ES2230055T3 - Unidad de potencia rotativa. - Google Patents

Abstract

Una unidad (10) de potencia rotativa, que comprende: una carcasa (22, 106) que tiene una abertura (24) circular y una pluralidad de taladros (28), extendiéndose cada uno a lo largo de un eje radial desde un centro de dicha abertura (24); un rotor nodular (52) montado dentro de la abertura (24) de la carcasa (22, 106) y que puede rotar coaxialmente dentro de la abertura (24); comprendiendo dicho rotor nodular (52) una pluralidad de nodos (58) distribuidos igualmente a lo largo de su círculo limitador, siendo el número de nodos (58) un entero impar menor que el número de taladros (28) en la carcasa (22); una pluralidad de módulos (70) de cilindro remplazables, que se pueden recibir cada uno fijamente dentro de un taladro (28) respectivo dentro de la carcasa (22, 106); comprendiendo cada módulo (70) de cilindro un pistón (72) deslizable dentro de un cilindro (74), un miembro (78) de accionamiento de pistón asociado con cada pistón (72) y una unidad de trabajo asociada con una culata (88) del cilindro en un extremo distal del cilindro (74); siendo cada pistón (72) desplazable a lo largo del eje radial entre un Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC), estando los pistones presionados hacia dentro de dicho BDC; el rotor nodular (52) está dotado de una disposición reductora de empuje radial para enganche con los respectivos miembros (78) de accionamiento de pistón; caracterizada la unidad de potencia porque dicha disposición reductora de empuje radial es un rodillo (110) dispuesto en cada nodo (58), siendo enganchado para su rotación positiva por un anillo (102) estático asociado con la carcasa (22, 106), por medio de la cual cada rodillo (110) engancha una superficie inferior (80) de un miembro (78) de accionamiento en enganche de rodadura real.

Description

Unidad de potencia rotativa.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de las unidades de potencia rotativas y, en particular, se refiere a una unidad radial de potencia de desplazamiento positivo adecuada para uso como un dispositivo de desplazamiento de fluido, a saber, una bomba o un compresor, o como un motor.

Antecedentes de la invención y de la técnica anterior

La expresión "unidad de potencia", como se usa aquí, en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, se usa para referirse colectivamente a bombas, compresores y motores.

Se conocen desde hace tiempo las unidades radiales de potencia. La configuración general con unidades radiales de potencia es un eje común y uno o más pistones radialmente desplazables adaptados para realizar trabajo de bombeo o compresión o para generar trabajo, en el caso de un motor.

Entre las ventajas de las unidades radiales de potencia está la carrera esencialmente de alto volumen de los pistones dentro de un espacio relativamente compacto. Además, las unidades radiales de potencia generan típicamente bajo nivel de ruido y requieren menos mantenimiento que las unidades de potencia configuradas de otro modo.

Muchas de las unidades de potencia rotativas conocidas hasta ahora, en particular, bombas y compresores, comprenden un eje excéntrico enganchable con uno o más pistones radialmente desplazables. Un inconveniente de esta disposición son las fuerzas indeseadas desarrolladas en el sistema, dando como resultado un bajo rendimiento de la unidad de potencia. Incluso más, cuando se usan conjuntos excéntricos, hay necesidad de proporcionar algunos medios de equilibrado a fin de reducir las fuerzas que se desarrollan en el sistema, que aparte de aumentar el desgaste del mismo, podrían conducir finalmente a la ruptura de los componentes esenciales de la unidad.

Además, las unidades de potencia de la técnica anterior son típicamente de estructura compleja, lo que las convierte tanto en no compactas en tamaño, como pesadas, y siendo complejas en su conjunto. Además, se requiere mantenimiento frecuente debido al alto desgaste de los componentes y a los requisitos de lubricación.

Una desventaja más de la técnica anterior es la necesidad de prever algunos medios reductores de velocidad intermedios a una bomba o un compresor y un motor que suministra movimiento rotatorio a los mismos. Esta disposición requiere evidentemente más espacio, es más pesada y requiere más mantenimiento.

Una desventaja considerable de la técnica anterior es el bajo rendimiento, en la que se requiere esencialmente alta velocidad rotativa para entregar suficiente potencia o volumen de bombeo/compresión, debido esto principalmente a una relación pequeña del diámetro de pistón frente a la carrera.

Otra desventaja de las unidades de potencia de la técnica anterior es la necesidad de proporcionar lubricación, lo que requiere, en sí mismo, medios de circulación especiales y mantenimiento periódico frecuente, existiendo siempre una posibilidad de que entre lubricante en el fluido que se está bombeando o comprimiendo. Las unidades de potencia en las que se requiere lubricación, no son típicamente adecuadas para suministrar gases en aplicaciones críticas, tales como el suministro de gases comprimidos, por ejemplo, oxígeno para fines médicos, u otros gases, por ejemplo, para buceo o soldadura, o para otros fines industriales.

Típicamente, una unidad de potencia se diseña para un fin particular tal como una bomba, un compresor o un motor, y transformarla de una función a otra es prácticamente imposible o requiere rediseño y cambio de la mayoría de los componentes esenciales de la unidad de potencia, convirtiéndola en ineficaz desde el punto de vista económico. Incluso más, se diseña previamente una unidad de potencia para funcionar con parámetros fijos, tales como velocidad, relación diámetro a carrera fijas, etc. Estos parámetros son particularmente fijos y no son variables, a menos que existan algunas modificaciones considerables en la unidad de potencia.

A veces, se desea aumentar la capacidad de trabajo de una unidad de potencia, es decir, aumentar su volumen de desplazamiento de fluido en el caso de una bomba o un compresor, o incorporar varias unidades de potencia para que funcionen en unión unas con otras. Las unidades de potencia de la técnica anterior no están diseñadas para permitir el apilamiento de tales unidades similares entre sí con completa modularidad.

