BRPI0813818B1 - Atuador de válvula, válvula e método para atuar uma válvula - Google Patents
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Abstract
atuador de válvula, válvula e método para atuar uma válvula a presente invenção refere-se a um atuador de válvula que compreende um elemento de fuso acoplado a uma haste de válvula e a uma manga, de modo que a rotação da manga cause a translação da haste de válvula. a manga possui uma primeira extremidade que é acoplada de maneira rotativa a um alojamento, o qual é fixamente acoplado a um corpo de válvula, e uma segunda extremidade que se projeta para fora do alojamento. a haste de válvula fica parcialmente disposta dentro da manga e se estende para dentro do corpo de válvula. uma transmissão é acoplada ao alojamento e engatada na manga. um motor é acoplado à transmissão de modo que a operação do motor cause a rotação da manga.
Description
ATUADOR DE VÁLVULA, VÁLVULA E MÉTODO PARA ATUAR UMA VÁLVULA
DECLARAÇÃO REFERENTE À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO SUBSIDIADOS PELO GOVERNO FEDERAL
Não Aplicável.
Antecedentes [001] Esta seção pretende introduzir ao leitor vários aspectos da técnica que podem estar relacionados a vários aspectos da presente invenção, que são descritos e/ou reivindicados abaixo. Acredita-se que esta discussão seja útil para fornecer ao leitor informações antecedentes que promovam um melhor entendimento dos vários aspectos da presente invenção. Consequentemente, deve ser entendido que as seguintes declarações devem ser lidas de acordo com esses, e não como admissões da técnica anterior.
[002] A presente invenção refere-se geralmente a atuadores de válvula. Mais especificamente, a presente invenção, de acordo com algumas modalidades, se refere a atuadores de válvulas de passagem de amplo diâmetro e alta pressão submarinas ou de superfície. Como um exemplo, a presente invenção se refere a uma combinação de um atuador rotativo e um dispositivo mecânico de alta eficiência que converte o movimento rotativo em movimento linear para atuar uma válvula de passagem.
[003] O aumento de demandas de desempenho de sistemas de produção de hidrocarboneto submarinos resultou em uma demanda de sistemas de controle de alto desempenho para operar o equipamento de controle de pressão submarino, como válvulas e bloqueadores. Tradicionalmente, o equipamento de controle de pressão conta com atuadores hidráulicos para operação. Os atuadores hidráulicos recebem fluido hidráulico pressurizado de um sistema de controle hidráulico direto ou de um sistema de controle eletro-hidráulico, por exemplo. Os sistemas de controle hidráulico direto fornecem fluido hidráulico pressurizado diretamente do painel de controle para os atuadores de válvula submarina. Os sistemas de controle eletro-hidráulico utilizam sinais elétricos transmitidos para um
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2/9 coletor de válvula eletricamente atuado que controla o fluxo de fluido hidráulico até os atuadores hidráulicos do equipamento de controle de pressão.
[004] O desempenho tanto dos sistemas de controle hidráulicos diretos como eletro-hidráulicos é afetado por inúmeros fatores, inclusive a profundidade da água onde os componentes operam, a distância da instalação que controla a operação, e uma variedade de outras restrições. Assim, à medida que a profundidade da água e tamanho de campo aumentam, os limites de sistema de controle hidráulico, seja hidráulico ou eletro-hidráulico, se tornam um problema crescente. Ademais, mesmo quando o uso de um sistema de controle hidráulico é tecnicamente viável, o custo do sistema pode impossibilitar seu uso em um campo menor ou marginal.
[005] Para fornecer uma alternativa a sistemas de controle hidráulico, sistemas de controle completamente elétricos, inclusive atuadores completamente elétricos, foram desenvolvidos. Em vez de contar com o fluido hidráulico pressurizado para atuar os componentes de controle de pressão, os atuadores elétricos são fornecidos com uma corrente elétrica. A dependência de corrente elétrica pode permitir tempos de resposta aprimorados, especialmente ao longo de longas distâncias e/ou em águas profundas.
