BRPI1009405B1

BRPI1009405B1 - vedação mecânica, e, bomba

Info

Publication number: BRPI1009405B1
Application number: BRPI1009405A
Authority: BR
Inventors: Quiroz Venegas Osvaldo; Abarca Melo Ricardo; Guzman Castro Rodrigo
Original assignee: Vulco Sa
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2020-01-14
Also published as: BRPI1009405A2; AU2010225454B2; US9206906B2; AP2011005923A0; AP3235A; WO2010105294A1; AR075863A1; CN102422062A; AU2010225453A1; AU2010225452A1; CN102422063B; US20120107115A1; RU2488730C2; CN102422062B; ZA201106758B; CN105114628B; PE20120845A1; AU2010225453B2; CN102422063A; PL2409055T3

Abstract

vedação mecânica, e, bomba é revelada uma vedação mecânica com uma face de vedação rotativa e uma face de vedação estacionária que ficam em relação oposta e arranjadas para ser impelidas para contato para formar uma vedação. uma das faces de vedação é montada em um conjunto de suporte que inclui um dispositivo de solicitação operativo para mover essa face de vedação para contato com a outra face de vedação. em uma forma da invenção, o dispositivo de solicitação compreende um ou mais elementos resilientes que em uso são deformados para prover uma força de solicitação. em uma segunda forma da invenção, o conjunto de suporte forma parte de uma barreira de fluido da vedação e o dispositivo de solicitação é impermeável a fluido e forma parte da barreira. em uma terceira forma da invenção, o dispositivo de solicitação é exposto a pressão de fluido na câmara e a força de solicitação aumenta com o aumento da pressão de fluido na câmara.

Description

VEDAÇÃO MECÂNICA, E, BOMBA

CAMPO TÉCNICO [0001] Esta revelação diz respeito a uma vedação mecânica para prover uma vedação de fluido entre componentes rotativos e estacionários. A vedação mecânica foi desenvolvida especialmente, mas não exclusivamente, para uso em bombas de fluido, tais como bombas de lama, onde a vedação mecânica é montada entre um eixo de acionamento rotativo e em uma carcaça da bomba, e está aqui descrito neste contexto. Entretanto, deve-se perceber que uma vedação mecânica como esta pode ter aplicação mais abrangente, e que não está limitado a este uso.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] Vedações mecânicas têm sido usadas para prover uma vedação de fluido entre um eixo rotativo e uma câmara contendo fluido. Como tal, vedações mecânicas têm aplicação em bombas onde o eixo de acionamento de um motor da bomba montado externamente estende-se através da carcaça da bomba para acionar a hélice da bomba. Em uma aplicação como esta, a vedação mecânica tipicamente situa-se onde o eixo rotativo entra ou sai da carcaça e é montado na carcaça e no eixo rotativo para prover uma vedação entre esses componentes.

[0003] Tais vedações mecânicas no geral compreendem alguns componentes que giram com o eixo (ou outra parte rotativa do equipamento na qual ele é montado) e aqueles componentes que são montados nas partes estacionárias do equipamento. Na interface desses componentes rotativos e estacionários estão faces de vedação de contato; uma que gira e a outra que é estacionária. Essas faces de vedação ficam em relação opostas e são arranjadas para ser impelidas para contato para formar uma vedação de fluido entre elas.

[0004] Antigamente, foram encontrados problemas no uso de vedações mecânicas em algumas aplicações de bombeamento,

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 6/49 / 20 particularmente em bombas de lama de mineração, em virtude do ambiente agressivo criado nas bombas pela lama, do alto carregamento induzido nos componentes da bomba durante partida e operação, e da necessidade de operação contínua das bombas em períodos prolongados. Dessa maneira, existe uma necessidade atual de melhorar o desenho da vedação mecânica para melhorar sua adequabilidade em aplicações de bombeamento.

SUMÁRIO DA REVELAÇÃO [0005] Em um primeiro aspecto, é provida uma vedação mecânica compreendendo uma porção rotativa, uma porção estacionária, uma face de vedação rotativa associada com a porção rotativa, uma face de vedação estacionária associada com a porção estacionária, as faces de vedação sendo em relação opostas e arranjadas para ser impelidas para contato para formar uma vedação entre elas, e um conjunto de suporte incorporando uma das faces de vedação nele, o conjunto de suporte incorporando um dispositivo de solicitação e sendo operativo para mover essa face de vedação para contato com a outra das faces de vedação pela influência da força de solicitação do dispositivo de solicitação, em que o dispositivo de solicitação compreende um ou mais elementos resilientes que em uso são deformados para prover a força de solicitação.

[0006] Em uma forma particular, um ou mais elementos resilientes do dispositivo de solicitação são formados de um material viscoelástico. Em uma forma, um ou mais elementos são formados de material polimérico e, mais especificamente, um elastômero tal como borracha.

