BRPI0909929B1 - Impelidor, sistema para agitar um fluido e método para agitar um fluido em um tanque - Google Patents

Abstract

impelidor, sistema para agitar um fluido e método para agitar um fluido em um tanque. um impelidor, um sistema para agitar um fluido, e um método para agitar um fluido em um tanque são divulgados. para um diâmetro de impelidor suficientemente pequeno e máxima velocidade de ponta de pá, o impelidor, sistema, e método divulgados são capazes de acelerar um fluido de velocidade de captação quase zero, para gerar uma zona de agitação que é colimada o suficiente para ter vetores de velocidade suficientes para suspender partículas a uma grande distância afastadas do impelidor, enquanto minimizando a extração de energia requerida. um impelidor pode incluir um cubo definindo um eixo geométrico longitudinal e várias pás espaçadas circunferencialmente sobre o cubo. cada pá pode incluir uma porção de raiz e uma porção de ponta. cada pá pode definir uma borda-guia tendo uma geometria helicoidal inclinada aproximadamente circular. um sistema para agitar um fluido pode incluir um tanque para conter o fluido, um eixo de acionamento para se estender para dentro do tanque, e o impelidor.

Description

IMPELIDOR, SISTEMA PARA AGITAR UM FLUIDO E MÉTODO PARA

AGITAR UM FLUIDO EM UM TANQUE”

Campo técnico [0001] A presente invenção se relaciona com um impelidor para agitar fluidos e fluidos incluindo partículas sólidas suspensas, particularmente um impelidor que inclui pás que combinam movimento de fluido de captação axial e radial e têm uma inclinação circular.

Antecedentes [0002] Impelidores helicoidais marítimos são bem conhecidos em indústrias relacionadas com a marinha. Impelidores helicoidais marítimos são tipicamente projetados para otimizar a força de empuxo mecânica e gerar fluxo de fluido como um subproduto desnecessário. Em aplicações de agitação industrial, otimizar o fluxo de fluido pode ser um dos objetivos de um sistema impelidor, e a força de empuxo mecânica pode ser um subproduto desnecessário. Portanto, um impelidor que incorpore um design de pá helicoidal estilo marítimo típico pode não ser projetado para otimizar fluxo de fluido para aplicações de agitação, o que pode limitar a eficácia de tais impelidores em algumas aplicações de agitação.

[0003] Em grandes tanques de armazenagem de refinaria de petróleo ou outros grandes tanques de armazenagem de produtos químicos, pode ser necessário manter partículas contaminantes sólidas ou outros sedimentos suspensos no óleo bruto e seus derivados ou outros produtos químicos ou fluido, tal que os contaminantes não se acumulem sobre o piso do tanque. Em tais tanques, um ou mais impelidores de entrada lateral são frequentemente usados para ajudar a manter os contaminantes

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2/55 sólidos suspensos no óleo bruto e seus derivados, mantendo desta forma o piso do tanque limpo.

[0004] Em tanques digestores anaeróbicos pode ser necessário manter partículas sólidas suspensas no fluido, para ajudar no processo de digestão anaeróbica. Em tais tanques, um ou mais impelidores de topo são frequentemente usados para manter partículas sólidas suspensas no fluido. Tipicamente, um tubo de descarga é usado para permitir um impelidor de entrada pelo topo gerar um fluxo de agitação no fundo do tanque digestor anaeróbico.

Sumário [0005] Um impelidor, um sistema para agitar um fluido, e um método para agitar um fluido em um tanque são divulgados. Para um diâmetro de impelidor suficientemente pequeno e máxima velocidade de ponta de pá, o impelidor, sistema, e método divulgados são capazes de acelerar um fluido de velocidade de captação quase zero, para gerar uma zona de agitação que é colimada bastante para ter vetores de velocidade suficientes para suspender partículas a uma grande distância afastadas do impelidor, enquanto minimizando a extração de potência requerida.

[0006] Um impelidor pode incluir um cubo definindo um eixo geométrico longitudinal e várias pás espaçadas circunferencialmente sobre o cubo. Cada pá pode incluir uma porção de raiz e uma porção de ponta. Cada pá pode definir uma borda-guia tendo uma geometria helicoidal inclinada aproximadamente circular. Um sistema para agitar um fluido pode incluir um tanque para conter o fluido, um eixo de acionamento para se estender para dentro do tanque, e o impelidor.

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3/55 [0007]

O impelidor ou o impelidor no sistema para agitar um fluido adicionais.

pode incluir uma ou mais características

Cada pá pode ter um passo variável tal que a porção de raiz induza primariamente fluxo de fluido axial e a ponta induza primariamente fluxo de fluido radialmente para dentro quando as pás são giradas sobre o eixo geométrico longitudinal. Cada borda-guia pode definir um formato de vista lateral, o formato de vista lateral sendo ajustado para aproximadamente o mesmo formato de vista lateral que a fronteira de fluido a velocidade constante no lado de captação do impelidor. Cada pá pode incluir uma face primitiva que define uma pluralidade de linhas de arqueamento, cada linha de arqueamento tendo um formato que segue aproximadamente uma curva exponencial. A curva exponencial para cada linha de arqueamento de face primitiva pode ser criada dentro de uma estrutura de referência de hélice cônica normal à borda-guia.

Cada borda-guia pode definir um formato de vista de topo, o formato de vista de topo sendo um arco circular entre

120 e 180 graus. O impelidor pode incluir adicionalmente um revestimento de cubo tendo um formato substancialmente elipsoidal que tem uma inclinação variando substancialmente continuamente na direção do fluxo de fluido que é induzido quando as pás são giradas sobre o eixo geométrico longitudinal. O cubo pode ter uma altura vertical e a porção de raiz de cada pá pode ter uma altura vertical, e a altura vertical de cara borda de raiz pode ser maior que a altura vertical do cubo.

[0008] Um método para agitar um fluido em um tanque pode incluir as etapas de submergir um impelidor no tanque de fluido e girar o impelidor. Na etapa de submergir um

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4/55 impelidor no tanque de fluido, o impelidor pode incluir um cubo definindo um eixo geométrico longitudinal e várias pás espaçadas circunferencialmente sobre o cubo, cada pá incluindo uma porção de raiz e uma porção de ponta e tendo um passo variável, cada pá definindo uma borda-guia tendo uma geometria helicoidal inclinada aproximadamente circular. A etapa de girar o impelidor pode incluir girar o impelidor para bombear o fluido primariamente axialmente nas porções de raiz das pás e para bombear o fluido radialmente para dentro e axialmente nas porções de ponta das pás para produzir fluxo geralmente colimado.

[0009] O método para agitar um fluido em um tanque pode incluir adicionalmente as etapas de dispor o impelidor em uma primeira orientação angular para produzir uma primeira zona colimada de agitação de fluido em uma primeira porção do tanque e articular rotativamente o impelidor para uma segunda orientação angular para produzir uma segunda zona colimada de agitação de fluido em uma segunda porção do tanque. A etapa de submergir um impelidor pode incluir submergir vários impelidores. O fluido pode ter uma velocidade de captação próxima de zero. O tanque pode ser um tanque de armazenagem de refinaria de petróleo, a etapa de submergir um impelidor pode incluir submergir um impelidor próximo a um primeiro lado do tanque, e a etapa de girar o impelidor pode incluir produzir fluxo geralmente colimado que se estenda até um segundo lado do tanque oposto ao primeiro lado do tanque. O tanque pode ser um tanque de digestão anaeróbica, a etapa de submergir um impelidor pode incluir submergir um impelidor próximo a uma superfície de topo do fluido, e a etapa de girar o impelidor pode incluir produzir fluxo geralmente

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5/55 colimado que se estenda até um fundo do tanque sem o uso de um tubo de descarga.

Descrição resumida dos desenhos [0010] A figura 1A é uma vista em perspectiva de um sistema de impelidor de entrada lateral de acordo com um aspecto da invenção instalado em um tanque de armazenagem de refinaria de petróleo;

[0011] A figura 1B é uma vista em perspectiva de duas configurações de sistemas de impelidor de entrada de topo em um tanque digestor anaeróbico;

[0012] A figura 2A é uma vista lateral de um impelidor de acordo com um aspecto da invenção;

[0013]	A	figura 2B	é uma	vista	de topo do impelidor
representado	na figura	2A;
[0014]	A	figura 3A	é uma	vista	lateral de uma hélice

inclinada circular que pode definir a superfície sobre a qual a borda-guia de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção está localizada.

[0015] A figura 3B é uma vista em perspectiva diagramática da hélice inclinada circular representada na figura 3A;

[0016] A figura 3C é uma vista lateral diagramática da hélice inclinada circular representada na figura 3A;

[0017] A figura 3E é uma vista lateral de uma hélice de inclinação zero linear que pode definir a superfície sobre a qual a borda-guia de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção está localizada.

[0018] A figura 4A são vistas laterais destacadas parciais de uma série de impelidores de acordo com um aspecto da invenção.

[0019] A figura 4B são vistas em perspectiva da série de

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6/55 impelidores representados na figura 4A;

[0020] A figura 5A é uma vista de topo da superfície primitiva incluindo linhas de arqueamento de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção;

[0021] A figura 5B é uma vista lateral da superfície primitiva representada na figura 5A;

[0022] A figura 6A é uma vista de topo do ajuste matemático da superfície primitiva de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção;

[0023] A figura 6B é uma vista lateral da superfície primitiva representada na figura 6A;

[0024] A figura 7 é uma vista lateral de um impelidor incluindo porções de pá de bombeamento radial estendidas de acordo com um aspecto da invenção;

[0025] A figura 8A é uma vista lateral de um impelidor tendo um perfil de vista de topo hiperoblíquo;

[0026] A figura 8B é uma vista de topo do impelidor representado na figura 8A;

[0027] A figura 9A é uma vista lateral de um impelidor tendo uma borda-guia que se desvia ligeiramente da superfície de uma hélice inclinada circular;

[0028]	A	figura	9B é	uma vista	de topo do	impelidor
representado	na figura 9A;
[0029]	A	figura	10 é	uma vista	pelo fundo	da face

primitiva de um formato de pá inicial que é recortada para determinar o formato de pá do impelidor representado na figura 9B;

[0030] A figura 11A é uma vista lateral de um impelidor tendo um revestimento de cubo; e [0031] A figura 11B é uma vista de topo do impelidor

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7/55 representado na figura 11A.

Descrição detalhada de configurações ilustrativas [0032] Referindo-se à figura 1A, um ambiente de tanque de armazenagem de refinaria de petróleo 100 inclui um tanque 102, um líquido 104, e um impelidor de entrada lateral 106. Em uma aplicação de limpeza de piso de tanque tal como um ambiente de tanque de armazenagem de refinaria de petróleo 100, pode ser desejável limitar o diâmetro externo de um impelidor de entrada lateral 106 que é usado para evitar acúmulo de contaminantes sobre o piso do tanque. Esta limitação de diâmetro pode surgir de dois fatores. Primeiro, em um tanque de armazenagem de refinaria de petróleo típico, o teto ou tampa do tanque pode flutuar sobre o topo do óleo bruto e seus derivados, para limitar o volume de ar dentro do tanque. Se o diâmetro de um impelidor de entrada lateral for muito grande, o teto ou tampa do tanque não será capaz de se mover muito próximo ao piso do tanque (sempre haverá pelo menos um diâmetro de impelidor de afastamento do piso do tanque, mas mais tipicamente, o teto deve permanecer pelo menos 2,5 diâmetros de impelidor acima da linha de centro do impelidor), o que pode resultar substancialmente em um volume de óleo bruto e seus derivados serem inacessíveis e requeridos a permanecer no tanque de armazenagem. Segundo, em um típico tanque de armazenagem de refinaria de petróleo, o diâmetro interno da entrada de visita, sobre a qual um agitador de entrada lateral pode ser conectado, pode ser menor que o diâmetro do impelidor usado para evitar acúmulo de contaminantes sobre o piso do tanque. Se o impelidor de limpeza de fundo de tanque for muito grande para passar pela abertura da entrada de visita, pode ser caro e perigoso

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8/55 suspender o impelidor sobre a lateral do tanque de armazenagem (p.ex., altura de 75 pés) e abaixá-lo até o fundo do tanque (onde um funcionário pode ser incapaz de respirar devido aos fumos) para ligação a um motor através da abertura de entrada lateral. Como usado aqui, um impelidor de entrada

lateral

em uma aplicação de tanque de armazenagem de

refinaria de petróleo penetra no líquido no tanque até uma distância que fique próxima à parede lateral do tanque

(p.ex.,	dentro de 2-5 diâmetros de impelidor da parede
lateral	do tanque).
[0033]	Quando limpando o piso de um grande tanque de

armazenagem de refinaria de petróleo, pode ser necessário suspender partículas contaminadas a grandes distâncias do impelidor de entrada lateral (p.ex., 200 pés). Considerando que pode ser desejável limitar o diâmetro de um impelidor de entrada lateral que é usado para manter o piso do tanque limpo, muitos impelidores de diâmetro menor típicos podem não ser capazes de gerar suficiente velocidade de fluido, a distâncias afastadas do impelidor (p.ex., próximo à parede afastada do tanque), para manter contaminantes sólidos de um tamanho de partícula especificado suspensos. Isto pode ser devido à incapacidade de muitos impelidores típicos de gerar um fluxo que seja colimado o suficiente para permitir a zona de mistura (com suficiente velocidade de fluido para suspender contaminantes) se estender a partir do impelidor toda a distância até a parede de tanque oposta ao impelidor. Mesmo se um único impelidor de articulação rotativa ou vários impelidores estacionários posicionados em diferentes ângulos forem usados para limpar porções maiores de um piso de tanque, pode ser necessário que a zona de agitação colimada

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9/55 produzida para cada impelidor se estenda longe o suficiente para alcançar a parede de tanque afastada.