La patente de EE.UU. número 2.345.125 describe una bomba hidráulica a alta presión en la que un eje central hace girar un bloque de empuje octogonal excéntrico hecho de acero templado, contra el que una pluralidad de cabezales de núcleo móvil de bronce están en contacto deslizante para desplazar un miembro de pistón dentro de un cilindro.

La patente de EE.UU. número 4.541.781 describe una bomba rotativa de fluido que comprende rodillos rotatorios que discurren a lo largo de una pista circular para oprimir sucesivamente una pluralidad de brazos de palanca que, a su vez, accionan pistones en un número semejante de bombas. En esta patente, las fuerzas centrífugas que se desarrollan en el sistema se usan para oprimir los rodillos contra los brazos de palanca.

La patente de EE.UU. número 5.547.348 describe un rotor dotado de una excéntrica principal que puede rotar con un eje y una excéntrica secundaria ajustable en posición con relación a la excéntrica principal, y una pluralidad de cartuchos de pistón radiales están dispuestos radialmente alrededor del eje. Esta patente describe el apilamiento de tales unidades, sin embargo, la transferencia de movimiento rotatorio entre las unidades apiladas se hace por un eje común.

La patente de EE.UU. número 5.634.777 describe una máquina de pistones radiales en la que un rotor está formado con una excéntrica principal que puede rotar alrededor de un eje y una excéntrica secundaria ajustable en posición con relación a la excéntrica principal, y una pluralidad de cartuchos de pistón dispuestos radialmente alrededor del eje. En esta patente, se prevén zapatas de deslizamiento por rozamiento para contactar con la excéntrica giratoria.

Otras patentes de la técnica anterior son 2.789.515, 3.407.707, 3.490.683, 3.871.793, 4.017.220, 5.035.221, 5.281.104, 5.383.770 y 5.547.348.

La patente alemana número 1.503.356 describe un motor de pistones radiales provisto de una pluralidad de pistones desplazables radialmente dentro de la carcasa por medio de una leva. Los pistones están dotados en sus extremos con un rodillo para reducir las fuerzas de rozamiento entre la leva y el mecanismo de pistón. Sin embargo, no existe ninguna sugerencia en esta patente para cualquier disposición que elimine el rozamiento entre el árbol de levas rotatorio y los miembros de pistón.

La patente francesa número 2.599.804 se refiere a un motor radial de combustión interna provisto de medios de transmisión adecuados para el desplazamiento alternante de pistones en virtud de rodillos, que ruedan sobre una leva. Los rodillos son integrales con los pistones y la leva es integral con el eje del motor. El motor descrito en esta patente está sometido a mal funcionamiento, ya que los rodillos están unidos a los pistones y no están en enganche de rodamiento puro con el miembro de accionamiento y, así, pueden deslizar sobre el miembro de accionamiento.

Un objeto de la presente invención es proporcionar una unidad de potencia mejorada que, por un lado, reduzca o supere significativamente los inconvenientes de las unidades de potencia de la técnica anterior y, por otro lado, mejore los rendimientos totales de la unidad de potencia.

Sumario de la invención

De acuerdo con la presente invención, se ha previsto una unidad de potencia rotativa, que comprende:

una carcasa que tiene una abertura circular y una pluralidad de taladros, extendiéndose cada uno a lo largo de un eje radial desde un centro de dicha abertura;

un rotor nodular montado dentro de la abertura de la carcasa y que puede rotar coaxialmente dentro de la abertura; comprendiendo dicho rotor nodular una pluralidad de nodos distribuidos igualmente a lo largo de su círculo limitador, siendo el número de nodos un entero impar menor que el número de taladros en la carcasa;

una pluralidad de módulos de cilindro reemplazables, que se puede recibir cada uno fijamente dentro de un taladro respectivo dentro de la carcasa;

comprendiendo cada módulo de cilindro un pistón deslizable dentro de un cilindro, un miembro de accionamiento de pistón asociado con cada pistón y una unidad de trabajo asociada con una culata del cilindro en un extremo distal del cilindro; siendo cada pistón desplazable a lo largo del eje radial entre un Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC), estando los pistones presionados hacia dentro de dicho BDC;

y en la que el rotor nodular está dotado de una disposición reductora de empuje radial para enganche con los respectivos miembros de accionamiento de pistón.

La expresión "unidad de trabajo", como se usa en la memoria descriptiva, indica una unidad competente para realizar trabajo, por ejemplo, una unidad de bombeo, una unidad de compresión o la cámara de combustión de un motor.

Como resultará evidente en lo sucesivo, la unidad de potencia rotativa de acuerdo con la presente invención reduce significativamente el desgaste de sus componentes y reduce, por consiguiente, los requisitos de mantenimiento de los mismos. La unidad de potencia proporciona un rendimiento total mejorado y usa una carrera esencialmente corta frente a un pistón de gran diámetro, con baja velocidad giratoria por un lado y, por otro lado, una velocidad lineal esencialmente baja de los pistones con respecto a la pared de cilindro.

La superficie inferior de los accionadores de pistón puede ser plana, cóncava o convexa, o puede tener una forma compleja que comprende una combinación de segmentos planos y arqueados. Esta disposición es adecuada para definir la carrera hacia arriba y la carrera hacia abajo (estas expresiones indican un desplazamiento de compresión/succión de los pistones en el caso de una bomba o un compresor o, un desplazamiento de descarga/toma del pistón en el caso de un motor). Esto permite, también, el control del tiempo de punto muerto en el TDC del pistón, que es un parámetro importante. De acuerdo con la presente invención, en una única unidad de potencia, se pueden usar accionadores de pistón diferentes, en los que sus superficies inferiores son planas, cóncavas, convexas o tienen una forma compleja, como anteriormente.

El ángulo d de punto muerto del pistón en el BDC, medido en grados de rotación del rotor, se calcula por la fórmula:

d \geq (360º/n)*0,125

donde:

d es el ángulo de punto muerto medido en grados; y

n es el número de nodos.

