BR112015002521B1

BR112015002521B1 - Atuador linear

Info

Publication number: BR112015002521B1
Application number: BR112015002521-8A
Authority: BR
Inventors: Jesse Morin; Edmund McHugh; Michael Hanes
Original assignee: Cameron Technologies Limited
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2021-12-28
Also published as: GB2522786B; BR112015002521A2; WO2014025631A1; NO342471B1; SG11201500670QA; GB2522786A; NO20150169A1; US20140033842A1; US9222555B2; GB201501224D0

Abstract

atuador linear. um atuador linear (42) é fornecido. em uma modalidade, o atuador (42) inclui um motor 44), uma caixa de engrenagens (48), e um dispositivo de atuação linear (50). o motor serve como uma entrada primária para fornecer uma entrada rotacional à caixa de engrenagens, que gera uma saída rotacional correspondente. o dispositivo de atuação linear converte a saída rotacional da caixa de engrenagens em um movimento linear para acionar uma carga (52) em uma direção linear. o atuador inclui um sistema de substituição (54) como uma entrada secundária. o sistema de substituição pode ser operado para acionar a caixa de engrenagens na eventualidade que o motor se torna não operacional. dispositivos antiacionamento reverso (46, 56) podem ser fornecidos para impedir acionamento reverso do motor e do sistema de substituição. no contexto de um sistema de extração de recurso, o motor pode ser um motor elétrico acionado por sistema de controle eletrônico submarino. sistemas adicionais, dispositivos, e métodos são também descritos.

Description

ANTECEDENTES

[001] Esta seção é destinada a introduzir o leitor aos vários aspectos da técnica que podem estar relacionadas aos vários aspectos das modalidades presentemente descritas. Acredita-se que esta discussão seja útil em fornecer o leitor com informação de base para facilitar um entendimento melhor dos vários aspectos das modalidades presentes. Consequentemente, deve ser entendido que estas declarações devem ser lidas nesta luz, e não como admissões da técnica anterior.

[002] A fim de atender à demanda do consumidor e industrial por recursos naturais, companhias frequentemente investem quantidade significante de tempo e dinheiro na busca e extração de petróleo, gás natural e outros recursos subterrâneos da terra. Particularmente, uma vez que um recurso subterrâneo desejado é descoberto, sistemas de perfuração e produção são frequentemente empregados para acessar e extrair o recurso. Estes sistemas podem estar localizados em terra ou no mar dependendo da localização de um recurso desejado.

[003] Adicionalmente, tais sistemas em geral incluem uma montagem de cabeça de poço através da qual o recurso é extraído. Estas montagens de cabeça de poço podem incluir uma ampla variedade de componentes que controlam as operações de perfuração e/ou extração. Tais componentes podem incluir uma ou mais árvores de produção (frequentemente referidas como "árvores de natal"), controlar módulos, um sistema de prevenção de explosão, e vários invólucros, válvulas, condutos de fluido, e similares, que em geral facilitam a extração de recursos de um poço para transportar para a superfície. Como pode ser apreciado, as árvores de produção frequentemente incluem certos elementos para monitorar e controlar fluxo, tais como válvulas de afogador (frequentemente referidas como "afogador") e medidores de fluxo, bem como válvulas de medição de injeção química, vários sensores e assim em diante.

[004] Durante o processo de extração de recurso, a taxa de fluxo de recursos extraídos do poço pode ser regulada usando dispositivos de controle de fluxo, tal como uma válvula. Em geral, válvulas para regular a taxa de fluxo são controladas usando um atuador. Por exemplo, um afogador pode incluir uma haste que é designada para ser golpeada ao longo de uma trajetória linear entre uma posição aberta e uma posição fechada usando um atuador linear designado para aplicar uma força para acionar uma carga (por exemplo, haste de afogador) em uma direção linear. Por exemplo, o atuador pode controlar a posição da haste para a posição aberta, a posição fechada, ou para uma posição intermediária entre a posição aberta e fechada dependendo de uma taxa de fluxo desejada. Tipicamente, uma taxa de fluxo máxima é alcançada através do afogador quando a haste é controlada para a posição aberta, e uma taxa de fluxo mínima é alcançada através do afogador quando a haste é controlada para a posição fechada. Adicionalmente, as taxas de fluxo intermediárias podem ser obtidas controlando a haste para uma posição intermediária (por exemplo, uma que está entre as posições aberta e fechada).

[005] Atuadores empregados em aplicações de extração de recursos tipicamente incluem um mecanismo de acionamento de entrada, tal como um motor hidráulico ou elétrico. Por exemplo, o motor pode fornecer uma força rotacional que é usada para acionar um ou mais conjuntos de engrenagens do atuador. Um dispositivo de atuação linear pode então converter movimento rotativo gerado pelo conjunto(s) de engrenagens em movimento linear para acionar uma carga, tal como a haste de uma válvula, para controlar a taxa de fluxo. Como podem ser apreciados, tais atuadores são tipicamente desenhados com certos parâmetros adequados para condições extremas que são frequentemente associadas com aplicações de extração de recursos em terra ou no mar. Por exemplo, em uma aplicação submarina no mar, pode ser desejável fornecer um atuador capaz de operar sob condições de pressão alta, tal como milhares de quilos por centímetro quadrado de pressão, e de manter altas cargas de empuxo dinâmicas e cargas estáticas (por exemplo, 9.072 kg ou maior) enquanto também sendo capaz de golpear completamente uma carga, tal como a haste de uma válvula de afogador, de uma posição aberta para uma posição fechada dentro de uma quantidade de tempo relativamente curta (por exemplo, 5 a 10 minutos).

[006] Alguns atuadores existentes podem ser capazes de satisfazer tais condições de operação, mas exigem tipicamente uma quantidade de energia que excede aquela que está disponível na maioria dos sistemas de controle eletrônico submarino convencionais. Um sistema de energia maior separado para fornecer energia dedicada para acionar tal atuador pode ser exigido, que adiciona a complexidade e custos associados com extração de recurso submarino. Adicionalmente, alguns atuadores existentes podem ser suscetíveis para acionar de volta sob certas condições. Por exemplo, quando a pressão de fluido que atua em uma haste de um afogador é bastante grande, a haste pode ser forçada de uma posição fechada ou intermediária para a posição aberta. Como resultado, o conjunto(s) de engrenagens e motor do atuador pode experimentar acionamento reverso, que é em geral indesejável.

SUMÁRIO

[007] Certos aspectos de algumas modalidades descritas aqui são descritas abaixo. Deve ser entendido que estes aspectos são apresentados meramente para prover o leitor com um breve sumário de certas formas que a invenção poderia assumir e que estes aspectos não são destinados a limitar o escopo da invenção. De fato, a invenção pode abranger uma variedade de aspectos que podem não estar descrita abaixo.

[008] Modalidades da presente descrição se referem em geral a um atuador linear. O atuador linear pode ser usado para aplicar uma força direcionada linear para mover uma carga, tal como a haste de uma válvula para controlar a taxa de fluxo. Em uma modalidade, o atuador inclui uma entrada primária, uma entrada secundária, uma caixa de engrenagens, e um dispositivo de atuação linear tendo uma cremalheira e pinhão. A entrada primária pode ser fornecida por um motor elétrico que distribui uma entrada rotacional para a caixa de engrenagens. Uma saída rotacional resultante da caixa de engrenagens gira o pinhão, baixando ou elevando assim a cremalheira, que pode ser acoplada à carga. No caso de falha da entrada primária, a entrada secundária pode ser usada como uma substituição para controlar a caixa de engrenagens. O atuador linear ainda inclui dispositivos de antiacionamento reverso associados com ambas as entradas. Estes dispositivos de antiacionamento reverso permitem que a caixa de engrenagens seja acionada para frente, enquanto impede que cada entrada seja acionada para trás.

[009] Vários refinamentos dos aspectos notados acima podem existir em relação aos vários aspectos das modalidades presentes. Aspectos adicionais podem também ser incorporados nestes vários aspectos também. Estes refinamentos e recursos adicionais podem existir individualmente ou em qualquer combinação. Por exemplo, vários aspectos discutidos abaixo em relação a uma ou mais das modalidades ilustradas pode ser incorporada em qualquer um dos aspectos descritos acima da presente invenção sozinha ou em qualquer combinação. Novamente, o breve sumário apresentado acima é destinado somente a familiarizar o leitor com certos aspectos e contextos de algumas modalidades sem limitação para o assunto reivindicado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] Estas e outras características, aspectos e vantagens de certas modalidades serão compreendidas melhor quando a descrição detalhada seguinte é lida com referência aos desenhos anexos, em que caracteres iguais representam partes iguais em todos os desenhos, em que:

[0011] a figura 1 representam um sistema de extração de recurso que inclui uma árvore de produção de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0012] a figura 2 é um diagrama de bloco ilustrando uma árvore de produção tendo um afogador controlado por um atuador linear de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0013] a figura 3 é um diagrama de bloco ilustrando componentes do atuador linear mostrado na figura 2 de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0014] a figura 4 é uma vista em elevação lateral do atuador mostrado na figura 3 de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0015] a figura 5 é uma vista plana superior do atuador linear representado na figura 4;

