ES2338077T3 - Dispositivo de transferencia de energia de fluido. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo giratorio (10) de transferencia de energía de fluido, provisto de cámaras, que comprende: (a) un alojamiento (11) que comprende: (1) una parte cilíndrica (12) que tiene un ánima (18) formada en ella; (2) una placa de extremidad (14) que tiene un paso de entrada y un paso de salida; (b) un rotor exterior (20) con un perfil de engranaje hembra que gira en dicha ánima (18) de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) y que comprende: (1) una parte radial (22); (2) un perfil de engranaje hembra (21) formado en dicha parte radial (22); (3) un primer extremo (24) que cubre dicho perfil de engranaje hembra (21), y (4) un segundo extremo (26) que bordea dicho perfil de engranaje hembra (21); (c) un rotor interior (40) con un perfil de engranaje macho (41) en aplicación operativa con dicho rotor exterior (20); y (d) al menos un rotor seleccionado (20, 40) de entre dicho rotor interior (40) y dicho rotor exterior (20) que tiene un cubo coaxial (28, 42) que se extiende normalmente desde dicho rotor (20, 40) estando montado dicho cubo (28, 42) en dicho alojamiento (11) con un conjunto de apoyo (38, 51) caracterizado porque el conjunto de apoyo comprende un par de apoyos de elemento rodante cargados previamente estableciendo los apoyos el eje rotacional de dicho rotor seleccionado (20, 40), y la posición axial de dicho rotor seleccionado (20, 40) y manteniendo una separación fija de dicho rotor seleccionado (20, 40) con al menos una superficie de dicho alojamiento (11) y dicho otro rotor (20, 40).

Description

Dispositivo de transferencia de energía de fluido.

Antecedentes del invento 1. Campo del invento

El presente invento se refiere a dispositivos de transferencia de energía que funcionan basándose en el principio del desplazamiento de fluido mediante ruedas dentadas trocoidales engranadas y, más particularmente a la reducción de fuerzas de fricción en tales sistemas.

2. Antecedentes

Las bombas y motores de desplazamiento de fluido de engranaje trocoidal son bien conocidos en la técnica. En general, un rotor macho interior lobulado, montado excéntricamente, interactúa con un rotor hembra exterior lobulado correspondiente en una cámara en la que ajustan estrechamente formada en un alojamiento con un ánima cilíndrica y dos placas de extremidad. El rotor interior montado excéntricamente tiene un número establecido de lóbulos o dientes y coopera con un rotor exterior lobulado que lo rodea, es decir, una rueda dentada anular, con un lóbulo o un diente adicional al rotor interior. El rotor exterior está contenido dentro del recinto cilíndrico con un ajuste estrecho.

El rotor interior está, típicamente, asegurado a un árbol de accionamiento y, cuando gira sobre el árbol de accionamiento, avanza en el espacio de un diente por revolución con relación al rotor exterior. El rotor exterior está retenido giratoriamente en un alojamiento, excéntrico respecto al rotor interior, y engrana con el rotor interior en un lado. Cuando los rotores interior y exterior giran desde su punto de engrane, el espacio entre los dientes de los rotores interior y exterior aumenta gradualmente de tamaño en los primeros ciento ochenta grados de rotación del rotor interior creando un espacio en expansión. Durante la última mitad de la revolución del rotor interior, el espacio entre los rotores interior y exterior disminuye de tamaño a medida que los dientes engranan.

Cuando el dispositivo está funcionando como una bomba, el fluido que ha de ser bombeado es extraído desde un puerto de entrada al espacio de expansión como resultado del vacío creado en el espacio como resultado de su expansión. Después de alcanzar un punto de volumen máximo, el espacio entre los rotores interior y exterior comienza a disminuir de volumen. Después de que se haya alcanzado la presión suficiente debido al volumen descendente, el espacio descendente es abierto a un puerto de salida y el fluido forzado desde el dispositivo. Los puertos de entrada y salida están aislados entre sí por el alojamiento y los rotores interior y exterior.

Un problema significativo con tales dispositivos son las pérdidas de eficiencia y el desgaste de ciertas piezas debido a la fricción entre las distintas piezas móviles de la configuración. Tal pérdida de eficiencia puede ser especialmente severa cuando el dispositivo es usado como un motor en vez de como una bomba.

Para eliminar las pérdidas por fricción, diferentes inventores tales como Lusztig (documento US 3.910.732), Kilmer (documento US 3.905.727) y Specht (documento US 4.492.539) han usado apoyos de elementos rodantes. Sin embargo, tales apoyos han sido usados principalmente para controlar las pérdidas por fricción entre el árbol de accionamiento y el alojamiento del dispositivo en lugar del mecanismo interno del propio dispositivo.

Minto y col. (documento US 3.750.393) usa el dispositivo como un motor (motor principal) proporcionando vapor a presión elevada a las cámaras lo que causa su expansión y la rotación asociada del árbol del rotor interior. Al alcanzar la máxima expansión de la cámara, un puerto de escape lleva hacia afuera el vapor expandido. Minto reconoce que la vinculación entre la superficie radial exterior del engranaje exterior giratorio y el recinto cilíndrico de ajuste estrecho debido a diferencias de presión entre las caras interior y exterior del elemento de rotor exterior es un problema. Para obviar el efecto de las fuerzas hidráulicas radiales desequilibradas sobre el rotor exterior, Minto propone el uso de pasos radiales en una de las placas de extremidad que se extienden radialmente hacia afuera desde los puertos de entrada y salida a la superficie cilíndrica interior del recinto cilíndrico. Estos pasos radiales comunican entonces con una ranura longitudinal formada en la superficie interior del recinto cilíndrico.

Con el fin de mejorar la eficiencia a través de la fricción y la reducción del desgaste cuando el dispositivo es usado como una bomba, Dominique y col., (documento US 4.747.744) han hecho modificaciones al dispositivo que reducen o minimizan las fuerzas de fricción. Sin embargo, Dominique también se ha dado cuenta de que uno de los problemas con este tipo de dispositivo es la fuga de derivación entre los puertos de entrada y salida del dispositivo. Es decir, el fluido operativo fluye directamente desde los puertos de entrada al de salida sin entrar en las cámaras de expansión y contracción del dispositivo. Para reducir las fugas por derivación, Dominique fuerza los rotores interior y exterior del dispositivo a contacto íntimo con la placa de extremidad que contiene los puertos de entrada y salida usando varios mecanismos incluyendo resortes, fluidos a presión, campos magnéticos, o protuberancias esféricas. Desgraciadamente esto puede conducir al contacto de los rotores con la placa de extremidad y a esperar pérdidas por fricción elevadas y pérdida de eficiencia. Aunque tales pérdidas no son un factor de diseño fundamental cuando el dispositivo es usado como una bomba, es de mayor relieve cuando se usa el dispositivo como un motor. Tales pérdidas por fricción pueden ser aquí un perjuicio importante para la eficiencia del motor.

Además de pérdidas por fricción, el diseño básico del dispositivo causa el desgaste de los perfiles de engranaje, especialmente en las coronas del lóbulo del engranaje lo que da como resultado una degradación en la capacidad de cierre hermético de cámara a cámara. Para un buen cierre hermético de cámara a cámara, una holgura de perfil de engranaje típica es del orden de 0,05 mm. Para proporcionar un apoyo de apoyo hidrodinámico entre la superficie radial exterior del rotor exterior y la superficie radial interior del alojamiento de contención, se necesita una holgura correspondiente de aproximadamente 0,1-0,2 mm. Durante el funcionamiento, pequeñas excentricidades del eje del rotor exterior ocasionan el contacto de las coronas de los lóbulos de rotor interior y exterior cuando pasan una con relación a la otra dando como resultado el desgaste de las coronas de los lóbulos del engranaje y la degradación de la capacidad de cierre hermético de cámara a cámara.

El documento GB 871.822 se refiere a perfeccionamientos en compresores giratorios o relacionados con ellos. El compresor giratorio del documento GB 871.822 tiene pistones giratorios sobresalientes montando excéntricamente uno en otro, de los que el interior es accionado directamente desde el exterior y en el que preferiblemente el medio de accionamiento gaseoso es conducido hacia dentro o hacia fuera a través de una abertura libre lateralmente entre los pistones. El radio de las coronas de los dientes del pistón interior tiene un radio entre el 1% y el 3% del diámetro del pistón giratorio interior. Los pistones giratorios comprenden cubos coaxiales que se extienden normalmente desde los pistones, estando montados los cubos en un alojamiento con un conjunto de apoyos que comprende un par de apoyos de elementos rodantes.

