PT95352A - Dispositivo reversivel de transferencia de energia de um fluido para um veio mecanico em rotacao - Google Patents

Description

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MEMÓRIA DESCRITIVA DO INVENTO O presente invento tem por objecto um dispositivo reversível de transferência de energia de um fluído para um veio mecânico, em rotação do tipo de deslocamento positivo. São já conhecidos dispositivos de deslocamento positivo consistindo basicamente em um rotor, em geral cilíndrico, associado a um veio, instalado excentricamen te numa câmara cilindrica, que I atravessada pelo fluído. 0 rotor dispãe de ranhuras radiais onde se inserem lâminas des_ lizantes as quais, devido à força centrífuga, são empurradas para forma de encontro à. superfície interna da câmara sempre que o tambor roda. Noutra versão, também já conhecida, o rotor dispãe de cavas onde se inserem rolos cilíndricos livres. Devido à excentricidade do rotor em relação à câmara cilindrica, as lâminas ou os rolos cilíndricos saem progressiva e parcialmente das ranhuras ou cavas numa meia rotação, voltando a entrar na meia rotação seguinte. Formam -se, deste modo, compartimentos estanques limitados pela superfície externa do rotor, a superfície interna da câmara ci lindrica e um par de lâminas ou rolos, cujo volume depende da posição angular do rotor em relação à câmara, variando de um valor mínimo a um valor máximo. Localizando adequadamente a entrada e saída do fluído na periferia da câmara, é ρο£ sível utilizar um tal dispositivo na transferência de energia, quer do fluído para o veio em rotação quer, inversamente, do veio em rotação para o fluído. C0m efeito, e admitin do, por exemplo, que o fluído é ar, é possível utilizá-lo como motor a ar comprimido, localizando a entrada na zona de volume mínimo e deixando-o expandir até à zona de volume máximo onde se localiza a saída. Nestas condiçães, a energia do fluido é transferida para o veio em rotação sob a forma de energia mecânica. Inversamente, se o veio é posto a ro- 1 1 5 10 15

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dar por meios externos, é possível utilizar este dispositivo como compressor de ar se este entrar pela zona de vòlume máximo a sair pela de volume mínimo .Faz-se reste caso, a trans ferência de energia mecânica do veio em rotação para o fluído. Estes dispositivos de transferência de enei gia apresentam, contudo, inconvenientes que condicionam a sua utilização. que Com efeito, -para/estes sistemas sejam efec tivos, os citados compartimentos devem ser realmente estanques o que implica, numi dos casos, que as laminas deslizem muito justas nas ranhuras e que a raspagem feita na superfiU·· cie interna da câmara se faça com pressão suficientemente elevada a fim de que o fluído se não escape de um para outro compartimento; daqui resultam atritos mecânicos que aumentam significativamente com a pressão de trabalho uma vezqBsslâminas se mantêm em permanente acção de fricção nas ranhuras e na superfície interna da câmara. No segundo caso,utilizan do rolos livres em vez das lâminas, os atritos decrescem substancialmente devido à substituição da acção de raspagem por uma acção de rolamento; persiste contudo, uma acção de raspagem entre os rolos e a superfície interna das cavas que tal como no caso anterior, conduz a perdas de energia e o desgaste de materiais. Estes inconvenientes não permitem a utilização deste tipo de dispositivos em aplicações com se_ veras condições de serviço nomeadamente de pressão e veloci dade de rotação do rotor.

Com o dispositivo òbjecto do invento eli minam-se os inconvenientes apontados porque se· anula comple tamente a acção de raspagem sob pressão, funcionando o dis_ positivo basicamente com peças rolando entre si. As perdas de energia são assim muito diminuídas, o desgaste de materiais desprezável, tornando-se possível utilizar este dis- ~ ~ i positivo em aplicações de severas condiçoes de serviço, em

