BRPI0707208B1

BRPI0707208B1 - Dispositivo e aparelho de cavidade progressiva

Info

Publication number: BRPI0707208B1
Application number: BRPI0707208-2A
Authority: BR
Inventors: Christopher S. Podmore
Original assignee: National Oilwell Varco, L.P.
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2019-06-04
Also published as: RU2008134536A; WO2007087552A3; WO2007087552A2; CN101375019A; NO20083348L; US20070172371A1; CA2636730C; CA2636730A1; AU2007208087A1; BRPI0707208A2; MX2008009373A; US7828533B2; CN101375019B

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

“DISPOSITIVO E APARELHO DE CAVIDADE PROGRESSIVA” DECLARAÇÃO RELATIVA À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADOS DE FORMA FEDERAL

Não aplicável

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção é relativa, genericamente, a motores de deslocamento positivo e bombas de cavidade progressiva. Mais particularmente, a presente invenção é relativa a um rotor, um estator e um conjunto rotor-estator para uma bomba de cavidade progressiva e/ou motor de deslocamento positivo.

FUNDAMENTOS [002] Uma bomba de cavidade progressiva que compreende um rotor e um estator transfere fluido por meio de uma sequência de cavidades discretas que movem através da bomba quando ou rotor é girado dentro do estator. Transferência de fluido desta maneira resulta em uma vazão volumétrica proporcional à velocidade de rotação do rotor dentro do estator, e níveis relativamente baixos de cisalhamento aplicado ao fluido. Então, bombas de cavidade progressiva serem utilizadas tipicamente em dosagem de fluido e bombeamento de fluidos viscosos ou sensíveis a cisalhamento.

[003] Uma bomba de cavidade progressiva (PCP) pode ser utilizada de maneira inversa como um motor de deslocamento positivo para converter a energia hidráulica de um fluido de alta pressão em energia mecânica na forma de velocidade e saída de torque, que pode ser atrelada a uma variedade de aplicações, inclusive perfuração furo abaixo. Um motor de deslocamento positivo (PDM) compreende uma seção de energia que inclui um rotor colocado dentro de um estator, um conjunto mancal e um eixo de acionamento. O eixo de acionamento é acoplado ao rotor da seção de energia e é suportado pelo conjunto mancal. Fluido é bombeado sob pressão através da seção de energia fazendo com que o rotor gire em relação ao estator,

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 7/88 / 18 girando com isto o eixo de acionamento acoplado. Em geral, o rotor tem uma velocidade rotacional proporcional à vazão volumétrica de fluido que passa através da seção de energia. Um outro componente, por exemplo, uma broca para perfurar furo abaixo pode ser presa ao eixo de acionamento. Quando fluido de alta pressão é bombeado através da seção de energia, movimento rotativo é transformado do rotor para a broca através do conjunto mancal e eixo de acionamento, permitindo que o rotor gire a broca.

[004] Uma PCP, ou seção de energia de um PDM, inclui genericamente um rotor conformado helicoidal feito tipicamente de aço, que pode ser revestido de cromo ou revestido para desgaste e/ou resistência à corrosão, e um estator, tipicamente um tubo de aço tratado termicamente e revestido com um inserto elastomérico conformado helicoidal. A figura 1 ilustra uma vista em perspectiva cortada e removida de um conjunto rotor-estator convencional 5, que compreende um rotor 10 colocado dentro de um estator 20. Este conjunto rotor estator 5 pode ser empregado como uma PCP ou a seção de energia de PDM. A figura 2 ilustra uma vista em seção transversal do conjunto rotorestator convencional 5 delineado na figura 1. Como mostrado nesta figura 1, o rotor 10 um lóbulo 15 a menos do que o estator 20. Quando os dois componentes são montados uma série de cavidades 25 são formadas entre a superfície externa 30 do rotor 10 e a superfície interna 35 do estator 20. Cada cavidade 25 é vedada de cavidades adjacentes por meio de linhas de vedação formadas ao longo da linha de contato entre o rotor 10 e o estator 20. O centro 40 do rotor 10 é deslocado do centro 45 do estator 20 por um valor conhecido fixo conhecido como a “excentricidade” do conjunto rotor-estator 5.

[005] Durante operação de um PDM, fluido de alta pressão é bombeado para uma extremidade da seção de energia, onde ele preenche um primeiro conjunto de cavidades abertas. O diferencial de pressão através das duas cavidades adjacentes força o rotor a girar. Como descrito anteriormente, uma PCP pode ser descrita como operando ao inverso de um PDM, significando

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 8/88 / 18 que a aplicação de velocidade e torque ao rotor da PCP faz com que o rotor gire dentro do estator, resultando em escoamento de fluido através do comprimento da PCP enquanto o escoamento de fluido através da seção de energia de um PDM faz com que o rotor gire. Em ambos os tipos de conjuntos cavidades adjacentes são abertas e enchidas com fluido quando o motor gira. Uma vez que este processo de rotação e enchimento se repete em uma maneira contínua, fluido escoa de maneira progressiva ao longo do comprimento da PCP ou da seção de energia do PDM. Além disto, quando o rotor gira dentro do estator o centro do rotor move em um movimento circular ao redor do centro do estator. Uma vez que o centro do rotor é deslocado do centro do estator, forças desequilibradas são geradas pela rotação ou nutação do motor dentro do estator. Sem estar limitado pela teoria, acredita-se que quanto maior a excentricidade da PCP ou seção de energia do PDM maiores estas forças desequilibradas ou centrífugas.

