BRPI1015503A2 - turbina ou compressor, especialmente para um sistema turbocomposto - Google Patents

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BRPI1015503A2
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Kley Markus
Wiedmann Michael
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Abstract

turbina ou compressor, especialmente para um sistema turbocompos. a presente invenção refere-se a uma turbina, especialmente uma turbina de aproveitamento de gás de escape, para um sistema turbocomposto, compreendendo: um eixo de acionamento, que na sua primeira extremidade ou na área da sua primeira extremidade porta uma roda ela turbina que é destinada a ser posicionada em uma corrente ele gás de escape de um motor ele combustão interna ou de uma outra corrente de meio contendo energia térmica e/ou energia de pressão, a fim de transformar a energia elo gás de escape ou a energia da corrente de meio em potência de acionamento; e na sua segunda extremidade ou na área da segunda extremidade ela porta, uma roda dentada que é dimensionada para ser colocada em uma conexão ele acionamento com o eixo de manivela do motor de combustão interna, sendo - que o eixo ele acionamento pelo menos na área da sua segunda extremidade é apoiado ao lado da roda dentada por meio de uma bucha flutuante em um compartimento bucha flutuante essa que forma uma fenda externa do mancal cheia de óleo em relação ao compartimento e uma fenda interna do mancal cheio de óleo em relação ao eixo de acionamento e que é girável em relação ao compartimento e do eixo de acionamento, presente invenção é caracterizada pelo fato de que a folga relativa do mancal da fenda externa do mancal que é definida como diferença entre o diâmetro interno elo compartimento no mancal e o diâmetro externo da bucha flutuante no mancal, dividida pelo diâmetro externo da bucha flutuante no mancal, é menor do que a folga relativa do mancal da fenda interna do mancal que é definida como a diferença entre diâmetro interno ela bucha flutuante no mancal e o diâmetro externo do eixo de acionamento no mancal, dividida pelo diâmetro externo do eixo de acionamento no mancal.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "TURBINA ^ OU COMPRESSOR, ESPECIALMJENTE PARA UM SISTEMA TURBOCOMPOSTO" A presente invenção refere-se a uma turbina, por exemplo, turbina a gás ou turbina a vapor, precisamente com as características de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1. A presente invenção refere-se também a um turbocompressor para um sistema turbocomposto ou um turbocompressor de superalimentação de acordo com o preâmbulo da reivindicação 7, Sistemas turbocompostos e turbinas de aproveitamento ’ de gás de escape para tal são conhecidos para o técnico. Diferentemente das turbinas movidas a gás de escape para turbocompressores de superalimentação, o eixo de acionamento de tal turbina de aproveitamento de .gás de escape para um sistema turbocomposto não possuí na extremidade afastada da roda de turbina (rotor da turbina , movida a gás de escape) um rotor de compressor, mas sim uma roda dentada de acionamento, também denominada de pinhão de acionamento. A substituição da roda do compressor por uma roda dentada de acionamento tem um efeito sobre as forças que, durante a operação, agem sobre o apoio do eixo de acionamento. Na prática, ficou evidente que essas forças poçfem ser tão diferentes daquelas que podem ocorrer no apoio de um eixo de turbocompressor de superalimentação movido a gás de escape, que se torna necessário tomar providências construtivas a fim de evitar danos no mancai e, por conseguinte, a falha do sistema turbocomposto.
Assim sendo, o documento EP 1 197 638 Bl já descreve que sobre um eixo de acionamento de uma turbina movida a gás de escape para um sistema turbocomposto que porta uma roda dentada de acionamento, agem diferentes forças sobre o sistema de mancai do eixo de acionamento do que em um turbocompre s sor de superalimentação convencional, que "apenas" aciona um compressor. Assim sendo, parte-se do ’ fato de' que em um turbocompressor de superalimentação convencional são absorvidas forças de vibração e forças de um desequilíbrio oriundo de películas de óleo do mancai que se distribuem uniformemente em uma fenda de mancai externa e uma fenda de mancai interna de um mancai de bucha flutuante. Em um sistema turbocomposto, em contrapartida, agiria sobre o eixo de acionamento uma força de reação através da roda dentada de acionamento que aumenta consideravelmente a carga do mancai de bucha oscilante, especialmente daquele que é posicionado ào lado da roda dentada.