[0016] a figura 6 é uma vista em perspectiva do atuador linear representado na figura 4;

[0017] a figura 7 é uma vista em elevação dianteira do atuador linear representado na figura 4;

[0018] a figura 8 é uma vista em seção transversal do atuador linear representado nas figuras 4 a 7 tomada através de linha de corte 8-8 da figura 7, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0019] a figura 9 é uma vista em seção transversal parcial do atuador linear, como mostrado na figura 8, ilustrando uma caixa de engrenagens e sistema de substituição do atuador linear representado nas figuras 4 a 7 em mais detalhe de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0020] a figura 10 é uma vista em perspectiva da caixa de engrenagens e sistema de substituição, como mostrado na figura 9;

[0021] a figura 11 é uma vista explodida em perspectiva mostrando múltiplos conjuntos de engrenagens da caixa de engrenagens representados nas figuras 9 e 10 de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0022] a figura 12 é uma vista em seção transversal de um primeiro conjunto de engrenagens tomada através da linha de corte 12-12 da figura 11 de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0023] a figura 13 é uma vista em seção transversal de um segundo conjunto de engrenagens tomada através da linha de corte 13-13 da figura 11 de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0024] a figura 14 é uma vista em seção transversal de um terceiro conjunto de engrenagens tomada através da linha de corte 14-14 da figura 11 de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0025] a figura 15 mostra o atuador linear representado nas figuras 4 a 7 disposto em um alojamento de acordo com uma modalidade da presente invenção; e

[0026] a figura 16 mostra o atuador linear alojado, como representado na figura 15, mas com uma parte removida para expor um motor do atuador linear, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES ESPECÍFICAS

[0027] Uma ou mais modalidades específicas da presente invenção serão descritas abaixo. Em um esforço para fornecer uma descrição concisa destas modalidades, todos os aspectos de uma implementação real podem não ser descritos no relatório. Deve ser apreciado que no desenvolvimento de qualquer implementação real, como em qualquer projeto de engenharia ou design, numerosas decisões específicas de implementação devem ser feitas para atingir as metas específicas dos desenvolvedores, tal como concordância com as restrições relacionadas ao sistema e relacionadas ao negócio, que podem variar de uma implementação para outra. Além do mais, deve ser apreciado que tal esforço de desenvolvimento poderia ser complexo e demorado, mas, contudo seria uma tarefa de rotina de design, fabricação, e manufatura para aqueles especialistas tendo o benefício desta invenção.

[0028] Ao introduzir elementos de várias modalidades, os artigos "um", "uma", "o", "a", e "dito", "dita", são destinados a significar que existem um ou mais dos elementos. Os termos "compreendendo", "incluindo", e "tendo"são destinados a serem inclusivos e significam que podem existir elementos adicionais além dos elementos listados. Além do mais, qualquer uso de "superior", "inferior", "acima", "abaixo", outros termos direcionais, e variações destes termos é feito por conveniência, mas não exige qualquer orientação particular dos componentes.

[0029] Referindo-se inicialmente à figura 1, um sistema de extração de recurso exemplar 10 é ilustrado de acordo com uma modalidade da presente invenção. O sistema 10 é configurado para facilitar a extração de um recurso, tal como óleo ou gás natural, de um poço 12. Como mostrado, o sistema 10 inclui uma variedade de equipamentos, tal como equipamento de superfície 14, equipamento de coluna de ascensão 16, equipamento de tubo de exaustão 18, para extrair o recurso do poço 12 por meio de uma cabeça de poço 20. O sistema 10 pode ser usado em uma variedade de aplicações de perfuração ou extração. Adicionalmente, enquanto o sistema 10 é representado como um sistema no mar ou "submarino", será apreciado que sistemas na terra também estão disponíveis. No sistema representado 10, o equipamento de superfície 14 é montado em uma plataforma localizada acima da superfície da água, enquanto o equipamento de tubo de exaustão 18 é acoplado na cabeça de poço 20 próxima ao fundo do mar. O equipamento de superfície 14 e o equipamento de tubo de exaustão 18 podem ser acoplados um ao outro por meio do equipamento de coluna de ascensão 16.

[0030] Como pode ser apreciado, o equipamento de superfície 14 pode incluir uma variedade de dispositivos e sistemas, tais como bombas, suprimentos de energia, carretéis de cabo e mangueira, unidades de controle, um desviador, uma suspensão de cardan, uma aranha de suporte, e similares. Similarmente, o equipamento de coluna de ascensão 16 pode também incluir uma variedade de componentes, tais como junta de colunas de ascensão, válvulas de enchimento, unidades de controle e um transdutor de pressão-temperatura, para citar apenas alguns. O equipamento de coluna de ascensão 16 pode facilitar a transmissão de recursos extraídos 9por exemplo, óleo e/ou gás) para o equipamento de superfície 14 a partir do equipamento de tubo de exaustão 18 e o poço 12.

[0031] O equipamento de tubo de exaustão 18 da figura 1 inclui uma árvore de produção 22, também comumente referida como uma "árvore de Natal" e um módulo de controle submarino (SCM) 24. A árvore 22 pode incluir componentes que controlam o fluxo de um recurso extraído do poço 12 e para cima para o equipamento de coluna de ascensão 16 que por sua vez facilita a transmissão do recurso extraído para cima para o equipamento de superfície 14, como discutido acima. Por exemplo, a árvore 22 pode incluir várias válvulas e condutos, um medidor de fluxo, sensores, e assim em diante. Em algumas modalidades, a árvore 22 pode também fornecer funções adicionais, incluindo funcionalidade de injeção química e alívio de pressão. Como será discutida em detalhe adicional, a árvore 22 pode incluir um afogador que é controlado usando um atuador para ajudar a regular a taxa de fluxo de materiais extraídos do poço 12.

[0032] O módulo de controle submarino (SCM) 24 fornece controle eletrônico e/ou hidráulico dos vários componentes do equipamento de tubo de exaustão 18. Por exemplo, o SCM 24 pode incluir o controlador que fornece comunicação com equipamento de controle na superfície (por exemplo, parte do equipamento de superfície 12). O controlador pode receber dados adquiridos por sensores localizados na árvore 22 e retransmitir tais dados para o equipamento de controle de superfície. Adicionalmente, o controlador pode converter comandos eletrônicos em sinais hidráulicos para controlar componentes hidraulicamente atuados dentro do equipamento de tubo de exaustão. O SCM 24 pode também incluir circuito de energia que recebe energia de um ou mais sistemas de energia localizados na superfície. Consequentemente, o controlador e o circuito de energia do SCM 24 podem ser parte de um sistema de controle eletrônico submarino, que distribui e supre energia elétrica para componentes eletronicamente controlados do equipamento de tubo de exaustão 18. Por meio de exemplo, tal sistema de controle eletrônico pode suprir energia elétrica para acionar um motor elétrico de corrente alternada (CA) ou corrente direta (CD) que aciona um atuador linear para controlar uma válvula de afogador localizada na árvore 22. Em algumas modalidades, múltiplos SCMs 24 podem ser fornecidos com o equipamento de tubo de exaustão 18 para propósitos de redundância.

[0033] A figura 2 é uma representação simplificada de uma árvore 22 que pode ser parte do equipamento de tubo de exaustão 18 representado na figura 1. Como mostrado, a árvore 22 inclui uma tampa de árvore 26, elemento de travamento 28, afogador 30, medidor de fluxo 32, válvula(s) de medição de injeção química 34, válvula(s) de segurança 35, e sensor(es) 36. Tipicamente, o elemento de travamento 28, que pode incluir um ou mais dispositivos de sujeição, prende a árvore 22 na cabeça de poço 20. A tampa de árvore 26 fornece um ponto de acesso através do qual os componentes da árvore 22 podem ser acessados para serviço e/ou comissionamento. Em algumas modalidades, a árvore 22 pode incluir uma árvore de injeção de água, uma árvore de injeção de gás, uma montagem de tubulação, ou um módulo de processo.

[0034] Recursos extraídos durante a operação do sistema 10 podem entrar na árvore 22 por meio de um conduto 38 e fluir através dos vários componentes da árvore 22. Por exemplo, os recursos extraídos do poço 12 podem fluir através do afogador 30 que é usado para controlar a taxa de fluxo dos recursos na medida em que são direcionados para cima para o equipamento de coluna de ascensão 16 e equipamento de superfície 14 por meio de um conduto 40. O medidor de fluxo 32 pode ser acoplado de modo fluido ao afogador 30 e pode incluir um medidor de fluxo de múltiplas fases para medir características de taxas de fluxo de fase individual durante a extração de recurso. Por exemplo, um medidor de fluxo de múltiplas fases 32 pode medir taxas de fluxo de óleo, água, e misturas de gás extraídas do poço 12. Em outras modalidades, o medidor de fluxo 34 pode também incluir um medidor de fluxo de gás úmido configurado para medir as taxas de fluxo de constituintes de um fluxo de gás úmido. Como mostrado na modalidade ilustrada, a árvore 22 também inclui em uma ou mais válvulas de segurança 35, tal como uma válvula de segurança primária e uma válvula de segurança secundária, que podem ser operadas para fechar o poço, tal como no caso de situações de emergência ou para propósitos de manutenção. Em uma modalidade, as válvulas de segurança 35 incluem válvulas de gaveta.