[0034] Referindo-se à figura 1B, um ambiente de tanque digestor anaeróbico 110 inclui um tanque 112, um líquido 114, e qualquer um ou ambos de um impelidor de entrada de topo central 116 e um impelidor de entrada de topo lateral 118. Em uma aplicação de digestor anaeróbico, incluindo, por exemplo, digestores aneróbicos estilo “panqueca, pode ser necessário suspender partículas sólidas a grandes distâncias do impelidor de entrada de topo 116 ou 118 (p.ex., 18-35 pés), e um vaso tendo um diâmetro, por exemplo, de 40-90 pés. O tanque digestor 112 pode ter uma tampa fixa ou uma tampa flutuante, e o tanque digestor pode ter um fundo cônico. Em uma aplicação de digestor anaeróbico, um ou mais impelidores (cada impelidor usando 5-20 hp de entrada de energia) podem ser usados em um único tanque digestor. Por exemplo, seis ou mais impelidores podem ser instalados em um único grande digestor. Muitos impelidores de entrada de topo de diâmetro menor podem não ser capazes de gerar suficiente velocidade de fluido, a distâncias afastadas do impelidor (p.ex., próximo ao fundo do tanque), para manter partículas sólidas de um tamanho especificado suspensas. Como usado aqui, os termos “fluido e “líquido são usados intercambiavelmente, e ambos os termos se referem a um líquido, uma pasta, um líquido com partículas sólidas suspensas, ou um líquido com gás arrastado.

[0035] Em uma aplicação típica de digestor anaeróbico, um tubo de descarga é requerido para permitir um impelidor de entrada de topo gerar um fluxo de agitação no fundo do tanque digestor anaeróbico que seja suficiente para manter as

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10/55 partículas sólidas suspensas no liquido. Como usado aqui, um impelidor de entrada de topo em uma aplicação de digestor anaeróbico é submerso em um líquido no tanque digestor anaeróbico até uma profundidade que seja próxima à superfície de topo do líquido (p.ex., dentro de 2-5 diâmetros de impelidor da superfície de topo do líquido). A inclusão requerida de um tubo de descarga pode ser devida à incapacidade de muitos impelidores típicos de gerar um fluxo que seja colimado o suficiente para permitir a zona de agitação (com velocidade de fluido suficiente para suspender partículas sólidas) se estender do impelidor toda a distância até o fundo de tanque oposto ao impelidor. A inclusão de um tubo de descarga circundando o impelidor pode criar atrito entre o líquido em movimento e o tubo de descarga, o que pode requerer a alimentação de energia adicional para compensar as forças friccionais. Também, a presença do tubo de descarga no líquido pode impedir o desenvolvimento de características de fluxo secundárias que podem tornar a agitação do fluido mais eficiente em energia. Pode ser desejável, por exemplo, projetar o formato do impelidor tal que ele possa criar um fluxo de fluido suficiente para manter partículas sólidas suspensas que se estenda do impelidor até o fundo do tanque, o que pode eliminar a necessidade de incluir um tubo de descarga.

[0036] Em algumas aplicações de agitação, uma velocidade rotacional de impelidor mais alta pode ser usada para estender a distância coberta por uma zona de agitação, ou para aumentar o torque por volume unitário. Entretanto, frequentemente é indesejável que a velocidade linear da ponta de pá exceda um nível requerido. Portanto, em adição a manter

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11/55 o diâmetro do impelidor abaixo de um limite aceitável, também é desejável manter a velocidade linear das pontas de pá do impelidor abaixo de um limite aceitável. Por exemplo, em tanques de armazenagem de óleo bruto com tetos flutuantes, velocidade excessiva de ponta pode aumentar a força de cisalhamento do fluido atuando sobre o teto quando o nível de fluido estiver baixo. Isto pode necessitar uma folga vertical mínima maior entre as pás de impelidor e o teto do tanque. Também, a velocidade excessiva de ponta pode aumentar níveis de vibração indesejáveis, que podem reduzir a vida dos componentes do agitador e aumentar adicionalmente a força de cisalhamento de fluido atuando sobre o teto quando o nível de fluido estiver baixo. Velocidade excessiva de ponta pode provocar cavitação, a qual está relacionada com erosão de pá. Em uma aplicação de dessulfurização de gás de conduto, uma pasta abrasiva de gesso e calcário é agitada, e a velocidade excessiva de ponta se correlaciona com o desgaste excessivo das pontas de pás do impelidor. Adicionalmente, os motores de agitação tipicamente têm velocidades de acionamento disponíveis comumente, então uma necessidade de velocidade rotacional do impelidor aumentada pode aumentar o custo do sistema de agitação.

[0037] Em adição às outras qualidades desejadas de impelidor, pode ser desejável criar um impelidor tão eficiente em energia quanto possível para um dado diâmetro máximo de impelidor e zona de agitação. A borda-guia de um impelidor incorporando um típico design de pá helicoidal estilo marítimo pode não ser otimamente conformada para permitir a aceleração altamente eficiente de um fluido a partir de velocidades próximas de zero no lado de entrada do

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12/55 impelidor. Esta ineficiência pode resultar em um requisito de extração de energia mais alto para girar o impelidor do que se um impelidor incorporando um formato de borda-guia mais ótimo fosse usado. Pode ser desejável, por exemplo, projetar o formato da borda-guia do impelidor tal que ela se conforme com regiões de velocidade de fluido constante a partir da raiz da borda-guia (próximo ao cubo) até a ponta da bordaguia.

[0038] Referindo-se às figuras 2A e 2B para ilustrar uma estrutura e função preferidas da presente invenção, um impelidor 10 inclui um cubo 11 e várias pás 12. O impelidor 10 preferivelmente gira sobre o cubo 11 em uma direção rotacional R1. Cada pá 12 é espaçada circunferencialmente sobre o cubo 11, e cada pá 12 inclui uma borda-guia 13, uma borda guiada 14, uma borda de raiz 15, uma borda de ponta 16, uma face primitiva 17, uma face não primitiva 18, e uma ponta de borda guiada 19. O impelidor 10 é preferivelmente ligado via o cubo 11 a um eixo de acionamento (não mostrado) para se estender dentro de um tanque contendo fluido. O cubo 11 é preferivelmente ligado ao eixo de acionamento via uma chaveta, mas qualquer outro mecanismo conhecido pode ser usado, incluindo um estriado, parafuso de pressão, soldagem, ou colagem química. Cada pá 12 pode ser formada integramente com o cubo 11 em um único fundido, mas as pás 12 também podem ser ligadas ao cubo 11 por qualquer outro mecanismo conhecido, incluindo aparafusamento, travamento, soldagem, ou colagem química.

[0039] O impelidor 10 ou qualquer dos impelidores como divulgados aqui pode ser feito de aço inoxidável, ferro fundido, plástico reforçado com fibra de vidro (FRP), ou

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13/55 qualquer outro material ou combinação de materiais conhecidos na técnica que tenha a resistência, durabilidade, e resistência à corrosão que são requeridas para o particular fluido que é intencionado a ser agitado. O FRP pode incluir, por exemplo, uma combinação de manta de fibra de vidro entrelaçada de alta resistência intercalada com manta de fibra de manta picada. Por exemplo, o impelidor 70 que é mostrado nas figuras 8A e 8B pode ser feito de plástico reforçado com fibra de vidro para a maior parte da pá, e o impelidor 70 pode incluir um inserto de rigidez de aço inoxidável 75b se estendendo do cubo 71 através de uma porção (p.ex., 20% da parte radialmente mais interna) das pás 72.

[0040] O impelidor 10 ou qualquer dos impelidores divulgados aqui pode ser montado na parede lateral, próximo ao fundo de um tanque de armazenagem contendo óleo bruto e seus derivados ou outros fluidos químicos. Um impelidor pode ser usado, localizado em uma orientação rotacional fixa ou montado tal que ele seja capaz de se articular rotativamente reciprocamente para permitir uma zona de agitação colimada ser produzida em diferentes porções do tanque de armazenagem, dependendo da orientação rotacional do impelidor. Também, uma pluralidade de impelidores estacionários ou articulados rotativos podem ser dispostos em diferentes ângulos entre si, tal que a combinação de impelidores possam ser usados para limpar porções maiores de um piso de tanque que um único impelidor.

[0041] O impelidor 10 ou qualquer dos impelidores como divulgados aqui pode ser montado no topo ou tampa de um tanque digestor anaeróbico contendo líquido e partículas sólidas suspensas. Um impelidor pode ser usado, localizado no

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14/55 centro ou lateral do topo do tanque, ou uma pluralidade de impelidores podem ser dispostos em diferentes posições e/ou ângulos entre si, tal que a combinação de impelidores possam ser usados para suspender partículas e criar fluxo de líquido em porções maiores de um tanque que um único impelidor.

[0042] Impelidores como divulgados aqui podem ser usados para agitar qualquer combinação de fluidos ou qualquer fluido com partículas suspensas, entretanto, em uma configuração preferida, o impelidor 10 ou qualquer dos impelidores divulgados aqui são usados para agitar produtos baseados em óleo bruto e óleo refinado em um tanque de armazenagem grande tal que as partículas de contaminados sólidos permaneçam suspensas, mantendo desta forma o fundo do tanque livre de acúmulo de sedimentos. O impelidor 10 ou qualquer dos impelidores divulgados aqui pode ser usado para um tanque digestor anaeróbico.

Preferivelmente, tal tanque de armazenagem de óleo pode ter aproximadamente 200 pés de diâmetro, mas ele também pode ter qualquer outro tamanho, incluindo entre aproximadamente 100 pés e 300 pés de diâmetro.

Preferivelmente, tal tanque digestor anaeróbico pode ter aproximadamente

18-35 pés de diâmetro, mas ele também pode ter qualquer outro tamanho, incluindo entre aproximadamente 10 pés e 50 pés de diâmetro. Preferivelmente, o impelidor tem entre 19 e polegadas de diâmetro externo, mas ele também pode ter qualquer outro diâmetro, incluindo 6 polegadas, 8 polegadas, 10 polegadas, 12 polegadas, 16 polegadas, 19-32 polegadas, 24 polegadas, 32 polegadas, 36 polegadas, 48 polegadas, 50 polegadas, 60 polegadas, e 72 polegadas. Em uma configuração preferida onde um impelidor de polegadas de diâmetro é usado para limpar o fundo de um

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15/55 tanque de armazenagem de 200 pés de diâmetro, existe uma razão de aproximadamente 75:1 de diâmetros de tanque para impelidor. Em outras configurações, a razão de tanque para diâmetro pode ser qualquer número, incluindo razões entre 70:1 e 80:1, 60:1 e 90:1, e 10:1 e 100:1, bem como qualquer outra razão de tanque para diâmetro conhecida na técnica ou desejada para conseguir a suspensão efetiva de uma particular partícula dimensionada em um fluido de uma particular composição química.

