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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Zentrifugalpumpe
zur Förderung eines Fluids, insbesondere zur Förderung
von Kraftstoff an ein Flugzeugtriebwerk, mit einem Gehäuse,
in dem eine Rotorwelle drehbar gelagert ist und auf der ein Schleuderrad
zur Förderung des Kraftstoffes angeordnet ist, wobei zum
rotatorischen Antrieb der Rotorwelle um eine Rotorachse eine Motoranordnung
vorgesehen ist.
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Zentrifugalpumpen
weisen eine Bauform auf, nach der das zu fördernde Fluid
axial aus Richtung der Rotorachse angesaugt wird und radial über
das Schleuderrad abströmt. Die Gehäuse der elektrischen
Zentrifugalpumpen sind dem Fluidflussweg angepasst, und umschließen
zumeist das Schleuderrad umfangsseitig. Aus dem Stand der Technik
sind Pumpenanordnungen bekannt, welche über eine Antriebswelle
mit einem Elektromotor verbunden sind. Hierfür sind Wellendichtelemente
erforderlich, um die rotierende Welle gegen das Gehäuse
abzudichten. Derartige Wellendichtelemente haben eine hohe Verschleißneigung,
wobei bei der Förderung von Kraftstoff besondere Gefahren
entstehen können, wenn der Kraftstoff aus einem beschädigten
Dichtelement austreten kann. Um das Problem der Dichtelemente zu
umgehen, sind so genannte Nassläuferpumpen bekannt, bei
denen die Motoranordnung bereits innerhalb des Gehäuses
der Zentrifugalpumpe angeordnet wird. Jedoch erstreckt sich zwischen
der Motoranordnung und dem Schleuderrad eine Antriebswelle, so dass
die Motoranordnung am ersten Ende und das Schleuderrad am gegenüberliegenden
zweiten Ende der Antriebswelle angeordnet ist. Folglich ergibt sich
eine große Bauform der Zentrifugalpumpe, wobei häufig
das Gehäuse zwischen dem Bereich der Motoranordnung und
dem Bereich des Schleuderrades eine Teilungsebene aufweist.
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Um
den allgemeinen Trend im Luftfahrzeugbau zu folgen, eine steigende
Elektrifizierung einzelner Aggregate zum Betrieb des Luftfahrzeugs
umzusetzen (MEE = More Electric Engine), werden Kraftstoffpumpen
gefordert, die ausschließlich durch elektrische Antriebe
zur Förderung des Kraftstoffs an ein Flugzeugtriebwerk
betrieben werden. Die Folge ist, dass gerade im Hinblick auf die
hohe geforderte Betriebssicherheit der elektrischen Zentrifugalpumpe zur
Förderung des Kraftstoffes an ein Flugzeugtriebwerk eine
besondere Sicherheitsanforderung zukommt.
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Neuere
Pumpenkonzepte für Kraftstofffördersysteme für
Triebwerke von Flugzeugen sehen einen elektrischen Antrieb vor,
welcher über eine Antriebswelle ein Pumpenmodul antreibt.
Sowohl ein Ausfall der Motoranordnung als auch ein Versagen der
Dichtelemente zwischen der Motoranordnung und der Zentrifugalpumpe
können zu einem Ausfall der Kraftstoffförderung
an das Flugzeugtriebwerk führen.
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Aus
der
DE 199 08 531
A1 ist ein Kraftstoffpumpenantrieb für ein Flugzeugtriebwerk
bekannt, welcher einen Pumpenmotor aufweist, der eine Kraftstoffpumpe über
eine Pumpenwelle antreibt. Die Abdichtung der rotierenden Pumpenwelle
zum Pumpengehäuse erfolgt über Radialwellendichtelemente, welche
eine Verschleißneigung aufweisen, die zum Ausfall des Kraftstoffpumpenantriebes
führen können.
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Aus
der
US 6,675,570 B2 ist
ein weiteres System zur Förderung von Kraftstoff an ein
Flugzeugtriebwerk offenbart, welches ebenfalls einen Motor umfasst,
der über eine rotierende Welle eine Pumpenanordnung antreibt.
