CN1531629A - 具有旋转凸轮环的变量泵 - Google Patents

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Abstract

一种具有旋转凸轮环的变量泵，通过消除叶片摩擦损耗并用较低程度的滑动轴承液膜粘滞阻力损耗来取代摩擦损耗，使叶片(10)的机械损耗降低。一自由转动的凸轮环(70)由一滑动轴承(80)支撑。在凸轮环与叶片(26)之间获得一相对较低的滑动速度。这就允许泵以非常高的速度运转而不用考虑超过叶片周缘速度极限，从而允许在泵中使用低费用和低脆性的材料。

Description

具有旋转凸轮环的变量泵
技术领域
本发明涉及一种泵，特别是一种被发现在喷气发动机的燃油泵中进行调节和控制方面具有特殊用途的高速叶片泵。
背景技术
通常叶片泵使用一个或多个固定的、或者非转动的凸轮环。叶片的径向外缘沿凸轮环滑动。但凸轮环不能相对壳体自由转动。固定的凸轮环刚性地安装到一固定排量泵的泵壳上，或者凸轮环移动或绕轴转动以提供可变排量的性能。这样，如本领域技术人员所知，这些类型的正排量泵包括一定子或具有入口和出口的壳体，通常其位置相对容纳于泵腔中的转子旋转轴线沿直径偏移。多个在圆周方向间隔设置并径向延伸的导流件或叶片从转子向外延伸。由于转子轴线偏移并与壳体腔轴线平行，在旋转过程中，轴的偏移关系引起叶片相对转子沿径向向内和向外移动。
叶片的外缘接触凸轮环，而作用在通常数量为6至12个的各个叶片上的接触力，在凸轮环上产生摩擦阻力。这些阻力直接转化为机械损耗，降低了泵的整体效率。在许多应用中，这些机械阻力损耗远远超过抽吸液体所需的理论功率。
举例来说，当用于喷气发动机环境下时，由于这些叶片泵遇到的高速和负载因素，叶片泵通常要采用高耐用性和耐磨性材料制成。用这些材料制造的零件一般生产成本很高，并且会带来很高的脆性。例如，碳化钨作为一种优选材料，广泛应用于喷气发动机上的叶片泵部件。碳化钨是一种非常硬的材料，在叶片、凸轮环、以及侧板上都能发现其特定应用。但是，举例来说，碳化钨的成本近似于钢的成本的两倍半，并且，任何裂纹和过应力都能引起破裂及相关问题。另外，碳化钨对钢的重量比近似为1.86，使得重量对此类应用成为一种重要的考虑事项。因此，尽管通常高耐用性和耐磨性能够使碳化钨满足叶片泵中高速和负载因素的要求，但其重量、成本，以及相关联的高脆性也将导致整体费用的大幅增加。
即使使用特殊材料如碳化钨，目前叶片泵的旋转速度多少也会受到限制。这种限制与叶片外缘相对于凸轮环的高滑动速度有关。即便在叶片泵中全面使用碳化钨，超过12000转/分的高速泵运转仍然非常困难。
提高泵的效率是非常必要的，并且提高的效率结合提高的可靠性以及在其它应用中使用叶片泵的能力也是所期望的。
发明内容
本发明提供了一种改进的燃气轮机燃油泵，其表现出了提高的效率和可靠性。
具体来说，该燃气轮机燃油泵包括一壳体，该壳体具有一泵腔，以及与该泵腔液流相通的入口和出口。一容纳于泵腔中的转子，以及一围绕转子并可相对壳体自由旋转的凸轮件。
一滑动轴承，设置于凸轮件与壳体之间，以减小泵运转过程中的机械损耗。
该滑动轴承为限定于凸轮件和壳体之间的连续环形通道。
该转子包括沿圆周间隔设置的叶片，其径向外缘与凸轮件相接触。
该泵还包括一凸轮衬套，可枢转地固定在壳体内，以选择性改变凸轮件与转子之间的偏心距。
该燃气轮机燃油泵比不使用自由旋转凸轮件的传统叶片泵表现出了显著提高的效率。
由于一些选定部件可以用耐用性适度、花费较低的材料制成，该燃油泵在降低了成本的条件下还表现出更高的可靠性。
效率的提高还能使泵更小更紧凑，这对于某些尺寸要求很高的应用特别有用。
本发明还有其它的益处和优点，通过下面详细说明，对于本领域技术人员来说将会很明显。
附图说明
图1为流体泵的一优选实施例的立体分解图。
图2为通过组装后的图1所示的泵的剖面图。
图3为通过组装后的泵的纵向剖面图。
图4为与图2相似的剖面图，示出了一变量泵，其支撑环位于第二位置。
具体实施方式
