BR112015013743B1

BR112015013743B1 - Broca de perfuração perfuradora de sondagem resfriada por ar

Info

Publication number: BR112015013743B1
Application number: BR112015013743-1A
Authority: BR
Inventors: Gregory Wayne Peterson; James Wilson Langford; Srindhi Bangalore Gopalakrishna
Original assignee: Epiroc Drilling Tools Llc
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2020-06-02
Also published as: RU2621226C2; CA2895013C; AU2012396853A1; MX363971B; MX2015007629A; AU2012396853B2; WO2014092720A1; US10024107B2; US20150322724A1; CN104995368A; RU2015128272A; CN104995368B; CA2895013A1

Abstract

broca de perfuração perfuradora de sondagem resfriada por ar, e, método para projetar uma broca de perfuração perfuradora de sondagem resfriada por ar. uma broca de perfuração perfuradora de sondagem resfriada por ar incluindo uma pluralidade de abas. cada aba inclui um flange de pino. um primeiro caminho de rolamento é distal ao flange de pino. um flange de empuxo é distal ao primeiro caminho de rolamento. pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino 71 é arranjada em uma superfície do flange de pino oposta ao primeiro caminho de rolamento. a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino 81 se abre em uma direção de um lado de carga de um mancal. pelo menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo 71 é arranjada em uma superfície do flange de empuxo confrontando os primeiros rolamentos. a pela menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo 81 se abre na direção do lado de carga do mancal. uma pluralidade de passagens de fluxo é arranjada dentro da aba para suprir fluido para a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino 71 e a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo 81.

Description

BROCA DE PERFURAÇÃO PERFURADORA DE SONDAGEM RESFRIADA POR AR

Campo da Invenção

[001] A invenção refere-se a brocas rotativas de sondagem da terra e a passagens de fluxo de ar/fluido através da estrutura da broca.

Fundamentos da Invenção

[002] As brocas de perfuração cônicas rotativas são principalmente usadas em mineração de poço aberto e, tipicamente, terminam em uma estrutura que geralmente inclui três abas. Uma broca com formato em cone, incluindo uma pluralidade de elementos de corte, é arranjada em cada aba. Os três cones são arranjados de modo que sejam inclinados em direção a um ponto central. Um fluido de perfuração é usado para evacuar material perfurado de um furo quando as brocas penetram no material. O fluido de perfuração também esfria e limpa as estruturas de suporte descritas abaixo. Quando perfurando com uma broca cônica rotativa, a perfuração pode ser movida frequentemente. Ar é tipicamente usado como o fluido de perfuração para aumentar a portabilidade do aparelho de perfuração.

[003] A Fig. 1 ilustra um exemplo de uma broca rotativa típica em uma posição vertical. A estrutura inclui um eixo central 1. O eixo termina com três abas 3, 5, 7. Um cone 9, 11, 13 é instalado em cada aba. A Fig. 2 ilustra a estrutura mostrada na Fig. 1, de modo que um eixo geométrico central de um dos cones é horizontal. A Fig. 3 ilustra uma vista da direção AA ilustrada na Fig. 2. A Fig. 4 ilustra a vista mostrada na Fig. 3 com somente uma aba mostrada.

[004] A Fig. 6 ilustra uma das abas com o cone removido. Para permitir que o cone gire sobre a aba, cada aba inclui uma pluralidade de mancais e roletes. A aba e o cone incluem uma pluralidade de sulcos sobre os

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 8/89 / 32 quais os mancais e roletes correm. Este exemplo de componentes de aba e mancal inclui uma pluralidade de pequenos roletes 17, uma pluralidade de mancais de esferas 19 e uma pluralidade de grandes roletes 21.

[005] A Fig. 7 ilustra uma vista interna do cone. O cone inclui sulcos sobre os quais os mancais e roletes correm quando a broca está e uso. Este exemplo do cone inclui um sulco de pequeno rolete 23, um sulco de mancal de esferas 25 e sulco de grande rolete 27. Os pequenos roletes e sulco de pequeno rolete podem ser referidos como um mancal interno. Os grandes roletes e sulco de grandes roletes podem ser referidos como um mancal externo.

[006] A Fig. 8 ilustra a aba com o cone removido, como pode ser visto na Fig. 8, a aba inclui um sulco de pequeno rolete 29, um sulco de mancal de esferas 31 e um sulco de grandes roletes 33. Os mancais e roletes em posição sobre os sulcos são mostrados na Fig. 6.

[007] Os sulcos de rolete e mancal são ligados e parcialmente formados por flanges na aba. Ao longo destas linhas, sulco de pequeno rolo 29 é orlado por flange de pino 47 e flange de empuxo 49. O sulco de mancal 31 é formado pelo flange de empuxo 49 e flange de sulco de grande rolete 51. O sulco de grande rolete é ligado e formado pelo flange de sulco de grande rolete 51 e o flange de base 53. O diâmetro, espessura e contorno destes flanges podem variar, dependendo da aplicação e roletes e mancais sendo utilizados.

[008] Para esfriar e facilitar a remoção do material perfurado da cavidade de mancal, a aba inclui uma pluralidade de passagens estendendo-se através dela. As passagens dirigem fluido, tipicamente ar, de uma passagem central 15 do eixo para o espaço entre a aba e o cone, bem como para fora da extremidade do cone.

[009] A Fig. 9 ilustra uma vista em seção transversal de uma aba com o cone fixado. De acordo com este exemplo, a aba inclui um longo furo

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 9/89 / 32 de ar, que alimenta fluido do eixo para dentro das outras passagens da aba e cone. O longo furo de ar 35 alimenta uma pluralidade de passagens adicionais 57 e 39, que se ramificam para fora do longo furo de ar. Fluido, tal como ar, deixa o longo furo e/ou passagens de ar através de várias aberturas, como descrito abaixo.

[0010] A Fig. 9 ilustra também os pequenos roletes 17 e sulcos 23, 29, mancais de esfera 19 e sulcos 25, 31 e grandes roletes 21 e sulcos 27 e 33. A aba e cone são formados de modo que os espaços entre o cone e a aba permitirão que o fluido passe entre a aba e o cone. Tais passagens podem incluir uma fenda de exaustão secundária 67. O vão entre o cone e a aba no perímetro pode gerar uma “cortina de ar” que ajuda a evitar que detritos de perfuração entrem no espaço entre o cone e a aba.

[0011] Como também mostrado na Fig. 9, um tampão de esferas 43 pode ser arranjado na passagem de fluxo 37. O tampão de esferas retém os mancais de esfera após eles serem introduzidos no conjunto de broca. Ao longo destas linhas, os mancais de esfera ajudam a reter o cone sobre a aba. O cone é tipicamente montado com os rolos já sobre a aba. Os mancais de esfera podem então ser carregados através da passagem de fluxo 37 e para fora do furo de carga de esferas 63 para dentro do espaço entre a aba e o cone, onde eles correm sobre o sulco de esferas. Os mancais de esferas travam o cone sobre a aba. Após os mancais de esferas serem inseridos, o tampão de esfera 43 é inserido dentro do furo de carga de esfera 37 e soldado em posição para reter os mancais de esfera no sulco de esferas e no cone sobre a aba. Adicionalmente, um botão de empuxo pode ser instalado ou uma solda adicionada à aba e cone e ser arranjado na extremidade da passagem de fluxo 39. Os botões de empuxo ou flanges soldados da aba e cone formam um dos dois mancais axiais na extremidade de passagem 39. O outro e o mancal axial principal são os flanges de empuxo 49 para a aba e 24 para o cone.

[0012] O fluido escoando através das várias passagens de fluxo pode

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 10/89 / 32 deixar a aba por várias passagens da aba. Por exemplo, a Fig. 8 ilustra várias aberturas através das quais o fluido pode passar. As aberturas podem incluir um furo de ar de linha central 45 na extremidade da passagem de fluxo 39. O fluido escoando através do furo de ar de linha central 45 pode passar através de um furo no botão de empuxo de aba e pode também ser direcionado através das fendas 55 no flange de pino 47.

[0013] O fluido pode deixar a aba através dos furos de ar do flange de empuxo 57 da superfície do flange que faceia os pequenos roletes. O flange de empuxo pode incluir uma região de espessura reduzida 59, ou fendas de fresagem de flange de empuxo (TFMS), nas vizinhanças dos furos de ar de flange de empuxo, para facilitar o fluxo de ar para fora dos furos de ar de flange de empuxo. Para direcionar mais o fluxo de fluido dos furos de ar de flange de empuxo, a região de aumentada profundidade de corte de flange pode ser orlada por bordas de fenda 61 na superfície do flange de empuxo. O fluido pode deixar a passagem de fluxo 37 mostrada na Fig. 9 fora do furo de carga de esfera 63 mostrado na Fig. 8.

[0014] O fluido pode também passar através de uma fenda de exaustão primária 65 e uma fenda de exaustão secundária 67 arranjadas sobre a aba na vizinhança da base do cone. O ar pode passar através da fenda de exaustão primária e da fenda de exaustão secundária.

