BR102015030573A2 - aparelho de ventilação de caixa de engrenagem e motor de turbina a gás - Google Patents

Abstract

resumo “aparelho de ventilação de caixa de engrenagem e motor de turbina a gás” trata-se de um aparelho de ventilação de caixa de engrenagem que inclui: uma caixa de engrenagem; um acessório contido em um estojo montado na caixa de engrenagem tal que um espaço interior do estojo se comunica com um espaço interior da caixa de engrenagem, em que o estojo inclui uma parede lateral e uma parede de extremidade, um eixo de acionamento oco montado para rotação no interior do estojo; um primeiro elemento de vedação anular montado no eixo de acionamento; um segundo elemento de vedação anular montado no estojo e que está em contato com o primeiro elemento de vedação de modo a definir uma interface de vedação; e um tubo de ventilação que tem uma extremidade dianteira acoplada à parede de extremidade em comunicação fluida com o eixo de acionamento.

Description

“APARELHO DE VENTILAÇÃO DE CAIXA DE ENGRENAGEM E MOTOR DE TURBINA A GÁS” Referência Cruzada para Aplicações Relacionadas [001] Este pedido não provisório reivindica o benefício de prioridade conforme o 35 U.S.C. § 119(e) do Pedido de Patente Provisório n° US 62/089025, intitulado “GEARBOX WITH SEALED ACCESSORY VENT”, depositado em 8 de dezembro de 2014, que é incorporado ao presente documento por referência em sua totalidade.

Antecedentes da Invenção [002] Esta invenção refere-se, em geral, a motores de turbina a gás e, mais particularmente, a um aparelho para ventilar caixas de engrenagem em motores de turbina a gás.

[003] Um motor de turbina a gás normalmente inclui um ou mais acessórios mecanicamente acionados, tais como bombas de combustível ou óleo, geradores ou alternadores, unidades de controle, e similares. Tais acessórios são montados em uma caixa de engrenagem para acessórios (“AGB”) que extrai torque do motor, e aciona cada acessório na velocidade rotacional exigida, usando-se trem de engrenagem interno.

[004] O fluxo de óleo pressurizado é entregue ao AGB para lubrificação e resfriamento. O óleo usado do AGB é drenado de volta para um sistema de suprimento e limpeza do motor. Em uma configuração típica, um ou mais cárteres do motor são ventilados através de um separador de óleo e ar giratório localizados sobre o eixo de acionamento de alternador no AGB. A mistura de ar e óleo separada sai do eixo oco e entra na linha de ventilação que se estende da extremidade traseira da tampa do alternador.

[005] Nos motores da técnica anterior, a linha de ventilação se estende em uma direção descendente. Em tais motores, o controle da mistura de ar e óleo em relação ao transbordamento potencial de componentes internos não é tão crítica, devido ao fato de que nenhum óleo que vaza passa pelas vedações internas ou condensa fora do ar de ventilação entre o eixo de acionamento, e a ventilação fluirá através do tubo de ventilação descendente localizado em direção ao fundo do alojamento de alternador, limitando-se intrinsecamente a quantidade potencial de óleo que pode transbordar do alternador ou outros componentes de AGB. Entretanto, algumas configurações de motor tem uma ventilação que deve sair do alternador em uma direção ascendente, que pode colocar o alternador em risco de transbordamento com o óleo.

[006] Consequentemente, permanece uma necessidade de uma ventilação de alternador que não seja sensível à direção de fluxo de ar de ventilação.

Breve Descrição da Invenção [007] Essa necessidade é tratada pela presente invenção, que fornece uma caixa de engrenagem com um acessório que tem um aparelho de ventilação vedado que impede que o óleo vaze de volta no acessório.

[008] De acordo com um aspecto da invenção, um aparelho de ventilação de caixa de engrenagem que inclui: uma caixa de engrenagem; um acessório contido em um estojo montado na caixa de engrenagem tal que um espaço interior do estojo se comunica com um espaço interior da caixa de engrenagem, em que o estojo inclui uma parede lateral e uma parede de extremidade, um eixo de acionamento oco montado para rotação no interior do estojo; um primeiro elemento de vedação anular montado no eixo de acionamento; um segundo elemento de vedação anular montado no estojo e que está em contato com o primeiro elemento de vedação de modo a definir uma interface de vedação; e um tubo de ventilação que tem uma extremidade dianteira acoplada à parede de extremidade em comunicação fluida com o eixo de acionamento.