Häufig sind auch mehrere Pumpen in Serie zwischen einem
Kraftstofftank und dem Flugzeugtriebwerk angeordnet, wobei eine
erste Pumpe den Kraftstoff auf einen Vordruck fördert und eine
zweite Pumpe den Kraftstoff mit einem weiter erhöhten Druck
in die Brennkammer des Flugzeugtriebwerks befördert. Auch
eine Kombination zwischen einem mechanischen Antrieb über
das Triebwerk in Form einer Gear-Box und einer weiteren elektrischen
Pumpe ist bekannt. Jedoch ist auch hier die Betriebssicherheit der
Kraftstofffördereinrichtung durch die Vielzahl von möglichen
Ausfallursachen wie eine defekte Radialwellendichtung oder ein Ausfall
des elektrischen Antriebs beispielsweise durch eine Überhitzung
des Wicklungskörpers der Motoranordnung begrenzt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zentrifugalpumpe
zu schaffen, die eine kompakte Bauform mit einer hohen Betriebssicherheit
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Zentrifugalpumpe gemäß des
Oberbegriffs des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Schleuderrad
wenigstens einen Rotor aufweist und im Gehäuse planparallel
benachbart zum Rotor wenigstens ein Stator angeordnet ist, so dass
der Rotor mit dem Stator die Motoranordnung bildet.
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Die
erfindungsgemäße Ausführung einer elektrische
Zentrifugalpumpe mit einem Schleuderrad, welches gleichzeitig als
Rotor oder als Träger des Rotors einer Motoranordnung ausgeführt
ist, führt zu einer sehr kompakten Bauform der Pumpe. Insbesondere
wird der Vorteil erreicht, dass zwischen der Motoranordnung und
dem Schleuderrad keine Antriebswelle vorhanden ist, welche durch
Radialwellendichtelemente gegen das Gehäuse abgedichtet
werden muss. Im Rahmen der Elektrifizierung der einzelnen technischen
Komponenten eines Luftfahrzeugs eignet sich die erfindungsgemäße
elektrische Zentrifugalpumpe insbesondere zur Förderung
von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank an ein Flugzeugtriebwerk.
Dieses Pumpenkonzept kann sowohl als Vorpumpe in Kombination mit
einer mechanisch über das Flugzeugtriebwerk angetriebenen
Pumpe als auch als einzige vorhandene Pumpe zwischen dem Kraftstofftank
und dem Flugzeugtriebwerk eingesetzt werden. Das Gehäuse
der Zentrifugalpumpe umschließt erfindungsgemäß sowohl
das Schleuderrad als auch die Motoranordnung, so dass keine dynamische
Abdichtung erforderlich ist, sondern lediglich ein Zu- und Ablauf
mittels eines statischen Dichtelementes abgedichtet werden muss.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform sind auf beiden Seiten des
Schleuderrades ein Rotor und ein Stator zur Bildung jeweiliger Motormodule angeordnet,
die gemeinsam die Motoranordnung bilden. Erfindungsgemäß können
auch weitere Motormodule vorgesehen sein, so dass ein elektrisch
redundantes Motorkonzept bereitgestellt wird, welches eine geringere
Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist. Das Schleuderrad besteht aus
zwei planparallelen Scheiben, zwischen denen sich Schaufelelemente zur
Förderung des Kraftstoffs befinden. Die Scheiben des Schleuderrades
können entweder selbst den Rotor der Motoranordnung bilden,
oder der Rotor ist an jeder beiden Scheiben des Schleuderrades angeordnet
und weist eine ringförmige Struktur auf.
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Vorteilhafterweise
umspült das geförderte Fluid die Motoranordnung,
so dass diese nach Art eines Nassläufers ausgebildet ist.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass auch innerhalb des Gehäuses keine
Dichtelemente erforderlich sind, um etwa die Motoranordnung gegen
das Schleuderrad abzudichten. Ein weiterer Vorteil ist der Effekt
einer Kühlung, da das geförderte Fluid, insbesondere
der zum Flugzeugtriebwerk geförderte Kraftstoff, einen
Kühleffekt der Motoranordnung bewirkt. Der Kraftstoff umspült sowohl
den Rotor als auch den Stator, auf dem wenigstens ein Wicklungskörper
aufgenommen ist. Beim elektrischen Betrieb der Motoranordnung kann sich
der Wicklungskörper erwärmen, so dass die entstehende
Wärmemenge durch den Kraftstoff abgeführt wird.
Die Wahrscheinlichkeit eines Wicklungsbrandes oder eines Kurzschlusses
innerhalb des Wicklungskörpers wird durch das Nassläuferkonzept verringert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektrischen Zentrifugalpumpe
weist eine Rotorwelle auf, die als Hohlwelle ausgeführt
ist, wobei das zu fördernde Fluid axial in die Hohlwelle
eintritt. Dabei ist es hinreichend, dass die Hohlwelle wenigstens an
einer Seite in Richtung der Rotorachse eine Öffnung aufweist,
in die der Kraftstoff als zu förderndes Fluid aus Richtung
der Rotorachse in den Hohlraum der Hohlwelle einströmt.