Mod. 71 - 20.000 ex. - 62 ·629 "19 SElftgj Ref:0.561 . „ iV 1: 1 particular altas pressões e altas velocidades de rotação 5 0 dispositivo objecto do presente invento é constituído por quatro partes principais; a) corpo, b) conjunto de rolos, c) rotor, d) tampa do corpo. 10 0 corpo é basicamente uma câmara cilindrica fechada nos topos, com duas aberturas laterias para a entrada e salda do fluido. Um dos topos está fechado permanentemente; o outro i fechado através da tampa descrita adiante. Concentricamente, com a superfície cilíndrica interna do cor_ po e com a mesma altura,existe um outro cilíndrico: rfixp ligado ao fundo da câmara. Forma-se assim no interior do corpo um espaço anular de secção recta em corog circular, com uma 15 I 1 i § s Fn altura bem definida e com ligações laterais ao exterior para a entrada e salda do fluído. 0 conjunto de rolos é formado por um número de cilindros que se ajustam exactamente às paredes da câmara anular do corpo e às faces da base e da tampa daquele, poden 1 20 do contudo rolar ao longo da mesma. Constituem elementos móveis que, quando interpostos entre a entrada e a saída da câmara, impedem completamente a passagem do fluído através da mesma . 0 rotor é formado por um prato que se insere 25 com uma folga muito pequena numa cavidade cilindrica interna da tampa excêntrica em relação ã câmara anular do corpo. Num dos lados do prato e centrado com o mesmo está fixo o eixo de rotação que penetra num apoio interno da tampa. Do QU>tro lado do disco estão fixos um número de veios igual ao 30 números de cilindros. Estes veios penetram no interior dos cilindros e.suportam através de um disco interno oscilando o eixo de rotação dos cilindros. Pequenos magnetos são:i inseri dos no disco para eventual agtecção do seu movimento de rotacção . 35 A tampa, que fecha a câmara anular, é fi - =3 = 1?. Sfl199l

62.629 Ref: 0.561 xada ao corpo por parafusos, garantindo-se a vedação através de um elemento de vedação apropriado. Nivelada com a face interna da tampa insere-se o prato do rotor o qual, depois da tampa montada, é excêntrico em relação à câmara anular. A Figura 1 mostra uma vista lateral, em corte, uma construção preferencial do dispositivo objecto do presente invento, quando o mesmo funciona como umamáqui na rotativa compressora de gases. A Figura 2 mostra a respectiva vista de frente.

Esta construção preferencial da invenção como máquina rotativa compressora de ar ou outro gás inclui um corpo cilindrico 1 fechado por uma tampa 2. No interior do corpo existe uma câmara anular 3 formada pela superfície cilindrica 4, pela superfície exterior do cilindro central 5, pelo fuhdo fechado da base e pela superfície interna da tampa. Neste espaço anular ajustam-se exactamente três ou mais rolos 6, 7 e 8» porém com uma folga mínima para permitir o seu deslocamento ao longo da câmara.

No interior de cada rolo e a meio do seu comprimento estão fixados discos tais como 9 dispondo de a-poios centrais coincidentes com os centros dos rolos A, B, C. Nestes apoios penetram os veios de um segundo grupo de discos não fixos A', B’, C' se mantêm igualmente distanciados dos centros dos rolos A, B, C. Nestes furos penetram veios tais como 16, em relação aos quais os discos podem -oscilar. Estes veios estão fixados ao prato 17, igualmente distribuídos ao longo da circunferência Α·, B', C· concêntrica com o mesmo prato, o qual é excêntrico em relação à câmara anular 3. Ao prato está associado um veio 18 que pode transmitir ou receber energia mecânica do exterior e que é suportado por rolamentos fixos a uma chumaceira 19 / / / /

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que faz parte da tampa 2 . Os anéis vedantes 20 fazem awicção entre a câmara anular e o espaço fechado 21, o qual se destina a ser percorrido por óldo de lubrificação que flui atra vésfclos tubos 22 e 23.