Como solução, para dominar com segurança esta carga aujíientada, o documento EP 1 197 638 Bl sugere acoplar mecanicamente o primeiro mancai ao lado da roda da turbina e o segundo mancai ao lado da roda dentada que giram com o mesmo número de rotações diante do compartimento. Isto pode ser alcançado, por exemplo, por meio de uma bucha flutuante inteiriça que se estende ao longo de todo o eixo de acionamento, a partir do primeiro mancai até o segundo mancai.
Embora dessa forma fosse encontrada uma solução que atenda ao problema especifico das forças que durante a operação de um sistema turbocomposto agem sobre o eixo de acionamento, a execução sugerida fornece uma solução relativamente dispendiosa e de produção cara, que tem seus . J.imites no caso em que ou o mancai ao lado'da roda dentada estiver disposto relativamente afastado do mancai ao lado da roda da turbina, especialmente quando o mancai· ao lado da roda dentada está posicionado ao lado da roda dentada afastado da ■ roda 'de turbina, ou quando entre os dois mancais estiver previsto outro, um terceiro mancai. A presente invenção tem a tarefa de indicar uma turbina, especialmente uma turbina de aproveitamento de gás de escape para um sistema turbocomposto que, .por um lado, domina com segurança as forças que ocorrem na operação do sistema turbocomposto e, por outro lado, não apresenta as desvantagens acima citadas. Além disso, a presente invenção também deve podei: ser aplicada em um turbocompressor em um eixo de acionamento que em uma das suas extremidades porta o rotor do compressor e na sua outra extremidade, uma roda dentada, quando, no caso, ocorrem as mesmas relações de forças. A tarefa da presente invenção é solucionada com a ajuda de uma turbina com as características da reivindicação 1 e com um turbocompressor com as características da reivindicação 7.
Nas reivindicações independentes são reveladas realizações vantajosas e especialmente apropriadas da ' presente invenção. A presente invenção mostra um caminho para a solução que inverte completamente o ensinamento dominante no dimensionamento de um mancai de bucha flutuante. 0 d i me n s i o n ame n t o c o n v e n c. i o n a 1 (U S 4 427 309, página 4, segundo parágrafo) sempre prevê executar a fenda externa do mancai, que é formada entre a circunferência externa da bucha flutuante e a circunferência interna oposta do compartimento, com uma folga relativa do mancai maior do que a fenda interna do mancai, que . é formada pela circunferência interna da bucha flutuante e a circunferência externa oposta do eixo de acionamento. Por trgs desse dimensionamento, há o conhecimento de que a fenda interna do mancai deverá assumir mais fortemente a função do mancai e a fenda externa .do mancai mais fortemente a função de amortecimento. Δ folga de mancai relativa, no caso, é definida, para a fenda externa do mancai, pelo diâmetro interno do compartimento, subtraindo-se o diâmetro externo da bucha flutuante, isto é, a diferença entre esses dois diâmetros dividida pelo diâmetro externo da bucha flutuante. Ά folga relativa do mancai da fenda interna do mancai é definida como diâmetro interno da bucha flutuante' subtraindo-se o diâmetro externo do eixo de acionamento, isto é, como ' diferença desses dois diâmetros, dividida pelo diâmetro externo do eixo de acionamento. Portanto, a definição da J-0±(_jd ib\idllVd CIO IílcUlOaX bGIUpX0 b0 .L0.Lt510 ciO ItíbptjüLIVU di.âmetro menor.
