BR102021004295A2 - Sistema de bombeamento de espiras internas - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a um novo tipo de bomba rotativa de deslocamento positivo. Esta bomba efetua o bombeamento através dos movimentos de translação e rotação de uma espécie de engrenagem no interior de uma carcaça provida de sulcos internos no formato de uma rosca toroidal. A bomba apresenta um desenho inédito com propriedades variadas de acordo com as várias configurações possíveis.

Description

SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ESPIRAS INTERNAS

[001] O presente pedido de registro de patente se refere a um novo tipo de bomba rotativa de deslocamento positivo. O projeto apresenta variadas propriedades de acordo com à configuração estabelecida. Uma das configurações apresenta uma capacidade de vazão superior aos outros tipos de bombas de deslocamento positivo. Um dos modelos da invenção apresenta uma compressão interna entre os elementos das câmaras, propriedade ideal para uso em compressores. O perfeito equilíbrio dinâmico e a geometria robusta favorecem a utilização em elevadas rotações, condições favoráveis para o uso como um motor hidráulico de alta potência.

[002] Atualmente as bombas centrífugas são a alternativa de menor custo quando o bombeamento requer uma alta vazão sendo suficiente uma baixa pressão de recalque. Quando o processo de bombeamento exige atingir uma pressão de recalque mais elevada, uma opção comumente empregada são as bombas centrífugas multiestágios. Estas bombas em série podem apresentar mais de 40 estágios. Com o aumento dos estágios aumenta o custo e cai o rendimento mecânico. Existe uma lacuna entre as turbo bombas e as bombas volumógenas, pois as turbo bombas apresentam um rendimento mecânico razoável e um ótimo custo para o uso em baixa pressão de recalque nos modelos de um estágio, por outro lado, as bombas de deslocamento positivo são capazes de atingir elevadas pressões de recalque com um ótimo rendimento mecânico, entretanto a capacidade de vazão é baixa e o custo de aquisição e manutenção é muito elevado.

[003] Com o desenvolvimento do “sistema de bombeamento de espiras internas” de acordo com os resultados geométricos e funcionais obtidos, o projeto se enquadra perfeitamente como uma alternativa viável de bomba de deslocamento positivo de alto volume e de baixo custo com capacidade de atingir uma pressão de recalque superior às bombas centrífugas monoestágio.

[004] O volume bombeado é muito elevado até mesmo quando comparada a algumas bombas centrífugas de alta vazão de mesmo porte acionadas por motores elétricos de 2 polos padrão, rotação próxima a 3600 rpm. Uma bomba de espiras internas de 120 mm de diâmetro e 50 mm de espessura (sem contar os coletores, no caso ilustrado, espigões) pode bombear mais de 50 m3/hora a 3600 rpm. Vale lembrar que as bombas de deslocamento positivo são capazes de praticamente manter a vazão à medida que aumenta a pressão de recalque, ao contrário das bombas centrífugas que apresentam uma queda de vazão acentuada na sua curva vazão x pressão.

[005] A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras a seguir, onde:

[006] A FIGURA 1 representa uma vista explodida do “sistema de bombeamento de espiras internas” em uma configuração de alta vazão com 8 entradas.

[007] A FIGURA 2 representa a montagem em um corte radial do “sistema de bombeamento de espiras internas” apresentada na figura 1,

[008] A FIGURA 3 representa uma vista de uma engrenagem lobular de 5 lóbulos salientes utilizada na configuração da bomba com 8 entradas.

[009] A FIGURA 4 representa uma vista do interior de uma carcaça de 4 entradas para uso de engrenagens lobulares de 5 lóbulos.

[010] As FIGURAS 5,6 e 7 representam a trajetória da rosca toroidal que define a geração dos sulcos espiras de uma bomba com 8 entradas, sendo a última figura em corte.

[011] A FIGURA 8 representa uma vista em corte de uma carcaça de 8 entradas.

[012] As FIGURAS 9, 10, 11 e 12 representam montagens de uma configuração da bomba com compressão interna na configuração com a carcaça com 3 entradas contendo o rotor 3 engrenagens lobulares com 12 lóbulos cada.

[013] A FIGURA 9 representa uma vista da bomba sem a carcaça lisa.

[014] A FIGURA 10 representa uma vista da bomba somente com uma carcaça de espiras e as engrenagens lobulares em suas respectivas posições.

[015] A FIGURA 11 representa outra vista mais elevada da figura 10 para a observação da compressão interna.

[016] A FIGURA 12 representa uma vista em corte da montagem da bomba representada pela figura 11.

[017] As FIGURAS 13, 14 e 15 representa uma bomba com 4 entradas com 5 engrenagens com 14 lóbulos com compressão interna.

[018] A FIGURA 13 representa uma vista em corte da montagem para efeito comparativo com a figura 12 com destaque para a menor distância entre os sulcos espiras.

[019] A FIGURA 14 representa uma vista da bomba sem a carcaça superior, a carcaça lisa.

[020] A FIGURA 15 representa uma vista da bomba apenas com uma carcaça de espiras de 4 entradas e as 5 engrenagens lobulares nas respectivas posições.

[021] A FIGURA 16 representa uma vista lateral da bomba de 8 entradas (representada nas figura 1, 2 e 8) mostrando a posição de um corte ortogonal a um sulco espira da próxima figura.

[022] A FIGURA 17 representa uma vista voltada para a região do corte representado pela figura 16.

[023] A FIGURA 18 representa uma vista de uma região lateral da bomba de 8 entradas com transparência na carcaça de espiras.

[024] As FIGURAS 19, 20, 21 e 22 representam vistas em cortes progressivos da montagem da bomba de 8 entradas, estando a carcaça na figura 19 sem corte, mostrando a sua superfície plana.

