BR112014025379B1 - Dispositivo para acoplar dois eixos por meio de um mecanismo engrenagem, eixo rotativo, e, motor de turbina - Google Patents

Dispositivo para acoplar dois eixos por meio de um mecanismo engrenagem, eixo rotativo, e, motor de turbina Download PDF

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Abstract

dispositivo para acoplar dois eixos por meio de um mecanismo engrenagem, eixo rotativo, e, motor de turbina a invenção é relativa a um dispositivo para acoplar eixos, que compreende uma parte acoplamento projetada para ser ajustada de maneira concêntrica em uma parte acoplamento complementar, dita parte acoplamento compreendendo duas zonas de centralização entre as quais uma pluralidade de estrias se estendem, em cujo dispositivo as estrias têm um perfil que é constante ao longo de uma zona mediana da parte acoplamento, e que em uma zona que opera na continuação de dita zona mediana têm espessura menor por comparação com aquela na mesma estria na zona mediana, e em cujo dispositivo as estrias de dita parte acoplamento continuam além da zona na qual elas têm uma espessura menor tão longe da zona de centralização que está do mesmo lado da zona mediana que dita primeira zona, ditas estrias e os fundos de estria tendo, na zona de acoplamento, um perfil que acopla de maneira contínua ditas estrias e o fundo de estria à superfície de dita zona de centralização. a invenção também é relativa a um eixo a uma turbomáquina que compreende tal dispositivo de acoplamento.

Description

Campo da invenção
[0001] A invenção é relativa a dispositivos para acoplar eixos, tais como dispositivos para acoplamento entre um eixo de turbina e um eixo de compressor.
[0002] Ela é particularmente aplicável a dispositivos para acoplar eixos de turbina e compressor de motores turbina, que impelem veículos aeronáuticos.
Estado da técnica relacionada
[0003] Eixos de turbina de baixa pressão e compressor de baixa pressão são genericamente acoplados por um dispositivo acoplamento de engrenagem. Em tal dispositivo, um exemplo do qual está mostrado nas figuras la e 1b, uma parte que termina o eixo de compressor 10 e uma parte que termina o eixo de turbina 20 são reciprocamente engatadas de maneira coaxial, os dois eixos 10, 20 se estendendo ao longo da mesma eixo geométrico de rotação XX.
[0004] Cada uma das partes compreende uma pluralidade de estrias 12, 22, as estrias de uma engatando com as estrias da outra, cada parte ainda tem assim chamadas zonas de centralização, respectivamente à jusante 14a, 24a, e à montante 14b, 24b das estrias 12, 22, nas quais as superfícies complementares possibilitam centralização axial dos dois eixos, um em relação ao outro.
[0005] As estrias genericamente têm um perfil constante ao longo de todo o seu comprimento.
[0006] É desejável, no campo de motores turbina, reduzir o diâmetro de eixos rotativos e aumentar os torques transmitidos pelos dispositivos de acoplamento.
[0007] O resultado é um aumento da relação do torque a ser transmitido contra o raio geométrico das estrias de eixo e particularmente forças significativas sobre a parte de jusante das estrias, que está submetida à tensão máxima, a transmissão de movimento, sendo no caso de um acoplamento turbina-compressor, realizada a partir da turbina de jusante no sentido do compressor de montante, em relação ao fluxo de ar no motor de turbina.
[0008] No documento FR 2.918.726, foi proposto um dispositivo acoplamento no qual as estrias de um dos eixos têm um perfil variável.
[0009] Mais especificamente, as estrias 22 da parte acoplamento do eixo de turbina de baixa pressão 20, representadas de maneira esquemática na figura 2, têm na sua extremidade de jusante, uma zona ao longo da qual a espessura e2 das estrias é menor em relação à espessura ei do restante da estria. A espessura de uma estria é medida entre os flancos 23 da estria no seu topo 26, uma vez que os flancos 23 das estrias têm um perfil em uma vista em seção transversal na forma de uma evolvente para um círculo, e a espessura de uma estria varia assim de acordo com o nível no qual ela é medida.
