BR112017018453B1

BR112017018453B1 - Montagem de vedação para vedar um vão entre a superfície axial de um rotor de uma máquina rotativa e o compartimento lateral da máquina

Info

Publication number: BR112017018453B1
Application number: BR112017018453-2A
Authority: BR
Inventors: Alexander C. Shkolnik; Nikolay Shkolnik; Mark Nickerson; Daniele Littera; Alexander Kopache; Kyle Becker
Original assignee: Liquidpiston, Inc
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2023-02-14
Also published as: CN107532475B; MX2017011439A; AU2016228841A1; CA3226914A1; HK1249568A1; ES2952446T3; US20180023392A1; CN107532475A; KR20230079234A; AU2016228841B2; JP6784688B2; EP3268585B1; CA2977569A1; EP3268585A1; KR20170122252A; EP3268585C0; HRP20231148T1; JP2018512532A; AU2020233726B2; WO2016145247A1

Abstract

MOTOR ROTATIVO EPITROCOIDE DE ALTA DENSIDADE DE ENERGIA E EFICIÊNCIA. A presente invenção se refere às modificações aos motores em X, que utilizam uma câmara dedicada à implementação do assentamento do ciclo de Rankine, bem como às melhorias adicionais na vedação e na eficiência de combustão, que contribuem para a eficiência elevada.

Description

Referência Cruzada aos Pedidos Relacionados

[0001] O presente pedido reivindica prioridade a partir do pedido provisório N° de série 62/130.956, intitulado "Epitrochoidal Rotary Engines", depositado no dia 10/03/2015 e que tem como Alexander Shkolnik, Nikolay Shkolnik, Mark Nickerson, Daniele Littera e Alexander Kopache como os inventores; e também reivindica a prioridade do pedido provisório U.S. N° de série 62/137.584, intitulado “Heat Engine with Improved Lubrication and Bottoming Cycle”, depositado no dia 24/03/2015 e que tem Alexander Shkolnik, Nikolay Shkolnik, Mark Nickerson, Daniele Littera, e Alexander Kopache como os inventores. Todos os pedidos anteriores são aqui incorporados a título de referência em sua totalidade.

[0002] O presente pedido pode estar relacionado a todas ou a qualquer uma das patentes U.S. a seguir:

[0003] Patente U.S. N° 8.365.698 intitulado “Hybrid Cycle Combustion Engine and Methods” e depositado para Shkolnik et al. no dia 5 de fevereiro de 2013;

[0004] Patente U.S. N° 8.523.546 intitulado ""Cycloid Rotor Engine" e depositado para Shkolnik et al. no dia 3 de setembro de 2013;

[0005] Patente U.S. N° 8.794.211 intitulado “Hybrid Cycle Combustion Engine and Methods” e depositado para Shkolnik et al. no dia 15 de agosto de 2014; e

[0006] Patente U.S. N° 8.863.724 intitulado “Isochoric heat addition engines and methods” e depositado para Shkolnik et al. no dia 21 de outubro de 2014;

[0007] Todos os quais são incorporados aqui a título de referência em sua totalidade.

Campo Técnico

[0008] A presente invenção refere-se às máquinas rotativas e, mais particularmente, aos motores rotativos, compressores rotativos, bombas rotativas e expansores rotativos.

Técnica Anterior

[0009] Um ciclo de cobertura (tipicamente um motor de turbina ou de combustão interna) rejeita tipicamente > 30% do calor disponível no combustível no escape. Um ciclo de assentamento é simplesmente um segundo motor térmico que é capaz de utilizar o calor rejeitado do ciclo de cobertura e contribui com energia mecânica adicional para o eixo, aumentando assim a eficiência geral. Não é incomum uma grande usina de gás natural (escala MW) alcançar uma eficiência de 40% no seu ciclo de cobertura e, em seguida, 50 a 60% de eficiência geral ao longo do ciclo combinado. Isso ocorre à custa de componentes extras, com custo associado e, em geral, apenas viável para grandes sistemas de energia estacionária.

[0010] Os avanços na tecnologia de injeção de combustível também são usados para melhorar a eficiência, fazendo uso de maiores pressões de injeção; a pressão de injeção de 2.000 a 2.500 bar é típica nos motores modernos de hoje. Isso ocorre à custa de altas perdas parasitárias para o motor (devido a bombas de alta pressão, etc.) e são volumosas e extremamente caras. Os motores menores, em geral, não podem lidar com a despesa e o volume desses sistemas.

[0011] Para aumentar a densidade de potência, os motores de 2 tempos são frequentemente usados. Também, os motores turbo ou supercarregados estão ganhando ampla aceitação e popularidade hoje. Em geral, eles são caros e complexos de fabricar e manter.

[0012] A injeção de água (WI) foi usada em motores que datam da Segunda Guerra Mundial para aumentar a potência dos motores do avião. Os pesquisadores indicaram que a WI também pode aumentar a eficiência na ordem de 2 a 5% dependendo de quando, durante o ciclo, a água é injetada; durante os cursos de compressão, de combustão ou de expansão, ou como tempo adicional (os chamados motores de 6 tempos). O exército dos EUA também realizou pesquisas bem sucedidas sobre a eliminação do revestimento de água do motor (arrefecimento externo) em favor da injeção direta de água como um meio para arrefecer o motor internamente.

[0013] No nosso melhor conhecimento, ninguém tentou projetar uma usina de energia que utiliza todas ou pelo menos a maioria das medidas disponíveis de forma coerente e sinergética, ou seja, assumindo a abordagem de nível de sistema para desenvolver essa usina.

[0014] Essa invenção é a tentativa de solucionar a alta eficiência e alta densidade de potência tanto para os motores grandes quanto pequenos a partir da perspectiva do design de nível de sistema.

Sumário das Modalidades

[0015] O presente pedido descreve as modalidades de motores rotativos compactos, com uma pluralidade de montagens de vedação aprimoradas, que opcionalmente utilizam ainda a injeção de água através da montagem de vedação para arrefecer o motor de forma interna, reduzindo assim a perda de calor para o arrefecimento externo com o benefício de que o arrefecimento interno combina com o escape do motor, tornando o calor combinado de escape e o calor perdido para o arrefecimento disponível para um ciclo de assentamento do motor e onde o motor pode opcionalmente melhorar sua densidade de potência, incorporando um mecanismo de sobrealimentação integral.

[0016] De acordo com uma modalidade da invenção, apresenta-se uma montagem de vedação para vedar um espaço entre uma superfície axial de um rotor de uma máquina rotativa e um compartimento lateral da máquina. A montagem de vedação inclui uma vedação de face que tem um membro externo 711 que possui (i) uma superfície de contato axial 715, carregada de maneira axial contra o compartimento lateral 740 e que reside em um corte de canto periférico do rotor 725, (ii) pelo menos uma outra superfície de recepção de pressão de fluido 714, 718 e (iii) uma superfície de contato radial interna 719 que é carregada de modo radial contra o rotor pela pressão do fluido. A vedação de face e o corte de canto periférico do rotor são moldados de modo que a vedação de face é obrigada a ficar dentro do corte. Além disso, a superfície de contato axial e pelo menos uma outra superfície de recepção de pressão de fluido são moldadas de modo que a pressão de fluido provoca uma força líquida pela qual a superfície de contato axial é empurrada de maneira axial contra o compartimento lateral e a superfície de contato radial interna do membro externo é pressionada de modo radial contra o rotor.

[0017] No caso de um motor de combustão interna rotativo por exemplo, 101, o fluido que pressuriza a vedação pode ser o gás de mistura de ar e combustível que preenche cada câmara de trabalho. Em uma outra modalidade relacionada, a vedação de face inclui ainda um membro de ponte 713 acoplado ao membro externo, que abrange uma distância radial para dentro a partir do membro externo.

[0018] Em outra modalidade relacionada, a vedação de face inclui ainda uma mola carregada de maneira axial 750 disposta entre o membro de ponte e um recurso do rotor 724, de modo a causar a carga axial da superfície de contato axial contra o compartimento lateral. Opcionalmente, a montagem de vedação inclui uma vedação secundária 760, disposta entre a mola carregada de maneira axial e o membro de ponte, de modo que a vedação secundária é pré-carregada de maneira axial pela mola contra a vedação primária. Essa vedação é adicionalmente movida de maneira axial contra a vedação primária 713 e carregada de modo radial contra o cume do rotor 721 pela pressão de qualquer fluido que tenha sido soprado pela superfície de contato radial interna.

[0019] Algumas modalidades também incluem uma vedação secundária flexível 1304, disposta de modo radial entre o rotor e a vedação de face.

[0020] Algumas modalidades também incluem um conjunto de molas 903 acoplado à vedação de face e ao rotor e configurado para puxar o membro externo de modo radial em direção ao eixo do rotor.

[0021] Algumas modalidades também incluem um membro de placa 1009 conectado ao membro externo e disposto ao longo da superfície axial em uma direção de modo radial para dentro a partir do membro externo; e uma fenda antirrotação 1010 disposta dentro do membro de placa para receber um cume correspondente de projeção axial 1003 do rotor para evitar a rotação da vedação de face em relação ao rotor. Em algumas modalidades, o membro de placa inclui um conjunto de aberturas 1020 para permitir a passagem do ar de arrefecimento através do rotor.

[0022] Outra modalidade apresenta um motor de combustão interna aprimorado do tipo que usa as vedações para fechar os vãos entre as superfícies de um membro em movimento e de um compartimento do motor, o motor que tem uma câmara de trabalho e um escape, em que o aprimoramento inclui: uma fonte de um líquido evaporativo pressurizado; e um conduíte que define uma passagem do líquido evaporativo para pelo menos uma das vedações, de modo que o líquido evaporativo entre em contato com as superfícies e pelo menos uma parte do líquido evaporativo sofre uma mudança de fase em um gás quando exposto ao calor pelas superfícies, o gás que escapa para a câmara de trabalho do motor e depois se torna uma parte do escape do motor, e o calor é removido do motor como resultado da mudança de fase. Opcionalmente, o motor de combustão interna é de um tipo de pistão alternativo. Opcionalmente, o motor de combustão interna é do tipo rotativo.

