DE60107454T2 - Flügelzellenpumpe - Google Patents

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DE60107454T2
DE60107454T2 DE60107454T DE60107454T DE60107454T2 DE 60107454 T2 DE60107454 T2 DE 60107454T2 DE 60107454 T DE60107454 T DE 60107454T DE 60107454 T DE60107454 T DE 60107454T DE 60107454 T2 DE60107454 T2 DE 60107454T2
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inlet
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William Dalton
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Goodrich Pump and Engine Control Systems Inc
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C14/00Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/28Safety arrangements; Monitoring
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F04C2/3442Rotary-piston machines or pumps having the characteristics covered by two or more groups F04C2/02, F04C2/08, F04C2/22, F04C2/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in groups F04C2/08 or F04C2/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the inner and outer member being in contact along one line or continuous surface substantially parallel to the axis of rotation the surfaces of the inner and outer member, forming the working space, being surfaces of revolution

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Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der US Patentanmeldung, Seriennr. 09/741,524, welche am 20. Dezember 2000 eingereicht wurde, und beansprucht die Priorität der vorläufigen US Patentanmeldung Nr. 60/236,293, welche am 28. September 2000 eingereicht wurde, die beide hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in dem Ausmaß enthalten sind, in dem sie nicht im Widerspruch zu dieser Offenbarung stehen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Bereich der Erfindung
  • Der Gegenstand der Erfindung betrifft Kraftstoffpumpen für Gasturbinenmotoren und insbesondere verstellbare Flügelzellenpumpen, welche bei Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Zuverlässigkeit und eine vorausgesagte Ausfallart verlangen.
  • 2. Hintergrund der verwandten Technik
  • Verstellbare Flügelzellenpumpen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie als eine Alternative zu herkömmlichen Zahnrad-Konstantpumpen entwickelt. Ein Beispiel einer verstellbaren Flügelzellenpumpe ist in dem US Patent Nr. 5,545,014 von Sundberg u.a. offenbart, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in dem Ausmaß enthalten ist, in dem sie nicht im Widerspruch zu der vorliegenden Offenbarung steht.
  • Flügelzellenpumpen umfassen üblicherweise u.a. ein Gehäuse, ein Kurvenelement und einen Rotor, welcher in dem Gehäuse durch axial gegenüber liegende Traglager abgestützt ist. Das Gehäuse definiert eine Innenkammer, einen Fluideinlass und einen Fluidauslass und das Kurvenelement und der Rotor sind in der Innenkammer angeordnet. Das Kurvenelement besitzt eine zentrale Bohrung, welche die Umfangsgrenze der inneren Pumpenkammer definiert. Ein Rotor, welcher für eine Drehbewegung in der zentralen Bohrung des Kurvenelements angebracht ist, ist durch axial gegenüberliegende Traglager abgestützt. Das Rotorelement hat darin maschinell hergestellte, in Umfangsrichtung beabstandete Schlitze, welche korrespondierende radial bewegliche Flügelelemente abstützen.
  • Verstellbare Flügelzellenpumpen unterscheiden sich von anderen Zellenpumpen, wie z.B. Konstant-Flügelzellenpumpen, darin, dass das Kurvenelement um ein Drehgelenk drehbar gelagert ist, welches nach der vertikalen Mittellinie der Pumpe ausgerichtet ist, um auf diese Weise seine Position bezüglich des Rotors einzustellen. Diese Einstellung erlaubt es, die relativen Volumen der Einlass- und Auslasszellen zu verändern und auf diese Weise das Saugvermögen der Pumpe zu verändern.
  • Bei einer einzigen Drehung durchqueren die Flügel des Rotorelements der Pumpe wenigstens vier verschiedene bogenförmige Bereiche, welche die 360 Grad-Umdrehung ausmachen. Der erste Bereich ist das Einlassbogensegment, in welchem Fluid in der Pumpenkammer aufgenommen wird und über diesen Bereich nimmt das Zellenvolumen zu. Der zweite Bereich ist das Auslassbogensegment, in welchem unter Druck stehendes Fluid aus der Pumpenkammer ausgelassen wird und über diesen Bereich nimmt das Zellenvolumen ab. Schließlich trennen Dichtungsbogensegmente das Einlass- und das Auslassbogensegment und repräsentieren die Bereiche, in welchen das Zellenvolumen im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Im Betrieb wird Fluid mit einem ersten Druck durch den Gehäuseeinlass in die Pumpenkammer eingeleitet und in den zwischen benachbarten Flügelelemen ten begrenzte Raum, welcher als Zelle bekannt ist. Da die Flügelelemente bei Verdränger-Flügelzelienpumpen in der Pumpenkammer von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich drehen, bewirkt der Aufbau des Kurvenelements, dass sich die Flügel in die entsprechenden Schlitze zurückziehen. Dies bewirkt, dass das von der Zelle begrenzte Volumen abnimmt. Da die in einer Einlasszelle aufgenommene Fluidmenge größer als die in der entsprechenden Auslasszelle enthaltene ist, wird ein in der Größe der volumetrischen Differenz entsprechendes Fluidvolumen durch die Auslassöffnung mit einem Druck gleich dem zu überwindenden stromabwärtigen Druck ausgelassen oder verdrängt.
