JP2004522902A - 回転カムリングを有する可変容積形ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】ベーンの摩擦損失を解消し、且つ、ベーンをジャーナル軸受流体膜の小さい粘性抗力損失と置換することにより、ベーンポンプ１０の機械的損失を軽減する。自由に回転するカムリング７０は、ジャーナル軸受８０によって支持されている。比較的遅い摺動速度がカムリングとベーン２６との間に付与される。このことは、ベーン先端の速度限界値を上廻ることを心配せずにポンプが遥かに速い速度で作動することを許容することにより、より低廉で且つより脆弱でない材料を使用することを可能にする。

Description

【発明の背景】
【０００１】
本発明は、ポンプ、より具体的には、ジェットエンジン用の燃料ポンプ、計測供給装置及び制御装置にて特に使用される高速度ベーンポンプに関する。
現在のベーンポンプは、１つ又は２つ以上の静止すなわち非回転カムリングを使用している。ベーンの外側半径方向先端は、カムリングに沿って摺動する。しかし、リングは、ハウジングに対し自由には回転しない。静止カムリングは定容積形ポンプ内のポンプハウジングに剛性に固定されているか又はカムリングが可変の排出能力も提供し得るよう移動し又は枢動する。このように、当該技術分野の当業者に理解されるように、これら型式の定容積形ポンプは、典型的には、ポンプチャンバ内に受け入れられたロータの回転軸線に関し直径方向対向位置となるようにずらした位置に入口ポート及び出口ポートを有するステータすなわちハウジングを有している。複数の周方向に隔てられ且つ半径方向に延びるガイドすなわちベーンは、ロータから外方に延びている。ロータ軸線はハウジングチャンバの軸線に対しずらされ且つ平行であるため、これらの軸線のずらされた関係によって、回転中にベーンがロータに対し半径方向内方に及び外方に移動するようになる。
【０００２】
ベーンの外側先端は、カムリングに接触し、通常、６乃至１２の数である個々のベーンが接触する力は、カムリングに摩擦抗力を付与する。これらの抗力は、直接機械的な損失に変換され、その結果、ポンプの全体的な効率が低下することになる。多くの適用例において、これらの機械的抗力の損失は、流体を圧送する理論的動力を遥かに上廻る。
【０００３】
例えば、ジェットエンジンの環境内で使用されたとき、ベーンポンプは、これらベーンポンプが遭遇する高速度及び負荷ファクタのため、全体として耐久性及び摩耗抵抗性が大きい材料を使用する。これらの材料で製造された部品は、全体として製造コストが高くつき且つ極めて脆弱であるという欠点がある。例えば、ジェットエンジンにて使用されるベーンポンプ構成要素の好ましい材料として炭化タングステンが広く使用されている。炭化タングステンは、極めて硬い材料であり、ベーン、カムリング及び側板に特に適用される。しかし、炭化タングステンのコストは、例えば、スチールの約２．５倍であり、少しの欠陥及び過剰応力があっても、亀裂及び関連する問題が生じる可能性がある。更に、炭化タングステンのスチールに対する重量比は約１．８６であり、このため、これら型式の適用例にとって重量は１つの重要な考慮事項となる。このように、全体として耐久性及び摩耗抵抗性が大きいことは、炭化タングステンがベーンポンプの高速度及び負荷ファクタに適したものにするが、炭化タングステンに伴う重量、コスト及び高脆弱性であることは、全体コストを顕著に増大させる結果になる。
【０００４】
炭化タングステンのような特殊な材料を使用する場合でさえ、現在のベーンポンプは、回転速度の点でかなり制限される。この制限は、ベーン先端の摺動速度がカムリングに対して速いことに関係する。ベーンポンプにて広く使用されている炭化タングステンの場合でさえ、ポンプが１２，０００ＲＰＭ以上の高速度で作動することは極めて困難である。
【０００５】
ポンプ効率を向上させることは極めて望ましいことであり、また、ベーン型ポンプをその他の用途にて使用するためには、信頼性及び能力の向上と共に、効率の向上が望まれる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明によって、効率及び信頼性が向上し、改良されたガスタービン燃料ポンプが提供される。
