ITMI20112396A1

ITMI20112396A1 - Valvole rotative aventi profili di chiusura tra statore e rotore e relativi metodi

Info

Publication number: ITMI20112396A1
Application number: IT002396A
Authority: IT
Inventors: Riccardo Bagagli; Leonardo Tognarelli
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-28
Also published as: CA2859275C; BR112014015750A8; US20140353535A1; EP2798212A1; BR112014015750B1; KR20140111659A; IN2014CN04464A; RU2616144C2; JP2015504129A; WO2013098087A1; CN104136776A; CA2859275A1; JP6266533B2; RU2014123160A; EP2798212B1; CN104136776B; KR101989489B1; ES2885498T3; MX2014007922A; BR112014015750A2

Description

TITLE / TITOLO

ROTARY VALVES HAVING SEALING PROFILES BETWEEN STATOR AND ROTOR AND RELATE D METHODS VALVOLE ROTATIVE AVENTI PROFILI DI CHIUSURA TRA STATORE E ROTORE E RELATIVI METODI

ARTE NOTA CAMPO TECNICO

Le realizzazioni dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale alle valvole rotative utilizzate nei compressori alternativi e, più nello specifico, alle valvole rotative attuate aventi profili di chiusura tra lo statore (noto anche come sede) e il rotore (noto anche come controsede)..

RIASSUNTO DELL'ARTE NOTA

I compressori utilizzati nell'industria petrolifera e del gas naturale devono rispettare requisiti specifici di settore che prendano in considerazione, per esempio, la frequente corrosività e infiammabilità del fluido compresso. L'American Petroleum Institute (API), l'organizzazione che stabilisce la normativa di settore riconosciuta per le attrezzature utilizzate nell'industria petrolifera e del gas naturale, ha emesso il documento API618, che elenca una serie completa di requisiti minimi per i compressori alternativi.

I compressori possono essere suddivisi in volumetrici (compressori alternativi, a vite o a palette) e dinamici (compressori centrifughi o assiali). Nei compressori dinamici, il gas viene compresso intrappolando un volume fisso di gas per poi ridurlo. Nei compressori dinamici, il gas viene compresso trasferendo l'energia cinetica da un elemento rotante (ad esempio un girante) al gas da comprimere da parte del compressore.

La Figura 1 mostra un compressore alternativo a camera doppia convenzionale 10 (cioè un compressore volumetrico), utilizzato nel settore petrolifero e del gas naturale. La compressione avviene in un cilindro 20. Il fluido da comprimere (ad esempio gas naturale) viene immesso nel cilindro 20 tramite una bocca d'ingresso 30 e, dopo la compressione, viene espulso tramite una bocca di efflusso 40. Il compressore opera in un processo ciclico durante il quale il fluido viene compresso grazie al movimento del pistone 50 nel cilindro 20, tra un'estremità della testata 26 e un'estremità della manovella 28. Il pistone 50 divide il cilindro 20 in due camere di compressione 22 e 24 operanti in diverse fasi del processo ciclico; infatti, il volume della camera di compressione 22 si trova al valore minimo quando il volume della camera di compressione 24 si trova al valore massimo e viceversa.

Le valvole di aspirazione 32 e 34 si aprono per consentire al fluido che verrà compresso (ossia con una pressione di aspirazione/iniziale P-i) di passare dalla bocca d'ingresso 30 rispettivamente alle camere di compressione 22 e 24. Le valvole di scarico 42 e 44 si aprono per consentire al fluido che è stato compresso (ossia con una pressione di scarico/successiva P2) di essere espulso rispettivamente dalle camere di compressione 22 e 24 tramite la bocca di efflusso 40. Il pistone 50 si muove grazie all'energia trasmessa da un albero a manovella 60 tramite un testacroce 70 e un'asta del pistone 80.

Di norma, le valvole di aspirazione e compressione utilizzate nei compressori alternativi sono valvole automatiche che passano da uno stato di chiusura a uno di apertura e viceversa in base alla pressione differenziale nella valvola. Le Figure 2A e 2B mostrano il funzionamento di una valvola automatica 100 avente una sede 110 e una controsede 120. La Figura 2A mostra la valvola 100 nello stato di apertura, mentre la Figura 2B mostra la valvola 100 nello stato di chiusura.

Nello stato di apertura mostrato dalla Figura 2A, l'otturatore 130 viene spinto verso il basso nella controsede 120, consentendo al fluido di attraversare una bocca di ingresso 140 e le bocche di efflusso 150. L'otturatore 130 può essere sotto forma di disco, fungo, funghi multipli o anelli; la valvola prende il nome proprio da tale forma: valvola a disco, valvola a fungo, valvola a funghi multipli o valvola ad anello. Le Figure 2A e 2B rappresentano una configurazione generica indipendente dai dettagli relativi alla forma effettiva dell'otturatore 130.