[006] Assim, ainda há a necessidade de desenvolver métodos e aparelhos para permitir a operação de atuadores submarinos que superam algumas das dificuldades anteriores enquanto fornecem resultados gerais mais vantajosos.
Sumário as Modalidades Preferidas [007] Algumas modalidades exemplificativas da presente invenção se referem a métodos e aparelhos para atuar uma válvula de passagem utilizando um motor rotativo. Como um exemplo, um atuador de válvula compreende um elemento de fuso acoplado a uma haste da válvula e uma manga de modo que a rotação da manga cause a translação da haste de válvula. A manga possui uma primeira extremidade que é acoplada de
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3/9 maneira rotativa a um alojamento que é fixamente acoplado a um corpo de válvula e uma segunda extremidade que se projeta para fora do alojamento. A haste de válvula fica parcialmente disposta dentro da manga e se estende para dentro do corpo de válvula. Uma transmissão é acoplada ao alojamento e engatada com a manga. Um motor fica acoplado à transmissão de modo que a operação do motor cause a rotação da manga.
[008] Assim, a presente invenção compreende uma combinação de características e vantagens que permitem que essa supere vários problemas de dispositivos anteriores. As várias características descritas acima, bem como outras características, tornar-se-ão óbvias para os versados na técnica mediante a leitura da seguinte descrição detalhada de algumas modalidades exemplificativas da invenção, e com referência aos desenhos em anexo.
Breve Descrição dos Desenhos [009] Para uma descrição mais detalhada de modalidades exemplificativas da presente invenção, agora será feita referência aos desenhos em anexo, nos quais:
a figura 1 é uma vista em corte parcial de uma montagem de válvula que compreende uma haste de equilíbrio e construída de acordo com as modalidades da invenção;
a figura 2 é uma vista em corte parcial de uma montagem de válvula que compreende uma transmissão autotravante construída de acordo com as modalidades da invenção;
a figura 3 é uma vista em corte parcial de uma montagem de válvula que compreende uma embreagem construída de acordo com as modalidades da invenção;
a figura 4 é uma vista em corte parcial de uma montagem de válvula que compreende uma embreagem de mola enrolada construída de acordo com as modalidades da invenção; e a figura 5 é uma vista esquemática de um coletor de distribuição que inclui válvulas construídas de acordo com as modalidades da presente invenção.
Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas
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4/9 [0010] Agora com referência à figura 1, ilustra-se um sistema de válvula exemplificativo 10. Tais sistemas de válvula são empregados para controlar o fluxo de fluido entre vários componentes de campo petrolífero. Como um exemplo, o sistema de válvula 10 pode ser empregado para controlar o fluxo em relação a uma árvore de natal, uma montagem de coletor de distribuição de produção, uma montagem de processamento de fluido, um preventor de erupção, dentre outras peças do equipamento. O sistema de válvula ilustrado 10 compreende um corpo de válvula 12, montagem de fechamento 14, e sistema de atuador 16. A montagem de fechamento 14 é mostrada em uma posição aberta sobre a metade esquerda 18 da figura 1 e em uma posição fechada sobre a metade direita 20 da figura 1. As duas metades da figura 1 também são mostradas a noventa graus opostas. O corpo da válvula 12 compreende o corpo 22 mantido junto por fechamentos de cavidade 25 e tem o orifício 24 se estendendo através desses. Uma tampa de haste 26 é acoplada a uma extremidade do corpo 22. O alojamento estacionário 28 é acoplado à extremidade oposta do corpo 22. A montagem de fechamento 14 compreende um elemento de fechamento 34 e sede de válvula 32, ambos ficam dispostos dentro da cavidade de válvula 30 no corpo 22. A haste de equilíbrio 36 e haste de atuador 38 são acopladas às extremidades opostas do elemento de fechamento 34 e se estendem através do corpo 22.
