BR112012031735B1 - Dispositivo de orientação e de estanqueidade, caixa de engrenagens de turbomáquina e turbomáquina - Google Patents

Abstract

dispositivo de orientação e de estanqueidade com junta carbonada e com mancal corrediça integrado para um turbomáquina. dispositivo de orientação e de estanqueidade de uma árvore (18) em um orifício de um cárter (12) em uma turbomáquina, compreendendo uma junta carbonada (140) montada em torno da árvore e comportando um anel (142) solidário à árvore e compreendendo uma face anular de atrito sobre um anel de carbono (146) montado em uma caixa de suporte (152) fixado no cárter, esse anel apresentando uma parede cilíndrica (160) que é centrada e orientada em rotação em uma parede cilíndrica (162) da caixa de suporte, de modo a formar um mancal corrediça de orientação da árvore,

Description

[0001] A presente invenção se refere a um dispositivo de orientação e de estanqueidade de uma árvore de turbomáquina em um orifício de um cárter atravessado por essa árvore, assim como uma caixa de engrenagens comportando esse dispositivo.

[0002] Em uma turbomáquina, diferentes equipamentos, tais como notadamente bombas para a produção de energia hidráulica, a alimentação com carburante, a lubrificação, geradores elétricos para a produção de potência elétrica, etc, são acionados em rotação por uma caixa de engrenagens ligada a uma árvore da turbomáquina.

[0003] Cada equipamento compreende uma árvore giratória acoplada em rotação a uma árvore de transmissão da caixa de engrenagens. Essa árvore de transmissão porta externamente uma roda dentada que é presa com um pinhão de acionamento acoplado por um trem de engrenagens a uma árvore de compressor da turbomáquina.

[0004] A árvore de transmissão é orientada em rotação em suas extremidades em mancais com rolamento, cujos anéis internos são solidários à árvore de transmissão e os anéis externos são fixados sobre o cárter da caixa de engrenagens. Uma das extremidades da árvore de transmissão atravessa um orifício do cárter da caixa de engrenagens e é acoplada em rotação a uma árvore giratória de um equipamento.

[0005] O óleo que é injetado sobre os mancais da caixa de engrenagens, visando sua lubrificação se mistura ao ar, o que cria uma névoa de óleo no interior da caixa de engrenagens. A fim de evitar escapamentos dessa névoa de óleo entre a árvore de transmissão e a borda do orifício do cárter, é conhecido montar meios de estanqueidade no orifício entre a árvore e o cárter.

[0006] Na técnica atual, esses meios de estanqueidade são formados por uma junta dinâmica do tipo junta carbonada, essa junta comportando um anel solidário à árvore e apresentando uma face anular de atrito sobre um anel em material poroso que é formado de grão de carbono e que tem um baixo coeficiente de atrito. Esse anel de carbono é fixado em um porta-grãos que é montado em uma caixa de suporte fixada no cárter e que é solicitada axialmente em direção ao anel para manter o anel de carbono em apoio axial sobre o anel. Ajunta carbono compreende, portanto, partes fixas em rotação (a caixa de suporte, o porta-grãos e o anel de carbono) e uma parte móvel em rotação (o anel). O atrito do anel de carbono sobre o anel, quando da rotação da árvore de transmissão, assegura uma boa estanqueidade entre a árvore e o cárter.

[0007] Ajunta carbonada é montada ao lado de um dos mancais com rolamentos pré-citados da caixa de engrenagens. Os meios de fixação do anel externo do mancai no cárter são independentes dos meios de fixação da caixa de suporte da junta carbonada no cárter, o que acarreta um volume axial e uma massa consideráveis do conjunto. Além disso, os meios de lubrificação e/ou de resfriamento da junta carbonada são distintos daqueles do mancai com rolamentos, o que não é econômico.

[0008] A presente invenção tem notadamente por finalidade fornecer uma solução simples, eficaz e econômica para esses problemas da técnica atual.