[00010] As estrias 12 do eixo de compressor de baixa pressão 10, por sua vez, têm uma espessura constante entre seus flancos ao longo de todo o seu comprimento.
[00011] Desta maneira, quando frio, somente as zonas das estrias nas quais as espessuras entre os flanco é máxima tocam as estrias no outro eixo. Em operação, aquecimento e o torque transmitido deformam as estrias, fechando o espaço inicial.
[00012] Esta deformação ajuda a melhorar a distribuição de pressão de contato entre as estrias durante operação, e assim reduz tensão.
[00013] Contudo, esta solução gera duas zonas críticas em operação. A primeira situada na extremidade de jusante das estrias do eixo de turbina de baixa pressão sobre as arestas livres dos flancos das estrias, e na junção entre os flancos das estrias e os fundos das estrias. Esta zona é uma zona na qual se acumula tensão de tração, tendo uma vida útil menor comparada ao restante do eixo. Consequentemente, a existência desta zona envolve uma redução na vida útil do eixo.
[00014] Além disto, para tomar o eixo mais leve, uma cavidade 25, isto é, uma zona do eixo na qual a espessura reduzida em um plano transversal, foi fornecida entre a extremidade de jusante da estria e a zona de centralização de jusante 24a (ver figura 1b), em relação à espessura do eixo na zona de centralização de jusante.
[00015] Esta cavidade 25 forma uma segunda zona crítica onde inércia é reduzida, tomando dita zona mais fraca, e diminuindo sua resistência no caso de carregamento extremo, por exemplo, no caso da expulsão da palheta de ventilador no caso de sua ruptura (conhecida como “fora de lâmina de ventilador”).
Descrição da invenção
[00016] A intenção da presente invenção é aquela de remediar os problemas descritos acima, desenvolvendo perfis de estria adequados para a transmissão satisfatória de torque, e assegurar resistência no caso de carregamento extremo.
[00017] Para esta finalidade a invenção é relativa a um dispositivo para acoplar eixos por meio de um mecanismo engrenagem que compreende uma parte acoplamento que termina um dos dois eixos e projetada para ser ajustada de maneira concêntrica em uma parte acoplamento complementar que termina o outro eixo, dita parte acoplamento compreendendo duas zonas de centralização entre as quais se estende uma pluralidade de estrias, na qual as estrias de dita parte acoplamento têm um perfil: que é constante ao longo de uma zona mediana da parte acoplamento eque em uma primeira zona que opera na continuação de dita zona mediana, tem uma espessura menor entre os flancos de uma estria por comparação com aquela da mesma estria na zona mediana, e na qual as estrias de dita parte de acoplamento continuam além da primeira zona na qual elas têm uma espessura menor tão afastada da zona de centralização que está no mesmo lado, como dita primeira zona em relação à zona mediana, ditas estrias e os fundos de estrias tendo na zona de acoplamento entre dita zona de centralização e dita primeira zona onde elas têm uma espessura menor, um perfil que acopla de maneira contínua ditas estrias e os fundos de estrias à superfície de dita zona de centralização.
[00018] De maneira vantajosa, porém opcionalmente, a invenção pode ainda compreender no mínimo um dos seguintes aspectos:as estrias terem no zona de acoplamento um perfil que aumenta em espessura a partir da zona onde elas têm uma espessura menor no sentido da zona de centralização.na zona de acoplamento a profundidade do fundo de estria diminuir de maneira progressiva tão longe quanto a superfície da zona de centralização.o fundo das estrias ter na zona de acoplamento um perfil encurvado.as estrias de dita parte acoplamento também continuarem no lado oposto da primeira zona com uma segunda zona na qual elas têm um perfil de espessura menor.o comprimento da zona mediana estar entre 0 e 80% do comprimento total da estria.a zona intermediária operar ao longo de um comprimento entre 0 e 25% do comprimento total da estria e a espessura da estria ao longo desta zona diminuir por 0 até 25% da espessura máxima da estria.a zona de acoplamento operar ao longo de um comprimento entre 10 e 40% do comprimento total da estria.a zona extrema da estria operar ao longo de um comprimento entre 0 e 25% do comprimento total da estria e a espessura da estria diminuir por 0 até 15% da espessura máxima da estria.as estrias da parte acoplamento da outra estria terem um perfil constante.