[0023] O líquido evaporativo pode ajudar a lubrificar a interface de vedação, além de remover o calor do motor, reduzindo ou eliminando os requisitos de arrefecimento externo por exemplo, o "revestimento de água" tipicamente usado para arrefecer um motor pode ser eliminado se for fornecida refrigeração interna suficiente. A energia do líquido de refrigeração, que de outra forma normalmente seria perdida para revestimentos de refrigeração externos, é convertida em pressão de gás na câmara de trabalho. Portanto, parte dessa energia é recuperada, já que é feito mais trabalho durante o curso de expansão energia.

[0024] Algumas modalidades também incluem um permutador de calor no percurso da exaustão do motor para aproveitar a energia associada ao escape, incluindo a mudança de fase do líquido evaporativo. Em ativamente ou adicionalmente, o motor inclui ainda um segundo motor térmico, o segundo calor que converte a energia do calor de exaustão para o trabalho adicional do eixo.

[0025] Em algumas modalidades, o conduíte está em comunicação com uma rede de canais nas vedações do motor.

[0026] Outra modalidade apresenta um motor de combustão interna aprimorado do tipo que usa vãos entre as superfícies de um membro em movimento e um compartimento do motor, o motor que tem uma câmara de trabalho e um escape, em que o aprimoramento inclui: uma fonte de um líquido evaporativo pressurizado; e um conduíte que define uma passagem do líquido evaporativo para pelo menos uma das aberturas, de modo que o líquido evaporativo entra em contato com as superfícies de modo a formar uma vedação e pelo menos uma parte do líquido evaporativo sofre uma mudança de fase para um gás quando exposto ao calor pelas superfícies, o gás que escapa na câmara de trabalho do motor e depois se torna uma parte do escape do motor, e o calor é removido do motor como resultado da mudança de fase.

[0027] Ainda outra modalidade apresenta um rotor aprimorado utilizado no motor de combustão interna de tipo rotativo, o rotor que tem um eixo de rotação, em que o aprimoramento inclui: uma pluralidade de nervuras dispostas de modo radial 518 que acopla uma superfície radial do rotor a uma porção central do rotor, as nervuras que facilitam o fluxo de fluido de arrefecimento em uma direção axial através do rotor e que proporcionam a integridade estrutural do rotor. O fluido de refrigeração pode incluir, por exemplo, ar, ou uma mistura de ar e combustível, ou ar misturado com um líquido evaporativo.

[0028] Algumas modalidades incluem ainda pelo menos uma placa 507 ou 508, em geral, perpendicular ao eixo do rotor e montada de modo a canalizar o fluxo axial de fluido de arrefecimento sobre as nervuras para pelo menos uma abertura entre as nervuras onde a placa não está localizada. Isso pode direcionar o fluido de refrigeração para uma região de troca de calor do rotor. Isso pode incluir, por exemplo, aletas de arrefecimento 506 dispostas na pelo menos uma abertura e acopladas à superfície radial do rotor de modo a facilitar a transferência de calor do rotor pelo menos uma placa 507 ou 508, em geral, perpendicular ao eixo do rotor e montado de modo a canalizar o fluxo axial de ar sobre os nervos apenas para pelo menos uma abertura entre as nervuras onde a placa não está localizada; e um conjunto de aletas de arrefecimento 506 disposto em pelo menos uma abertura de modo a facilitar a transferência de calor a partir do rotor.

[0029] Algumas modalidades incluem ainda pelo menos um bloco de espuma termicamente condutora 504 disposto entre as nervuras adjacentes do rotor de modo a aumentar a troca de calor entre o rotor e o ar de arrefecimento.

[0030] Em outra modalidade, a invenção proporciona um motor aprimorado do tipo que inclui um rotor cicloidal que tem lóbulos N e um compartimento que tem um conjunto correspondente de regiões de recepção de lóbulos N + 1 para receber sucessivamente os lóbulos à medida que o rotor gira em torno de um eixo em relação ao compartimento, o compartimento que tem (i) um par de coberturas disposto de maneira axial nos primeiros e segundos lados do rotor, e (ii) um pico disposto entre cada par de regiões de recepção de lóbulo adjacentes, pelo menos uma câmara de trabalho formada em um espaço entre o rotor e o compartimento. Nessa modalidade, o aprimoramento inclui uma porta de admissão e uma porta de escape, sendo cada porta formada na mesma das coberturas ou em uma outra das coberturas. O orifício de escape abre antes da porta de admissão de modo a sequestrar o gás queimado da câmara de trabalho e de modo a preencher a câmara com um meio fresco, de modo a fornecer o funcionamento em 2 tempos do motor. Opcionalmente, um fluido pressurizado é fornecido à porta de admissão. Em uma outra modalidade relacionada, as portas estão localizadas de maneira assimétrica.

[0031] Em algumas modalidades, as portas estão localizadas de maneira assimétrica em coberturas diferentes e, em algumas modalidades, as portas estão localizadas de maneira assimétrica na mesma cobertura.

[0032] Ainda em outra modalidade, uma montagem de rotor de uma máquina rotativa inclui um corpo de rotor 1201 com uma face radial; e uma manga 1202 disposta de modo circunferencial sobre a face radial; em que a manga tem uma lingueta 1203 que se projeta de modo radial para dentro e o corpo do rotor tem um sulco correspondente de modo radial recuado para receber a lingueta.

[0033] Algumas dessas modalidades incluem ainda uma montagem de vedação lateral, disposta na face radial do corpo do rotor, a montagem de vedação lateral que tem uma vedação primária 1403 e uma vedação secundária compressível 1404, a vedação secundária que está em contato com a vedação primária e disposta em um sulco do corpo do rotor. Além disso, algumas modalidades incluem um corte de canto periférico para a vedação lateral de forma correspondente. Além disso, algumas modalidades incluem uma porta de admissão para permitir o meio fresco na câmara de trabalho e uma porta de escape para permitir que os gases queimados saiam da câmara de trabalho.

[0034] Ainda outras modalidades incluem um motor rotativo aprimorado do tipo que tem um rotor com lóbulos N, uma porta de admissão para a entrada de um meio de trabalho, um orifício de escape e um compartimento em relação ao qual o rotor está montado para o movimento de rotação em relação ao compartimento, o compartimento que tem regiões de recepção de lóbulos N + 1 e (i) um pico disposto entre cada par de regiões de recepção de lóbulos N + 1 adjacentes e (ii) um par de lados, as regiões de recepção de lóbulos N + 1 ainda configuradas em relação ao rotor para receber sucessivamente os lóbulos N à medida que o rotor gira em relação ao compartimento, de modo a estabelecer câmaras, uma câmara associada a cada uma das regiões de recepção de lóbulos N + 1, em que pelo menos uma câmara das câmaras estabelecidas é configurada para lidar, sucessivamente, com a ingestão, compressão do meio de trabalho e injeção de combustível, combustão, expansão e fases de escape, em que o aprimoramento inclui um recesso no compartimento associado a cada câmara em que ocorre a combustão, o recesso retrai de forma assimétrica para criar um vórtice no meio de trabalho no curso de compressão e de injeção de combustível. Em algumas dessas modalidades, o recesso tem uma forma alongada, em forma de gota, que acomoda uma forma e volume associados a uma fumaça de combustível injetada ali.

Desenhos em Cor

[0035] O arquivo de patente ou pedido contém pelo menos um desenho executado em cores. As cópias dessa patente ou publicação do pedido de patente com desenho(s) em cores serão fornecidas pelo Escritório mediante a solicitação e o pagamento da taxa necessária.

Breve Descrição dos Desenhos

[0036] As características anteriores das modalidades serão mais facilmente compreendidas a título de referência à descrição detalhada a seguir, considerada com referência aos desenhos anexos, nos quais:

[0037] A figura 1A ilustra de maneira esquemática os recursos do sistema de calor e energia combinados e de alta eficiência CHP;

[0038] a figura 1B ilustra de maneira esquemática os benefícios termodinâmicos de um sistema CHP ilustrado de maneira esquemática na figura 1B;

[0039] as figuras 2A-2E ilustram de maneira esquemática os recursos do motor com base na geometria do motor em X e no ciclo que poderiam ser usados no CHP acima.

[0040] as figuras 3A-3B ilustram de maneira esquemática os recursos do motor de pistão que poderiam ser usados no sistema CHP acima;

[0041] a figura 4 ilustra de maneira esquemática os recursos do motor de pistão que poderiam ser usados no sistema CHP acima;

[0042] as figuras 5A-5E ilustram de maneira esquemática um rotor configurado para implementar a sobrealimentação e o arrefecimento adicionais;

[0043] as figuras 6A-6C ilustram de maneira esquemática uma modalidade de um motor de 2 tempos com base na geometria do motor em X;

[0044] as figuras 7A-7F ilustram de maneira esquemática o design da vedação de face de "copo em U";

[0045] a figura 8 ilustra de maneira esquemática uma projeção da área de superfície da superfície de recepção de pressão de fluido de uma vedação sobre a superfície de contato axial da vedação;

[0046] a figura 9 ilustra de maneira esquemática o aprimoramento potencial ao design de "copo em U" ao incorporar as molas adicionais que auxiliam na vedação de copo em U para permanecer o contato com o rotor;

[0047] as figuras 10A-10B ilustram de maneira esquemática uma modalidade de uma "vedação de placa";

[0048] as figuras 11A-11D ilustram de maneira esquemática as modalidades de vedações estacionárias;

[0049] as figuras 12A-12C ilustram de maneira esquemática uma modalidade de um rotor com mangas;

[0050] as figuras 13A-13C ilustram de maneira esquemática as modalidades adicionais de vedações;

[0051] as figuras 14A-14L ilustram de maneira esquemática as modalidades adicionais de vedações;

[0052] as figuras 15-16 ilustram de maneira esquemática uma modalidade de uma câmara de combustão;

[0053] as figuras 17A-17F ilustram de maneira esquemática uma modalidade de um método de produção de um rotor de material de "propriedade de gradiente".

Descrição Detalhada das Modalidades Específicas

[0054] Várias modalidades descrevem as modificações aos motores em X, que utilizariam uma câmara dedicada para implementar o ciclo de Rankine, além das melhorias adicionais na vedação, eficiência de combustão; todos contribuindo para uma alta eficiência.

