BR112021007654A2 - pistão de equilíbrio e vedação, e circuito e método de resfriamento associados - Google Patents

pistão de equilíbrio e vedação, e circuito e método de resfriamento associados Download PDF

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Abstract

PISTÃO DE EQUILÍBRIO E VEDAÇÃO, E CIRCUITO E MÉTODO DE RESFRIAMENTO ASSOCIADOS. A presente invenção se refere ao pistão de equilíbrio e vedação para um compressor de motor integrado que compreende um pistão de equilíbrio (50) projetado para ser montado em um eixo de acionamento (38) do compressor de motor para compensar a pressão diferencial que é aplicada às rodas (34, 35, 36, 37) de uma seção de compressão do compressor de motor entre a pressão de sucção e a pressão de descarga, e um dispositivo de vedação (51) que circunda o pistão de equilíbrio e que é projetado para ser montado na caixa (31) do compressor de motor (30) para tornar a seção de compressão hermética. O mesmo compreende adicionalmente uma porta de extração de gás (52), sendo a posição axial da porta de extração determinada de modo que o valor de pressão do gás extraído seja igual a um valor predeterminado menor que o valor da pressão de descarga.

Description

"PISTÃO DE EQUILÍBRIO E VEDAÇÃO, E CIRCUITO E MÉTODO DE RESFRIAMENTO ASSOCIADOS"
[0001] A presente invenção se refere a um compressor de motor integrado e, mais particularmente, a um pistão de equilíbrio de empuxo e vedação, a um circuito de resfriamento e a um método de resfriamento que implementa tal pistão.
[0002] Com referência à Figura 1, um compressor de motor integrado compreende um caso comum 2 que é hermético ao gás manuseado pelo compressor de motor, no qual são colocados um motor elétrico 3 e um grupo de compressores 4, por exemplo, um grupo com múltiplas etapas que compreende um conjunto de hélices 5, 6, 7 e 8 carregadas por um eixo de acionamento 9. O motor 3 aciona em rotação um rotor 10 acoplado ao eixo de acionamento 9 do grupo de compressores 4. Os mancais 11, 12, 13 e 14 são usados para sustentar a linha de eixo de acionamento do compressor de motor e um pistão de equilíbrio de empuxo e vedação 15 é montado no eixo de acionamento 9.
[0003] O compressor de motor 1 compreende adicionalmente uma linha de sucção de gás 16, uma linha de descarga 17 e uma linha de admissão 18 para resfriar o gás extraído da saída do compressor de motor.
[0004] O pistão de equilíbrio de torque e vedação 15 compreende um pistão de equilíbrio 19 para compensar a pressão diferencial aplicada às rodas da hélice 5, 6, 7 e 8 entre a pressão de sucção e a pressão de descarga, e um dispositivo de vedação 20 que circunda o pistão de equilíbrio 19 para tornar a extremidade do eixo de acionamento hermética mediante a geração de perdas de pressão.
[0005] Um fluxo de vazamento passa através do pistão 15 axialmente e é expelido da caixa 2 por uma linha de vazamento 21 conectada à linha de sucção 16.
[0006] O gás coletado pela linha de vazamento 21, que foi comprimido pelo compressor 4, está em uma temperatura mais alta que a temperatura do gás na linha de sucção 16.
[0007] Em geral, a temperatura do gás admitido na entrada do compressor de motor é da ordem de 20 a 50 ºC, e a temperatura do gás de vazamento é da ordem de 180 ºC.
[0008] O gás de vazamento aumenta, dessa forma, a temperatura do gás que circula na linha de sucção 16, reduzindo a eficiência do compressor 4.
[0009] A linha de descarga 17 é geralmente conectada a um resfriador 22 a fim de resfriar o gás comprimido.
[0010] Uma fração do gás que sai do resfriador 22 é extraída e injetada na caixa 2 pela linha de admissão de gás de resfriamento 18. Internamente, essa linha 18 é conectada aos meios de resfriamento 23 do estojo 2 para resfriar o motor elétrico 3 e os mancais 11,12, 13 e 14.
[0011] Em uma variante, uma fração de gás que sai de uma roda é extraída, resfriada e, então, injetada na caixa 2.
[0012] O gás comprimido extraído na saída do resfriador 22 ou na saída de uma roda recircula no compressor de motor 1, diminuindo a eficiência do compressor de motor e reduzindo a vazão de gás que sai do resfriador.
[0013] Propõe-se, dessa forma, mitigar as desvantagens associadas, por um lado, à recirculação do fluxo de vazamento do pistão de equilíbrio de empuxo e vedação e, por outro lado, ao resfriamento do compressor de motor.