  • Typischerweise sind die Pumpendrücke und -geschwindigkeit in dem Pumpengehäuse so hoch, dass die Verwendung von schweren, sehr verschleißfesten Materialien, wie z.B. Wolframcarbid, für das Kurvenelement und die Flügelelemente notwendig wird, um mit dem Verschleiß fertig zu werden, welcher durch diese hohen Druck- und Geschwindigkeitsniveaus verursacht wird.
  • Frühere verstellbare Flügelzellenpumpen sind in dem US Patent Nr. 5,545,014 von Sundberg u.a. und dem US Patent Nr. 5,833,438 von Sundberg veranschaulicht. Das US Patent Nr. 5,545,014 offenbart eine langlebige, einfach wirkende, verstellbare Flügelzellenpumpe, welche fähig ist zum Unterflügelpumpen (undervane pumping) und ein Druckausgleichsverfahren. Das US Patent Nr. 5,833,438 von Sundberg lehrt eine verstellbare Flügelzellenpumpe, welche ein haltbares Rotorelement mit Lagerzapfenenden an jeder Seite eines zentralen Flügelabschnitts mit großem Durchmesser hat und einen Mechanismus, um den hohen Druck in dem Kurvenelement (cam member) zu begrenzen und auf diese Weise einen axialen Druckverlust entlang der Länge des Rotorelements zu verhindern. Die in diesem Patent enthaltene Offenbarung ist hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in dem Ausmaß enthalten, in dem sie mit der vorliegenden Offenbarung nicht im Widerspruch steht.
  • Eine Flügelzellenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-A-5,545,014 bekannt.
  • Die Vorteile von verstellbaren Pumpen über herkömmliche Zellenpumpen, nämlich Zahnrad-Konstantpumpen, ist, dass sie die Problematik lösen, wo eine übermäßige Wärmeerzeugung ein kritisches Hindernis für die Pumpenleistung wird. Ebenso können verstellbare Flügelzellenpumpen zur Vermeidung bestimmter Kraftstoffflussdosierungskomponenten verwendet werden durch Ausnutzung der Pumpe als Dosierungsvorrichtung.
  • Einer der Nachteile, welche mit der verstellbaren Flügelzellenpumpentechnologie im Zusammenhang steht, ist die Unfähigkeit, die Ausfallart (failure mode) vorherzusagen. Als ein Ergebnis besteht eine Abneigung, diese Technologie in Anwendungen, wie z.B. ein Hochleistungsflugzeug, zu implementieren, welche eine hohe Zuverlässigkeit und eine vorhergesagte Ausfallart verlangen. Bei einer herkömmlichen Zahnradpumpe mit konstanter Verdrängung ist der Fehlermechanismus gut bekannt. Während die Pumpe nachlässt, fällt typischerweise die Leistung weit genug ab, sodass man den Motor nicht starten kann, wodurch ein sicherer Ausfall eintritt. Bei einer verstellbaren Flügelzellenpumpe kann jedoch, da die Flügel infolge des Kontakts mit der Kurvenoberfläche abnutzen, die freitragende Last, welche der Druck auf jeden Flügel ausübt, so hoch werden kann, dass ein katastrophaler Defekt eines Flügels während des Pumpenbetriebs vorkommen kann und das gesamte Pumpensystem tatsächlich ohne Warnung zerstört. Bei einer Anwendung, wie z.B. Helikopterkraftstoffsystemen, kann diese Art von Fehler eine Beschädigung des Steuer/Regelsystems und des Motors bewirken und zum Tode führen, Um einen solchen Vorfall zu vermeiden, muss die verstellbare Flügelzellenpumpe regelmäßig inspiziert und gewartet werden.
  • Im Hinblick auf das vorhergehende besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte Flügelzellenpumpe, welche der Ausfallart einer Zahnradpumpe ähnelt, indem der Verschleiß der Flügel "verfolgt" wird und der Motor startunfähig gemacht wird, nachdem ein bestimmtes Verschleißniveau erreicht ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Gegenstand der Anmeldung ist auf verstellbare Flügelzellenpumpen zur Verwendung mit Gasturbinenmotoren gerichtet, welche einen Mechanismus zur Voraussage der Ausfallart der Pumpe umfassen, um auf diese Weise einen Betriebsdefekt zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flügelzellenpumpe ein Pumpengehäuse, ein Kurvenelement, ein Rotorelement und einen Mechanismus, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen zu lassen, um einen Pumpenstart zu verhindern, wenn ein vorherbestimmter Verschleißzustand erreicht wurde.
  • Das Pumpengehäuse umfasst typischerweise eine zylindrische Innenkammer, welche eine Mittelachse definiert, durch welche sich eine vertikale Mittellinie und eine horizontale Mittellinie erstrecken. Das Kurvenelement ist für eine schwenkbare Bewegung in der Innenkammer des Pumpengehäuses um einen Drehpunkt angebracht, welcher nach der vertikalen Mittellinie der Innenkammer ausgerichtet ist. Das Kurvenelement besitzt eine Bohrung, welche sich durch dieses hindurch erstreckt, welche eine Umfangsfläche eines Pumpenhohlraums definiert. Die Umfangsfläche des Pumpenhohlraums umfasst ein Auslassbogensegment, ein Einlassbogensegment und Dichtungsbogensegmente, welche das Einlassbogensegment und das Auslassbogensegment voneinander trennen.