[0043] Preferivelmente, o impelidor 10 ou qualquer dos impelidores como divulgados aqui tem um diâmetro que é tão pequeno quanto possível, para acionar a agitação do tanque, na configuração de um agitador de entrada lateral de tanque de armazenagem de óleo bruto ou derivados de óleo bruto ou na configuração de um tanque digestor anaeróbico. Em um tanque de óleo, o teto ou tampa frequentemente flutua sobre o topo do óleo bruto e seus derivados, para limitar o volume de ar dentro do tanque. Se o diâmetro de um impelidor de entrada lateral é muito grande, um volume substancial de óleo bruto e seus derivados pode ser inacessível. Também, o diâmetro externo do impelidor é preferivelmente menor que a abertura do tanque provida para inserção do impelidor de entrada lateral ou somente ligeiramente maior que a abertura de entrada lateral tal que o impelidor possa ser inserido através da abertura. Isto pode evitar a inserção cara e perigosa do impelidor dentro do tanque içando o impelidor sobre o topo do tanque, e abaixando-o para posição próxima do piso do tanque.

[0044] Em uma configuração de limpeza do piso de um grande tanque de armazenagem de refinaria de petróleo, ou em uma

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16/55 configuração de um tanque digestor anaeróbico, pode ser vantajoso suspender partículas de contaminantes a grandes distâncias do impelidor (p.ex., até 200 pés). Para permitir a zona de agitação produzida pelo impelidor se estender pelo menos 200 pés a partir do impelidor, usando um impelidor 10 ou qualquer dos impelidores como divulgados aqui que tenham 32 polegadas de diâmetro, por exemplo, o impelidor pode produzir um fluxo relativamente colimado. O fluxo relativamente colimado produzido pelo impelidor não necessita ser perfeitamente colimado, tal como pode ser realizado por um feixe de laser. Na configuração dos impelidores divulgados aqui, quando um fluxo é referido como colimado, significa que a zona de agitação que sai do volume contido dentro do interior do impelidor se estende axialmente através de um fluido até uma distância que é pelo menos várias vezes o diâmetro de saída do impelidor. Preferivelmente, o impelidor produz uma zona de agitação que é suficientemente colimada tal que a zona de agitação se estenda 200 pés para longe do impelidor em uma aplicação de tanque de óleo ou 35 pés para longe do impelidor em uma aplicação de digestor anaeróbico, e a zona de agitação contenha fluido com velocidades altas o suficiente para manter as partículas de contaminados suspensas no fluido.

[0045] Também, em adição a manter o diâmetro externo do impelidor abaixo de um limite aceitável para montar em uma abertura de entrada lateral de tanque, também é desejável manter a velocidade linear das pontas de pás do impelidor abaixo de um limite aceitável tal que a força de cisalhamento exercida sobre o teto flutuante não exceda o nível máximo permitido. Também, é desejável manter a velocidade de ponta

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17/55 abaixo da que promoveria desgaste indesejável por erosão em pastas de gesso e calcário. Adicionalmente, é desejável em algumas aplicações, tal como floculação, limitar a velocidade de ponta. A máxima velocidade linear de ponta de pá permissível para minimizar cargas de cisalhamento de teto flutuante de tanque de armazenagem, floculação, e pastas de gesso e calcário sem consequências inaceitáveis é bem conhecida por aqueles na arte.

[0046] Para que o impelidor 10 produza uma zona de agitação que seja suficientemente colimada e eficiente para um dado diâmetro de impelidor 10, tal que a zona de agitação alcance uma parede de tanque 200 pés afastada, as geometrias das faces primitivas 17 das pás 12 do impelidor 10 são projetadas para produzir primariamente fluxo axial nas bordas de raiz 15 das pás 12 e para produzir primariamente fluxo radial nas bordas de ponta 16 das pás 12. Claro, na descrição da configuração aqui, quando um fluxo é descrito como axial, é intencionado significar primariamente axial, e quando um fluxo é descrito como radial, é intencionado significar primariamente radial.

[0047] Dada a complexidade de fluxos de fluidos em muitos ambientes, o fluxo de fluido em e ao redor das pás 12 do impelidor 10 em todas as porções do impelidor 10 pode incluir vetores de velocidade nas direções tanto axial quanto radial simultaneamente. Entretanto, o impelidor 10 é projetado tal que a porção das pás 12 mais próximas das bordas de raiz 15 preferivelmente funcionem de uma maneira (produzindo primariamente fluxo axial) parecendo um pouco com aquela de um impelidor axial típico que é conhecido na arte (p.ex., uma hélice helicoidal típica), e o impelidor 10 é projetado tal

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18/55 que as porções das pás 12 mais próximas às bordas de ponta 16 funcionem preferivelmente de uma maneira (produzindo primariamente fluxo radial para dentro) parecendo um tanto com aquela de um impelidor radial típico que é conhecido na arte (p.ex., um ventilador radial de gaiola). As pás 12 preferivelmente realizam primariamente fluxo axial nas bordas de raiz 15 e primariamente fluxo radial nas bordas de ponta 16, preferivelmente, definindo uma face primitiva variando suavemente 17 que transita entre a porção de fluxo axial das pás 12 e a porção de fluxo radial das pás 12. Como usado aqui, o fluxo de fluido axial e/ou radial nas porções das pás 12 mais próximas às bordas de raiz 15 ou bordas de ponta 16 estão descrevendo os componentes do vetor de fluxo de fluido imediatamente radialmente externos das pás 12, em relação ao eixo geométrico de rotação do impelidor, próximo às porções das pás 12 mais próximas às bordas de raiz 15 ou às bordas de ponta 16.

[0048] Para intensificar a eficiência energética do impelidor 10, o impelidor 10 preferivelmente aproximadamente combina a geometria da borda-guia 13 com o perfil de velocidade constante do fluido no lado de entrada, para o caso de reservatórios com velocidade próxima de zero, que é o lado das faces não primitivas 18 das pás 12 do impelidor 10. Na configuração de agitação de óleo bruto e seus derivados em um tanque de armazenagem de óleo, ou na configuração para agitar líquido em um tanque digestor anaeróbico, o fluido no lado de captação do impelidor 10 tem uma velocidade quase zero a uma distância relativamente pequena do lado de captação do impelidor 10. Em pontos muito próximos ao lado de entrada do impelidor 10, uma vez que o impelidor 10 comece a

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19/55 girar em uma direção R1, existe uma zona de velocidade quase zero no lado de captação. O inventor notou experimentalmente que em um ambiente de tanque de armazenagem de óleo ou em um ambiente de tanque digestor anaeróbico, quando usando um design de impelidor helicoidal típico, o limite geométrico aproximado no qual o fluido transita de uma velocidade quase zero para uma velocidade significativamente não zero assume um formato hemisférico, que é um formato de perfil de velocidade que também pode ser típico de muitos outros tipos de impelidores existentes. Portanto, o inventor presume que um impelidor 10 que tenha bordas-guias 13 das pás 12 que aproximadamente passem pelo espaço no formato de um hemisfério à medida que girem (em qualquer dado plano bidimensional que passe pela rotação do eixo geométrico do impelidor 10, este formato será aproximadamente um arco circular) será um design, possivelmente o mais, eficiente energético para este poço ou reservatório de velocidade quase zero pretendido. Como usado aqui, poço ou reservatório significa a fonte de fluido do lado de captação. O formato detalhado das bordas-guias 13 das pás 12 do impelidor 10 pode ser visto e compreendido por referência às figuras 3A a 3C e ao texto anexo abaixo.

[0049] A figura 3A é uma vista lateral de uma primeira hélice inclinada circular (tendo uma inclinação circular de 45 graus) que pode definir a superfície (ou superfície aproximada) sobre a qual a borda-guia de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção está localizada (ou localizada aproximadamente). A figura 3D é uma vista lateral de uma segunda hélice inclinada circular (tendo uma inclinação circular de 22,5 graus) que pode definir a

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20/55 superfície (ou superfície aproximada) sobre a qual a bordaguia de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção está localizada (ou localizada aproximadamente). A figura 3E é uma vista lateral de uma hélice de inclinação zero linear que pode definir a superfície (ou superfície aproximada) sobre a qual a borda-guia de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção está localizada (ou localizada aproximadamente). Referindo-se à figura 3A, uma hélice inclinada circular 20 inclui um arco circular 21 que define um raio R e que se move de uma primeira posição 21a até uma segunda posição 21b girando sobre um eixo geométrico rotacional 22 em uma direção anti-horária se vista a partir de uma vista de topo. Nesta configuração, à medida que o arco circular 21 se move da primeira posição 21a para a segunda posição 21b, ele gira sobre o eixo geométrico rotacional 22 metade de uma rotação completa (180 graus), enquanto se movendo para baixo uma distância P/2 ou metade do passo (passo definido aqui como a queda vertical durante uma rotação completa sobre um eixo geométrico vertical, como conhecido na arte), que será uma distância igual à metade do diâmetro de impelidor intencionado final, também conhecida com uma razão de passo para diâmetro (PDR) de 1,0. Em outras configurações, outras PDRs podem ser usadas.

[0050] A figura 3B é uma vista em perspectiva diagramática da hélice inclinada circular representada na figura 3A. Como pode ser visto na figura 3B, a borda-guia 13 de cada pá 12 é definida geometricamente (ou aproximadamente definida geometricamente) em relação ao eixo geométrico rotacional 22 projetando uma curva sobre a superfície da hélice inclinada circular 20. Quando vista a partir de uma vista de topo, a

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21/55 borda-guia 13 assumirá o formato que é visto na figura 2B. Na figura 2B, a borda-guia 13 é mostrada como um arco de um círculo que passaria pelo eixo geométrico rotacional (não mostrado na figura 2B) se ele fosse estendido além da borda de raiz 15 da pá 12. Embora a borda-guia 13 a partir de uma vista de topo tenha um formato de arco circular nesta configuração, em outras configurações a borda-guia 13 pode ter outros formatos de vista de topo, tal como um arco elíptico, um arco parabólico, um arco exponencial, ou qualquer outro formato variando suavemente ou uma combinação de formatos variando suavemente. Também como pode ser visto na figura 2B, a borda-guia 13 pode definir um arco de aproximadamente noventa graus, começando a partir do eixo geométrico rotacional 22 e continuando até o ponto 8 onde a borda-guia 13 encontra a borda de ponta 16. O comprimento do arco que define a borda-guia 13 pode definir qualquer porção de um arco circular, por exemplo, ele pode definir um arco de 30 graus, um arco de 45 graus, um arco de 60 graus, um arco de 75 graus, um arco de 120 graus, um arco de 150 graus, um arco de 165 graus, um arco de 180 graus, ou qualquer outra porção de arco ou porção de arco não circular.

[0051] Ter cada pá 12 incluindo uma borda-guia 13 que define um formato de arco quando vista por cima (p.ex., mostrada na figura 2B) significa que a borda-guia 13 é oblíqua. Como usado aqui, um perfil de borda-guia oblíqua é um que tem um formato de vista de topo não linear. Em contraste, um perfil de borda-guia que é não oblíquo teria um formato de vista de topo linear (não mostrado nas figuras). Os impelidores divulgados aqui são mostrados a ter um perfil de borda-guia oblíquo, tal que a borda-guia tenha um perfil

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22/55 visto de topo virado para trás. Como usado aqui, uma bordaguia tendo um perfil de vista de topo virado para trás significa que quando o impelidor é girado na direção R1, a porção da borda-guia que passa por um plano fixo se estendendo pelo cubo e perpendicular à borda-guia vista de topo começa no ponto 1 próximo ao cubo e progride (à medida que o impelidor gira) no sentido do ponto 8 próximo à borda de ponta. Para configurações tais como aquela mostrada nas figuras 2A e 2B, o grau de obliquidade pode depender do comprimento do arco que define a vista de topo da borda-guia 13. Por exemplo, uma borda-guia 13 que defina um arco de 45 graus a partir de uma vista de topo será menos oblíqua que uma borda-guia 13 que defina um arco de 90 graus a partir de uma vista de topo. A presente invenção contempla uma bordaguia tendo qualquer grau de obliquidade, incluindo um perfil de borda-guia que não seja oblíquo.