[025] A FIGURA 23 representa um corte da montagem representada na figura 2 em um outro corte radial, um corte em um plano que passa fora da região das engrenagens lobulares.

[026] A FIGURA 24 representa uma vista lateral de uma configuração da bomba com os sulcos e os lóbulos em formato retangular estando oculta a carcaça superior.

[027] A FIGURA 25 representa uma vista lateral de uma configuração da bomba que apresenta 21 engrenagens lobulares em uma posição inclinada, mais próxima aos planos ortogonais à trajetória definida pelos sulcos espiras. No desenho estão presentes apenas 3 engrenagens lobulares consecutivas.

[028] A FIGURA 26 representa uma vista em corte de uma configuração do “sistema de bombeamento de espiras internas” com 16 entradas com um motor incorporado no interior do rotor.

[029] A FIGURA 27 representa uma vista do sistema de bombeamento de espiras internas com 3 estágios em um corte radial.

[030] A FIGURA 28 representa uma vista do rotor inteiriço.

[031] A FIGURA 29 representa uma vista do rotor inteiriço em corte.

[032] A FIGURA 30 é uma foto de um protótipo na configuração de 8 entradas voltada para uma alta capacidade de vazão.

[033] O “sistema de bombeamento de espiras internas” é composto por 3 tipos de elementos principais. O par de carcaças, o rotor e as engrenagens lobulares.

[034] A seguir será apresentado a descrição, disposição e função geral dos componentes. As “engrenagens lobulares” (parte 4 - figs 1, 2,3 e 10) apresentam os agentes do bombeamento, os lóbulos (subparte 9 - figs 1, 3 e 9), assim como uma engrenagem comporta os seus dentes. Uma engrenagem lobular está representada em separado na figura 3. O “rotor inteiriço” (parte 25 - fig 29 em corte e fig 28) é o elemento central que comporta as engrenagens lobulares e apresenta “eixo motriz” (subparte 5- figs 1, 2 e 28), o eixo de acionamento da mecanismo. O rotor admite também uma versão bipartida em seu plano equatorial para facilitar a montagem ou a impressão 3D. Algumas vezes neste texto, para simplificar o entendimento da função do rotor, independente de ser do modelo bipartido ou não será tratado como rotor. A carcaça é o elemento externo, o envoltório, a calota que apresenta sulcos espiralados na sua parte interna. O projeto é composto de um par de carcaças que se unem em seu plano equatorial através da “flange central” (subparte 16 -figs 4 e 8) para possibilitar a montagem, o fechamento. É previsto o uso de modelos com as duas carcaças com o mesmo formato sem acarretar desvantagens, pelo contrário, a padronização é bem vinda, reduz custos. Alguns modelos apresentam uma carcaça ligeiramente ou muito diferente da outra carcaça dependendo do objetivo da configuração do projeto. Um bom exemplo é que algumas configurações exigem que uma das carcaças seja lisa internamente, sem apresentar nenhum sulco. O modelo de carcaças sem sulcos é denominado por “carcaça lisa” (parte 2-figs 12 e 13). As “carcaça de espiras” (parte 1-figs 1,2,12 e 13 e fig 8) são as carcaças do tipo que apresentam os elementos denominados individualmente por “sulco espira” (subparte 10-fig, 1,4, 8, 12 e 13). O conjunto de sulcos formam um tipo de rosca que descreve uma trajetória de formato toroidal e admite apresentar mais de uma entrada, as figuras 5,6 e 7 ilustram a trajetória geratriz dos sulcos do projeto do sistema de bombeamento de espiras internas de 8 entradas. O “sulco espira” é um tipo de rosca ou espira toroidal que apresenta uma seção de formato circular nos cortes ortogonais à sua trajetória, vide figuras 16 e 17. As duas partes do par de carcaças são unidos através de parafusos instalados em furos nas extremidades da flange central (subparte 16, figs 4 e 8). As carcaças podem ser unidas de outras formas, encaixe sob pressão, solda ou colagem.

[035] Uma das funções do rotor é atuar como um suporte móvel que exerce uma força na lateral das “engrenagens lobulares” pois as engrenagens lobulares se encontram inseridas nas “fendas radiais” (subparte 8-figs 1, 2,28 e 29). O “rotor bipartido” é constituído de 2 partes dispostas unidas em seu plano equatorial. Na dita região plana, no plano de união entre os rotores, existe um meio suporte de mancal (subparte 11- figs 1 e 19 e 23) para acomodar o “eixo da engrenagem lobular” (parte 12- fig 3 e 29), o eixo que passa ao centro da engrenagem lobular. Um dos pares que constituem o rotor bipartido é o “rotor eixo” (parte 6- figs 1 e 2), sendo caracterizado por apresentar o “eixo motriz” (subparte 5- figs 1, 2 e 28), um eixo de comprimento suficiente para atingir a região externa da bomba para ser acoplado à fonte motriz disponível. A bomba atua bem mesmo em baixas rotações sendo uma prevista a operação manual ou qualquer outra fonte motriz, como por exemplo, turbinas eólicas, turbinas hidráulicas, motores elétricos, motores a combustão, a vapor. O “rotor solidário” (parte 7- figs 1 e 2) é a outra parte do rotor do modelo de rotor do tipo bipartido e admite apresentar um eixo mais curto, o “eixo secundário” (subparte 26- figs 1, 2 e 28). Uma das funções do eixo secundário é servir de apoio extra ao ser inserido no mancal da carcaça de espiras. O dito “eixo secundário” não é uma estrutura obrigatória e pode ser suprimido do projeto. O “rotor inteiriço” está representado nas figuras 28 e 29, sendo a 29 em corte para ilustrar os mancais (subparte 11- figs 1 e 19 e 29), furos vazados para permitir a inserção e retirada dos eixos das engrenagens lobulares. Para efeito de ilustração, apenas um eixo se encontra ilustrado na figura 29.