El documento GB 233.423 se refiere a una bomba giratoria o similar en la que los engranajes, tanto interior como exterior, tienen las superficies de aplicación de los dientes de cada engranaje formadas en curvas epicicloidales e hipocicloidales continuas y completas.

El compresor de rueda dentada del documento DE 547.826 C tiene dos rotores que están dispuestos excéntricamente entre sí y conectados por un engranaje. El compresor de pistón giratorio del documento GB 928.239 tiene pistones giratorios establecidos excéntricamente uno dentro del otro y que engranan entre sí. A partir del documento DE 1.136.576, es conocida una máquina de pistón giratorio con dos ruedas dentadas que giran con aplicación interior, y el documento US 2.753.810 se refiere a una bomba o motor con rotores dentados interior y exterior en relación de engrane excéntrico.

Así es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo de engranaje trocoidal de eficiencia mecánica elevada.

Es otro objeto de este invento proporcionar un dispositivo de engranaje trocoidal con pérdidas por fricción mínimas.

Es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo de engranaje trocoidal con pérdidas por fricción mecánica mínimas.

Es otro objeto de este invento proporcionar un dispositivo de engranaje trocoidal con pérdidas por fricción de fluido mínimas.

Es otro objeto de este invento proporcionar un dispositivo de conversión de energía mecánicamente simple.

Es un objeto de este invento establecer de modo preciso los espacios o intersticios entre las superficies móviles del dispositivo.

Es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo de conversión de energía de bajo coste.

Es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo de alternador/motor acoplado directamente en una unidad cerrada herméticamente.

Es aun otro objeto de este invento proporcionar un dispositivo que evite la degradación de sus componentes.

Es otro objeto de este invento proporcionar un dispositivo con una bomba de condensado integrada para ciclos de fluido condensado tales como ciclos Rankine.

Es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo para manejar fluidos que se condensan al expandirse o contraerse.

Es un objeto de este invento proporcionar un dispositivo que elimina el desgaste de perfiles de ruedas dentadas del rotor.

Otro objeto de este invento es mantener una capacidad de cierre hermético elevada de cámara a cámara.

Resumen del invento

Para satisfacer estos objetos, el presente invento está dirigido a un dispositivo giratorio de transferencia de energía de fluido, provisto de cámaras, de la clase denominada como bombas y motores de engranaje trocoidal de los que el gerotor es una especie. El dispositivo está contenido en un alojamiento que tiene una parte cilíndrica con un ánima grande formada en él. Una placa de extremidad circular está unida a la parte cilíndrica y tiene un paso de entrada de fluido y un paso de salida de fluido. Un rotor exterior gira dentro del ánima grande de la parte de alojamiento cilíndrico. El rotor exterior tiene un ánima formada en él que deja una parte radial con un borde radial exterior enfrentado a la superficie radial interior del ánima en el cilindro del alojamiento. Un perfil de engranaje hembra está formado en el ánima interior del rotor exterior. Una extremidad cubre el ánima y el perfil de engranaje hembra del rotor exterior. Una segunda cara de extremidad opuesta a la extremidad cubierta bordea el perfil de engranaje hembra. Un rotor interior está contenido dentro del ánima interior del rotor exterior y tiene un perfil de engranaje macho que está en aplicación operativa con el perfil de engranaje hembra del rotor exterior. El perfil de engranaje macho del rotor interior tiene un diente menos que el perfil de engranaje exterior y un eje que es excéntrico con el eje del perfil de engranaje de rotor exterior.

El presente invento muestra un cubo coaxial que se extiende normalmente desde el extremo que cubre el rotor exterior o desde una cara del rotor interior. La parte de cubo puede estar formada como una parte integral del rotor interior o exterior o como un árbol separado típicamente en aplicación de ajuste forzado con el rotor interior o exterior. En una de las realizaciones preferidas, un cubo coaxial se extiende tanto desde la placa de extremidad del rotor exterior como de una cara del rotor interior. El cubo en ambos rotores tiene una parte de árbol que está montada en el alojamiento con un conjunto de apoyo de elemento rodante. El conjunto de apoyo de elemento rodante tiene al menos un apoyo de elemento rodante siendo usado el conjunto para establecer el eje rotacional o la posición axial del rotor con el que está asociado. Preferiblemente tanto el eje rotacional como la posición axial del rotor están establecidos con el conjunto de apoyo. Pueden usarse distintos tipos de apoyos de elemento rodante con el conjunto de apoyo incluyendo cojinetes de empuje, cojinetes de bolas de carga radial, y apoyos de elemento rodante cónicos. De acuerdo con el invento, un par de apoyos de elemento rodante previamente cargados, por ejemplo, cojinetes de bolas de contacto angular o de ranura profunda, son usados para establecer tanto el eje rotacional como la posición axial del rotor asociado.

La característica de establecer de modo preciso el eje rotacional o la posición axial de un rotor particular con un conjunto de apoyo tiene la ventaja de mantener una separación fija del rotor asociado con al menos una superficie del alojamiento o el otro rotor. Dependiendo de su situación, la separación fija entre la superficie del rotor y la superficie del alojamiento o la otra superficie del rotor es establecida a una distancia que es 1) mayor que la capa límite del fluido operativo usado en el dispositivo con el fin de minimizar las fuerzas de cizalladura de fluido operativo o 2) a una distancia que es óptima para a) minimizar la fuga de derivación i) entre estas cámaras formadas por la aplicación de los perfiles de engranaje hembra y macho, ii) entre estas cámaras y los pasos de entrada y salida, y iii) entre los pasos de entrada y salida y también b) para minimizar las fuerzas de cizalladura del fluido operativo. En una realización preferida, ambos rotores tienen cubos que están montados con conjuntos de apoyos en el alojamiento con el fin de controlar todas las superficies de interconexión entre cada rotor y su superficie de alojamiento opuesta o entre las superficies de interconexión de dos superficies de rotor opuestas. Esto tiene la ventaja de mantener las pérdidas por fricción en el dispositivo en un mínimo y de permitir que el dispositivo funcione como un motor de expansión o un compresor de fluido muy eficiente.

En una configuración que muestra un conjunto de apoyos de elemento rodante para fijar la posición axial o el eje de rotación o ambos del rotor exterior, el rotor interior tiene una parte central provista de un ánima que permite el giro alrededor de un cubo que se extiende desde la placa de extremidad. La fijación del eje rotacional del rotor exterior con un conjunto de apoyo tiene la ventaja de eliminar la necesidad de prever ranuras que igualan la presión entre las cámaras para impedir fuerzas hidráulicas radiales desequilibradas que dan como resultado el contacto de la superficie radial exterior del rotor exterior con el alojamiento cilíndrico y que atienden a la pérdida por fricción e incluso al agarrotamiento del rotor y del alojamiento. Otra característica de esta realización es el uso de un apoyo de elemento rodante posicionado entre el cubo de la placa de extremidad y la superficie interior de la parte de ánima central del rotor interior que tiene la ventaja de reducir sustancialmente las pérdidas por fricción a partir de la rotación del rotor interior alrededor del cubo de la placa de extremidad. Esta configuración también muestra el uso de un conjunto de apoyo, por ejemplo, un cojinete de empuje tal como un cojinete de empuje de agujas, para mantener una separación fija mínima entre la cara interior de la placa de extremidad y la cara de extremidad del rotor interior. Esto tiene ventaja adicional de eliminar el contacto entre la cara de extremidad del rotor interior y la placa de extremidad y establecer la separación fija que es mantenida entre las dos superficies. A presiones de funcionamiento, fuerzas hidráulicas empujan el rotor interior a la posición de separación fija mínima manteniendo por ello también una separación fija entre la cara opuesta del rotor interior y la cara interior de la extremidad cerrada del rotor exterior.