[0055] Definições. Conforme usado nessa descrição e nas reivindicações anexas, os termos a seguir devem ter os significados indicados, a menos que o contexto exija o contrário:

[0056] Uma "máquina rotativa" é uma máquina selecionada do grupo que consiste em um motor rotativo, um compressor rotativo, uma bomba rotativa e um expansor rotativo.

[0057] Um "corte de canto periférico" de um rotor é um corte do rotor, localizado em uma extremidade radial do rotor, de modo a causar uma redução na extensão axial da superfície radial do rotor.

[0058] Uma "vedação secundária flexível" é uma vedação feita de materiais flexíveis ou compressíveis, tais como polímeros ou vários aços de seção fina, tais como anéis em O, anéis em X, anéis em E, anéis em C e outros; a característica principal dessas vedações secundárias flexíveis é proporcionar um contato simultâneo entre o rotor e as vedações primárias sem impedir o movimento da vedação primária.

[0059] Um "líquido evaporativo" é um líquido que sofre uma mudança de fase em um gás a temperaturas e pressões experimentadas no compartimento de um motor de combustão interna. Nesse contexto, a água é um "líquido evaporativo", enquanto que o óleo lubrificante não é um líquido evaporativo. Um "motor em X" é um motor, cujas modalidades estão descritas na patente U.S. 8.523.546, que é aqui incorporada a título de referência em sua totalidade. Um motor em X opera sob um Ciclo híbrido de alta eficiência HEHC.

[0060] Um "ciclo híbrido de alta eficiência" (ou "HEHC") é um ciclo como descrito na patente US 8.523.546, que pode ser executado por um motor como por exemplo, um motor em X.

[0061] Um "meio" é o ar fresco ou mistura de ar e combustível que entra na câmara de trabalho do motor durante o curso de admissão.

[0062] Um "material em pó" pode conter cerâmica, grafite, alumínio, magnésio, titânio, aglutinante e outros materiais que sejam benéficos para o rotor da máquina rotativa, do ponto de vista do peso, resistência, desgaste, fricção, condutividade térmica, coeficiente de expansãotérmica, etc.

[0063] Um "processo de compactação e sinterização" compreende uma família de tecnologias de produção, que processam uma matéria- prima em pó para fabricar os componentes de vários tipos. Essas tecnologias de produção envolvem, em geral, todas ou a maioria das etapas a seguir do processo: a) Formação do pó misturado em um compacto (o processo de consolidação dominante envolve a pressão em um conjunto rígido de ferramentas, que inclui uma matriz, perfurações e, possivelmente, mandris ou hastes de núcleo). No entanto, existem vários outros processos de consolidação que são usados em aplicações de nicho. b) Sinterização do compacto para aumentar a integridade e a força. Essa etapa do processo envolve o aquecimento do material, em geral, em uma atmosfera protetora, a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do constituinte principal. Em alguns casos, um constituinte menor pode formar uma fase líquida à temperatura de sinterização; tais casos são descritos como sinterização em fase líquida. Os mecanismos envolvidos na sinterização em fase sólida e em fase líquida são discutidos brevemente em uma seção posterior.

[0064] O pedido de patente publicado U.S. N° 2014/0209056, publicado no dia 31 de julho de 2014 (pedido de patente N° 14/163.654, arquivado em 24/01/2014), aqui incorporado a título de referência em sua totalidade, descreve a geometria do motor em X com câmaras especiais dedicadas que poderiam ser usadas para bombear, para compressão ou outros fins, enquanto que a(s) câmara(s) restante(s) do motor são usadas para os processos convencionais de combustão interna do motor.

[0065] A patente N° 8.523.546, aqui incorporada a título de referência em sua totalidade, descreve motores rotativos, que chamaremos de "motores em X", que operam em ciclo híbrido de alta eficiência (HEHC). Embora o ciclo HEHC seja inerentemente mais eficiente e tente recuperar a maior quantidade possível de energia do escape por excesso de expansão, permanece, no entanto, uma energia térmica significativa no escape e no arrefecimento.

[0066] O presente pedido refere-se aos aprimoramentos em rotores e vedações e componentes relacionados para o uso em qualquer um de (1) um motor rotativo epitrocoide do tipo geral descrito nas patentes U.S. N° 8.863.724 e 8.523.546, (2) um compressor rotativo, ou (3) uma bomba rotativa. A figura 2 mostra uma modalidade típica aos quais as melhorias aqui mostradas são aplicáveis. As patentes U.S. N° 8.863.724 e 8.523.546 são aqui incorporadas a título de referência em sua totalidade.

Ciclo de Operação do Motor em X

[0067] Os motores HEHC em X usam um ciclo de quatro tempos incorporando consumo, compressão, combustão, expansão e exaustão. Cada um desses tempos ocorre sequencialmente dentro de cada uma das duas câmaras do motor. O motor é transportado, permitindo uma operação completa de 4 tempos sem o uso de válvulas reguladoras de pressão. O ar e o combustível são encaminhados através do rotor para entrar ou sair de uma determinada câmara de combustão. A assimetria na localização da porta de entrada e de escape causa excesso de expansão. A combustão em volume constante é alcançada ao aprisionar o volume de ar e de combustível dentro de cada uma das câmaras de combustão isoladas durante um período prolongado, enquanto o rotor gira e o arco do topo do rotor se alinha com o arco da compartimento. Assim, os aspectos únicos da geometria do motor permitem que o motor incorpore o ciclo HEHC.

[0068] A melhoria da eficiência baseia-se na termodinâmica, através da integração: 1) um ciclo termodinâmico altamente otimizado, denominado ciclo híbrido de alta eficiência (HEHC), descrito na patente LiquidPiston N° 8.523.546, que é incorporada aqui na sua totalidade; o ciclo combina alta taxa de compressão, combustão em volume constante e sobre-expansão; 2) o motor é termicamente isolado de maneira externa e é arrefecido com o uso de injeção de água interna (no cilindro) (ou mais geralmente, injeção de fluido evaporativo); à medida que essa água se transforma em vapor (o fluido evaporativo gira para o gás), ela acumula pressão na câmara, permitindo uma recuperação parcial das perdas de refrigeração ao baixar a temperatura do gás e do cilindro; 3) tanto o calor dos gases de escape como o calor do arrefecimento interno por água/vapor são recuperados através de um ciclo de assentamento de Rankine integrado ao motor de base.

[0069] No motor em X, a Injeção de água WI usado para a refrigeração interna pode ser injetada ou inserida no cilindro nos pontos de vedação do motor, melhorando assim a vedação e eliminando ou reduzindo a necessidade de lubrificação com óleo. Sem óleo, o motor pode funcionar mais quente, as emissões serão melhores, e haverá menos requisitos de manutenção.

[0070] A figura 1A ilustra uma modalidade de um sistema de calor e energia combinado de alta eficiência (CHP) 100. Como exemplo, um sistema de 1kWe será utilizado, mas o conceito é igualmente aplicável para sistemas muito maiores também.

[0071] Um motor rotativo X, "E", que opera em qualquer combustível adequado, por exemplo, em Gás Natural (NG), é acoplado a um alternador "A", que fornece 1 kW de energia elétrica para a caixa de interconexão/eletrônica de potência "I". O motor compreende 3 câmaras, duas das quais, chamadas de câmaras E_HEHC, funcionam com gás natural, e a terceira, chamada de E_STEAM, é utilizada para um ciclo de assentamento de Rankine (vapor) (ver figura 2a para a definição de câmaras e a figura 1B para o balanço energético do sistema). Os injetores correspondentes injetam NG nas câmaras E_HEHC (ou quaisquer outros combustíveis, como exigido pelo design) e um injetor de vapor injeta vapor na câmara E_STEAM. Uma unidade de controle eletrônico "ECU" controla o combustível do motor E, o alternador A e a válvula de 2 vias "2-w". A injeção de água será usada para refrigeração, lubrificação e recuperação interna de calor residual. A água é fornecida da torneira de residência para um deionizador "de-I", depois resfria o alternador "A" e flui para a bomba de alta pressão "P" e, depois, para o pequeno permutador de calor "HE1", onde o calor dos gases de escape são transferidos para esta água convertendo-a em vapor superaquecido, que é posteriormente injetado na câmara de ciclo inferior do motor E_STEAM. Em um circuito conectado, a água relativamente fria é alimentada diretamente às vedações do motor para arrefecer o rotor do motor e outros componentes; essa água se transforma em vapor dentro da câmara e a energia que de outra forma perdida para a refrigeração é parcialmente recuperada. Após a combustão, o escape passa por um conversor catalítico "CAT" 108 onde é esfregado. O ar queimado sai para "HE1" e, se o calor da residência não for necessário, é descartado através da válvula "2-w" na atmosfera. Se o calor for necessário, o escape é, em vez disso, direcionado para o permutador de calor de residência "HE2" 132. Para minimizar a perda de calor externo, o motor, o alternador, o conversor catalítico e HE1 serão totalmente isolados termicamente, de modo que qualquer arrefecimento só acontece através da água.

[0072] Opcionalmente, para reduzir o custo operacional, apesar do custo de capital adicional, a água do sistema pode ser recuperada, por exemplo, por um separador de ciclone "CS", caso em que o fluxo de escape seja arrefecido até o ponto de condensação de água e separado do gás. A água de "CS" flui através do filtro "F" e é retornado para "deI" através da linha de retorno de água 135. Essa opção elimina o requisito de conexão a um abastecimento de água externo, mas inclui os componentes adicionais. Os componentes mostrados dentro da elipse na figura 1A também são opcionais.

[0073] Abaixo, foi descrito como o Motor E funciona com o fluxo interno de água e o ciclo inferior e interage com o resto dos componentes do sistema.

