BR112015005563B1

BR112015005563B1 - sistema de fluido submersível para operar submerso em um corpo de água e método para acoplar uma máquina elétrica a uma extremidade de fluido em um sistema de fluido submersível

Info

Publication number: BR112015005563B1
Application number: BR112015005563-0A
Authority: BR
Inventors: Christopher E. Cunningham; Co Si Huynh
Original assignee: Fmc Technologies, Inc
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2021-04-20
Also published as: BR112015005563A2; WO2014042628A1; SG11201501908WA; US10161418B2; US20150316072A1; AU2012389803B2; AU2012389803A1; EP2901016B1; EP2901016A1

Abstract

ACOPLAMENTO DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA E EXTREMIDADE DE FLUIDO. Um sistema de fluido submersível para funcionamento submerso em um corpo de água inclui uma extremidade de fluido que tem um rotor de fluido disposto em um alojamento de extremidade de fluido. Um alojamento de máquina elétrica é acoplado ao alojamento de extremidade de fluido e inclui uma cavidade vedada hermeticamente. Uma máquina elétrica, tal como um motor e / ou gerador, é disposta totalmente dentro da cavidade do alojamento de máquina elétrica. A máquina elétrica inclui um estator de máquina elétrica e um rotor de máquina elétrica. Um acoplamento magnético acopla o rotor de máquina elétrica e o rotor de fluido.

Description

FUNDAMENTOS

[001] Operação de sistemas de fluido, tais como bombas, compressores, misturadores, separadores e outros tais sistemas submersos na água é dificil porque o ambiente operacional é duro, especialmente se este ambiente é água do mar profundo. A água em torno do sistema e muitas vezes o fluido de processo que flui através do sistema é corrosivo. O ambiente pode ser frio, tornando muitos materiais quebradiços e causando grande expansão / contração térmica de equipamentos como os equipamentos circulam entre estado operacional quente e não operacional frio. A pressão hidrostática da água e/ou fluido de processo pode ser substancial. Além disso, instalação e acesso aos sistemas de fluido para manutenção e reparação são dificeis e caros, porque os sistemas são muitas vezes implantados em locais geograficamente distantes e em profundidades inacessíveis por mergulhadores, portanto, exigindo navios construídos por propósito, pessoal qualificado e equipamentos de robótica.

SUMÁRIO

[002] Os conceitos aqui englobam um sistema de fluido submersível para operar submerso em um corpo de água. O sistema de fluido submersível inclui uma extremidade de fluido que tem um rotor de fluido disposto em um alojamento de extremidade de fluido. Um alojamento de máquina elétrica é acoplado ao alojamento de extremidade de fluido e inclui uma cavidade vedada hermeticamente. Uma máquina elétrica, tal como um motor e / ou gerador, é disposta totalmente dentro da cavidade do alojamento de máquina elétrica. A máquina elétrica inclui um estator de máquina elétrica e um rotor de máquina elétrica. Um acoplamento magnético acopla o rotor de máquina elétrica e o rotor de fluido.

[003] Os conceitos aqui abrangem um método de acoplar uma máquina elétrica a uma extremidade de fluido de um sistema de fluido submersível. De acordo com o método, um rotor de máquina elétrica é mantido em uma área de uma primeira pressão que é hermeticamente vedada a partir de um rotor de fluido da extremidade de fluido. O rotor de fluido da extremidade de fluido reside em uma área de uma segunda pressão diferente. O rotor do motor elétrico é acoplado ao rotor de fluido com um (sem toque) acoplamento magnético através de uma parede estacionária entre o rotor de máquina elétrica e o rotor de fluido. O (sem toque) acoplamento magnético faz o rotor de fluido mover com o rotor de máquina elétrica, ou vice-versa.

[004] Os conceitos aqui abrangem uma extremidade de fluido submersível. A tem um eixo contido em um alojamento de extremidade de fluido submersível. O eixo tem um imã permanente. O tem um rotor estendendo para dentro da máquina elétrica. O motor tem um imã permanente de rotor e o rotor reside em uma cavidade hermeticamente vedada definida por um alojamento de máquina elétrica. O imã permanente reside próximo do imã permanente de rotor comunicando fluxo magnético entre o imã permanente e imã permanente de bomba para acoplar o eixo com o eixo de rotor.

[005] Os conceitos acima podem abranger alguns, nenhum ou todos os seguintes recursos.

[006] Em certos casos, uma extremidade do rotor de fluido pode estender em um orificio interior do rotor de máquina elétrica e um imã é acoplado a um exterior da extremidade do rotor de fluido. Outro imã é acoplado ao rotor de máquina elétrica, e reside no interior do orificio do rotor de máquina elétrica. Uma parede é fornecida entre os imãs. Em certos casos, a parede inclui um cilindro condutor substancialmente não magneticamente. Em certos casos, pode ser fornecido um suporte que estende a partir de uma extremidade do alojamento de máquina elétrica para o alojamento de extremidade de fluido que fixa o cilindro entre o suporte e o alojamento de extremidade de fluido. O suporte pode ser pressionado por mola em direção ao alojamento de extremidade de fluido. Em certos casos, uma passagem de fluido pode ser fornecida através do suporte e para um interior do cilindro. A passagem de fluido pode ser acoplada para receber fluido a partir do exterior do sistema de fluido e comunicar o fluido a um interior do cilindro. Em certos casos, este fluido pode ser substancialmente gás. Em certos casos, o cilindro pode ser uma manga interior feita de cerâmica ou vidro impermeável ao gás dentro de uma manga exterior compósita de matriz de fibra. Em certos casos, a manga exterior pode compressivamente esticar a manga interior. Em certos casos, a manga pode incluir uma superficie de vedação sobre uma extremidade e uma superficie de vedação sobre uma extremidade oposta.

[007] Em certos casos, a cavidade vedada do alojamento de máquina elétrica pode conter gás a uma pressão de cerca de uma atmosfera, e um interior do cilindro pode conter um fluido a uma pressão de cerca da pressão do fluido que entra no rotor de fluido na extremidade de fluido. Em certos casos, as vedações vedando a cavidade a partir do alojamento de extremidade de fluido são vedações inteiramente estáticas. Em certos casos, a máquina elétrica inclui um mancai magnético suportando o rotor de máquina elétrica para rodar no interior do estator de máquina elétrica. 0 mancai magnético pode ser inteiramente contido dentro da cavidade vedada. Em certos casos, a extremidade de fluido pode conter um mancai tipo pelicula de fluido suportando o rotor de fluido. Em certos casos, o rotor de máquina elétrica inclui um imã permanente que interage com o estator de motor elétrico para rodar o rotor de máquina elétrica em relação ao estator e/ou para gerar eletricidade quando rodado em relação ao estator. Em certos casos, a máquina elétrica é um motor e o rotor de fluido é um rotor de bomba.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[008] A Figura 1 é uma vista lateral de um exemplo de sistema de fluido.

[009] A Figura 2A é uma vista lateral de seção transversal de um exemplo de máquina elétrica integrada e extremidade de fluido que podem ser usadas no sistema de fluido de exemplo da Figura 1.

[0010] A Figura 2B é uma vista lateral de seção transversal de uma porção de entrada de fluido e o acoplamento magnético entre um rotor de máquina elétrica e um rotor de extremidade de fluido no sistema de fluido de exemplo da Figura 2A.

[0011] A Figura 2C é uma vista de seção transversal lateral de uma porção de saida de fluido e cárter da extremidade de fluido de exemplo da Figura 2A.

[0012] A Figura 3 é um esguema de fluxo do sistema de fluido de exemplo da Figura 1.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0013] Sistemas de fluido do tipo agui descrito atuam em fluidos ("fluidos de processo") gue podem compreender fases substancialmente únicas, por exemplo, água, óleo ou gás, ou uma mistura de mais do gue uma fase ("multifásico") que pode incluir duas ou mais fases e sólidos frequentemente entranhados, por exemplo, areia, partículas de metal e / ou flocos de ferrugem, cera e / ou aglomerações de escala, etc. A Figura 1 é uma vista lateral de um exemplo de sistema de fluido. A Figura 1 ilustra um sistema de fluido de exemplo 100 construído de acordo com os conceitos aqui descritos. O sistema de fluido 100 inclui uma extremidade de fluido 102 acoplada a uma máquina elétrica 104. Em certos casos, o sistema de fluido 100 também pode incluir um sistema de separador de fluido 108.

[0014] Sistema de fluido 100 pode ser operado submerso em água aberta, por exemplo, do lado de fora de um poço de injeção ou produção de hidrocarbonetos em um lago, rio, mar ou outro corpo de água. Para este fim, a extremidade de fluido 102 e motor elétrico 104 são embalados dentro de um reservatório de pressão vedado para impedir a passagem de fluido entre o interior do recipiente de pressão e o meio envolvente (por exemplo, água circundante). Componentes de sistema de fluido 100 são construídos para resistir à pressão ambiente sobre o sistema de fluido 100 e cargas térmicas exercidas pelo ambiente circundante, bem como pressões e cargas térmicas incorridas ao operar a máquina elétrica 104 e extremidade de fluido 102.

[0015] Em certos casos, por exemplo aplicações submarinas, extremidade de fluido 102, máquina elétrica 104 e sistema separador de fluido 108 podem ser transportados em um calço 110 ou outra estrutura de sistema de fluido 100 que alinha com, e engata outras estruturas submarinas, por exemplo, por meio de tubos de guia 112 que capturam postes de guia de uma estrutura submarina correspondente, ou através da interação de um arranjo cone para cone mais pino e carne grande (não mostrado, mas familiar para os peritos na arte de sistemas submarinos sem linha guia). Quando o sistema de fluido é referido como um sistema de fluido "submarino", isto não é para dizer que o sistema de fluido é desenhado para operar apenas no fundo do mar. Em vez disso, o sistema de fluido submarino é de um tipo que é projetado para operar sob os rigores encontrados em ou perto da parte inferior de um corpo aberto de água, como um oceano, um lago, um rio ou outro corpo de água doce ou salgada. Uma fonte auxiliar de líquidos 114 pode ser conectada a um calço 110 para fornecer líquidos para o sistema, por exemplo, produtos químicos de inibição de corrosão, escama e hidrato.

[0016] Um ou mais amortecedores 120 podem ser afixados externos ao sistema de fluido 100 para amortecer o impacto do sistema de fluido 100 com superfícies, tais como em uma estrutura submarina ou um convés de navio de transporte. Os amortecedores 120 podem ser configurados para manter um nível de orientação do sistema de fluido 100 em situações em que a superfície não é plana. Os amortecedores 120 podem ser amortecedores de fluido ou outros tipos de dispositivos de absorção de choque ou impacto.

[0017] Tal como descrito em mais detalhe abaixo, máquina elétrica 104 é uma máquina elétrica de corrente alternada (AC), síncrona, de ímã permanente (PM) com um rotor que inclui ímãs permanentes e um estator que inclui uma pluralidade de enrolamentos formados ou de cabo e um núcleo (tipicamente) de laminações empilhadas. Em outros casos, a máquina elétrica 104 pode ser outro tipo de máquina elétrica, tais como máquina AC, assíncrona, uma de indução em que tanto o rotor e o estator incluem enrolamentos e laminações, ou mesmo outro tipo de máquina elétrica. Máquina elétrica 104 pode operar como um motor de produção de movimento mecânico a partir de eletricidade, um gerador de produção de energia elétrica a partir do movimento mecânico, ou alternar entre a geração de energia elétrica e motor. No automobilismo, a saída de movimento mecânico de máquina elétrica 104 pode acionar extremidade de fluido 102. Em geração, extremidade de fluido 102 fornece movimento mecânico para máquina elétrica 104, e máquina elétrica 104 converte o movimento mecânico em energia elétrica.