[0015] Durante as operações de perfuração, o conjunto de broca mostrado nas Figs. 1 - 5 gira em uma direção no sentido de um relógio da perspectiva olhando-se furo abaixo. As partes mais baixas dos cones mostradas nas Figs. 1 e 5 formam as superfícies de mancal de carga da broca, com a borda de avanço inferior 69 da broca mostrada nas Figs. 1, 2 e 5.

[0016] Quando ar é usado como o fluido de perfuração, a pressão do ar pode variar, dependendo da aplicação. De acordo com um exemplo, uma pressão mínima de 45 psi (4,5 mPa) ou 3,1 bar (0,31 mPa) é utilizada. Isto pode ajudar a assegurar distribuição de ar suficiente para os mancais e roletes

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 11/89 / 32 para fazê-los funcionar. A pressão pode variar, dependendo da broca específica e do compressor sendo utilizado, da altitude operacional, bem como de outros fatores. O tamanho das passagens de fluxo, incluindo os bicos, pode variar para produzir a pressão desejada, dependendo das variáveis afetando a pressão. É desejável que a pressão permaneça abaixo de um nível em que os compressores provendo o ar poderiam modular, o que pode reduzir a produção total.

Sumário da Invenção

[0017] A estrutura das passagens e aberturas de fluxo de fluido das brocas de cone rotativo tem basicamente permanecido a mesma por décadas. As modalidades da invenção são dirigidas a otimizar o fluxo de fluido através das brocas. A otimização do fluxo de fluido pode aumentar o esfriamento da broca e a operação da broca.

[0018] As modalidades da invenção incluem uma broca de sondagem da terra esfriada por ar, incluindo uma pluralidade de abas, cada uma tendo um cone arranjado sobe a aba e uma estrutura de mancal incluindo uma pluralidade de mancais de roletes e mancais de esferas, permitindo que o cone gire com respeito a aba. Cada aba inclui um flange de pino na ponta da aba. Um primeiro sulco de rolete é distal ao flange de pino. Uma pluralidade de primeiros roletes correndo sobre o primeiro sulco de rolete. Um flange de empuxo é distal ao primeiro sulco de rolete. Um sulco de esfera é distal ao flange de empuxo. Uma pluralidade de mancais de esfera corre sobre o sulco de esfera. Um flange de sulco de esfera é distal ao sulco de esfera. Um segundo sulco de rolete é distal ao flange de sulco de esfera. Uma pluralidade de segundos roletes corre sobre o segundo sulco de rolete. Um segundo flange de sulco de rolete é distal ao segundo sulco de rolete. A aba inclui pelo menos uma fenda de ventilação de flange de pino, arranjada em uma superfície do flange de pino oposta ao primeiro sulco de rolete e/ou pelo menos uma fenda de ventilação de flange de empuxo arranjada em uma superfície do flange de

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 12/89 / 32 empuxo faceando os primeiros roletes. A pelo menos uma fenda de ventilação de flange de empuxo abre-se na direção do lado de carga do mancal. Uma pluralidade de passagens de fluxo é arranjada dentro da aba, para suprir fluido para a pelo menos uma fenda de ventilação de flange de pino e a pelo menos uma fenda de ventilação de flange de empuxo.

[0019] Outras modalidades da invenção proveem uma broca de sondagem de terra esfriada a ar, incluindo uma pluralidade de abas, cada uma tendo um cone arranjado sobre a aba e uma estrutura de mancal incluindo uma pluralidade de mancais de rolete e mancais de esferas, permitindo que o cone gire com respeito à aba. Cada aba inclui um flange de pino e uma ponta da abra. Um primeiro sulco de rolete é distal ao flange de pino. Uma pluralidade de primeiros roletes corre sobre o primeiro sulco de rolete. Um flange de empuxo é distal ao primeiro sulco de rolete. Um sulco de esfera é distal ao flange de empuxo. Uma pluralidade de mancais de esfera corre sobre o sulco de esfera. Um flange de sulco de esfera é distal ao sulco de esfera. Um segundo sulco de rolete é distal ao flange de sulco de esfera. Uma pluralidade de segundos roletes corre sobre o segundo sulco de rolete. Um segundo flange de sulco de rolete é distal ao segundo sulco de rolete. Uma pluralidade de fendas de saída de ar de segundo sulco de rolete é arranjada ao segundo flange de sulco de rolete. As segundas fendas de saída de ar de sulco de rolete são arranjadas para criar uma cortina de ar substancialmente inteiramente em torno da broca. Uma pluralidade de passagens de fluxo dentro da aba supre fluido para a pluralidade de segundas fendas de saída de ar de sulco de rolete. Adicionalmente, as modalidades da invenção referem-se a um método para projetar uma broca de sondagem da terra esfriada por ar, incluindo uma pluralidade de abas, cada uma tendo um cone arranjado sobre a aba e uma estrutura de mancal incluindo uma pluralidade de roletes e mancais permitindo que o cone gire com respeito à aba. Cada aba inclui um flange de pino e uma ponta da aba. Um primeiro sulco de rolete é distal ao flange de

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 13/89 / 32 pino. Uma pluralidade de primeiros roletes corre sobre o primeiro sulco de rolete. Um flange de empuxo é distal ao primeiro sulco de rolete. Um sulco de esfera é distal ao flange de empuxo. Uma pluralidade de mancais de esfera corre sobre o sulco de esfera. Um flange de sulco de esfera é distal ao sulco de esfera. Um segundo sulco de rolete é distal ao flange de sulco de esfera. Uma pluralidade de segundos roletes corre sobre o segundo sulco de rolete. O segundo flange de sulco de rolete é distal ao segundo sulco de rolete. Pelo menos uma passagem de fluxo de fluido de uma passagem de fluxo de fluido interna dentro da aba para o exterior da aba é introduzida e/ou a espessura de pelo menos uma parte de pelo menos um dos flanges da aba é aumentada, para permitir TFMS mais profundas para aumentado fluxo de ar. O volume e velocidade do fluxo de fluido são analisados e a introdução e análise são repetidas até desejados volume de fluxo e velocidade de fluxo serem obtidos.

[0020] Ainda outros objetivos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão prontamente evidentes, para aqueles hábeis na arte, pela seguinte descrição detalhada, em que são mostradas e descritas somente as modalidades da invenção, simplesmente como ilustração do melhor modo contemplado de realizar a invenção. Como será entendido, a invenção é capaz de outras e diferentes modalidades e seus diversos detalhes são capazes de modificações em vários aspectos óbvios, sem desvio da invenção. Por conseguinte, os projetos e descrição são para ser considerados como ilustrativos por natureza e não como limitativos.

Breve Descrição dos Desenhos

[0021] Os objetivos e vantagens acima mencionados da presente invenção serão mais claramente entendidos quando considerados em conjunto com os desenhos acompanhantes, em que:

[0022] A Fig. 1 representa uma vista de um projeto de broca rotativa conhecida em uma posição de perfuração ereta.

[0023] A Fig. 2 representa uma vista do projeto mostrado na Fig. 1,

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 14/89 / 32 girado de modo que um cone é horizontal.

[0024] A Fig. 3 representa uma vista da direção A-A mostrada na Fig. 2;

[0025] A Fig. 4 representa uma vista do projeto mostrado nas Figs. 1 - 3, mostrando somente uma aba com o cone removido;

[0026] A Fig. 5 representa um de perto da vista mostrada na Fig. 4;

[0027] A Fig. 6 representa uma vista de uma das abas do projeto mostrado nas Figs. 1 - 5, com os mancais de rolete e mancais de esfera em posição;

[0028] A Fig. 7 representa uma vista do cone que seria montado sobre a aba mostrada na Fig. 6;

[0029] A Fig. 8 representa uma vista da aba mostrada na Fig. 6, com os componentes de mancal removidos;

[0030] A Fig. 9 representa uma vista em seção transversal da aba mostrada na Fig. 6;

[0031] A Fig. 10 representa um gráfico que ilustra as velocidades de fluxo médias para dois diferentes tamanhos do desenho de broca mostrado nas Figs. 1 - 9;

[0032] A Fig. 11 representa uma modalidade de uma aba de acordo com a presente invenção;

[0033] As Figs. 12 e 13 representam vistas de perto de uma modalidade de uma fenda de flange de pino de acordo com a presente invenção.

