BR112016016225B1

BR112016016225B1 - Turbomáquina de múltiplos estágios e método para reforçar a pressão de um fluido de compressibilidade variável

Info

Publication number: BR112016016225B1
Application number: BR112016016225-0A
Authority: BR
Inventors: Lorenzo Bergamini; Marco Cipriani
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie S.r.l.
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2022-10-11
Also published as: WO2015114136A1; EP3102833B1; US20170159665A1; RU2667532C1; EP3102833A1; BR112016016225A2; CN106164495B; BR112016016225A8; CN106164495A; US10294949B2

Abstract

TURBOMÁQUINA DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS E MÉTODO PARA REFORÇAR A PRESSÃO DE UM FLUIDO DE COMPRESSIBILIDADE VARIÁVEL A presente invenção refere-se a turbomáquinas e, mais especificamente, a bombas ou compressores adequados particularmente para bombear fase mista, isto é, fluidos de múltiplas fases, tais como gás e óleo misturados. A turbomáquina (1) de múltiplos estágios (13A, 13B) compreende: um invólucro (3) com uma entrada de fluido (9) e um a saída de fluido (11); e uma pluralidade de estágios (13A, 13B) dispostos no dito invólucro (3); em que: um percurso de fluxo se estende a partir da entrada de fluido (9) para a saída de fluido (11) através dos ditos estágios (13A, 13B) dispostos sequencialmente; cada estágio (13A, 13B) é compreendido por um impulsor rotativo (15A, 15B) e um motor elétrico embutido no invólucro (3) e disposto para girar o impulsor (15A, 15B) em uma velocidade de rotação controlada; cada motor elétrico compreende um rotor de motor (31A, 31B) disposto no impulsor (15A, 15B) e que gira integralmente com o mesmo e um estator de motor (33A, 33B) disposto de maneira estacionária no invólucro (3); pares de impulsores (15A, 15B) dispostos sequencialmente são configurados para rotação em sentidos opostos; é fornecida uma disposição de controle que é configurada e disposta (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a turbomáquinas e, mais especificamente, a bombas ou compressores adequados particularmente para bombear fase mista, isto é, fluidos de múltiplas fases, tais como gás e óleo misturados.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Compressores e bombas de gás e óleo submarinos são usados em instalações marítimas para extrair hidrocarbonetos a partir de campos petrolíferos submarinos. Turbomáquinas submarinas, de fundo de poço e ESPs (Bombas Submersíveis Elétricas) são acionadas por motores elétricos que são dispostos coaxiais com os estágios de turbomáquina.

[003] O fluxo processado pela turbomáquina usualmente contém uma mistura de hidrocarbonetos gasosos e líquidos com uma fração de volume de gás (GVF) ou fração de volume de líquido (LVF) variável. Tipicamente, gás úmido (isto é, gás que contém uma fração de líquido) é processado por compressores de gás úmido. Compressores de gás úmido centrífugos de alta velocidade podem, usualmente, não tolerar uma porcentagem de volume de fase líquida maior do que 5%, isto é, os mesmos exigem operação em GVF>95%. Purificadores separadores de grande porte são, portanto, frequentemente exigidos para remover o conteúdo de líquido em excesso a partir do fluxo processado.

[004] A presença de um fluxo misto provoca complicações sérias no processamento do fluido na turbomáquina. A eficiência de uma turbomáquina projetada para operar em um valor de GVF de projeto cai rapidamente quando a máquina opera distante a partir do GVF de projeto. Assumindo-se um GVF de projeto de 40%, a eficiência pode cair por 10 pontos quando operando abaixo de 20% ou acima de 60%.

[005] Para endereçar as dificuldades na manipulação de fluxos mistos de gás/líquido, e, especificamente, gás úmido com GVF>80%, tem sido sugerido (Patente no US 4.830.584) o uso de bombas e compressores de múltiplos estágios, que têm uma pluralidade de estágios alinhados axialmente dispostos em um invólucro de turbomáquina e acionados por dois motores elétricos dispostos fora do invólucro de turbomáquina. Dois eixos coaxiais acionam em rotação, opostamente, impulsores rotativos da turbomáquina de múltiplos estágios. O número de estágios que podem ser usados nesse tipo de turbomáquinas é limitado pela necessidade de reduzir o comprimento axial da máquina. Isso limita o aumento de pressão realizável através da turbomáquina. A disposição de eixos coaxiais para acionar contraimpulsores rotativos adiciona complexidade à turbomáquina, no entanto.

[006] O comprimento axial admissível limitado do conjunto turbomáquina-motor, tipicamente dentro de 7 metros para aplicações submarinas, também limita severamente a potência total disponível. De fato, motores elétricos acima 4MW podem ser mais longos do que permitido pelos limites mencionados acima, a menos que uma velocidade de rotação muito alta seja usada, o que é prejudicial para a vida da turbomáquina.

[007] Portanto, há uma necessidade por uma turbomáquina mais eficiente para processar fluxos mistos de gás/líquido, que aliviem pelo menos parcialmente, uma ou mais das desvantagens, mencionadas acima, das turbomáquinas do estado da técnica.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[008] De acordo com um aspecto, é fornecida uma turbomáquina de múltiplos estágios que compreende: um invólucro com uma entrada de fluido e uma saída de fluido; uma pluralidade de estágios dispostos no invólucro; um percurso de fluxo que se estende a partir da entrada de fluido para a saída de fluido através dos ditos estágios dispostos sequencialmente. Cada estágio é compreendido por um impulsor rotativo e de um motor elétrico embutido no invólucro e disposto para girar o impulsor em uma velocidade de rotação controlada. Cada motor elétrico compreende um rotor de motor disposto no impulsor e que gira integralmente com o mesmo e um estator de motor disposto de maneira estacionária no invólucro. Pares de impulsores dispostos sequencialmente são configurados para rotação em sentidos opostos. Os impulsores pareados que giram em sentidos opostos são, preferencialmente, dispostos diretamente adjacentes entre si. Adjacentes diretamente entre si significa que nenhuma pá ou palheta estacionária é disposta entre os mesmos. O fluido que sai do impulsor a montante é entregue diretamente dentro do impulsor a jusante. Em algumas realizações a turbomáquina é inteiramente livre de pás estacionárias entre contraimpulsores rotativos, dispostos sequencialmente, para, desse modo, reduzir o comprimento total da turbomáquina.

[009] Em algumas realizações todos os impulsores da turbomáquina são contragirantes, isto é, cada impulsor gira em um sentido oposto em relação ao(s) impulsor(es) adjacente(s). Em outras realizações, a máquina pode incluir, adicionalmente, também impulsores dispostos sequencialmente que giram no mesmo sentido, com palhetas ou pás estacionárias dispostas entre os mesmos.

[010] De acordo com algumas realizações, a turbomáquina compreende uma disposição de controle, configurada para controlar individualmente as condições de operação de cada motor elétrico. A disposição de controle pode ser programada para girar cada motor embutido e, desse modo, cada impulsor em uma velocidade rotacional que pode variar de um impulsor para o outro com base, por exemplo, na fração de volume de gás do fluido que é processado pela turbomáquina. A disposição de controle pode ser compreendida de uma ou mais unidades de controle.

[011] Deve ser entendido que em realizações particularmente vantajosas a turbomáquina inclui apenas tais impulsores que são, cada um, dotados de seu próprio motor elétrico embutido, controlado independentemente. Em outras realizações, no entanto, dois ou mais impulsores auxiliares ou adicionais podem ser controlados por um e o mesmo motor elétrico ou senão por dois motores elétricos diferentes, mas que giram na mesma velocidade rotacional. A presente invenção também abrange, portanto, turbomáquinas em que impulsores de velocidade controlada independentemente podem ser combinados com outros impulsores, que não são controláveis independentemente como para a velocidade rotacional dos mesmos.

[012] Em algumas realizações o controle dos motores embutidos pode ser um controle de torque ou um controle de velocidade de rotação. Por exemplo, a unidade de controle pode ser programada para controlar a velocidade dos motores elétricos como uma função de pelo menos um parâmetro relacionado à compressibilidade, por exemplo, com base na compressibilidade do fluido processado pela turbomáquina, uma vez que a compressibilidade muda com base na fração de volume de gás.

[013] Em algumas realizações a turbomáquina pode ser sem eixo, ou incluir um eixo central não rotativo que sustenta de forma rotativa os impulsores e rotores relevantes dos motores embutidos. Mancais magnéticos ativos, rolamentos, mancais radiais ou combinações dos mesmos podem ser usados. Mancais lubrificados por produto podem ser particularmente vantajosos.

[014] O estator de motor de pelo menos alguns dos estágios pode ser disposto em volta do respectivo rotor de motor montado no impulsor, de modo que o estator de motor circunde o rotor de motor. O rotor de motor e o impulsor de cada estágio podem ser sustentados rotativamente pelo estator de motor, em vez de por um eixo central. Em algumas realizações, uma disposição inversa pode ser fornecida, com o estator disposto centralmente, e o rotor e impulsor relevante que circunda o estator.

[015] A turbomáquina pode incluir uma pluralidade de impulsores axiais dispostos sequencialmente. Em algumas realizações, todos os estágios incluem impulsores axiais. Em outras realizações, a turbomáquina pode incluir um ou mais impulsores radiais ou axiais-radiais, por exemplo, dispostos em uma seção de máquina posicionada a jusante de uma primeira seção de máquina que inclui impulsores axiais.

[016] São revelados aqui abaixo e são apresentados adicionalmente nas reivindicações anexas recursos e realizações que formam uma parte integrante da presente descrição. A breve descrição acima apresenta recursos das várias realizações da presente invenção a fim de que a descrição detalhada a seguir possa ser mais bem entendida e a fim de que as presentes contribuições à técnica possam ser mais bem avaliadas. Há, certamente, outros recursos da invenção que serão descritos doravante e que serão apresentados nas reivindicações anexas. Nesse aspecto, antes de explicar diversas realizações da invenção em detalhes, compreende-se que as várias realizações da invenção não se limitam em sua aplicação aos detalhes da construção e às disposições dos componentes apresentadas na descrição a seguir ou ilustradas nos desenhos. A invenção tem a capacidade de outras realizações e de ser praticada e realizada de diversas maneiras. Além disso, deve ser compreendido que a fraseologia e a terminologia empregadas no presente documento são para propósitos de descrição e não devem ser interpretadas como limitadoras.