De acuerdo con la presente invención, el pistón está en el TDC cuando un nodo correspondiente del rotor nodular se extiende a lo largo del eje radial respectivo; y el pistón está en su BDC cuando el nodo respectivo está desplazado angularmente (180º/n)-d/2 respecto a dicho eje radial; en el que:

n - es el número de nodos del rotor nodular; y

d - es el ángulo de punto muerto entre cilindros vecinos (medido en grados).

De acuerdo con una realización de la presente invención, el rotor nodular está asociado con un eje que se extiende desde el centro de y perpendicular al plano del rotor nodular y adaptado para recibir o impartir movimiento rotatorio hasta o desde el rotor nodular, alternativamente. Sin embargo, el rotor nodular puede ser accionado por un eje que se extiende hacia dentro de la carcasa o, en el caso de varias carcasas apiladas una en la parte superior de la otra, el rotor nodular puede ser hecho girar por medios de acoplamiento adaptados para la rotación simultánea de los rotores nodulares.

De acuerdo con un aspecto de la invención, la unidad de trabajo es un conjunto que comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y en la que se imparte movimiento rotatorio al rotor nodular, lo que conlleva el desplazamiento radial del pistón, estableciendo por ello una bomba o un compresor.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la unidad de trabajo es un conjunto que comprende un inyector de suministro de combustible, unas disposiciones de encendido y de reglaje del encendido, y unos pasos de intercambio de gas; en la que el desplazamiento radial de los pistones imparte movimiento rotatorio al rotor nodular, estableciendo por ello un motor radial.

Se puede tener, también, una versión combinada de los aspectos anteriores, en la que la unidad de trabajo de alguno de los módulos de cilindro es un conjunto que comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape; y la unidad de trabajo de los módulos de cilindro restantes es un conjunto que comprende un inyector de suministro de combustible, un miembro de encendido, y unos pasos de intercambio de gas.

De acuerdo con la realización más preferida, el rotor nodular está asociado con un conjunto reductor de velocidad. De acuerdo con una aplicación, el conjunto reductor de velocidad es un tren de engranajes planetarios, comprendiendo dicho tren de engranajes planetarios un engranaje central fijado al eje, al menos un engranaje planetario soportado a rotación por la carcasa y una corona dentada asociada con el rotor nodular. De acuerdo con una aplicación diferente, el conjunto reductor de velocidad es un tren de engranajes planetarios, comprendiendo dicho tren de engranajes planetarios un engranaje central fijado al eje, al menos un engranaje planetario fijado a rotación al rotor nodular y una corona dentada fijada a la carcasa.

El miembro de accionamiento de pistón puede ser integral con o estar rígidamente fijado al pistón, con una superficie inferior del miembro de accionamiento de pistón adaptada para enganche con los nodos del rotor nodular. La distancia radial entre el pistón y el accionador de pistón es preferiblemente ajustable, conllevando por ello el ajuste de la holgura del pistón dentro del cilindro.

A fin de reducir el desgaste de los componentes mecánicos, para asegurar un comportamiento uniforme, silencioso y eficiente de la unidad de potencia, se ha previsto una disposición reductora de empuje radial que, de acuerdo con una realización, es un rodillo dispuesto en cada nodo, pudiendo rotar cada rodillo alrededor de un árbol paralelo a un eje de rotación del rotor nodular.

De acuerdo con una realización preferida, la disposición reductora de empuje radial es un rodillo que tiene una porción dentada dispuesta en cada nodo para enganche con una corona dentada fijada dentro de la abertura de la carcasa, impartiendo así los rodillos una rotación positiva alrededor de su eje longitudinal. De acuerdo con esta realización, los rodillos se hacen girar continuamente alrededor de sus ejes y, así, mientras se enganchan a la superficie inferior del miembro de accionamiento de pistón, siguen rodando, eliminando el empuje radial.

Para un rendimiento mejorado de la unidad de potencia, los módulos de cilindro están impedidos de manera rotativa dentro de sus taladros. Además, se prevén segmentos de obturación sobre los pistones y preferiblemente aún, se prevén segmentos soporte sobre el miembro de accionamiento deslizable dentro del módulo de cilindro.

De acuerdo con una realización, se ha previsto una unidad múltiple de potencia en la que la abertura dentro de la carcasa comprende una pluralidad de taladros dispuestos en dos o más planos paralelos; extendiéndose cada taladro a lo largo de un eje radial desde dicha abertura.

Alternativamente, dos o más carcasas están apiladas coaxialmente una en la parte superior de la otra en planos paralelos, por lo que se transfiere movimiento rotatorio entre rotores nodulares de carcasas vecinas.

En el caso de que la unidad de potencia rotativa comprenda más de dos planos de cilindros, entonces, es deseable que los centros de los taladros en un plano estén angularmente desplazados con respecto a los centros de los taladros en un plano vecino \alphaº, en donde \alpha se obtiene de la fórmula:

\alphaº = (360/N)/p

en donde:

\alpha se mide en grados;

N es el número de cilindros en cada plano; y

P es el número de planos.

Cuando los taladros están angularmente desplazados, como anteriormente, entonces, se obtiene un efecto de bombeo o compresión continuo y secuencial.

De acuerdo con una disposición diferente, uno o más planos de una unidad de potencia rotativa multietapa están dedicados a establecer una bomba o un compresor, y uno o más planos distintos están dedicados a establecer un motor radial. Sin embargo, se puede prever, también, una disposición en la que algunos de los taladros comprendan una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y los taladros restantes estén dotados de un inyector de suministro de combustible, unas disposiciones de encendido y de reglaje del encendido, y unos pasos de intercambio de gas, por lo que se establece un motor radial y una bomba o un compresor combinados.

Una característica importante de la unidad de potencia de acuerdo con la presente invención es que el rotor nodular está adaptado para su rotación tanto en el sentido de las agujas del reloj como en sentido contrario a las agujas del reloj, y no se requiere un procedimiento particular de adaptación. En consecuencia, en cualquier etapa, el rotor nodular se puede invertir en dirección o rotación.