De acordo com a presente invenção, a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai é maior do que a folga relativa do mancai da fenda externa do mancai, e precisamente pelo menos ou exclusivamente naquele mancai na região da extremidade ou na extremidade do eixo de acionamento que porta a roda dentada e, portanto, afastada da extremidade do eixo de acionamento onde ou na região da qual é disposta ou é portada a roda da turbina. De acordo coiji uma primeira forma de execução, no caso, o mancai executado de acordo com a presente invenção é disposto no lado afastado da roda da turbina da roda dentada. De acordo com uma forma de execução alternativa, onde especialmente a roda dentada é apoiada de modo volante, o mancai executado de acordo com a presente invenção é disposto no lado voltado para a roda da turbina, ao lado da roda dentada do eixo de acionamento. . A roda dentada é dimensionada para ser colocada em uma . conexão de acionamento com. o' eixo de man.ivela.do motor de combustão interna. A roda da turbina, por ' sua vez,, é dimensionada para ser posicionada em uma corrente de gás de ' escape do motor de combustão interna, de modo que transforme - emergia do gás de escape,· em .potência de acionamento, acionando através do :eixo' de acionamento a roda dentada de modo rotativo. Por meio da roda dentada, a ' potência de acionamento é transmitida para o eixo de manivela do motor dei combustão interna, diretamente ou através de outros jogos de engrenagens interconectados, a fina de acioná-lo.
Também o mancai ao lado. da roda da turbina pode ser executado como mancai de bucha flutuante, isto é, pode compreender uma bucha flutuante que é apoiada em um compartimento e que forma uma fenda externa do mancai diante do compartimento e uma fenda interna do mancai diante do eixo de acionamento, sendo que a bucha flutuante é girável tanto em relação ao compartimento quanto em relação ao eixo de acionamento. As fendas do mancai são cheias de óleo, o que, porém, não significa que estas precisam estar cheias de óleo completamente e sempre. Porém, como vantagem, a cada momento durante a operação da turbina de aproveitamento de gás de escape, é formada uma película de óleo sobre toda a circunferência da fenda do mancai, apropriadamente com uma espessura relativamente constante. , Δ folga relativa do mancai da fenda.externa do mancai ' no mancai ao lado da roda dentada, com vantagem, fica na faixa entre 2 a 4 %o (por mil) , A folga relativa do mancai da fenda interna do mancai do mancai ao lado da roda dentada, com vantagem, fica na faixa de 3 a 5 %0 (por mil), porém, como foi explicado, contanto que a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai é maior do que a folga relativa cio mancai da fenda externa do mancai.
De acordo com uma forma de execução, o eixo de acionamento ao lado da roda da turbina e da roda dentada pode apresentar e portar, com vantagem, um rotor de compressor, em especial, de um compressor de ar fresco que é disposto em uma corrente de ar fresco levada para o motor clej. combustão interna para a alimentação do motor de combustão interna, sendo que o rotor do compressor pode ser posicionado, por exemplo, na segunda extremidade ou na região da segunda extremidade, portanto, ao lado da roda dentada, Por exemplo, o mancai executado de acordo com a presente invenção pode ser posicionado na segunda extremidade entre o rotor do compressor que com vantagem é apoiado de modo volante no eixo de acionamento, e a roda dentada.
De acordo com uma forma de execução, o eixo de acionamento é apoiado ainda por meio de um terceiro mancai entre o primeiro mancai ao lado da roda dentada e o segundo ' mancai ao lado da roda da turbina, sendo que este terceiro mancai em especial também possui uma bucha flutuante. Se, em virtude disso, 'dois mancais de bucha flutuante forem posicionados diretamente ao lado da roda dentada, ' estes dois mancais com vantagem também são executados de acordo com a presente invenção, isto é, possuem uma folga relativa cio mancai maior na fenda interna do mancai em comparação com a folga relativa do mancai na fenda externa do mancai. Porém, também pode ser suficiente, executar apenas um dos dois mancais de acordo com isso, e o outro, com uma folga relativa do mancai comparativamente maior na fenda externa do mancai. Neste último caso, em especial, o mancai de bu|'h.a flutuante mais afastado da roda da turbina apresenta a folga relativa do mancai maior na fenda interna do mancai.
Se também o mancai ao lado da roda da turbina for executado como mancai de bucha flutuante, então ele apresenta com vantagem uma folga relativa do mancai maior na fenda externa do mancai em comparação com aquela na fenda interna do mancai. Porém, também é imaginável uma forma de execução invertida.