如图所示，泵组件10包括一壳体12，其内部限定有一泵腔14。腔内可旋转地容纳一转子20，转子固定在一轴22上，以使转子在腔内旋转。绕转子外围或周边间隔设有一系列径向延伸的槽24，槽中可活动地容纳有翼片或叶片26，这些翼片或叶片的径向外缘从转子外围延伸出来。叶片数量可以改变，例如，在图2实施例中示出了九个叶片，不过，可以采用不同数量的叶片而不脱离本发明范围和目的。最好如图2所示，轴22和转子20的旋转轴线以数字30来标记。由于转子在壳体腔中转动时，选定的叶片(图2中所示的右侧叶片)不如其余叶片(图2中的左侧叶片)从转子外围向外延伸同样大的程度。当叶片随转子在壳体腔中转动时，泵腔由各个叶片之间的空间来限定，并提供流体正排量。
继续参考图2，一间隔环40刚性固定在壳体中，并设置在转子周围与壳体腔内壁间隔相邻的位置。该间隔环具有一平板或平面凸轮滚辗表面42，并容纳一止动销44。该销作为枢轴抵顶于不可转动地设置在转子外围的凸轮衬套50。该衬套上设有第一和第二圆突部或推动表面52、54，通常设置在与止动销相对的位置。圆突部与第一和第二推动组件56、58相配合，构成改变凸轮衬套50位置的装置。该变动装置以现有技术中公知的方式选择性变换泵的行程或排量。例如，每一推动件组件包括一活塞60，偏压装置如弹簧62，以及一封闭件64，从而，响应施加于活塞后面的压力，使凸轮衬套的推动圆突部选择性运动。这种选择性推动使得凸轮衬套沿着销44附近的间隔环内表面上基本上为平面或平板的表面66滚动。凸轮衬套的中心点最好是直线平移，而非弧线移动，以限制在组件密封区另外可能引起的压力波动。以这种方式，当推动件组件之一被启动并推动凸轮衬套(图2)时，凸轮衬套的中心选择性偏离轴和转子的旋转轴线30。凸轮衬套的其它细节、推动表面、以及推动组件对本领域技术人员来说通常是公知的，因此，相信在此没有必要作进一步讨论。
容纳于凸轮衬套中的转动凸轮件或环70具有一光滑的内周壁72，其与从转子延伸出的各个叶片26的外缘相接触。凸轮环设置光滑的外周壁74是用来在凸轮衬套50中自由转动。特别是，一滑动轴承80在衬套中支撑旋转的凸轮环70。该滑动轴承充满泵液，此处为喷气燃料，构成一静压或流体动力，或静压/流体动力混合轴承。虽然由于没有构件联接凸轮环以随转子旋转，凸轮环可以相对转子自由旋转，但是叶片外缘和转动凸轮环70之间产生的摩擦力使凸轮环以与转子近似相同的速度旋转。可以看出，环的转速略低于转子转速，或者甚至略高于转子转速，但由于是在液膜轴承中支撑和运转，使该凸轮环具有低得多的粘滞阻力。凸轮环的这种低粘滞阻力取代了已知叶片泵存在的由于叶片与周围固定环接触的摩擦损耗而导致的高机械损耗。由于叶片与凸轮环的接触产生的阻力被直接转化为降低泵的整体效率的机械损耗。凸轮环通过凸轮衬套中的滑动轴承80独自支撑。该滑动轴承为一个连续通道。就是说，这里没有如滚柱轴承、销、或其它类似的相互连接的构件，这些构件会削减由于凸轮环的低粘滞阻力而获得的有益效果。例如，溢流滚珠轴承将不会表现出由这种滑动轴承提供的改善的效率，特别是能有利地将泵液用作液体轴承的滑动轴承。
在以前的应用中，这些机械阻力损耗在许多喷气发动机燃油泵的运转模式中可以大大超过了其抽吸液体的机械效率。结果，由于这些叶片泵的高速和负荷因素，必需使用具有高耐用性和耐磨性的材料。材料重量和制造成本极大地增加，并且这些材料也带来了很严重的脆性。这些泵的转速也由于叶片相对凸轮环的高滑动速度而受到限制。即使在使用特殊材料如碳化钨时，高速的泵运转，例如超过12,000转/分，也非常困难。
这些由叶片和凸轮环之间的摩擦引起的机械损耗被本发明中很低程度的粘滞阻力损耗所取代。这归功于凸轮环随转子叶片旋转的能力。凸轮环和叶片之间相对低的滑动速度导致并促使制造商在泵中使用低廉和脆性较小的材料。这具有更强的可靠性，并允许泵以更高速度运转，而不用考虑超过周缘速度限度。反过来说，高运转速度使得为达到指定流量只需要较小的排量。换句话说，一个更小、更紧凑的泵就能提供与以前的较大的泵相似的流量效果。该泵在各种不同的叶片泵机构中还有更广泛的应用范围。