より具体的には、ガスタービン燃料ポンプは、ポンプチャンバと、該チャンバと流体的に連通した入口及び出口とを有するハウジングを備えている。ロータがポンプハウジング内に受け入れられ、カム部材がロータを取り巻き且つハウジングに対し自由に回転可能である。
【０００７】
ポンプの作動中の機械的損失を軽減するため、ジャーナル軸受がカム部材とハウジングとの間に介在されている。
該ジャーナル軸受は、カム部材とハウジングとの間に画成された連続的な環状通路である。
【０００８】
ロータは、カム部材と接触した外側半径方向先端を有する、周方向に隔てられたベーンを含む。
該ポンプは、カム部材とロータとの間の偏心度を選択的に変化させ得るようにハウジング内で枢動可能に連結されたカムスリーブを更に有している。
【０００９】
ガスタービン燃料ポンプは、自由に回転するカム部材を採用していない従来のベーンポンプを越える、劇的に改良された効率を呈する。
該燃料ポンプはまた、選んだ構成要素を、適当に耐久性がある、低廉な材料で形成することができるため、低コストにて改良された信頼性を呈する。
【００１０】
改良された効率はまた、ポンプをより小型にし且つよりコンパクトにすることを可能にし、このことは、寸法が重要な特徴である特定の用途にて特に有益である。
本発明の更にその他の利点及び有利な効果は、以下の詳細な説明を読むことにより当該技術分野の当業者に明らかになるであろう。
【好ましい実施の形態の詳細な説明】
【００１１】
図面に示すように、ポンプ組立体１０は、内部に画成されたポンプチャンバ１４を有するハウジング１２を備えている。該ハウジング内には、ロータ２０が回転可能に受け入れられており、該ロータ２０は、該ロータをチャンバ内で回転させる軸２２に連結されている。半径方向に延びる一連の溝２４が、ロータの周りを外周方向に沿って、すなわち、周縁方向に沿って互いに隔てられており、該一連の溝２４は、ロータの外周から延びる、外側半径方向先端を有するブレードすなわちベーン２６を、作用可能な態様で受け入れる。ベーンの数は変更可能であり、例えば、図２に示した実施の形態には９つのベーンが図示されているが、本発明の範囲及び目的から逸脱せずに、異なる数のベーンを使用することができる。図２に最も良く示されているように、軸２２及びロータ２０の回転軸線は参照番号３０で示してある。選ばれたベーン群（図２に示した右側のベーン）は、ロータがハウジングのチャンバ内で回転するとき、残りのベーン群（図２の左側のベーン）程、大きくロータの外周から外方に延びない。ベーンがポンプチャンバ内でロータと共に回転し且つ一定量の流体を排出するとき、ベーンの各々の間に圧送チャンバが画成される。
【００１２】
図２を続けて参照すると、スペーサリング４０が、ハウジング内で剛性に連結されており且つ、ハウジングチャンバの内壁に隣接して隔てられた位置にてロータの周りに受け入れられている。スペーサリングは、平坦面又は平面状のカム転がり面４２を有し、且つ、回転防止ピン４４を受け入れる。該ピンは、ロータの周りに回転不能に受け入れられたカムスリーブ５０を枢動可能に受け入れる。第一及び第二のローブ（ｌｏｂｅ）又は作動面５２、５４が、典型的には回転防止ピンに対向する位置にてスリーブに設けられている。該ローブは、第一及び第二のアクチュエータ組立体５６、５８と協働して、カムスリーブ５０の位置を変化させる手段を画成する。該位置変化手段は、当該技術分野で周知の仕方にてポンプの行程距離すなわち容積を選択的に変化させる。例えば、アクチュエータ組立体の各々は、ピストン６０と、ばね６２のような偏倚手段と、閉鎖部材６４とを備えており、ピストンの後面に加えられた圧力に応答して、カムスリーブの作動ローブが選択的に移動するようにする。この選択的な作動の結果、ピン４４に隣接してスペーサリングの内面に沿って配置された、全体として平面状面すなわち平坦面６６に沿ってカムスリーブが転がり動作する。カムスリーブは円弧状動作ではなくて中心点が直線状に平行移動する動作をし、さもなければ組立体の密封領域内で生ずるであろう圧力変動を制限することが望ましい。このようにして、アクチュエータ組立体の１つが作動され且つカムスリーブ（図２）を移動させるとき、カムスリーブの中心は、軸及びロータ回転軸線３０から選択的にずらされる。カムスリーブ、作動面及び作動組立体のその他の詳細は、全体として、当該技術分野の当業者に周知であり、従って、本明細書にて更に説明する必要はないと考えられる。