[017] Dessa forma, aqueles técnicos no assunto observarão que a concepção, mediante a qual a invenção é baseada, pode ser utilizada prontamente como base para projetar outras estruturas, métodos e/ou sistemas para realizar os diversos propósitos da presente invenção. É importante, portanto, que as reivindicações sejam interpretadas, como incluindo tais construções equivalentes à medida que as mesmas não se afastem do escopo da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018] Uma avaliação mais completa das realizações reveladas da invenção e muitas das vantagens respectivas da mesma serão obtidas prontamente, à medida que a mesma se tornar mais bem compreendida por referência à descrição detalhada a seguir quando considerada em conjunto com os desenhos anexos em que: a Figura 1 ilustra uma seção de corte axial de uma turbomáquina de acordo com uma realização da presente invenção; a Figura 2 ilustra uma ampliação da Figura 1; a Figura 3 ilustra uma seção de corte axial de uma turbomáquina de acordo com outra realização da presente invenção; a Figura 4 ilustra uma ampliação da Figura 3; a Figura 5 ilustra uma seção de corte axial de uma turbomáquina de acordo com outra realização da presente invenção; a Figura 6 ilustra um detalhe ampliado da Figura 5; a Figura 7 ilustra uma seção de corte axial de uma turbomáquina de acordo com uma realização adicional da presente invenção; a Figura 8 ilustra uma ampliação de um detalhe da Figura 7; a Figura 9 ilustra uma seção de corte axial de uma turbomáquina de acordo com uma realização adicional da presente invenção; a Figura 10 ilustra um detalhe ampliado da Figura 9; a Figura 11 ilustra uma seção de corte axial de uma realização de uma turbomáquina axial e radial mista de acordo com a presente invenção; a Figura 12 ilustra um diagrama esquemático de uma turbomáquina da presente invenção dotada de um separador líquido/gás, a jusante da mesma; a Figura 13 ilustra um diagrama esquemático da alimentação elétrica de uma turbomáquina, de acordo com realizações da presente invenção; a Figura 14 ilustra uma vista frontal parcial de um estator de motor, de acordo com realizações da presente invenção; a Figura 15 ilustra uma vista frontal esquemática de um motor elétrico de imã permanente embutido, de acordo com algumas realizações da matéria revelada no presente documento; a Figura 16 ilustra uma vista frontal esquemática de um motor embutido elétrico de relutância, de acordo com realizações adicionais da presente invenção; a Figura 17 ilustra uma vista de corte longitudinal de uma turbomáquina, de acordo com uma realização adicional da invenção, em que as disposições de controle eletrônico para os motores elétricos embutidos ficam localizadas em uma extremidade da turbomáquina; a Figura 18 ilustra uma vista de corte longitudinal de uma realização adicional de uma turbomáquina de acordo com a invenção, em que os coletores de entrada e saída são alinhados axialmente; a Figura 19 ilustra um detalhe ampliado de realizações da turbomáquina da presente invenção com uma disposição para refrigerar os estatores de motor dos motores elétricos embutidos; a Figura 20 ilustra um corte transversal frontal que mostra uma realização que compreende mancais magnéticos ativos que sustentam os impulsores; as Figuras 21 e 22 ilustram diagramas das velocidades de rotação de estágios de turbomáquina dispostos sequencialmente para porcentagens de fração de volume de gás, diferentes, do fluido que é processado pela turbomáquina em realizações diferentes.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[019] A descrição detalhada a seguir das realizações se refere às figuras anexas. Os mesmos números de referência em desenhos diferentes identificam os mesmos elementos ou elementos similares. Adicionalmente, os desenhos não são, necessariamente, desenhados em escala. Dessa forma, a descrição detalhada a seguir não limita a invenção. Em vez disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.

[020] A referência por todo o relatório descritivo a "uma (1) realização" ou a "uma realização" ou a “algumas realizações” significa que o recurso, a estrutura ou a característica particular descrita em conjunto com uma realização é incluída em pelo menos uma realização da matéria revelada. Dessa forma, a ocorrência da frase "em uma (1) realização" ou "em uma realização" ou "em algumas realizações" em vários lugares por todo o relatório descritivo não se refere necessariamente à(s) mesma(s) realização(realizações). Ademais, os recursos, as estruturas ou as características particulares podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.

[021] As Figuras 1 e 2 ilustram realizações de uma turbomáquina de acordo com a presente invenção. A turbomáquina é rotulada como 1, como um todo, e compreende um invólucro externo 3, que é dotado de um coletor de entrada 5 e um coletor de saída 7.

[022] A turbomáquina pode ser do tipo dividido verticalmente ou dividido horizontalmente. Na realização mostrada na Figura 1 a turbomáquina é do tipo dividido verticalmente, em que o invólucro 3 é compreendido por um cilindro central 3A e duas porções de extremidade 3B, 3C, conectados de forma impermeável entre si, para formar o invólucro 3.

[023] A turbomáquina 1 pode ser um compressor de gás úmido ou uma bomba de múltiplas fases, e, mais geralmente, uma turbomáquina adequada para reforçar a pressão de um fluido de múltiplas fases, por exemplo, um líquido que contenha uma porcentagem de gás compressível, ou de outro modo um gás que contenha uma porcentagem de líquido. As Figuras 1 e 2 ilustram mais especificamente uma bomba de múltiplas fases, adequada para processar um fluxo de líquido que contém uma porcentagem de mídia gasosa.

[024] Em algumas realizações, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2, a turbomáquina 1 é, de maneira geral, uma máquina axial. A turbomáquina 1 pode ser compreendida de uma câmara de entrada 9 em comunicação fluida com o coletor de entrada 5, e uma câmara de saída 11 em comunicação fluida com o coletor de saída 7. O fluido do processo flui, de maneira geral, em uma direção axial através da turbomáquina a partir da câmara de entrada 9 em direção à câmara de saída 11, através de uma pluralidade de estágios, 13A, 13B.

[025] Em realizações preferenciais, a turbomáquina 1 compreende um número par de estágios, dispostos em pares, em que cada par inclui um primeiro estágio 13A e um segundo estágio 13B dispostos em sequência no sentido do fluxo. Conforme será descrito em mais detalhes no presente documento, abaixo, cada estágio compreende um impulsor rotativo, acionado em rotação por um respectivo motor embutido. Vantajosamente, os impulsores de dois estágios, dispostos sequencialmente, de cada par são contragirantes, isto é, os mesmos são configurados e controlados para girar em dois sentidos opostos, um em sentido horário e o outro em sentido anti-horário. Em cada par de estágios o primeiro, isto é, o impulsor mais a montante gira em um e o mesmo sentido, e o segundo, isto é, o impulsor mais a jusante gira no outro sentido, de modo que cada impulsor que gire em um sentido é sempre seguido por um próximo impulsor que gire no sentido oposto.

[026] Conforme melhor mostrado na Figura 2, continuando com referência à Figura 1, cada estágio 13A, 13B compreende um impulsor 15A, 15B. Os impulsores 15A, 15B são dotados de respectivas pás de impulsor 17A, 17B. Cada pá de impulsor 17A, 17B pode ser dotada de uma porção de raiz, uma porção de aerofólio e uma porção de ponta. As porções de ponta das pás dispostas de maneira anular 17A, 17B de cada impulsor formam um anel ou protetor externo 19A, 19B. Em algumas realizações o anel ou protetor 19A, 19B pode ser formado por um componente monolítico. De maneira similar, as raízes 21A, 21B das pás 17A, 17B de cada impulsor podem formar um anel monolítico.

[027] Em algumas realizações, cada impulsor 15A, 15B é sustentado por meio de respectivas disposições de mancal 23A, 25A e 23B, 25B em um eixo interno 27. O eixo 27 pode ser montado de maneira estacionária no invólucro 3. Conforme mostrado esquematicamente na Figura 2, a disposição de mancal 23A, 25A e 23B, 25B pode ter uma capacidade de carga radial e de carga axial combinadas, isto é, as mesmas podem suportar cargas tanto axiais como radiais. De acordo com algumas realizações, as disposições de mancal 23A, 25A, 23B, 25B podem ser lubrificadas e refrigeradas pela parte líquida do fluido que é processado pela turbomáquina 1.

[028] Cada impulsor 15A, 15B pode girar no eixo 27 independentemente dos outros impulsores, para que impulsores dispostos sequencialmente possam girar em sentidos opostos e em velocidades angulares diferentes.

[029] Cada estágio 13A, 13B é acionado em rotação por um respectivo motor elétrico embutido. De acordo com as realizações da técnica revelada no presente documento, motores elétricos de imãs permanentes (abreviadamente motores elétricos PM) podem ser usados. Motores elétricos de relutância comutados ou síncronos ou motores elétricos de relutância, variáveis, também podem ser usados.

[030] Cada motor elétrico é compreendido por um rotor de motor 31A, 31B, que gira integralmente com o respectivo impulsor 15A, 15B, e de um estator de motor 33A, 33B, que é estacionário em relação ao invólucro 3 da turbomáquina 1. Conforme mostrado nas Figuras 1 e 2 o rotor de motor 31A, 31B e o estator de motor 33A, 33B de cada motor embutido são dispostos radialmente, uma vez que um circunda o outro. Na realização da Figura 1 e 2 o estator de motor é disposto externo ao rotor de motor, isto é, o estator de motor 33A, 33B circunda o respectivo rotor de motor 31A, 31B. Conforme será descrito mais adiante, uma disposição inversa também pode ser considerada, com o rotor de motor circundando o respectivo estator de motor.

[031] Em algumas realizações, o rotor de motor 31A, 31B pode ficar alojado em ou ser formado parcialmente pelo protetor 19A, 19B do respectivo impulsor 15A, 15B e pode ser compreendido por imãs permanentes 32A, 32B. Cada estator de motor 33A, 33B compreende uma pluralidade de eletroímãs formados por respectivos núcleos ferromagnéticos ou culatras 35A, 35B e bobinas elétricas 37A, 37B enroladas em sua volta. De acordo com algumas realizações, conforme melhor mostrado nas Figuras 14 e 15, cada culatra 35A, 35B do estator de motor 33A, 33B pode compreender dois braços que se estendem radialmente 36 em volta dos quais as bobinas elétricas 37A, 37B são enroladas. Na realização das Figuras 1 e 2, os braços 36 são orientados radialmente para dentro e as extremidades dos mesmos, que podem ser dotadas de respectivas expansões 36X (Figuras 14, 15) ficam voltadas para o respectivo rotor de motor 31A, 31B. As culatras podem ser feitas de material ferromagnético, por exemplo, folhas empilhadas de metal ferromagnético. As culatras formam uma estrutura modular para o estator de motor.

[032] Vantajosamente, os estatores de motor 33A, 33B podem ser isolados do volume interno do invólucro em que os impulsores 15A, 15B e os rotores de motor 31A, 31B são dispostos. Por exemplo, um único alojamento anular estanque a líquido 39 pode ser formado entre o invólucro externo 3 e um revestimento interno 41, em que os estatores de motor 33A, 33B são alojados no alojamento 39. Em outras realizações, o estator de motor 33A, 33B de cada estágio 13A, 13B pode ser alojado de forma estanque a líquido em um alojamento separado. Ainda em realizações adicionais, uma pluralidade de alojamentos estanques a líquido pode ser fornecida, em que cada um aloja dois ou mais estatores de motor 33A, 33B de estágios dispostos sequencialmente 13A, 13B.