[0018] Nos casos em que a extremidade de fluido 102 é acionada por motor elétrico 104, a extremidade de fluido 102 pode incluir qualquer um de uma variedade de diferentes dispositivos. Por exemplo, a extremidade de fluido 102 pode incluir um ou mais de bombas de rotação e / ou vaivém, compressores de rotação e / ou vaivém, os dispositivos de mistura, ou outros dispositivos. Alguns exemplos de bombas incluem centrifuga, axial, palhetas rotativas, engrenagem, parafuso, lóbulo, cavidade progressiva, vaivém, êmbolo, diafragma e / ou outros tipos de bombas. Alguns exemplos de compressores incluem centrifugo, axial, palheta rotativa, parafuso, vaivém e / ou em outros tipos de compressores, incluindo aquela classe de compressores por vezes referida como "compressores de gás úmidos" que podem acomodar um maior teor de liquido no fluxo de gás do que é tipico para compressores convencionais. Em outros casos, a extremidade de fluido 102 pode incluir um ou mais de um motor de fluido operável para converter fluxo de fluido em energia mecânica, um sistema de turbina a gás operável para fazer a combustão de uma mistura de ar / combustível e converter a energia de combustão em energia mecânica, um motor de combustão interna e / ou outro tipo de motor primário. Em qualquer caso, a extremidade de fluido 102 pode ser dispositivo de único ou multi-estágio.

[0019] Enquanto a Figura 1 ilustra uma máquina elétrica orientada verticalmente 104 acoplada a uma extremidade de fluido orientada verticalmente 102, outras implementações podem fornecer para uma máquina elétrica orientada horizontalmente acoplada a uma extremidade de fluido orientada horizontalmente, uma máquina elétrica orientada verticalmente 104 acoplada a um extremidade de fluido orientada horizontalmente 102, uma máquina elétrica orientada horizontalmente 104 acoplada a uma extremidade de fluido orientada verticalmente 102, assim como ainda outras orientações da máquina elétrica 104 e extremidade de fluido 102, incluindo arranjos não em linha e não perpendiculares.

[0020] Apesar de mostrado com uma única extremidade de fluido 102, máquina elétrica 104 pode também ser acoplada a duas ou mais extremidades de fluido 102 (para acionar e / ou ser acionada pelas extremidades de fluido 102) . Em certos casos, uma ou mais extremidades de fluido 102 podem ser fornecidas em cada extremidade da máquina elétrica 104, e em qualquer orientação em relação à máquina elétrica 104. Por exemplo, em uma configuração com duas extremidades de fluido 102, uma pode ser fornecida em uma extremidade da máquina elétrica 104 e outra fornecida em uma extremidade oposta da máquina elétrica 104, e as extremidades de fluido 102 podem ser orientadas em diferentes ângulos em relação à máquina elétrica 104. Em outro exemplo, uma configuração com duas extremidades de fluido 102 pode ter uma fornecida em uma extremidade da máquina elétrica 104 e outra acoplada à primeira extremidade de fluido 102. Além disso, se múltiplas extremidades de fluido 102 são fornecidas, elas não precisam ser todas do mesmo tipo de dispositivo e não precisam funcionar no mesmo fluido, isto é, elas podem operar em diferentes fluidos.

[0021] A Figura 2 A é uma vista de seção transversal lateral de uma máquina elétrica de exemplo 202 e extremidade de fluido 204 que podem ser utilizadas no sistema de fluido de exemplo 100 da Figura 1. Extremidade de fluido 204 inclui um rotor de fluido 206 disposto em um alojamento de extremidade de fluido 208. Alojamento de extremidade de fluido 208 contém fluidos de processo que fluem de uma entrada de 250 próxima de máquina elétrica 202 a uma saida 272 distai da máquina elétrica. Máquina elétrica 202é transportada por, e contida em, um alojamento de máquina elétrica 210 anexado ao alojamento de extremidade de fluido 208 de extremidade de fluido 204 por meio de extremidade de sino 214a. Alojamento de máquina elétrica 210 é anexado em sua extremidade superior para extremidade de sino 214b, que é anexada à tampa 233. As fixações acima mencionadas são vedadas para criar um recipiente de pressão encapsulando máquina elétrica 202 que impede a passaqem de fluido entre o seu interior e o ambiente circundante (por exemplo, água). Um outro conjunto de partes e interfaces (descritas mais adiante nesta memória descritiva) impede a passagem de fluido entre a máquina elétrica 202e extremidade de fluido 204. Como resultado das barreiras mencionadas, máquina elétrica 202 opera no seu próprio ambiente de fluido, que pode ser gás ou liquido dependendo de trocas especificas (com gás preferido do ponto de vista geral de eficiência de sistema). A Figura 2A mostra um sistema de fluido submarino monobloco 200 em que elementos estruturais de máquina elétrica 202 anexam diretamente para elementos estruturais de extremidade de fluido 204.

[0022] Máquina elétrica 202 disposta no interior do alojamento de máquina elétrica 210 inclui um estator de máquina elétrica 218 e um rotor de máquina elétrica 220. Alojamento de máquina elétrica 210 é acoplado ao alojamento de extremidade de fluido 208 e inclui uma cavidade vedada hermeticamente. A cavidade tem um gás a uma pressão menor do que a pressão hidrostática na profundidade debaixo de água especificada. A máquina elétrica 202 é disposta no interior da cavidade do alojamento de máquina elétrica. Estator de máquina elétrica 218 é interagido com uma fonte de alimentação externa por penetradores / conectores 238 que passam através de extremidade de sino inferior 214a. É conhecido dos peritos na arte de sistemas de interligação de energia elétrica subaquáticos que minimizar diferencial de pressão que atua através dessas interfaces é recomendado para o sucesso a longo prazo. Rotor de máquina elétrica 220 é magneticamente acoplado para rodar com o rotor de fluido de processo 206 com um acoplamento magnético 258. Em outros casos, um acoplamento mecânico poderia ser utilizado. Rotor de máquina elétrica 220, que pode ser tubular, inclui um eixo de rotor (ou núcleo, no caso de uma máquina AC) 221 e imãs permanentes 226 afixados ao exterior do eixo de rotor 221, particularmente, em uma área próxima de núcleo de estator 222. O acoplamento magnético 258 acopla a rotor de máquina elétrica 220 e o rotor de fluido 206 para rodar à mesma velocidade e sem contacto (isto é, acoplamento magnético fora de contacto). O fluido de rotor 206 é disposto para rodar no alojamento de extremidade de fluido 208 e para receber e interagir com um fluido de processo que flui a partir da entrada 250 para a saida 272 do alojamento de extremidade de fluido 208. O rotor de fluido 206 é configurado para empurrar para cima para a extremidade superior quando em rotação.

[0023] Os imãs permanentes 226 são presos para o eixo de rotor 221 por uma luva 228 incluindo qualquer material e / ou construção de material que não afete negativamente o campo magnético e que satisfaça todos os outros requisitos de projeto e funcionais. Em certos casos, a manga 228 pode ser feita a partir de um metal não ferroso apropriado, por exemplo, aço inoxidável de Instituto de Ferro e Aço Americano (AISI) 316 ou uma liga de niquel cromo, por exemplo, Inconel (um produto de Inco Alloys, Inc.), ou pode incluir uma construção compósita de fibras de alta resistência, tais como fibra de carbono, fibra cerâmica, fibra de basalto, fibra de aramida, fibra de vidro, e / ou outra fibra em, por exemplo, uma matriz termoplástica ou termoendurecida. Os imãs permanentes 226 fornecem um campo magnético que interage com um campo magnético de estator 218 para pelo menos um de rotação do rotor de máquina elétrica 220 em relação ao estator 218 em resposta a energia elétrica fornecida ao estator 218, ou para gerar eletricidade no estator 218 quando o rotor 220 é movido em relação ao estator 218.

[0024] Rotor de máquina elétrica 220 é suportado para rodar no estator 218 por rolamentos magnéticos 230a e 230b separados uma distância significativa em relação ao comprimento do rotor de máquina elétrica 220, e normalmente, mas não essencialmente, próximo das extremidades do rotor de máquina elétrica 220. Em pelo menos uma alternativa para a configuração mostrada na Fig.2a, mancai magnético 230a pode ser posicionado mais perto do núcleo de estator 222 de tal modo que uma porção substancial ou mesmo a totalidade do acoplamento magnético 258 estende além do mancai magnético 230a no que é conhecido para os peritos na arte de máquinas rotativas como uma configuração em balanço ("over-hung"). Mancai magnético 230a é um mancai magnético de combinação ("combo") que suporta rotor de máquina elétrica 220 tanto axial e radialmente, e mancai magnético 230b é um mancai magnético radial. No caso de uma máquina elétrica orientada verticalmente 202, pode ser fornecido um dispositivo de elevação magnético passivo 254 para transportar uma porção significativa do peso do rotor de máquina elétrica 220 para reduzir a capacidade necessária para a porção axial do mancai de combo magnético 230a, permitindo menor tamanho e desempenho dinâmico melhorado para mancai de combo 230a. Máquinas incorporando mancais magnéticos normalmente também incluem mancais de reserva 231a e 231b para restringir rotor de motor 220 enquanto gira para uma parada no evento dos mancais magnéticos deixarem de ser eficazes, por exemplo, devido à perda de energia ou outra falha. Mancais de reserva 231a, 231b suportarão rotor de motor 220 sempre que mancais magnéticos 230a, 230b não são energizados, por exemplo, durante transporte do sistema de fluido 100. O número, tipo e/ou posicionamento de mancais na máquina elétrica 202 e extremidade de fluido 204 podem ser diferentes para diferentes configurações de sistema de fluido 100.

[0025] Outros elementos da máquina elétrica 202 são intimamente associados com extremidade de fluido integrada 204, e uma visão geral de alguns atributos de nivel superior para sistema de fluido submarino 200 neste momento pode facilitar a compreensão de leitor das funções e natureza operacional integrada destes outros elementos de máquina elétrica 202.