[036] Sendo o processo de fabricação for a usinagem, possivelmente antes do fresamento dos sulcos espiras na carcaça de espiras, deverá ser usinada uma superfície interna curva de formato toroidal definida pelo ajuste com o formato da superfície lateral do rotor que entra em contato com a superfície interna da carcaça de espiras, ou seja, pela revolução do desenho do perfil lateral do rotor. Esta superfície toroidal interna será denominada por “superfície de varredura do rotor” (subparte 15- figs 4,8,12 e 13). Com a usinagem dos sulcos espiras a dita “superfície de varredura do rotor” se torna segmentada. Será denominada por “entrada do sulco” a região definida pelo espaço entre as bordas dos sulcos. As câmaras de bombeamento são definidas pela atuação dos lóbulos ao gerar uma área de fechamento móvel na seção dos dutos de bombeamento. Os “dutos de bombeamento” são formados pela área interna dos “sulcos espiras” e pela superfície toroidal dos rotores que tangenciam a “superfície de varredura do rotor” encerando, selando os “sulcos espiras” ao fechar a dita região da “entrada do sulco”.

[037] No tocante ao funcionamento, o giro do rotor provoca um movimento de translação nas “engrenagens lobulares” sob ação da força lateral exercida nas “engrenagens lobulares” pelas “fendas radiais” do rotor. O dito movimento de translação causa a rotação das engrenagens lobulares pois as engrenagens são montadas com os “lóbulos” inseridos, alojados na superfície interna das dos “sulcos espiras” forçando os lóbulos a seguir o percurso definido pela trajetória dos sulcos espiras gerando a rotação das engrenagens lobulares em sincronia com a sua translação. O bombeamento é caracterizado pelo transporte de fluido gerado pelo deslocamento dos lóbulos das engrenagens lobulares no interior dos sulcos espiras durante o movimento composto de translação e rotação das engrenagens lobulares, processo em que os lóbulos das engrenagens lobulares transportam o fluido do início até o final dos sulcos espiras (unidos no plano de união da flange central), transportando o fluido a frente ou entre os lóbulos que percorrem os “dutos de bombeamento” transportando o fluido do coletor da sução em direção ao coletor do recalque a medida que gira o eixo motriz. Ao inverter o sentido de rotação do eixo motriz, o sentido do fluxo se inverte, portanto, cada um dos coletores pode atuar como coletor de sucção ou recalque. Um dos coletores oferece um caminho interno para o eixo, o denominado “coletor eixo” (parte 13- figs 1 e 2) e o outro um coletor simples, (parte 14- figs 1 e 2).

[038] As engrenagens lobulares giram livremente (montadas apenas nos rotores) através de seu eixo que se encontra apoiado em mancais presentes no rotor. Entretanto, mesmo sem o uso do eixo, as engrenagens lobulares podem funcionar bem pois se encontram guiadas e centradas também pelo encaixe e contato constante de pelo menos 2 dos 5 lóbulos de cada engrenagem lobular encaixado em um sulco espira estando a engrenagem lobular sempre apoiada também pela sua superfície de contato lateral de seu disco interno com a dita superfície de varredura do rotor.

[039] As ditas espiras internas são compostas por um tipo de rosca que apresenta em algumas configurações uma trajetória completa única e contínua sendo descrita na superfície interna da carcaça de espiras. A trajetória completa do desenho que gerou os sulcos da carcaça de 8 entradas pode ser observada nas figuras 5, 6 e 7 sendo a figura 7 um corte central, os desenhos completos das figuras 5 e 6 são constituídos de apenas uma linha contínua pois no desenho que define a trajetória dos sulcos, o sulco do início de um “sulco espira” deve coincidir com o término desta mesma espira ou de uma outra espira, uma possibilidade no caso de haver mais de uma entrada. Existe uma relação entre o número de entradas, diâmetro de translação das engrenagens lobulares, diâmetro das engrenagens lobulares, número de lóbulos, passo das espiras e todas estas definições na geometria devem ser estipuladas de modo que coincida perfeitamente com as dimensões e o espaçamento equidistante entre os lóbulos das engrenagens lobulares como foi demonstrado em todas as figuras de montagens.

[040] Cada uma das carcaças admite apresentar um mancal (subparte 3-figs 1,2,4 e 8), mas existe a liberdade de ser definido em projeto apoiar apenas um dos eixos do rotor em um mancal em apenas uma das carcaças ou dispensar a adoção de mancais nas duas carcaças, principalmente se a bomba for acionada diretamente pelo eixo de um motor, de preferência um motor do tipo flangeado para garantir um perfeito alinhamento com o eixo do rotor dispensando o uso de acoplamentos e ou juntas flexíveis entre o eixo do motor e o rotor. É indicado um tratamento superficial e ou a adoção de um recobrimento superficial nas superfícies que vão atuar no mancal para reduzir o atrito entre as partes. A adoção de luvas de material sintético ou rolamentos para atuar na função de mancal entre o eixo e a carcaça é prevista e indicada.

[041] A carcaça de espiras pode ser o elemento de fixação, a peça estática que pode ser fixa através de pés ou uma flange fixa na “flange central”. Nada impede que as caraças de espiras sejam postas a girar podendo estar o eixo do rotor estático ou girando em sentido contrário. A simetria radial do projeto é favorável à movimentação externa das referidas carcaças.

