BR0017273B1 - compressor de parafusos. - Google Patents
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Description
"COMPRESSOR DE PARAFUSOS"
Fundamentos da Invenção
Em um compressor de parafusos convencional, um rotor macho eum rotor fêmea, dispostos em respectivas perfurações sobrepostas, paralelas,definidas dentro de um alojamento de rotor, cooperam para aprisionar e comprimirvolumes de gás. Embora os dois rotores sejam do projeto mais comum, três oumais rotores podem cooperar aos pares. Os rotores macho e fêmea diferem em seusperfis de lóbulos e no número de lóbulos e caneluras. Por exemplo, o rotor fêmeapode ter seis lóbulos separados por seis caneluras, enquanto o rotor machoconjugado pode ter cinco lóbulos separados por cinco caneluras. Por conseguinte,cada possível combinação de cooperação de lóbulos e caneluras entre os rotoresocorre em uma base cíclica. A cooperação entre os pares conjugados de rotores éuma combinação de contato deslizante e rolante, a qual pode produzir diferentestaxas de desgaste. Em adição à cooperação aos pares, os rotores cooperam tambémcom o alojamento. Porque todas combinações de contato de rotor têm lugar entrepares conjugados, a vedação/vazamento entre as várias combinações pode serdiferente em virtude de tolerâncias de fabricação e dos padrões de desgaste. Estepode ser o caso mesmo quanto tolerâncias de fabricação são mantidas muitoestreitas, com os custos de fabricação acompanhantes e adequada lubrificação ououtra injeção de líquido é provida para a vedação.
O projeto de perfil de pares conjugados de rotores de parafusostem que ser provido com uma folga na maioria das seções. A necessidade deprover uma folga é o resultado de um número de fatores, incluindo: dilataçãotérmica dos rotores como um resultado de gás sendo aquecido no processo decompressão; deflexão dos rotores em virtude de carregamento de pressão queresulta do processo de compressão; tolerâncias na estrutura de mancai de suporte etolerâncias de usinagem nos rotores, as quais podem algumas vezes levar ainterferência; e tolerâncias de usinagem nos perfis de rotor propriamente ditos, asquais também podem levar a interferência. Superposta a estes fatores é a existênciade gradientes de pressão e térmicos à medida em que a pressão e temperatura seelevam quando passam da sução para a descarga.
O gradiente de pressão é normalmente em uma direção durante aoperação, de modo que pressão de fluido tende a forçar os rotores para o lado desucção. Os rotores são convencionalmente montados em mancais em cadaextremidade, de modo a prover tanto restrição radial quanto axial. A folga deextremidade dos rotores, no lado de descarga, é crítico para a vedação e a pressãode fluido tende a forcar a folga a se abrir.
Existem certas seções do rotor, tais como a banda de contato, ondefolga zero é mantida entre os rotores. O segmento de rotor definindo a banda decontato é a região onde o torque requerido é transmitido entre os rotores. A cargaentre os rotores é diferente para um acionamento de rotor macho e para umacionamento de rotor fêmea. Em um acionamento macho, o carregamento entre osrotores pode ser equivalente a cerca de 10% do torque total do compressor,enquanto que no caso de acionamento de rotor fêmea o carregamento entre osrotores pode ser equivalente a cerca de 90% do torque total do compressor. Estessegmentos são convencionalmente posicionados próximos aos círculos de passodos rotores, que é o local de mesma velocidade de rotação nos rotores, resultandoem contato de rolamento e, deste modo, em reduzido contato deslizante ou semcontato deslizante e, assim, menos desgaste.
Uma substancial quantidade de folga de marcha final tem que sermantida na extremidade de descarga de compressores de parafusos, a fim deprevenir falha por gripagem do rotor. A gripagem pode ser causada pela expansãotérmica do rotor ou por contatos intermitentes entre os rotores e a caixa terminal,em virtude de pulsações de pressão no processo de compressão.
Sumário da Invenção
É um objetivo desta invenção reduzir vazamento em umcompressor de parafusos.
E um outro objetivo desta invenção relaxar tolerâncias deusinagem, sem aumentar o vazamento.
É ainda um objetivo desta invenção reduzir as exigências devedação por óleo em compressores de parafusos.