【００１３】
ロータから延びる個々のベーン２６の外側先端が接触する平滑な内周壁７２を有する回転カム部材すなわちリング７０がカムスリーブ内に受け入れられている。カムリングの外側の平滑な周壁７４は、カムスリーブ５０内で自由回転可能な形態とされている。より具体的には、ジャーナル軸受８０が回転するカムリング７０をスリーブ内に支持する。ジャーナル軸受にはポンプ流体、この場合、ジェット燃料が充填され、静圧軸受又は動圧軸受或いはハイブリッドな静圧／動圧軸受を画成する。ベーンの外側先端と回転するカムリング７０との間に発生した摩擦力の結果、ロータとほぼ同一の速度で回転するカムリングとなるが、カムリングをロータと共に回転するように相互に係止する構造的構成要素が存在しないため、カムリングは、ロータに対し自由に回転する。リングはロータの速度よりも僅かに遅い速度、又はロータの速度よりも僅かに速い速度でも回転するが、流体膜軸受内の支持力／作用によってカムリングは、遥かに小さい粘性抗力を有することが理解されよう。カムリングの低粘性抗力は、周囲の静止リングに接触するベーンの摩擦損失に起因して既知のベーンポンプが示す大きい機械的損失に置き換わるものである。ベーンがカムリングと接触することに起因する抗力が直接、機械的損失に変換され、この機械的損失がポンプの全体的な効率を低下させることになる。カムリングは、カムスリーブ内でジャーナル軸受５０によってのみ支持されている。ジャーナル軸受は連続的な通路である。すなわち、カムリングの低粘性抗力により得られる有利な効果に悪影響を与えるであろう、ころ軸受、ピン等のような相互に接続する構造的構成要素は全く存在しない。例えば、満液式玉軸受は、ジャーナル軸受、特に、流体軸受としてポンプ流体を好ましいように使用するジャーナル軸受によって提供される改良された効率を示さない。
【００１４】
従来の適用例において、これらの機械的抗力の損失は、ジェットエンジンの燃料ポンプの多くの作動状態にて流体を圧送する機械的動力を遥かに上廻る可能性がある。その結果、これらベーンポンプの高速度及び負荷ファクタのため、大きい耐久性及び摩耗低下性を有する材料を使用することが必要であった。材料の重量及び製造コストは著しく大きく、材料は、また極めて脆弱性となるという欠点があった。これらポンプの回転速度はまた、カムリングに対するベーンの摺動速度が速いため、制限されていた。炭化タングステンのような特殊な材料を使用する場合でも、例えば、１２，０００ＲＰＭ以上のような高速度のポンプ作動は極めて困難であった。
【００１５】
ベーンとカムリングとの間の摩擦に起因するこうした機械的損失は、本発明にて、遥かに小さい粘性抗力損失にて置換される。これは、カムリングがロータベーンと共に回転する能力によるものである。カムリングとベーンとの間の摺動速度は相対的に遅くなり、このことは、製造メーカがより低廉で、より脆弱でない材料をポンプに使用することを可能にする。このことは、信頼性を向上させ、且つ先端速度の限界値を上廻ることを心配せずに遥かに速い速度でポンプを作動させることを可能にする。一方、より速い作動速度の結果、所定の流れを実現するのに要求される容積は少なくて済む。別言すれば、より小型で且つよりコンパクトなポンプが従来の大型のポンプと同様の流れ特性を提供することができる。ポンプはまた、色々なベーンポンプの機構のため広範囲な用途にて使用可能であろう。
【００１６】
図３には、ポンプチャンバへの入口及び出口を提供するロータの周りの入口及び出口ポートが特に示してある。第一及び第二の板９０、９２は、開口部９４、９６をそれぞれ有している。回転するベーンによってエネルギが流体に付与される。例えば、ジェット燃料は、高圧にて所望の下流の用途に圧送される。