De acuerdo con algunas configuraciones preferidas, la relación de curvatura entre el diámetro de la abertura en la carcasa y un diámetro esférico teórico de la superficie convexa o la cóncava es del orden de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:4. Preferiblemente aún, el pistón tiene una relación diámetro a carrera que es mayor que o igual a aproximadamente 5:1, y en la que el rotor nodular se hace girar a aproximadamente 300 rpm, o menos.

Breve descripción de los dibujos

A fin de comprender la invención y ver cómo se puede llevar a cabo en la práctica, se describirán ahora algunas realizaciones preferidas, sólo a modo de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la Fig. 1 es una vista esquemática en planta de una unidad de potencia de acuerdo con una primera realización de la presente invención, siendo la unidad de potencia una bomba o un compresor;

las Figs. 2A y 2B ilustran un módulo de pistón visto en la Fig. 1, en dos operaciones de bombeo/compresión consecutivas;

la Fig. 3 es similar a la Fig. 1 ilustrando la bomba/compresor después de que el rotor nodular haya rotado a una posición en la que los pistones han completado una carrera única;

la Fig. 4 es una vista en despiece ordenado y en perspectiva de una unidad de potencia, de acuerdo con una segunda realización preferida de la presente invención;

la Fig. 5 es una vista en perspectiva de una unidad de potencia de una realización preferida doblemente apilada de acuerdo con la presente invención;

la Fig. 6 es una vista esquemática desde arriba de la realización vista en la Fig. 5, ilustrando el desplazamiento angular de los centros de pistón;

la Fig. 7 ilustra una unidad de potencia triplemente apilada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención; y

la Fig. 8 es una representación esquemática desde arriba de la realización vista en la Fig. 7, ilustrando el desplazamiento de los pistones.

Descripción detallada de realizaciones preferidas

Se dirige la atención en primer lugar a la Fig. 1 de los dibujos, en los que se ilustra la unidad de potencia designada generalmente por 20. En el presente ejemplo, la unidad de potencia 20 es un compresor o una bomba. Sin embargo, como resultará evidente en lo sucesivo, se puede convertir fácilmente en un motor o, de acuerdo con una realización de la invención, puede ser un motor híbrido y una bomba/compresor.

La unidad de potencia 20 tiene una carcasa 22 generalmente cilíndrica formada con una abertura 24 central circular y una pluralidad de taladros 28, que se extienden radialmente entre la abertura 24 hasta una superficie externa 30 de la carcasa 22, penetrando los taladros en la abertura 24 circular.

En el presente ejemplo, la carcasa 20 está formada con ocho taladros. Sin embargo, se pueden elegir, también, un número diferente de taladros. Preferiblemente, el número de taladros es un número par.

Hay un eje 36 que se extiende hacia dentro de la abertura 24 asociado con un tren de engranajes planetarios reductores de velocidad, designado generalmente por 38, y que consiste en un engranaje central 40 fijado al eje 36, tres engranajes planetarios 42 soportados a rotación a una pared 46 de la abertura 24 por medio de los ejes 48. La corona 50 constituye una porción integral de un rotor nodular designado generalmente por 52.

La persona del oficio apreciará que, mientras en la presente realización los engranajes planetarios están soportados a rotación a la carcasa, se puede tener una realización diferente en la que los engranajes planetarios estén fijados a rotación al engrane del rotor nodular 52 y la corona esté fijada a la carcasa.

El rotor nodular 52 es un miembro en forma de heptaedro montado coaxialmente dentro de la abertura 24 y que comprende siete nodos 58. Cada nodo 58 soporta a rotación un rodillo 60 adaptado para rotar dentro de la abertura 24 alrededor de una trayectoria circular generada por un círculo limitador de los taladros 28. La disposición es tal que cuando un rodillo 60 está alineado radialmente con un eje longitudinal de un taladro respectivo (taladro 28a en la Fig. 1), el mismo penetra hasta un máximo en ese taladro específico, lo que conlleva un desplazamiento máximo del pistón asociado, como resultará evidente en lo sucesivo. Por otro lado, cuando el rodillo 60 no está en la proximidad de un taladro (véase el taladro 28e en la Fig. 1) entonces, el pistón está en su posición más baja, posición no desplazada, como se explicará en lo sucesivo. En la descripción adicional esa posición del pistón, que corresponde a la penetración máxima del rodillo será denominada posición de Punto Muerto Superior o posición de TDC y la posición más baja del pistón será denominada posición de Punto Muerto Inferior o posición de BDC.

Cada uno de los taladros 28 acomoda un módulo de cilindro designado generalmente por 70, que en el presente ejemplo es un módulo de bomba/compresor.

Haciendo referencia adicional, también, a las Figs. 2A y 2B, el módulo 70 de cilindro comprende un pistón 72 recibido de modo deslizable dentro de un inserto 74 de camisa de cilindro con segmentos de obturación 76 adecuados dispuestos sobre el pistón, de por sí conocidos. Sin embargo, se debe hacer notar que por otras realizaciones, se omiten las camisas de cilindro.

Un miembro 78 de accionamiento de pistón está fijado rígidamente o formado integralmente con el pistón 72 y comprende una superficie inferior 80, adaptada para enganche con los rodillos del rotor nodular, como se explicará en lo sucesivo. A fin de proporcionar funcionamiento uniforme y de retener el pistón y el miembro de accionamiento de pistón alineados dentro del taladro 28, el miembro 78 de accionamiento de pistón está dotado de segmentos soporte 84. Mediante una realización diferente (no ilustrada), la distancia lineal entre el pistón y el miembro asociado de accionamiento de pistón se puede alterar para controlar la holgura del pistón desde la culata del cilindro. Esto se podría conseguir, por ejemplo, disponiendo enganches de acoplamiento de tornillo entre los dos miembros, o por otros medios.

En el presente ejemplo, los segmentos de obturación 76 son segmentos autolubricantes hechos de un PTFE que comprende alrededor del 15% en grafito, por lo que no se requiere ninguna lubricación líquida. Sin embargo, son posibles también otros medios de lubricación.