El presente invento mantiene la capacidad de cierre hermético superior de cámara a cámara durante largos período de uso. En dispositivos de la técnica anterior, el desgaste de la corona del lóbulo de la rueda dentada ocurre como resultado de la necesidad de usar una pequeña holgura de perfil de engranaje entre los perfiles de engranaje del rotor interior y exterior, por ejemplo, 0,05 mm, con el fin de mantener la capacidad de cierre hermético de cámara a cámara mientras la holgura requerida entre el rotor exterior y el alojamiento se necesita que sea varias veces mayor, por ejemplo, 0,1-0,2 mm, a fin de formar un apoyo de soporte hidrodinámico. Durante el funcionamiento, pequeñas excentricidades del eje del rotor exterior causan el contacto de las coronas del lóbulo de los rotores interior y exterior dando como resultado el desgaste del lóbulo y la degradación de la capacidad de cierre hermético de cámara a cámara. La característica de usar apoyos de elemento rodante para ajustar y mantener los ejes de ambos rotores dentro de unas pocas milésimas de milímetro 0,005 mm e incluso menos cuando son usados cargados previamente tiene la ventaja de eliminar el desgaste sobre las coronas del lóbulo y de mantener la capacidad de cierre hermético superior de cámara a cámara durante la vida del dispositivo.

El presente invento es especialmente útil en el manejo de fluidos de dos fases en motores de expansión y dispositivos de contracción de fluidos (compresores). Cuando funciona como un motor, el dispositivo muestra un árbol de salida que tiene la ventaja de acomodar una bomba de condensado integrada con las ventajas adicionales de eliminar los cierres herméticos del árbol de bomba y que atiende a las pérdidas de fluido por cierre hermético y hace corresponder la capacidad de la bomba y del motor en ciclos Rankine en los que el caudal de la masa de fluido es el mismo a través del motor y de la bomba de condensado.

El invento también muestra un conducto de ventilación desde la cavidad del alojamiento a un puerto de entrada o salida de presión inferior que tiene la ventaja de controlar la presión de fluido creada en la cavidad del alojamiento interno reduciendo por ello las fuerzas de cizalladura del fluido y también aliviando la tensión sobre la estructura del alojamiento especialmente cuando es usado como una unidad cerrada herméticamente con acoplamiento de accionamiento magnético. El invento también muestra una válvula que regula la presión, tal como una válvula de estrangulación (automática o manual), para controlar la presión del fluido operativo en la cavidad del alojamiento. Controlando y manteniendo una presión positiva en la cavidad del alojamiento, la fuga de derivación en la interconexión entre el rotor exterior y la placa de extremidad y la creación de una presión excesiva atendiendo a grandes pérdidas de energía por la fuerza de cizalladura del fluido y tensión estructural del alojamiento son sustancialmente reducidas.

Los anteriores y otros objetos, características y ventajas del invento resultarán evidentes a partir de la siguiente exposición en la que una o más realizaciones preferidas del invento son descritas en detalle e ilustradas en los dibujos adjuntos. Se ha considerado que a un experto en la técnica pueden aparecérsele variaciones en los procedimientos, características estructurales y disposición de partes sin salir del marco del invento o sacrificar cualquiera de las ventajas del mismo.

Breve descripción de los dibujos

La fig. 1 es una vista en perspectiva despiezada ordenadamente de un dispositivo de engranaje trocoidal tradicional.

La fig. 2 es una vista de extremidad en sección de un dispositivo de engranaje trocoidal tradicional con una placa de extremidad retirada.

La fig. 3 es una vista en sección transversal de un dispositivo de engranaje trocoidal tradicional tomada a lo largo de un diámetro del alojamiento cilíndrico.

La fig. 4 es una vista en perspectiva despiezada ordenadamente del presente invento que ilustra el uso de conjuntos de apoyo previamente cargados con cubos en ambos rotores interior y exterior.

La fig. 5 es una vista en sección transversal del presente invento que ilustra el uso de conjuntos de apoyo previamente cargados con cubos en ambos rotores interior y exterior con una ilustración esquemática de un conjunto de bomba de condensado integrada que usa el árbol del rotor interior como un árbol de bomba.

La fig. 6 es una vista en sección transversal del presente invento que ilustra el uso de un conjunto de apoyo previamente cargado con el cubo sobre el rotor exterior mientras el rotor interior es dejado flotar sobre un cubo y sobresaliendo el conjunto de cojinetes de rodillos desde la placa de extremidad del alojamiento.

La fig. 7 es una vista de extremidad en sección transversal del presente invento que ilustra los rotores interior y exterior junto con las configuraciones de puertos de entrada y salida.

La fig. 8 es una vista en sección transversal del presente invento que ilustra un conjunto de apoyo previamente cargado asociado con el rotor exterior y un rotor interior flotante. El rayado de la sección transversal para algunas partes ha sido eliminado con propósitos de claridad e ilustrativos.

La fig. 9 es una vista en sección transversal del presente invento que ilustra el uso de un cojinete de empuje para mantener una holgura mínima de rotor interior a placa de extremidad, un eje de salida de potencia desde el rotor exterior para usar con la bomba integrada y un conducto de derivación y una válvula de control de presión. El rayado en sección transversal para algunas partes ha sido eliminado con propósitos de claridad e ilustrativos.

La fig. 10 es una vista de extremidad parcialmente cortada de la realización de la fig. 9.

La fig. 11 es una vista esquemática que ilustra el uso del presente invento como un motor en un ciclo Rankine.

Al describir la realización preferida del invento que está ilustrada en los dibujos, se recurre a terminología específica por motivos de claridad. Sin embargo, no se pretende que el invento esté limitado a los términos específicos así seleccionados y ha de comprenderse que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que funcionan de un modo similar para lograr un propósito similar.

Aunque se ha descrito aquí una realización preferida del invento, se ha comprendido que pueden hacerse diferentes cambios y modificaciones en la estructura ilustrada y descrita sin salirse de los principios básicos sobre los que se fundamenta el invento. Los cambios y modificaciones de este tipo se consideran por ello que están circunscritos por el espíritu y marco del invento, excepto el modo en que el mismo puede ser necesariamente modificado por las reivindicaciones adjuntas o sus equivalentes razonables.

Descripción detallada del invento y mejor forma para llevar a la práctica la realización preferida

Con referencia a los dibujos e inicialmente a las figs. 1-3, un elemento trocoidal tradicional, un dispositivo de desplazamiento de fluido (bomba o máquina) del que una especie es un gerotor (rotor generado) está generalmente indicado como el dispositivo 100 e incluye un alojamiento 110 con una parte cilíndrica 112 que tiene un ánima cilíndrico axial grande 118 cerrada típicamente en extremos opuestos de cualquier manera adecuada, tal como mediante placas de extremidad estáticas desmontables 114 y 116 para formar una cavidad de alojamiento sustancialmente idéntica con el ánima de alojamiento cilíndrico 118.

Un rotor exterior 120 corresponde libre y giratoriamente con la cavidad del alojamiento (ánima axial 118). Es decir, la superficie periférica exterior 129 y las caras (superficies) de extremidad opuesta 125 y 127 del rotor exterior 120 están en aplicación sustancialmente hermética a los fluidos con las caras (superficies) de extremidad interior 109, 117 y la superficie interior radial periférica 119 que define la cavidad del alojamiento. El elemento de rotor exterior 120 es de construcción conocida e incluye una parte radial 122 con un ánima axial 128 provisto con un perfil de engranaje hembra 121 con ranuras 124 longitudinales especiadas de modo regular y circunferencial, ilustradas como siendo un total de siete, comprendiéndose que este número puede ser variado, estando separadas las ranuras 124 por nervios longitudinales 126 de sección transversal curvada.

Coincidiendo con el perfil del engranaje hembra 122 del rotor exterior 120 hay un rotor interior 141 con perfil de engranaje macho 141 giratorio alrededor del eje rotacional 152 paralelo y excéntrico al eje rotacional 132 del rotor exterior 120 y en aplicación operativa, al rotor exterior 120. El rotor interior 140 tiene caras de extremidad 154, 156 en aplicación de deslizamiento hermética a los fluidos con las caras de extremidad 109, 117 de las placas de extremidad 116, 114 del alojamiento 110 y está provisto con un árbol axial (no mostrado) en el ánima 143 que sobresale a través del ánima 115 de la placa 114 de extremidad del alojamiento. El rotor interior 140, como el rotor exterior 120, es de construcción conocida e incluye una pluralidad de nervios o lóbulos 149 que se extienden longitudinalmente y de sección transversal curvada separados por valles longitudinales curvados 147, siendo el número de lóbulos 149 menor que el número de ranuras 124 del rotor exterior. Los bordes periféricos confrontados 158, 134 de los rotores interior y exterior 140 y 120 están así conformados de tal modo que cada uno de los lóbulos 149 del rotor interior 140 está en aplicación deslizable o de rodadura longitudinal lineal hermética a los fluidos con el borde periférico interior confrontado 134 del rotor exterior 120 durante la rotación completa del rotor interior 140.