[0009] Ela propõe para isso um dispositivo de orientação e de estanqueidade destinado a ser montado em um orifício de um cárter atravessado por uma árvore em uma turbomáquina, compreendendo uma junta carbonada montada em tomo da árvore no orifício do cárter e comportando um anel que é sustentado pela árvore e que compreende uma face anular de atrito sobre um anel de carbono que é montado em uma caixa de suporte fixada no cárter e que solicitado axialmente em direção ao anel, caracterizado pelo fato de o anel apresentar uma parede cilíndrica que é centrada e orientada em rotação em uma parede cilíndrica da caixa de suporte, de modo a formar um mancai liso de orientação da árvore.

[0010] De acordo com a invenção, um mancai liso é integrado à junta carbonada do dispositivo, de acordo com a invenção. Esse mancai liso substitui o mancai com rolamentos da técnica anterior que pode, portanto, ser suprimido. A integração do mancai liso à junta carbonada permite ter meios de suporte e de fixação comuns à junta carbonada e ao mancai, assim como meios de lubrificação e de resfriamento comuns à junta carbonada e ao mancai. A combinação da junta carbonada a um mancai liso permite, além disso, diminuir o número de peças e a massa do dispositivo de orientação e de estanqueidade.

[0011] A parede cilíndrica do anel pode ser formada de uma única peça com o anel ou ser levada e fixada sobre esse anel. Do mesmo modo, a parede cilíndrica do mancai de suporte pode ser formada de uma única peça com a caixa de suporte ou ser levada e fixada sobre essa caixa.

[0012] A superfície cilíndrica externa da parede cilíndrica do anel e/ou a superfície cilíndrica interna da parede cilíndrica da caixa de suporte podem ser recobertas com uma camada fina ou com uma guarnição, a camada fina ou a guarnição sendo fabricada em um material duro e com baixo coeficiente de atrito.

[0013] A superfície interna da parede cilíndrica do anel pode definir uma calha anular que desemboca axialmente do lado oposto ao anel de carbono e na qual é destinada a ser injetado o óleo destinado a dissipar o calor produzido pelo mancai liso e pela junta carbonada em funcionamento.

[0014] Vantajosamente, a superfície cilíndrica interna da parede cilíndrica da caixa de suporte define um alojamento no qual são montados o anel e o anel de carbono que é solidário a um porta-grãos orientado na caixa de suporte. O dispositivo, de acordo com a invenção, é, portanto, relativamente compacto, o que simplifica sua montagem e sua desmontagem da turbomáquina.

[0015] A presente invenção se refere também a uma caixa de engrenagens de turbomáquina para o acionamento em rotação de pelo menos um equipamento giratório, caracterizada pelo fato de compreender um cárter que comporta um orifício atravessado por uma árvore de transmissão e um dispositivo de orientação e de estanqueidade do tipo pré-citado, que é montado em torno da árvore no orifício do cárter.

[0016] Vantajosamente, a árvore pode apresentar uma parede cilíndrica que é envolvida com folga por uma parede cilíndrica do cárter, de modo a formar um mancai liso auxiliar não operacional em funcionamento normal. Esse mancai liso auxiliar é destinado a assegurar a centragem e a orifício temporárias da árvore de transmissão em caso de ruptura do mancai liso do dispositivo de estanqueidade. A folga radial entre as paredes cilíndricas da árvore e do cárter é, portanto, determinada de foram que essas paredes não cooperem entre elas em funcionamento normal. Esse mancai auxiliar permite também manter a árvore de transmissão em posição radial, quando das operações de montagem e de desmontagem do dispositivo, de acordo com a invenção.

[0017] A invenção se refere, enfim, a uma turbomáquina, tal como um turbo- reator ou um turbopropulsor, compreendendo um dispositivo de orientação e de estanqueidade, tal como descrito anteriormente.

[0018] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, vantagens e características da invenção aparecerão com a leitura da descrição seguinte feita a título de exemplo não limitativo e com referência aos desenhos anexados, nos quais: - a figura 1 representa uma vista esquemática em corte axial de uma parte de uma caixa de engrenagens de turbomáquina, segundo a técnica anterior; - a figura 2 representa uma vista em maior escala de uma parte da figura 1; - a figura 3 representa uma vista correspondente à figura 2 e representando uma variante de realização da invenção.

