maneira preferida, uma pluralidade de mancais radiais é provida, cada mancal compreendendo um carreador de suporte e uma estrutura de suporte para sustentar o rotor em relação à direção radial, de modo que para cada mancal radial uma película de compressão amortecedora é provida, a qual é disposta em torno da estrutura de suporte do mancal radial particular, de modo que para cada mancal radial uma lacuna de amortecimento é criada entre a estrutura de suporte do mancal radial e a superfície radialmente externa da película de compressão amortecedora, e em que cada lacuna de amortecimento é configurada para receber um fluido de amortecimento. Em um arranjo preferido, a bomba multifásica é configurada como uma bomba "entre mancais", ou seja, existe um mancal radial na extremidade motriz do eixo da bomba e outro mancal radial na extremidade não motriz do eixo da bomba, enquanto todos os impulsores do rotor são dispostos entre esses dois mancais radiais. Nesta configuração, existe uma película de compressão amortecedora separada para cada um dos dois mancais radiais.

[0016] De acordo com uma configuração preferida, a bomba multifásica possui uma pluralidade de impulsores. Desse modo, a bomba multifásica é projetada como uma bomba de múltiplos estágios.
A bomba multifásica de múltiplos estágios pode ser configurada com um arranjo em linha de todos os impulsores, ou seja, todos os impulsores dispostos em série com o lado de sucção de cada impulsor virado para a mesma direção, ou com um arranjo "back-to-back", ou seja, com um primeiro grupo de impulsores e um segundo grupo de impulsores, em que o lado de sucção dos impulsores do primeiro grupo faceia a direção oposta ao lado de sucção dos impulsores do segundo grupo.

[0017] É particularmente preferível que a bomba multifásica seja configurada como uma bomba hélico-axial com impulsores hélicoaxiais. Tal modelo provou ser muito eficiente para bombear fluidos de processo multifásicos.

[0018] Em algumas modalidades, cada película de compressão amortecedora é disposta em torno de um carreador de suporte. Desse modo, o mancal radial inteiro é circundado e suportado pela película de compressão amortecedora.

[0019] Em outras modalidades, cada mancal radial compreende uma película de compressão amortecedora, que está integrada ao mancal radial particular. Nessas modalidades integradas, a lacuna de amortecimento é criada dentro do carreador de suporte. Em relação à direção radial, a lacuna de amortecimento está localizada entre um anel interno e um anel externo do carreador de suporte.

[0020] De acordo com uma modalidade particularmente preferida, cada mancal radial é configurado para receber um lubrificante para lubrificar o mancal radial, e cada lacuna de amortecimento é configurada para receber o lubrificante como fluido de amortecimento. O lubrificante para lubrificar o mancal radial é, por exemplo, um óleo tipicamente usado para lubrificação. O uso do lubrificante para o mancal radial como fluido de amortecimento para a película de compressão amortecedora possui várias vantagens.

[0021] Visto que a lacuna de amortecimento é enchida com o lubrificante para o mancal radial, nenhum vazamento extra de fluido de processo interno é gerado. Em particular, não é necessário recircular uma parte do fluido de processo pressurizado. Portanto, a eficiência da bomba multifásica é aumentada de forma considerável. E o desempenho hidráulico da bomba multifásica não é afetado pela provisão do lubrificante na lacuna de amortecimento.

[0022] Além disso, o desempenho da película de compressão amortecedora não é dependente do fluido de processo e, mais particularmente, da GVF do fluido de processo multifásico, visto que o lubrificante é utilizado como fluido de amortecimento. Desse modo, a película de compressão amortecedora opera de forma confiável independentemente do valor real de GVF do fluido de processo.

[0023] Além disso, o amortecimento é mais eficiente, porque lubrificantes típicos, tal como o petróleo, possuem normalmente uma viscosidade mais alta que o fluido de processo multifásico, especialmente quando o fluido de processo possui um alto valor de GVF. O lubrificante usado como fluido de amortecimento pode ser qualquer tipo de fluido lubrificante que é usado em uma bomba multifásica, tal como por exemplo, os típicos óleos de lubrificação ou uma mistura de água-glicol ou simplesmente água.

[0024] Além disso, a película de compressão amortecedora requer diferenças de pressão significativamente mais baixas, e menos volume de fluido de amortecimento flui como, por exemplo, um dispositivo de amortecimento baseado no efeito Lomakin.

[0025] De acordo com um modelo preferido, cada mancal radial é configurado como um mancal hidrodinâmico e, de maneira preferida, como um mancal de sapata oscilante.

[0026] Tendo em vista particularmente uma aplicação submarina, é preferível que a bomba multifásica também compreenda uma unidade de acionamento disposta no alojamento da bomba e configurada para acionar o rotor. O alojamento da bomba, com a unidade de acionamento dentro, pode ser então configurado como um alojamento de pressão, que é capaz de suportar a pressão alta hidrostática de um local submarino, por exemplo, do fundo do mar.

[0027] De maneira preferida, a unidade de acionamento compreende um acionador de eixo para acionar o eixo da bomba do rotor e um motor elétrico para girar o acionador do eixo em torno da direção axial. Além disso, um acoplamento é provido para acoplar o acionador do eixo ao eixo da bomba.

[0028] Em algumas modalidades, a bomba multifásica é configurada como uma bomba vertical, com o eixo da bomba estendendo-se na direção da gravidade. Em outras modalidades, a bomba multifásica é configurada como uma bomba horizontal, ou seja, durante operação, o eixo da bomba estende-se horizontalmente, ou seja, a direção axial é perpendicular à direção da gravidade.

[0029] Com referência particular às modalidades de bomba vertical, é preferível que a unidade de acionamento seja disposta em cima do eixo da bomba.

[0030] Em outras modalidades, a bomba multifásica é configurada como uma bomba horizontal, com o eixo da bomba estendendo-se perpendicular à direção da gravidade. Tais modalidades de bomba horizontal podem ser usadas, por exemplo, em locais de superfície sobre uma plataforma offshore ou sobre um armazenamento de produção flutuante e uma unidade de descarga (FPSO) ou em terra.

[0031] Tendo em vista uma aplicação preferida, a bomba multifásica é configurada como uma bomba submarina.

[0032] Além disso, é preferível que a bomba multifásica seja configurada para instalação no fundo de um mar.

[0033] Tendo em vista outra aplicação preferida, a bomba multifásica é configurada como uma bomba horizontal com múltiplos estágios hélico-axiais e uma unidade de acionamento externa, ou seja, a unidade de acionamento não está disposta dentro do alojamento da bomba.

[0034] Além disso, é particularmente preferível que a bomba multifásica seja configurada para transportar fluidos de processo multifásicos que possuam uma fração de volume de gás de 0% a 100%, ou seja, o fluido multifásico é configurado de tal modo que ele possa ser operado em todos os valores de GVF de 0% (líquido puro) a 100% (gás puro).

[0035] Outras medidas e modalidades vantajosas da invenção se tornarão evidentes a partir das reivindicações dependentes.

[0036] A presente invenção será explicada em mais detalhes posteriormente neste documento com referência às modalidades da invenção e aos desenhos em anexo que são mostrados em uma representação esquemática, na qual:

[0037] A Figura 1 é uma vista transversal esquemática de uma primeira modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção,

[0038] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um impulsor hélico-axial,

[0039] A Figura 3 é similar à Figura 2, mas em uma vista transversal.

