BR112012000602A2

BR112012000602A2 - compressor de parafuso seco

Info

Publication number: BR112012000602A2
Application number: BR112012000602-9A
Authority: BR
Inventors: Paolo Cavatorta; Umberto Tomei
Original assignee: ROBUSCHI S.p.A
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2020-08-11
Also published as: EP2452074A2; JP5647239B2; DK2452074T3; AU2010269955A1; HK1170286A1; KR101799411B1; KR20120065999A; CN102575673A; ITPR20090054A1; CN102575673B; WO2011004257A2; JP2012533016A; EP2452074B1; US20120201708A1; RU2547211C2; WO2011004257A3; AU2016216518A1; RU2012104612A; PL2452074T3; ES2429526T3

Abstract

Compressor de parafuso seco. Descreve-se um compressor de parafuso seco (1) tendo um rotor macho (2) que gira a uma velocidade periférica inferior a 80 m/s. O compressor (1) compreende um corpo invólucro (4) tendo uma entrada (10) para a ingestão de um fluido gasoso, e pelo menos uma saída (11) para o fluido comprimido: pelo menos um rotor macho (2) e pelo menos um rotor fêmea (3) acoplados juntos, os ditos rotores (2, 3) estando dispostos no interior do dito corpo de alojamento (4). No compressor (1), a relação entre o comprimento (Lm) e o diâmetro externo do rotor macho (2) é maior do que, ou igual a, dois, e o ângulo de espiral (Fi) do rotor macho (2) é menor do que, ou igual a, 300°.

Description

Ü Compressordeparafusoseco.

CAMPO TÉCNICO A presente invenção refere-se a um compressor de parafuso seco para um gás, particularmente ar, para aplicações que usam pressão (por exemplo, 5 na condução de granulados ou pós, ou ncj tratamento de água, onde grandes quantidades de ar devem ser conduzidas para iniciar e ajudar as reações aeróbicas) e em aplicações que usam vácuos (por exemplo, em sistemas de exaustão de gás, fumaça ou vapor). Em particular, o presente compressor de parafuso seco é utilizado em aplicações com baixas pressões diferenciais, compreendidas entre 1 bar e 3 bar, e sob 10 vácuo, a uma pressão de limiar absoluta de 150 mbar.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Como se sabe, aplicações que usam baixa pressão diferencial (inferior a 1 bar) utilizam compressores de lóbulo. Eles são compressores em que dois rotores de lóbulo (geralmente com dois ou três IÓbulos) tendo eixos paralelos " 15 acQp|ados juntos giram sincronizadamente em sentidos opostos. No entanto, estes compressores de lóbulo, apesar de serem estruturalmente simples, econômicos e capazes de garantir um bom fluxo, têm uma fraca efiçiênçia termodinâmica. Por isso, foi projetado um compressor de parafuso que 20 podia trabalhar sob pressão baixa, com um alto fluxo e uma eficiência termodinâmica caracteristica de uma máquina de compressão interna, mas cujas características estruturais eram tão semelhantes quanto possivel às de um compressor de Ióbula Como se sabe, um compressor de parafuso normal, sob altas pressões, compreende pelo menos um rotor macho e pelo menos um retor fêmea, 25 acoplados juntos, durante a rotação, em torno de respectivos eixos, alojados dentro de um corpo de alojamento. Cada um dos dois rotores possui saliências em forma de parafuso que se acoplam com sulcos correspondentes, em forma de parafuso, do outro rotor. Ambos qs rotores macho e fêmea apresentam, na seção transversal, um número pré-determinado de dentes correspondentes às suas saliências, e um número pré- 30 determinado de vales correspondentes aos seus sulcos. O corpo de alojamento tem uma entrada para a ingestão de gás e uma salda (também chamada de "saída de distribuição") para o gás comprimido. O gás que entra é comprimido entre os dois rotores móveis e chega à salda com a pressão solicitada. Além disso, sabe-se que os compressores de parafuso 35 seco, referidos geralmente como "sem óleo", ao contrário dos compressores de injeção - de óleo, são largamente usados em aplicações onde c) nível de contaminantes deve ser mantido abaixo de um determinado limite percentual (geralmente muito baixo). Nqs últimos anos, alguns fabricantes têm proposto compressores de parafuso seco para pressões diferenciais compreendidas entre 3 e 10 bar, reajustando assim a tecnologia de compressores de parafuso com injeçàj de óleo para aplicações sob altas pressões (superiores a 10 bar). No entanto, a fabricação de tais compressores de parafuso 5 seco é bastante sofisticada e cara, uma vez que deve levar em conta as consideráveis tensões mecânicas e térmicas às quais os rotores estão sujeitos. Em particular, para evitar uma excessiva flexão sob carga, a relação entre o comprimento e o diâmetro externo do rotor macho está compreendida geralmente entre 1,5 e 1,8; este requisito limita fortemente a capacidade do compressor e requer a inserção, na estrutura do lCl compressor, de um mecanismo multiplicador, a fim de iniciar o giro dos rotores a uma alta vebcidade periférica, usualmente de 150 m/s. Alterando-se as saídas de distribuição, os compressores acima citados também podem ser usados sob pressões diferenciais compreendidas entre 1 bar e 3 bar. No entanto, a desvantagem destes compressores de baixa pressão é " 15 representada pelo fato de eles terem a mesma complexidade estrutural dos compressores de alta pressão.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO Assim, o objetivo da tarefa técnica da presente invenção é propor um compressor de parafuso seco que pode trabalhar sob baixa pressão, com um 20 alto fluxo e uma eficiência termodinâmica típica deste tipo de máquina. Em particular, q objetivo principal da presente invenção é prover um compressor de parafuso sècc) com um alto fluxo e sob baixas pressões diferenciais (compreendidas entre 1 e 3 bar), que é estruturalmente simples, econõmico e . fácil de manter. 25 Além disso, um outro objetivo da presente invenção é prover um compressor de parafuso seco, que é também adequado para aplicações usando vácuo, até um limite de 150 mbar de pressão absoluta. A tarefa técnica definida e qs objetos e$pecjfiçados são substancialmente alcançados por meio de um compressor de parafuso seco 30 compreendendo as características técnicas alegadas na reivindicação independente 1, e nas reivindicações adicionais dependentes da dita reivindicação 1.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Outras características e vantagens da presente invenção se tornarão mais evidentes a partir da seguinte descrição aproximada, e portanto não 35 restritiva, de um compressor de parafuso seco, conforme ilustrado nos desenhos anexados, onde: - A figura 1 ilustra uma vista em corte transversal longitudinal de um compressor de parafuso seco de acordo com a presente invenção; r