[0019] Inicialmente, faz-se referência às figuras 1 e 2, que representam uma parte de uma caixa de engrenagens 10 de turbomáquina, segundo a técnica anterior, essa caixa de engrenagens 10 comportando um elemento de entrada (não representado) ligado a uma árvore de acionamento do compressor da turbomáquina e dos pinhões de acionamento de uma pluralidade de equipamentos, tais como, por exemplo, uma bomba de óleo, uma bomba hidráulica, uma bomba de carburante, um acionador, um gerador elétrico, etc.

[0020] A caixa de engrenagens 10 compreende um cárter dianteiro 12 e um cárter traseiro 14 entre os quais se estende uma pluralidade de árvore de transmissão 18 que são destinadas a serem acopladas a equipamentos giratórios.

[0021] A árvore de transmissão 18 visível no desenho é orientada em rotação em suas extremidades em dois mancais com rolamento, dos quais um, 20, é com esferas e o outro, 22, é com cilindros. Os mancais 20, 22 compreendem, cada um, um anel interno 24 portado pela árvore de transmissão 18 e um anel externo 26 fixado por meio de parafuso 28 sobre bossagens 30 dos cárteres dianteiro 12 e traseiro 14, respectivamente. Cada mancai 20, 22 é alimentado com óleo por um circuito específico de lubrificação.

[0022] A árvore de transmissão 18 porta uma roda dentada 32 ajustada entre os dois mancais com rolamento 20, 22 e presa com pinhões de acionamento 34.

[0023] Conforme melhor visível na figura 2, a parte de extremidade dianteira da árvore de transmissão 18 atravessa um orifício 36 formado na bossagem 30 do cárter e é centrada e orientada nesse orifício por meio do mancai com esferas 20 pré-citado.

[0024] O mancai com esferas 20 é encaixado na parte de extremidade traseira do orifício 36 do cárter e uma junta de estanqueidade, tal como uma junta carbonada 40, é montada em torno da árvore de transmissão 18, na parte de extremidade dianteira do orifício 36. Essa junta carbonada 40 impede escapamentos da mistura ar / óleo contida na caixa de engrenagens, o óleo sendo injetado sobre os mancais 20, 22 para sua lubrificação, assim como sobre a junta carbonada 40 para seu resfriamento.

[0025] A junta carbonada 40 comporta um anel 42 montado sobre a árvore de transmissão 18 e comportando na traseira meios de engrenamento 44, cooperando com meios complementares do anel interno 24 do mancai 20 para solidarizá-lo em rotação com árvore 18.

[0026] Esse anel 42 comporta na dianteira uma face radial de atrito sobre um anel de carbono 46 solidário a um porta-grãos 48 que é solicitado axialmente em direção ao anel 42 por meios com mola 50 montados na dianteira do porta-grãos, entre o porta-grãos e uma caixa de suporte 52 fixada no cárter 12.

[0027] O anel de carbono 46 é formado de grãos de carbono misturados a um ligante e é impregnado de um lubrificante. Esse anel apresenta um baixo coeficiente de atrito dinâmico.

[0028] A caixa de suporte 52 porta meios de bloqueio 58, cooperando com o porta-grãos 48 para impedi-la de girar e para limitar seu curso axial para trás. Ele compreende, além disso, um flange anular externo de fixação sobre o cárter dianteiro 12 por meio de parafusos 54 (figura 1).

[0029] Conforme explicado no que precede, os meios de fixação (parafuso 28 e 54) do mancai 20 e da junta carbonada 40 são distintos, o que acarreta um volume axial E importante do conjunto formado pela junta carbonada e pelo mancai (figura 1). Essa tecnologia apresenta além disso, outros inconvenientes descritos mais acima.

[0030] A invenção fornece uma solução para esses inconvenientes, graças à integração de um mancai liso à junta carbonada, o que permite suprimir o mancai com rolamentos da técnica anterior, assim como seus meios de fixação e se traduz, portanto, por um volume axial E' do dispositivo de orientação e de estanqueidade formado pela junta carbonada e pelo mancai, que é inferior àquele E da técnica anterior.