El módulo 70 de pistón comprende, además, un resorte espiral 86 que se apoya en uno de sus extremos contra un resalte 87 rebajado formado integralmente dentro de la pared del módulo de pistón y, en su extremo opuesto, el resorte 86 se apoya contra el miembro 78 de accionamiento de pistón, presionando así el pistón y el miembro de accionamiento de pistón a la posición de BDC, es decir, la posición en la que el pistón está presionado radialmente hacia dentro (véase la Fig. 2A). El módulo 70 de pistón se puede insertar y fijar fácilmente dentro de un taladro de la carcasa, con medios de fijación (no mostrados) adecuados previstos para asegurar fijamente el módulo dentro de la carcasa.

El módulo 70 de pistón está dotado, además, de una válvula de admisión 90 y una válvula de escape 92. La Fig. 2A ilustra una carrera de bombeo y la Fig. 2B ilustra una carrera de compresión. Se señala que en estas figuras la superficie inferior 80 del miembro 78 de accionamiento de pistón es convexa.

Se dirige ahora atención adicional a las Figs. 1 y 3 para comprender el funcionamiento secuencial de una unidad de potencia de acuerdo con la presente invención. En la Fig. 1, el módulo de pistón en el taladro 28a está en un punto muerto superior (posición de TDC), mientras que el módulo de pistón en el taladro 28e está en el punto muerto inferior (posición de BDC). Considerando que el rotor nodular 52 está ahora rotando en el sentido de las agujas del reloj, representado por la flecha 90, así, los pistones recibidos dentro de los taladros 28b, 28c y 28d están en desplazamientos de admisión consecutivos, es decir, hacia su posición de BDC. Sin embargo, los módulos de pistón recibidos dentro de los taladros 28f, 28g y 28h están representados en desplazamientos consecutivos hacia su Punto Muerto Superior, es decir, una carrera de escape.

En la Fig. 3, se ilustra el rotor nodular 52 después de rotar 22,5º, en el que el módulo de pistón dentro del taladro 28a está ahora en su posición de Punto Muerto Inferior, mientras que el módulo de pistón en el taladro 28e está en su posición de Punto Muerto Superior. Los módulos de pistón recibidos dentro de los taladros 28b-28d se ilustran ahora en desplazamiento hacia una posición de Punto Muerto Superior, mientras que los módulos de pistón recibidos dentro de los taladros 28f-28h están en desplazamiento hacia la posición de Punto Muerto Inferior.

La disposición en la presente realización es tal que los centros de los taladros están desplazados entre sí 45º, mientras que los siete nodos están separados entre sí aproximadamente 51,4º. Sin embargo, cambiando el número de taladros y el número de nodos, se cambian los rendimientos de la unidad de potencia.

En las realizaciones mostradas en las figuras 1, 3, se ilustran los miembros 78 de accionamiento de pistón esencialmente con superficies inferiores 80 planas. Sin embargo, se apreciará que estas superficies pueden ser, también, cóncavas o convexas (como se ilustra en la Fig. 2) o pueden tener una forma compleja de superficie, que comprende una combinación de segmentos planos y arqueados. De este modo, es posible desplazar el pistón hacia la posición de BDC, a un patrón de velocidad, y hacia la posición de TDC, a otro patrón de velocidad, y extender o acortar el tiempo de punto muerto, dependiendo de la viscosidad de un fluido que se está bombeando o comprimiendo, como puede ser el caso.

Se apreciará, también, que mientras que los módulos de pistón descritos en las figuras se refieren sólo a módulos de bombeo/compresión, la unidad de potencia puede constituir, también, un motor. Para este fin, los módulos de pistón están dotados de un sistema de suministro de combustible, unos medios de encendido y de reglaje del combustible, unas válvulas de intercambio de gas, etc., como se conoce en la técnica.

Si se desea, se puede ingeniar un motor y bomba/compresor híbridos, en el que una carcasa acomoda varios módulos de pistón de motor y varios módulos de pistón de bomba/compresor. Sin embargo, debido a la simplicidad del dispositivo según la invención, y a la extrema modularidad, cada uno de los módulos de pistón puede ser reemplazado en todo momento o por un módulo de pistón de bombeo, un módulo de pistón de compresión o un módulo de pistón de motor. De esta manera, es aceptable cualquier combinación de módulos de pistón y, si se requiere, algunos módulos de pistón se pueden también eliminar por completo.

De acuerdo con modificaciones de la invención, el tren planetario reductor de velocidad puede ser una unidad independiente no asociada dentro de la carcasa. De este modo, se reduce el peso de la unidad. Son posibles, también, otras disposiciones reductoras de velocidad, como se conoce.

Una propiedad importante de la unidad de potencia de acuerdo con la presente invención es la disposición reductora de empuje radial que, en la realización de las Figs. 1 y 3, se obtuvo por rodillos 60. Se dirige ahora atención adicional a la Fig. 4 de los dibujos, que ilustra una realización diferente. De acuerdo con esta realización, la unidad de potencia designada generalmente por 100 comprende una corona internamente dentada 102 asegurada dentro de un rebaje 104 adecuado en la carcasa 106 y el rotor nodular, designado generalmente por 108, comprende una pluralidad de rodillos 110 cilíndricos soportados axialmente y a rotación entre las dos placas 112 y 114. Cada rodillo 110 está formado con una porción dentada 116 que es integral con o está unida fijamente al mismo.

En la posición montada, que puede estar configurada fuera del segmento superior en la Fig. 5, las porciones dentadas 116 de los rodillos 110 están enganchadas dentro de las coronas dentadas 102.

Un tren 120 de engranajes planetarios reductores de velocidad está dispuesto dentro de la carcasa y comprende un engranaje central 122, tres engranajes planetarios 124, una corona 126, una placa superior 128 de soporte formada con aberturas 129 y una placa inferior 130 dispuesta en los árboles 132 para montar sobre ellos los engranajes planetarios 124.

Un eje 134 se extiende a través de la placa inferior 130 y se engancha con el engranaje central 122. El eje 134 está soportado por un cojinete 136.