[0034] A Fig. 14 representa uma vista de perto de uma modalidade de uma fenda de ventilação de flange de empuxo, de acordo com a invenção;

[0035] A Fig. 15 representa uma modalidade de um flange de empuxo de acordo com a presente invenção;

[0036] A Fig. 16 representa uma vista de perto de uma borda lateral de uma modalidade de uma fenda de flange de empuxo de acordo com a

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 15/89 / 32 invenção;

[0037] A Fig. 17 representa uma vista em seção transversal de uma modalidade de uma parte de um munhão de acordo com a presente invenção;

[0038] A Fig. 18 representa uma parte de uma modalidade de aba e cone de acordo com a presente invenção e uma parte dos pequenos roletes, mancais de esfera e grandes roletes;

[0039] A Fig. 18a representa uma vista de perto de uma parte de um desenho conhecido de uma aba e cone, incluindo uma parte dos mancais de esfera e grandes roletes;

[0040] A Fig. 19 representa uma vista em seção transversal de uma modalidade de uma estrutura de bit de acordo com a invenção, mostrando trajetos de fluxo internos da aba;

[0041] A Fig. 20 representa uma vista em seção transversal de uma modalidade de uma estrutura de bit de acordo com a presente invenção, que é perpendicular à modalidade mostrada na Fig. 19;

[0042] A Fig. 21 representa uma modalidade de uma aba de acordo com a presente invenção, com a estrutura de mancal incluindo os grandes roletes, pequenos roletes e mancais de esfera em posição, ilustrando o fluxo de fluido;

[0043] A Fig. 22 representa um desenho conhecido de uma aba, a estrutura de mancal incluindo os grandes roletes, pequenos roletes e mancais de esfera em posição, ilustrando o fluxo de fluido; e

[0044] As Figs. 23 - 36 representam gráficos que ilustram melhorias no fluxo de fluido por toda a vida da broca, de acordo com modalidades da invenção.

Descrição Detalhada Das Modalidades Da Invenção

[0045] O projeto de brocas de cone rotativo não tem variado muito fundamentalmente durante o tempo, apesar do fato de serem bem conhecidas falhas de mancal. Para tentar determinar as fontes das falhas de broca, brocas

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 16/89 / 32 cegas que tinham falhado foram examinadas e analisadas. Os projetos de broca, nos estados tanto novo como usado, foram analisados por computador em uma condição carregada. Analisando-se as brocas na condição carregada, folgas requeridas para usinagem e tolerância de montagem podem ser combinadas em um lado descarregado dos mancais, desse modo enfraquecendo o lado de carga dos mancais.

[0046] Duas fontes principais de falha foram identificadas. Uma das fontes foi falha interna do mancal. A segunda fonte foi lascamento do mancal externo devido a contaminação, causando carga irregular das superfícies de mancal.

[0047] Uma vez as falhas tenham sido analisadas, o projeto das brocas foi analisado para determinar maneiras de aumentar as velocidades e padrões do fluxo de ar, para esfriamento e limpeza melhorados. Tais análises identificaram elementos do projeto de aba tendo significativos efeitos negativos sobre o fluxo de fluido. Os resultados da análise dos projetos de mancal/rolete e superfícies de mancal não alteraram os projetos fundamentalmente, desse modo deixando o projeto e geometria de mancal básico intactos.

[0048] Modificações foram então feitas na geometria básica, resultando em dramáticas melhorias de desempenho. Como resultado, as modalidades da invenção podem ser implementadas sem necessidade de alterar os processos de fabricação de broca. Entretanto, a geometria do fluxo de fluido foi otimizada em várias maneiras, para melhor esfriar e limpar as cavidades de mancal.

[0049] Os objetivos das modificações podem incluir aumentar o fluxo de fluido através do mancal em uma dada pressão, aumentar o fluxo de ar para o mancal interno, que é a fonte predominante de falha prematura, devido à falta de ar de esfriamento e/ou redistribuição do fluxo aumentado, de modo que o fluxo através do mancal e a pressão média de todos os quadrantes de

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 17/89 / 32 mancal são maximizados. Aumentando-se o fluxo aumenta-se o esfriamento da estrutura de mancal, incluindo os mancais e roletes. Aumentando-se o ar em um lado carregado da broca, em particular, resultará nos mancais rolando mais limpos, mais frios e por mais tempo. A contaminação reduzida no lado carregado da estrutura de mancal, em particular, retardará o desgaste devido ao lascamento, formação de pequenos furos e corrosão.

[0050] Quando da análise dos projetos existentes, foi constatado que o fluxo de ar para o mancal interno era mínimo. Ao longo destas linhas, o fluxo de ar era da ordem de cerca de 6% do fluxo para dentro do mancal. O fluxo diminuiu destes níveis mínimos quando o desgaste ocorreu, caindo para cerca de 3%.

[0051] As modificações do projeto de broca incluíram modificações da geometria individual, modificações de geometria combinada, modificações de geometria simétrica e detalhamento de geometria de fluido. Ao longo destas linhas, modificações de geometria individual foram identificadas, qualquer uma das quais melhora o fluxo de fluido. Em seguida, várias modificações individuais foram feitas para melhorar mais o fluxo de fluido. Vantagens foram também encontradas dispondo-se simetricamente modificações da geometria individual ou combinações de modificações de geometria individual. Além disso, a análise da geometria de fluido resultou na descoberta de que zonas de recirculação existiam na estrutura de fluxo e modificações da estrutura de mancal podem incluir modificações que reduzem ou eliminam zonas de recirculação. Qualquer uma ou mais das modificações de geometria individual, combinações de modificações de geometria individual, modificações de geometria simetricamente arranjadas e/ou modificações de geometria de fluxo podem ser empregadas para aumentar o fluxo de fluido e, em consequência, a vida do mancal.

[0052] Como descrito acima e mostrado na Fig. 9, o ar escoando para fora, entre o cone e a aba em torno do perímetro do cone, ajuda a evitar que

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 18/89 / 32 detritos entrem no espaço entre o cone e a aba e, em consequência, nos sulcos de mancal. Além de encontrar baixas velocidades de fluxo nas brocas novas e usadas, a análise mostrou que, na condição usada carregada, a velocidade de fluxo de massa, através do lado carregado do sulco de rolete principal, e a velocidade do ar no lado carregado do sulco de rolete principal, diminuem quando o mancal desgasta-se durante o serviço. Quando o fluxo de ar diminui, o desgaste aumenta devido à falta de esfriamento. Com diminuído fluxo de ar, os detritos infiltrar-se-ão no espaço entre o cone e a aba no vão de menor perímetro 42 mostrado na Fig. 9.

[0053] As características de fluxo da broca variam grandemente, dependendo de se a broca está em um estado carregado ou descarregado. Em um estado descarregado, todos os componentes são montados uniformemente circunferenciais em torno do eixo geométrico de mancal, como projetado. Por outro lado, em um estado carregado, a broca é analisada sob condições experimentadas durante uso, visto que pressão seria aplicada à unidade de broca no material sendo perfurado, com todos os componentes contatando o lado de carga 2 mostrado na Fig. 5. Em uma condição carregada, a folga requerida para fabricação e montagem da broca é empurrada para um lado da broca oposta ao lado carregado. Este lado descarregado 4 é localizado no topo do mancal, como mostrado na Fig. 5. A maior folga no lado descarregado da broca reduz o fluxo de ar no lado carregado do mancal, que tem reduzida folga. O ar naturalmente tomará o trajeto de menos resistência e/ou o trajeto mais curto através da estrutura de broca, onde há menos detritos e o vão perimétrico é maior no lado descarregado do mancal.

[0054] As soluções existentes somente abordam o fluxo em um novo estado descarregado, que imprecisamente reflete as condições durante o uso e após o desgaste. A Fig. 10 é um gráfico que ilustra os valores médios para velocidades de fluxo de ar, velocidades e pressões em um estado novo e usado para dois tamanhos de brocas analisados. Em particular, as brocas tinham um

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 19/89 / 32 diâmetro de cerca de 11 polegadas ou cerca de 12,25 polegadas. O desgaste foi presumido ser cerca de 0,050 polegada nos mancais axiais e radiais, o que simula desgaste tipicamente em um ponto de cerca de metade a dois-terços através da vida em serviço de uma broca. Como pode ser visto na Fig. 10, a velocidade de fluxo é drasticamente afetada por tal pequeno grau de desgaste. [0055] As modalidades da invenção abordam as desvantagens dos projetos de broca conhecidos para redistribuir o fluxo de ar através da estrutura de mancal, excluem detritos do mancal e protegem o lado de desgaste do mancal quando o desgaste avança durante uso. As modalidades da invenção podem incluir uma ou mais de numerosas diferentes mudanças do projeto de broca, para melhorar o fluxo de ar e diminuir o desgaste. Melhorias do fluxo de ar podem incluir um fluxo de ar mais uniforme em torno da estrutura de mancal e manter o fluxo por toda a vida do mancal. As melhorias podem reduzir o desgaste do novo estado através do estado desgastado. Algumas das melhorias mais significativas são o fluxo de ar através do mancal no estado usado. Aumentando-se o fluxo de ar, as modalidades da invenção reduzem as taxas de desgaste e as taxas de falha de mancal.