Una pluralidad de cámaras 150 de avance sucesivas están delineadas por las placas de extremidad del alojamiento 114, 116 y los bordes confrontados 158, 134 de los rotores interior y exterior 140, 120 y separados por lóbulos sucesivos 149. Cuando una cámara 150 está en su posición más superior según se ve en la fig. 2, está en su posición totalmente contraída y, cuando avanza, bien en el sentido de las agujas del reloj o bien en sentido contrario a las agujas del reloj, se expande hasta una posición expandida totalmente y opuesta en 180º, después de lo cual se contrae con un avance adicional a su posición contraída inicial. Se ha observado que el rotor interior 140 avanza un lóbulo con relación al rotor exterior 120 durante cada revolución por razón de lo cual hay un lóbulo 149 menos que ranuras 124.

El puerto 160 está formado en la placa de extremidad 114 y comunica con las cámaras de expansión 150a. También formado en la placa de extremidad 114 está el puerto 162 alcanzado por las cámaras 150 de avance hacia delante después de alcanzar su condición de totalmente expandida, es decir, las cámaras de contracción 150b. Ha de comprenderse que las cámaras 150a y 150b pueden expandirse o contraerse con relación a los puertos 160, 162 dependiendo del sentido de rotación de los rotores 120, 140 en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj.

Cuando funciona como una bomba o compresor, una fuerza motriz es aplicada al rotor interior 140 por medio de un árbol de accionamiento adecuado montado en el ánima 143. El fluido si extraído al dispositivo a través de un puerto, por ejemplo 160, por el vacío creado en las cámaras de expansión 150 y después de alcanzar la expansión máxima, las cámaras de contracción 150b producen presión sobre el fluido que es forzado hacia fuera bajo presión desde las cámaras de contracción 150b al puerto apropiado 162.

Cuando funciona como un motor, un fluido a presión es admitido a través de un puerto, por ejemplo, 160, que hace que un árbol asociado gire cuando el fluido que se expande hace que la cámara 150 se expanda a su máximo tamaño después de lo cual el fluido es evacuado a través del puerto opuesto cuando la cámara 150 se contrae.

En el pasado, ha sido corriente montar rotores 120 y 140, con una mínima separación con el alojamiento 110. Así el borde radial exterior 129 del rotor exterior 120 presenta una mínima separación con la superficie radial interior 119 de la parte 112 de alojamiento cilíndrico mientras los extremos (caras) 125, 127 del rotor exterior 120 presentan una mínima separación con las caras interiores 117, 109 de las placas de extremidad 114 y 116. La interconexión de mínima separación radial entre el borde radial 129 del rotor exterior 120 y la superficie 119 del alojamiento radial interior es designada como interconexión A mientras las interconexiones con mínima separación entre los extremos 125, 127 del rotor exterior 120 y las caras 109, 117 de las placas de extremidad 114, 116 están designadas como interconexiones B y C. Similarmente las interconexiones con mínima separación entre las caras 154, 156 del rotor interior 140 y las caras 109, 117 de las placas de extremidad 114, 116 están designadas como interconexiones D y E. La estrecha tolerancia radial de la interconexión A necesaria para definir el eje rotacional del rotor 120 y las estrechas tolerancias de extremidad de las interconexiones B, C, D y E requeridas para el cierre hermético a los fluidos en las cámaras 150 inducen grandes pérdidas de cizalladura del fluido que son proporcionales a la velocidad de los rotores 120 y 140. Además las fuerzas hidráulicas desequilibradas sobre las caras 125, 127, 154, 156 de los rotores 120 y 140 pueden dar como resultado un íntimo contacto de las caras del rotor 125, 127, 154, 156 y las caras interiores 109, 117 de las placas de extremidad estáticas 114, 116 que causan pérdidas por fricción muy grandes e incluso agarrotamiento. Aunque las pérdidas por cizalladura pueden ser toleradas cuando el dispositivo está funcionando como una bomba, tales pérdidas pueden significar una diferencia entre éxito y fallo cuando el dispositivo es usado como un motor.

Para superar las grandes pérdidas por cizalladura del fluido y de contacto, los rotores han sido modificados para minimizar estas grandes pérdidas de cizalladura del fluido y pérdidas de contacto. A este fin, el dispositivo giratorio de transferencia de energía por fluido, provisto de cámaras, del presente invento está mostrado en las figs. 4-7 y designado en general como 10. El dispositivo 10 comprende un alojamiento 11 que tiene una parte cilíndrica 12 con una gran ánima cilíndrica 18 formada en él y una placa de extremidad estática 14 que tiene pasos de entrada y salida designados como un primer paso 15 y un segundo paso 17 (figs. 4 y 7), comprendiéndose que el tamaño, forma, situación y función del primer paso 15 y del segundo paso 17 variarán dependiendo de la aplicación para la que el dispositivo es utilizado. Así cuando el dispositivo es usado para bombear líquidos, los puertos de entrada y salida (escape o evacuación) abarcan aproximadamente 180º cada uno de los arcos de las cámaras de expansión y contracción a fin de impedir el bloqueo hidráulico o cavitación (fig. 1, puertos 160, 162). Sin embargo, cuando el dispositivo es usado como un motor de expansión o compresor, los puertos de entrada y escape que están demasiado próximos entre sí pueden ser la fuente de excesivas pérdidas de fugas por derivación. Para los fluidos comprimibles tales como los empleados cuando el dispositivo es usado como una máquina de expansión o contracción (fig. 7 puertos 15 y 17), la separación entre los puertos de entrada y escape 15 y 17 es mucho mayor, reduciendo por ello la fuga entre los puertos, siendo la fuga inversamente proporcional a la distancia entre los puertos de alta y baja presión 15 y 17. Para fluidos comprimibles, el truncado de uno de los puertos, por ejemplo el puerto 15, hace que el fluido resulte atrapado en las cámaras 50 formadas por el rotor exterior 20 y el rotor interior 40 sin comunicación a los puertos 15 o 17 dando como resultado la expansión o contracción del fluido (dependiendo del sentido de rotación de los rotores) que promueve la rotación de los rotores cuando el dispositivo es usado como una máquina de expansión o del trabajo que es aplicado a los rotores cuando el dispositivo es usado como una máquina de compresión. Además, longitud del puerto truncado 15 determina la relación de expansión o compresión del dispositivo, es decir, la relación de expansión o compresión del dispositivo 10 puede ser cambiada alterando la longitud circunferencial del puerto apropiado. Para un motor de expansión, el puerto 15 es el puerto de entrada truncado sirviendo el puerto 17 como puerto de escape o salida. Para un dispositivo de contracción, las misiones de los puertos 15 y 17 están invertidas, es decir, el puerto 15 sirve como un puerto de escape mientras el puerto 17 sirve como un puerto de entrada. Cuando está funcionando como una máquina de contracción o compresión, el sentido de rotación de los rotores 20 y 40 es opuesto al mostrado en la fig.7. Las partes 15 y 17 comunican con los conductos 2 y 4 (fig. 4).

Para eliminar las perdidas de cizalladura del fluido y otras pérdidas de energía por fricción en la interconexión entre el rotor exterior y una de las placas de extremidad (interconexión B entre el rotor 120 y la placa de extremidad 116 en la fig. 3), la placa de extremidad y el rotor exterior pueden estar formados como una pieza o unidos de otro modo adecuado como se ha mostrado en las figs. 4 y 5. Es decir, el rotor exterior 20 comprende (1) una parte radial 22, (2) un perfil 21 de engranaje hembra formado en la parte radial 22, (3) un extremo 24 que cubre el perfil 21 de engranaje hembra y gira como parte del rotor 20 y que puede estar formado como una parte integral de la parte radial 22, y (4) una superficie de extremidad del rotor o cara de extremidad 26 que bordea el perfil 21 de engranaje hembra.

Un rotor interior 40, con un perfil 41 de engranaje macho, está posicionado en aplicación operativa, al rotor exterior 20. El rotor exterior 20 gira alrededor del eje rotacional 32 que es paralelo y excéntrico al eje rotacional 52 del rotor interior 40.