Embora a presente invenção tenha sido descrita acima com a. ajuda de uma turbina de aproveitamento de gás de escape para um sistema turbocomposto,’ que é disposta na corrente do gás de escape de um motor de combustão interna, a presente invenção também' pode .ser aplicada em' outras turbinas que são posicionadas em ■ uma corrente de meio contendo energia térmica e/ou energia de pressão,' para transformar a energia da corrente do meio em potência, de acionamento. Ά turbina pode ser executada, por exemplo, como turbina a vapor que é disposta em uma corrente de vapor. Para a geração de vapor novamente pode ser usada em especial energia de gás de escape, sendo que um trocador de calor correspondente ou um evaporador é disposto na corrente do gás de escape. 0 ensinamento da presente invenção também pode ser ap|icado em mn turbocompressor cuja roda de compressor é posicionada na primeira extremidade ou na área da primeira extremidade de um eixo de acionamento, sendo que o eixo de acionamento na sua segunda extremidade ou na área da segunda extremidade porta uma roda dentada. Nesse caso, o acima descrito se aplica de acordo, sendo que, porém, no lugar da roda da turbina é disposta a roda do compressor, e de acordo com isso, não transforma energia de uma corrente de meio em potência de - acionamento, mas a potência de acionamento é usada para comprimir a corrente de ar fresco para um motor de combustão interna. A potência de . acionamento é introduzida . através da roda dentada na segunda extremidade ou na área da segunda extremidade do eixo de acionamento, e pode ser disponibilizada, por exemplo, pelo eixo de manivela do motor de combustão interna e/ou através de uma turbina movida a gás de escape na corrente do gás de escape do motor de combustão interna. A princípio, também poderíam ser usadas outras fontes de energia, por exemplo, de uma turbina a vapor em um circuito de vapor, sendo que o vapor novamente é gerado, em especial através de energia de gás de escape.
Em seguida, a presente invenção será explicada, a título de exemplo, com a ajuda de um exemplo de execução. A figura 1 mostra de modo esquematizado uma turbina de aproveitamento de gás de escape realizada de acordo com a presente invenção, para um sistema turbocomposto, compreendendo um eixo de acionamento 1, que na área da sua primeira extremidade ou, no caso, na sua primeira extremidade, porta uma rocia da turbina 2, e que na área da sua segunda extremidade porta uma roda dentada 3. A roda dentada 3 é executada como pinhão que engrena em uma outra roda dentada 13 que através de uma embreagem 14 hídrodinâmica está em conexão de acionamento com o eixo de manivela 4 de um motor de combustão interna em cuja corrente de gás de escape 15 é disposta a roda da turbina 2 para a recuperação de energia do gás de escape. ■ ' 0 eixo de acionamento 1 é apoiado na área da sua segunda ' extremidade, no presente caso, 'na sua segunda extremidade, por meio de uma bucha flutuante 5 em, um compartimento 6 da turbina de aproveitamento de gás de escape ou cia chamada engrenagem do sistema turbocomposto. A bucha flutuante 5 delimita junto com o diâmetro interno do compartimento 6 uma fenda externa do mancai 7 cheia de óleo, e junto com o diâmetro externo do eixo cie acionamento 1, uma fenda interna do mancai 8 cheia, cie óleo. Com isso, de acordo com a presente invenção, a folgai relativa do mancai na fenda interna do mancai 8 é maior do que na fenda externa do mancai 7. Dessa forma, no interior da fenda inferna do mancai 8 a vazão cio óleo é comparavelmente mais elevada e resulta então uma temperatura do mancai relativamente menor. Embora na fenda externa do mancai 7, que em comparação com fendas do mancai convencionais é menor na sua altura, ocorra um amortecimento comparavelmente menor, isto não é problemático na forma de execução mostrada já que na massa do pinhão, em comparação com a massa de um rotor de compressor de um turbocompressor de superalimentação convencional é reduzida,, e assim um amortecimento menor é suficiente. Também a demanda térmica da fenda externa do mancai 7 é comparavelmente menor em comparação com turbocompressores de superalimentação ' c o n v e n c i o nais, Como mostra a figura 1 com linhas pontilhadas, de acordo com formas de execução alternativas, no'· sistema turbocomposto executado de acordo com a presente invenção pode ser previsto adicionalmente um rotor de compressor 9, que pode ser acionado por meio de uma roda da turbina 2 ou por meio do eixo de manivela 4, e que pode ser aproveitado para a alimentação do motor de combustão interna. Este rotor de compressor 9 pode engrenar, por exemplo, através de mais um pinhão na roda dentada 13, ou pode ser acionado através do eixo de acionamento 1 ou pode ser portado por este. Outras formas de execução são imagináveis. | Na forma de execução mostrada, também o mancai ao lado da roda da turbina é executado com uma bucha flutuante 10 e apoiado no compartimento 6. É lógico que também seria possível prever este mancai em outro componente, especialmente em um compartimento separado.
