BR112019021368B1 - MAGNETIC COUPLING ASSEMBLY, PUMP OR COMPRESSOR AND USE OF A MAGNETIC COUPLING ASSEMBLY - Google Patents
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Abstract
Trata-se de um conjunto de acoplamento magnético (1) que compreende: um membro de acoplamento macho rotatório (2) que compreende ímãs (3); um membro de acoplamento fêmeo rotatório (4) que compreende ímãs (5); um membro de separação estático (6) disposto entre os membros de acoplamento macho e fêmeo, um primeiro canal (7) em um vão entre o membro de acoplamento macho e o membro de separação, um segundo canal (8) em um vão entre o membro de acoplamento fêmeo e o membro de separação, um canal interno axial (9) no membro de acoplamento macho, uma seção de acoplamento magnético (10) do membro de separação estático, em que a dita seção de acoplamento magnético é a seção do membro de separação estático entre os ímãs do membro de acoplamento macho e os ímãs do membro de acoplamento fêmeo, em que os membros de acoplamento macho e fêmeo são acoplados de modo rotatório pelos ímãs através da seção de acoplamento magnético do membro de separação estático. O conjunto de acoplamento magnético é distinguido por: o primeiro canal, o segundo canal e o canal interno axial conterem fluido (11) forçado a fluir através dos ditos canais para resfriamento e estabilização rotodinâmica, e a seção de acoplamento magnético do membro de separação estático ter um (...).This is a magnetic coupling assembly (1) comprising: a rotatable male coupling member (2) comprising magnets (3); a rotatable female coupling member (4) comprising magnets (5); a static separation member (6) disposed between the male and female coupling members, a first channel (7) in a gap between the male coupling member and the separation member, a second channel (8) in a gap between the female coupling member and the separation member, an axial internal channel (9) in the male coupling member, a magnetic coupling section (10) of the static separation member, wherein said magnetic coupling section is the section of the member of static separation between the magnets of the male coupling member and the magnets of the female coupling member, wherein the male and female coupling members are rotatably coupled by the magnets through the magnetic coupling section of the static separation member. The magnetic coupling assembly is distinguished by: the first channel, the second channel and the axial inner channel containing fluid (11) forced to flow through said channels for cooling and rotodynamic stabilization, and the magnetic coupling section of the static separation member have one (...).
Description
[001] A presente invenção se refere a acoplamentos magnéticos e máquinas que compreendem acoplamentos magnéticos.[001] The present invention relates to magnetic couplings and machines that comprise magnetic couplings.
[002] Existe uma demanda por maior potência, menor custo por potência ou efeito acoplado para acoplamentos magnéticos. O estado da técnica de acoplamento magnético, na medida em que é conhecido pelo requerente, é descrito e ilustrado na Publicação de Patente n° US 8.956.067 B2, no nome de Ruhrpumpen GmbH. Com o acoplamento magnético de dita patente, é possível acoplar magneticamente até 800 kW de efeito ou potência, a 1.800 rpm (rotações por minuto). Outras modalidades de acoplamentos magnéticos são descritas e ilustradas nas Publicações de Patente US 2015/0322756 A1, US 2015/0270768 A1, DE 3413930 A1, WO 2014/109648 A1 e US 2011/0057456 A1.[002] There is a demand for higher power, lower cost per power or coupled effect for magnetic couplings. The state of the art of magnetic coupling, insofar as it is known to the applicant, is described and illustrated in Patent Publication No. US 8,956,067 B2, in the name of Ruhrpumpen GmbH. With the magnetic coupling of said patent, it is possible to couple magnetically up to 800 kW of effect or power, at 1,800 rpm (revolutions per minute). Other embodiments of magnetic couplings are described and illustrated in Patent Publications US 2015/0322756 A1, US 2015/0270768 A1, DE 3413930 A1, WO 2014/109648 A1 and US 2011/0057456 A1.
[003] Nenhum dos acoplamentos magnéticos da técnica anterior, descritos nos pedidos de patente mencionados acima podem acoplar potência magnética, que excede 800 kW de efeito a 1800 rpm.[003] None of the prior art magnetic couplings described in the patent applications mentioned above can couple magnetic power, which exceeds 800 kW of effect at 1800 rpm.
[004] A invenção fornece um conjunto de acoplamento magnético, que compreende: um membro de acoplamento macho rotatório que compreende ímãs; um membro de acoplamento fêmeo rotatório que compreende ímãs; um membro de separação estático disposto entre os membros de acoplamento macho e fêmeo, um primeiro canal em um vão entre o membro de acoplamento macho e o membro de separação, um segundo canal em um vão entre o membro de acoplamento fêmeo e o membro de separação, um canal interno axial no membro de acoplamento macho, uma seção de acoplamento magnético do membro de separação estático, em que a dita seção de acoplamento magnético é a seção do membro de separação estático entre os ímãs do membro de acoplamento macho e os ímãs do membro de acoplamento fêmeo, em que os membros de acoplamento macho e fêmeo são acoplados de modo rotatório pelos ímãs através da seção de acoplamento magnético do membro de separação estático. O conjunto de acoplamento magnético é distinguido em: o primeiro canal, o segundo canal e o canal interno axial contêm fluido forçado a fluir através dos ditos canais para resfriamento e estabilização rotodinâmica, e a seção de acoplamento magnético do membro de separação estático tem um comprimento de razão de diâmetro maior do que um.[004] The invention provides a magnetic coupling assembly, which comprises: a rotatable male coupling member comprising magnets; a rotatable female coupling member comprising magnets; a static separation member disposed between the male and female coupling members, a first channel in a gap between the male coupling member and the separation member, a second channel in a gap between the female coupling member and the separation member , an axial internal channel in the male coupling member, a magnetic coupling section of the static separation member, wherein said magnetic coupling section is the section of the static separation member between the magnets of the male coupling member and the magnets of the female coupling member, wherein the male and female coupling members are rotatably coupled by magnets through the magnetic coupling section of the static separation member. The magnetic coupling assembly is distinguished into: the first channel, the second channel and the axial inner channel contain fluid forced to flow through said channels for cooling and rotodynamic stabilization, and the magnetic coupling section of the static separation member has a length diameter ratio greater than one.
[005] O canal axial e a disposição para fluxo de fluido através do primeiro, segundo e canal axial, garante melhor resfriamento e permite maior potência de acoplamento magnético do que a técnica anterior de acoplamentos magnéticos. Preferencialmente, os ímãs são ímãs permanentes. Preferencialmente, o acoplamento magnético é sincronizado. De modo Intercambiável, um dos membros de acoplamento macho e fêmeo é um membro de acionamento enquanto o outro é um membro acionado. O canal interno axial no membro de acoplamento macho pode alternativamente ser denominado um terceiro canal.[005] The axial channel and the arrangement for fluid flow through the first, second and axial channels ensure better cooling and allow greater magnetic coupling power than the previous technique of magnetic couplings. Preferably, the magnets are permanent magnets. Preferably, the magnetic coupling is synchronized. Interchangeably, one of the male and female coupling members is a driving member while the other is a driven member. The axial internal channel in the male coupling member may alternatively be called a third channel.
[006] Preferencialmente, o conjunto de acoplamento magnético compreende um quarto canal fora do membro de acoplamento fêmeo, através do qual fluido do quarto canal é forçado a fluir por resfriamento e estabilização rotodinâmica e lavagem. O quarto canal melhora resfriamento e estabilidade rotodinâmica adicionalmente, de modo que aumente a potência que pode ser acoplada magneticamente. Com o quarto canal, não apenas o membro de acoplamento macho é resfriado por fora e por dentro, mas também o membro de acoplamento fêmeo.[006] Preferably, the magnetic coupling assembly comprises a fourth channel outside the female coupling member, through which fluid from the fourth channel is forced to flow by cooling and rotodynamic stabilization and washing. The fourth channel further improves cooling and rotodynamic stability, thereby increasing the power that can be magnetically coupled. With the fourth channel, not only the male coupling member is cooled from the outside and inside, but also the female coupling member.