[033] Além disso, componentes e elementos adicionais da turbomáquina e motores elétricos embutidos relevantes serão descritos em maiores detalhes posteriormente em conexão com algumas realizações.

[034] A Figura 3 ilustra uma seção de corte de acordo com um plano que contém o eixo geométrico de rotação A-A dos impulsores de turbomáquina, de uma turbomáquina 1 de acordo com realizações adicionais da presente invenção. A Figura 4 mostra uma ampliação de um estágio da turbomáquina 1 de acordo com a realização da Figura 3. Os mesmos componentes ou elementos, ou correspondentes, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2 são rotulados com os mesmos numerais de referência.

[035] De acordo com as Figuras 3 e 4, a turbomáquina 1 compreende novamente um invólucro 3, compreendido por três partes 3A, 3B e 3C. O invólucro 3 é dotado de um coletor de entrada 5 e de um coletor de saída 7 e com uma câmara de entrada 9 e uma câmara de saída 11. Uma pluralidade de estágios 13A, 13B é disposta sequencialmente no invólucro 3 a partir da câmara de entrada 9 para a câmara de saída 11. Cada estágio 13A, 13B compreende um respectivo impulsor 15A, 15B com pás 17A, 17B. Um eixo estacionário central 27 pode ficar localizado no invólucro 3 e se estender através dos estágios 13A, 13B. Cada estágio 13A, 13B compreende um motor elétrico embutido compreendido por um estator de motor 33A, 33B, disposto de maneira estacionária no invólucro 3, e um rotor de motor 31A, 31B que gira integralmente com e sustentado pelo respectivo impulsor 15A, 15B.

[036] De acordo com as Figuras 3 e 4 cada impulsor 15A, 15B pode ficar sustentado na periferia externa do mesmo pelo respectivo estator de motor 33A, 33B, através das disposições de mancal 51A, 53A, 51B, 53B. As disposições de mancal 51A, 53A, 51B, 53B podem ser posicionadas entre o protetor externo 19A, 19B de cada impulsor 15A, 15B e o interior do estator de motor 33A, 33B. Para fornecer sedes para os mancais, cada estator de motor 33A, 33B pode ser dotado de seu próprio alojamento 42, que pode ser fechado por um revestimento ou cobertura 44. Os assentos para anéis ou cursos externos das disposições de mancal 51A, 53A; 51B, 53B podem ser formados na superfície voltada para dentro dos revestimentos 44. Em algumas realizações as disposições de mancal 51A, 53A, 51B, 53B podem ser refrigeradas pelo mesmo fluido processado pela turbomáquina 1.

[037] As Figuras 5 e 6 ilustram uma realização adicional de uma turbomáquina de acordo com a presente invenção. Os mesmos numerais de referência designam as mesmas partes ou elementos, ou correspondentes, que nas Figuras 1 e 2. As Figuras 5 e 6 diferem das Figuras 1 e 2 em relação aos mancais usados para sustentar cada impulsor 15A, 15B. Como melhor mostrado na ampliação da Figura 6, cada impulsor 15A, 15B é sustentado pelos rolamentos 55A, 56A, 55B, 56B. Na realização mostrada nas Figuras 5 e 6 dois rolamentos de contato angular, de fileira única, opostos, são usados para fornecer capacidade de carga axial e radial combinadas. Outras disposições de mancal são possíveis, as quais fornecem uma capacidade de carga axial e radial combinadas, por exemplo, com um número diferente de mancais e/ou com um tipo ou número de membros rolantes diferente. Uma disposição de vedação mecânica 57 pode ser fornecida para limitar ou impedir vazamentos de fluido do processo, em direção aos mancais.

[038] As Figuras 7 e 8 ilustram uma realização adicional de uma turbomáquina de acordo com a presente invenção. Os mesmos numerais de referência são usados para designar componentes, partes e elementos que correspondem àqueles mostrados nas Figuras 1 a 6. Na realização das Figuras 7 e 8 a disposição de rotor de motor e estator de motor de cada estágio é inversa, sendo que o estator de motor fica localizado dentro do rotor de motor e o impulsor circunda o estator de motor.

[039] Mais especificamente, a turbomáquina 1 mostrada nas Figuras 7 e 8 compreende um invólucro externo 3 dotado de um coletor de entrada 5 e um coletor de saída 7, que podem ficar em comunicação fluida com uma câmara de entrada 9 e uma câmara de saída 11, respectivamente. Na realização mostrada nas Figuras 7 e 8 a turbomáquina 1 é do tipo dividido verticalmente e é compreendida de um cilindro central 3A e duas porções de extremidade 3B, 3C, que juntas formam o invólucro 3. Em outras realizações, não mostradas, a turbomáquina pode ser do tipo dividido horizontalmente.

[040] Nas Figuras 7 e 8 a turbomáquina é novamente representada como uma turbomáquina axial 1. O fluido do processo flui, de maneira geral, em uma direção axial através da turbomáquina 1 a partir da câmara de entrada 9 em direção à câmara de saída 11, através de uma pluralidade de estágios, 13A, 13B. Em realizações preferenciais, a turbomáquina 1 compreende um número par de estágios, dispostos em pares, sendo que cada par inclui um primeiro estágio 13A e um segundo estágio 13B dispostos em série e configurados e controlados para girar em sentidos opostos.

[041] Em algumas realizações a turbomáquina 1 pode ter um número ímpar de estágios, e, neste caso, o primeiro e último estágios terão impulsores que giram no mesmo sentido. Preferencialmente, no entanto, a turbomáquina 1 compreende um número par de impulsores.

[042] Conforme melhor mostrado na Figura 8, continuando com referência à Figura 7, cada estágio 13A, 13B compreende um impulsor 15A, 15B. Os impulsores 15A, 15B são dotados das respectivas pás de impulsor 17A, 17B. Cada pá de impulsor 17A, 17B pode ser compreendida de uma porção de raiz, uma porção de aerofólio que termina com uma ponta na extremidade radial externa da pá. As porções de raiz das pás 17A, 17B, dispostas de maneira anular, de cada impulsor 15A, 15B formam um anel interno 22A, 22B. Em algumas realizações o anel interno 22A, 22B pode ser formado por um componente monolítico.

[043] Cada estágio 13A, 13B é acionado em rotação por um respectivo motor elétrico embutido. Cada motor elétrico é compreendido por um rotor de motor 31A, 31B e de um estator de motor, estacionário 33A, 33B. O rotor de motor 31A, 31B é formado em e gira integralmente com o respectivo impulsor 15A, 15B. De maneira diferente das realizações descritas previamente, na turbomáquina mostrada nas Figuras 7 e 8 cada motor elétrico embutido fica localizado dentro da disposição de pá, anular 17A, 17B, o estator de motor 33A, 33B fica localizado dentro do rotor de motor.

[044] Em algumas realizações, o rotor de motor 31A, 31B pode ficar alojado em ou parcialmente formado pelo anel interno 22A, 22B do respectivo impulsor 15A, 15B e pode ser compreendido por imãs permanentes 32A, 32B. Em outras realizações, em que um variável motor elétrico de relutância ou um motor elétrico de relutância comutável é usado em vez de um motor elétrico de imã permanente, o anel interno 22A, 22B de cada impulsor pode ser formado por material ferromagnético com barreiras de fluxo magnético.

[045] Cada estator de motor 33A, 33B é disposto de maneira estacionária no invólucro 3 dentro do respectivo rotor de motor. Os estatores de motor 33A, 33B podem ser sustentados de maneira estacionária por um eixo central estacionário 27, isto é, que não gira. Cada estator de motor 33A, 33B compreende uma pluralidade de eletroímãs formados por respectivos núcleos ferromagnéticos ou culatras 35A, 35B e bobinas elétricas 37A, 37B enroladas em volta dos mesmos. Cada culatra pode ser dotada de um ou mais braços que se estendem radialmente para fora, em volta dos quais as bobinas 37A, 37B são enroladas.

[046] Em algumas realizações cada impulsor 15A, 15B é sustentado por respectivas disposições de mancal 24A, 26A e 24B, 26B no estator de motor 33A, 33B do respectivo motor elétrico embutido. Conforme mostrado esquematicamente na Figura 8, as disposições de mancal 24A, 26A e 24B, 26B podem ter uma capacidade de carga radial e de carga axial combinadas, isto é, as mesmas podem suportar cargas tanto axiais como radiais.

[047] Cada impulsor 15A, 15B pode girar em volta do eixo geométrico de rotação A-A com uma velocidade de rotação que é diferente da velocidade do impulsor adjacente, desde que o sentido e/ou módulo da velocidade sejam considerados.

[048] Vantajosamente, os estatores de motor 33A, 33B são isolados do interior do invólucro 3 onde os impulsores 15A, 15B são dispostos. Para melhor montagem das disposições de mancal 24A, 26A, 24B, 26B, cada estator de motor 33A, 33B pode ser fechado em um individual fechamento ou revestimento, na superfície externa do qual os assentos para os mancais são formados. Em A Figura 8 os revestimentos são rotulados como 44A, 44B e o assento interno formado desse modo e que aloja o respectivo estator de motor 33A, 33B é rotulado como 42A, 42B. Cada assento é, preferencialmente, estanque a líquido para impedir o vazamento do fluido do processo para dentro dos assentos 42A, 42B dos estatores de motor 33A, 33B.

[049] As Figuras 9 e 10 ilustram uma realização adicional de uma turbomáquina de acordo com a técnica revelada no presente documento. As partes e componentes similar ou equivalentes são rotulados com os mesmos numerais de referência que nas Figuras descritas aqui acima. A turbomáquina 1 das Figuras 9 e 10 é, de maneira geral, uma máquina axial que tem um invólucro 3 com um coletor de entrada 5 e um coletor de saída 7. A turbomáquina 1 pode ser compreendida, adicionalmente, de uma câmara de entrada 9 em comunicação fluida com o coletor de entrada 5 de e uma câmara de saída 11 em comunicação fluida com o coletor de saída 7. O fluido do processo flui, de maneira geral, em uma direção axial através da turbomáquina a partir da câmara de entrada 9 em direção à câmara de saída 11, através de uma pluralidade de estágios, 13A, 13B dispostos em sequência.

[050] Cada estágio 13A, 13B compreende um impulsor rotativo 15A, 15B, acionado em rotação por um respectivo motor embutido compreendido por um rotor de motor 31A, 31B que gira integralmente com um respectivo impulsor 15A, 15B, e um estator de motor 33A, 33B, disposto de maneira estacionária no invólucro 3. Na realização das Figuras 9 e 10 o estator de motor 33A, 33B de cada estágio 13A, 13B fica localizado radialmente para fora em relação ao impulsor 15A, 15B e circunda o respectivo rotor de motor 31A, 31B.