图3更详细地示出了转子周围的入口和出口，提供了泵腔的入、出口。第一和第二板体90、92分别设有开口94、96。通过旋转的叶片将能量提供给流体。例如，喷气发动机燃料以被提高的压力抽吸到需要的下游使用场合。
如图4所示，两个推动组件都不受压，所以凸轮衬套没有枢转以改变叶片泵的行程。也即，图4的这个不流动位置能与图2相比，该图中凸轮衬套50围绕销44枢转，从而在凸轮衬套和间隔环40之间沿泵的左侧的四分之一圆周确定了一个封闭间隙，如图所示。这提供了通过改变凸轮衬套位置的方式获得不同排量的性能。
在优选配置中，叶片仍然由耐用的硬质材料如碳化钨制造。不过，凸轮环和侧板可选择由低成本耐用材料如钢制造，以减小重量和制造成本，并能有较高的可靠性。当然，可以理解，如果需要，所有构件仍都能用更昂贵的耐用材料如碳化钨制造，并仍能获得超过前述配置的实际效率。通过使用喷气发动机燃料作为形成滑动轴承的液体，泵组件的一些构件选用碳化钨，而其它构件使用钢，使其有利之处形成优势。这是与使用油或类似液压流体作为滑动轴承流体相对比，在那种情况下所有喷气燃油部件都必须采用钢来制作，从而消除了使用碳化钨而带来有利之处的机会。
本发明已结合优选实施例作了描述。显然，通过对前述详细说明的阅读和理解，他人将能够作出修改和变通。因此，只要其属于所附权利要求书或其等同技术的范围，本发明就应解释为包括所有这些修改和变通。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种变量燃气轮机燃油泵，包括：
一壳体，具有一泵腔，以及与所述泵腔液流相通的一入口和出口；
一转子，容纳于所述泵腔中；
一凸轮件，围绕所述转子，并可相对所述壳体自由旋转；
一凸轮衬套，径向设置于所述凸轮件与所述壳体之间；
用来变动所述凸轮衬套在所述壳体中的位置以选择性改变泵排出量的装置；以及
一滑动轴承，设置于所述凸轮件与所述凸轮衬套之间，以减小所述泵运转过程中的机械损耗。
2.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述凸轮件具有一光滑内周壁，允许所述转子相对所述凸轮件自由旋转。
3.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为位于所述凸轮件与所述凸轮衬套之间的连续环形通道。
4.根据权利要求1所述的燃油泵，还包括沿圆周间隔设置的与所述转子可活动地相结合的叶片。
5.根据权利要求1所述的燃油泵，还包括一凸轮衬套，径向设置于所述凸轮件与所述壳体之间。
6.根据权利要求5所述的燃油泵，还包括用来变动所述凸轮衬套在所述壳体中位置以选择性改变泵排出量的装置。
7.根据权利要求1所述的燃油泵，还包括一间隔环，径向设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间。
8.根据权利要求7所述的燃油泵，其中所述凸轮衬套可枢转地固定到所述间隔环上，以选择性改变所述凸轮件与所述转子之间的偏心距。
9.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压轴承。
10.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一流体动力轴承。
11.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压/流体动力混合轴承。
12.一种变量燃气轮机燃油泵，用于将喷气燃油从油源供应到一组下游喷嘴，所述燃气轮机燃油泵包括：
一壳体，具有一燃油入口和一燃油出口，与一泵腔运行相通；
一转子，容纳于所述泵腔中，所述转子具有多个叶片，将所述泵腔隔离为单独的泵腔分区；
一凸轮环，设在所述转子的周围，其具有径向的内、外表面，所述内表面与所述叶片滑动接合；
一凸轮衬套，径向设置于所述凸轮环与所述壳体之间；
用来变动所述凸轮衬套在所述壳体中的位置以选择性改变泵排出量的装置；以及