  • Das zylindrische Rotorelement ist für eine Drehbewegung in der Bohrung des Kurvenelements um die Mittelachse der Innenkammer angebracht. Das Rotor element besitzt einen zentralen Körperabschnitt mit einer ersten und einer zweiten axial entgegengesetzten Endfläche und einer Mehrzahl von darin ausgebildeten, in Umfangsrichtung beabstandeten und sich radial erstreckenden Flügelschlitzen.
  • Jeder Flügelschlitz stützt ein entsprechendes Flügelelement ab, welches für eine radiale Bewegung in diesem angebracht ist. Jedes der Flügelelemente besitzt eine radial äußere Endfläche, welche dazu ausgebildet ist, mit der Umfangsfläche des Pumpenhohlraums gleitend in Eingriff zu treten, und einen radial inneren Flügelunterabschnitt, welcher in jedem Flügelschlitz angeordnet ist.
  • Der Mechanismus, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen zu lassen, um einen Pumpenstart zu verhindern, aktiviert sich dann, wenn die Endfläche von jedem Flügelelement einen vorbestimmten Wert bezüglich des Flügelunterabschnitts von jedem Flügelelement verschlissen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Mechanismus, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen zu lassen, wenn die Endfläche jedes Flügelelements einen vorbestimmten Wert verschlissen ist, bogenförmige Kanäle, welche in der ersten Endfläche des Körperabschnitts des Rotorelements ausgebildet sind. Die bogenförmigen Kanäle erstrecken sich jeweils zwischen jedem Flügelschlitz. Es ist vorgesehen, dass die bogenförmigen Kanäle von der Mittelachse um einen radialen Abstand beabstandet sind und der radiale Abstand den vorherbestimmten Verschleißwert definiert.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfassen die Mittel, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen zu lassen, wenn die Endfläche jedes Flügelelements einen vorbestimm ten Wert verschlissen ist, bogenförmige Kanäle, welche in der zweiten Endfläche des Körperabschnitts des Rotorelements ausgebildet sind.
  • Es ist derzeit bevorzugt, dass der vorbestimmte Verschleißwert erreicht wird, wenn der Flügelunterabschnitt von jedem Flügelelement an einem Punkt in dem Pumpenhohlraum radial außerhalb der in dem Körperabschnitt des Rotors ausgebildeten bogenförmigen Kanäle angeordnet ist. Als ein Ergebnis dieser relativen Positionierung darf das Fluid von dem Auslassbogensegment zu dem Einlassbogensegment des Pumpenhohlraums strömen.
  • Die Umfangsfläche des Pumpenhohlraums umfasst ein Auslassbogensegment von etwa 150 Grad, ein erstes Dichtungsbogensegment von etwa 30 Grad, ein Einlassbogensegment von etwa 150 Grad und ein zweites Dichtungsbogensegment von etwa 30 Grad.
  • Es ist ferner vorgesehen, dass die erste und die zweite axial voneinander beabstandete Endplatte in der Innenkammer des Pumpengehäuses angeordnet sind. Jede Endplatte besitzt eine erste Fläche, welche dem Rotorelement benachbart ist und einen axialen Endabschnitt des Pumpenhohlraums ausbildet. Jede Endplatte ist von dem Rotorelement derart beabstandet, dass eine reibungsfreie Drehung des Rotorelements innerhalb des Pumpenhohlraums ermöglicht ist. Vorzugsweise umfassen die Endplatten einen Mechanismus, welcher der ersten Fläche von jeder Endplatte zugeordnet ist, um Fluid von dem Auslassbogensegment des Pumpenhohlraums zu dem Flügelunterabschnitt jedes Flügelelements strömen zu lassen, wenn jedes Flügelelement die Auslass- und Dichtungsbogensegmente durchläuft. Zusätzlich umfasst die erste Fläche von jeder Endplatte einen Mechanismus, um Fluid von dem Einlassbogenbereich des Pumpenhohlraums zu dem Flügelunterabschnitt von jedem Flügelelement strömen zu lassen, wenn jedes Flügelelement das Einlassbogensegment durchläuft, während das Rotorelement um die Mittelachse dreht.
  • Es ist derzeit vorgesehen, dass das Rotorelement ferner eine Mehrzahl von im Wesentlichen axialen Fluiddurchgängen umfasst, welche in dem zentralen Körperabschnitt des Rotors ausgebildet sind. Jeder Durchgang ist zwischen einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten radialen Flügelschlitzen angeordnet und stellt einen Weg durch den Rotorkörperabschnitt für Fluid derart bereit, dass es axial von dem Pumpenhohlraum zu der ersten und zweiten Endplatte strömt.
  • Der Gegenstand der Anmeldung ist auch auf eine Flügelzellenpumpe gerichtet, welche u.a. ein Pumpengehäuse, ein Kurvenelement und ein Rotorelement umfasst. Das Rotorelement ist im Wesentlichen zylindrisch und für eine Drehbewegung in der Bohrung des Kurvenelements um die Mittelachse der Innenkammer angebracht. Das Rotorelement umfasst einen zentralen Körperabschnitt mit einer ersten und einer zweiten axial entgegengesetzten Endfläche und einer Mehrzahl von darin ausgebildeten in Umfangsrichtung beabstandeten, sich radial erstreckenden Flügelschlitzen.