[0014] Dado o que foi anteriormente mencionado, propõe-se, de acordo com um primeiro aspecto, um pistão de equilíbrio e vedação para um compressor de motor integrado que compreende: - um pistão de equilíbrio projetado para ser montado em um eixo de acionamento do compressor de motor para compensar a pressão diferencial que é aplicada às rodas de uma seção de compressão do compressor de motor entre a pressão de sucção e a pressão de descarga; e - um dispositivo de vedação que circunda o pistão de equilíbrio e que é projetado para ser montado na caixa do compressor de motor para tornar a seção de compressão hermética.
[0015] O pistão de equilíbrio e vedação compreende adicionalmente uma porta de extração de gás, sendo que a posição axial da porta de extração é determinada de modo que o valor de pressão do gás extraído é igual a um valor predeterminado menor que o valor da pressão de descarga.
[0016] Vantajosamente, o dispositivo de vedação compreende um labirinto dentado que compreende discos que são ocos em seu centro, distribuídos ao longo de uma direção axial para criar uma perda de pressão entre dois discos adjacentes, sendo que a porta de extração de gás está situada entre dois discos adjacentes.
[0017] De preferência, o dispositivo de vedação compreende uma vedação com uma geometria de colmeia, estando a porta de extração de gás situada no centro da vedação.
[0018] De acordo com um outro aspecto, propõe-se um circuito de resfriamento para um compressor de motor integrado que compreende: - um pistão de equilíbrio e vedação conforme definido anteriormente; - um resfriador de gás que compreende uma entrada conectada à porta de extração de gás e a uma saída; - meios de resfriamento para mancais e para um motor elétrico conectado à saída do resfriador de gás, sendo que o valor de pressão do gás extraído na porta de extração é ao menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador de gás e pelos meios de resfriamento.
[0019] De acordo com outra característica, o circuito de resfriamento compreende adicionalmente um filtro que tem uma entrada conectada à saída do resfriador e uma saída conectada aos meios de resfriamento, sendo que o valor de pressão do gás extraído na porta de extração é ao menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador, pelos meios de resfriamento e pelo filtro.
[0020] Vantajosamente, o circuito de resfriamento compreende adicionalmente: - uma válvula reguladora conectada à saída do resfriador e aos meios de resfriamento;
- ao menos um sensor de temperatura projetado para medir a temperatura do motor elétrico ou de um mancal; - uma unidade de processamento conectada à válvula reguladora e ao sensor de temperatura, e que controla a válvula reguladora, sendo que o valor de pressão do gás extraído na porta de extração é ao menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador, pela válvula e pelos meios de resfriamento.
[0021] De preferência, o circuito compreende adicionalmente um filtro que tem uma entrada para a saída do resfriador e uma saída conectada à válvula reguladora, sendo que o valor de pressão do gás extraído na porta de extração é ao menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador, pela válvula reguladora e pelo filtro.
[0022] De acordo com uma outra característica, o circuito de resfriamento compreende adicionalmente uma segunda válvula reguladora conectada, por um lado, a uma porta de descarga do compressor do motor ou à saída de uma roda e, por outro lado, aos meios de resfriamento, sendo que a segunda válvula reguladora é controlada pela unidade de processamento.
[0023] De acordo com um segundo aspecto, propõe-se um método de resfriamento de um compressor de motor integrado em que se regula a vazão de gás injetado nos meios de resfriamento pela válvula reguladora de modo que a temperatura detectada por ao menos um sensor de temperatura seja igual a uma temperatura de ponto de ajuste.
[0024] Vantajosamente, quando a temperatura detectada pelo sensor de temperatura é maior que a temperatura de ponto de ajuste e a vazão de gás injetado pela válvula reguladora é igual a uma vazão máxima predeterminada, regula-se a vazão suplementar de gás injetado nos meios de resfriamento pela segunda válvula reguladora de modo que a temperatura detectada por pelo menos um sensor de temperatura é igual à temperatura de ponto de ajuste.
[0025] Outras características e vantagens da invenção aparecerão mediante a leitura da descrição a seguir das modalidades da invenção, fornecidas somente como exemplos não limitadores e que se referem aos desenhos, nos quais:
[0026] [A Figura 1] já mencionada, ilustra um compressor de motor da técnica anterior;
[0027] — [AFigura2] ilustra uma primeira modalidade de um compressor de motor; e
[0028] [A Figura 3] ilustra uma segunda modalidade do compressor de motor.
[0029] Veja a Figura 2, que ilustra uma primeira modalidade de um compressor de motor integrado 30.