[0026] Algumas modalidades do sistema de fluido submarino 200 podem incluir: uma máquina elétrica 202 o conteúdo da qual opera em um ambiente de gás a pressão de nominalmente 1 atmosfera entregando perdas mais baixas do que as tecnologias existentes (por exemplo, enquanto seu alojamento de máquina elétrica 210 é exposto externamente a água potencialmente profunda e alta pressão associada); uma máquina elétrica 202 que utiliza mancais magnéticos 230a, 230b para reduções de perda adicionais em comparação com máquinas que operam em ambiente liquido submerso usando, por exemplo, elementos de rolo ou mancais de pelicula de fluido; um acoplamento magnético 258 para o qual uma porção interna 262 é contida no fluido de processo de potencialmente muito alta pressão e é isolada a partir da sua porção exterior associada 293 localizada no interior do ambiente de pressão de nominalmente 1 atmosfera da máquina elétrica 202 por uma manga estática (não rotativa) 235 que juntamente com suas vedações de extremidade estáticas associadas (não rotativas) 246, 248 é capaz de suportar o grande diferencial de pressão atuando através da mesma; uma máquina elétrica 202 que por causa do seu ambiente operacional de 1 atmosfera, utiliza de mancais magnéticos 230a, 230b, e utiliza de um acoplamento magnético (s) 258 para engatar sua extremidade de fluido (s) integrada 204, produz muito menos calor durante a operação em comparação com outras tecnologias conhecidas (usadas nas aplicações de sistema de fluido submarino 200) e que, portanto, pode transferir seu calor para o meio ambiente utilizando materiais e técnicas passivas, duráveis e de baixo custo (incluindo sem refrigerante circulado e impulsor de bomba associado, etc.); um modo de arrefecer o acoplamento magnético 258 que, em certas circunstâncias, pode permitir a porção submersa de fluidos de processo deste acoplamento girar dentro de um núcleo de gás (com menor perda concordante e outras vantagens) ; uma ou mais extremidades de fluido 204 que empregam mancais de película de fluido 264a, 264b, 274 ou quaisquer outros tipos de mancais lubrificados e arrefecidos por fluido de processo (por exemplo, água ou óleo ou uma combinação dos mesmos) , ou fluido alternativo; uma ou mais extremidades de fluido 204 que empregam mancais 264a, 264b, 274, fornecidos como mancais de película de fluido, mancais magnéticos ou quaisquer outros tipos de mancais nesses mesmos locais ou diferentes, ou uma combinação de todos os tipos de mancais; um arranjo de extremidade de fluido vertical de entrada superior / saída inferior 204 que fornece um cárter 271 em sua mais extremidade inferior para proteger mancais de película de fluido 264b, 274 em um ambiente útil.

[0027] Enquanto o conteúdo do equipamento elétrico 202 foi anteriormente descrito como operando em um ambiente de pressão de nominalmente 1 atmosfera, o sistema de fluido 200 pode ser alternadamente configurado para manter o conteúdo da máquina elétrica 202 em um ambiente compensado para ser substancialmente igual à pressão da água em torno do sistema de fluido 200.

[0028] Enquanto o acoplamento magnético 258 foi anteriormente descrito com a porção interna 262 no fluido de processo e a porção exterior 293 no ambiente de pressão de nominalmente 1 atmosfera de máquina elétrica 202, como uma alternativa, o acoplamento magnético 258 pode ser fornecido com a topologia oposta, tendo uma porção interior no ambiente de pressão de nominalmente 1 atmosfera e uma porção exterior no fluido de processo.

[0029] Alojamento de máquina elétrica 210 (e respectivas peças) mais acoplamento magnético 258 combinados com manga 235 (e respectivas peças) estabelecem três ambientes substancialmente distintos que podem ser explorados por um valor sem precedentes para sistemas de fluido submersos 200, ou seja: Uma manga interior de potencialmente ambiente de gás de processo 235 na extremidade superior da extremidade de fluido 204 (caso contrário, fluido ou liquido multifásico de processo); uma manga exterior de ambiente de gás de nominalmente 1 atmosfera 235 e alojamento de máquina elétrica interior 210; um ambiente subaquático fora do alojamento de máquina elétrica 210 (e também alojamento de extremidade de fluido exterior 208). Em uma modalidade alternativa, o ambiente dentro do alojamento de máquina elétrica 210 pode ser pressurizado (por exemplo, com gás ou liquido) um pouco ou muito (ou seja, qualquer de vários niveis até e incluindo o do fluido de processo), com trocas concordantes em eficiência de sistema geral (aumento de perdas), seção transversal possivelmente diferente para, por exemplo, alojamento de máquina elétrica 210, manga superior 296 e manga inferior 298, seção transversal reduzida da manga 235 e, portanto, eficiência aumentada de acoplamento magnético 258, campo de pressão diferente entre, por exemplo, penetradores de energia elétrica, diferentes considerações de gerenciamento de calor, etc. Com o contexto anterior, descrição adicional será agora fornecida para componentes de máquina elétrica 202 e outros componentes de sistema de fluido submarino 200.

[0030] De acordo com a presente invenção, deve ser entendido que fluido de processo pode ser utilizado para lubrificar e arrefecer Pelicula de fluido ou outros tipos de mancais 264a, 264b, 274 na extremidade de fluido 204, e para arrefecer acoplamento magnético 258. Entende-se ainda que o fluido de processo na forma liquida vai melhor satisfazer as necessidades de mancais lubrificados e refrigerados de processo (não aplicável se a extremidade de fluido 204 usa mancais magnéticos) , e que o fluido de processo que contém pelo menos um pouco de gás pode se beneficiar da aplicação de acoplamento-resfriamento, isto é, pela redução de perda de arrasto associada com movimento de rotor de fluido de processo 206 e condução de calor para dentro da manga 235. O fluido de processo para as aplicações assinaladas pode ser proveniente de qualquer de, ou mais do que um de, várias localizações relativas para sistema de fluido submarino 200 de acordo com as propriedades do fluido de processo no tal local (s) de fonte (por exemplo, água, óleo, gás, multifásico), a pressão de tal fonte (s) em relação ao ponto de utilização, e as propriedades requeridas para fluido no ponto de utilização. Por exemplo, fluido de processo pode ser proveniente de a montante de sistema de fluido submarino 200, tal como a partir do tanque de armazenamento provisório 278, reservatório de liquido 284 ou outras fontes incluindo algumas não associadas com a corrente de processo que passa através do sistema de fluido submarino 200 e / ou algumas associadas com a corrente de processo que passa através do sistema de fluido submarino 200 que estão sujeitas a, por exemplo, pré-condicionar antes de entrar na corrente de processo que passa através de sistema de fluido submarino 200 (por exemplo, um fluxo de poço que é estrangulado para baixo para uma pressão mais baixa antes de ser misturado com um ou mais correntes de fluxo de pressão inferior incluindo a corrente de fluxo ultimamente entrando no sistema de fluido submarino 200). Fluido de processo pode ser obtido a partir do sistema de fluido submarino em si 200 (por exemplo, a partir de quaisquer estágios de aumento de pressão de sistema de fluido submarino 200, saida próxima 272, a partir de cárter 271 e / ou imediatamente adjacente ao respectivo ponto desejado de uso). Fluido de processo pode ser originado a jusante do sistema de fluido submarino 200, por exemplo, a partir da corrente de fluxo de processo a jusante diretamente ou a partir da unidade de extração de liquido 287, entre outros. Os fluidos de corrente de não processo também podem ser usados para lubrificação e arrefecimento, tais como produtos quimicos disponíveis no local do fundo do mar (que são normalmente injetados no fluxo de processo para inibir corrosão e/ou formação de, por exemplo, hidratos e/ou deposição de asfaltenos, escamas, etc).

[0031] Nos casos em que o fluido de processo a montante é utilizado para lubrificação e/ou arrefecimento, e a fonte não existe a uma pressão maior do que no ponto de utilização pretendido, tal fluido de processo pode precisar de ser "impulsionado". Isto é, a pressão de tal fluido de processo pode ser aumentada usando, por exemplo uma bomba auxiliar dedicada / separada, um impulsor integrado com um elemento rotativo no interior do sistema de fluido submarino 200, ou por outros meios. Em certas implementações a queda de pressão através do homogeneizador de entrada de extremidade d fluido (isto é, misturador) 249 pode criar um viés de pressão suficiente para fornecer fluidos desejados a partir de montante do mesmo, por exemplo, mancai radial superior 264a e câmara de acoplamento 244, sendo esta última o espaço circundante de porção interior de acoplamento magnético 262 e residindo dentro da manga 235 (esta implementação é discutida mais adiante).

[0032] Independentemente da fonte de fluido de processo, poderá ser refinado e / ou limpo antes de ser entregues ao ponto (s) de utilização. Por exemplo, o fluido multifásico pode ser separado em gás, um ou mais fluxos de liquidos e sólidos (por exemplo, areia, partículas de metal, etc.), com sólidos tipicamente desviados para fluir para dentro da extremidade de fluido 204 através da sua entrada principal 250 e / ou recolhidos para eliminação. Tal separação de fluidos pode ser alcançada usando, por exemplo meio gravitacional, centrifugo ciclônico e / ou magnético (entre outros mecanismos) para alcançar propriedades de fluido desejadas para cada ponto de utilização. Depois do fluido ter sido limpo, ele também pode ser arrefecido pela passagem do fluido refinado através, por exemplo, de tubos de paredes finas e / ou placas finas separando pequenos canais, etc. (ou seja, trocadores de calor) expostos a sistema de fluido de água circundante 200.

[0033] Máquina elétrica 202 inclui uma tampa 233 fixada à extremidade de sino superior 214b. Para a configuração mostrada na Figura 2A, ponta 234 é pressionada para baixo na manga 235 por mecanismo de mola 239 reagindo entre anel de mancai de ressalto 240 e anel de mancai de ressalto 289. Extremidade de sino 214b, alojamento de máquina elétrica 210, extremidade de sino 214a, alojamento de extremidade de fluido 208, anel de suporte de manga 270, e vários elementos de fixação associados com os itens anteriores fecham o caminho de carga axial para ponta 234 e a manga 235. Ponta 234 contém um duto axial interior 242 que liga o ambiente de processo dentro da manga 235 com uma cavidade fornecida entre a extremidade superior da ponta 234 e o inferior da tampa 233. Tampa 233 inclui um duto 245 que liga a cavidade inferior com o duto de serviço exterior 290 que oferece, por exemplo fluido de resfriamento originado por processo para o acoplamento (descrito anteriormente). Fluido pressurizado transportado através dos dutos notados enche a cavidade abaixo da tampa 233 e atua na ponta 234 através do fole 288, pistão 286 e liquido fornecido entre fole 288 e pistão 286. O diâmetro de vedação de pistão 286 é ditado pelo diâmetro de vedação da manga 235 e a força criada pelo mecanismo de mola 239, e é especificado para assegurar uma carga de compressão axial substancialmente constante na manga 235 independentemente de, por exemplo, pressão e temperatura agindo no interior e exterior para sistema de fluido submarino 200. Por outras variantes do sistema de fluido submarino 200 os elementos acima mencionados são modificados para assegurar que uma carga de tração axial substancialmente constante é mantida na manga 235. Mangas 235 podem ser um cilindro. A manga 235 pode ser substancialmente não magnética definindo uma parede substancialmente não magnética, por exemplo, feita de um material não magnético. Em certos casos, a manga 235 pode ser feita de um material eletricamente condutor que, embora experimente um campo magnético associado, os efeitos de um tal campo magnético, podem ser praticamente mitigados. A manga 235 pode incluir uma parede substancialmente não condutora.