[0040] A Figura 4 é uma representação esquemática de uma primeira modalidade do mancal radial, com a película de compressão amortecedora em uma vista transversal perpendicular ao eixo da bomba,

[0041] A Figura 5 mostra a modalidade da Figura 4 em uma vista transversal ao longo da direção axial,

[0042] A Figura 6 é uma representação esquemática de uma segunda modalidade do mancal radial, com a película de compressão amortecedora em uma vista transversal perpendicular ao eixo da bomba, e

[0043] A Figura 7 é uma vista transversal de uma segunda modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção.

[0044] A Figura 1 mostra uma vista transversal esquemática de uma modalidade de uma bomba multifásica de acordo com a invenção, o qual é designada em sua totalidade pelo numeral de referência 1. A bomba 1 é projetada como uma bomba centrífuga para transportar um fluido de processo multifásico. A bomba 1 possui um alojamento de bomba 2, no qual um rotor 3 é disposto. O rotor 3 é configurado para girar em torno de uma direção axial A. Para girar o rotor 3, uma unidade de acionamento 4 é provida. Na modalidade mostrada na Figura 1, a unidade de acionamento 4 também está disposta dentro do alojamento da bomba 2. Não é necessário dizer que em outras modalidades da bomba multifásica, a unidade de acionamento é disposta fora do alojamento da bomba 2, por exemplo, em um alojamento de motor separado.

[0045] Na modalidade mostrada na Figura 1, tanto o rotor 3 quanto a unidade de acionamento 4 são dispostos dentro do alojamento da bomba 2. O alojamento da bomba 2 é projetado como um alojamento de pressão, que é configurado para suportar a pressão gerada pela bomba multifásica 1, bem como a pressão exercida sobre a bomba 1 pelo ambiente. O alojamento da bomba 2 pode compreender várias peças, que são conectadas umas às outras para formar o alojamento da bomba 2 que circunda o rotor 3 e a unidade de acionamento 4. Também é possível que tanto um alojamento de rotor quanto um alojamento de motor separado sejam inseridos no alojamento da bomba 2. Na modalidade mostrada na Figura 1, o alojamento da bomba 2 é configurado como um alojamento de pressão hermeticamente vedado que impede qualquer vazamento para o ambiente externo.

[0046] Na descrição a seguir, referência será feita, a título de exemplo, à aplicação importante na qual a bomba multifásica 1 é projetada e adaptada para ser usada como uma bomba submarina multifásica 1 na indústria de petróleo e gás. Em particular, a bomba multifásica 1 é configurada para instalação no fundo do mar, ou seja, para uso abaixo da superfície da água, em particular, a uma profundidade de 500 m, a 1000 m ou até mesmo a mais de 2000 m abaixo da superfície da água do mar. Em tais aplicações, o fluido de processo multifásico é tipicamente uma mistura contendo hidrocarbonetos que tem que ser bombeada para fora de um campo petrolífero, por exemplo, para uma unidade de processamento embaixo ou sobre a superfície da água, ou em terra. A mistura multifásica que constitui o fluido de processo multifásico a ser transportado pode incluir uma fase líquida, uma fase gasosa e uma fase sólida, em que a fase líquida pode incluir petróleo bruto, água do mar e substâncias químicas, a fase gasosa pode incluir metano, gás natural ou similares e a fase sólida pode incluir areia, lama e pedras menores, sem que a bomba multifásica 1 seja danificada durante o bombeamento da mistura multifásica.

[0047] É válido observar que a invenção não se restringe a tal exemplo específico, podendo ser relacionada a bombas multifásicas em geral. A bomba multifásica 1 também pode ser configurada para aplicações de superfície, por exemplo, para uma instalação em terra ou em uma plataforma de petróleo, em particular, em uma plataforma não tripulada. Além disso, a bomba 1 de acordo com a invenção também pode ser usada para aplicações fora da indústria de petróleo e gás.

[0048] O alojamento 2 da bomba multifásica 1 compreende uma entrada de bomba 21, através da qual o fluido de processo multifásico entra na bomba 1, e uma saída de bomba 22 para descarregar o fluido de processo em uma pressão maior em comparação com a pressão do fluido de processo na entrada da bomba 21. Tipicamente, a saída da bomba 22 é conectada a um tubo (não mostrado) para a transferência do fluido de processo pressurizado para outro local. A pressão do fluido de processo na saída da bomba 22 é referida como 'pressão alta', enquanto a pressão do fluido de processo na entrada da bomba 21 é referida como 'pressão baixa'. Um típico valor para a diferença entre a pressão alta e a pressão baixa é, por exemplo, de 100 a 200 bar (10 – 20 MPa).

[0049] O rotor 3 da bomba multifásica 1 compreende um eixo de bomba 5 que se estende a partir de uma extremidade motriz 51 até uma extremidade não motriz 52 do eixo da bomba 5. O eixo da bomba 5 é configurado para girar em torno da direção axial A, a qual é definida pelo eixo geométrico longitudinal do eixo da bomba 5.

[0050] O rotor 3 também compreende pelo menos um impulsor 31 montado fixamente sobre o eixo da bomba 5 de um modo à prova de torque. Na modalidade mostrada na Figura 1, uma pluralidade de impulsores 31, a saber, novo impulsores 31, é disposta em série sobre o eixo da bomba 5, ou seja, a bomba multifásica 1 é configurada como uma bomba de nove estágios. Obviamente que o número de nove estágios é apenas exemplar. Em outras modalidades, a bomba multifásica 1 pode compreender mais de nove estágios, por exemplo, dez ou doze estágios, ou menos de nove estágios por exemplo, quatro ou dois estágios ou apenas um único estágio com apenas um impulsor 31.

[0051] A pluralidade de impulsores 31 é disposta em série e configurada para mudar a pressão do fluido da pressão baixa para a pressão alta.

[0052] A unidade de acionamento 4 é configurada para exercer um torque sobre a extremidade motriz 51 do eixo da bomba 5 de modo a iniciar a rotação do eixo da bomba 5 e dos impulsores 31 em torno da direção axial A.

[0053] A bomba multifásica 1 é configurada como uma bomba vertical 1, ou seja, durante operação, o eixo da bomba 5 estende-se na direção vertical, que é a direção da gravidade. Desse modo, a direção axial A coincide com a direção vertical.

[0054] Em outras modalidades (veja a Figura 7), a bomba de múltiplos estágios 1 pode ser configurada como uma bomba horizontal, ou seja, durante operação, o eixo da bomba estende-se horizontalmente, ou seja, a direção axial A é perpendicular à direção da gravidade.

[0055] A direção perpendicular à direção axial A é referida como direção radial. O termo 'axial' ou 'axialmente' é usado com o significado comum de "na direção axial" ou "em relação à direção axial". De maneira análoga, o termo 'radial' ou 'radialmente' é usado com o significado comum de "na direção radial" ou "em relação à direção radial". Posteriormente neste documento, termos relativos referentes à localização, tais como "acima" ou "abaixo" ou "superior" ou "inferior" ou "topo" ou "fundo" referem-se à posição operacional usual da bomba 1. A Figura 1 mostra a bomba multifásica 1 na sua posição operacional usual.

