BRPI0707208A2 - estator, rotor, dispositivo de cavidade progressiva, e, aparelho - Google Patents
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Abstract
ESTATOR, ROTOR, DISPOSITIVO DE CAVIDADE PROGRESSIVA, E, APARELHO. é divulgado um dispositivo de cavidade progressiva. Em algumas configurações o dispositivo inclui um estator com uma superficie interna que tem um número de lóbulos e um rotor colocado dentro do estator, e que tem um número de lóbulos diferente. Os lóbulos do estator definem um diâmetro maior e um diâmetro menor, onde o diâmetro maior circunscreve os lóbulos do estator e o diâmetro menor inscreve os lóbulos do estator. Um rotor-estator definido como o diâmetro maior dividido pelo diâmetro menor é selecionado dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem dois lóbulos, 1,263 ou menos para três lóbulos, 1,300 ou menos para quatro lóbulos, 1,250 ou menos para cinco lóbulos, 1,180 ou menos para seis lóbulos, 1,175 ou menos para sete lóbulos, 1,150 ou (menos) para oito lóbulos, 1,125 ou menos para nove lóbulos e 1,1 20 ou menos para dez lóbulos.
Description
"ESTATOR, ROTOR, DISPOSITIVO DE CAVIDADE PROGRESSIVA, E, APARELHO"
DECLARAÇÃO RELATIVA À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTOPATROCINADOS DE FORMA FEDERAL
Não aplicável
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção é relativa, genericamente, a motores dedeslocamento positivo e bombas de cavidade progressiva. Maisparticularmente, a presente invenção é relativa a um rotor, um estator e umconjunto rotor-estator para uma bomba de cavidade progressiva e/ou motor dedeslocamento positivo.
FUNDAMENTOS
Uma bomba de cavidade progressiva que compreende umrotor e um estator transfere fluido por meio de uma seqüência de cavidadesdiscretas que movem através da bomba quando ou rotor é girado dentro doestator. Transferência de fluido desta maneira resulta em uma vazãovolumétrica proporcional à velocidade de rotação do rotor dentro do estator, eníveis relativamente baixos de cisalhamento aplicado ao fluido. Daí, bombasde cavidade progressiva serem utilizadas tipicamente em dosagem de fluido ebombeamento de fluidos viscosos ou sensíveis a cisalhamento.
Uma bomba de cavidade progressiva (PCP) pode ser utilizadade maneira inversa como um motor de deslocamento positivo para converter aenergia hidráulica de um fluido de alta pressão em energia mecânica na formade velocidade e saída de torque, que pode ser atrelada a uma variedade deaplicações, inclusive perfuração furo abaixo. Um motor de deslocamentopositivo (PDM) compreende uma seção de energia que inclui um rotorcolocado dentro de um estator, um conjunto mancai e um eixo deacionamento. O eixo de acionamento é acoplado ao rotor da seção de energiae é suportado pelo conjunto mancai. Fluido é bombeado sob pressão atravésda seção de energia fazendo com que o rotor gire em relação ao estator,girando com isto o eixo de acionamento acoplado. Em geral, o rotor tem umavelocidade rotacional proporcional à vazão volumétrica de fluido que passaatravés da seção de energia. Um outro componente, por exemplo, uma brocapara perfurar furo abaixo pode ser presa ao eixo de acionamento. Quandofluido de alta pressão é bombeado através da seção de energia, movimentorotativo é transformado do rotor para a broca através do conjunto mancai eeixo de acionamento, permitindo que o rotor gire a broca.
Uma PCP, ou seção de energia de um PDM, incluigenericamente um rotor conformado helicoidal feito tipicamente de aço, quepode ser revestido de cromo ou revestido para desgaste e/ou resistência àcorrosão, e um estator, tipicamente um tubo de aço tratado termicamente erevestido com um inserto elastomérico conformado helicoidal. A figura 1ilustra uma vista em perspectiva cortada e removida de um conjunto rotor-estator convencional 5, que compreende um rotor 10 colocado dentro de umestator 20. Este conjunto rotor estator 5 pode ser empregado como uma PCPou a seção de energia de PDM. A figura 2 ilustra uma vista em seçãotransversal do conjunto rotor-estator convencional 5 delineado na figura 1.
Como mostrado nesta figura 1, o rotor 10 um lóbulos a mais 15 do que oestator 20. Quando os dois componentes são montados uma série de cavidades25 são formadas entre a superfície externa 30 do rotor 10 e a superfícieinterna 35 do estator 20. Cada cavidade 25 é vedada de cavidades adjacentespor meio de linhas de vedação formadas ao longo da linha de contato entre orotor 10 e o estator 20. O centro 40 do rotor 10 é deslocado do centro 45 doestator 20 por um valor conhecido fixo conhecido como a "excentricidade" doconjunto rotor-estator 5.