[006] Falhas do conjunto rotor-estator podem ocorrer devido à destruição do elastômero do estator. Falha mecânica do elastômero ocorre quando ele é sobrecarregado além de seus limites de tensão e deformação, tal como pode ser provocada por um ajuste de compressão elevado entre o rotor e o estator. Falha térmica do elastômero ocorre quando a temperatura do elastômero excede sua temperatura classificada por um período prolongado. Mesmo para curtos períodos de tempo, aumentar a temperatura do elastômero faz com que as propriedades físicas do elastômero enfraqueçam, resultando em uma vida encurtada do elastômero.

[007] Existem diversos mecanismos ou modos de geração de calor que podem elevar a temperatura do elastômero acima de sua temperatura classificada, como a seguir: interferência, histerese, forças centrífugas e fontes furo abaixo. Interferência entre o rotor e o estator é necessária para vedar as cavidades discretas. Forças centrífugas são exercidas sobre o elastômero por meio do rotor quando o rotor nuta dentro do estator. Os efeitos combinados de

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 9/88 / 18 interferência, forças centrífugas e deslizamento ou raspagem do rotor dentro do estator, geram calor dentro do elastômero do estator, fazendo com que a temperatura do elastômero suba. Também, quando o rotor nuta dentro do estator o elastômero comprime e expande de maneira repetida. Calor é gerado pelo atrito viscoso interno das moléculas do elastômero, um fenômeno conhecido como “histerese”. Além disto, calor pode ser gerado por outras fontes furo abaixo. Calor a partir destes mecanismos - interferência, forças centrífugas, histerese e outras fontes furo abaixo - podem fazer com que a temperatura do elastômero suba acima da sua temperatura classificada, resultando em vida encurtada do elastômero ou sua falha.

[008] A figura 3 ilustra um conjunto convencional rotor- estator 50 que inclui um rotor 55 dentro de um estator 60. O estator 60 ainda inclui um revestimento elastomérico 62 dentro de uma carcaça externa 65. Este projeto convencional de rotor-estator e outros similares a ele são sujeitos a forças centrífugas elevadas quando o rotor 55 gira dentro do estator 60 devido à excentricidade elevada do conjunto rotor-estator 50. Como descrito acima, estas forças geram calor fazendo com que a temperatura do elastômero suba durante operação do conjunto motor-estator 50. Adicionalmente, o próprio projeto do elastômero inibe a capacidade do elastômero 62 dissipar calor devido à espessura do revestimento e sua condutividade térmica relativamente baixa. Admitindo que todos os outros fatores permanecem constantes, quanto maior a espessura do elastômero e mais baixa sua condutividade térmica, maior a capacidade do elastômero para reter calor.

[009] Tentativas foram feitas para modificar o projeto convencional do elastômero do estator em um esforço para reduzir retenção de calor pelo elastômero. A figura 4 ilustra um estator modificado 70 referido como um estator de parede constante que compreende um revestimento elastomérico 75 com um revestimento reduzido, quando comparado ao revestimento elastomérico 62 ilustrado na figura 3, de espessura uniforme dentro de uma

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 10/88 / 18 carcaça externa 80. Reduzindo a espessura do revestimento elastomérico 75 sua capacidade para reter calor é também reduzida. Contudo, esta modificação do projeto não enfrenta diretamente as fontes daquele calor - as forças centrífugas resultantes da nutação do rotor dentro do estator e a excentricidade do conjunto rotor-estator. Além disto, esta configuração de projeto adiciona complexidade de fabricação e, portanto, despesa, devido à superfície interna não cilíndrica ou forma da carcaça do estator 80. Ainda mais, esta configuração de projeto também limita a faixa de aplicações para as quais a carcaça 80 pode ser utilizada. Com uma carcaça que tem uma forma interna com superfície cilíndrica a configuração do lóbulo no conjunto rotorestator, por exemplo, o número de lóbulos, é comumente trocada simplesmente substituindo o revestimento elastomérico no estator, enquanto o projeto da carcaça de estator ilustrado na figura 4 está limitado à configuração de lóbulo mostrada, isto é, a configuração de estator de três lóbulos.

[0010] Devido às desvantagens de conjuntos motor-estator convencionais descritas acima, permanece uma necessidade por um rotorestator melhorado para utilização em uma PCP ou seção de energia de um PDM. Tal rotor e estator melhorado deveria ser particularmente bem recebido se oferecer o potencial para reduzir geração de calor a partir de forças centrífugas, retenção de calor por componentes elastoméricos, por exemplo o revestimento elastomérico do estator, se presente, e/ou custos de fabricação, ao mesmo tempo que retém flexibilidade de configuração de projeto.