- A figura 2 ilustra uma vista tridimensional, em corte longitudinal, de alguns detalhes que pertencem ao compressor de parafuso seco, pertencendo, por sua vez, ao compressor de parafuso seco da figura 1; - A figura 3 ilustra uma vista em corte transversal (fora de escala) dos rotores usados no 5 compressor de acordo com as figuras 1, 2; e - A figura 4 ilustra uma vista tridimensional lateral esquemática (fora de escala) de um rotor macho usado no compressor de parafuso seco de acordo com a invenção.

FORMA DE INCORPORAÇÃO PREFERIDA DA INVENÇÃO Com referência às figuras anexas, 1 indica um cQmpressor 10 de parafuso seco para gás, particularmente ar, de acordo com a invenção. O compressor 1 pode ser utilizado tanto sob pressão como sob vácuo. O compressor 1 compreende pelo menos um rotor macho 2 e pelo menos um rotor fêmea 3, acoplados juntos (figuras 1, 2, 3). ' 15 A forma de iµorporação aqui descrita e ilustrada provê um único rotor macho 2 e um único rotor fêmea 3, alojados dentro de um único corpo de alojamento 4. Em particular, este corpo de alojamento 4 é obtido pelo acoplamento de dois cilindros comunicantes (não mo$tradQs), de modo que eles definem 20 uma Única cavidade 5 que aloja os rotores 2, 3. Uma forma de incorporação alternativa (não mostrada) provê uma pluralidade de pares conjugados de rotores macho 2 e rotores fêmeas 3. Como mostrado na figura 1, o rotor fêmea 3 está acoplado a um eixo 17 (tendo um eixo de rotação (01)), enquanto q rotor macho 2 está acoplado a 25 um eixo 18 (tendo um eixo de rotação (02)). Em particular, o primeiro eixo de rotação (01) está disposto a uma certa distância (t) (geralmente conhecida como "distância do centro") do segundo eixo de rotação (02). O primeiro eixo de rotação (01) e o segundo eixo de rotação (02) são paralelos entre si. Cada um dos citados rotores 2, 3 tem saliências em forma 30 de parafuso acopladas com sulcos em forma de parafuso, formados entre saliêmias correspondentes em forma de parafuso do outro rotor 2, 3. Desta maneira, na vista em corte transversal (figura 3), o rotor macho 2 apresenta lóbulos 6 (ou dentes) e vales 7 acoplados çom vales 8 e lóbulos (ou dentes) 9 correspondentes do rotor fêmea 3. Além disso, a figura 3 mostra alguns parâmetros 35 dimensionais principais que caracterizam 0$ perfis dos rotores 2, 3. Em particular, pode ser vista uma circunferência externa (Cef) do rotor fêmea 3, e uma circunferência externa (Cem) do rotor macho 2. Além do mais, conforme mostrado na figura 1, o comprimento (Lm) do rotor macho 2 corresponde ao comprimento (Lf) do rotor fêmea 3. Perfis conjugados idênticos aos mostrados na figura 3 têm sido descritos e reivindicados no pedido de patente internacional PCT/IB2010/051416 em . nome do mesmo Requerente, cujo conteúdo deve ser considerado como parte integrante 5 da presente descrição detalhada, uma vez que, em combinação com os elementos geométricos descritos a seguir, eles permitem maximizar a capacidade do compressor e minimizar os vazamentos de gás que normalmente ocorrem nas áreas de acoplamento entre os rotores, e entre os rotores e seu alojamento.