[042] O “sistema de bombeamento de espiras internas” apresenta vários modelos, configurações nas mais variadas proporções, sendo mais ou menos achatada, aproximando mais do formato de uma esfera ou de um disco de acordo com a configuração adotada. Nesta mesma premissa a bomba admite uma configuração com uma rosca interna de apenas uma entrada assim como existem configurações com 10 entradas ou mais. De forma análoga, de acordo com as definições da configuração do projeto, as engrenagens lobulares apresentam variados números de lóbulos, sendo possível ser definida uma engrenagem lobular com mais de 10 lóbulos. As configurações que apresentam mais de 5 lóbulos normalmente são voltadas para o bombeamento de gases e apresentam a carcaça complementar sem sulcos espiras, a denominada “carcaça lisa” (parte 2-figs 12 e 13). Para demonstrar a versatilidade de número de entradas e de lóbulos nas engrenagens lobulares serão apresentados 2 modelos. Um exemplo será uma configuração (figs-9,10,11 e 12) da bomba com 3 entradas com 3 engrenagens lobulares com 12 lóbulos. Outra configuração (figs-13,14 e 15) apresentada será uma bomba com 4 entradas com 5 engrenagens lobulares com 14 lóbulos. Na configuração de 4 entradas representada pelas figuras 13,14 e 15, cada sulco ou entrada apresenta 9 lóbulos atuantes formando 7 câmaras de volume decrescente em direção ao recalque central para cada uma das entradas, totalizando 28 câmaras, similar ao que ocorre em uma bomba tipo scrool. Devido à redução progressiva do tamanho das câmaras estas configurações não são indicadas para o bombeamento de fluidos incompressíveis. As configurações como as exemplificadas com a carcaça lisa admitem comportar 10 ou mais engrenagens lobulares. No caso do uso de 10 engrenagens lobulares, aumentaria o número de lóbulos atuantes em cada sulco espira, propiciando uma melhor vedação e consequentemente uma maior capacidade de atingir pressões mais elevadas. De acordo com o projeto, a distância a ser definida entre os sulcos espiras admite ser alterada, uma maior distância entre os sulcos propicia uma melhor vedação entre as superfícies de contato do rotor e da carcaça de espiras, pois a área de ajuste ou mínimo contato entre a “superfície de varredura do rotor” (subparte 15- figs 4, 8, 12,13 e 23) e a lateral toroidal do rotor se torna maior. A bomba (figs-9,10,11 e 12) com 3 entradas com engrenagens de 12 lóbulos apresenta os lóbulos mais afastados que o modelo (figs-13,14 e 15) com 14 lóbulos, portanto, a região da “superfície de varredura do rotor” fica menos sujeita a vazamentos. Estas configurações com engrenagens com muitos lóbulos, apresentam os lóbulos menos salientes que as configurações voltadas para alta vazão e apresentam portanto os “sulcos espiras” mais rasos, com perfil positivo. Os modelos com lóbulos menos salientes ou rasos são denominados de forma individual como “sulco raso” (subparte 10- figs 12 e 13). Como consequência do elevado número de lóbulos e portanto um maior diâmetro das engrenagens lobulares, logicamente o diâmetro na região lateral dos rotores, a parte curva mais externa em formato toróide dos rotores é muito maior, assim como o raio da dita “superfície de varredura do rotor”. As configurações com os sulcos espiras rasos, permitem a montagem com engrenagens lobulares com 6 ou mais lóbulos desde que estes sejam também pouco salientes e com a condição de apenas a carcaça inferior apresentar os sulcos.

[043] As configurações comentadas neste pedido de patente com mais de 5 lóbulos por engrenagem lobular apresentam uma compressão interna durante o funcionamento e permitem a montagem de múltiplas engrenagens lobulares devido ao fato das engrenagens lobulares apresentarem uma espessura muito menor, o motivo será explicado mais à frente. Estes fatores são favoráveis à possibilidade desta configuração atuar como um compressor de gases, como por exemplo, em sistemas de refrigeração. A opção de montagem em série também é possível para esta configuração com sulcos rasos e múltiplas engrenagens lobulares com mais de 5 lóbulos com o emprego de uma “carcaça lisa”. A bomba na configuração para bombeamento de gases constitui uma opção compacta muito equilibrada, de ótimo rendimento mecânico, com destaque para a emissão sonora muito baixa por não apresentar movimentação alternada ou oscilante. É relativamente compacta em relação à enorme capacidade de vazão apresentada pela configuração do “sistema de bombeamento de espiras internas” de 8 entradas com lóbulos salientes, projeto voltado para a alta vazão no bombeamento de líquidos a ser comentado a seguir.

[044] Objetivando atingir uma alta vazão com o mínimo volume externo foi desenvolvida uma configuração do “sistema de bombeamento de espiras internas” com lóbulos salientes representado nas figuras 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8 e 16 a 23 e em série na figura 27. A configuração de alta vazão utiliza engrenagens lobulares com lóbulos salientes com apenas 5 lóbulos, atuando apenas um lóbulo por sulco na maior parte do bombeamento, enquanto um lóbulo está saindo de uma extremidade de um sulco, outro lóbulo acaba de adentrar no início deste sulco espira (na outra carcaça) para evitar o refluxo em baixas rotações. A configuração de maior capacidade de vazão a ser ilustrada apresenta 4 engrenagens lobulares de 5 lóbulos e as “carcaças de espiras” com uma rosca interna com 8 entradas de sulcos espiras. Será apresentado também uma configuração similar com sulcos salientes de 4 entradas. O projeto de 4 entradas será comentado de forma mais superficial, apresenta apenas uma vista de uma carcaça neste modelo (fig-4). O objetivo é apenas ilustrar as variações possíveis e algumas implicações desta variação geométrica.