Tra l'otturatore 130 e la controsede 120 è presente una molla 160. In base al suo stato di deformazione, la molla 160 partecipa attivamente a determinare il punto di apertura della valvola dato che la forza di deformazione elastica sovrimpone una pressione lungo il percorso del flusso (la pressione sovrimposta è pari alla forza divisa per l'area dell'otturatore 130). Nello stato di apertura, la pressione iniziale pi proveniente dalla fonte del fluido (non mostrata) e lungo la bocca d'ingresso 140 è superiore alla pressione P2 in corrispondenza della destinazione del fluido (non mostrata) e lungo le bocche di efflusso 150. Se la molla 160 è deformata quando l'otturatore 130 viene spinto verso il basso nella controsede 120 (come mostrato nella Figura 2A), la differenza di pressione (p-r p2) deve essere maggiore della pressione della molla 160 (ossia del rapporto ottenuto dividendo la forza di deformazione elastica per l'area dell'otturatore).

Nello stato di chiusura mostrato nella Figura 2B, l'otturatore 130 impedisce al fluido di scorrere dalla bocca d'ingresso 140 verso le bocche di efflusso 150. La molla 160 è spesso configurata per favorire una chiusura più veloce della valvola (e il mantenimento della chiusura); di conseguenza, è nota come molla "di ritorno". La molla 160 contribuisce a chiudere la valvola 100 anche se le pressioni in corrispondenza della fonte p-i e della destinazione p2sono equivalenti (pi= p2).

Le valvole sopra descritte sono note come valvole automatiche, in quanto passano da uno stato di apertura a uno di chiusura e viceversa in base alla differenza di pressione nella valvola (pr p2) (ossia alla differenza tra la pressione pi in corrispondenza della fonte del fluido e la pressione p2in corrispondenza della destinazione del fluido).

Un motivo di inefficienza nei compressori alternativi riguarda lo spazio nocivo, ossia il volume da cui il fluido compresso non può essere evacuato. Una parte dello spazio nocivo è dovuta al volume relativo alle valvole. Le valvole rotative richiedono uno spazio nocivo inferiore, ma agiscono solo se attuate. Un altro svantaggio delle valvole rotative è la maggiore area di flusso. Le valvole rotative sono note da molto tempo; ad esempio, sono state descritte nel brevetto USA n. 4,328, 831 di Wolff e nel brevetto USA 6,598,851 di Schiavone et al.

Le Figure 3A e 3B illustrano una valvola rotativa convenzionale 200. La valvola comprende uno statore 210 e un rotore 220. Lo statore 210 e il rotore 220 consistono in dischi coassiali con aperture che si estendono quanto un settore della stessa dimensione attorno a un albero 230. Il rotore 210 può essere attuato per ruotare attorno all'albero 230 da una posizione iniziale (Figure 3A) in cui l'apertura del rotore 212 è sovrapposta all'apertura dello statore 222 a una seconda posizione (Figura 3B) in cui l'apertura del rotore 212 e l'apertura dello statore 222 (indicata dalla linea tratteggiata) si estendono per diversi settori. Quando il rotore 220 si trova nella prima posizione, la valvola rotativa 200 si trova nello stato di apertura, consentendo al fluido di scorrere da un lato dell'area statore rotore a un altro lato del rotore. Quando il rotore 220 si trova nella seconda posizione, la valvola rotativa 200 si trova nello stato di chiusura, impedendo al fluido di scorrere da un lato dell'area statore rotore a un altro lato del rotore.

Attualmente le valvole rotative convenzionali non sono utilizzate nei compressori alternativi impiegati nel settore petrolifero e del gas naturale perché la chiusura tra lo statore e il rotore non risulta efficace e l'attuazione non è precisa. Inoltre, quando si aziona il rotore, possono prodursi elevate forze di attrito a causa (1) della differenza di pressione che spinge il rotore verso lo statore e che perciò aumenta la forza di attrito e (2) dell'ampia superficie di attrito. In aggiunta, è probabile che l'attrito statico sia notevolmente superiore all'attrito dinamico, la cui differenza rende ancora più difficile mettere in fase e controllare adeguatamente la forza di attuazione.

Di conseguenza, sarebbe consigliabile predisporre valvole rotative utilizzabili nei compressori alternativi per il settore petrolifero e del gas naturale che evitino i suddetti problemi e inconvenienti.

RIEPILOGO

Alcune realizzazioni minimizzano le forze di attrito nelle valvole rotative, consentendo un'attuazione più veloce e precisa delle valvole e rendendo perciò tali valvole rotative utilizzabili nei compressori alternativi per il settore petrolifero e del gas naturale.

Utilizzando le valvole rotative nei compressori alternativi si ha il vantaggio di una maggiore area di flusso di passaggio, con un conseguente maggior rendimento del compressore dovuto al miglioramento della fase di aspirazione e/o di mandata.

