ES2254956T3

ES2254956T3 - Motobomba.

Info

Publication number: ES2254956T3
Application number: ES03745520T
Authority: ES
Inventors: Robert R. Kimberlin; Robert E. Harvey, Iii; Jie Jiang; William M. Larson; William C. Rawnsley, Jr.
Original assignee: Standex International Corp
Current assignee: Standex International Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2006-06-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: EP1478854A2; AU2003216430A1; DE60302769D1; WO2003083311A2; WO2003083311B1; ATE313013T1; DE60302769T2; WO2003083311A3; EP1478854B1; AU2003216430A8; CN1643258A; CN100529401C

Abstract

Una bomba para fluido (10) que comprende: una cabeza de bomba (22) para recibir un fluido a una primera presión y que presuriza el fluido a una segunda presión mayor que dicha primera presión; un motor eléctrico (14) para accionar la cabeza de bomba para aumentar la presión del fluido a dicha segunda presión; incluyendo dicha cabeza de bomba (22): una entrada (20) para recibir fluido a dicha primera presión; una salida (111) para que salga el fluido a dicha segunda presión; un primer paso (85a, 85b) para dirigir fluido a dicha segunda presión hacia dicha salida; y un segundo paso (84a, 84b) para dirigir fluido a dicha segunda presión hacia un camino de circulación de fluido (88, 44), al menos una porción del cual es externa a la cabeza de bomba (22) y pasa al menos por una porción del motor eléctrico (14), terminando el camino de circulación de fluido en la salida (111); en la que el fluido presurizado que pasa a través de dicho primero y segundo pasos es dirigido hacia la salida (111) sinque sea vuelto a presurizar por la cabeza de bomba; por lo cual el primer paso está configurado de tal manera que el fluido presurizado en el primer paso (85a, 85b) llega a la salida (111) sin dejar la cabeza de bomba.

Description

Motobomba.

Campo técnico

El invento presente se refiere en general a bombas de motor. Más en particular, el invento presente se refiere a una bomba de motor que tiene una variedad de características únicas para mejorar la operación y el rendimiento de la bomba.

Antecedentes

Las bombas para impulsar fluidos están generalmente disponibles en una variedad de tipos y configuraciones. Sin embargo, muchos tipos de bombas son usados únicamente en aplicaciones de presión baja debido a que en general es difícil conseguir una presión alta. Aunque las bombas conocidas comúnmente como bombas de desplazamiento positivo han sido empleadas tanto en aplicaciones de presión alta como de presión baja, son particularmente útiles en aplicaciones de presión alta debido a su un tanto única capacidad de generar las presiones operativas más elevadas que algunos tipos de bomba son incapaces de alcanzar.

Un ejemplo de una aplicación que con frecuencia necesita presión alta es cuando se necesita impulsar un fluido potable, tal como agua, en una máquina dispensadora de bebida. Bombas de desplazamiento positivo, tales como bombas de aletas, de pistón o de engranajes, son usadas típicamente en tales aplicaciones. Dichas bombas de desplazamiento positivo consiguen su acción bombeadora presionando volúmenes de agua hacia espacios menores. Debido a los requisitos de presión alta, se requieren tolerancias ajustadas, típicamente 0,0127 mm de holgura operativa o menos, para mantener rendimiento hidrodinámico y eficacia adecuados e impedir caminos de fuga. Los requisitos de presión alta pueden limitar la elección de materiales disponibles para fabricar la bomba. La elección de materiales puede verse afectada también por el tipo particular de fluido a bombear. Adicionalmente, esas aplicaciones de tolerancia ajustada requieren usualmente rectificación de precisión y otros métodos de fabricación que impidan que se incorporen múltiples características a una sola parte. Por lo tanto, se necesitan típicamente muchas partes o piezas en la fabricación de la bomba.

Además de los requisitos de presión alta, las bombas de desplazamiento positivo tienen otros retos operativos y de fabricación, incluyendo desequilibrio de presión/carga, cavitación de la bomba, recalentamiento de la bomba, flexión del eje del rotor, desgaste del acoplamiento impulsor y fugas en juntas mecánicas. Desgraciadamente, las soluciones que las bombas de técnica anterior ofrecen a estos retos han sido inferiores a la óptima y, en algunos casos, han sido completamente ineficaces.

Lo que se necesita, por lo tanto, es una bomba mejorada que supere las dificultades y desventajas de las bombas de la técnica anterior.

La Publicación de Patente Internacional Número WO 01/29394 A, "Fuel supply Pump for a Vehicle and a Fuel Supply system Equipped with said Fuel Supply Pump." de Günter Schmidt, describe una bomba de alimentación de combustible en la que se reduce el calentamiento de un combustible dentro del sistema de suministro de combustible. El objeto del invento es conseguido rodeando una envuelta interior (18) con una envuelta exterior (3) para formar una cavidad exterior (12), en la que la cantidad total de combustible (32) es bombeada por la bomba de suministro de combustible (2). Dicha cantidad total de combustible (32) es dividida en dos cantidades alícuotas de combustible (21, 27) de tal forma que la cantidad alícuota de combustible (21) requerida por un motor (24) fluye desde la bomba de suministro de combustible (2) después de haber pasado a través de la cavidad exterior (12) y de la cavidad interior (13). La otra cantidad alícuota de combustible (27) fluye (por fuera de la bomba, de acuerdo con la Figura) hacia un regulador de presión (28).