[051] Preferencialmente um número par de estágios 13A, 13B é fornecido e os estágios são pareados, sendo que os impulsores de dois estágios, dispostos sequencialmente, de cada par são contragirantes, isto é, os mesmos são configurados e controlados para girar em dois sentidos opostos, horário e anti-horário respectivamente. Como nas realizações descritas previamente, as velocidades dos motores embutidos e, por conseguinte, dos estágios, podem ser controladas independentemente entre si, de modo que a velocidade de rotação de cada estágio possa ser aperfeiçoada, de acordo com métodos de controle que serão descritos, em maiores detalhes, mais adiante.

[052] Cada impulsor 15A, 15B é dotado de respectivas pás de impulsor 17A, 17B dispostas em um círculo ou disposição anular. Cada pá de impulsor 17A, 17B pode ser dotada de uma porção de raiz, uma porção de aerofólio e uma porção de ponta. As porções de ponta das pás dispostas de maneira anular 17A, 17B de cada impulsor 15A, 15B formam um anel ou protetor externo 19A, 19B. Em algumas realizações o anel ou protetor 19A, 19B pode ser formado por um componente monolítico. O rotor de motor de cada estágio é, vantajosamente, formado em ou sustentado pelo protetor externo do respectivo impulsor 15A, 15B. O rotor de motor 31A, 31B pode compreender imãs permanentes 32A, 32B, que atuam em conjunto com os eletroímãs que formam o estator de motor 33A, 33B. Por exemplo, os imãs permanentes 32A, 32B podem ser embutidos na porção anular externa do protetor 19A, 19B do respectivo impulsor 15A, 15B.

[053] As porções de raiz de cada conjunto de pás de cada impulsor 15A, 15B podem formar um núcleo central monolítico 28A, 28B.

[054] De maneira similar à realização representada nas Figuras 3 e 4, cada impulsor 15A, 15B pode ser sustentado na periferia externa do mesmo pelo respectivo estator de motor 33A, 33B, através de uma disposição de mancal 51A, 53A, 51B, 53B. A disposição de mancal pode ter uma capacidade de carga axial e de carga radial.

[055] As disposições de mancal 51A, 53A, 51B, 53B podem ser posicionadas entre o protetor externo 19A, 19B de cada impulsor 15A, 15B e o interior do estator de motor 33A, 33B. Cada estator de motor 33A, 33B pode ser alojado em um respectivo alojamento 42 limitado, por exemplo, por um revestimento 44, que separa o estator de motor 33A, 33B a partir do ambiente circundante. Os assentos para os anéis ou cursos externos das disposições de mancal 51A, 53A; 51B, 53B podem ser formados na superfície voltada para dentro dos revestimentos 44. Em algumas realizações as disposições de mancal 51A, 53A, 51B, 53B podem ser lubrificadas e refrigeradas pelo mesmo fluido processado pela turbomáquina 1.

[056] As realizações descritas previamente se referem a turbomáquinas axiais. Outras realizações da técnica revelada no presente documento podem compreender disposições de turbomáquina radial ou de turbomáquina axial e radial mista.

[057] A Figura 11 ilustra uma realização de uma turbomáquina axial e radial mista de acordo com a presente invenção. Conforme mostrado na Figura 11 uma turbomáquina axial e radial mista, rotulada globalmente como 1, pode ser compreendida de uma primeira seção de máquina 1A e uma segunda seção de máquina 1B disposta em sequência entre um coletor de entrada e um coletor de saída, não mostrados.

[058] Na realização mostrada na Figura 11 a primeira seção de máquina 1A tem uma pluralidade de estágios axiais. Cada estágio pode ser projetado conforme descrito acima, em conexão com qualquer uma das Figuras 1 a 10. Na realização da Figura 11 os estágios axiais são projetados da mesma maneira que os estágios da turbomáquina 1 das Figuras 1 e 2. Os mesmos numerais de referência são usados para designar as mesmas partes e elementos ou correspondentes, os quais não serão descritos novamente. Em outras realizações, a primeira seção de turbomáquina 1A pode compreender estágios projetados de acordo com as realizações ilustradas nas Figuras 3 a 10.

[059] A segunda seção de máquina 1B pode ser compreendida de uma pluralidade de estágios radiais ou mistos. Deve ser entendido que no contexto da presente descrição e reivindicações anexas, quando se referem à turbomáquina os termos axial e radial se referem ao sentido de fluxo através da máquina. Conforme observado acima, em conexão com as Figuras 1 a 10, a disposição do rotor de motor e do estator de motor do motor embutido, de um estágio, em uma máquina axial, são dispostos radialmente, isto é, posicionados um radialmente dentro do outro. Isso ocorre, também, na seção 1A da turbomáquina mista da Figura 11. Por outro lado, na seção 1B da turbomáquina mista da Figura 11, em que o fluxo é radial, por exemplo, centrífugo, o motor elétrico embutido de cada estágio centrífugo é disposto axialmente, no sentido que o(s) estator(es) de motor e o rotor de motor são alinhados ao longo do eixo geométrico de rotação da turbomáquina.

[060] Na vista parcial da Figura 11 apenas três estágios axiais na seção de máquina 1A e dois estágios radiais na seção de máquina 1B são mostrados, mas os técnicos no assunto compreenderão que um número diferente de estágios pode ser fornecido em cada duas seções de máquina 1A e 1B. Entre as duas seções uma realização possível compreende uma seção estacionária para condicionar o sentido do fluxo antes de entrar no estágio seguinte. Os membros de redirecionamento de fluxo da seção de condicionamento de fluxo, estacionária, podem incluir pás estacionárias, conforme mostrado, por exemplo, em 66 na Figura 11.

[061] Os dois estágios radiais mostrados na Figura 11 são rotulados como 61A e 61B. Um eixo estacionário 63 pode se estender através da turbomáquina e sustentar os estágios rotativos de ambas as seções de máquina 1A e 1B. Em algumas realizações os estágios 61A, 61B da seção de máquina 1B podem ser idênticos ou similares. Cada estágio inclui um respectivo impulsor 65A, 65B. De acordo com realizações preferenciais, os impulsores de estágio 65A, 65B giram no mesmo sentido. Disposições com contraimpulsores rotativos também podem ser previstas. De acordo com algumas realizações, a velocidade de rotação de cada estágio 61A, 61B pode ser controlada independentemente de o(s) outro(s) estágio(s), para que cada estágio possa girar em sua própria velocidade.

[062] O eixo 63 pode ser monolítico. Em outras realizações o eixo 63 pode ser formado por duas ou mais porções de eixo dispostas em sequência e substancialmente coaxiais entre si. Cada impulsor 65A, 65B é montado de maneira giratória no eixo 63.

[063] Cada impulsor 65A, 65B compreende um conjunto de pás 67A, 67B que define canais de fluxo que se estende a partir de uma entrada de impulsor para uma saída de impulsor. Cada estágio 61A, 61B pode, adicionalmente, compreender um respectivo canal de retorno 69A, 69B, que se estende a partir da saída do respectivo impulsor em direção à entrada do impulsor subsequente. Os canais de retorno 69A, 69B podem ser formados em um diafragma estacionário 71 disposto no invólucro 3 da turbomáquina 1.

[064] Cada impulsor 65A, 65B pode ser sustentado rotativamente no eixo estacionário 63 por meio de respectivas disposições de mancal 68A, 70A e 68B, 70B, que têm uma capacidade de carga axial e de carga radial. Os mancais podem ser lubrificados e refrigerados com a parte líquida do fluido do processo que flui através da turbomáquina. Em outras realizações os mancais podem ser rolamentos dotados de disposições de vedação, que impedem vazamentos de líquido do processo para dentro dos mancais, conforme descrito, por exemplo, em conexão com a Figura 5 e 6.

[065] Em algumas realizações, cada estágio 61A, 61B da seção de máquina 1B pode ser dotado de um respectivo motor elétrico embutido, alojado no invólucro 3. Cada motor elétrico embutido pode ser um motor elétrico PM ou um motor de relutância, variável. Na realização ilustrada na Figura 11 o motor elétrico embutido é um motor PM.

[066] Em algumas realizações cada motor elétrico pode compreender um rotor de motor sustentado por ou formado no respectivo impulsor 65A, 65B, que atua em conjunto com um estator de motor. Na realização ilustrada na Figura 11, cada motor elétrico compreende um rotor de motor compreendido por imãs permanentes 71A, 73A e 71B, 73B dispostos ao longo de duas regiões anulares do impulsor relevante 61A, 61B. Em outras realizações, um único conjunto de imãs permanentes, dispostos de maneira anular, pode ser fornecido. Preferencialmente os imãs permanentes são dispostos próximos à saída do impulsor relevante, isto é, nos bordos de fuga das pás de impulsor 67A, 67B.

[067] Cada estator de motor pode compreender uma pluralidade de eletroímãs montados, de maneira estacionária, no invólucro da máquina, por exemplo, sustentados por ou integrados ao diafragma 71 e que atuam em conjunto com os imãs permanentes 71A, 73A, 71B, 73B. Os eletroímãs são dispostos de modo a ficarem voltados para o respectivo conjunto de imãs permanentes dispostos de maneira anular 71A, 73A, 71B, 73B. Na realização ilustrada na Figura 11, cada estator de motor compreende dois conjuntos de eletroímãs dispostos de maneira anular, rotulados como 75A, 77A e 75B, 77B para os dois estágios 61A, 61B, respectivamente. Cada conjunto de eletroímãs atua em conjunto com um conjunto dos respectivos imãs permanentes 71A, 73A e 71B, 73B.

[068] De maneira similar aos estatores de motor dos estágios axiais descritos acima, os eletroímãs dos estatores de motor 75A, 77A, 75B, 77B podem compreender um conjunto de culatras ferromagnéticas e bobinas do condutor relevante formadas em volta das mesmas.

[069] Como mencionado previamente, os mancais da turbomáquina podem ser lubrificados e refrigerados por meio da parte líquida do mesmo fluido que é processado pela turbomáquina 1. Em geral, o fluido é um fluido de múltiplas fases, por exemplo, uma mistura de hidrocarbonetos gasosos e líquidos. A fração gasosa do fluido pode ser usada para reduzir o atrito no espaço entre o estator de motor e o rotor de motor dos motores elétricos embutidos dos estágios da máquina.

[070] Como a porcentagem de fração de volume de gás (no presente documento também indicado de forma abreviada como % de GVF) pode variar durante a operação da máquina, podem surgir situações em que a porcentagem de líquido seja insuficiente para assegurar lubrificação e/ou refrigeração apropriadas das disposições de mancal que sustentam os rotores dos motores elétricos embutidos. No lado oposto há condições de operação que podem trazer líquido com viscosidade muito alta no espaço entre o estator e o rotor do motor elétrico que, desse modo, aumentam as perdas de atrito.