Secondo una realizzazione esemplificativa, è prevista una valvola rotativa attuata utilizzabile in un compressore alternativo per il settore petrolifero e del gas naturale; la valvola si trova tra un ugello e una camera di compressione del compressore alternativo. La valvola comprende (1) uno statore avente un'apertura statore attraverso cui avviene il passaggio dall'ugello in direzione della camera di compressione, (2) uno stelo attuatore configurato per essere ruotato da un attuatore e (3) un rotore avente un'apertura rotore attraverso cui avviene il passaggio da ugello in direzione della camera di compressione e fissato saldamente allo stelo attuatore. Il rotore e lo statore consistono in dischi coassiali e sono coassiali con lo stelo attuatore che vi passa attraverso. Almeno uno tra rotore e statore presenta un profilo di chiusura che sporge da una superficie del rotore o dello statore verso un'interfaccia tra i due; il profilo di chiusura circonda rispettivamente l'apertura del rotore o l'apertura dello statore.

Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, un compressore alternativo utilizzato nel settore del petrolio e del gas naturale presenta (1) una camera di compressione configurata per comprimere un fluido immesso nella camera di compressione tramite un ugello di aspirazione ed espulso dalla camera di compressione tramite un ugello di scarico, (2) un attuatore configurato per fornire uno spostamento angolare e (3) una valvola configurata per impedire al fluido di scorrere all'interno o all'esterno della camera di compressione attraverso l'ugello di aspirazione o l'ugello di scarico. La valvola comprende (1) uno statore avente un'apertura statore attraverso cui avviene il passaggio in direzione della camera di compressione, (2) uno stelo attuatore collegato e configurato per essere ruotato dall'attuatore e (3) un rotore avente un'apertura rotore attraverso cui avviene il passaggio in direzione della camera di compressione e fissato saldamente allo stelo attuatore. Il rotore e lo statore consistono in dischi coassiali e sono coassiali con lo stelo attuatore che vi passa attraverso. Almeno uno tra rotore e statore presenta un profilo di chiusura che sporge da una superficie del rotore o dello statore verso un'interfaccia tra i due; il profilo di chiusura circonda rispettivamente l'apertura del rotore o l'apertura dello statore.

Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, è previsto un metodo per riadattare un compressore alternativo utilizzato nel settore petrolifero e del gas naturale e inizialmente dotato di una valvola automatica. Il metodo comprende la rimozione di una valvola automatica posizionata per interfacciare un ugello e una camera di compressione del compressore alternativo e il fissaggio definitivo dello statore di una valvola rotativa attuata tra l'ugello e la camera di compressione. Il metodo prevede altresì un attuatore configurato per fornire uno spostamento angolare e il collegamento all'attuatore, nonché uno stelo attuatore che passa attraverso Io statore e fissato a un rotore.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni tecnici allegati nella descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più forme di realizzazione e, unitamente alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

la Figura 1 è il diagramma schematico di un compressore alternativo a camera doppia convenzionale;

le Figure 2A e 2B sono diagrammi schematici che illustrano il funzionamento di una valvola automatica;

le Figure 3A e 3B sono illustrazioni di una valvola rotativa convenzionale;

La Figura 4 è il diagramma schematico di un compressore dotato di almeno una valvola rotativa secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 5 è la sezione trasversale di una valvola rotativa avente un profilo di chiusura tra statore e rotore, secondo una realizzazione esemplificativa;

Le Figure 6A e 6B sono viste della superficie di uno statore e di un rotore, rispettivamente, o di una valvola rotativa aventi profili di chiusura secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 7 è il diagramma schematico di una valvola rotativa utilizzata come valvola di aspirazione di un compressore alternativo, secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 8 è il diagramma schematico di una valvola rotativa utilizzata come valvola di scarico di un compressore alternativo, secondo una realizzazione esemplificativa; La Figura 9 è un diagramma di flusso che illustra un metodo per riadattare un compressore in modo che abbia almeno una valvola rotativa avente un profilo di chiusura tra statore e rotore, secondo una realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni tecnici allegati. I numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni incluse. Le seguenti realizzazioni sono esaminate, per ragioni di semplicità, in relazione alla terminologia e alla struttura dei compressori alternativi utilizzati nel settore petrolifero e del gas naturale. Tuttavia, le forme di realizzazione che saranno successivamente discusse non si limitano a queste attrezzature, ma possono essere applicate ad altre attrezzature.

In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una realizzazione" sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione è inclusa in almeno una realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto, l'utilizzo dell'espressione "in una realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Inoltre, le particolari funzioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

In alcune realizzazioni descritte in seguito, al posto della valvole automatiche vengono utilizzate valvole rotative attuate aventi un profilo di chiusura disposto su almeno una superficie in corrispondenza dell'interfaccia tra rotore e statore al fine (1) di aumentare il rendimento di un compressore alternativo riducendo lo spazio nocivo e (2) di superare i problemi relativi all'elevato attrito nelle valvole rotative. Quando nei compressori alternativi si utilizzano valvole rotative, aumenta l'area di flusso di passaggio tra l'interno e l'esterno dei compressori. L'aumento dell'area di flusso di passaggio determina un maggiore rendimento del compressore grazie a una fase di aspirazione e/o di scarico più breve e più efficiente.