[0056] Tornando-se o fluxo de ar através do mancal mais uniforme, ou simétrico, em torno da estrutura de mancal, a distância em que o ar flui, através do mancal a partir das entradas às saídas, pode ser reduzida. A simetria pode ser relativa aos planos horizontal e vertical. O fluxo de saída pode ser simétrico com respeito ao plano vertical. Entretanto, o fluxo de saída não pode ser simétrico com respeito ao plano horizontal. Isto ocorre porque a fenda de saída de ar na borda de frente inferior do mancal ficaria enchida com detritos e/ou proveria um trajeto de detritos em um local onde tais detritos poderiam causar a maior avaria. O fluxo de fluido pode ser simétrico com respeito a um plano que é girado cerca de 20^o a partir do centro morto da base. Isto é devido ao movimento do centro morto da base de força, como resultado da rotação da broca durante o uso. O fluxo de fluido poderia ser

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 20/89 / 32 simétrico com respeito ao plano ou em torno do plano.

[0057] Modificações do projeto de aba incluem mudanças nos trajetos de fluxo dentro da aba, furos de ventilação permitindo que o ar deixe a aba, sulcos e/ou fendas nos flanges de aba, contornos de sulcos de fluxo de ar e/ou fendas e/ou contornos de canto. Algumas das mudanças ajudaram a eliminar as áreas mortas com pouco ou nenhum fluxo de ar. As modificações podem ser empregadas em qualquer combinação ou todas juntas, para obterem-se vários graus de melhoria de fluxo de ar.

[0058] A Fig. 11 ilustra uma modalidade de uma aba de acordo com a presente invenção. A modalidade mostrada na Fig. 11 inclui uma fenda 71 no flange de pino 47. Nesta modalidade, a fenda de flange de pino 71 é uma única fenda, estrategicamente orientada, usinada do flange de pino. Esta é uma mudança do projeto conhecido mostrado na Fig. 8, com múltiplas fendas rasas em várias orientações.

[0059] Na modalidade mostrada na Fig. 11, a fenda de flange de pino é arranjada sobre a borda de base do flange de pino. A fenda de flange de pino pode estender-se através do flange de pino em um ângulo para o centro morto da base da aba sendo responsável pelo deslocamento de uma carga do mancal do centro morto de base do mancal durante uso. A fenda de flange de pino pode ter uma profundidade de cerca de 50% a cerca de 75% da espessura do flange de pino.

[0060] Tipicamente, o flange de pino inclui uma fenda como mostrado na Fig. 1. Entretanto, fluxo de ar melhorado pode também ser conseguido com mais do que uma fenda, com uma fenda arranjada que não como mostrado ou descrito aqui e ou tendo dimensões que não aquelas descritas aqui.

[0061] Na modalidade a fenda de flange de pino mostrada na Fig. 11 estende-se com lados que não são paralelos entre si, de modo que a fenda de flange de pino tem uma largura expandindo-se em direção à borda externa do

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 21/89 / 32 flange de pino, como mostrado na Fig. 12. Ao longo destas linhas, a fenda de flange de pino poderia ter um ângulo divergente de cerca de 10^o e 150^o. Entretanto, o flange de pino pode abrir com qualquer geometria divergente. A geometria divergente pode ajudar a espalhar o ar vindo através do botão de empuxo da extremidade da aba.

[0062] Para aumentar o fluxo de fluido através das fendas, tais como a fenda de flange de pino ou qualquer uma das outras fendas descritas aqui, a espessura do flange em que a(s) fenda(s) é/são formada(s) pode ser aumentada quando comparada(s) com os projetos conhecidos. Isto pode aumentar a profundidade da(s) fenda(s) e, desse modo, aumentar o fluxo de fluido através da(s) fenda(s). Como resultado, os flanges podem ter uma aumentada espessura, em comparação com o comprimento total do mancal. Em alguns casos, isto pode resultar em reduzido tamanho de mancal, tal como roletes tendo reduzidos comprimentos e/ou mancais de esfera tendo reduzidos diâmetros, em comparação com projetos conhecidos.

[0063] Para melhorar mais o fluxo de ar, as bordas da fenda de flange de pino, bem como outras fendas e sulcos da aba, podem ser modificadas dos projetos conhecidos. Ao longo destas linhas, as bordas das aberturas interna e externa da fenda de flange de pino podem incluir um chanfro e a borda entre o lado 73 e a superfície de base 75 da fenda de flange de pino, e as superfícies superior e inferior do flange de pino podem ser arredondadas. De acordo com uma modalidade mostrada na Fig. 13, a câmara é inclinada a cerca de 60^o com respeito às superfícies laterais e de base da fenda de flange de pino. Adicionalmente, a borda 77, entre o chanfro e a superfície de base 75, pode ser arredondada, como mostrado na Fig. 13. Tanto o ângulo de chanfro e as bordas arredondadas podem ajudar a reduzir as zonas de recirculação constatadas existir dentro e nas bordas da fenda de flange de pino.

[0064] O ângulo do chanfro pode variar entre cerca de 35^o e cerca de 75^o. Tipicamente, as bordas arredondadas são arcos circulares, porém podem

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 22/89 / 32 ter outra curvatura. O lado 73 e as superfícies de base da fenda de flange de pino podem ser planas. Entretanto, as superfícies laterais e/ou de base podem ter outros contornos. Como com a bordar entre a fenda de flange de pino e as superfícies laterais interna e externa do flange de pino, a borda entre as superfícies laterais e de base da fenda de flange de pino pode incluir uma interseção curvada. Alternativamente, as superfícies laterais e de base poderiam encontrar-se em um ângulo reto ou ter um chanfro.

[0065] O flange de empuxo 49 pode também incluir uma fenda de ventilação 81, arranjada genericamente em linha com a fenda de ventilação de flange de pino. O arranjo de uma fenda de ventilação 81 no flange de empuxo nesta região pode resultar em um trajeto de fluxo sobre a aba, que aumenta o fluxo para a superfície carregada crítica do conjunto de broca, como indicado pela seta 83 da Fig. 21. Este trajeto de fluxo pode ser considerado como um “lavador mecânico”. Este lavador mecânico acrescenta regiões de elevado fluxo, onde idealmente haveria uma fenda de saída. Uma fenda de saída nesta posição acumular-se-ia com detritos, devido a seu local com respeito ao lado de carga da broca. O lavador mecânico pode criar uma fenda de saída “virtual”. Este detalhe sozinho pode prover dramática diminuição nas taxas de desgaste e aumentos na vida do mancal por resfriamento e redução de detritos.

[0066] Na modalidade mostrada na Figura 11, a fenda de ventilação de flange de empuxo 81 fica em linha com a fenda de flange de pino na orientação mostrada na Fig. 11. Nesta posição, a fenda de ventilação de flange de empuxo pode estender-se através do flange de empuxo em um ângulo com o centro morto de base da aba, sendo responsável por um deslocamento do centro morto de base durante o uso. A fenda de ventilação de flange de empuxo pode ter uma profundidade de cerca de 40% a cerca de 75% da espessura do flange de empuxo.

[0067] Na modalidade a fenda de ventilação de flange de empuxo da

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Figura 11 estende-se com lados que são substancialmente paralelos entre si, de modo que a fenda de ventilação de flange de empuxo tem uma largura constante. Ao longo destas linhas, a fenda de flange de pino poderia ter uma largura de cerca de 50% a cerca de 250% da largura da fenda de flange de empuxo.

[0068] A superfície da fenda de ventilação de flange de empuxo pode incluir superfícies planas e/ou curvadas. A modalidade mostrada na Fig. 14 inclui tanto superfície lateral 79 como superfície de base 81 planas e a região curvada 83, entre as duas superfícies planas. As superfícies laterais e de base podem também encontrar-se em um ângulo reto, chanfro ou menor parte curvada. A inteira superfície da fenda de ventilação de flange de empuxo pode também ser curvada.

[0069] Como com a fenda de flange de pino, para melhorar mais o fluxo de ar, as bordas da fenda de ventilação de flange de empuxo podem também ser modificadas dos projetos conhecidos. Ao longo destas linhas, as bordas das aberturas interna e externa da fenda de ventilação de flange de empuxo podem incluir um chanfro 85 e a borda entre a superfície lateral 79, superfície de base 75 e borda curvada 83 da fenda de ventilação de flange de empuxo e as superfícies interna e externa do flange de empuxo podem ser arredondadas. De acordo com uma modalidade mostrada na Fig. 14, o chanfro é inclinado a cerca de 60^o com respeito ao lado e superfícies laterais e de base da fenda de flange de pino. Adicionalmente, a borda 87, entre o chanfro 85 e a superfície lateral 79, superfície de base 75 e borda curvada 83, podem ser arredondadas como mostrado na Fig. 14. O ângulo do chanfro pode variar entre cerca de 35^o e cerca de 75^o. Tipicamente, as bordas arredondadas são arcos circulares, porém podem ter outra curvatura. Tanto o ângulo de chanfro como as bordas arredondadas podem ajudar a reduzir as zonas de recirculação constatadas existir dentro e nas bordas da fenda de ventilação de flange de empuxo. A transição entre um chanfro e outra superfície pode ser considerada

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 24/89 / 32 como bordas misturadas. A Fig. 14 também ilustra um corte de alívio de sulco de esfera 103. Tais bordas misturadas não incluem cantos que se encontrem em um ângulo de 90^o.