Como também é indicado com linhas pontilhadas, na área entre o mancai ao lado da roda dentada 3 e o mancai ao lado da roda da turbina 2, pode ser previsto um terceiro mancai 11 que especialmente também é executado como mancai de bucha flutuante com uma bucha flutuante 12.
Embora na figura 1 seja mostrado um sistema turbocomposto, a ilustração, também poderia ser usada para ■ descrever um turbocompressor, onde a roda do compressor é posicionada no lugar da roda da turbina 2p e em especial comprime uma corrente de .ar .fresco para o motor 'de combustão interna (as setas na linha 15 deveríam ser respectivamente invertidas). Ά potência de acionamento podería ser fornecida pelo eixo de manivela 4 do motor de combustão interna ou por uma turbina a gás de escape que poderia ser posicionada, por exemplo, no lugar do item 9. A turbina movida por gás de escape é solicitada, de acordo com isso, por uma corrente de gás de escape do motor de combustão interna. De preferência, a posição seria aquela que na figura 1 é mostrada em baixo, porém, também poderia se| a posição da referência 9, em cima, à esquerda na figura 1.
REIVINDICAÇÕES

Claims (12)

1. Turbina de aproveitamento de gás de escape para um sistema turbocomposto compreendendo 1.1 um eixo de acionamento (1)? que na sua primeira extremidade ou na área da sua primeira extremidade porta uma roda da;turbina■(2), que é destinada a ser posicionada em uma corrente de gás de escape de um motor. de combustão interna ou de outra corrente de meio contendo energia térmica e/ou energia de pressã^o, a fim de transformar a energia do gás de escape ou a energia da corrente de meio · em potência de acionamento; e 1.2 que na sua segunda extremidade ' ou ' na área da segunda extremidade da porta uma roda dentada (3), que é dimensionada para ser colocada em uma conexão de acionamento ao eixo de manivela (4) do motor de combustão interna, sendo que 1.3 o eixo de acionamento (1), pelo menos · na área da sua segunda extremidade, é apoiado ao lado da roda dentada (3) por meio de uma bucha flutuante (5) em umo compartimento (6), bucha flutuante essa que forma uma fenda externa do mancai (7) cheia de óleo em . relação ao compartimento (6) e uma fenda interna do mancai (8) cheia cie óleo em relação ao eixo de acionamento (1) e que é girável em relação ao compartimento (6) e cio eixo de acionamento (1) caracterizada pelo fato de que 1.4 a folga relativa do mancai da . fenda externa do mancai (7), que é definida como a diferença entre o diâmetro interno do compartimento (6) no mancai e o diâmetro externo da bucha flutuante (5) no mancai, dividida pelo diâmetro externo da bucha flutuante (5) no mancai, é menor do que a folga relativa do mancai da'fenda interna do ■ mancai (8), que é definida "Somo a diferença entre o diâmetro interno da bucha flutuante (5) no mancai e o · diâmetro externo do eixo de acionamento (1) no mancai, dividida pelo diâmetro externo do eixo de acionamento (1) no mancai,
2. Turbina, de acordo' com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a folga. relativa do mancai da fenda externa do mancai (7) está na faixa de. 2 a 4 partes por mil, e a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai (8), na faixa de 3 a 5 partes por mil.