[045] A configuração da bomba de espiras internas com engrenagens lobulares de apenas 5 lóbulos e do tipo salientes apresentam os sulcos espiras do tipo envolvente (subparte 10-fig, 1,4 e 8) para alojar os lóbulos mais salientes. O objetivo é aumentar a área da seção de varredura dos lóbulos para que os dutos de bombeamento, ou seja, a região interna dos sulcos espiras que definem as câmaras de bombeamento, apresentem um volume maior. Ao invés da borda do sulco envolver o lóbulo apenas até a sua máxima largura como nos exemplos das bombas exemplificadas com sulcos mais rasos, o sulco envolvente ultrapassa o diâmetro do lóbulo, tornando os lóbulos embutidos nos sulcos espiras na montagem. Da mesma forma, como pode ser observado nas figuras com engrenagens com 5 lóbulos, os lóbulos das mesmas são mais salientes, a região mais larga de cada lóbulo está bem acima da sua região de fixação na engrenagem lobular. A primeira vista parece que a geometria com perfil negativo do sulco espira impossibilita a montagem, já que a medida do diâmetro da lateral do lóbulo é maior que a dita região denominada como entrada do sulco. Entretanto a montagem é possível e foi comprovada durante a montagem do protótipo (figura 30) em funcionamento na foto. Durante a montagem, as engrenagens devem ser inseridas logo após o término da entrada de uma espira, estando o lóbulo mais externo situado na região de união das carcaças envolvido pela junção das duas carcaças através da “flange central” (subparte 16, figs 4 e 8). Nesta posição demonstrada, um lóbulo de uma engrenagem lobular se encontra na entrada de um sulco, o seguinte está no meio do trajeto de outro sulco, região da união dos sulcos e o terceiro lóbulo seguinte está na saída de um outro sulco subsequente.

[046] Comparando “o sistema de bombeamento de espiras internas” com sulcos envolventes de 8 entradas com a configuração de 4 entradas, a bomba de de 8 entradas apresenta a capacidade volumétrica muito maior que a bomba de espiras internas de 4 entradas. Ambos com 115mm de diâmetro a configuração com 8 entradas da figura 30 bombeia 260ml contra 150 ml por volta da configuração de 4 entradas. A bomba de 4 entradas deverá apresentar no mínimo 2 engrenagens lobulares opostas de 5 lóbulos, já a bomba de 8 entradas de mesmo diâmetro externo, deverá apresentar no mínimo 4 engrenagens lobulares de 5 lóbulos também equidistantes para garantir que dentro de cada duto de bombeamento esteja presente ao menos um lóbulo. A bomba com 4 entradas apresenta uma ângulo menor nas espiras e por isto necessita de uma engrenagem lobular de espessura bem menor. Este efeito da configuração possibilitar o uso de engrenagens lobulares mais estreitas devido à dita menor angulação dos sulcos espiras pode ser observado nas figuras 10,11, 14 e 15 nas configurações de sulcos rasos. Por outro lado, a necessidade de uma engrenagem lobular mais espessa pode ser melhor observada nos cortes da configuração de 8 entradas demonstrados nas figuras 18 a 22, pois o ponto de contato entre a superfície do sulco está muito próximo ao final da curvatura do lóbulo, se a engrenagem lobular fosse mais estreita perderia o contato com a superfície do sulco gerando um ponto de fuga ou retomo do bombeamento. Voltando a comparar a configuração de 4 entradas com a de 8 entradas, a bomba de 8 entradas, por ter uma angulação maior nas espiras, ao girar apenas 90 graus, os lóbulos percorrem totalmente o comprimento dos sulcos, portanto, bombeia todo o volume dos 8 dutos de bombeamento 4 vezes a cada volta do eixo motriz do rotor, este é um dos fatores principais para a elevada capacidade de vazão. A bomba de 4 entradas por sua vez necessita de meia volta para que cada lóbulo percorra todo o percurso do sulco espira, reduzindo muito a capacidade de vazão. As engrenagens lobulares da bomba de 4 entradas giram giram 4/5 de volta ao passo que na bomba de 8 entradas as engrenagens lobulares giram 8/5 de volta a cada rotação do eixo motriz. Em virtude da rotação menor das engrenagens lobulares, a bomba de 4 entradas apresenta uma movimentação mais suave e com menor desgaste por apresentar menos lóbulos passando por sulco espira a cada rotação. Por outro lado, devido ao seu funcionamento mais suave em decorrência do menor ângulo das espiras e pela menor rotação das engrenagens lobulares, a bomba de 4 entradas é mais apta a girar à uma rotação máxima mais elevada, condição de maior desgaste que compensaria em parte a menor capacidade volumétrica. De forma análoga, o modelo de 8 entradas ao girar numa rotação 40% menor que a de 4 entradas apresenta ainda assim uma vazão um pouco superior.