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describen con mayor detalle realizaciones preferidas del invento. Otras características, aspectos y ventajas del invento presente serán mejor comprendidas con respecto a la descripción detallada siguiente, reivindicaciones adjuntas y los dibujos que se acompañan (que no están a escala), en los que:

la Figura 1 es una vista lateral de una bomba de motor encapsulada de acuerdo con el invento pre-
sente;

la Figura 2 es una vista extrema de la cabeza de bomba de la bomba de motor encapsulada de la Fi-
gura 1;

la Figura 3 es una vista en despiece ordenado de una bomba de motor encapsulada con una cabeza de bomba de aletas giratorias de acuerdo con el in-
vento;

la Figura 4 es una vista de un corte transversal de la bomba de motor encapsulada con una cabeza de bomba de aletas giratorias de acuerdo con el invento, con la bomba en un estado de presión baja;

la Figura 5 es una vista abierta de la cabeza de bomba de aletas giratorias de la Figura 4;

la Figura 6 es una vista isométrica de un cojinete extremo de acuerdo con el invento, mostrando pasos o conductos de entrada perfilados;

la Figura 7 es una vista isométrica de un cojinete delantero de acuerdo con el invento mostrando cavidades de fluido perfiladas;

la Figura 8 es una vista de un corte transversal de una bomba de motor encapsulada de acuerdo con el invento, con la bomba en un estado de presión
alta;

la Figura 9 es una vista de un corte transversal de una cápsula de barrera de estator de acuerdo con el invento;

la Figura 10 es una vista de un corte transversal de un rotor encapsulado con eje hueco de acuerdo con el invento;

la Figura 11 es una vista de un corte transversal de una cabeza de bomba de acuerdo con el invento mostrando la válvula de alivio de presión;

la Figura 12 es una vista de un corte transversal de un subconjunto de cabeza de bomba de acuerdo con el invento con la separación de aire entre las cápsulas de barrera de estator y de rotor ligeramente exagerada con el objeto de ofrecer una mayor cla-
ridad;

la Figura 13 es una vista de un corte transversal de una bomba de motor encapsulada con una cabeza de bomba centrífuga de envuelta cerrada de acuerdo con el invento; y

la Figura 14 es una vista de un corte transversal de una bomba de motor encapsulada con una cabeza de bomba de turbina de acuerdo con el invento.

Descripción detallada de la(s) realización(ones) preferida(s)

A continuación se describen realizaciones preferidas del invento presente haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que los mismos caracteres de referencia designan iguales o similares partes en todos los dibujos. La terminología que aquí se emplea debe ser interpretada de la manera razonable más amplia, incluso aunque sea utilizada conjuntamente con una descripción detallada de ciertas realizaciones preferidas específicas del invento presente. Más adelante se hace un mayor énfasis con respecto a algunos términos particulares empleados aquí. Cualquier terminología que se pretenda que sea interpretada por el lector de una manera restringida, será clara y específicamente definida como tal en esta me-
moria.

Las Figuras 1 y 2 ilustran, respectivamente, unas vistas lateral y extrema de una bomba de motor encapsulada 10 de acuerdo con una realización preferida del invento. La bomba 10 incluye una envuelta de cabeza de bomba 12 que aloja componentes internos de la bomba aplicados a una envuelta de motor 14 para alojar componentes de motor eléctricos. La envuelta de cabeza de bomba 12, que funciona para recibir un fluido a una primera presión y da salida al fluido a una segunda presión mayor que la primera presión, está fijada a la envuelta del motor 14 tal como por medio de pernos 16a-d u otros dispositivos de unión o sujeción adecuados. Un soporte de montaje 18 está aplicado a la envuelta del motor 14 para facilitar la instalación de la bomba de motor 10. El motor eléctrico contenido en la envuelta de motor 14 opera impulsando los componentes de la cabeza contenidos en la envuelta de cabeza de bomba 12 para producir flujo y presión en un fluido bombeado, tal como agua potable a usar en máquinas de bebidas. Aunque otros tipos de motores pueden ser usados en la práctica del invento, el tipo particular de motor ilustrado en las Figuras 1 y 2 es de ½ caballos, un motor monofásico con condensador dividido permanente (PSC) con una envuelta de condensador 21.

Como se muestra en la vista en despiece ordenado de la Figura 3, la cabeza de bomba 22 incluye la envuelta de cabeza de bomba 12, la junta tórica delantera 23 de cabeza de bomba, el cojinete delantero 24, el anillo de leva 26, el rotor de bomba 28 con aletas deslizantes 40, el pasador 32 y el cojinete trasero 30. Preferentemente, un total de ocho (8) de las aletas 40 son empleadas en el rotor de bomba 28 particular mostrado en la Figura 3, aunque más o menos aletas 40 pueden ser empleadas si así se desea. Con objeto de ofrecer una mayor claridad, solo dos (2) de los aletas 40 son mostradas en la Figura 3. El cojinete delantero 24, el anillo de leva 26 y el cojinete trasero 30 están preferentemente hechos de un material adecuado (tal como carbono, silicio, grafito, polímero, cristal y acero), y estas partes están preferentemente fijadas una a otra por el pasador 32 situado en las ranuras 34, 36 situadas en las superficies exteriores del cojinete delantero 24 y del anillo de leva 26, respectivamente, y en un fiador 38 formado en el cojinete trasero 30. El rotor de bomba 28 está preferentemente fabricado de acero inoxidable e incluye una pluralidad de ranuras que contienen cada una de ellas un aleta 40. Un aro tórico trasero 31 de cabeza de bomba proporciona una junta entre la cabeza de bomba 22 y el
motor 14.

Siguiendo con la referencia a la Figura 3, un rotor de motor 42 (preferentemente un rotor encapsulado) incluye un eje 44 (preferentemente un eje hueco) que tiene un extremo enchavetado 46 que penetra a través de aberturas 48, 50 formadas en el cojinete trasero 30 y en el rotor 28 de la bomba, respectivamente. La abertura 50 del rotor de bomba está enchavetada al eje de rotor 44 de manera que el giro del eje de rotor 44 en respuesta a un campo magnético producido por la operación del estator del motor impulsa la cabeza de bomba 22 haciendo girar el rotor de bomba 28 y sus aletas 40. El extremo distal del eje de rotor 44 está soportado por el cojinete de motor 52 que está aplicado al extremo cerrado 54 de una cápsula de barrera 56 de estator. Una junta tórica 53 de cojinete de motor está situada entre el cojinete de motor 52 y la superficie interior de la cápsula de barrera 56 de estator. Al menos una porción de la cápsula de barrera 56 de estator está situada en el espacio de aire del motor eléctrico 58 y funciona para proteger uno o más elementos del estator que producen campo magnético (incluyendo las láminas de estator y los bobinados de campo asociados) contra el contacto con el fluido bombeado. La cápsula de barrera 56 de estator incluye también preferentemente una pestaña 60 adyacente al extremo abierto de la cápsula 56 que es recibida por un asiento anular 62 formado en un lado de la protección delantera de motor 64. Preferentemente, una protección trasera de motor 66, o tapa extrema, está prevista para cerrar la porción trasera del motor 58.