[0031] Conforme representado na figura 3, a junta carbonada 140 difere daquela descrita anteriormente pelo fato de seu anel 142 comportar uma parede cilíndrica 160 que é encaixada e orientada em uma parede cilíndrica 162 da caixa de suporte 152, de modo a formar esse mancai liso 156.

[0032] No exemplo representado, a parede cilíndrica 160 do anel 142 se estende para trás, a partir da periferia externa do anel. A superfície cilíndrica interna dessa parede 160 define uma calha anular 164 na qual é destinada a ser injetado óleo (seta 166) para dissipar o calor gerado por atrito no mancai liso 156 e a junta carbono 140.

[0033] A parede cilíndrica 162 da caixa de suporte 152 se estende para a jusante e envolve os meios com mola 150, o porta-grãos 148, o anel de carbono 146 e o anel 142.

[0034] As superfícies cilíndricas em contato com paredes cilíndricas 160, 162 podem ser revestidas com uma camada fina com um material duro, tal como um carboneto de cromo ou de tungsténio.

[0035] A superfície cilíndrica externa da parede 162 coopera com a superfície cilíndrica interna do orifício 136 do cárter 12 para assegurar a centragem da junta carbonada 140 no orifício na montagem.

[0036] A caixa de suporte 152 porta na dianteira um flange anular aplicado e fixado por parafusos sobre a face dianteira do cárter 12.

[0037] A caixa de suporte 152 compreende, além disso, em sua periferia interna uma calha anular que desemboca radialmente para o interior e na qual é alojada uma junta tórica 170 de estanqueidade que coopera com uma parede cilíndrica dianteira 172 do porta-grãos 148, que é ligada em sua extremidade traseira a uma parede radial 174.

[0038] A caixa de suporte 152 e o anel 142 são, por exemplo fabricados em aço.

[0039] Os meios com mola 150 são montados entre uma face radial orientada para trás da caixa de suporte 152 e a face radial dianteira da parede radial 174 do porta-grãos 148. Esses meios 150 são, por exemplo, formados de uma arruela ondulada.

[0040] O curso de deslocamento axial do porta-grãos 148 (que é, por exemplo, de alguns décimos de milímetros aproximadamente) é limitada por meios de bloqueio 158, formando batente montados na traseira do porta-grãos e portados pela caixa de suporte 152. Esses meios de bloqueio 158 imobilizam em rotação o porta- grãos 148 na caixa de suporte 152.

[0041] O anel de carbono 146 é fixado sobre uma face radial traseira do porta- grãos 148 e é mantido em apoio axial sobre a face radial dianteira 145 do anel 142 quando da rotação da árvore de transmissão 18, para assegurar uma estanqueidade axial em torno da árvore, e isto qualquer que seja o grau de desgaste do anel de carbono.

[0042] O anel 142 compreende em sua periferia interna uma calha anular que desemboca radialmente para o interior e na qual é alojada uma junta tórica 175 de estanqueidade, cooperando com a superfície cilíndrica externa da árvore de transmissão 18. O anel 142 compreende, além disso, meios de engrenamento 144, cooperando no caso com meios complementares da árvore de transmissão 18 para solidarizá-lo em rotação com a árvore.

[0043] Em funcionamento, a árvore de transmissão 18 é orientada em rotação pelo mancai liso 156 e o anel de carbono 146 se atrita sobre o anel 142 para limitar os escapamentos da mistura ar / óleo do interior para o exterior da caixa de engrenagens, através do orifício 36. Óleo de resfriamento é injetado na calha 164 (seta 166) para evacuar as calorias produzidas por atrito no mancai liso 156 e a junta carbono 140.

[0044] Na variante de realização da figura 4, a junta carbono 140 e o mancai liso 156 são idênticos àqueles anteriormente descritos e só a árvore de transmissão 118 e o cárter 12 são modificados para criar um mancai liso 178 auxiliar não operacional em funcionamento normal.