E um objetivo adicional desta invenção minimizar a perda depotência devida a fricção e prevenir desgaste. Estes objetivos, e outros, como setornará aparente a seguir, são alcançados pela presente invenção.
De acordo com a presente invenção, um revestimento é aplicadoem uma ou mais porções dos rotores de parafusos e/ou às superfícies de perfuraçãointernas do alojamento.
Em um aspecto da presente invenção, um material de baixafricção, resistente a desgaste, pode ser depositado sobre a ponta do rotor, onde osrotores podem ter contato nominal com o alojamento bem como contato normalum com o outro. Os rotores cooperam um com o outro, aos pares, bem como como alojamento. Embora estreitas tolerâncias de usinagem reduzam o vazamento emvirtude destas cooperações entre os rotores propriamente ditos e também com oalojamento, outras coisas podem ser feitas em conjunção com as estreitastolerâncias ou ao invés das estreitas tolerâncias. Exemplos de revestimentosadequados de baixa fricção, resistentes a desgaste, incluem o revestimento decarbono similar a diamante (DLC), de camadas múltiplas, nitreto de titânio ououtros revestimentos de material simples, de nitreto de camada simples, bem comorevestimento de carboneto e de cerâmica tendo, ambos, elevada resistência adesgaste e um baixo coeficiente de fricção.
Em um outro aspecto da presente invenção, os revestimentosconformáveis podem ser dispostos sobre as superfícies de perfuração internas doalojamento e/ou nos vales de rotor. Exemplos de revestimentos conformados,adequados, incluem o revestimento de fosfato de ferro, o revestimento de fosfatode magnésio, amalgamas de polímero de níquel e outros materiais que cedemelasticamente quando uma força é aplicada. A colocação de revestimentosconformáveis sobre as superfícies de perfuração internas do alojamento e/ou nosvales de rotor podem reduzir o vazamento e as exigências de selagem a óleo,enquanto relaxa as tolerâncias de fabricação.
Uma superfície revestida ou de outra maneira equivalentementetratada com um tal material de baixa fricção, resistente a desgaste, é maiscomplacente para o contato deslizante do que é uma superfície não tratada. Existetambém um efeito sinergético, associado com um tal tratamento, na medida emque a superfície revestida tem uma maior tolerância ao contato deslizante. Deacordo com um outro aspecto da presente invenção, isto permite que a banda decontato seja movida mais afastadamente do círculo de passo, desta maneirareduzindo ainda mais a força de contato e reduzindo o potencial total de desgastesobre o rotor tratado com uma banda de contato recolocada. A localização dabanda de contato próxima aos círculos de passo dos rotores é a práticaconvencional, como notado, e representa o desejo de se ter contato de rolamentoquase puro.
A localização da banda de contato é uma característica de projeto epode ser removida do círculo de passo ou, de outra maneira, disposta onde fordesejado. Por meio da movimentação da banda de contato afastada do círculo depasso, o carregamento entre os rotores pode ser reduzido e isto é particularmenteimportante para um acionamento de rotor fêmea. A medida em que o contatocomeçar a se mover afastando-se do círculo de passo, existe mais contatodeslizante do que o puro contato de rolamento. A área de perfuração de sopro, aqual se refere à área de vazamento definida pelas pontas de rotor emengranzamento e a borda do cúspide entre perfurações adjacentes de umcompressor de parafusos, somente pode ser reduzida para zero, se os respectivoscírculos de passo correspondem ao círculo de raiz do rotor macho e ao círculo depontas do rotor fêmea. Isto necessariamente requer que a banda de contato sejalocalizada afastada do círculo de passo em resposta a compromissos entre o ângulode transmissão, a pressão de contato, a usinabilidade do raio de raiz do rotormacho, e a quantidade de deslizamento que irá ter lugar.A penalidade para manutenção desta grande folga de marchaterminal é de elevar o vazamento desde a zona de baixa pressão para a zona debaixa pressão. De acordo com um outro aspecto da presente invenção, por meio daaplicação de um revestimento resistente a desgaste, tendo um baixo coeficiente defricção na face terminal dos rotores ou na superfície da carcaça terminal, ou pormeio da inserção de uma peça revestida entre as extremidades de rotor e a carcaçaterminal, a folga de marcha terminal pode ser reduzida pelo menos por 50%. Aperformance do compressor é melhorada em virtude do reduzida vazamento naextremidade de descarga.