[0007] Em uma forma, um ou mais elementos são colocados sob tensão de maneira a prover a força de solicitação. Uma vantagem deste arranjo é que o dispositivo de solicitação pode aplicar uma força de solicitação mais consistente sobre um maior deslocamento, comparado com uma mola, tal como uma mola espiral, que foi normalmente usada no passado em vedações mecânicas. Tipicamente, a força da mola variará

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 7/49 / 20 significativamente sob deslocamento longitudinal, uma vez que constante elástica “k” é relativamente alta, comparada com a constante elástica do(s) elemento(s) resiliente(s), particularmente quando esses elementos ficam arranjados para ser colocados sob tensão. Ter um arranjo onde o dispositivo de solicitação pode prover uma força de solicitação consistente em um deslocamento relativamente grande provê benefício substancial. Em particular, a real força de solicitação não depende de alinhamento muito preciso dos componentes, e qualquer desalinhamento ou jogo no equipamento não afeta significativamente a força de solicitação aplicada. Além disso, à medida que as superfícies de vedação se desgastam, o dispositivo de solicitação precisa ser adaptado para mover a face de vedação para acomodar o desgaste, de maneira a manter as faces de vedação em contato. O dispositivo de solicitação de acordo com pelo menos uma forma apresentada pode prover uma força de solicitação mais consistente em maiores faixas de desgaste do que vedações mecânicas da tecnologia anterior usando arranjos de mola espiral.

[0008] Em uma forma particular, o dispositivo de solicitação fica arranjado para aplicar uma força de solicitação substancialmente uniforme na face de vedação disposta no conjunto de suporte de maneira a assistir na manutenção do alinhamento das faces de vedação de contato.

[0009] De acordo com um segundo aspecto, é provido uma vedação mecânica compreendendo uma porção rotativa, uma porção estacionária, uma face de vedação rotativa associada com a porção rotativa, uma face de vedação estacionária associada com a porção estacionária, as faces de vedação sendo em relação opostas e arranjadas para ser impelidas para contato para formar uma vedação entre elas, e um conjunto de suporte incorporando uma das faces de vedação nele, o conjunto de suporte incorporando um dispositivo de solicitação e sendo operativo para mover essa face de vedação para contato com a outra das faces de vedação pela influência

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 8/49 / 20 de uma força de solicitação do dispositivo de solicitação, em que a força de solicitação é aplicada uniformemente em torno do eixo de rotação da dita porção rotativa.

[00010] Em uma forma, o dispositivo de solicitação do segundo aspecto é formado de um ou mais elementos resilientes de acordo com o primeiro aspecto.

[00011] Em uma forma particular tanto do primeiro quanto outros aspectos esta revelação, o dispositivo de solicitação é na forma de um anel resiliente que estende-se em torno do eixo de rotação da face de vedação rotativa. Em uma forma particular, o anel é formado de um polímero elastomérico que é colocado sob tensão para conferir a força de solicitação à face de vedação montada no conjunto de suporte de maneira a exercer a força uniforme na face de vedação.

[00012] Em uma forma, o conjunto de suporte incorpora uma porção móvel na qual a face de vedação fica disposta e uma porção de base que monta ou apoia-se na porção estacionária. Neste arranjo, o dispositivo de solicitação é disposto entre a porção móvel e a porção de base. Em um arranjo particular, onde um ou mais elementos resilientes que formam o dispositivo de solicitação são colocados sob tensão, as porções móvel e de base do conjunto de suporte são arranjadas para se sobreporem e o(s) elemento(s) é(são) disposto(s) na sobreposição. O(s) elemento(s) é(são) colocado(s) sob tensão variando-se (tipicamente, aumentando) a quantidade de sobreposição. Em uma forma, essas porções são montadas concentricamente em torno do eixo de rotação da porção rotativa da vedação mecânica.

[00013] Em uma forma particular, um ou mais elementos resilientes são ligados nos componentes do conjunto de suporte. Em uma forma, esta ligação é por meio de um processo de vulcanização. O uso de um processo de ligação como este não somente provê uma conexão forte, mas permite que a conexão seja impermeável a fluido.

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 9/49 / 20 [00014] Em uma forma particular, o conjunto de suporte forma parte de uma barreira de fluido da vedação, e o dispositivo de solicitação é impermeável a fluido e forma parte dessa barreira. Uma vantagem do dispositivo de solicitação com a função dupla de conferir uma força de solicitação à face de vedação e formando parte de uma barreira de fluido da vedação mecânica é que o número de componentes na vedação mecânica pode ser reduzido. Em vedações mecânicas da tecnologia anterior que incorporaram molas espirais, as molas precisam ser isoladas onde possível do fluido e, como tal, a vedação mecânica exigia arranjos de vedação adicionais para isolar as molas e prover uma barreira de fluido entre as partes rotativa e estacionária.

[00015] Em um terceiro aspecto, é revelada uma vedação mecânica compreendendo: uma porção rotativa, uma porção estacionária, uma face de vedação rotativa associada com a porção rotativa, uma face de vedação estacionária associada com a porção estacionária, as faces de vedação sendo em relação oposta e arranjadas para ser impelidas para contato para formar uma vedação de fluido entre elas, e um conjunto de suporte incorporando uma das faces de vedação nele, o conjunto de suporte incorporando um dispositivo de solicitação e é operativo para mover essa face de vedação para contato com a outra das faces de vedação pela influência de uma força de solicitação do dispositivo de solicitação, em que o conjunto de suporte forma parte de uma barreira de fluido da vedação e o dispositivo de solicitação é impermeável a fluido e forma parte dessa barreira.

