PT1212542E

PT1212542E - Um rolamento deslizante radial/axial combinado.

Info

Publication number: PT1212542E
Application number: PT00960236T
Authority: PT
Inventors: Mark Walter Elza Michiels
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2011-02-03
Also published as: TW461939B; PL191652B1; US6761483B1; AU7262200A; BE1012894A3; CN1111258C; CA2383530C; CA2383530A1; NO20021236D0; ES2355354T3; NO20021236L; EP1212542B1; DK1212542T3; AU756718B2; DE60045310D1; CZ2002813A3; JP4639017B2; JP2003509633A; KR20020047155A; KR100601814B1

Description

DESCRIÇÃO

Um rolamento deslizante radial/axial combinado.

Esta invenção relaciona-se com um rolamento deslizante radial/axial combinado.

Uma possível forma de um rolamento deslizante axial lubrificado com líquido é um rolamento hidrostático, em que o uso é feito de uma fonte de energia externa que fornece o líquido sob pressão para o rolamento deslizante.

Este líquido é levado para o rolamento através de um restritor de fluxo ou restritor, tal como um vaso capilar ou uma pequena abertura. 0 princípio de tal rolamento hidrostático é baseado no facto de que, quando a folga do rolamento se torna mais pequena, o fluxo diminui e a queda de pressão sobre o restritor é reduzida. A pressão na folga aumenta e a força que leva a folga a estreitar é compensada.

Estes rolamentos hidrostáticos possuem uma alta capacidade de carga dependendo da pressão de fornecimento do líquido, uma elevada rigidez e uma capacidade de transporte, a qual é pequena dependendo do número de revoluções.

Especialmente se o líquido de lubrificação possuir uma baixa viscosidade, tal como a água. Contudo, é necessário 1 que este restritor seja muito pequeno como resultado do qual, este último torna-se muito sensível a obstruções.

Em tal rolamento, as tolerâncias são muito estreitas, especialmente com água, tendo em consideração o facto de que, de modo a limitar a taxa de fluxo, a folga do rolamento deve ser a mais pequena possível. Além disso, devido a este restritor, a construção do rolamento axial é bastante complexa e este rolamento é dispendioso, visto que na maioria dos casos, deverá ser aplicada uma bomba de modo a obter pressão suficiente.

Uma das formas de um rolamento deslizante axial lubrificado com um líquido é o rolamento hidrodinâmico, pelo que, o movimento do próprio eixo fornece a pressão necessária do líquido lubrificante. 0 rolamento rodeia o eixo com uma pequena folga entre ambos. Quando uma força radial afecta o eixo, o eixo irá situar-se a si próprio excêntrico, como resultado é formada uma cunha. Sob a influência do movimento de revolução do eixo, o líquido é pressionado para o seu estreitamento natural, como consequência, resulta num aumento de pressão. Este aumento de pressão vai levantar o eixo e vai fazer com que a força, a qual deslocou o eixo, seja neutralizada. Deste modo, é de tal maneira que em equilíbrio, o eixo não será centrado pois de outro modo não poderá ser construída nenhuma pressão. Idealmente, a excentricidade encontra-se entre os 60% e os 90%. 2

Tais rolamentos hidrodinâmicos são bastante simples e não dispendiosos, apesar de requererem tolerâncias de fabrico estreitas. São eficientemente fiáveis. Contudo, não possuem elevada capacidade de carga e rigidez. Não obstante, é desvantajoso que o seu poder de carga dependa do número de revoluções e que, durante o inicio, exista um contacto entre o eixo e o rolamento e por isso, pode ocorrer desgaste.

Contudo, é também conhecida a combinação de um rolamento axial hidrostático e um rolamento radial hidrostático para um único rolamento deslizante. 0 documento US 4.239.303 descreve uma estrutura de rolamento que pretende aumentar a capacidade de transporte de carga radial. Este objectivo é atingido por uma construção particular do rolamento axial, pelo que a lubrificação forçada dos rolamentos é atingida por uma bomba lubrificante. Devido à construção do rolamento, o lubrificante pode ser confinado nos cantos do casquilho. Como consequência do mesmo, a área de carga radial é aumentada e desenvolvem-se áreas do rolamento axial hidrostáticas no casquilho. A partir do pedido de patente internacional WO 99/13.224, um rolamento é conhecido em que o lubrificante é fornecido através de um canal para um apoio hidrodinâmico radial com uma pressão especifica. Graças à construção particular do moente do apoio, o fluido é fornecido a um espaço com uma pressão mais baixa. Via um rolamento axial, o fluido flui para uma câmara com uma pressão 7 ainda mais baixa e o rolamento axial age predominantemente como um rolamento hidrodinâmico.