[0070] Outra melhoria para o projeto de broca que pode ser incluída nas modalidades da invenção é um ou mais furos de ventilação no sulco de pequeno rolete. A modalidade mostrada na Fig. 1 inclui dois furos de ventilação de sulco de pequeno rolete 89. O local dos furos de ventilação de sulco de pequeno rolete pode variar. Tipicamente, os furos são no lado descarregado da aba. O(s) furo(s) pode(m) ser simetricamente arranjado(s) com respeito ao centro da carga ou com o centro morto de base da aba.

[0071] O tamanho do(s) furo(s) de ventilação de sulco de pequeno rolete pode variar. O tamanho não deve ser tão grande que o(s) furo(s) interfira(m) com a operação dos pequenos roletes. Tipicamente, os furos de ventilação de suco de pequeno rolete têm um diâmetro de cerca de 20% a cerca de 50% do comprimento do sulco em que eles são colocados.

[0072] Similar às interseções de outras superfícies do projeto, as bordas dos furos de ventilação de pequeno sulco do sulco de pequeno rolete podem ter um contorno que não um canto de 90^o. Eliminando-se uma borda de 90^o, introduzindo-se um intervalo no projeto, pode ajudar a facilitar o fluxo através do mancal, reduzindo e/ou eliminando o fluxo turbulento e/ou zonas mortas no fluxo.

[0073] O flange de empuxo pode incluir outras passagens de fluxo além da fenda de ventilação de flange de empuxo. Ao longo destas linhas, pelo menos uma fenda usinada de flange de empuxo 92 pode ser provida na superfície do flange de empuxo que faceia o sulco de pequeno rolete.

[0074] A orientação e colocação da(s) fenda(s) usinada(s) de flange de empuxo pode variar. A modalidade mostrada na Fig. 15 inclui duas fendas usinadas de flange de empuxo 91. A(s) fenda(s) usinada(s) de flange de empuxo pode(m) ter uma profundidade de cerca de 40% a cerca de 75% da

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 25/89 / 32 espessura do flange de empuxo. A(s) fenda(s) usinada(s) do flange de empuxo podem tipicamente aumentar de largura do interior do flange de empuxo em direção ao exterior do flange. Uma parte substancial da superfície de base da fenda usinada de flange de empuxo pode ser substancialmente plana.

[0075] Entretanto, as superfícies laterais podem ser curvadas, a fim de eliminar ou reduzir as zonas de recirculação. Análise identificou as superfícies laterais 95 da fenda usinada de flange de empuxo como uma região em que ocorre recirculação. A curvatura desta superfície pode reduzir ou eliminar as zonas de recirculação. A Fig. 16 ilustra um exemplo de uma curvatura que a fenda usinada de flange de empuxo pode ter. Uma curvatura complexa, como mostrada na Fig. 16. Ao longo destas linhas, a modalidade mostrada na Fig. 16 inclui uma pluralidade de partes curvadas e também planas. As superfícies laterais da fenda usinada de flange de empuxo podem ter outras curvaturas e ser compostas de outras combinações de superfícies curvadas e planas, que reduzem ou eliminam a recirculação nesta área.

[0076] Além de ter uma superfície curvada, a borda entre as superfícies laterais 95 e a superfície de base 93 da fenda usinada de flange de empuxo pode incluir um chanfro e/ou partes curvadas, como descrito acima com relação à fenda de flange de pino e fenda de ventilação de flange de empuxo. Similarmente, a borda entre a superfície de base 93 da superfície lateral do flange de empuxo pode incluir um chanfro e/ou superfícies curvadas, similares à fenda de flange de pino e fenda de ventilação de flange de empuxo.

[0077] O furo de ar de flange de empuxo 57 pode abrir pelo menos parcialmente para a fenda usinada de flange de empuxo, como na modalidade mostrada na Fig. 15. Como mostrado na Fig. 15, a interseção do furo de ar de flange de empuxo e a superfície de base da fenda usinada de flange de empuxo pode incluir um chanfro e/ou uma superfície curvada.

[0078] Como também mostrado na Fig. 15, o flange de empuxo pode

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 26/89 / 32 incluir um canal de ar de sulco de pequeno rolete 101. O canal de ar de sulco de pequeno rolete pode estender-se inteiramente em torno do flange de empuxo. Tal modalidade do canal de ar de sulco de pequeno rolete provê um trajeto de fluxo conectando a fenda de ventilação de flange de empuxo, fendas usinadas de flange de empuxo e furo de ar de flange de empuxo, que podem, pelo menos parcialmente, abrir no canal de ar de sulco de pequeno rolete. Em algumas modalidades, o canal de ar de sulco de pequeno rolete pode não se estender inteiramente em torno do flange de empuxo.

[0079] O canal de ar de sulco de pequeno rolete pode estender-se para dentro da superfície do flange de empuxo a uma profundidade similar como a fenda de ventilação de flange de empuxo, fendas usinadas de flange de empuxo e furo de ar de flange de empuxo. Isto pode criar uma mais uniforme geometria de fluido através do canal de ar de sulco de pequeno rolete, fenda de ventilação de flange de empuxo, fendas usinadas de flange de empuxo e furo de ar de flange de empuxo. Se a fenda de ventilação de flange de empuxo e/ou fenda(s) usinada(s) de flange de empuxo não forem planas com o canal de ar de sulco de pequeno rolete, então tipicamente elas estão dentro de cerca de 10% a cerca de 25% de sua profundidade. Se a fenda de ventilação de flange de empuxo e/ou fenda(s) usinada(s) de flange de empuxo não forem planas com o canal de ar de sulco de pequeno rolete, então tipicamente a interseção da fenda de ventilação de flange de empuxo e/ou fenda(s) usinada(s) de flange de empuxo com o canal de ar de sulco de pequeno rolete é arredondada e/ou inclui um chanfro. Isto pode ajudar a reduzir as zonas de recirculação e aumentar o volume do fluxo.

[0080] As bordas das superfícies laterais do canal de ar de sulco de pequeno rolete podem incluir um chanfro e/ou curvas em que elas encontram as bordas de superfícies laterais da fenda usinada de flange de empuxo, superfícies laterais da fenda de ventilação de flange de empuxo, superfície do flange de empuxo e/ou lado do furo de ar de flange de empuxo. A interseção

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 27/89 / 32 do furo de carga de esfera 63 e do sulco de esfera 31 pode também incluir um chanfro e/ou curvas. Tipicamente, se qualquer uma das interseções de várias superfícies descritas aqui incluir um chanfro, a interseção do chanfro e a(s) superfície(s) é(são) fundida(s), tal como sendo curvadas ou arredondadas, em vez de se encontrarem em um ângulo distinto. As bordas arredondadas ou fundidas podem arredondar a reduzir as zonas de recirculação, fluxo turbulento e zonas mortas e aumentar o volume de fluxo.

[0081] Para aumentar mais o fluxo de ar, o flange 51, entre o sulco de esfera e o sulco de grande rolete e/ou o flange de empuxo, pode incluir pelo menos um corte de alívio de sulco de esfera 103. Se a aba incluir cortes de alívio de sulco de esfera, o número de cortes pode variar. A modalidade mostrada na Fig. 11 inclui seis cortes de alívio de sulco de esfera em cada um do flange 51 e flange de empuxo. Os cortes podem ser simetricamente arranjados em torno do flange 51 e do flange de empuxo. Alternativa ou adicionalmente, os cortes de alívio de sulco de esfera podem ser arranjados em linha com um ou mais de outros detalhes, tais como a fenda de ventilação de flange de empuxo, fenda usinada de flange de empuxo, entre outros. Os cortes de alívio de sulco de esfera do flange 51 e do flange de empuxo podem ser alinhados. Ao longo destas linhas, os cortes de alívio de sulco de esfera podem ser arranjados cerca de 120^o separados, de acordo com uma modalidade. Os cortes de alívio de sulco de esfera podem ser arranjados de cerca de 20^o separados a cerca de 180^o separados. A distância pode depender do número de cortes, entre outros fatores.

[0082] O(s) corte(s) de alívio de sulco de esfera pode(m) estender-se inteiramente através da espessura do flange 51 e/ou do flange de empuxo. Os lados 105 dos cortes de alívio de sulco de esfera podem ser curvados como na modalidade mostrada na Fig. 11. Alternativamente, os lados dos cortes de alívio de sulco de esfera poderiam ser planos e encontrar a superfície de base 107 dos cortes de alívio de sulco de esfera em um ângulo reto. A borda entre

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 28/89 / 32 as superfícies laterais dos cortes de alívio de sulco de esfera e a superfície de base dos cortes de alívio de sulco de esfera e/ou superfície lateral do flange 51 e/ou o flange de empuxo pode incluir uma câmara e/ou superfícies curvadas como descrito acima. Como com qualquer uma das superfícies chanfradas/curvadas, os ângulos descritos acima podem ser utilizados.