Haciendo ahora referencia a las Figuras 4-8, el fluido de entrada pasa a la envuelta de cabeza de bomba 12 por una entrada 20 de presión baja. El fluido pasa desde la entrada 20 de presión baja a una cámara impelente de entrada 70, definida por un espacio anular que rodea el anillo de leva 26 y está delimitada por un lado por la envuelta 12 de cabeza de bomba y por el otro lado delimitada por una superficie delantera 72 del cojinete trasero 30. Los canales de entrada de fluido opuestos 72a, 72b, formados en la superficie delantera 72 del cojinete trasero, proporcionan canales de flujo para que pase el fluido desde la cámara impelente de entrada 70 a las zonas de succión 74a, 74b de las cámaras de bombeo de fluido opuestas 76a, 76b, formadas entre el rotor de bomba 28 y el anillo de leva 26. El fluido que proviene de las cavidades 73a, 73b (Figura 7), formadas en el cojinete delantero 24, circula hacia las zonas de succión 74a, 74b. Los canales de entrada de fluido 72a, 72b del cojinete trasero 30 están ilustrados en la Figura 6, y las cavidades de fluido 73a, 73b del cojinete delantero 24 están ilustradas en la Figura 7. Como puede verse en la Figura 6, los bordes aguas arriba 78a, 78b de los canales de entrada de fluido 72a, 72b están preferentemente contorneados cada uno de ellos para mejorar las características del flujo, reducir el ruido y reducir la cavitación. Como de manera similar se muestra en la Figura 7, los bordes de aguas arriba 79a, 79b de las cavidades 73a, 73b formadas en el cojinete delantero están también preferentemente contorneados para mejorar las características del flujo y para reducir el ruido y la cavitación.

Con referencia de nuevo a la Figura 5, las cámaras de bombeo 76a, 76b pueden ser formadas fabricando el rotor de bomba 28 sustancialmente redondo y haciendo que la superficie interior del anillo de leva 26 sea sustancialmente ovalada u oblonga. Dentro de las cámaras de bombeo 76a, 76b, el fluido es impulsado por la acción de barrido de las aletas 40 a través de las zonas de bombeo 80a, 80b, y a continuación a las zonas de bombeo 82a, 82b. Las aletas 40 deslizan a lo largo de la superficie interior del anillo de leva 26 cuando las aletas 40 son impulsadas por el rotor 28. El volumen creciente en las zonas de succión 74a, 74b funciona impulsando fluido por fuerza de succión desde la cámara impelente de entrada 70 a las cámaras de bombeo 76a, 76b. De la misma manera, el volumen decreciente dentro de las zonas de bombeo 82a, 82b, funciona para forzar el flujo saliente de las zonas de bombeo 82a, 82b a través de uno o más pasos de descarga 84a, 84b del cojinete trasero y a través de uno o más pasos de descarga 85a, 85b del cojinete delantero. El flujo de fluido presurizado a través de los pasos 84a, 84b y 85a, 85b produce un empuje que actúa hacia el interior en los cojinetes delantero y trasero 24, 30, y la relación de oposición de los pasos de descarga 84a, 84b del cojinete trasero y los pasos de descarga 85a, 85b del cojinete delantero proporciona un ventajoso equilibrio de este empuje que actúa manteniendo los cojinetes 24, 30, rotor 28, y el anillo de leva 26 adecuadamente alineados e inhibiendo pérdidas de fluido entre esos elementos de bombeo.

Las cargas de presión generadas en las zonas de bombeo 82a, 82b ejercen generalmente fuerzas en una dirección radial sobre el rotor de bomba 28 y el anillo de leva 26. Puesto que las zonas de bombeo 82a, 82b están en oposición entre sí, las cargas de presión son transmitidas en esencia simétricamente al rotor de bomba 28 y al anillo de leva 26. Esta distribución sustancialmente uniforme de las cargas tiende a equilibrar las cargas transmitidas al eje de motor 44, reduciendo por lo tanto las cargas de los cojinetes que actúan sobre el cojinete trasero 30. El equilibrio de la carga tiende también a inhibir la separación de las partes de la cabeza de bomba. Se ha observado que las cargas desequilibradas transmitidas al cojinete trasero pueden requerir niveles de potencia un 20-30% mayores para producir la misma cantidad de salida de bomba. La distribución uniforme de las cargas generadas en las zonas de bombeo 82a, 82b tiene también el ventajoso efecto de centrar el anillo de leva 26 dentro de la envuelta de cabeza de bomba 12.

Con referencia a la Figura 8, como se ha explicado anteriormente, el fluido presurizado sale de la cabeza de bomba 22 de manera equilibrada a través de uno o más pasos de descarga 85a, 85b del cojinete delantero y uno o más pasos de descarga 84a, 84b del cojinete trasero. El fluido presurizado que sale de los pasos 85a, 85b es dirigido a la salida 111 de la cabeza de bomba (como muestra la flecha de flujo 93) sin que el fluido presurizado salga de la cabeza de bomba 22. El fluido presurizado que sale por los pasos 84a, 84b es dirigido hacia un camino de circulación de fluido, al menos una porción del cual es externo a la cabeza de bomba 22, terminando el camino de circulación de fluido adyacentemente a la salida 111 de la cabeza de bomba. En una realización preferida, el camino de circulación de fluido (indicado por las flechas de flujo 100) incluye al menos una porción del motor 14 comúnmente denominada la separación o espacio de aire 88. Después de pasar a través de esa porción de la separación de aire de motor 88 que separa el rotor de motor 42 y la cápsula de barrera de estator 56, el flujo de fluido presurizado prosigue a través de los pasos 102a, 102b de los cojinetes de motor hacia la cámara de fluido trasera 104 y retorna a una cámara impelente de descarga 106 en la cabeza de bomba 22, adyacente a la salida 111, a través del eje hueco de rotor 44. La cámara impelente de descarga 106 se comunica directamente con la salida de cabeza de bomba 111. De esta manera, la circulación de fluido a través de la bomba 10 funciona retirando calor del motor 14 durante la operación. También hace que circule fluido por el cojinete de motor 52 para mantenerlo frío y limpio.

