ES2885498T3

ES2885498T3 - Válvulas giratorias que tienen perfiles de sellado entre el estátor y el rotor y métodos relacionados

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Publication number: ES2885498T3
Application number: ES12809199T
Authority: ES
Inventors: Riccardo Bagagli; Leonardo Tognarelli
Original assignee: Nuovo Pignone International SRL
Current assignee: Nuovo Pignone International SRL
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: IN2014CN04464A; RU2014123160A; RU2616144C2; CN104136776B; BR112014015750A8; EP2798212A1; EP2798212B1; CN104136776A; JP6266533B2; CA2859275C; BR112014015750B1; WO2013098087A1; CA2859275A1; BR112014015750A2; US20140353535A1; KR20140111659A; KR101989489B1; MX2014007922A; ITMI20112396A1; JP2015504129A

Abstract

Un compresor alternativo (300) empleado en las industrias del petróleo y gas, que comprende: una cámara (322, 324) de compresión; un accionador (710) configurado para proporcionar un desplazamiento angular; y una válvula (700), que incluye un vástago (720) de accionador conectado a y configurado para ser rotado por el accionador (710); un estátor (740) que tiene una abertura (742) de estátor; y un rotor (730) que tiene una abertura (732) de rotor, en donde al menos uno del rotor (730) y el estátor (740) tiene un perfil (515, 525) de sellado que sobresale desde una superficie del rotor (730) o del estátor (740) hacia una interfaz entre los mismos, rodeando el perfil (515, 525) de sellado una de la abertura (732) de rotor o la abertura (742) de estátor respectivamente; en donde la válvula es una válvula de aspiración, estando el rotor (730) situado más cerca de la cámara de compresión que el estátor (740).

Description

DESCRIPCIÓN

Válvulas giratorias que tienen perfiles de sellado entre el estátor y el rotor y métodos relacionados

Antecedentes

Campo técnico

Las realizaciones del objeto descrito en la presente memoria se refieren, de forma general, a válvulas giratorias utilizadas en compresores alternativos y, más especialmente, a válvulas giratorias accionadas que tienen perfiles de sellado entre el estátor (también denominado a veces asiento) y el rotor (también denominado a veces contraasiento).

Análisis de los antecedentes

GB 2 195 395 A describe una válvula que puede utilizarse para controlar el flujo de fluido en un compresor, comprendiendo la válvula un estátor que tiene una abertura de estátor y un rotor que tiene una abertura de rotor, en la que al menos uno del rotor y el estátor tiene un perfil de sellado que sobresale desde una superficie del rotor o del estátor hacia una interfaz entre los mismos, rodeando el perfil de sellado una de la abertura de rotor o de la abertura de estátor respectivas. También se proporciona un accionador para proporcionar un desplazamiento angular del vástago de accionador de la válvula.

Los compresores utilizados en la industria del petróleo y gas tienen que cumplir con requisitos propios de la industria que tienen en cuenta, por ejemplo, que el fluido comprimido es, con frecuencia, corrosivo e inflamable. El American Petroleum Institute (API), la organización que establece las normas industriales reconocidas para equipos empleados en la industria del petróleo y gas, ha publicado un documento, API618, en el que se enumera un conjunto completo de requisitos mínimos para los compresores alternativos.

Los compresores pueden clasificarse como compresores de desplazamiento positivo (p. ej., compresores alternativos, helicoidales o de paletas) o compresores dinámicos (p. ej., compresores centrífugos o axiales). En los compresores de desplazamiento positivo, el gas se comprime atrapando un volumen fijo de gas y reduciendo luego ese volumen. En los compresores dinámicos, el gas se comprime al transferirse la energía cinética de un elemento giratorio (tal como un impulsor) al gas que va a ser comprimido por el compresor.

La Figura 1 es una ilustración de un compresor 10 alternativo de doble cámara convencional (es decir, un compresor de desplazamiento positivo) que se emplea en la industria del petróleo y gas. La compresión tiene lugar en un cilindro 20. Un fluido a comprimir (p. ej., gas natural) se introduce en el cilindro 20 por una entrada 30 y, después de la compresión, sale por una salida 40. El compresor funciona según un proceso cíclico durante el cual el fluido se comprime debido a un movimiento del pistón 50 en el cilindro 20, entre un extremo 26 de cabezal y un extremo 28 de cigüeñal. El pistón 50 divide el cilindro 20 en dos cámaras 22 y 24 de compresión que trabajan en distintas fases del proceso cíclico, estando el volumen de la cámara 22 de compresión en su valor más bajo cuando el volumen de la cámara 24 de compresión está en su valor más alto y viceversa.