[071] De acordo com algumas realizações, a fim de aperfeiçoar a quantidade de gás e/ou líquido para redução de atrito ideal no espaço do motor ou lubrificação e refrigeração do mancal, um separador de gás/líquido pode ser disposto na saída da turbomáquina 1, com o propósito de recircular uma porção da fração gasosa do fluido de múltiplas fases, por exemplo, quando o % de LVF do fluido que é processado é particularmente baixa, e/ou para recircular uma porção da fração líquida quando o % de LVF é particularmente alta.

[072] Em algumas realizações , conforme ilustrado na Figura 12 continuando com referência às Figuras 1 a 11, a turbomáquina 1 é dotada de um separador de líquido/gás 81 disposto a jusante do coletor de saída 7 da turbomáquina 1. O separador de líquido/gás 81 é configurado para separar pelo menos parte da fração gasosa e/ou parte da fração líquida a partir do fluxo principal entregue através de um duto de entrega 80 pela turbomáquina 1. O fluxo principal sai do separador 81 através de um duto principal 83. Um primeiro duto de recirculação de fluxo de gás 85 pode ser fornecido entre o separador de líquido/gás 81 e a turbomáquina 1, em comunicação fluida com os motores elétricos embutidos da turbomáquina. Passagens de distribuição de gás 87 podem ser dispostas e configuradas para distribuir o gás recirculado a partir do duto de recirculação de fluxo de gás 85 em direção aos espaços entre o estator de motor 33A, 33B e o rotor de motor 31A, 31B dos vários estágios 13A, 13B da turbomáquina 1.

[073] Uma válvula de recirculação de gás 89 pode ser disposta ao longo do duto de recirculação de gás 85, para controlar a recirculação de gás a partir do separador de gás/líquido 81 em direção à turbomáquina 1. Uma pluralidade de válvulas em série (não mostrada) pode distribuir o fluxo em níveis de pressão diferentes, ao longo da máquina.

[074] Um trocador de calor 91 pode, adicionalmente, ser fornecido ao longo do duto de recirculação de gás 85, para refrigerar o fluxo de gás de recirculação. A válvula de recirculação de gás 89, ou qualquer outra disposição de controle, pode ser usada para controlar a recirculação de gás para que, se a fração de volume de gás no fluxo de fluido processado pela turbomáquina 1 for insuficiente para controlar o atrito adequado no espaço dos motores elétricos, a quantidade de gás nos espaços possa ser aumentada através de recirculação de gás.

[075] Alternativamente ou em combinação, um duto de recirculação de líquido 93 pode ser fornecido entre o separador de gás/líquido 81 e uma disposição de distribuição de líquido 95, para recircular pelo menos uma porção do líquido a partir do separador de gás/líquido 81 em direção aos mancais dos estágios da máquina 13A, 13B, quando o fluido processado tiver uma fração de volume de líquido (isto é, conteúdo de líquido), que seja insuficiente para alcançar lubrificação e refrigeração apropriadas do mancal. Uma válvula de controle 97 pode ser fornecida para controlar o fluxo de líquido de recirculação. Uma pluralidade de válvulas dispostas em série pode distribuir o fluxo em níveis de pressão diferentes, ao longo da máquina. Em algumas realizações, um trocador de calor 99 também pode ser fornecido ao longo do duto de recirculação de líquido 93, para refrigerar o líquido antes do último é alimentado para os mancais.

[076] Em algumas realizações, conforme ilustrado na Figura 13 continuando com referência às Figuras 1 a 12, a turbomáquina 1 pode ser alimentada através de uma disposição de fornecimento de energia elétrica 101, que pode ser externa ao invólucro 3 e em comunicação elétrica com os motores elétricos embutidos dos estágios 13A, 13B da turbomáquina 1.

[077] Na representação esquemática da Figura 13, a disposição de fornecimento de energia elétrica 101 pode ser conectada a uma rede de distribuição de energia elétrica G, por exemplo, uma rede de distribuição de energia elétrica trifásica. A disposição de fornecimento de energia elétrica 101 pode ser compreendida de um transformador mostrado esquematicamente em 103 e um retificador mostrado esquematicamente em 105. Fios elétricos 107 podem entrar no invólucro 3 da turbomáquina 1 e ser conectados a cada motor embutido dos vários estágios 13A, 13B. Na representação esquemática da Figura 13 os motores embutidos são representados apenas esquematicamente e rotulados como M1 a Mn para uma turbomáquina de n-estágios 1. Preferencialmente, cada motor embutido M1 a Mn, que, por sua vez, inclui um rotor de motor 31A, 31B e um estator de motor 33A, 33B conforme descrito aqui acima em conexão com as Figuras 1 a 11, pode incluir um circuito de controle de potência mostrado esquematicamente em 111.1 a 111.n no esquema da Figura 13. Cada circuito de controle de potência 111.1 a 111.n pode ser um controle de potência de alta frequência, capaz de controlar a velocidade de rotação de cada motor embutido M1 a Mn separadamente, de acordo com um algoritmo de controle adequado.

[078] A Figura 14 ilustra uma vista de corte esquemática de um motor elétrico de um dos estágios de turbomáquina 13A ou 13B. Como mostrado na Figura 14, continuando com referência às Figuras 1 a 13, o motor elétrico compreende um estator de motor 33, que pode representar qualquer um dos estatores 33A, 33B, e um rotor de motor 31, que pode ser qualquer um dos rotores de motor 31A, 31B. O rotor de motor compreende uma pluralidade de imãs permanentes 32, que podem ser qualquer um dos imãs permanentes 32A, 32B conforme descrito acima. O estator de motor 33 pode ser compreendido por uma pluralidade de culatras modulares 35, cada uma das quais pode ser qualquer uma das culatras 35A, 35B e compreendida de braços ou expansões ferromagnéticos 36, voltados para o rotor de motor 31. Cada braço 36 é circundado por uma bobina elétrica 37, que corresponde a qualquer uma das bobinas 37A, 37B. Uma fiação 40 é disposta em volta do estator para alimentar as bobinas 37. A fiação 40 do iésimo motor elétrico genérico pode ser conectada ao respectivo circuito de controle de potência 111.i conforme mostrado na Figura 13. No exemplo, conforme mostrado na Figura 14, a fiação 40 tem uma pluralidade de fios, em que cada um representa uma fase do sistema de alimentação. As bobinas 37 são conectadas eletricamente às fases da fiação 40 para que bobinas dispostas subsequentemente sejam conectadas a fases diferentes, conforme conhecido pelos técnicos no assunto, para, desse modo, alimentar as bobinas em sequência e fazer com que o rotor de motor 31 gire, seguindo a rotação do campo magnético gerado pelas bobinas.

[079] De acordo com outras realizações, circuitos de controle separados podem ser fornecidos para cada culatra do estator, em vez de uma única unidade de controle de potência e uma fiação de múltiplas fases 40. A Figura 15 ilustra uma realização em que cada culatra é dotada de seu próprio circuito de controle de potência. Em A Figura 15 uma porção de um dos motores elétricos dos estágios 13A, 13B é mostrada em uma vista de corte. Os mesmos numerais de referência que os usados nas Figuras 13 e 14 são usados para designar as mesmas partes ou componentes ou correspondentes. Em A Figura 15 a energia elétrica a partir do retificador 105 é entregue através de fios elétricos 107 para o interior do estator de motor 33. O rotor de motor foi omitido na Figura 15 por uma questão de simplicidade. O estator de motor 33 pode ser compreendido por uma pluralidade de componentes modulares, cada um compreendido por uma culatra 35 que tem braços eletromagnéticos 36 que se estendem radialmente em direção ao rotor de motor e dotados de expansões 36X. Uma bobina 37 é enrolada em volta de cada braço 36. Cada bobina 37, que pode ser qualquer uma das bobinas 37A, 37B, é alimentada eletricamente por um circuito de controle de potência embutido 111. Cada circuito de controle de potência embutido 111 é conectado aos fios 107 e é controlado para que as bobinas sejam alimentadas em sequência, para gerar um torque no rotor de motor 31.

[080] Em ambas as realizações das Figuras 14 e 15 uma canalização de refrigeração 38 é mostrada, em que através de uma mídia de refrigeração, preferencialmente um líquido de refrigeração, pode ser circulada para remover calor do estator de motor de cada motor elétrico embutido.

[081] A fim de sincronizar corretamente bobinas dispostas circunferencialmente 37 de cada estator de motor para que o torque seja gerado no rotor de motor correspondente, a posição angular do respectivo rotor de motor tem que ser conhecida. Isso pode ser detectado por um sensor, tal como um sensor Hall. Alternativamente, uma ou mais bobinas 37 podem ser usadas para detectar a posição angular do rotor. Nesse caso, um sensor separado pode ser suprimido. Detalhes adicionais sobre como as bobinas de um estator de motor em um motor elétrico PM podem ser usadas para fornecer informações sobre a posição angular do rotor de motor, para controlar a alimentação das bobinas de estator, são revelados, por exemplo, no documento EP 2369721 e outras publicações da mesma família de patentes, cujo conteúdo é incorporado ao presente documento a título de referência. As publicações mencionadas acima também revelam uma estrutura modular do estator de motor e do rotor de motor, que pode ser usada vantajosamente no projeto dos motores embutidos da presente invenção.

[082] Como mencionado acima, os motores embutidos podem ser motores elétricos de relutância, variáveis ou motores elétricos de relutância, comutados ou síncronos, em vez de motores elétricos PM. Uma representação esquemática de um estágio de turbomáquina com um motor elétrico de relutância, variável, desse tipo é mostrada na Figura 16 em uma vista frontal. Um motor elétrico de relutância, variável, é revelado, por exemplo, no Pedido de Patente IT TO2013A000952, depositado em 22 de novembro de 2013 em nome de GE Avio s.r.l.. Na realização da Figura 16 o motor elétrico tem um estator de motor externo e um rotor de motor interno. Em outras realizações, uma disposição inversa pode ser usada, com o rotor de motor e as pás que circundam o estator de motor, muito embora essa disposição possa ser menos eficiente e, de alguma forma, mais complexa.

[083] Em A Figura 16 o estágio de turbomáquina é rotulado 13 como um todo e pode ser qualquer um dos estágios 13A ou 13B da turbomáquina 1. O rotor do motor elétrico é rotulado como 31. O estator do motor elétrico é rotulado como 33 e pode ser substancialmente o mesmo que os estatores de motor 33A, 33B descritos acima em conexão com as Figuras 1 a 15.

[084] O estator de motor pode ser compreendido por uma pluralidade de culatras ou núcleos ferromagnéticos dispostos de maneira anular 35. Cada culatra pode ser compreendida de duas expansões ou braços ferromagnéticos 36 orientados radialmente em direção ao eixo geométrico A-A do motor elétrico e voltados para o rotor de motor 31. De maneira similar aos exemplos descritos previamente, as culatras podem ter uma estrutura laminar, isto é, as mesmas podem ser formadas por uma pluralidade de folhas empilhadas de material ferromagnético, isoladas eletricamente entre si, para limitar correntes parasitas nos núcleos ferromagnéticos, como bem conhecido a partir do estado da técnica. Uma bobina elétrica 37 é enrolada em cada expansão ou braço orientado radialmente 36 das culatras.