La Figura 4 è la rappresentazione schematica di un compressore alternativo 300 avente una o più valvole rotative con profili di chiusura. Il compressore 300 è di tipo alternativo a camera doppia. Tuttavia, anche nei compressori alternativi a camera singola è possibile utilizzare gruppi valvole secondo realizzazioni simili a quelle descritte qui di seguito La compressione avviene in un cilindro 320. Il fluido da comprimere (ad esempio gas naturale) viene immesso nel cilindro 320 tramite una bocca d'ingresso 330 e, dopo la compressione, viene espulso tramite una bocca di efflusso 340. La compressione avviene grazie al movimento di andata e ritorno del pistone 350 lungo il cilindro 320, tra un'estremità della testata 326 e un'estremità della manovella 328. Il pistone 350 divide il cilindro 320 in due camere di compressione 322 e 324 operanti in diverse fasi del processo ciclico; infatti, il volume della camera di compressione 322 si trova al valore minimo quando il volume della camera di compressione 324 si trova al valore massimo e viceversa.

Le valvole di aspirazione 332 e 334 si aprono per consentire al fluido che verrà compresso (ossia con una pressione iniziale pi) di passare dalla bocca d'ingresso 330 rispettivamente alle camere di compressione 322 e 324. Le valvole di scarico 342 e 344 si aprono per consentire al fluido che è stato compresso (ossia con una pressione successiva P2) di essere espulso rispettivamente dalle camere di compressione 322 e 324 tramite la bocca di efflusso 340. Il pistone 350 si muove grazie all'energia ricevuta ad esempio da un albero a manovella (non mostrato) tramite un testacroce (non mostrata) e un'asta del pistone 380. Nella Figura 3, le valvole 332, 334, 342, e 344 illustrate si trovano sulla parete laterale del cilindro 320. Tuttavia, le valvole 332 e 342 e le valvole 334 e 344 possono trovarsi rispettivamente sull'estremità della testata 326 e/o sull'estremità della manovella 328 del cilindro 320.

A differenza di una valvola automatica, che si trova in stato di apertura o di chiusura in base alla pressione differenziale sui lati opposti di una parte mobile della valvola, una valvola rotativa attuata, come 332 nella Figura 3, si apre quando un attuatore, come 337 nella Figura 3, applica una forza (coppia di torsione) trasmessa tramite un albero 335 a una parte mobile (ossia un rotore) 333 della valvola 332, causando pertanto uno spostamento angolare della parte mobile 333. Una, alcune o tutte le valvole del compressore alternativo 300 possono essere valvole rotative attuate aventi un profilo di chiusura. In alcune realizzazioni potrebbe inoltre intervenire una combinazione di valvole rotative attuate (aventi un profilo di chiusura) e di valvole automatiche. Per esempio, in una realizzazione, le valvole di aspirazione potrebbero essere valvole rotative mentre le valvole di scarico potrebbero consistere in valvole automatiche; in un'altra realizzazione, le valvole di scarico potrebbero essere valvole rotative mentre le valvole di aspirazione potrebbero consistere in valvole automatiche. La Figura 5 è la sezione trasversale di una valvola rotativa attuata 500 avente un profilo di chiusura tra statore 510 e rotore 520. Lo statore 510 presenta un'apertura 512 e il rotore 520 presenta un'apertura 522. Il rotore 520 è fissato a uno stelo attuatore 530, che ruota attorno a un asse 535 grazie alla forza (coppia di torsione) fornita da un attuatore (non mostrato nella Figura 5, ad esempio, 337 nella Figura 4). Lo statore 510 è posizionato saldamente tra una parete 540 del cilindro del compressore (ad esempio, 322 nella Figura 4), una parete 545 di un ugello (condotto) che porta alla valvola e lo stelo attuatore 530. La valvola viene aperta, consentendo al flusso di scorrere da un lato della valvola (ad esempio l'ugello) all'altro lato della valvola (ad esempio la camera di compressione), quando l'apertura 522 del rotore 520 è sovrapposta all'apertura 512 dello statore 510 (come mostrato nella Figura 5). La valvola viene chiusa, impedendo al fluido di scorrere da un lato della valvola (ad esempio l'ugello) all'altro lato della valvola (ad esempio la camera di compressione), quando l'apertura 522 del rotore 520 non è sovrapposta all'apertura 512 dello statore 510.

Nella realizzazione illustrata nella Figura 5, sono presenti un primo profilo di chiusura 515 che sporge dalla superficie dello statore 510 verso il rotore 520 e un secondo profilo di chiusura 525 che sporge dalla superficie del rotore 520 verso lo statore 510. I profili di chiusura 515 e 525 possono essere più ampi in corrispondenza di un'interfaccia con lo statore 510 e il rotore 520 che non in una zona di contatto tra i due. Anche se la valvola rotativa illustrata nella Figura 5 è caratterizzata da profili di chiusura sia sullo statore 510, sia sul rotore 520, in un'altra realizzazione potrebbe essere presente un singolo profilo di chiusura fissato allo statore 510 o al rotore 520. Lo statore 510 e il rotore 520 possono essere fatti di acciaio inossidabile e acciaio legato. I profili di chiusura 515 e 525 possono essere in materiale non metallico come il polietereterchetone (PEEK) o in acciaio inossidabile. In una realizzazione, il primo profilo di chiusura 515 e lo statore 510 possono essere configurati come un pezzo unico e/o il secondo profilo di chiusura 525 e il rotore 520 possono essere configurati come un pezzo unico fatto, per esempio, di acciaio inossidabile. In alternativa, i profili di chiusura 515 e 525 possono essere configurati separatamente (ed essere fatti di un materiale diverso) in rapporto, rispettivamente, allo statore 510 e al rotore 520, essendo essi fissati saldamente. In una realizzazione, sulla superficie su cui è fissato il rispettivo profilo di chiusura potrebbe essere presente una scanalatura di altezza inferiore rispetto all'altezza del rispettivo profilo di chiusura. Il profilo di chiusura può essere incollato o saldato sulle rispettive superfici (in base anche al materiale utilizzato nella realizzazione dei profili di chiusura).