  • Es ist vorgesehen, dass jeder Flügelschlitz ein entsprechendes Flügelelement abstützt, welches für eine radiale Bewegung darin angebracht ist. Jedes Flügelelement hat eine radial äußere Endfläche, welche dazu ausgebildet ist, mit der Umfangsfläche des Pumpenhohlraums gleitend in Eingriff zu treten, und einen radial inneren Flügelunterabschnitt in jedem Flügelschlitz. Vorzugsweise besitzt die erste Endfläche des Körperabschnitts darin ausgebildete bogenförmige Kanäle, welche sich zwischen jedem Flügelschlitz erstrecken. Die bogenförmigen Kanäle stellen einen Weg für Hochdruckfluid bereit, um von dem Auslassbogensegment zu dem Einlassbogensegment des Pumpenhohlraums zu entweichen, wenn jede Flügelendfläche derart verschlissen ist, dass der Flügelunterabschnitt radial außerhalb der bogenförmigen Kanäle angeordnet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die bogenförmigen Kanäle von der Mittelachse um einen radialen Abstand beabstandet, wobei der radiale Abstand einen erlaubten Flügelendflächenverschleißwert definiert, welcher vorkommen kann, bevor Hochdruckfluid von dem Auslassbogensegment zu dem Einlassbogensegment des Pumpenhohlraums entweichen kann.
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft eine verstellbare Flügelzellenpumpe, welche ein Pumpengehäuse, ein Kurvenelement, ein Rotorelement, einen Leck- oder Auslaufweg und eine erste und eine zweite axial beabstandete Endplatte umfasst. Der Auslaufweg lässt Fluid von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen, wenn das Kurvenelement in einer Startposition ist und jeder Flügelunterabschnitt radial außerhalb des Auslaufwegs angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der Auslaufweg in der ersten Endfläche des Körperabschnitts des Rotorelements ausgebildete bogenförmige Kanäle umfasst, die sich zwischen jedem Flügelschlitz erstrecken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Damit Durchschnittsfachleute, für welche die vorliegende Anmeldung bestimmt ist, leichter verstehen, wie dieselbe herzustellen und zu verwenden ist, wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer verstellbaren Flügelzellenpumpe ist, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung konstruiert ist, welche ein Pumpengehäuse, ein drehbar gelagertes Kurvenelement und ein Rotorelement mit zugehörigen Flügelelementen umfasst;
  • 2 eine Seitenansicht im Querschnitt der Flügelzellenpumpe der 1 ist, welche die Art und Weise veranschaulicht, in welcher Fluid in der Pumpenkammer aufgenommen und aus dieser ausgelassen wird;
  • 3 eine Seitenansicht der Oberfläche der Endplatte der Pumpe der 1 ist, welche eine Reihe von darin ausgebildeten Kanälen und Ausnehmungen veranschaulicht;
  • 4 eine Querschnittsansicht des Rotors der 2 ist, wobei der Rotor bogenförmige Ausnehmungen oder Kanäle besitzt, welche in jedes Ende des Körperabschnitts zwischen benachbarten Flügelschlitzen eingeschnitten sind;
  • 5 eine Seitenansicht im Querschnitt des Rotorelements der Flügelzellenpumpe der 1 ist, welche die bogenförmigen Kanäle veranschaulicht, die in einem Ende des Rotors ausgebildet sind, um Hochdruckkraftstoff zu ermöglichen, zu der Niederdruckseite des Dichtungsbogens zu strömen, wenn ein vorher festgesetzter Flügelverschleißzustand erreicht wurde; und
  • 6 eine vergrößerte örtlich begrenzte Querschnittsansicht einer verstellbaren Flügelzellenpumpe im verschlissenen Zustand ist, in welchem Kraftstoff von der Hochdruckseite der Pumpenkammer zu der Niederdruckseite des Dichtungsbogens strömt.
  • Diese und andere Merkmale der Flügelzellenpumpe der vorliegenden Anmeldung werden leichter für Durchschnittsfachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offenbar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in welchen gleiche Bezugszahlen ähnliche strukturelle Aspekte des Gegenstands der Erfindung identifizieren, ist in 1 eine verstellbare Flügelzellenpumpe veranschaulicht, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstands der Anmeldung aufgebaut und allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Die Flügelzellen pumpe 10 umfasst ein Pumpengehäuse 12, welches eine Innenkammer begrenzt, die ein Kurvenelement 14 und ein Rotorelement 16 abstützt. Das Rotorelement 16 umfasst eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen 17. Jeder Schlitz ist so aufgebaut, dass er ein entsprechendes Flügelelement 18 abstützt. Das Kurvenelement 14 ist für eine Schwenkbewegung in dem Pumpengehäuse 12 um einen Drehzapfen 20 angebracht, welcher einen Drehpunkt begrenzt, um die Verdrängung der Flügelzellenpumpe 10 zu verändern. Das Kurvenelement 14 umfasst einen einstückigen Körper, welcher eine Bohrung 22 begrenzt, die eine Kurvenkammer ausbildet. Die kreisförmige Bohrung 22 definiert eine glatte kontinuierliche Umfangsfläche 24 des Pumpenhohlraums und ist im ständigen Kontakt mit den äußeren Endflächen 21 von jedem Flügelelement 18. Ein Hebel 25 erstreckt sich von dem Körper des Kurvenelements 14 aus und ist schwenkbar mit einem Betätigungskolbenaufbau 15 verbunden, um die Position des Kurvenelements 14 relativ zu dem Rotorelement 16 zu verändern.