Um rolamento deslizante radial/axial combinado é também descrito, entre outros, na patente Britânica N° GB 639.293.

Um eixo, o qual é provido com dois colares entre si, no qual um anel estacionário com uma pequena folga é provido e o qual é provido com um numero de intervalos na sua circunferência interna, na qual, através de um bocal restritivo, é formado um restritor e para o qual um fluido, tal como o ar ou o vapor, é fornecido.

Este fluido flui através dos intervalos até ao colar e assim, forma uma camada de fluido em redor do eixo, de tal modo que este último tem rolamentos radiais. Este fluido flui radialmente para fora através da folga formada pela folga entre as extremidades do anel e o colar e evita o contacto entre o anel e o colar ou, por outras palavras, fornece um rolamento axial.

De facto, a patente Britânica acima mencionada descreve um rolamento radial hidrostático, o qual é alimentado através de vários estreitamentos que alimentam câmaras diferentes em redor do rolamento. Em vez de alimentar o rolamento axial hidrostático através de um estreitamento separado, o uso é feito do estreitamento, o qual é formado ao fornecer o estreitamento do rolamento radial em serie com o próprio rolamento radial. 8

Devido à presença dos bocais que formam um estreitamento ou restritor, este rolamento combinado conhecido possui, contudo, possui as mesmas desvantagens como os rolamentos axiais acima mencionados, com, entre outros, o perigo de obstrução destes estreitamentos. A invenção tem como objectivo um rolamento deslizante radial/axial combinado que não mostre estas desvantagens e por isso, não cause perigo de obstrução de um capilar ou bocal e o qual é, relativamente, não dispendioso e compacto. A presente invenção visa remediar algumas das desvantagens acima mencionadas e/ou outras desvantagens e relaciona-se com um rolamento deslizante radial/axial combinado, composto por um lado, por um rolamento deslizante radial hidrodinâmico o qual circunda um eixo a ser munido com rolamentos com uma folga, de tal modo que entre o eixo e o rolamento deslizante radial, é formado uma primeira folga estreita; uma conduta de fornecimento que se estende através de um rolamento deslizante radial está ligada a uma fonte de liquido sob pressão; o liquido que flui da boca da conduta de fornecimento na primeira folga, e por outro lado, pelo menos um rolamento deslizante axial hidrostático, o qual, com uma folga, está situado no lado oposto a uma porção de superfície que se estende radialmente para dentro do eixo, de tal modo que também entre esta porção de superfície do eixo acima mencionada e uma porção radialmente dirigida do rolamento deslizante axial, é formada uma segunda folga, em que esta segunda folga está ligada à primeira folga, de tal modo que este rolamento deslizante axial é 9 alimentado através da primeira folga e apenas a porção da primeira folga estreita da boca da conduta de fornecimento para o bordo do rolamento deslizante radial cumpre a função de restritor para o rolamento deslizante axial. Não é necessário qualquer restritor externo, de tal modo que todas as desvantagens acima mencionadas, as quais são uma consequência de tal restritor externo, são eliminadas. Não é necessário que a primeira folga e a segunda folga estejam em ligação directa uma com a outra. Podem-no fazer através de uma câmara entre o eixo e a estrutura do rolamento.

Uma porção desta estrutura pode unir-se com as folgas directamente. A estrutura pode ser provida também no seu interior com um ou mais reforço dos rolamentos ou semelhante, os quais unem-se a uma folga. 0 rolamento combinado pode ser singular e compreender um único rolamento deslizante axial numa extremidade do rolamento radial, pelo que assim, a segunda folga está em ligação com uma extremidade da primeira folga. Contudo, numa variante, o rolamento combinado possui face dupla e compreende dois rolamentos deslizantes axiais, um em cada extremidade do rolamento deslizante radial, em que a segunda folga dos dois rolamentos deslizantes axiais está em ligação com as duas extremidades da primeira folga, respectivamente. 10

Neste ultimo caso, a ligação da primeira folga à fonte do liquido sob pressão cede, de preferência, no centro da primeira folga ou nas duas localizações as quais estão situadas simetricamente em relação ao meio da primeira folga.