Nestas condições é possível fazer-se uma transmissão de movimento do veio 18 para os rolos 6,7,8, e vice-versa, por ligação mecânica sem pontos mortos e com um atrito fundamentalmente de rolamento. Com efeito, se ao eixc 18 é dado um movimento de rotação através, por exemplo de um motor exterior,esse movimento ê transmitido aos rolos via prato 17,veios tais como16 e discos oscilantes 10, 11 e 12 sobre cujos eixos rodam os rolos 6,7,8 ao longo da câmara anular 3. Esse movimento dos rolos faz-se contudo de uma forma ligada mecanicamente e bem definida pois que, por um lado, a câmara anular obriga a que os centros dos rolos percorram a cicunferência A,B,C e, por outro'lado, a posição fixa dos veios no prato obriga a que os seus centros percorram a cicunferência AV , B1, C' ,excêntrica em relação aquela. Nestas condições, no seu movimento de rolamento ao longe da câmara anular, os rolos afastam-se e aproximam-se por imposição mecânica, fazendo variar o volume fechado entre cada par de rolos. Este facto permite que a máquina rotativa assim oontituida possa funcionar como^?ompressor de ar ou outro de .gás. Com efeito ,se'a entrada do ar ê localizada num ponto da câmara entre dois rolos afastados e a salda se localiza num ponto' da" .câmara ònae os mesmos dois rolos se encontrairrmàiS:juntos, os rolos no seu movimento ae. rotação comprimem o ar da entrada para a saida .É feita, assim a transferência de erêrgia do exterior para o ar ou gás f luido através do veio d sl máquina . Inversamente, se for introduzido ar ou gás. comprimida entre dois rolos:no sentido invefso, a soma dos momentos criados em relação ao centro de rotação não. e nulo, e o prato roda,expandindo-se o gás e podendo tnansmitir-se energia'deste -5- 35 5

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fluído para o exterior através do veio 18 da máquina que trabalha, assim, como um expansor ou motor a gás comprimido,

As figuras 3» ^ e 5 mostram esquematicamente a sequência de posições correspondente ao processo de compressão atrás referido. Se o veio 18 é movido por adequa dos meios externos e faz rodar o prato 17 no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, conforme indicado pela seta, o espaço da câmara anular entre os rolos 6 e 7 é cheic de ar ou outro gás através da entrada 2*f, apresentando o compartimento assim formado um volume máximo na posição indicada na figura 3, Com a rotação do prato 17 na direcção indicada pela seta, o rolo 6 fecha a comunicação daquele compartimento com a entrada 2h e o rolo 7 abre a comunicação com a saída 25, diminuindo o volume do compartimento à medida que o rolo 6 se aproxima da saída 25, por onde o gás vai saindo com aumento progressivo de pressão (fig· · ^inalmente, o rolo 6 fecha a saída 25 quando o troço da câmara anular limitado pelos rolos 6 e 7 apresenta um volume mínimo. Assim, o ar ou gás é expelido através da saída 25 com uma pressão consideravelmente ihaior do que aquela com que entrou na máquina, a qual funciona, portanto, como um compressor de gases (fig. 5)· A pequena cavidade periférica 26 permite que o afastamento dos rolos no seu percurso de retorno se faça a pressão de entrada do gás. 0 dispositivo objecto do invento descrito através das figuras 1 e 2 apresenta algumas vantagens importantes em comparação com outras máquinas rotativas já conhecidas.

Em primeiro lugar, a utilização de cilin dros rolantes mecanicamente ligados que se ajustam com uma folga mínima a uma câmara anular, formando compartimentos estanques entre si de volume variável, dependente da posição angular dos mesmos em relação à câmara, permite uma = 6 = 30 10 16 ex. - 90/08 * 2 20 25 30 62.629 Ref: 0.561