[0052] Nas configurações mostradas nas figuras 2A e 2B, por exemplo, a intersecção da borda-guia 13 com relação ao cubo 11 é deslocada da normal em vinte graus, mas em outras configurações, a borda-guia 13 pode interceptar o cubo 11 em qualquer ângulo, por exemplo, 45 graus, 30 graus, 15 graus, 10 graus, 5 graus, ou normal com relação ao diâmetro externo do cubo.

[0053] Como pode ser visto na figura 3B, a borda-guia 13 é definida como a projeção de um arco que é circular em um plano normal ao eixo geométrico de rotação 22 sobre a superfície da hélice inclinada circular. Embora nesta configuração a borda-guia 13 seja definida via a projeção de um arco ou curva sobre a superfície de uma hélice inclinada circular (criada pela rotação de um arco circular 21 sobre um

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23/55 eixo geométrico rotacional 22), em outras configurações, a borda-guia pode ser definida via a projeção de uma curva sobre a superfície de uma hélice tendo qualquer tipo de perfil de inclinação. Por exemplo, a borda-guia pode ser definida via a projeção de uma curva sobre a superfície de uma hélice inclinada parabólica (rotação de um arco parabólico 21 sobre um eixo geométrico rotacional 22), uma hélice inclinada elíptica, uma hélice inclinada ondulada ou senoidal, uma hélice inclinada polinomial de ordem superior, uma hélice inclinada linear, ou uma combinação de hélice inclinada linear e/ou não linear.

[0054] A borda-guia 13 começa no ponto 1, que será o ponto onde a borda-guia 13 encontra a borda de raiz 15, e a bordaguia 13 termina no ponto 8, que será o ponto onde a bordaguia 13 encontra a borda de ponta 16. Embora nesta configuração a borda-guia 13 fique aproximadamente sobre a superfície tridimensional da hélice inclinada circular 20, a maioria dos pontos sobre a superfície primitiva 17 não ficará sobre a hélice inclinada circular 20. A borda-guia desta configuração e de outras configurações descritas aqui podem ficar aproximadamente sobre a superfície da hélice inclinada circular 20 porque as extremidades das pás 12 podem ser arredondadas a partir de suas geometrias teóricas para facilidade de fabricação e para impedir bordas afiadas de criarem vórtices indesejados ou ineficientes energeticamente. As bordas-guia desta configuração e de outras configurações descritas aqui podem ficar aproximadamente sobre a superfície da hélice inclinada circular 20 porque o perfil exato da borda-guia 13 em relação à hélice inclinada circular 20 pode se desviar intencionalmente da hélice inclinada circular 20.

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O perfil da borda-guia 13 pode se desviar intencionalmente da hélice inclinada circular 20 para combinar mais proximamente com o perfil do vetor velocidade do fluido chegando com o perfil da borda-guia 13 e/ou a curva da superfície primitiva 17 da borda-guia 13. Claro, todas as bordas e cantos das pás 12 (a borda-guia 13, a borda guiada 14, a borda de raiz 15, a borda de ponta 16, e a borda de ponta guiada 19) variarão em algum grau a partir de suas posições determinadas teoricamente, devido ao arredondamento similar de bordas e cantos afiados e conveniência de fabricação. O perfil da superfície primitiva 17 em relação à borda-guia 13 será discutido abaixo, relacionado com as figuras 5A a 6B. Em algumas configurações (não mostradas), uma porção maior do perfil da superfície primitiva 17 ou todo o perfil da

superfície primitiva 17	pode ficar	sobre	a superfície	da
hélice	inclinada circular	20.
[0055]	A figura 3C é	uma vista	lateral	diagramática	da
hélice	inclinada circular representada na	figura 3A. Como

pode ser visto na figura 3C, a borda-guia 13 passa aproximadamente pelo espaço no formato de um hemisférico à medida que ela gira sobre o eixo geométrico rotacional 22 (o espaço não é exatamente um hemisfério nesta configuração que tem uma borda-guia oblíqua, mas ele pode definir um hemisfério em outras configurações, por exemplo, em configurações tendo uma borda-guia não oblíqua ou um perfil de borda-guia definido via uma hélice inclinada de curva exponencial). O espaço através do qual a borda-guia 13 atravessa à medida que ela gira pode ser visto a partir de uma vista lateral na figura 3C. Na figura 3C, a borda-guia 13 começa no ponto 1 e continua até o ponto 8. À medida que o

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25/55 impelidor 10 gira sobre o eixo geométrico rotacional 22, os pontos de 1 a 8 da borda-guia 13 passam pelos pontos 1' a 8' em sucessão. Os pontos 1' a 8' ficam em um plano único no qual o eixo geométrico de rotação 22 fica. Como pode ser visto na figura 3C, 1' a 8' definem um arco elíptico que está um tanto próximo de perfil geométrico ao arco circular 21 que define a hélice inclinada circular nos pontos 21a e 21b.

[0056] Em outras configurações (não mostradas), a bordaguia 13 passa pelo espaço em um formato que mais proximamente se aproxima de um hemisférico, no qual os pontos 1' a 8' definiriam um arco circular. Um exemplo de tal configuração alternativa seria a borda-guia não oblíqua 13 que se estende, de uma vista de topo, linearmente radialmente a partir do eixo geométrico rotacional 22 até a ponta mais externa da borda-guia 13. O grau de obliquidade, portanto, define uma série de potenciais geometrias de elipse, incluindo um círculo puro, através das quais a borda-guia 13 pode passar pelo espaço à medida que ela gira sobre o eixo rotacional 22.

[0057] A escolha exata do perfil da borda-guia 13 pode ser escolhida baseada na trajetória desejada que a borda-guia 13 atravessa à medida que ela gira sobre o eixo rotacional 22. Nas configurações discutidas acima, a borda-guia 13 passa por um espaço hemisférico ou espaço que fica um tanto próximo de um hemisfério. Entretanto, este formato varrido pelo perfil da borda-guia 13 à medida que ela gira sobre o eixo rotacional 22 pode ser ajustado finamente para combinar com qualquer perfil de velocidade aproximadamente constante do fluido no lado de captação do impelidor 10 (o lado da face não primitiva 18) no espaço tridimensional.

[0058] Na configuração do impelidor 10 que é projetada

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26/55 para uso para suspender partículas em um tanque de armazenagem, a velocidade do fluido no lado de captação do impelidor 10 a uma curta distância da face não primitiva 18 é velocidade quase zero. Nesta configuração, o inventor observou que a superfície tridimensional na qual os vetores de velocidade do fluido transitam de quase zero até substancialmente não zero tem aproximadamente o formato de um hemisfério, então a borda-guia 13 é projetada para varrer pelo espaço tridimensional em aproximadamente o mesmo formato geométrico hemisférico (mas não exatamente um hemisfério, como mostrado nas figuras 3A-3C). Entretanto, em outras configurações, incluindo aquelas tendo perfis de velocidade quase zero ou substancialmente não zero próximo da face não primitiva 18, a borda-guia 13 pode ser projetada para varrer pelo espaço tridimensional em aproximadamente o formato geométrico que combine com uma superfície que conecta os pontos aproximadamente conhecidos de velocidade constante no fluido próximo à face não primitiva 18.

[0059] Em algumas configurações, o perfil de velocidade do fluido a ser agitado pode ser medido, e a borda-guia 13 pode ser projetada tal que à medida que ela gire sobre o eixo geométrico rotacional 22, ela passe por um fluido em pontos nos quais a velocidade é constante. O perfil de velocidade do fluido pode ser aproximado medindo os vetores de velocidade do fluido produzidos usando um impelidor 10 que não tenha uma borda-guia 13 que combine com o perfil de velocidade, e então, um novo impelidor 10 pode ser projetado que tenha uma borda-guia 13 que combine mais proximamente com o perfil de velocidade medido. Este ajuste fino da borda-guia 13 para um perfil de velocidade de fluido medido pode ser feito

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27/55 interativamente, até que os dados experimentais confirmem que o formato varrido pela borda-guia 13 combina mais proximamente com o perfil de velocidade do fluido. O inventor teoriza que esta combinação do perfil da borda-guia 13 com o perfil de velocidade do fluido a ser agitado pode resultar em uma eficiência energética mais alta que impelidores de outra forma descritos aqui que não incluem esta combinação de perfis.

[0060] A figura 4A são vistas laterais destacadas parciais de uma série de impelidores de acordo com um aspecto da invenção. A figura 4B são vistas em perspectiva da série de impelidores representados na figura 4A. As figuras 4A e 4B ilustram diferentes configurações potenciais do impelidor 10 que podem ser construídas variando o grau de inclinação aproximadamente circular do perfil da borda-guia 13 das pás 12, e variando as razões de passo para diâmetro usadas para definir a face primitiva 17.

[0061] Como pode ser visto na figura 4A, os impelidores 31 e 34 têm perfis de borda-guia 13 que são definidos projetando o arco circular de vista de topo do perfil de borda-guia 13 visto na figura 2B sobre uma hélice inclinada circular 20 formada como mostrado na figura 3A. Como mostrado na figura 3A, a inclinação circular de 45 graus é o ângulo entre uma primeira linha normal ao eixo geométrico rotacional 22 e passando pelo ponto mais externo do arco 21 e uma segunda linha passando pelo ponto mais externo do arco 21a e o ponto onde o arco 21a intercepta o eixo geométrico rotacional 22. Este ângulo de inclinação circular de 45 graus é definido na figura 4A como o ângulo θ·.

[0062] Os impelidores 32 e 35 têm perfis de borda-guia 13

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28/55 que são definidos projetando o arco circular de vista de topo do perfil de borda-guia 13 visto na figura 2B sobre uma hélice inclinada circular 20 formada como mostrado na figura 3D. Como mostrado na figura 3D, a inclinação circular de 22,5 graus é o ângulo entre a primeira linha normal ao eixo geométrico rotacional 22 e passando pelo ponto mais externo do arco 21c e uma segunda linha passando pelo ponto mais externo do arco 21c e o ponto onde o arco 21c intercepta o eixo geométrico rotacional 22. Este ângulo de inclinação circular de 22,5 graus é definido na figura 4A como o ângulo θΒ · [0063] Os impelidores 33 e 36 têm perfis de borda-guia 13 que são definidos projetando o arco circular visto de topo do perfil de borda-guia 13 visto na figura 2B sobre uma hélice não inclinada ou de zero grau linear 20 formada a partir de uma linha reta como mostrado na figura 3E. Como mostrado na figura 3E, a linha 21e, que é normal ao eixo geométrico rotacional 22 é definida como tendo uma inclinação de zero grau. Este ângulo de inclinação de zero grau é definido na figura 4A como o ângulo θ_Α· [0064] Como pode ser visto nas figuras 4A e 4B, as PDRs usadas para definir a face primitiva 17 variam entre os impelidores 31, 32, 33 e impelidores 34, 35, 36· As faces primitivas 17 dos impelidores 31-33 definem uma PDR máxima de 1,0 (nas bordas-guiadas 14), enquanto as faces primitivas 17 dos impelidores 34-36 definem uma PDR máxima de 1,5 (nas bordas-guiadas 14)· Esta PDR máxima mais alta definida pelos impelidores 34-36 pode ser vista na figura 4A, onde em uma vista lateral, uma área maior da face primitiva 17 é visível nas representações dos impelidores 24-26 que a área de face

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29/55 primitiva 17 que é visível nos impelidores 31-33. A PDR que compreende a face primitiva 17 das pás 12 é discutida abaixo em maiores detalhes, relacionado com as figuras 5A-6B.

[0065] A figura 5A é uma vista de topo da superfície primitiva incluindo as linhas de arqueamento de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção. A figura 5B é uma vista lateral da superfície primitiva representada na figura 5A. Como pode ser visto na figura 5A, a geometria de cada face primitiva 17 pode ser definida pelas linhas de arqueamento radialmente igualmente espaçadas 41-48, as quais estão ancoradas em uma extremidade nos pontos 1-8 sobre a borda-guia 13. Nas configurações descritas aqui, qualquer número de linhas de arqueamento individuais podem ser usadas para definir o local da face primitiva em relação à bordaguia ou em relação a qualquer outro sistema de coordenadas. Por exemplo, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, ou qualquer outro número de linhas de arqueamento igualmente radialmente espaçadas ou não igualmente radialmente espaçadas podem ser usadas. Nesta configuração, dois conceitos governam a geometria da face primitiva 17. O primeiro conceito é que a face primitiva 17 incorpora um passo (definido com conhecido na técnica, mas modificado para ser relativo a um sistema de coordenadas helicoidais cônicas que será descrito abaixo) que varia exponencialmente a partir da borda-guia 13 até a borda guiada 14 baseado em uma função matemática pré-determinada.