  • Wie in 1 veranschaulicht, passt jedes Flügelelement 18 gut in einen entsprechenden Schlitz 17 und wirkt wie ein Kolben, während er während der Bewegung des Rotorelements 16 durch den Hochdruckauslassbogenbereich 62 (3) der Pumpenkammer radial nach innen gedrückt wird. Jeder Schlitz 17 hat einen radial inneren Hohlraum unter einem Flügel 19 (undervane cavity), welcher einen Bereich definiert, der für einen niedrigen Einlassdruck geöffnet ist, wenn das Flügelelement 18 in dem Einlassbogenbereich 60 (3) der Pumpenkammer ist, und für einen hohen Auslassdruck geöffnet ist, wenn das Flügelelement 18 in dem Auslassbogenbereich 62 der Pumpenkammer und den Dichtungsbogenbereichen 64a und 64b (3) der Pumpenkammer ist. Die Art und Weise, in welcher unter Druck stehendes Fluid zu dem Hohlraum unter einem Flügel strömt bzw. übertragen wird, wird nachfolgend detaillierter bezüglich 3 beschrieben.
  • Auf 2 Bezug nehmend umfasst die Flügelzellenpumpe 10 ferner einen Einlassbereich 50, um Niederdruckfluid in die Pumpenkammer hineinzulassen, und einen Auslassbereich 52, um Hochdruckfluid aus der Pumpenkammer auszutragen. Eine Hauptantriebswelle 32 erstreckt sich durch die Innenkammer des Pumpengehäuses 12 längs der Längsachse davon, um ein zentrales Wellenelement 34 anzutreiben. Das Wellenelement 34 ist zur Drehung durch gegenüberliegende Traglager 36a und 36b gelagert und ist mit dem Rotorelement 16 verkeilt, um diesem eine Drehbewegung zu erteilen.
  • In der Innenkammer angeordnete entgegengesetzte Seitenplatten 40 und 42 bilden einen abgedichteten Hohlraum zwischen dem Kurvenelement 14 und dem Rotorelement 16 aus und stellen eine Einlass- und eine Auslassöffnung für den Hohlraum bereit. Ein axiales Distanzstück 30 ist in dem Gehäuse 12 zwischen Seitenplatten 40 und 42 abgestützt und besitzt eine Dicke, welche etwas größer als die Dicke des Kurvenelements 14 ist. Dies erlaubt es, die Seitenplatten 40 und 42 fest gegen das Distanzstück 30 durch eine Mehrzahl von Schraubbefestigungsmitteln (nicht gezeigt) zu klemmen, während es erlaubt, dass schmale Spalten zwischen dem Kurvenelement 14 und den Seitenplatten bleiben, um eine Reibung zwischen diesen zu verringern oder zu beseitigen.
  • Nun auf 3 Bezug nehmend ist eine Oberfläche 44 der Seitenplatte 40 benachbart dem Rotorelement 16 angeordnet. Die 360 Grad-Pumpenkammer umfasst einen Einlassbogenbereich 60, einen Auslassbogenbereich 62 und Dichtungsbogenbereiche 64a und 64b, welche zwischen dem Einlassbogenbereich 60 und dem Auslassbogenbereich 62 angeordnet sind. Der Einlassbogenbereich 60 stellt den Abschnitt der Pumpenkammer dar, in welchem das zwischen benachbarten Flügelelementen (d.h. innerhalb der Zellen) enthaltene Volumen zunimmt und Niederdruckfluid in der Pumpenkammer aufgenommen wird. Der Auslassbogenbereich 62 ist der Abschnitt der Pumpenkammer, in welchem das zwischen benachbarten Flügelelementen enthaltene Volumen abnimmt. In den Dichtungsbogenbereichen 64a und 64b bleibt das Volumen im Wesentlichen konstant.
  • Wenn der Rotor 16 in der Pumpenkammer dreht, überträgt die dadurch erzeugte Zentrifugalkraft eine radial nach außen gerichtete Kraft auf jedes Flügelelement 18. Zusätzlich überträgt das in benachbarten Zellen enthaltene unter Druck stehende Fluid eine radial nach innen gerichtete Kraft auf jedes benachbarte Flügelelement 18. Oft sind die entgegengesetzten Kräfte, welche auf jedes Flügelelement 18 übertragen werden, nicht ausgeglichen. Als ein Ergebnis wird entweder das Flügelende 21 von jedem Flügel 18 einem übermäßigen Verschleiß infolge einer resultierenden radial nach außen gerichteten Kraft ausgesetzt, oder Fluid leckt bzw. entweicht aus den Zellen infolge einer resultierenden radial nach innen gerichteten Kraft. Dies verringert die Pumpenleistung. Ein idealer Pumpenbetriebszustand findet statt, wenn der auf die Flügelelemente ausgeübte Druck ausgeglichen ist und wenn die Flügelelemente in den in dem Rotor definierten Schlitzen "schwimmen". Dieser Zustand führt zu einem minimalen Verschleiß der Flügelspitzen und minimiert die Druckverluste, welche durch den mangelnden Kontakt zwischen den Flügelspitzen und dem Kurvenelement verursacht werden.