SUMÁRIO DA DIVULGAÇÃO [0011] Um conjunto rotor-estator para uma bomba de cavidade progressiva e/ou motor de deslocamento positivo é divulgado, no qual o conjunto rotor-estator permite geração de calor reduzida devido a forças centrífugas provocadas por nutação do rotor dentro do estator, retenção de calor pelo revestimento elastomérico do estator, se presente, e custos de fabricação para a carcaça do estator enquanto mantendo a capacidade do

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 11/88 / 18 estator de assumir diversas configurações de lóbulo.

[0012] Em algumas configurações o estator inclui uma carcaça que tem um furo transpassante que define uma superfície interna, onde a superfície interna tem uma pluralidade de lóbulos. A pluralidade de lóbulos define um diâmetro maior que circunscreve a pluralidade de lóbulos e um diâmetro menor que inscreve a pluralidade de lóbulos. A relação de estator é igual ao diâmetro maior dividido pelo diâmetro menor. A relação de estator é selecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um estator com dois lóbulos, 1,263 ou menos para um estator com três lóbulos, 1,300 ou menos para um estator com quatro lóbulos, 1,250 ou menos para um estator com cinco lóbulos, 1,180 ou menos para um estator com seis lóbulos, 1,175 ou menos para um estator com sete lóbulos, 1,150 ou menos para um estator com oito lóbulos, 1,125 ou menos para um estator com nove lóbulos e 1,120 ou menos para um estator com dez lóbulos.

[0013] Em algumas configurações o rotor inclui uma superfície externa que tem no mínimo um lóbulo. O no mínimo um lóbulo define um diâmetro maior que circunscreve o no mínimo um lóbulo e um diâmetro menor que inscreve o no mínimo um lóbulo. Uma relação de rotor é igual ao diâmetro maior dividido pelo diâmetro menor. A relação de rotor é selecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um rotor com um lóbulo, 1,263 ou menos para um rotor com dois lóbulos, 1,300 ou menos para um rotor com três lóbulos, 1,250 ou menos para um rotor com quatro lóbulos, 1,180 ou menos para um rotor com cinco lóbulos, 1,175 ou menos para um rotor com seis lóbulos, 1,150 ou menos para um rotor com sete lóbulos, 1,125 ou menos para um rotor com oito lóbulos e 1,120 ou menos para um rotor com nove lóbulos.

[0014] Em algumas modalidades o dispositivo de cavidade progressiva inclui um estator e um rotor. O estator tem uma superfície interna com um primeiro número de lóbulos onde os lóbulos definem um diâmetro maior que

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 12/88 / 18 circunscreve os lóbulos e um diâmetro menor que inscreve os lóbulos. O rotor é colocado dentro do estator e tem um segundo número de lóbulos diferente do primeiro número de lóbulos. Uma relação rotor/estator iguala o diâmetro maior dividido pelo diâmetro menor. A relação rotor/estator é selecionada 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 um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem três lóbulos, 1,300 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem quatro lóbulos, 1,250 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem cinco lóbulos, 1,180 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem seis lóbulos, 1,175 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem sete lóbulos, 1,150 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem oito lóbulos, 1,125 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem nove lóbulos e 1,120 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem dez lóbulos.

[0015] As diversas características descritas acima, bem como outros aspectos do aparelho divulgado, serão facilmente evidentes para aqueles versados na técnica quando da leitura da descrição detalhada a seguir e por referência aos desenhos que acompanham.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0016] Para uma descrição mais detalhada das configurações preferenciais, será feita referência agora aos desenhos que acompanham, nos quais:

A figura 1 delineia uma vista parcial em perspectiva em corte removido de um conjunto rotor-estator convencional;

A figura 2 delineia uma vista em seção transversal de um conjunto rotor-estator convencional típico;

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A figura 3 delineia uma vista em seção transversal de um outro conjunto rotor-estator convencional típico;

A figura 4 delineia uma vista em seção transversal de um estator modificado, também referido como um estator de parede constante;

A figura 5 delineia uma configuração de um conjunto rotorestator com uma configuração de dois em três lóbulos, feita de acordo com os princípios aqui descritos;

A figura 6 delineia uma configuração ilustrativa de um estator com uma configuração de cinco lóbulos feita de acordo com os princípios aqui descritos;

A figura 7 é uma plotagem em linha que mostra a relação máxima do diâmetro maior do estator para o diâmetro menor do estator como uma função do número de lóbulos de estator para estatores feitos de acordo com os princípios aqui descritos quando comparados a estatores particulares conhecidos da técnica precedente;

A figura 8 delineia uma configuração ilustrativa de um estator com uma configuração de cinco lóbulos, porém sem revestimento elastomérico, de acordo com os princípios aqui descritos; e

A figura 9 delineia uma configuração ilustrativa de um rotor com uma configuração de quatro lóbulos de acordo com os princípios aqui descritos.