Durante operação de um PDM, fluido de alta pressão ébombeado para uma extremidade da seção de energia, onde ele preenche umprimeiro conjunto de cavidades abertas. O diferencial de pressão através dasduas cavidades adjacentes força o rotor a girar. Como descrito anteriormente,uma PCP pode ser descrita como operando ao inverso de um PDM,significando que a aplicação de velocidade e torque ao rotor da PCP faz comque o rotor gire dentro do estator, resultando em escoamento de fluido atravésdo comprimento da PCP enquanto o escoamento de fluido através da seção deenergia de um PDM faz com que o rotor gire. Em ambos os tipos de conjuntoscavidades adjacentes são abertas e enchidas com fluido quando o motor gira.Uma vez que este processo de rotação e enchimento se repete em umamaneira contínua, fluido escoa de maneira progressiva ao longo docomprimento da PCP ou da seção de energia do PDM. Além disto, quando orotor gira dentro do estator o centro do rotor move em um movimento circularao redor do centro do estator. Uma vez que o centro do rotor é deslocado docentro do estator, forças desequilibradas são geradas pela rotação ou nutaçãodo motor dentro do estator. Sem estar limitado pela teoria, acredita-se quequanto maior a excentricidade da PCP ou seção de energia do PDM maioresestas forças desequilibradas ou centrífugas.
Falhas do conjunto rotor-estator podem ocorrer devido àdestruição do elastômero do estator. Falha mecânica do elastômero ocorrequando ele é sobrecarregado além de seus limites de tensão e deformação, talcomo pode ser provocada por um ajuste de compressão elevado entre o rotor eo estator. Falha térmica do elastômero ocorre quando a temperatura doelastômero excede sua temperatura classificada por um período prolongado.Mesmo para curtos períodos de tempo, aumentar a temperatura do elastômerofaz com que as propriedades físicas do elastômero enfraqueçam, resultandoem uma vida encurtada do elastômero.
Existem diversos mecanismos ou modos de geração de calorque podem elevar a temperatura do elastômero acima de sua temperaturaclassificada, como a seguir: interferência, histerese, forças centrífugas e fontesfuro abaixo. Interferência entre o rotor e o estator é necessária para vedar ascavidades discretas. Forças centrífugas são exercidas sobre o elastômero pormeio do rotor quando o rotor nuta dentro do estator. Os efeitos combinados deinterferência, forças centrífugas e deslizamento ou raspagem do rotor dentrodo estator, geram calor dentro do elastômero do estator, fazendo com que atemperatura do elastômero suba. Também, quando o rotor nuta dentro doestator o elastômero comprime e expande de maneira repetida. Calor é geradopelo atrito viscoso interno das moléculas do elastômero, um fenômenoconhecido como "histerese". Além disto, calor pode ser gerado por outrasfontes furo abaixo. Calor a partir destes mecanismos - interferência, forçascentrífugas, histerese e outras fontes furo abaixo - podem fazer com que atemperatura do elastômero suba acima da sua temperatura classificada,resultando em vida encurtada do elastômero ou sua falha.
A figura 3 ilustra um conjunto convencional rotor- estator 50que inclui um rotor 55 dentro de um estator 60. O estator 60 ainda inclui umrevestimento elastomérico 62 dentro de uma carcaça externa 65. Este projetoconvencional de rotor-estator e outros similares a ele são sujeitos a forçascentrífugas elevadas quando o rotor 55 gira dentro do estator 60 devido àexcentricidade elevada do conjunto rotor-estator 50. Como descrito acima,estas forças geram calor fazendo com que a temperatura do elastômero subadurante operação do conjunto motor-estator 50. Adicionalmente, o próprioprojeto do elastômero inibe a capacidade do elastômero 62 dissipar calordevido à espessura do revestimento e sua condutividade térmica relativamentebaixa. Admitindo que todos os outros fatores permanecem constantes, quantomaior a espessura do elastômero e mais baixa sua condutividade térmica,maior a capacidade do elastômero para reter calor.
Tentativas foram feitas para modificar o projeto convencionaldo elastômero do estator em um esforço para reduzir retenção de calor peloelastômero. A figura 4 ilustra um estator modificado 70 referido como umestator de parede constante que compreende um revestimento elastomérico 75com um revestimento reduzido, quando comparado ao revestimentoelastomérico 62 ilustrado na figura 3, de espessura uniforme dentro de umacarcaça externa 80. Reduzindo a espessura do revestimento elastomérico 75sua capacidade para reter calor é também reduzida. Contudo, esta modificaçãodo projeto não enfrenta diretamente as fontes daquele calor - as forçascentrífugas resultantes da nutação do rotor dentro do estator e aexcentricidade do conjunto rotor-estator. Além disto, esta configuração deprojeto adiciona complexidade de fabricação e, portanto, despesa, devido àsuperfície interna não cilíndrica ou forma da carcaça do estator 80. Aindamais, esta configuração de projeto também limita a faixa de aplicações para asquais a carcaça 80 pode ser utilizada. Com uma carcaça que tem uma formainterna com superfície cilíndrica a configuração do lóbulo no conjunto rotor-estator, por exemplo, o número de lóbulos, é comumente trocadasimplesmente substituindo o revestimento elastomérico no estator, enquantoo projeto da carcaça de estator ilustrado na figura 4 está limitado àconfiguração de lóbulo mostrada, isto é, a configuração de estator de trêslóbulos.