[0034] Em certos casos manga 235 pode ser um cilindro de cerâmica e/ou vidro impermeável a gás mantido "em compressão" para todas as condições de carga esperadas por um sistema de suporte integrado, por exemplo, luva de compressão exterior 292 para suporte radial e ponta 234 mais anel de suporte de manga 27 0 para suporte axial. A manga 235, incluindo manga de compressão exterior 292 é idealmente feita de materiais e/ou construída de tal modo a não obstruir significativamente o campo magnético de acoplamento magnético 258, e para gerar pouco calor, se algum, por exemplo a partir de correntes parasitas associadas com o campo magnético rotativo de acoplamento. Em certos casos, a manga de compressão exterior 292 pode ser uma construção compósita de fibras de alta resistência, tais como fibra de carbono, fibra cerâmica, fibra de basalto, fibra de aramida, fibra de vidro e/ou outras fibras, por exemplo uma matriz termoplástica ou termoendurecida. Em certos casos, manga 235 pode ter superficies de extremidade metalizadas e/ou outros tratamentos para facilitar, por exemplo, uma vedação de metal-metal com as superficies correspondentes de ponta 234 e anel de suporte de manga 270.

[0035] Em certas modalidades do sistema de fluido submarino 200, a máquina elétrica 202 é cheia com gás, por exemplo, ar ou um gás inerte tal como nitrogênio ou argônio, em ou perto da pressão de 1 atmosfera. Diferente de vácuo, que é dificil de estabelecer e manter, e que fornece propriedades de transferência de calor pobres, um ambiente de pressão de gás muito baixa oferece as melhores condições para o funcionamento de uma máquina elétrica de forma eficiente (por exemplo, baixa perda de arrasto, etc.), assumindo que calor produzido pela máquina pode ser removido de forma eficiente.

[0036] Quando submersa em águas profundas a pressão fora de máquina elétrica cheia de gás 202 irá colapsar, por exemplo, alojamento de máquina elétrica 210 se não for adequadamente forte ou apoiado interiormente. Em certas modalidades do sistema de fluido submarino 200, o alojamento de máquina elétrica 210 é fino e possivelmente "afinado" para melhorar a transferência de calor entre a máquina elétrica 202 e o ambiente circundante. Alojamento de máquina 210 pode ser encaixado apertadamente em torno do núcleo de estator 222 e mangas 296, 298, e suas extremidades da mesma forma podem ser encaixadas apertadamente sobre superficies de mancai fornecidas em extremidades de sino 214a, 214b. As estruturas de suporte de alojamento de máquina 210 são dimensionadas para ter uma resistência suficiente para o propósito, e, caso seja possivel (por exemplo, para mangas 296, 298) estas estruturas podem ser feitas com materiais com um equilibrio útil de resistência-massa e propriedades de transferência de calor (por exemplo, aço carbono, aço de baixa liga e escolha aços inoxidáveis, incluindo aço inoxidável 316 e materiais de alto teor de cobre, incluindo berilio-cobre, respectivamente, entre outros).

[0037] A Figura 2B é uma vista lateral de seção transversal de uma porção de entrada de fluido e o acoplamento magnético 258 entre um rotor de máquina elétrica 220 e um rotor de extremidade de fluido 206 em um exemplo de sistema de fluido 200 da Figura 2A. Os imãs permanentes 236a, 236b são afixados a um diâmetro interior de eixo de rotor de máquina elétrica 221 e um diâmetro exterior da extremidade superior 207 do rotor de fluido de processo 206, respectivamente. ímãs 236a, 236b são unificados para seus respectivos rotores por mangas 237A, 237B, e essas mangas servem também para isolar os imãs de seus respectivos ambientes circundantes. Mangas 237A, 237B são feitas de materiais e / ou são construídas de tal modo a não obstruir significativamente o campo magnético de acoplamento magnético 258, e para gerar pouco calor, se algum, por exemplo, a partir de correntes parasitas associadas com o campo magnético rotativo de acoplamento. Em certas instâncias mangas 237A, 237B podem ser cilindros e feitas a partir de um metal não ferroso apropriado, por exemplo, aço inoxidável 316 AISI ou liga de niquel cromo, por exemplo, Inconel (um produto de Inco Alloys, Inc.), ou podem incluir uma construção compósita de fibras de alta resistência, tais como fibra de carbono, fibra cerâmica, fibra de basalto, fibra de aramida, fibra de vidro, e / ou outra fibra por exemplo uma matriz termoplástica ou termoendurecida. Os campos magnéticos produzidos por imãs permanentes 236A, 236B interagem através de manga 235 para magneticamente bloquear (para fins de rotação) rotor de máquina elétrica 220 e rotor de fluido de processo 206, formando assim acoplamento magnético 258.

[0038] O atrito entre rotor de fluido de processo giratório 206 e fluido dentro de câmara de acoplamento 244 tende a "arrastar" este último ao longo (na mesma direção) com o primeiro (e resiste ao movimento do primeiro, consumindo energia), mas também porque existe atrito entre manga estática 235 e referido fluido (que tende a resistir ao movimento de fluido), o fluido normalmente não irá girar com a mesma velocidade que rotor de fluido de processo 206. Forças centrifugas vão ser estabelecidas no fluido de processo giratório que farão elementos mais pesados (por exemplo, sólidos e componentes liquidos densos) moverem para fora (em direção à manga 235), enquanto elementos mais leves (por exemplo, componentes liquidos menos densos e gás que pode ter sido misturado com elementos mais pesados antes de ser "girado") serão relegados a um núcleo central, na proximidade do rotor de fluido de processo giratório 206. O movimento relativo descrito entre as peças mecânicas e o fluido, e entre diferentes componentes do fluido, entre outros fenômenos, produz calor que é posteriormente removido da câmara de acoplamento 244 por vários mecanismos. Menos calor será gerado e menos energia será consumida pelo rotor de fluido de processo giratório 206, se o fluido na proximidade do rotor de fluido de processo giratório 206 tem uma baixa densidade e é facilmente cisalhado, que são características do gás. Sistema de fluido 100 pode fornecer gás para dentro da câmara de acoplamento 244 quando o gás é disponível a partir do fluxo de processo, por exemplo, via ponta 234 interior a duto axial 242 (e dutos associados). Independentemente das propriedades de fluido dentro da câmara de acoplamento 244, este fluido (feito quente por cisalhamento, etc.) pode ser deslocado com o fluido mais frio para evitar sobreaquecimento de componentes (por exemplo, motor) próximos e circundantes.

[0039] A porção de entrada de fluido da Figura 2B é localizada próxima da máquina elétrica 202 e acoplamento magnético 258. O fluido de processo entra na extremidade de fluido 204 por três dutos antes de ser combinado imediatamente a montante do primeiro rotor 241 na área de mistura de fluxos de todas as entradas 243. Porque nenhum destes três fluxos (descrito em maior detalhe a seguir) é normalmente originado a jusante do sistema de fluido submarino 200, eles não foram atuados pelo sistema de fluido submarino 200 e não constituem uma "perda" para fins de cálculo da eficiência global do sistema.

[0040] A maioria de fluido de processo entra na extremidade de fluido 204 através da entrada principal 250. Refrigerante de acoplamento entra na máquina elétrica 202 através de uma porta 245 em tampa 233, e é direcionado para câmara de acoplamento 244 pelo duto 242. Refrigerante para mancai radial 264a entra pela porta 260 para galeria conjunta 262, a partir de onde ele é dirigido através de portas 251 para câmara de mancai 247. Para os fins da presente discussão, fluido de processo que entra na extremidade de fluido 204 deve ser considerado vindo de uma fonte comum próxima de sistema de fluido submarino 200 (não mostrado na Figura 2a) , e, por conseguinte, a pressão na galeria de entrada principal 252, câmara de acoplamento 244 e câmara de mancai 247 pode ser assumida ser aproximadamente a mesma. 0 mecanismo que faz o fluido entrar na extremidade de fluido 204 através de portas 260 e 245 com ligeira e "ajustável" preferência para entrada principal 250 é a queda de pressão criada pelo homogeneizador de entrada 249. A pressão no interior da câmara de homogeneizador de fluxo de entrada 251, e, portanto, refrigerante flui na câmara de mistura 253 (em virtude de sua influência compartilhada via a área de mistura de fluxos de todas as entradas 243) é menor do que a fonte de fluxos de todas as entradas, o que cria um campo de pressão suficiente para criar os fluxos de resfriamento desej ados.

[0041] Para fluido na câmara de acoplamento 244 atingir câmara de mistura de fluidos de refrigerante 253 ele atravessa mancai 264a. Faz isto através de portas de desvio 269 fornecidas no anel de gaiola 268. Para fluido na câmara de mancai 247 alcançar câmara de mistura de fluxos de refrigerante 253, primeiro ele sai de câmara 247 por uma de duas vias. Maioria do fluido sai da câmara 247 através da abertura de folga entre o orificio superior, interior do anel de gaiola 268 e o diâmetro exterior da manga de rotor 267. Uma vez na câmara de acoplamento 244 ele se mistura com o fluido de arrefecimento de acoplamento e atinge a câmara de mistura de fluxos de refrigerante através de orificios de desvio 269.

[0042] O fluido pode também sair da câmara de mancai 247 por meio de vedação 256 para emergir na câmara de mistura de fluxos de refrigerante 253. Um exemplo de uma vedação que pode ser usada como vedação 256 é descrito mais completamente a seguir em relação a vedação 282 associada com a placa de topo de cárter 280. Vedação 256 tem uma folga muito menor em relação à manga de rotor 267 que torna anel de gaiola 268 (localizado no topo do mancai 264a) , e tem uma taxa de vazamento muito mais baixa como resultado. Esta configuração incentiva fluido entrando câmara de mancai 247 para sair de lá na extremidade superior de mancai 264a. Esta pressão em combinação com a gravidade e as forças centrifugas que empurram os componentes de fluido mais pesados (por exemplo, liquidos) para baixo e radialmente para fora, respectivamente, também fazem qualquer gás que possa ser arrastado no fluxo de fluido entrar na câmara de mancai 247 mover radialmente para dentro de modo que seja esgotado imediatamente após anel de gaiola 268.

[0043] Mantendo gás fora da câmara de mancai 247 e removê-lo rapidamente se ele estiver presente na câmara de mancai 247 irá promover o bom desempenho e vida longa para mancai de pelicula de fluido 264a. Para aumentar a probabilidade que superficies ativas de mancai 264A estão constantemente submersas em liquidos (ou seja, superficies interiores de blocos de inclinação 266 e superficie exterior da manga de rotor 267 adjacente aos blocos de inclinação 266), blocos de inclinação 266 são posicionados para interagir com manga de rotor 267 sobre um diâmetro maior do que as aberturas (acima e abaixo de blocos de inclinação 266) que permitem fluido mover para fora da câmara de mancai 247. A tendência natural para gás separar de liquido e mover na direção do centro de rotação em um sistema de fluido de rotação irá assegurar que gás se move para fora da câmara 247 antes de liquidos sempre que gás está presente na câmara de mancai 247. Adicionar uma vedação adicional 256 que é posicionada acima da câmara de mancai 247 pode melhorar a capacidade de administrar o gás inerentemente presente no fluxo de processo.

[0044] Em algumas modalidades do sistema de fluido submarino 200, fluido de processo combinado imediatamente a montante do primeiro rotor 241 na área de mistura de fluxos de todas as entradas 243 é a jusante do mesmo aumentado em pressão por fases hidráulicas incluindo impulsores presos a rotor de fluido de processo 206 interagindo com difusores estáticos intercalados (conhecidos como estatores). Vedações estáticas e dinâmicas são fornecidas em locais apropriados dentro das fases hidráulicas para minimizar refluxo de regiões de pressão maior para menor, melhorando assim o desempenho hidráulico de extremidade de fluido 204.