[0056] Com referência a esta orientação usual durante operação e conforme mostrado na Figura 1, a unidade de acionamento 4 está localizada acima do rotor 3. No entanto, em outras modalidades, o rotor 3 pode ser localizado em cima da unidade de acionamento 4.

[0057] Como pode ser visto na Figura 1, a bomba multifásica 1 é projetada com um arranjo em linha de todos os impulsores 31. Em um arranjo em linha, todos os impulsores 31 são dispostos de modo que todos os empuxos axiais gerados pelos impulsores giratórios individuais 31 sejam conduzidos na mesma direção, a saber, rumo à direção axial A na Figura 1. O fluxo do fluido da entrada da bomba 21 (pressão baixa) em direção à saída da bomba 22 (pressão alta) é sempre conduzido na mesma direção, a saber, na direção ascendente, e não muda como, por exemplo, em um arranjo "back-to-back" (veja a Figura 7). Entre os impulsores 31 de estágios adjacentes, existe em cada caso um difusor estacionário 32 para direcionar o fluxo de fluido de processo descarregado de um impulsor particular 31 para o impulsor 31 do próximo estágio. Desse modo, entre dois impulsores adjacentes 31 – conforme visualizado na direção axial A – existe em cada caso um difusor 32 disposto, o qual é estacionário em relação ao alojamento da bomba 2.

[0058] De acordo com um modelo preferido, a bomba multifásica 1 é configurada como uma bomba hélico-axial com impulsores hélicoaxiais 31. Os impulsores hélico-axiais 31 e as bombas multifásicas hélico-axiais 1 são conhecidos como tais na técnica. A Figura 2 mostra uma vista em perspectiva de dois impulsores hélico-axiais 31, com o difusor 32 interposto entre esses dois impulsores 31. Na Figura 2, metade do alojamento da bomba 2 foi removida para tornar visíveis os impulsores hélico-axiais 31. Um impulsor hélico-axial 31 possui pás que se estendem de modo helicoidal em torno do cubo do impulsor 31, ou do eixo da bomba 5, respectivamente. Além disso, a Figura 3 que mostra os dois impulsores 31 e o difusor 32 entre os dois impulsores 31 é uma vista transversal com a linha de corte estendendo-se na direção axial A e através do eixo da bomba 5. Como pode ser mais bem visto na Figura 3, os impulsores 31 são fixados ao eixo da bomba 5 de um modo à prova de torque, por exemplo, por meio de um cadeado, e os difusores 32 são fixados ao alojamento da bomba 2 ou a uma peça que é estacionária em relação ao alojamento da bomba 2.

[0059] Em outras modalidades, os impulsores 31 podem não ser configurados como impulsores hélico-axiais, mas sim, por exemplo, como impulsores semiaxiais.

[0060] Para equilibrar pelo menos parcialmente o empuxo axial gerado pelos impulsores 31 durante a operação da bomba multifásica 1, é preferível que a bomba multifásica 1 compreenda pelo menos um dispositivo de equilíbrio. Na modalidade mostrada na Figura 1, o dispositivo de equilíbrio compreende um tambor de equilíbrio 7 (também referido como uma bucha de regulagem). O tambor de equilíbrio 7 é conectado fixamente ao eixo da bomba 5 de um modo à prova de torque, ou seja, o tambor de equilíbrio 7 faz parte do rotor 3. O tambor de equilíbrio 7 é disposto atrás – como visto na direção de fluxo do fluido de processo – o impulsor 31 do último estágio que conduz o fluido de processo para a saída da bomba 22, a saber, entre o impulsor 31 do último estágio e a extremidade motriz 51 do eixo da bomba 5. O tambor de equilíbrio 7 define um lado frontal e um lado traseiro do tambor de equilíbrio 7. O lado frontal é o lado que faceia o impulsor 31 do último estágio. O lado traseiro é o lado que faceia a unidade de acionamento 4. O tambor de equilíbrio 7 é circundado por uma parte estacionária 26, de modo que uma passagem de alívio 73 é formada entre a superfície radialmente externa do tambor de equilíbrio 7 e a parte estacionária 26. A parte estacionária 26 é configurada para ser estacionária em relação ao alojamento da bomba 2. A passagem de alívio 73 forma uma lacuna anular entre a superfície externa do tambor de equilíbrio 7 e a parte estacionária 26 e estende-se do lado frontal para o lado traseiro.

[0061] Uma linha de equilíbrio 9 é provida para recircular o fluido de processo do lado traseiro do tambor de equilíbrio 7 para o lado de pressão baixa na entrada da bomba 21. Em particular, a linha de equilíbrio 9 conecta o lado traseiro com o lado de pressão baixa da bomba multifásica 1, de modo que a pressão baixa, ou seja, a pressão na entrada da bomba 21 prevalece. Desse modo, uma parte do fluido pressurizado passa do lado frontal, em que essencialmente a pressão alta prevalece, através da passagem de alívio 73, chega ao lado traseiro, entra na linha de equilíbrio 9 e é recirculado para o lado de pressão baixa da bomba multifásica 1. A linha de equilíbrio 9 constitui uma conexão fluida entre o lado traseiro do tambor de equilíbrio 7 e o lado de pressão baixa na entrada da bomba 21. A linha de equilíbrio 9 pode ser disposta – conforme mostrado na Figura 1 – fora do alojamento da bomba 2. Em outras modalidades, a linha de equilíbrio 9 pode ser projetada como uma linha interna que se estende completamente por dentro do alojamento da bomba 2.

[0062] Devido à linha de equilíbrio 9, a pressão que prevalece no lado traseiro é essencialmente a mesma – exceto por uma pequena queda de pressão causada pela linha de equilíbrio 9 – visto que a pressão baixa prevalece na entrada da bomba 21.

[0063] A superfície axial do tambor de equilíbrio 7 que faceia o lado frontal fica exposta a uma pressão que é essencialmente igual à pressão alta na saída da bomba 22. No lado traseiro do tambor de equilíbrio 7, é essencialmente a pressão baixa que prevalece durante a operação da bomba 1. Desse modo, a queda de pressão ao longo do tambor de equilíbrio 7 é essencialmente a diferença entre a pressão alta e a pressão baixa.

[0064] A queda de pressão ao longo do tambor de equilíbrio 7 resulta em uma força que é direcionada para cima na direção axial A e com isto neutraliza o empuxo axial direcionado descendente que foi gerado pelos impulsores 31.

[0065] A bomba multifásica 1 também compreende uma pluralidade de mancais. Um primeiro mancal radial 53, um segundo mancal radial 54 e um mancal axial 55 são providos para sustentar o eixo da bomba 5. O primeiro mancal radial 53, que é o mancal superior na Figura 1, é disposto adjacente à extremidade motriz 51 do eixo da bomba 5 entre o tambor de equilíbrio 7 e a unidade de acionamento 4. O segundo mancal radial 54, que é o mancal inferior na Figura 1, é disposto entre o impulsor 31 do primeiro estágio e a extremidade não motriz 52 do eixo da bomba 5 ou na extremidade não motriz 52. O mancal axial 55 é disposto entre o impulsor 31 do último estágio e o primeiro mancal radial 53. Os mancais 53, 54, 55 são configurados para suportar o eixo da bomba 5 tanto na direção axial quanto na direção radial. Os mancais radiais 53 e 54 suportam o eixo da bomba 5 em relação à direção radial, e o mancal axial 55 é suporta o eixo da bomba 5 em relação à direção axial A. O primeiro mancal radial 53 e o mancal axial 55 são dispostos de modo que o primeiro mancal radial 53 fique mais próximo da unidade de acionamento 4 e o mancal axial 55 faceie o tambor de equilíbrio 7. Obviamente, também é possível trocar a posição do primeiro mancal radial 53 e do mancal axial 55, ou seja, dispor o primeiro mancal radial 53 entre o mancal axial da bomba 55 e o tambor de equilíbrio, para que o mancal axial 55 fique mais próximo da unidade de acionamento 4.