Devido às desvantagens de conjuntos motor-estatorconvencionais descritas acima, permanece uma necessidade por um rotor-estator melhorado para utilização em uma PCP ou seção de energia de umPDM. Tal rotor e estator melhorado deveria ser particularmente bem recebidose oferecer o potencial para reduzir geração de calor a partir de forçascentrífugas, retenção de calor por componentes elastoméricos, por exemplo orevestimento elastomérico do estator, se presente, e/ou custos de fabricação,ao mesmo tempo que retém flexibilidade de configuração de projeto.
SUMÁRIO DA DIVULGAÇÃO
Um conjunto rotor-estator para uma bomba de cavidadeprogressiva e/ou motor de deslocamento positivo é divulgado, no qual oconjunto rotor-estator permite geração de calor reduzida devido a forçascentrífugas provocadas por nutação do rotor dentro do estator, retenção decalor pelo revestimento elastomérico do estator, se presente, e custos defabricação para a carcaça do estator enquanto mantendo a capacidade doestator de assumir diversas configurações de lóbulo.
Em algumas configurações o estator inclui uma carcaça quetem um furo transpassante que define uma superfície interna, onde asuperfície interna tem uma pluralidade de lóbulos. A pluralidade de lóbulosdefine um diâmetro maior que circunscreve a pluralidade de lóbulos e umdiâmetro menor que inscreve a pluralidade de lóbulos. A relação de estator éigual ao diâmetro maior dividido pelo diâmetro menor. A relação de estator éselecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um estatorcom dois lóbulos, 1,263 ou menos para um estator com três lóbulos, 1,300 oumenos para um estator com quatro lóbulos, 1,250 ou menos para um estatorcom cinco lóbulos, 1,180 ou menos para um estator com seis lóbulos, 1,175ou menos para um estator com sete lóbulos, 1,150 ou menos para um estatorcom oito lóbulos, 1,125 ou menos para um estator com nove lóbulos e 1,120ou menos para um estator com dez lóbulos.
Em algumas configurações o rotor inclui uma superfícieexterna que tem no mínimo um lóbulo. O no mínimo um lóbulo define umdiâmetro maior que circunscreve o no mínimo um lóbulo e um diâmetromenor que inscreve o no mínimo um lóbulo. Uma relação de rotor é igual aodiâmetro maior dividido pelo diâmetro menor. A relação de rotor éselecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um rotor comum lóbulo, 1,263 ou menos para um rotor com dois lóbulos, 1,300 ou menospara um rotor com três lóbulos, 1,250 ou menos para um rotor com quatrolóbulos, 1,180 ou menos para um rotor com cinco lóbulos, 1,175 ou menospara um rotor com seis lóbulos, 1,150 ou menos para um rotor com setelóbulos, 1,125 ou menos para um rotor com oito lóbulos e 1,120 ou menospara um rotor com nove lóbulos.Em algumas modalidades o dispositivo de cavidadeprogressiva inclui um estator e um rotor. O estator tem uma superfície internacom um primeiro número de lóbulos onde os lóbulos definem um diâmetromaior que circunscreve os lóbulos e um diâmetro menor que inscreve oslóbulos. O rotor é colocado dentro do estator e tem um segundo número delóbulos diferente do primeiro número de lóbulos. Uma relação rotor/estatoriguala o diâmetro maior dividido pelo diâmetro menor. A relação rotor/estatoré selecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para umdispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem dois lóbulos,1,263 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estatorque tem três lóbulos, 1,300 ou menos para um dispositivo de cavidadeprogressiva com um estator que tem quatro lóbulos, 1,250 ou menos para umdispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem cinco lóbulos,1,180 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estatorque tem seis lóbulos, 1,175 ou menos para um dispositivo de cavidadeprogressiva com um estator que tem sete lóbulos, 1,150 ou menos para umdispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem oito lóbulos,1,125 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estatorque tem nove lóbulos e 1,120 ou menos para um dispositivo de cavidadeprogressiva com um estator que tem dez lóbulos.
As diversas características descritas acima, bem como outrosaspectos do aparelho divulgado, serão facilmente evidentes para aquelesversados na técnica quando da leitura da descrição detalhada a seguir e porreferência aos desenhos que acompanham.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Para uma descrição mais detalhada das configuraçõespreferenciais, será feita referência agora aos desenhos que acompanham, nosquais:
A figura 1 delineia uma vista parcial em perspectiva em corteremovido de um conjunto rotor-estator convencional;
A figura 2 delineia uma vista em seção transversal de umconjunto rotor-estator convencional típico;
A figura 3 delineia uma vista em seção transversal de um outroconjunto rotor-estator convencional típico;
A figura 4 delineia uma vista em seção transversal de umestator modificado, também referido como um estator de parede constante;
A figura 5 delineia uma configuração de um conjunto rotor-estator com uma configuração de dois em três lóbulos, feita de acordo com osprincípios aqui descritos;
A figura 6 delineia uma configuração ilustrativa de um estatorcom uma configuração de cinco lóbulos feita de acordo com os princípiosaqui descritos;
A figura 7 é uma plotagem em linha que mostra a relaçãomáxima do diâmetro maior do estator para o diâmetro menor do estator comouma função do número de lóbulos de estator para estatores feitos de acordocom os princípios aqui descritos quando comparados a estatores particularesconhecidos da técnica precedente;
A figura 8 delineia uma configuração ilustrativa de um estatorcom uma configuração de cinco lóbulos, porém sem revestimentoelastomérico, de acordo com os princípios aqui descritos; e
A figura 9 delineia uma configuração ilustrativa de um rotorcom uma configuração de quatro lóbulos de acordo com os princípios aquidescritos.