[0045] A Figura 2C é uma vista de seção transversal lateral de uma porção de saida de fluido e cárter de um exemplo de extremidade de fluido 204 da Figura 2A. Há cinco principais regiões de interesse nesta área separadas por dois elementos funcionais significativos. Esses elementos são dispositivos de equilibrio de impulso de rotor de fluido de processo 259 e placa de topo de cárter 280. Acima, em torno e abaixo de dispositivo de equilibrio de impulso 259 são impulsor de fase final 255, galeria de saida 257de extremidade de fluido 204, e dispositivo de saida de circuito de equilibrio 261 (mostrado na Figura 2C como integrado com placa de topo de cárter 280, o que não é uma exigência estrita), respectivamente. Acima e abaixo de placa de topo de cárter 280 são dispositivos de saida de circuito de equilibrio 261 e cárter 271, respectivamente.

[0046] O valor máximo de pressão em certas modalidades do sistema de fluido submarino 200 pode ocorrer imediatamente a jusante do impulsor de etapa final 255. Ao passar através das aberturas 278 previstas no estator de dispositivo de equilibrio 263, o fluido de processo entra na galeria de saida 257 a uma pressão ligeiramente inferior, e sai na saida de fluido de processo 272 que é ligada a um sistema de tubo a jusante. Mudança de pressão total do impulsor de fase final 255 para o ponto de entrada para o tubo a jusante pode ser uma redução (pequena, se por exemplo, cuidado é tomado no projeto de caminhos de fluido 278 de estator de dispositivo de equilibrio 263, geometria voluta é fornecida em galeria de saida 257, e a transição da galeria de saida 257 é cuidadosamente contornada, etc.) ou um aumento (para algumas modalidades com alguns fluidos para uma voluta bem executada).

[0047] Quando sistema de fluido submersível 200 não é em funcionamento, ou seja, quando rotor de fluido de processo 206 não está girando, fluido entrando no alojamento de extremidade de fluido 208 na entrada 250 e fluindo após os estágios hidráulicos (impulsores / difusores) para sair através da saida 272 dará relativamente pouca força axial sobre rotor de fluido de processo 206. Quando rotor de fluido de processo 206 está girando, a interação dos impulsores, difusores e componentes associados cria campos de pressão que variam em amplitude em função das propriedades de fluidos locais existentes em muitos locais fisicos dentro de extremidade de fluido 204. Esses campos de pressão de várias magnitudes atuam em diversas áreas geométricas do rotor de fluido de processo 206 para produzir impulso substancial. Tal impulso geralmente tende a acionar o rotor de fluido de processo 206 na direção de entrada 250, no entanto vários cenários de funcionamento podem produzir "impulso inverso". Dependendo da magnitude e direção de impulso, mancais de impulso 291 podem possuir capacidade suficiente para restringir rotor de fluido de processo 206. No caso de impulso agindo sobre rotor de fluido de processo 206 exceder a capacidade de um mancai de impulso prático 291, tendo em conta as muitas trocas complexas conhecidas dos peritos na arte da concepção de extremidades de fluido, um dispositivo de equilíbrio de impulso 259 pode ser utilizado. Mancai de impulso 291 é localizado perto da extremidade inferior do alojamento de extremidade de fluido 204. Mancai de impulso 291 inclui umas superficies de mancai viradas para cima sobre anel de impulso 294 (acoplado ao rotor de fluido 206), e superficies de mancai viradas para baixo no alojamento de extremidade de fluido 208, as superficies de mancai cooperam para suportar o impulso para cima do rotor de fluido 206. Componentes semelhantes e superficies associadas são fornecidos no lado oposto do colar de impulso 294 para resistir "impulso inverso" e outros cenários fazendo rotor de fluido 206 tender a mover para baixo.

[0048] Vários tipos de dispositivos de equilibrio de impulso são conhecidos, com os dois mais comuns sendo referidos como tipos "disco" e "pistão" (ou "tambor"). Cada tipo de dispositivo tem atributos positivos e negativos, e às vezes uma combinação dos dois e / ou um dispositivo totalmente diferente é apropriado para uma dada aplicação. Modalidades aqui descritas incluem um dispositivo de equilibrio de impulso tipo pistão; no entanto, outros tipos podem ser aplicados.

[0049] Um dispositivo de equilibrio de impulso tipo pistão é essencialmente uma vedação rotativa de folga radia de diâmetro cuidadosamente definido criada entre rotor de fluido de processo 206 e uma interface correspondente para gerar uma queda de pressão desejada por campos de pressão de exploração já existentes na extremidade de fluido 204 para equilibrar substancialmente as cargas de impulso que atuam em rotor de fluido de processo 206. O dispositivo de equilibrio de impulso inclui dois componentes principais (não incluindo rotor de fluido de processo 206), no entanto, um duto de fluido (duto de circuito de equilibrio 27 6) que liga o lado de baixa pressão de dispositivo de equilibrio de impulso 259 para pressão de entrada 250 também é fornecido. Rotor de dispositivo de equilibrio 265 é fixado ao rotor de fluido de processo 206 de uma maneira que fornece uma vedação estanque à pressão entre os mesmos. Como alternativa, o perfil do rotor de dispositivo de equilibrio 265 pode ser fornecido como uma parte integrante do rotor de fluido 206. Estator de dispositivo de equilibrio 263 é fixado ao alojamento de extremidade de fluido 208 através de interfaces vedadas com outros componentes. Uma pequena abertura de folga é fornecida entre o rotor de dispositivo de equilibrio 265 e estator 263 para estabelecer uma "vedação de rotação." Alta pressão a partir do impulsor de fase final 255 atua sobre um lado do rotor de dispositivo de equilibrio 265 enquanto baixa pressão correspondente a esta em entrada 250 atua sobre o outro lado. Pressão de entrada 250 é mantida no lado de baixa pressão do dispositivo de equilibrio 259 apesar da fuga de fluido de elevada pressão para baixa pressão através da abertura de folga (entre o rotor de dispositivo de equilibrio 265 e o estator 263) porque esta fuga é pequena comparada com o volume de fluido que pode ser acomodado por duto de circuito de equilibrio 276. Dispositivo de saida de circuito de equilibrio 261 coleta e redireciona fluido que sai do dispositivo de equilibrio 259 para entregá-lo para duto de circuito de equilibrio 276. O diâmetro nominal da abertura de folga (que define as áreas geométricas em que pressões relevantes agem) é selecionado para atingir o grau desejado de pressão residual que deve ser suportada pelo mancai de impulso 291 (note que algum residual é valioso a partir de perspectivas de carga de mancai e estabilidade dinâmica de rotor).

[0050] Voltando brevemente ao mancai de impulso 291, o lado que é normalmente carregado em operação é referido como o lado "ativo" (lado superior na Figura 2C), ao passo que o outro lado é referido como o lado "inativo". Em certas modalidades, o lado ativo do mancai de impulso 291 é protegido durante armazenamento de alto risco a longo prazo, envio, transporte, e atividades de implantação por mantê-lo "descarregado" durante estas atividades. Especificamente, rotor de fluido de processo 206 "descansa" no lado inativo de mancai de impulso 291 sempre que sistema de fluido submarino 200 não está funcionando, por exemplo, durante armazenamento, manuseio, transporte e implantação. Esta disposição é vantajosa porque atributos de projeto que aumentam tolerância para, por exemplo, cargas de alto impacto durante implantação, que, no entanto, pode reduzir a capacidade operacional normal, podem ser implementadas para o lado inativo de mancai de impulso 291 sem afetar a capacidade de impulso operacional de extremidade de fluido 204. Tais atributos de projeto (entre outros) podem incluir a seleção de materiais de bloco de mancai que são tolerantes com cargas estáticas prolongadas e / ou cargas de impacto, e que, no entanto, não têm capacidade operacional mais alta disponível. Além disso, um ou mais dispositivos de absorção de energia 295, por exemplo, amortecedores, molas, blocos conformes (feitos de materiais elastoméricos e / ou termoplásticos, etc.) e / ou dispositivos "que podem ser esmagados" (ref. a "áreas de deformação" em automóveis) podem ser adicionados integrantes e / ou abaixo de mancai de impulso 2 91, bem como exterior ao alojamento de extremidade de fluido 208 (inclusive sobre o calço 110 e / ou no estandes de transporte, ferramentas de execução, etc. - ver amortecedor 120 descrito na Figura 1). Pode também ser vantajoso "bloquear" rotores 206, 220 de modo que eles são impedidos de "saltar em torno" durante, por exemplo, transporte, implantação, etc., ou apoiá-los em dispositivos de "separador" que impedem, por exemplo, superficies de mancai criticas de fazer contato durante esses eventos. Esse bloqueio e funcionalidade de "separador" podem ser efetuados utilizando dispositivos que podem ser engatados e / ou liberados manualmente (por exemplo, parafusos de bloqueio, etc.) ou, preferencialmente, dispositivos que são automaticamente engatados / desengatados dependendo se rotores 206, 220 estão parados, girando, transitando para parada ou transitando para girar. Dispositivos fornecendo atributos acima mencionados incluem dispositivos de atração de imã permanente e / ou eletroimãs, entre outros (dispositivos de "bloqueio"), e blocos ou buchas tipo mancai / suportes tipo pedestal, como, entre outros, que apresentam geometria adequada para a função de "separador" enquanto rotores 206, 220 não estão girando e apresentam, por exemplo, geometria "menos intrusiva" que permite os mancais (destinados a apoiar os rotores 206, 220 durante operação) efetuarem sua função quando rotores 206, 220 estão girando (dispositivos de "separador"). Mecanismos de deslocamento que podem ativar o recurso de "geometria dual" desejado para dispositivos de "separador" incluem mecânicos, hidráulicos, térmicos, elétricos, eletromagnéticos, e piezoelétricos, entre outros. Meio automático passivo para decretar as funções de bloqueio e / ou "separador" pode ser utilizado, no entanto, um sistema de controle pode também ser fornecido para garantir um funcionamento correto.

[0051] Placa de topo de cárter 280 em combinação com vedações 282 e 273 isolam substancialmente fluido no cárter 271 de interagir com fluido de processo de extremidade de fluido 204. Cárter 271 contém mancai radial tipo de pelicula de fluido 264b e mancai de impulso 291. Para permitir bom desempenho e longa vida útil, mancais de pelicula de fluido são lubrificados e arrefecidos com liquido limpo, e fluido de processo (especialmente fluido de processo de hidrocarboneto bruto) pode conter grandes volumes de gás e / ou sólidos que poderiam prejudicar esses mancais.