Uniendo la placa de extremidad 24 al rotor 20 y haciéndola parte del mismo, gira con la parte radial 22 que contiene el perfil 21 de engranaje hembra y elimina por ello completamente las pérdidas por cizalladura de fluido que ocurren cuando el rotor 20 gira contra una placa de extremidad estática (interconexión B en la fig. 3). Además, como la cara de extremidad 54 del rotor interior 40 gira contra la cara interior giratoria 9 del extremo 24 del rotor 20 en vez de contra una superficie estática, las pérdidas por cizalladura de fluido en la interconexión resultante X (figs. 5 y 6) son reducidas significativamente. Específicamente, como la velocidad rotacional relativa entre el rotor interior 40 y el rotor exterior 20 en 1/N veces la velocidad del rotor exterior 20, donde N es el número de dientes del rotor exterior 20, la velocidad de deslizamiento entre la cara de extremidad 54 del rotor interior 40 y la cara interior giratoria 9 del cierre de extremidad 24 en el rotor exterior 20 es reducida proporcionalmente en comparación a la configuración de montaje usual mostrada en las figs. 1-3. Por tanto para las mismas condiciones de fluido y holgura, las pérdidas son 1/N como máximo. Adicionalmente, debido a que la placa 24 de cierre de extremidad giratoria está unida al rotor exterior, la fuga de derivación desde las cámaras 50 más allá de la interconexión entre la placa de extremidad estática (interconexión B en la fig. 3) a las extremidades radiales del dispositivo, por ejemplo, el espacio en la interconexión V, es completamente eliminada.

Además de la interconexión X, la interconexión entre la cara interior giratoria 9 del extremo 24 del rotor exterior 20 y la cara 54 del rotor interior 40, cinco interconexiones adicionales son el foco del presente invento. Estas incluyen, 1) interconexión V entre la superficie radial interior 19 de la parte de alojamiento cilíndrico 12 y el borde radial exterior 29 del rotor exterior 20, 2) interconexión W entre la cara de extremidad 74 del elemento de alojamiento 72 y la cara exterior 27 del extremo 24 del rotor 20, 3) interconexión Y entre la cara de extremidad 26 del rotor 20 y la cara de extremidad interior 16 de la placa de extremidad 14, y 4) interconexión Z entre la cara 56 del rotor interior 40 y la cara de extremidad interior 16 de la placa de extremidad 14. De menor importancia es la interconexión U, la interconexión entre la cara interior 9 del extremo 24 del rotor exterior 20 y la cara 8 del cubo 7 de la placa de extremidad 14. Debido a las velocidades de rotación relativamente bajas en el área de la cara interior 9 cerca de su eje rotacional 32, cualquier holgura que impida el contacto de las dos superficies es usualmente aceptable.

Manteniendo una separación fija entre al menos una de las superficies de uno de los rotores y el alojamiento 11 o el otro rotor, las fuerzas de cizalladura del fluido y otras fuerzas de fricción pueden ser reducidas significativamente conduciendo a un dispositivo muy eficiente especialmente útil como un motor o sistema de accionamiento principal. Para mantener tal separación fija, bien el rotor exterior 20 o bien el rotor interior 40 o ambos están formados con un cubo coaxial (cubo 28 en el rotor 20 o cubo 42 en al rotor 40) con al menos una parte de cubo 28 o 42 formada como un árbol para un apoyo de elemento rodante y montado en el alojamiento 11 con un conjunto de apoyos de elemento rodante (38 ó 51 o ambos) comprendiendo el conjunto de apoyos de elemento rodante un apoyo de elemento rodante tal como cojinetes de bola 30, 31, 44 ó 46. El conjunto de apoyos de elemento rodante 38 ó 51 o ambos conjuntos establecen: 1) el eje rotacional 32 del rotor exterior 20 o el eje rotacional 52 del rotor interior 40, o 2) la posición axial del rotor exterior 20 o la posición axial del rotor interior 40, ó 3) tanto el eje rotacional como la posición axial del rotor exterior 20 o del rotor interior 40, ó 4) tanto el eje rotacional como la posición axial o ambos distintos del rotor exterior 20 y del rotor interior 40. Ha de comprenderse que el conjunto de apoyos 38 ó 51 incluye elementos que se unen a un alojamiento 11 del dispositivo o son parte del mismo. Así, en la fig. 5, el conjunto de apoyos 38 incluye un alojamiento 72 de apoyo estático que es también una parte del alojamiento 11. Similarmente el conjunto de apoyos 51 incluye el alojamiento 14 de apoyo estático que sirve también como la placa de extremidad estática 14 del
alojamiento 11.

Con referencia a la fig. 5, se ha visto que ajustando el eje rotacional del rotor exterior 20 con el cubo 28 y el conjunto de apoyos 38, se mantiene una separación fija en la interconexión V, la interconexión entre la superficie interior radial 19 de la parte de alojamiento cilíndrico 12 y el borde radial exterior 29 o rotor exterior 20. Ajustando la posición axial del rotor exterior 20 con el conjunto de apoyos 38, se mantiene una separación fija en la interconexión W, la interconexión entre la cara 74 del elemento de alojamiento 72 y la cara exterior 27 de la extremidad 24 del rotor exterior 20 y la interconexión Y, la interconexión entre la cara 26 del rotor 20 y la cara 16 de la placa de extremidad estática 14. Ajustando la posición axial del rotor interior 40 con el cubo 42 y el conjunto de apoyos 51, se mantiene una separación fija en la interconexión Z, la interconexión de la cara 56 del rotor interior 40 y la cara 16 de la placa de extremidad 14.

Para ajustar una separación fija en la interconexión X, tanto la posición axial del rotor exterior 20 como la posición axial del rotor interior 40 deben ser fijadas. Como se ha mostrado en la fig. 5, el cubo 28 y el conjunto de apoyos 38 son usados para establecer la posición axial del rotor exterior 20 que a su vez establece la posición axial de la cara interior 9 del extremo 24. El cubo 42 y el conjunto de apoyos 51 establecen la posición axial del rotor interior 40 que también establece la posición axial de la cara 54. Estableciendo la posición axial de la cara 54 (rotor 40) y de la cara 9 (rotor 20), se define una separación fija en la interconexión X.

Las holguras de espacio fijo en la interconexión V y W son establecidas para reducir las fuerzas de cizalladura del fluido tanto como sea posible. Como las fuerzas de fricción debidas a la viscosidad del fluido están restringidas a la capa límite del fluido, es preferible mantener la distancia de espacio fijo en un valor tan grande como sea posible para evitar tales fuerzas. Preferiblemente para los propósitos de este invento, la capa límite es tomada como la distancia desde la superficie en la que la velocidad del flujo alcanza el 99 por ciento de una velocidad de corriente libre. Como tal, la separación fija en la interconexión V y W depende y viene determinada por la viscosidad del fluido usado en el dispositivo y la velocidad a la que las superficies del rotor se desplazan con respecto a las superficies de los componentes estáticos. Dados los parámetros de viscosidad y de velocidad, las holguras de espacio fijo en las interconexiones V y W son preferiblemente establecidas a un valor mayor que la capa límite de fluido del fluido operativo usado en el dispositivo.

Para las holguras de espacio fijo en las interconexiones X, Y y Z, debe prestarse consideración a reducir tanto las fuerzas de cizalladura del fluido como la pérdida por derivación entre 1) las cámaras de expansión y contracción 50 del dispositivo, 2) los pasos de entrada y salida 15 y 17 y 3) las cámaras de expansión y contracción 50 y los pasos de entrada y salida 15 y 17. Como la pérdida por derivación es proporcional a la holgura elevada a la tercera potencia y las fuerzas de cizalladura son inversamente proporcionales a la holgura, el espacio fijo de estas interconexiones es establecido a una distancia sustancialmente óptima como una función tanto de la fuga de derivación como de las pérdidas por cizalladura del fluido operativo, es decir, lo suficientemente grandes para reducir sustancialmente las pérdidas de cizalladura del fluido pero lo bastante pequeñas para evitar la fuga de derivación significativa. Se puede obtener la distancia de holgura operativa óptima a partir de una solución simultánea de ecuaciones para la fuga de derivación y la fuerza por cizalladura del fluido para producir una holgura óptima para un conjunto dado de condiciones operativas. Para gases y vapores de líquidos, las pérdidas de fuga de derivación dominan, especialmente a presiones más elevadas, por tanto las holguras son establecidas de modo óptimo a la mínima holgura mecánica práctica, por ejemplo aproximadamente 0,025 mm para un dispositivo con un diámetro de rotor exterior de aproximadamente 0,1 m. Para líquidos, la solución simultánea de las ecuaciones de fuga y cizalladura proporcionan típicamente la holgura óptima. Los fluidos en fase mixta no son fácilmente conducibles a una solución matemática debido a las gruesas diferencias de propiedades físicas de las fases individuales y así son mejor determinadas de forma empírica.