Die Hohlwelle kann einteilig mit dem Schleuderrad ausgeführt
sein, wobei die Hohlwelle mittels einer Wälzlagerung innerhalb
des Gehäuses drehbar gelagert ist.
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Vorteilhafterweise
ist das Schleuderrad mit der Hohlwelle fluidisch verbunden, so dass
das Fluid aus der Hohlwelle in das Schleuderrad eintritt und zur Förderung über
dieses radial abströmt. Die Zentrifugalpumpe ist folglich
als Axial-Radial-Pumpe ausgeführt, da das zu fördernde
Fluid axial die Pumpe anströmt und radial aus dieser abströmt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rotorwelle
als Hohlwelle mit einem fluidisch mit dem Innenraum der Hohlwelle
verbundenen Schleuderrad und der Anordnung des Rotors der Motoranordnung
im oder am Schleuderrad stellt eine sehr kompakte Bauform einer
Zentrifugalpumpe bereit, bei der der Rotor der Motoranordnung sowie
das Schleuderrad der Pumpe bauteilintegriert ausgeführt
sind. Die Lagerung des Rotors der Motoranordnung sowie des Schleuderrades
der Pumpe wird ebenfalls durch die zweifach ausgeführte
Wälzlagerung am vorderen und hinteren Ende der Rotorwelle
vorgenommen, wobei die Lagerung ebenfalls durch das zu fördernde
Fluid umspült ist. Diese kann entweder als gekapselte Lagerung ausgeführt
sein, wobei vorteilhafterweise auch die Lagerung durch das zu fördernde
Fluid geschmiert wird. Folglich ist auch der mechanische Ausfall
der Wälzlagerung als sehr gering anzusehen, da zumindest
eine Überhitzung der Wälzlagerung ausgeschlossen
werden kann.
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Das
Gehäuse umschließt gemäß der
erfindungsgemäßen Ausführungsform die
Rotorwelle radial und einseitig axial. Das bedeutet, dass das Gehäuse
ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist, wobei das Gehäuse
zur axialen Anströmung der Rotorwelle durch das zu fördernde
Fluid einen konzentrisch um die Rotorachse ausgebildeten Gehäuseflansch
aufweist, welcher der geschlossenen Seite des Gehäuses
in Richtung der Rotorachse gegenüberliegt, wobei das zu
fördernde Fluid durch den Gehäuseflansch in das
Gehäuse eintritt, wobei das Gehäuse über
den Gehäuseflansch an eine Aufnahme anflanschbar und gegen
diese abdichtbar ist. Folglich weist das Gehäuse lediglich
einen Fluideingang und einen Fluidausgang auf, so dass folglich
lediglich statische Dichtungen erforderlich sind.
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Das
Gehäuse ist vorzugsweise zweiteilig ausgeführt,
wobei die Teilungsebene der beiden Gehäusehälften
in der Erstreckungsebene des Schleuderrades liegt. Hieraus ergibt
sich eine vereinfachte Montage der Zentrifugalpumpe und insbesondere der
integrierten Motoranordnung, wobei die Montage aus Richtung der
Motorachse erfolgen kann. Die Verbindung der beiden Gehäusehälften
kann durch Schraubenelemente erfolgen, wobei ferner zur Abdichtung
der Gehäusehälften gegeneinander ein Dichtungselement
in der Teilungsebene vorgesehen wird.
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Die
Motormodule weisen zumindest einen Wicklungskörper auf,
der mit einer jeweils zugeordneten Leistungselektronik zur Versorgung
und Ansteuerung verbunden ist, wobei die Leistungselektronik im
Fall eines Wicklungskurzschlusses eine Abschaltung des kurzgeschlossenen
Wicklungskörpers ermöglicht. Durch die getrennte
Verbindung der einzelnen Motormodule ist ein redundanter Aufbau
der Motoranordnung möglich. Ein Motormodul umfasst dabei
zumindest einen Rotor und einen Stator mit einem Wicklungskörper,
welcher auch im Alleinbetrieb die Zentrifugalpumpe antreiben kann.