[047] O “sistema de bombeamento de espiras internas” é propício à ser montado em série visando atingir uma maior pressão de recalque em relação ao emprego de apenas um estágio. A configuração multiestágios pode ser observada em uma vista em corte radial de uma montagem com 3 estágios, a figura 27. Existe um modelo de rotor que apresenta uma pequena ponta de eixo estriada ou com um ou mais rasgos de chaveta em sua extremidade para servir de base para o acoplamento entre os eixos dos estágios através de uma luva compatível. O dito acoplamento foi ilustrado através da adoção de uma “luva de acoplamento” (parte 23- fig 27 em corte). Para ser compatível com os rasgos de chaveta (subparte 24- fig 27 em corte) o tipo de encaixe presente na extremidade do eixo do rotor solidário no modelo que está exemplificado na figura 27, a dita “luva de acoplamento” apresenta logicamente 3 rasgos de chavetas onde estão inseridas as chavetas. As chavetas estão ocultas no desenho, por estar dentro das luvas de acoplamento. Ao invés do emprego de rasgos de chavetas o projeto admite a adoção de um eixo estriado compatível com a estria interna a ser adotada na luva de acoplamento. A luva de acoplamento portanto é inserida na região de união entre os eixos de cada estágio. Para acoplar as carcaças na união entre os estágios e ao mesmo tempo unir os coletores, uma solução simples é o “coletor de acoplamento” (parte 22 - fig 27), uma luva com um tipo de acoplamento nas duas extremidades, no caso representado o coletor de acoplamento é um cilindro com uma rosca externa contínua. Portanto o “coletor de acoplamento” exerce a função de unir os estágios de modo que o recalque do estágio anterior fique acoplado à sucção do próximo estágio. O “sistema de bombeamento de espiras internas” admite apresentar 10 estágios ou mais, como foi dito, vai depender da pressão de bombeamento a ser requerida pelo projeto.

[048] Ao observar a representação da montagem da bomba com 8 entradas (fig-2), devido ao plano de corte, como a linha de contato do lóbulo com a carcaça não ocorre em um plano radial, não dá para visualizar o ajuste entre as peças, fator responsável pela vedação entre o lóbulo e o sulco espira. Na figura 16 está demostrado a posição do corte ortogonal em relação a um sulco espira e na figura 17 uma vista da seção do corte do lóbulo mais externo. A figura 18 apresenta as carcaças de espiras internas com transparência. Através desta transparência é possível observar uma mancha em zigue zague (detalhe 18- fig 18) formada pela linha de contato entre a engrenagem lobular e os sulcos espiras.

[049] A espessura da parte interna do rotor, ou seja, a região entre o eixo e o início da superfície toróide deve ser definida para que o comprimento do trajeto do percurso dos lóbulos nesta região interna do rotor, permita que durante o retorno dos lóbulos ao interior dos rotores, ao menos um dos lóbulos fique presente neste caminho descrito no interior dos rotores, este canal de passagem dos lóbulos é denominado por “canal de refluxo” (subparte 17- figs 2,12,13,19 e 26). O objetivo é manter sempre esta seção obstruída por ao menos 1 lóbulo para evitar um livre retorno do fluido nesta região. Como pode ser observado na figura 2, 2 lóbulos estão situados no interior da fenda radial dos rotores, um na entrada e o outro na região próxima à saída do “canal de refluxo”, impedindo o retorno livre do fluxo nesta região da fenda radial dos rotores. Na posição de funcionamento ilustrada na figura 12 está presente apenas um lóbulo no canal de refluxo e na figura 13 a engrenagem lobular está na posição que apresenta 2 lóbulos no canal de refluxo, garantindo sempre a obstrução do “canal de refluxo”.

[050] As figuras 19, 20, 21 e 22 são cortes consecutivos no desenho da bomba de 8 entradas para demostrar por outro ângulo o perfeito ajuste entre os lóbulos e os sulcos espiras.

[051] A figura 23 é uma representação da bomba de 8 entradas em um corte radial fora da região das engrenagens lobulares para demonstrar o ajuste entre a superfície lateral toroidal dos rotores e a área de varredura do rotor (subparte 15- figs 4, 8, 12,13 e 23).

[052] No tocante à distribuição de forças, a pressão de bombeamento atua exercendo uma força lateral nas engrenagens lobulares através da linha de contato entre o lóbulo e a superfície interna dos sulcos espiras, esta linha de contato do lóbulo pode ser observada no detalhe 18 da figura 18. Esta força de reação ao bombeamento pouco interfere contra o movimento de rotação das engrenagens lobulares, pois, o ângulo entre a força de reação ao bombeamento exercida nos lóbulos é próxima à perpendicular à face do lóbulo. Portanto, quanto mais próximo for da perpendicular o ângulo entre a face do lóbulo e a trajetória do sulco espira melhor será para a maior durabilidade da bomba. Desta forma, quanto menor for o ângulo do passo da rosca toroidal, mais próximo estará da perpendicular o ângulo entre a direção da força aplicada pela pressão do fluido e a superfície lateral dos lóbulos. Quanto menos entradas apresentar o projeto da bomba, assim como um diâmetro de translação maior, menor será o ângulo médio da hélice estabelecida pelos “sulcos espiras”. É previsto o tratamento superficial ou recobrimento com metais propícios para a atuação como mancais na superfície da região lateral do disco central da engrenagem lobular e na superfície lateral das fendas radiais. A adoção de buchas axiais essencialmente metálicas, bronzinas ou buchas sintéticas ou de rolamentos axiais instalados entre a lateral fenda radial dos rotores e a lateral das engrenagens lobulares é recomendado para garantir um baixo coeficiente de atrito nesta região de forte apoio entre os componentes.

[053] Um outro fator favorável à rotação dos lóbulos é o bombeamento reverso que ocorre pela passagem de fluido entre os lóbulos na região do “canal de refluxo”, fornecendo este fluxo um torque no sentido da rotação destas engrenagens. Apesar de gerar um prejuízo ao volume bombeado este retomo gera vantagens consideráveis ao funcionamento da bomba. O refluxo nesta região ocorre no sentido da região de maior pressão para uma região de menor pressão, interliga o recalque com a sucção transferindo torque para as engrenagens lobulares e neste processo, dependendo da configuração é possível tornar as engrenagens lobulares condutoras no seu movimento de rotação ao invés de conduzidas pelos sulcos espiras. A condição das engrenagens lobulares apresentarem uma fonte motriz além da rotação definida pelos sulcos espiras propicia a gerar pressões superficiais menores entre os lóbulos e os sulcos espiras, portanto menos desgaste e vibrações.