La cápsula de barrera de estator 56, o revestimiento, proporciona una obturación que impide o inhibe que el fluido presurizado entre en contacto con las láminas de estator 90 y el bobinado de estator 91. La cápsula 56 está definida por un extremo abierto 92 en oposición a un extremo cerrado 54, con un cuerpo de revestimiento entre el extremo abierto y el extremo cerrado. El extremo abierto 92 incluye preferentemente una pestaña anular 60 que sirve como único punto de unión de la cápsula 56 al motor 14. Alternativamente, la cápsula 56 es asegurada al o dentro del motor 14 por otra estructura adecuada. La cápsula de barrera de estator 56, mostrada también en la Figura 9, se fabrica preferentemente como una parte de un único metal usando un proceso de embutición profunda que produce un cuerpo de revestimiento con una sección transversal sustancialmente uniforme entre sus extremos abierto y cerrado. Así, en una realización preferida, la cápsula 56 no requiere soldadura. Alternativamente, la cápsula 56 puede ser fabricada a partir de dos o más partes unidas entre sí, tal como por soldadura.

En el interés de minimizar la separación de aire 88 para mejorar el rendimiento del motor, al menos la porción de las paredes 94 de la cápsula que ocupa la separación de aire 88 del motor es, de preferencia, relativamente delgada. En una realización preferida, las paredes 94 de la cápsula han sido hechas sustancialmente delgadas, de manera que se deforman cuando están cargadas con fluido presurizado. Esta tendencia a la deformación es preferentemente opuesta/soportada por la utilización de una estructura de motor existente. En operación, el soporte estructural adicional para esa porción de las paredes 94 de la cápsula que ocupa la separación de aire 88 es proporcionado en gran medida por las láminas de motor 90. Puede ser proporcionado también soporte estructural adicional por la protección trasera de motor 66, o tapa extrema, cuando la pared de extremo cerrado 54 es lo suficientemente delgada para que se deforme debido a la carga impartida por el fluido presurizado sobre el extremo cerrado 54.

Para aplicaciones de presión alta en las cuales el fluido bombeado puede alcanzar presiones de unos 21,11 kg/cm^{2}, la cápsula de barrera de estator 56 es hecha preferentemente de acero inoxidable estirado, hasta un espesor de pared de unos 0,381 mm. Para presiones operativas inferiores, las paredes 94 de la cápsula 56 pueden ser hechas incluso de menor es-
pesor.

En la Figura 4, la cápsula 56 es mostrada en estado de relajación, sin que actúen presiones internas de fluido sobre la cápsula 56. Cuando es cargada con suficiente fluido presurizado que actúa sobre la superficie interior 96 de la cápsula 56, las paredes 94 de la cápsula tenderán a deformarse y apoyarse contra las láminas de estator 90 y, en una realización preferida, contra la protección trasera de motor 66, como se muestra en la Figura 8. Sin embargo, la protección trasera 66 no tiene que soportar la carga total. Las cargas pueden estar soportadas también por la pestaña 60 y su protección extrema delantera 64 de soporte del motor, así como por las láminas de estator 90.

La cápsula 56 es preferentemente configurada para tener una pequeña separación entre la cápsula 56 y las láminas de estator 90 para facilitar el ensamblaje. La aplicación particular de la bomba 10 puede ser usada para determinar cuánta holgura debe ser empleada. Por ejemplo, en aplicaciones en las que el fluido bombeado deba ser usado para retirar calor del motor 14, la holgura entre la cápsula 56 y las láminas de estator 90 ha de ser suficientemente pequeña para aumentar el contacto y la conductividad térmica entre la cápsula 56 y las láminas 90. Inversamente, para aplicaciones en las que es deseable aislar térmicamente el fluido bombeado desde el motor 14, la holgura entre la cápsula 56 y las láminas 90 debe ser mayor.

Durante la fabricación de la cápsula 56, se ha observado que la redondez de la cápsula es difícil de controlar debido a los esfuerzos experimentados por el material cuando se conforma la cápsula 56. Así, la porción media de la cápsula 56 no es normalmente redonda. Típicamente, la cápsula 56 tiene diámetros bien controlados en ambos extremos. Para aplicaciones en las que es deseable usar el fluido bombeado para retirar calor del motor 14, las estrechas tolerancias resultantes necesitan la aplicación de una cantidad moderada de fuerza durante la inserción de la cápsula 56 en el ánima del estator. Cuando la cápsula 56 es insertada en el ánima del estator, descansa estando típicamente una o más porciones de la superficie exterior de la cápsula 56 en contacto con las láminas de estator 90. Cuando la bomba 10 genera presión, la cápsula 56 se expande/deforma y entra en contacto más plenamente con las láminas de motor 90 y más plenamente se adapta a la forma del ánima del estator. Haciendo que la cápsula 56 sea delgada y expandible de esta manera se consiguen numerosas ventajas. Primeramente, puesto que la cápsula 56 es conformable, las imperfecciones de fabricación de la cápsula 56 son fácilmente compensadas. En segundo lugar, la delgadez de la cápsula 56 minimiza el tamaño total de la separación de aire del motor, lo que mejora el rendimiento del motor. En tercer lugar, la cápsula 56 puede aprovechar las estructuras de motor existentes para mejorar el rendimiento de la bomba. En cuarto lugar, permitiendo que la cápsula 56 se expanda contra y se adapte a las láminas de motor 90, se proporciona una transferencia más eficaz de calor desde el estator de motor al fluido con objeto de refrigerar
el motor.