[0011] O sistema de atuador 16 é acoplado ao alojamento estacionário 28 e compreende a haste rosqueada 40, acoplamento 42, manga de rotação 44, mancais 46, elemento rosqueado 48, transmissão 50, motor 52, e alojamento de haste 54. A haste rosqueada 40 fica conectada à haste de atuador 38 pelo acoplamento 42. A haste rosqueada 40 é engatada com o elemento rosqueado 48, que é fixado de maneira rotativa (ou seja, não gira) em relação à manga de rotação 44. O elemento rosqueado 48 pode ser um fuso de potência ou outro mecanismo que translada o movimento rotacional para o movimento linear, como um fuso de esferas, fuso de roletes, ou outros tais dispositivos que são conhecidos na técnica. Os mancais 46 são retidos pelo alojamento estacionário 28 e permitem a
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5/9 rotação da manga 44 em relação ao alojamento estacionário e corpo de válvula 12. A transmissão 50 acopla de modo operacional o motor 52 à manga de rotação 44. O alojamento de haste 54 é fixamente acoplado à manga de rotação 44.
[0012] A válvula 10 é atuada, ou seja, movida entre sua posição aberta e sua posição fechada, mediante translação axial da haste 38 para deslocar a posição de elemento de fechamento 34. A haste 38 é axialmente transladada mediante a atuação da manga de rotação 44 e elemento rosqueado de rotação 48. A rotação do elemento rosqueado 48 causa a translação axial da haste rosqueada 40, que translada simultaneamente com a haste 38, elemento fechamento 34, e haste de equilíbrio 36. A válvula 10 também pode ser atuada aplicando torque ao alojamento de haste 54, independente do motor 52 e transmissão 50 ou em conjunto com esses. Como um exemplo, o alojamento de haste pode ser atuado por um veículo remotamente operado se o motor falhar ou precisar de assistência adicional, por exemplo.
[0013] Em um modo automático, a manga 44 é girada ativando o motor 52 para fornecer energia rotacional à transmissão 50. A transmissão 50 transfere a energia rotacional do motor 52 para a manga 44 de modo que a ativação do motor resulte na rotação da manga. Em algumas modalidades, a transmissão 50 é projetada para minimizar o torque ou exigências de velocidade do motor 52. O motor 52 pode ser um motor hidráulico, elétrico, pneumático ou qualquer outro motor de rotação.
[0014] O sistema de válvula 10 inclui um ou mais sensores de posição 55, como sensores de efeito Hall ou similares, para detectar a posição do elemento de fechamento 34 em relação ao orifício 24. Esses sensores de posição 55 se comunicam com um controlador automático ou com uma interface de usuário localizada em uma posição remota, por exemplo. Adicionalmente, o sistema de válvula 10 está em comunicação com o conjunto de circuitos de controle que permite o controle da válvula 10 de um local remoto. Na verdade, ao controlar a corrente até o motor, a posição do elemento de fechamento pode ser remotamente manipulada.
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6/9 [0015] A haste de equilíbrio 36 possui o mesmo diâmetro que a haste 38 de modo que as forças de pressão sejam equilibradas ao longo do elemento de fechamento 14. Quando as forças de pressão que atuam sobre o elemento de fechamento 14 não forem equilibradas, a pressão diferencial gera uma força axial sobre a haste 38, que pode afetar a operação do sistema de atuador 16. Em algumas modalidades, a válvula 10 não pode incluir a haste de equilíbrio 36 para tirar vantagem do desequilíbrio de pressão.
[0016] Agora com referência à figura 2, o sistema de válvula 100 é similar ao sistema de válvula 10, porém não inclui uma haste de equilíbrio 36. O sistema de válvula 100 compreende um corpo de válvula 102, montagem de fechamento 104, e sistema de atuador 106. A montagem de fechamento 104 é mostrada em uma posição aberta sobre a metade esquerda 108 da figura 2 e em uma posição fechada sobre a metade direita 110 da figura 2. As duas metades da figura 2 também são mostradas noventa graus opostas. O corpo de válvula 102 compreende o corpo 112 que possui um orifício 114 que se estende através desse. Um alojamento estacionário 118 é acoplado a uma extremidade do corpo 112. A montagem de fechamento 104 compreende um elemento de fechamento 124 e uma sede de válvula 122, ambos ficam dispostos dentro da cavidade de válvula 120 no corpo 112.