[00016] Em uma forma particular de acordo com qualquer um do primeiro, segundo ou terceiro aspectos, o conjunto de suporte é configurado de forma que o dispositivo de solicitação fique arranjado para ser exposto a pressão e fluxo de fluido no equipamento no qual ele é montado. Além disso, o dispositivo de solicitação é configurado de forma que a pressão de fluido assista na força de solicitação e, portanto, contrabalance qualquer força

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 10/49 / 20 aplicada nas faces de vedação pela pressão de fluido para separar as faces de vedação. Correspondentemente, em uma forma, a força líquida exercida pelo fluido pressurizado em uma câmara na qual a vedação mecânica é conectada não afeta significativamente a força líquida exercida nas faces de vedação. Esta característica significa que qualquer flutuação de pressão (tais como aquelas que ocorrem durante operação da bomba) não afetam a força que mantém as faces de vedação em contato.

[00017] Em uma forma, o dispositivo de solicitação está substancialmente sob força de tração (em relação a um eixo principal do dispositivo) e a pressão de fluido na câmara é arranjada para aplicar uma força de cisalhamento que é substancialmente normal à força de tração e na direção da força de solicitação.

[00018] Em um quarto aspecto, é provida uma vedação mecânica em uma câmara contendo fluido compreendendo: uma porção rotativa, uma porção estacionária, uma face de vedação rotativa associada com a porção rotativa, uma face de vedação estacionária associada com a porção estacionária, as faces de vedação sendo em relação oposta e arranjadas para ser impelidas para contato para formar uma vedação de fluido entre elas, e um conjunto de suporte incorporando uma das faces de vedação nele, o conjunto de suporte incorporando um dispositivo de solicitação e é operativo para mover essa face de vedação para contato com a outra das faces de vedação pela influência da força de solicitação do dispositivo de solicitação, em que o dispositivo de solicitação é exposto a pressão de fluido na câmara e a força de solicitação aumenta com o aumento da pressão de fluido na câmara.

[00019] Também em um aspecto adicional, é provida uma bomba incluindo uma carcaça da bomba com uma abertura, um eixo de acionamento que estende-se através da abertura, e uma vedação mecânica de acordo com qualquer forma supradescrita provendo uma vedação de fluido entre a carcaça e o eixo de acionamento, em que a porção rotativa da vedação mecânica é

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 11/49 / 20 montada no eixo de acionamento e a porção estacionária da vedação mecânica montada na carcaça da bomba.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS [00020] É conveniente descrever uma modalidade da vedação mecânica com referência aos desenhos anexos, em que:

[00021] A figura 1 é uma vista em perspectiva (com um quarto da seção removido);

[00022] A figura 2 é uma elevação lateral da vedação mecânica da figura 1;

[00023] A figura 3 é uma vista explodida dos componentes da vedação mecânica da figura 1;

[00024] A figura 4 é uma ilustração esquemática da vedação mecânica da figura 1 conectado a uma carcaça da bomba e no eixo de acionamento; [00025] A figura 5 é uma vista em perspectiva (com um quarto da seção removido) de uma outra modalidade de uma vedação mecânica que é similar à modalidade da figura 1;

[00026] A figura 6 é uma elevação lateral da vedação mecânica da figura 5;

[00027] A figura 6a é uma vista em perspectiva de uma porção da vedação mecânica da figura 6;

[00028] A figura 7 é uma elevação lateral da vedação mecânica da figura 5; e [00029] A figura 7 a é uma vista em perspectiva de uma porção da vedação mecânica da figura 7.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES ESPECÍFICAS [00030] De volta aos desenhos, na figura 1, está revelada uma vedação mecânica 10 que é para uso na provisão de uma interface de vedação entre componentes rotativos e estacionários. De um modo geral, a vedação mecânica 10 inclui uma parte estacionária ou alojamento 12 na forma de um

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 12/49 / 20 flange de forma geral anular ou anel 31 e uma parte rotativa que é no geral na forma de uma manga de eixo 14 que estende-se através do alojamento 12 e é rotacionável em torno de um eixo CL. Existem vários componentes que conectam as partes rotativas e estacionárias, que serão agora descritos.

[00031] Para formar uma vedação de fluido entre o flange anular estacionário 31 e a manga do eixo rotativa 14, é provido um par de elementos de vedação na forma de anéis contínuos 16, 18. Em uso, os anéis 16, 18 são montados em respectivas estruturas de suporte da vedação 10. Na modalidade mostrada, um dos anéis de vedação 16 gira e é afixado na manga do eixo 14, ao passo que o outro anel de vedação 18 permanece estacionário ao ser encaixado no alojamento estacionário 12 por meio de um conjunto de suporte 20 (os vários componentes dos quais serão descritos resumidamente). Cada um dos anéis de vedação 16, 18 inclui uma respectiva face de vedação anular (22, 24) que em uso ficam localizadas em relação oposta e têm acabamento polido. As faces de vedação 22, 24 são arranjadas para ser impelidas para contato uma com a outra para formar uma vedação de fluido entre elas, como será descrito.