Unas válvulas 32 y 34 de aspiración se abren para permitir que el fluido que se va a comprimir (es decir, que tiene primera presión de aspiración P¹) vaya desde la entrada 30 al interior de las cámaras 22 y 24 de compresión, respectivamente. Unas válvulas 42 y 44 de descarga se abren para permitir que el fluido que se ha comprimido (es decir, que tienen una segunda presión de descarga P²) salga de las cámaras 22 y 24 de compresión, respectivamente, por la salida 40. El pistón 50 se mueve gracias a la energía transmitida desde un cigüeñal 60 a través de una cruceta 70 y un vástago 80 de pistón.

De forma convencional, las válvulas de aspiración y de compresión empleadas en un compresor alternativo son válvulas automáticas que alternan entre un estado cerrado y un estado abierto debido a una presión diferencial a través de la válvula. Las Figuras 2A y 2B ilustran el funcionamiento de una válvula automática 100 que tiene un asiento 110 y un contraasiento 120. La Figura 2A ilustra la válvula 100 en un estado abierto y la Figura 2B ilustra la válvula 100 en un estado cerrado.

En el estado abierto ilustrado en la Figura 2A, el obturador 130 se empuja hacia abajo adentro del contraasiento 120, lo que permite que el fluido fluya a través de una entrada 140 y unas salidas 150. La forma del obturador 130 puede ser de disco, de seta, de múltiples setas o de anillo, cuya diferencia de forma determina el nombre de la válvula: válvula de disco, válvula de seta, válvula de múltiples setas o válvula de anillo. Las Figuras 2A y 2B representan una configuración genérica independiente de los detalles relacionados con la forma real del obturador 130.

Entre el obturador 130 y el contraasiento 120 hay situado un resorte 160. Dependiendo de su estado de deformación, el resorte 160 participa activamente en el establecimiento del punto de apertura de la válvula, superponiendo la fuerza de deformación elástica una presión a lo largo de la línea de corriente (la presión superpuesta es igual a la fuerza dividida por el área del obturador 130). En el estado abierto, la primera presión P¹procedente del origen del fluido (no mostrado) y a lo largo de la entrada 140 es mayor que la presión P²en el destino del fluido (no mostrado) y a lo largo de las salidas 150. Si el resorte 160 se deforma cuando el obturador 130 se empuja hacia abajo adentro del contraasiento 120 (como se muestra en la Figura 2A), la diferencia de presión (P¹- P²) tiene que ser mayor que la presión debida al resorte 160 (es decir, una relación de la fuerza de deformación elástica dividida por el área del obturador).

En el estado cerrado ilustrado en la Figura 2B, el obturador 130 impide que el fluido fluya desde la entrada 140 hacia las salidas 150. A menudo, el resorte 160 se configura para favorecer un cierre más rápido de la válvula (y mantener la válvula cerrada) y, por lo tanto, se conoce como resorte de “ retorno” . El resorte 160 ayuda a cerrar la válvula 100 aun si las presiones en la fuente P¹y en el destino P²son iguales (P¹= P²).

Las válvulas descritas anteriormente se conocen como válvulas automáticas que se conmutan entre el estado abierto y el estado cerrado debido a la diferencia de presión a lo largo de la válvula (P¹- P²) (es decir, entre la presión P¹en el origen del fluido y la presión P²en el destino del fluido).

Una fuente de ineficiencia en el compresor alternativo está relacionada con el espacio muerto, es decir, un volumen del cual no puede evacuarse el fluido comprimido. Parte del espacio muerto se debe al volumen relacionado con las válvulas. Las válvulas giratorias requieren menos espacio muerto, pero solo funcionan si se accionan. Otra ventaja de las válvulas giratorias es una mayor área de flujo. Las válvulas giratorias se conocen desde hace mucho tiempo, por ejemplo, se han descrito en la US-4328831 concedida a Wolff y en la US-6598851 concedida a Schiavone y col.

Las Figuras 3A y 3B ilustran una válvula 200 giratoria convencional. La válvula incluye un estátor 210 y un rotor 220. El estátor 210 y el rotor 220 son discos coaxiales con aberturas que abarcan un sector del mismo tamaño alrededor de un eje 230. El rotor 210 puede accionarse para que gire alrededor del eje 230 desde una primera posición (Figura 3A) en la que la abertura 212 del rotor se superpone a la abertura 222 del estátor hasta una segunda posición (Figura 3B) en la que la abertura 212 del rotor y la abertura 222 del estátor (representadas mediante líneas discontinuas) abarcan sectores distintos. Cuando el rotor 220 está en la primera posición, la válvula giratoria 200 está en el estado abierto, lo que permite que un fluido fluya desde un lado de la zona del rotor-estátor hasta otro lado del rotor. Cuando el rotor 220 está en la segunda posición, la válvula giratoria 200 está en el estado cerrado, lo que permite que un fluido fluya de un lado de la zona del rotor-estátor al otro lado del rotor.