MOTIVAÇÃO E NOMENCLATURA
Certos termos são utilizados através de toda a descrição aseguir e reivindicações para se referirem a componentes particulares doconjunto. Este documento não tem a intenção de distinguir entre componentesque diferem em nome porém não em função. Na discussão a seguir e nasreivindicações, os termos "incluindo" e "compreendendo" são utilizados emnenhuma maneira aberta, e assim deveriam ser interpretados para significar"incluindo porém não limitado a...".
Como aqui utilizado, e nas reivindicações a seguir, o termo"dispositivo de cavidade progressiva" se refere de maneira coletiva a umestator com um rotor colocado dentro.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONFIGURAÇÕESPREFERENCIAIS
Diversas configurações de um conjunto rotor estator para ummotor de deslocamento positivo e/ou uma bomba de cavidade progressiva queoferecem o potencial para reduzir geração de calor provocada por forçascentrífugas que resultam de nutação do rotor dentro do estator, retenção decalor pelo revestimento elastomérico do estator, se presente, e custos defabricação, ao mesmo tempo que retém flexibilidade de configuração deprojeto, serão agora descritos com referência aos desenhos que acompanham.
Numerais de referência iguais são utilizados para aspectos iguais através detodas as diversas vistas. Estão mostrados nos desenhos e serão aqui descritosem detalhe configurações específicas do conjunto rotor-estator com oentendimento que esta divulgação é somente representativa e não tem aintenção de limitar a invenção a estas configurações ilustradas e aquidescritas. As configurações do conjunto rotor-estator aqui divulgadas podemser utilizadas em qualquer tipo de motor de deslocamento positivo (PDM) oubomba de cavidade progressiva (PCP). Deve ser amplamente reconhecido queos diferentes ensinamentos das configurações aqui divulgadas podem serempregados separadamente ou em qualquer combinação adequada paraproduzir resultados desejados.
A figura 5 delineia uma vista extrema em seção transversal deuma configuração de um conjunto rotor-estator sem que inclui um rotor 102dentro de um estator 104. O conjunto 100 pode ser uma PCP ou uma seção deenergia de um PDM. De maneira coletiva o rotor 102 e o estator 104, bemcomo todos os outros conjuntos rotor- estator de acordo com a presentedivulgação, são referidos aqui como "dispositivos de cavidade progressiva".O estator 104 inclui um revestimento relativamente fino 105 colocado dentroe circundado por uma carcaça externa 110. A carcaça externa 110 inclui umasuperfície interna substancialmente cilíndrica 115 que engata a superfícieexterna 120 do revestimento 105. Especificamente a forma e tamanho (porexemplo, o raio) da superfície interna 115 da carcaça 110 corresponde àforma e tamanho (por exemplo, o raio) da superfície externa 120 dorevestimento 105 de tal modo que a superfície externa 120 do revestimentoelastomérico 105 engata de maneira estática a superfície interna 120 dacarcaça 110. Por exemplo, um ajuste de interferência pode ser formado entreo revestimento 105 e a carcaça 110. Em adição ou como uma alternativa, orevestimento 105 pode ser ligado à superfície interna 115 da carcaça 110.Embora esta configuração tomada como exemplo do conjunto rotor- estator110 mostrado na figura 5 tenha uma configuração de lóbulos dois em três,significando um rotor de dois lóbulos 102 colocado dentro de um estator detrês lóbulos 104, deveria ser apreciado que outras configurações podemincluir outros números e combinações de lóbulos.
Em geral a carcaça do estator 110 pode compreender quaisquermateriais adequados incluindo, sem limitação, metais e ligas metálicas (porexemplo, aço inoxidável, titânio, etc.), não metais (por exemplo, polímeros),composto(s) (por exemplo, fibra de carbono composto epóxi) ou combinaçõesdeles. Em uma configuração a carcaça do estator 110 é preferivelmenteconstruída de uma liga de aço carbono tratada termicamente. De maneirasimilar, o revestimento 105 pode compreender quaisquer materiais adequadosincluindo, sem limitação, metais e ligas metálicas, não metais, compostos, oucombinações deles. Nesta configuração o revestimento 105 é preferivelmenteconstruído de um elastômero ou borracha sintética. Assim, o revestimento 105pode ser referido aqui como um revestimento elastomérico.