WI/Resfriamento

[0074] Tipicamente, os motores são arrefecidos externamente com um fluido de refrigeração que flui através de um revestimento de água; cerca de um terço da energia do combustível é assim convertido no calor de baixa qualidade, rejeitado ao meio ambiente. Nessa modalidade, foi implementada uma estratégia diferente para resfriar o motor de forma interna. A injeção de água durante o curso de admissão ou compressão tem o efeito de arrefecimento do gás, que puxa a curva de compressão do diagrama PV para baixo (aumento da eficiência). A água injetada durante a combustão ou a expansão também arrefecerá a carga, reduzindo os picos de pressão e a temperatura. Isso diminui as emissões de NOx, e também pode aumentar o limite de batida, permitindo maiores taxas de compressão (permitindo maior eficiência térmica). Somente para a arquitetura do motor em X, a injeção de água pode ser feita diretamente na interface entre as vedações e o rotor, e/ou as vedações e as coberturas; essa água arrefeceria tanto as vedações quanto o rotor, ou vedações e a cobertura, ao mesmo tempo em que se transformaria vapor e teria um efeito lubrificante. A água injetada se transforma em vapor (motor de refrigeração por dentro), mas o vapor aumentará a pressão da câmara (o volume ocupado pelo vapor é de ~ 1400x de água líquida nas condições ambientais), enquanto a temperatura geral é reduzida. O efeito é o aumento da potência, enquanto reduz as temperaturas de combustão, que também reduzem as emissões de NOx. Além disso, a sobre-expansão de gases permite que o motor aproveite mais o vapor gerado, capturando mais energia que de outra forma seria perdida para o refrigerante. Isso também abre a porta para uma estratégia de lubrificação alternativa, lubrificando por vapor de água/vapor, por exemplo, com o uso do revestimento AlMgB14 que é super rígido e possui um coeficiente de fricção muito baixo (.02) quando molhado.

Ciclo de Assentamento

[0075] Os ciclos de assentamento, ou ciclos combinados, são estratégias comumente usadas especialmente para sistemas de usina maiores. Um ciclo de cobertura (tipicamente um motor de turbina ou de combustão interna) geralmente rejeita aproximadamente um terço do calor disponível no combustível no escape. Embora o ciclo HEHC seja inerentemente mais eficiente e tente converter a maior energia possível no ciclo de 4 tempos, permanece, no entanto, energia significativa no escape. Conforme descrito acima, no sistema proposto, o motor termicamente isolado é arrefecido por água dentro da câmara, ou seja, não de canais de refrigerante fora das câmaras, mas por contato direto de água com um rotor e/ou compartimento. A água, sob a forma de vapor, é então misturada com o escape, em seguida, essencialmente, todo o calor que não é usado para o trabalho mecânico do eixo, por exemplo, que normalmente é perdido para a "refrigeração" ou "transferência de calor" também é misturado com "calor de escape" e está disponível para um ciclo de assentamento. Normalmente, um ciclo de assentamento é implementado por um segundo motor térmico que é capaz de utilizar o calor rejeitado do ciclo de cobertura e contribui com energia mecânica adicional para o eixo, aumentando assim a eficiência geral. Não é incomum que uma grande usina de energia natural (escala MW) alcance uma eficiência de 40% no seu ciclo de cobertura e, em seguida, uma eficiência geral de 50 a 60% através do ciclo combinado. O novo recurso do motor proposto é que todas as perdas de "arrefecimento" sejam disponibilizadas, além do calor de escape para um ciclo de assentamento. A invenção aqui proposta é baseada no motor em X de três câmaras, em que 2 câmaras fazem o ciclo de cobertura HEHC, e a terceira câmara é usada como um expansor para um ciclo de de assentamento de Rankine. Além do injetor de vapor, nenhum novo hardware é necessário para implementar o motor proposto. O resultado é incrivelmente compacto, rentável e todo o ciclo combinado é alcançado com apenas algumas partes móveis (mais o equilíbrio da usina).

[0076] Para alcançar uma alta eficiência de freio, o motor recupera energia dos fluxos de arrefecimento e de escape:

[0077] Duas câmaras de 3 motores operam em HEHC. A exaustão do motor é executada através de um permutador de calor produzindo vapor superaquecido. A terceira câmara do motor utiliza um ciclo de assentamento de Rankine, com o vapor injetado no ponto morto superior.

[0078] Na modalidade proposta do motor, água/vapor são usados como mecanismo de arrefecimento, vedação, lubrificação e recuperação de calor. Apenas uma pequena quantidade de água é necessária para fins de refrigeração do rotor (~ 30% da massa de ar de admissão), e o óleo pode ser completamente eliminado do sistema. A temperatura de funcionamento do motor pode ser aumentada até 400 C uma vez que nenhuma película de óleo é necessária (em vez de 180°C, que é típico com a película de óleo).

[0079] Mostrado na figura 2a é o motor em X com 3 câmaras com a cobertura frontal removida. Ele compreende o compartimento 201, as placas de cobertura 202 e 206, figura 2 b, um rotor 203, três vedações do ápice 204 e duas vedações faciais 205. Uma carga de ar de admissão 235 flui para dentro da câmara através do eixo 233 e da porta de admissão 232. Os espaços da câmara de trabalho são delimitados pelo rotor, pelo compartimento e por duas placas de cobertura. No ciclo de cobertura proposto, duas das câmaras de trabalho, chamadas “E_ HEHC”, serão configuradas como câmaras de disparo que executam 2 ou 4 ciclos de HEHC-SI. A terceira câmara, chamada “E_ VAPOR”, será dedicada ao ciclo de assentamento (ver a figura 2a).

[0080] Um revestimento de proteção térmica é usado em superfícies internas do compartimento e as coberturas ou o isolamento térmico ao redor do compartimento não mostrado mantêm a maior parte do calor de combustão. Não há contato do compartimento com quaisquer partes móveis, exceto a vedação de ápice, assim, o compartimento não deve ser arrefecido se for proporcionado um arrefecimento dedicado para as vedações do ápice. Os únicos componentes que precisam ser arrefecidos são o rotor e todos as vedações, esses são arrefecidos interiormente por água bombeada através das vedações do motor. O fluxo de água é mostrado na figura 2b. As setas vermelhas 271-in e 271-out, 272-in e 272-out, 273-in e 273- out mostram o fluxo de água através dos orifícios de medição 262 na placa de cobertura 206 na direção de plano axial através de cada uma da vedação do ápice 204; esses fluxos saem do outro lado do motor através da placa de cobertura 202, figura 2a. A figura 2e fornece os detalhes do fluxo 271 através da vedação 204. A vedação do ápice é descrita no pedido #: 13/434.827, depositado no dia 2012/03/29, por este meio aqui incorporado a título de referência em sua totalidade (e também em U.S. 8.523.546), bem como abaixo. Eles são feitos a partir de duas metades 241 e 242, energizados pela mola 244; essas duas metades deslizam uma em relação ao outro, como mostrado com setas verdes, e permitem que a água, que flui através do canal 243, vaze por meio dessa interface deslizante para o rotor 203. Uma segunda versão da vedação de ápice é mostrada na figura 2d. Ela tem a mola 244, almofada energizada 245 e roletes de cerâmica 246. A água flui através do canal, na almofada e, o rolete sendo arrastado e espalhado sobre o rotor. Devido ao fato de que as vedações do ápice são estacionáriasdentro do compartimento, a água flui continuamente através delas.

[0081] O fluxo de água para as vedações da face 205 é tridimensional, mostrado na figura 2b e 2c. Um fluxo de água 281-in entra no orifício de medição 261 na placa de cobertura 206 na direção axial; que fica dentro de um sulco na superfície de contato da vedação de face de copo em U 205, figura 2c. A vedação de face de copo em U é discutida nas figuras 8 e 13 abaixo. A partir daqui, o fluxo 281-in divide- se em duas direções, como mostrado pelas setas tracejadas. A água flui para dentro do sulco e sai 281-out em dois locais a partir da mesma placa de cobertura, observar como as setas de fluxo alteram a direção. Devido à geometria única de motores em X, o sulco na face de vedação 205 é sempre e simultaneamente exposto a ambos os orifícios de entrada 262 e de saída 263 permitindo assim que a água flua de forma contínua através de interfaces de vedação/cobertura de face.

[0082] A água, como foi dito acima, não só arrefece as vedações, mas também auxilia na vedação em si. A vedação não é perfeita, no entanto; alguma água escoa para dentro das câmaras e essa constitui a injeção de água como descrito acima. Além disso, essa água quente que flui através do ápice de vedação/rotor e interfaces de vedação/cobertura de face formam a mistura água e vapor que, em parte, evapora e sobreaquece nas paredes das placas de rotor e de cobertura. Essa mistura água e vapor tem seis funções distintas: 1) o vapor sobreaquecido, quando gasto, gera energia adicional à custa do calor extraído a partir das placas de cobertura do rotor e; 2) a eficiência é aumentada, como o resultado de recuperação de calor parcial; esse calor é normalmente perdido para o ambiente através da água de arrefecimento no revestimento do motor; 3) o arrefecimento de ambos o rotor e as placas de cobertura ocorre mediante a evaporação da água;4) lubrificar a interface entre o rotor (pistão) e o cilindro; 5) vedar o rotor (pistão); e 6) para criar um conjunto maior de energia de alta qualidade, como o vapor que entra nas câmaras seria, finalmente, esgotado e combinado com o escape do motor

[0083] Com referência à figura 1B: a termodinâmica do cilindro (pontos 1 a 4, no interior do diagrama de ciclo HEHC dentro da parte do motor E_HEHC) é modelada com um código de simulação do GT-Power 1-D para um pequeno motor de 1kWe. Os gases de escape e o vapor de água saem da câmara no ponto 4 e entram em um conversor catalítico, CAT, em que qualquer combustível não queimado é adicionalmente oxidado e sai com os parâmetros 5. A mistura de gás e vapor, então, entra no permutador de calor # 1 HE1, e sai no ponto 6, uma liberação de calor para a água que entra no segundo circuito de HE1. Após HE1, a mistura de gás e vapor de combustão entra no ejetor, onde ainda se mistura com o vapor de baixa pressão que sai E_VAPOR no ponto 10.

[0084] A água, fornecida a partir da torneira e deionizada em “de-I” figura 1A entra e arrefece o alternador e entra na bomba no ponto 7, figura 1B. A água sai da bomba no ponto 8, figura 1B, em que, tal como descrito acima que entra HE1. A água sai HE1 no ponto 9, figura 1B na forma de vapor sobreaquecido e entra E_VAPOR, onde se expande para o ponto 10, figura 1B e entra no ejetor onde se mistura com os gases de escapes do EHEHC , como foi descrito acima. Os gases de escape e vapor são ainda direcionados para uma válvula de 2 vias. A câmara de E_VAPOR do motor, portanto, executa um ciclo de assentamento, que recupera uma parte do calor residual que, de outra forma, é jogado fora por meio de arrefecimento e de escape do motor.