[0045] A árvore de transmissão 118 comporta na traseira da junta carbono 140 e do mancai liso 156 uma parede troncônica 180 ligada em sua extremidade dianteira de maior diâmetro a uma parede cilíndrica 182 que é envolvida com uma folga radial R por uma parede cilíndrica 184 do cárter 12, que se estende no caso para a jusante a partir da bossagem 30 do cárter.

[0046] A folga R (que é da ordem de alguns décimos de milímetros aproximadamente) é calculada de forma que as paredes cilíndricas 182, 184 não cooperam entre elas em funcionamento normal da turbomáquina. Em caso de ruptura do mancai liso 156 integrado à junta carbonada 140, o mancai liso 178 pode assegurar uma orientação temporária auxiliar da árvore de transmissão 118. Por outro lado, quando a junta carbonada 140 é desmontada, depois retirada da caixa de engrenagens, a parte de extremidade a jusante da árvore de transmissão 18 permanece mantida radialmente por esse mancai auxiliar.

[0047] A parede troncônica 180 da árvore de transmissão 118 compreende no caso orifícios 186 de passagem do óleo injetado na calha 164 formada pela parede cilíndrica 160 do anel 142 da junta carbonada.

Claims (10)

1. Dispositivo de orientação e de estanqueidade destinado a ser montado em um orifício (36) de um cárter (12) atravessado por uma árvore (18) em uma turbomáquina, compreendendo uma junta carbonada (140) montada em torno da árvore no orifício do cárter e comportando um anel (142) que é sustentado pela árvore e que compreende uma face anular de atrito sobre um anel de carbono (146) que é montado em uma caixa de suporte (152) fixada no cárter e que solicitado axialmente em direção ao anel, caracterizado pelo fato de o anel apresentar uma parede cilíndrica (160) que é centrada e orientada em rotação em uma parede cilíndrica (162) da caixa de suporte, de modo a formar um mancai liso de orientação da árvore.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a parede cilíndrica (160) do anel (142) ser formada de uma única peça com o anel ou é levada e fixada sobre esse anel.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a parede cilíndrica (160) do anel (142) apresenta uma superfície cilíndrica externa que é revestida de uma camada fina ou que é envolvida por uma guarnição, a camada fina ou a guarnição sendo fabricada em um material duro e com baixo coeficiente de atrito.

4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a superfície cilíndrica interna da parede cilíndrica (160) do anel (142) definir uma calha anular (164) que desemboca axialmente do lado oposto ao anel de carbono (146) e na qual é destinado a ser injetado óleo de resfriamento.

5. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de a parede cilíndrica (162) da caixa de suporte (152) ser formada de uma única peça com a caixa de suporte ou ser levada e fixada sobre essa caixa.

6. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a parede cilíndrica (162) da caixa de suporte (152) apresentar uma superfície cilíndrica interna que é revestida por uma camada fina ou sobre a qual é montada uma guarnição, a camada fina ou a guarnição sendo realizada em um material duro e com baixo coeficiente de atrito.

7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizadopelo fato de a superfície cilíndrica interna da parede cilíndrica (162) da caixa de suporte (152) definir um alojamento no qual são montados o anel (142) e o anel de carbono (146) que é solidário a um porta-grãos (148) orientado na caixa de suporte.

8. Caixa de engrenagens de turbomáquina para o acionamento em rotação de pelo menos um equipamento giratório, caracterizadapelo fato de compreender um cárter (12) que comporta um orifício (36) atravessado por uma árvore de transmissão (18) e um dispositivo de orientação e de estanqueidade, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, que é montado em tomo da árvore no orifício do cárter.

9. Caixa, de acordo com a reivindicação 8, caracterizadapelo fato de a árvore de transmissão (118) portar uma parede cilíndrica (182) que é envolvida com folga por uma parede cilíndrica (184) do cárter (12), de modo a formar um mancai liso auxiliar não operacional em funcionamento normal.

10. Turbomáquina, tal como um turbo-reator ou um turbopropulsor, caracterizadapelo fato de compreender pelo menos um dispositivo de orientação e de estanqueidade, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7

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