WO2020186324A1 - Bomba de cavidades progressivas para indústria tintométrica - Google Patents

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WO2020186324A1
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Leandro José AGOSTINI
Marcelo Angelo TAPARELLO DE SOUZA
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Agostini Leandro Jose
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Definitions

  • the present invention relates to a progressive cavity pump developed for tinting metering machines.
  • the proposal presented in the present invention is to perform precision dosages through pumping by only one stator and rotor stage.
  • the progressive cavity pump (BCP) is classified as a positive displacement pump (also called volumetric).
  • This pump is a variant of the single screw pump. It consists of a helical screw-shaped rotor and an elastomer stator, natural or synthetic, specified according to the chemical composition and temperature of the fluid to be pumped (HENN, 2006, p. 421 and 422).
  • BCPs traditionally follow a constructive form for application in jobs with high pressure differential and large flow, presenting themselves as large multistage pumps, consequently requiring high drive torque, robust transmission systems and high power consumption. energy. Its stators are generally cylindrical, vulcanized in metal jackets or mounted and require radial locking. An example of this severe application is in the oil industry, for artificial lifting of oil from deep wells.
  • the pump does not need to provide high pressures to transfer the concentrated colorant from the reservoir of the dosing machine to the nozzle, enabling its operation with only one stage, reducing the activation torque, resulting in simplification in the transmission mounting, engine capacity, etc. (005) As a consequence of the traditional constructive form, problems such as premature wear, seizure and low energy efficiency can be mentioned.
  • the patent PI 0501760-2 B1 proposes a mechanical stator fixation solution that applies to large pumps used in severe work, such as artificial oil lifting, to solve the radial fixation problem due to the high torque.
  • This model values the guarantee of fixation, while compromising maintenance. Since the shirt and stator become one piece and need to be replaced together.
  • the patent PI 9710835-9 A proposes a flexible shaft concept for eliminating the universal joint, due to the different kinematics between rotor and shaft. However, its application must be evaluated according to the chemical characteristic of the working fluid, and, in some cases, may not be compatible.
  • BCP's proposal improves the traditional constructive form for tinting application.
  • the object performs precision dosages by pumping through only one stator and rotor stage, reducing the length of the pump, facilitating the manufacture of its components and requiring less robustness of the transmission components and the drive motor.
  • the present invention has a simplified transmission system, uses special geometry to fix the stator, optimizes the drive shaft bearing and its sealing element, reduces component dimensions and uses a low torque motor.
  • Figure 1 A represents a perspective view of the BCP, where we can see the upper body (9), the stepper motor (11) and the bearing (1);
  • Figure 1 B represents an exploded perspective view of BCP, where we can see all the parts that make up BCP;
  • Figure 2 represents a sectional view of the BCP.
  • the rotor (4) is produced by machining a round bar of material metallic or polymeric, depending on the application. It has a circular section of a certain eccentricity along a helical step. Its helical length is 2 steps, which form 1 stage in a BCP. There is a small cylindrical section, not helical, to facilitate the dimensional evaluation of the circular section. At the opposite end of the helicoid, the raw material remains with the gross dimension of the round bar. In this location there is a small diameter cross-sectional hole, used to mount a pin on one side of the universal joint that transmits the torque of the shaft. This component was developed with compatible dimensions to work with precision over a wide flow range for tinting production.
  • the stator (8) is made of injected or vulcanized elastomer, according to its application.
  • This component has a conical external shape with more than four sides to be sealed in the housing, previously described, and an internal helical oblong cavity with a geometry that matches the rotor (4).
  • the front face has a semicircular section ring, similar to an O'ring, but attached to the piece, for compression and sealing.
  • the plastic bearing (1) houses a commercial single lip retainer (12), type R5, a spacer (2), a deep groove ball bearing (13) and another spacer (10), in this order.
  • This bearing (1) has cylindrical internal housing on one side. On the other side, it has a channel for positioning an o-ring (14), for sealing the assembly against the upper body (9). It also has a circular projection on the same side, as a way to guide its assembly on the upper body (9) and to compress the stator spacer cup (7).
  • the spacers (2.10) used in the bearing are plastic, produced by injection.
  • One of the spacers has the function of separating the bearing retainer and, the another, fill the space between the bearing and the outer face of the bearing.
  • the stator spacer cup (7) (8) plastic, obtained by injection, has the function of compressing the stator to the bottom of the upper body (9), when it is mounted against the bearing (1).
  • This spacer is shaped like a cup with a hole in the bottom, this hole of the passage for the fluid to the internal cavity of the stator.
  • a universal joint for transmitting torque from the shaft to the rotor consists of a ring (5) and two pins (6).
  • the plastic ring (5) obtained by the injection process, has two holes, orthogonal to each other, for sliding the pins that are fixed on the rotor and on the shaft.
  • the metallic pins (6) have a cylindrical shape, obtained by machining process. The constructive and dimensional shape of this transmission set was designed in such a way as to present high mechanical efficiency for low torque and energy consumption. In addition to reducing the length of the pump assembly, making it suitable for compact equipment assemblies.
  • the axis (3) is produced by machining from a round bar made of metallic or polymeric material. This component has a cylindrical fit for insertion in the bearing and bearing retainer.
  • the face of the other end has a slot for the pump propulsion motor shaft.
  • its axial fixation is performed on the bearing's backrest by an elastic ring (15).