Análise de Modelamento Termodinâmico

[0085] As potências do motor de um alternador comercial em circulação (presumido 96% eficiente, por FOA). A eficiência inclui o motor de base HEHC, bem como um componente de ciclo inferior adicional. A eficiência de componente HEHC (com WI) é:

[0086] nEngine = ncomb ' nind ' nm ' αWI = .95 * .38 * .875 * 1.052 = 32.3%.

[0087] A eficiência indicada do motor, nind , é reduzida pela ineficiência de combustão, ncomb, e ineficiência mecânica, nm. Assumimos uma estimativa conservadora para o aumento em BTE (1,052), devido à injeção de água (αWI).

[0088] A eficiência do freio do ciclo de assentamento Rankine (BRC) nRankine = 19.6%. Observa-se que cerca de 79% de calor de escape/arrefecimento está disponível como uma entrada para o ciclo de Rankine.

[0089] A eficiência do freio do motor em X e do ciclo de assentamento (HEHC juntamente com a BRC) é:

[0090] nEngine+BC = nEngine + (1 - nEngine) ' αBC_AVAL ' nbRc = .323 + (1-,323)*.795*.196 = 42.9%.

[0091] Por fim, a eficiência global do grupo gerador elétrico (incluindo o alternador) é n gerador = 42,9 * 0,96 = 41,2%;

[0092] O ciclo HEHC será reforçado com a injeção de água, eliminando o arrefecimento externo para o motor e o alternador além de proporcionar um meio simples para um “ciclo de assentamento” eficiente. A presença de água e de vapor é aproveitado em ambos os benefícios ambientais e de confiabilidade. O uso de óleo pode ser totalmente eliminado em favor de lubrificação a vapor. O arrefecimento interno combinado com o isolamento externo mantém o calor no interior do sistema, enquanto assegura simultaneamente um funcionamento silencioso.

[0093] Para estimar a eficiência elétrica do sistema de CHP proposto, a análise foi realizada com dois conjuntos de suposições: conservadoras e agressivas. As suposições que foram utilizadas para o modelo 1-D de E_HEHC e os resultados obtidos são como se segue Eficiência térmica de freio = (BTE):

Tabela 1 - Análise conservadora e agressiva de desempenho do motor.

[0094] Detalhes do modelo: os 4 tempos dos processos de motor E_HEHC são modelados em uma simulação de GT-Power 1-D do motor em X. O modelo tem informações de geometria apropriada, incluindo o volume, área superficial, áreas de abertura e outras características do mini motor em X.

[0095] O ar é introduzido através do eixo e da porta de admissão.

[0096] O ar é comprimido (1 ^ 2). A transferência de calor (Woschni tipo de modelo) e de vazamento (fuga de gás) é modelada como o fluxo através de um orifício de saída da câmara. Parte do vazamento é para câmaras adjacentes, e parte é para a atmosfera.

[0097] NG é injetado a qualquer momento depois que a porta de admissão é fechada.

[0098] O ar e combustível são queimados de 2 ^ 3 com o uso de uma função Wiebe para emular a liberação de calor removido de tempo. 95% de eficiência de combustão são presumidos. O volume durante essa fase é aproximadamente constante.

[0099] Os produtos de combustão são expandidos 3 ^ 4, enquanto considera novamente os vazamentos e a transferência de calor. A sobre-expansão continua até que a pressão atmosférica seja alcançada.

[00100] Os produtos de combustão são expulsos através de uma porta de escape no rotor, por meio de janelas na cobertura e entram no conversor catalítico (CAT, figuras 1 e 2).

[00101] Em CAT, o combustível restante é ainda oxidado e a temperatura de descarga é aumentada.

[00102] A partir de CAT, os escapamentos são direcionados para um permutador de calor, HE1

[00103] É um desafio modelar a água e o vapor na simulação de GT- Power. Na análise aqui apresentada, nós modelamos HEHC sem injeção de água, mas assumimos que 5% (conservadora) ou 22% (agressiva) em ganhos de eficiência são possíveis com base em pesquisa bibliográfica.

[00104] O resto dos cálculos foi realizado com o uso de tabelas de água e vapor. Para HE1 de troca de calor:

[00105] ME (h6 - h5) = Mw (h9 - h8) = QHE1 = 1.32 kW - calor trocado em HE1 (1), em que:

[00106] ME é a massa de gases de escape que sai E_HEHC - (a partir de 1D simulação de E_HEHC )

[00107] h1 - h6 são entalpias de gás nos pontos de 1 a 6 (de simulação 1D)

[00108] A massa de água que entra em HE1 pode ser encontrada a partir da eq. (1):

[00109] Mw = 0,0004 Kg/s é o fluxo de água

[00110] h7 - h10 são entalpias de água e vapor nos pontos 7 a 10.

[00111] h7 dá condição de água que sai do alternador (aumento da temperatura da água no alternador é mínima, 12°C.). Uma vez que pressão da bomba é escolhida (40 bar, presumido), todos os outros pontos de E_VAPOR podem ser encontrados a partir das tabelas de água e vapor.

[00112] Todos os parâmetros restantes abaixo são mostrados para as suposições “conservadoras” para economizar espaço:

[00113] Qin = 2,45 kW (menor valor de aquecimento de combustível de entrada, dado como parâmetro)

[00114] WOUT = W HEHC + W VAPOR - W BOMBA

[00115] = 0,792kW + 0,2604 kW - 0,0016 kW = 1,05 kW

[00116] WHEHC_indicado = 0, 931 kW (trabalho líquido indicado a partir do modelo GT-Power do motor HEHC) rnn. 09 0.931 kW

[00117]

[00118] Eficiência “cascata” para o motor E_HEHC é:

[00119] nHEHC = ncomb ' nind ' nWI ' nm = ,95 * ,38 * 1,052 * ,85 = 32.3% - eficiência do freio ( n pθntθ = 95% - eficiência de combustão presumida; nind = 38% - 1-d resultado da simulação do GT-Power com suposições “conservadoras”; - medida em LPP (corresponde a 5% no total de perdas de atrito de BTE)’ - suposição conservadora para o ganho de eficiência com a utilização de WI)’

[00120] WS = Mw (hio - h9) nise_s = 0,2604 kW - o trabalho produzido por vapor na suposição de E_ vapor.

[00121] nise_s = 0,7 (tipicamente, nise_s varia de 65% a 85%);

[00122] WP = Mw (ha - h7) nise_p = 0,0016 kW - o trabalho necessário para acionar a bomba

[00123]

[00124] A eficiência completa do motor em X, com assentamento de WI e de Rankine é, então:

[00125] 0motor em X = WOUT/Qin = 1,05kW/2,45kW; nmotor em X = 42,9%

[00126] Considerando 96% de eficiência do alternador, ficamos com a eficiência total do gerador:

[00127] ngerador = nmotor em x x nalt = 42,9% x 96%; ngerador = 41,2%;

[00128] Repetindo (e ignorando detalhes) para o cenário agressivo nos dá ngerador = 47,7%

[00129] Portanto, para ambos os cenários conservadores e agressivos, a eficiência do gerador proposta será superior a 40% necessário, proporcionando um kWe e ligeiramente mais do que 1 kW de calor utilizável a temperaturas > 100°C.

[00130] Deve-se observar que os injetores de gás podem ser usados em vez de injetores de vapor, se for benéfico usar ar comprimido ou o nitrogênio, ou ar líquido de alta pressão ou de nitrogênio.

[00131] Em uma outra modalidade da invenção proposta apresentada na figura 3A, na figura 3B e na figura 4, uma configuração de pistão de motor de combustão interna 300 é utilizada; apenas um único pistão 303, formando dois cilindros 300 é mostrado, mas é igualmente adequado para as geometrias de múltiplos pistões.

[00132] A figura 3a fornece uma visão geral do motor 300; a figura 3b é um corte transversal, que mostra a água que passa através do compartimento para dentro do pistão e através de sulcos. A figura 4 é um corte transversal que mostro os sulcos 304 em ambos o pistão e compartimento, bem como na “linha de alimentação” 305. Na modalidade representada, a água é fornecida através de condutas no membro móvel pistão 303, mas em modalidades alternativas não mostradas, a água pode ser fornecida diretamente para a superfície de vedação por um conduíte no compartimento.

[00133] As câmaras de combustão 306, com válvulas e ambos combustível 307 e injetores de água 308 são mostrados no lado do motor, como uma configuração possível. Além disso, ou em vez dos injetores de combustível e água, uma ou ambas as câmaras podem usar injetores de vapor e/ou de gás (não mostrados); o vapor e/ou alta pressão, o gás de alta temperatura seria formado fora do motor. Além disso, as velas de ignição (não mostradas), se necessário, poderiam ser usadas para inflamar mistura de ar e combustível. As injeções de água poderiam ser utilizadas de forma intermitente ou simultaneamente com injeções de combustível e/ou gás. A inclusão de um injetor de vapor iria permitir a execução de um ciclo de assentamento de Rankine, semelhante ao motor em X descrito acima. O fluxo de água é mostrado como linhas tracejadas azuis na figura 3B. O arrefecimento de água 301-in entra no compartimento através das linhas de abastecimento de água no interior do pistão nos sulcos de pistões, figura 4. Essa água, que flui dentro dos sulcos do pistão, arrefece simultaneamente o cilindro e o pistão e também veda o espaço entre o pistão e o cilindro, servindo assim como uma vedação. A água irá evaporar parcialmente, formando a mistura de água e vapor que serve como um lubrificante tambem. Mais uma vez, como no caso do motor em X, a saída de vapor a partir de tais vedações iria se misturar com o gás no cilindro, e iria eventualmente ser esgotado a partir do motor e direcionado para um permutador de calor, caldeira/superaquecedor, onde o vapor fresco seria formado para ser injetado para dentro do motor através dos injetores de vapor, implementando assim o ciclo de assentamento de Rankine.

[00134] Os mesmos seis benefícios descritos para motor em X serão aplicados para o motor de pistão nas figuras 3A, 3B e 4.