一凸轮滑动轴承，围绕所述凸轮环，与所述燃油入口相通，将喷气燃油作为所述滑动轴承中凸轮环的液膜使用。
13.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压轴承。
14.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一流体动力轴承。
15.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压/流体动力混合轴承。
16.根据权利要求12所述的燃油泵，其中包围所述凸轮环的凸轮衬套的中心可选择性偏离所述转子的旋转轴线。
17.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为位于所述凸轮环与所述凸轮衬套之间的连续环形通道。
18.根据权利要求12所述的燃油泵，还包括沿圆周间隔设置的与所述转子可活动地相结合的叶片。
19.根据权利要求12所述的燃油泵，还包括一凸轮衬套，径向设置于所述凸轮环与所述壳体之间。
20.根据权利要求19所述的燃油泵，还包括用来变动所述凸轮衬套在所述壳体中的位置以选择性改变泵排出量的装置。
21.根据权利要求19所述的燃油泵，还包括一间隔环，径向设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间。
22.根据权利要求21所述的燃油泵，其中所述凸轮衬套可枢转地固定到所述间隔环上，以选择性改变所述凸轮环与所述转子之间的偏心距。
23.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述叶片由碳化钨制成。
24.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述凸轮环由成本低的耐用材料制成。
25.一种燃气轮机燃油泵的运转方法，所述燃油泵包括一壳体，所述壳体具有一泵腔，所述泵腔中容纳有一转子和一围绕所述转子的凸轮件，一凸轮衬套围绕所述凸轮件，并且一间隔环设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间，所述方法包括如下步骤：
通过所述壳体中的一滑动轴承支撑所述凸轮件；
使所述转子相对所述凸轮件自由转动；以及
直线平移所述凸轮衬套的中心点，以限制组件密封区的压力波动。
26.根据权利要求8所述的燃油泵，其中所述间隔环包括一基本呈平面的表面，使所述凸轮衬套的中心点可直线平移。
27.根据权利要求8所述的燃油泵，其中所述间隔环包括一沿其内表面基本呈平面的表面，如此所述凸轮衬套响应变动装置的推动而在该表面上滚动。
28.根据权利要求1所述的燃油泵，还包括一间隔环，径向设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间，以及一止动销使所述间隔环与所述凸轮衬套互相连接。
29.根据权利要求28所述的燃油泵，其中所述间隔环包括一沿其内表面基本呈平面的邻近所述止动销的表面。
30.根据权利要求29所述的燃油泵，其中所述间隔环包括一设在所述止动销的相对侧的基本为平面的表面。
31.根据权利要求12所述的燃油泵，还包括一间隔环，径向设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间，以及一止动销使所述间隔环与所述凸轮衬套互相连接。
32.根据权利要求31所述的燃油泵，其中所述间隔环包括一沿其内表面基本呈平面的邻近所述止动销的表面，如此所述凸轮衬套响应变动装置的推动而在该表面上滚动。

Claims (25)

1.一种燃气轮机燃油泵，包括：
一壳体，其具有一泵腔，以及与所述泵腔液流相通的一入口和出口；
一转子，容纳于所述泵腔中；
一凸轮件，围绕所述转子，并可相对所述壳体自由旋转；以及
一滑动轴承，设置于所述凸轮件与壳体之间，以减小所述泵运转过程中的机械损耗。