[0017] O sistema de atuador 106 é acoplado ao alojamento estacionário 118 e compreende uma haste rosqueada 130, acoplamento 132, manga de rotação 134, mancais 136, elemento rosqueado 138, transmissão 140, motor 142, e alojamento de haste 144. A haste rosqueada 130 é conectada à haste de atuador 128 por meio do acoplamento 132. A haste rosqueada 130 é engatada com o elemento rosqueado 138, que é fixado de maneira rotativa em relação à manga de rotação 134. Os mancais 136 são sustentados pelo alojamento estacionário 118 e permitem a rotação da manga 134 em relação ao alojamento estacionário e corpo de válvula 102. A transmissão 140 acopla o motor 142 de modo operacional à manga de rotação 134. O alojamento de haste 144 é fixamente acoplado à manga
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7/9 de rotação 134.
[0018] Como discutido acima em referência ao sistema de válvula 10 da figura 1, a haste de equilíbrio 36 serve para eliminar um desequilíbrio de pressão ao longo do elemento de fechamento 124. O sistema de válvula 100 não utiliza uma haste de equilíbrio para tirar vantagem desse desequilíbrio de pressão de modo a inclinar o elemento de fechamento 124 até a posição fechada. Para neutralizar a força de inclinação, a transmissão 140 é uma transmissão autotravante que não irá girar a menos que o motor 142 também gire.
[0019] Devido à força de inclinação, o motor 142 é projetado para gerar energia suficiente para superar o diferencial de pressão ao longo do elemento de fechamento 124 enquanto move o elemento de fechamento até a posição fechada. De maneira contrária, o sistema de atuador 106 exige muito pouca, ou nenhuma, saída de energia do motor 142 para mover o elemento de fechamento 124 até a posição aberta. A pouca exigência de energia permite que a válvula 100 seja aberta pelo sistema de atuador 106 que é operado por um sistema que fornecer energia limitada, conforme pode ser fornecida por um veículo remotamente operado em uma situação de emergência.
[0020] a figura 3 mostra o sistema de válvula 100 compreendendo ainda um mecanismo de embreagem 150 que é acoplado à transmissão 140. O mecanismo de embreagem 150 opera para desacoplar seletivamente o motor 142 e a transmissão 140 da manga de rotação 134. Por exemplo, o mecanismo de embreagem 150 poderia operar em um modo engatado padrão onde o motor 142 e a transmissão 140 são engatados com a manga de rotação 134. Para fechar a válvula 100, como em um modo de emergência, o mecanismo de embreagem 150 poderia ser ativado de modo que a manga 134 pudesse ficar livre para girar em resposta à rotação do elemento rosqueado 138 à medida que a haste rosqueada 130 se move axialmente em reposta à pressão que atua sobre o elemento de fechamento 124 e haste 128.
[0021] a figura 4 mostra o sistema de válvula 100 compreendendo
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8/9 ainda uma embreagem de mola enrolada 160 que é acoplada à manga de rotação 134 e ao alojamento estacionário 118. A embreagem de mola enrolada 160 permite que a manga de rotação 134 gire em uma direção relativa ao alojamento estacionário 118, porém impede a rotação na direção oposta enquanto a embreagem de mola enrolada é engatada. Por exemplo, a embreagem de mola enrolada 160 poderia ficar disposta de modo que a manga de rotação 134 pudesse girar à medida que o elemento de fechamento 124 é movido até a posição aberta. A embreagem de mola enrolada 160 pode impedir que a manga de rotação 134 gire na direção oposta, impedindo de maneira eficaz que o elemento de fechamento 124 se afaste da posição aberta. Uma vez que a embreagem de mola enrolada 160 é liberada, a manga de rotação 134 pode girar livremente, permitindo assim que a pressão que atua sobre a haste 128 mova o elemento de fechamento 124 até a posição fechada. A embreagem de mola enrolada 150 poderia ser remotamente liberada ou poderia ser projetada para ser liberada no caso de perda de controle de modo que o sistema de válvula 100 possa ser uma válvula do tipo condição segura fechada.