Las válvulas giratorias convencionales no se utilizan actualmente en los compresores alternativos empleados en la industria del petróleo y gas debido a que el sellado entre el estátor y el rotor no es eficaz y el accionamiento no es preciso. Además, cuando se acciona el rotor, pueden generarse grandes fuerzas de fricción debido a (1) la diferencia de presión que empuja el rotor hacia el estátor y que, por lo tanto, aumenta la fuerza de fricción, y (2) la gran superficie de fricción. Además, es probable que la fricción estática sea sustancialmente mayor que la fricción dinámica, cuya diferencia dificulta aún más sincronizar y controlar adecuadamente la fuerza de accionamiento.

Por tanto, sería deseable proporcionar válvulas giratorias que puedan utilizarse en compresores alternativos en la industria del petróleo y gas y que eviten los problemas e inconvenientes descritos anteriormente.

Resumen

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

Algunas de las realizaciones minimizan las fuerzas de fricción en válvulas giratorias, lo que permite un accionamiento rápido y preciso de las mismas, lo que hace que estas válvulas giratorias puedan utilizarse en compresores alternativos para equipos de la industria del petróleo y gas. El uso de válvulas giratorias en compresores alternativos tiene la ventaja de ofrecer una mayor área de flujo de paso, proporcionando un mayor rendimiento del compresor al mejorar la fase de aspiración y/o de descarga.

Según una realización ilustrativa, se proporciona una válvula giratoria accionada que puede utilizarse en un compresor alternativo para la industria del petróleo y gas, estando la válvula situada entre una boquilla y una cámara de compresión del compresor alternativo. La válvula incluye (1) un estátor que tiene una abertura de estátor a través del mismo en una dirección que va desde la boquilla hasta la cámara de compresión, (2) un vástago de accionador configurado para ser rotado por un accionador, y (3) un rotor que tiene una abertura de rotor a través del mismo en la dirección que va desde la boquilla hasta la cámara de compresión y que está unido de forma fija al vástago de accionador. El rotor y el estátor son discos coaxiales y son coaxiales con el vástago de accionador que pasa a través de los mismos. Al menos uno del rotor y el estátor tiene un perfil de sellado que sobresale desde una superficie del rotor o del estátor hacia una interfaz entre los mismos, rodeando el perfil de sellado una de la abertura de rotor o de la abertura de estátor, respectivamente.

Según otra realización ilustrativa, un compresor alternativo empleado en la industria del petróleo y gas tiene (1) una cámara de compresión configurada para comprimir un fluido que ha entrado en la cámara de compresión por una boquilla de aspiración y que se evacua de la cámara de compresión por una boquilla de descarga, (2) un accionador configurado para proporcionar un desplazamiento angular y (3) una válvula configurada para impedir que el fluido fluya dentro o fuera de la cámara de compresión por la boquilla de aspiración o la boquilla de descarga. La válvula incluye (1) un estátor que tiene una abertura de estátor a través del mismo en una dirección hacia la cámara de compresión, (2) un vástago de accionador conectado a, y configurado para, ser rotado por el accionador, y (3) un rotor que tiene una abertura de rotor a través del mismo en la dirección que va hacia la cámara de compresión y que está unido de forma fija al vástago de accionador. El rotor y el estátor son discos coaxiales y son coaxiales con el vástago de accionador que pasa a través de los mismos. Al menos uno del rotor y el estátor tiene un perfil de sellado que sobresale desde una superficie del rotor o del estátor hacia una interfaz entre los mismos, rodeando el perfil de sellado una de la abertura de rotor o de la abertura de estátor, respectivamente.

Según otra realización ilustrativa, se proporciona un método para modernizar un compresor alternativo empleado en la industria del petróleo y gas y que inicialmente tiene una válvula automática. El método incluye eliminar una válvula automática situada para interactuar con una boquilla y una cámara de compresión del compresor alternativo y unir de forma fija un estátor de una válvula giratoria accionada entre la boquilla y la cámara de compresión. El método incluye además proporcionar un accionador configurado para proporcionar un desplazamiento angular y conectarse al accionador, pasando un vástago de accionador a través del estátor y teniendo acoplado un rotor.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos que se acompañan, que se incorporan en la memoria descriptiva y constituyen una parte de la misma, ilustran una o más realizaciones y, conjuntamente con la descripción, explican estas realizaciones. En los dibujos: La Figura 1 es un diagrama esquemático de un compresor alternativo de doble cámara convencional;