De fato, no escopo da presente invenção e com referência 10 especial à figura 4, o "ângulo de espiral" (cp) é formado pelo ângulo de uma hélice genérica 40 (descrita pela ponta de um dente genérico) compreendida entre um segmento OA, Iigando o eixo (02) do rotor macho 2 à hélice 40 em um primeiro plano de extremidade (TII) do rotor 2, e um segmento O'B', também Iigando o eixo (02) à hélice 40 em um segundo pIano de extremidade (112) do rotor 2, oposto ao primeiro pIano de ' 15 extremidade (IJII ). Conforme também mostrado na figura 4, o rotor 2 compreende três hélices 30, 40, 50, paralelas entre si, descritas pelas pontas dos respectivos dentes.

Além disso, o termo "comprimento (Lm)" do rotor macho 2 20 define a distância entre os dois pIanos de extremidade (IJII), (112); o termo "passo (Pz)" entre duas hélices 30, 40 define a distância entre o ponto B e o ponto Bl; e o termo "ângulo da hélice" (V) define o ângulo formado entre a tangente (r) à hélice 40 em

, qualquer ponto (P) e o eixo (02) do rotor macho 2, De maneira inventiva, verificou-se que a relação entre q 25 comprimento (Lm) e q diâmetro externo (Dm) do rotor macho 2 (ver também a figura 4) deve ser superior ou igual a 2, para maximizar a capacidade do compressor e, portanto, juntamente com os perfis conjugados dos lóbulos dos rotores, garantir altos fluxos de gás.

Preferencialmente, a dita relação (Lm) / (Dm) está compreendida entre 2 e 3. Neste contexto, q diâmetro exterrto (Dm) significa o diâmetro da circunferência externa (Cem) 30 do rotor macho 2 (figura 3). Além do mais, verificou-se que, a fim de maximizar a capacidade do compressor, se as outras dimensões geométricas forem iguais, o valor máximo do àngulo de espiral (cp) deve ser de 300": na verdade, aumentando-se o valor do ângulo de espiral (cp), com um mesmo comprimento (Lm), um mesmo diâmetro (Dm) e um 35 mesmo perfil do dente do rotor macho 2, a sQbrepQ$içãQ entre 0$ dentes dos dois rotores 2, 3, conseqüentemente, aumenta, acompanhada por uma redução da capacidade total do compressor 1. Além disso, os valores (Lm), (Pz) e os ângubs ('P)ú (V) estão geometricamente relacionados entre si.

Portanto, é possivel determinar e projetar os valores ótimos dos parâmetros (Lm), (Dm), (Pz) e (V), a fim de defiriir um valor ideal do "ângulo de espiral" (cp), resultando no máximo fluxo de gás com velocidade periférica reduzida do . 5 rotor macho 2, sob pressão reduzida.

Preferencialmente, o número de lóbulos 6 do rotor macho 2 é diferente do número de lóbulos 9 do rotor fêmea 3. Em particular, o número de lóbulos 6 do rotor macho 2 é menor do que o número de lóbdos 9 do rotor fêmea 3 em pelo menos uma unidade.

Por exemplo, na forma de incorporação aqui descrita e ilustrada, o 10 número de Ióbulos 6 do rotor macho 2 correspcmde a três, enquanto o número de lóbulos 9 do rotor fêmea 3 corresponde a cinco.

Em uma outra modalidade (não mostrado), q número de lóbubs 6 do rotor macho 2 corresponde a quatro, enquanto o número de lóbubs 9 do rotor fêmea 3 corresponde a seis.