MOTIVAÇÃO E NOMENCLATURA [0017] Certos termos são utilizados através de toda a descrição a seguir e reivindicações para se referirem a componentes particulares do conjunto. Este documento não tem a intenção de distinguir entre componentes que diferem em nome, porém não em função. Na discussão a seguir e nas reivindicações, os termos “incluindo” e “compreendendo” são utilizados em nenhuma maneira aberta, e assim deveriam ser interpretados para significar “incluindo, porém, não limitado a...”.

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 14/88 / 18 [0018] Como aqui utilizado, e nas reivindicações a seguir, o termo “dispositivo de cavidade progressiva” se refere de maneira coletiva a um estator com um rotor colocado dentro.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONFIGURAÇÕES PREFERENCIAIS [0019] Diversas configurações de um conjunto rotor estator para um motor de deslocamento positivo e/ou uma bomba de cavidade progressiva que oferecem o potencial para reduzir geração de calor provocada por forças centrífugas que resultam de nutação do rotor dentro do estator, retenção de calor pelo revestimento elastomérico do estator, se presente, e custos de fabricação, ao mesmo tempo que retém flexibilidade de configuração de projeto, serão agora descritos com referência aos desenhos que acompanham. Numerais de referência iguais são utilizados para aspectos iguais através de todas as diversas vistas. Estão mostrados nos desenhos e serão aqui descritos em detalhe configurações específicas do conjunto rotor-estator com o entendimento que esta divulgação é somente representativa e não tem a intenção de limitar a invenção a estas configurações ilustradas e aqui descritas. As configurações do conjunto rotor-estator aqui divulgadas podem ser utilizadas em qualquer tipo de motor de deslocamento positivo (PDM) ou bomba de cavidade progressiva (PCP). Deve ser amplamente reconhecido que os diferentes ensinamentos das configurações aqui divulgadas podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir resultados desejados.

[0020] A figura 5 delineia uma vista extrema em seção transversal de uma configuração de um conjunto rotor-estator sem que inclui um rotor 102 dentro de um estator 104. O conjunto 100 pode ser uma PCP ou uma seção de energia de um PDM. De maneira coletiva o rotor 102 e o estator 104, bem como todos os outros conjuntos rotor- estator de acordo com a presente divulgação, são referidos aqui como “dispositivos de cavidade progressiva”.

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O estator 104 inclui um revestimento relativamente fino 105 colocado dentro e circundado por uma carcaça externa 110. A carcaça externa 110 inclui uma superfície interna substancialmente cilíndrica 115 que engata a superfície externa 120 do revestimento 105. Especificamente a forma e tamanho (por exemplo, o raio) da superfície interna 115 da carcaça 110 corresponde à forma e tamanho (por exemplo, o raio) da superfície externa 120 do revestimento 105 de tal modo que a superfície externa 120 do revestimento elastomérico 105 engata de maneira estática a superfície interna 120 da carcaça 110. Por exemplo, um ajuste de interferência pode ser formado entre o revestimento 105 e a carcaça 110. Em adição ou como uma alternativa, o revestimento 105 pode ser ligado à superfície interna 115 da carcaça 110. Embora esta configuração tomada como exemplo do conjunto rotor- estator 110 mostrado na figura 5 tenha uma configuração de lóbulos dois em três, significando um rotor de dois lóbulos 102 colocado dentro de um estator de três lóbulos 104, deveria ser apreciado que outras configurações podem incluir outros números e combinações de lóbulos.

[0021] Em geral a carcaça do estator 110 pode compreender quaisquer materiais adequados incluindo, sem limitação, metais e ligas metálicas (por exemplo, aço inoxidável, titânio, etc.), não metais (por exemplo, polímeros), composto(s) (por exemplo, fibra de carbono composto epóxi) ou combinações deles. Em uma configuração a carcaça do estator 110 é preferivelmente construída de uma liga de aço carbono tratada termicamente. De maneira similar, o revestimento 105 pode compreender quaisquer materiais adequados incluindo, sem limitação, metais e ligas metálicas, não metais, compostos, ou combinações deles. Nesta configuração o revestimento 105 é preferivelmente construído de um elastômero ou borracha sintética. Assim, o revestimento 105 pode ser referido aqui como um revestimento elastomérico.

[0022] O estator 104 delineado na figura 5 pode ser descrito em termos de um diâmetro maior SD e um diâmetro menor Sd. O diâmetro maior SD é

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 16/88 / 18 definido pelo circulo tracejado que circunscreve os pontos radialmente os mais externos ou superfícies de lóbulos 125. O diâmetro menor Sd é definido pelo círculo tracejado que inscreve os pontos radiais os mais internos ou superfícies do revestimento elastomérico 105. Em geral a excentricidade do conjunto rotor-estator inclusive o conjunto rotor-estator 100 delineado na figura 5 é uma função do diâmetro maior SD e do diâmetro menor Sd. Para um conjunto rotor-estator que compreende um estator com mais do que um lóbulo (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 único lóbulo, a excentricidade iguala (SD - Sd)/2.