[00032] A vedação mecânica 10 de acordo com a forma exposta é adequada para uso em uma bomba centrífuga (por exemplo, como mostrado na figura 4). A vedação mecânica 10 provê uma barreira de fluido entre uma carcaça da bomba 100 e o eixo de acionamento rotativo 102 que é montado na manga do eixo 14. A manga do eixo 14 aloja (e gira junto) o eixo de acionamento rotativo 102, que conecta um motor de acionamento (não mostrado) em uma hélice da bomba (não mostrada) que fica localizada dentro de uma câmara de bombeamento da bomba. A carcaça da bomba 100 é aparafusada no alojamento 12 da vedação mecânica 10 por meio de parafusos que se encaixam em furos de recebimento 13. O eixo de acionamento rotativo 102 é montado por pernos, rebites ou parafusos 92 que ficam localizados em furos de recebimento 15 para apertá-lo na manga do eixo rotativa 14 da

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 13/49 / 20 vedação mecânica 10.

[00033] A manga do eixo rotativa 14 da vedação mecânica 10 é tipicamente feita de um material tal como aço inoxidável usinado (por exemplo, AISI 316). A manga do eixo 14 inclui um colar de acionamento 26 montado em uma extremidade traseira 27 da manga do eixo 14, que fica no lado externo do alojamento estacionário 12 e da carcaça da bomba 100, e sem nenhum contato com o fluido dentro da bomba. A manga do eixo 14 também incorpora o anel de vedação rotativo 16 em uma extremidade oposta (frente) 29 da manga do eixo 14, que fica na região da vedação mecânica 10 que fica em contato com o fluido, dentro da bomba. O anel de vedação 16 é disposto em uma superfície externa 33 da manga do eixo 14 e é orientando de forma que sua respectiva face de vedação 22 fique voltada para trás em direção à extremidade traseira 27 da manga do eixo 14. O anel de vedação 16 (que é tipicamente feito de uma cerâmica tal como carboneto de silício, ou um material metálico duro, tal como carboneto de tungstênio) é acoplado na manga do eixo 14 por meio de um conjunto de montagem incluindo uma montagem na forma de um acoplamento elastomérico 28, e um colar de aperto 30 que aperta em torno do anel de vedação 16 e retém o mesmo na manga do eixo 14 usando um arranjo de aparafusamento 25. A função e operação do conjunto de montagem serão descritas com mais detalhes a seguir.

[00034] O conjunto de suporte 20 fica localizado entre a manga do eixo 14 e o alojamento 12 e fica arranjado para “flutuar”, significando que ele não é anexado rigidamente nem no alojamento 12 nem na manga do eixo 14. O conjunto de suporte 20 tem múltiplas funções, tais como:

- suportar o anel de vedação estacionário 18;

- prover uma força de solicitação ao anel de vedação 18 para impeli-lo para contato com o anel de vedação rotativo 16;

- prover uma barreira de fluido entre o alojamento 12 e o anel

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 14/49 / 20 de vedação 18. Quando montada em uma bomba, a barreira de fluido formada pelo conjunto de suporte 20 torna-se uma superfície interna da câmara da bomba; e

- suportar a manga do eixo rotativa 14 em relação ao flange anular estacionário 31 que forma o alojamento 12.

[00035] Para permitir essas três funções diferentes, o conjunto de suporte 20 compreende:

- uma porção de base na forma de um cubo anular 40 que é montada dentro do flange anular 31 do alojamento 12 e em torno da manga do eixo 14 e um cilindro ou manga circunferencial 32 que projeta-se do cubo 40 e estende-se em torno da manga do eixo 14, e fica espaçado dela;

- uma porção móvel na forma de uma saliência flangeada circunferencial 34; e

- um dispositivo de solicitação na forma de um anel elastomérico 36 disposto entre a manga 32 e a saliência flangeada móvel 34. [00036] A saliência flangeada móvel 34 tem um anel de vedação estacionário 18 da vedação mecânica montada na sua extremidade de avanço por meio de um segundo conjunto de montagem que inclui uma segunda montagem na forma de um acoplamento elastomérico 38. O anel elastomérico resiliente 36 é arranjado para conferir uma força de solicitação na saliência flangeada móvel 34 para impelir o anel de vedação 18 a mover em relação à manga circunferencial da base 32 e para contato íntimo face a face com o anel de vedação rotativo 16.

[00037] O flange anular 31 e o cubo 40 são ambos tipicamente formados de aço usinado, tal como aço inoxidável usinado (por exemplo, AISI 316). O cubo 40 inclui uma abertura central 42 pela qual a manga do eixo 14 estende-se, com uma pequena folga circunferencial D nela. Uma superfície interna 44 do cubo 40 inclui um mancal 46 que estende-se através da folga D e na qual a manga do eixo 14 gira. Na forma ilustrada, o mancal 46

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 15/49 / 20 é formado como um anel de deslizamento de carbono de seção transversal retangular.

[00038] A superfície circunferencial externa 48 do cubo 40 fica em contato deslizante com uma superfície circunferencial interna 50 do flange anular 31 do alojamento 12, de maneira a formar uma junta entre elas. Para reduzir o atrito entre essas superfícies, um entalhe anular 52 é incorporado na superfície externa 48 do cubo 40. Uma vedação tipo anel-O 54 é também localizada em um pequeno entalhe circunferencial na superfície interna 50 do flange anular 31 e posicionada entre as superfícies de contato 48, 50 para prover uma vedação de fluido secundária entre elas.