[009] De acordo com outro aspecto da invenção, o estator inclui pelo menos um canal de drenagem formado no mesmo, que se interconecta com os espaços interiores do estojo e da caixa de engrenagem.

[010] De acordo com outro aspecto da invenção, o acessório é um alternador que inclui um rotor anular montado no eixo de acionamento, circundado por um estator anular montado no estojo.

[011] De acordo com outro aspecto da invenção, a parede lateral do estojo incorpora um bocal de óleo orientado para descarregar óleo radialmente para dentro para o espaço interior do estojo, em direção ao primeiro e segundo elementos de vedação.

[012] De acordo com outro aspecto da invenção, o bocal de óleo se comunica com um canal no estojo que, por sua vez, se comunica com uma galeria de óleo na caixa de engrenagem.

[013] De acordo com outro aspecto da invenção, o alternador é um alternador magnético permanente.

[014] De acordo com outro aspecto da invenção, o pelo menos um canal de drenagem é formado no estator do alternador.

[015] De acordo com outro aspecto da invenção, o rotor está em contiguidade com um ombro formado sobre uma superfície externa do eixo de acionamento e é retido na posição contrária ao rotor por uma porca de travamento engatada com o eixo de acionamento.

[016] De acordo com outro aspecto da invenção, pelo menos um dentre o primeiro e segundo elementos de vedação compreende material de carbono grafite.

[017] De acordo com outro aspecto da invenção, o segundo elemento de vedação compreende material de carbono grafite, e o primeiro elemento de vedação é um material deferente.

[018] De acordo com outro aspecto da invenção, um tubo de transbordamento é acoplado a uma extremidade traseira do tubo de ventilação.

[019] De acordo com outro aspecto da invenção, um motor de turbina a gás é dotado de combinação com o aparelho de ventilação de caixa de engrenagem, em que o aparelho de ventilação de caixa de engrenagem é montado em uma porção inferior do motor.

[020] De acordo com outro aspecto da invenção, o motor de turbina a gás inclui adicionalmente um separador de óleo e ar conectado em comunicação fluida com o eixo de acionamento oco.

[021] De acordo com outro aspecto da invenção, o motor de turbina a gás inclui adicionalmente um tubo de transbordamento acoplado a uma extremidade traseira do tubo de ventilação.

[022] De acordo com outro aspecto da invenção, o tubo de transbordamento se estende em direção a um eixo geométrico de linha central do motor.

Breve Descrição das Figuras [023] A invenção pode ser mais bem compreendida em referência à seguinte descrição tomada em combinação com as figuras dos desenhos anexos, em que: [024] A Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de um motor de turbina a gás que incorpora uma ventilação de alternador vedada construída de acordo com um aspecto da presente invenção; e [025] A Figura 2 é uma vista em corte transversal de uma porção do motor da Figura 1.

Descrição Detalhada da Invenção [026] Com referência aos desenhos, em que os números de referência idênticos denotam os mesmos elementos através de várias vistas, a Figura 1 ilustra um motor de turbina a gás, geralmente designado 10, em que é incorporada uma caixa de engrenagem e ventilação de acessório vedado construído de acordo com os princípios da presente invenção. O motor 10 tem um eixo geométrico de linha central longitudinal 11 e um invólucro anular estacionário externo 14 disposto coaxialmente ao longo do eixo geométrico 11. O motor 10 inclui um núcleo gerador de gás 16 que é composto de um compressor de estágio múltiplo 18, um combustor 20, e uma turbina de alta pressão 22, tanto o estágio único como o múltiplo, todos dispostos coaxialmente ao redor do eixo geométrico de linha central 11 em um relacionamento de fluxo axial em série. Um eixo de acionamento externo anular 24 ínterconecta o compressor 18 e a turbina de alta pressão 22.