Um die Betriebssicherheit der elektrischen Zentrifugalpumpe weiter
zu erhöhen, ist für jedes Motormodul eine separate
Leistungselektronik vorgesehen und mit dieser verbunden. Folglich
umfasst die elektrische Steuerung der Zentrifugalpumpe eine Anzahl
von Leistungselektronikeinheiten gemäß der Anzahl
der Motormodule. Die Leistungselektronik ist derart ausgeführt,
dass ein Wicklungskörper abgeschaltet wird, sobald sich
ein Wicklungskurzschluss in dem entsprechenden Wicklungskörper
ergibt. Damit kann ein Wicklungsbrand vermieden werden, da der defekte Wicklungskörper
unmittelbar abgeschaltet wird und kein weiterer elektrischer Energieeintrag
erfolgen kann. Ferner kann die Induktion einer Spannung vermieden
werden, welche innerhalb eines kurzgeschlossenen Wicklungskörpers
ebenfalls zu einer Temperaturüberhöhung führen
kann.
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Die
Rotoren können nach Art geblechter, ringförmiger
Scheibenrotoren ausgeführt sein, wobei diese einseitig
genutete Kurzschlusskäfige aufweisen können. Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Motormodule kann durch
eine Bauart einer Axialflussmaschine erzielt werden, welche als
Asynchronmotor oder als Reluktanzmotor mit einseitig sternförmig
geschlitzten Rotoren ausgeführt ist.
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Eine
weitere Ausführungsform der Zentrifugalpumpe weist Rotoren
auf, die als magnetische Rotoren mit eingesetzten Permanentmagneten
ausgeführt sind. Die Permanentmagnete können jedoch auch
direkt im Schleuderrad eingesetzt sein, wobei dieses aus einem magnetischen
Material hergestellt ist. Durch den Einsatz der Permanentmagnete
in das Schleuderrad kann eine weitere Erhöhung der Integrationsdichte
erfolgen, da keine separaten ringförmigen Rotoren vorgesehen
werden müssen, die seitlich am Schleuderrad angeordnet
werden. Die Permanentmagnete können auf dem Umfang des Schleuderrades
in seitlicher Richtung gleich beabstandet zueinander angeordnet
werden, wobei die Anordnung durch eine Verschraubung, ein Verkleben oder
ein Verkeilen in dem Schleuderrad möglich ist. Das Drehmoment,
das durch die so gebildete Anordnung einer Axialflussmaschine erzeugt
wird, wird unmittelbar in das Schleuderrad übertragen,
so dass dieses gemeinsam mit der Rotorwelle in Rotation versetzt
wird.
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Eine
weitere Erhöhung der Betriebssicherheit wird dadurch erreicht,
dass die einzelnen Motormodule aus einem Rotor und einem Stator
eine Nennleistung aufweisen, die jeweils zum Antrieb der Pumpe hinreichend
ist. Insbesondere können auf diese Weise Folgeschäden
vermieden werden, da bei einer Abschaltung einer kurzgeschlossenen
Motorwicklung kein Brand oder ähnliches entstehen kann.
Die dem Motormodul zugeordnete Leistungselektronik kann dabei derart
ausgelegt sein, das diese eine minimale oder maximale Leistungsaufnahme der
Motorwicklung zulässt, innerhalb derer die Motormodule
betrieben werden. Verlassen die Parameter der Versorgung der einzelnen
Motormodule die vorgegebenen minimalen und maximalen Werte, so kann
das Motormodul automatisch abgeschaltet werden. Das Motormodul,
welches als übriges Motormodul die Pumpe antreibt, kann
durch eine entsprechend höhere Leistung angesteuert werden,
um den Ausfall des defekten Motormoduls auszugleichen. Folglich
entsteht trotzt eines Defektes einer separaten Motorwicklung kein
Ausfall oder eine Unterbrechung der Kraftstoffversorgung des Flugzeugtriebwerks,
was eine maximale Betriebssicherheit ermöglicht.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
quergeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen
Zentrifugalpumpe mit jeweils einem linksseitig sowie rechtsseitig
vom Schleuderrad angeordneten Motormodul, bestehend zumindest aus
einem Rotor und einem Stator mit einem zugeordneten Wicklungskörper
und
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2 eine
Motoranordnung mit insgesamt vier Motormodulen, die jeweils aus
einem Stator und einem Rotor bestehen.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße elektrische Zentrifugalpumpe
dargestellt, welche mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet
ist. Dieses ist im Halbschnitt dargestellt, wobei die Rotorachse 5 die Symmetrielinie
bildet und nur der obere Halbschnitt gezeigt ist. Das Gehäuse 2 ist
zweiteilig ausgeführt und weist einen geschlossenen hinteren
Teil und einen geöffneten vorderen Teil auf. Die Öffnung
des vorderen Teils des Gehäuses 2 ist durch das
Gehäuseflansch 8 gebildet, durch das das zu fördernde
Fluid in das Gehäuse 2 einströmen kann.