[007] A característica que o primeiro canal, o segundo canal, o canal interno axial e preferencialmente o quarto canal contém fluido forçado a fluir através dos ditos canais para resfriamento e estabilização rotodinâmica, significa que fluxo de fluido é fornecido por um ou mais circuitos de circulação de fluido, para resfriamento, estabilização rotodinâmica e lavagem. Propulsores em respectivas hastes de máquina motriz, ou bombas ou hastes de compressores, ou unidades de força hidráulica que fazem parte de respectivos circuitos de circulação de fluido, fornecem o fluxo forçado requerido.[007] The feature that the first channel, the second channel, the axial internal channel and preferably the fourth channel contain fluid forced to flow through said channels for cooling and rotodynamic stabilization, means that fluid flow is provided by one or more circuits fluid circulation, for cooling, rotodynamic stabilization and washing. Impellers on respective driving machine rods, or pumps or compressor rods, or hydraulic power units forming part of respective fluid circulation circuits, provide the required forced flow.
[008] O primeiro, segundo e quarto canais são canais anulares, dispostos em vãos anulares. Preferencialmente, um primeiro fluido ou mistura de fluido é forçado a fluir, por bombeamento, através do primeiro canal e o canal interno axial, em um interior do membro de separação, e um segundo fluido ou mistura de fluido é forçado a fluir, por bombeamento, através do segundo e quarto canal em um exterior do membro de separação, entretanto, o primeiro e segundo fluido ou mistura de fluidos podem ser idênticos. O segundo fluido pode incluir ou ser gás. As direções de fluxo de fluido através dos canais são preferencialmente fixas, mas podem ser invertidas, mas para algumas modalidades, direção de fluxo invertida pode resultar em capacidade reduzida para o conjunto de acoplamento magnético. Preferencialmente, o membro macho é o membro de acionamento, e o fluido forçado a fluir através do primeiro canal e o canal axial é um líquido ou mistura líquida. Tipicamente, para conjuntos de acoplamento magnético da técnica anterior, o membro fêmeo é a parte de acionamento, e o membro fêmeo é envolto por gás, o gás não é forçado a fluir.[008] The first, second and fourth channels are annular channels, arranged in annular gaps. Preferably, a first fluid or fluid mixture is forced to flow, by pumping, through the first channel and the axial inner channel, into an interior of the separation member, and a second fluid or fluid mixture is forced to flow, by pumping. , through the second and fourth channel on an exterior of the separation member, however, the first and second fluid or mixture of fluids may be identical. The second fluid may include or be gas. The directions of fluid flow through the channels are preferably fixed but may be reversed, but for some embodiments, reversed flow direction may result in reduced capacity for the magnetic coupling assembly. Preferably, the male member is the driving member, and the fluid forced to flow through the first channel and the axial channel is a liquid or liquid mixture. Typically, for prior art magnetic coupling assemblies, the female member is the driving part, and the female member is surrounded by gas, the gas is not forced to flow.
[009] A seção de acoplamento magnético do membro de separação estático tem um comprimento de razão de diâmetro maior do que um. Dita seção de acoplamento do membro de separação, é a seção ou intervalo de comprimento entre os ímãs dos membros de acoplamento macho e fêmeo. O efeito positivo de maior comprimento de razão de diâmetro é um aumento em força que pode ser acoplada. Um efeito negativo é possível problemas de estabilidade rotodinâmica. Um comprimento de razão de diâmetro da seção de acoplamento magnético em uma faixa de 1 a 15 é viável, mais preferencialmente 1 a 10, 1 a 5, 1 a 4, ainda mais preferencialmente 2 a 3. Um comprimento mínimo de razão de diâmetro da seção de acoplamento magnético é 1, mais preferencialmente 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; ou 5. Membros de separação da técnica anterior aparentemente tem dita razão de seção de acoplamento abaixo de 1.[009] The magnetic coupling section of the static separation member has a length to diameter ratio greater than one. Said separation member coupling section is the section or length interval between the magnets of the male and female coupling members. The positive effect of greater length to diameter ratio is an increase in force that can be coupled. A possible negative effect is rotodynamic stability problems. A length to diameter ratio of the magnetic coupling section in a range of 1 to 15 is feasible, more preferably 1 to 10, 1 to 5, 1 to 4, even more preferably 2 to 3. A minimum length to diameter ratio of the magnetic coupling section is feasible. magnetic coupling section is 1, more preferably 1.25; 1.5; two; 2.5; 3; 3.5; or 5. Prior art separation members apparently have said coupling section ratio below 1.
[010] O conjunto de acoplamento magnético preferencialmente compreende um interruptor de remoinho no membro de separação estático, coaxial a e voltado para uma entrada para o canal interno axial em uma extremidade do membro macho. Preferencialmente, o interruptor de remoinho compreende ranhuras no membro de separação, tais como quatro, seis, oito ou doze ranhuras radiais. O membro de separação é preferencialmente convexo no centro no interior coaxial a e voltada para a entrada ao canal interno axial do membro macho, no qual centro convexo o interruptor de remoinho preferencialmente está disposto.[010] The magnetic coupling assembly preferably comprises a swirl switch on the static separation member, coaxial to and facing an inlet for the axial internal channel at one end of the male member. Preferably, the swirl switch comprises grooves in the separating member, such as four, six, eight or twelve radial grooves. The separation member is preferably convex in the center at the coaxial interior and facing the inlet to the axial internal channel of the male member, in which convex center the swirl switch is preferably disposed.
[011] Preferencialmente um interruptor de remoinho está disposto no membro de separação estático em um ou ambos do primeiro canal e o segundo canal, opcionalmente também no quarto canal, preferencialmente na parte de entrada ou saída dos ditos canais. Interruptores de remoinho dispostos nos canais são formados como ranhuras paralelas à direção do canal, que é paralelo ao eixo geométrico rotacional do conjunto de acoplamento magnético.[011] Preferably a swirl switch is disposed on the static separation member in one or both of the first channel and the second channel, optionally also in the fourth channel, preferably in the input or output part of said channels. Swirl switches arranged in the channels are formed as grooves parallel to the direction of the channel, which is parallel to the rotational geometric axis of the magnetic coupling assembly.
[012] Interruptores de remoinho dispostos em um ou mais do primeiro, segundo e quarto canal, podem estar dispostos sobre uma parte ou partes ou o comprimento total de um ou mais dos ditos canais. Interruptores de remoinho podem estar dispostos isolados de outras mudanças dimensionais em qualquer um dos ditos canais, ou combinados, tal como a montante e/ou a jusante.[012] Swirl switches arranged on one or more of the first, second and fourth channels, may be disposed on a part or parts or the total length of one or more of said channels. Swirl switches may be arranged isolated from other dimensional changes in any of said channels, or combined, such as upstream and/or downstream.
[013] Em geral, interruptores de remoinho podem ser na forma de ranhuras, nervuras, padrões alveolares ou similares, em qualquer combinação, com as faixas ou limites de tamanho dimensional conforme estabelecido abaixo, de estrutura superior a inferior em um vão de folga de canal.[013] In general, swirl switches may be in the form of grooves, ribs, honeycomb patterns or the like, in any combination, with the dimensional size ranges or limits as set forth below, from upper to lower structure in a clearance span of channel.
[014] Cada um dos interruptores de remoinho está na forma de ranhuras com distância de ranhura inferior a ranhura superior na faixa 0,05 a 0,98 do vão para fluxo, os vãos são radiais ou axiais ou combinações dos mesmos, preferencialmente 0,1 a 0,9, mais preferencialmente 0,2 a 0,8, 0,3 a 0,7 ou 0,3 a 0,6, como cerca de 0,5 vezes o vão radial ou axial ou axial-radial para fluxo. Interruptores de remoinho preferencialmente têm uma distância radial ou axial ou axial-radial mínima de ranhura inferior a ranhura superior de pelo menos 0,05; 0,1; 0,15 ou 0,2 vezes o vão radial ou axial ou axial-radial para fluxo. Interruptores de remoinho reduzem queda de pressão devido à turbulência, evitam enrolamento, melhoram o resfriamento e consequentemente capacidade do acoplamento magnético.[014] Each of the swirl switches is in the form of slots with a distance from bottom slot to top slot in the range 0.05 to 0.98 of the flow gap, the gaps are radial or axial or combinations thereof, preferably 0. 1 to 0.9, more preferably 0.2 to 0.8, 0.3 to 0.7 or 0.3 to 0.6, as about 0.5 times the radial or axial or axial-radial span for flow . Swirl switches preferably have a minimum radial or axial or axial-radial distance from bottom slot to top slot of at least 0.05; 0.1; 0.15 or 0.2 times the radial or axial or axial-radial gap for flow. Swirl switches reduce pressure drop due to turbulence, prevent winding, improve cooling and consequently magnetic coupling capacity.