[0083] Um outro aperfeiçoamento, que as modalidades de um projeto de broca de acordo com a presente invenção podem incluir, é uma ou mais fendas de saída de ar na base do munhão após o fluxo passar sobre/através do sulco de grande rolete. A abertura da(s) fenda(s) de saída pode facear para fora para dirigir ar perpendicularmente com respeito ao eixo geométrico central do munhão. O munhão é a parte do eixo de mancal que se projeta da extremidade da aba. Tipicamente, como mostrado na Fig. 8, o munhão 141 estende-se e um ângulo da aba ou do eixo geométrico de broca. A extensão do munhão encaixa no cone e é tipicamente de cerca de um-terço do corpo de broca do topo à base, de modo que o eixo geométrico de aba é o mesmo que o eixo geométrico de broca.

[0084] A modalidade mostrada na Fig. 11 inclui três fendas de saída de ar 109, 110. As fendas são arranjadas cerca de 30^o a cerca de 110^oseparadas, com duas nos lados opostos da aba e uma no topo, como mostrado na Fig. 11. A vista mostrada na Fig. 11 não ilustra a fenda no lado oposto da aba da fenda 110. A aba 109 no topo da aba, na vista mostrada na Fig. 11, é oposta ao lado de carga da aba. Arranjada como tal, a fenda 109 pode formar um deslocamento do “lavador mecânico” formado pela fenda de flange de pino e a fenda de ventilação de flange de empuxo.

[0085] A aba pode incluir a fenda 110 e uma fenda sobre o lado oposto. A aba pode realmente incluir múltiplas fendas em torno da aba, contanto que o fluxo da aba das fendas se equilibre através de um plano que bissecta ou estreitamente bissecta o plano incluindo ou estreitamente incluindo a fenda 109 e/ou outros detalhes relativos ao plano vertical ou

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 29/89 / 32 próximo ao vertical, que centra nas áreas de carga/descarga do mancal. Isto pode significar que o mesmo número de fendas é arranjado em cada lado do plano ou números desiguais de fendas podem ser providos. O arranjo das fendas pode ser simétrico, as fendas podem não ser simetricamente arranjadas com respeito a um dos planos acima, se o fluxo produzido pelas fendas for simétrico.

[0086] Uma vantagem da(s) fenda(s) de saída 110 que pode ser incluída nas modalidades da invenção, quando comparadas com projetos conhecidos pode incluir que a(s) fenda(s) de saída 110 podem ser manipuladas em quantidade, colocação e tamanho, para resultar em uma distribuição do fluxo de ar e/ou para estabelecer uma cortina de ar eficaz. As fendas de exaustão conhecidas permitem que a maior parte do ar saia através do topo do mancal, sem estabelecer uma cortina de ar para exclusão de detritos.

[0087] O flange 53, definindo o sulco de rolete grande pode incluir um canal de ar 108 estendendo-se inteira ou parcialmente em torno de sua circunferência. O canal de ar de sulco de grande rolete 108 pode ajudar a circunferencialmente distribuir fluxo de fluido em torno das inteiras aba e cone. O canal pode ser seletivamente arranjado interruptamente ou nãointerruptamente em intervalos em torno da circunferência, para manipular o fluxo entre os quadrantes de mancal, se desejado. A Fig. 11a ilustra uma modalidade de um canal de ar de sulco de grande rolete em seção transversal.

[0088] Outros aperfeiçoamentos do fluxo de fluido que, podem ser incluídos nas modalidades da presente invenção, podem incluir superfícies de flange que são contornadas para produzir uma geometria divergente. Uma modalidade de uma parte da aba e cone é mostrada na Fig. 16. A Fig. 18 ilustra uma parte dos pequenos roletes 23, canal de ar de sulco de pequeno rolete, sulco de pequeno rolete 25, flange de empuxo 49, sulco de mancal 19, grande rolete 21 e sulco de grande rolete 33 e 27. Como mostrado na Fig. 18,

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 30/89 / 32 as superfícies extremas dos flanges 49 e 51 e superfícies complementares do cone podem ter contornos que criam espaços para fluxo de fluido e produzem um fluxo de fluido com geometria divergente. Por exemplo, as bordas dos flanges podem ser arredondadas, como mostrado na Fig. 18, em vez de incluir chanfros como nos projetos conhecidos. As mudanças das superfícies de flange do munhão e do correspondente cone podem afetar positivamente o fluxo de fluido na direção para fora, que é afastada da ponta do munhão na extremidade inferior da aba. Por exemplo, a eliminação de chanfros pode eliminar as bordas agudas, que podem romper os padrões de fluxo. Ao contrário, de acordo com projetos conhecidos, o volume de fluido entre os flanges tinha uma geometria convergente ou, na melhor das hipóteses, paralela, que negativamente afetava o fluxo na direção para fora, como mostrado na Fig. 18a.

[0089] Em adição à alteração do projeto da superfície externa da aba, a invenção pode incluir melhorias nos trajetos de fluxo dentro da aba. As Figs. 19 e 20 ilustram as passagens de fluxo internas da aba, de duas seções transversais que são perpendiculares entre si. Como mostrado na Fig. 19, o tampão de esfera 113 da passagem de carga de esfera 125, que dirige fluido do longo furo de ar 111 para as outras passagens de fluxo, tais como a passagem 119, dentro da aba, foi modificado para reduzir as zonas de recirculação. Por exemplo, as superfícies guias 113 do tampão de esfera foram modificadas de modo que sua borda encontre as bordas do longo furo de ar, tal como na interseção 117 e com a passagem de fluxo 119 na interseção 121. Adicionalmente, o contorno das paredes laterais da passagem de fluxo pode ser alterado para aumentar o fluxo de fluido. Além disso, o diâmetro das passagens de fluxo pode ser expandido especialmente entre os pontos 117 e 121, em algumas modalidades, para aumentar o fluxo de fluido em torno da haste central do tampão de esfera 113 na mesma área. Isto pode prover um aumentado volume de fluxo para alimentar saídas de fluxo

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 31/89 / 32 adicionais, tais como furo(s) de ventilação de sulco de pequeno rolete 89, passagens de alimentação 123 podem ser adicionadas como ramificações da passagem de fluxo 119.

[0090] A vista em seção transversal da Fig. 20 ilustra as passagens de alimentação de furo de ventilação de sulco de pequeno rolete 123 e 130, provendo fluxo para o sulco de pequeno rolete da passagem 119, que alimenta o botão de empuxo. Como mostrado na Fig. 20, a haste de tampão de esfera 113 e os furos de intersecção podem ser arranjados em diferentes planos, para facilitar o movimento do fluido e torno da haste de tampão de esfera 113. Em geral, os furos que intersectam com o furo de carga de esfera são configurados para reduzir as zonas de recirculação. Adicionalmente, a haste de tampão de esfera pode ser encurtada e o corpo inferior da haste encompridado. A cabeça de haste de tampão de esfera pode ter uma parte inferior côncava. Também todos os diâmetros de furo podem ser maximizados e o furo central pode ser deslocado em relação ao flange de pino. Todas estas modificações do tampão e furos de esfera podem reduzir a recirculação.

[0091] A Fig. 21 ilustra uma vista da aba com os roletes e mancais em posição, mostrando o fluxo de ar de acordo com uma modalidade da invenção. Esta modalidade inclui todos os detalhes acima discutidos, para melhorar o fluxo de fluido na estrutura de broca, para ilustrar o fluxo através da broca. Ao longo destas linhas, o alinhamento da fenda de flange de pino 71 e da fenda de ventilação de flange de empuxo 81 ajuda a criar um fluxo de fluido aba e interior do cone abaixo, como ilustrado pela seta 125. Com a broca em uso, este fluido flui diretamente em direção ao centro morto da base de carga ou dentro de cerca de 35^o de cada lado do centro morto da base de carga. Isto assegura que o fluido flua em uma área crítica tendente ao acúmulo de detritos.

[0092] Outros detalhes que ajudam a distribuir o fluido em torno da estrutura de broca incluem o furo de ventilação de sulco de pequeno rolete,

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 32/89 / 32 que a modalidade mostrada na Fig. 21 inclui dois. Estes furos de ventilação produzem o fluxo indicado pelas setas 127. Este fluxo é ainda dirigido pelas fendas usinadas de flange de empuxo 91 e os cortes de alívio de sulco de esfera 103.

[0093] Adicionalmente, o fluxo de fluido através dos furos de flange de empuxo 59 produz o fluxo indicado pelas setas 129 e o furo de carga de esfera produz o fluxo indicado pela seta 131. Além disso, as fendas de saída 109 produzem o fluxo indicado pelas setas 133.