Per evitare perdite di fluido tra il cilindro del compressore e l'ugello, è posizionata una tenuta 550 in corrispondenza dell'interfaccia tra lo statore 510 e la parete 540 del cilindro del compressore. La tenuta 540 può consistere in un anello toroidale e può essere posizionata in una scanalatura ricavata nel corpo dello statore 510. Inoltre, per lo stesso scopo di tenuta del fluido, è presente una bussola radiale 555 tra lo statore 510 e lo stelo attuatore 530.

Oltre ai suddetti componenti principali del gruppo valvole, la valvola rotativa attuata 500 comprende una pluralità di altri componenti volti a migliorare il funzionamento della valvola (e/o del compressore) e/o a fungere da struttura di supporto. Tra il collare 532 dello stelo attuatore 530 e lo statore 565 potrebbe essere posizionata una bussola 560; potrebbe inoltre essere presente un'altra tenuta 565 di altro tipo e in una posizione diversa rispetto alla bussola radiale 555 tra lo statore 510 e lo stelo attuatore 530. In una scanalatura delio statore 510 potrebbe trovarsi un anello di tenuta 570 per mantenere la bussola radiale 555 nell'apposita posizione. Una molla 575, un distanziale 580 e un controdado 585 fissato allo stelo attuatore 530 sostengono e spingono il rotore 520 verso lo statore 510.

La Figura 6A rappresenta la vista della superficie di uno statore 610 avente un profilo di chiusura 615, mentre la Figura 6B rappresenta la vista della superficie di un rotore 620 avente un profilo di chiusura 625. Lo statore 610 e il rotore 620 presentano rispettivamente le aperture 612 e 622. In una valvola rotativa attuata, quando il rotore 620 si trova in una prima posizione in cui l'apertura del rotore 622 è sovrapposta all'apertura dello statore 612, la valvola rotativa è aperta. Quando il rotore 620 si trova in una seconda posizione in cui l'apertura del rotore 622 non è sovrapposta all'apertura dello statore 612, la valvola rotativa è chiusa.

I profili di chiusura 615 e 625 sporgono rispettivamente dalla superficie dello statore 610 e del rotore 620. L'altezza del profilo di chiusura può essere di 2-3 mm. li profilo di chiusura 615 sulla superficie dello statore 610 comprende due perimetri chiusi adiacenti di forma simile 617 e 619, dove il primo 617 circonda l'apertura 612 dello statore 610 e il secondo 619 presenta un lato comune 618 con il primo 617. Il profilo di chiusura 625 sulla superficie del rotore 620 comprende un perimetro chiuso 627 che circonda l'apertura 622 del rotore e che presenta sostanzialmente la stessa forma dei perimetri chiusi 617 e 619, nonché prolungamenti di tenuta 629, 631 , 633 e 635 che prolungano in modo circolare i lati del perimetro 627. I prolungamenti di tenuta 629, 631 , 633 e 635 possono presentare un'altezza decrescente (ossia digradante) verso la superficie del rotore 620.

Nella prima posizione il perimetro 627 del profilo di tenuta 625 corrisponde al perimetro 617 del profilo di tenuta 615, mentre nella seconda posizione il perimetro 627 del profilo di tenuta 625 è sovrapposto al perimetro 619 del profilo di tenuta 615.

La minore area di contatto dell'interfaccia rotore-statore che utilizza i profili di tenuta, area ridotta alla sola cornice ai limiti con spessore ridotto, determina una minore forza d'attrito. Quando il rotore viene attuato per passare dalla seconda alla prima posizione, la pressione all'interno del cilindro del compressore potrebbe comunque superare la pressione nell'ugello sull'altro lato della valvola rotativa. Una forza di attuazione (o coppia di torsione) deve superare sia l'inerzia, sia l'attrito. L'entità dell'attrito è proporzionale all'area di contatto. Più piccola è l'area di contatto, minore sarà la forza d'attrito. Inoltre, anche l'eventuale forza capillare che potrebbe intervenire a causa dell'aderenza del liquido all'interfaccia rotore-statore è proporzionale all'area di contatto.