Breve Descrição dos Desenhos
Para uma melhor compreensão da presente invenção, referênciadeve ser agora feita à seguinte descrição detalhada de várias formas de realizaçãoda mesma, tomadas em conjunção com os desenhos acompanhantes, nos quais:
a figura 1 é uma seção transversal através de um compressor deparafusos;
a figura 2 é uma vista parcialmente secionada da compressor deparafusos da figura 1;
a figura 3 é uma vista ampliada de uma porção da extremidade dedescarga da compressor de parafusos da figura 1;
a figura 4 é uma porção ampliada da figura 1, com os váriosrevestimentos da presente invenção ilustrados;
a figura 5 é uma vista parcialmente secionada, mostrando umrevestimento de DLC sobre as extremidades de rotor;
a figura 6 é uma vista parcialmente secionada, mostrando umrevestimento de DLC sobre a carcaça de descarga; e
a figura 7 é uma vista parcialmente secionada, mostrando um discorevestido com DLC;
a figura 8 é uma vista ampliada de um revestimento de DLC; e
a figura 9 é uma vista em perspectiva de uma seção axial do par derotores da figura 1.
Descrição das Formas de Realização Preferidas
Na figura 1 está ilustrada um compressor de parafusos 10, talcomo um compressor de parafusos, tendo um alojamento ou carcaça de rotor 12com perfurações sobrepostas 12-1 e 12-2, dispostas dentro dele. O rotor fêmea 14tendo um círculo de passo, Pp, é disposto na perfuração 12-1. O rotor macho 16tendo um círculo de passo, PM, é disposto na perfuração 12-2. Os eixosgeométricos paralelos, indicados pelos pontos AeB, são perpendiculares ao planoda figura 1 e separados por uma distância igual à soma do raio, Rf, do círculo depasso, Pp, do rotor fêmea 14 e do raio de passo, Rm, do círculo de passo, PM, dorotor macho 16. O eixo geométrico indicado pelo ponto A é o eixo geométrico derotação do rotor fêmea 14 e geralmente do centro do perfuração 12-1, cujodiâmetro geralmente corresponde ao diâmetro do círculo de ponta, TF, do rotorfêmea 14.
Similarmente, o eixo geométrico indicado pelo ponto B é o eixogeométrico de rotação do rotor macho 16 e geralmente do centro de perfuração 12-2, cujo diâmetro geralmente corresponde ao diâmetro do círculo de ponta, TM, dorotor macho 16. Tipicamente, as linhas de centro do rotor e do perfuração sãodeslocadas por uma quantidade muito pequena para compensar folga e deflexão.Negligenciando as folgas de operação, a extensão do perfuração 12-1 através daporção sobreposta com o perfuração 12-2 irá interceptar a linha A-B no ponto detangente com o círculo de raiz, Rmr5 do rotor macho 16. Similarmente, a extensãoda perfuração 12-2 através da porção sobreposta com o perfuração 12-1 iráinterceptar a linha A-B no ponto de tangente com o círculo de raiz, Rfr, do rotorfêmea 14, e este ponto comum é rotulado como Fi em relação ao rotor fêmea 14, eM] em relação ao rotor macho 16.
Nas formas de realização ilustradas, o rotor fêmea 14 tem seissaliências ou pontas, 14-1, separadas por seis fendas ou caneluras, 14-2, enquantoo rotor macho 16 tem cinco saliências ou pontas, 16-1, separadas por cinco fendasou caneluras 16-2. Por conseguinte, a velocidade de rotação do rotor 16 será 6/5 ou120% daquela do rotor 14. Tanto o rotor fêmea 14 quanto o rotor macho 16 podepodem ser conectados a um motor primário (não ilustrado) e servem como o rotorde acionamento. Outras combinações do número de saliências fêmeas e machos efendas também podem ser usadas.