[0066] O segundo conceito que governa a geometria da face primitiva 17 é o objetivo de design global (nesta configuração) de conseguir primariamente fluxo axial próximo à borda de raiz 15 e fluxo radial relativamente maior próximo da borda de ponta 16. Para conseguir fluxo radial maior

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30/55 próximo à borda de ponta 16, a borda guiada não arredondada teórica 19' é dobrada para dentro no sentido do eixo geométrico rotacional 22 em um plano normal ao eixo geométrico rotacional 22. Esta flexão é mais bem mostrada nas figuras 6A e 6B, e ela resulta essencialmente em maior força radial para dentro ser aplicada às partículas de fluido que entram na zona de agitação através da borda-guia 13. O ajuste da flexão da ponta de borda guiada 19' é discutido abaixo em mais detalhes, relacionado com as figuras 6A e 6B.

[0067] Também, para definir a geometria da face primitiva 17 entre a borda-guia 13 até a borda guiada 14, linhas de arqueamento exponenciais (arqueamento como usado aqui é definido a ser o formato da curva individual que corre ao longo da face primitiva 17 a partir da borda-guia 13 até pontos correspondentes na borda guiada 14) podem ser usadas. Nesta configuração, linhas de arqueamento exponenciais da segunda ordem são usadas (p.ex., uma parábola, mas em outras configurações, linhas de arqueamento exponenciais de qualquer ordem podem ser usadas. Nesta configuração, as linhas de arqueamento exponenciais da segunda ordem foram escolhidas porque o inventor teoriza que elas ajudariam a impor uma aceleração constante sobre as partículas de fluido que entram na zona de agitação na borda-guia 13.

[0068] O formato exato de cada linha de arqueamento exponencial 41-48 pode ser determinado pelo ângulo requerido de percurso sobre o eixo geométrico rotacional 22 para fazer cada linha de arqueamento 41-48 correr de um respectivo ponto inicial 1-8 que fica sobre a borda-guia 13 até um ponto final que fica sobre a borda guiada 14. Nesta configuração, a posição da borda guiada 14 em relação à borda-guia 13 sobre o

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31/55 eixo geométrico rotacional 22 foi pré-determinada para um formato desejado de vista de topo (como pode ser visto nas figuras 2B e 5A). A partir de uma vista de topo, cada uma de a borda-guia 13 e a borda guiada 14, definem arcos circulares que passam pelo eixo geométrico rotacional 22. Nesta configuração, a borda-guia 13 define aproximadamente um arco de 90 graus, e a borda guiada 14 foi escolhida para prover aproximadamente 60% de cobertura da pá 12 a partir da área de superfície vista de topo dentro do diâmetro externo do impelidor 10 (isto é, uma razão de área de pá projetada de 60%). Portanto, cada uma das três pás 12 cobre cerca de 20% da área de superfície total vista por cima, resultando em aproximadamente uma posição rotacional de 72 graus sobre o eixo geométrico rotacional 22 entre a borda-guia 13 e a borda guiada 14. Em outras configurações, qualquer meta de área de superfície de cobertura de pá de vista de topo pode ser usada, e nestas configurações, a distância angular de rotação entre a borda-guia 13 e a borda guiada 14 para uma dada pá 12 pode ser ajustada de acordo.

[0069] Uma vez que as distâncias angulares entre a bordaguia 13 e a borda guiada 14 são determinadas, uma curva exponencial tendo razões de passo para diâmetro de início e fim pré-determinadas pode ser ajustada a uma linha do comprimento apropriado e que tenha a PDR média apropriada. Nesta configuração, uma linha do comprimento apropriado foi escolhida para representar a distância (em um sistema de coordenadas helicoidais cônicas) entre cada ponto 1-8 na borda-guia 13 e o ponto correspondente na borda guiada 14. Baseado em experiência da indústria com relação a PDRs efetivas para aceleração de fluido, o inventor escolheu dois

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32/55 conjuntos diferentes de PDRs para os dois conjuntos de configurações do impelidor 10 mostrados nas figuras 4A e 4B. Nestas configurações, a PDR da borda-guia foi escolhida para ser 0,5, e a PDR da borda guiada foi escolhida para ser 1,0 para os impelidores 31-33 e 1,5 para os impelidores 34-36 (como mostrado nas figuras 4A e 4B), e as PDRs médias foram 0,75 para os impelidores 31-33 e 1,0 para os impelidores 3436. Baseado em experiência da indústria, uma PDR média mais alta deve permitir um impelidor alcançar velocidades de fluido mais altas na zona de agitação, mas ao custo de potência requerida mais alta. Em outras configurações, a borda-guia, borda guiada, e PDRs médias devem ser escolhidos para otimizar as velocidades de fluido desejadas e o fluxo de volume de fluido na zona de agitação para o particular uso desejado (p.ex., a particular viscosidade do fluido, a distância da parede de tanque afastada do impelidor, a máxima velocidade de ponta permissível, o máximo diâmetro externo de impelidor permissível, etc.).

[0070] Nesta configuração, uma vez que uma função exponencial desejada foi escolhida para representar a variação de passo da borda-guia 13 até a borda guiada 14 a uma dada distância do eixo rotacional 22, cada função exponencial foi ancorada ao ponto inicial 1-8 na borda-guia 13, e cada função exponencial foi transformada em um respectivo sistema de coordenadas helicoidais cônicas para determinar a face de perfil 17. Como pode ser visto nas figuras 5A e 5B, cada sistema de coordenadas helicoidais cônicas é basicamente uma hélice cônica, girada sobre o eixo geométrico rotacional 22, em um ângulo tal que a superfície definida para cada hélice cônica seja normal à borda-guia 13

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33/55 em cada um dos respectivos pontos 1-8. Nesta configuração, cada hélice cônica define um ângulo de inclinação para dentro que permite a superfície da hélice cônica ser normal à bordaguia 13 no respectivo ponto 1-8. Portanto, como pode ser visto na figura 5B, o ângulo de inclinação para dentro da hélice cônica 40a que é normal ao ponto 1 na borda-guia 13 é relativamente grande (talvez 80 graus), mas o ângulo de

inclinação	para dentro	da	hélice cônica 40b que	é normal	ao
ponto 8	na	borda-guia	13	é relativamente pequeno	(talvez	10
graus).	Para produzir	a	linha de arqueamento	41 que	se
origina	no	ponto 1, por	exemplo, a função de	arqueamento

exponencial pré-determinada é transformada no respectivo sistema de coordenadas helicoidais cônicas 40a, enquanto para produzir a linha de arqueamento 48 que se origina no ponto 8, a função de arqueamento exponencial pré-determinada é transformada no respectivo sistema de coordenadas helicoidais cônicas 40b. Entre as linhas de arqueamento 41-48, a superfície restante da face de perfil 17 pode ser extrapolada exponencialmente usando qualquer método que seja conhecido na arte.

[0071] A figura 6A é uma vista de topo do ajuste matemático da superfície primitiva de uma pá de impelidor de acordo com um aspecto da invenção. A figura 6B é uma vista lateral da superfície primitiva representada na figura 6A. Com relação ao segundo conceito para definir a geometria da face primitiva 17, as linhas de arqueamento exponenciais produzidas como descrito acima podem ser adicionalmente modificadas para atender ao objetivo de design global (nesta configuração) de conseguir primariamente fluxo axial próximo da borda de raiz 15 e fluxo radial relativamente maior

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34/55 próximo à borda de ponta 16.

[0072] Para conseguir fluxo radial maior próximo à borda de ponta 16, a ponta de borda guiada não arredondada teórica 19' é dobrada para dentro no sentido do eixo rotacional 22 em um plano normal ao eixo geométrico rotacional 22. Nesta configuração, isto é realizado movendo o centro do sistema de coordenadas para cada uma das hélices cônicas 40 em um plano normal ao eixo geométrico rotacional 22 do impelidor 10. O centro do sistema de coordenadas para cada uma das hélices cônicas 40 foi movido girando a posição no plano horizontal sobre o ponto inicial de cada seção (como visto a partir de uma vista de topo como nas figuras 2B, 5A, e 6A). A quantidade que cada sistema de coordenadas é girado é governada por um ângulo de correção que é igual ao cosseno do ângulo de inclinação para dentro de cada respectiva hélice cônica 40, também definido como um ângulo alfa na figura 6B. Nesta configuração, isto significa que a correção angular para a curva de arqueamento 41, que tem um ângulo de inclinação para dentro grande seria relativamente pequena (o cosseno de um ângulo próximo de 90 graus é aproximadamente zero), enquanto a correção angular para a curva de arqueamento 48, que tem um ângulo de inclinação para dentro pequeno, seria relativamente grande (o cosseno de um ângulo próximo de zero grau é cerca de 1,0). Nesta configuração, o ajuste de cerca de 1,0 para a curva de arqueamento 48 foi aplicado ao ângulo primitivo alvo, que para a configuração mostrada como impelidor 34 nas figuras 4A e 4B e impelidor 10 na figura 2A, foi cerca de 17,657 graus, que é o ângulo de ataque na ponta de um design de hélice helicoidal típico em uma PDR de 1,0 e na mesma distância a partir do eixo

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35/55 rotacional 22, e ele foi aplicado ao ângulo primitivo alvo no ponto 8 da borda-guia 13 (que para a configuração mostrada como impelidor 34 nas figuras 4A e 4B e no impelidor 10 na figura 2A), foi cerca de zero grau.

[0073] Claro, em outras configurações, os ângulos alvos ajustados da ponta de borda-guia e borda guiada podem variar dependendo dos desejados requisitos de performance, requisitos de fabricação, e similares. Na configuração mostrada nas figuras 6A e 6B, o particular esquema de ajuste de passo foi escolhido porque o particular objetivo de design de ter a porção de pá 12 próxima à borda de raiz 15 produz primariamente fluxo axial, enquanto a porção de pá 12 próxima à borda de ponta 16 produz primariamente fluxo radial. Nesta configuração, os ângulos de passo ajustados alvos resultariam essencialmente em uma força radial para dentro maior ser aplicada às partículas de fluido que entram na zona de agitação através da borda-guia 13 próximo à borda de ponta 16, comparado com um impelidor sem o mesmo ajuste. Também foi desejado projetar uma pá 12 que, em uso, permitisse partículas de fluido que entram na zona de agitação através da borda-guia 13 seguirem uma única linha de arqueamento 4148 à medida que elas viajam através da face primitiva 17 no sentido da borda guiada 14, para conformação à performance prevista pela aderência de uma dada partícula de fluido a uma trajetória definida por uma dada linha de face primitiva 4148.

[0074] Como pode ser visto na figura 1, a geometria da face não primitiva 18 segue geralmente a geometria da face primitiva 17, embora com uma distância deslocada que varia entre vários locais sobre a face primitiva 17. Na

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36/55 configuração mostrada na figura 1, a face não primitiva 18 segue o perfil da face primitiva 17, com um deslocamento normal à face primitiva 17 em cada posição sobre a face primitiva 17, de uma distância tal que a porção de borda-guia 13 da pá 12 seja mais espessa que a porção de borda guiada 14, e a porção de raiz 15 seja mais espessa que a porção de ponta 16, com uma inclinação da borda-guia 13 para a borda guiada 14, bem como uma inclinação da borda de raiz 15 para a borda de ponta 16, onde ambas as inclinações geralmente parecem o estilo de inclinações usadas em um design de aerofólio típico. Em outras configurações, outros relacionamentos entre a geometria da face não primitiva 18 e a face primitiva 17 podem ser usados, incluindo um relacionamento estritamente linear, um relacionamento parabólico ou exponencial, ou qualquer outro relacionamento que seja conhecido na arte e possa intensificar a performance ou o alcance de outros objetivos de design.