Come dimostrato dall'arte nota, l'attrito statico è superiore all'attrito dinamico. Così, in presenza di un attrito notevole, è necessario applicare una forza notevole all'inizio dell'attuazione del rotore. Maggiore è la forza inizialmente applicata relativa alla forza applicata dopo l'inizio del movimento del rotore, più diffìcile diventa controllare l'attuazione. Il tempo dì attuazione consiste in pochi millisecondi e lo spostamento angolare potrebbe arrivare fino a 120°. È essenziale un'attuazione precisa in termini di tempi e di entità per ottenere buone prestazioni dal compressore. Così, più semplicemente, la presenza di valvole rotative attuate capaci di un migliore controllo rende l'uso delle valvole rotative una soluzione tecnica interessante per i compressori alternativi utilizzati nel settore petrolifero e del gas naturale.

Il modo in cui vengono disposte ie valvole rotative in un compressore alternativo permette una migliore tenuta mentre la valvola è chiusa.

La Figura 7 è il diagramma schematico di una valvola rotativa 700 utilizzata come valvola d'aspirazione in un compressore alternativo. Un attuatore 710 ruota uno stelo attuatore 720. Un rotore 730 della valvola rotativa è collegato allo stelo attuatore 720 e passa da una prima posizione a una seconda posizione e viceversa. Quando il rotore 730 si trova nella prima posizione, un'apertura 732 dei rotore 730 è sovrapposta a un'apertura 742 dello statore 740; la valvola rotativa è aperta e consente al fluido di scorrere da un ugello di aspirazione 750 all'interno del cilindro del compressore. Quando il rotore 730 si trova nella seconda posizione, le rispettive aperture 732 e 742 del rotore 730 e dello statore 740 non risultano sovrapposte; la valvola è chiusa e il fluido non la attraversa. Il rotore 730 si trova più vicino alla camera di compressione rispetto allo statore 740. Sono presenti almeno una tenuta dinamica 760 tra lo statore 740 e lo stelo attuatore 720 e almeno una tenuta statica 765 tra Io statore 760 e il corpo del compressore 770. Il gruppo valvola della Figura 7 comprende altresì una copertura 780 collegata al corpo del compressore 770.

La Figura 8 è il diagramma schematico di una valvola rotativa 800 utilizzata come valvola di scarico in un compressore alternativo. Un attuatore 810 ruota uno stelo attuatore 820. Un rotore 830 della valvola rotativa è collegato allo stelo attuatore 820 e passa da una prima posizione a una seconda posizione e viceversa. Quando il rotore 830 si trova nella prima posizione, un'apertura 832 del rotore 830 è allineata con un'apertura 842 dello statore 840; la valvola rotativa è aperta, consentendo al fluido di scorrere dal cilindro del compressore verso un ugello di scarico 850. Quando il rotore 830 si trova nella seconda posizione, le rispettive aperture 832 e 842 del rotore 830 e dello statore 840 non sono allineate; la valvola è chiusa e il fluido non la attraversa. Il rotore 830 si trova più lontano dalla camera di compressione rispetto allo statore 840. Sono presenti almeno una tenuta dinamica 860 tra lo statore 840 e lo stelo attuatore 820 e almeno una tenuta statica 865 tra lo statore 860 e il corpo del compressore 870. Il gruppo valvola della Figura 8 comprende altresì una copertura 880 collegata al corpo del compressore 870.

Per comprendere il vantaggio che deriva dal disporre le valvole rotative nel modo descritto in relazione alle Figure 7 e 8, è necessaria una breve panoramica di un ciclo di compressione ideale. Un ciclo di compressione ideale comprende almeno quattro fasi: espansione, aspirazione, compressione e scarico. Quando il fluido compresso viene espulso da una camera di compressione (ad esempio 322 o 324 nella Figura 4) alla fine di un ciclo di compressione, una piccola quantità di fluido alla pressione di mandata resta intrappolata in uno spazio nocivo (ossia il volume minimo della camera di compressione). Durante la fase di espansione e la fase di aspirazione del ciclo di compressione, il pistone (ad esempio 350 nella Figura 4) si muove per aumentare il volume della camera di compressione. All'inizio della fase di espansione, la valvola di mandata si chiude (la valvola di aspirazione resta chiusa), quindi la pressione del fluido intrappolato scende dato che aumenta il volume della camera di compressione a disposizione del fluido. La fase di aspirazione del ciclo di compressione inizia quando la pressione all'interno della camera di compressione scende fino ad essere equivalente alla pressione di aspirazione. Durante la fase di aspirazione, il volume della camera di compressione e la quantità di fluido da comprimere (alla pressione p-i) aumentano fino a raggiungere il volume massimo della camera di compressione. La valvola di aspirazione quindi si chiude.

Durante le fasi di compressione e scarico del ciclo di compressione, il pistone si muove nella direzione opposta rispetto a quella del movimento durante le fasi di espansione e compressione, al fine di ridurre il volume della camera di compressione. Durante la fase di compressione, la valvola di aspirazione e la valvola di mandata sono entrambe chiuse; la pressione del fluido nella camera di compressione aumenta (dalla pressione di aspirazione fino alla pressione di mandata) perché il volume della camera di compressione diminuisce. La fase di mandata del ciclo di compressione comincia quando la pressione all'interno della camera di compressione diventa equivalente alla pressione di mandata, innescando l'apertura della valvola di mandata. Durante la fase di mandata, il fluido alla pressione di mandata è espulso dalla camera di compressione fino al raggiungimento del volume minimo (spazio nocivo) della camera di compressione.