  • Die Pumpe 10 ist dazu ausgebildet und konfiguriert, den unausgeglichenen Flügelzustand zu korrigieren, indem auf den Flügelunterabschnitt 23 von jedem Flügelelement 18 Druck ausgeübt wird. Insbesondere wird Niederdruck aus dem Inneren jeder Zelle, welche den Einlassbereich 60 durchquert, dem Flügelunterabschnitt 23 des Flügelelements 18 innerhalb des Einlassbogenbereichs 60 zugeführt. Entsprechend wird der Flügelunterabschnitt 23 der Flügel, welche den Auslassbogenbereich 62 und die Dichtungsbogenbereiche 64a und 64b durchqueren, mit Hochdruck von den im Auslassbogenbereich 62 angeordneten Zellen versorgt. Der Druck, in der Form von unter Druck stehendem Fluid, wird von dem Einlassbogenbereich 60 und dem Auslassbogenbereich 62 dem Flügelunterabschnitt 23 von jedem Flügelelement 18 zugeführt durch in dem Rotorkörperabschnitt maschinell hergestellte Durch flußöffnungen und dadurch, dass Endplatten vorgesehen sind, welche darin ausgebildete Durchflusskanäle haben.
  • Auf die 4 und 5 Bezug nehmend, umfasst der Körperabschnitt 19 des Rotors 16 eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Durchflussöffnungen 84. Jede Durchflussöffnung 84 ist zwischen der Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten radialen Flügelschlitzen 17 vorgesehen und stellt einen Weg für Fluid bereit, um von dem Pumpenhohlraum zu Kanälen 66i und 66d (siehe 3) zu strömen, welche in der Endplatte 40 oder in beiden Endplatten 40 und 42 ausgebildet ist. Jede Durchflussöffnung 84 ist im Wesentlichen T-förmig und umfasst einen radialen Kanal 85 und einen axialen Kanal 86.
  • Dieses Merkmal ist vorteilhaft, da sich Fluid von der Zelle radial einwärts in jede Durchflussöffnung 84 gegen die durch die Drehung erzeugte Zentrifugalkraft bewegen muss, sodass das Fluid vor dem Eintritt in jede Durchflussöffnung 84 effektiv gefiltert wird. Darüber hinaus werden in dem Fluid in der Pumpenkammer enthaltene Feststoffe radial auswärts durch die Zentrifugalbewegung gedrückt, was schwebstofffreies Fluid an dem radial inneren Abschnitt der Zelle übrig lässt.
  • Nun auf 3 Bezug nehmend sind die bogenförmigen äußeren Kanäle 66i und 66d in der Fläche 44 der Endplatte 40 ausgebildet und sind jeweils durch die Durchflussöffnungen 84 des Rotorelements 16 in Fluidverbindung mit dem Einlass- und dem Auslassbogenbereich 60 und 62. Niederdruckfluid von dem Einlassbogenbereich 60 wird in dem bogenförmigen äußeren Kanal 66i aufgenommen und fließt dann radial einwärts durch Durchgänge 68a–e zu dem bogenförmigen inneren Kanal 69i. Die Durchgänge 68a–e und der innere Kanal 69i sind auch in der Fläche 44 der Seitenplatte 40 ausgebildet. Der innere Kanal 69i steht mit dem Flügelunterabschnitt von jedem Flügelelement 18, welches in dem Einlassbogenbereich 60 angeordnet ist, in Ver bindung.
  • In einer ähnlichen Weise wird auf der Auslassseite der Pumpenkammer Hochdruckfluid vom Inneren des Auslassbogenbereichs 62 von dem bogenförmigen äußeren Kanal 66d aufgenommen. Das Fluid strömt dann radial einwärts durch Durchgänge 67a–d zu einem bogenförmigen inneren Kanal 69d. Wie zuvor sind die Durchgänge 67a–d und der innere Kanal 69d jeweils in die Fläche 44 der Seitenplatte 40 maschinell eingearbeitet. Der bogenförmige innere Kanal 69d steht mit dem Flügelunterabschnitt von jedem Flügelelement 18, welches in dem Auslassbogenbereich 62 und den Dichtungsbogenbereichen 64a und 64b angeordnet ist, in Verbindung. Ein Fachmann würde ohne weiteres erkennen, dass die Anzahl an Kanälen und Durchgängen abhängig von der Konfiguration der Pumpe und den zugehörigen Betriebsdrücken verändert werden kann.
  • Die Übertragung von unter Druck stehendem Fluid durch die oben beschriebene Reihe von Öffnungen und Kanälen zu dem Flügelunterabschnitt von jedem Flügelelement dient dazu, die auf die Flügel übertragen Kräfte auszugleichen oder wenigstens sicherzustellen, dass eine resultierende radial auswärts gerichtete Kraft auf diese ausgeübt wird.
  • Wie oben erwähnt, ist einer der Nachteile, welcher mit der verstellbaren Flügelzellenpumpentechnologie verbunden ist, die Unfähigkeit, die Ausfallart vorherzusagen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Konstant-Zellenpumpen, welche nicht starten, wenn die Pumpenelemente ein vorbestimmtes Verschleißmaß erfahren haben, fallen herkömmliche verstellbare Flügelzellenpumpen ohne Warnung und oft katastrophal während eines Pumpenbetriebs aus.
  • Die Kraftstoffpumpe 10 ist dafür ausgebildet und konfiguriert, um die Ausfallart, welche normalerweise mit der verstellbaren Flügelzellenpumpentechnologie im Zusammenhang steht, zu einer zu ändern, welche im Wesentlichen der von Konstant-Zellenpumpen gleicht. Wie in den 4 und 5 veranschaulicht, sind eine Reihe von Leck- oder Auslaufwegen 87a und 87b in den Enden 92a und 92b des Körperabschnitts 19 des Rotorelements 16 ausgebildet. Diese Auslaufwege 92a und 92b erlauben es, dass in dem bogenförmigen äußeren Kanal 66d, dem bogenförmigen inneren Kanal 69d und den Durchgängen 67a–d enthaltener Hochdruck in den Niederdruckeinlassbogenbereich 60 strömt, wenn die Ventilelemente 18 derart verschlissen sind, dass der Flügelunterabschnitt 23 radial außerhalb der Auslaufwege 87a und 87b angeordnet ist.