Con referencia a la fig. 6, un rotor exterior 20 tiene un cubo coaxial 28 que se extiende normalmente y hacia fuera desde el extremo 24 con una parte de árbol de cubo 28 montado en el alojamiento estático 11 por medio del conjunto de apoyos 38 que comprende el alojamiento 72 de apoyo estático y al menos un apoyo de elemento rodante. Como se ha mostrado, los cojinetes de bolas 30 y 31 previamente cargados son usados como parte del conjunto de apoyos 38 para establecer tanto la posición axial como el eje rotacional (posición radial) del rotor exterior 20. El eje rotacional 52 del rotor interior 40 es establecido por el cubo 7 que se extiende normalmente al ánima 18 de la parte de alojamiento cilíndrico 12 desde la placa de extremidad 14. El rotor interior 40 está formado con un ánima axial 43 por lo que el rotor interior 40 está situado axialmente para su rotación alrededor del cubo 7. Un apoyo de elemento rodante tal como un cojinete 58 de rodillos está situado entre la parte de árbol del cubo 7 y el rotor interior 40 y sirve para reducir la fricción entre la superficie interior del ánima 43 y el árbol del cubo 7.

La holgura de despacio fijo de la interconexión U, la interconexión entre la cara interior 9 del extremo 24 y la cara 8 del cubo 7, es mantenida con el conjunto de apoyos 38. Debidos a las menores velocidades y a las fuerzas de cizalladura inferiores asociadas en esta región con relación a las encontradas en las extremidades radiales exteriores de la superficie interior 9 de la placa de extremidad 24, es generalmente suficiente mantener el espacio de holgura fijo de modo que se evite el contacto directo de las dos superficies.

El conjunto 38 de apoyos es usado para mantener el eje rotacional 32 del rotor exterior 20 en relación excéntrica con el eje rotacional 52 del rotor interior 40 y también para mantener una separación fija entre la superficie radial exterior (29) del rotor exterior (20) y la superficie radial interior (19) de la sección del alojamiento 12, es decir, la interconexión V, preferiblemente a una distancia mayor que la capa límite de fluido del fluido operativo en el accionamiento.

El conjunto de apoyo 38 es también usado para mantener la posición axial del rotor exterior 20. Cuando es usado para mantener la posición axial, el conjunto de apoyos 38 funciona para mantener una separación fija 1) en la interconexión W, la interconexión entre la cara 74 del apoyo y el alojamiento 72 del dispositivo, y la cara exterior 27 del extremo 24 del rotor exterior 20 y 2) en la interconexión Y, la interconexión entre la cara de extremidad 26 de dicho rotor exterior 20 con la cara interior 16 de la placa de extremidad de alojamiento 14. Una separación fija en la interconexión W, es establecida típicamente a una distancia mayor que la capa límite de fluido operativo en el dispositivo 10 mientras que la separación fija de la interconexión Y es establecida a una distancia que minimiza tanto la fuga de derivación como la fuerza de cizalladura del fluido operativo teniendo en consideración que esa fuga de derivación es una función de la holgura elevada a la tercera potencia mientras que las fuerzas de cizalladura del fluido son inversamente proporcionales a la holgura.

Habiendo establecido la separación fija de la interconexión Y para minimizar tanto la fuga de derivación como las fuerzas por cizalladura del fluido operativo, la separación fija de las interconexiones X y Z no están establecidas. Como las interconexiones X y Z están en la región de los ejes rotacionales del rotor interior y exterior y el rotor interior gira relativamente más lento con respecto a la placa de extremidad giratoria del rotor exterior 20 que con respecto a la placa de extremidad 24, como primera aproximación las interconexiones X y Z combinadas pueden ser establecidas para que sean iguales a la separación fija total de la interconexión Y, es decir X + Z = Y. Esto se consigue convenientemente haciendo corresponder el mecanizado de las caras de extremidad del rotor interior y exterior para conseguir rotores interior y exterior con longitudes axiales idénticas. El rotor interior puede ser mecanizado ligeramente más corto o ligeramente más largo que el rotor exterior; sin embargo, cuando se usa un rotor interior con una longitud axial ligeramente mayor que el rotor exterior debe tenerse cuidado de asegurarse de que la longitud del rotor interior es menor que la longitud del rotor exterior más la holgura de la interconexión Y.

Pueden usarse distintos tipos de apoyos de elemento rodante como parte del conjunto de apoyos 38. Para controlar y fijar el eje radial del rotor 20, es usado un apoyo con una capacidad de carga radial elevada, es decir, un apoyo diseñado principalmente para soportar una carga en una dirección perpendicular al eje 32 del rotor 20. Para controlar y fijar la posición axial del rotor 20, es usado un cojinete de empuje, es decir, un cojinete con una elevada capacidad de carga paralela al eje de rotación 32. Para controlar y fijar tanto la posición radial como axial del rotor 20 con respecto tanto a las cargas radial como de empuje (axial), pueden usarse distintas combinaciones de cojinetes de bolas, de rodillos, de empuje, cónicos, o esféricos.

De significación particular es aquí el uso de un par de apoyos cargados previamente. Tal configuración de apoyos define exactamente el eje rotacional del rotor 20 y fija de modo preciso su posición axial. Por ejemplo y como se ha mostrado la fig. 8, el conjunto de apoyos 38 tiene un alojamiento de apoyo 72 que es una parte del alojamiento 12 del dispositivo y contiene un par de cojinetes de bolas 30 y 31 de contacto angular previamente cargados, montados en escalones o resaltes 76 y 78 del alojamiento 72 de apoyos. El espacio 80, definido por la cada 82 de la pestaña 84, una pista de rodadura 92 del apoyo y la cara de extremidad 86 del cubo 28, permite que los escalones 88 y 89 de la pestaña 84 y el extremo del rotor 24, respectivamente, sitúen una fuerza de compresión sobre las pistas de rodadura del cojinete 92 y 94 de los cojinetes 30 y 31 como resultado del aprieto de la tuerca y perno, 95 y 97.

Como los escalones 88 y 89 fuerzan a las pistas de rodadura interiores 92 y 94 una hacia otra en el espacio 93 entre las caras 92 y 94, las bolas de los cojinetes 90 y 91 son forzadas a fuerza de compresión contra las pistas de rodadura exteriores 96 y 98. El collarín 99 colocado sobre el cubo 28 impide que los cojinetes 30 y 31 sean colocados bajo excesiva carga. El collarín 99 es ligeramente más corto que la distancia entre escalones 76, 78 en el alojamiento de cojinetes.

Las figs. 5, 6 y 9 ilustran otra configuración de apoyos cargados previamente en los que un espaciador 85 de carga previa sustituye al escalón 88 en la pestaña 84. El contacto de la pestaña 84 con el extremo del cubo 28 durante el proceso de carga previa impide que los cojinetes 30 y 31 sean sometidos a una carga excesiva y sirve para una función similar a la del collarín 99 en la fig. 8.

La carga previa tiene la ventaja del hecho de que la deformación disminuye cuando la carga aumenta. Así, la carga previa conduce a una deformación del rotor reducida cuando se aplican cargas adicionales al rotor 20 sobre la del estadio de carga previa. Ha de observarse que una amplia variedad de configuraciones de apoyos cargados previamente puede ser usada con este invento y que las ilustraciones de las figs. 5, 6, 8 y 9 son ilustrativas y no limitativas en cuanto a cualquier configuración de apoyos de carga previa particular usados con este invento.

Usando un par de apoyos cargados previamente en el conjunto de apoyo 38, se establecen tanto la posición axial como la posición radial del rotor exterior 20. Como resultado, es posible controlar las separaciones fijas en interconexiones U, V, W e Y, es decir, 1) la interconexión entre la cara de extremidad 8 del cubo 7 y la cara interior 9 del extremo 24 (interconexión U), 2) la interconexión entre la cara exterior 27 de la placa de extremidad 24 y la cara 74 del elemento de alojamiento 72 (interconexión W), 3) la interconexión entre la cara de extremidad 28 del rotor 20 y la cara interior 16 de la placa de extremidad 14 (interconexión Y), y 4) la interconexión entre el borde radial 29 del rotor 20 y el borde radial interior 19 de la parte de alojamiento 12 (interconexión V).