La pressione all'interno della camera di compressione è superiore alla pressione di aspirazione durante tutte le fasi del ciclo di compressione (espansione, compressione e scarico) durante cui la valvola di aspirazione è chiusa. Di conseguenza, durante tali fasi la differenza di pressione nella valvola causa una forza che spinge il rotore 730 della valvola rotativa utilizzata come valvola di aspirazione verso lo statore 740, migliorando così la tenuta tra i due elementi.

La pressione all'interno della camera di compressione è inferiore alla pressione di scarico durante tutte le fasi del ciclo di compressione (aspirazione, espansione e compressione) durante cui la valvola di scarico è chiusa. Di conseguenza, durante tali fasi, la differenza di pressione nella valvola causa una forza che spinge il rotore 830 della valvola rotativa utilizzata come valvola di scarico verso lo statore 840, migliorando così la tenuta tra i due elementi.

I compressori alternativi utilizzati nel settore petrolifero e del gas naturale dotati di valvole automatiche possono essere riadattati per l'utilizzo di valvole rotative attuate aventi profili di chiusura. La Figura 9 mostra il diagramma di flusso di un metodo 900 per riadattare un compressore alternativo (ad esempio 10) utilizzato nel settore petrolifero e del gas naturale inizialmente dotato di una valvola automatica. Il metodo 900 comprende la rimozione di una valvola automatica del compressore alternativo, in corrispondenza di S910. Il metodo 900 comprende altresì il montaggio di una valvola rotativa attuata nel punto in cui è stata rimossa la valvola automatica , in corrispondenza di S920. Almeno uno tra rotore e statore della valvola rotativa attuata presenta un profilo di chiusura che sporge da una superficie del rotore o dello statore verso un'interfaccia tra i due; il profilo di chiusura circonda rispettivamente l'apertura del rotore o l'apertura dello statore.

II metodo 900 prevede anche la presenza di un attuatore configurato per fornire uno spostamento angolare, in corrispondenza di S930, e il collegamento dell'attuatore alla valvola tramite lo stelo attuatore, in corrispondenza di S940. Nel metodo 900, (1) se la valvola è di aspirazione, il rotore può essere montato più vicino alla camera di compressione rispetto allo statore, mentre (2) se la valvola è di scarico lo statore può essere montato più vicino alla camera di compressione rispetto al rotore.

Il metodo 900 può inoltre prevedere almeno una tra (1) la presenza di una tenuta posizionata e configurata per evitare perdite di fluido tra lo statore e una parete della camera di compressione e (2) la presenza di una bussola radiale posizionata e configurata per evitare perdite di fluido tra lo statore e lo stelo attuatore.

Le realizzazioni esemplificative divulgate prevedono valvole rotative attuate con profili di chiusura tra rotore e statore; i compressori alternativi utilizzano tali valvole e i relativi metodi. Resta inteso che la presente descrizione non intende limitare l'invenzione. Al contrario, le forme di realizzazione esemplificative includono alternative, modifiche e soluzioni equivalenti rientranti nello spirito e nel campo di applicazione dell'invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre nella descrizione dettagliata delle forme di realizzazione esemplificative sono esposti numerosi dettagli specifici, al fine di consentire una comprensione esauriente dell'invenzione rivendicata. Tuttavia, chiunque sia esperto in materia comprende che varie realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli.

Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti realizzazioni esemplificative siano descritti nelle realizzazioni in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle realizzazioni o in varie combinazioni con o senza altre caratteristiche ed elementi divulgati dal presente documento.