Com referência agora às figuras 2 e 3, o rotor 14 tem uma porçãode eixo 14-3 com um ressalto 4 formado entre a porção de eixo 14-3 e o rotor 14.A porção de eixo 14-3 do rotor 14 é suportada na carcaça de saída ou descarga 13por um, ou mais, mancal(is) 30. Similarmente, o rotor 16 tem uma porção de eixo16-3 com um ressalto 16-4 formado entre a porção de eixo 16-3 e o rotor 16. Aporção de eixo 16-3 do rotor 16 é suportada na carcaça de saída 13 por meio deum, ou mais, mancal(is) 31. As porções de eixo 14-5 e 16-5, do lado de sucção,dos rotores 14 e 16, respectivamente, são suportantemente recebidas na carcaça derotor 12 por meio de mancais de rolos 32 e 33, respectivamente.
Na operação, na qualidade de um compressor de refrigerante,assumindo que o rotor macho 16 é o rotor de acionamento, o rotor 16 giraengajando no rotor 14 e causando sua rotação. A cooperação dos rotores de emrotação 16 e 14, dispostos dentro das respectivas perfurações 12-1 e 12-2, puxa gásrefrigerante através da entrada de sucção 18 para dentro das fendas dos rotores 16e 14, os quais engajam para aprisionar e comprimir volumes de gás e fornecer ogás comprimido quente para a porta de descarga 19. O gás aprisionado, atuandosobre os rotores 14 e 16, os quais são movíveis, tende a separar as extremidades dedescarga 14-4 e 14-5 das superfícies de carcaça de saída 13-1 para criar/aumentar apassagem de vazamento. O movimento dos rotores 14 e 16 em afastamento àsuperfície de carcaça de saída 13-1 resulta no movimento dos rotores 14 e 16 rumoou para dentro do engajamento com a superfície 12-3 da carcaça de rotor 12 pormeio dos ressaltos 14-6 e 16-6, respectivamente. Em adição ao percurso devazamento entre os ressaltos de rotor 14-4 e 16-4 e a superfície de carcaça de saída13-1, o vazamento pode ocorrer através do contato linear entre os rotores 14 e 16bem como entre as pontas de saliências 14-1 e 16-1, respectivamente, eperfurações 12-1 e 12-2, respectivamente. O vazamento através do contato entresaliências/linha pode ser reduzido por meio do uso de óleo para a vedação ouselagem, mas o óleo gera uma perda por arraste viscoso entre as partes móveis etem que ser removido do gás de descarga.
Como notado anteriormente, a banda de contato é definida maispreferivelmente por meio de folga zero do que por meio de local. A figura 4mostra uma porção ampliada da figura 1, para ilustrar a relocalização da banda decontato de acordo com um aspecto da presente invenção. A banda de contato serialocalizada dentro do círculo de passo, PF, do rotor fêmea 14, o qual está na regiãoda ponta fêmea 14-1 e fora do círculo de passo, PM, do rotor macho 16, o qual estána região da raiz macho 16-2.
Para um compressor isento de óleo, as pontas do rotor têm que serlevadas para tão próximo quanto possível das perfurações de alojamento 12-1 e12-2, a fim de reduzir o vazamento, uma vez que óleo não pode ser usado para avedação ou selagem. O desgaste e a perda de potência devidos à fricção entre aspontas de rotor e o alojamento serão excessivos, se ocorrer contato entre os rotorese alojamento. Mesmo onde os rotores são lubrificados, pode existir vazamentoatravés do selo de óleo e o óleo tem que ser removido do refrigerante paraminimizar sua circulação através do sistema de refrigeração, com sua deterioraçãoda eficiência de transferência térmica, bem como para manter o óleo necessáriopara a lubrificação no compressor.
De acordo com um aspecto da presente invenção, um revestimentode baixa fricção, resistente a desgaste, é depositado sobre as pontas ou saliências14-1 e 16-1 dos rotores 14 e 16, respectivamente. Um adequado revestimento debaixa fricção, resistente a desgaste, é um revestimento de carbono similar adiamante (DLC), de baixa fricção, do tipo usado localmente sobre a superfície deponta da palheta em um compressor rotativo, como revelado na patente US no.5.672.054, comumente cedido. Um tal revestimento de DLC serve para superar asdificuldades de lubrificação, associadas com o uso de novas combinações de óleoe refrigerante. O revestimento de DLC é tanto lubrificante quanto tambémresistente a desgaste, na medida em que, como discutido em detalhe na patente USno. 5.672.054, cuja toda descrição é aqui incorporada para referência, ele é feito decamadas que se alternam de um material duro, tal como carboneto de tungstênio, ecarbono amorfo.