las Figuras 2A y 2B son diagramas esquemáticos que ilustran el funcionamiento de una válvula automática;

las Figuras 3A y 3B son ilustraciones de una válvula giratoria convencional;

la Figura 4 es un diagrama esquemático de un compresor que incluye al menos una válvula giratoria según una realización ilustrativa;

la Figura 5 es una sección transversal a través de una válvula giratoria que tiene, según una realización ilustrativa, un perfil de sellado entre un estátor y un rotor de la misma;

las Figuras 6 A y 6 B son vistas superficiales de un estátor y de un rotor, respectivamente, o de una válvula giratoria que tiene perfiles de sellado según una realización ilustrativa;

la Figura 7 es un diagrama esquemático de una válvula giratoria utilizada como válvula de aspiración de un compresor alternativo según una realización ilustrativa;

la Figura 8 es un diagrama esquemático de una válvula giratoria utilizada como válvula de descarga de un compresor alternativo; y

la Figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra un método para actualizar un compresor para que tenga, según una realización ilustrativa, al menos una válvula giratoria que tiene un perfil de sellado entre el estátor y el rotor.

Descripción detallada

La siguiente descripción de las realizaciones ilustrativas se refiere a los dibujos que las acompañan. Los mismos números de referencia en diferentes dibujos identifican elementos idénticos o similares. La siguiente descripción detallada no limita la invención. En lugar de ello, el alcance de la invención queda definido por las reivindicaciones adjuntas.

En algunas realizaciones descritas más adelante, en vez de válvulas automáticas se emplean válvulas giratorias accionadas que tienen un perfil de sellado dispuesto en al menos una superficie en la interfaz entre el rotor y el estátor para (1) mejorar el rendimiento de un compresor alternativo al reducirse el espacio muerto y (2) superar los problemas relacionados con la gran fricción de las válvulas giratorias. Cuando se utilizan válvulas giratorias en compresores alternativos, aumenta una área de flujo de paso entre el interior y el exterior de los compresores. La mayor área de flujo de paso da lugar a un mayor rendimiento del compresor gracias a una fase de aspiración y/o de descarga más corta y eficiente.

La Figura 4 es una representación esquemática de un compresor alternativo 300 que tiene una o más válvulas giratorias con perfiles de sellado. El compresor 300 es un compresor alternativo de doble cámara. No obstante, en compresores alternativos de una sola cámara también pueden utilizarse conjuntos de válvula según realizaciones similares a las descritas a continuación en la memoria. La compresión se produce en un cilindro 320. Un fluido a comprimir (p. ej., gas natural) se introduce en el cilindro 320 por una entrada 330 y, después de la compresión, sale por una salida 340. La compresión se produce debido al movimiento de vaivén del pistón 350 a lo largo del cilindro 320, entre un extremo 326 de cabezal y un extremo 328 de cigüeñal . El pistón 350 divide el cilindro 320 en dos cámaras 322 y 324 de compresión que funcionan en distintas fases del proceso cíclico, estando el volumen de la cámara 322 de compresión en su valor más bajo cuando el volumen de la cámara 324 de compresión está en su valor más alto y viceversa.

Las válvulas 332 y 334 de aspiración se abren para permitir que el fluido que va a comprimirse (es decir, que tiene primera presión P¹) vaya desde la entrada 330 a las cámaras 322 y 324 de compresión, respectivamente. Las válvulas 342 y 344 de descarga se abren para permitir que el fluido que se ha comprimido (es decir, que tiene una segunda presión P²) salga de las cámaras 322 y 324 de compresión, respectivamente, por la salida 340. El pistón 350 se mueve debido a la energía recibida, por ejemplo, de un cigüeñal (no mostrado) a través de una cruceta (no mostrada) y un vástago de pistón 380. En la Figura 4, las válvulas 332, 334, 342 y 344 se ilustran como situadas en una pared lateral del cilindro 320. No obstante, las válvulas 332 y 342, 334 y 344, pueden estar situadas en el extremo 326 del cabezal y/o el extremo 328 del cigüeñal del cilindro 320, respectivamente.