[00019] A invenção também é relativa a um eixo rotativo que compreendeu uma parte para acoplar com outro eixo, projetada para ser ajustada de maneira concêntrica em uma parte acoplamento complementar que termina o outro eixo, dita parte acoplamento compreendendo duas zonas de centralização entre as quais uma pluralidade de estrias se estendem, na qual as estrias de dita parte acoplamento têm um perfil que é constante ao longo de uma zona mediana da parte acoplamento e que em uma primeira zona que opera na continuação de dita zona mediana têm uma espessura menor entre os flancos de uma estria por comparação com aquela da mesma estria na zona mediana, e no qual as estrias de dita parte acoplamento continuam além da primeira zona na qual elas têm uma espessura menor tão afastada da zona de centralização que está no mesmo lado, como dita primeira zona em relação à zona mediana, ditas estrias e os fundos de estria tendo na zona de acoplamento entre dita zona de centralização e dita primeira zona onde elas têm uma espessura menor, um perfil que acopla de maneira contínua ditas estrias e os fundos de estria à superfície de dita zona de centralização.
[00020] A invenção ainda é relativa a um motor de turbina que compreende um compressor no qual o eixo é girado por um eixo de turbina, no qual o eixo do compressor e o eixo de turbina são acoplados por um dispositivo de acordo com a invenção, a parte acoplamento tendo uma primeira zona de espessura menor de uma zona de acoplamento que é aquela do eixo de turbina, dita primeira zona e a zona de acoplamento sendo situadas à jusante da zona mediana em relação à direção do fluxo de ar no motor de turbina.
[00021 ] Descrição das figuras
[00022] Outros aspectos, intenções e vantagens da invenção irão emergir da descrição daqui em diante, a qual é meramente ilustrativa, não limitativa, que deveria ser lida com referência às figuras anexas, nas quais:
[00023] As figuras la e 1b descritas acima são representações esquemáticas de um dispositivo para acoplar eixos de acordo com a técnica precedente, em uma vista em perspectiva explodida e uma vista em seção longitudinal, respectivamente.
[00024] A figura 2 descrita acima representa as estrias de um eixo de turbina de baixa pressão de acordo com a técnica precedente.
[00025] A figura 3 representa de maneira esquemática em uma seção longitudinal um motor de turbina, no qual o dispositivo acoplamento é ajustado.
[00026] A figura 4 representa de maneira esquemática em uma seção longitudinal um dispositivo para acoplar eixos de acordo com a invenção.
[00027] As figuras 5a, 5b representam as estrias de um eixo de um dispositivo acoplamento em uma vista em perspectiva e de topo, respectivamente.
Descrição detalhada de no mínimo uma modalidade
[00028] A figura 3 representa um motor de turbina 100 que compreende um dispositivo acoplamento 1 de acordo com a invenção. O motor de turbina 100 convencionalmente compreende à montante em relação ao fluxo de ar no motor de turbina, um compressor de baixa pressão 110 e um compressor de alta pressão 130 e, à jusante, uma turbina de baixa pressão 120 e uma turbina de alta pressão 140.
[00029] Os gases de descarga na saída do compressor de alta pressão 130 giram as turbinas 120, 140. O dispositivo acoplamento 1 possibilita à turbina de baixa pressão 120 girar o compressor 110, o torque sendo transmitido por meio de um mecanismo engrenagem.
[00030] A figura 4 representa um dispositivo 1 para acoplar dois eixos 10, 20, por exemplo, respectivamente, de um eixo 10 de compressor de baixa pressão 110, girado por um eixo 20 de uma turbina de baixa pressão 120, de um motor de turbina 100.