[085] De acordo com algumas realizações, o rotor de motor 31 é formado por uma pluralidade de componentes modulares dispostos de maneira anular 30, cada um dos quais pode ser compreendido por porções ferromagnéticas, que atuam em conjunto com os eletroímãs formados pelas bobinas e culatras do estator de motor 33, e barreiras de fluxo magnético que separam as porções ferromagnéticas entre si. As disposições de porções ferromagnéticas e barreiras de fluxo magnético dispostas entre as mesmas em motores elétricos de relutância variável ou de relutância de comutação são conhecidas no estado da técnica. Exemplos de tais disposições são revelados, por exemplo, nos documentos US7489062 e WO2011/154045, cujo conteúdo é incorporado ao presente documento a título de referência.

[086] Os meios de vedação 34 podem ser fornecidos para isolar os componentes modulares do rotor de motor 31 a partir do impulsor, que é mostrado esquematicamente em 15. A canalização de refrigeração 38 pode ser fornecida nas culatras do estator de motor 33.

[087] Uma realização adicional de uma turbomáquina de acordo com a presente invenção é mostrada em uma vista de corte axial na Figura 17. Os mesmos numerais de referência designam partes ou elementos correspondentes conforme mostrado nas realizações descritas aqui acima. Essas partes ou elementos não serão descritos novamente. A turbomáquina 1 mostrada na Figura 17 compreende um invólucro 3 com um compartimento auxiliar 3D, que pode ser formado, por exemplo, na parte 3C do invólucro 3. O compartimento 3D pode alojar o sistema de controle eletrônico, designado como 114 como um todo, para controlar e alimentar os motores elétricos embutidos dos estágios 13A, 13B da turbomáquina 1. Uma ou mais passagens de cabo 116 podem ser fornecidas para a fiação que conecta os motores embutidos e o sistema de controle 114. A estrutura restante da turbomáquina 1, e especificamente à disposição dos estatores de motor, dos rotores de motor e das pás de impulsor, bem como a disposição do eixo estacionário interno e dos mancais pode ser conforme descrita acima em conexão com as outras realizações mostradas nas Figuras 1 a 16.

[088] A Figura 18 ilustra mais uma realização adicional de uma turbomáquina de acordo com a presente invenção, em uma vista de corte axial. Os mesmos componentes, partes ou elementos, ou correspondentes, já descritos em conexão com os exemplos prévios são designados com os mesmos numerais de referência e não serão descritos novamente. Na realização da Figura 18 o coletor de entrada 5 e o coletor de saída 7 do invólucro 3 são coaxiais, isto é, os mesmos são alinhados ao longo do eixo geométrico de rotação A-A dos impulsores de turbomáquina 15A, 15B. As extremidades do eixo estacionário central 27 podem ser montadas em duas sustentações de extremidade dispostos axialmente 62, que podem ser conectados às partes de invólucro 3B, 3C, por exemplo, por meio de defletores radiais 64, que definem as passagens de entrada e saída para o fluido processado pela turbomáquina.

[089] Em algumas realizações os motores elétricos embutidos, e, em particular, os estatores de motor, têm que ser refrigerados, por exemplo, circulando-se uma mídia de refrigeração tal como um líquido ou gás, através de uma canalização de refrigeração disposta adequadamente, tal como a canalização 38 mostrada em seção de corte nas Figuras 14, 15 e 16. Continuando com referência às Figuras 2 a 18, a Figura 19 ilustra uma porção de uma turbomáquina de acordo com a presente invenção em um corte de acordo com um eixo geométrico longitudinal, isto é, um plano que contém o eixo geométrico de rotação A-A da turbomáquina, que ilustra o desenvolvimento longitudinal da canalização de refrigeração 38 de acordo com uma realização. A canalização 38 pode ser formada por tubos que se estendem longitudinalmente 38A. Em algumas realizações cada tubo pode ser formado por uma pluralidade de seções de tubo individuais, cada seção de tubo que se estende longitudinalmente através de um respectivo estator de motor 33A, 33B de um dos estágios de turbomáquina 13A, 13B. Os tubos 38A podem se estender através das culatras 35A, 35B dos estatores de motor 33A, 33B. Em algumas realizações, conforme mostrado na Figura 19, cada estator de motor 33A, 33B pode ser contido em um alojamento 42 circundado por um revestimento ou cobertura 44. As seções de tubo de cada estator de motor se estendem através do alojamento relevante 42 e terminam na superfície externa do revestimento ou cobertura 44, de modo que um sistema de refrigeração contínuo que se estende longitudinalmente é obtido por revestimentos ou coberturas contíguas 44, conforme mostrado na Figura 19.

[090] Em algumas realizações, conforme ilustrado na Figura 20, continuando com referência às Figuras 1 a 19, os impulsores da turbomáquina podem ser sustentados por mancais magnéticos ativos, em vez de ou em combinação com rolamentos ou mancais radiais. Em A Figura 20, que ilustra uma vista de corte de uma realização com o uso de mancais magnéticos, os mesmos numerais de referência usados nas Figuras prévias são usados para os mesmos componentes ou equivalentes, os quais não são descritos novamente. Na Figura um impulsor genérico 15, que pode ser qualquer um dos impulsores 15A, 15B, com as pás 17 é mostrado. O impulsor 15 é integral com o respectivo rotor de motor 31 e é sustentado por um mancal magnético ativo 55M. O mancal magnético ativo 55M pode ser compreendido por eletroímãs internos 55E sustentado de maneira estacionária pelo eixo 27, e de imãs permanentes externos 58M que giram integralmente com o impulsor 15.

[091] Nas realizações descritas acima, as velocidades rotacionais dos impulsores axiais são controladas de modo que dois impulsores dispostos sequencialmente girem em sentidos opostos e nenhuma pá ou palheta estacionária sejam dispostas entre os impulsores. Isso reduz a dimensão axial total da turbomáquina. Um grande número de impulsores pode, desse modo, ser disposto em um invólucro relativamente pequeno, reduzindo a área ocupada pela máquina. Em algumas realizações, no entanto, uma ou mais disposições anulares de pás estacionárias podem ser fornecidas entre dois impulsores dispostos de modo em série. Nesse caso, os dois impulsores dispostos imediatamente adjacentes às pás estacionárias, isto é, os impulsores a montante e a jusante das pás estacionárias, giram no mesmo sentido. Uma ou mais disposições anulares de pás estacionárias podem ser previstas, por exemplo, se sustentação radial do eixo 27 for exigida. Uma sustentação radial intermediária para o eixo é conectada ao invólucro da máquina através das pás estacionárias, que formam palhetas estacionárias para a passagem do fluido. A sustentação radial intermediário pode ser útil, por exemplo, no caso de eixos relativamente longos e/ou relativamente finos.

[092] As realizações descritas acima de uma turbomáquina de múltiplos estágios com motores elétricos embutidos permite controle independente da velocidade de rotação de cada impulsor de estágio para operação ideal da turbomáquina durante o processamento de um fluxo de fluido de múltiplas fases, especialmente quando a turbomáquina opera em porcentagens de fração de volume de gás (% de GVF) ou porcentagens de fração de volume de líquido (% de LVF) variáveis, isto é, distantes de um valor de % de GVF ou de um valor % de LVF de projeto.

[093] De acordo com algumas realizações, em termos gerais, as velocidades de rotação dos estágios de turbomáquina dispostos sequencialmente podem ser controladas para que a velocidade de rotação dos estágios seja reduzida a partir do estágio da turbomáquina mais a montante para o mais a jusante quando % de GVF é maior do que zero. Isso leva em conta que a taxa de fluxo volumétrico diminui conforme a pressão de fluido aumenta, devido à compressão da fração gasosa contida no fluido processado. A redução da velocidade de rotação dos estágios dispostos sequencialmente mantém os ângulos de velocidade substancialmente constantes, para, desse modo, maximizar a eficiência de cada estágio e, por conseguinte, da turbomáquina em sua totalidade.

[094] No caso de variação de % de GVF durante a operação da turbomáquina, devido à mudança no conteúdo de gás no fluxo de fluido recebido, a compressibilidade total do fluido muda. Mais especificamente, a compressibilidade total do fluxo recebido aumenta com o aumento de % de GVF. Portanto, a diferença de velocidade entre estágios dispostos subsequentemente tem que ser adaptada para a compressibilidade variada do fluxo de fluido recebido.

[095] Como uma regra geral, quanto mais alto o % de LVF do fluxo de fluido recebido, maior a diferença de velocidade entre primeiro e último estágios de turbomáquina, uma vez que uma quantidade maior de gás no fluido recebido aumenta a compressibilidade do fluido e, por conseguinte, a variação da taxa de fluxo volumétrico através dos estágios. O uso de motores elétricos embutidos independentes permite adaptar a operação da máquina para % de GVF variável e, desse modo, maximizar a eficiência da turbomáquina mesmo quando a turbomáquina opera distante dos valores de % de GVF de projeto.

[096] A Figura 21 mostra um diagrama esquemático que ilustra como a velocidade de rotação dos estágios dispostos sequencialmente pode, teoricamente, ser controlada seguindo as variações da porcentagem de fração de volume de gás % de GVF na entrada da turbomáquina. O número de estágio é apresentado no eixo geométrico horizontal, sendo que 1 é o estágio mais a montante e N é o estágio mais a jusante em relação ao sentido do fluxo através da turbomáquina. A velocidade de rotação (expressa em rpm) é apresentada em o eixo geométrico vertical. Cada curva Ci (i=0....n) plotada na Figura 21 representa a variação de velocidade através dos estágios de turbomáquina dispostos sequencialmente. As curvas diferentes correspondem a % de GVF diferente na entrada da turbomáquina. O % de LVF aumenta a partir de uma curva Ci para a próxima de acordo com a seta fGVF na Figura 21.

[097] O diagrama da Figura 21 se refere especificamente a uma turbomáquina que foi projetada para processar um fluxo de líquido, isto é, com um % de GVF=0 na entrada. Uma vez que um líquido é substancialmente incompressível, a taxa de fluxo de volume permanece constante através da turbomáquina inteira e, portanto, os estágios dispostos sequencialmente são similares ou idênticos entre si desde que a área de seção transversal de fluxo seja considerada. Esse é o caso, por exemplo, das turbomáquinas mostradas nas Figuras 1 a 19. Sob condições de projeto os vários estágios giram na mesma velocidade de rotação. Portanto, na Figura 21, a operação em condição de projeto é representada pela curva C0, que é paralela ao eixo geométrico horizontal (mesma rpm para todos os estágios).