No outro caso com um rolamento axial, a ligação acima mencionada pode ceder em qualquer localização na primeira folga, pelo que a queda de pressão nesta folga, para uma e a mesma taxa de fluxo do liquido, depende da posição desta localização.

Com a intenção de melhor mostrar as caracteristicas da invenção, daqui para diante, através de exemplo sem qualquer carácter limitativo, são descritas duas formas preferidas de realização de um rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com a invenção, com referencia aos desenhos em anexo, em que: A figura 1 representa esquematicamente uma sessão transversal de um eixo com rolamentos através de um rolamento deslizante combinado de acordo com a invenção; A figura 2 representa esquematicamente uma sessão transversal de acordo com aquela da figura 1, contudo, com respeito a outra forma de realização do rolamento deslizante combinado de acordo com a invenção.

Na figura 1, um eixo 1 ou, mais especificamente, uma extremidade deste eixo 1, está representado o qual é munido de rolamentos radialmente e axialmente num 11 rolamento deslizante radial/axial combinado lubrificado por água 2-3.

Este eixo 1 é fixado, por exemplo, a um dos rotores de um elemento compressor lubrificado por água e, em relação ao modo axial do rolamento, mostra uma abrupta alteração de diâmetro.

Por isso, compreende uma porção 4 com um grande diâmetro e uma porção 5 com um diâmetro mais pequeno e que forma extremidade livre, de tal modo que entre estas porções 4 e 5, é formado um ombro radialmente dirigido ou, por outras palavras, uma porção de superfície radialmente dirigida 6. 0 rolamento deslizante combinado 2-3 consiste substancialmente de um rolamento deslizante radial hidrodinâmico 2 que rodeia a porção 4 com o diâmetro maior e um rolamento deslizante axial hidrostático 3, os quais são formados numa estrutura do rolamento 7. 0 rolamento deslizante radial 2 compreende um reforço do rolamento 8 que rodeia a porção do eixo 1 com uma folga, de tal modo que entre eles, é criada uma primeira folga estreita 9. A boca 10 de uma conduta de fornecimento 11, que se estende através do rolamento deslizante 2, para água sob uma pressão Pin, cuja conduta está ligada a uma fonte de água sob pressão não representada na figura 1, por exemplo, a conduta com água para a injecção nos rotores do compressor, cede nesta folga 9. 12

Este rolamento deslizante radial hidrodinâmico 2 foi calculado de acordo com métodos padrão conhecidos, por exemplo, o método de Summerfeld como descrito, entre outros, em "Machine-onderdelen" de Roloff/Matek, p. 450-473, no qual foram tidas em consideração as condições de funcionamento, as possibilidades de incorporação e o lubrificante aplicado, o qual num dado exemplo, é água. O rolamento deslizante axial 3 compreende um reforço do rolamento em forma de anel 12 o qual é fixo no lado oposto da porção de superfície radial 6 acima mencionada do eixo 1 contra uma porção também radialmente dirigida da parede interior da estrutura do rolamento 7, em que é formada uma segunda folga 13 entre este reforço do rolamento 12 e a porção de superfície. Este reforço do rolamento 12 forma então uma porção radialmente dirigida do rolamento deslizante 3.

Esta segunda folga 13 está em ligação com a primeira folga 9 acima mencionada, através de uma câmara fechada em forma de anel 14 a qual é formada entre os dois reforços dos rolamentos 8 e 12, entre o lado interior da estrutura do rolamento 7 e o eixo 1.

Este rolamento axial 3 foi também calculado de acordo com métodos padrão para rolamentos deslizantes hidrostáticos axiais, os quais são alimentados por um restritor, tal como, entre outros, descrito em "Machine-onderdelen" de Roloff/Matek, p. 473-479. Contudo, com a diferença de que em vez do diâmetro de uma abertura ou capilar, a distância da boca 10 acima mencionada na primeira folga 9 13 até à câmara 14 na extremidade desta folga 9 é usada como um parâmetro.