2.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述凸轮件具有一光滑内周壁，允许所述转子相对所述凸轮件自由旋转。
3.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为位于所述凸轮件与所述壳体之间的连续环形通道。
4.根据权利要求1所述的燃油泵，还包括沿圆周间隔设置的与所述转子可活动地相结合的叶片。
5.根据权利要求1所述的燃油泵，还包括一凸轮衬套，径向设置于所述凸轮件与所述壳体之间。
6.根据权利要求5所述的燃油泵，还包括用来变动所述凸轮衬套在所述壳体中的位置以选择性改变泵排出量的装置。
7.根据权利要求5所述的燃油泵，还包括一间隔环，径向设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间。
8.根据权利要求7所述的燃油泵，其中所述凸轮衬套可枢转地固定到所述间隔环上，以选择性改变所述凸轮件与所述转子之间的偏心距。
9.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压轴承。
10.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一流体动力轴承。
11.根据权利要求1所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压/流体动力混合轴承。
12.一种燃气轮机燃油泵，用于将喷气燃油从油源供应到一组下游喷嘴，所述燃气轮机燃油泵包括：
一壳体，具有一燃油入口和一燃油出口，与一泵腔运行相通；
一转子，容纳于所述泵腔中，所述转子具有多个叶片，将所述泵腔隔离为单独的泵腔分区；
一凸轮环，设在所述转子的周围，其具有径向的内、外表面，所述内表面与所述叶片滑动接合；以及
一凸轮滑动轴承，围绕所述凸轮环，与所述燃油入口相通，将喷气燃油作为所述凸轮环的滑动轴承中的液膜使用。
13.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压轴承。
14.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一流体动力轴承。
15.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为一静压/流体动力混合轴承。
16.根据权利要求12所述的燃油泵，还包括一包围所述凸轮环的凸轮衬套，其中心可选择性偏离所述转子的旋转轴线。
17.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述滑动轴承为位于所述凸轮环与所述壳体之间的连续环形通道。
18.根据权利要求12所述的燃油泵，还包括沿圆周间隔设置的与所述转子可活动地相结合的叶片。
19.根据权利要求12所述的燃油泵，还包括一凸轮衬套，径向设置于所述凸轮环与所述壳体之间。
20.根据权利要求19所述的燃油泵，还包括用来变动所述凸轮衬套在所述壳体中的位置以选择性改变泵排出量的装置。
21.根据权利要求19所述的燃油泵，还包括一间隔环，径向设置于所述凸轮衬套与所述壳体之间。
22.根据权利要求21所述的燃油泵，其中所述凸轮衬套可枢转地固定到所述间隔环上，以选择性改变所述凸轮环与所述转子之间的偏心距。
23.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述叶片由碳化钨制成。
24.根据权利要求12所述的燃油泵，其中所述凸轮环由成本低的耐用材料制成。
25.一种燃气轮机燃油泵的运转方法，所述燃油泵包括一壳体，所述壳体具有一泵腔，所述泵腔中容纳有一转子，和一围绕所述转子的凸轮件，该方法包括如下步骤：
通过所述壳体中的滑动轴承支撑所述凸轮件；以及
使所述转子相对所述凸轮件自由转动。
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