[0023] Como descrito anteriormente, forças centrífugas provocadas pela nutação de um rotor dentro de um estator resultam em geração de calor devido a atrito entre o rotor e o estator. Em alguns conjuntos motor-estator convencionais que incluem um estator com um revestimento elastomérico, a geração de calor pode fazer com que a temperatura do elastômero exceda sua temperatura classificada. Sem ser limitado por isto ou qualquer teoria particular, acredita-se que quanto maior a excentricidade do conjunto rotorestator, maiores as forças centrífugas e geração de calor resultantes, e maior o potencial para dano, quebra e/ou falha do revestimento elastomérico. Assim, é desejável reduzir a excentricidade do conjunto rotor-estator.

[0024] De acordo com as equações de excentricidade descritas acima, a excentricidade de um conjunto rotor-estator pode ser diminuída reduzindo a diferença entre o diâmetro maior SD e o diâmetro menor Sd do estator. Em outras palavras, a excentricidade do conjunto rotor-estator pode ser diminuída reduzindo a relação SD/Sd.

[0025] Modalidades descritas aqui têm uma relação SD/Sd máxima de 1,263 para um conjunto rotor-estator que compreende um estator de três lóbulos tal como o estator de três lóbulos 100 delineado na figura 4. Descrito

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 17/88 / 18 de maneira diferente, configurações aqui descritas têm uma relação SD/Sd não maior do que 1,263 para um conjunto rotor-estator que compreende um estator de três lóbulos. Para finalidades de comparação, um conjunto rotorestator convencional empregado comumente que tem um estator de três lóbulos 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 rotor de dois lóbulos tem uma relação SD/Sd de 1,367, ainda mais elevada do que 1,263. Como descrito anteriormente e sem estar limitado por isto ou qualquer teoria particular, quanto mais baixa a excentricidade de um conjunto rotorestator mais baixas as forças centrífugas e geração de calor resultante. Consequentemente, configurações de conjuntos rotor-estator que incluem o estator 100 que tem uma relação Sd/Sd máxima de 1,263 oferecem potencial para reduzir forças centrífugas e geração de calor dentro do conjunto rotorestator quando comparada a diversas conjuntos motor-estator convencionais que têm um estator de três lóbulos.

[0026] Em adição, e ainda fazendo referência à figura 5, deveria ser apreciado que a superfície interna 115 da carcaça do estator 110 é cilíndrica, diferentemente da seção transversal do estator da técnica precedente delineado na figura 4. Em geral, uma carcaça de estator com uma superfície interna cilíndrica, (por exemplo, a superfície interna 115 da carcaça de estator 110) produz custos de fabricação reduzidos quando comparados ao estator da técnica precedente 70 delineado na figura 4 é outros estatores projetados de maneira similar que têm superfícies internas de forma mais complexa (por exemplo, uma superfície tri-oval genericamente similar à forma do perfil interno de revestimento desejado. Além disto, uma carcaça de estator com uma superfície interna cilíndrica oferece potencial para maior versatilidade do que um estator com uma superfície interna não cilíndrica. Em particular, um estator com uma superfície interna cilíndrica pode ser utilizado com diversas

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 18/88 / 18 configurações de lóbulos. Por exemplo, o revestimento 105 do estator 104 mostrado na figura 5 pode ser removido é substituído por um outro revestimento que tem uma configuração de lóbulo diferente (por exemplo, um revestimento que tem uma configuração de quatro lóbulos). Em contraste, a superfície interna não cilíndrica do estator da técnica precedente 70 delineado na figura 4 e outras configurações de estator similares estão limitadas a uma configuração de lóbulo particular. Especificamente, qualquer revestimento 75 inserido no estator da técnica precedente 70 delineado na figura 4 pode apenas acomodar um rotor com não mais do que dois lóbulos.

[0027] Embora a superfície interna 115 da carcaça de estator 100 mostrada na figura 5 seja substancialmente cilíndrica, e o revestimento 105 tenha uma espessura de parede não uniforme possibilitando com isto a configuração em lóbulo, em outras configurações o revestimento (por exemplo, o revestimento 105) tenha uma espessura de parede substancialmente uniforme, ainda capaz de satisfazer uma configuração em lóbulo que satisfaz as relações SD/Sd máximas preferidas descritas acima. Em tal configuração, a carcaça inclui uma superfície externa não cilíndrica que engata uma superfície externa não cilíndrica do revestimento.

[0028] Finalmente, o revestimento elastomérico 105 do estator 104 delineado na figura 5 pode ser feito de maneira significativamente mais fina do que aquele de estatores da técnica precedente delineados nas figuras 2 e 3. Dado que a condutividade térmica dos materiais elastoméricos é relativamente baixa (isto é, resistência relativamente elevada à transferência de calor), a quantidade de calor retida por um revestimento elastomérico aumenta genericamente quando a espessura de revestimento aumenta. Assim, quanto mais fino o revestimento elastomérico menos energia térmica retida pelo elastômero. Portanto, fornecer um revestimento elastomérico mais fino 105 quando comparado aos revestimentos dos estatores da técnica precedente tipificados pelos estatores delineados nas figuras 2 e 3, oferece potencial para

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 19/88 / 18 reduzir retenção de calor pelo revestimento elastomérico 105, e com isto aumenta a vida do revestimento.