[0030] O compressor de motor integrado 30 compreende uma caixa hermética comum 31 na qual são colocados um motor elétrico 32 e um grupo de compressores 33 que compreende, por exemplo, uma seção de compressão que tem um conjunto de rodas de hélice 34, 35, 36 e 37, portadas por um eixo de acionamento 38. O motor 32 aciona a rotação de um rotor 39 acoplado ao eixo de acionamento 38 do grupo de compressores 33. Os mancais 40, 41, 42 e 43 são usados para sustentar a linha de eixo de acionamento do compressor de motor e um pistão de equilíbrio e vedação 44 montado em uma extremidade do eixo de acionamento 38.
[0031] Esse pistão 44 é projetado para equilibrar os empuxos que atuam sobre os estágios de compressão do compressor de motor sob o efeito da pressão diferencial e para assegurar o aperto da seção de compressão.
[0032] O compressor de motor 30 compreende adicionalmente uma porta de sucção de gás 45 e uma porta de descarga de gás comprimido 46, uma porta de resfriamento 47 conectada aos meios de resfriamento 48 do motor elétrico 32 e aos mancais 40, 41, 42 e 43, e uma porta de vazamento 49 conectada à porta de sucção
45.
[0033] Os meios de resfriamento 48 liberam gás de resfriamento.
[0034] Um fluxo de vazamento passa axialmente através do pistão de equilíbrio de empuxo e vedação 44 e é expelido do estojo 31 pela porta de vazamento 49.
[0035] Os mancais 40, 41, 42 e 43 podem compreender mancais eletromagnéticos, de modo que o eixo de acionamento 38 é sustentado quando o compressor de motor 30 está em funcionamento.
[0036] O pistão de equilíbrio e vedação 44 compreende um pistão de equilíbrio 50 para compensar a pressão diferencial que é aplicada às rodas do compressor 33 entre a pressão de sucção e a pressão de descarga, e um dispositivo de vedação 51 que circunda o pistão de equilíbrio 50 para tornar a extremidade do eixo de acionamento hermética mediante a geração de perdas de pressão.
[0037] O pistão 44 compreende adicionalmente uma porta de extração de gás
52.
[0038] A posição axial da porta de extração 52 é determinada de modo que o valor de pressão do gás extraído seja igual a um valor predeterminado Pext menor que o valor da pressão de descarga.
[0039] O dispositivo de vedação 51 compreende um labirinto dentado que compreende discos que são ocos em seu centro, distribuídos ao longo de uma direção axial de modo a criar uma perda de pressão entre dois discos adjacentes, sendo que a porta de extração de gás 52 está situada entre dois discos adjacentes.
[0040] Em uma variante, o dispositivo de vedação 51 compreende uma vedação com uma geometria de colmeia, sendo que a porta de extração de gás 52 está situada no centro da vedação.
[0041] A quantidade de gás quente que circula através da porta de vazamento 49 é diminuída pela quantidade de gás extraído pela porta de extração 52.
[0042] Consequentemente, a temperatura do gás na porta de sucção é menor que no caso de um pistão de equilíbrio de empuxo e vedação que não tem uma porta de extração.
[0043] A eficiência do compressor de motor é melhorada.
[0044] O compressor de motor 30 compreende adicionalmente um circuito de resfriamento que compreende o pistão de equilíbrio e vedação 44, um resfriador de gás 53 cuja uma entrada é conectada à porta de extração 52 e uma saída é conectada a uma entrada de um filtro 54, sendo que uma saída do filtro é conectada a uma válvula reguladora 55 conectada aos meios de resfriamento 49.
[0045] O resfriador 53 resfria o gás que circula em sua entrada.
[0046] O circuito de resfriamento compreende adicionalmente sensores de temperatura 56, 57 e 58 que medem a temperatura do motor elétrico 32 e a dos mancais 41 e 42, uma unidade de processamento 59 que controla a válvula reguladora 55 e recebe as informações de temperatura transmitidas pelos sensores de temperatura.
[0047] Em uma variante, cada mancal pode ser equipado com um sensor de temperatura.
[0048] O filtro 54 filtra o gás na saída para eliminar partículas e água contidas no gás.
[0049] A unidade de processamento 59 regula a vazão de gás injetado no circuito de resfriamento do compressor de motor pela válvula reguladora 55 de modo que a temperatura detectada pelos sensores de temperatura 56, 57 e 58 seja igual a uma temperatura de ponto de ajuste Tcons escolhida para não degradar o motor elétrico 32 e os mancais.
[0050] O circuito de resfriamento compreende um circuito de controle de temperatura.