Der Fluidflussweg 10 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet,
wobei das Fluid nach Eintritt in das Gehäuse 2 zunächst
in eine Rotorwelle 3 eintritt, welche als Hohlwelle ausgeführt ist.
An der Rotorwelle 3 ist ein Schleuderrad 4 angeordnet,
welches fluidisch mit dem Innenbereich der Hohlwelle verbunden ist.
Folglich verläuft der Fluidflussweg 10 zunächst
parallel zur Rotorachse 5, so dass die Zentrifugalpumpe
axial angeströmt wird. Nach Eintritt in den Hohlraum der
Rotorwelle 3 tritt das Fluid in das Schleuderrad 4 über
und wird radial nach außen beschleunigt. Folglich strömt
das Fluid radial von der Pumpe ab. Das Schleuderrad 4 hat
die Struktur einer Planscheibe, wobei gemäß der
erfindungsgemäßen Ausführung der elektrischen
Zentrifugalpumpe sowohl linksseitig als auch rechtsseitig an der
Außenplanfläche des Schleuderrades 4 je
ein Rotor 6 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist planparallel
zum linksseitigen und rechtsseitigen Rotor 6 ein jeweiliger
Stator 7 angeordnet, auf dem ein Wicklungskörper 9 aufgebracht
ist. Die Anordnung aus dem Rotor 6, dem Stator 7 und
dem Wicklungskörper 9 bildet gemeinsam ein separates
Motormodul, so dass gemäß der vorliegenden Ausführung zwei
Motormodule innerhalb des Gehäuses 2 integriert
sind. Durch eine Bestromung des Wicklungskörpers 9 wird
ein Drehmoment erzeugt, welches auf den Rotor 6 wirkt.
Folglich wird das Schleuderrad 4 in eine Drehbewegung versetzt,
so dass dieses gemeinsam mit der Rotorwelle 3 rotierend
angetrieben ist.
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Die
Rotorwelle 3 ist in einer Wälzlagerung 11 innerhalb
des Gehäuses 2 gelagert, so dass die Zentrifugalpumpe
keine dynamischen Dichtungen erfordert. Die sich drehende Komponente
ist ausschließlich innerhalb des Gehäuses 2 integriert,
und es tritt keine Antriebswelle aus dem Gehäuse heraus,
um das Schleuderrad 4 anzutreiben.
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Die
elektrische Zentrifugalpumpe 1 ist als Nassläufer
ausgeführt, so dass sowohl die Motormodule als auch die
Lagerung 11 dem zu fördernden Fluid ausgesetzt
sind. Das Fluid umspült sowohl die Lagerung 11 als
auch die Rotoren 6 und Statoren 7 sowie den Wicklungskörper 9,
und erzeugt eine Kühlwirkung. Folglich ist ein Ausfall
der Zentrifugalpumpe 1 aufgrund der Überhitzung
eines Wicklungskörpers 9 oder einer Wälzlagerung 11 unwahrscheinlich,
so dass hierdurch die Betriebssicherheit weiter erhöht wird.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer möglichen
Motoranordnung, welche aus insgesamt vier Motormodulen besteht.
Jedes Motormodul weist einen Rotor 6 und einen Stator 7 auf,
auf dem jeweils ein Wicklungskörper 9 aufgebracht
ist. Die Darstellung des Wicklungskörpers 9 ist
symbolhaft gezeigt, wobei dieser eine Sternschaltung aufweist. Die
Rotoren 6 sind als doppelt wirkende Rotoren ausgeführt,
so dass dieser sowohl mit dem linksseitigen als auch mit dem rechtseitigen
angrenzenden Stator 7 ein jeweiliges Motormodul bildet.
Die Doppelanordnung aus zwei Statoren 7 und einem Rotor 6 ist
zweifach auf der Rotorwelle vorgesehen, so dass auch hier die Redundanz
eine Erhöhung der Betriebssicherheit bewirkt. Die dargestellten
Rotoren 6 können jeweilige Schleuderräder
sein, so dass die Zentrifugalpumpe 1 insgesamt zwei Schleuderräder
aufweist.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung
auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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- 1
- elektrische
Zentrifugalpumpe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Schleuderrad
- 5
- Rotorachse
- 6
- Rotor
- 7
- Stator
- 8
- Gehäuseflansch
- 9
- Wicklungskörper
- 10
- Fluidflussweg
- 11
- Wälzlagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19908531
A1 [0005]
- - US 6675570 B2 [0006]