[00031] Os eixos 10, 20 têm, cada um, uma parte acoplamento projetada para ser ajustada de maneira concêntrica em uma parte acoplamento complementar que termina o outro eixo. Os eixos incluindo as suas partes acoplamento são arranjados de maneira concêntrica ao redor de uma eixo geométrico de rotação X-X.
[00032] O primeiro eixo, neste caso o eixo de compressor 10, tem na sua superfície interior uma pluralidade de estrias 12. O segundo eixo, neste caso o eixo de turbina 20, tem sobre sua superfície exterior uma pluralidade de estrias 22 adequadas para engatamento com as estrias 12 do primeiro eixo 10.
[00033] Sobre cada eixo 10, 20 as estrias 12, 22 se estendem entre duas zonas de centralização, uma zona de centralização de jusante 14a, 24a e uma zona de centralização de montante 14b, 24b.
[00034] As zonas de centralização de montante e de jusante dos eixos são complementares e tomam possível posicionar o eixo de compressor 10 de maneira correta em relação ao eixo de turbina 20.
[00035] Por exemplo, as zonas de centralização de montante tomam a forma de uma protuberância circunferencial e uma ranhura circunferencial correspondente.
[00036] As zonas de centralização de jusante de cada eixo têm, cada uma, uma superfície cilíndrica que tem um eixo geométrico paralela ao eixo geométrico de rotação X-X que é elevada em relação ao restante do eixo, particularmente em relação ao fundo das estrias.
[00037] Com referência às figuras 5a, 5b, estrias de um eixo do dispositivo acoplamento I estão representadas, preferivelmente, do eixo de turbina de baixa pressão 20.
[00038] Cada estria 12, 22 tem dois flancos laterais 13, 23, e um topo 16, 26 que conecta os flancos. Entre duas estrias sucessivas do mesmo eixo um fundo de estria 17, 27 é ocupado por uma estria do outro eixo, para possibilitar engrenamento.
[00039] Preferivelmente, as estrias 12 do primeiro eixo têm uma espessura e entre os flancos que é substancialmente constante ao longo de todo o comprimento da estria. Como acima, a espessura de uma estria 12, 22 é medida no topo 16, 26 da estria.
[00040] Além disto, a estria 22 do segundo eixo 20 tem um perfil variável.
[00041 ] Com referência à figura 5b, cada estria tem:uma zona mediana ZM ao longo da qual a estria tem uma espessura em constante entre os seus flancos.uma primeira zona, ou zona intermediária ZI que opera na continuação da zona mediana ZM, e situada à jusante dela no caso de um motor de turbina, ao longo da qual a espessura e, da estria é menor em relação à espessura em da estria na zona mediana. Preferivelmente essa espessura e; diminui a partir da zona mediana ZM no sentido da zona de centralização de jusante.uma assim chamada zona de acoplamento ZR que opera na continuação da zona intermediária ZI, do mesmo lado que a zona intermediária ZI em relação à zona mediana (neste caso à jusante da zona intermediária ZI no caso de um motor de turbina) e que forma uma extremidade de jusante da estria 22.
[00042] A zona de acoplamento ZR conecta a zona intermediária ZI à zona de centralização de jusante 24a do eixo 20. Para esta finalidade a estria tem nesta zona uma espessura er entre os seus flancos 23 que aumenta a partir da zona intermediária ZI até a zona de centralização 24a até que os topos 26 de duas estrias sucessivas do eixo e a superfície da zona de centralização 24a juntem e formem uma superfície contínua.
[00043] Desta maneira, as estrias têm na zona de acoplamento um perfil que acopla de maneira contínua ditas estrias e o fundo das estrias 27 à superfície de dita zona de centralização 24a.
[00044] Assim, as extremidades de jusante das estrias 22 são fundidas juntas com a zona de centralização de jusante 24a. Desta maneira, os flancos 23 das estrias 22 não têm arestas livres à jusante onde tensão seria acumulada. As estrias propostas têm assim uma vida útil aumentada em relação às estrias de dispositivos de acoplamento de acordo com a técnica precedente.