[0066] Esta configuração com um mancal radial 53 na extremidade motriz 51 do eixo 5 e um mancal radial 54 na extremidade não motriz 52 do eixo da bomba é chamado um arranjo entre mancais, visto que todos os impulsores 31 são dispostos entre os dois mancais radiais 53, 54.

[0067] É válido observar que em outras modalidades, a bomba multifásica 1 pode ser configurada com apenas um mancal radial, por exemplo, em uma configuração suspensa.

[0068] Um mancal radial, tal como o primeiro ou o segundo mancal radial 53 ou 54 também é referido como um "mancal de munhão" e um mancal axial, tal como o mancal axial 55, também é referido como um "mancal de empuxo". O primeiro mancal radial 53 e o mancal axial 55 podem ser configurados como mancais separados, mas também é possível que o primeiro mancal radial 53 e o mancal axial 55 sejam configurados como um único mancal radial e axial combinado que suporta o eixo da bomba 5 tanto na direção radial quanto na direção axial.

[0069] O segundo mancal radial 54 suporta o eixo da bomba 5 na direção radial. Na modalidade mostrada na Figura 1, nenhum mancal axial é provido na extremidade não motriz 52 do eixo da bomba 5. Obviamente que em outras modalidades, também é possível que um mancal axial do eixo da bomba 5 seja provido na extremidade não motriz 52. Nas modalidades em que um mancal axial é provido na extremidade não motriz 52 do eixo da bomba 5, um segundo mancal axial pode ser provido na extremidade motriz 51 ou a extremidade motriz 51 pode ser configurada sem um mancal axial.

[0070] De maneira preferida, pelo menos os mancais radiais 53 e 54 são configurados como mancais hidrodinâmicos e de maneira ainda mais preferida como mancais de sapata oscilante 53, 54. Além disso, o mancal axial 55 também pode ser configurado como um mancal hidrodinâmico 55 e de maneira ainda mais preferida como um mancal de sapata oscilante 55. Obviamente, também é possível que o primeiro mancal radial 53 e o segundo mancal radial 54 sejam configurados como um mancal hidrodinâmico fixo e com múltiplos lóbulos.

[0071] A unidade de acionamento 4 compreende um motor elétrico 41 e um acionador de eixo 42 que se estende na direção axial A. Para sustentar o acionador do eixo 42, um primeiro mancal de acionamento radial 43, um segundo mancal de acionamento radial 44 e um mancal de acionamento axial 45 são providos, de modo que o segundo mancal de acionamento radial 44 e o mancal de acionamento axial 45 são dispostos acima do motor elétrico 41 em relação à direção axial A, e o primeiro mancal de acionamento radial 43 é disposto abaixo do motor elétrico 41. O motor elétrico 41, que está disposto entre o primeiro e o segundo mancal de acionamento radial 43, 44, é configurado para girar o acionador do eixo 42 em torno da direção axial A. O acionador do eixo 42 é conectado à extremidade motriz 51 do eixo da bomba 5 por meio de um acoplamento 8 para a transferência de um torque para o eixo da bomba 5.

[0072] O motor elétrico 41 da unidade de acionamento 4 pode ser configurado como um motor de cabo enrolado ("cable wound motor"). Em um motor de cabo enrolado, cada um dos fios individuais do estator do motor, que formam as bobinas para gerar o(s) campo(s) eletromagnético(s) que aciona o rotor do motor, é isolado, para que o estator do motor possa ser inundado, por exemplo, com um fluido de barreira. De maneira alternativa, o motor elétrico 41 pode ser configurado como um motor hermeticamente vedado ("canned motor"). Quando o acionador elétrico 41 é configurado como um motor hermeticamente vedado, a lacuna anular entre o rotor do motor e o estator do motor do motor elétrico 41 é delimitada radialmente para fora por uma lata que veda o estator do motor hermeticamente em relação ao rotor do motor e à lacuna anular. Desse modo, qualquer fluido que flua através da lacuna entre o rotor do motor e o estator do motor não é capaz de entrar no estator do motor. Quando o motor elétrico 41 é projetado como um motor hermeticamente vedado, um fluido de resfriamento dielétrico pode ser circulado através do estator do motor hermeticamente vedado para arrefecer o estator do motor.

[0073] De maneira preferida, o motor elétrico 41 é configurado como um motor com ímã permanente ou como um motor de indução. Para suprir o motor elétrico 41 com energia, um penetrador de energia (não mostrado) é provido no alojamento da bomba 2 para receber um cabo de alimentação que provê energia ao motor elétrico 41.

[0074] O motor elétrico 41 pode ser projetado para operar com um acionador de frequência variável (VFD), no qual a velocidade do motor 41, ou seja, a frequência da rotação, é ajustável variando-se a frequência e/ou a tensão suprida ao motor elétrico 41. No entanto, também é possível que o motor elétrico 41 seja configurado de uma forma diferente, por exemplo, como um acionador de velocidade única ou frequência única.

[0075] O acionador do eixo 42 é conectado à extremidade motriz 51 do eixo da bomba 5 por meio do acoplamento 8 para a transferência de um torque para o eixo da bomba 5. De maneira preferida, o acoplamento 8 é configurado como um acoplamento flexível 8, que conecta o acionador do eixo 42 ao eixo da bomba 5 de um modo à prova de torque, mas permite um movimento lateral relativo (radial) e/ou um movimento axial entre o acionador do eixo 42 e o eixo da bomba 5. Desse modo, o acoplamento flexível 8 transfere o torque, mas nenhuma ou quase nenhuma vibração lateral. De maneira preferida, o acoplamento flexível 8 é configurado como um acoplamento mecânico 8. Em outras modalidades, o acoplamento flexível pode ser projetado como um acoplamento magnético, um acoplamento hidrodinâmico ou qualquer outro acoplamento que seja adequado para transferir um torque do acionador do eixo 42 para o eixo da bomba 5.

[0076] Conforme já foi dito, em outras modalidades, a unidade de acionamento 4 pode ser provida em um alojamento de motor separado, que é, por exemplo, disposto fora do alojamento da bomba 2.