[0035] Na modalidade ilustrada, a árvore 22 inclui uma ou mais válvulas de medição de injeção química 34, usadas para fornecer a injeção de produtos químicos em aplicações de extração de recurso. Por exemplo, certos produtos químicos, tais como inibidores de hidratos de baixa dosagem, podem ser introduzidos no fluxo dos recursos extraídos do poço 12 em um ou mais pontos de injeção química. Isto pode ajudar a impedir bloqueios e/ou corrosão, que aperfeiçoa saída de produção e estender a vida operacional do sistema de extração de recurso 10.

[0036] Os sensores 36 da árvore 22 podem incluir uma disposição de múltiplos sensores para adquirir vários tipos de pontos de dados relacionados à extração de recursos. Por exemplo, os sensores ilustrados 36 podem incluir um ou mais de transdutores de pressão e temperatura, sensores de detecção de areia acústica, e sensores de monitoramento de erosão/corrosão de areia. Como será apreciado, cada um destes componentes pode fornecer dados operacionais para o SCM 24, que pode ainda retransmitir estes dados para o equipamento de controle de superfície. Em uma modalidade, os sensores 36 ainda incluem um indicador de posição de afogador que fornece informação relacionada à posição da haste do afogador 30. Como mostrado na figura 2, a posição de haste do afogador 30 pode ser controlada usando um atuador linear 42.

[0037] A figura 3 fornece uma representação simplificada de tal atuador 42 de acordo com uma modalidade. Como mostrado, o atuador 42 inclui um motor 44, um primeiro dispositivo de antiacionamento reverso 46, uma caixa de engrenagens 48, e um dispositivo de atuação linear 50. O motor 44 serve como uma entrada primária e pode incluir um motor hidráulico ou um motor elétrico. A caixa de engrenagens 48 pode ser uma caixa de engrenagens de redução que é acionada por uma entrada rotacional fornecida pelo motor 44. Por exemplo, a entrada rotacional do motor 44 pode girar uma haste que aciona um ou mais conjuntos de engrenagens de redução contidos dentro da caixa de engrenagens 48. O dispositivo de atuação linear 50 converte a saída rotacional resultante destes conjuntos de engrenagens em um movimento linear que podem ser usados para acionar uma carga, mostrada aqui como sendo uma haste 52 da válvula de afogador 30. Isto é, movimento linear, como fornecido pelo dispositivo de atuação linear 50, move a haste ao longo de uma trajetória linear para uma posição desejada. Consequentemente, dependendo da direção do movimento linear aplicado, a haste 52 pode ser elevada ou abaixada para controlar uma taxa de fluxo através do afogador 30.

[0038] O dispositivo de acionamento antiacionamento reverso 46 em geral funciona para permitir uma entrada para acionar uma saída, que é algumas vezes referida como acionamento para frente, enquanto impede simultaneamente a saída de acionar a entrada, que algumas vezes é referida como acionamento reverso. Na modalidade presente, o motor 44 pode ser considerado como uma entrada com respeito ao dispositivo de acionamento antiacionamento reverso 46 enquanto os componentes acionados pelo motor 44 (por exemplo, caixa de engrenagens 48, dispositivo de atuação linear 50, e haste 52) são considerados a saída. Por exemplo, o dispositivo antiacionamento reverso 46 permite a entrada rotacional do motor 44 para girar um eixo para acionar a caixa de engrenagens 48, que por sua vez aciona o dispositivo de atuação linear 50 para variar a posição da haste 52. No entanto, o dispositivo antiacionamento reverso 46 também impede as forças que se originam na saída para acionar para trás o motor 44. Este tipo de operação é algumas vezes referido como travamento direcional.

[0039] Por exemplo, considerar uma condição onde a pressão de fluido que atua contra a haste 52 é suficiente de modo que normalmente faria a haste 52 se elevar. Sem o dispositivo antiacionamento reverso 46, o movimento linear resultante da elevação da haste 52 devido à pressão de fluido pode ser transladada de volta ao motor 44 como uma força rotacional, resultando em acionamento reverso do motor 44. Isto é tipicamente indesejável. Consequentemente, o dispositivo antiacionamento reverso 46 isola o motor 44 de experimentar tal acionamento reverso. Por meio de exemplo somente, em uma modalidade, o dispositivo antiacionamento reverso 46 da figura 3 pode ser um modelo de um dispositivo IR de Travamento Irreversível disponível de Ringspann GmbH de Bad Homburg, Alemanha.

[0040] Como mostrado ainda na Figura 3, o atuador 42 também inclui um sistema de substituição 54 e um segundo dispositivo antiacionamento reverso 56. A substituição 54 essencialmente funciona como uma entrada secundária que pode ser usada para controlar a posição da haste 52 do afogador 30 se o motor 44 (por exemplo, a entrada primária) é incapaz de acionar a caixa de engrenagens 48. Por exemplo, no caso em que o motor 44 se torna não operacional, tal como devido a um mau funcionamento, dano, ou perda de energia (no caso de um motor elétrico), a substituição 54 pode ser engatada para acionar a caixa de engrenagens 48 e o dispositivo de atuação linear 50 para controlar a posição da haste 52. A substituição 54 pode ser engatada manualmente (por exemplo, usando uma ferramenta ou equipamento adequado sob o controle de um operador). Por exemplo, em uma aplicação submarina, um veículo remotamente operado (ROV) pode ser usado para operar manualmente a substituição 54 para colocar a haste 52 em uma posição desejada se o motor 44 é não operacional.

[0041] O segundo dispositivo antiacionamento reverso 56 pode funcionar em uma maneira similar ao primeiro dispositivo antiacionamento reverso 46 descrito acima. Isto é, enquanto o dispositivo antiacionamento reverso 56 permite uma entrada da substituição 54 para acionar a caixa de engrenagens 48 e o dispositivo de atuação linear 50 para controlar a posição da haste 52, o dispositivo antiacionamento reverso 56 também impede estes componentes de acionar para trás a substituição 54. Adicionalmente, o motor 44 e o sistema de substituição 54 podem ser desacoplados da caixa de engrenagens 48 durante a operação por meio de dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56, respectivamente. Isto permite que tanto o motor 44 quanto a substituição 54 funcionem de modo independente com respeito um ao outro. Por meio de exemplo somente, em uma modalidade, o sistema de substituição 54 pode incluir um modelo de uma engrenagem sem-fim MAXTORQUE™ tendo capacidades antiacionamento reverso, disponível em Cameron International Corporation de Houston, Texas. Enquanto exemplos específicos de dispositivos antiacionamento reverso são fornecidos aqui como os dispositivos 46 e 56 da figura 3 por meio de exemplo somente, deve ser entendido que qualquer tipo adequado que atinge a funcionalidade descrita acima (por exemplo, travamento direcional para permitir acionamento para frente enquanto impede o acionamento reverso). Por exemplo, embora representado na presente modalidade como modelos diferentes de dispositivos antiacionamento reverso, em outras modalidades os dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56 podem ser do mesmo modelo ou similar (por exemplo, os dispositivos 46 ou 56 podem ser de um modelo fabricado por Ringspann GmbII, por Cameron International Corporation, ou por outro fabricante destes tipos de dispositivos).

[0042] O atuador linear 42 adicionalmente inclui um sensor de indicador de posição 58 que fornece informação com relação à posição da haste 52 para o SCM 24. Por exemplo, o sensor indicador de posição 58 pode ser um dos sensores 36 da figura 2. Em uma modalidade, o sensor indicador de posição 58 inclui um transformador diferencial variável linear (LVDT). Adicionalmente, o atuador linear 42 inclui um indicador de posição local 59. Este indicador de posição local pode incluir um ponteiro com uma escala para indicar a posição da haste, e pode ser posicionado adjacente ao dispositivo de atuação linear 50. Adicionalmente, os vários componentes do atuador linear 42 podem ser encerrados dentro de um alojamento 60.

[0043] Na presente modalidade, o alojamento 60 que aloja o motor 44 e o dispositivo antiacionamento reverso 46, enquanto uma segunda parte 62 aloja a caixa de engrenagens 48 e outros componentes. O alojamento de motor 61 pode conter um fluido lubrificante, tal como óleo de engrenagem, de viscosidade relativamente leve. Isto permite que o motor 44 opere bem em ambientes de alta pressão e baixa temperatura, como é o caso tipicamente em aplicações submarinas. A parte de alojamento 62 pode conter um óleo de engrenagem de viscosidade maior com relação àquele do alojamento do motor 61. Para igualar a pressão entre o óleo de engrenagem de baixa viscosidade e o óleo de engrenagem de alta viscosidade, um dispositivo de equalização de pressão 63 é fornecido. Adicionalmente, um segundo dispositivo de equalização de pressão 65 é fornecido entre a parte de alojamento 62 e o exterior do alojamento 60. No caso de um atuador linear submarino, o dispositivo de equalização de pressão 65 iguala a pressão entre o óleo de engrenagem de alta viscosidade e água do mar. Detalhe adicional do alojamento 60n será descrito em mais detalhes abaixo com referência às figuras 15 e 16.