[0051] A unidade de processamento 59 é realizada, por exemplo, por um microprocessador.
[0052] Pode ser qualquer dispositivo capaz de controlar a válvula reguladora 55 de modo que a temperatura detectada pelos sensores de temperatura 56, 57 e 58 seja igual à temperatura de ponto de ajuste Tcons.
[0053] O valor predeterminado Pext1 da pressão do gás extraído na porta de extração 52 é pelo menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelos meios de resfriamento 48, pelo resfriador 53, pelo filtro 54 e pela válvula reguladora 55. Presume-se que as perdas de pressão geradas pelas linhas que conectam os elementos do circuito de resfriamento sejam desprezíveis em comparação com as perdas de pressão geradas pelos ditos elementos.
[0054] Em uma variante, o circuito de resfriamento não tem um filtro 54. O valor predeterminado Pext2 da pressão do gás extraído na porta de extração 52 é pelo menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelos meios de resfriamento 48, pelo resfriador 53 e pela válvula reguladora 55.
[0055] De acordo com outras modalidades, o circuito de resfriamento não tem uma válvula 55. O valor predeterminado Pext3 da pressão do gás extraído na porta de extração 52 é igual ao valor predeterminado Pext1 menos o valor das perdas de pressão geradas pela válvula 55 se o circuito incluir o filtto 54 ou ao valor predeterminado Pext2 menos o valor das perdas de pressão geradas pela válvula
55.
[0056] Os meios de resfriamento 48 injetam o gás de vazamento que escapa do pistão referido como 44.
[0057] Consequentemente, o gás de resfriamento não é extraído na porta de descarga 46 ou em uma das rodas 34, 35, 36 e 37, reduzindo a recirculação do gás. A eficiência do compressor de motor é melhorada.
[0058] Veja agora a Figura 3, que ilustra uma segunda modalidade de um compressor de motor integrado 30.
[0059] A seguir, os elementos idênticos àqueles anteriormente descritos são identificados pelas mesmas referências numéricas.
[0060] Essa modalidade difere da primeira modalidade pelo fato de que o circuito de resfriamento compreende adicionalmente um segundo resfriador 60, cuja uma entrada é conectada à porta de descarga 46 e uma segunda válvula reguladora 61 é conectada a uma saída do segundo resfriador 60.
[0061] Em uma variante, a entrada do segundo resfriador 60 é conectada à saída de uma roda 34, 35, 36 ou 37 da seção de compressão.
[0062] O segundo resfriador 60 resfria o gás que sai do compressor 33.
[0063] De acordo com outras modalidades, a segunda válvula reguladora 61 é conectada diretamente à porta de descarga 46 ou à saída de uma roda 34, 35, 36 ou 37 da seção de compressão.
[0064] A segunda válvula reguladora 61 é adicionalmente conectada à porta de resfriamento 47.
[0065] A unidade de processamento 59 controla adicionalmente a segunda válvula reguladora 61 de modo que quando a temperatura detectada pelos sensores de temperatura 56, 57 e 58 for maior que a temperatura de ponto de ajuste Tcons e a vazão de gás injetado pela primeira válvula reguladora 55 for igual a uma vazão máxima predeterminada, a vazão de gás suplementar injetado pela segunda válvula reguladora no meio de resfriamento 48 diminua a temperatura detectada pelos sensores de temperatura até ser igual à temperatura de ponto de ajuste Tcons.
[0066] A vazão máxima predeterminada é a vazão máxima de gás que passa através da primeira válvula reguladora 55.
[0067] Em uma variante, se o circuito de resfriamento não contiver a primeira válvula reguladora 55, a unidade de processamento 59 controla a segunda válvula reguladora 61 de modo que quando a temperatura detectada pelos sensores de temperatura 56, 57 e 58 for maior que a temperatura de ponto de ajuste Tcons, a vazão suplementar de gás injetado pela segunda válvula reguladora no meio de resfriamento 48 diminua a temperatura detectada pelos sensores de temperatura até ser igual à temperatura de ponto de ajuste Tcons.
[0068] Nessa modalidade, se a taxa de fluxo de gás de vazamento extraída na porta de extração 52 não for suficiente para resfriar o motor 32 e os mancais até a temperatura de ponto de ajuste Tcons, um fluxo de gás suplementar é extraído na porta de descarga 46.
[0069] A capacidade de resfriamento do circuito de resfriamento é aprimorada.
[0070] Uma vez que o fluxo de gás suplementar extraído na porta de descarga é desprezível em comparação com o fluxo de gás que sai do compressor 34, a eficiência do compressor de motor não é degradada.