[0075] A figura 7 é uma vista lateral de um impelidor incluindo porções de pá de bombeamento radial estendidas de acordo com um aspecto da invenção. Nesta configuração, o objetivo de design para conseguir primariamente fluxo axial próximo à borda de raiz 15 e fluxo radial relativamente maior próximo da borda de ponta 16a é adicionalmente reforçado. Como pode ser visto na figura 7, o impelidor 60 incorpora uma zona de ponta D de pá 12 adicional, que é uma extensão da borda de ponta original 16a da zona interna C da pá 12, que pode produzir bombeamento de fluido radial para dentro quase inteiramente. Portanto, o impelidor 60 pode produzir primariamente fluxo axial próximo à borda de raiz 15, transitando gradualmente ao longo da pá 12 do ponto A para o

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37/55 ponto B no sentido de produzir primariamente fluxo radial para dentro próximo da borda de ponta 16a da zona interna C, então produzindo fluxo radial para dentro quase inteiramente nas zonas de ponta adicionais D.

[0076] Como pode ser visto na figura 7, o impelidor 60 começa com o design dos impelidores 31 e 34 que são mostrados nas figuras 4A e 4B, que está representado pela zona interna C das pás 12, mas uma zona de ponta estendida D também é provida. Comparado com os impelidores 31 e 34 que são mostrados nas figuras 4A e 4B, o impelidor 60 inclui zonas de ponta D nas pás 12 que se estendem uma distância mais longa ao longo do eixo geométrico de rotação (isto é, o impelidor 60 tem uma porção mais longa das pás 12 próximo às bordas de ponta 16b que se comportam de maneira a parecer com aquela de um tradicional impelidor radial de bombeamento para dentro). Entretanto, em um plano normal ao eixo geométrico de rotação, as zonas de ponta adicionais D não aumentam o diâmetro de impelidor dos impelidores 31 e 34 (isto é, as vistas de topo do impelidor 60 parecerão similares às vistas de topo dos impelidores 31 e 34, com mostrado na figura 2B).

[0077] Na configuração mostrada na figura 7, a face primitiva 17b de cada zona de ponta estendida D é idêntica à face primitiva na borda de ponta 16a anterior. A face primitiva 17b desta zona de ponta adicional D pode ter linhas de arqueamento exponenciais (p.ex., parabólicas) (que também são transformadas em um sistema de coordenadas cilíndricas centrado sobre o eixo geométrico de rotação) como nas configurações discutidas acima, com um ângulo pré-definido no ponto 8b sobre a borda-guia 13b (e um ângulo constante para o resto da borda-guia 13b) e um ângulo pré-definido na ponta de

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38/55 borda guiada 19b sobre a borda guiada

14b (e um ângulo constante para o resto da borda guiada

14b) .

Embora os ângulos das bordas-guia e guiada das zonas de ponta adicionais D para esta configuração sejam constantes, em outras configurações, os ângulos das bordas-guia e guiada podem variar ao longo das bordas-guia e guiada. Embora não mostrado na figura 7, se as zonas de ponta adicionais D se estenderem afastado o suficiente do cubo 11 ao longo do eixo rotacional 22, as pás 12 podem requerer faixas de suporte, posicionadas ao redor das pás 12 ao redor das zonas de ponta estendidas D em um plano que é normal ao eixo geométrico de rotação 22, tal que as pás 12 não experimentem uma tensão excessiva por força centrífuga.

[0078]

As figuras 8A e 8B representam uma configuração exemplar de um impelidor que inclui a borda-guia de cada pá sendo definida projetando o arco de vista de topo do perfil da borda-guia sobre a superfície de uma hélice inclinada circular (o eixo geométrico da hélice sendo substancialmente coincidente com o eixo geométrico de rotação do impelidor). A hélice inclinada circular pode ser gerada, por exemplo, como descrito com referência às figuras 3A-3E. Um ambiente exemplar para uso do impelidor 70 mostrado nas figuras 8A e 8B pode ser uma bacia de agitação anóxica, como pode ser encontrada em uma instalação municipal de tratamento de águas servidas. Em tal ambiente, a razão de diâmetro da pá para diâmetro do tanque pode ser relativamente pequena, tal como, por exemplo, 0,25-0,45. Entretanto, o impelidor 70 pode ser usado em qualquer ambiente com qualquer razão de diâmetro de pá para diâmetro de tanque.

[0079] Referindo-se agora às figuras 8A e 8B, um impelidor

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39/55 inclui um cubo 71a tendo vários flanges 71b, e várias pás

72. O impelidor 70 preferivelmente gira sobre o cubo 71a em uma direção de rotação R1. Cada pá 72 é espaçada circunferencialmente sobre o cubo 71a, e cada pá 72 inclui uma borda-guia 73, uma borda guiada 74, uma borda de raiz 75a, um inserto de rigidez 75b, uma borda de ponta 76, uma face primitiva 77, uma face não primitiva 78, e uma aleta antivórtice 79. O impelidor 70 é preferivelmente ligado via o cubo 71 a um eixo de acionamento (não mostrado) para se estender para dentro de um tanque contendo fluido. O cubo 71a é preferivelmente ligado ao eixo de acionamento via uma chaveta, mas qualquer outro mecanismo conhecido pode ser usado, incluindo um estriado, parafusos de pressão, soldagem, ou colagem química. Cada pá 72 pode ser ligada ao cubo 71a via aparafusamento a um respectivo flange 71b, mas as pás 72 também podem ser ligadas ao cubo 71a por qualquer outro mecanismo conhecido, incluindo travamento, soldagem, colagem química, ou formando integralmente cada pá 72 com o cubo 71a. Como mostrado, cada flange 71b se estende a partir do cubo 71a em um ângulo de 39° em relação a um plano horizontal que é perpendicular ao eixo geométrico longitudinal do cubo 71a. Em outras configurações, cada flange 71b pode se estender a partir do cubo 71a em qualquer ângulo em relação à horizontal.

[0080] Para o impelidor 70 produzir uma zona de agitação que seja suficientemente colimada e eficiente para um dado diâmetro de impelidor 70, a geometria das faces primitivas 77 das pás 72 do impelidor 70 são projetadas para produzir primariamente fluxo axial nas bordas de raiz 75a das pás 72 e para produzir uma combinação de fluxo radial e axial nas

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40/55 bordas de ponta 76 das pás 72.

[0081] Para intensificar a eficiência energética do impelidor 70, o impelidor 70 preferivelmente combina aproximadamente a geometria da borda-guia 73 com o perfil de velocidade constante do fluido no lado de captação. O inventor presume que um impelidor 70 que tenha as bordas-guia 73 das pás 72 que aproximadamente passem pelo espaço no formato de um hemisfério à medida que giram (em qualquer dado plano bidimensional que passe pelo eixo geométrico de rotação do impelidor 70, este formato será aproximadamente um arco circular) será um design, possivelmente o mais, eficiente energeticamente para este ambiente pretendido. O formato detalhado das bordas-guia 73 das pás 72 do impelidor 70 pode ser entendido por referência às figuras 3A a 3C e ao texto anexo acima.

[0082] O impelidor 70 ou qualquer das outras configurações de impelidor descritas aqui podem ser feitos de plástico reforçado com fibra de vidro para a maioria das pás, e o impelidor 70 pode incluir um inserto de rigidez de aço inoxidável 75b se estendendo do cubo 71 através de uma porção (p.ex., os 20% mais internos radialmente) das pás 72. Por exemplo, o inserto de rigidez 75b pode penetrar aproximadamente 12 polegadas dentro da porção mais interna das pás 72 de um impelidor 70 tendo um diâmetro externo de 50 polegadas. O inserto de rigidez 75b pode permitir um acoplamento mais forte entre o cubo 71a e/ou os flanges 71b e as pás 72. O inserto de rigidez 75b pode prover adicional resistência, rigidez, e/ou resistência à flexão para a porção aproximadamente 20% mais interna das pás 72.

[0083] Nesta configuração, as bordas-guia 73 das pás 72 do

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41/55 impelidor 70 são definidas projetando o desejado perfil de vista de topo (p.ex., o perfil de vista de topo das bordasguia 73 é mostrado na figura 8B como um arco circular) sobre a superfície de uma hélice inclinada 10 graus circular. A hélice inclinada circular usada nesta configuração é construída de uma maneira similar àquela descrita e mostrada com referência às figuras 3A-3E e figuras 4A-4B.

[0084] Como mais bem mostrado na figura 8B, as bordas-guia 73 das pás 72 podem ser hiperoblíquas. Como usado aqui, hiperoblíquas significa tendo um perfil de pá de borda-guia de vista de topo que define uma curva que cruza mais que um quadrante de um sistema de coordenadas cartesianas tradicional (p.ex., um arco que seja maior que 90 graus), onde a origem do sistema de coordenadas cartesianas está localizada no centro do cubo. Como discutido acima, o grau de obliquidade pode depender do comprimento do arco que define a vista de topo da borda-guia 73. Por exemplo, uma borda-guia 73 que define um arco de 45 graus a partir de uma vista de topo será menos oblíqua que uma borda-guia 73 que define um arco de 90 graus a partir de uma vista de topo. Como mostrado na figura 8B, as bordas-guia 73 podem ter um perfil hiperoblíquo, isto e, uma borda-guia que define um arco a partir de uma vista de topo que é maior que 90 graus. Por exemplo, a borda-guia 73 mostrada nas figuras define um arco de 160-170 graus a partir de uma vista de topo, então a borda-guia tem um perfil hiperoblíquo. O inventor supõe que quanto maior a obliquidade do perfil da borda-guia, mais resistente uma pá de impelidor pode ser ao entalhamento, que é a formação de detritos em cordões e fibrosos similares a entalhes na extremidade 8 da borda-guia 73. Também, o

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42/55 inventor supõe que quanto maior a obliquidade do perfil da borda-guia, a quantidade de arrasto que uma pá de impelidor pode experimentar durante a rotação do impelidor na direção R1 pode ser reduzida.

[0085] Em um impelidor 70 que inclua uma borda-guia de vista de topo hiperoblíqua 73 projetada sobre uma hélice inclinada circular, as bordas de topo 76 das pás 72 podem se estender ou alcançar para baixo (isto é, adicionalmente afastado do cubo 71a ao longo do eixo geométrico rotacional do cubo 71a) até um grau adicional que se a borda-guia 73 não fosse hiperoblíqua. Tal alcance maior para baixo das pás 72 pode permitir as pás 72 alcançarem uma particular distância para baixo para dentro do líquido enquanto usando um eixo tendo um comprimento mais curto.

[0086] Como pode ser visto na figura 8A, a face primitiva 77 das pás 72 define uma PDR máxima de 1,5 na borda guiada 74, a face primitiva 77 define uma PDR mínima de 0,5 na borda-guia 73, e a PDR média através de toda a face primitiva 77 foi definida a ser 1,0.

[0087] Como discutido com referência às figuras 5A e 5B, para definir a geometria da face primitiva 77 entre a bordaguia 73 até a borda guiada 74, linhas de arqueamento exponenciais podem ser usadas. Por exemplo, uma função exponencial pode ser transformada em um respectivo sistema de coordenadas helicoidais cônicas para determinar a face primitiva 77 em cada linha de arqueamento 41-48, como mostrado e discutido acima em relação às figuras 5A e 5B. Nesta configuração, as linhas de arqueamento exponenciais de segunda ordem são usadas (p.ex., uma parábola), mas em outras configurações, linhas de arqueamento exponenciais de qualquer

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43/55 ordem podem ser usadas. Para definir a face primitiva 77 das pás 72, uma curva exponencial tendo as PDRs inicial e final mencionadas anteriormente foi ajustada a uma linha do comprimento apropriado e tem a PDR média apropriada.

[0088] O impelidor 70 pode incluir uma aleta antivórtice em cada pá 72. Como mostrado nas figuras 8A e 8B, a aleta antivórtice 79 se estende para longe da face primitiva 77 das pás 72 em uma direção que é substancialmente perpendicular à face primitiva 77. A aleta antivórtice 79 se estende longitudinalmente ao longo da borda de ponta 76 e ao longo da porção mais externa (mais próxima do ponto 8) da borda-guia

73. O inventor supõe que a aleta antivórtice 79 pode melhorar a eficiência mecânica do impelidor 70 reduzindo a quantidade de vórtices produzidos próximos à borda de ponta 76 durante a rotação do impelidor 70 na direção R1, reduzindo desta forma a quantidade de arrasto experimentado pelas pás 72.

[0089] As figuras 9A e 9B representam uma configuração exemplar de um impelidor que inclui a borda-guia de cada pá se desviando ligeiramente de ser definida projetando o arco de vista de topo do perfil de borda-guia sobre a superfície de uma hélice inclinada circular (o eixo geométrico da hélice sendo substancialmente coincidente com o eixo geométrico de rotação do impelidor). A hélice inclinada circular pode ser gerada, por exemplo, como descrito com referência às figuras 3A-3E.