[00045] Além disto, as cavidades 25 adjacentes às extremidades de jusante das estrias de acordo com a técnica precedente, são substituídas por zonas de acoplamento Zr que se estendem a partir das estrias 22 tao longe quanto a zona de centralização 24a. Não existe assim zona de inércia mais baixa no eixo de turbina 20, que é assim reforçado, e a vida útil é aprimorada.
[00046] Além disto, como visto mais particularmente na figura 5a, o fundo de estria 27 tem na zona de acoplamento ZR uma espessura decrescente a partir da profundidade máxima na zona intermediária até uma profundidade zero na zona de centralização 24a.
[00047] O fundo de estria 27 tem preferivelmente um perfil encurvado em uma vista em seção longitudinal de maneira vantajosa, na qual o raio de curvatura é contínuo.
[00048] Desta maneira, a superfície formada pelo fundo de estria 27 e pelos flancos adjacentes não tem descontinuidade sujeita a induzir acumulação de tensão.
[00049] Novamente com referência a figura 5b, as estrias 22 podem também ter uma zona extrema de montante adjacente à zona mediana ZM e que se estende a partir da mesma na direção de montante. Nesta zona, cada estria tem uma espessura menor ee em relação à espessura em na zona mediana. As proporções relativas das diversas zonas das estrias 22 são como a seguir: a zona extrema de montante ZE tem um comprimento entre zero e 25% do comprimento total da estria. A espessura ee da estria da sua extremidade de montante - e assim na extremidade da zona - é reduzida por zero até 15% da espessura máxima da estria, esta espessura máxima sendo a espessura em na zona mediana ZM.
[00050] A zona mediana ZM tem um comprimento entre zero e 80% do comprimento total da estria. A espessura em da estria é constante e igual ao seu valor máximo que é definido no padrão ANSI B92-1-1996 e é dependente do motor de turbina.
[00051] A zona intermediária ZI tem um comprimento entre zero e 80% do comprimento total da estria. Ao longo desta zona a espessura e, da estria diminui por zero até 25% em relação à sua espessura máxima. Preferivelmente a espessura e, da estria é mínima na extremidade de jusante desta zona na junção com a zona de acoplamento ZR.
[00052] Finalmente, a zona de acoplamento ZR tem um comprimento entre 10 e 40% do comprimento total da estria. A espessura er da estria aumenta até que os flancos de duas estrias consecutivas sejam unidos.
[00053] De acordo com uma modalidade particular do dispositivo acoplamento, a zona mediana pode ter um comprimento de 60 mm, a zona intermediária um comprimento de 25 mm, e a zona de acoplamento um comprimento de 30 mm. Nesta modalidade as estrias 22 não têm zona extrema de montante ZE, isto é, as extremidades de montante das estrias correspondem às extremidades de montante das zonas medianas ZM.
[00054] Um dispositivo para acoplar eixos no qual a geometria é adequada para transmitir um torque maior e fornecer uma vida útil aprimorada em relação à técnica precedente é assim proposto.
[00055] Este dispositivo é adequado, sem ser limitado a isto, para instalação em motores turbina.

Claims (12)

1. Dispositivo (1) para acoplar dois eixos por meio de um mecanismo engrenagem, que compreende uma parte acoplamento que termina em um dos dois eixos (20) e é projetada para ser ajustada de maneira concêntrica em uma parte acoplamento complementar que termina o outro eixo (10), dita parte acoplamento compreendendo duas zonas de centralização (24a, 24b) entre as quais uma pluralidade de estrias (22) se estendem,em que as estrias (22) de dita parte acoplamento têm um perfil: que é constante ao longo de uma zona mediana (ZM) da parte acoplamento eque em uma primeira zona (ZI) que opera na continuação de dita zona mediana (ZM) tem uma espessura menor (ej) entre os flancos (23) de uma estria (22) por comparação com aquela (em) da mesma estria (22)na zona mediana (ZM),caracterizado pelo fato de que as estrias (22) de dita parte acoplamento continuarem além da primeira zona (ZI)na qual elas têm uma espessura menor (ei) tão afastada da zona de centralização (24) que está do mesmo lado que dita primeira zona (ZI) em relação à zona mediana (ZM), ditas estrias (22) e os fundos de estria (27) tendo na zona de acoplamento (ZR) entre dita zona de centralização (24a) e dita primeira zona (ZI) onde elas têm uma espessura menor (e,), um perfil que acopla de maneira contínua ditas estrias (22) e os fundos de estria (27) à superfície de dita zona de centralização (24a).
2. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as estrias (22) terem na zona de acoplamento (ZR) um perfil que aumenta em espessura a partir da zona (ZI) onde elas têm uma espessura menor (ej) no sentido da zona de centralização (24a).
3. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de na zona de acoplamento HA(ZR) a profundidade do fundo de estria (27) diminuir de maneira progressiva tão longe quanto a superfície da zona de centralização (24a),
4. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o fundo das estrias (27) ter, na zona de acoplamento (ZR) um perfil encurvado.
5. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de as estrias (22) de dita parte acoplamento também continuarem no lado oposto da primeira zona (ZI) com uma segunda zona (ZE) na qual elas têm um perfil de espessura menor (ee).
6. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o comprimento da zona mediana (ZM) estar entre zero e 80% do comprimento total da estria (22).
7. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a primeira zona (ZI) operar ao longo de um comprimento entre zero e 25% do comprimento total da estria (22) e a espessura da estria (22) ao longo desta zona (ZI) diminuir por zero até 25% da espessura máxima (em) da estria (22).
8. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a zona de acoplamento (ZR) operar ao longo de um comprimento entre 10 e 40% do comprimento total da estria (22).
9. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a segunda zona (ZE) onde as estrias (22) têm uma espessura menor (ee) operar ao longo de um comprimento entre zero e 25% do comprimento total da estria (22) e a espessura (ee) da estria diminuir por zero até 15% da espessura máxima (em) da estria.
10. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de as estrias (12) da parte acoplamento da outra estria (10) terem um perfil constante.
11. Eixo rotativo (20), compreendendo uma parte para acoplamento com outro eixo (10) projetada para ser ajustada de maneira concêntrica em uma parte acoplamento complementar que termina o outro eixo (10), dita parte acoplamento compreendendo duas zonas de centralização (24a, 24b) entre as quais uma pluralidade de estrias (22) se estendem, no qual as estrias (220) de dita parte acoplamento têm um perfil que é constante ao longo de uma zona mediana (ZM) da parte acoplamento eque em uma primeira zona em que opera na continuação de dita zona mediana (ZM) tem uma espessura menor (e,) entre os flancos (23) de uma estria (22) por comparação com aquela da mesma estria (22) na zona mediana (ZM),caracterizado pelo fato de que as estrias (22) de dita parte acoplamento continuam além da primeira zona (ZI) onde elas têm uma espessura menor (ej) tão longe quanto a zona de centralização (24) e que está do mesmo lado que dita primeira zona (ZI) em relação à zona mediana (ZM), ditas estrias (22) e os fundos de ranhura (27) tendo na zona de acoplamento (ZR) entre dita zona de centralização (24a) e dita primeira zona (ZI) onde elas têm uma espessura menor (ej), um perfil que acopla de maneira contínua ditas estrias (22) e os fundos de estria (27) à superfície de dita zona de centralização (24a).
12. Motor de turbina (100), caracterizado pelo fato de compreender um compressor (110) cujo eixo (10) é girado por um eixo (20) de turbina (120), caracterizado pelo fato de o eixo (10) do compressor (110) e o eixo (20) de turbina (120) serem acoplados por um dispositivo de acordo com a reivindicação 10, a parte acoplamento tendo uma primeira zona de espessura uma primeira espessura zona (ZI) na qual elas têm uma espessura menor (e,) e uma zona de acoplamento (ZR) que é aquela do eixo de turbina, dita primeira zona (ZI) e a zona de acoplamento (ZR) sendo situadas à jusante . da zona mediana (ZM) em relação à direção do fluxo de ar no motor de turbina 100.
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