[027] Em funcionamento, o ar pressurizado do compressor 18 é misturado com combustível no combustor 20 e inflamado, gerando-se, desse modo, gases de combustão. Algum trabalho é extraído desses gases pela turbina de alta pressão 22 que aciona o compressor 18. O restante dos gases de combustão são descarregados do núcleo 16 em uma turbina de baixa pressão 26.

[028] Um eixo de acionamento interno 38 é montado para rotação em relação ao eixo de acionamento externo 24 por meio de rolamentos posteriores 32, rolamentos diferenciais 40, e por meio de rolamentos dianteiros adequados 42 interconectados com o invólucro estacionário externo 14. O eixo de acionamento interno 38 é acionado pela turbina de baixa pressão 26 e aciona um eixo de ventilador dianteiro 59, que, por sua vez, aciona um rotor de ventilador dianteiro 44 e, em alguns casos, um rotor intensificador 45. As lâminas de ventilador 48 e as lâminas intensificadoras 54 são montadas no rotor de ventilador 44 e no rotor intensificador 45 para rotação das mesmas. As lâminas de ventilador 48 são circundadas por um invólucro de ventilador anular 56 que, por sua vez, é circundado por uma nacela de ventilador anular 58.

[029] O motor 10 tem uma caixa de engrenagem para acessórios (“AGB”) 60 montado no mesmo. No exemplo ilustrado, o AGB 60 é montado no fundo do motor 10, abaixo do invólucro de ventilador 56, em uma posição 6 horas (conforme visto da dianteira ou traseira do motor 10). Vários acessórios de motor acionados por eixo, tal como bombas de óleo e combustível, iniciadores, geradores, alternadores, etc., podem ser montados no AGB 60. Em funcionamento, o núcleo de motor de torque 16 é transferido para o AGB 60 por meio de uma caixa de engrenagem interna e/ou de transferência 61, mostrado esquematicamente na Figura 1. Desse modo, o torque suprido para o AGB 60 é, então, usado para acionar cada um dentre os acessórios acionados por eixo individual, de uma maneira conhecida.

[030] Em referência à Figura 2, um alternador 62 é montado no AGB 60. O alternador 62 inclui um estojo de alternador oco 64 que é montado no AGB 60, por exemplo, usando-se parafusos 66 que passam através de flanges 68 do estojo de alternador 64 e do AGB 60. Os espaços interiores 65 e 67 do estojo de alternador 64 se comunica com o espaço interior 69 do AGB 60. O estojo de alternador 64 inclui uma parede lateral periférica 70 unida a uma parede de extremidade voltada para traseira 72. A parede lateral 70 incorpora um bocal de óleo 74 que é orientado para descarregar óleo radialmente para dentro no espaço interior 67 do estojo de alternador 64, para o resfriamento e lubrificação. O bocal de óleo 74 é suprido por um canal 76 no estojo de alternador 64 que, por sua vez, se comunica com uma galeria de óleo 78 no AGB 60. Observa-se que o alternador 62 é usado meramente como um exemplo, e os princípios da presente invenção são aplicáveis a qualquer acessório acionado por motor que deve acomodar um fluxo de ventilação, enquanto evita ser transbordado com o óleo em excesso.

[031] Um tubo de ventilação 80 é montado na parede de extremidade 72 do estojo de alternador 64 por um flange 82. A extremidade dianteira 84 do tubo de ventilação 80 passa através de uma parede de extremidade 72 e é, portanto, em comunicação fluida com o espaço interior 67 do estojo de alternador 64 e a extremidade traseira 86 do tubo de ventilação 80 se comunica com um tubo de transbordamento 88, uma porção do qual é mostrada na Figura 2. Observa-se que os termos direcionais, tais como “dianteiro” e “traseiro” são usados no presente documento somente com o propósito de conveniência na descrição e não implica que nenhuma orientação particular dos componentes descritos seja exigida. No exemplo ilustrado, o tubo de transbordamento 88 é mostrado estendendo-se em uma direção geralmente ascendente, que está em direção à linha central 11 do motor 10.