Las bombas de aletas típicas emplean una válvula de alivio de presión situada en o cerca de la entrada de presión baja para impedir que las condiciones de sobrepresión puedan dañar la bomba. Dicha configuración de válvula de alivio tiende a impedir, de manera no deseada, el flujo del fluido dentro de la bomba. Como se muestra en la Figura 11, el invento presente elimina las dificultades asociadas con las configuraciones de válvula de alivio conocidas apartando la válvula de alivio de presión 142 de la entrada de presión baja 20 y de la salida de la presión alta 111 sin que esté situada ninguna porción de la válvula de alivio 142 en la entrada 20 ó en la salida 111. La válvula de alivio es bidireccional, permitiendo que las regiones de presión alta y presión baja de la bomba 10 se comuniquen entre sí a través de la válvula de alivio 142. Esto se consigue previendo una cavidad 144 de válvula de alivio en la envoltura 12 de la cabeza de bomba. El extremo superior adyacente 150 de la cavidad 144 de la válvula de alivio es un paso 152 de la cavidad de la válvula de alivio superior en comunicación de fluido con la cámara impelente de descarga de presión alta 106. Un paso 154 de la cavidad de la válvula de alivio inferior está en comunicación de fluido con la cámara impelente 70 de la entrada de presión baja. Una tapa retirable 146 proporciona acceso externo a la cavidad 144 de la válvula de alivio y un aro tórico 148 de la tapa proporciona una junta para fluido entre la tapa 146 y la envoltura 12 de la cabeza de bomba.

La válvula de alivio 142 incluye una válvula de tipo hongo 156 con una superficie de asiento anular mantenida contra un asiento anular interior 157 del tubo de flujo 159 por medio de un resorte 158 de válvula de tipo hongo (u otro actuador adecuado). El tubo de flujo 159 incluye también un asiento anular exterior 161 que se acopla a un escalón anular 163 de la cavidad 144 de la válvula de alivio para formar una junta. El resorte 165 del tubo de flujo (u otro actuador adecuado) actúa forzando al asiento 161 contra el escalón 163, tal como se muestra. La fuerza aplicada por el resorte 165 puede ser ajustada por medio de un conectador con rosca 167 (u otro dispositivo de ajuste de fuerza adecuado) que funciona también asegurando la válvula de alivio 142 dentro de su cavidad 144. Para impedir un exceso de desplazamiento de la válvula de tipo hongo 156, la válvula de tipo hongo 156 está situada adyacente al extremo superior 150 de la cavidad 144 de la válvula de alivio, de manera que el extremo superior 150 funciona como una barrera que acopla la válvula de tipo hongo 156 cuando la válvula de tipo hongo 156 se desplaza la distancia máxima permitida. Configurando de esta manera la válvula de tipo hongo 156 y la cavidad 144 de la válvula de alivio, se impide ventajosamente que la válvula de tipo hongo 156 sea atraída hacia el paso de descarga 152, donde la válvula de tipo hongo 156 podría dañar la bomba 10 ó, por otra parte, originar una condición anómala de funcionamiento.

La válvula de alivio 142 está configurada para permitir el flujo en cualquier sentido a través de la cavidad 144 de la válvula de alivio. En el modo de alivio de presión baja, el fluido circula desde la entrada 20 hacia la salida 111 cuando la presión del fluido en la entrada 20 excede la presión del fluido a la salida 111 en una cantidad umbral, siendo dicha cantidad umbral superior a la fuerza del resorte de válvula de tipo hongo 158. En otras palabras, cuando la presión del fluido ejercida sobre la válvula de tipo hongo 156 es suficiente para superar la fuerza del resorte 158, el fluido de presión baja en la cámara impelente 70 de entrada de presión baja entra en la cavidad 144 de la válvula de alivio y en el tubo de flujo 159 a través del paso 154, desplaza la válvula de tipo hongo 156 hacia arriba, fuera del asiento anular 157, y sale de la cavidad 144 a través del paso 152. En modo de alivio de presión alta, el fluido circula desde la salida 111 hacia la entrada 20 cuando la presión del fluido a la salida 111 excede la presión del fluido a la entrada 20 en una cantidad umbral, siendo dicha cantidad umbral mayor que la fuerza del resorte 165 del tubo de flujo. En otras palabras, cuando la presión del fluido ejercida sobre la válvula de tipo hongo 156 y sobre el tubo de flujo 159 es suficiente para superar la fuerza del resorte 165, el tubo de flujo superior 159 se desplaza hacia abajo desde su posición asentada/cerrada, entrando fluido a gran presión en la cavidad 144 a través del paso 152 y saliendo a través del paso 154. La cantidad de umbral de presión de fluido necesaria para superar la fuerza del resorte 165 del tubo de flujo es mayor que la cantidad umbral de presión de fluido necesaria para superar la fuerza del resorte de válvula de tipo hongo 158.

Combinaciones típicas motor-bomba usan una cabeza de bomba y un motor separado. En condiciones extremas de carga térmica dentro de la cabeza de bomba se recalienta la cabeza de bomba. Aunque la mayoría de los motores incluyen un sensor/interruptor térmico para parar el motor cuando el motor se recalienta, las condiciones de recalentamiento dentro de la cabeza de bomba no son detectadas por el sensor del motor. Como resultado, el motor continuará impulsando la cabeza de bomba recalentada hasta que ocurre un fallo catastrófico.