O estator 104 delineado na figura 5 pode ser descrito emtermos de um diâmetro maior SD e um diâmetro menor Sd. O diâmetro maiorSD é definido pelo circulo tracejado que circunscreve os pontos radialmenteos mais externos ou superfícies de lóbulos 125. O diâmetro menor Sd édefinido pelo círculo tracejado que inscreve os pontos radiais os mais internosou superfícies do revestimento elastomérico 105. Em geral a excentricidadedo conjunto rotor-estator inclusive o conjunto rotor-estator 100 delineado nafigura 5 é uma função do diâmetro maior SD e do diâmetro menor Sd. Paraum conjunto rotor-estator que compreende um estator com mais do que umlóbulo (por exemplo, estator 104), a excentricidade como aqui utilizado,iguala (SD - Sd)/4. Sem ser limitado por isto ou qualquer teoria particular,para um conjunto rotor-estator que compreende um estator com um únicolóbulo, a excentricidade iguala (SD - Sd)/2.
Como descrito anteriormente, forças centrífugas provocadaspela nutação de um rotor dentro de um estator resultam em geração de calordevido a atrito entre o rotor e o estator. Em alguns conjuntos motor-estatorconvencionais que incluem um estator com um revestimento elastomérico, ageração de calor pode fazer com que a temperatura do elastômero exceda suatemperatura classificada. Sem ser limitado por isto ou qualquer teoriaparticular, acredita-se que quanto maior a excentricidade do conjunto rotor-estator, maiores as forças centrífugas e geração de calor resultantes, e maior opotencial para dano, quebra e/ou falha do revestimento elastomérico. Assim, édesejável reduzir a excentricidade do conjunto rotor-estator.
De acordo com as equações de excentricidade descritas acima,a excentricidade de um conjunto rotor-estator pode ser diminuída reduzindo adiferença entre o diâmetro maior SD e o diâmetro menor Sd do estator. Emoutras palavras, a excentricidade do conjunto rotor-estator pode ser diminuídareduzindo a relação SD/Sd.Modalidades descritas aqui têm uma relação SD/Sd máxima de1,263 para um conjunto rotor-estator que compreende um estator de trêslóbulos tal como o estator de três lóbulos 100 delineado na figura 4. Descritode maneira diferente, configurações aqui descritas têm uma relação SD/Sdnão maior do que 1,263 para um conjunto rotor-estator que compreende umestator de três lóbulos. Para finalidades de comparação, um conjunto rotor-estator convencional empregado comumente que tem um estator de trêslóbulos e um rotor de dois lóbulos tem uma relação SD/Sd próxima de 1,65,significativamente mais elevada do que 1,263. Além disto, um rotor-estator convencional da técnica precedente com um estator de três lóbulos e um rotorde dois lóbulos tem uma relação SD/Sd de 1,367, ainda mais elevada do que1,263. Como descrito anteriormente e sem estar limitado por isto ou qualquerteoria particular, quanto mais baixa a excentricidade de um conjunto rotor-estator mais baixas as forças centrífugas e geração de calor resultante.Conseqüentemente, configurações de conjuntos rotor-estator que incluem oestator 100 que tem uma relação Sd/Sd máxima de 1,263 oferecem potencialpara reduzir forças centrífugas e geração de calor dentro do conjunto rotor-estator quando comparada a diversas conjuntos motor-estator convencionaisque têm um estator de três lóbulos.
Em adição, e ainda fazendo referência à figura 5, deveria serapreciado que a superfície interna 115 da carcaça do estator 110 é cilíndrica,diferentemente da seção transversal do estator da técnica precedentedelineado na figura 4. Em geral, uma carcaça de estator com uma superfícieinterna cilíndrica, (por exemplo, a superfície interna 115 da carcaça de estator110) produz custos de fabricação reduzidos quando comparados ao estator datécnica precedente 70 delineado na figura 4 é outros estatores projetados demaneira similar que têm superfícies internas de forma mais complexa (porexemplo, uma superfície tri-oval genericamente similar à forma do perfilinterno de revestimento desejado. Além disto, uma carcaça de estator comuma superfície interna cilíndrica oferece potencial para maior versatilidade doque um estator com uma superfície interna não cilíndrica. Em particular, umestator com uma superfície interna cilíndrica pode ser utilizado com diversasconfigurações de lóbulos. Por exemplo, o revestimento 105 do estator 104mostrado na figura 5 pode ser removido é substituído por um outrorevestimento que tem uma configuração de lóbulo diferente (por exemplo, umrevestimento que tem uma configuração de quatro lóbulos). Em contraste, asuperfície interna não cilíndrica do estator da técnica precedente 70 delineadona figura 4 e outras configurações de estator similares estão limitadas a umaconfiguração de lóbulo particular. Especificamente, qualquer revestimento 75inserido no estator da técnica precedente 70 delineado na figura 4 pode apenasacomodar um rotor com não mais do que dois lóbulos.
Embora a superfície interna 115 da carcaça de estator 100mostrada na figura 5 seja substancialmente cilíndrica, e o revestimento 105tenha uma espessura de parede não uniforme possibilitando com isto aconfiguração em lóbulo, em outras configurações o revestimento (porexemplo, o revestimento 105) tenha uma espessura de paredesubstancialmente uniforme, ainda capaz de satisfazer uma configuração emlóbulo que satisfaz as relações SD/Sd máximas preferidas descritas acima. Emtal configuração, a carcaça inclui uma superfície externa não cilíndrica queengata uma superfície externa não cilíndrica do revestimento.