【００１７】
図４に図示するように、作動組立体の何れも加圧されず、このためカムスリーブは、ベーンポンプの行程距離を変化させるように枢動しない。すなわち、これは、カムスリーブ５０がピン４４の周りで枢動する図２の場合と比較可能な図４の流れ無しの位置であり、このため、図面に示すように、ポンプの左四半部に沿ってカムスリーブとスペーサリング４０との間に緊密な隙間が画成される。このことは、カムスリーブの位置を変化させることにより実現される仕方にて可変容積の能力を可能にする。
【００１８】
好ましい配置において、ベーンは、炭化タングステンのような耐久性のある硬い材料で製造される。しかし、カムリング及び側板は、スチールのような低コストで耐久性のある材料で製造し、重量及び製造コストを削減し、高信頼性を許容するようにされる。勿論、所望であるならば、構成要素の全てを炭化タングステンのようにより高価で耐久性のある材料で製造し、しかも従来の装置に卓越する顕著な効率を実現することが可能であることが理解されよう。ジャーナル軸受を形成する流体としてジェット燃料を使用することにより、選ばれた構成要素に炭化タングステンを使用し、ポンプ組立体のその他の構成要素にスチールを使用するという利点を使用して有利な効果を得ることができる。このことは、ジェット燃料の構成要素を全てスチールで製造しなければならず、このため炭化タングステンを使用することに伴う有利な効果を得る機会を無くす、ジャーナル軸受流体として油又は同様の液圧流体を使用する場合と相違する。
【００１９】
好ましい実施の形態に関して本発明を説明した。勿論、上記の詳細な説明を読み且つ理解することにより改変例及び変更例が他の者に案出されよう。本発明は、特許請求の範囲又はその等価物の範囲に属する限り、かかる改変例及び変更例の全てを包含するものと解釈されることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】流体ポンプの１つの好ましい実施の形態の分解斜視図である。
【図２】図１の組み立てたポンプの断面図である。
【図３】組み立てたポンプの長手方向断面図である。
【図４】支持リングが第二の位置に配置された可変容積形ポンプを示す図２と同様の断面図である。

Claims (25)

1. ガスタービン燃料ポンプにおいて、
   ポンプチャンバと、該ポンプチャンバと流体的に連通した入口及び出口とを有するハウジングと、
   該ポンプチャンバ内に受け入れられたロータと、
   該ロータを取り巻き且つハウジングに対して自由に回転するカム部材と、
   ポンプの作動中、機械的損失を減少させるためカム部材とハウジングとの間に介在されたジャーナル軸受と、を備える、ガスタービン燃料ポンプ。
2. 請求項１の燃料ポンプにおいて、カム部材が、ロータがカム部材に対して自由に回転するのを許容する平滑な内周壁を有する、燃料ポンプ。
3. 請求項１の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受が、カム部材とハウジングとの間の連続的な環状通路である、燃料ポンプ。
4. 請求項１の燃料ポンプにおいて、ロータと相互に作用可能な関係にある、周方向に沿って互いに隔てられたベーンを更に備える、燃料ポンプ。
5. 請求項１の燃料ポンプにおいて、カム部材とハウジングとの間で半径方向に介在されたカムスリーブを更に備える、燃料ポンプ。
6. 請求項５の燃料ポンプにおいて、ポンプ出力を選択的に変更し得るようにハウジング内のカムスリーブの位置を変化させる手段を更に備える、燃料ポンプ。
7. 請求項５の燃料ポンプにおいて、カムスリーブとハウジングとの間で半径方向に介在されたスペーサリングを更に備える、燃料ポンプ。
8. 請求項７の燃料ポンプにおいて、カムスリーブが、カム部材とロータとの間のずれの程度を選択的に変化させ得るようにスペーサリングに枢動可能に連結される、燃料ポンプ。