En comparación con una válvula automática, que está en el estado abierto o en el estado cerrado dependiendo de una presión diferencial en lados opuestos de una parte móvil de la válvula, una válvula giratoria accionada, tal como la 332 de la Figura 3, se abre cuando un accionador, tal como el 337 de la Figura 4, aplica una fuerza (par) transmitida a través de un eje 335 a una parte móvil (es decir, un rotor) 333 de la válvula 332, induciendo de este modo un desplazamiento angular de la parte móvil 333. Una, algunas o todas las válvulas del compresor alternativo 300 pueden ser válvulas giratorias accionadas que tienen un perfil de sellado. En algunas realizaciones también puede producirse una combinación de válvulas giratorias accionadas (que tienen un perfil de sellado) y válvulas automáticas. Por ejemplo, en una realización, las válvulas de aspiración pueden ser válvulas giratorias, mientras que las válvulas de descarga pueden ser válvulas automáticas; en otra realización, las válvulas de descarga pueden ser válvulas giratorias accionadas, mientras que las válvulas de aspiración pueden ser válvulas automáticas.

La Figura 5 es una sección transversal a través de una válvula 500 giratoria accionada que tiene un perfil de sellado entre un estátor 510 y un rotor 520 de la misma. El estátor 510 tiene una abertura 512 a través del mismo y el rotor 520 tiene una abertura 522 a través del mismo. El rotor 520 está unido a un vástago 530 de accionador, que gira alrededor de un eje 535 debido a una fuerza (par) proporcionada por un accionador (no mostrado en la Figura 5; p. ej., el 337 de la Figura 4). El estátor 510 está posicionado de forma fija entre una pared 540 del cilindro del compresor (p. ej., el 322 de la Figura 4), una pared 545 de una boquilla (conducto) que va hasta la válvula y al vástago 530 de accionador. La válvula se abre, permitiendo que un fluido fluya desde un lado de la válvula (p. ej., la boquilla) hasta el otro lado de la válvula (p. ej., la cámara de compresión), cuando la abertura 522 del rotor 520 se superpone a la abertura 512 del estátor 510 (como se muestra en la Figura 5). La válvula se cierra, impidiendo que el fluido fluya de un lado de la válvula (p. ej., la boquilla) al otro lado de la válvula (p. ej., la cámara de compresión), cuando la abertura 522 del rotor 520 no se superpone a la abertura 512 del estátor 510.

En la realización ilustrada en la Figura 5, un primer perfil 515 de sellado está formado para sobresalir desde la superficie del estátor 510 hacia el rotor 520, y un segundo perfil 525 de sellado está formado para sobresalir desde la superficie del rotor 520 hacia el estátor 510. Los perfiles 515 y 525 de sellado pueden ser más anchos en una interfaz con el estátor 510 y el rotor 520 que en una zona de contacto entre los mismos. Aunque la válvula giratoria ilustrada en la Figura 5 tiene perfiles de sellado dispuestos tanto en el estátor 510 como en el rotor 520, en otra realización puede formarse un solo perfil de sellado y unirse a uno del estátor 510 y del rotor 520.

El estátor 510 y el rotor 520 pueden ser de acero inoxidable y de acero aleado. Los perfiles 515 y 525 de sellado pueden ser de un material no metálico, tal como poliéter éter cetona (PEEK) o acero inoxidable. En una realización, el primer perfil 515 de sellado y el estátor 510 pueden conformarse como una sola pieza y/o el segundo perfil 525 de sellado y el rotor 520 pueden conformarse como una sola pieza hecha de, por ejemplo, acero inoxidable. De forma alternativa, los perfiles 515 y 525 de sellado pueden formarse por separado del (y de un material distinto al del) estátor 510 y el rotor 520, respectivamente, y estar unidos de forma fija a los mismos. En una realización, puede formarse una ranura en una superficie a la cual está unido el perfil de sellado respectivo, siendo una altura de la ranura menor que una altura del perfil de sellado respectivo. El perfil de sellado puede pegarse o soldarse a las superficies respectivas (dependiendo también del material utilizado para fabricar los perfiles de sellado).

Para impedir que se fugue fluido entre el cilindro de compresor y la boquilla, hay un sello 550 situado en una interfaz entre el estátor 510 y la pared 540 del cilindro de compresor. El sello 540 puede ser una junta tórica y puede estar situado en una ranura tallada en el cuerpo del estátor 510. Además, entre el estátor 510 y el vástago 530 de accionador hay situado un casquillo radial 555 para el mismo propósito de sellado de fluidos.

Además de los componentes principales del conjunto de válvula descritos anteriormente, la válvula 500 giratoria accionada incluye una pluralidad de otros componentes proporcionados para mejorar el funcionamiento de la válvula (y/o del compresor) y/o como estructura de soporte. Entre un collarín 532 del vástago 530 de accionador y el estátor 510 puede situarse un casquillo 560. Entre el estátor 510 y el vástago 530 de accionador también puede haber situado otro sello 565 de un tipo distinto y en un lugar distinto al del casquillo radial 555. Puede haber situado un anillo 570 de retención en una ranura del estátor 510 para mantener el casquillo radial 555 en su posición prevista. Un resorte 575, un espaciador 580 y una contratuerca 585 sujeta al vástago 530 de accionador soportan y empujan el rotor 520 hacia el estátor 510.