[098] Se gás for contido no fluxo de entrada, isto é, se o % de LVF na entrada da máquina aumenta a partir de zero para um valor positivo, a turbomáquina não operará mais em condições de projeto. Uma vez que o fluido agora se torna compressível, e sua compressibilidade aumenta com o % de LVF crescente, a operação da turbomáquina é modificada mudando-se a velocidade de rotação dos vários estágios. Em termos gerais, as condições de operação da turbomáquina se movem a partir da curva C0 em direção a curva Cn com o % de LVF crescente. A velocidade de rotação do primeiro estágio da turbomáquina aumenta, para levar em consideração que, se gás estiver presente no fluxo de entrada, a densidade média do fluido não permanece constante, mas, em vez disso, aumenta quando se move a partir do primeiro em direção ao último estágio da máquina, com pressão crescente. Conforme a taxa de volume reduz se movendo a partir de um estágio para o próximo como uma consequência de densidade crescente, a velocidade dos estágios seguintes, de modo em série, ao longo da máquina, reduz gradualmente conforme mostrado na Figura 21.

[099] Quanto maior a porcentagem de volume de fração gasosa no fluxo de entrada, maior a velocidade de rotação do primeiro estágio na turbomáquina, conforme pode ser avaliado comparando-se as curvas C1 a Cn na Figura 21. Além disso, quantidade maior de gás no fluxo exige uma variação maior da velocidade de rotação a partir de um estágio para o próximo, isto é, uma curva de velocidade versus número do estágio mais acentuada.

[0100] Em termos mais gerais, a turbomáquina pode ser projetada para processar um fluxo misto, isto é, um fluxo de fluido que contém um % de GVF diferente de zero. Nesse caso, quando a máquina opera em condições de projeto com um % de GVF definido, a velocidade de rotação dos vários estágios será idêntica. Se a quantidade do volume de gás no fluxo de entrada diminui (isto é, se o % de LVF se tornar menor do que o valor de projeto), o primeiro estágio será desacelerado e a velocidade dos estágios intermediários será controlada para aumentar gradualmente a partir da velocidade de rotação mínima do primeiro estágio para a velocidade do último estágio. Se a quantidade de gás aumenta em relação ao valor de projeto, isto é, se o % de LVF do fluxo de entrada aumenta, a velocidade de rotação do primeiro estágio aumentará e a velocidade dos estágios intermediários seguintes será adaptada em conformidade, isto é, cairá gradualmente até alcançar a velocidade de rotação do último estágio.

[0101] Essa situação geral é sumarizada na Figura 22. A curva C0 representa novamente a distribuição das velocidades de rotação dos vários estágios, quando a turbomáquina opera sob condições de projeto: cada estágio gira na mesma velocidade de rotação. C1 e C2 representam condições em que o % de LVF na entrada da máquina é menor do que o % de LVF de projeto. As curvas C3, C4 e C5 representam as condições de operação com conteúdo de gás crescente no fluxo de entrada, isto é, % de GVF acima do % de LVF de projeto, e crescente a partir da curva C3 para a curva C5.

[0102] De acordo com algumas realizações, as taxas de velocidade de rotação dos estágios de turbomáquina podem ser adaptadas ao % de GVF na entrada da máquina, através da detecção ou cálculo do % de LVF do fluxo de entrada de fase mista.

[0103] O controle dos motores elétricos embutidos pode ser com base na capacidade de definir o torque do motor ou a velocidade do motor para cada estágio. De acordo com algumas realizações, o controle de velocidade é realizado definindo-se um ganho de velocidade para cada estágio. O ganho de estágio pode ser obtido definindo-se um ganho fixo e multiplicando-se o ganho fixo por uma variável que é diferente para cada estágio. As variáveis diferentes podem ser determinadas com base em medições de compressibilidade do fluido na entrada da turbomáquina.

[0104] Exemplos de algoritmos de controle de velocidade de rotação de estágio serão descritos aqui abaixo.

EXEMPLO A

[0105] De acordo com algumas realizações, a velocidade rotacional dos vários estágios da máquina pode ser controlada a partir da medição dos seguintes parâmetros: pressão do lado de sucção P1; pressão do lado de entrega P2, temperatura do lado de sucção T1, temperatura do lado de entrega T2, taxa de fluxo de massa total m, potência absorvida por cada motor elétrico Wi, densidade de líquido e de gás no lado de sucção.

[0106] O trabalho total transferido para o fluido é dado por

em que Wtot é a potência total entregue pelos motores elétricos e rç é a eficiência que pode ser armazenada, por exemplo, em forma de tabela em uma memória acessível pela unidade de controle da turbomáquina e é recuperável com base nos parâmetros operacionais medidos.

[0107] O trabalho total Litot transferido para o fluido é dado, também, pela soma do trabalho entregue para a fração líquida e para a fração gasosa do fluido, respectivamente, que é expressa como segue:

em que: x é a fração de massa de gás do fluido que é processado pL é a densidade da fração líquida no fluido que é processado P1gas é a densidade do gás na entrada da turbomáquina (lado de sucção)

n que é o exponente politrópico.

[0108] Com o uso da temperatura de sucção T1 e da temperatura de entrega T2, podem ser escritas equações adicionais, que envolvem o calor específico do fluido de múltiplas fases como segue:

em que Cpmix é o calor específico da mistura de múltiplas fases zR é a constante elástica do gás no lado de sucção.

[0109] Resolvendo-se o sistema de equações (1) a (4) a fração de massa de gás x e o exponente politrópico n podem ser determinados. Com base em x e P1 uma distribuição ótima do aumento de pressão em cada estágio entre P1 e P2 pode ser definida e armazenada em forma de tabela. Assumindo-se n e x constantes para todos os estágios e aplicando-se a equação (2) ao estágio único, o trabalho fornecido por cada estágio pode ser calculado como segue:

[0110] Finalmente, a equação (1) é usada para calcular o ponto de ajuste de potência para cada estágio

[0111] De acordo com algumas realizações, o ponto de ajuste de potência pode ser usado de diferentes maneiras para controlar a turbomáquina. De acordo com uma realização, o torque aplicado por cada motor elétrico pode ser detectado, por exemplo, com base em uma medição da corrente elétrica absorvida pelo motor elétrico. Com base no torque medido e o ponto de ajuste de potência calculado (Wi), a velocidade rotacional do ponto de ajuste (wi) do respectivo iésimo impulsor é determinada. Em outras realizações, se a velocidade rotacional (wi) do impulsor do iésimo estágio for detectada, o torque do ponto de ajuste é calculado com base na velocidade rotacional detectada e na potência calculada (Wi) no ponto de ajuste.

[0112] A fim de remover ou reduzir erros que derivam a partir do modelo adotado e a partir das medidas dos parâmetros envolvidos nos cálculos, uma velocidade rotacional corrigida de cada estágio (Mj-corr) pode ser calculada iniciando a partir da velocidade rotacional do dito estágio, calculada como descrito acima, multiplicada pela razão entre a velocidade rotacional ^set obtida por um controle de ciclo fechado sobre a diferença de pressão (P2-P1) e o valor médio das velocidades rotacionais dos estágios obtido como descrito acima. A velocidade rotacional corrigida para o jésimo estágio seria, então:

EXEMPLO B

[0113] A fim de simplificar o algoritmo de controle e para evitar a necessidade de calcular a fração de volume de gás, de acordo com uma segunda abordagem, em vez de calcular separadamente a velocidade rotacional para cada estágio, um coeficiente ks pode ser introduzido e usado para definir a velocidade rotacional (wi) de cada iésimo estágio como segue:

em que ^ é a velocidade rotacional média.

[0114] O parâmetro ks é calculado empiricamente com base em parâmetros que podem ser medidos, tais como T2/T1; P2/P1; taxa de fluxo, rpm média. Nessa abordagem, o controle sobre a velocidade rotacional média é um controle de ciclo fechado, enquanto que o controle sobre a velocidade rotacional de cada estágio é um controle de ciclo aberto.

EXEMPLO C

[0115] De acordo com uma terceira realização, é fornecido um primeiro controle de ciclo, que controla a velocidade de rotação de cada estágio com base na diferença de pressão através da turbomáquina, a fim de manter a dita diferença de pressão em ou em volta de um ponto de ajuste em consequência da variação da GVF. Um segundo, ciclo de controle, mais lento, pode ser fornecido, o qual rastreia uma absorção de potência, mínima.

[0116] Em mais detalhes, sendo ΔPset o ponto de ajuste da diferença de pressão, e sendo ΔP a diferença de pressão medida entre os lados de entrega e sucção da turbomáquina, uma variação de velocidade de rotação média ΔM é calculada como segue:

[0117] Uma velocidade de rotação média de ponto de ajuste é, então, calculada como

Mi Sendo a velocidade de rotação do iésimo estágio e N sendo o número de estágios total na turbomáquina. O ponto de ajuste da velocidade de rotação (wi-set) de cada iésimo estágio é, então, calculado como uma função velocidade de rotação média do ponto de ajuste, levando em consideração que a velocidade de rotação de cada estágio é diferente da velocidade de rotação de o(s) estágio(s) adjacente(s). Por exemplo, uma distribuição de velocidade de rotação linear pode ser calculada como segue:

em que ks é um fator de correção. Distribuições de velocidade de rotação não lineares, mais complexas, podem ser calculadas, em vez disso.

[0118] Se necessário, o valor <^í-set pode ser corrigido como segue:

para levar em conta as variações de GVF que ocorrem enquanto o algoritmo de controle está sendo realizado.

[0119] O fator ks usado para calcular a velocidade de rotação de cada motor elétrico embutido, de cada estágio, pode ser controlado com o uso de um segundo, ciclo de controle de velocidade, lento, que calcula o valor ideal ks que minimiza a potência total (W) absorvida pelos motores embutidos. O ciclo de controle de otimização pode compreender a etapa de perturbar o ks e observar se a perturbação provoca um aumento ou diminuição da potência total absorvida pelos motores elétricos. O algoritmo pode ser como segue:

[0120] em que VK(t) é a total potência instantânea absorvida no tempo (t) pelos motores elétricos embutidos. O valor de ks(t) é, então, modificado para manter a potência total em um mínimo, selecionando-se a distribuição ideal de velocidades de rotação para os estágios dispostos sequencialmente.

[0121] Na realização descrita acima, um único fator de correção ks é usado e a distribuição de velocidade de rotação é linear. Algoritmos mais complexos podem ser previstos, com o uso de mais do que um fator de correção e de uma distribuição de velocidade de rotação não linear.

EXEMPLO D

[0122] De acordo com uma quarta realização, o algoritmo de controle é baseado na ideia de maximizar o aproveitamento de potência operando-se os vários estágios em um fator de carga constante.