Preferiblemente la separación fija en interconexiones V y W es mantenida a una distancia mayor por tanto el límite de fluido del fluido operativo usado en el dispositivo 10. La separación fija en la interconexión Y es mantenida a una distancia que es una función de la fuga de derivación y las fuerzas de cizalladura del fluido operativo. La holgura en la interconexión U es suficiente para impedir el contacto de la cara de extremidad 8 del cubo 7 con la cara interior 9 del extremo 24 del rotor exterior.

Como se ha mostrado en la fig. 5, el dispositivo 10 puede estar configurado de tal modo que el rotor interior 40 tiene un cubo coaxial 42 que se extiende normalmente y lejos del engranaje rotor del rotor 40 con una parte de árbol del cubo 42 montada en el alojamiento 11 con el conjunto de apoyo 51. Como se ha mostrado, el alojamiento del conjunto de apoyo 51 sirve también como placa de extremidad estática 14 del alojamiento 11. El conjunto de apoyo 51 tiene un apoyo de elemento rodante tal como el cojinete de bolas 44 ó 46 que son usados para establecer el eje rotacional 52 o la posición axial del rotor 40 o ambos. Establecer la posición axial del rotor 40 mantiene una separación fija entre una de las superficies del rotor interior 40 y el otro rotor 20 o alojamiento 11. Específicamente, el conjunto de apoyo 51 establece la distancia de la separación fija entre 1) la cara interior 16 de la placa de extremidad 14 y la cara de extremidad 56 del rotor interior 40 (interconexión Z) o 2) la distancia entre la cara interior 9 de la placa de extremidad 24 del rotor 20 y la cara de extremidad 54 del rotor interior 40 (interconexión X). Preferiblemente la distancia de separación fija en la interconexión X o interconexión Z o ambas son mantenidas a una distancia óptima de modo que minimice tanto la fuga de derivación como las fuerzas de cizalladura del fluido operativo.

Puede seleccionarse un apoyo apropiado 44 ó 46 para establecer el eje rotacional 56 del rotor 40, por ejemplo, un apoyo de elemento rodante de carga radial, o la posición axial del rotor 40 dentro del alojamiento, por ejemplo un apoyo de elemento rodante de empuje. Los pares de apoyos con un apoyo que establecen el eje rotacional 52 y el otro apoyo que establece la posición axial o un apoyo de elemento rodante cónico pueden ser usados para controlar tanto la posición axial del rotor 40 como para establecer su eje rotacional 52. Preferiblemente un par de apoyos cargados previamente son usados para establecer tanto la posición axial como la posición radial del rotor interior 40 de una manera similar a la que se ha descrito antes para el rotor exterior 20.

Como se ha mostrado en la fig. 5, una configuración óptima para reducir la fuga de derivación y las fuerzas de cizalladura del fluido operativo en el presente invento incluye el uso de dos conjuntos de apoyo 38 y 51 usando cada uno un par de apoyos cargados previamente para establecer los ejes rotacionales y las posiciones axiales del rotor interior 40 y del rotor exterior 20. Tal disposición permite un establecimiento preciso de una separación fija en las interconexiones V, W, X, Y y Z con la separación fija en la interconexión V Y W establecida a una distancia mayor que la capa límite de fluido del fluido operativo usado en el dispositivo 10 y la separación fija en las interconexiones X, Y y Z establecida a una distancia sustancialmente óptima para minimizar la fuga de derivación y las fuerzas de cizalladura del fluido operativo. La configuración en la fig. 5 es preferida sobre la de la fig. 6 porque las separaciones fijas en las interconexiones X, Y y Z no tienen efecto por fuerzas hidráulicas desequilibradas en los rotores 20 y 40. Alternativamente, como se ha mostrado en la fig. 9, un cojinete de empuje 216 puede ser incorporado al diseño básico de la fig. 6 para controlar de manera más precisa la holgura en las interconexiones X y Z. Cuando aumenta la presión operativa en el dispositivo, las fuerzas hidráulicas desequilibradas en el rotor interior 40 tienden a forzarlo hacia la placa de puerto estacionaría 14. Si la presión resulta suficientemente elevada, la fuerza hidráulica puede exceder de la fuerza hidrodinámica de la película de fluido entre el rotor 40 y la placa de extremidad 14 haciendo que ocurra el contacto. Además del cojinete de empuje 216 en una ranura bien en la placa de extremidad 14 o bien en el rotor interior 40, es decir, entre el rotor interior 40 y la placa 14 se elimina el contacto de las superficies y se establece adicionalmente una separación mínima en la interconexión Z.

Cuando es usado como un motor en las configuraciones de ciclo Rankine, el presente invento proporciona varias mejoras sobre los dispositivos de tipo turbina donde el fluido condensado es destructivo para la estructura de cuchilla de álabes y, como resultado, es necesario impedir la formación de dos fases cuando se usan dispositivos de tipo álabe. De hecho, los fluidos de dos fases pueden ser usados para beneficiarse para aumentar la eficiencia del presente invento. Así cuando es usado con fluidos que tienen a sobrecalentarse, la entalpía de sobrecalentamiento puede ser usada para vaporizar el líquido operativo adicional cuando el dispositivo es usado como un motor de expansión aumentando por ello el volumen de vapor y proporcionando trabajo de expansión adicional. Para los fluidos de trabajo que tienen a condensarse al expandirse, puede extraerse el máximo trabajo si se permite alguna condensación en el motor de expansión 10. Cuando se usan fluidos de fase mixta, la distancia de separación fija debe ser establecida para minimizar la fuga de derivación y las pérdidas por cizalladura del fluido dada la relación de líquido y vapor en el motor 10.

Las figs. 9-11 muestran el presente dispositivo como empleado en un ciclo Rankine típico. Con referencia a la fig. 11, el vapor a alta presión (incluyendo algún líquido sobrecalentado) procedente de la caldera 230 sirve como la fuerza motriz para accionar el dispositivo 10 como un motor o generador principal y es transportado desde la caldera 230 al puerto interior 15 a través del conducto 2. El vapor a baja presión deja el dispositivo a través del puerto de escape 17 y pasa al condensador 240 a través del conducto 4. El líquido es bombeado desde el condensador 240 a través de la tubería 206 por medio de la bomba 200 a la caldera 230 a través del conducto 208 después de lo cual se repite el ciclo.

Como se ha visto en las figs. 9 y 10, una bomba de condensado 200 puede ser hecha funcionar fuera del árbol 210 accionada por el rotor exterior 20. Cuando un conjunto de rotor interior "fijo" es usado (fig. 5), la bomba de condensado puede ser accionada directamente por el árbol 42 del rotor interior.

El uso de una bomba de condensación 200 integrada contribuye a la eficiencia total del sistema en vista del hecho de que no hay pérdidas de conversión de potencia a una bomba separada del motor. La contención hermética del fluido de trabajo es fácilmente conseguida cuando la fuga alrededor del árbol 210 de la bomba 200 es al alojamiento 11 del motor. Como se ha mostrado, el dispositivo 10 puede ser fácilmente sellado añadiendo un segundo miembro 5 de alojamiento anular y una segunda placa de extremidad 6. Alternativamente el miembro de alojamiento 5 y la placa de extremidad 6 pueden ser combinados en un capuchón de extremidad integral (no mostrado). No se requiere un cierre hermético sobre el árbol 210 de la bomba y se eliminan las pérdidas del cierre hermético.

Como la bomba de condensación 200 está sincronizada con el motor 10, el caudal de masa de fluido en los ciclos de tipo Rankine es el mismo a través del motor 10 y la bomba de condensado 210. Con el motor y la bomba sincronizados, la capacidad de la bomba de condensado es exacta a cualquier velocidad del motor eliminando por ello la potencia desperdiciada al usar bombas de sobrecapacidad.