La Figura 6 A ilustra una vista superficial de un estátor 610 que tiene un perfil 615 de sellado, y la Figura 6B ilustra una vista superficial de un rotor 620 que tiene un perfil 625 de sellado. El estátor 610 y el rotor 620 tienen unas aberturas 612 y 622, respectivamente. En una válvula giratoria accionada, la válvula giratoria se abre cuando el rotor 620 está en una primera posición en la que la abertura 622 del rotor se superpone a la abertura 612 del estátor. La válvula giratoria se cierra cuando el rotor 620 está en una segunda posición en la que la abertura 622 del rotor no se superpone a la abertura 612 del estátor.

Los perfiles 615 y 625 de sellado sobresalen de la superficie del estátor 610 y del rotor 620, respectivamente. La altura del perfil de sellado puede ser de 2-3 mm. El perfil 615 de sellado en la superficie del estátor 610 incluye dos perímetros 617 y 619 cerrados de forma similar colindantes, rodeando el primero, el 617, la abertura 612 a través del estátor 610 y teniendo el segundo, el 619, un lado común 618 con el primero, el 617. El perfil 625 de sellado en la superficie del rotor 620 incluye un perímetro cerrado 627 que rodea la abertura 622 del rotor y que tiene sustancialmente la misma forma que los perímetros cerrados 617 y 619, y unas prolongaciones 629, 631, 633 y 635 de sello que prolongan circunferencialmente unos lados del perímetro 627. Las prolongaciones 629, 631, 633 y 635 de sello pueden tener una altura decreciente (es decir, son rampas descendentes) hacia la superficie del rotor 620.

En la primera posición, el perímetro 627 del perfil 625 de sellado coincide con el perímetro 617 del perfil 615 de sellado y, en la segunda posición, el perímetro 627 del perfil 625 de sellado se superpone al perímetro 619 del perfil 615 de sellado.

El área de contacto reducida de la interfaz rotor-estátor que utiliza los perfiles de sellado a tan solo un marco límite de pequeño grosor da lugar a una fuerza de fricción más pequeña. Cuando el rotor se acciona para pasar de la segunda posición a la primera posición, la presión dentro del cilindro de compresor todavía puede ser mayor que la presión en la boquilla en el otro lado de la válvula giratoria. Una fuerza de accionamiento (o par) tiene que superar tanto la inercia como la fricción. La cantidad de fricción es proporcional al área de contacto. Cuanto más pequeña sea el área de contacto, más pequeña será la fuerza de fricción. Además, cualquier fuerza capilar que pueda producirse por la adherencia del líquido a la interfaz rotor-estátor también es proporcional al área de contacto.

Como es conocido en la técnica, la fricción estática es mayor que la fricción dinámica. Por tanto, si la fricción es grande, debe aplicarse una gran fuerza al comienzo del accionamiento del rotor. Cuanto mayor sea la fuerza inicialmente aplicada en relación con la fuerza aplicada después de que el rotor empiece a moverse, más difícil de controlar será accionamiento. El tiempo de accionamiento es de unos pocos milisegundos, y el desplazamiento angular puede ser de hasta 120°. Tener una sincronización y un rango de accionamiento precisos es esencial para obtener un buen rendimiento del compresor. Así pues, la provisión de válvulas giratorias accionadas capaces de un control mejorado hace que el uso de válvulas giratorias se convierta en una solución técnica atractiva para compresores alternativos empleados en la industria del petróleo y gas.

La forma de disponer válvulas giratorias en un compresor alternativo aporta una ventaja para mejorar el sellado mientras la válvula está cerrada.

La Figura 7 es un diagrama esquemático de una válvula giratoria 700 utilizada como válvula de aspiración de un compresor alternativo. Un accionador 710 hace girar un vástago 720 de accionador. Un rotor 730 de la válvula giratoria está unido al vástago 720 de accionador y alterna entre una primera posición y una segunda posición. Cuando el rotor 730 está en la primera posición, una abertura 732 del rotor 730 se superpone a una abertura 742 a través del estátor 740, abriéndose la válvula giratoria y permitiendo que fluya fluido desde una boquilla 750 de aspiración dentro del cilindro de compresor. Cuando el rotor 730 está en la segunda posición, las aberturas 732 y 742 del rotor 730 y el estátor 740, respectivamente, no se superponen, la válvula se cierra y no fluye fluido a través de la válvula. El rotor 730 está situado más cerca de la cámara de compresión que el estátor 740. Al menos un sello dinámico 760 está proporcionado entre el estátor 740 y el vástago 720 de accionador, y al menos un sello estático 765 está proporcionado entre el estátor 760 y el cuerpo 770 de compresor. El conjunto de válvula de la Figura 7 también incluye una tapa 780 conectada al cuerpo 770 de compresor.