La carcasa 106 está formada con una pluralidad de taladros 140, dispuesto cada uno con un módulo de cilindro designado generalmente por 142 que, como se ha explicado con anterioridad, puede ser un módulo de bombeo/compresión.

En la posición montada, se imparte movimiento rotatorio a través del eje 134 y se reduce la velocidad mediante el conjunto 120 reductor de velocidad. La placa superior 128 está acoplada con la placa inferior 114 del rotor nodular 108 por medio de pasadores (no mostrados) que se extienden hacia dentro de los agujeros 129 de la placa 128.

La rotación de la placa 114 conlleva, también, la rotación de la placa 112 y, además, la rotación de los rodillos 110. Sin embargo, el engrane de los rodillos 110 dentro del engrane 102 genera movimiento rotatorio de los rodillos 110 alrededor, también, de su eje de apoyo.

Esta disposición asegura que, mientras los rodillos se engranan con la superficie inferior del miembro de accionamiento de pistón, se eliminan o reducen esencialmente las fuerzas de empuje radial, así como las fuerzas de fricción.

Haciendo referencia ahora a la Fig. 5 de los dibujos, se ha ilustrado una unidad de potencia doblemente apilada de acuerdo con la presente invención, que comprende dos carcasas 150 y 152 montadas coaxialmente una en la parte superior de la otra. Cada una de las carcasas 150 y 152 es similar, principalmente, a la realización mostrada en la vista en despiece ordenado de la Fig. 4. Sin embargo, se apreciará que la carcasa 150 está desprovista del conjunto 120 reductor de velocidad. Los pasadores (no mostrados) que sobresalen de la placa 114 de la carcasa superior 150 penetran en la placa 112 de la carcasa 152, por medio de la cual se transfiere movimiento rotatorio entre las carcasas asociadas.

En esta realización, se puede eliminar el eje 134 visto en la Fig. 4, en la que una carcasa, por ejemplo la carcasa 152, puede estar diseñada como un motor, mientras que la carcasa 150 puede estar diseñada como una bomba/compresor, siendo autónoma toda la unidad de potencia, siendo transferido el desplazamiento rotatorio entre carcasas por los conjuntos de rotor nodular.

La Fig. 6 es una vista esquemática desde arriba de la realización vista en la Fig. 5, en la que se muestra que el desplazamiento angular entre los pistones 154 de la carcasa 150 y los pistones 156 de la carcasa 152 se calcula por la fórmula:

\alphaº = (360/N)/p

en la que:

\alpha se mide en grados;

N es el número de cilindros en cada plano; y

P es el número de planos.

En el presente ejemplo, N = 8 y P = 2 y el ángulo \alpha es así = a 22,5º.

En la realización de la Fig. 7, se ha ilustrado una unidad de potencia triplemente apilada que comprende tres carcasas 160, 162 y 164, dotadas cada una de una pluralidad de módulos 166, 168 y 170 de pistón, respectivamente.

La disposición en esta realización es esencialmente similar a la realización de la Fig. 5 en cuanto a transferencia de movimiento rotatorio y con respecto al desplazamiento de los centros de los pistones en las tres capas.

Esta disposición es adecuada para, en particular, pero no está limitada a, unidades de potencia de bombeo/compresión en las que se obtiene desplazamiento sucesivo de los pistones, asegurando funcionamiento uniforme y compresión o fuerza de succión continua. Alternativamente, las carcasas pueden estar dispuestas a fin de funcionar en tándem.

La Fig. 8 ilustra la posición de desplazamiento radial de los centros de los módulos de pistón que, basándose en la fórmula a la que se hace referencia en conexión con la Fig. 6, produce un ángulo diferente \alpha = 15º.

En la realización de la Fig. 7, cada una de las carcasas puede acomodar módulos de pistón diferentes. Como un primer ejemplo, la unidad de potencia apilada puede estar diseñada de manera que una primera carcasa sea un motor, una segunda carcasa sea un compresor y una tercera carcasa sea una bomba. Sin embargo, son posibles, también, una variedad de otras combinaciones.

Habiendo proporcionado la descripción anterior, se han de añadir algunas aclaraciones y algunos detalles destacados adicionales. Por ejemplo, se señala que el rotor nodular de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores es rotatorio en ambos sentidos sin tener que realizar ningún cambio en el conjunto antes de cambiar el sentido de rotación. Evidentemente, esto es una ventaja, también, en cuanto a la flexibilidad en conectar la bomba/compresor a una salida de un motor.

Además, como se ha señalado, no se prevén medios particulares de lubricación aparte del uso de los segmentos de PTFE de pistón para reducir el rozamiento. Este hecho, por sí mismo, aprovecha la bomba/compresor para uso, en particular, pero no restringido a, con diferentes gases, por ejemplo, oxígeno para suministro médico, diferentes gases para submarinismo y gases para procesos industriales. Típicamente, en tales casos, se requieren los gases comprimidos con altos grados de purificación. Se señala, sin embargo, que se pueden usar una variedad de otros materiales compuestos de lubricación, así como otros medios de lubricación, tal como lubricación con aceite líquido, como se conoce en la técnica.

Mientras que en las realizaciones descritas con anterioridad, un engranaje planetario reductor de velocidad se dispuso integralmente dentro de la unidad de potencia, se ha de entender que tal mecanismo reductor de velocidad se puede eliminar o incorporar como un conjunto independiente unido entre la unidad de potencia y un motor que proporciona movimiento rotatorio. Se apreciará, también, que tales medios reductores de velocidad pueden ser de cualquier diseño particular y no están necesariamente restringidos a engranajes planetarios, aunque, se entenderá que los engranajes planetarios reductores de velocidad tienen la ventaja significativa de ser compactos y, así, adecuados para su incorporación dentro de la carcasa de la unidad de potencia de la presente invención.