9. 請求項１の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受が静圧軸受である、燃料ポンプ。
10. 請求項１の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受が動圧軸受である、燃料ポンプ。
11. 請求項１の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受がハイブリッドな静圧／動圧軸受である、燃料ポンプ。
12. ジェット燃料を供給源から１組の下流ノズルに供給するガスタービン燃料ポンプにおいて、
    ポンプチャンバと相互に作用可能な態様で連通した燃料入口及び燃料出口を有するハウジングと、
    ポンプチャンバ内に受け入れられたロータであって、ポンプチャンバを個別のポンプチャンバ部分に仕切る複数のベーンを有する前記ロータと、
    ロータの周りに受け入れられ、半径方向内面及び外面を有し、内面がベーンと摺動可能に係合するカムリングと、
    燃料入口と連通状態になるようにしてカムリングを取り巻くカムジャーナル軸受にして、これによりジェット燃料がカムリングに対するジャーナル軸受内の流体膜として機能するカムジャーナル軸受と、を備える、ガスタービン燃料ポンプ。
13. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受が動圧軸受である、燃料ポンプ。
14. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受が静圧軸受である、燃料ポンプ。
15. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受がハイブリッドな静圧／動圧軸受である、燃料ポンプ。
16. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、カムリングを取り囲み、その中心がロータの回転軸線から選択的にずらしたカムスリーブを更に備える、燃料ポンプ。
17. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、ジャーナル軸受が、カムリングとハウジングとの間の連続的な環状通路である、燃料ポンプ。
18. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、ロータと相互に作用可能な態様で関係している、互いに周方向に沿って隔てられたベーンを更に備える、燃料ポンプ。
19. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、カムリングとハウジングとの間で半径方向に介在されたカムスリーブを更に備える、燃料ポンプ。
20. 請求項１９の燃料ポンプにおいて、ポンプ出力を選択的に変更させ得るようにハウジング内のカムスリーブの位置を変化させる手段を更に備える、燃料ポンプ。
21. 請求項１９の燃料ポンプにおいて、カムスリーブとハウジングとの間で半径方向に介在されたスペーサリングを更に備える、燃料ポンプ。
22. 請求項２１の燃料ポンプにおいて、カムスリーブが、カムリングとロータとの間のずらし程度を選択的に変化させ得るようにスペーサリングに枢動可能に連結される、燃料ポンプ。
23. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、ベーンが炭化タングステンにて形成される、燃料ポンプ。
24. 請求項１２の燃料ポンプにおいて、カムリングが低コストの耐久性材料で形成される、燃料ポンプ。
25. 内部にロータを受け入れるポンプチャンバと、ロータを取り巻くカム部材とを有するハウジングを備えるガスタービン燃料ポンプの作動方法において、
    カム部材をジャーナル軸受を介してハウジング内に支持するステップと、
    ロータがカム部材に対して自由に回転するのを許容するステップと、を備える、ガスタービン燃料ポンプの作動方法。

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