Exemplos de outros revestimentos de baixa fricção, resistentes adesgaste, incluem nitreto de titânio e outros revestimentos de nitreto de materialsimples, de camada simples ou única, bem como revestimentos de carboneto e decerâmica tendo, ambos, elevada resistência a desgaste e um baixo coeficiente defricção. A presença de um revestimento de baixa fricção, resistente a desgaste,sobre as pontas ou nos vales das saliências dos respectivos rotores provê váriasvantagens. Em primeiro lugar, é possível a operação isenta de óleo ou comreduzido óleo em relação aos rotores, sem excessivo desgaste ou fricção. Emsegundo lugar, as tolerâncias de usinagem podem ser relaxadas, porque algumcontato com as perfurações de rotor pode ser tolerado. Em terceiro lugar, anecessidade para selagem a óleo entre os rotores e as perfurações de rotor pode serreduzida ou eliminada, por causa da possibilidade de funcionamento com menosfolga entre as pontas de rotor ou saliências 14-1 e 16-1 e perfurações de rotor 12-1e 12-2, respectivamente.
Visto que a banda de contato sobre o rotor fêmea 14 está dispostapróxima à ponta, um revestimento de DLC único pode ser usado para cobrir ambasáreas de interesse sobre o rotor fêmea em virtude de seu estreito espaçamento, ousobreposição, dependendo dos perfis de rotor. O revestimento de DLC único ousimples 40 sobre o rotor fêmea é preferido por facilidade de produção, comoilustrado na figura 4. A porção 40-1 do revestimento 40 corresponde à banda decontato e a porção 40-2 corresponde à porção de ponta ou saliência 14-2 que passaa ficar mais próxima à perfuração 12-1. Os correspondentes revestimentos de DLCsobre o rotor macho 16 são mais amplamente separados com o revestimento 60depositado sobre as pontas de rotor e o revestimento 6 depositado próximo daporção de raiz correspondendo à banda de contato.
Similarmente às pontas de rotor, as extremidades de rotor operamcom uma folga que constitui um percurso de vazamento. De acordo com um outroaspecto da presente invenção, um revestimento de DLC pode ser aplicado nasfaces terminais de descarga dos rotores, nas superfícies confrontantes da carcaçade descarga 13 ou sobre um inserto revestido, disposto entre os rotores e a carcaçade descarga 13, por meio do que a folga de funcionamento, e, deste modo, opercurso de vazamento, é reduzida. Com referência agora à figura 5, umrevestimento de DLC é aplicado à extremidade de descarga dos rotores 14 e 16.Especificamente, o revestimento de DLC 42 é aplicado na extremidade dedescarga do rotor fêmea 14 e o revestimento de DLC 62 é aplicado na extremidadede descarga do rotor macho 16. Visto que os revestimentos de DLC 42 e 62 podemacomodar algum contato com a superfície de carcaça de saída 13-1, uma reduzidafolga de funcionamento final pode ser empregada, com reduzido vazamento. Comreferência agora à figura 6, o revestimento de DLC 82 é aplicado maispreferentemente na superfície de carcaça 13-1 do que nas extremidades dos rotores14 e 16, como na forma de realização da figura 5. No forma de realização da figura7, um elemento separado 90 é disposto entre as extremidades dos rotores 14 e 16 esuperfície de carcaça 13-1. Visto que o elemento 90 se conforma à seçãotransversal 12-1 e 12-2, ele não é capaz de rotação e o movimento relativo seráentre o elemento 90 e as extremidades de descarga dos rotores 14 e 16. Porconseguinte, somente a superfície do elemento 90, voltada para os rotores 14 e 16,precisa ser provida com um revestimento de DLC 92. Nas formas de realizaçãodas figuras 5-7 um revestimento está disposto entre as extremidades dos rotores14 e 16 e a superfície 13-1, de modo que sua capacidade de lubrifícação protegeráos rotores e carcaça contra o desgaste durante um contato ocasional, deste modopermitindo o fechamento da folga de marcha ou funcionamento terminal eestreitamento do percurso de vazamento.Com referência agora à figura 8, uma seção transversalgrandemente exagerada, dos revestimentos 40, 42, 60, 61, 82 e 92 está ilustrada,embora ela seja designada com 40. O revestimento de DLC 40 é feito de camadasduplas duras 40' e camadas duplas lubrificantes 40". A amplitude de espessura decamada dupla é de 1 a 20 nm, com a amplitude preferida sendo entre 5 e 10 nm.