[015] Interruptores de remoinho estão dispostos em estrutura estática, que está no membro de separação estático, e preferencialmente também em estrutura estática radialmente fora do quarto canal.[015] Swirl switches are arranged in a static structure, which is in the static separation member, and preferably also in a static structure radially outside the fourth channel.
[016] Preferencialmente, um ou ambos dentre o primeiro e o segundo canais, opcionalmente também o quarto canal, em uma direção de fluxo, tem um vão radial não uniforme para fluxo, em que o vão radial é progressiva e/ou gradualmente decrescente ou crescente ao longo da direção de fluxo. A mudança progressiva ou gradual em vão radial preferencialmente está na faixa de 0,05 a 0,98 do vão radial para fluxo, preferencialmente 0,1 a 0,9, mais preferencialmente 0,2 a 0,8, 0,3 a 0,7 ou 0,3 a 0,6, como cerca de 0,5 vezes o vão radial para fluxo.[016] Preferably, one or both of the first and second channels, optionally also the fourth channel, in a flow direction, has a non-uniform radial gap for flow, wherein the radial gap is progressively and/or gradually decreasing or increasing along the flow direction. The progressive or gradual change in radial gap preferably is in the range of 0.05 to 0.98 of the radial gap for flow, preferably 0.1 to 0.9, more preferably 0.2 to 0.8, 0.3 to 0 .7 or 0.3 to 0.6, such as about 0.5 times the radial clearance for flow.
[017] Vão radial não uniforme para fluxo preferencialmente está disposto no membro de separação estático e/ou na estrutura estática radialmente fora do quarto canal, por mudanças dimensionais, mas pode ser feito no ou membro macho ou fêmeo.[017] Non-uniform radial gap for flow is preferably arranged in the static separation member and/or in the static structure radially outside the fourth channel, due to dimensional changes, but can be made in either the male or female member.
[018] Preferencialmente, um ou ambos dentre o primeiro e o segundo canais, opcionalmente também o quarto canal, em uma direção de fluxo, compreende uma superfície de vedação na forma de uma seção de corte transversal reduzido ou vão radial para fluxo comparado ao resto do vão radial ou corte transversal para fluxo no canal. A mudança progressiva ou gradual em vão radial preferencialmente está na faixa de 0,05 a 0,98 do vão radial para fluxo, preferencialmente 0,1 a 0,9, mais preferencialmente 0,2 a 0,8, 0,3 a 0,7 ou 0,3 a 0,6, como cerca de 0,5 vezes o vão radial para fluxo. Superfícies de vedação preferencialmente estão dispostas no membro de separação estático ou em estrutura estática radialmente fora do quarto canal, por mudanças dimensionais, mas podem ser feitas no membro macho ou fêmeo, por mudanças dimensionais.[018] Preferably, one or both of the first and second channels, optionally also the fourth channel, in a flow direction, comprises a sealing surface in the form of a reduced cross-section or radial gap for flow compared to the rest of the radial gap or cross section for flow in the channel. The progressive or gradual change in radial gap preferably is in the range of 0.05 to 0.98 of the radial gap for flow, preferably 0.1 to 0.9, more preferably 0.2 to 0.8, 0.3 to 0 .7 or 0.3 to 0.6, such as about 0.5 times the radial clearance for flow. Sealing surfaces are preferably arranged on the static separation member or static structure radially outside the fourth channel, by dimensional changes, but can be made on the male or female member, by dimensional changes.
[019] Preferencialmente, um interruptor de remoinho está disposto em um lado de lado de entrada ou em um lado de saída ou ambos em um lado de entrada e saída de uma superfície de vedação, na direção de fluxo de fluido, para uma ou mais das superfícies e canais de vedação, em qualquer combinação. Para modalidades que compreende uma ou mais da combinação de um interruptor de remoinho disposto em um lado de entrada e/ou lado de saída de uma superfície de vedação, na direção de fluxo de fluido, ditos interruptor de remoinho e superfície de vedação combinados estão dispostos no membro de separação estático, em um interior ou exterior ou ambos, preferencialmente também em estrutura estática radialmente fora do quarto canal.[019] Preferably, a swirl switch is disposed on an inlet side or on an outlet side or both on an inlet and outlet side of a sealing surface, in the direction of fluid flow, for one or more of sealing surfaces and channels, in any combination. For embodiments comprising one or more combination of a swirl switch disposed on an inlet side and/or outlet side of a sealing surface, in the direction of fluid flow, said combined swirl switch and sealing surface are arranged in the static separation member, in an inner or outer or both, preferably also in static structure radially outside the fourth channel.
[020] Qualquer um do primeiro, segundo e quarto canal, em qualquer combinação, pode compreender uma ou mais seções com área de corte transversal ou vão para fluxo maior, seguido por ou não seguido por superfícies de vedação que têm em comparação área de corte transversal ou vão para fluxo reduzido. As superfícies de vedação nesse contexto são superfícies de vedação sem contato com dinâmicas de fluidos, o que significa que o membro de separação estático não está em contato físico com o macho de rotação de membro de acoplamento fêmeo. O efeito é estabilidade rotodinâmica melhorada. A variação em geometria preferencialmente para aprimoramento da estabilidade rotodinâmica preferencialmente é feito no membro de separação estático.[020] Any of the first, second and fourth channels, in any combination, may comprise one or more sections with a greater cross-sectional area or flow gap, followed by or not followed by sealing surfaces that have a comparative cross-sectional area. transverse or gap for reduced flow. The sealing surfaces in this context are fluid dynamic non-contact sealing surfaces, which means that the static separation member is not in physical contact with the male female mating member rotation. The effect is improved rotodynamic stability. The variation in geometry to improve rotodynamic stability is preferably done in the static separation member.
[021] O membro de separação estático preferencialmente é campaniforme, com um corpo em formato interior côncavo e um formato exterior convexo na extremidade fechada, com uma protrusão central no interior, coaxial a e voltada para a entrada do canal axial na extremidade do membro macho. Preferencialmente, dita protrusão inclui um interruptor de remoinho na forma de ranhuras radiais.[021] The static separation member is preferably bell-shaped, with a body with a concave inner shape and a convex outer shape at the closed end, with a central protrusion inside, coaxial to and facing the entrance of the axial channel at the end of the male member. Preferably, said protrusion includes a swirl switch in the form of radial grooves.
[022] Preferencialmente, o membro de separação é campaniforme, com um corpo em formato interior côncavo e um formato exterior convexo na extremidade fechada. Tal formato arredondado, acima de um raio mínimo, pelo menos em partes que pegam cargas, elimina concentrações de tensão. Elementos de separação da técnica anterior tipicamente são no formato de caixa, com arestas e bordas afiadas o que resulta em concentrações de tensão que limitam a capacidade do membro.[022] Preferably, the separation member is bell-shaped, with a concave inner body shape and a convex outer shape at the closed end. Such a rounded shape, above a minimum radius, at least in parts that take loads, eliminates stress concentrations. Prior art separation elements typically are box shaped, with sharp edges and edges which result in stress concentrations that limit the capacity of the member.
[023] O conjunto de acoplamento magnético preferencialmente compreende um membro de separação condutor não ferromagnético e não elétrico, preferencialmente um membro de separação de material cerâmico, preferencialmente que compreende ZrO2. Materiais alternativas são outros cerâmicos, ligas não ferromagnéticas, polímeros e material de compósito. Correntes parasitas causam perdas de energia em materiais condutores elétricos. Materiais ferromagnéticos, comumente denominados materiais magnéticos, podem causar problemas de estabilidade em adição a perdas de energia. Evitar as perdas ou problemas de estabilidade permite maior força, efeito e/ou velocidade escalar para ser acoplada magneticamente.[023] The magnetic coupling assembly preferably comprises a non-ferromagnetic and non-electrical conductive separation member, preferably a separation member of ceramic material, preferably comprising ZrO2. Alternative materials are other ceramics, non-ferromagnetic alloys, polymers and composite material. Eddy currents cause energy losses in electrically conductive materials. Ferromagnetic materials, commonly called magnetic materials, can cause stability problems in addition to energy losses. Avoiding losses or stability problems allows greater strength, effect and/or speed to be magnetically coupled.