[0022] a figura 5 é uma ilustração esquemática de um coletor de distribuição submarino 200 que inclui uma pluralidade de conexões de poço satélite 205 e um par de conexões de tubulação 210. O coletor de distribuição submarino 200 recebe os fluidos produzidos através das conexões de poço 205 de modelos multipoços ou poços satélites para controlar, misturar e desviar o fluxo para a tubulação, ou um tubo ascendente de produção, através das conexões de tubulação 210. Uma pluralidade de montagens de válvula 215 controla o fluxo através do coletor de distribuição 200 para isolar um único poço, ou grupos de poço, conforme necessário para teste, manutenção ou outros propósitos de produção.
[0023] Cada montagem de válvula 215 tem pelo menos um operador
220 fornecendo atuadores rotativos, como descrito acima, reduz bastante a complexidade dos componentes necessários para operar o coletor de distribuição 200. As exigências mínimas de torque e velocidade dos motores necessárias para operar os atuadores descritos aqui permitem
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9/9 substancialmente o uso de menos energia hidráulica ou elétrica do que exigido em sistemas convencionais. Por exemplo, uma válvula de passagem com diâmetro de 16,19 cm (6,375) - 103,42 mPa (15.000 psi) poderia ser operada com um atuador rotativo de 368W (0,5 hp) que, em combinação com os atuadores descritos aqui, pode abrir ou fechar completamente a válvula dentro de um minuto. Esse atuador rotativo poderia ser um atuador elétrico, hidráulico ou pneumático, dependendo das exigências do sistema onde a válvula é usada.
[0024] Embora as modalidades exemplificativas dessa invenção sejam mostradas e descritas, modificações dessas podem ser feitas por um versado na técnica sem que se abandone o escopo ou instrução dessa invenção. Novamente, as modalidades descritas aqui são apenas exemplificativas e não limitativas. Muitas variações e modificações do sistema e aparelho são possíveis e estão dentro do escopo da invenção. Por exemplo, as dimensões relativas de várias partes, os materiais a partir dos quais as várias partes são feitas, e outros parâmetros podem ser variados, desde que o aparelho conserve as vantagens discutidas aqui. Ademais, os atuadores descritos aqui podem ser adequados para se adaptarem às válvulas existentes de modo a substituir os atuadores hidráulicos convencionais, ou outros tipos de atuadores, e, portanto, podem ser construídos independentemente dos componentes de válvula. Consequentemente, o escopo de proteção não se limita às modalidades descritas aqui, porém é apenas limitado pelas seguintes reivindicações, cujo escopo deve incluir todos os equivalentes do assunto das reivindicações.
Claims (21)
- REIVINDICAÇÕES1. Atuador de válvula (16) compreendendo:um alojamento (28) fixamente acoplado a um corpo de válvula (12);uma manga (44) compreendendo uma primeira extremidade acoplada de maneira rotativa ao dito alojamento (28) em duas direções e uma segunda extremidade que se projeta para fora do dito alojamento (28);uma haste de válvula (38) parcialmente disposta dentro da dita manga (44) e se estendendo para dentro do corpo de válvula (12);um elemento de fuso (48) acoplado à dita haste de válvula (38) e à dita manga de modo que a rotação da dita manga (44) cause a translação da dita haste de válvula (38);uma transmissão (50) acoplada ao dito alojamento (28) e engatada na dita manga (44);um motor (52) acoplado à dita transmissão (50) de modo que a operação do dito motor cause a rotação da dita manga (44);dito motor (52) sendo configurado para rotacionar a manga (44) e a dita manga (44) sendo configurada para ser rotacionada pelo motor (52) em ambas direções para transladar a dita haste de válvula (38) ida e volta entre uma primeira posição e uma segunda posição; e o atuador de válvula caracterizado pelo fato de que a dita manga (44) é configurada para rotacionar tanto com a operação do dito motor (52) como de forma independente em ambas direções para transladar a dita haste de válvula (38) enquanto permanece operativamente acoplada ao dito motor (52).