[00039] Uma bota elastomérica 56 estende-se através da face dianteira do flange anular 31 para cobrir parcialmente o flange anular 31 e todo o cubo 40, incluindo cobrir a junta entre esses componentes 31, 40 e impedir penetração de fluido entre a superfície interna 50 do flange anular 31 e a superfície externa 48 do cubo 40. Esta bota 56 provê uma vedação primária contra a entrada de fluido e matéria particulada no lado da vedação mecânica 10 que fica em contato com o fluido dentro da bomba, mas sem restringir demasiadamente a natureza deslizante do contato entre o cubo 40 e o flange anular 31.

[00040] Um recurso da vedação mecânica 10 é que as superfícies de contato 48, 50 do cubo 40 e do flange anular 31 são arqueadas e, mais especificamente, a superfície externa do cubo 48 é parte esférica de maneira a formar uma junta de esfera (ou junta tipo esfera e soquete) entre o cubo e a porção do flange anular 31 do alojamento 12. Isto permite que o conjunto de suporte 20 e a manga do eixo rotativa 14 “flutuem” e sejam inclinados em relação ao alojamento estacionário 12, de forma que o eixo de rotação do eixo de acionamento 102 e da manga do eixo 14 possa mover-se em todas as direções para fora de alinhamento com o eixo central CL da abertura 42 do cubo 40. De fato, a junta de esfera que é formada entre o cubo 40 e o flange

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 16/49 / 20 anular 31 na vedação mecânica 10 pode acomodar uma variação angular relativamente grande entre esses dois eixos (da ordem de até 5-10 ^o). Isto é vantajoso, uma vez que permite que a vedação mecânica 10 seja montado no equipamento onde o eixo rotativo está fora de alinhamento com a carcaça do equipamento que é unido no flange anular 31 (por meio de parafusos e furos de recebimento 13). Além disso, e de maneira importante, esta capacidade de acomodar esta variação angular pode ser conseguida sem prover nenhum desalinhamento decorrente das faces de vedação 22, 24 dos respectivos anéis de vedação 16, 18 e vazamento de fluido através deles.

[00041] A manga 32 do conjunto de suporte 20 é suportada pelo cubo 40, e projeta-se dele. A manga 32, que é tipicamente formada de aço, tal como aço inoxidável, envolve a manga do eixo rotativa 14, mas é espaçada dele, e provê uma sede para a circunferência interna do anel elastomérico 36. Na forma ilustrada, o anel elastomérico 36 é formado de um material viscoelástico tal como um elastômero polimérico. O anel 36 estende-se em torno da superfície externa 60 da manga 32 e é ligado na manga 32 preferivelmente por um processo de vulcanização de maneira a formar uma conexão forte que é impermeável a fluido.

[00042] A saliência flangeada 34 (que conecta no anel de vedação estacionário 18) é formada como um anel que tem forma de L na seção transversal e tem uma superfície interna 64 que se encaixa sobre a circunferência externa do anel elastomérico 36, e é ligada nele, de novo preferivelmente por um processo de vulcanização para prover tanto conexão forte quanto impermeável a fluido entre esses elementos. A saliência flangeada 34 é tipicamente formada de metal, tal como aço inoxidável, e, junto com as outras partes da porção móvel do conjunto de suporte 20, estende-se em torno da manga do eixo rotativa 14, mas espaçada dela. Desta maneira, a saliência flangeada 34 é completamente suportada no anel elastomérico 36.

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 17/49 / 20 [00043] O anel elastomérico resiliente 36 não somente suporta a porção móvel (saliência flangeada 34) do conjunto de suporte 20, mas fica arranjado para impelir essa porção para a frente (isto é, em direção à extremidade do eixo 29) de maneira a manter as faces de vedação 22, 24 dos respectivos anéis de vedação 16, 18 em contato. Isto é conseguido pré-carregando o anel elastomérico 36, movendo/posicionando a saliência flangeada 34 em relação à manga 32 de maneira a deformar o anel elastomérico 36 e colocar este anel sob tensão, e então manter esses componentes nessa posição (ou seja, o anel elastomérico 36 é colocado sob tensão pelo movimento da saliência flangeada 34 para trás em direção à extremidade traseira 27 do eixo). Este tensionamento dessa forma induz uma força de solicitação no anel de vedação 18 para impeli-lo para a frente contra o anel de vedação externo 16 e manter uma folga fechada entre eles. A estrutura do anel elastomérico 36 permite que a força de solicitação seja aplicada uniformemente no anel de vedação 18 e em torno do eixo de rotação da manga do eixo rotativa 14 e do anel de vedação rotativo 16.