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Abstract

A presente invenção refere-se a uma bomba de cavidades progressivas desenvolvida para máquinas dosadoras tintométricas. A proposta apresentada na presente invenção é realizar dosagens de precisão através de bombeamento por apenas um estágio de estator e rotor. A proposta da BCP aprimora a forma construtiva tradicional para a aplicação tintométrica. O objeto realiza dosagens de precisão através de bombeamento por apenas um estágio de estator e rotor, reduzindo o comprimento da bomba, facilitando a fabricação de seus componentes e exigindo menor robustez dos componentes de transmissão e do motor de acionamento. Deste modo, a presente invenção possui um sistema de transmissão simplificado, utiliza geometria especial para fixação do estator, otimiza o mancal do eixo de acionamento e seu elemento de vedação, reduz dimensões dos componentes e utiliza um motor de baixo torque.

Description

BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA TINTOMÉTRICA Campo da invenção
(001 ) A presente invenção refere-se a uma bomba de cavidades progressivas desenvolvida para máquinas dosadoras tintométricas. A proposta apresentada na presente invenção é realizar dosagens de precisão através de bombeamento por apenas um estágio de estator e rotor.
Estado da técnica
(002) A bomba de cavidades progressivas (BCP) é classificada como uma bomba de deslocamento positivo (também chamada de volumétrica). Esta bomba é uma variante da bomba de parafuso único. É constituída de um rotor em forma de parafuso helicoidal e um estator de elastômero, natural ou sintético, especificado em função da composição química e temperatura do fluído a ser bombeado (HENN, 2006, p. 421 e 422).
(003) As BCPs seguem tradicionalmente uma forma construtiva para aplicação em trabalhos de elevado diferencial de pressão e grande vazão, apresentando-se como bombas multiestágios de grandes dimensões, exigindo, consequentemente, alto torque de acionamento, sistemas de transmissão robustos e alto consumo de energia. Seus estatores são geralmente cilíndricos, vulcanizados em camisas metálicas ou montados e necessitam travamento radial. Um exemplo dessa aplicação severa é na indústria petrolífera, para elevação artificial de petróleo de poços profundos.
(004) Contudo, na aplicação tintométrica, a bomba não necessita fornecer elevadas pressões para transferir o colorante concentrado do reservatório da máquina dosadora para o bico, viabilizando seu funcionamento com apenas um estágio, diminuindo o torque de acionamento, resultando em simplificação na transmissão, montagem, capacidade do motor, etc. (005) Como consequências da tradicional forma construtiva pode-se citar problemas como desgaste prematuro, engripamento e baixa eficiência energética.
(006) A patente PI 0501760-2 B1 propõe uma solução mecânica de fixação de estator que se aplica para grandes bombas utilizadas em trabalhos severos, como elevação artificial de petróleo, para solucionar o problema de fixação radial devido ao alto torque. Este modelo preza pela garantia de fixação, ao passo que compromete a manutenção. Já que camisa e estator tornam-se uma peça só e necessitam ser substituídas em conjunto.
(007) A patente PI 0916680-7 A2, desenvolvida com foco em facilidade de manutenção, é aplicável somente a bombas de grande porte, não sendo viável sua forma construtiva para bombas de pequena vazão.
(008) A patente PI 9710835-9 A propõe um conceito de eixo flexível para eliminação da junta universal, em virtude da diferente cinemática entre rotor e eixo. Entretanto, sua aplicação deve ser avaliada de acordo com a característica química do fluido de trabalho, podendo, em alguns casos, não ser compatível.
(009) As soluções propostas no estado da técnica apresentam problemas de desgastes da peça, tais como engripamento e entupimento. Esses problemas além de aumentar o número de manutenções corretivas e preventivas, diminui a vida útil da bomba.
Objetivos da invenção
(0010) A proposta da BCP aprimora a forma construtiva tradicional para a aplicação tintométrica. O objeto realiza dosagens de precisão através de bombeamento por apenas um estágio de estator e rotor, reduzindo o comprimento da bomba, facilitando a fabricação de seus componentes e exigindo menor robustez dos componentes de transmissão e do motor de acionamento. (001 1 ) Deste modo, a presente invenção possui um sistema de transmissão simplificado, utiliza geometria especial para fixação do estator, otimiza o mancai do eixo de acionamento e seu elemento de vedação, reduz dimensões dos componentes e utiliza um motor de baixo torque.
Descrição dos desenhos
(0012) Para melhor compreender os componentes e as características técnicas da bomba de cavidades progressivas desenvolvida para máquinas dosadoras tintométricas, objeto da presente invenção, são apresentadas as figuras anexas, nas quais:
(0013) A figura 1 A representa uma vista em perspectiva da BCP, onde podemos visualizar o corpo superior (9), o moto de passo (1 1 ) e o mancai (1 );