[00135] As figuras 5 a e b fornecem alguns detalhes de modificações de rotor que podem ser úteis para impedir que a perda de ar de arrefecimento pressurizado sobrecarregue o motor ao bloquear estrategicamente a área de nervura da porta de escape com uma placa 501 de um dos lados, bloqueando assim o arrefecimento de ar 502 a partir de pressurização porta de escape 503. A figura 5a também demonstra a utilização de espuma termicamente condutora 504 para aumentar a eficiência da transferência de calor a partir da borda do rotor 505 em aplicações de ar arrefecido. Além disso, a espuma, ou pequenas nervuras ou “aletas” 506, integral com cume do rotor, são muito eficazes para o arrefecimento do rotor. O fluxo de ar de arrefecimento na proximidade do cubo do rotor não é eficaz uma vez que as temperaturas de nervura nesta região são relativamente baixas. As placas 507 poderiam ser usadas para direcionar o fluxo de ar apenas para a área da nervura para conservar sobre os requisitos de fluxo de ar de arrefecimento. Em alternativa, as placas 508 localizadas em diferentes planos axiais do rotor podem conferir padrão de fluxo de ar em ziguezague que, por sua vez, aumenta a eficácia da troca de calor.

Design de 2 tempos

[00136] Como foi mencionado acima, o design do motor em X é adequado tanto para a operação em 2 tempos quanto para a operação em 4 tempos. A modalidade do motor em X em 2 tempos é mostrada nas figuras 6 a e b; o motor em X aberto na lateral, que usa o rotor de 2 lóbulos e o compartimento de 3 lóbulos. Nessa figura, a placa de cobertura frontal não é mostrada para permitir uma visualização mais fácil. O rotor 602, mostrado na posição de ponto morto inferior, gira em torno do eixo de manivela 605, programado para o compartimento 601 e a placa de cobertura 604 através de um mecanismo de engrenagem.À medida que o rotor 602 gira, as suas vedações (não representadas) atravessam as portas 603, 606 e 607, fechando ou abrindo de forma eficaz para as suas respectivas câmaras de trabalho. As portas 603, 606 e 607 poderiam ser produzidas em qualquer placa lateral, mas potencialmente diferentes na forma ou na localização de portas 603,606 e 607 e podem ser produzidas no mesmo lado da cobertura 604 e/ou na cobertura do lado oposto (não representado) e são posicionadas e sondadas para atuar como uma porta de admissão ou de escape (escondidas nessa vista).

[00137] As janelas 609 são opcionais. Um motor dessa configuração poderia ser utilizado com qualquer um dos métodos de combustão disponíveis (faísca inflamada, ignição por compressão, HCCI, etc.)

[00138] O rotor 602, como mostrado, é simétrico em natureza, embora os designs assimétricos também sejam possíveis e que funcionam de forma semelhante. Nessa configuração, os dois lóbulos do rotor são utilizados para porções de compressão e expansão do ciclo. As nervuras 608 mostradas nesse rotor são opcionais. Ambos os lados do rotor poderiam ser produzidos de modo sólido (não mostrado).

[00139] A figura 6b mostra a possível configuração de áreas de porta de arquitetura do motor em X em 2 tempos. As portas 3a (admissão) e 3b (escape) podem ser localizadas em qualquer uma ou ambas as coberturas laterais e/ou podem se sobrepor. Em geral, a porta de escape abriria fazendo com que o gás expandido começasse a desgastar em primeiro lugar. O fluxo de ar em direção ao orifício de escape retoma como a ingestão é aberto, e esse fluxo ajuda a atrair a carga de admissão, como é típico para um motor de pistão de 2 tempos aberto. Outra abordagem é para o fluxo de ar pressurizado através da ingestão de, por exemplo, uma “lâmina de ar” para assegurar que o ar fresco entre no motor e o gás de escape seja evacuado.

[00140] As vedações (não mostradas) do rotor 602 atravessam essas portas e abrem e fecham de maneira eficaz impedindo a comunicação com a câmara de trabalho 604. A forma e as localizações de portas 603-A, 603-b determinam tempo de porta, a área de fluxo de porta, porta de sobreposição, taxa de compressão e outros parâmetros essenciais do motor. Uma vantagem disso, mais convencionalmente, do motor de pistão de 2 tempos aberto (com simetria de porta sobre o ponto morto inferior) é a capacidade de ter tempo de porta que é assimétrica sobre motor de ponto morto inferior. Uma maneira de usar essa vantagem é fechar a porta de admissão depois que a porta de escape está fechada quando ao se mover através do ciclo. Isso juntamente com a indução forçada de alguns solar (ou um compressor de um turbocompressor, ou como apresentado acima, especialmente uma sobrealimentação, compressão e ejecção), permite que a câmara de trabalho seja pressurizada externamente com ar fresco, de forma eficaz prendendo massa de ar mais fresco, permitindo assim que o motor produza mais potência. Outro tempo de porta de forma assimétrica sobre ponto morto inferior ou superior pode ser utilizado é o de produzir um excesso de ciclo expandido. A indução forçada também é utilizada nesse design para eliminar os resíduos durante o período de sobreposição da porta e substituí-los com o fluido de trabalho fresco. A forma da porta, área e design a montante são fundamentais para produzir as características de desempenho desejadas e podem assumir muitas formas diferentes.

[00141] Essa operação de 2 tempos também é aplicável para qualquer rotor lobulado e compartimento lobulado N + 1. Um exemplo específico quando N = 1 é mostrado na figura 6c, isto é, o rotor tem 1 lóbulos e o compartimento tem 2 lóbulos. A forma, a função ou a localização de janelas 603 podem ser as mesmas, como mostrado na figura 6, ou diferentes.

[00142] O motor pode utilizar uma combinação de portas ou válvulasreguladoras de pressão para admissão e escape.

Vedações

[00143] Independente de quão eficiente o ciclo ou design seja, se as vedações não tiverem um bom desempenho, não se pode esperar alta eficiência do motor. Por conseguinte, para aumentar ainda mais a eficiência do motor, é primordial aumentar a eficácia de vedação. As modalidades abaixo demonstram os conceitos paro aprimoramentos de vedação para geometrias motor em X. As vedações desenvolvidas e implementadas para a geometria motor em X, especialmente a vedação de copo em U abaixo, melhoraram significativamente o desempenho medido dos motores em X rotativos, e o desempenho de vedação superou a de um motor estilo Wankel padrão, aproximando-se de um motor de pistão convencional. Deve-se notar que as vedações poderiam ser usadas em compressores ou bombas, além de qualquer motor, por isso vamos falar sobre fluidos, gás ou líquidos, como os meios de comunicação que precisam ser vedados. Em muitos casos, as vedações podem ser generalizadas para trabalhar em outros tipos de motores rotativos ou de pistão, compressores ou bombas.

[00144] A vedação de copo em U 710 é mostrada na figura 7a a d, em conjunto com um rotor 720 e a vedação do ápice 730, figura 7 c. Ele tem uma secção transversal em forma de U (figura 7c a e), que consiste na perna anterior 711, na perna posterior 712 e na ponte 713 que conecta essas duas pernas. A vedação 710 está situada no cume da forma correspondente do rotor 721. A superfície radial 714 da perna anterior da vedação de copo em U é exposta ao fluido a ser vedado (líquido ou gás). Essa superfície 714 tem OD igual ou ligeiramente menor do que o diâmetro externo do rotor 722 para evitar o contato com o ápice da vedação 730 que fica sobre a dita superfície radial do rotor 722. A pressão de fluido que atua sobre a superfície 714 força a perna da vedação 711 a assumir o contato com o cume 721, fechando assim um percurso de fuga para o fluido. A superfície axial 715 da perna anterior da vedação de copo em U está em contato com as coberturas laterais fixas 740 do motor. A função da perna posterior 712 é evitar que a vedação se afaste de modo radial ou deslize para fora do cume do rotor 721, como a vedação pode ter uma lacuna opcional 717, figura 7a. O recurso de antirrotação 716, figura 7 a na vedação coincide com o bolso no rotor. Exceto para o pré-carregamento inicial fornecida pelas molas 750 localizadas nos orifícios 722 do cume do rotor, a vedação de copo em U é atuada por gás; a pressão de fluido que atua no segundo exposto para a superfície do fluido 718 fornece axial força no sentido da seta, que força a vedação para a cobertura lateral 740. Assim, o fluido pressuriza as superfícies 714 e 718, forçando a vedação contra a cobertura estacionária e contra a nervura 721. Para garantir que não haverá elevação fora da vedação a partir do membro estacionário (cobertura), a área da superfície 715, em contato com a cobertura, deve ser menor do que a soma das projeções de áreas 714 e 718 sobre a superfície 715. Por exemplo, a figura 8 ilustra de forma esquemática uma projeção 726 da área de superfície da superfície de recepção de pressão do fluido (por exemplo, 718; 714) de uma vedação para a superfície de contato axial 715 da vedação, ou alternativamente, uma projeção 726 de área de superfície de superfície de pressão de recepção de fluido por exemplo, 718; 714 de uma vedação para um plano definido pelo painel lateral 740, uma projeção 727 de uma pressão de fluido a superfície de recepção por exemplo, 718; 714 para a cobertura mesmo lado 740. Um cálculo dessa área 715 é um tanto complexo, mas os princípios gerais são de que as forças dinâmicas que atuam sobre a vedação de copo em U (pré-carga de mola, a pressão do gás, de fricção e as forças de inércia) não iriam elevar a vedação a partir do lado da cobertura 740 e também as forças de atrito devem ser minimizadas. Uma vedação de faixa secundária (opcional) 760, figura 7 d também pode ser utilizada para melhorar ainda mais as características de vedação da vedação de copo em U, e também podem ajudar a energizar e proporcionar estabilidade para a vedação primária de copo em U. Tal vedação secundária, colocada em um sulco convencional dentro de um rotor (figura 7 f), pode ser usada no lugar do cume 721.