[00044] A quantidade de pré-carga aplicada no anel elastomérico 36 depende da quantidade de movimento axial da saliência flangeada 34 em relação à manga 32. Como a manga do eixo 14 é móvel em relação ao cubo 40 (e, portanto, pode mover-se axialmente ao longo do eixo de acionamento 102), este movimento axial precisa ser limitado para manter a pré-carga no anel elastomérico 36. Isto é conseguido pelo uso de abas de ajuste em forma de T 66 que são montadas no cubo 40 e removidas mediante instalação da vedação mecânica 10. As abas de ajuste 66 são tipicamente fixas no cubo 40 por pernos ou parafusos 68 e arranjadas para ancorar em torno do colar de acionamento 26 para fixar a posição axial do cubo 40 na manga do eixo 14. Na forma ilustrada, as abas de ajuste 66 são arranjadas para apoiar-se no colar de acionamento 26. Com as abas de ajuste 66 no lugar, o anel elastomérico 36 permanece no seu estado pré-carregado, já que o conjunto de suporte 20 não

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 18/49 / 20 pode expandir-se axialmente ao longo do eixo (que descarregaria a tensão no anel elastomérico 36) já que ele está confinado axialmente entre o anel de vedação rotativo dianteiro 16 e o colar de acionamento 26 na traseira do eixo. [00045] A construção do conjunto de suporte 20 com o anel de vedação elastomérico 36 disposto entre a manga 32 e a saliência flangeada 34 provê um arranjo onde a força aplicada no anel de vedação estacionário 18 é concêntrica e uniforme em torno do eixo de rotação CL da manga do eixo rotativa 14.

[00046] O conjunto de suporte 20 provê uma barreira de fluido para a vedação mecânica 10 que estende-se do anel de vedação estacionário 18 até o flange anular 31 do alojamento 12 e, com efeito, torna-se uma parede interna da carcaça da bomba. O anel de vedação 36 é assim exposto ao fluido na bomba 100 durante operação. O anel 36 forma uma parte integrada desta barreira impermeável a fluido (compreendendo o anel de vedação contínuo 36 que é ligado na manga 32 e na saliência flangeada 34 também).

[00047] A superfície traseira 70 do anel de vedação 36 fica em contato com o fluido dentro da bomba em virtude de fluido poder penetrar no espaço entre a extremidade da saliência flangeada 34 e a bota 56. Isto então permite que a pressão de fluido na bomba para assista na solicitação da saliência flangeada 34 do conjunto de suporte 20 para a frente na direção da extremidade 29, contribuindo assim para a força de solicitação que mantém as faces de vedação anulares 22, 24 em contato. Um aumento na pressão de fluido dentro da câmara da bomba pode aumentar a força de solicitação. Esta força de solicitação adicional contrabalança, pelo menos até um certo ponto, a força que é aplicada pela pressão de fluido na junta dos anéis de vedação 16, 18 que tende forçar esses elementos para fora um do outro. Como tal, a vedação mecânica 10 é capaz de operar efetivamente sob diferentes pressões de fluido. Isto é benéfico em aplicações de bombeamento onde a pressão de

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 19/49 / 20 fluido pode flutuar consideravelmente da partida até ficar completamente operacional.

[00048] Como mencionado anteriormente, os anéis de vedação 16, 18 são cada qual mantidos no lugar por meio de conjuntos de montagem. Esses conjuntos de montagem incluem acoplamentos elastoméricos 28, 38 que são projetados para acomodar carregamento de torque, as superfícies de apoio 94, 96 contra as quais os anéis de vedação 16, 18 localizam, e que impede que os anéis de vedação 16, 18 movam-se axialmente, e colares de aperto 30, 82 que aperta os respectivos acoplamentos elastoméricos 28, 38. Adicionalmente, um dos colares de aperto 30 inclui uma superfície de apoio 94, ao passo que o outro colar de aperto 82 é projetado para manter o anel de vedação 18 contra a superfície de apoio 96.

[00049] Na forma ilustrada, os anéis de vedação 16, 18 (que são tipicamente cerâmicos) têm uma porção recortada ou recesso na face traseira (a face oposta às suas respectivas faces de vedação anulares 22, 24). Os acoplamentos elastoméricos 28, 38 têm cada qual uma porção de base (72, 84, respectivamente) que é montada nesse recesso e tipicamente ligada no lugar por um processo de vulcanização. Os acoplamentos elastoméricos 28, 38 também incluem respectivas porções de nervura 76, 78 que estendem-se para fora das porções de base 72, 74 além dos respectivos anéis de vedação 16, 18 nos quais eles são montados e em um plano paralelo às respectivas faces de vedação anulares 22, 24. Essas porções de nervura 76, 78 são presas de forma liberável em uso para manter os anéis de vedação anexados 16, 18 no lugar. Especificamente, o anel de vedação rotativo 16 é mantido por uma peça de retenção na forma do colar de aperto 30 que apertar a porção da nervura 76 na superfície dianteira 23 da manga do eixo 14. Um anel-O 80 pode também ser montado para prover uma barreira de água entre o colar 30 e o anel de vedação 16. O colar de aperto 30 inclui uma superfície de apoio 94 em uma face interna e apoia-se na face traseira do anel de vedação 16 de maneira a

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 20/49 / 20 impedir movimento axial do anel de vedação 16 para fora do outro anel de vedação 18. O anel de vedação estacionário 18 é mantido por uma peça de retenção na forma de um colar de aperto 82 que prende a porção da nervura 78 na superfície dianteira 85 da saliência flangeada 34. Adicionalmente, o anel de vedação 18 é apertado em uma posição onde sua face traseira apoia-se na superfície de apoio 96 que é formada na face externa da saliência flangeada 34.