[024] Preferencialmente, o membro de separação estático tem espessura de parede aumentada em seções fora da seção de acoplamento magnético, na parte superior do chapéu e na base, conforme visto orientado com a extremidade fechada voltada para cima e a extremidade aberta voltada para baixo. Em outras palavras, o membro de separação, conforme visto orientado com a extremidade fechada voltada para cima e a extremidade aberta voltada para baixo, tem formato de um chapéu com topo arredondado; preferencialmente de modo que compreenda um interior curvado do topo em que uma parte central estende para baixo uma distância, coaxial a e voltada para um centro de uma abertura do canal interno axial do membro macho conforme montado e inserido; preferencialmente com uma parede cilíndrica mais fina na seção de acoplamento entre os ímãs dos membros de acoplamento macho e fêmeo; e parede mais espessa em uma base, preferencialmente com uma flange que estende para fora na base, e parede mais espessa no topo.[024] Preferably, the static separation member has increased wall thickness in sections outside the magnetic coupling section, at the top of the hat and at the base, as seen oriented with the closed end facing up and the open end facing down. . In other words, the separation member, as seen oriented with the closed end facing up and the open end facing down, is shaped like a hat with a rounded top; preferably so that it comprises a curved interior of the top wherein a central portion extends downwardly a distance coaxial to and facing a center of an opening of the axial internal channel of the male member as assembled and inserted; preferably with a thinner cylindrical wall in the coupling section between the magnets of the male and female coupling members; and thicker wall at a base, preferably with an outwardly extending flange at the base, and thicker wall at the top.
[025] Preferencialmente, o membro de acoplamento fêmeo compreende aberturas, que funcionam como entradas ou saídas para fluxo de fluido. As aberturas aumentam a taxa de fluxo de fluido máxima e consequentemente resfriamento e estabilidade.[025] Preferably, the female coupling member comprises openings, which function as inlets or outlets for fluid flow. The openings increase maximum fluid flow rate and consequently cooling and stability.
[026] Um dos membros de acoplamento magnético é um membro de acionamento e o outro é um membro acionado, de modo intercambiável. O membro de separação preferencialmente é uma parte de um compartimento hermeticamente vedado que inclui uma máquina motriz e o membro de acionamento conectado operativamente, preferencialmente como o lado de acionamento de uma máquina acoplada magneticamente, tal como uma bomba submarina ou compressor ou uma bomba ou compressor para operação automatizada. Um sistema de fluido de barreira, um sistema de abastecimento para fluido de barreira que inclui HPU (unidade de força hidráulica), linhas longas de abastecimento e sistemas de controle de pressão sofisticados podem ser eliminados. O compartimento de máquina motriz com o lado de acionamento do acoplamento magnético pode ser preenchido com fluido, tal como uma combinação de água e glicol ou um óleo ou mistura de óleo, para um período de operação longo que pode cobrir a vida útil total de operação. Tais máquinas que compreendem o conjunto de acoplamento magnético da invenção, tais como bombas e compressores, são modalidades da presente invenção.[026] One of the magnetic coupling members is a driving member and the other is a driven member, interchangeably. The separation member preferably is a part of a hermetically sealed compartment that includes a driving machine and the operatively connected drive member, preferably as the drive side of a magnetically coupled machine, such as a subsea pump or compressor or a pump or compressor. for automated operation. A barrier fluid system, a supply system for barrier fluid that includes an HPU (hydraulic power unit), long supply lines, and sophisticated pressure control systems can be eliminated. The driving machine compartment with the drive side of the magnetic coupling can be filled with fluid, such as a combination of water and glycol or an oil or oil mixture, for a long period of operation that can cover the entire operating life . Such machines comprising the magnetic coupling assembly of the invention, such as pumps and compressors, are embodiments of the present invention.
[027] A invenção fornece transferência sem contato de rpm, kW, e torque, em níveis de efeito ou combinações dos ditos parâmetros não visto antes. Efeito acima de 1 MW transferido, combinado com acima 3.600 rpm, é alcançável. Fluido de processo pode ser hermeticamente isolado do lado de acionamento de fluido do compartimento de máquina motriz. Todas as vedações podem ser vedações estáticas. A temperatura de operação do acoplamento magnético pode ser mantida baixa devido ao resfriamento melhorado, tal como temperatura abaixo de 80 °C mesmo nas condições de operação mais difíceis, o que melhora confiabilidade e força de acoplamento. A estabilidade rotodinâmica é aprimorada, o que permite vãos radiais menores no canal e maior seção de acoplamento. O resfriamento, estabilização e lavagem pelo fluido que flui através dos canais prolonga vida útil. O acoplamento magnético da invenção também funciona como ou fornece efeito de tambor de balanceamento. O acoplamento magnético da invenção é modular e pode ser usado em diversos sistemas e máquinas.[027] The invention provides contactless transfer of rpm, kW, and torque, at effect levels or combinations of said parameters not seen before. Effect above 1 MW transferred, combined with above 3,600 rpm, is achievable. Process fluid can be hermetically isolated from the fluid drive side of the driving machine compartment. All seals can be static seals. The operating temperature of the magnetic coupling can be kept low due to improved cooling, such as temperature below 80 °C even in the most difficult operating conditions, which improves reliability and coupling strength. Rotodynamic stability is improved, which allows for smaller radial gaps in the channel and larger coupling section. Cooling, stabilization and washing by the fluid flowing through the channels prolongs service life. The magnetic coupling of the invention also functions as or provides a balancing drum effect. The magnetic coupling of the invention is modular and can be used in different systems and machines.
[028] A Figura 1 ilustra uma modalidade de um acoplamento magnético da presente invenção.[028] Figure 1 illustrates an embodiment of a magnetic coupling of the present invention.
[029] A Figura 2 ilustra detalhes de uma modalidade da invenção.[029] Figure 2 illustrates details of an embodiment of the invention.
[030] A Figura 3 ilustra uma modalidade adicional de um acoplamento magnético da presente invenção, em uma bomba.[030] Figure 3 illustrates an additional embodiment of a magnetic coupling of the present invention, in a pump.
[031] As superfícies de vedação são seções sem contato de área de corte transversal ou vão radial para fluxo reduzidos. O espaçamento do vão radial é preferencialmente, mas não necessariamente constante ao longo da seção de superfície de vedação. O espaçamento do vão radial nas seções de superfície de vedação é menor do que no canal de fluxo, tipicamente cerca de 0,1 mm a 2 mm, preferencialmente 0,2 a 1,5 mm, 0,2 a 1,2 mm, ou mais preferencialmente 0,4 a 1 mm. Espaçamento de canal radial normal, na seção de acoplamento magnético, tipicamente é de 0,3 mm a 8 mm, mais preferencialmente 0,4 a 3 mm, 0,4 a 2,5 mm ou mais preferencialmente 0,4 a 2 mm. As superfícies de vedação estão dispostas dentro ou fora da seção de acoplamento magnético do membro de separação, preferencialmente apenas dentro ou fora das extremidades do mesmo. Preferencialmente com um interruptor de remoinho na entrada, conforme visto na direção de fluxo de fluido.[031] The sealing surfaces are non-contact sections of reduced cross-sectional area or radial clearance for flow. The radial gap spacing is preferably, but not necessarily constant, across the sealing surface section. The radial gap spacing in the sealing surface sections is smaller than that in the flow channel, typically about 0.1 mm to 2 mm, preferably 0.2 to 1.5 mm, 0.2 to 1.2 mm, or more preferably 0.4 to 1 mm. Normal radial channel spacing, in the magnetic coupling section, typically is 0.3 mm to 8 mm, more preferably 0.4 to 3 mm, 0.4 to 2.5 mm or more preferably 0.4 to 2 mm. The sealing surfaces are disposed inside or outside the magnetic coupling section of the separation member, preferably just inside or outside the ends thereof. Preferably with a swirl switch at the inlet, as viewed from the fluid flow direction.
[032] O raio mínimo de qualquer parte do membro de separação estático sujeito a flutuações de carga, é Rmin = 1 mm ou 2 mm, mais preferencialmente 3 mm, ainda mais preferencialmente 5 mm.[032] The minimum radius of any part of the static separation member subject to load fluctuations is Rmin = 1 mm or 2 mm, more preferably 3 mm, even more preferably 5 mm.
[033] Alguma descrição detalhada adicional é encontrada abaixo, que inclui terminologia idêntica ou sinônima ou equivalente como nas reivindicações e na descrição acima. Para a pessoa versada na técnica, o significado será claro a partir do contexto.[033] Some additional detailed description is found below, which includes identical or synonymous or equivalent terminology as in the claims and description above. To the person skilled in the art, the meaning will be clear from the context.