Como se ha mencionado ya anteriormente, los módulos de cilindro son enteramente modulares e intercambiables. Esto se considera como una ventaja significativa que proporciona flexibilidad, en la que una unidad de potencia de plano único puede estar diseñada con algunos módulos de cilindro adaptados para realizar bombeo o compresión y otros módulos de cilindro adaptados para generar movimiento rotatorio, por lo que la unidad de potencia es autónoma.

Se aprecia, también, que la bomba/compresor de acuerdo con la presente invención es adecuada para bombear o comprimir simultáneamente medios diferentes, en la que algunos de los módulos de cilindro se pueden usar para bombear o comprimir un primer tipo de fluido y otros módulos de pistón pueden servir para bombear o comprimir otros medios de fluido. Tales fluidos pueden ser líquidos o gases, como la persona del oficio se da cuenta sin dudar.

Como se ha ilustrado y descrito anteriormente, las unidades de potencia pueden estar diseñadas para ser apiladas una en la parte superior de la otra, con medios integrales previstos para transferir movimiento rotatorio entre niveles de las unidades de potencia. Esto, de nuevo, es una ventaja en cuanto a modularidad se refiere, en la que cada plano puede estar diseñado para realizar un tipo diferente de trabajo, es decir, bombeo, compresión o generación de trabajo (servir como motor). Alternativamente, se aprecia que en lugar de apilar varias carcasas una en la parte superior de la otra, se puede tener una carcasa única provista de varios planos de taladros, sirviendo cada plano como una unidad funcional diferente.

Se aprecia, además, que el fallo de uno o más módulos de cilindro o la retirada de un módulo de cilindro no influye en el funcionamiento funcional de los módulos de cilindro restantes, pudiéndose hacer funcionar independientemente cada uno de ellos.

Se desea, además, enfatizar que la estructura de la unidad de potencia de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriormente descritas se diseña para tener una velocidad rotativa de aproximadamente 300 rpm. Esto se considera como una gran ventaja respecto a las unidades de potencia de la técnica anterior que funcionan típicamente a una velocidad rotativa significativamente superior a fin de entregar el mismo trabajo, mejorando así significativamente el rendimiento total de la unidad de potencia.

Utilizando una relación extrema diámetro de pistón a carrera, típicamente, de un orden mayor que alrededor de 5:1, la unidad de potencia de acuerdo con la presente invención consigue una reducción de la velocidad lineal del pistón dentro del cilindro. Esto es una ventaja significativa que da como resultado una reducción del rozamiento, el desgaste de los segmentos, el desgaste de las paredes de cilindro, menos generación de calor y carga reducida en el tren de accionamiento, así como un funcionamiento más silencioso.

Estas calidades mejoradas permiten el uso de tales materiales que, de otro modo, no se podrían usar en tales unidades de potencia. Tales materiales son, por ejemplo, plásticos compuestos, metales ligeros, etc. La ventaja de usar tales materiales reside en la reducción de pérdidas de rozamiento entre los segmentos de pistón y las paredes de cilindro, y la eliminación de los fenómenos de pegado/deslizamiento, que son intrínsecos en superficies con contacto metálico. Esta disposición permite, también, que el compresor de carrera corta funcione sin lubricación líquida (libre de aceite) y, así, reducir significativamente el tamaño y peso totales de la unidad.

Aunque se han mostrado y descrito algunas realizaciones preferidas en la memoria descriptiva, una persona del oficio entenderá que no se pretende por ello delimitar la descripción de la invención, sino más bien se pretende cubrir todas las modificaciones y disposiciones que caen dentro del alcance de la presente invención, como está definida en las reivindicaciones adjuntas, cambiando lo que se deba cambiar.

Claims (31)

1. Una unidad (10) de potencia rotativa, que comprende:

una carcasa (22, 106) que tiene una abertura (24) circular y una pluralidad de taladros (28), extendiéndose cada uno a lo largo de un eje radial desde un centro de dicha abertura (24);

un rotor nodular (52) montado dentro de la abertura (24) de la carcasa (22, 106) y que puede rotar coaxialmente dentro de la abertura (24); comprendiendo dicho rotor nodular (52) una pluralidad de nodos (58) distribuidos igualmente a lo largo de su círculo limitador, siendo el número de nodos (58) un entero impar menor que el número de taladros (28) en la carcasa (22);

una pluralidad de módulos (70) de cilindro reemplazables, que se pueden recibir cada uno fijamente dentro de un taladro (28) respectivo dentro de la carcasa (22, 106);

comprendiendo cada módulo (70) de cilindro un pistón (72) deslizable dentro de un cilindro (74), un miembro (78) de accionamiento de pistón asociado con cada pistón (72) y una unidad de trabajo asociada con una culata (88) del cilindro en un extremo distal del cilindro (74); siendo cada pistón (72) desplazable a lo largo del eje radial entre un Punto Muerto Superior (TDC) y un Punto Muerto Inferior (BDC), estando los pistones presionados hacia dentro de dicho BDC;

el rotor nodular (52) está dotado de una disposición reductora de empuje radial para enganche con los respectivos miembros (78) de accionamiento de pistón;

caracterizada la unidad de potencia porque dicha disposición reductora de empuje radial es un rodillo (110) dispuesto en cada nodo (58), siendo enganchado para su rotación positiva por un anillo (102) estático asociado con la carcasa (22, 106), por medio de la cual cada rodillo (110) engancha una superficie inferior (80) de un miembro (78) de accionamiento en enganche de rodadura real.

2. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que una superficie inferior (80) de los accionadores (78) de pistón es plana, cóncava o convexa o tiene una forma compleja que comprende una combinación de segmentos planos y arqueados.

3. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 2, en la que los desplazamientos de carrera y el tiempo de punto muerto en el TDC del pistón (72) están determinados por la geometría de la superficie inferior (80) del miembro (78) de accionamiento de pistón.

4. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 3, en la que el ángulo d de punto muerto del pistón (72) en el BDC, medido en grados de rotación del rotor (52), se calcula por la fórmula:

d \geq (360º/n)*0,125

en la que:

d es el ángulo de punto muerto medido en grados; y

n es el número de nodos.

5. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el pistón (72) está en el TDC cuando un nodo (58) correspondiente del rotor nodular (52) se extiende a lo largo del eje radial respectivo; y el pistón está en su BDC cuando el nodo respectivo es desplazado angularmente (180º/n)-d/2 desde dicho eje radial; en el que:

n - es el número de nodos del rotor nodular; y

d - es el ángulo de punto muerto entre cilindros vecinos (medido en grados).

6. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el rotor nodular (52) está asociado con un eje (36) que se extiende desde el centro de, y es perpendicular a el plano del rotor nodular (52) y está adaptado para recibir o impartir un movimiento rotatorio hacia o desde el rotor nodular, alternativamente.

7. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la unidad de trabajo (88) es un conjunto que comprende una o más válvulas de admisión (90) y una o más válvulas de escape (92), y en la que se imparte movimiento rotatorio al rotor nodular (52) que conlleva desplazamiento radial del pistón (72), estableciendo por ello una bomba o un compresor.

8. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la unidad de trabajo es un conjunto que comprende un inyector de suministro de combustible, unas disposiciones de encendido y de reglaje del encendido, y unos pasos de intercambio de gas; en la que el desplazamiento radial de los pistones imparte movimiento rotatorio al rotor nodular, estableciendo por ello un motor radial.

9. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la unidad de trabajo de alguno de los módulos de cilindro es un conjunto que comprende una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape; y la unidad de trabajo de los módulos de cilindro restantes es un conjunto que comprende un inyector de suministro de combustible, un miembro de encendido y unos pasos de intercambio de gas.

10. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el número de taladros (28) es un número par.

11. Una unidad 100 de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el rotor nodular (108) está asociado con un conjunto (120) reductor de velocidad.

12. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 11, en la que el conjunto (120) reductor de velocidad es un tren de engranajes planetarios, comprendiendo dicho tren de engranajes planetarios un engranaje central (122) fijado al eje (134), al menos un engranaje planetario (124) soportado a rotación por la carcasa y una corona dentada (126) asociada con el rotor nodular (108).

13. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 11, en la que el conjunto (120) reductor de velocidad es un tren de engranajes planetarios, comprendiendo dicho tren de engranajes planetarios un engranaje solar (122) fijado al eje (134), al menos un engranaje planetario (124) fijado a rotación al rotor nodular (108) y una corona dentada (126) fijada a la carcasa (106).

14. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el miembro (78) de accionamiento de pistón es integral con o está rígidamente fijado al pistón (72), y tiene una superficie inferior (80) para enganche con los nodos del rotor nodular.

15. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la distancia radial entre el pistón (72) y el miembro (78) de accionamiento de pistón es ajustable, ajustando así el desplazamiento axial del pistón dentro del cilindro.

16. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 2, en la que la relación de curvatura entre el diámetro de la abertura en la carcasa (24) y un diámetro esférico teórico de la superficie (80) convexa o cóncava es del orden de 1:1 a aproximadamente
1:4.

17. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la disposición reductora de empuje radial es un rodillo (60) dispuesto en cada nodo (58), pudiendo rotar cada rodillo (60) alrededor de un árbol paralelo a un eje d rotación (36) del rotor nodular (52).

18. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la disposición reductora de empuje radial es un rodillo (110) que tiene una porción dentada (116) dispuesta en cada nodo para engrane con una corona dentada (102) fijada dentro de la abertura de la carcasa (106), impartiendo así los rodillos (110) una rotación positiva alrededor de su eje longitudinal.

19. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que los módulos (70:142) de cilindro están impedidos de rotar dentro de sus taladros.

20. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que se prevén segmentos de estanqueidad (76) sobre el pistón (72).

21. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que se prevén aros soporte (84) sobre el miembro de accionamiento (78) deslizables dentro de una camisa de posicionamiento fijada con respecto al taladro (28).

22. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el pistón (72) y el miembro (78) de accionamiento de pistón tienen diámetros diferentes, por lo que se usa un inserto cilíndrico como un adaptador entre el diámetro del pistón o del miembro de accionamiento de pistón y el diámetro del taladro (28).

23. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que la abertura dentro de la carcasa comprende una pluralidad de taladros dispuestos en dos o más planos paralelos; extendiéndose cada taladro a lo largo de un eje radial desde dicha abertura.

24. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que dos o más carcasas (150; 152; 160; 162; 164) están apiladas coaxialmente unas sobre otras en planos paralelos, por medio de lo cual se transfiere movimiento rotatorio entre rotores nodulares de carcasas vecinas.

25. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el rotor nodular (52) está adaptado para su rotación tanto en el sentido de las agujas del reloj como en sentido contrario a las agujas del reloj.

26. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que el pistón (72) tiene una relación diámetro a carrera que es mayor que o igual a 5:1.

27. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 4, en la que se hace girar el rotor nodular (52) a aproximadamente 300 rpm, o menos.

28. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 23 o 24, en la que los centros de los taladros en un plano están radialmente desplazados con respecto a los centros de los taladros en un plano vecino según \alphaº, en la que \alpha se obtiene de la fórmula:

\alphaº = (360/N)/p

en la que:

\alpha se mide en grados;

N es el número de cilindros en cada plano; y

P es el número de planos.

29. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 23 o 24, en la que se dedican uno o más planos para establecer una bomba o un compresor, y se dedican uno o más planos distintos para establecer un motor radial.

30. Un conjunto de potencia rotativo que comprende dos o más unidades de potencia rotativas según la reivindicación 1, unidas fijamente y coaxialmente entre sí.

31. Una unidad de potencia rotativa según la reivindicación 1, en la que algunos de los taladros comprenden una o más válvulas de admisión y una o más válvulas de escape, y los taladros restantes están dotados de un inyector de suministro de combustible, unas disposiciones de encendido y de reglaje del encendido, y unos pasos de intercambio de gas, por medio de lo cual se establece un motor radial y una bomba o un compresor combinados.