[00145] Ainda outro aprimoramento é apresentado na figura 7e. Essa configuração consiste na vedação de copo em U não foi colocada no cume do rotor, mas sim na borda do rotor 722 e a vedação de ápice de 4 partes 731, 732, 733, e 734, daí o nome de “vedação 4P”. A montagem de rotor e vedação consiste no rotor 720, vedações de copo em U 710, compartimento 770, uma vedação de faixa interna opcional 760, triângulo de vedação de ápice 733, peça longa de vedação de ápice 732, vedações de botão 731 e 734, molas helicoidais 750 e mola de lâmina 780. O OD de vedações de copo em U 710 é maior do que o diâmetro externo do rotor 720; o triângulo de vedação de ápice 733 e a peça longa de vedação de ápice 732 estão em contato com o rotor 720, enquanto que duas vedações de copo em U 710 estão em contato no OD com os botões 731 e 734. Os componentes de todas as vedações são a mola e o fluido ativado. O compartimento 770 tem o sulco (não representado) para cortar a vedação de copo em U para encaixar quando o rotor está na posição de ponto morto superior. Uma vez que os segmentos de botão de vedação de ápice funcionam continuamente sobre a superfície radial da vedação de copo em U, a divisão da vedação de copo em U precisa ser feita não perpendicular à superfície de contato com o componente estacionário, mas sim no ângulo agudo, digamos de 15 graus. Isso permitirá que as vedações de botão sejam executadas suavemente sobre a divisão.

[00146] A figura 9 mostra molas opcionais 903 que podem ajudar a vedação de copo em U permaneça o contato com o cume na “cintura” do rotor; esses segmentos tendem a se afastar do cume devido àsforças centrífugas e de fricção.

[00147] Na figura 10 é mostrada outra modalidade da vedação de face, uma placa de face de vedação 1002 situada na extremidade do rotor 1001. A placa de face de vedação 1002 pode ser fabricada por gravação química, corte a laser, usinada ou qualquer outra tecnologia adequada. A junta da placa tem um sulco antirrotação em contato com uma nervura 1003. Além disso, se placa for feita com alta resistência, o limite de elasticidade elevado e um material de baixo módulo, as molas adicionais não são necessários para energizar a vedação; uma pequena nervura 1006 sobre o rotor vai empurrar a vedação de placa para as coberturas, enquanto a pressão do fluido iria assumir durante o funcionamento do dispositivo.

[00148] Para assegurar um funcionamento correto da vedação, o ID da placa de face de vedação 1004 é um pouco maior do que o diâmetro externo do sulco do rotor 1005, enquanto o OD da placa deve ser ligeiramente menor do que OD do rotor.

[00149] Para garantir que não haverá elevação fora da vedação a partir do membro estacionário, a mesma regra utilizada para vedação do copo em U aplica-se aqui, ou seja, a área da perna da vedação em contato com a superfície estacionária deve ser menor do que a soma das projeções de áreas expostas ao fluido pressurizado na dita superfície.

[00150] Na figura 11 é mostrada uma outra modalidade da vedação de face, um vedação de faixa estacionária 1102 situada no interior de um sulco nas coberturas 1104. A montagem de vedação consiste no rotor 1101, vedação estacionária 1102, vedação de botão 1103, a cobertura 1104, a montagem de vedação do ápice 1105, e da mola de lâmina 1106. A vedação estacionária 1102 e a vedação de botão 1103 são sentadas no sulco de vedação de cobertura 1104. O rotor 1101 tem superfícies planas nos lados. O rotor 1101 tem a montagem de vedação do ápice 1105, vedações estacionárias 1102 e vedações de botão 1103 e compartimentos em conjunto formados uma câmara de vedação. A mola de lâmina 1106 empurra a montagem de vedação do ápice 1105 para o OD do rotor 1101. As molas helicoidais são empurram as vedações estacionárias 1102 e as vedações de botão 1103 para o rotor 1101 da superfície lateral.

[00151] O rotor do motor poderia ser feito a partir de um único material, tal como aço, alumínio, cerâmica, etc., ou pode ser feito de dois ou mais materiais. A figura 12 mostra um exemplo de como um rotor pode ser feito com uma manga, que pode dar algumas propriedades do rotor avançadas, tais como baixo desgaste e taxas de atrito, capacidade de alta temperatura, etc. O rotor 1201 é mostrado inserido na manga 1202 na figura 12a. A característica “macho e fêmea” 1203 na manga e no rotor pode ser usada para manter a manga congruente com o rotor, bem como uma característica de rotação. Além disso, a manga pode ser usada como um cume do rotor que é necessário em muitos modelos de vedação apresentados acima; como um exemplo, ver a figura 12 c, que mostra a vedação estilo de copo em U 1205 montada sobre a manga 1202. Por fim, a manga ou o próprio rotor podem ter algumas características de fluxo 1204, o que poderia, potencialmente, limitar a quantidade de retorno de gás queimado durante o curso de admissão.

[00152] As figuras 13 a a c exibem variações adicionais de vedanção de copo em U, que incluem vários elementos de vedação flexível (polímero ou metal: tira, anel em O oco, anel em C, anel em E, anel Quad, anel em X, etc.,) para ajudar no desempenho de vedação. Todos esses elementos flexíveis trabalham em conjunto com a vedação primária, que experimentam a maior parte da pressão e da temperatura. O elemento flexível forma uma vedação secundária, que é energizada por suas propriedades elásticas, enquanto que durante o funcionamentoserá energizado pelos fluidos que escapam além da vedação primária.

[00153] As figuras 13a a c, e as Figuras 14a a i demonstram os possíveis exemplos de como poderia ser usado um tais elementos flexíveis: 1301, 1401 - de rotor; 1302, 1402 - manga; 1303, 1403 - elementos de vedação primária; 1304, 1404 - vedação secundária flexível; 1305, 1405 uma mola de pré-carga, o anel de metal do recipiente 1406 1407 de um fio de tungstênio, que é ativado pela pressão do gás e cunhas entre a vedação primária e o rotor. Esse último conceito também vai funcionar bem com uma vedação de placa descrita na figura 10.

[00154] Como antes, dentro da exceção das vedações que utilizam fios de tungstênio, as superfícies de vedação de todas essas vedações, isto é, as superfícies em contato com as coberturas laterais placas devem ser feita de tal maneira que a área da superfície, em contato com a cobertura, devem ser menores do que a soma das projeções de áreas expostas aos gases pressurizados sobre essa superfície. Essas superfícies de contato não são mostradas na figura 14 para maior clareza de outras características.

[00155] A figura 13A ilustra uma modalidade de uma vedação melhorada para um motor de categoria 1 ou para 2 um compressor rotativo ou para 3 uma bomba rotativa. Nessa modalidade, proporciona- se um motor aprimorado rotativo (ou compressor ou bomba) do tipo que tem um rotor epitrocoide que gira sobre um eixo, em um compartimento, e as primeira e segunda coberturas dispostas lateralmente. A melhoria inclui uma primeira vedação de face disposta em um primeiro canto em forma epitrocoidal formado por uma junção da primeira cobertura com o compartimento, a primeira vedação de face que tem uma secção transversal em forma geral em U, em um plano que passa através do eixo, de modo que a primeira vedação de face tem uma perna externa que é distal em relação ao eixo e uma perna interior, que é proximal em relação ao eixo, as duas pernas unidas por uma ponte em forma de L, em que a perna externa está disposta em um entalhe correspondente do lado de fora do rotor e a perna interior está disposta no interior de um entalhe correspondente do rotor. Opcionalmente, essa modalidade tem uma funcionalidade antirrotação, que evita a rotação da vedação em relação ao rotor, semelhante àquela mostrada na figura 15, empregando geralmente almofadas redondas fixas à vedação e que se projetam de modo radial para dentro em direção ao eixo em um recesso correspondente no rotor.

[00156] Em outra modalidade relacionada, o aprimoramento inclui um segundo vedação cara disposta em um segundo canto em forma epitrocoidal formado por uma junção do segundo compartimento, com o compartimento, a segunda vedação de face que tem uma secção transversal em forma geral de U, em um plano que passa através o eixo, de modo que a segunda face da vedação tem uma perna exterior que é distal em relação ao eixo e uma perna interior, que é proximal em relação ao eixo, as duas pernas unidas por uma ponte em forma de U, em que o lado de fora perna está disposto em um entalhe correspondente do lado de fora do rotor e a perna interior está disposta no interior de um entalhe correspondente do rotor.

[00157] Opcionalmente, a ponte em forma de U da primeira vedação de face inclui um canal, disposto em uma superfície da mesma que está em contato com a primeira cobertura, o canal de retenção de um componente no seu interior, o componente selecionado a partir do grupo que consiste em água, lubrificante, e uma combinação de água e um lubrificante.

[00158] No caso em que os fios de tungstênio são utilizados como uma vedação secundária, as superfícies de vedação de juntas laterais, isto é, as superfícies em contato com as coberturas laterais placas devem ser feitas de tal maneira que a área da superfície, em contato com a cobertura, deve ser menor do que a soma das projeções de áreas expostas aos gases pressurizados além de projeção de fio de tungstênio sobre essa superfície.

[00159] Combustão

[00160] Para aumentar ainda mais a eficiência do motor é necessário melhorar um processo de combustão. A figura 15 mostra a câmara de combustão de alta velocidade 1501. A câmara de combustão é um recesso no interior do compartimento 1502 e tem uma forma assimétrica. Por exemplo, a forma do recesso 1501 pode ser descrita como sendo assimétrico sobre uma linha que passa através do recesso 1501 e de um ponto central do compartimento 1502.

[00161] O perfil de compartimento interno 1503 encontra-se com a câmara de combustão em duas áreas: a borda dianteira 1504 e a borda traseira 1505. Quando o rotor se aproxima de TDC, a borda dianteira afiado 1504 gera um turbilhão de ar para a esquerda no interior da câmara de combustão 1501, que é mantida e guiada pela borda traseira. O turbilhão de ar aumenta a taxa de movimento, e melhora a mistura de combustível e ar, ao mesmo tempo em que acelera o processo de combustão, ambos os parâmetros são essenciais para a eficiência e desempenho do motor. O turbilhão de ar atinge a velocidade do ar tangencial com pico de 45 m/s, durante o funcionamento em velocidade de motor de automóvel normal. A figura 16 apresenta uma característica adicional da câmara de combustão de alta velocidade: acomodar fumaça de injeção 1506. Quando o motor está operando com a injeção direta de combustível, a forma alongada da câmara de combustão pode acomodar a fumaça de combustível cheio, eliminando, assim, a impregnação da parede de combustível, uma causa conhecida para a combustão pobre e emissões tóxicas mais elevadas.