Finalmente, o revestimento elastomérico 105 do estator 104delineado na figura 5 pode ser feito de maneira significativamente mais finado que aquele de estatores da técnica precedente delineados nas figuras 2 e 3. Dado que a condutividade térmica dos materiais elastoméricos érelativamente baixa (isto é, resistência relativamente elevada à transferênciade calor), a quantidade de calor retida por um revestimento elastoméricoaumenta genericamente quando a espessura de revestimento aumenta. Assim,quanto mais fino o revestimento elastomérico menos energia térmica retidapelo elastômero. Portanto, fornecer um revestimento elastomérico mais fino105 quando comparado aos revestimentos dos estatores da técnica precedentetipificados pelos estatores delineados nas figuras 2 e 3, oferece potencial parareduzir retenção de calor pelo revestimento elastomérico 105, e com istoaumenta a vida do revestimento.
Embora a configuração de estator 104 ilustrada na figura 5inclua três lóbulos, outras configurações de lóbulo também são plausíveis. Porexemplo, a figura 6 delineia uma vista extrema em seção transversal de umaoutra configuração de um estator 200 que inclui cinco lóbulos 205. O estator200 tem uma relação SD/Sd máxima de 1,25. Diversos conjuntos rotor-estatorconvencionais que incluem uma configuração de estator de cinco lóbulos têmrelações SD/Sd genericamente na faixa de 1,4 até 1,45. Quando comparada atais projetos convencionais de cinco lóbulos, configurações de estator 200 têmuma relação Sd/Sd reduzida e assim, por razões similares como descritoacima, oferecem o potencial por forças centrífugas mais baixas e energiatérmica associada, espessura de revestimento elastomérico e retenção de calorreduzidas nestas configurações que incluem um revestimento elastomérico ecustos de fabricação reduzidos, ao mesmo tempo que retém flexibilidade deconfiguração de projeto para aquelas configurações que tem um estator comum revestimento colocado dentro de uma carcaça.
Outras configurações com diferentes configurações de lóbulo(por exemplo, estator de seis lóbulos, estator de oito lóbulos, etc.) feitos deacordo com os princípios aqui descritos oferecem o potencial para benefíciose vantagens similares. Especificamente a Tabela 1 abaixo lista relações Sd/Sdmáximas para uma variedade de configurações de rotor-estator feitas deacordo com os princípios aqui descritos. Uma vez que as relações SD/Sdlistadas são as relações SD/Sd máximas, deveria ser entendido que algumasconfigurações podem compreender relações SD/Sd mais baixas do queaquelas listadas. Por exemplo, um conjunto rotor-estator com configuração dequatro em cinco lóbulos, que significa um rotor de quatro lóbulos dentro deum estator de cinco lóbulos, pode ter uma relação SD/Sd igual a 1,100, que émenor do que o valor máximo permitido, ou 1,250.
Tabela 1
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Fazendo referência agora à figura 7, nela está mostrada umaplotagem em linha da relação máxima SD/Sd 300 para um conjunto rotor-estator de acordo com os princípios descritos aqui como uma função daconfiguração de lóbulo do estator da Tabela 1. Para finalidades decomparação, relações SC/Sd para certas conjuntos rotor-estator da técnicaprecedente convencionais são plotadas como uma função da sua configuraçãode lóbulo do estator. A relação SD/Sd 310 é relativamente baixa, enquanto arelação SD/Sd 320 é substancialmente mais elevada. Como visto na figura 7conjuntos motor-estator construídos de acordo com os princípios aquidescritos têm relações SD/Sd mais baixas quando comparadas àquelesconjuntos rotor-estator comuns da técnica precedente. Assim, configuraçõesde conjuntos rotor-estator que satisfazem os critérios de projeto especificadosna Tabela 1 acima partilham um aspecto de projeto comum, excentricidaderelativamente baixa (por exemplo, relação SD/Sd relativamente baixa). Comodiscutido anteriormente, conjuntos rotor-estator que apresentam essaexcentricidade reduzida oferecem o potencial por forças centrífugas maisbaixas, resultando em forças desequilibradas mais baixas e geração de calorreduzida. Além disto, para aquelas configurações que incluem umrevestimento elastomérico (por exemplo, figura 5), uma excentricidadereduzida possibilita um revestimento elastomérico de parede mais fina que,por sua vez, oferece o potencial para retenção de calor mais baixa e uma vidamais longa do revestimento elastomérico.