La Figura 8 es un diagrama esquemático de una válvula giratoria 800 utilizada como válvula de descarga de un compresor alternativo que no forma parte de la invención, pero que representa la técnica anterior y que es útil para comprender la invención. Un accionador 810 hace girar un vástago 820 de accionador. Un rotor 830 de la válvula giratoria está unido al vástago 820 de accionador y alterna entre una primera posición y una segunda posición. Cuando el rotor 830 está en la primera posición, una abertura 832 del rotor 830 se alinea con una abertura 842 a través del estátor 840 y la válvula giratoria se abre, lo que permite que el fluido fluya del cilindro de compresor a una boquilla 850 de descarga.

Cuando el rotor 830 está en la segunda posición, las aberturas 832 y 842 del rotor 830 y el estátor 840, respectivamente, no están alineados, la válvula se cierra y no fluye fluido a través de la válvula. El rotor 830 está situado más lejos de la cámara de compresión que el estátor 840. Al menos un sello dinámico 860 está proporcionado entre el estátor 840 y el vástago 820 de accionador, y al menos un sello estático 865 está proporcionado entre el estátor 860 y el cuerpo 870 de compresor. El conjunto de válvula de la Figura 8 también incluye una tapa 880 conectada al cuerpo 870 de compresor.

Para comprender la ventaja de disponer las válvulas giratorias del modo descrito con relación a las Figuras 7 y 8, es necesario hacer un breve resumen de un ciclo de compresión ideal. Un ciclo de compresión ideal incluye al menos cuatro fases: expansión, aspiración, compresión y descarga. Cuando el fluido comprimido se evacua de una cámara de compresión (p. ej., 322 o 324 de la Figura 4) al final de un ciclo de compresión, una pequeña cantidad de fluido a la presión de suministro permanece atrapada en un espacio muerto (es decir, el volumen mínimo de la cámara de compresión). Durante la fase de expansión y la fase de aspiración del ciclo de compresión, el pistón (p. ej., el 350 de la Figura 4) se mueve para aumentar el volumen de la cámara de compresión. Al comienzo de la fase de expansión, la válvula de suministro se cierra (la válvula de aspiración permanece cerrada) y, luego, la presión del fluido atrapado disminuye, ya que aumenta el volumen de la cámara de compresión disponible para el fluido. La fase de aspiración del ciclo de compresión comienza cuando la presión dentro de la cámara de compresión disminuye hasta que se iguala a la presión de aspiración. Durante la fase de aspiración, el volumen de la cámara de compresión y la cantidad de fluido a comprimir (a la presión P¹) aumentan hasta que se alcanza un volumen máximo de la cámara de compresión. A continuación, la válvula de aspiración se cierra.

Durante las fases de compresión y de descarga del ciclo de compresión, el pistón se mueve en un sentido opuesto al sentido de movimiento durante las fases de expansión y de compresión para reducir el volumen de la cámara de compresión. Durante la fase de compresión, tanto las válvulas de aspiración como las de suministro están cerradas, y la presión del fluido en la cámara de compresión aumenta (desde la presión de aspiración hasta la presión de suministro) debido a que disminuye el volumen de la cámara de compresión. La fase de suministro del ciclo de compresión comienza cuando la presión dentro de la cámara de compresión se iguala a la presión de suministro, haciendo que la válvula de suministro se abra. Durante la fase de suministro, el fluido a la presión de suministro se evacua de la cámara de compresión hasta que se alcanza el volumen mínimo (espacio muerto) de la cámara de compresión.

La presión dentro de la cámara de compresión es mayor que la presión de aspiración durante todas las fases del ciclo de compresión (expansión, compresión y descarga) durante las cuales la válvula de aspiración está cerrada. De este modo, durante estas fases, la diferencia de presión a través de la válvula genera una fuerza que empuja el rotor 730 de la válvula giratoria utilizada como válvula de aspiración hacia el estátor 740 mejorando, por tanto, el sellado entre los mismos.

La presión dentro de la cámara de compresión es menor que la presión de descarga durante todas las fases del ciclo de compresión (expansión, aspiración y compresión) en las que la válvula de descarga está cerrada. De este modo, durante estas fases, la diferencia de presión a través de la válvula genera una fuerza que empuja el rotor 830 de la válvula giratoria utilizada como válvula de descarga hacia el estátor 840 mejorando, por tanto, el sellado entre los mismos.