[0077] A bomba multifásica 1 também compreende duas unidades de vedação 50 para proteger o eixo da bomba 5 de um vazamento de fluido de processo ao longo do eixo da bomba 5. Por meio das unidades de vedação 50, o fluido de processo é impedido de entrar na unidade de acionamento 4, bem como nos mancais 53, 54, 55. Uma das unidades de vedação 50 é disposta entre o tambor de equilíbrio 7 e o mancal axial 55, e a outra unidade de vedação 50 é disposta entre o impulsor 31 do primeiro estágio e o segundo mancal radial 54. De maneira preferida, cada unidade de vedação 50 compreende uma vedação mecânica. As vedações mecânicas são bem-conhecidas na técnica em várias modalidades diferentes e, portanto, não precisam de nenhuma explanação detalhada. Em princípio, uma vedação mecânica é uma vedação para um eixo giratório que compreende um rotor fixado ao eixo da bomba 5 e que gira com o eixo da bomba 5, bem como um estator fixo e estacionário em relação ao alojamento da bomba 2. Durante operação, o rotor e o estator deslizam ao longo um do outro – geralmente com um líquido entre eles – para prover uma ação vedante que impede o fluido de processo de escapar para o ambiente ou entrar na unidade de acionamento 4 da bomba 1.

[0078] De acordo com a presente invenção, a bomba multifásica 1 compreende pelo menos uma película de compressão amortecedora 10 para reduzir ou amortecer as vibrações do rotor 3. De maneira preferida, a película de compressão amortecedora 10 é disposto em torno do mancal radial 53 ou 54 ou a película de compressão amortecedora 10 é integrado ao mancal radial 53 ou 54. Caso a bomba multifásica 1 seja configurado com dois mancais radiais 53, 54 conforme mostrado na Figura 1, é preferível que para cada mancal radial 53 e 54, uma película de compressão amortecedora individual 10 seja provido. Portanto, é preferível que o número de películas de compressão amortecedora 10 providas na bomba multifásica 1 seja igual ao número de mancais radiais 53, 54, que são providos para sustentar o rotor 3 da bomba multifásica 1.

[0079] Na descrição a seguir, referência é feita apenas ao primeiro mancal radial 53, visto que ela é suficiente para a compreensão. Obviamente que é preferível que cada um dentre o primeiro mancal radial 53 e o segundo mancal radial 54 seja provido com uma película de compressão amortecedora 10. Desse modo, as seguintes explanações com referência ao primeiro mancal radial 53 também se aplicam de maneira análoga ao segundo mancal radial 54.

[0080] Com referência agora à Figura 4 e à Figura 5, uma primeira modalidade do mancal radial 53 com a película de compressão amortecedora 10 será explicada em mais detalhes. A Figura 4 mostra uma representação esquemática de uma primeira modalidade do mancal radial 53, com a película de compressão amortecedora em uma vista transversal perpendicular ao eixo da bomba 5.

[0081] Para uma melhor compreensão, a Figura 5 mostra o mancal radial 53 com a película de compressão amortecedora 10 em uma vista transversal ao longo da direção axial A. Na Figura 5, a linha da seção IV-IV da Figura 4 é indicada.

[0082] O mancal radial 53 compreende uma estrutura de suporte 57 para sustentar o eixo da bomba 5, bem como um carreador de suporte 58, no qual a estrutura de suporte 57 é disposta. A estrutura de suporte 57 compreende esses elementos, que estão próximos do eixo da bomba 5 para sustentar o eixo da bomba 5. Nesta modalidade, o mancal radial 53 é configurado como um mancal hidrodinâmico e mais precisamente como um mancal radial de sapata oscilante. No caso de um mancal de sapata oscilante, o carreador de suporte 58 também é chamado de carreador de sapata. Tais mancais de sapata oscilante são conhecidos na técnica e, portanto, não precisam de uma descrição detalhada. A estrutura de suporte 57 compreende uma pluralidade – neste caso, quatro - sapatas 571, que são dispostas em torno da circunferência do eixo da bomba 5. Cada sapata 571 é montada no carreador de suporte 58 de um modo que permite um movimento oscilante de cada sapata 571. Além disso, o mancal radial 53 é configurado para receber um lubrificante (não mostrado) que gera uma película de lubrificação entre a estrutura de suporte 57 e o eixo giratório da bomba 5 como é conhecido sobre mancais hidrodinâmicos radiais. Em várias modalidades, o lubrificante é um óleo. Em outras aplicações, o lubrificante pode ser outro líquido, por exemplo, água ou uma mistura de água e glicol.

[0083] A película de compressão amortecedora 10 compreende um invólucro 11, que possui essencialmente o formato de um anel e é fixo em relação ao alojamento da bomba 2. Em várias modalidades, o mancal radial 53 compreende um alojamento de mancal que é montado de modo fixo no alojamento da bomba 2. Em tais modalidades, o invólucro 11 é fixado ao alojamento de mancal. Visto que não é importante para a compreensão da presente invenção, um alojamento de mancal separado, que é conectado de modo fixo ao alojamento da bomba 2, também é considerado parte do alojamento da bomba 2. O invólucro 11 da película de compressão amortecedora 10 é configurado e disposto para surround o carreador de suporte 58 com a estrutura de suporte 57 dentro do carreador de suporte 58. Como poder ser mais bem visto na Figura 5, o mancal radial 53, mais precisamente o carreador de suporte 58, está disposto completamente dentro do invólucro 11 da película de compressão amortecedora 10 – pelo menos em relação à direção radial. A película de compressão amortecedora 10 possui uma superfície radialmente externa 101, que é a superfície lateral do invólucro 11 encostada no alojamento da bomba 2 (ou qualquer outro elemento que seja estacionário em relação ao alojamento da bomba 2).

[0084] De maneira preferida, um elemento de fixação (não mostrado) é provido, o qual é configurado para impedir o carreador de suporte 58 de girar em torno da direção axial A.

[0085] Uma lacuna de amortecimento 12 é criada em um local entre a superfície radialmente externa 101 da película de compressão amortecedora 10 e a estrutura de suporte 57 do mancal radial 53. Na primeira modalidade mostrada na Figura 4 e na Figura 5, a lacuna de amortecimento 12 é criada em relação à direção radial entre o carreador de suporte 58 e o invólucro 11 da película de compressão amortecedora 10. A lacuna de amortecimento 12 é configurada como uma lacuna anular, que é delimitada no lado radialmente interno pela superfície radialmente externa do carreador de suporte 58 e no lado radialmente externo pela superfície radialmente interna do invólucro 11. Em relação à direção axial A, a lacuna de amortecimento 12 é delimitada por dois elementos de vedação anulares e flexíveis 13, cada qual sendo preso entre o carreador de suporte 58 e o invólucro 11. Os elementos de vedação 13 são espaçados um do outro em relação à direção axial A. Cada elemento de vedação 13 é disposto próximo de uma das duas extremidades axiais do carreador de suporte 58. De maneira preferida, os elementos de vedação flexíveis 13 são argolas.

[0086] A película de compressão amortecedora 10 também compreende pelo menos uma entrada 14, que é configurada para suprir um fluido de amortecimento para a lacuna de amortecimento 12 conforme é indicado pelas setas com o símbolo de referência "d" na Figura 5. Desse modo, através da entrada 14, a lacuna de amortecimento 12 recebe o fluido de amortecimento. O suprimento de fluido de amortecimento pode ser efetuado por uma válvula de verificação ou qualquer outro meio adequado, de modo que o fluido de amortecimento possa entrar na lacuna de amortecimento através da entrada 14, mas não possa sair da lacuna de amortecimento através da entrada 14.

[0087] De maneira preferida, o fluido de amortecimento é um líquido, em particular, um óleo. De maneira ainda mais preferida, o lubrificante para o mancal radial 53 também é usado como fluido de amortecimento. Desse modo, o lubrificante também é suprido à lacuna de amortecimento 12.