[0044] Tendo sido fornecida uma visão geral do atuador linear 42 com referência à figura 3, as figuras 4 a 8 mostram vistas mais detalhadas do atuador linear 42 de acordo com uma modalidade, especificamente, a figura 4 mostra uma vista em elevação lateral, a figura 5 mostra uma vista plana superior, a figura 6 mostra uma vista em perspectiva, e a figura 7 mostra uma vista em elevação dianteira do atuador linear 42. Adicionalmente, a figura 8 representa uma vista em seção transversal do atuador 42 tomada através da linha de corte 8-8 da figura 7. Além disso, deve ser notado que as figuras 4 a 8 são destinadas a fornecer uma visão geral da operação do atuador linear 42. As figuras 9 a 14 fornecem detalhes mais específicos com relação aos componentes da caixa de engrenagens 48 e o sistema de substituição 54. Finalmente, as figuras 15 e 16 mostram o alojamento 60 do atuador 42 em mais detalhe, como discutido acima com referência à figura 3.

[0045] Mantendo estes pontos em mente e com a referência concorrente às figuras 4 a 8, o atuador linear 42 inclui um motor 44 que serve como uma entrada primária para o atuador 42. Na modalidade ilustrada, o motor 44 inclui um motor elétrico e pode ser acionado usando energia fornecida por um sistema de controle eletrônico submarino que supre energia elétrica para componentes eletronicamente controlados dentro do equipamento de tubo de exaustão 18 ou por uma fonte de energia dedicada (por exemplo, uma que seja separada do sistema de controle eletrônico submarino). Por meio de exemplo somente, em uma modalidade, o motor 44 pode ser operado usando menos que 48 watts ou menos de energia elétrica fornecida por um sistema de controle eletrônico submarino enquanto atinge um percurso completo da haste 52 dentro de um período de tempo aproximadamente entre 5 a 10 minutos, um percurso completo sendo entre aproximadamente 5,08 a 10,16 cm. Em outras modalidades, o motor pode atingir uma distância maior que 10,16 cm dentro de tal período de tempo, ou dentro de um período de tempo menor ou maior.

[0046] Mantendo estes parâmetros exemplares em mente, em outras modalidades, sistemas de energia de potência maior, que poderia incluir um suprimento de energia dedicado separado em alguns casos, podem permitir que o motor 44 atinja um percurso completo da haste 52 em aproximadamente um minuto ou menos. Tal suprimento de energia ode fornecer 200 watts ou mais de energia. Adicionalmente, em algumas modalidades, a energia suprida ao motor 44 pode variar durante a operação, o que pode permitir que o motor 44 opere em velocidades variáveis.

[0047] O atuador linear 42 inclui um eixo 64, que é mostrado melhor na figura 8. O eixo 64, que é mecanicamente acoplado ao motor 44 por meio do dispositivo antiacionamento reverso 46, pode acionar a caixa de engrenagens 48 em resposta e uma entrada do motor 44. Por exemplo, uma entrada rotacional fornecida pelo motor 44 fará com que o eixo 64 rode e acione a caixa de engrenagens 48, que gera seu próprio movimento rotacional. A caixa de engrenagens 48 é mecanicamente acoplada ao dispositivo de atuação linear 50, que é mostrado nas figuras 4 a 8 como incluindo uma cremalheira 66 e pinhão 68, a combinação dos quais converte o movimento rotacional em movimento linear. Especificamente, a caixa de engrenagens 48 é mecanicamente disposta para rodar o pinhão 68 quando acionada pelo eixo 64. Porque os dentes 72 do pinhão 68 são engrenados com os dentes 74 da cremalheira 66, quando o pinhão 68 roda, ele levanta ou abaixa a cremalheira 66 dependendo da direção de rotação (por exemplo, sentido horário ou anti-horário). A engrenagem dos dentes da cremalheira 66 e pinhão 68 é mostrada melhor na figura 6.

[0048] Na modalidade presente, o eixo 64 está disposto coaxialmente com respeito a um furo cilíndrico 76 que se estende através do centro do pinhão 68, como mostrado melhor na vista em seção transversal fornecida na figura 8. O furo 76, que é alinhado centralmente com um eixo de rotação 78, tem um diâmetro que é maior que aquele da parte do eixo 64 que passa através dele. Isto permite que o eixo 64 rode independentemente do pinhão 68. Durante a operação do atuador linear 42 por meio da entrada primária, o motor 44 fornece uma entrada rotacional que faz o eixo 64 rodar. A rotação do eixo 64 aciona a caixa de engrenagens 48, que por sua vez roda o pinhão 66 e faz a cremalheira 68 se elevar ou baixar dependendo da direção de rotação, como discutido acima.

[0049] Como mostrado melhor na figura 8, a caixa de engrenagens 48 inclui múltiplos conjuntos de engrenagens dispostos coaxialmente dentro de uma luva em formato de anel 80. Os conjuntos de engrenagens podem ser mecanicamente dispostos de modo que o eixo 64 aciona um primeiro conjunto de engrenagens, que por sua vez aciona os conjuntos de engrenagens restantes. Desta maneira, a caixa de engrenagens 48 fornece uma saída rotacional que faz o pinhão 68 rodar. Na modalidade ilustrada, a caixa de engrenagens 48 pode ser uma caixa de engrenagens de redução. Isto é, a saída diretamente acionada pela caixa de engrenagens 48, aqui o pinhão 68, roda em uma velocidade menor que o eixo 64 que atua como a entrada para a caixa de engrenagens 48. Por meio de exemplo, a relação de redução de engrenagem cumulativa da caixa de engrenagens 48 pode ser determinada baseada na relação de redução de engrenagem respectiva para cada conjunto de engrenagens. Uma descrição mais detalhada é fornecida abaixo com referência às figuras 9 a 14.

[0050] O sistema de substituição 54, como mostrado nas figuras 4 a 8, inclui uma engrenagem sem-fim 86 que é configurada para ser acionada por um eixo 88. O sistema de substituição 54 também inclui uma roda sem-fim 90 tendo dentes que engatam roscas correspondentes da engrenagem sem-fim 86, e um componente de acionamento 92. Aqui, o eixo 88 funciona essencialmente como uma entrada secundária que pode ser usada para acionar a caixa de engrenagens 48 no caso em que o motor 44 se torna não operacional. Por exemplo, uma força externa pode ser aplicada ao eixo 88 fazendo rodar a engrenagem sem-fim 86. A disposição da engrenagem sem-fim 86 e a roda sem-fim 90 é tal que a rotação da engrenagem sem-fim 86 faz a roda sem-fim 90 rodar. Na modalidade ilustrada, a roda sem-fim 90 é mecanicamente acoplada ao componente de acionamento 92 de modo que a rotação da roda sem-fim 90 também roda o componente de acionamento 92. Assim, ao operar o atuador 42 usando o sistema de substituição 54, o movimento rotacional do componente de acionamento 92 aciona a caixa de engrenagens 48, que por sua vez aciona o pinhão 68 para elevar ou abaixar a cremalheira 66 para levar a haste 52 para uma posição desejada. Como discutido acima, em uma aplicação no mar, um ROV pode ser usado para operar o sistema de substituição 54. Por exemplo, enquanto não mostrado nas figuras 4 a 8, o eixo 88 pode ainda ser acoplado a um adaptador que pode ser engatado por um braço mecânico de um ROV para girar o eixo 88.

[0051] Como mostrado melhor nas figuras 5 e 6, o sistema de substituição 54 ainda inclui um sistema de travamento fornecido como catracas 94 localizadas em extremidades opostas da engrenagem sem-fim 86. Por exemplo, uma primeira catraca 94A está localizada na extremidade próxima da engrenagem sem-fim 86 (por exemplo, mais perto do eixo), e uma segunda catraca 94B está localizada na extremidade distal da engrenagem sem-fim 86 (por exemplo, mais afastada do eixo). As catracas 94A e 94B, que podem incluir cames de catraca, linguetas, e elementos de acoplamento, funcionam como um mecanismo de travamento que permite que a engrenagem sem-fim 86 seja acionada em resposta a uma entrada rotacional fornecida pelo eixo 88, que pode ser um movimento rotacional em sentido horário ou anti-horário com respeito ao eixo de rotação 96 ao olhar do eixo 88 para a catraca de extremidade distal 94B (como seria visto a partir da vista em elevação lateral da figura 4). No entanto, as catracas 94A e 94B também impedem a engrenagem sem-fim 86 de ser acionada em reverso por forças que atuam direta ou indiretamente na engrenagem de anel 92 (por exemplo, pressões de fluido atuando contra a haste 52). Isto é, as catracas 94A e 94B permitem que a engrenagem sem-fim 86 seja acionada para frente pelo eixo 88 (atuando como a entrada) enquanto impede a engrenagem sem-fim 86 de ser acionada em reverso pelos componentes de saída do atuador linear 42.