Os dois rotores 2, 3 sãtj mantidos na posição reciproca por t 15 meio do mecanismo de sincronização formado por duas rodas dentadas 20a e 2Qb, de tipo conhecido (figura 1). Obviamente, a fim de permitir um funcionamento correto do compressor 1, a relação de transmissão entre as engrenagens de $incrQnjzação 20a, 20b deve ser igual à relação existente entre c) número de dentes dos dois Totores 2, 3. 20 Vantajosamente, o eixo de acionamento é c) eixe 17 ao qual q rotor fêmea 3 está acoplado, porque é aquele com mais dentes, de modo que cada rotação do eixo 17 corresponde ao preenchimento de um número maior de lacunas e, em l suma, a um maior volume conduzido pelo compressor 1. Conforme mostrado em mais detalhes na figura 2, q corpo 25 de abjamento 4 tem uma entrada 10 para a ingestão de um fluido gasoso, fluindo de acordo com a direção indicada pela seta (Fl), e pelo menos uma saida 11 (ou salda de distribuição) para o fluido comprimido, fluindo de acordo com a direção indicada pela seta (F2). A mencionada saída 11 define uma abertura 12 formada no corpo de alojamento 4. O compressor 1 utiliza rolamentos de tipo já conhecido.

Em 30 particular, as cargas radiais são sustentadas por um primeiro grupo 19a de rolamentos de esfera radiais dispostos próximo à entrada 10, e por um segundo grupo 19b de rolamentos de esfera cihndricos dispostos próximo à saida 11. As cargas axiais, por outro lado, são sustentadas por um terceiro grupo 19C de rolamentos de esfera de contato obliquo dispostos ao lado dos rdamentos do segundo grupo 19b. 35 Na forma de inçQrporaçãQ mostrada especialmente na figura 1, q cQmpre$$Qr 1 é provido com um motor elétrico 16 cujo rotor está vantajosamente acQp|ado ao eixo 17 do rotor fêmea 3, para iniciar a sua rotação em torno do primeiro eixo de rotação (01). De preferência, o motor 16 é um motor de ímã permanente.

De preferência, o motor de imã permanente 16 é do tipo resfriado por circulação de água. Como alternativa, pode ser usado tjm motor de imã permanente do tipo refrigerado a ar. Conforme referido anteriormente, o motor 16 está acoplado, de preferência, com o eixo 17 do rotor fêmea 3, ou seja, ele está alinhado com q dito eixo 5 17. Quando não for necessária a variação de velocidade dos rotores 2, 3, o compressor 1 pode ser acopla& a um motor elétrico (não mostrado) por meio de um sistema de "correia e polia" (não mostradas). O funcionamento do compressor de parafuso seco de 10 acordo com a presente invenção é descrito a seguir. O gás (por exemplo, ar) é ingerido pelo compressor 1 e, através da entrada 10, entra no corpo de alojamento 4 (figuras 1 e 2). Durante a rotação, as saliências em forma de parafuso do rotor macho 2 acoplam-se com os sulcos em ' forma de parafuso do rotor fêmea 3, e vice-versa. Nas formas de incorporação sem 4 15 nenhum contato entre qs rotores 2, 3, a correta relação de transmissão / multiplicação entre os rotores 2, 3 é acionada por meio das engrenagens de sincron ização 20a, 20b. Ao atravessar longitudinalmente o corpo de alojamento 4, o gás é comprimido entre as "espirais" dos dois rotores girantes 2, 3, atingindo assim a salda 11. 20 A primeira forma de incorporação, na qual a abertura 12 está disposta na superficie lateral do corpo de alojamento 4, é usada para taxas de compressão R "intermediárias", por exempb, compreendidas entre 1 e 4: em uma

F segunda forma de incorporação, a abertura 12 está disposta em correspcmdência a uma extremidade do corpo de alojamento 4 (no pIano (Tll): ver figura 1); esta última solução é 25 escdhida para "altas" taxas de compressão (R), por exemplo, compreendidas entre 4 e