[0090] Referindo-se agora às figuras 9A e 9B, um impelidor inclui um cubo 81 e várias pás 82. O impelidor 80 preferivelmente gira sobre o cubo 81 em uma direção rotacional R1. Cada pá 82 é espaçada circunferencialmente sobre o cubo 81, e cada pá 82 inclui uma borda-guia 83, uma

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44/55 borda guiada 84, uma borda de raiz 85, uma borda de ponta 86, uma face primitiva 87, uma face não primitiva 88, e uma ponta de borda guiada 89. O impelidor 80 é preferivelmente ligado via o cubo 81 a um eixo de acionamento (não mostrado) para se estender para dentro de um tanque contendo fluido. O cubo 81 é preferivelmente ligado ao eixo de acionamento via uma chaveta, mas qualquer outro mecanismo conhecido pode ser usado, incluindo um estriado, parafusos de pressão, soldagem, ou colagem química. Cada pá 82 pode ser formada integralmente com o cubo 81 em um único fundido, mas as pás 82 também podem ser ligadas ao cubo 81 por qualquer outro mecanismo conhecido, incluindo aparafusamento, travamento, soldagem, ou colagem química.

[0091] Para o impelidor 80 produzir uma zona de agitação que seja suficientemente colimada e eficiente para um dado diâmetro de impelidor 80, tal que a zona de agitação alcance uma parede de tanque 200 pés afastada, a geometria das faces primitivas 87 das pás 82 do impelidor 80 é projetada para produzir primariamente fluxo axial nas bordas de raiz 85 das pás 82 e para produzir uma combinação de fluxo radial e axial nas bordas de ponta 86 das pás 82.

[0092] Dada a complexidade de fluxos de fluido em muitos ambientes, o fluxo de fluido em e ao redor das pás 82 do impelidor 80 em todas vetores de velocidade as porções do impelidor 80 pode incluir nas direções tanto axial quanto radial simultaneamente.

As pás preferivelmente realizam primariamente fluxo axial nas bordas de raiz e uma combinação de fluxo radial e axial nas bordas de ponta 86, preferivelmente definindo uma face primitiva variando suavemente 87 que transita entre a porção de fluxo axial das

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45/55 pás 82 e a porção de fluxo radial das pás 82.

[0093] Para reforçar a eficiência energética do impelidor 80, o impelidor 80 preferivelmente combina aproximadamente a geometria da borda-guia 83 com o perfil de velocidade constante do fluido no lado de captação, para o caso de reservatórios de velocidade quase zero, que é o lado das faces não primitivas 88 das pás 82 do impelidor 80. Na configuração para agitar óleo bruto e seus derivados em um tanque de armazenagem de óleo, ou na configuração para agitar líquido em um tanque digestor anaeróbico, o fluido no lado de captação do impelidor 80 tem uma velocidade quase zero a uma distância relativamente pequena (p.ex., 10 diâmetros de impelidor afastada da borda-guia 83) a partir do lado de captação do impelidor 80. Em pontos muito próximos ao lado de captação do impelidor 80, uma vez que o impelidor 80 comece a girar em uma direção R1, existe uma zona de velocidade não zero no lado de captação. O inventor supõe que um impelidor 80 que tenha bordas-guia 83 das pás 82 que passam aproximadamente por um espaço no formato de um hemisfério à medida que ele gira (em qualquer dado plano bidimensional que passe pelo eixo geométrico de rotação do impelidor 80, este formato será aproximadamente um arco circular) será um design, possivelmente o mais, eficiente energeticamente para este poço ou reservatório de velocidade quase zero pretendido. O formato detalhado aproximado das bordas-guia 83 das pás 82 do impelidor 80 pode ser visto e compreendido por referência às figuras 3A a 3C e ao texto anexo acima.

[0094] Nesta configuração, as bordas-guia 83 das pás 82 do impelidor 80 são substancialmente definidas projetando o perfil de vista de topo desejado (p.ex., o perfil de vista de

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46/55 topo das bordas-guia 83 é mostrado na figura 9B como um arco circular) sobre a superfície de uma hélice inclinada 22,5 graus circular. A hélice inclinada circular usada nesta configuração é construída de uma maneira similar àquela descrita e mostrada com referência às figuras 3A-3E e figuras 4A-4B. A presente invenção contempla pás de impelidor tendo uma borda-guia que se desvie por uma pequena quantidade de ser definida projetando o perfil de vista de topo sobre a superfície de uma hélice inclinada circular. Por exemplo, cada ponto (p.ex., os pontos 1-8) nas bordas-guia 83 das pás do impelidor 80 pode se desviar da superfície da hélice inclinada circular (p.ex., uma hélice inclinada 22,5 graus circular) em até 5% da altura e distância radial e até 5° da posição angular, como definidos por um sistema de coordenadas cilíndricas com sua origem passando pelo centro geométrico do cubo 81. Preferivelmente, cada ponto nas bordas-guia 83 pode se desviar da superfície da hélice inclinada circular em até 3% da altura e distância radial e até 3° da posição angular. O mais preferivelmente, cada ponto das bordas-guia 83 pode se desviar da superfície da hélice angulada circular em até 1% da altura e distância radial e até 1° da posição angular.

[0095] O particular grau de desvio da borda-guia 83 de ser definida projetando o perfil de vista de topo da borda-guia sobre a superfície de uma hélice inclinada circular pode ser escolhido baseado na trajetória desejada que a borda-guia 83 passa à medida que ela gira sobre o eixo geométrico rotacional. Entretanto, esta varredura de formato pelo perfil de borda-guia 83 à medida que gira sobre o eixo geométrico rotacional pode ser ajustada finamente para combinar com qualquer perfil de velocidade constante conhecido

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47/55 aproximadamente (p.ex., um hemisfério) do fluido no lado de captação do impelidor 80 (o lado da face não primitiva 88) em espaço tridimensional.

[0096] Como discutido com referência às figuras 5A e 5B, para definir a geometria da face primitiva 87 entre a bordaguia 83 até a borda guiada 84, linhas de arqueamento exponenciais podem ser usadas. Nesta configuração, as linhas de arqueamento exponenciais de segunda ordem são usadas (p.ex., uma parábola), mas em outras configurações, linhas de arqueamento exponenciais de qualquer ordem podem ser usadas.

[0097] O particular formato escolhido de cada linha de arqueamento exponencial 41-48 pode ser determinado parcialmente pelo ângulo requerido de percurso sobre o eixo geométrico rotacional (um eixo geométrico longitudinal localizado no centro geométrico do cubo 81) para fazer cada linha de arqueamento 41-48 correr de um respectivo ponto inicial 1-8 que fica na borda-guia 83 até um ponto final que fica na borda guiada 84, como descrito acima com referência às figuras 5A e 5B. Como descrito acima, qualquer número de linhas de arqueamento igualmente radialmente espaçadas ou não igualmente radialmente espaçadas podem ser usadas para definir a superfície da face primitiva 87 em relação à bordaguia 83 ou em relação qualquer outro sistema de coordenadas.

Por exemplo, na configuração mostrada nas figuras 9A

9B, as pás provêem cobertura de aproximadamente 60% da área de superfície de vista de topo dentro do diâmetro externo do impelidor

Portanto, cada uma das três pás 82 cobre cerca de 20% da área de superfície total de vista de topo, resultando em uma distância de posição rotacional de aproximadamente graus sobre o eixo

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48/55 geométrico rotacional entre a borda-guia 83 e a borda guiada

84.

[0098] Como pode ser visto na figura 9A, a face primitiva 87 das pás 82 define uma razão máxima de passo para diâmetro de 1,875 na borda guiada 84. Em algumas configurações, uma PDR separada para a face primitiva 87 na borda guiada 84 pode ser escolhida individualmente para cada linha de arqueamento 41-48. Qualquer PDR máxima pode ser usada para cada um dos pontos ao longo da borda guiada 84, dependendo do grau desejado e ângulo de aceleração do fluido à medida que ele viaja através das pás 82.

[0099] Para definir a PDR da face primitiva 87 na bordaguia 83, a PDR em cada ponto inicial 1-8 pode ser definida tal que o ângulo de ataque da face primitiva 87 na bordaguia 83 em um particular ponto 1-8 seja igual a ou ligeiramente menor (p.ex., no máximo 3° maior, preferivelmente no máximo 2° maior, e no máximo 1° maior) que o ângulo no qual as partículas de fluido atingem a borda-guia 83 durante a rotação do impelidor 80 na direção R1. O ângulo de ataque da face primitiva 87 na borda-guia 83 em um particular ponto 1-8 pode ser maior que o ângulo no qual as partículas de fluido atingem a borda-guia 83 durante a rotação do impelidor 80 por uma quantidade igual à tolerância de fabricação do ângulo de ataque da face primitiva 87. Por exemplo, se, em um particular ponto 1-8, a tolerância de fabricação do ângulo de ataque da face primitiva 87 for ± 1°, o ângulo de ataque da face primitiva 87 em um particular ponto 1-8 pode ser projetado para ser nominalmente 1° maior que o ângulo no qual as partículas de fluido atingem a bordaguia 83 durante a rotação do impelidor 80, tal que, levando a

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49/55 tolerância de fabricação em consideração, o ângulo de ataque da face primitiva 87 será 0-2° maior que o ângulo no qual as partículas de fluido atingem a borda-guia 83 durante a rotação do impelidor 80.

[0100] O ângulo de ataque da face primitiva 87 na bordaguia 83 pode ser diferente para cada ponto 1-8 ao longo da borda-guia 83. Como usado aqui, o ângulo de ataque da face primitiva 87 na borda-guia 83 é definido como o ângulo que a face primitiva 87 na borda-guia 83 faz em relação a um plano que é perpendicular o eixo geométrico de rotação do impelidor 80, o ângulo da face primitiva 87 e o plano sendo medidos em um plano cilíndrico em um dado raio a partir do eixo geométrico de rotação. Como usado aqui, o ângulo no qual as partículas de fluido atingem a borda-guia 83 é definido como o ângulo que o vetor de velocidade da partícula de fluido faz em relação a um plano que é perpendicular ao eixo geométrico de rotação do impelidor 80, o ângulo no qual as partículas de fluido atingem a borda-guia 83 e o plano sendo medidos em um plano cilíndrico a um dado raio a partir do eixo geométrico de rotação. Como usado aqui, o vetor de velocidade de partícula de fluido em qualquer dado ponto é a soma de vetores do vetor velocidade de um dado local radial de bordaguia devido a seu movimento rotacional (isto é, RPM*2*p*raio) e o vetor velocidade do fluido chegando no ponto sobre a borda-guia onde o vetor de velocidade rotacional foi computado.

[0101] A PDR da face primitiva 87 na borda-guia 83 em cada particular ponto 1-8 pode ser escolhida executando uma simulação CFD dos vetores de velocidade de partícula de fluido para combinar aproximadamente com os vetores de

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50/55 velocidade de partícula de fluido com o ângulo de ataque da borda-guia 83 para uma particular configuração do impelidor 80. Uma vez que uma PDR desejada seja escolhida para cada ponto 1-8 ao longo da borda-guia 83, e uma vez que a distancia angular de vista de topo entre a borda-guia 83 e a borda guiada 84 seja determinada, uma curva exponencial tendo PDRs inicial e final pré-determinadas pode ser ajustada a uma linha do comprimento apropriado e que tenha a PDR média apropriada. Nesta configuração, a PDR média para cada linha de arqueamento 41-48 correndo ao longo da face primitiva das pás 82 foi escolhida para ser a média da PDR de borda-guia e da PDR de borda guiada para cada linha de arqueamento 41-48.

[0102] Nesta configuração, uma vez que uma desejada função exponencial foi escolhida para representar a variação de passo da borda-guia 83 para a borda guiada 84 a uma dada distância do eixo geométrico rotacional, cada função exponencial foi ancorada ao ponto inicial 1-8 sobre a bordaguia 83, e cada função exponencial foi transformada em um respectivo sistema de coordenada helicoidais cônicas para determinar a face de perfil 87, como mostrado e discutido acima em relação às figuras 5A e 5B. Entre as linhas de arqueamento 41-48, a superfície restante da face de perfil 87 pode ser extrapolada exponencialmente usando qualquer método que seja conhecido na arte. Então, as linhas de arqueamento exponenciais produzidas como descrito acima podem ser modificadas adicionalmente, como descrito acima com referência às figuras 6A e 6B, para atender ao objetivo de design global (nesta configuração) de conseguir primariamente fluxo axial próximo à borda de raiz 75 e fluxo radial relativamente maior próximo à borda de ponta 76.