[0088] É válido observar que a Figura 4 e a Figura 5 são representações esquemáticas. Na maioria das modalidades, a entrada 14 para suprir a lacuna de amortecimento 12 com o fluido de amortecimento não passa através do alojamento da bomba 2 como uma abertura adicional no alojamento da bomba 2.

[0089] Com referência particular à Figura 4, será explicado como a película de compressão amortecedora funciona durante a operação da bomba multifásica 1. Durante operação, a lacuna de amortecimento 12 é completamente enchida com o fluido de amortecimento. A Figura 4 mostra o eixo da bomba 5 em uma posição desviada ou excêntrica, ou seja, o eixo da bomba 5 não está centralizado em relação à estrutura de suporte 57 do mancal radial 53. Além disso, o carreador de suporte 58 do mancal radial 53 está em uma posição excêntrica em relação ao invólucro 11 da película de compressão amortecedora 10, ou seja, o mancal radial 53 não está centralizado em relação ao invólucro 11. Quando o mancal radial 53 move-se de uma posição centralizada para a posição excêntrica mostrada na Figura 4 , a largura da lacuna de amortecimento 12 na direção radial torna-se menor em uma localização H e maior em uma localização L. O fluido de amortecimento na localização H é comprimido pelo movimento do mancal radial 53 e empurrado em direção à localização L. Tal movimento do fluido de amortecimento dentro da lacuna de amortecimento 12 gera perdas por arrasto viscoso, gerando a dissipação de energia necessária e, desse modo, o amortecimento. Durante o movimento a partir do mancal 53, a compressão do fluido de amortecimento na localização H gera uma pressão local do fluido de amortecimento mais alta na localização H do que na localização L. Tal condição resulta em uma força F que neutraliza o movimento do mancal radial 53 e, desse modo, gera o amortecimento do movimento gerado pela vibração do mancal radial 53, que é causada pela vibração do eixo.

[0090] A película de compressão amortecedora 10 funciona como um sistema adicional de amortecimento por mola, que é interposto entre o mancal radial 53 e o alojamento da bomba 2. Com este sistema adicional de amortecimento por mola provido pela película de compressão amortecedora 10, o amortecimento total, bem como a rigidez total podem ser projetados de modo a minimizar ou reduzir as vibrações do rotor 3 da bomba multifásica 1. Os coeficientes rotordinâmicos da película de compressão amortecedora 10 podem ser ajustados, em particular o coeficiente de rigidez e amortecimento, de modo a aprimorar o amortecimento total da bomba multifásica.

[0091] A Figura 6 mostra uma representação esquemática de uma segunda modalidade do mancal radial 53 com a película de compressão amortecedora 10 em uma vista transversal perpendicular ao eixo da bomba 5, ou seja, em uma representação análoga à da Figura 4.

[0092] Na descrição a seguir sobre a segunda modalidade do mancal radial com a película de compressão amortecedora, apenas as diferenças em relação à primeira modalidade serão explicadas em mais detalhes. As explanações referentes à primeira modalidade também são válidas de modo igual ou análogo à segunda modalidade. Numerais de referência iguais designam as mesmas características que foram explicadas com referência à primeira modalidade ou características funcionalmente equivalentes.

[0093] Em comparação com a primeira modalidade, a principal diferença na segunda modalidade é que a película de compressão amortecedora 10 está integrado ao mancal radial 53 e que as molas 15 são providas.

[0094] Tais películas de compressão amortecedora 10 integradas aos mancais radiais 53 são comercializados, por exemplo, pela empresa Waukeshum Bearings, que oferece esta tecnologia sob a marca registrada ISFD. Esses amortecedores são descritos e explicados, por exemplo, no documento US 9.328.797. O uso da tecnologia ISFD é amplamente difundido no campo de compressores normais para gases de compressão, mas até o momento, nunca havia sido descrito nem sugerido o uso da tecnologia ISFD em combinação com bombas ou bombas multifásicas 1.

[0095] O mancal radial 53 com película de compressão amortecedora integrado 10 compreende um anel externo 11', que é comparável ao invólucro 11 da primeira modalidade e um anel interno 58', que é comparável ao carreador de suporte 58 da primeira modalidade. O anel externo 11' e o anel interno 58' são dispostos coaxialmente. A estrutura de suporte 57 compreende as quatro sapatas 571, que são dispostas em torno da circunferência do eixo da bomba 5. Cada sapata 571 é montado no anel interno 58' de um modo que permite um movimento oscilante de cada sapata 571. Além disso, o anel interno 58' é configurado para receber um lubrificante (não mostrado) para gerar uma película de lubrificação entre a estrutura de suporte 57 e o eixo da bomba 5.

[0096] Além disso, provê-se uma pluralidade de molas integradas 15 que é configurada para produzir uma ação elástica entre o anel interno 58' e o anel externo 11'. Na segunda modalidade na Figura 6, quatro pares de molas 15 são providos, os quais são distribuídos de maneira equidistante em relação à direção circunferencial entre o anel interno 58' e o anel externo 11'. Cada mola 15 é projetada essencialmente no formato de S, em que uma extremidade do S está conectada ao anel externo 11' e a outra extremidade do S está conectada ao anel interno 58'. Cada mola 15 é uma parte integrada tanto do anel interno 58' quanto do anel externo 11'.

[0097] A lacuna de amortecimento 12 é criada entre o anel externo 11' e o anel interno 58'. Em relação à direção circunferencial, a lacuna de amortecimento 12 é dividida em quatro seções externas 121, cada qual estendendo-se a partir de um dos pares de molas 15 até o par de molas adjacente 15, quando visualizada na direção circunferencial. Cada seção externa 121 estende-se da extremidade radialmente externa da mola em formato de S particular 15 até a extremidade radialmente externa da mola em formato de S particular 15 do par de molas adjacente 15.

[0098] A lacuna de amortecimento 12 também compreende quatro seções internas 122, cada qual estendendo-se da extremidade radialmente interna de uma mola em formato de S particular 15 até a extremidade radialmente interna da mola em formato de S 15 pertencente ao mesmo par de molas.

[0099] Cada uma das seções externas 121 e cada uma das seções internas 122 da lacuna de amortecimento 12 é configurada para receber o fluido de amortecimento (não mostrado). O fluido de amortecimento é o mesmo fluido que o lubrificante do mancal radial 53.

[00100] A segunda modalidade também constitui um sistema adicional de amortecimento por mola que pode ser usado para otimizar o amortecimento, bem como o coeficiente de rigidez do amortecedor 10 de modo a minimizar ou reduzir as vibrações do rotor 3 da bomba multifásica 1. Na segunda modalidade, as molas 15 constituem um parâmetro adicional para ajustar a rigidez e o amortecimento do mancal radial 53.

[00101] Dividir a lacuna de amortecimento 12 em quatro seções externas 121 que não estão em comunicação fluida direta umas com as outras, bem como em quatro seções internas 122, que também não estão em comunicação fluida direta umas com as outras possui a vantagem de que a rotação do fluido de amortecimento em torno do eixo da bomba 5 é impedida.

[00102] Usar o mesmo fluido, que é diferente do fluido de processo, tanto como lubrificante do mancal radial 53 quanto como fluido de amortecimento da película de compressão amortecedora 10 possui várias vantagens.