De acordo com um outro aspecto da presente invenção, umrevestimento conformável, o qual é passível de desgaste ou extrusado em forma,pode ser aplicado aos rotores 14 e 16 e/ou às perfurações 21-1 e 12-2. Embora ostodo o rotor e perfurações possam ser revestidos, um revestimento localizado nascaneluras ou vales de rotor 14-2 e 16-2, respectivamente, como ilustrado na figura9, provê essencialmente todos os benefícios relativos à cooperação entre osrotores. Embora a banda de contato seja uma área desprovida de folga e requeira ausinagem precisa, as tolerâncias podem ser relaxadas em relação à cooperaçãoentre o remanescente dos perfis de lóbulo de rotor. Adicionalmente, o revestimentoconformável das perfurações 12-1 e 12-2 acomoda a flexão dos rotores 14 e 16durante a operação atual para manter a função de selagem ou vedação. Comreferência às figuras 4 e 9, os vales de rotor fêmea podem ser providos comrevestimento o conformável 44 e os vales de rotor macho podem ser providos comrevestimento conformável 64. Adicionalmente, os perfurações 12-1 e 12-2 podemser providos com revestimento conformável 84.
Vários revestimentos plasticamente conformáveis podem serusados, incluindo, por exemplo, fosfato de ferro, fosfato de magnésio, amálgamasde polímero de níquel, ligas de níquel-zinco, ligas de silício alumínio compoliéster, e ligas de silício alumínio com polimetilmetacrilato (PMMA). Também,processos de revestimento convencionais, incluindo, por exemplo, pulverizaçãotérmica, deposição de vapor física (PVD), deposição de vapor química (CVD), ouqualquer deposição aquosa adequada, podem ser usados para tratar as superfíciesda compressor de parafusos da presente invenção.
Embora a presente invenção tenha sido especificamente ilustrada edescrita em termos de compressor de parafusos de rotor geminado, é aplicável emcompressores de parafusos empregando três ou mais rotores. E portanto pretendidoque a presente invenção deva ser limitada somente pelo escopo das reivindicaçõesanexas.
Claims (2)
1. Compressor de parafusos (10), compreendendo: um alojamentode rotor (12) tendo um par de perfurações (12-1, 12-2) sobrepostas, paralelas; umpar conjugado de rotores (14, 16) que se interengranzam, dispostos nasperfurações (12-1, 12-2), com cada um dos rotores (14, 16) tendo lóbuloshelicoidais tendo porções de ponta (14-1, 16-2) radialmente para fora e porções deraiz (14-2, 16-2) que intervém radialmente para dentro; e, uma carcaça de saídadisposta em uma extremidade de descarga do alojamento de rotor (12), com cadaum dos rotores (14, 16) tendo uma extremidade de descarga voltada para a carcaçade saída, caracterizado pelo fato de que compreende um revestimentoplasticamente conformável (44) sobre pelo menos uma das perfurações (12-1, 12-2) ou dos lóbulos ou disposto entre as extremidades de descarga dos rotores (14,16) e a carcaça de saída, sendo tal revestimento plasticamente conformável (44)selecionado dentre fosfato de ferro, fosfato de magnésio, amálgamas de polímerode níquel, ligas de níquel-zinco, ligas de silício alumínio com poliéster, e ligas desilício alumínio com polimetilmetacrilato (PMMA).
2. Compressor de parafusos (10) de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o revestimento conformável (44) é disposto sobre asporções de raiz (14-2,16-2) dos lóbulos dos rotores (14,16).
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