[0052] Vedação 282 pode ser substancialmente a mesma que vedação 256 associada com mancai radial superior 264a descrito anteriormente. Vedação 282 é fixada à placa de topo de cárter 280 e efetua uma vedação de pelicula de fluido hidrodinâmica (tipicamente folga de intervalo de micrometros) em relação à manga de rotor 275 (mostrada na Figura 2C como integrada com mancai de manga 288, o que não é uma exigência estrita) quando o rotor de fluido de processo 206 está girando, e também uma vedação estática (normalmente folga zero) quando o rotor de fluido de processo 206 não está girando. Em certos casos, a vedação 282 pode incluir uma pluralidade de blocos pressionados por mola para o interior contra o eixo de rotor para fornecer a vedação estática, mas permitir formação da vedação de pelicula de fluido hidrodinâmica quando o rotor está em rotação. Vedação 282 pode ser concebida para manter, aumentar ou diminuir sua folga hidrodinâmica, mesmo para folga zero em funcionamento, quando submetida a transientes de pressão diferencial a partir de um ou outro lado (acima ou abaixo), e, por conseguinte, para manter substancialmente, aumentar ou diminuir, respectivamente, sua taxa de fuga durante transientes de pressão especialmente repentinos. Vedação 282 inclui recursos que permitem seu desempenho hidrodinâmico que permite uma pequena quantidade de fuga no modo dinâmico (independentemente de magnitude de folga em relação à manga de rotor 27 5) e modo estático sempre que é exposta a pressão diferencial, e, portanto, pode para algumas aplicações ser caracterizada como um restritor de fluxo em vez de uma vedação absoluta. Uma pequena quantidade de fuga é desejada para aplicação de cárter 271. As vedações 273 e 282 vedam entre o alojamento de extremidade de fluido 208 e o rotor de fluido 206, e definem um limite superior de um cárter 271 do alojamento de extremidade de fluido 208. Um mancai de fluido 291 reside no cárter 271 e a vedação 282 é responsiva para fornecer uma vedação maior quando sujeita a uma alteração no diferencial de pressão entre o cárter e outra porção do alojamento de extremidade de fluido.

[0053] Antes da implantação, e usando porta (s) 277 fornecida para este efeito (bem como para reabastecer cárter e / ou lavar cárter de gás e / ou detritos, etc.), cárter 271 pode ser preenchido com um fluido idealmente tendo propriedades atraentes para a aplicação de campo alvo, por exemplo, quimicamente compatível com fluido de processo e produtos quimicos que podem ser introduzidos no fluxo de processo e / ou cárter 271, densidade superior a fluido de processo, viscosidade útil sobre ampla faixa de temperatura, bom desempenho de transferência de calor, baixa tendência de absorção de gases, etc. Após a instalação e sobre comissionamento (periodo durante o qual sistema de fluido submarino 200 é operado), extremidade de fluido 204 será pressurizada de acordo com o seu projeto e temperatura de cárter 271 aumentará significativamente, esta última fazendo fluido do cárter expandir. A capacidade de vedação 282 transferir fluido axialmente em ambos os sentidos assegura que pressão no reservatório 271 não vai subir significativamente como resultado, e ainda garante que pressão no reservatório 271 corresponderá substancialmente à pressão de entrada 250 de extremidade de fluido 204 durante estados de operação e não operação, exceto durante os transientes de posição axiais de rotor de fluido de processo 206 (explicado abaixo).

[0054] As capacidades de vedação de baixa taxa de fuga, vedação estática e vedação hidrodinâmica da vedação 282, combinadas com um cárter de outro modo "vedado" 271, fornecem atributos únicos e valiosos para extremidade de fluido 204. Vedação 282 fornece uma taxa de fuga baixa mesmo quando sujeita a uma pressão diferencial alta súbita, e, por conseguinte, equalize a pressão mais ou menos gradualmente dependendo principalmente do diferencial de pressão inicial e propriedades de fluido em questão (por exemplo, liquido, gás, multifásica e alta / baixa viscosidade, etc.). Em um cenário, antes de iniciar a rotação do rotor de fluido de processo 206, um operador pode injetar liquido na porta 277 a uma velocidade suficiente para criar um diferencial de pressão através da vedação 282 adequado para elevar o rotor de fluido de processo 206, evitando-se, assim, uma instabilidade dinâmica de rotor potencial que pode acompanhar transição do lado "inativo" de mancai de impulso 291 (normalmente não utilizado) para o lado "ativo" (usado durante as operações normais) após o arranque. Noutro cenário, quase todo o processo inverso pode ser empregue. Isto é, antes de parar a rotação do rotor de fluido de processo 206, o liquido pode ser injetado na porta 277 a uma taxa suficiente para manter a elevação da mesma. Após o encerramento, rotor de fluido de processo 206 continuará a ser elevado até deixar de girar, ponto em que injeção de liquido através da porta 277 pode ser interrompida para permitir rotor de fluido de processo 206 pousar suavemente, sem rotação, sobre as superficies inativas de mancai de impulso 291. Isso vai reduzir o potencial de dano e, assim, promover longa vida útil do mancai. Em outro cenário, qualquer tendência para acionar rotor de fluido de processo 206 em cárter 271 ("impulso inverso") vai encontrar "resistência amortecida" devido ao fato que fluido deve tipicamente desviar vedação 282 (o que acontece muito lentamente) de modo que o rotor de fluido de processo 206 mova axialmente. Resistência semelhante será encontrada se rotor de fluido de processo 206 é motivado a subir rapidamente a partir de sua posição totalmente para baixo, no entanto fluido deve passar vedação 282 para entrar em cárter 271 nesse caso. O precedente atributo de "translação axial amortecida" irá proteger mancai de impulso 291 e, assim, promover longa vida para o sistema de fluido submarino 200. Em outro cenário, no evento de gás de processo permear fluido de cárter, e entrada 250 (que determina pressão nominal de cárter) ser posteriormente sujeita a uma queda de pressão repentina, vedação 282 apenas gradualmente equilibrará pressão de cárter para a menor pressão de entrada 250 e, assim, evita uma expansão súbita de gás de cárter que poderia evacuar o cárter. Este é um cenário para o qual projetar vedação 282 para "reduzir sua folga em relação à manga de rotor 275 quando sujeita aos transientes de pressão diferencial" (descrito anteriormente) pode ser aplicável. Como observado anteriormente, manter liquido no cárter 271 vai facilitar a saúde dos mancais 264b, 291. Em qualquer cenário que potencialmente sujeita rotor de fluido de processo giratório 206 para "impulso inverso", pressão mais elevada do que a do tempo presente na entrada 250 (e, portanto, cárter 271) pode ser aplicada à porta de cárter 277 para resistir a tal "impulso inverso" e, assim, proteger, por exemplo, os elementos de lado inativo de mancai de impulso 291. Um conjunto de sensor substancial e sistema de controle de ação rápida associado, possivelmente incluindo algoritmos de automação, válvulas atuadas e fonte de fluido de alta pressão, podem ser utilizados para efetuar a funcionalidade de "gestão de impulso de eixo ativo de rotor de fluido de processo" aqui descrita. Entende-se que capacidade semelhante para aplicar pressão ao topo do rotor de fluido de processo 206 (por exemplo, via duto de fluido complementar 308 e duto de gás 321 discutido mais adiante nesta divulgação) pode ser desenvolvida para fornecer sofisticada "gestão de impulso ativa" para extremidade de fluido 204.

[0055] Calor significativo será gerado em cárter 271 causado pelo cisalhamento de fluido e outros fenômenos associados a rotor de fluido de processo giratório 206 e colar de impulso anexado 294. Arrefecer fluido de cárter 294 para otimizar suas propriedades para manutenção do desempenho de mancai é alcançado por circular o fluido através de um trocador de calor 301 posicionado na água circundante de extremidade de fluido 204. O posicionamento cuidadoso de vias de fluxo em e em torno de mancais 2 64b, 291, e 301 para as portas de entrada e saida de trocador de calor (302 e 300, respectivamente), combinado com correntes de convecção que ocorrem naturalmente e auxiliado por, por exemplo, geometria tipo voluta e / ou de direcionamento de fluxo (por exemplo, circunferencial para axial) na cavidade inferior de cárter 285, irá criar um "efeito de bombeamento" para cárter 271. Tal efeito de bombeamento pode ser reforçado com a adição de recursos, por exemplo, "recorte curvado", "hélices", "palhetas", etc., para o lado de fora de elementos de rotação incluindo rotor de fluido de processo 206 (por exemplo, nos locais 279, 281; este último na face final de e / ou possivelmente em uma extensão do rotor de fluido de processo 206) e / ou colar de impulso 294 (por exemplo, no local 283) . Alternativamente ou em adição, um impulsor ou dispositivo semelhante pode ser fixado à extremidade inferior do rotor de fluido de processo 206.

[0056] É improvável que sólidos portados no fluido de processo de tamanho ou volume significativo vá fazer o seu caminho para cárter 271 do sistema de fluido 200. Como observado anteriormente, cárter 271 é normalmente de pressão equilibrada com respeito à entrada 250 via duto de circuito de equilibrio 27 6, por isso normalmente não há fluxo de fluido entre cárter 271 e áreas contendo fluido de processo de extremidade de fluido 204. Além disso, vedação 282 permite apenas transferência de fluidos de pequenos volumes e de baixa taxa através dela (mesmo durante transientes de pressão diferencial altos). Além disso, um percurso convoluto com múltiplas superficies axiais e radiais intercaladas existe entre o lado inferior do retentor de rotor de dispositivo de equilibrio 298 e o topo de placa de topo de cárter 280, de modo que sólidos devem mover intermitentemente para cima contra gravidade e para dentro contra a força centrifuga antes de poderem aproximar da parte superior da vedação 282. Independentemente disso, podem ser proporcionadas duas ou mais portas 277 para circular o liquido através do cárter 271 e / ou trocador de calor 301 para efetivamente lavar o mesmo, pelo menos uma porta para fornecer fluido e uma para evacuar fluido (por exemplo, para qualquer duto ou recipiente situado a montante de entrada 250 ou a jusante de saida 272). Portas 277 podem ser fornecidas para intersectar cavidade inferior de cárter 285 (como mostrado na Figura 2C) , o que representa um grande diâmetro e o ponto mais baixo no cárter 271, e também uma área, onde sólidos tendem a recolher. Podem também ser fornecidos locais alternativos para portas 277, e pode fornecer benefícios adicionais incluindo a capacidade de entregar fluxo de alta velocidade de liquidos diretamente para o trocador de calor 301 para lavar sólidos e/ou gás (caso um destes fique preso no mesmo). Note que trocador de calor 301 pode assumir diversas formas em adição ao que é mostrado na Figura 2C, incluindo algumas otimizadas para remoção de sólidos e/ou remoção de gás.

[0057] A Figura 3 ilustra um sistema de fluido submarino de exemplo 300 que pode ser embalado no interior do sistema de fluido 100 da Figura 1 com o propósito de extrair fluxos de fluido de serviço discretos a partir de um fluxo de processo multifásico para servir as necessidades dos elementos específicos dentro do sistema de fluido submarino 300 (também 200). Sistema de fluido submarino 300 contém uma máquina elétrica integrada 301, extremidade de fluido 302 e acoplamento magnético 303 como descrito anteriormente para o sistema de fluido submarino 200 das Figuras 2A-C. Também contém pacotes de processamento a montante e a jusante 304 e 305, respectivamente. Pacote de processamento a montante 304 inclui um tanque de armazenamento provisório 306, um reservatório de liquido 307, um duto de fluido suplementar 308 e uma seleção de dispositivos de controle de fluxo e tubos de trabalho de interconexão, dos quais vários elementos serão descritos mais adiante nesta descrição. Pacote de processamento a jusante 305 contém uma unidade de extração de liquido 339 e um dispositivo de regulação de fluxo (conhecido como válvula de controle de processo ou estrangulamento) 309. Um duto de serviço a jusante opcional 336 incluindo válvula de isolamento 337 pode ser fornecido para conectar unidade de extração de liquido 339 com, por exemplo, duto de liquido 330 (por razões explicadas abaixo).