[0052] Assim, as catracas 94A e 94B podem ser consideradas como parte do dispositivo antiacionamento reverso 56 discutido acima com referência à figura 3. Por meio de exemplo somente, em uma modalidade, uma engrenagem sem-fim 86 tendo os recursos antiacionamento reverso descritos acima pode ser um modelo de uma engrenagem sem- fim MAXTORQUE™ disponível em Cameron International Corporation de Houston, Texas. Enquanto exemplos específicos de dispositivos que podem ser usados como dispositivos antiacionamento reversos 46 e 56 foram fornecidos aqui, deve ser entendido que qualquer dispositivo adequado capaz de obter a funcionalidade desejada (por exemplo, permitir o acionamento para frente enquanto impede o acionamento reverso) pode ser usado como os dispositivos 46 e 56 da figura 3. Por exemplo, em uma modalidade, ambos os dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56 podem ser de um modelo disponível em Cameron International Corporation. Além disso, em outra modalidade, o dispositivo antiacionamento reverso 46 pode ser similar ao dispositivo antiacionamento reverso ilustrado 56 tendo a engrenagem sem-fim 86 descrita acima, mas pode incluir uma engrenagem helicoidal no lugar de uma engrenagem sem-fim.

[0053] Enquanto as figuras 4 a 8 foram fornecidas em uma visão geral do sistema de substituição 54, as figuras 9 a 14 abaixo fornecerão detalhes adicionais do sistema de substituição 54 e a operação do mesmo, não explicitamente discutida acima com referência às figuras 4 a 8. Referindo- se agora às figuras 9 a 14, a caixa de engrenagens 48 e o sistema de substituição 54 do atuador linear 42 são apresentados em mais detalhe. Especificamente, a figura 9 é uma vista em seção transversal em elevação do atuador linear 42 que é similar àquela mostrada na figura 8, mas com o foco estando nos componentes da caixa de engrenagens 48 e do sistema de substituição 54. A Figura 10 é uma vista explodida em perspectiva mostrando conjuntos de engrenagens individuais da caixa de engrenagens 48. Como pode ser visto nas figuras 9 a 11, a caixa de engrenagens 48 inclui, primeiro, segundo e terceiro conjuntos de engrenagens planetárias referidas na modalidade ilustrada pelos números de referência 100, 102, 104, respectivamente. Adicionalmente, a figura 12 fornece uma vista em seção transversal do conjunto de engrenagens 100 tomada ao longo da linha de corte 12-12 da figura 11, a figura 13 fornece uma vista em seção transversal do conjunto de engrenagens 102 tomada ao longo da linha de corte 13-13 da figura 11, e a figura 14 fornece uma vista em seção transversal do conjunto de engrenagens 104 tomada ao longo da linha 14-14 da figura 11.

[0054] Como discutido acima, cada conjunto de engrenagens 100, 102 e 1043 é um conjunto de engrenagens planetárias que em geral inclui uma engrenagem solar, uma engrenagem de anel, e engrenagens planetárias dispostas entre a engrenagem solar e a engrenagem de anel, e um suporte de engrenagens planetárias. Por exemplo, como mostrado mais claramente na figura 12, o primeiro conjunto de engrenagens 100 inclui uma engrenagem solar 110, uma engrenagem de anel 112, engrenagens planetárias 114, e suporte 116. O suporte 116 é acoplado mecanicamente nas engrenagens planetárias 114 por meio de mancais de rolo 118 que permitem que as engrenagens planetárias 114 rodem independentemente do suporte 116. O suporte 116 do conjunto de engrenagens 100 inclui uma estria 120 (mostrada melhor na figura 11) que é configurada para engatar uma engrenagem solar 122 do segundo conjunto de engrenagens 102.

[0055] Em adição à engrenagem solar 122, o segundo conjunto de engrenagem solar 102 inclui uma engrenagem de anel 124 que está disposta na parede interna da luva em formato de anel 80. Quando a caixa de engrenagens 48 é montada (mostrada melhor nas figuras 9 e 10), os dentes da engrenagem de anel 124 engrenam com os dentes das engrenagens planetárias 126 dentro do conjunto de engrenagens 102. Na modalidade ilustrada, a engrenagem de anel 124 pode ser integralmente formada com a luva 80, de modo que a engrenagem de anel 124 sempre permanece estacionária com respeito à luva 80. Adicionalmente, como será discutida abaixo, em algumas outras modalidades, a engrenagem de anel 124 pode ser independentemente móvel com respeito a outras modalidades, a engrenagem de anel 124 pode ser independentemente móvel com respeito à luva 80. O segundo conjunto de engrenagens 102 também inclui um suporte 128 que é acoplado mecanicamente nas engrenagens planetárias 126 por meio de mancais de rolo 130 que permitem que as engrenagens planetárias 126 rodem independentemente do suporte 128. Adicionalmente, o suporte 128 do conjunto de engrenagens 102 também inclui uma estria 134 que é configurada para engatar uma engrenagem solar 136 do terceiro conjunto de engrenagens 104.

[0056] O terceiro conjunto de engrenagens 104 inclui uma engrenagem de anel 138 que, como a engrenagem de anel 124 do segundo conjunto de engrenagens 104, pode ser formada integralmente com a parede interna da luva 80. Quando a caixa de engrenagens 48 é montada (Figuras 9 e 10) os dentes da engrenagem de anel 138 engrenam com os dentes das engrenagens planetárias 140 do conjunto de engrenagens 104. O terceiro conjunto de engrenagens 104 também inclui um suporte 142 que é mecanicamente acoplado nas engrenagens planetárias 140 por meio de mancais de rolo 144, permitindo assim que as engrenagens planetárias 140 rodem independentemente do suporte 142. Enquanto a luva 80 é representada como sendo um elemento independente, deve ser entendido que em algumas modalidades, o elemento de luva 80 pode ser formado integralmente como parte do alojamento 60. Assim, em tal modalidade, a luva 80 pode não se parecer com um anel, mas pode ser mais de uma abertura redonda dentro do alojamento 60 em que os conjuntos de engrenagens 100, 102, 104 são dispostos.

[0057] Na modalidade ilustrada, uma placa de adaptador circular 146 é acoplada ao suporte 142. Por exemplo, o suporte 142 inclui um conjunto de aberturas 148 que pode se alinhar com um conjunto correspondente de aberturas 150 na placa de adaptador 146. Consequentemente, os dispositivos de acoplamento 152 são inseridos através das aberturas 148 e 150 podem incluir parafusos, cavilhas ou qualquer tipo adequado de fixador. A placa de adaptador 146 também inclui um segundo conjunto de aberturas 156 para receber outro conjunto de dispositivos de acoplamento 158. Como mostrado melhor nas figuras 9 a 11, os dispositivos de acoplamento 158 são fornecidos como parafusos e dispostos de modo que a parte roscada de cada parafuso 158 se estende axialmente para longe da caixa de engrenagens 48 (por exemplo, para o motor 44). Como será apreciado, a placa de adaptador 146 e os dispositivos de acoplamento 152 e 158 acoplam mecanicamente a caixa de engrenagens 48 no pinhão 68. Referindo-se resumidamente à figura 8, os dispositivos de acoplamento 158 podem ser recebidos em aberturas correspondentes no pinhão 68, assim acoplar o pinhão 68 na caixa de engrenagens 48 por meio da placa de adaptador 146. Desta maneira, uma saída rotacional da caixa de engrenagens 48 fará o pinhão 68 rodar, o que eleva ou abaixa a cremalheira 66 dependendo da direção de rotação para controlar a posição da haste 52.

[0058] Tendo descrito os componentes da caixa de engrenagens 48 acima, a operação da caixa de engrenagens 48 ao ser acionada para frente pelo motor 44 é descrita agora em mais detalhe. Ao se referir às direções de rotação com relação aos componentes da caixa de engrenagens 48, o motor 44, e o pinhão 68, os termos sentido horário e sentido anti-horário são relativos à perspectiva de um voltado para o motor 44 (como resultaria na vista em elevação dianteira da figura 7) e virado para a caixa de engrenagens 48. Por exemplo, a direção horária é indicada na figura 10 pela seta direcional 160. Como discutido acima, o motor 44 fornece uma entrada rotacional que aciona o eixo 64, fazendo com que ele rode em torno do eixo rotacional 78. A modalidade presente pode ser uma em que uma entrada rotacional em sentido horário fornecida pelo motor 44 eleva a haste 52 e uma entrada rotacional em sentido anti-horário abaixa a haste 52. Em outras modalidades, uma configuração oposta pode ser implementada também, isto é, uma entrada anti-horária eleva a haste 52 e uma entrada horária abaixa a haste 52.

[0059] Aqui, uma entrada horária do motor 44 fará o eixo 64 girar na direção horária 160. O eixo 64 é acoplado à engrenagem solar 110 do conjunto de engrenagens 100, de modo que uma rotação horária do eixo 64 também gira a engrenagem solar 110 em sentido horário. A engrenagem de anel 112 permanece estacionária quando a caixa de engrenagens 48 está sendo acionada pelo motor 44. Assim, quando a engrenagem solar roda na direção horária, cada uma das engrenagens planetárias 114 rodará em torno de seu mancal de rolo respectivo 118 em uma direção anti-horária, enquanto está em órbita da engrenagem solar 110 na direção horária. Isto faz o suporte 116 rodar na direção horária. Consequentemente, quando o conjunto de engrenagens 100 é acionado para frente usando o motor 44, a engrenagem solar 110 atua como uma entrada, e o suporte 116 fornece uma saída correspondente para acionar o conjunto de engrenagens adjacente 102.