- 2. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito elemento de fuso (48) é um fuso de esferas.
- 3. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito elemento de fuso (48) é um fuso de roletes.
- 4. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito motor (52) é um motor elétrico.
- 5. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito motor (52) é um motor hidráulico ou pneumático.Petição 870190031726, de 02/04/2019, pág. 17/212/4
- 6. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um mecanismo de embreagem (150) que desacopla de forma seletiva o dito motor (52) do dito elemento de fuso.
- 7. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita transmissão (50) é autotravante.
- 8. Atuador de válvula (16), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:um alojamento de haste separado da dita transmissão (50) e fixado à dita segunda extremidade da dita manga (44); e em que dita manga (44) é configurada para rotacionar tanto com a operação do dito motor (52) e da dita transmissão (50) como de forma independente através da rotação do dito alojamento de haste diretamente.
- 9. Válvula (10) caracterizada pelo fato de que compreende um atuador de válvula, conforme definido na reivindicação 1.
- 10. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um alojamento estacionário (28) acoplado ao corpo de válvula (12), em que a manga (44) é acoplada de maneira rotativa ao dito alojamento estacionário (28).
- 11. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma embreagem de mola enrolada (160) acoplada ao dito alojamento estacionário (28) e à manga (44), de modo que, quando a dita embreagem de mola enrolada (160) for engatada, a manga (44) possa girar apenas em uma direção relativa ao dito alojamento estacionário (28).
- 12. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a dita manga se estende e é engatada à dita transmissão (50) fora do dito alojamento estacionário; e dita manga é configurada para rotacionar tanto com a operação do dito motor como de forma independente pelo engate da parte da dita manga que se estende para fora do dito alojamento estacionário.
- 13. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o dito elemento de fuso (48) é um fuso de esferas ou um fuso de roletes.Petição 870190031726, de 02/04/2019, pág. 18/213/4
- 14. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o dito motor (52) é um motor elétrico ou um motor hidráulico ou pneumático.
- 15. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um mecanismo de embreagem (150) que desacopla seletivamente o dito motor (52) do dito elemento de fuso.
- 16. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a dita transmissão (50) é autotravante, de modo que o dito elemento de fuso (48) não gire independentemente do dito motor (52).
- 17. Válvula (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente meios separados da dita transmissão (50) e fixados na dita manga (44) para rotação da dita manga (44) de forma independente da operação do dito motor (52) e da dita transmissão (50).
- 18. Método para atuar uma válvula (10) que compreende as etapas de: fornecer um atuador de válvula (16);atuar o dito elemento de fechamento (34) entre uma primeira posição e uma segunda posição pela operação do dito motor (52) de modo a causar a rotação da dita manga (44) e a translação axial da dita haste de válvula (38);o método caracterizado pelo fato de o atuador de válvula (16) ser conforme definido na reivindicação 1.
- 19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente atuar o dito elemento de fechamento (14) da segunda posição para a primeira posição pela operação do dito motor (52) de modo a causar a rotação da dita manga (44) e a translação axial da dita haste de válvula (38).
- 20. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente atuar o dito elemento de fechamento (14) pela liberação de um mecanismo de embreagem (150), de modo a desacoplar o dito motor (52) da dita manga (44) para que a pressão diferencial ao longo do dito elemento de fechamento (14) mova o dito elemento de fechamento.
- 21. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a rotação da dita manga (44) diretamente para atuar o dito elemento de fechamento (14) de forma independente daPetição 870190031726, de 02/04/2019, pág. 19/214/4 operação do dito motor (52) e da dita transmissão (50).Petição 870190031726, de 02/04/2019, pág. 20/21
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