[0058] Fluido multifásico entra sistema de fluido submarino 300 na entrada 310 para transporte através do tubo de entrada 311 para tanque de armazenamento provisório 306. Fluidos de produção de hidrocarbonetos brutos entregues ao sistema de fluido submarino 300 a partir de poços, de forma direta ou por meio de, por exemplo coletores, poderão em diversas vezes incluírem tanto como 100% de gás ou 100% de liquidos, bem como todas as combinações fracionárias de gás e liquidos (muitas vezes com algum volume de sólidos, além disso). Transição entre fluxos multifásicos dominados de liquidos e dominados de gás pode ocorrer com frequência (por exemplo, intervalo de tempo de segundos ou menos) ou, raramente, e tais transições podem ser graduais ou abruptas. Mudanças abruptas de fluxos de Fração de Volume de Gás muito alta (GVF) para fluxos de GVF muito baixa, e vice-versa (normalmente referido como "golfada"), pode ser prejudicial ao sistema de fluido submarino 300 por razões conhecidas dos especialistas na arte de dispositivos de aumento de fluido e sistemas de tubo associados. Tanque de armazenamento provisório 306 pode acomodar mesmo mudar rapidamente condições de fluido na entrada 319 e reduzir a aspereza de tais mudanças de condição de fluido em sua saida principal 320, e ao fazê-lo moderar os efeitos prejudiciais em sistema de fluido a jusante 300. Tanque de armazenamento provisório 306 equivale a um "ponto gordo" no tubo de entrada 31 que permite fluido residir lá tempo suficiente para gravidade acionar fluxos / elementos mais pesados (liquidos, sólidos) para o fundo do tanque enquanto, simultaneamente, obrigando gás a subir para o topo do tanque. Um tubo de suporte perfurado 312 ou dispositivo semelhante controla a velocidade à qual os fluxos / elementos separados são religados antes de sair do tanque na saida principal 320. Nomeadamente, quando uma corrente de fluxo multifásico de GVF alta entra tanque de armazenamento provisório 306 o volume de gás no tanque pode aumentar em relação ao volume de liquidos / sólidos já no tanque, e de forma semelhante quando uma corrente de GVF baixa entra no tanque o oposto pode ocorrer. Enquanto isso, a GVF do fluido que sai do tanque irá tipicamente ser diferente da entrada porque a GVF de fluxo de saida é automaticamente (e gradualmente) ajustada de acordo com o volume de gás e liquido / sólidos permitido entrar no tubo de suporte perfurado 312. O nivel de interface de gás / liquido no tanque de armazenamento provisório 306 determina a área de fluxo (número de furos) acessível a cada fluxo.

[0059] Em certas modalidades do sistema de fluido submarino 300, gás separado 314 e liquido separado 313 pode ser extraido do tanque de armazenamento provisório 306 através da torneira de gás 315 e torneira de liquido316, respectivamente. É benéfico que nenhum sólido entre nos dutos a jusante da torneira de gás 315 e torneira de liquido 316. Sólidos na corrente de fluido entrando no tanque de armazenamento provisório 306 tipicamente irão ser carregados através dela com a fase liquida (s) , por conseguinte, enquanto alguns cenários podem ser imaginados para que os sólidos possam entrar na torneira de gás 315 (tipicamente acompanhado por liquidos) ou ser formados em duto de gás 321, sistema de fluido submarino 300 é operado para minimizar a chance para esses cenários ocorrerem. O grande tamanho da torneira de liquido 316 em relação ao tamanho pequeno de, e taxa de fluxo em, dutos a jusante da mesma permite um ambiente substancialmente quiescente para estabelecer dentro de torneira de liquido 316 que permite sólidos depositarem ai. O ângulo de inclinação de torneira de liquido 316 sugerido na Figura 3 promove retorno acionado a gravidade de sólidos sedimentados para a câmara principal do tanque de armazenamento provisório 306, a partir do qual eles podem, posteriormente, sair pela saida principal 320. Defletor (s) 317 e/ou dispositivo (s) / ou recursos semelhantes podem ser adicionados à torneira de liquido 316 para aumentar o efeito de separação de sólidos e / ou de outra forma inibir transferência de sólidos para áreas a jusante de torneira de liquido 316.

[0060] A jusante de torneira de liquido 316 é válvula normalmente aberta 318 através da qual idealmente apenas liquido passará para entrar no reservatório de liquido 307. Monitor de nivel 327 fornece o retorno sensorial necessário para um sistema de controle associado para comandar válvula 318 para fechar se o nivel de liquido de tanque de armazenamento provisório 306 fica perto de nivel de torneira de liquido 316 e ameaça permitir um volume inaceitável de gás entrar no reservatório de liquido 307 por essa rota. Reservatório de liquido 307 e o duto incluindo válvula 318 podem ser orientados verticalmente, e são ligados à torneira de liquido 316 de tal maneira que sólidos possivelmente remanescentes no fluido fornecido a estes espaços podem sedimentar e cair na torneira de liquido 316 (e, subsequentemente, tanque de armazenamento provisório 306) de modo a não serem transportados a jusante do reservatório de liquido 307. O fluido no reservatório de liquido 307 será tipicamente bastante imóvel e, sob certas circunstâncias residir no mesmo durante vários minutos antes da fase liquida fazer seu caminho mais a jusante, substancialmente livre de sólidos e livre de gás.

[0061] Há outros dois caminhos de fluxo para dentro / fora do reservatório de liquido 307, especificamente ligação de duto de gás 322 com válvula de isolamento normalmente aberta 323 e ligação de duto de liquido 324 com válvula de isolamento normalmente aberta 325. É benéfico que apenas gás flua através da ligação de duto de gás 322, e que apenas liquido flua através de ligação de duto de liquido 324. Monitor de nivel 329 fornece o retorno sensorial necessário para um sistema de controle associado ao comando de válvula 325 para fechar se reservatório de liquido 307 de nivel liquido fica perto do nivel de ligação de duto de liquido 324 e ameaça a permitir gás livre entrar nele. 0 principal cenário para o qual a válvula 323 pode ser fechada é relacionado com a descarga de sólidos a partir de reservatório de liquido 307, o que é descrito em outra parte desta divulgação.

[0062] Nivel de liquido de reservatório de liquido 307 pode ser forçado para cima em um sentido absoluto do que no tanque de armazenamento provisório 306 por manipular válvulas de isolamento 323, 325 e dispositivo de controle de fluxo de gás (conhecido como válvula de controle de processo ou estrangulamento) 326. A manutenção de reservatório de liquido 307 substancialmente cheio de liquido é necessária para um melhor desempenho. Usar estrangulamento 326 para reduzir a pressão no duto de gás 321 em relação à pressão no tanque de armazenamento provisório 306 (portanto, também na torneira de liquido 316 e reservatório de liquido 307) fará com que o fluido no reservatório de liquido 307 flua em direção de (para dentro) duto de gás 321. Gás no reservatório de liquido 307, se introduzido através da torneira de liquido 316 (como gás livre ou gás em solução) ou ligação de duto de gás 322, será, naturalmente, recolhido perto do topo do reservatório de liquido 307 e, portanto, esgotado em duto de gás 321 antes de liquidos entrarem a partir de abaixo durante o processo de "enchimento de reservatório de liquido". Monitor de nivel 329 fornece o retorno sensorial necessário para efetuar um sistema de controle de nivel para reservatório de liquido 307.

[0063] Reservatório de liquido 307 é fornecido para manter um volume de liquido suficiente para lubrificar mancai 264a (referido com respeito à descrição da Figura 3, mas mostrado na Figura 2B) por um periodo de tempo especifico no evento de liquido deixar de estar disponível a partir de tanque de armazenamento provisório 306 por tal periodo de tempo. O periodo de tempo depende de vários fatores dos quais tamanho de reservatório de liquido 307, queda de pressão através de homogeneizador de entrada de extremidade de fluido 249, taxa de fuga a partir da câmara de mancai 247, taxa de fluido saindo da câmara de acoplamento 244 através das portas de desvio 269 e viscosidade de liquido são alguns. Conhecer o comportamento de fluxo e propriedades fisicas de fluidos de processo que entram na entrada 310 permite dimensionar corretamente reservatório de liquido 307. Reconhecer que é dificil prever tais atributos para novos campos de produção, e prever como tais atributos podem variar ao longo dos muitos anos que a maioria dos campos são esperados para produzir, substituição em campo de reservatório de liquido 307 com, por exemplo, uma unidade maior, independente de outros elementos dentro do sistema de fluido submersível 300, 100 e/ou em combinação com outros elementos dentro do sistema de fluido submersível 300, 100, podem ser habilitados. Enquanto características especificas de permitir reposição no campo para reservatório de liquido 307 não são descritas em detalhe na presente memória descritiva (Figura 1 mostra os conectores de processo 115 sugerindo como tal capacidade pode também ser proporcionada para o sistema de fluido 100 contendo reservatório de liquido 307), deve ser óbvio para um perito na arte de projetar sistemas submersíveis modulares substituíveis como tal capacidade pode ser efetuada.

[0064] Bocal 328 é a entrada para a ligação de duto de liquido 324, e pode também ser utilizado como um dispositivo de saída para uma função descrita mais tarde nesta descrição. Pode ser configurado em qualquer número de formas e / ou associado com, por exemplo, dispositivos de desvio e / ou defletores para resistir passivamente ingestão de sólidos que podem permanecer no líquido entrando ou armazenado no reservatório de líquido 307. Tipicamente uma ou mais portas substancialmente dirigidas para o lado ou dirigidas para baixo podem ser utilizadas em vez de uma porta ou portas anguladas para cima para evitar a tendência indesejável das últimas alternativas para coletarem sólidos que podem sedimentar fora dos fluidos de reservatório de líquido d307, em seguida, transferir tais sólidos para elementos a jusante do mesmo. Um ou mais de qualquer número de recursos e / ou dispositivos de filtragem podem também ser fornecidos para resistir à ingestão de sólidos, independentemente da orientação das portas notadas.

[0065] A menos que forçado a se comportar de outra forma por, por exemplo, uma restrição de fluxo e / ou dispositivo de aumento de fluxo adicionado, fluido (por exemplo, líquido) sairá do reservatório de líquido 307 para fluir através de duto de líquido 330 para mancai 264a a uma taxa ditada pelo menos por queda de pressão através do homogeneizador de entrada de extremidade de fluido 249, taxa de fuga a partir da câmara de mancai 247, taxa de fluido saindo câmara de acoplamento 244 via portas de desvio 269, e viscosidade de líquido. Válvulas de isolamento 331, 332, 333 associadas com duto de fluido complementar 308 são normalmente fechadas, e, portanto, normalmente não afetam a taxa de fluxo através do duto de liquido 330 (ou duto de gás 321) . Válvula de isolamento normalmente aberta 334, quando fechada ou substancialmente fechada, permite fluido fornecido a partir de uma fonte capaz de fornecer fluido em pressão maior do que no tanque de armazenamento provisório 306, tal como duto de fluido suplementar 308 ou duto de serviço a jusante 336 (quando acessado por abertura de válvula de isolamento normalmente fechada 337), a ser dirigido em reservatório de liquido 307 via bocal 328 para, por exemplo, encher reservatório de liquido 307 com liquido e / ou lavar sólidos do reservatório de liquido 307 (após válvula 318 em torneira de liquido 316 e dentro do tanque de armazenamento provisório 306). Se for desejado aumentar a pressão no duto de liquido 324 a montante da válvula de isolamento fechada ou substancialmente fechada 334 para, por exemplo, criar ou intensificar uma "ação de jateamento" produzida, por exemplo, por bocal 328, uma bomba 335 pode ser adicionada (normalmente não é necessário paro duto de serviço a jusante 336, no entanto, possivelmente útil para duto de fluido complementar 308). Uma alternativa para válvula de isolamento 334 é um estrangulamento ou uma válvula de controle de processo que geralmente é mais capaz de acomodar abertura parcial e queda de pressão associada potencialmente grande sem sofrer um desgaste significativo. Tal estrangulamento ou válvula de controle de processo alternativo, quando associado com instrumentação apropriada, por exemplo, sensores de pressão a montante, a jusante e/ou diferencial, e algoritmos de controle (controlador) facilita o aumento da controlabilidade do fluxo de liquido fornecido ao mancai 264a, e portanto, a taxa de consumo do liquido no reservatório de liquido 307.