[034] Referência é feita à Figura 1, um desenho em corte longitudinal, que ilustra: um conjunto de acoplamento magnético 1 que compreende: um membro de acoplamento macho rotatório 2 que compreende ímãs 3; um membro de acoplamento fêmeo rotatório 4 que compreende ímãs 5; e um membro de separação estático 6 disposto entre os membros de acoplamento macho e fêmeo. Um primeiro canal 7 está disposto em um vão entre o membro de acoplamento macho e o membro de separação; um segundo canal 8 está disposto em um vão entre o membro de acoplamento fêmeo e o membro de separação, e um canal interno axial 9 está disposto no membro de acoplamento macho. Uma seção de acoplamento magnético 10 do membro de separação estático 6, é a seção do membro de separação estático entre os ímãs do membro de acoplamento macho e os ímãs do membro de acoplamento fêmeo. Os membros de acoplamento fêmeo 4 e macho 2 são acoplados de modo rotatório pelos ímãs através da seção de acoplamento magnético do membro de separação estático. O primeiro canal 7, o segundo canal 8 e o canal interno axial 9 contêm fluido 11 forçado a fluir através dos ditos canais para resfriamento e estabilização rotodinâmica. A seção de acoplamento magnético 10 do membro de separação estático 6 tem um comprimento de razão de diâmetro maior do que um, na modalidade ilustrada de cerca de 2,2.[034] Reference is made to Figure 1, a longitudinal sectional drawing, which illustrates: a magnetic coupling assembly 1 comprising: a rotatable male coupling member 2 comprising magnets 3; a rotatable female coupling member 4 comprising magnets 5; and a static separation member 6 disposed between the male and female coupling members. A first channel 7 is disposed in a gap between the male coupling member and the separation member; a second channel 8 is disposed in a gap between the female coupling member and the separation member, and an axial internal channel 9 is disposed in the male coupling member. A magnetic coupling section 10 of the static separation member 6 is the section of the static separation member between the magnets of the male coupling member and the magnets of the female coupling member. The female coupling members 4 and male 2 are rotatably coupled by the magnets through the magnetic coupling section of the static separation member. The first channel 7, the second channel 8 and the axial inner channel 9 contain fluid 11 forced to flow through said channels for cooling and rotodynamic stabilization. The magnetic coupling section 10 of the static separation member 6 has a length to diameter ratio greater than one, in the illustrated embodiment of about 2.2.
[035] Referência adicional é feita à Figura 2, que ilustra exemplos de detalhes, em corte longitudinal, fora de escala e não necessariamente simétrico em rotação para ilustrar ditos detalhes mais claramente. Em modalidades reais, a escala é semelhante à escala da Figura 1, e características são rotação simétrica ao redor do eixo geométrico de rotação coaxial do canal 9. A Figura 2 ilustra, em apenas um lado, um quarto canal 12 disposto do lado de fora do membro de acoplamento fêmeo, entre o membro de acoplamento fêmeo e estrutura 14 fora do membro de acoplamento fêmeo, cujo quarto canal contém fluido forçado a fluir para resfriamento e estabilização rotodinâmica. Na estrutura estática 14, no lado voltado para o quarto canal 12, a partir da entrada, um interruptor de remoinho 13 está disposto a montante a uma superfície de vedação 16. Um interruptor de remoinho 13 está disposto no membro de separação estático 6, coaxial a e voltado para uma entrada para o canal interno axial 9 em uma extremidade do membro macho. O membro de separação é campaniforme, com uma protrusão central no interior, coaxial a e voltada para a entrada para o canal axial na extremidade do membro macho, em que a dita protrusão inclui um interruptor de remoinho 13 na forma de ranhuras radiais. Um interruptor de remoinho 13 a montante de e conforme combinado com uma superfície de vedação 16, está disposto no membro de separação estático no lado de entrada do primeiro canal. No membro macho 2, em direção à extremidade do primeiro canal, uma superfície de vedação 16 está disposta. No segundo canal 8, no lado de fora do membro de separação estático 6, um interruptor de remoinho 13 conforme combinado com uma superfície de vedação 16 a jusante está disposto na entrada e uma superfície de vedação 16 a montante de um interruptor de remoinho 13 está disposta em direção à saída 15.[035] Additional reference is made to Figure 2, which illustrates examples of details, in longitudinal section, not to scale and not necessarily symmetrical in rotation to illustrate said details more clearly. In real embodiments, the scale is similar to the scale of Figure 1, and features are symmetrical rotation around the geometric axis of coaxial rotation of the channel 9. Figure 2 illustrates, on one side only, a fourth channel 12 arranged on the outside of the female coupling member, between the female coupling member and structure 14 outside the female coupling member, the fourth channel of which contains fluid forced to flow for cooling and rotodynamic stabilization. In the static structure 14, on the side facing the fourth channel 12 from the inlet, a swirl switch 13 is disposed upstream of a sealing surface 16. A swirl switch 13 is disposed on the static separation member 6, coaxial a and facing an inlet for the axial internal channel 9 at one end of the male member. The separation member is bell-shaped, with a central protrusion inside, coaxial to and facing the inlet to the axial channel at the end of the male member, said protrusion including a swirl switch 13 in the form of radial grooves. A swirl switch 13 upstream of and in combination with a sealing surface 16 is disposed on the static separation member on the inlet side of the first channel. On the male member 2, towards the end of the first channel, a sealing surface 16 is arranged. In the second channel 8, on the outside of the static separation member 6, a swirl switch 13 as combined with a downstream sealing surface 16 is disposed at the inlet and a sealing surface 16 upstream of a swirl switch 13 is arranged. arranged towards exit 15.
[036] Consequentemente, o primeiro e segundo e quarto canais, em uma direção de fluxo, tem um vão radial não uniforme para fluxo, em que o vão radial diminui ou aumenta progressiva ou gradualmente ao longo da direção de fluxo. Mais especificamente, no primeiro canal 7, na direção de fluxo na modalidade ilustrada a partir da base até a extremidade do membro macho, no interior do membro de separação estático, na entrada do primeiro canal, interruptor de remoinho 13 é seguido por uma superfície de vedação 16. O topo de ranhuras longitudinais no interruptor de remoinho e da superfície de vedação têm espaçamento do vão radial de por exemplo 1,5 mm. Uma parte a jusante do primeiro canal com maior vão para fluxo, por exemplo 2,5 mm, então segue, adicionalmente seguido por uma superfície de vedação 16 na extremidade do primeiro canal, disposta como um diâmetro decrescente de diâmetro cônico e constante cônica maior em direção à extremidade do membro de acoplamento macho 2. A entrada do segundo canal tem um interruptor de remoinho 13 disposto, seguido por uma seção de superfície de vedação 16, disposta no lado de fora do membro de separação estático 6, com topo de interruptor de remoinho e vão radial de superfície de vedação de por exemplo 1 mm, seguido por uma seção de vão radial aumentado, por exemplo 2 mm. Em direção à saída do segundo canal 8, no lado de fora do membro de separação estático 6, uma superfície de vedação 16 é seguida por um interruptor de remoinho 13, conforme visto na direção de fluxo. O quarto canal tem um interruptor de remoinho 13 e superfície de vedação 16 dispostos na extremidade de entrada de dito canal, as ranhuras requeridas e estrutura mais espessa está disposta em estrutura estática 14 fora do quarto canal. O membro de acoplamento fêmeo compreende aberturas 15, que funcionam como entradas ou saídas para fluxo de fluido 11.[036] Consequently, the first and second and fourth channels, in a flow direction, have a non-uniform radial gap for flow, in which the radial gap decreases or increases progressively or gradually along the flow direction. More specifically, in the first channel 7, in the flow direction in the illustrated embodiment from the base to the end of the male member, within the static separation member, at the inlet of the first channel, swirl switch 13 is followed by a seal 16. The top of longitudinal grooves in the swirl switch and the sealing surface have radial gap spacing of e.g. 1.5 mm. A downstream part of the first channel with greater flow gap, for example 2.5 mm, then follows, further followed by a sealing surface 16 at the end of the first channel, arranged as a tapered diameter decreasing diameter and conical constant greater in towards the end of the male coupling member 2. The inlet of the second channel has a swirl switch 13 arranged, followed by a sealing surface section 16, disposed on the outside of the static separating member 6, with a swirl switch top. swirl and sealing surface radial gap of e.g. 1 mm, followed by a section of increased radial gap, e.g. 2 mm. Towards the outlet of the second channel 8, on the outside of the static separation member 6, a sealing surface 16 is followed by a swirl switch 13, as viewed in the flow direction. The fourth channel has a swirl switch 13 and sealing surface 16 arranged at the inlet end of said channel, the required grooves and thicker structure are arranged in static structure 14 outside the fourth channel. The female coupling member comprises openings 15, which function as inlets or outlets for fluid flow 11.