[0029] Embora a configuração de estator 104 ilustrada na figura 5 inclua três lóbulos, outras configurações de lóbulo também são plausíveis. Por exemplo, a figura 6 delineia uma vista extrema em seção transversal de uma outra configuração de um estator 200 que inclui cinco lóbulos 205. O estator 200 tem uma relação SD/Sd máxima de 1,25. Diversos conjuntos rotor-estator convencionais que incluem uma configuração de estator de cinco lóbulos têm relações SD/Sd genericamente na faixa de 1,4 até 1,45. Quando comparada a tais projetos convencionais de cinco lóbulos, configurações de estator 200 têm uma relação Sd/Sd reduzida e assim, por razões similares como descrito acima, oferecem o potencial por forças centrífugas mais baixas e energia térmica associada, espessura de revestimento elastomérico e retenção de calor reduzidas nestas configurações que incluem um revestimento elastomérico e custos de fabricação reduzidos, ao mesmo tempo que retém flexibilidade de configuração de projeto para aquelas configurações que tem um estator com um revestimento colocado dentro de uma carcaça.

[0030] Outras configurações com diferentes configurações de lóbulo (por exemplo, estator de seis lóbulos, estator de oito lóbulos, etc.) feitos de acordo com os princípios aqui descritos oferecem o potencial para benefícios e vantagens similares. Especificamente a Tabela 1 abaixo lista relações Sd/Sd máximas para uma variedade de configurações de rotor-estator feitas de acordo com os princípios aqui descritos. Uma vez que as relações SD/Sd listadas são as relações SD/Sd máximas, deveria ser entendido que algumas configurações podem compreender relações SD/Sd mais baixas do que aquelas listadas. Por exemplo, um conjunto rotor-estator com configuração de quatro em cinco lóbulos, que significa um rotor de quatro lóbulos dentro de um estator de cinco lóbulos, pode ter uma relação SD/Sd igual a 1,100, que é menor do que o valor máximo permitido, ou 1,250.

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 20/88 / 18

Tabela 1

Número de lóbulos do rotor	Número de lóbulos do estator	Relação SD/Sd
1	2	1,350
2	3	1,263
3	4	1,300
4	5	1,250
5	6	1,180
6	7	1,175
7	8	1,150
8	9	1,125
9	10	1,120

[0031] Fazendo referência agora à figura 7, nela está mostrada uma plotagem em linha da relação máxima SD/Sd 300 para um conjunto rotorestator de acordo com os princípios descritos aqui como uma função da configuração de lóbulo do estator da Tabela 1. Para finalidades de comparação, relações SC/Sd para certos conjuntos rotor-estator da técnica precedente convencionais são plotadas como uma função da sua configuração de lóbulo do estator. A relação SD/Sd 310 é relativamente baixa, enquanto a relação SD/Sd 320 é substancialmente mais elevada. Como visto na figura 7 conjuntos motor-estator construídos de acordo com os princípios aqui descritos têm relações SD/Sd mais baixas quando comparadas àqueles conjuntos rotor-estator comuns da técnica precedente. Assim, configurações de conjuntos rotor-estator que satisfazem os critérios de projeto especificados na Tabela 1 acima partilham um aspecto de projeto comum, excentricidade relativamente baixa (por exemplo, relação SD/Sd relativamente baixa). Como discutido anteriormente, conjuntos rotor-estator que apresentam essa excentricidade reduzida oferecem o potencial por forças centrífugas mais baixas, resultando em forças desequilibradas mais baixas e geração de calor reduzida. Além disto, para aquelas configurações que incluem um revestimento elastomérico (por exemplo, figura 5), uma excentricidade reduzida possibilita um revestimento elastomérico de parede mais fina que, por sua vez, oferece o potencial para retenção de calor mais baixa e uma vida mais longa do revestimento elastomérico.

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 21/88 / 18 [0032] Deveria ser apreciado que aqueles conjuntos de rotor- estator construídos de acordo com os princípios aqui descritos podem ter uma variedade de configurações adequadas (por exemplo, com um revestimento, sem um revestimento, tendo uma carcaça com uma superfície interna cilíndrica, etc.), porém são preferível mente construídos de acordo com as relações SD/Sd divulgadas na Tabela 1 acima. Admitindo que o critério de relação SD/Sd preferencial seja satisfeito, benefícios adicionais podem ser potencialmente obtidos como descrito anteriormente, utilizando um revestimento elastomérico de estator mais fino, uma carcaça de estator com uma superfície interna cilíndrica, etc. Em algumas aplicações, contudo, pode ser vantajoso que o conjunto rotor-estator seja configurado de tal modo que ele não tenha um ou mais de seus aspectos de projeto adicionais. Por exemplo, um modo de falha comum em conjuntos motor-estator convencionais é dano ou destruição do elastômero do estator. Para eliminar isto como um módulo de falha potencial, certas configurações do conjunto rotor- estator projetadas de acordo com a Tabela 1 são construídas de tal modo que o estator está livre de (ou é construído sem) um revestimento elastomérico dentro do estator. Em tais configurações o estator é um estator sólido integral. Por exemplo, a figura 8 delineia uma seção transversal vista extrema de um estator sem revestimento representativo 400 de acordo com a presente divulgação, no qual o estator 400 compreende uma carcaça ou casca 405 com cinco lóbulos 410 definidos ao longo da sua superfície interna. O estator 400 não inclui revestimento elastomérico. Eliminando o revestimento elastomérico tais configurações também eliminam o componente que tem mais probabilidade de falha. Na ausência de um revestimento elastomérico a superfície interna do estator define a configuração de lóbulo do estator e a superfície é contatada pelo rotor quando ele nuta dentro do estator. De outra forma o conjunto rotor-estator funciona da mesma maneira como configurações discutidas anteriormente. Configurações construídas de acordo