Los compresores alternativos empleados en la industria del petróleo y gas y que tienen válvulas automáticas pueden modernizarse para utilizar válvulas giratorias accionadas con perfiles de sellado. La Figura 9 ilustra un diagrama de flujo de un método 900 para modernizar un compresor alternativo (p. ej., el 10) empleado en la industria del petróleo y gas y que tiene inicialmente una válvula automática. El método 900 incluye quitar, en S910, una válvula automática del compresor alternativo. El método 900 incluye además montar, en S920, una válvula giratoria accionada en una ubicación de la que se ha quitado la válvula automática. Al menos uno de un rotor y un estátor de la válvula giratoria accionada tiene un perfil de sellado que sobresale desde una superficie del rotor o del estátor hacia una interfaz entre los mismos, rodeando el perfil de sellado una de una abertura de estátor o de una abertura de rotor, respectivamente.

El método 900 también incluye proporcionar, en S930, un accionador configurado para proporcionar un desplazamiento angular y conectar, en S940, el accionador a la válvula por medio de un vástago de accionador. En el método 900, la válvula es una válvula de aspiración, y el rotor se monta para estar más cerca de la cámara de compresión que el estátor.

El método 900 puede incluir además al menos uno de (1) proporcionar un sello situado y configurado para impedir una fuga de fluido entre el estátor y una pared de la cámara de compresión, y (2) proporcionar un casquillo radial situado y configurado para impedir una fuga de fluido entre el estátor y el vástago de accionador.

Las realizaciones ilustrativas descritas proporcionan válvulas giratorias accionadas con perfiles de sellado entre un rotor y un estátor de las mismas, compresores alternativos que utilizan estas válvulas y métodos relacionados.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un compresor alternativo (300) empleado en las industrias del petróleo y gas, que comprende:

una cámara (322, 324) de compresión;

un accionador (710) configurado para proporcionar un desplazamiento angular; y una válvula (700), que incluye

un vástago (720) de accionador conectado a y configurado para ser rotado por el accionador (710);

un estátor (740) que tiene una abertura (742) de estátor; y

un rotor (730) que tiene una abertura (732) de rotor, en donde al menos uno del rotor (730) y el estátor (740) tiene un perfil (515, 525) de sellado que sobresale desde una superficie del rotor (730) o del estátor (740) hacia una interfaz entre los mismos, rodeando el perfil (515, 525) de sellado una de la abertura (732) de rotor o la abertura (742) de estátor respectivamente; en donde la válvula es una válvula de aspiración, estando el rotor (730) situado más cerca de la cámara de compresión que el estátor (740).
2. El compresor alternativo de la reivindicación 1, en donde el al menos uno del rotor (730) y del estátor (740) respectivamente tiene una ranura en la superficie, estando el perfil (515, 525) de sellado fijamente unido dentro de la ranura.
3. El compresor alternativo de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en donde el perfil (515, 525) de sellado está pegado al el menos uno del rotor (730) y del estátor (740) respectivamente.
4. El compresor alternativo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el perfil (515, 525) de sellado está formado como un todo con el al menos uno del rotor (730) y del estátor (740) respectivamente.
5. El compresor alternativo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde tanto el rotor (730) como el estátor (510) tienen los perfiles (515, 525) de sellado en una superficie respectiva hacia la interfaz entre los mismos.
6. El compresor alternativo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

un perfil (515) de estátor de sellado en el estátor (740) incluye dos perímetros cerrados colindantes, que tienen formas similares, rodeando uno de los perímetros la abertura (742) de estátor; y

un perfil (525) de sellado de rotor en el rotor (730) incluye un perímetro cerrado, que tiene una forma similar a la de cualquiera de los dos perímetros cerrados contiguos, rodeando el perímetro cerrado de rotor la abertura (732) de rotor.
7. El compresor alternativo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el perfil (525) de sellado de rotor incluye unas prolongaciones (629, 631, 633, 635) de sello que prolongan circunferencialmente unos lados del perímetro cerrado, descendiendo las prolongaciones de sello hasta la superficie del rotor.
8. Un método para actualizar un compresor alternativo empleado en la industria del petróleo y gas, teniendo el compresor alternativo una cámara de compresor y teniendo inicialmente una válvula automática, comprendiendo el método:

quitar una válvula automática del compresor alternativo;

montar una válvula (700) giratoria accionada de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en un lugar del que se ha quitado la válvula automática;

proporcionar el accionador (710) configurado para proporcionar un desplazamiento angular; y conectar el accionador (710) a la válvula giratoria accionada por medio del vástago (720) de accionador;

en donde la válvula es una válvula de aspiración y el rotor está situado más cerca de la cámara de compresión que el estátor.