[00162] As figuras 15 e 16 ilustram, de maneira esquemática, um motor rotativo do tipo que tem um rotor de 1509 que tem lóbulos N, uma porta de admissão para a entrada de um meio de trabalho, uma porta de escape, e um compartimento em relação ao qual o rotor está montado para rotação de movimento relativo para o compartimento, o compartimento que tem regiões de recepção de lóbulo N+1 e i um pico disposto entre cada par de regiões de recepção de lóbulo N+1 e ii um par de lados, as regiões de recepção de lóbulo N+1 ainda configuradas em relação ao rotor para receber sucessivamente os lóbulos N quando o rotor gira em relação ao compartimento, de maneira a estabelecer as câmaras, uma câmara associada com cada um dos regiões de recepção de lóbulo N+1, em que pelo menos uma câmara do estabelecida câmaras é configurada para processar, em sucessão, de admissão, de compressão do meio de trabalho e de injeção de combustível, as fases de combustão, expansão, e de escape. O motor inclui um recesso 1501 no compartimento associado a cada câmara de combustão, em que ocorre o recesso de maneira assimétrica conformado de modo a criar um vórtice no meio de trabalho no decurso de compressão e injeção de combustível. Em algumas modalidades, o recesso 1501 tem uma forma alongada, similar à gota, que é mais facilmente visto na figura 16, tendo uma extremidade mais estreita (por exemplo, onde injetor de combustível 1510 injeta uma fumaça 1506 de combustível) e uma extremidade distal extremidade mais larga a partir de a extremidade mais estreita. Essa forma acomoda uma forma e volume associado com uma fumaça 1506 de combustível injetado ali (por exemplo, como notado acima, a forma alongada da câmara de combustão/recesso 1501 pode acomodar a fumaça de combustível, eliminando, assim, choque parede de combustível, uma causa conhecida para pobre combustão e as emissões tóxicas mais elevadas).

Injeção de Combustível Melhorada

[00163] Para aumentar ainda mais a eficiência de combustão, que é crítico para prever uma boa mistura de combustível e ar de combustão. A geração um vórtice alta velocidade descrito acima poderia ser completada pelo injetor, cujo comprimento de penetração é pequeno e que gera gotículas de um tamanho muito pequeno, em uma gama de 5 a 10 microns. Tipicamente, isso é alcançado com injetores de ar assistidos orbitais e outros; ver também a patente U.S. N° 5.520.331, que descreve o bocal de atomização de líquido de ar assistido utilizado para minimizar o consumo de água em aplicações de combate a incêndios; esse requer um pequeno compressor separado para proporcionar um ar pressurizado. Nessa invenção, apresenta-se uma abordagem que é semelhante àquela descrita na patente U.S. N° 5.520.331, mas que não requer um compressor de ar.

Fabricação do Rotor

[00164] Para aumentar a eficiência e a potência de motores em X mais, é benéfico aumentar a temperatura de funcionamento do motor e para reduzir o atrito (e desgaste). Um rotor feito inteiramente de cerâmica fornece uma grande promessa de alcançar essas metas, mas é extremamente caro de fabricar. Uma solução menos cara e melhor poderia ser fornecida pelo rotor especialmente fabricado com o uso da deposição de gradiente em pó, pelos processos de metal de metalurgia do pó, descritos em, por exemplo, em “Dry Powder Deposition and Compaction for Functionally Graded Ceramics” por Zachary N. Wing e John W. Halloran, Departamento de Engenharia de Materiais Ciências da Universidade de Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109. O cume do rotor pode ser produzido com o uso de mistura de cerâmica e/ou de metal e/ou pós de grafite, enquanto que a parte central do rotor feito de alumínio ou de titânio ou quaisquer outros pós de metal leve. O método de fabricação de um tal rotor é mostrado na figura 17. O rotor é fabricado no interior do molde 1701, figura 17a, composto de uma base 1702, pastilhas 1703, guias removíveis finas (separadores) 1704 e a cobertura 1705, todos mostrados na figura 17f. Os pós são depositados “de forma gradual” (isto é, de maneira não uniforme no espaço 3D) para os vãos entre a base, a cobertura e inserções, figura 17b. A deposição de gradiente pode ser realizada em radial e/ou direções axiais e poderia ser feita de forma assimétrica, não só em termos de geometria, mas em termos de composição em pó também. Os gradientes são criados pelo sistema de distribuição de pó robótico calibrado ou manualmente com a ajuda de guias removíveis finas 1704. Depois de que as guias são removidas, deixando uma mistura de gradiente de materiais 1706 entre a base e o elemento de inserção (figura 17 d); a cobertura do molde é depois colocada sobre a base (figura 17 e) e o molde é submetido à compactação e sinterização sob grandes pressões e, opcionalmente, temperaturas. O molde pode também ser vibrado para melhorar a dispersão de camadas de pó para uma outra. Listagem de Referência

[00165] Várias modalidades da presente invenção podem ser caracterizadas pelas reivindicações potenciais enumeradas nos parágrafos que seguem esse parágrafo (e antes das reivindicações reais fornecidas no final do presente pedido). Essas reivindicações potenciais formam uma parte da descrição escrita desse pedido. Assim, o assunto das seguintes reivindicações potenciais pode ser apresentado como reivindicações reais em processos posteriores envolvendo esse pedido ou qualquer pedido de prioridade reivindicando com base nesse pedido. A inclusão de tais reivindicações potenciais não deve ser interpretada como significando que as reivindicações reais não abrangem o assunto das reivindicações potenciais. Assim, a decisão de não apresentar essas reivindicações potenciais em processos posteriores não deve ser interpretado como uma doação do assunto para o público.

[00166] Sem limitação, o assunto potencial que pode ser reivindicado (prefaciado com a letra “P”, a fim de evitar confusão com as reivindicações reais apresentados abaixo) inclui:

[00167] P1. Uma vedação em forma de copo em U, destinada a vedar o vão entre o membro estacionário e em movimento e que consiste em duas pernas e a ponte que conecta essas pernas, de modo que a perna anterior é exposta em duas superfícies para o fluido de pressurização, a terceira superfície em contato com a superfície estacionária e a superfície anterior em contato com a superfície correspondente do cume do membro em movimento da área da perna da vedação em contato com a superfície estacionária sendo menor do que a soma das projeções de áreas expostas ao fluido pressurizado na dita superfície. As modalidades da invenção descritas acima pretendem ser meramente exemplificativa; inúmeras variações e modificações serão evidentes para os versados na técnica. Todas essas variações e modificações pretendem estar dentro do âmbito da presente invenção, tal como definido em qualquer uma das reivindicações anexas.

Claims

1. Montagem de vedação para vedar um vão entre uma superfície axial de um rotor de uma máquina rotativa e um compartimento lateral da máquina, a montagem de vedação caracterizada pelo fato de que compreende: uma vedação de face que tem: um membro externo (711) que tem (i) uma superfície de contato axial (715), carregada de modo axial contra a lateral do compartimento (740), (ii) uma superfície externa radial (714) que é exposta ao fluido sendo selado, (iii) pelo menos uma outra superfície de recepção de pressão de fluido, e (iv) uma superfície de contato interno radial (719) que é carregada de modo radial contra o rotor (720) pela pressão de fluido; em que a superfície de contato axial (715), a superfície externa radial (714) e pelo menos uma outra superfície de recepção de pressão de fluido são formadas de modo que a pressão de fluido faz com uma força de líquido, através da qual a superfície de contato axial (715) é empurrada de modo axial contra a lateral do compartimento (740) e a superfície de contato radial interna do membro externo (711) é empurrada de modo radial contra o rotor (720).

2. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a vedação de face inclui ainda um membro de ponte (713) acoplado ao membro externo (711), que se estende em uma distância radial para dentro a partir do membro externo (711).

3. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a vedação de face compreende ainda uma mola carregada de modo axial (750) disposta entre o membro de ponte (713) e um recurso do rotor (724), de modo a fazer com que a carga axial da superfície de contato axial (715) fique contra a lateral do compartimento (740).

4. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma vedação secundária (760) disposta entre a mola carregada de modo axial (750) e o membro de ponte (713), de modo que a vedação secundária (760) é carregada de modo axial pela mola e carregada de modo radial contra o rotor (720) por pressão de qualquer fluido que foi soprado pela superfície de contato interno radial (719).

5. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma vedação secundária flexível (1304) disposta de modo radial entre o rotor (720) e a vedação de face.

6. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a montagem de vedação inclui ainda um conjunto de molas (903) acoplado à vedação de face e o rotor (720) e configurado para puxar o membro externo (711) de modo radial em direção ao eixo do rotor.

7. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a vedação de face inclui ainda membro de placa (1009) conectado ao membro externo (711) e disposto ao longo da superfície axial em uma direção de modo radial para o interior a partir do membro externo (711); e uma ranhura antirrotação (1010) disposta no interior do membro de placa (1009) para receber um cume que se projeta de modo axial correspondente (1003) do rotor (720) para evitar a rotação da vedação de face em relação ao rotor (720).

8. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o membro de placa (1009) inclui uma série de aberturas (1020) no seu interior para permitir a passagem de ar de refrigeração através do rotor (720).

9. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o corpo de rotor (1201) tem uma face radial, a montagem de vedação compreendendo ainda uma manga (1202), disposta de modo circunferencial ao longo da face radial; em que a manga tem uma lingueta (1203) que se projeta de modo radial para dentro e o rotor (720) tem um sulco indentado de modo radial correspondente para receber a lingueta.

10. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma montagem de vedação lateral, disposta na face radial do motor, a montagem de vedação lateral tendo uma vedação primária (1403) e um vedação secundária compressiva (1404), a vedação secundária estando em contato com a vedação primária e disposta em um sulco do motor.

11. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que tem um recorte de canto periférico para a vedação em forma lateral correspondente.

12. Montagem de vedação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o rotor (720) gira em relação ao compartimento (740) para estabelecer uma câmara de trabalho, a máquina rotatória tendo ainda uma porta de admissão para permitir a entrada de meio fresco na câmara de trabalho e uma porta de escape para permitir a saída de gases queimados da câmara de trabalho.