En aplicaciones típicas, ocurre alguna fuga de derivación en la interconexión Y (entre la cara 26 del rotor interior y la cara interior 16 de la placa de extremidad 14) a los extremos exteriores del interior del alojamiento 11, por ejemplo, interconexiones V y W y espacios tales como espacios vacíos 212 y 214. Tales acumulaciones de fluido, especialmente en la separación fija en las interconexiones V y W, conduce a pérdidas innecesarias de cizalladura del fluido. Para eliminar tales pérdidas, un simple paso tal como el conducto 204 es usado para comunicar el interior del alojamiento 11 con el lado de baja presión del dispositivo 10. Así para un motor de expansión, el interior del alojamiento es ventilado al conducto de escape 4 por medio del conducto 204 (fig. 11). Tal ventilación minimiza también es esfuerzo en el alojamiento 11 que es de relevancia especial cuando se usan materiales no metálicos para la construcción de al menos partes del alojamiento 11 tal como cuando el dispositivo 10 es enlazado a un accionamiento externo por medio de una ventana de acoplamiento, por ejemplo, el uso de un accionamiento magnético en la placa 84 que está acoplado a otra placa magnética (no mostrada) a través de la ventana no magnética 8.

El dispositivo 10 trabaja típicamente de manera más eficiente cuando la presión en el interior del alojamiento (cámara de caja) es mantenida entre las presiones de entrada y de escape. Una presión positiva en la caja niega parte de la fuga de derivación en la interconexión Y. Los cierres herméticos 218 del alojamiento son usados como resulte apropiado. Una válvula de control de presión, tal como una válvula de estrangulación automática o manual 220, permite la optimización de la presión del alojamiento para una máxima eficiencia de funcionamiento.

Es posible que podrían usarse cambios en las configuraciones a otras distintas de las mostradas pero lo que se ha mostrado es lo preferido y típico. Sin salir del espíritu de este invento, pueden usarse distintos medios de sujeción de los componentes juntos.

Ha de comprenderse por tanto que aunque el presente invento ha sido específicamente descrito con la realización y ejemplos preferidos, serán evidentes para los expertos en la técnica modificaciones al diseño relativas al tamaño y forma y tales modificaciones y variaciones son consideradas como equivalentes y quedan dentro del marco del invento descrito y de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (32)

1. Un dispositivo giratorio (10) de transferencia de energía de fluido, provisto de cámaras, que comprende: (a) un alojamiento (11) que comprende: (1) una parte cilíndrica (12) que tiene un ánima (18) formada en ella; (2) una placa de extremidad (14) que tiene un paso de entrada y un paso de salida; (b) un rotor exterior (20) con un perfil de engranaje hembra que gira en dicha ánima (18) de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) y que comprende: (1) una parte radial (22); (2) un perfil de engranaje hembra (21) formado en dicha parte radial (22); (3) un primer extremo (24) que cubre dicho perfil de engranaje hembra (21), y (4) un segundo extremo (26) que bordea dicho perfil de engranaje hembra (21); (c) un rotor interior (40) con un perfil de engranaje macho (41) en aplicación operativa con dicho rotor exterior (20); y (d) al menos un rotor seleccionado (20, 40) de entre dicho rotor interior (40) y dicho rotor exterior (20) que tiene un cubo coaxial (28, 42) que se extiende normalmente desde dicho rotor (20, 40) estando montado dicho cubo (28, 42) en dicho alojamiento (11) con un conjunto de apoyo (38, 51) caracterizado porque el conjunto de apoyo comprende un par de apoyos de elemento rodante cargados previamente estableciendo los apoyos el eje rotacional de dicho rotor seleccionado (20, 40), y la posición axial de dicho rotor seleccionado (20, 40) y manteniendo una separación fija de dicho rotor seleccionado (20, 40) con al menos una superficie de dicho alojamiento (11) y dicho otro rotor (20, 40).

2. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho rotor seleccionado (20) es dicho rotor exterior (20).

3. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 2, en el que dicha placa de extremidad (14) comprende además un cubo (7) que se extiende desde él, teniendo dicho rotor interior (40) una parte de ánima central por la cual dicho rotor interior (40) está posicionado para rotación alrededor de dicho cubo (7), el eje rotacional de dicho rotor interior (40) definido por dicho cubo (7).

4. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 3, que comprende además un apoyo de elemento rodante posicionado entre dicho cubo (7) y una superficie interior de dicha parte de ánima central de dicho rotor interior (40).

5. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 3, que comprende además un apoyo de elemento rodante situado entre dicha placa de extremidad (14) y dicho rotor interior (40).

6. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 5, en el que dicho apoyo de elemento rodante es un cojinete de empuje.

7. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 5, en el que una separación fija prescrita entre dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) es mantenida por aplicación entre dicho apoyo de elemento rodante y dicha placa de extremidad (14) y con dicho rotor interior
(40).

8. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 3, existiendo dicha separación fija entre una superficie interior (9) de un extremo (24, 26) de dicho rotor exterior (20) y una cara de extremidad de dicho cubo (7) que se extiende desde dicha placa de extremidad (14) en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior y dicha separación fija son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

9. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 2, en el que dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) es establecido por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

10. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 9, existiendo dicha separación fija entre una superficie exterior radial de dicha parte radial (22) de dicho rotor exterior (20) y una superficie radial interior de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) en el que dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y dicha separación fija son mantenidos por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

11. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 2, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) es establecida por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

12. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 11, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior y una separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor exterior (20) y dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

13. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 11, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre dicho segundo extremo (26) de dicho rotor exterior (20) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

14. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho rotor seleccionado (40) es dicho rotor interior (40).

15. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 14, en el que dicho eje rotacional de dicho rotor interior (40) es establecido por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

16. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 14, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) es establecida por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

17. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 16, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor interior (40) y una pared interior de dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

18. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 16, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho segundo extremo de dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

19. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que a) dicho rotor seleccionado (20) es dicho rotor exterior (20) siendo dicho cubo coaxial (28) un primer cubo coaxial (28) que se extiende normalmente desde dicho rotor exterior (20) y montado en dicho alojamiento (11) con dicho conjunto de apoyo (38), siendo dicho conjunto de apoyo (38), un primer conjunto de apoyo (38); y b) dicho rotor seleccionado (40) es dicho rotor interior (40) siendo dicho cubo coaxial (42) un segundo cubo coaxial (42) que se extiende normalmente desde dicho rotor interior (40) y montado en dicho alojamiento (11) con dicho conjunto de apoyo (51), siendo dicho conjunto de apoyo (51), un segundo conjunto de apoyo (51).

20. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 19, en el que a) dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) son establecidos por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20); y b) dicho eje rotacional de dicho rotor interior (40) y dicha posición axial de dicho rotor interior (40) son establecidos por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

21. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre una superficie radial exterior de dicha parte radial (22) de dicho rotor exterior (20) y una superficie radial interior de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) son mantenidos por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

22. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) y dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

23. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre dicho segundo extremo (26) de dicho rotor exterior (20) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

24. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor interior (40) y una pared interior de dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

25. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y una separación fija entre dicho segundo extremo de dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40).

26. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 20, en el que: a) dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y dicha separación fija entre dicho primer extremo de dicho rotor interior (40) y una pared interior de dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40), y dicha posición axial de dicho rotor interior (40) y dicha separación fija entre dicho segundo extremo de dicho rotor interior (40) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho segundo conjunto de apoyo (51) y dicho cubo coaxial (42) de dicho rotor interior (40); b) dicho eje rotacional de dicho rotor exterior (20) y una separación fija entre una superficie exterior radial de dicha parte radial (22) de dicho rotor exterior (20) y una superficie radial interior de dicha parte cilíndrica (12) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20) y c) dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y dicha separación fija entre dicho primer extremo (24) de dicho rotor exterior (20) y dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20), y dicha posición axial de dicho rotor exterior (20) y dicha separación fija entre dicho segundo extremo (26) de dicho rotor exterior (20) y dicha placa de extremidad (14) de dicho alojamiento (11) son mantenidas por aplicación entre dicho primer conjunto de apoyo (38) y dicho cubo coaxial (28) de dicho rotor exterior (20).

27. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, que comprende una bomba (200) de condensado integrada accionada desde un árbol de salida (210) de dicho dispositivo (10).

28. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo (10) está herméticamente sellado.

29. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo (10) está acoplado magnéticamente con un árbol rotacional exterior.

30. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 1, que comprende además un conducto (4, 204) para ventilar el fluido operativo desde una cavidad de alojamiento interno de dicho dispositivo (10).

31. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 30, en el que dicho fluido operativo es ventilado a dicho paso de salida.

32. El dispositivo (10) de transferencia de energía de fluido según la reivindicación 30, con dicho conducto (4, 204) que comprende además una válvula reguladora de presión.