[032] Um eixo de acionamento de alternador oco 90 é montado para rotação dentro do AGB 60. A porção traseira 92 do eixo de acionamento de alternador 90 está localizada no estojo de alternador 64, posicionada coaxialmente ao tubo de ventilação 80. A extremidade traseira 93 do eixo de acionamento de alternador 90 acaba próxima à parede de extremidade 72, uma pequena distância axial na direção contrária da extremidade dianteira 84 do tubo de ventilação 80 e do flange 82.

[033] O alternador 62 inclui um rotor 94 e um estator 96. O rotor 94 é geralmente cilíndrico e é montado no diâmetro externo do eixo de acionamento de alternador 90. A extremidade dianteira do rotor 94 está em contiguidade com um ombro 98 formado no eixo de acionamento de alternador 90. A porca de travamento 100 está em contiguidade com a extremidade traseira do rotor 94 e mantém o rotor 94 na posição contrária ao ombro 98. No exemplo ilustrado, o alternador 62 é um alternador magnético permanente ou “PMA”. O rotor 94 carrega um anel de imãs permanentes 102 montado em torno de sua periferia. O estator 96 inclui uma ou mais bobinas de campo 104 enroladas em uma armação de estator 106. O alternador 62 opera no modelo conhecido para gerar uma corrente alternada nas bobinas de campo quando o rotor 94 está girando. As bobinas de campo 104 são, por sua vez, acopladas pelos filetes em uma ou mais cargas elétricas (não mostradas). O canais 108 são fornecidos na periferia externa do estator 96 que interconecta os espaços interiores 65 e 67 do estojo de alternador 64 e do espaço interior 69 de AGB 60 e permite que o óleo drene, conforme descrito em mais detalhe abaixo.

[034] Um primeiro elemento de vedação anular 110 é montado no eixo de acionamento de alternador 90 adjacente à porca de travamento 100. Um segundo elemento de vedação anular 112 é montado em uma parede de extremidade 72, que circunda o eixo de acionamento de alternador 90. As faces de extremidade 114, 116 do primeiro e segundo elementos de vedação 110 e 112, respectivamente, se apoia uma no outra para definir uma interface de vedação. Coletivamente, os dois elementos de vedação constituem uma “vedação” denota 111. No exemplo ilustrado, o segundo elemento de vedação 112 é feiro de um material de carbono grafite, enquanto o primeiro elemento de vedação 110 pode ser feito de qualquer um dentre de uma variedade de materiais exigidos para atender as exigências de desempenho de vedação. Tais vedações estão comercialmente disponíveis e comumente referidas como “vedações de carbono”. Outro tipos conhecidos de vedações de rotação podem ser substituídas por tal função de vedação.

[035] Em funcionamento, o eixo de acionamento de alternador 90 gira, rodando o rotor 94 e gerando corrente elétrica. Simultaneamente, o fluxo de ar de escape “F” de um separador de óleo e ar a montante de um tipo conhecido (mostrado esquematicamente em 118) que contém vapor de óleo residual flui para a traseira através do interior oco do eixo de acionamento de alternador 90, passando-se, subsequentemente, para o tubo de ventilação 80 e, então, para o tubo de transbordamento 88. A vedação 111 impede qualquer mistura de ar e óleo dentro do espaço interior traseiro 67 do alternador 64 de se unir com o fluxo de escape F através do vão entre a extremidade traseira 93 do eixo de acionamento de alternador 90 e o tubo de ventilação 80, desviando-se, desse modo, do separador de óleo e ar 118.

[036] Simultaneamente, óleo é descarregado do bocal de óleo 74 em direção ao primeiro elemento de vedação 110, fornecendo-se resfriamento e lubrificação para o mesmo. A ação da vedação 111 impede que o óleo entre no eixo de acionamento de alternador 90. Conforme mostrado pela seta “D”, o óleo usado tanto do bocal de óleo 74 quanto o condensado da mistura de ar e óleo dentro do espaço interior traseiro 67 do alternador 64 goteja para o fundo do estojo de alternador 64, passa através dos canais 108 no espaço interior 65 e, então, no espaço interior 69 do AGB 60 em que o mesmo pode ser drenado ou, em vez disso, limpo.