De acuerdo con un aspecto del invento presente, el sensor/interruptor de recalentamiento del motor es reconfigurado de tal manera que detecte las condiciones de recalentamiento dentro de la cabeza de bomba 22, así como las del motor 14. En una realización preferida, esto se consigue situando un sensor/interruptor de recalentamiento 130 dentro del bobinado 91 del estator del motor en una zona adyacente a la cabeza de bomba 22. De preferencia, el sensor/interruptor de recalentamiento 130 es de un tipo bimetálico y es enterizo con el bobinado 91 del estator para abrir el circuito del bobinado 91 del estator e impedir la operación del motor cuando sea detectada una temperatura umbral de recalentamiento, preferentemente de unos 160 grados C. Cuando la condición de sobrecalentamiento haya desaparecido, el interruptor bimetálico cierra y la operación de la bomba puede proseguir. (En una realización alternativa del interruptor, el interruptor bimetálico debe ser repuesto manualmente antes de que la bomba reinicie la operación). El interruptor bimetálico 130 incluye una posición cerrada que proporciona continuidad eléctrica a través del bobinado de estator 91 durante la operación normal del motor 14, y una posición abierta que impide la continuidad eléctrica a través del bobinado de estator 91 cuando una condición de recalentamiento es detectada por el interruptor bimetálico 130.

Deberá entenderse que en la práctica del invento pueden emplearse otras configuraciones del sensor/interruptor 130. Por ejemplo, en lugar de un sensor/interruptor enterizo, puede situarse un sensor de temperatura adyacente a la cabeza de bomba 22 en el bobinado de motor 91 o en algún otro lugar donde el sensor pueda detectar la temperatura de la cabeza de bomba 22, así como la del motor 14. La salida del sensor de temperatura es llevada a un procesador o relé que activa un interruptor para impedir la operación del motor cuando una temperatura umbral es detectada. Así, el invento presente contempla un dispositivo sensor único que puede detectar la presencia de una condición de sobrecalentamiento, ya sea en la cabeza de bomba 22, o en el motor 14, de manera que puede tomar la acción de parar o impedir de otro modo la operación de la bomba 10 cuando una condición de sobrecalentamiento se presente en la bomba 10. Esto contribuye a impedir que se dañe la bomba 10, tanto en condiciones de funcionamiento en seco, como en condiciones de sobrecarga fuerte.

Deberá apreciarse que mientras que bombas de la técnica anterior alimentan ineficazmente fluido a presión alta a través del motor y a continuación descargan el fluido a presión alta en una región de presión baja de la bomba (típicamente la entrada), la bomba 10 de la Figura 8 no adolece de dicha desventaja. En su lugar, la bomba 10 de la Figura 8 conecta las zonas de bombeo 82a, 82b de ambas cámaras de bombeo 76a, 76b dividiendo el flujo y proporcionando lo que esencialmente son dos caminos discretos de flujo dentro de la bomba 10, recombinándose ambas porciones de flujo en la misma cámara impelente de descarga 106. Un camino de flujo discreto se inicia en las zonas de bombeo 82a, 82b, pasa por los pasos de descarga 85a, 85b del cojinete delantero y entra en la cámara impelente de descarga 106. El otro camino de flujo discreto se inicia en las zonas de bombeo 82a, 82b, pasa por los pasos de descarga 84a, 84b del cojinete trasero, hacia la porción de la separación de aire 88 del motor que separa el rotor de motor 42 y la cápsula de barrera 56 del estator, pasa a través de los pasos 102a, 102b del cojinete del motor hacia la cámara de fluido trasera 104, a través del eje de rotor hueco 44 y entra en la cámara impelente de descarga 106, tal como se ha descrito anteriormente.

En operación, el flujo es descargado a través de la bomba desde ambos lados del rotor de bomba 28 a través de los pasos de descarga 84a, 84b, 85a, 85b. Las presiones iniciales en los pasos de descarga 84a, 84b, 85a, 85b son iguales, lo que equilibra la carga de empuje del rotor de bomba 28. Además, la cámara impelente de descarga 106 puede comunicar a ambos lados del rotor de bomba 28 a través de pasos de ranura 108 de las aletas, formados cuando las aletas 40 deslizan hacia fuera dentro de una cámara de bombeo 76a y 76b. Esto permite un equilibrio adicional de empuje al suministrar a ambos lados del rotor de bomba 28 una presión de fluido igual a la que se encuentra en la cámara 106. El camino de flujo desde los pasos de descarga 85a, 85b a la cámara 106 es mucho más corto que desde los pasos de descarga 84a, 84b a la cámara 104. Cuando el fluido pasa de la cámara 107 a las cámaras 109 y 104, existe una presión diferencial creada por la distancia adicional y el área de flujo restringida formada por el rotor de motor 42 y la cápsula de barrera 56, como ilustran las flechas 100 de flujo de fluido. Esto tiende a crear una ligera carga de empuje sobre el lado de la cabeza de bomba del rotor de motor 42, lo que tiende a alejar el rotor de motor 42 del rotor de bomba 28. Además, las láminas 90 del estator del motor y las láminas del rotor tienden a alinearse sobre el centro eléctrico del motor durante la operación, creando un movimiento adicional entre los dos rotores. Las tolerancias de fabricación y variaciones del proceso crean un movimiento adicional en la posición relativa de ambos rotores. Estos movimientos relativos entre los dos rotores requieren un par adicional del motor, ya que los dos rotores empujan contra sus superficies de empuje respectivas. Para reducir esta tendencia, el rotor de motor 42 y el rotor de bomba 28 están conectados por una junta 46 de extremo enchavetado en deslizamiento para permitir un movimiento axial libre de las dos partes que minimice las cargas parásitas del sistema. Así, el eje de rotor 44 está esencialmente flotando en un fluido de presión alta y es movible axialmente con respecto a la cabeza de bomba 22 y sus elementos generadores de presión. Esto tiene el efecto deseable de mejorar el equilibrio de las fuerzas que actúan sobre el rotor de motor 42, lo que a su vez mejora la operación y eficacia del motor. Es de observar además, que el flujo del fluido presurizado a través de la separación de aire 88 es independiente del movimiento axial del eje de motor 44.