[0066] Um sistema de controle suficientemente sofisticado possivelmente incluindo algoritmos de automação será capaz de operar as várias válvulas e, especialmente válvulas de controle de processo / estrangulamento (326 e que é uma alternativa à válvula de isolamento 334) para otimizar refrigerante fluir para mancai 264a e acoplamento magnético 258, e, possivelmente, efetuar "gestão de impulso ativa" para rotor de extremidade de fluido 206. O controlador pode ser configurado para receber informações de pressão de gás e liquido e, por exemplo, informações de posição de componente, etc., a partir de um ou mais sensores localizados em pontos relevantes no sistema de fluido submersível 200 e ainda configurado para controlar um ou mais dispositivos de regulação da pressão para ajustar as pressões de gás ou liquido no sistema de fluido submersível. Em algumas aplicações o custo para obter a melhoria de flexibilidade e desempenho entregue por um estrangulamento instrumentado, válvula de controle de processo ou outra válvula de posição variável (uma opção para a válvula de isolamento 334) não se justifica, e uma restrição de fluxo fixa (por exemplo, orificio ou venturi) ou nenhuma restrição de fluxo pode ser suficiente para garantir que um fornecimento aceitável de liquido é entregue ao mancai 264a. Independentemente disso, pelo menos uma válvula de isolamento tipo abre / fecha 334 pode ser usada para ativar direção de fluidos na forma e para os mesmos fins descritos abaixo para válvula de isolamento 338.

[0067] Válvula de isolamento normalmente aberta 338 é fornecida em duto de gás 321 para que possa ser fechado em determinadas ocasiões especificas, como por exemplo após desligamento do sistema de fluido submersível 200 quando a duração desse desligamento é esperada para ser suficientemente longa que fluidos de processo podem sofrer alterações de propriedade que podem ser prejudiciais para a operação subsequente do sistema de fluido 300 (e 200). Com válvula de isolamento 338 fechada, químicos fornecidos pelo duto de fluido complementar 308 podem ser encaminhados seletivamente para locais alternativos ao longo do sistema de fluido submersível 300 para deslocar fluidos de processo potencialmente indesejáveis e / ou de qualquer outra forma proteger contra consequências indesejáveis, como por exemplo formação de hidratos, cera, etc. É importante notar que a capacidade de fornecer calor para locais críticos dentro de sistemas de fluido submersíveis aqui descritos pode ser desejável, e pode ser realizada utilizando técnicas conhecidas, por exemplo, traço de calor elétrico e / ou líquidos aquecidos circulados através de dutos dedicados, etc.

[0068] Várias funções foram já descritas para duto de fluido complementar 308. Outra função é fornecer líquido para mancai 264a por tanto tempo quanto necessário no líquido de evento tornar-se indisponível em uma base contínua a partir do tanque de armazenamento provisório 306 e por um período adicional de tempo a partir de reservatório de líquido 307 (por exemplo, limitado pelo seu tamanho). As instalações fornecendo duto de fluido complementar 308, por exemplo, unidade de energia hidráulica (HPU) de lado de topo e fornecimento de energia elétrica associada, além de um umbilical de único ou multiduto para transportar os produtos quimicos a partir da HPU para a proximidade dos pontos de uso subaquáticos, são fornecidos para sistemas de produção submarinos como uma questão de curso para fornecer mitigação de potenciais problemas de "garantia de fluxo", tais como os mencionados ao longo desta divulgação (por exemplo, hidratos, cera, escama, etc.). Sistemas de fluido submersíveis capazes de fluido de processo multifásico aqui descritos não exigem que uma HPU de lado de topo adicional, fornecimento de energia elétrica, dutos umbilicais, e outros equipamentos caros (conhecidos como um "sistema de fluido de barreira") sejam fornecidos para resfriar e lubrificar seus mancais e outros componentes sensíveis.

[0069] Sistemas de fluido aqui divulgados são dispositivos sofisticados projetados para executar funções complexas e desafiadoras de forma confiável durante longos períodos de tempo. Eles contêm muitos dispositivos ativos, incluindo máquinas elétricas, extremidade de fluido, bombas auxiliares, válvulas e instrumentos de sensoriamento, entre outros. Monitoramento de Desempenho e Condição (CPM) de tais dispositivos e subsistemas é recomendado, e isso exige que sistemas de coleta de dados, redução, historiador, controle e potencialmente automação igualmente sofisticados sejam implementados.

[0070] Foram descritos um certo número de modalidades. No entanto, será entendido que várias modificações podem ser feitas. Assim, outras modalidades estão dentro do âmbito das seguintes reivindicações.

Claims

1. Sistema de fluido submersível para operar submerso em um corpo de água, caracterizado pelo fato de que compreende: uma extremidade de fluido compreendendo um rotor de fluido disposto em um alojamento de extremidade de fluido; um alojamento de máquina elétrica acoplado ao alojamento de extremidade de fluido e compreendendo uma cavidade hermeticamente vedada; uma máquina elétrica disposta inteiramente no interior da cavidade do alojamento de máquina elétrica, a máquina elétrica compreendendo um estator de máquina elétrica e um rotor de máquina elétrica; um acoplamento magnético que acopla o rotor de máquina elétrica e o rotor de fluido, em que o acoplamento magnético compreende: um imã dentro da cavidade hermeticamente selada do alojamento de máquina elétrica acoplado ao rotor de máquina elétrica; em que a cavidade hermeticamente selada do alojamento de máquina elétrica contém um gás a uma pressão que é menor do que a pressão de um fluido que entra no rotor de fluido da extremidade de fluido e menor do que uma pressão hidrostática de um fluido envolvendo o alojamento de máquina elétrica quando submergido a uma profundidade especifica; um imã acoplado ao rotor de fluido e em interação magnética com o imã do rotor de máquina elétrica; e uma parede não magneticamente condutora entre o imã do rotor de máquina elétrica e o imã do rotor de fluido.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: uma extremidade de acionamento do rotor de fluido se estende para um orificio interior do rotor de máquina elétrica e o imã do rotor de fluido é acoplado a um exterior da extremidade de acionamento; o imã do rotor de máquina elétrica reside no interior do orificio do rotor de máquina elétrica; e a parede, compreendendo um cilindro não magneticamente condutor, é disposta dentro do interior do orificio do rotor de máquina elétrica.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o cilindro compreende pelo menos um de uma manga interior de vidro ou cerâmica impermeável a gás dentro de uma manga exterior de compósito de matriz de fibra.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a manga exterior compressivamente estica a manga interior.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o cilindro compreende pelo menos um entre a manga interior de vidro e a cerâmica impermeável a gás dentro de uma manga exterior de compósito de matriz de fibra, e pelo menos um entre a manga interior e a manga exterior compreende uma superficie de vedação sobre uma extremidade e uma superficie de vedação sobre uma extremidade oposta.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a cavidade vedada hermeticamente do alojamento de máquina elétrica contém um gás a uma pressão próxima da pressão atmosférica e um interior do cilindro contém um fluido a uma pressão próxima da pressão de fluido que entra no rotor de fluido da extremidade de fluido.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a máquina elétrica compreende um mancai magnético suportando o rotor de máquina elétrica para rodar no interior do estator de máquina elétrica, e o mancai é totalmente contido dentro da cavidade vedada hermeticamente.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de vedações vedando a cavidade hermeticamente vedada, e em que as vedações são vedações inteiramente estáticas.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das vedações compreende uma vedação de metal para metal.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rotor de máquina elétrica compreende um imã permanente que interage com o estator para pelo menos um entre rotacionar o rotor de máquina elétrica em relação ao estator ou gerar eletricidade quando movido em relação ao estator.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a máquina elétrica compreende um motor e o rotor de fluido compreende um ou mais entre um rotor de bomba e um compressor.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a máquina elétrica compreende um gerador.

13. Método para acoplar uma máquina elétrica a uma extremidade de fluido em um sistema de fluido submersível, o método caracterizado pelo fato de que compreende: manter um rotor de máquina elétrica em uma área de uma primeira pressão em uma cavidade hermeticamente vedada definida por alojamento de máquina elétrica, o rotor sendo hermeticamente selado a partir de um rotor de fluido da extremidade de fluido em uma área de uma segunda pressão, diferente, o rotor compreendendo um imã de rotor permanente na cavidade hermeticamente vedada definida pelo alojamento de máquina elétrica; e acoplar o rotor da máquina elétrica ao rotor de fluido com um acoplamento magnético através de uma parede estacionária entre o rotor de máquina elétrica e o rotor de fluido, onde um primeiro imã do acoplamento magnético está dentro da área de primeira pressão e acoplado ao rotor da máquina elétrica e um segundo imã do acoplamento magnético está dentro da área de segunda pressão e acoplado ao rotor de fluido; e em que a primeira pressão é menor do que a segunda pressão e a primeira pressão é menor do que uma pressão hidrostática de um fluido envolvendo o alojamento de máquina elétrica quando submergido a uma profundidade especifica.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende vedar a área que contém o rotor de máquina elétrica a partir da área que contém o rotor de fluido inteiramente com vedações estáticas.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende manter um estator da máquina elétrica na área da primeira pressão.

16. Sistema de fluido, caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo da bomba contido em um alojamento de bomba submersível, o eixo de bomba tendo um imã permanente de bomba; um rotor se estendendo a partir de uma extremidade de um alojamento de máquina elétrica, o rotor tendo um imã permanente de rotor e residindo em uma cavidade hermeticamente vedada definida pelo alojamento de máquina elétrica; e o imã permanente de bomba residindo próximo ao imã permanente de rotor comunicando fluxo magnético entre o imã permanente de rotor e o imã permanente de bomba e acoplando o eixo de bomba com o rotor; em que em que a cavidade hermeticamente selada do alojamento de máquina elétrica contém um gás a uma pressão que é menor do que a pressão de um fluido que entra no rotor de fluido da extremidade de fluido e menor do que uma pressão hidrostática de um fluido envolvendo o alojamento de máquina elétrica quando submergido a uma profundidade especifica.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o rotor é configurado para rodar dentro de um estator, e o acoplamento magnético acopla o rotor ao eixo de bomba para girar o eixo de bomba com a mesma velocidade que o rotor.