(0014) A figura 1 B representa uma vista em perspectiva explodida da BCP, onde podemos observar todas as partes que compõem a BCP; e
(0015) A figura 2 representa uma vista em corte da BCP.
Descrição detalhada da invenção
(0016) Numa carcaça plástica, chamada de corpo superior (9), obtida por processo de injeção, estão presentes as vias de entrada e saída de fluido. Estas vias possuem alojamentos para inserção forçada de mangueiras plásticas, dispensando o uso de conexões roscadas. Esta carcaça possui alojamento interno em formato cónico, de mais de quatro lados, para montagem do estator (8) e, subsequentemente, cilíndrico com duas pequenas travas radiais para montagem de um espaçador (7). A geometria sextavada do alojamento do estator resulta no seu travamento radial. A fixação das mangueiras se dá pela relação dimensional de interferência entre o diâmetro interno do alojamento e o diâmetro externo da mangueira.
(0017)0 rotor (4) é produzido por usinagem de uma barra redonda de material metálico ou polimérico, dependendo da aplicação. O mesmo possui seção circular de determinada excentricidade ao longo de um passo helicoidal. Seu comprimento helicoidal é de 2 passos, que formam 1 estágio em uma BCP. Nele há um pequeno trecho cilíndrico, não helicoidal, para facilitar a avaliação dimensional da seção circular. No extremo oposto ao início do helicoide, a matéria-prima se mantém com a dimensão bruta da barra redonda. Neste local há um furo transversal de pequeno diâmetro, utilizado para montagem de um pino de um dos lados da junta universal que transmite o torque do eixo. Este componente foi desenvolvido com dimensões compatíveis para trabalhar em com precisão em uma ampla faixa de vazão para produção tintométrica.
(0018)0 estator (8) é fabricado em elastômero injetado ou vulcanizado, de acordo com sua aplicação. Este componente possui formato externo cónico de mais de quatro lados para alojar-se de forma estanque na carcaça, anteriormente descrita, e cavidade interna de formato oblongo helicoidal com geometria concordante a formar o par com o rotor (4). A face frontal possui um anel de seção semicircular, similar a um o’ring, mas acoplado a peça, para compressão e vedação.
(0019)0 mancai (1 ) plástico, produzido por injeção, aloja um retentor (12) comercial de lábio simples, tipo R5, um espaçador (2), um rolamento (13) rígido de esferas e outro espaçador (10), nesta ordem. Este mancai (1 ) possui em um dos lados alojamento interno cilíndrico. No outro lado, apresenta um canal para posicionamento de um o’ring (14), para vedação na montagem contra o corpo superior (9). Também apresenta no mesmo lado, uma saliência circular, como forma de guiar sua montagem no corpo superior (9) e comprimir o copo espaçador (7) do estator.
(0020) Os espaçadores (2,10) utilizados no mancai são plásticos, produzidos por injeção. Um dos espaçadores tem como função separar o retentor do rolamento e, o outro, preencher o espaço entre o rolamento e a face externa do mancai.
(0021 )0 copo espaçador (7) do estator (8), plástico, obtido por injeção, tem como função comprimir o estator ao fundo do corpo superior (9), quando este é montado contra o mancai (1 ). Este espaçador tem formato de um copo com um furo no fundo, este furo da passagem para o fluido a cavidade interna do estator.
(0022) Uma junta universal para transmissão do torque do eixo para o rotor é composta de um anel (5) e dois pinos (6). O anel (5), plástico, obtido pelo processo de injeção, possui dois furos, ortogonais entre si, para deslizamento dos pinos que são fixados no rotor e no eixo. Os pinos (6) metálicos, possuem formato cilíndrico, obtidos por processo de usinagem. A forma construtiva e o dimensional deste conjunto de transmissão foram concebidos de forma a apresentar alta eficiência mecânica para baixo consumo de torque e energia. Além de possibilitar redução do comprimento do conjunto da bomba, tornando-a apta para montagens compactas de equipamentos. (0023)0 eixo (3) é produzido por usinagem a partir de uma barra redonda de material metálico ou polimérico. Este componente possui um ajuste cilíndrico para inserção no rolamento e retentor do mancai. Numa extremidade possui um pequeno furo cilíndrico transversal para fixação de um dos pinos da junta de transmissão. A face do outro extremo apresenta um encaixe para o eixo do motor de propulsão da bomba. Neste mesmo lado, sua fixação axial é realizada no encosto do rolamento por um anel elástico (15).
(0024) O eixo e os espaçadores são necessários para a forma construtiva da presente invenção, a qual possibilita a otimização do mancai do eixo de acionamento e seu elemento de vedação, reduzindo dimensões dos componentes e utilizando um motor de baixo torque.
(0025) Por fim, a bomba é fechada e apertada por meio de parafusos de cabeça cilíndrica com sextavado interno (16).
Lista sinais numéricos:
Mancai da BCP (1 )
Espaçador (2)
Eixo (3)
Rotor (4)
Anel Junta Universal (5)
Pino Junta Universal (6)
Copo Espaçador (7)
Estator (8)
Corpo superior (9)
Espaçador (10)
Motor de passo (1 1 )
Retentor (12)
Rolamento (13)
0’ring (14)
Anel elástico (15)
Parafuso (16)