El rotor de motor 42, como se muestra con mayor detalle en la Figura 10, incluye el eje hueco 44 sobre el cual se aplican las láminas de rotor 110. Las láminas de rotor 110 están obturadas y protegidas contra el fluido bombeado mediante una barrera de rotor delgada o cápsula 112. En una realización preferida, la cápsula 112 incluye no más de dos partes ensambladas alrededor de las láminas 110 de rotor usando no más de tres zonas de aplicación. Como se ilustra en la Figura 10, dicha cápsula 112 incluye una porción de cuerpo 114 dispuesta alrededor de las láminas de rotor 110. La porción de cuerpo 114 incluye un extremo de inserción 115 con una abertura para recibir las láminas 110. En el otro extremo de la porción 114 del cuerpo hay una pared extrema 117 realizada enterizamente, que forma una parte única con la porción de cuerpo 114. La pared extrema 117 incluye una abertura de pared trasera 119 que está aplicada al eje de rotor 44 de tal manera que impide que el fluido atraviese la barrera entre el eje 44 y la abertura 119 de la pared trasera. La cápsula 112 incluye también una tapa 116 que tiene un perímetro exterior 121 aplicado a la gran abertura de la porción de cuerpo 112, de tal manera que impide que el fluido atraviese la barrera existente entre el perímetro exterior 121 de la tapa y la abertura de la porción de cuerpo. La tapa 116 incluye una abertura de tapa central 123 que está aplicada al eje de rotor 44 de una manera que impide que el fluido atraviese la barrera que hay entre el eje 44 y la abertura de tapa 123.

Sí así se desea, pueden ser empleados espaciadores 118a-d que interconecten las láminas 110 y la cápsula 112 para proporcionar un soporte estructural adicional. La cápsula 112 puede ser ensamblada con el eje 44 utilizando un método de unión mecánica imperativa (tal como soldadura, ajuste a presión, o adhesivo) a las tres zonas de unión 120.

Siendo hueco el eje 44, tiene la capacidad para una mayor flexión durante la operación. Los motores eléctricos poseen una característica que comúnmente se denomina "tracción lateral" que da lugar a la flexión o movimiento del rotor 42 durante el arranque. La flexión del rotor 42 como resultado de la tracción lateral, es particularmente acusada cuando el centro de giro del rotor 42 no coincide con la línea central del estator como consecuencia de imperfecciones de fabricación. La aplicación de la cápsula de barrera de rotor 112 al rotor 42, en combinación con uniones mecánicas imperativas 120, proporciona una rigidez adicional que mejora significantemente la resistencia total del rotor 42 a la flexión. Por ejemplo, un eje de un diámetro de 12,7 mm tiene un momento polar de inercia de unos 0,127367 (cm^{4}). La adición de un orificio de 6,35 mm a través del eje 44 reduce el momento polar de inercia en un 6% hasta 0,11946 (cm^{4}). La adición de una cápsula de barrera 112 del rotor con un espesor de pared de 0,356 mm aumenta el momento de inercia hasta un valor de 24,84902 (cm^{4}), incluso con el eje hueco 44. Esto representa un aumento de casi 15 veces la rigidez original del eje. Durante el arranque, se ha observado que se reduce efectivamente la flexión del rotor, aproximadamente en la misma proporción.

Otra ventaja de la configuración de la cápsula de rotor 112 de dos piezas es que la pared extrema 117 proporciona una estructura que puede ser usada para presionar la porción de cuerpo 114 sobre las láminas del rotor sin aplastar la porción de cuerpo 114. Las cápsulas de la técnica anterior que no tenían dicha pared extrema proporcionaban significantemente menos área superficial sobre la que se pudiera aplicar fuerza durante el ensamblaje. La elevada fuerza por centímetro cuadrado resultante de dichas cápsulas podía causar fácilmente abolladuras u otra destrucción de la cápsula. Con la pared extrema 117 se puede aplicar fuerza sobre un área superficial mayor para reducir la cantidad de fuerza por centímetro cuadrado, y, consecuentemente, reducir la probabilidad de que la cápsula sea dañada durante el ensamblaje. Permite también que la cápsula 112 sea fabricada con paredes más delgadas, lo que reduce la separación de aire de motor 88 y mejora el rendimiento del motor.

Como se ha expuesto anteriormente, la circulación del fluido a través de la bomba 10 puede causar pequeñas diferencias de presión dentro de la bomba 10. Tales diferencias de presión serán experimentadas en las cámaras de motor delantera y trasera 107, 109. Ambos extremos del rotor de motor 42 están sometidos a presión dentro de las cámaras 107, 109 respectivas. Esto provoca una carga de empuje que reduce la carga aplicada al rotor de bomba 28 y al cojinete de motor 52 cuando la bomba 10 está montada en una posición vertical con la cabeza de bomba por debajo del motor.

La bomba 10 permite que se ensamble la cápsula de barrera de estator 56 a toda la cabeza de bomba 22 y al rotor de motor 42 sujetando unido el conjunto 160 con la protección extrema delantera 64 del motor, como se muestra en la Figura 12. El conjunto 160 puede ser probado individualmente y tratado para ser usado en aplicaciones de alimentación sin tener que estar totalmente ensamblado al motor 14. Esto es también beneficioso desde un punto de vista logístico debido a que permite que se produzcan conjuntos de cabeza de bomba 160 por adelantado, y los conjuntos 160 pueden ser almacenados sin estar asignados a un tipo de motor particular. Esto permite también una mayor flexibilidad en los métodos de ensamblaje empleados y contribuye a reducir el inventario y a satisfacer con mayor facilidad las demandas del cliente.

Se apreciará que una bomba de motor encapsulada de la configuración anteriormente descrita no está limitada a una cabeza de bomba de aletas giratorias. Las Figuras 13 y 14 ilustran dos tipos alternativos de cabezas de bomba que pueden ser empleadas en lugar de una cabeza de bomba de aletas giratorias. La Figura 13 muestra una cabeza de bomba centrífuga de cubierta cerrada 170 impulsada por el motor 14, y la Figura 14 muestra una cabeza de bomba de turbina 172 impulsada por el motor 14. El flujo del fluido que sale de las cabezas de bomba 170, 172 a través de pasos de descarga 84a, 84b de los cojinetes, entre la cápsula de barrera de estator 56 y rotor encapsulado 42, pasa a través de los pasos 102a, 102b del cojinete de motor y regresa a las cabezas de bomba 170, 172 a través de un eje hueco de motor 44, es el mismo que se ha descrito anteriormente con referencia a una cabeza de bomba de aletas giratorias.