[00050] Os acoplamentos elastoméricos apertados 28, 38 são na forma de anéis resilientes e projetados para acomodar torque e assistir na proteção dos anéis de vedação 16, 18, particularmente na fase de partida de uso de uma bomba. Na partida, o torque conferido pelo eixo de acionamento 102 precisa superar a resistência friccional estática que existe nas faces de vedação de contato 22, 24 para permitir que o anel de vedação rotativo 16 mova-se em relação ao anel de vedação estacionário 18. Esta resistência friccional pode ser alta e, correspondentemente, as forças induzidas nos anéis de vedação 16, 18 podem ser altas. Os acoplamentos elastoméricos 28, 38 permitem que os anéis de vedação 16, 18 acomodem melhor essas forças, garantindo que o torque seja transferido e distribuído ao longo dos anéis de vedação 16, 18 (em virtude da superfície de contato contínua entre os colares de aperto 30, 82 e as porções de nervura 76, 78 dos acoplamentos elastoméricos 28, 30) e também permitindo que os acoplamentos elastoméricos 28, 30 absorvam parte do carregamento pela deformação, agindo assim como um amortecedor para a vedação mecânica 10. Uma vantagem adicional de um acoplamento elastomérico 28, 30 é que ele fornece uma certa resiliência próxima da interface de vedação, permitindo assim aos anéis de vedação 16, 18 uma certa capacidade de ajustar e mover durante operação, que assiste na manutenção das superfícies das faces de vedação 22, 24 em contato. Para os acoplamentos 28, 30 e para qualquer das outras partes elastoméricas referidas nesta especificação, o material de fabricação pode ser um material viscoelástico, tal

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 21/49 / 20 como um elastômero polimérico, ou uma borracha natural ou sintética, ou borracha composta, ou uma blenda de produto de borracha específica (por exemplo, marca Viton). Em modalidades adicionais, os acoplamentos elastoméricos 28, 30 podem estar presentes na forma de múltiplos segmentos arqueados possivelmente descontínuos fixos em um respectivo anel de vedação 16, 18, em vez de na forma de anel contínuo.

[00051] Na forma ilustrada, o colar 82 tem uma superfície voltada para a frente 84 que incorpora aletas que estendem-se radialmente 86. Essas aletas são projetadas para promover fluxo turbulento nas proximidades dos anéis de vedação 16, 18 que assiste no resfriamento dos anéis de vedação 16, 18, conduzindo para fora o calor do atrito gerado nas proximidades gerais durante uso. Para assistir ainda mais na criação deste fluxo turbulento, aletas adicionais 88 são perfiladas na face dianteira da bota 56. Observou-se em testes experimentais que o fluxo turbulento é suficiente para resfriar a vedação mecânica 10, especialmente nas proximidades dos anéis de vedação 16, 18 e sem a necessidade de que um sistema de resfriamento rápido separado seja incorporado na vedação mecânica 10. Isto provê vantagem considerável, tanto em termos de simplificação do desenho quanto redução dos custos da operação em andamento.

[00052] Em uso, a vedação mecânica 10 é provido com um dispositivo de solicitação na forma do anel elastomérico 36, sendo pré-carregado. A vedação mecânica 10 é montado na bomba 100, localizando a manga do eixo 14 no eixo de acionamento 102 da bomba 100. O flange anular 31 é capaz de ser inclinado no cubo 40 da vedação mecânica 10, se necessário, de forma que o flange anular 31 alinhe com a carcaça da bomba. A vedação mecânica 10 é então fixo no lugar, com o flange anular 31 sendo aparafusado no revestimento por pernos 90 que são localizados em furos de recebimento 13. A manga do eixo 14 é montada no eixo de acionamento 102 por pernos, rebites ou parafusos 92 que estendem-se através de furos de recebimento 15

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 22/49 / 20 no colar de acionamento 26 e que mordem no eixo de acionamento 102. Uma vez fixa no lugar, as abas de ajuste 66 podem ser removidas, que garante que haja folga de funcionamento adequada entre o colar de acionamento 26 e o cubo 40 e que os vários componentes do conjunto de suporte 20 ficam sob tensão e contato apropriados. A vedação mecânica 10 fica agora no lugar e a bomba fica pronta para operação.

[00053] Em uma modalidade adicional mostrada na figura 5, a vedação mecânica 10A é sob todos os aspectos o mesmo da vedação mecânica 10 mostrada da figura 1 à figura 4, e, por questão de simplificação, partes iguais foram atribuídas com número de parte similar, com a letra “A” adicional. A principal diferença entre as vedações mecânicas 10, 10A é a presença de um sistema de resfriamento rápido 97 na vedação mecânica 10A. O sistema de resfriamento rápido 97 inclui um orifício 98 que forma um conduto interno que estende-se através do flange anular 31A do alojamento estacionário 12A e do cubo 40A. O orifício 98 é arranjado para a possível introdução de água de resfriamento na câmara de vedação que fica localizada entre a manga do eixo 14 e os vários componentes do conjunto de suporte, bem como a possibilidade de lavagem de qualquer matéria particulada que foi arrastada para a câmara de vedação em uso. Um segundo orifício (não mostrado) é também provido, que forma um conduto interno similar ao orifício 98 mas que é angularmente espaçado em torno do eixo CL do orifício 98 e provê um ponto de descarga para a água de resfriamento introduzida na câmara de vedação pelo orifício 98.