  • Insbesondere tritt bei einer verstellbaren Flügelzellenpumpe der maximale Flügelüberstand vom Inneren des entsprechenden Schlitzes dann auf, wenn das Kurvenelement 14 in der dem Pumpenstart entsprechenden Position angeordnet ist, wie in 1 veranschaulicht. Wie dargestellt, ragen in der Pumpenstartposition die in dem Dichtungsbogenbereich 64a angeordneten Flügelelemente 18 maximal aus dem Inneren der Flügelschlitze 17 hervor. Wenn die Flügelzellenpumpe 10 neu und nicht verschlissen ist, verhindert der Flügelunterabschnitt 23 von jedem Flügelelement 18, dass Fluid in die Auslaufwege 87a und 87b strömt. Jedoch wird die radiale Position des Flügelunterabschnitts 23 von jedem Flügelelement 18 bezüglich der Auslaufwege 87a und 87b verändert, während die Flügelspitzen 21 infolge ihres Kontakts mit der Umfangsfläche 24 des Pumpenhohlraums verschleißen. Letztendlich verschleißen die Flügelelemente 18 in dem Ausmaß, dass der Flügelunterabschnitt 23 radial außerhalb der Auslaufwege 87a und 87b angeordnet ist und nicht länger Kraftstoff von den Auslaufwegen 87a und 87b abhatten kann. Infolgedessen beginnen die in dem Rotor 16 ausgebildeten Auslaufwege 87a und 87b, langsam Hochdruckkraftstoff zu der Niederdruckeinlassseite des Dichtungsbogens 64a strömen zu lassen.
  • Nun auf 6 Bezug nehmend sind die Flügelelemente 18 der Flügelzellenpumpe 10 in einem verschlissenen Zustand gezeigt. Während die Flügel elemente 18 verschleißen, geschieht es durch die in den Endplatten ausgebildeten Kanäle oder Ausnehmungen, dass der Hochdruck mit der Niederdruckseite der Pumpe in Verbindung steht. Während der Verschleiß weiter fortschreitet, wird diese Verbindung ausgeprägter und kräftiger. Letztendlich wird ein bestimmtes Auslaufniveau durch diesen Weg erreicht, sodass die Fähigkeit der Pumpe, einen ausreichenden Fluss bereitzustellen, um den Motor zu starten, verhindert wird und ein Start nicht erfolgen kann. Somit wird es notwendig, die Pumpe für eine Überholung auszubauen, bevor ein Punkt erreicht wird, wo ein Fehler infolge eines überlasteten Flügels droht und ein Hauptfehler kann vermieden werden.
  • Die Ausfallart beeinflusst nur die Fähigkeit des Motors, zu starten. Eine höhere Leckage während des Betriebs ist für das Überleben einer Mission nicht kritisch und daher besteht keine Gefahr, dass die zusätzliche Leckage den Motorbetrieb beeinträchtigen wird. Dieses Betriebsszenario ist identisch mit dem einer Konstantpumpe.
  • Die radiale Position der Auslaufwege 87a und 87b wird basierend auf der Konfiguration und der Größe der Pumpenkomponenten und der Materialeigenschaften der Flügelelemente festgelegt. Die Auslaufwegposition wird so ausgewählt, dass die oben beschriebene Ausfallart sichergestellt wird und katastrophale Betriebsfehler vermieden werden.