[037] Referência adicional é feita à Figura 3, que ilustra um conjunto de acoplamento magnético da invenção disposto em um aumentador de pressão 17. O compartimento de máquina motriz inclui o lado de acionamento do conjunto de acoplamento magnético, nessa modalidade o membro macho 2, isolado hermeticamente do fluido de processo bombeado pelo membro de separação estático 6. O compartimento de máquina motriz é preenchido com água e mistura de glicol ou óleo. Preferencialmente, a pressão do compartimento de máquina motriz é um princípio constante. Um propulsor I no compartimento de máquina motriz bombeia o fluido para resfriamento e estabilização rotodinâmica através dos canais do conjunto de acoplamento magnético. Além de força efeito e rpm aumentados, conforme usado em um aumentador de pressão tal como uma bomba, bomba ou compressor de fluido multifásico, vantagens estão no sistema de fluido de barreira requerido, nenhum abastecimento umbilical de fluido de barreira ou líquido requerido, nenhuma dinâmica de vedação requerida, menor custo e confiabilidade aumentada. As vantagens são particularmente valiosas caso usadas por aumentadores de pressão submarinos ou em plataformas ou localizações sem operador.[037] Additional reference is made to Figure 3, which illustrates a magnetic coupling assembly of the invention disposed on a pressure increaser 17. The driving machine compartment includes the drive side of the magnetic coupling assembly, in this embodiment the male member 2 , hermetically isolated from the process fluid pumped by the static separation member 6. The driving machine compartment is filled with water and glycol or oil mixture. Preferably, the pressure of the driving machine compartment is a constant principle. An impeller I in the driving machine compartment pumps fluid for cooling and rotodynamic stabilization through the channels of the magnetic coupling assembly. In addition to increased force effect and rpm, as used in a pressure increaser such as a multiphase fluid pump, pump or compressor, advantages are in the required barrier fluid system, no umbilical supply of barrier fluid or liquid required, no dynamic required sealing, lower cost and increased reliability. The advantages are particularly valuable if used by subsea pressure boosters or on unmanned platforms or locations.
[038] Uma Nova Abordagem para Reforço de Submarino Com uso de Acoplamentos Magnéticos.[038] A New Approach to Submarine Reinforcement Using Magnetic Couplings.
[039] Embora tenha havido soluções individuais consideradas para o uso de acoplamentos magnéticos para cada um desses desafios, cada uma das soluções atualizadas agrega outros desafios tal como uma solução viável não foi descoberta sob o estado da técnica existente para o uso de acoplamentos magnéticos em reforçadores submarinos. A invenção descrita no presente documento, soluciona cada um dos desafios descritos acima e permite a habilidade para operar um reforçador submarino acoplado magneticamente de 200 kW a 3 MW ou até 8 MW (com a modalidade preferencial sendo 400 kW a 3 MW ou até 8 MW) com poucas perdas de energia e alto reforço e capacidades de contenção de pressão.[039] Although there have been individual solutions considered for the use of magnetic couplings for each of these challenges, each of the updated solutions adds other challenges such as a viable solution has not been discovered under the existing state of the art for the use of magnetic couplings in submarine boosters. The invention described herein solves each of the challenges described above and allows the ability to operate a magnetically coupled subsea booster from 200 kW to 3 MW or up to 8 MW (with the preferred embodiment being 400 kW to 3 MW or up to 8 MW ) with low energy losses and high reinforcement and pressure containment capabilities.
[040] A invenção não muda o padrão de indústria básica de uso de alojamentos de aço para a bomba e máquina motriz do reforçador. Como um resultado, o reforçador é projetado para operar em um ambiente submarino e suportar elevadas pressões de ambiente e elevadas pressões internas e pressões variáveis. Internamente, há mudanças em alguns dos materiais internos do acoplamento assim como mudanças no projeto para o acoplamento permitir o uso de novos materiais em um ambiente submarino. Além disso, conforme descrito acima, através da eliminação de alguns componentes internos que criaram historicamente diferenciais de pressão interna, a invenção reivindicada irá permitir o uso de materiais de aço menos espessos e/ou menos custosos para o alojamento externo do reforçador o que reduz o custo do reforçador.[040] The invention does not change the basic industry standard of using steel housings for the booster pump and driving machine. As a result, the booster is designed to operate in a subsea environment and withstand high ambient pressures and high internal pressures and variable pressures. Internally, there are changes to some of the coupling's internal materials as well as design changes to the coupling to allow for the use of new materials in a subsea environment. Furthermore, as described above, through the elimination of some internal components that have historically created internal pressure differentials, the claimed invention will allow the use of thinner and/or less expensive steel materials for the external housing of the stiffener which reduces the cost of the reinforcer.
[041] A chave que permite aspectos da invenção é sua habilidade de aumentar a força de reforço de um reforçador submarino acionado por um acoplamento magnético através de (i) uma diminuição nas perdas de transferência de força magnética e (ii) uma diminuição de perdas de atrito (viscosidade) entre superfícies rotatórias e estacionárias. A invenção atinge esses objetivos através de um novo projeto de acoplamento e da permissão do uso de materiais não pensados previamente para serem viáveis para uso em um acoplamento magnético submarino.[041] The key enabling aspects of the invention are its ability to increase the reinforcing force of a subsea booster driven by a magnetic coupling through (i) a decrease in magnetic force transfer losses and (ii) a decrease in magnetic force transfer losses. of friction (viscosity) between rotating and stationary surfaces. The invention achieves these objectives through a new coupling design and by allowing the use of materials not previously thought to be viable for use in a subsea magnetic coupling.
[042] Novos Projeto e Materiais para Diminuir Perdas de Transferência Magnética.[042] New Design and Materials to Reduce Magnetic Transfer Losses.
[043] Um dos maiores impedimentos para o uso de acoplamentos magnéticos para reforço submarino foi perdas de transferência de força magnética inerente que são esperadas ao adaptar um acoplamento magnético para uso em um ambiente submarino.[043] One of the biggest impediments to the use of magnetic couplings for subsea reinforcement has been inherent magnetic force transfer losses that are expected when adapting a magnetic coupling for use in a subsea environment.
[044] Para maximizar a eficiência de transferência de força magnética em um acoplamento magnético, perdas de corrente parasita precisam ser eliminadas na maior medida possível. Correntes parasitas irão fluir em circuitos fechados dentro de condutores elétricos (como a maioria dos tipos de aço), em planos perpendiculares ao campo magnético como um resultado de mudanças no campo magnético. Em acoplamentos magnéticos, o campo magnético alterna com a rotação do reforçador enquanto a carcaça de pressão estática interna que separa o acionamento de acoplamento e seção acionada é estacionária. Correntes parasitas consomem força eletromagnética que diminui a saída de torque e resulta em dissipação de calor com aumento de temperaturas que devem ser contrabalanceadas com resfriamento eficiente.[044] To maximize the efficiency of magnetic force transfer in a magnetic coupling, eddy current losses need to be eliminated to the greatest extent possible. Eddy currents will flow in closed circuits within electrical conductors (such as most types of steel), in planes perpendicular to the magnetic field as a result of changes in the magnetic field. In magnetic couplings, the magnetic field alternates with the rotation of the booster while the internal static pressure housing that separates the coupling drive and driven section is stationary. Eddy currents consume electromagnetic force which decreases torque output and results in heat dissipation with increased temperatures that must be counterbalanced with efficient cooling.