Deveria ser apreciado que aqueles conjuntos de rotor- estatorconstruídos de acordo com os princípios aqui descritos podem ter umavariedade de configurações adequadas (por exemplo, com um revestimento,sem um revestimento, tendo uma carcaça com uma superfície internacilíndrica, etc.), porém são preferível mente construídos de acordo com asrelações SD/Sd divulgadas na Tabela 1 acima. Admitindo que o critério derelação SD/Sd preferencial seja satisfeito, benefícios adicionais podem serpotencialmente obtidos como descrito anteriormente, utilizando umrevestimento elastomérico de estator mais fino, uma carcaça de estator comuma superfície interna cilíndrica, etc. Em algumas aplicações, contudo, podeser vantajoso que o conjunto rotor-estator seja configurado de tal modo queele não tenha um ou mais de seus aspectos de projeto adicionais. Porexemplo, um modo de falha comum em conjuntos motor-estatorconvencionais é dano ou destruição do elastômero do estator. Para eliminaristo como um módulo de falha potencial, certas configurações do conjuntorotor- estator projetadas de acordo com a Tabela 1 são construídas de talmodo que o estator está livre de (ou é construído sem) um revestimentoelastomérico dentro do estator. Em tais configurações o estator é um estatorsólido integral. Por exemplo, a figura 8 delineia uma seção transversal vistaextrema de um estator sem revestimento representativo 400 de acordo com apresente divulgação, no qual o estator 400 compreende uma carcaça ou casca405 com cinco lóbulos 410 definidos ao longo da sua superfície interna. Oestator 400 não inclui revestimento elastomérico. Eliminando o revestimentoelastomérico tais configurações também eliminam o componente que temmais probabilidade de falha. Na ausência de um revestimento elastomérico asuperfície interna do estator define a configuração de lóbulo do estator e asuperfície é contatada pelo rotor quando ele nuta dentro do estator. De outraforma o conjunto rotor-estator funciona da mesma maneira comoconfigurações discutidas anteriormente. Configurações construídas de acordocom as relações máximas preferidas SD/Sd descritas aqui e mostradas naTabela 1 possibilitam uma excentricidade reduzida e forças centrífugasreduzidas a despeito de o estator incluir um revestimento elastomérico.
As figuras 6 e 8 delineiam configurações representativas deestatores construídos de acordo com os princípios aqui descritos. Emboraestas figuras não delineiem também um rotor, deve ser entendido que emoperação o rotor será colocado dentro de cada estator construído de acordocom os princípios aqui divulgados, inclusive aqueles delineados nas figuras 6e 8 para formar uma PCP ou uma seção de energia de um PDM. Cada tal rotortambém construído genericamente de acordo com as relações SD/Sddivulgadas na Tabela 1 acima, significando que a relação do diâmetro maiordo rotor para o diâmetro menor do rotor irá satisfazer os valores máximosSD/Sd listados nesta Tabela com ligeiras diferenças para fornecer um ajustede interferência entre o rotor e o estator dentro do qual o rotor será colocado.O ajuste de interferência cria as linhas de vedação entre a superfície internado estator e a superfície externa do rotor. Por exemplo, a figura 9 delineia umrotor de quatro lóbulos 500 construído de acordo com os princípios aquidivulgados. Em operação, ele será montado preferivelmente dentro de umestator de cinco lóbulos também construído de acordo com os princípios aquidivulgados, tal como o estator 200 delineado na figura 6 e/ou o estator 400delineado na figura 8 para formar uma PCP ou seção de energia de um PDM.O rotor de quatro lóbulos 500 delineado na figura 9 é construído para tambémsatisfazer os critérios de relação SD/Sd divulgados na Tabela 1, significandoque o rotor 500 é construído de tal modo que a relação de diâmetro maior 505para seu diâmetro menor 510 será menor do que ou igual a 1,263.
Embora diversas configurações de um conjunto rotor- estatorde excentricidade baixa para uma bomba de deslocamento positivo e/oubomba de cavidade progressiva tenham sido mostrados e descritos aqui,modificações podem ser feitas por alguém versado na técnica sem se afastardo espírito e ensinamentos aqui. As configurações descritas sãorepresentativas apenas, e não têm a intenção de serem limitativas. Diversasvariações, combinações e modificações das aplicações aqui divulgadas sãopossíveis e estão dentro do escopo da invenção. Conseqüentemente, o escopode proteção não está limitado pela descrição feita acima, porém é definidopelas reivindicações que seguem, este escopo incluindo todos os equivalentesdo tema das reivindicações.
Claims (22)
1. Estator, caracterizado pelo fato de compreenderuma superfície interna que inclui uma pluralidade de lóbulos,no qual a pluralidade de lóbulos define um diâmetro maior que circunscreve apluralidade de lóbulos e um diâmetro menor que inscreve a pluralidade delóbulos; no qual uma relação de estator é igual ao diâmetro maior divididopelo diâmetro menor; eno qual a relação de estator é selecionada dentre o grupo queconsiste de 1,350 ou menos para um estator com dois lóbulos, 1,263 ou menospara um estator com três lóbulos, 1,300 ou menos para um estator com quatrolóbulos, 1,250 ou menos para um estator com cinco lóbulos, 1,180 ou menospara um estator com seis lóbulos, 1,175 ou menos para um estator com setelóbulos, 1,150 ou menos para um estator com oito lóbulos, 1,125 ou menospara um estator com nove lóbulos e 1,120 ou menos para um estator com dezlóbulos.
2. Estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de ainda compreender um revestimento, no qual o revestimento forma asuperfície interna do estator.