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 22/88 / 18 com as relações máximas preferidas SD/Sd descritas aqui e mostradas na Tabela 1 possibilitam uma excentricidade reduzida e forças centrífugas reduzidas a despeito de o estator incluir um revestimento elastomérico.

[0033] As figuras 6 e 8 delineiam configurações representativas de estatores construídos de acordo com os princípios aqui descritos. Embora estas figuras não delineiem também um rotor, deve ser entendido que em operação o rotor será colocado dentro de cada estator construído de acordo com os princípios aqui divulgados, inclusive aqueles delineados nas figuras 6 e 8 para formar uma PCP ou uma seção de energia de um PDM. Cada tal rotor também construído genericamente de acordo com as relações SD/Sd divulgadas na Tabela 1 acima, significando que a relação do diâmetro maior do rotor para o diâmetro menor do rotor irá satisfazer os valores máximos SD/Sd listados nesta Tabela com ligeiras diferenças para fornecer um ajuste de 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 interna do estator e a superfície externa do rotor. Por exemplo, a figura 9 delineia um rotor de quatro lóbulos 500 construído de acordo com os princípios aqui divulgados. Em operação, ele será montado preferivelmente dentro de um estator de cinco lóbulos também construído de acordo com os princípios aqui divulgados, tal como o estator 200 delineado na figura 6 e/ou o estator 400 delineado 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 também satisfazer os critérios de relação SD/Sd divulgados na Tabela 1, significando que o rotor 500 é construído de tal modo que a relação de diâmetro maior 505 para seu diâmetro menor 510 será menor do que ou igual a 1,263.

[0034] Embora diversas configurações de um conjunto rotor- estator de excentricidade baixa para uma bomba de deslocamento positivo e/ou bomba de cavidade progressiva tenham sido mostrados e descritos aqui, modificações podem ser feitas por alguém versado na técnica sem se afastar do espírito e

Petição 870190003166, de 10/01/2019, pág. 23/88 / 18 ensinamentos aqui. As configurações descritas são representativas apenas, e não têm a intenção de serem limitativas. Diversas variações, combinações e modificações das aplicações aqui divulgadas são possíveis e estão dentro do escopo da invenção. Consequentemente, o escopo de proteção não está limitado pela descrição feita acima, porém é definido pelas reivindicações que seguem, este escopo incluindo todos os equivalentes do tema das reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de cavidade progressiva que compreende:

um estator (104, 200, 400) que tem uma superfície interna que inclui um primeiro número de lóbulos (125, 205, 410) no qual o primeiro número de lóbulos (125, 205, 410) define um diâmetro maior (SD) que circunscreve o primeiro número de lóbulos (125, 205, 410) e um diâmetro menor (Sd) que inscreve o primeiro número de lóbulos (125, 205, 410);

um rotor (102, 500) que inclui um segundo número de lóbulos colocados dentro do estator (104, 200, 400), no qual o segundo número de lóbulos é diferente do primeiro número de lóbulos (125, 205, 410);

caracterizado pelo fato de que uma relação rotor/estator iguala o diâmetro maior (SD) dividido pelo diâmetro menor (Sd); e no qual a relação de rotor/estator é selecionada 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 um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem três lóbulos, 1,300 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem quatro lóbulos, 1,250 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem cinco lóbulos, 1,180 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem seis lóbulos, 1,175 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem sete lóbulos, 1,150 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem oito lóbulos, 1,125 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem nove lóbulos e 1,120 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem dez lóbulos.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o estator (104, 200) compreende um revestimento (105) que forma a superfície interna do estator (104, 200).
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado

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2 / 6 pelo fato de o revestimento (105) compreender um elastômero.
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de ainda compreender uma carcaça (110) que tem um furo transpassante, no qual o revestimento (105) é colocado dentro do furo transpassante da carcaça (110).
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a carcaça (110) compreender aço.
6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a carcaça (110) ser tratada termicamente.
7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a carcaça (110) ter uma superfície interna cilíndrica (115) que engata uma superfície externa (120) do revestimento (105).
8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o revestimento (105) ter uma espessura de parede uniforme.
9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo número de lóbulos do rotor (102, 500) define um diâmetro maior de rotor (505) que circunscreve o segundo número de lóbulos do rotor (500) e um diâmetro menor de rotor (510) que inscreve o segundo número de lóbulos do rotor (102, 500);

no qual uma relação de rotor é igual ao diâmetro maior de rotor (505) dividido pelo diâmetro menor de rotor (510); e no qual a relação de rotor é selecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um rotor com um lóbulo, 1,263 ou menos para um rotor com dois lóbulos, 1,300 ou menos para um rotor com três lóbulos, 1,250 ou menos para um rotor com quatro lóbulos, 1,180 ou menos para um rotor com cinco lóbulos, 1,175 ou menos para um rotor com seis lóbulos, 1,150 ou menos para um rotor com sete lóbulos, 1,125 ou menos para um rotor com oito lóbulos e 1,120 ou menos para um rotor com nove lóbulos.
10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado

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3 / 6 pelo fato de o rotor (102, 500) compreender aço carbono.
11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o rotor (102, 500) ser revestido de cromo.
12. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o rotor (102, 500) ser revestido para resistência a desgaste.
13. Dispositivo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o estator (104, 200) ainda compreender uma carcaça externa (110) que circunda um revestimento interno (105) no qual o revestimento interno (105) forma a superfície interna do estator (104, 200).
14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de o revestimento interno (105) ter uma espessura de parede uniforme.
15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a carcaça externa (110) ter uma superfície interna cilíndrica (115) que engata uma superfície externa (120) do revestimento interno (105).
16. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o estator (400) ser feito inteiramente de aço.
17. Aparelho de cavidade progressiva que compreende:

um estator (104, 200, 400) que tem uma superfície interna que inclui uma pluralidade de lóbulos (125, 205, 410), no qual a pluralidade de lóbulos (125, 205, 410) define um diâmetro maior (SD) que circunscreve a pluralidade de lóbulos (125, 205, 410) e um diâmetro menor (Sd) que inscreve a pluralidade de lóbulos (125, 205, 410); e um rotor (102, 500) colocado dentro do estator (104, 200, 400), no qual o rotor (102, 500) tem uma superfície externa que inclui no mínimo um lóbulo;

caracterizado pelo fato de que uma relação rotor/estator iguala o diâmetro maior (SD) dividido pelo diâmetro menor (Sd); e

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4 / 6 no qual a relação rotor/estator é selecionada 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 um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem três lóbulos, 1,300 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem quatro lóbulos, 1,250 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem cinco lóbulos, 1,180 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem seis lóbulos, 1,175 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem sete lóbulos, 1,150 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem oito lóbulos, 1,125 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem nove lóbulos e 1,120 ou menos para um dispositivo de cavidade progressiva com um estator que tem dez lóbulos.
18. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o estator (400) ser livre de um revestimento elastomérico.
19. Aparelho de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de o estator (400) ser feito inteiramente de aço.
20. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o estator (104, 200) compreender uma carcaça (110) que tem um furo transpassante e um revestimento elastomérico (105) colocado dentro do furo transpassante.
21. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de ainda compreender um eixo acoplado ao rotor (102, 500), no qual o eixo é suportado por um ou mais mancais.
22. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o estator (104, 200) compreende um revestimento (105) que forma a superfície interna do estator (104, 200).
23. Aparelho de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de o revestimento (105) compreender um elastômero.

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24. Aparelho de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de ainda compreender uma carcaça (110) que tem um furo transpassante, no qual o revestimento (105) é colocado dentro do furo transpassante da carcaça (110).
25. Aparelho de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de a carcaça (110) compreender aço.
26. Aparelho de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de a carcaça (110) ser tratada termicamente.
27. Aparelho de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de a carcaça (110) ter uma superfície interna cilíndrica (115) que engata uma superfície externa (120) do revestimento (105).
28. Aparelho de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de o revestimento (105) ter uma espessura de parede uniforme.
29. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que pelo menos um lóbulo define um diâmetro maior de rotor (505) que circunscreve o pelo menos um lóbulo do rotor (102, 500) e um diâmetro menor de rotor (510) que inscreve o pelo menos um lóbulo do rotor (102, 500);

no qual uma relação de rotor é igual ao diâmetro maior de rotor (505) dividido pelo diâmetro menor de rotor (510); e no qual a relação de rotor é selecionada dentre o grupo que consiste de 1,350 ou menos para um rotor com um lóbulo, 1,263 ou menos para um rotor com dois lóbulos, 1,300 ou menos para um rotor com três lóbulos, 1,250 ou menos para um rotor com quatro lóbulos, 1,180 ou menos para um rotor com cinco lóbulos, 1,175 ou menos para um rotor com seis lóbulos, 1,150 ou menos para um rotor com sete lóbulos, 1,125 ou menos para um rotor com oito lóbulos e 1,120 ou menos para um rotor com nove lóbulos.
30. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o rotor (102, 500) compreender aço carbono.

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31. Aparelho de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de o rotor (102, 500) ser revestido de cromo.
32. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o rotor (102, 500) ser revestido para resistência a desgaste.