La presente descrizione scritta utilizza degli esempi relativi all'oggetto divulgato per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema nonché l'esecuzione di qualsiasi metodo incluso. L'ambito brevettabile dell'oggetto del presente documento è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi noti agli esperti in materia. Questi altri esempi rientrano ne ambito delle rivendicazioni.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Una valvola rotativa attuata utilizzabile in un compressore alternativo per il settore petrolifero e del gas naturale, comprendente: uno statore avente un'apertura statore; e un rotore avente un'apertura rotore, in cui almeno uno tra rotore e statore presenta un profilo di chiusura che sporge da una superficie del rotore o dello statore verso un'interfaccia tra i due; il profilo di chiusura circonda rispettivamente l'apertura del rotore o l'apertura dello statore. 2. Un compressore alternativo utilizzato nel settore petrolifero e del gas naturale, comprendente: una camera di compressione; un attuatore configurato per fornire uno spostamento angolare; e una valvola comprendente uno statore avente un'apertura statore, uno stelo attuatore collegato all'attuatore e configurato per essere ruotato dallo stesso, e un rotore avente un'apertura rotore, in cui almeno uno tra rotore e statore presenta un profilo di chiusura che sporge da una superficie del rotore o dello statore verso un'interfaccia tra i due; il profilo di chiusura circonda rispettivamente l'apertura dello statore o l'apertura del rotore. 3. Il compressore alternativo della rivendicazione 2, dove almeno uno tra rotore e statore presenta una scanalatura sulla superficie e il profilo di chiusura è fissato saldamente all'interno della scanalatura. 4. Il compressore alternativo della rivendicazione 2, dove il profilo di chiusura è incollato ad almeno uno tra rotore e statore. 5. Il compressore alternativo della rivendicazione 2, dove il profilo di chiusura è configurato come pezzo unico con almeno uno tra rotore e statore. 6. Il compressore alternativo della rivendicazione 2, sia il rotore sia lo statore presentano profili di chiusura sulla rispettiva superficie verso l'interfaccia tra i due. 7. Il compressore alternativo della rivendicazione 6, dove: un profilo di chiusura statore sullo statore comprende due perimetri chiusi adiacenti aventi forme sostanzialmente simili e uno dei perimetri circonda l'apertura dello statore; e un profilo di chiusura rotore sul rotore comprende un perimetro chiuso avente una forma sostanzialmente simile a quella dei due perimetri chiusi adiacenti e il perimetro chiuso del rotore circonda l'apertura del rotore. 8. Il compressore alternativo della rivendicazione 7, il profilo di chiusura del rotore comprende dei prolungamenti di tenuta che prolungano in modo circolare i lati del perimetro chiuso e i prolungamenti di tenuta digradano verso la superficie del rotore. 9. Il compressore alternativo della rivendicazione 2, in cui se la valvola è di aspirazione il rotore è situato più vicino alla camera di compressione rispetto allo statore, mentre se la valvola è di scarico lo statore è situato più vicino alla camera di compressione rispetto al rotore. 10. Un metodo per riadattare un compressore alternativo utilizzato nel settore petrolifero e del gas naturale inizialmente dotato di una valvola automatica; detto metodo comprende: la rimozione della valvola automatica dal compressore alternativo; il montaggio di una valvola rotativa attuata nel punto in cui è stata rimossa la valvola automatica; almeno uno tra rotore e statore della valvola rotativa attuata presenta un profilo di chiusura che sporge da una superficie del rotore o dello statore verso un'interfaccia tra i due; il profilo di chiusura circonda rispettivamente l'apertura del rotore o l'apertura dello statore; la presenza di un attuatore configurato per fornire uno spostamento angolare; e il collegamento dell'attuatore alla valvola rotativa attuata mediante uno stelo attuatore. (ADR/Pa) CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. An actuated rotary valve useable in a reciprocating compressor for oil and gas industry, the valve comprising: a stator having a stator opening; and a rotor having a rotor opening, wherein at least one of the rotor and the stator has a sealing profile extruding from a surface of the rotor or of the stator towards an interface there-between, the sealing profile surrounding a respective one of the rotor opening or the stator opening.
2. A reciprocating compressor used in oil and gas industry, comprising: a compression chamber; an actuator configured to supply an angular displacement; and a valve including a stator having a stator opening, an actuator stem connected to and configured to be rotated by the actuator, and a rotor having a rotor opening, wherein at least one of the rotor and the stator has a sealing profile extruding from a surface of the rotor or of the stator towards an interface there-between, the sealing profile surrounding a respective one of the stator opening or the rotor opening.
3. The reciprocating compressor of claim 2, wherein the respective at least one of the rotor and the stator has a groove on the surface, the sealing profile being fixedly attached inside the groove.
4. The reciprocating compressor of claim 2, wherein the sealing profile is glued to the respective at least one of the rotor and the stator.
5. The reciprocating compressor of claim 2, wherein the sealing profile is formed as one piece with the respective at least one of the rotor and the stator.
6. The reciprocating compressor of claim 2, both the rotor and the stator have sealing profiles on a respective surface towards the interface there-between.
7. The reciprocating compressor of claim 6, wherein: a stator sealing profile on the stator includes two adjoined closed perimeters, having substantially similar shapes, one of the perimeters surrounding the stator opening; and a rotor sealing profile on the rotor includes a closed perimeter, having substantially similar shape with any one of the two adjoined closed perimeters, the rotor closed perimeter surrounding the rotor opening.
8. The reciprocating compressor of claim 7, the rotor sealing profile includes seal extensions circumferentially extending sides of the closed perimeter, the seal extensions ramping down to the surface of the rotor.
9. The reciprocating compressor of claim 2, wherein if the valve is a suction valve, the rotor located closer to the compression chamber than the stator, and if the valve is a discharge valve, the stator located closer to the compression chamber than the rotor.
10. A method for retrofitting a reciprocating compressor used in oil and gas industry and initially having an automatic valve, the method comprising: removing an automated valve of the reciprocating compressor; mounting an actuated rotary valve in a location from which the automated valve has been removed, at least one of a rotor and a stator of the rotary actuated valve having a sealing profile extruding from a surface of the rotor or of the stator towards an interface there-between, the sealing profile surrounding a respective one of a stator opening or a rotor opening; providing an actuator configured to supply an angular displacement; and connecting the actuator to the actuated rotary valve via an actuator stem.