[0123] A turbomáquina é controlada de modo que uma diferença de pressão definida entre entrega e sucção seja mantida. Sendo ΔPset o ponto de ajuste da diferença de pressão, e sendo ΔP a diferença de pressão medida entre os lados de entrega e de sucção, é fornecido um primeiro ciclo de controle, que calcula a variação (Δα>) de velocidade de rotação média ~> exigida para mover as condições de operação da turbomáquina em direção ao ponto de ajuste da diferença de pressão, novamente. Uma variação de velocidade de rotação média ΔM é calculada como segue:

[0124] de onde um valor de ponto de ajuste médio da velocidade de rotação é calculado como segue:

Mi sendo a velocidade de rotação do iésimo estágio e N sendo o número de estágios total na turbomáquina. A variação de velocidade de rotação para cada iésimo estágio é calculada calculando-se um ponto de ajuste de torque (Cset), em que cada motor elétrico embutido é controlado de modo a fornecer o mesmo torque e, portanto, fornecer a mesma variação de momento angular para a corrente de fluxo. O ponto de ajuste de torque é calculado como segue:

em que Wt é a potência absorvida pelo motor elétrico do iésimo estágio. Isto é, o ponto de ajuste de torque Cset é igualado ao torque médio. Uma variação de velocidade de rotação (Δ^f) para cada iésimo estágio é, então, calculado como segue:

em que Ct é o torque do iésimo estágio. A correção de torque para cada iésimo estágio é calculada como segue:

[0125] Outros algoritmos de controle podem ser desenvolvidos, com base, por exemplo, em combinações ou variações dos algoritmos acima.

[0126] Em geral, com o uso de motores embutidos com um sistema de controle capaz de controlar a velocidade dos motores elétricos diferentes um independentemente do outro, pode ser usado um método de controle que modifica pelo menos um parâmetro operacional dos motores elétricos, a fim de levar em conta a variação de compressibilidade do fluido de trabalho, por exemplo, devido à variação do % de LVF ou do % de LVF. Em termos gerais, a turbomáquina pode ser controlada para que um ou mais dos seguintes parâmetros operacionais dos motores embutidos possam ser modificados para compensar a variação de compressibilidade: velocidade rotacional; torque; potência absorvida ou uma combinação dos mesmos.

[0127] Embora as realizações reveladas da matéria descrita no presente documento tenham sido mostradas nos desenhos e completamente descritas acima, com particularidade e em detalhes, em conjunto com diversas realizações , será evidente àqueles técnicos no assunto que muitas modificações, mudanças e omissões são possíveis sem que haja materialmente o desvio do escopo dos ensinamentos inovadores, dos princípios e conceitos apresentados no presente documento, e das vantagens da matéria mencionada nas reivindicações anexas.

[0128] Por exemplo, ainda assim, o escopo apropriado das inovações reveladas deve ser determinado apenas pela interpretação mais ampla das reivindicações de modo a abranger todas essas modificações, mudanças e omissões. Além disso, a ordem ou sequência de quaisquer etapas de processo ou método pode ser variada ou ressequenciada, de acordo com realizações alternativas.

Claims

1. TURBOMÁQUINA (1) DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS (13A, 13B), caracterizada por compreender: um invólucro (3) com uma entrada de fluido (9) e uma saída de fluido (11); e uma pluralidade de estágios (13A, 13B) sequencialmente dispostos no invólucro (3), em que um primeiro estágio (13A, 13B) é posicionado adjacente à entrada de fluido (9), um último estágio (13A, 13B) é posicionado adjacente à saída de fluido (11) e pelo menos um estágio intermediário (13A, 13B) é posicionado entre o primeiro e último estágios (13A, 13B); em que: um percurso de fluxo se estende a partir da entrada de fluido (9) para a saída de fluido (11) através dos estágios (13A, 13B) dispostos sequencialmente; cada estágio (13A, 13B) é compreendido por um impulsor rotativo (15A, 15B) e um motor elétrico embutido no invólucro (3) e disposto para girar o impulsor (15A, 15B) em uma velocidade de rotação controlada; cada motor elétrico compreende um rotor de motor (31A, 31B) disposto no impulsor (15A, 15B) e que gira integralmente com o mesmo e um estator de motor (33A, 33B) disposto de maneira estacionária no invólucro (3); pares de impulsores (15A, 15B) dispostos sequencialmente são configurados para rotação em sentidos opostos; uma disposição de controle que é configurada e disposta para girar cada impulsor (15A, 15B) em uma velocidade rotacional que varia de um impulsor para o outro, em que a disposição de controle controla a velocidade rotacional dos estágios (13A, 13B) para ser idêntica a uma fração de volume de gás de projeto; se a fração de volume de gás se tornar menor que a fração de volume de gás de projeto, a disposição de controle controla a velocidade rotacional do primeiro estágio (13A, 13B) para ser reduzida e a velocidade rotacional do pelo menos um estágio intermediário (13A, 13B) para ser aumentada; e se a fração de volume de gás se tornar maior que a fração de volume de gás de projeto, a disposição de controle controla a velocidade rotacional do primeiro estágio (13A, 13B) para ser aumentada e a velocidade rotacional do pelo menos um estágio intermediário (13A, 13B) para ser reduzida.

2. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por pelo menos alguns dos estágios (13A, 13B) compreenderem impulsores axiais dispostos em série e por alguns dos estágios (13A, 13B) compreenderem impulsores radiais dispostos em série.

3. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos impulsores (15A, 15B) que giram em sentidos opostos serem dispostos diretamente adjacentes entre si.

4. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela disposição de controle ser configurada para controlar pelo menos um parâmetro dos motores elétricos como uma função de pelo menos um parâmetro relacionado à compressibilidade.

5. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo o pelo menos um parâmetro dos motores elétricos ser selecionado a partir do grupo que consiste em: a velocidade rotacional, o torque, a potência ou uma combinação dos mesmos.

6. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo o pelo menos um parâmetro relacionado à compressibilidade ser proporcional à fração de volume de gás do fluido.

7. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um eixo central estacionário (27).

8. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos impulsores (15A, 15B) de pelo menos alguns dos estágios (13A, 13B) serem sustentados nos respectivos estatores de motor (33A, 33B) por meio de respectivos mancais (24A, 26A, 24B, 26B).

9. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo estator de motor (33A, 33B) de pelo menos alguns dos estágios (13A, 13B) ser disposto em volta do respectivo rotor de motor (31A, 31B) montado no impulsor (15A, 15B), sendo que o estator de motor (33A, 33B) circunda o rotor de motor (31A, 31B).

10. TURBOMÁQUINA (1), de acordo a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente mancais de sustentação lubrificados e refrigerados pelo fluido processado pela turbomáquina (1).

11. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um separador de líquido/gás (81) disposto a jusante da saída de fluido (11); e pelo menos um dentre um duto de recirculação de líquido (93) e um duto de recirculação de gás (85); em que o duto de recirculação de líquido (93) está em comunicação fluida com mancais de sustentação (13A, 13B), refrigerados por líquido, de pelo menos alguns dos impulsores (15A, 15B), e/ou o duto de recirculação de gás (85) está em comunicação fluida com um espaço entre o estator de motor (33A, 33B) e o rotor de motor (31A, 31B) de pelo menos alguns dos impulsores (15A, 15B).

12. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo rotor de motor (31A, 31B) de pelo menos alguns dos estágios (13A, 13B) compreender imãs permanentes (32).

13. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por pelo menos alguns dos impulsores (15A, 15B) serem dotados de um protetor externo (19A, 19B) de impulsor e por seus imãs permanentes (32) serem dispostos no protetor externo (19A, 19B) de impulsor do respectivo impulsor (15A, 15B).

14. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por cada estágio (13A, 13B) compreender um circuito de controle de potência (111), disposto no invólucro (3), configurado para controlar o motor elétrico relevante.

15. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelas velocidades rotacionais dos estágios (13A, 13B) de impulsor serem controladas, de maneira a serem reduzidas a partir da montante à jusante, mediante a um aumento da densidade de fluído ao longo dos estágios (13A, 13B).

16. TURBOMÁQUINA (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos motores elétricos embutidos compreenderem um estator de motor (33A, 33B) com uma estrutura modular, compreendida de uma pluralidade de culatras (35A, 35B) dispostas circunferencialmente em torno de um eixo geométrico de rotação A-A, cada culatra (35A, 35B) incluindo pelo menos uma bobina elétrica (37A, 37B) enrolada em torno de um respectivo núcleo magnético.

17. MÉTODO PARA REFORÇAR A PRESSÃO DE UM FLUIDO DE COMPRESSIBILIDADE VARIÁVEL, caracterizado por compreender as etapas de: dispor sequencialmente uma pluralidade impulsores (15A, 15B) para rotação em um invólucro (3) de uma turbomáquina (1), em que um primeiro estágio (13A, 13B) é posicionado adjacente a uma entrada de fluido (9) do invólucro (3), um último estágio (13A, 13B) é posicionado adjacente a uma saída de fluido (11) do invólucro (3) e pelo menos um estágio intermediário (13A, 13B) é posicionado entre o primeiro e último estágios (13A, 13B); fornecer um motor elétrico para cada impulsor (15A, 15B), em que os motores elétricos são embutidos no invólucro (3); girar os impulsores (15A, 15B) dispostos sequencialmente em sentidos opostos por meio dos motores elétricos embutidos no invólucro (3); processar um fluido através dos impulsores (15A, 15B); reforçar uma pressão de fluido a partir de uma pressão de sucção para uma pressão de entrega; controlar pelo menos um parâmetro operacional dos motores embutidos de modo que os impulsores (15A, 15B) girem em velocidades rotacionais diferentes; controlar a velocidade rotacional dos impulsores (15A, 15B) para ser idêntica a uma fração de volume de gás de projeto; controlar a velocidade rotacional do primeiro estágio (13A, 13B) para ser reduzida e a velocidade rotacional do pelo menos um estágio intermediário (13A, 13B) para ser aumentada, se a fração de volume de gás se tornar menor que a fração de volume de gás de projeto; e controlar a velocidade rotacional do primeiro estágio (13A, 13B) para ser aumentada e a velocidade rotacional do pelo menos um estágio intermediário (13A, 13B) para ser reduzida, se a fração de volume de gás se tornar maior que a fração de volume de gás de projeto.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por pelo menos um parâmetro de operação dos motores embutidos ser controlado como uma função de pelo menos um parâmetro relacionado à compressibilidade.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por compreender girar os motores embutidos a uma velocidade rotacional que reduz a partir de um impulsor (15A, 15B) mais a montante a um impulsor (15A, 15B) mais a jusante.

20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreender adicionalmente girar os motores embutidos a uma velocidade rotacional que que reduz a partir de um impulsor (15A, 15B) mais a montante a um impulsor (15A, 15B) mais a jusante e por uma diferença de velocidade entre o impulsor (15A, 15B) mais a montante e o impulsor (15A, 15B) mais a jusante ser definida como uma função de pelo menos um parâmetro relacionado à compressibilidade.