[054] Os “lóbulos” admitem apresentar um formato retangular (fig-24), continuando abaulados na sua lateral sendo a peça neste formado retangular denominada por “engrenagem retangular” (peça 19-fig 24). Logicamente o formato dos sulcos espirais seria alterado para se adaptar a este novo formato dos lóbulos, sendo denominado por “sulco espira retangular” (subparte 20-fig 24). Esta nova geometria dos lóbulos e dos sulcos espiras visa aumentar ainda mais a capacidade volumétrica do “sistema de bombeamento de espiras internas”. Este tipo de bomba com os lóbulos retangulares será denominada por “Bomba de espiras internas retangulares”.

[055] A bomba de espiras internas apresenta uma versão em que as engrenagens lobulares estão dispostas de forma oblíqua, buscando estar mais próximo à posição ortogonal em relação aos sulcos como pode ser observado no estudo geométrico apresentado na figura 25. Um dos objetivos das engrenagens lobulares estarem em um plano o mais ortogonal possível à seção dos dutos de bombeamento já foi abordado no parágrafo 52, está relacionado à uma redução no desgaste devido à decomposição das forças de reação ao bombeamento que atuam nos lóbulos, evitando que a pressão exercida no fluido durante o bombeamento gere forças contrárias à movimentação de rotação da engrenagem lobular. Esta geometria permite um número maior de engrenagens lobulares pois estas podem ser muito mais estreitas, a bomba poderá apresentar mais entradas e uma maior capacidade volumétrica, muito maior que a bomba de 8 entradas citada como exemplo. Outro fator seria um menor volume de bombeamento reverso devido à menor espessura das engrenagens lobulares acarretando em um “canal de refluxo” mais estreito e portanto um menor volume entre as engrenagens lobulares no “canal de refluxo”. O bombeamento reverso foi abordado no parágrafo 53. Esta configuração da bomba de espiras internas com as engrenagens lobulares em um plano inclinado seria denominada por “bomba de espiras internas de engrenagens oblíquas”. O desenho da bomba conceito da figura 25 apresenta 21 entradas e 21 engrenagens lobulares apresentando 3 lóbulos atuantes em cada sulco. Estão representadas apenas 3 engrenagens lobulares em fendas consecutivas, mas na montagem completa, deverá estar instalada uma engrenagem lobular em cada uma das fendas. Nesta configuração apresentada na figura 25, a quantidade mínima seria de 7 engrenagens lobulares equidistantes para garantir que ao menos um lóbulo esteja presente em cada sulco durante o bombeamento. Os rotores sempre apresentam um número de “fendas radiais” equivalente ao número de engrenagens lobulares adotadas no projeto.

[056] Observando a figura 26 é possível observar as variações na configuração do projeto permitem que o rotor apresente um espaço interno maior a ponto de caber um motor (parte 21-fig 26). Na figura 26 está representado um motor elétrico embutido dentro do rotor da bomba estando a sua carcaça fixa ao referido rotor estando o eixo do referido motor fixo em uma das carcaças de espiras internas.

[057] As peças das bombas de espiras internas podem ser fabricadas via injeção em plástico ou resinas, impressas (processo FDM, SLA, DLP, SLS ou com metais DMLS e SLM), sinterizadas (metalurgia do pó), fundidas em cera perdida pelo processo de microfusão e ou usinadas. O tratamento de superfície nas peças é uma ótima opção como artifício para aumentar a durabilidade em metais de baixo custo de usinagem como o alumínio, sendo uma ótima opção os revestimentos químicos de baixo coeficiente de atrito e ou auto lubrificantes.

[058] A aplicação de revestimentos auto lubrificantes propicia o uso do sistema de bombeamento de espiras internas para atuar no bombeamento de gases. Uma função prevista é o uso como sobre alimentador de ar exercendo a função de um blower em motores a combustão. Outro uso nesta premissa é a atuação como bomba de vácuo. Projetados para exercer estas funções, são respectivamente denominados de “compressor de espiras internas” e “bomba de vácuo de espiras internas”.

[059] O “sistema de bombeamento de espiras internas” exerce a função de motor, ao ser acoplado a um fluido pressurizado em um de seus coletores, sendo propício para utilização em usinas hidrelétricas devido ao tamanho reduzido em relação às outras bombas de deslocamento positivo. O “sistema de bombeamento de espiras internas” pode atuar como motor utilizando fluxos de gases pressurizados como fontes de energia ao ser acoplado em um dos seus coletores uma fonte de pressão de vapor, ar pressurizado ou gases pressurizados provenientes da queima de combustíveis. Ao ser projetado para exercer a função de motor é denominado de “motor de espiras internas”.

[060] É previsto que o “sistema de bombeamento de espiras internas” exerça a função de bomba hidráulica e ao ser projetado para esta função é denominado por “bomba de espiras internas”. A “bomba de espiras internas” admite várias utilizações. É previsto o emprego como bomba d'água para bombeamento de água limpa ou suja, com particulados abrasivos como a areia ou particulados menos abrasivos, bomba alimentícia, bomba sanitária, bomba de óleo, bomba de gasolina, bomba de fluido hidráulico, bomba de hemodiálise, bomba cardíaca auxiliar de uso interno ou externo ou na função de coração artificial. Apresenta uma boa capacidade de sucção devido a sua expansão de longo curso nos dutos de bombeamento, similar aos sistemas a piston. Devido ao fato de não apresentar uma área de esmagamento central (como ocorre por exemplo em uma bomba de engrenagens) é indicada para bombeamento de fluidos muito viscosos como por exemplo, massas alimentícias. A bomba de espiras internas é indicada para o uso como bomba cardíaca de uso interno pois é muito compacta e apresenta a sua superfície interna com uma área pequena em relação à sua capacidade de vazão, fator favorável a gerar menor rejeição em contato com o sangue, desta forma é indicada também para o uso como bomba de hemodiálise.