[0060] Como discutido acima, o suporte 116 tem uma estria 120 desenhada para engatar a engrenagem solar 122 do segundo conjunto de engrenagens 102. Assim, a rotação horária do suporte 116 no exemplo presente fará a engrenagem solar 122 também girar em sentido horário. Deve ser notado que enquanto o eixo 64 se estende através da abertura da engrenagem solar 122, como mostrado melhor nas figuras9 e 10, o eixo 64 não é acoplado diretamente na engrenagem solar 122 e estes componentes são capazes de rodar de modo independente um do outro, tal como é o caso ao operar a caixa de engrenagens 48 usando o sistema de substituição 54, como será discutido posteriormente abaixo.

[0061] A rotação horária da engrenagem solar 122 fornece uma entrada para o segundo conjunto de engrenagens 102 que resulta em uma saída por meio da rotação do suporte 128. Por exemplo, como a engrenagem solar 122 roda na direção horária, a engrenagem de anel 124, que é formada integralmente na luva 80, permanece estacionária. Como resultado, cada uma das engrenagens planetárias 1265 rodará em torno de seu mancal de rolo respectivo 130 na direção anti-horária, enquanto está em órbita da engrenagem solar 122 na direção horária. Isto faz o suporte 128 rodar na direção horária e acionar o terceiro conjunto de engrenagens 104.

[0062] Por exemplo, a estria 134 do suporte 128 engata a engrenagem solar 136 do terceiro conjunto de engrenagens 104 e, portanto, a rotação horária do suporte 128 faz a engrenagem solar 136 rodar na direção horária. A engrenagem de anel 138, que é também integralmente formada na luva 80, permanece estacionária quando a caixa de engrenagens 48 é acionada para frente por meio do motor 44. Como resultado, cada uma das engrenagens planetárias 140 rodará em torno de seu mancal de rolo respectivo 144 na direção anti-horária, enquanto está em órbita da engrenagem solar 136 na direção horária. Como discutido acima, o suporte 142 é mecanicamente acoplado à placa de adaptador 146, que ainda é acoplada no pinhão 68 como mostrado nas figuras 9 e 10. Consequentemente, a rotação horária do suporte 142 fará o pinhão 68 rodar na direção horária. Na modalidade do atuador linear 42 mostrado acima nas figuras 4 a 8, a cremalheira 66 está disposta de modo que uma rotação horária do pinhão 68 move a cremalheira 66 linearmente para cima, desse modo elevando a haste 52.

[0063] Como será apreciada, uma entrada rotacional anti- horária do motor 44 fará a haste 52 abaixar. Por exemplo, a resposta dos vários componentes da caixa de engrenagens 48 para uma entrada rotacional anti-horária em geral será oposta da resposta de entrada horária descrita acima. Por exemplo, uma rotação anti-horária do motor 44 girará o eixo 64 e a engrenagem solar 110 em sentido anti-horário. Quando a engrenagem de anel 112 permanece estacionária, as engrenagens planetárias 114 rodarão em uma direção horária em torno de seus mancais de rolo respectivos 118, enquanto estão em órbita da engrenagem solar 110 em uma direção anti-horária, fazendo assim o suporte 116 rodar na direção anti-horária. Os componentes do segundo conjunto de engrenagens 102 e terceiro conjunto de engrenagens 104 podem responder em uma maneira similar.

[0064] Como discutido acima, a caixa de engrenagens 48 pode ser uma caixa de engrenagens de redução, tal que a saída diretamente acionada pela caixa de engrenagens 48, isto é o pinhão 68, roda em uma velocidade menor que o eixo de entrada 64. Consequentemente, cada conjunto de engrenagens 100, 102, e 104, pode ter uma relação de redução de engrenagem. Por exemplo, em uma modalidade, os conjuntos de engrenagens 100, 102, e 104 podem ter relações de redução de engrenagem de aproximadamente 12:1; 8,8:1; e 4:1, respectivamente. Isto fornecer uma relação de redução de engrenagem total de aproximadamente 422:1. Aqueles versados na técnica apreciarão que outras relações de redução de engrenagem podem ser implementadas também. Por exemplo, em outras modalidades, a relação de redução de engrenagem pode estar entre aproximadamente 100:1 e 600:1, ou pode também ser menor que 100:1 ou maior que 600:1. Adicionalmente, enquanto a modalidade representada nas figuras 9 e 10 inclui uma caixa de engrenagens que tem três conjuntos de engrenagens planetárias, deve ser entendido que outras modalidades da caixa de engrenagens 48 podem incluir mais ou menos conjuntos de engrenagens e podem incluir conjuntos de engrenagens de desenhos diferentes para obter uma relação de engrenagens desejada.

[0065] Com estes pontos em mente, os componentes adicionais do sistema de substituição 54 são agora descritos em mais detalhes. Como discutido acima com referência às figuras 4 a 8, o sistema de substituição 54 inclui uma engrenagem sem-fim 86 que engata uma roda sem- fim 90 formada em um componente de acionamento 92. Por exemplo, a engrenagem sem-fim pode incluir roscas helicoidais que engatam dentes correspondentes na roda sem- fim 90. Como mostrado melhor nas figuras 9 e 10, o sistema de substituição 54 ainda inclui um componente adaptador 162 que é acoplado na engrenagem de anel 112 do conjunto de engrenagens 100. O adaptador 162 inclui uma parte em formato anular 164 e uma parte de flange 166. A parte em formato anular 164 está disposta coaxialmente com respeito ao componente de acionamento 92, enquanto a parte com flange 166 acopla o adaptador 162 na engrenagem de anel 112 por meio de um ou mais dispositivos de acoplamento 168, tal como os fixadores roscados como mostrado na figura 9. Enquanto a parte 164 é anular em formato, como indicado pela abertura central 170, em outras modalidades, a abertura 170 pode ser omitida, e a parte 164 do adaptador 162 pode ser cilíndrica.

[0066] Na modalidade ilustrada, o componente de acionamento 92 inclui um conjunto de estrias 172 dispostas paralelas ao eixo de rotação 78 e circunferencialmente ao longo de pelo menos uma parte de uma parede interna 174 do componente de acionamento 92. As estrias 172 podem engrenar com as ranhuras correspondentes 176 localizadas no adaptador 162. Assim, a força rotacional aplicada no componente de acionamento 92 transferirá torque ao adaptador 162 e o fará rodar. Adicionalmente, como o adaptador 162 é acoplado na caixa de engrenagens 48 por meio dos dispositivos de acoplamento 168, a rotação do adaptador 162 pode acionar a caixa de engrenagens 48 para elevar ou abaixar a haste 52 quando o atuador linear 42 está sendo acionado para frente usando o sistema de substituição 54.

[0067] Como mencionado acima, o atuador linear 42 pode ser operado usando o sistema de substituição 54 em situações onde o motor 44 se torna não operacional. Por exemplo, onde o motor 44 é um motor elétrico, o motor 44 pode se tornar não operacional devido ao mau funcionamento elétrico do motor 44 ou devido à perda de energia. Em tais condições, o sistema de substituição 54 pode ser operado aplicando uma força rotacional a um eixo de entrada 88 (mostrado melhor nas figuras 5 e 6). Na modalidade presente, o sistema de substituição 54 pode ser desenhado de modo que uma entrada rotacional horária fornecida pelo eixo 88 eleva a haste 52 e uma entrada rotacional anti- horária abaixa a haste 52. É claro, em outras modalidades, a configuração oposta pode ser implementada também, isto é, uma entrada anti-horária do eixo 88 eleva a haste 52, e uma entrada horária abaixa a haste 52.

[0068] Ao se referir às direções de rotação com respeito ao eixo 88 e a engrenagem sem-fim 86, os termos horário e anti-horário são relativos à perspectiva de alguém olhando para baixo do eixo 88 na direção da engrenagem sem-fim 86 (por exemplo, resultaria na vista em elevação lateral mostrada na figura 4). Direções de rotação referentes à roda sem-fim 90, componente de acionamento 92, adaptador 162, e componentes da caixa de engrenagens 48, a partir da mesma perspectiva, serão notadas acima (por exemplo, alguém voltado e olhando para o motor a partir de uma vista em elevação dianteira, isto é figura 7).

[0069] Com isto em mente, assumindo que o eixo 88 é rodado em sentido horário, esta entrada rotacional de sentido horário girará a engrenagem sem-fim 86 na direção horária. O engate das roscas da engrenagem sem-fim 86 e os dentes da roda sem-fim 90 fará com que a roda sem-fim 90 rode. Como será apreciada, a direção da rotação da roda sem-fim 90 em resposta a uma entrada em sentido horário pode depender da configuração das roscas na engrenagem sem- fim 86. No exemplo presente, pode ser assumido que uma rotação horária da engrenagem sem-fim 86 em torno do eixo 96 fará a roda sem-fim 90, bem como o componente de acionamento 92, no qual está acoplada, rodar na direção horária em torno do eixo 78.