Neste cálculo clássico, a equação para calcular a queda de pressão sobre o restritor é substituída por uma equação que descreve a queda de pressão na montagem descrita anteriormente. A queda de pressão sobre o rolamento pode ser calculada numa forma simplificada através da seguinte equação:

ΔΡ = Q . 12 visco . L/ (0,5 S)3.TT.D em que: Q = taxa de fluxo visco = viscosidade do meio L = distância das aberturas até ao bordo do rolamento D = diâmetro do rolamento radial S = folga diamétrica do rolamento radial ΔΡ = queda de pressão sobre o rolamento: Pin - Pax- 0 funcionamento do rolamento deslizante combinado 2-3 é como se segue: O rolamento deslizante radial 2 funciona normalmente como um rolamento hidrodinâmico, isto significa que o liquido que é alimentado na folga 9 sob a pressão Pin forma uma camada em forma de anel sob a influência da rotação do eixo 1, em que, deste modo, o eixo é levantado na posição de equilíbrio, como representado na figura 1 através das setas 15. Nesta posição de equilíbrio, o eixo 1 não é centrado no rolamento radial 2. 14 0 rolamento deslizante axial 3 é alimentado por água, a qual fluí a partir da boca 10 na primeira folga 9 do rolamento deslizante radial 2. Visto que esta folga 9 é muito estreita, a queda de pressão ΔΡ, a qual é igual à taxa de fluxo, é criada sobre o trajecto entre esta boca 10 e a câmara 14.

Nesta câmara 14, e assim também na entrada da segunda folga 13 do rolamento deslizante axial hidrostático 3, prevalece uma pressão Pax = Ριη - ΔΡ.

Devido ao aumento de pressão durante a operação, o rotor, e por isso também o eixo 1, deve ser empurrado axialmente na direcção. As forças axiais no eixo 1 estão indicadas na figura 1 pela seta 16.

Como consequência desta força axial, o eixo 1 estará inclinado para mover na direcção da seta 16. Contudo, quando a largura da folga 3 diminui, a taxa do fluxo da água através desta folga 13, mas também através da primeira folga 9, vai diminuir tendo como resultado a diminuição da queda de pressão ΔΡ. A partir da equação acima mencionada, pode ser deduzido que como resultado do mesmo, a pressão Pax aumenta, o que tem como consequência que a força axial acima mencionada seja neutralizada até que seja obtido o equilíbrio.

Quando a força axial cai abaixo deste equilíbrio, a largura da folga 13 aumentará. Como resultado, a taxa de fluxo de água aumenta e a queda de pressão ΔΡ é alargada. 15

Também aqui a pressão Pax diminui até ser obtido novamente o equilíbrio.

Deste modo, a primeira folga 9 assume o papel de abertura ou capilar para o rolamento deslizante axial 3. É claro que a queda de pressão ΔΡ depende do comprimento da parte da folga 9 entre a boca 10 e a câmara 14. Na figura 1, esta boca 10 está representada no centro da folga 9. Contudo, ao mover esta boca 10 na direcção do rolamento deslizante axial 3 ou para fora deste rolamento deslizante 3, esta queda de pressão ΔΡ, com a mesma taxa de fluxo, vai diminuir e aumentar, respectivamente.

Ao calcular o rolamento deslizante axial 3, é dado que, se a largura da folga 13 for mínima, o que depende do curso e da angulariedade do rolamento deslizante axial 3 e da rugosidade das superfícies, a pressão Pax é tão alta quanto possível e, como consequência, a queda de pressão ΔΡ é mínima. Contudo, deverá igualmente existir uma taxa de fluxo de água, a qual é grande o suficiente para dissipar o calor friccionai.

Com uma largura máxima da folga 13, o que pode não ser muito grande, a pressão Pax acima mencionada precisa ser a mais baixa possível e, como consequência, a queda de pressão ΔΡ precisa ser a máxima. A forma de realização representada na figura 2 difere da forma de realização descrita anteriormente em que o rolamento combinado 2-3 possui face dupla, isto significa que, pode suportar forças axiais tanto na direcção 16 indicada pela seta 16 como na direcção oposta, representado pela seta 17 na figura 2, e para este objectivo compreende, aparte de um rolamento deslizante radial 2, dois rolamentos deslizantes axiais 3, os quais são idênticos aos rolamentos 2, 3 respectivamente, descritos anteriormente. 0 eixo 1 compreende duas porções 5 com um diâmetro mais pequeno, onde entre a porção mais espessa 4 e cada uma das porções 5 é formado um ombro e assim uma porção de superfície radialmente dirigida 6, oposta àquela onde está situado o rolamento axial 3.