[0094] A distribuição do ar em torno da broca ajuda a gerar uma cortina de ar 125 que circunda a broca. Isto pode ajudar a mais eficientemente esfriar a estrutura do mancal. O fluxo pode também ajudar a evitar a entrada de escombros dentro do vão perimétrico 42, entre a aba e o cone. Adicionalmente, as modificações de acordo com a invenção podem aumentar a velocidade de saída do fluido. A eficácia da cortina de ar pode aumentar com aumentos da velocidade de fluxo de massa no lado de carga e da velocidade de saída do lado de carga. A eficácia da cortina de ar pode também aumentar quando as variações de pressão entre os quadrantes diminuem. Ao longo destas linhas, as zonas de baixa pressão podem permitir que mais escombros entre no mancal.

[0095] Isto é contrário ao fluxo de fluido em uma estrutura de broca conhecida, como mostrado na Fig. 22. Como mostrado na Fig. 22, o fluxo de fluido é todo direcionado na metade superior da estrutura na orientação mostrada na Fig. 22. Ao longo destas linhas, as fendas de flange de pino 55 e furos de flange de empuxo 57 dirigem o fluxo lateral ou ascendentemente para longe do centro morto de base geométrico, como indicado pela seta 135. Adicionalmente, o furo de carga de esfera dirige o ar para cima, como indicado pela seta 137. Além disso, as fendas de exaustão primárias e secundárias dirigem o fluido como indicado pelas setas 139. Todos estes elementos resultam na direção do fluido em torno de uma fração da

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 33/89 / 32 circunferência do mancal, resultando em esfriamento inadequado e infiltração de escombros na estrutura de mancal.

[0096] Melhorias no fluxo do fluido e vida da broca são detalhadas nas Figuras 23 - 32. Ao longo destas linhas, a Fig. 23 representa um gráfico que ilustra melhoria das medições chaves em dois tamanhos de broca, quando comparando uma modalidade da invenção, mostrada na Fig. 21, com respeito a um projeto conhecido mostrado na Fig. 8, entre um estado novo e um estado usado. As medições são uma média dos dois tamanhos analisados e incluem o fluxo total, pressão média, velocidade de saída no lado da carga (EVLS), velocidade de fluxo de massa no lado da carga (MFRLS) e fluxo de fluido de mancal interno. Como mostrado na Fig. 23, as modalidades da invenção podem prover uma dramática melhoria nestas medições. A Fig. 23 é baseada em medições em um estado novo e um estado usado.

[0097] A Fig. 24 representa um gráfico que ilustra a progressão dos valores mostrados na Fig. 23 por todo o processo de análise do estado novo. A Fig. 25 ilustra a mesma progressão mostrada na Fig. 24, porém para o estado usado.

[0098] As Figs. 26 - 28 ilustram melhorias em vários parâmetros em condições nova e usada de estruturas de broca, incluindo vários aspectos das modalidades da invenção, quando comparadas com o projeto de broca conhecido, tal como mostrado na Fig. 8. Por exemplo, a Fig. 26 ilustra melhorias no fluxo de fluido no mancal interno. Como mostrado na Fig. 26, cada aspecto da invenção pode melhorar o fluxo do mancal em condição usada. Adicionalmente, cada aspecto da invenção mostra melhorado fluxo de mancal em uma condição nova, com exceção das modificações de geometria individuais. A Fig. 27 ilustra as melhorias da velocidade de fluxo de massa no lado da carga e a Fig. 28 ilustra as melhorias na velocidade de saída no lado da carga.

[0099] A estrutura do mancal e o fluxo de fluido associado podem ser

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 34/89 / 32 analisados com respeito a quadrantes. Ao longo destas linhas, a estrutura mostrada na Fig. 21 pode ser dividida em quadrantes. As Figs. 29 - 32 ilustram melhorias de análise de broca em diferentes quadrantes Q1, Q2, Q3, Q4. Os quadrantes são deslocados da horizontal e vertical devido ao deslocamento da carga quando a broca gira. Na realidade, o centro morto de base da carga pode ser deslocado de cerca de 5^o a cerca de 35^o do centro morto da base, dependendo de quão rápido a broca está girando durante o serviço.

[00100] As Figs. 29 e 30 ilustram melhorias no fluxo de saída e pressão média entre a modalidade mostrada na Fig. 21, com respeito ao projeto conhecido, mostrado na Fig. 8 nos estados novo e usado. O único quadrante que não mostrou melhoria foi o quadrante Q2 no estado usado. Isto é porque o projeto existente já tinha a maior parte do fluxo dirigida para o quadrante

Q2. Como pode ser visto na Fig. 29, todos os outros quadrantes tinham melhorado e os quadrantes Q3 e Q4 experimentado dramática melhoria no fluxo de ar nas condições nova e usada. Adicionalmente, como mostrado na Fig. 30, todos os quadrantes exibiram dramáticas melhorias em pressão de quadrante média, em comparação com os projetos conhecidos, nos estados tanto novo como usado.

[00101] O arranjo simétrico dos trajetos de fluxo pode ajudar a assegurar que não haja áreas particularmente vulneráveis e torno da broca, onde escombros podem penetrar mais facilmente. Em alguns casos, os detalhes podem ser simetricamente arranjados com respeito aos lados direito e esquerdo da vista mostrada na Fig. 21, tal como os furos de ventilação de sulco de pequeno rolete. Entretanto, pode não ser possível dispor os detalhes simetricamente com respeito aos quadrantes superior e inferior na vista mostrada na Fig. 21. Por exemplo, uma fenda de saída de fluido poderia não ser localizada no quadrante inferior porque é onde a borda de avanço inferior é localizada. Tal saída rapidamente se encheria de detritos ou permitiria que

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 35/89 / 32 os detritos entrassem na pior área possível com respeito à estrutura de mancal da broca.

[00102] As Figs. 31 e 32 ilustram o fluxo de saída dos quadrantes Q1 Q4 nas condições nova e usada, comparando-se diferentes modificações de acordo com as modalidades da invenção. A Fig. 33 representa um gráfico que ilustra o fluxo total como uma percentagem do fluxo da linha de referência através do mancal nos estados novo e usado, mostrando os efeitos de várias modificações de geometria individuais, modificações de geometria combinadas, modificações de geometria simétricas e detalhamento de geometria de fluido. A fase I e fase III referidas na Fig. 33 refere-se a análise de computador das várias modificações. A fase II e fase IV referem-se à verificação de laboratório das análises de computador.

[00103] A Fig. 34 representa gráficos que ilustram diferenças entre vários parâmetros de fluxo para dois diferentes tamanhos de broca em um estado novo e um estado usado. A Fig. 35 representa um gráfico que ilustra as velocidades de fluxo totais como uma percentagem do fluxo total em dois diferentes tamanhos de broca tendo projetos conhecidos e modificados em um estado novo e um estado usado.

[00104] A invenção pode incluir um método para projetar uma broca. O método pode incluir analisar o fluxo em uma estrutura de mancal de broca. Uma ou mais modificações, tais como aquelas descritas acima, podem ser introduzidas na estrutura de mancal. O fluxo pode ser analisado para um mancal incluindo cada uma das modificações individualmente e combinações de duas ou mais modificações. As características das modificações, tais como local, tamanho, orientação, posição relativa com outras modificações, podem ser modificadas. O fluxo pode então ser reanalisado. Múltiplas iterações destas etapas podem ser realizadas para produzir um projeto de broca. A interação dos fluxos criados por várias modificações pode ser analisada para determinar se os fluxos se cancelam. Tipicamente, os elementos de projeto

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 36/89 / 32 são modificados, de modo que eles não se cancelem, mas, de preferência, trabalhem juntos para criar um fluxo harmonioso. O fluxo harmonioso pode ser conseguido do ponto de entrada do fluido ao ponto de saída do fluido. [00105] Em geral, o fluxo harmonioso evita os fluxos de cancelamento. Por exemplo, os fluxos das entradas não cancelam os fluxos das outras entradas ou fluxos de saídas e vice-versa. Adicionalmente, o fluxo harmonioso pode ser considerado existir quando o ar flui do flange de pino para as fendas de saída, geralmente em uma linha reta. Além disso, o fluxo harmonioso pode ser considerado existir quando o fluido geralmente flui para fora com respeito à unidade de mancal. Se o fluxo harmonioso existir, o fluido geralmente flui para dentro e para fora do mancal uniformemente. Ao longo destas linhas, o fluxo é tipicamente equilibrado entre os quadrantes e é tão uniformemente distribuído quando possível, com exceção de que a velocidade de fluxo na base do mancal tipicamente sempre será menor do que a das regiões superiores do mancal, devido à incapacidade de colocar as fendas de saída na base do mancal, porque elas muito rapidamente ficariam enchidas com detritos.

[00106] É também analisado se simetricamente arranjando-se os elementos de projeto aumentará o fluxo. Em alguns casos, a simetria parcial proveu as melhores melhorias. A simetria parcial pode incluir simetria com respeito a somente um eixo geométrico, tal como o eixo geométrico vertical. Os elementos de projeto podem ser também ajustados para criar padrões de fluxo dentro do fluxo, tais como padrões de vórtice ou movimento rotativo quando o ar se move das entradas para as saídas.