  • Es ist vorgesehen, dass die Durchlassverbindungen der Pumpe durch eine Reihe von Techniken erreicht werden können. Die Pumpenkonfigurationen können verschiedenartige Ausnehmungen in den Kurvenelementen, Seitenplatten und Rotoren verwenden, um verschiedene Drücke aus verschiedenen Gründen zu übertragen einschließlich, aber nicht auf diese beschränkt, Lagerschmierung, Druckausgleich und dgl. Die Erfindung verwendet Durchlassausnehmungen in dem Rotor, um eine kontrollierte und voraussagbare Ausfallart bereitzustellen, um so die Flügelzellenpumpe mit einer Zuverlässigkeit ähnlich der einer Konstantpumpe zu versehen.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute leicht verstehen, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (8)

  1. Flügelzellenpumpe, umfassend: ein Pumpengehäuse (12) mit einer zylindrischen Innenkammer, welche eine Mittelachse definiert, durch welche sich eine vertikale Mittellinie und eine horizontale Mittellinie erstrecken; ein Kurvenelement (14), welches für eine schwenkbare Bewegung in der Innenkammer des Pumpengehäuses (12) um einen Drehpunkt (20) angebracht ist, welcher nach der vertikalen Mittellinie der Innenkammer ausgerichtet ist, wobei das Kurvenelement (14) eine Bohrung (22) besitzt, welche sich durch dieses hindurch erstreckt und eine Umfangsfläche (24) eines Pumpenhohlraums definiert, wobei die Umfangsfläche (24) des Pumpenhohlraums ein Auslassbogensegment (62), ein Einlassbogensegment (60) und Dichtungsbogensegmente (64a, 64b) umfasst, welche das Einlassbogensegment (60) und das Auslassbogensegment (62) voneinander trennen; und ein zylindrisches Rotorelement (16), welches für eine Drehbewegung in der Bohrung (22) des Kurvenelements (14) um die Mittelachse der Innenkammer angebracht ist, wobei das Rotorelement (16) einen zentralen Körperabschnitt hat, welcher erste und zweite axial entgegengesetzte Endflächen (92a, 92b) und eine darin ausgebildete Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, sich radial erstreckenden Flügelschlitzen (17) hat, wobei jeder Flügelschlitz (17) ein entsprechendes Flügelelement (18) abstützt, welches für eine radiale Bewegung darin angebracht ist, und wobei jedes Flügelelement (18) eine radial äußere Endfläche (21) hat, welche dazu ausgebildet ist, mit der Umfangsfläche (24) des Pumpenhohlraums gleitend in Eingriff zu treten und einen radial inneren Flügelunterabschnitt (23) in jedem Flügelschlitz (17) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Endfläche (92a) des Körperabschnitts darin ausgebildete bogenförmige Kanäle (87a) besitzt, welche sich zwischen jedem Flügelschlitz (17) erstrecken, um einen Weg für Hochdruckfluid bereitzustellen, um von dem Auslassbogensegment (62) zu dem Einlassbogensegment (60) des Pumpenhohlraums zu entweichen, wenn jede Flügelendfläche (21) derart verschlissen ist, dass der Flügelunterabschnitt (23) radial außerhalb der bogenförmigen Kanäle (87a) angeordnet ist.
  2. Flügelzellenpumpe gemäß Anspruch 1, wobei die bogenförmigen Kanäle (87a) von der Mittelachse um einen radialen Abstand beabstandet sind, wobei der radiale Abstand einen Wert des erlaubten Flügelendflächenverschleißes definiert, welcher auftreten kann, bevor Hochdruckfluid von dem Auslassbogensegment (62) zu dem Einlassbogensegment (60) des Pumpenhohlraums entweichen kann.
  3. Flügelzellenpumpe gemäß Anspruch 1 und 2, ferner umfassend bogenförmige Kanäle (87a), welche in der zweiten Endfläche (92b) des Körperabschnitts des Rotorelements (16) ausgebildet sind, wobei sich die bogenförmigen Kanäle (92b) zwischen jedem Flügelschlitz (17) erstrecken.
  4. Flügelzellenpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umfangsfläche (24) des Pumpenhohlraums ein Auslassbogensegment (62) von etwa 150 Grad, ein erstes Dichtungsbogensegment (64a) von etwa 30 Grad, ein Einlassbogensegment (60) von etwa 150 Grad und ein zweites Dichtungsbogensegment (64b) von etwa 30 Grad umfasst.
  5. Flügelzellenpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine erste und eine zweite axial beabstandete Endplatte (40, 42), welche in der Innenkammer des Pumpengehäuses angeordnet sind, wobei jede Endplatte (40, 42) eine erste Fläche (44) besitzt, welche dem Rotorelement (16) benachbart ist, wobei jede erste Fläche (44) einen axialen Endabschnitt des Pumpenhohlraums ausbildet und wobei jede Endplatte (40, 42) von dem Rotorelement (16) derart beabstandet ist, dass eine reibungsfreie Drehung des Rotorelements (16) innerhalb des Pumpenhohlraums ermöglicht ist.
  6. Flügelzellenpumpe gemäß Anspruch 5, ferner umfassend Mittel, welche der ersten Fläche (44) von jeder Endplatte (40, 42) zugeordnet sind, um einen Weg für das Hochdruckfluid derart bereitzustellen, dass es von dem Pumpenhohlraum zu dem Flügelunterabschnitt (23) eines jeden Flügelelements (18) strömt, wenn jedes Flügelelement (18) das Auslassbogensegment (62) und die Dichtungsbogensegmente (64a, 64b) durchläuft, während das Rotorelement (16) um die Mittelachse dreht, und um einen Weg für das Niederdruckfluid derart bereitzustellen, dass es von dem Einlassbogenbereich (60) des Pumpenhohlraums zu dem Flügelunterabschnitt (23) eines jeden Flügelelements (18) strömt, wenn jedes Flügelelement (18) das Einlassbogensegment (60) durchläuft, während das Rotorelement (16) um die Mittelachse dreht.
  7. Flügelzellenpumpe gemäß Anspruch 5, wobei das Rotorelement (16) ferner eine Mehrzahl von im Wesentlichen axialen Fluiddurchgängen (86) umfasst, welche in dem zentralen Körperabschnitt des Rotors (16) ausgebildet sind, wobei jeder Durchgang (85) zwischen der Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten radialen Flügelschlitzen (17) angeordnet ist und einen Weg durch den Rotorkörper (16) für Fluid derart bereitstellt, dass es axial von dem Pumpenhohlraum zu der ersten und der zweiten Endplatte (40, 42) strömt.
  8. Flügelzellenpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Flügelzellenpumpe (10) dafür ausgebildet ist, Niederdruck dem Flügelunterabschnitt (23) der Flügelelemente (18) in dem Einlassbogensegment (60) zuzuführen und Hochdruck dem Flügelunterabschnitt (23) des Flügelelements (18) in dem Auslassbogensegment (62) zuzuführen.
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