[0071] De acordo com outras modalidades, o compressor do motor 30 pode compreender várias seções de compressão montadas em seu eixo de acionamento, sendo que cada seção de compressão é conectada a um pistão de equilíbrio de empuxo e vedação.
[0072] O pistão de equilíbrio de empuxo e vedação cujo baixo valor de pressão é o mais baixo compreende a porta de extração de gás.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    [1] Pistão de equilíbrio e vedação para um compressor de motor integrado que compreende: - um pistão de equilíbrio (50) projetado para ser montado em um eixo de acionamento (38) do compressor de motor para compensar a pressão diferencial que é aplicada às rodas (34, 35, 36, 37) de uma seção de compressão do compressor de motor entre a pressão de sucção e a pressão de descarga; e - um dispositivo de vedação (51) que circunda o pistão de equilíbrio e que é projetado para ser montado na caixa (31) do compressor de motor (30) para tornar a seção de compressão hermética, caracterizado por o pistão de equilíbrio e vedação compreender adicionalmente uma porta de extração de gás (52), sendo a posição axial da porta de extração determinada de modo que o valor de pressão do gás extraído seja igual a um valor predeterminado (Pext).
  2. [2] Pistão de equilíbrio e vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo de vedação (51) compreender um labirinto dentado que compreende discos que são ocos em seu centro, distribuídos ao longo de uma direção axial de modo a criar uma perda de pressão entre dois discos adjacentes, estando a porta de extração de gás situada entre dois discos adjacentes.
  3. [3] Pistão de equilíbrio e vedação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo de vedação (51) compreender uma vedação com uma geometria de colmeia, estando a porta de extração de gás situada no centro da vedação.
  4. [4] Circuito de resfriamento para um compressor de motor integrado, caracterizado por compreender: - um pistão de equilíbrio e vedação (44), conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores; - um resfriador de gás (53) que compreende uma entrada conectada à porta de extração de gás (52) e uma saída;
    - meios de resfriamento (48) para mancais (40, 41, 42, 43) e para um motor elétrico (32) conectado à saída do resfriador de gás; sendo o valor de pressão do gás extraído (Pext) na porta de extração (52) pelo menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador de gás e pelos meios de resfriamento.
  5. [5] Circuito, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender adicionalmente um filtro (54) que tem uma entrada conectada à saída do resfriador (53) e uma saída conectada aos meios de resfriamento (48), sendo o valor de pressão do gás extraído (Pext) na porta de extração (52) pelo menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador, pelos meios de resfriamento e pelo filtro.
  6. [6] Circuito de resfriamento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender adicionalmente: - uma válvula reguladora (55) conectada à saída do resfriador (53) e aos meios de resfriamento (48); - ao menos um sensor de temperatura (56, 57, 58) projetado para medir a temperatura do motor elétrico ou aquela de um mancal; e - uma unidade de processamento (59) conectada à válvula reguladora e ao sensor de temperatura, e que controla a válvula reguladora, sendo o valor de pressão do gás extraído (Pext) na porta de extração (52) pelo menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador, pela válvula e pelos meios de resfriamento.
  7. [7] Circuito, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender adicionalmente um filtro (54) que tem uma entrada para a saída do resfriador (53) e uma saída conectada à válvula reguladora (55), sendo o valor de pressão do gás extraído (Pext) na porta de extração (52) pelo menos igual ao valor das perdas de pressão geradas pelo resfriador, pela válvula reguladora e pelo filtro.
  8. [8] Circuito de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 6 e 7, caracterizado por compreender adicionalmente uma segunda válvula reguladora
    (61) conectada por um lado a uma porta de descarga (46) do compressor de motor ou à saída de uma roda e por outro lado aos meios de resfriamento (48), sendo a segunda válvula reguladora controlada pela unidade de processamento (59).
  9. [9] Método de resfriamento de um compressor de motor integrado, caracterizado por regular a vazão de gás injetado no meio de resfriamento (48) pela válvula reguladora (55, 61) de modo que a temperatura detectada por ao menos um sensor de temperatura (56, 57, 58) seja igual a uma temperatura de ponto de ajuste (Tcons).
  10. [10] Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por, quando a temperatura detectada por ao menos um sensor de temperatura (56, 57, 58) é maior que a temperatura de ponto de ajuste (Tcons) e a vazão de gás injetado pela válvula reguladora (55) é igual a uma vazão máxima predeterminada, regular a vazão suplementar de gás injetado nos meios de resfriamento pela segunda válvula reguladora (61) de modo que a temperatura detectada pelo sensor de temperatura seja igual à temperatura de ponto de ajuste.
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