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51/55 [0103] Na configuração mostrada nas figuras 9A e 9B, o cubo 81 tem uma altura vertical maior (medida ao longo do eixo geométrico de rotação) que a altura vertical da borda de raiz 85 de cada pá 82, tal que uma porção da borda de raiz 85 fique pendente abaixo do fundo do cubo 81, e uma porção da borda de raiz 85 pode ser ligada ao lado de baixo do cubo 81. A diferença de altura entre a borda de raiz 85 e o cubo 81 pode ser qualquer quantidade, por exemplo, onde a borda de raiz 85 tenha aproximadamente duas vezes a altura vertical do cubo 81. Ter a altura vertical da borda de raiz 85 maior que aquela do cubo 81 pode economizar peso reduzindo a altura do cubo 81 em relação a configurações onde a altura vertical do cubo 81 é igual a ou maior que a altura vertical da borda de raiz 85. Ter a altura vertical da borda de raiz 85 maior que aquela do cubo 81 pode aumentar a resistência do local de ligação entre a borda de raiz 85 e o cubo 81 em relação a configurações onde a altura vertical do cubo 81 é igual a ou maior que a altura vertical da borda de raiz 85. Ter a altura vertical da borda de raiz 85 maior que aquela do cubo 81, economizando desta forma altura no cubo 81, pode elevar a primeira frequência de vibração natural fundamental do sistema impelidor e eixo. Devido a um sistema de impelidor e eixo poder ser projetado para não ter a velocidade operacional (RPM) excedida, por exemplo, 80% da primeira frequência natural do sistema de impelidor e eixo, elevar a primeira frequência natural do sistema de impelidor e eixo pode permitir um usuário operar o impelidor em uma RPM mais alta sem se arriscar a falha de sistema devido a deflexões do impelidor.

[0104] Referindo-se agora à figura 10, cada pá 82 do

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52/55 impelidor 80 pode ter uma borda de ponta inicial 86' que é determinada inicialmente seguindo o procedimento descrito acima com referência às figuras 9A e 9B, e então a borda de ponta final 86 (a vista de topo é mostrada na figura 9B) pode ser determinada recortando a porção radialmente mais externa da pá 82 da borda de ponta inicial 86'. Por exemplo, entre 010% da porção radialmente mais externa da pá 82 podem ser recortados, preferivelmente entre aproximadamente 3-7% da porção radialmente mais externa da pá 82 podem ser recortados, e, como mostrado na figura 10, o mais preferivelmente aproximadamente 5% da porção radialmente mais afastada da pá 82 pode ser recortada.

[0105] Recortando uma porção da porção radialmente mais externa da pá 82, a razão de área de pá projetada (PAR) pode ser aumentada em relação ao formato inicial da pá 82 antes do recorte da borda de ponta inicial 86' . Como usado aqui, a razão de área de pá projetada é a razão de área de pá projetada em relação à área total varrida pela pá. Por exemplo, como mostrado na figura 9B, o impelidor 80 tem aproximadamente uma razão de área de pá de 60%, o que significa que a partir de uma vista de topo, as três pás 82 cobrem um total de 60% da área superficial de toda a área incluída dentro de um diâmetro varrido pela borda de ponta 86 quando ela completa uma única rotação. Portanto, cada uma das três pás 82 cobre aproximadamente 20% da área de superfície de vista de topo total.

[0106] Referindo-se agora às figuras 11A e 11B para ilustrar uma outra configuração, um impelidor 90 inclui um cubo 91 tendo vários flanges 91b e circundado por um revestimento de cubo 91c, e várias pás 92. O impelidor 90

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53/55 preferivelmente gira sobre o cubo 91a em uma direção rotacional R1. Cada pá 92 é espaçada circunferencialmente sobre o cubo 91a, e cada pá 92 inclui uma borda-guia 93, uma borda de raiz 95a, um inserto de rigidez 95b, e, por exemplo, as outras características de formato de pá discutidas acima relacionadas com as várias pás 72 mostradas nas figuras 8A e 8B.

[0107] O revestimento de cubo 91 pode ser feito, por exemplo, de um material similar ao das pás 92, tal como FRP. Como mostrado nas figuras, o revestimento de cubo 91c pode circundar parcialmente ou completamente qualquer de ou tudo de o cubo 91a, os flanges 91b, e os insertos de rigidez 95b, e o revestimento de cubo 91c pode ter um formato substancialmente aerodinamicamente fuselar, liso, substancialmente elipsoidal, na direção antecipada do fluxo do líquido. Embora o revestimento de cubo 91c seja mostrado como tendo um formato elipsoidal, o revestimento de cubo 91c pode ter qualquer formato, incluindo, por exemplo, uma esfera, um hemisfério, um toro, um formato ovóide, um parabolóide, ou qualquer outro formato conhecido na arte que preferivelmente tenha inclinação variada suavemente.

O revestimento de cubo

91c pode circundar parcialmente ou completamente cada flange

91b, preferivelmente de estender maneira tal a suavemente as

superfícies das pás	92	ao	redor e	sobre o cubo	91a. Por
exemplo, o revestimento	de	cubo 91c	pode estender	a borda-
guia 93 de cada	pá	92,	com uma inclinação	variando

até do revestimento de continuamente, o centro cubo 91c. O revestimento de cubo 91c preferivelmente estende as superfícies das pás 92 (p.ex., a borda-guia 93) a partir das

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54/55 bordas de raiz 95a, sobre os insertos de rigidez 95b, e o revestimento de cubo 91c preferivelmente merge as superfícies estendidas das pás 92 no sentido do centro do cubo 91a. O revestimento de cubo 91c pode incluir uma abertura central para acomodar um eixo de acionamento, e o revestimento de cubo 91c pode incluir aberturas adicionais para permitir a inserção de parafusos ou outros mecanismos de acoplamento para ligar as pás 92 aos flanges 91b.

[0109] Em uma aplicação de tratamento de águas servidas do impelidor 90, por exemplo, uma aplicação de bacia anóxica, o líquido a ser agitado pode conter uma quantidade significativa de farrapos ou outros materiais similares a cordões ou fibrosos contínuos que podem ficar presos em porções de inclinação descontínua do impelidor 90. Este efeito de entalhamento pode provocar o desbalanceamento indesejável do impelidor 90 e/ou forças de arrasto adicionais no impelidor 90 durante a rotação na direção R1 que podem aumentar a força sobre o motor do eixo de acionamento.

[0110] O inventor notou que a presença do revestimento de cubo 91c no impelidor 90 pode tornar o impelidor 90 mais resistente a entalhamento nas porções de inclinação descontínua do cubo 91a, dos flanges 91b, das bordas de raiz 95, e dos insertos de rigidez 95b. O inventor supõe que a inclinação variando continuamente provida pelo revestimento de cubo 91c (na direção do fluxo de fluido antecipado) pode reduzir a quantidade de arrasto que o impelidor 90 pode experimentar durante a rotação do impelidor na direção R1.

[0111] A descrição anterior é provida com o propósito de explanação e não deve ser interpretada como limitando a invenção. Embora a invenção tenha sido descrita com

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55/55 referência a configurações preferidas ou métodos preferidos, fica entendido que as palavras que foram usadas aqui são palavras de descrição e ilustração, ao invés de palavras de limitação. Adicionalmente, embora a invenção tenha sido descrita aqui com referência à particular estrutura, métodos, e configurações, a invenção não é intencionada a ser limitada aos particulares divulgados aqui, uma vez que a invenção se estende para todas as estruturas, métodos e usos que estejam dentro do escopo das reivindicações anexas. Aqueles experientes na arte relevante, tendo o benefício dos ensinamentos desta especificação, podem efetuar numerosas modificações na invenção como descrita aqui, e as mudanças podem ser feitas sem se desviar do escopo e espírito da invenção como definido pelas reivindicações anexas. Adicionalmente, quaisquer características de uma configuração descrita podem ser aplicáveis às outras configurações descritas aqui.

Claims (4)

REIVINDICAÇÕES

1. Impelidor, compreendendo:

- um cubo (11) definindo um eixo geométrico longitudinal; e

- várias pás (12) espaçadas circunferencialmente sobre o cubo, cada pá incluindo uma porção de raiz (15) e uma porção de ponta (16), cada pá (12) definindo uma borda-guia (13) tendo uma geometria helicoidal inclinada circular, cada borda-guia (13) se estende a partir de um ponto (1) onde a borda-guia (13) encontra a borda de ponta (16) e define um formato de vista de topo, o formato de vista de topo sendo um arco circular, caracterizado pelo fato de o arco circular ter uma extensão total entre 120 e 180 graus.

2/4

5. Impelidor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de a curva exponencial para cada linha de arqueamento (41-48) de face primitiva ser criada dentro de uma estrutura de referência de hélice cônica normal à bordaguia (13).

6. Impelidor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um revestimento de cubo (91c) tendo um formato substancialmente elipsoidal que tem uma inclinação variando, de forma substancial e continua, na direção do fluxo de fluido que é induzido quando as pás (92) são giradas sobre o eixo geométrico longitudinal.

7. Impelidor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o cubo (81) ter uma altura vertical e a porção de raiz (85) de cada pá (82) ter uma altura vertical, e a altura vertical de cada borda de raiz ser maior que a altura vertical do cubo.

8. Sistema para agitar um fluido, usando o impelidor (10) conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de compreender:

- um tanque (102) para conter o fluido;

- um eixo de acionamento para se estender para dentro do tanque; e - um impelidor ( 10). 9. Método para agitar um fluido em um tanque, usando o impelidor (10) conforme definido em qualquer uma das

reivindicações de 1 a 7, compreendendo as etapas de:

- submergir um impelidor (10) no tanque de fluido; e

- girar o impelidor (10) para bombear o fluido primariamente axialmente nas porções de raiz (15) das pás (12) e para bombear o fluido radialmente para dentro e axialmente nas

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2. Impelidor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada pá (12) ter um passo variável tal que a porção de raiz (15) é configurada para induzir primariamente um fluxo de fluido axial quando as pás forem giradas sobre o eixo geométrico longitudinal, a porção de ponta (16) sendo configurada para induzir primariamente um fluxo de fluido axial radialmente para dentro quando as pás forem giradas sobre o eixo geométrico longitudinal.

3/4 porções de ponta (16)das pás (12) para produzir fluxo geralmente colimado, o método sendo caracterizado pelo fato de o arco circular ter uma extensão total entre 120 e 180 graus.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de:

- dispor o impelidor (10) em uma primeira orientação angular para produzir uma primeira zona de agitação de fluido colimado em uma primeira porção do tanque (102); e

- articular rotativamente o impelidor para uma segunda orientação angular para produzir uma segunda zona de agitação de fluido colimado em uma segunda porção do tanque.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a etapa de submergir um impelidor (10) incluir submergir vários impelidores.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o fluido ter uma velocidade de captação quase zero.

13. Método, de acordo com a reivindicação

9, caracterizado pelo fato de o tanque ser um tanque de armazenagem de refinaria de petróleo (102), a etapa de submergir um impelidor incluir submergir um impelidor (106) próximo a um primeiro lado do tanque, e a etapa de girar o impelidor incluir produzir fluxo geralmente colimado que se estende até um segundo lado do tanque oposto ao primeiro lado do tanque.

14. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o tanque ser um tanque digestor anaeróbico (112), a etapa de submergir um impelidor (116, 118) incluir submergir um impelidor próximo a uma superfície de topo do fluido, e a etapa de girar o impelidor incluir produzir fluxo

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3. Impelidor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada borda-guia (13) definir um formato de vista lateral, o formato de vista lateral sendo aproximadamente o mesmo formato de vista lateral que a fronteira de fluido de velocidade constante em um lado de captação do impelidor.

4. Impelidor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada pá (12) incluir uma face primitiva (17) que define uma pluralidade de linhas de arqueamento (41-48), cada linha de arqueamento tendo um formato que segue aproximadamente uma curva exponencial.

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4/4 geralmente colimado que se estende até um fundo do tanque sem o uso de um tubo de descarga.