[045] Conforme descrito acima, correntes parasitas diminuem a eficiência de um acoplamento magnético e ocorrem materiais condutores. Portanto, é benéfico evitar o uso de materiais condutores e, em vez disso, usar materiais não condutores eletricamente. Materiais não condutores eletricamente foram usados em acoplamentos magnéticos em diversas aplicações não submarinas, mas essas aplicações até agora têm seus próprios desafios inerentes. Por exemplo, materiais cerâmicos e outros similares foram usados em ambientes não desafiadores onde há pressões consistentes e fluxo omnidirecional. Esses materiais, entretanto, não foram considerados para reforçadores submarinos porque os materiais são inerentemente frágeis e desse modo impossibilita suportar tensões internas resistentes à tração substanciais e são, portanto, propensos a quebrar em aplicações onde a barreira de acoplamento magnético (sino de pressão) durante operação é sujeita a mudanças de pressão bidirecionais.[045] As described above, eddy currents decrease the efficiency of a magnetic coupling and conductive materials occur. Therefore, it is beneficial to avoid using conductive materials and instead use electrically non-conductive materials. Electrically non-conductive materials have been used in magnetic couplings in several non-subsea applications, but these applications have so far had their own inherent challenges. For example, ceramic and other similar materials have been used in non-challenging environments where there are consistent pressures and omnidirectional flow. These materials, however, were not considered for subsea stiffeners because the materials are inherently brittle and thus unable to withstand substantial internal tensile stresses and are therefore prone to failure in applications where the magnetic coupling barrier (pressure bell) during operation is subject to bidirectional pressure changes.
[046] Similarmente, materiais não condutores eletricamente tais como plásticos e compósitos não foram usados porque eles sofrem de degradação de propriedades do material com o tempo que podem causar falha relacionada à inabilidade de manter formar e/ou formar tolerâncias ou falha para manter uma barreira de pressão devido à contaminação com o tempo.[046] Similarly, electrically non-conductive materials such as plastics and composites have not been used because they suffer from degradation of material properties over time that can cause failure related to the inability to maintain form and/or form tolerances or failure to maintain a barrier pressure due to contamination over time.
[047] Conforme observado acima, ligas de aço foram tradicionalmente usadas como a carcaça de pressão interna de um acoplamento magnético para fornecer a elevada força e ductilidade requeridas para absorver carga variante dependente de condições. Ampliação de um acoplamento magnético com uma carcaça de pressão de aço interno para suportar a força requerida para uma aplicação submarina limita severamente a eficiência geral do acoplamento magnético e atuou como uma barreira técnica para a adoção de acoplamentos magnéticos de maior potência para aplicações submarinas.[047] As noted above, alloy steels have traditionally been used as the internal pressure shell of a magnetic coupling to provide the high strength and ductility required to absorb condition-dependent varying load. Scaling up a magnetic coupling with an internal steel pressure housing to withstand the force required for a subsea application severely limits the overall efficiency of the magnetic coupling and has acted as a technical barrier to the adoption of higher power magnetic couplings for subsea applications.
[048] Outro importante fator na transferência de força magnética é a distância entre ímãs, quanto maior a distância entre ímãs em porções de acoplamento magnético macho e fêmeo, menor a transferência de força magnética. Consequentemente, um projeto preferencial para um acoplamento magnético é um em que as distâncias entre os ímãs são tão pequenas quanto razoavelmente possíveis.[048] Another important factor in the transfer of magnetic force is the distance between magnets, the greater the distance between magnets in male and female magnetic coupling portions, the lower the transfer of magnetic force. Consequently, a preferred design for a magnetic coupling is one in which the distances between the magnets are as small as reasonably possible.
[049] A invenção incorpora um novo projeto e perfil geométrico que permite o uso de uma barreira interna (que separa a seção do acionador do acoplamento magnético da seção acionada do acoplamento magnético) eletricamente não condutora (preferencialmente um material cerâmico) no acoplamento magnético. Esse novo projeto reduz as perdas de transferência de força magnética, e desse modo aumenta força e eficiência do reforçador submarino. O projeto adicionalmente resolve a questão de fragilidade de cerâmicas e outros materiais similares para suo em um acoplamento magnético submarino através da incorporação de um aliviador de tensão interna resistente à pressão mecânica controlado exclusivamente que gradualmente reduz concentrações de tensão e reduz os riscos de quebras do sino de contenção de pressão. Esses projetos adicionalmente permitem ao acoplamento magnético ter a força compressiva requerida para suportar os requerimentos de pressão variáveis e bidirecionais de um reforçador submarino.[049] The invention incorporates a new design and geometric profile that allows the use of an electrically non-conductive internal barrier (which separates the driver section of the magnetic coupling from the driven section of the magnetic coupling) (preferably a ceramic material) in the magnetic coupling. This new design reduces magnetic force transfer losses, and thereby increases the strength and efficiency of the subsea booster. The design additionally addresses the issue of brittleness of ceramics and other similar materials for suo in a subsea magnetic coupling through the incorporation of a uniquely controlled mechanical pressure-resistant internal stress reliever that gradually reduces stress concentrations and reduces the risk of bell breakage. pressure containment. These designs additionally allow the magnetic coupling to have the compressive strength required to withstand the variable, bidirectional pressure requirements of a subsea booster.
[050] A característica de alívio de tensão interna resistente à pressão controlada é incorporada em um sino de contenção de pressão não condutor eletricamente (o membro de separação estático) (preferencialmente cerâmica) através do meio de uma transição em formato de cunha de espessura em direção à base do sino de pressão que permite o material frágil poder conseguir suportar tensão interna resistente à pressão que resulta de uma atuação de alta pressão no interior do sino de pressão. O sino de pressão é dotado de força e estabilidade ao ser montado dentro de um corpo principal de flange metálico e mantido em lugar axialmente em uma placa de montagem/corpo principal de flange por um anel de travamento axial metálico. A combinação do sino de pressão cônico, anel de travamento e flange permite o projeto de sino de pressão a acomodar pressões externas elevadas e pressões bidirecionais variáveis enquanto reduz tensão axial no sino de pressão.[050] The controlled pressure-resistant internal stress relief feature is incorporated into an electrically non-conductive pressure containment bell (the static separation member) (preferably ceramic) through a thick wedge-shaped transition in direction towards the base of the pressure bell which allows the fragile material to be able to withstand pressure-resistant internal stress that results from high pressure acting within the pressure bell. The pressure bell is provided with strength and stability by being mounted within a metal flange main body and held in place axially on a mounting plate/flange main body by a metal axial locking ring. The combination of the conical pressure bell, locking ring and flange allows the pressure bell design to accommodate high external pressures and variable bidirectional pressures while reducing axial stress on the pressure bell.
[051] O uso de matérias de alta força compressiva sem ser de aço para o sino de contenção de pressão também permite o acoplamento magnético ter um pequeno vão entre os ímãs, de modo que aumente transferência de energia.[051] The use of high compressive strength materials other than steel for the pressure containment bell also allows the magnetic coupling to have a small gap between the magnets, so as to increase energy transfer.
[052] Novo Projeto para reduzir Perdas de Atrito (Viscosas).[052] New Project to reduce Friction Losses (Viscous).
[053] A relação entre torque e força em um a acoplamento magnético é proporcional com velocidade escalar. Em um reforçador acionado por um acoplamento magnético, quanto maior a velocidade escalar do reforçador em um dado limite de torque, maior a taxa de força do sistema de reforço no geral.[053] The relationship between torque and force in a magnetic coupling is proportional to speed. In a booster driven by a magnetic coupling, the higher the speed of the booster at a given torque limit, the higher the force rating of the overall booster system.
[054] A eficiência de energia de um acoplamento magnético sob a técnica anterior reduz a velocidades escalares maiores devido a perdas de viscosidade que aumentam a partir de tensões de cisalhamento que ocorre devido aos gradientes de alta velocidade no fluido preso entre partes rotatórias e estacionárias. Como um resultado, os requerimentos de força para operar um reforçador submarino iriam aumentar sob a técnica anterior em linha com a perda na eficiência de energia. Consequentemente, caso a redução na eficiência de energia cause o requerimento de força para geração de capacidades de reforço para um reforçador submarino com um acoplamento magnético estar em excesso de um certo tamanho, o reforçador submarino não será viável ou econômico. As circunstâncias foram até agora uma barreira prática para o uso de acoplamentos magnéticos para sistemas de reforço submarino.[054] The energy efficiency of a magnetic coupling under the prior art reduces at higher speeds due to viscosity losses that increase from shear stresses that occur due to high speed gradients in the fluid trapped between rotating and stationary parts. As a result, the power requirements to operate a submarine booster would increase under the prior art in line with the loss in power efficiency. Consequently, if the reduction in power efficiency causes the force requirement for generating booster capabilities for a subsea booster with a magnetic coupling to be in excess of a certain size, the subsea booster will not be viable or economical. Circumstances have thus far been a practical barrier to the use of magnetic couplings for subsea booster systems.