3. Estator de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de o revestimento compreender um elastômero.
4. Estator de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de ainda compreender uma carcaça que tem um furo transpassante, noqual o revestimento é colocado dentro do furo transpassante da carcaça.
5. Estator de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de a carcaça compreender aço.
6. Estator de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de a carcaça ser tratada termicamente.
7. Estator de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de a carcaça ter uma superfície interna cilíndrica que engata umasuperfície externa do revestimento.
8. Estator de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de o revestimento ter uma espessura de parede uniforme.
9. Rotor, caracterizado pelo fato de compreenderuma superfície externa que tem no mínimo um lóbulo, no qualo no mínimo um lóbulo define um diâmetro maior que circunscreve o nomínimo um lóbulo e um diâmetro menor que inscreve o no mínimo umlóbulo;no qual uma relação de rotor é igual ao diâmetro maiordividido pelo diâmetro menor; eno qual a relação de rotor é selecionada dentre o grupo queconsiste de 1,350 ou menos para um rotor com um lóbulo, 1,263 ou menospara um rotor com dois lóbulos, 1,300 ou menos para um rotor com trêslóbulos, 1,250 ou menos para um rotor com quatro lóbulos, 1,180 ou menospara um rotor com cinco lóbulos, 1,175 ou menos para um rotor com seislóbulos, 1,150 ou menos para um rotor com sete lóbulos, 1,125 ou menos paraum rotor com oito lóbulos e 1,120 ou menos para um rotor com nove lóbulos.
10. Rotor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelofato de o rotor compreender aço carbono.
11. Rotor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelofato de o rotor ser revestido de cromo.
12. Rotor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelofato de o rotor ser revestido para resistência a desgaste.
13. Dispositivo de cavidade progressiva, caracterizado pelofato de compreenderum estator que tem uma superfície interna que inclui umprimeiro número de lóbulos no qual o primeiro número de lóbulos define umdiâmetro maior que circunscreve dito primeiro número de lóbulos e umdiâmetro menor que inscreve dito primeiro número de lóbulos;um rotor que inclui um segundo número de lóbulos colocadosdentro do estator, no qual o segundo número de lóbulos é diferente doprimeiro número de lóbulos;no qual uma relação rotor/estator iguala o diâmetro maiordividido pelo diâmetro menor; eno qual a relação de rotor/estator é selecionada dentre o grupoque consiste de 1,350 ou menos para um dispositivo de cavidade progressivacom um estator que tem dois lóbulos, 1,263 ou menos para um dispositivo decavidade progressiva com um estator que tem três lóbulos, 1,300 ou menospara um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem quatrolóbulos, 1,250 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com umestator que tem cinco lóbulos, 1,180 ou menos para um dispositivo decavidade progressiva com um estator que tem seis lóbulos, 1,175 ou menospara um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem setelóbulos, 1,150 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com umestator que tem oito lóbulos, 1,125 ou menos para um dispositivo de cavidadeprogressiva com um estator que tem nove lóbulos e 1,120 ou menos para umdispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem dez lóbulos.
14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de o estator ainda compreender uma carcaça externaque circunda um revestimento interno no qual o revestimento interno forma asuperfície interna do estator.
15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de o revestimento interno ter uma espessura de paredeuniforme.
16. Dispositivo de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de a carcaça externa ter uma superfície internacilíndrica que engata uma superfície externa do revestimento.
17. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de o estator ser feito inteiramente de aço.
18. Aparelho, caracterizado pelo fato de compreender:um estator que tem uma superfície interna que inclui umapluralidade de lóbulos, no qual a pluralidade de lóbulos define um diâmetromaior que circunscreve a pluralidade de lóbulos e um diâmetro menor queinscreve a pluralidade de lóbulos; eum rotor colocado dentro do estator, no qual o rotor tem umasuperfície externa que inclui no mínimo um lóbulo;no qual uma relação rotor/estator iguala o diâmetro maiordividido pelo diâmetro menor; e no qual a relação rotor/estator é selecionadadentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um dispositivo decavidade progressiva com um estator que tem dois lóbulos, 1,263 ou menospara um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem trêslóbulos, 1,300 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com umestator que tem quatro lóbulos, 1,250 ou menos para um dispositivo decavidade progressiva com um estator que tem cinco lóbulos, 1,180 ou menospara um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem seislóbulos, 1,175 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com umestator que tem sete lóbulos, 1,150 ou menos para um dispositivo de cavidadeprogressiva com um estator que tem oito lóbulos, 1,125 ou menos para umdispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem nove lóbulos e-1,120 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estatorque tem dez lóbulos.
19. Aparelho de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de o estator ser livre de um revestimento elastomérico.
20. Aparelho de acordo com a reivindicação 19, caracterizadopelo fato de o estator ser feito inteiramente de aço.
21. Aparelho de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de o estator compreender uma carcaça que tem um furotranspassante e um revestimento elastomérico colocado dentro do furotranspassante.
22. Aparelho de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de ainda compreender um eixo acoplado ao rotor, no qual o eixo ésuportado por um ou mais mancais.
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