construção muito mais simples do que a de outras máquinas rotativas de deslocamento positivo conhecidas , dada a simplicidade de formas das peças envolvidas - basicamente cilindros. Em segundo lugar, os cilindros rolantes ou rolos, deslocam-se ao longo da câmara segundqfama trajéctôria circular, dão origem a um funcionamento uniforme , sem as vibrações devidaS acèlarações radiais que outras máquinas de perfil elíptico ou outro perfil radial variável originarr, Em terceiro lugar, o baixo atrito desenvolvido, praticamenie todo de rolamento, dá origem a um rendimento mais ' elevado dadas as baixas perdas por atrito7 e a uirrmenor desgaste de materiais do que os verificados em dispositivos sifhilareé, Notè-se que o atrito lateral dos tôpos dos rolos sobre a ba|e -tampa não ê feito sob pressão mas antes com equilíbrio de pressões nos dóis lados dos rolos, pelo que é desprezável. Finalmente , a ligação mecânica dos rolos at-rafrês de peças em rotação garante uma variação bem definida-dos espaços entre dóis rolos em relação ã sua posição na câmara, o que não é garantido nas máquinas rotativas de rolos livres. Além do funcionamento como compressor e expansor de ar ou outros gases, a máquina rotativa descrita pode funcionar como motor de combustão interna. Coitrefeito se duas máquinas siMlares forem ligadas pelo mesmo veio , a mistura ar-combustível pode ser continuamente comprimida por uma delas - o compressor o qual alimenta continuamente a segunda - o expansor , o qual, dispohdo de uma vela de ignição convencional, permite a ignição da mistura ar-combustlvel,sendo os gases formados a alta pressão expandidos de forma já atrás indicada. 0 mesmo aparelho pode também funcionar comc^Domba hidráulica, se ao seu veio for aplicado um motor externo. Neste caso, a entrada e a saída do fluida estão =7 = 35

Claims (1)

1 5 10 15 Mod. 71 - 20.000 ex. - 20 62.629 Ref: 0561 19 SE11990- A# í t A__4-í 7 posicionadas conforme se indica na fig. 6.Como o fluido e incompreeHivel, este posicionamente é tal que o fecho da entrada 24 se faz simultaneamente com. a abertura Φ- salda 25 a fim de que o compartimento cheio de liquido nãoc àofra variação de volume no seu encerramento transitório. O liquido é aspirado pela entrada 24 e sai em pressão peia salda 25 devido à eiargia que lhe é transmitida através do veio "~ pelo motor exterior. Inversamente, se o liquido em pressão for ligado ã entrad^24 e puder sair livremente pela salda 2f o mesmo aparelho passa a funcionar como motor hidráulico. Utilizando meios conhecidos para contai o número de rotações do rotor,as suas últimas variantes podem ser utilizadas, respectivamente,comcJbomba volumétrica e como contador volumétrico. Com efeito, a cada rotação do rotor corresponde um volume de liqui.do bemf defi. nido do igual ao volume do compartimento entre os dois rolos indicados na figura 7, vezes o número de roios . Assim por contagen do número de rotações é possivel conhecer o volume que fluir pela bomba ou pelo contadorr — REIVINDICAÇÕES— 1 a- Dispositivo reversível de transferência de energia de úm fluidò para um veio mecânico em rotação do tipo de deslocamento positivo, fechado, caracterizado pelo facto de ser constituído por uma primeira unidade, fixa, formada por uma câmara cilíndrica com duas aberturas laterais para a entrada e salda do fluido, e por um cilindro interior com a mesma altura, fixo ao fundo da câmara e concêntrico com a sua superfície cilíndrica interna,formando desta forma um espaço-anular de secção recta em coroa circular com ligações laterais ao exterior ; por uma =8= 35 1 5 10 15 Mo«l. 71 - 20.000 «c. - 20 25 30 62.629 Bef: 0.561