[0070] Devido à correspondência das estrias 172 do componente de acionamento 92 e as ranhuras 176 no adaptador 162, a rotação do componente de acionamento 92 transferirá o torque ao adaptador 162, fazendo-o rodar também na direção horária em torno do eixo 78. Quando o adaptador 162 gira em sentido horário, a engrenagem de anel 112 do conjunto de engrenagens 100 no qual o adaptador 162 é acoplado, também girará na direção horária. Adicionalmente, na medida em que o motor 44 não está operacional ao operar o atuador linear 42 no modo de substituição, a engrenagem solar 110 permanecerá em geral estacionária. Consequentemente, as engrenagens planetárias 114 rodarão em torno de seus mancais de rolo respectivos 118 na direção anti-horária, enquanto estão na órbita da engrenagem solar 110 em uma direção horária, fazendo assim o suporte 116 rodar na direção horária. Assim, no modo de substituição, a engrenagem de anel 112 do primeiro conjunto de engrenagens 100 atua como uma entrada enquanto o suporte 116 fornece uma saída.

[0071] O restante da caixa de engrenagens 48 pode operar da mesma maneira discutida acima com relação a uma entrada de acionamento para frente do motor 44. Isto é desde que a saída do primeiro conjunto de engrenagens 100 em resposta a uma entrada em sentido horário a partir tanto do motor 44 quanto do sistema de substituição 54 é a mesma (por exemplo, o suporte 116 roda na direção horária em cada caso), a resposta dos conjuntos de engrenagens 102 e 104 será em geral idêntica com respeito à direção, embora as velocidades rotacionais possam diferir. Assim, com o entendimento de que os conjuntos de engrenagens 102 e 104 responderão da mesma maneira descrita acima, a entrada em sentido horário do eixo 88 do sistema de substituição 54 resultará no pinhão 68 girando na direção horária e fazendo a cremalheira 66 elevar a haste 52. Adicionalmente, baseado no exemplo presente, deve ser entendido que se o eixo 88 é acionado na direção oposta (por exemplo, em sentido anti- horário), a caixa de engrenagens 48 opera em geral da mesma maneira, mas com uma resposta direcional oposta que resulta na haste 52 sendo abaixada. Além do mais, embora não explicitamente mostrado aqui, os vários componentes da caixa de engrenagens 48 e a cremalheira 66 e o pinhão 68 podem ser fornecidos com mancais mecânicos integrais com materiais de baixa fricção para reduzir as perdas de eficiência.

[0072] Enquanto a modalidade ilustrada nas figuras 4 a 10 mostra o sistema de substituição 54 sendo em geral separado de, mas localizado adjacente à caixa de engrenagens 48, outras modalidades do sistema de substituição 54 podem ser pelo menos parcialmente integradas com a caixa de engrenagens 48. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de substituição 54 pode acionar diretamente uma roda sem- fim localizada na caixa de engrenagens 48. Tal roda sem-fim pode ser formada com uma das engrenagens de anel, tal como a engrenagem de anel 124 do conjunto de engrenagens 102. Em tal modalidade, a engrenagem de anel 124 é formada como um conjunto de dentes internos, com um conjunto de dentes externos no diâmetro externo da engrenagem de anel 124 formando a roda sem-fim. Aqui, a engrenagem sem-fim 86 (ou, alternativamente, engrenagem helicoidal) pode estar posicionada de modo que suas roscas engrenam com a roda sem-fim, enquanto os dentes internos que formam a engrenagem de anel 124 engrenam com as engrenagens planetárias 126 do conjunto de engrenagens 102 como descrito acima. Adicionalmente, o elemento de engrenagem de anel 124 em tal modalidade seria formado integralmente na luva 80 de modo a permitir a rotação da engrenagem de anel 124 quando o sistema de substituição 54 está sendo usado para controlar o atuador 42.

[0073] Ao operar o sistema de substituição 54 designado desta maneira, o eixo 88 pode girar a engrenagem sem-fim 86. Por exemplo, assumindo que uma entrada rotacional horária é fornecida pelo eixo, a engrenagem sem-fim 86 girará em sentido horário também. Isto fará a engrenagem de anel 124 rodar. Porque o primeiro conjunto de engrenagens 100 não recebe uma entrada em tal modalidade (por exemplo, o motor 44 não está acionando a engrenagem solar 110), o suporte 116 permanece estacionário, como a engrenagem solar 122 do conjunto de engrenagens 102. Assumir que a engrenagem de anel 124 roda na direção horária em resposta a uma entrada horária do eixo 88, as engrenagens planetárias 126 rodarão na direção anti-horária em torno de seus mancais de rolo respectivos 130 enquanto estão na órbita da engrenagem solar 122 na direção horária, desse modo rodando o suporte 128 na direção horária. Como discutido acima, uma saída horária do segundo conjunto de engrenagens 102 acionará o terceiro conjunto de engrenagens 104 de modo que o suporte 142 roda na direção horária. Isto gira o pinhão 68 na direção horária e faz a cremalheira 66 mover em uma direção linear que eleva a haste 52.

[0074] Enquanto o exemplo acima assume que a engrenagem sem-fim 86 do sistema de substituição 54 é posicionada para engatar a engrenagem de anel 124, outras modalidades do sistema de substituição 54 podem posicionar a engrenagem sem-fim 86 de modo que engata na engrenagem de anel 112 ou na engrenagem de anel 138. Adicionalmente, em algumas modalidades, o sistema de substituição 54 pode incluir dispositivos diferentes de uma engrenagem sem-fim 86 para acionar a caixa de engrenagens 48. Por exemplo, em outras modalidades, outros tipos de dispositivos de engrenagem, tais como engrenagens helicoidais ou dentadas, podem ser usadas.

[0075] Como discutido acima, os dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56 do atuador linear 42 fornecem um mecanismo de autotravamento em que o atuador 42 é permitido ser acionado para frente por cada entrada, isto é, o motor 44 ou o sistema de substituição 54, embora tipicamente somente uma entrada seja operacional em um dado momento. No entanto, os dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56 também impedem o motor 44 e o sistema de substituição 54, respectivamente, de ser acionado em reverso, tal como devido às pressões de fluido que atuam contra a haste 52. Por exemplo, pressões de fluido que atuam contra a haste 52 podem gerar forças que de outro modo elevariam a haste sem os dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56 no lugar. Por exemplo, o dispositivo antiacionamento reverso 46 é posicionado entre o motor 33 e o eixo 64. Isto permite o torque fornecido pelo motor 44 transferir para o eixo 64 ao acionar para frente o atuador 42 por meio do motor 44. No entanto, quando o motor 44 não está acionando o eixo 64, o dispositivo antiacionamento reverso 46 trava o eixo 64 em uma posição em geral estacionária para impedir o torque de ser transferido de volta ao motor 44. Deve ser notado que isto também mantém a engrenagem solar 110, na qual o eixo 64 é acoplado, em uma posição em geral estacionária.

[0076] Com relação ao dispositivo antiacionamento reverso 56 no sistema de substituição 54, o dispositivo 56 permite que a engrenagem sem-fim 86 seja acionada para frente pelo eixo 88. No entanto, o torque do adaptador 162, componente de acionamento 92, e/ou roda sem-fim 90 não são permitidos para transferir para a engrenagem sem-fim 86. Isto é, quando o atuador 42 não está sendo acionado para frente pelo sistema de substituição 54, o adaptador 162, o componente de acionamento 92 e roda sem-fim 90 são em geral estacionários e não rotativos. Adicionalmente, porque o adaptador 162 é mecanicamente acoplado à engrenagem de anel 11’2, a engrenagem de anel 112 é mantida em geral estacionária. Consequentemente, porque a engrenagem de anel 112 e a engrenagem solar 110 do conjunto de engrenagens 100 são mantidos em geral estacionários quando nenhuma entrada está acionando o atuador 42, a caixa de engrenagens 48 é essencialmente travada em que os conjuntos de engrenagens restantes são mantidos em uma posição em geral estacionária. Isto essencialmente trava a posição do pinhão 68, que manter a cremalheira 66 em sua posição corrente e impede a haste 52 de se mover.

[0077] Devido a este desenho de auto-travamento, o atuador 2 pode ter uma configuração anti-falha. Isto é, se cada uma ou ambas as entradas (motor 44, substituição 54) do atuador 42 vier a falhar, a haste 52 será mantida em sua última posição antes de tal falha em virtude da disposição dos dispositivos antiacionamento reverso 46 e 56, e não moverá em uma posição randômica em resposta à pressão de fluido. Em outras configurações, o atuador 42 pode também ser desenhado para ter ma configuração aberta a falhas ou fechada à falhas. Por exemplo, em tais modalidades, o atuador 42 pode incluir um mecanismo em pelo menos uma das entradas que pode liberar um dispositivo carregado por mola que é desenhado tanto para abrir completamente (aberto às falhas) ou completamente fechado (fechado às falhas) a haste 52. Em uma modalidade, o mecanismo pode ser configurado de modo que é desarmado quando a perda de energia (por exemplo, perda de energia elétrica para um motor elétrico ou perda de pressão hidráulica para um motor hidráulico) é detectada tornando o motor 44 não operacional. Porque este dispositivo carregado por mola é aplicado no lado de entrada, o atuador 42 responderá a tal entrada sem autotravamento, por meio de exemplo somente, em uma modalidade, o dispositivo carregado por mola pode incluir uma válvula de gaveta.