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA
TINTOMÉTRICA, constituída de um rotor em forma de parafuso helicoidal e um estator de elastômero, caracterizada pelo rotor (4) possuir seção circular de determinada excentricidade ao longo de um passo helicoidal, sendo seu comprimento helicoidal de 2 passos, os quais formam 1 estágio.
2. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA
TINTOMÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada ainda pelo rotor (4) possuir um pequeno trecho cilíndrico, não helicoidal, para facilitar a avaliação dimensional da seção circular.
3. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA
TINTOMÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por possuir uma carcaça plástica, chamada de corpo superior (9), onde estão presentes as vias de entrada e saída de fluido, as quais possuem alojamentos para inserção forçada de mangueiras plásticas, dispensando o uso de conexões roscadas.
4. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA
TINTOMÉTRICA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pela carcaça ainda possuir alojamento interno em formato cónico de mais de quatro lados, para montagem do estator (8) e, subsequentemente, cilíndrico com duas pequenas travas radiais para montagem de um espaçador (7).
5. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA
TINTOMÉTRICA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pela geometria sextavada do alojamento do estator (8) resultar no seu travamento radial.
6. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA
TINTOMÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela junta universal (5) de transmissão que possui forma construtiva e dimensional para apresentar alta eficiência mecânica e baixo consumo de torque e energia, além de possibilitar redução do comprimento do conjunto da bomba, tornando-a apta para montagens compactas de equipamentos
7. BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS PARA INDÚSTRIA TINTOMÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela forma construtiva de montagem traseira, que trava o estator (8) a partir do copo espaçador (2), não utilizando tampa frontal na carcaça.
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