Através de uma câmara 14, as folgas 13 dos dois rolamentos deslizantes axiais 3 estão ligadas respectivamente às duas extremidades da folga 9 do rolamento deslizante radial 2. A água, a qual é derramada na folga 9 sob a pressão Pin divide-se em dois fluxos com uma taxa de fluxo bem definida, um para cada folga 13. 0 rolamento deslizante radial 2 funciona como na forma de realização de acordo com a figura 1. Também os dois rolamentos deslizantes axiais 3 funcionam da mesma forma como descritos anteriormente. Contudo, a largura de uma folga 13 diminui quando a largura da outra aumenta, e vice-versa.

Normalmente, a boca 10 no meio entre os dois rolamentos deslizantes axiais 3 é escolhida e estes últimos iguais um ao outro, de tal modo que na posição de equilíbrio, as 17 duas folgas 13 serão igualmente amplas e as taxas de fluxo que se dirigem para estas folgas 13 serão iguais. Assim que surgir um desvio deste equilíbrio, uma taxa de fluxo deverá ser mais alta do que a outra, como resultado as pressões Pax serão diferentes e a pressão axial demasiado larga será neutralizada.

Numa variante, a conduta de fornecimento 11 divide-se em duas na extremidade, e assim, existem duas bocas 10, as quais, como representado na linha tracejada na figura 2, cede na folga 9 simetricamente em respeito ao meio entre os dois rolamentos deslizantes axiais 3. O liquido trazido para a folga 9 através da conduta de fornecimento 11, não tem necessariamente de ser água. Por exemplo, também pode ser óleo ou outro liquido lubrificante.

As folgas 9 e 13 não têm necessariamente de estar ligadas através de uma câmara 14. Possivelmente, podem estar directamente ligadas uma à outra. A invenção não está de forma alguma limitada às formas de realização descritas anteriormente e representadas nas figuras, pelo contrário, tal rolamento deslizante radial/axial combinado pode ser realizado em variantes diferentes sem abandonar o âmbito da invenção.

Lisboa, 28 de Janeiro de 2011. 18

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. - Rolamento deslizante axial/radial combinado, composto por um lado por um rolamento deslizante hidrodinâmico radial (2), o qual rodeia um eixo (1) a ser munido de rolamentos com uma folga, de tal modo que entre o eixo (1) e o rolamento deslizante radial (2), é formada uma primeira folga estreita (9); uma conduta de fornecimento (11), que se estende através de um rolamento deslizante radial (2) , é ligada a uma fonte do liquido sob pressão; o liquido que flui da boca (10) da conduta de fornecimento (11) na primeira folga (9), e por outro lado, pelo menos um rolamento deslizante hidrostático axial (3), o qual, com uma folga, está situado no lado oposto à porção de superfície que se estende radialmente para dentro (6) do eixo (1), de tal modo que entre esta porção de superfície acima mencionada (6) do eixo (1) e uma porção radialmente dirigida (12) do rolamento deslizante axial (3), é formada uma segunda folga (13), pelo que esta segunda folga (13) está em ligação com a primeira folga (9), de tal modo que este rolamento deslizante axial (3) é alimentado através da primeira folga (9) e apenas a porção da primeira folga estreita (9) a partir da boca (10) da conduta de fornecimento (11) para o bordo do rolamento deslizante radial (2) cumpre a função de restritor para o rolamento deslizante axial (3) . 1
2. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que a primeira folga (9) e a segunda folga (13) estão ligadas uma à outra através de uma câmara (14) entre o eixo (1) e uma estrutura do rolamento (7).
3. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de que é singular e compreende um rolamento deslizante axial (3) numa extremidade do rolamento radial (2), em que a segunda folga (13) está em ligação com uma extremidade da primeira folga (9).
4. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de que possui face dupla e que compreende dois rolamentos deslizantes axiais (3), um em cada extremidade do rolamento deslizante radial (2), em que as segundas folgas (13) dos dois rolamento deslizantes axiais (3) estão respectivamente em ligação com as duas extremidades da primeira folga (9) .
5. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de que a ligação da primeira folga (9) à fonte do liquido sob pressão cede no centro desta folga (9).
6. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de que a ligação da primeira folga (9) com a fonte do liquido sob pressão cede nas duas localizações que se 2 encontram simetricamente em relação com o centro desta folga (9) .
7. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo facto de que o rolamento deslizante radial (2), assim como o rolamento deslizante axial (3), compreende um reforço do rolamento (8, 12).
8. - Rolamento deslizante radial/axial combinado de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo facto de que o eixo (1) é o eixo de um rotor de um compressor. Lisboa, 28 de Janeiro de 2011. 3