10. Ambas formas de incorporação podem ser providas com meios de formação (não mostrados) que definem a dimensão reat da abertura 12, correspondendo à taxa de compressão (R) desejada. A descrição acima referida mostra claramente as 30 caracteristicas do cQmpres$Qr de parafuso seco de acordo com a presente invençãe, bem como suas vantagens. Em particular, a relação entre o comprimento e o diâmetro externo do rotor macho (maior ou igual a 2) é pssivel graças às baixas pressões diferenciais (compreendidas entre 1 bar e 3 bar), ou pQr causa da pressão de limiar 35 absduta de 150 mbar, em aplicações sob vácuo. Além do mais, a escolha da geometria do perfil e da operação do cQmpre$$Qr por meio do eixo do rotor fêmea permite maximizar a capacidade do compressor, com rotores de mesmo comprimento, permitindQ assim alcançar o alto fluxo requerido com uma velocidade periférica do rotor macho 2 inferior a 80 m/s. Além disso, a geometria dos perfis dos dois rotores acoplados permite obter uma menor Iinha de contato entre os rotores, com uma melhor 5 vedação, reduzindo assim o contragolpe. Mais ainda, graças ao fato de que o compressor opera a velocidades periféricas do rotor macho inferiores a 80 m/s, a velocidade periférica do rotor fêmea é ainda menor, e portanto o rotor do motor elétrico pode ficar diretamente acoplado ao eixo do rotor fêmea (ou seja, sem interposição de engrenagens 10 mdtiplicadoras), obtendo-se assim um compressor que é estruturalmente simples, compacto, e tem uma maior efiçiência energética. Utiliza-se a relação de mu[tip|içação das engrenagens de sincronização dos rotores, correspondendo à relação entre o número de lóbulos do rotor fêmea e o número de lóbulos do rotor macho (na forma de inçQrporaçãQ descrita, ela corresponde a 5 / 3 = 1,66667). Isto evita a utilização de rodas

F 15 dentadas multiplicadoras integradas ao compressor, com a resultante vantagem da simplicidade estrutural e redução de problemas, de custo e de ruído. Além do mais, a eficiência energética do compressor é também provida pelo uso de um motor de Imã permanente, caracterizado pelo baixo consumo com uma vasta gama de velocidades. Em particular, este tipo de motor de imã 20 permanente tem eficiência mais alta do que os motores e1étrico$ assíncronos trlfásicos utilizados no estado da arte conhecida, especialmente a velocidades reduzidas. Entre outras coisas, o uso de um motor de imã permariente resfriado a água permite uma redução de tamanho e peso do motor, permitindo assim a sua dispcsição direta junto ao eixo do rotor fêmea, utilizando os rolamentos radiais do compressor. 25 Finalmente, a otimização da eficiência energética também é obtida graças ao uso de uma saida de distribuição, cujo tamanho varia de acordo com a taxa de compressão desejada, produzindo um compressor extremamente versátil e modular.

Claims

Reivindicações

1. Compressor de parafuso seco, compreendendo um compressor de parafuso seco (1) tendo um rotor macho (2), cuja velocidade periférica é inferior a 80 m/s, onde o compressor (1) compreende: + 5 - um corpo de alojamento (4) tendo ijma entrada (10) para a ingestão de um fluido gasoso, e pelo menos, uma salda (11) para o fluido comprimido; - pelo menos um rotor macho (2) e pelo menos um rotor fêmea (3) acoplados juntos, qs ditos rotores (2, 3) estando dispostos dentro do citado corpo de abjamento (4): 10 o compressor (1) sendo caracterizado pelo fato de que a relação entre o comprimento (Lm) e q diâmetro externo do rotor macho (2) é maior CÍQ que, ou igual a, dois, e o ângulo de espiral (cp) do rotor macho (2) é menor do que, ou igual a, 300'.

2. Compressor de parafuso seco, de acordo com a 15 reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo de acionamento é um eixo (17) ao qual o dito rotor fêmea (3) está acoptado.

3. Compressor de parafuso seco, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender ainda um motor elétrico (16) que atua operacionalmente sobre o eixo (17) do rotor fêmea (3), para iniciar a sua' 20 rotação em torno de um primeiro eixo de rotação (01).

4. Compressor de parafuso seco, de acordo com a reivindicação 3, caTacterizadD peb fato de que o rotor do referido motor elétrico (16) está acoplado ao dito eixo (17) do rotor fêmea (3).

5. Compressor de parafuso seco, de acordo com as 25 reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o citado motor elétrico (16) é um motor de imã permanente.

6. Compressor de parafuso secao, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a d ita saida (11) define uma abertura (12) formada no corpo de alojamento (4), onde o tamanho real da referida 30 abertura (12) é variável através de meios de formação, a fim de obter uma pré- determinada taxa de cQmpre$são (R).

7. Compressor de parafuso seco, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de poder ser utilizado em aplicações sob pressões diferenciais compreendidas entre 1 bar e 3 bar. 35

8. Compressor de parafuso seco, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de poder ser utilizado em aplicações sob vácuo até uma pressão de limiar absduta de 150 mbar.