[00054] Referindo-se às figuras 6, 6a, 7 e 7a em relação à vedação mecânica 10A, estão mostrados detalhes adicionais dos acoplamentos elastoméricos 28A, 38A. Nas figuras 6 e 6a, o acoplamento elastomérico 28A está mostrado com um certo detalhe em perspectiva adicional quando ligado no anel de vedação 16A. Nas figuras 7 e 7a, o acoplamento elastomérico 38A está mostrado com um certo detalhe em perspectiva adicional quando ligado

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 23/49 / 20 no anel de vedação 18A.

[00055] Dessa maneira, uma vedação mecânica é provido, que é idealmente adequada para bombas. O selo é de construção simples e é capaz de operar sob pressões de fluido flutuantes para prover uma força de solicitação uniforme nas faces de vedação para manter essas faces de vedação em contato. A vedação mecânica não exige resfriamento rápido separado para resfriar as faces de vedação (embora isto seja opcionalmente disponível em certas modalidades) e é capaz de ser montado em eixos de acionamento que estão fora de alinhamento com a carcaça da bomba.

[00056] Nas reivindicações seguintes e no sumário anterior da invenção, exceto onde o contexto exige de outra forma para expressar a linguagem, ou implicação necessária, a palavra “compreendendo” é usada no sentido de “incluindo”, ou seja, os recursos especificados podem ser associados com recursos adicionais em várias modalidades da invenção.

[00057] Na descrição apresentada das modalidades preferidas, foi lançada mão de terminologia específica por questão de clareza. Entretanto, a invenção não deve ser limitada aos termos específicos assim selecionados, e deve-se entender que cada termo específico inclui todos equivalentes técnicos que operem de uma maneira similar para atingir um propósito técnico similar. Os termos tais como “frente” e “traseira”, “interno” e “externo”, “acima” e “abaixo” e similares são usados como palavras de conveniência para dar pontos de referência, e não devem ser interpretados como termos limitantes.

[00058] A referência nesta especificação a qualquer publicação anterior (ou informação derivada dela) ou a qualquer matéria que é conhecida, não é, e não deve ser, considerada um reconhecimento ou admissão ou qualquer forma de sugestão de que a publicação anterior (ou informação derivada dela) ou matéria conhecida forma parte do conhecimento geral comum no campo de

Petição 870190084689, de 29/08/2019, pág. 24/49 / 20 empenho ao qual esta especificação diz respeito.

[00059] Finalmente, deve-se entender que várias alterações, modificações e/ou adições podem ser incorporadas nas várias construções e arranjos de partes, sem fugir do espírito e âmbito da invenção.

Claims

1. Vedação mecânica (10), compreendendo:

uma manga do eixo rotativa (14) tendo um eixo de rotação;

um alojamento estacionário (12);

uma face de vedação rotativa (22) associada com a manga do eixo rotativa (14);

uma face de vedação estacionária (24) associada com o alojamento estacionário (12) e em relação oposta a face de vedação rotativa (22);

um conjunto de suporte sendo operativo para mover a face de vedação (24) para contato com a outra das faces de vedação (22) sob a influência de uma força de solicitação de um dispositivo de solicitação, compreendendo:

uma porção móvel (34) conectada à face de vedação estacionária (24); e uma porção de base que forma parte de, monta em ou apoia-se sobre o alojamento estacionário (12), a porção de base compreendendo um apoio interno que monta a porção de base na manga do eixo rotativa (14);

caracterizado por compreender:

um anel resiliente (36) disposto entre a porção móvel (34) e a base de porção tal que, em uso, o anel resiliente (36) é deformado de modo a ser colocado sob tensão para forçar a uma face de vedação em contato com a outra das faces de vedação para formar uma vedação entre elas.

2. Vedação mecânica (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o anel resiliente (36) é continuo em torno de um eixo de rotação da face de vedação rotativa (24).

3. Vedação mecânica (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o anel resiliente é formado de material elastomérico que é colocado sob tensão.

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4. Vedação mecânica (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o anel resiliente (36) é ligado à porção móvel e/ou à porção de base.

5. Vedação mecânica (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a ligação é por meio de um processo de vulcanização.

6. Vedação mecânica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a porção móvel e a porção de base são montadas concentricamente em torno do eixo de rotação da manga de eixo rotativa da vedação mecânica.

7. Vedação mecânica (10) caracterizada pelo fato de que o anel resiliente (36) forma parte de uma barreira de fluido da vedação e é impermeável a fluido.

8. Bomba caracterizada pelo fato de que inclui:

uma carcaça da bomba (100) com uma abertura, um eixo de acionamento (102) que estende-se através da abertura, e uma vedação mecânica (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, provendo uma vedação de fluido entre a carcaça (100) e o eixo de acionamento (102), em que a manga de eixo rotativa (14) da vedação mecânica (10) é montada no eixo de acionamento (100), e o alojamento estacionário (12) da vedação mecânica (10) é montado na carcaça da bomba (100).