3. Turbina, de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de que o eixo de.acionamento (1) porta especialmente na sua segunda extremidade também um rotor de compressor (9),
4. Turbina, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a bucha flutuante (5) é posicionada no lado afastado da roda da turbina (2) da roda dentada (3), e que o eixo de acionamento (1) é apoiado em dois mancais, um ao lado da roda dentada (3) e um ao lado da roda da turbina (2). -
5. Turbina, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o eixo de acionamento (1) é apoiado na área da sua primeira extremidade ao lado da roda da turbina (2) por meio de uma outra bucha flutuante (10) no compartimento (6) ou em um outro compartimento, a outra bucha flutuante (10) forma em relação ao' compartimento (6) ■ uma fenda externa do mancai'cheia de óleo, e em relação ao eixo de acionamento (1), uma fenda interna, do mancai é cheia de óleo e girável relativamente ao■compartimento (6) e ao eixo de acionamento (1), sendo queafolga relativa do mancai da fenda externa do mancai é maior do que a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai.
6. Turbina, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o eixo de acionamento (1) é apoiado também por meio de um terceiro mancai (11) entre o primeiro manca.1 ao lado da roda dentada (3).· e o segundo mancai ao lado da roda da turbina (2) que apresenta em especial uma bucha flutuante (12) .
7. Turbocompressor para um sistema turbocomposto ou um turbocorapressor de superalimentação compreendendo: 7.1 um eixo de acionamento, que na sua primeira extremidade ou na área da primeira extremidade porta uma roda de compressor que é destinada para ser posicionada em uma corrente de ar fresco de um motor de combustão interna a fim de comprimir a corrente de ar fresco levada para o motor de combustão interna, e . 7.2 que na sua segunda extremidade ou na área da segunda extremidade porta uma roda dentada que é dimensionada para ser colocada em uma conexão de acionamento com o eixo de manivela do motor de combustão interna ou com uma turbina ou turbina movida a gás de escape, sendo que· ' . 7.3 o eixo de acionamento, pelo menos na área da sua segunda extremidade, é apoiado ao lado da' roda dentada por meio de uma bucha flutuante em .ura compartimento, bucha esta que em relação ao compartimento forma uma fenda externa do mancai cheia de óleo e, em relação ao eixo de acionamento, uma fenda interna do mancai cheia de óleo, que é girável relativamente ao compartimento e ao eixo de acionamento, caracterizado pelo fato de que . 7.4 a folga relativa do mancai da fenda externa do mancai que é definida como diferença entre o diâmetro in|erno do compartimento no mancai e o diâmetro externo da bucha flutuante no mancai, dividida pelo diâmetro externo da bucha flutuante no mancai, é menor do que a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai que é definida como a diferença entre o diâmetro interno da bucha flutuante no mancai e o diâmetro externo do eixo de acionamento no mancai, dividida pelo diâmetro externo do eixo de acionamento no mancai.
8. Turbocompressor, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a folga relativa do mancai da fenda externa do mancai esta*’ na faixa de 2 a 4 partes por mil e a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai está na faixa de 3 a 5 partes por mil.. ..
9. Turbocompressor, de acordo com uma das reivindicações 7 e 8, caracterizado pelo fato de que o eixo de acionamento porta especialmente na sua'segunda extremidade' também uma roda da turbina, , ' ' ' .
10. Turbocompressor, de acordo com uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que a bucha flutuante é posicionada no lado da roda dentada afastada da roda do compressor, e que o eixo de acionamento é apoiado com dois mancais, um ao lado da roda dentada e um ao. lado da roda do compressor.
11. Turbocompressor, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o eixo de acionamento na área da sua primeira extremidade é apoiado ao lado da roda do compressor por meio de outra bucha flutuante no compartimento ou em outro compartimento, a outra bucha flutuante forma uma fenda externa do mancai cheia de óleo em relação ao compartimento e uma fenda interna do mancai cheia de óleo em relação ao eixo de acionamento, e é girável relativamente ao compartimento e ao eixo de acionamento, sendo que a folga relativa do mancai da fenda externa do mancai é maior do que a folga relativa do mancai da fenda interna do mancai.
12. Turbocompressor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o eixo' de acionamento também é apoiado por meio de um terceiro mancai entre o primeiro manca 1 ao lado da roda dentada e o segundo mancai ao lado da roda do compressor, mancai este que apresenta especialmente também uma bucha flutuante.
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