[00103] O desempenho hidráulico da bomba multifásica 1 não é afetado, visto que não é necessário recircular nenhum fluido de processo pressurizado como lubrificante ou como fluido de amortecimento.

[00104] O desempenho da película de compressão amortecedora 10 independe da GVF real do fluido de processo. Nem mesmo mudanças drásticas ou rápidas na GVF do fluido de processo influenciam a função da película de compressão amortecedora.

[00105] A película de compressão amortecedora 10 requer diferenças de pressão significativamente mais baixas se comparadas às de um amortecimento baseado no efeito Lomakin, visto que a película de compressão amortecedora provê o amortecimento por meio das forças viscosas geradas pela compressão da película do fluido de amortecimento, por exemplo, petróleo.

[00106] Embora seja preferível o uso de um fluido de amortecimento e/ou um lubrificante diferente do fluido de processo, também é possível usar o fluido de processo como lubrificante para os mancais 53, 54, 55 e/ou como fluido de amortecimento para a película de compressão amortecedora 10, por exemplo, quando a bomba multifásica 1 for projetada como uma bomba multifásica 1 lubrificada com fluido de processo ou como uma bomba multifásica 1 sem vedação. Uma bomba sem vedação não possui nenhuma vedação mecânica. Em vários casos, tal condição requer que a bomba e a unidade de acionamento da bomba sejam inundadas com o fluido de processo. A vantagem do conceito de bomba sem vedação é o modelo mais simples da bomba, que é um aspecto importante para uma bomba submarina. Em uma bomba sem vedação, o próprio fluido de processo pode ser usado para resfriar e lubrificar os componentes da bomba, por exemplo, os mancais 53,54,55 do eixo da bomba 5 e a unidade de acionamento da bomba.

[00107] Caso o fluido de processo multifásico seja usado como lubrificante e/ou como fluido de amortecimento, é vantajoso gerar a partir do fluido de processo multifásico um ou mais componentes de fase enriquecida. Um componente de fase enriquecida é um componente que contém a respectiva fase com uma porcentagem mais alta ou com uma concentração mais alta do que o fluido de processo multifásico que entra na bomba 1 através da entrada da bomba 21. Por exemplo, removendo-se pelo menos parcialmente a fase sólida do fluido de processo multifásico, um componente enriquecido com líquido e gás pode ser gerado.

[00108] Para gerar pelo menos esse componente de fase enriquecida a partir do fluido de processo multifásico, a bomba multifásica 1 pode compreender pelo menos um sistema de separação disposto na extremidade inferior da bomba 1 (de acordo com a representação na Figura 1). Durante a operação da bomba multifásica 1, parte de um fluido de processo multifásico bombeado é removida do lado de pressão alta e suprida ao sistema de separação. O sistema de separação separa o fluido de processo multifásico em três componentes, um componente enriquecido com gás, um componente enriquecido com líquido e um componente sólido que inclui substancialmente a porção sólida da porção removida do fluido de processo multifásico. Após a separação, o componente enriquecido com líquido pode ser usado como lubrificante e/ou como fluido de amortecimento. Quanto ao modelo e modo operacional de tal sistema de separação, referência é feita, a título de exemplo, ao WO 2014/095291 A1 no qual pode ser encontrada uma explanação detalhada sobre um sistema de separação.

[00109] A Figura 7 mostra uma vista transversal de uma segunda modalidade de uma bomba multifásica 1 de acordo com a invenção. Na descrição a seguir sobre a segunda modalidade da bomba multifásica 1, apenas as diferenças em relação à primeira modalidade da bomba multifásica 1 serão explicadas em mais detalhes. As explanações referentes à primeira modalidade da bomba multifásica 1 também são válidas de modo igual ou análogo à segunda modalidade da bomba multifásica 1. Numerais de referência iguais designam as mesmas características que foram explicadas com referência à primeira modalidade ou características funcionalmente equivalentes.

[00110] É válido observar que a segunda modalidade da bomba multifásica 1 pode compreender a primeira modalidade (figura 4, Figura 5) ou a segunda modalidade (figura 6) do mancal radial 53, 54 com a película de compressão amortecedora 10, ou seja, ambas as modalidades do mancal radial 53, 54 com a película de compressão amortecedora 10 podem ser usadas para a segunda modalidade da bomba multifásica 1.

[00111] A segunda modalidade da bomba multifásica 1 é configurada como uma bomba de múltiplos estágios hélico-axiais 1 com uma pluralidade de impulsores hélico-axiais 31 (veja também a Figura 2 e a Figura 3) e como uma bomba horizontal 1, ou seja, durante operação, o eixo da bomba 5 estende-se horizontalmente, ou seja, a direção axial A é perpendicular à direção da gravidade. Na segunda modalidade da bomba multifásica 1, a unidade de acionamento 4 não é disposta dentro do alojamento da bomba 2, mas sim em um alojamento de motor separado que não é mostrado em detalhe.

[00112] O primeiro mancal radial 53 na extremidade motriz 51 do eixo da bomba 5 é disposto em um primeiro alojamento de mancal 531, que é montado de modo fixo no alojamento da bomba 2 e que, portanto, também pode ser considerado como uma parte do alojamento da bomba 2. O segundo mancal radial 54 na extremidade não motriz 52 do eixo da bomba 5 é disposto em um segundo alojamento de mancal 541, que é montado de modo fixo no alojamento da bomba 2 e que, portanto, também pode ser considerado como uma parte do alojamento da bomba 2. O mancal axial 55 é disposto na extremidade não motriz 52 do eixo da bomba 2 e pode ser disposto dentro do segundo alojamento de mancal 541.

[00113] A bomba multifásica de múltiplos estágios 1 mostrada na Figura 7 é configurada com oito estágios, com cada estágio compreendendo um impulsor 31 e um difusor 32 conforme é indicado pelo símbolo de referência K na Figura 7.

[00114] Como pode ser visto na Figura 7, a pluralidade de impulsores 31 compreende uma primeira série de impulsores 33 e uma segunda série de impulsores 34, com a primeira série de impulsores 33 e a segunda série de impulsores 34 sendo dispostas em um arranjo "backto-back". A primeira série de impulsores 33 compreende o impulsor 31 do primeiro estágio, que é o estágio próximo da entrada da bomba 2, e os impulsores 31 dos estágios dois, três e quatro. A segunda série de impulsores 34 compreende o impulsor 31 do último estágio, que é o estágio próximo da saída da bomba 22, e os impulsores 31 dos estágios cinco, seis e sete.

[00115] Em outras modalidades, a primeira série de impulsores pode compreender um número de impulsores diferente da segunda série de impulsores. O número de oito estágios é obviamente apenas um exemplo. Em outras modalidades, pode haver mais ou menos de oito estágios.

[00116] Em um arranjo "back-to-back", a primeira série de impulsores 33 e a segunda série de impulsores 34 são dispostas de modo que o empuxo axial gerado pela ação da primeira série giratória de impulsores 33 seja encaminhado para a direção oposta ao empuxo axial gerado pela ação da segunda série giratória de impulsores 34. O fluido de processo multifásico entra na bomba de múltiplos estágios 1 através da entrada da bomba 21 localizada no lado esquerdo, de acordo com a representação na Figura 7, passa pelos estágios um (primeiro estágio), dois, três e quatro, é então guiado através de uma linha de cruzamento 35 até o lado de sucção do quinto estágio impulsor, que é o impulsor mais à direita 31 na Figura 7, passa pelos estágios cinco, seis, sete e oito (último estágio) e é então descarregado através da saída da bomba 22. Desse modo, o fluxo do fluido de processo multifásico através da primeira série de impulsores 33 é encaminhado essencialmente para a direção oposta ao fluxo através da segunda série de impulsores 34.