[037] As disposições de ventilação de vedação descritas no presente documento fornecem ventilação efetiva do escape do separador de óleo e ar enquanto também impede o transbordamento do alternador 62 com o óleo. A contrário de projetos da técnica anterior, não depende de uma direção particular de fluxo de ventilação, e o tubo de transbordamento 88 pode se estender em qualquer direção. Em particular, o mesmo pode ser direcionado para cima em direção à linha central 11 do motor, conforme ilustrado na Figura 2, sem afetar seu desempenho. Tal projeto minimiza o consumo de óleo e mantém o desempenho do sistema de pressurização de cárter.

[038] O supracitado descreveu um aparelho de ventilação de motor. Todos os recursos revelados nesta especificação (incluindo-se quaisquer reivindicações anexas, resumo e desenhos), e/ou todas as etapas de qualquer método ou processo assim descrito, podem ser combinados em qualquer combinação, exceto combinações em que pelo menos alguns de tais recursos e/ou etapas sejam mutuamente exclusivos.

[039] Cada recurso revelado nesta especificação (incluindo-se quaisquer reivindicações anexas, resumo e desenhos) pode ser substituído por recursos alternativos que servem para o mesmo, equivalente ou similar propósito, a menos que estabelecido expressamente em contrário. Assim, a menos que estabelecido expressamente em contrário, cada recurso revelado é apenas um exemplo de uma série genérica de recursos equivalentes ou similares.

[040] A invenção não está restrita aos detalhes da(s) realização(ões) supracitada(s). A invenção se estende a qualquer nova realização, ou qualquer nova combinação dos recursos revelados nesta especificação (incluindo-se quaisquer reivindicações anexas, resumo e desenhos), ou qualquer novo recurso, ou qualquer nova combinação das etapas de qualquer método ou processo assim revelado.

Reivindicações

Claims (15)

1. APARELHO DE VENTILAÇÃO DE CAIXA DE ENGRENAGEM, caracterizado pelo fato de que compreende: uma caixa de engrenagem; um acessório contido em um estojo montado na caixa de engrenagem, tal que um espaço interior do estojo se comunica com um espaço interior da caixa de engrenagem, em que o estojo inclui uma parede lateral e uma parede de extremidade, um eixo de acionamento oco montado para rotação no interior do estojo; um primeiro elemento de vedação anular montado no eixo de acionamento; um segundo elemento de vedação anular montado no estojo e que está em contato com o primeiro elemento de vedação, de modo a definir uma interface de vedação; e um tubo de ventilação que tem uma extremidade dianteira acoplada à parede de extremidade em comunicação fluida com o eixo de acionamento.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o estator inclui pelo menos um canal de drenagem formado no mesmo, que se interconecta com os espaços interiores do estojo e da caixa de engrenagem.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o acessório é um alternador que inclui um rotor anular montado no eixo de acionamento, circundado por um estator anular montado no estojo.

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parede lateral do estojo incorpora um bocal de óleo orientado para descarregar óleo radialmente para dentro no espaço interior do estojo, em direção ao primeiro e segundo elementos de vedação.

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o bocal de óleo se comunica com um canal no estojo que, por sua vez, se comunica com uma galeria de óleo na caixa de engrenagem.

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alternador é um alternador magnético permanente.

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um canal de drenagem é formado no estator do alternador.

8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rotor está em contiguidade com um ombro formado sobre uma superfície externa do eixo de acionamento e é retido na posição contrária ao rotor por uma porca de travamento engatada ao eixo de acionamento.

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre o primeiro e segundo elementos de vedação compreende material de carbono grafite.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o segundo elemento de vedação compreende material de carbono grafite, e o primeiro elemento de vedação é um material diferente.

11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um tubo de transbordamento é acoplado a uma extremidade traseira do tubo de ventilação.

12. MOTOR DE TURBINA A GÁS em combinação com o aparelho de ventilação de caixa de engrenagem, conforme a definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aparelho de ventilação de caixa de engrenagem é montado em uma porção inferior do motor.

13. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que inclui, adicionalmente, um separador de óleo e ar conectado, em comunicação fluida, com o eixo de acionamento oco.

14. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que inclui, adicionalmente, um tubo de transbordamento acoplado a uma extremidade traseira do tubo de ventilação.

15. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o tubo de transbordamento se estende em direção a um eixo geométrico de linha central do motor.