Claims (10)

1. “Sistema de bombeamento de espiras internas” caracterizado por ser um novo tipo de bomba de deslocamento positivo que apresenta várias câmaras de bombeamento formadas por sulcos que descrevem uma trajetória definida por uma rosca toroidal com uma ou mais entradas, sendo denominados individualmente por “sulco espira” (subparte 10-figs 1,4,8, 12 e 13), os sulcos presentes na superfície interna das “carcaças de espiras” (parte 1-figs 1,2,12 e 13); inseridos nos ditos sulcos espiras atuam os agentes do bombeamento, os “lóbulos” (subparte 9-figs 1 e 3) presentes nas “engrenagens lobulares” (parte 4 - figs 1, 2 e 10); estando as “engrenagens lobulares” alojadas nas “fendas radiais” (subparte 8-figs 1 e 2) presentes em um rotor interno, que pode ser inteiriço (parte 25 - fig 29 em corte e fig 28) ou constituído de 2 partes, sendo uma das partes do rotor, o “rotor eixo” (parte 6- figs 1 e 2) sendo a outra parte do rotor composta pelo “rotor solidário” (parte 7- fig 1 e 2).
2. “Sistema de bombeamento de espiras internas” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estabelecer uma configuração que utiliza os “sulcos espiras” no modelo de “sulco envolvente” (subparte 10-figs 1,2,4,8,16 a 23 e 27).
3. “Sistema de bombeamento de espiras internas” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estabelecer uma configuração que utiliza uma “carcaça lisa” (parte 2-figs 12 e 13) com apenas uma das carcaças apresentando os “sulcos espiras”, sendo distinta por permitir que o projeto nesta configuração apresente mais de 4 engrenagens lobulares, admitindo em projeto que cada engrenagem lobular apresente mais de 5 lóbulos, figuras 9 a 15.
4. “Sistema de bombeamento de espiras internas” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por apresentar em uma configuração os lóbulos em formato retangular ou trapezoidal, a dita “engrenagem retangular” (peça 19-fig 24) que atua nos “sulcos espiras retangulares” (peça 20-fig 24) sendo a bomba nesta configuração denominada por “bomba de espiras retangulares”.
5. “Sistema de bombeamento de espiras internas” de acordo com a reivindicação 1, é caracterizada por apresentar uma configuração com as engrenagens lobulares dispostas de forma oblígua, ou seja, não paralela ao eixo de rotação (figura 25) sendo denominada por “bomba de espiras internas de engrenagens oblíquas”.
6. “Sistema de bombeamento de espiras internas” de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por apresentar em uma das configurações um motor elétrico instalado no interior do rotor (parte 21-fig 26).
7. “Sistema de bombeamento de espiras internas” caracterizado por exercer a função de bomba hidráulica; ao ser projetada para esta função será denominada por “bomba de espiras internas”, sendo previsto o uso como bomba para água limpa ou com particulados como a areia ou particulados pouco abrasivos, bomba alimentícia, bomba para fluidos mais viscosos como as massas, bomba sanitária, bomba de óleo, bomba de gasolina, bomba de fluido hidráulico, bomba de hemodiálise, bomba cardíaca de uso interno ou externo sendo previsto atuar como uma bomba auxiliar ou principal substituindo um coração exercendo a função de coração artificial, sendo prevista a utilização da “bomba de espiras internas” nos usos descritos de forma separada ou em outros sistemas mais complexos como motores a combustão, turbinas a jato e foguetes exercendo a função de bomba de óleo e ou gasolina; sendo previsto atuar na função de fornecer potência hidráulica para algum sistema hidráulico como um motor hidráulico ou piston hidráulico em separado ou para um componente hidráulico presente em uma máquina como um trator, guindaste, escavadeira, prensa industrial, aeronave ou veículo.
8. “Sistema de bombeamento de espiras internas” caracterizado por exercer a função de motor ao ser acoplada em um dos coletores a algum fluido pressurizado; ao ser projetada para exercer esta função será denominada de “motor de espiras internas”; sendo previsto o uso como um motor hidráulico inclusive na função desempenhada hoje pelas turbinas de usinas hidrelétricas, sendo previsto o emprego de fluxos de gases pressurizados, como por exemplo, pressão de vapor e ou ar pressurizado ou gases pressurizados provenientes da queima de combustíveis, atuando nesta função como um motor a ser utilizado em separado para mover um gerador ou ser utilizado em sistemas mais complexos como automóveis, máquinas industriais e aeronaves.
9. “Sistema de bombeamento de espiras internas” caracterizado por exercer a função de bombear gases e atuar como um compressor; ao ser projetado para esta função, o sistema será denominado de “compressor de espiras internas”; sendo previsto o emprego em sistemas de refrigeração na função de compressor; outro uso previsto como compressor é a utilização em automóveis, aeronaves e máquinas providas de motor a combustão na função de sobre alimentador de ar, a função exercida pelo equipamento conhecido como supercharger ou blower.
10. “Sistema de bombeamento de espiras internas” caracterizado por exercer a função atuar como uma bomba de vácuo, ao ser projetado para esta função será denominado por “bomba de vácuo de espiras internas”.

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