[055] Razão de Comprimento de Diâmetro Aumentada.[055] Increased Diameter Length Ratio.
[056] Perdas viscosas tipicamente escalam até a quarta força com aumento de diâmetro versus a segunda força com aumento de comprimento. Portanto, um elevado comprimento sobre razão de diâmetro é preferencial para limitar perda de viscosidade enquanto escala a geometria do acoplamento magnético. Portanto, um aspecto da invenção é que o sino de pressão descrito anteriormente tem um comprimento de razão de diâmetro que excede de 1 para limitar o aumento em perdas de viscosidade criadas pela velocidade escalar de operação e temperaturas relacionadas elevadas[056] Viscous losses typically scale up to the fourth force with increasing diameter versus the second force with increasing length. Therefore, a high length to diameter ratio is preferred to limit viscosity loss while scaling the magnetic coupling geometry. Therefore, one aspect of the invention is that the previously described pressure bell has a length to diameter ratio that exceeds 1 to limit the increase in viscosity losses created by operating speed and related elevated temperatures.
[057] Um desafio com o uso de um comprimento de razão de diâmetro elevado (por exemplo, comprimento de razão de diâmetro >1), é a estabilidade rotor-dinâmica da porção fêmea do acoplador magnético e porção macho do acoplador magnético. Isso é particularmente o caso para bombeamento líquido. No geral, rotores preenchidos de líquido vão sofrer mais do efeito de rigidez negativa massa adicionada de líquido comparada com, por exemplo, rotores preenchidos de gás. Quanto maior o comprimento/razão de diâmetro, mais dominante a instabilidade se torna.[057] A challenge with using a high diameter ratio length (e.g., diameter ratio length >1), is the rotor-dynamic stability of the female portion of the magnetic coupler and the male portion of the magnetic coupler. This is particularly the case for liquid pumping. In general, liquid-filled rotors will suffer more from the negative stiffness effect of added liquid mass compared to, for example, gas-filled rotors. The greater the length/diameter ratio, the more dominant the instability becomes.
[058] Instabilidade de rotor também afeta a habilidade de utilizar materiais frágeis para o sino de contenção de pressão. Para atenuar os efeitos de instabilidade de dinâmica de rotor de um comprimento de razão de diâmetro elevado e para permitir o uso de cerâmicas e outros materiais frágeis no projeto do sino de contenção de pressão, a invenção inclui uma característica que estabiliza dinâmica de rotor na modalidade preferencial. A característica compreende um espaçamento entre geometria de uma superfície rotatória e de uma superfície estacionária pela qual um canal de fluxo é criado entre as superfícies. A inclusão de uma ou uma pluralidade de espaçamentos entre uma superfície rotatória (tal como uma porção de acoplamento magnético fêmeo e/ou porção de acoplamento macho) e um elemento de superfície estacionário fornece estabilidade de dinâmica de rotor na presença de um fluxo de massa suficientemente elevado ao longo da direção axial do canal de fluxo. O canal de fluxo fornece um “suporte” de estabilização de dinâmica rotor para o elemento rotatório. O canal de fluxo é preferencialmente tanto um canal de fluxo reto ou um divergente ou canal de fluxo convergente. Reto é definido como o canal de fluxo que tem uma área constante de corte transversal do espaçamento entre a superfície de rotação e a superfície estacionária ao longo da direção axial. Um canal de fluxo convergente tem um aumento na área de corte transversal do espaçamento entre a superfície rotatória e a superfície estacionária ao longo da direção axial.[058] Rotor instability also affects the ability to use brittle materials for the pressure containment bell. To mitigate the effects of rotor dynamics instability of a high length to diameter ratio and to permit the use of ceramics and other brittle materials in the design of the pressure containment bell, the invention includes a feature that stabilizes rotor dynamics in the embodiment preferential. The feature comprises a spacing between the geometry of a rotating surface and a stationary surface whereby a flow channel is created between the surfaces. The inclusion of one or a plurality of spacings between a rotating surface (such as a female magnetic coupling portion and/or male coupling portion) and a stationary surface element provides rotor dynamic stability in the presence of a sufficiently high mass flow. elevated along the axial direction of the flow channel. The flow channel provides a rotor dynamics stabilizing “support” for the rotating element. The flow channel is preferably either a straight flow channel or a divergent or convergent flow channel. Straight is defined as the flow channel that has a constant cross-sectional area of the spacing between the rotating surface and the stationary surface along the axial direction. A convergent flow channel has an increase in the cross-sectional area of the spacing between the rotating surface and the stationary surface along the axial direction.
[059] A modalidade preferencial do acoplamento magnético inclui um canal de fluxo divergente ou convergente entre a parte do acoplamento magnético macho e o sino de pressão.[059] The preferred embodiment of the magnetic coupling includes a divergent or convergent flow channel between the male magnetic coupling part and the pressure bell.
[060] Perdas de Viscosidade Reduzidas.[060] Reduced Viscosity Losses.
[061] Uma das maiores limitações práticas na velocidade escalar de um acoplamento magnético será causada pelas reduções de eficiência devido a aumento de perdas de viscosidade que resulta de tensões de cisalhamento que ocorrem devido a gradientes de alta velocidade no fluido preso partes rotatória e estacionária (por exemplo entre o diâmetro externo da porção de acoplamento magnético fêmeo e partes estacionárias e entre sino de pressão e rotor de porção de acoplamento magnético fêmeo e entre sino de pressão e rotor de porção de acoplamento magnético macho). Essa condição não irá apenas diminuir a eficiência de viscosidade, mas também aumentar a temperatura conforme perdas por atrito exultam em aquecimento do fluido. Para suportar o aumento de temperatura, soluções existentes podem projetar por um aumento em resfriamento de fluido através de aumento dos espaçamentos entre partes rotacionais (porções de ímãs de acoplamento fêmeo e macho) e estáticas (tais como o sino de pressão), mas essa solução irá em troca impactar negativamente a eficiência de energia magnética do acoplamento magnético.[061] One of the greatest practical limitations on the speed of a magnetic coupling will be caused by reductions in efficiency due to increased viscosity losses that result from shear stresses that occur due to high speed gradients in the fluid trapped in the rotating and stationary parts ( for example between the outer diameter of the female magnetic coupling portion and stationary parts and between pressure bell and female magnetic coupling portion rotor and between pressure bell and male magnetic coupling portion rotor). This condition will not only decrease viscosity efficiency but also increase temperature as friction losses result in heating of the fluid. To withstand the temperature increase, existing solutions may design for an increase in fluid cooling by increasing the spacings between rotational (female and male mating magnet portions) and static (such as the pressure bell) parts, but this solution will in turn negatively impact the magnetic power efficiency of the magnetic coupling.
[062] Para manter temperaturas aceitáveis e perdas de viscosidade reduzidas em velocidades escalares elevadas, o acoplamento magnético da invenção tem um meio de transporte de calor para longe do fluido por meio de um resfriamento médio entre o sino de pressão as partes de rotação de acoplamento magnético fêmeo e acoplamento magnético macho. O resfriamento efetuado através de geometria dentro do sino de pressão que apresenta um perfil de arco duplo para fornecer um meio para controlar o fluxo de resfriamento através do canal de fluxo entre a porção de acoplamento macho e o sino de pressão para entrar na saída de fluxo de resfriamento da linha central da haste da porção de acoplamento macho.[062] To maintain acceptable temperatures and reduced viscosity losses at high speeds, the magnetic coupling of the invention has a means of transporting heat away from the fluid through a cooling medium between the pressure bell and the rotational parts of the coupling. female magnetic and male magnetic coupling. Cooling is effected through geometry within the pressure bell that features a double arc profile to provide a means for controlling cooling flow through the flow channel between the male coupling portion and the pressure bell to enter the flow outlet. cooling rod centerline of the male coupling portion.
Claims (12)
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762484166P | 2017-04-11 | 2017-04-11 | |
| US62/484,166 | 2017-04-11 | ||
| NO20172030A NO344365B1 (en) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | Magnetic coupling assembly |
| NO20172030 | 2017-12-21 | ||
| PCT/NO2018/050099 WO2018190726A1 (en) | 2017-04-11 | 2018-04-11 | Magnetic coupling assembly |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BR112019021368A2 BR112019021368A2 (en) | 2020-05-05 |
| BR112019021368B1 true BR112019021368B1 (en) | 2023-09-05 |
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