segunda unidade móvel, formada por um número de cilindros que se ajustam exactamente, em diâmetro e altura, ao espaço anu-:· lar, interno da câmara, podendo, contudo, rolar ao longo do mesmo; por uma terceira unidade, fixa constituida pela tampa da câmara cilíndrica, que apresenta na face interior uma cavi dade cilíndrica excenctrica em relação ao espaço anular inter no da câmara; por uma quarta unidade, móvel, constituida por um prato que se ajusta exactamente em diâmetro à cavidade cilíndrica interna da tampa, podendo contudo rodar em relação ao eixo suportado pela mesma tampa, dispondo do lado oposto ao eixo e igualmente distribuídos ao longo da circunferência concêntrica com o seu centro de rotação, de um número de veios a ele fixados igual ao número de cilindros existentes no espa ço anular da câmara, cada um dos quais se prolonga para o interior do cilindro a que está associado e que termina por um disco interno oscilante que suporta o eixo de rotação do mesmo cilindro, dando origem ao dispositivo assim constituído, quando ã entrada do mesmo se aplica um gás em pressão, ao movimento dos rolos ao longo do espaço anular da câmara de uma forma mecânicamente ligada, sem pontos mortos, variando o volume do compartimento criado por cada par de rolos, entre um valor mínimo de uma forma perfeitamente definida dependente da posição, angular dos rolos em relação à câmara, movimento que é comunicado ao prato via discos oscilantes e veios inter nos aos cilindros, fazendo-se deste modo a transferência de energia do fluido para o veio em rotação inversamente se, por meios externos, fôr posto a rodar o veio do prato, são postos em movimento os cilindros via veios internos fixados ao prato e discos oscilantes, o que dá origem à transferência de energia do veio em rotação para o fluido. 2â.- Dispositivo reversível de transferen- t cia de energia de um fluido para um veio mecânico em ro- =9 = 35 cr

15 Mod. 71-10000 ex. - 89/07 J 62.629 Ref: 0.561 tação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como compressor de gases, a entrada se fazer na zona da câmara em que o volume dos compai timentos formados é máximo, sendo a saída feita na zona em que esse volume é mínimo (zona de compressão), sendo a transferência de energia feita do veio para o fluído. 3§ - Dispositivo reversível de transferência de energia de um fluído para um veio mecânico em rotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como expansor de gases, a entrada se fazer na zona da câmara em que o volume dos compartimentos formados é mínimo, sendo a saída feita na zona em que esse volume é máximo (zona de expansão) sendo a trais ferência de energia feita do fluído para o veio. 4* - Dispositivo reversível de transferência de energia de um fluído para um veio mecânico em rotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como motor de combustão interna, se associar um compressor de gases, de acordo com a reivin dicação 2, com um expansor de gases, de acordo com a reivir dicação 3, através de um mesmo veio, por meio dos quais se comprime a mistura de ar e combustível ou sé o ar a que se junta o combustível para a realização da combustão à entrada do referido expansor, dando-se a seguir a expansão dos produtos da combustão, sendo a transferência feita do fluj do para o veio. 5§ - Dispositivo reversível de transf£ 30 rência de energia de um fluído para um veio mecânico em rotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como motor a ar comprimido, se aplicar a forma de realização precedente na reivindicação 3. - Dispositivo reversível de transfe- 10 35 1 '? Sn >990 0/-¾ rência de energia de um fluído para um veio mecânico em rotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como motor a vapor, se aplj. car a forma de execução prevista na reivindicação 3. 5

62.629 Refí 0.561 7* - Dispositivo reversível de transfe rência de energia de um fluído para um veio mecânico em r<> taçãotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como motor hidráulico, a entrada e a saída serem localizados de tal modo que o fluído (líquido), em pressão, percorra a referida câmara através de compartimentos estanques de igual volume, sendo, neste caso, a transferência de energia feita do fluído par?, o veio. 15 Mod. 71-10000 ex. - 89/07 20 8^ - Dispositivo reversível de transferência de energia de um fluído para um tbío mecânico em rotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como bomba volumétrica, se aplicar a forma de realização prevista na reivindicação 7» em que um sensor convencional mede o número de voltas do veio o qual é proporcional ao volume de fluído que atravessa a referida câmara. J 25 30 9- - Dispositivo reversível de transferência de energia de um fluído para um veio mecânico em rotação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de, quando utilizado como contador volumétrico de flt, idos, se aplicar a forma de realização prevista na reivindicação 7» em que um sensor convencional mede o número de voltas do veio, o qual é proporcionar ao volume de fluído que atravessa a referida câmara. = 11 35 62.629 Refi 0.561 Lisboa, 19. SET. 1990 Por VIRGÍLIO DOS REIS CARDOSO IGREJA O AGENTE OFICIAL VASCO MARQUES tETTt Agente Oficiol Aa Propriedade tndusirialOerlárlo-Arc· *» Concaiçl·, 3, l.*“if9l MMM 12 a