[00117] Para várias aplicações, o arranjo "back-to-back" é preferido, porque o empuxo axial que atua sobre o eixo da bomba 5, que é gerado pela primeira série de impulsores 33, neutraliza o empuxo axial, que é gerado pela segunda série de impulsores 34. Desse modo, os ditos dois empuxos axiais compensam um ao outro pelo menos parcialmente.

[00118] Como um dispositivo adicional de equilíbrio para reduzir o empuxo axial total que atua sobre o eixo da bomba 5, uma bucha central 36 é disposta entre a primeira série de impulsores 33 e a segunda série de impulsores 34. A bucha central 35 é conectada fixamente ao eixo da bomba 5 de um modo à prova de torque e gira com o eixo da bomba 5. A bucha central 35 é disposta sobre o eixo da bomba 5 entre o último estágio impulsor 31, que é o último impulsor da segunda série de impulsores 34, e o impulsor 31 do quarto estágio, que é o último impulsor 31 da primeira série de impulsores 33, quando visualizada na direção de pressão crescente, respectivamente. A bucha central 35 é circundada por uma parte que é estacionária em relação ao alojamento da bomba 2. Uma passagem de equilíbrio anular é formada entre a superfície externa da bucha central 35 e a parte estacionária.

[00119] A função da bucha central 35 entre o primeiro e a segunda série de impulsores 33, 34 é o equilíbrio do empuxo axial e o amortecimento do eixo da bomba 5 com base no efeito Lomakin. Na superfície axial da bucha central 35 que faceia o impulsor 31 do último estágio, a pressão alta prevalece e na outra superfície axial que faceia o impulsor 31 do quarto estágio, uma pressão mais baixa prevalece, que é uma pressão intermediária entre a pressão alta e a pressão baixa. Portanto, o fluido de processo pode passar do impulsor 31 do último estágio através da passagem de equilíbrio ao longo da bucha central 36 e chegar ao impulsor 31 do quarto estágio.

[00120] A queda de pressão ao longo da bucha central 36 é essencialmente igual à diferença entre a pressão alta e a pressão intermediária. A dita queda de pressão ao longo da bucha central 36 resulta em uma força que é direcionada para a esquerda, de acordo com a representação na Figura 7, e com isto neutraliza o empuxo axial gerado pela segunda série de impulsores 34, que é direcionado para a direita de acordo com a representação na Figura 7.

[00121] Como um dispositivo adicional de equilíbrio para reduzir o empuxo axial total que atua sobre o eixo da bomba 5, a bomba multifásica 1 também pode compreender o tambor de equilíbrio 7, com a linha de equilíbrio 9 de maneira análoga àquela que foi descrita em relação à primeira modalidade da bomba de múltiplos estágios 1.O primeiro mancal radial 53 é configurado com a película de compressão amortecedora 10 e o segundo mancal radial 54 também é configurado com uma película de compressão amortecedora 10. Cada película de compressão amortecedora 10 pode ser disposta em torno do carreador de suporte 58 do mancal radial 53 ou 54, respectivamente, ou cada mancal radial 53, 54 compreende uma película de compressão amortecedora 10, que está integrada ao mancal radial particular 53, 54.

Claims

Bomba multifásica para transportar um fluido de processo multifásico, que compreende um alojamento de bomba (2) com uma entrada de bomba (21) e uma saída de bomba (22), um rotor (3) disposto no alojamento da bomba (2) e configurado para girar em torno de uma direção axial (A) e pelo menos um mancal radial (53, 54) que possui um carreador de suporte (58) e uma estrutura de suporte (57) para sustentar o rotor (3) em relação a uma direção radial perpendicular à direção axial (A), em que o rotor (3) compreende um eixo de bomba (5) e pelo menos um impulsor (31) montado de modo fixo sobre o eixo da bomba (5) para transportar o fluido de processo a partir da entrada da bomba (21) para a saída da bomba (22), caracterizada pelo fato de que uma película de compressão amortecedora (10) é provida para reduzir as vibrações do rotor (3), na qual a película de compressão amortecedora (10) é disposta em torno da estrutura de suporte (57) do mancal radial (53, 54), na qual a película de compressão amortecedora (10) possui uma superfície radialmente externa (101), na qual uma lacuna de amortecimento (12) é criada em um local entre a estrutura de suporte (57) do mancal radial (53, 54) e a superfície radialmente externa (101) da película de compressão amortecedora e na qual a lacuna de amortecimento (12) é configurada para receber um fluido de amortecimento.
Bomba multifásica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma pluralidade de mancais radiais (53, 54) é provida, cada qual compreendendo um carreador de suporte (58) e uma estrutura de suporte (57) para sustentar o rotor (3) em relação à direção radial, de modo que para cada mancal radial (53, 54) uma película de compressão amortecedora (10) é provida, a qual é disposta em torno da estrutura de suporte (57) do mancal radial particular (53, 54), de modo que para cada mancal radial (53, 54) uma lacuna de amortecimento (12) seja criada entre a estrutura de suporte (57) do mancal radial (53, 54) e a superfície radialmente externa (101) da película de compressão amortecedora (10), e na qual cada lacuna de amortecimento (12) é configurada para receber um fluido de amortecimento.
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada por compreender uma pluralidade de impulsores (31).
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que é configurada como uma bomba hélico-axial com impulsores hélico-axiais (31).
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que cada película de compressão amortecedora (10) é disposta em torno de um carreador de suporte (58).
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que cada mancal radial (53, 54) compreende uma película de compressão amortecedora (10), que está integrada ao mancal radial particular (53, 54)).
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que cada mancal radial (53, 54) é configurado para receber um lubrificante para lubrificar o mancal radial (53, 54), e cada lacuna de amortecimento (12) é configurada para receber o lubrificante como fluido de amortecimento.
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que cada mancal radial (53, 54) é configurado como um mancal hidrodinâmico e de maneira preferida, como um mancal de sapata oscilante.
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada por também compreender uma unidade de acionamento (4) disposta no alojamento da bomba (2) e configurada para acionar o rotor (3).
Bomba multifásica de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a unidade de acionamento (4) compreende um acionador de eixo (42) para acionar o eixo da bomba (5) do rotor (3), e um motor elétrico (41) para girar o acionador do eixo (42) em torno da direção axial (A), e que um acoplamento (8) é provido para acoplar o acionador do eixo (42) para o eixo da bomba (5).
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que é configurada como uma bomba vertical com o eixo da bomba (5) estendendo-se na direção da gravidade.
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizada pelo fato de que a unidade de acionamento (4) é disposta em cima do eixo da bomba (5).
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que é configurada como uma bomba horizontal com o eixo da bomba (5) estendendo-se perpendicular à direção da gravidade.
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que é configurada como uma bomba submarina e de maneira preferida, configurada para instalação no fundo de um mar.
Bomba multifásica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que é configurada para transportar fluidos de processo multifásicos com uma fração de volume de gás de 0% a 100%.