[0078] Como discutido acima com referência à figura 3, o atuador linear 42 inclui um alojamento 60. As figuras 15 e 16 mostram tal alojamento 60 de acordo com uma modalidade. O alojamento ilustrado 60 inclui uma parte de alojamento de motor 61 e a parte de alojamento de caixa de engrenagens 62 mostrada na figura 3. A parte de alojamento 61 aloja o motor 44, enquanto a parte de alojamento 62 aloja a caixa de engrenagens 48 e os outros componentes do atuador 42. Por exemplo, a parte de alojamento 62 inclui uma parte 184 que aloja a cremalheira 66 e uma parte 186 que aloja o sistema de substituição 54. Um adaptador 188 é mecanicamente acoplado à parte de alojamento 62 (por meio da parte 186) e pode ser manipulado usando um braço de um ROV. Por exemplo, um ROV pode girar o adaptador 188 para acionar o eixo 88 do sistema de substituição 54.

[0079] Um sensor de posição 58 é mostrado como estando exposto a partir do alojamento 60 para propósitos ilustrativos. Isto é, normalmente, a parte 184 pode se estender para encerrar também o sensor 58. O sensor 58 pode ser um transformador diferencial variável linear ou qualquer tipo adequado de dispositivo para medir o deslocamento linear. Consequentemente, a posição da haste 52 pode ser fornecida ao SCM 24. Por exemplo, o sensor 58 pode ser acoplado a um cabo de dados (não mostrado) que acopla eletricamente o sensor 58 no SCN 24 ou outro equipamento de controle. Adicionalmente, em algumas modalidades, um indicador de posição local 59 (figura 3) pode incluir um dispositivo de indicação de posição visual que é fornecido em conjunto com o sensor 58. Por exemplo, tal dispositivo pode incluir um indicador local, tal como um mostrador com uma escala adequada que converte movimento linear em movimento rotativo.

[0080] Na modalidade presente, o alojamento de motor 61 pode ser preso no alojamento de caixa de engrenagens 62 usando um número de dispositivos de fiação 194. Isto é, quando montado, o alojamento de motor 61 e o alojamento de caixa de engrenagens 62 podem formar recintos separados. Referindo-se à figura 16, em que o alojamento de motor 61 é removido, os dispositivos de fixação 194 da figura 15 podem se estender através do alojamento de motor 61 e engatar as aberturas 196 no alojamento de caixa de engrenagens 62. Em uma modalidade, os dispositivos de fixação podem ser dispositivos roscados, tais como parafusos ou cavilhas roscadas, que engatam roscas correspondentes nas aberturas 196.

[0081] Como discutido acima com referência à figura 3, o alojamento de motor 61 pode conter um fluido lubrificante, tal como óleo de engrenagem, de viscosidade relativamente leve. Isto permite que o motor 44 opere bem em ambientes de alta pressão e baixa temperatura, como é tipicamente o caso em aplicações submarinas. A parte de alojamento de caixa de engrenagens 62 pode conter um óleo de engrenagem de viscosidade maior com relação aquele do alojamento de motor 61. Para igualar pressão entre o óleo de engrenagem de baixa viscosidade e óleo de engrenagem de alta viscosidade, uma bexiga de compensação de volume 63 é fornecida como dispositivo de equalização de pressão, como mostrado na Figura 16. Esta modalidade pode ajudar a minimizar as mudanças de viscosidade que podem ocorrer no motor 44 devido a ambientes de temperatura e pressão extrema, tornando o atuador 42 bem adequado para uso em uma ampla faixa de condições de operação. Além do mais, no caso de um motor elétrico, o desenho presentemente ilustrado ajuda a minimizar a trajetória de vazamento para o motor elétrico sensível à água e eletrônicos associados. Adicionalmente, em uma modalidade onde o atuador 42 é desenhado para ser usado em uma aplicação submarina, outro dispositivo de equalização de pressão (por exemplo, 65) pode ser fornecido na parte de alojamento de caixa de engrenagens 62 para igualar a pressão entre o óleo de engrenagem de alta viscosidade e água do mar.

[0082] As modalidades descritas aqui fornecem a um desenho de atuador altamente eficiente que é capaz de ser acionado usando sistemas de controle eletrônico submarino existentes (por exemplo, sem exigir um suprimento de energia dedicada separado). Por exemplo, em modalidades que incluem um motor elétrico, o motor 44 pode operar em apenas 48 watts ou menos de energia elétrica enquanto obtém um percurso completo (por exemplo, 5,08 a 10,16 cm ou mais) da haste 52 dentro de um período de tempo entre aproximadamente 5 a 10 minutos. Como pode ser apreciado, 48 watts podem corresponder com a saída de energia nominal fornecida por certos sistemas de controle eletrônico submarino convencionais. Por meio de exemplo somente, em uma modalidade, ao operar em 48 watts de energia, o motor 44 pode atingir percurso completo de aproximadamente 5,71 cm dentro de aproximadamente 6 minutos. Adicionalmente, a alta eficiência de operação do atuador ilustrado 42 pode permiti-lo operar contra uma ampla faixa de pressões. Por exemplo, o atuador 42 pode ser capaz de uma carga de empuxo dinâmica de 9.080 kg ou mais e uma carga estática de 13.620 kg ou mais.

[0083] Além do mais, o atuador linear 42 pode ter uma pegada que em geral é menor e compacta comparada com alguns tipos de atuadores existentes. Por exemplo, em uma modalidade, o atuador linear 42 pode ser uma altura de aproximadamente 38,1 a 50,8 cm, um comprimento de aproximadamente 50,8 a 63,5 cm, e uma profundidade de aproximadamente 38,1 a 50,8 cm. Tais dimensões podem permitir que o atuador 42 tenha uma pegada que é aproximadamente a metade daquela de alguns atuadores existentes.

[0084] Enquanto os aspectos da presente descrição podem ser suscetíveis às várias modificações e formas alternativas, modalidades específicas foram mostradas por meio de exemplo nos desenhos e foram descritas em detalhes aqui. Mas deve ser entendido que a invenção não é destinada a ser limitada às formas particulares descritas. Em vez disto, a invenção deve cobrir todas as modificações, equivalentes e alternativas que se encontram dentro do espírito e escopo da invenção como definida pelas reivindicações anexas seguintes.

Claims

1. Atuador linear (42), caracterizadopelo fato de que compreende: um motor (44) configurado para fornecer uma entrada rotacional para girar um eixo (64); uma caixa de engrenagens (48) que é mecanicamente acoplada no eixo (64) e fornece saída rotacional quando acionada pelo eixo (64); um pinhão (68) que é mecanicamente acoplado à caixa de engrenagens (48) e roda em resposta à saída rotacional da caixa de engrenagens (48); uma cremalheira (66) acoplada a uma carga (52), em que a cremalheira faz a carga (52) se mover linearmente em resposta à rotação do pinhão (68); um sistema de substituição (54) capaz de acionar a caixa de engrenagens (48) para gerar a saída rotacional quando o motor (44) está não operacional; e um alojamento (60) que aloja o motor (44), caixa de engrenagens (48), pinhão (68), cremalheira (66), e sistema de substituição (54), em que o alojamento (60) compreende uma primeira parte de alojamento (61) contendo o motor (44) e uma segunda parte de alojamento (62) contendo a caixa de engrenagens (48), em que as primeira (61) e segunda (62) partes formam recintos respectivos separados, em que a primeira parte de alojamento (61) contém um primeiro fluido lubrificante tendo uma primeira viscosidade e a segunda parte de alojamento (62) contém um segundo fluido lubrificante tendo uma segunda viscosidade, a primeira viscosidade sendo menor que a segunda viscosidade.

2. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende: um primeiro dispositivo anti acionamento reverso (46) disposto entre o motor (44) e eixo (64) para impedir acionamento reverso do motor (44); e um segundo dispositivo anti acionamento reverso (56) disposto entre o sistema de substituição (64) e caixa de engrenagens (48) para impedir acionamento reverso do sistema de substituição (54).

3. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o atuador linear (42) é configurado de modo que, quando nenhum dentre o motor (44) e o sistema de substituição (54) está acionando a caixa de engrenagens (48), a carga (52) é mantido em sua posição corrente.

4. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende uma bexiga de compensação (63) que iguala a pressão entre os primeiro e segundo fluidos lubrificantes.

5. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende um sensor de indicação de posição (58) que detecta a posição linear da carga (52).

6. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que o sensor de indicação de posição (58) compreende um transformador diferencial variável linear.

7. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende um indicador de posição local (59) acoplado à carga (52) que converte movimento linear da carga (52) em movimento rotativo para indicar a posição da carga (52).

8. Atuador linear (42), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a carga (52) compreende uma haste (52) de uma válvula (30), e em que o atuador linear (42) é configurado de modo que, em operação, o movimento linear levanta ou abaixa a haste (52) para variar uma taxa de fluxo através da válvula (30).