La descripción precedente detalla una o más realizaciones preferidas del invento presente y describe el mejor modo contemplado. Ha de apreciarse, sin embargo, que sin importar lo detallada que la descripción precedente pueda parecer, el invento puede ser practicado de muchas maneras sin apartarse del alcance del invento, tal como se define en las reivindicaciones. Por lo tanto, la descripción anteriormente mencionada debe ser considerada como ejemplar en lugar de limitadora.

Claims

1. Una bomba para fluido (10) que comprende:

una cabeza de bomba (22) para recibir un fluido a una primera presión y que presuriza el fluido a una segunda presión mayor que dicha primera pre-
sión;

un motor eléctrico (14) para accionar la cabeza de bomba para aumentar la presión del fluido a dicha segunda presión;

incluyendo dicha cabeza de bomba (22):

una entrada (20) para recibir fluido a dicha primera presión;

una salida (111) para que salga el fluido a dicha segunda presión;

un primer paso (85a, 85b) para dirigir fluido a dicha segunda presión hacia dicha salida; y

un segundo paso (84a, 84b) para dirigir fluido a dicha segunda presión hacia un camino de circulación de fluido (88, 44), al menos una porción del cual es externa a la cabeza de bomba (22) y pasa al menos por una porción del motor eléctrico (14), terminando el camino de circulación de fluido en la sali-
da (111);

en la que el fluido presurizado que pasa a través de dicho primero y segundo pasos es dirigido hacia la salida (111) sin que sea vuelto a presurizar por la cabeza de bomba;

por lo cual el primer paso está configurado de tal manera que el fluido presurizado en el primer paso (85a, 85b) llega a la salida (111) sin dejar la cabeza de bomba.

2. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicho motor eléctrico (14) incluye:

un estator con uno o más elementos de producción de campo magnético para producir un campo magnético en respuesta a un flujo de corriente eléctrica a través de uno o más elementos de producción de campo magnético;

un rotor (42) que tiene un eje de rotor (44) para accionar la cabeza de bomba (22) en respuesta al campo magnético producido por el estator; y

una separación o espacio de aire (88) entre el estator y el rotor, estando la separación de aire en comunicación de flujo con el fluido presurizado desde la cabeza de bomba (22); y

en la que dicho camino de circulación de fluido incluye al menos una porción de la separación de ai-
re (88).

3. La bomba de la reivindicación 2, en la que dicho eje de rotor es movible axialmente con respecto a los elementos generadores de presión dentro de la cabeza de bomba (22), de tal manera que el eje de rotor es libre para moverse en una dirección axial independientemente de dichos elementos generadores de presión.

4. La bomba de la reivindicación 2, en la que dicho eje de rotor (44) es hueco y está configurado para recibir fluido presurizado, en el que dicho camino de circulación de fluido incluye el eje hueco de rotor.

5. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicha cabeza de bomba (22) incluye además:

una cavidad (144) de válvula de alivio que tiene una primera porción en comunicación de fluido con dicha entrada (20) y una segunda porción en comunicación de fluido con dicha salida (111); y

una válvula de alivio (142) dispuesta en dicha cavidad de válvula de alivio (144), no existiendo porción de la válvula de alivio (142) situada en la entrada o en la salida, estando dicha válvula de alivio configurada para incluir:

un modo de válvula de alivio de presión baja en el que el fluido fluye desde dicha entrada (20) a dicha salida (111) cuando la presión del fluido a la entrada excede la presión del fluido a la salida en una primera cantidad de umbral; y

un modo de válvula de alivio de presión alta en el que el fluido fluye desde dicha salida (111) a dicha entrada (20) cuando la presión del fluido a la salida excede la presión del fluido a la entrada en una segunda cantidad de umbral mayor que dicha primera cantidad de umbral.

6. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicho motor (14) incluye además un revestimiento (56) situado en dicha separación de aire (88) para inhibir que el fluido presurizado que entra en la separación de aire esté en contacto con uno o más elementos del estator de producción de campo magnético, incluyendo además dicho rotor (42) una cápsula de barrera de rotor para impedir que el fluido presurizado que se introduce en la separación de aire esté en contacto con las láminas del rotor.

7. La bomba de la reivindicación 6, en la que dicho revestimiento (56) incluye una pared de revestimiento delgada que se deforma durante la operación del aparato para apoyarse en dichos uno o más elementos de producción de campo magnético para dar soporte estructural como resultado de la carga impartida por el fluido presurizado sobre la pared de revestimiento.

8. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicho primer paso (85a, 85b) está en oposición a dicho segundo paso (84a, 84b) para proporcionar equilibrio del empuje producido por el flujo de fluido presurizado a través del primero y segundo pasos.

9. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicha cabeza de bomba (22) incluye además:

un cojinete delantero (24) que tiene dicho primer paso dispuesto en él;

un cojinete trasero (30) adyacente a dicho motor eléctrico (14) y que tiene dicho segundo paso dispuesto en él;

un rotor de bomba (28) con una pluralidad de aletas deslizantes (40) y dispuesto entre dichos cojinetes delantero y trasero; y

un anillo de leva (26) dispuesto alrededor de dicho rotor de bomba de aletas deslizantes, teniendo dicho anillo de leva una superficie interior a lo largo de la cual las aletas deslizantes (40) son impulsadas por el rotor para producir fluido presurizado a dicha segunda presión;

en la que el fluido presurizado por el movimiento de las aletas deslizantes (40) es dirigido a través de dichos pasos primero y segundo de los cojinetes.

10. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicha cabeza de bomba (22) es una cabeza de bomba de aletas giratorias.

11. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicha cabeza de bomba (22) es una cabeza de bomba de turbina.

12. La bomba de la reivindicación 1, en la que dicha cabeza de bomba (22) es una cabeza de bomba centrífuga.