[00107] As vantagens das modalidades da invenção podem incluir aumentar o fluxo e a vida do mancal. O fluxo pode ser sustentável durante a vida da estrutura de mancal para melhor esfriar e limpar os mancais, resultando em uma vida de mancal mais longa e sustentável. As zonas de recirculação podem ser reduzidas para reduzir as restrições de fluxo e as

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 37/89 / 32 perdas de fluxo. Uma zona de fluxo de lavador mecânico, como descrito acima, pode ser criada. Uma zona de recirculação existe onde o fluido não está se movendo para fora. A zona de fluxo de lavador mecânico pode potencialmente inverter a inclinação da curva de velocidade de desgaste para o mancal interno e para o lado de carga do sulco de mancal do rolete principal. A zona de fluxo de lavador mecânico pode estender o inteiro comprimento axial da estrutura de mancal para uma saída “virtual”. Isto pode retirar as aparas que podem migrar para o mancal interno. A zona de fluxo de lavador mecânico pode transformar uma região da broca que experimentou uma mais elevada taxa de falha em uma zona com algumas das mais elevadas vazões relativas. Isto pode resultar nas aumentadas vazões e pressões de fluxo descritas acima. As modalidades da invenção podem também criar uma cortina de ar como descrito acima. A cortina de ar pode ser importante para manter tão próximo de 100% de exclusão de detritos quanto possível. A ausência da cortina de ar em qualquer ponto em torno do perímetro, exceto na fenda de saída, pode ser considerada um ponto de entrada de detritos de elevado risco. Por todo o desenvolvimento da invenção, análises computadorizadas foram verificadas e validadas por resultados de laboratório, empregando-se rápidas peças de protótipo.

[00108] A descrição precedente da invenção ilustra e descreve a presente invenção. Adicionalmente, a descrição mostra e descreve somente as modalidades preferidas da invenção, porém, como acima mencionado, deve ser entendido que a invenção é capaz de ser usada em várias outras combinações, modificações e ambientes e é capaz de mudanças ou modificações dentro do escopo da concepção inventiva como aqui expressa, comensurado com os ensinamentos acima e/ou a habilidade ou conhecimento da arte pertinente. As modalidades descritas acima são ainda destinadas a explicar os melhores modos conhecidos de praticar a invenção e possibilitar outras pessoas hábeis na arte utilizarem a invenção em tais ou outras

Petição 870190135522, de 18/12/2019, pág. 38/89 / 32 modalidades e com as várias modificações requeridas pelas aplicações ou usos particulares da invenção. Por conseguinte, a descrição não é destinada a limitar a invenção à forma descrita aqui. Também pretende-se que as reivindicações anexas sejam interpretadas como incluindo modalidades alternativas.

Claims

1. Broca de perfuração de sondagem da terra resfriada por ar que inclui uma pluralidade de abas (3, 5, 7) cada uma tendo um cone (9, 11, 13) arranjado sobre a aba (3, 5, 7) e uma estrutura de mancal incluindo uma pluralidade de mancais de rolamento (17, 21) e mancais de esfera (19) permitindo que o cone (9, 11, 13) rode em relação à aba (3, 5, 7), cada aba (3, 5, 7) inclui um flange de pino (47) em uma ponta da aba (3, 5, 7), um primeiro caminho de rolamento (29) distal ao flange de pino (47), uma pluralidade de primeiros rolamentos (17) rolando sobre o primeiro caminho de rolamento (29), um flange de empuxo (49) distal ao primeiro caminho de rolamento (29), um caminho de esfera (31) distal ao flange de empuxo (49), uma pluralidade de mancais de esfera (19) rolando sobre o caminho de rolamento (31), um flange do caminho de esfera (51) distal ao caminho de esfera (31), um segundo caminho de rolamento (33) distal ao flange do caminho de esfera (51), uma pluralidade de segundos rolamentos (21) rolando sobre o segundo caminho de rolamento (33), e um segundo flange do caminho de rolamento (54) distal ao segundo caminho de rolamento (33), caracterizada pelo fato de que a broca de perfuração compreende:

pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino (71) em uma face do flange de pino (47) oposta ao primeiro caminho de rolamento (29), em que a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino (71) se abre radialmente para fora até uma borda externa do flange de pino (47) em uma direção de um lado de carga da estrutura de mancal;

uma pluralidade de segundas fendas de saída de ar do caminho de rolamento (110) distal ao segundo flange do caminho de rolamento (53), em que as segundas fendas de saída de ar do caminho de rolamento (110) são arranjadas para criar uma cortina de ar substancialmente inteiramente em torno de um perímetro da estrutura de mancal; e, uma pluralidade de passagens de fluxo dentro da aba (3, 5, 7)

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2 / 5 para suprir fluido para a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino (71) e para a pluralidade de pluralidade de segundas fendas de saída de ar do caminho de rolamento (110).

2. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:

pelo menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo (81) em uma superfície do flange de empuxo (49) confrontando os primeiros rolamentos (17), em que a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo (81) se abre na direção do lado de carga do mancal.

3. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de pino (71) e pelo menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo (81) são arranjadas simetricamente em torno de um plano.

4. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:

pelo menos um primeiro furo de ventilação do caminho de rolamento (89) no primeiro caminho de rolamento (29).

5. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um primeiro furo de ventilação do caminho de rolamento (89) é arranjado oposto ao lado de carga do mancal.

6. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a broca de perfuração compreende dois primeiros furos de ventilação do caminho de rolamento (89) arranjados opostos ao lado de carga da aba, onde os furos de ventilação (89) são simetricamente arranjados opostos a uma fenda de ventilação do flange de pino (71).

7. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:

pelo menos um corte em relevo do caminho de esfera (103)

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3 / 5 arranjado em uma borda do flange do caminho de esfera (51) ou em uma borda do flange de empuxo (49).

8. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:

pelo menos uma segunda ranhura de ar do flange do caminho de rolamento (108) arranjada no segundo flange do caminho de rolamento (53).

9. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:

pelo menos uma fenda do flange de empuxo (91) em uma superfície do flange de empuxo (49) confrontando os primeiros rolamentos (17); e uma primeira ranhura de ar do caminho de rolamento (101) na superfície do flange de empuxo (49) confrontando os primeiros rolamentos (17), em que a pelo menos uma fenda do flange de empuxo (91), a pelo menos uma fenda de ventilação do flange de empuxo (81) e a primeira ranhura de ar do caminho de rolamento (101) se estendem para o interior da superfície do flange de empuxo (49) substancialmente a uma mesma distância.

10. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que superfícies laterais do flange de pino (47), flange de empuxo (49), e flange do caminho de esfera (51) são arredondados, e em que superfícies sobre uma superfície interior do cone (9, 11, 13) arranjadas opostas aos lados do flange de pino (47), flange de empuxo (49) e flange do caminho de esfera (51) são arredondadas.

11. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pelo menos uma fenda do flange de pino (71) tem uma largura que aumenta com distância crescente de um eixo geométrico central do munhão.

12. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1,

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4 / 5 caracterizada pelo fato de que uma borda externa da pelo menos uma fenda do flange de pino (71) inclui um chanfro e transições arredondadas entre o chanfro e superfícies da pelo menos uma fenda do flange de pino (71) e superfície lateral do flange de pino (47).

13. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o plano passa através do ponto morto inferior da broca de perfuração, dessa forma resultando em distribuição harmoniosa de fluxo e sem fluxos de cancelamento.

14. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o plano está em um ângulo em relação a um plano que passa através do ponto morto inferior da broca de perfuração.

15. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que nenhuma superfície na aba (3, 5, 7) ou uma superfície interior do cone (9, 11, 13) se encontram em um ângulo de 90°.

16. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:

uma passagem de carregamento de esferas (125) e uma abertura de furo de carregamento de esferas (63) no caminho de esfera (31) e configuradas para permitir mancais de esfera (19) a serem introduzidos no caminho de esfera (31);

um plugue de esferas (113) configurado para ser arranjado na passagem de carregamento de esferas (125), o plugue de esferas (113) compreendendo uma porção inferior côncava;

uma pluralidade de passagens fazendo interseção com a passagem de carregamento de esferas (125), as passagens sendo arranjadas e tendo diâmetros maximizados de forma que nenhuma zona de recirculação exista nas passagens; e, uma passagem central na aba que é deslocada em relação ao flange de pino (47).

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17. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a passagem de carregamento de esferas (125), a haste de plugue de esferas (113), a pluralidade de passagens fazendo interseção com a passagem de carregamento de esferas (125), e a passagem central na aba são projetadas para reduzir zonas de recirculação, dessa forma aumentando o fluxo de fluido.

18. Broca de perfuração de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de fendas de saída de ar do segundo caminho de rolamento (110) são arranjadas simetricamente em torno de um plano.