JP4200919B2 - ギアポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ギアポンプに関するものである。

一般に、航空機等に用いられるジェットエンジン（ターボファンエンジン）の燃料供給システムは、燃料タンクからの燃料を昇圧部である燃料ポンプによって昇圧し、燃料計量機構によってその流量を決定し、その燃料をジェットエンジンにおけるエンジン燃焼器に送ると共に、余剰分の燃料を燃料ポンプの入口に送り返す構成となっている。

ここで、燃料ポンプとしては、従来、図３に示すようなギアポンプ１００が持ち入られており、この場合、エンジンから伝達された回転運動がエンジン補機としてのギアボックス（ＡＧＢ：accessory gear box）内の歯車を介してギアポンプを駆動する。このため、ギアポンプの吐出量は、エンジンの回転数に略比例するようになっている。
このようなギアポンプ１００によれば、ギアとケーシングの内壁面とによって形成される閉空間内に燃料を閉じ込めることによって昇圧することができる。

ところで、近年、このようなギアポンプ１００の代わりに三連式のギアポンプを燃料ポンプとして用いるという提案がなされている。この三連式のギアポンプは、駆動ギアを挟んで対向配置される２つの従動ギアを備えており、２つの従動ギアとケーシングとによって形成される閉空間に燃料を閉じ込めることによって昇圧する。このため、駆動ギアを低速回転させた状態であっても十分な吐出量を得ることができる。
市川常雄，「歯車ポンプ」，第５版，日刊工業新聞社，昭和４４年１月３０日 砂川恵，「革新航空技術開発に関する調査研究 Ｎｏ．１３０６」，社団法人 日本航空宇宙工業会 革新航空技術開発センター，平成１４年３月２９日

しかしながら、このような三連式のギアポンプにおいては、駆動ギアが２つの従動ギアによって挟まれているため、両側から均等に油圧を受けることとなり、駆動ギアと従動ギアとの間に隙間が生じてしまう。このため、駆動ギアと従動ギアとの間において、燃料が漏れ、ギアポンプの容積効率が低下するという問題が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、駆動ギアと従動ギアとの間における燃料のリークを防止することによって容積効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、駆動ギアを挟んで対向配置される２つの従動ギアを備える三連式のギアポンプにおいて、上記駆動ギアの歯数が上記従動ギアの歯数より多いという構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記駆動ギアのギア径は、上記従動ギアのギア径よりも大きいという構成を採用する。

第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記２つの従動ギアは、同じギア径でかつ同じ歯数を有するという構成を採用する。

第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、上記駆動ギア及び上記従動ギアは、インボリュート歯形の歯を有するという構成を採用する。

本発明に係るギアポンプによれば、駆動ギアの歯数が従動ギアの歯数より多いため、駆動ギアと従動ギアとの間をシールすることができ、駆動ギアと従動ギアとの間における燃料のリークを防止することができる。したがって、ギアポンプの容積効率を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係るギアポンプの一実施形態について説明する。

図１（ａ）は、本実施形態に係る三連式の燃料ポンプ２（ギアポンプ）の概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩ−Ｉ断面を示した図である。また、図２は、本実施形態に係る燃料ポンプ２を有する燃料供給システムの系統図である。

図２に示すように、本実施形態に係る燃料ポンプ２を備える燃料供給システムは、燃料ポンプ２の他に、燃料タンク１及び燃料計量機構３を備えており、ジェットエンジン４に接続されている。また、ジェットエンジン４は、エンジン燃焼器５及びファン６を備えており、このジェットエンジン４と燃料供給システムとの間には、燃料冷却オイルクーラ７が配置されている。

燃料タンク１はジェットエンジン４に供給するための燃料を貯留するタンクであり、この燃料タンク１の後段には、燃料ポンプ２が配置されている。燃料ポンプ２の後段には燃料計量機構３が配置されている。この燃料計量機構３は、例えば、航空機に備えられるスロットルレバーの位置等の情報が伝達されることによって、燃料の流量を決定し、この決定した流量に基づいて燃料ポンプ２から吐出された燃料の一部をジェットエンジンに供給すると共に、余剰分を燃料ポンプ２の入口に送り返すものである。

ここで、図１を参照して、本実施形態に係る燃料ポンプ２の構成について説明する。
燃料ポンプ２は、上述のように三連式のギアポンプであり、ジェットエンジン４（図２参照）等の駆動系から伝達された回転運動によって駆動力を得る駆動ギア２０と、当該駆動ギア２０を挟んで互いに対向する位置に配置される２つの従動ギア（第１従動ギア２１，第２従動ギア２２）とを備えている。

図１に示すように、第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２は、同じギア径でかつ同じ歯数を有しており、駆動ギア２０は、第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２の約２倍の径を有しかつ第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２の約２倍の歯数を有している。すなわち、駆動ギア２０の歯数が上記従動ギア２１，２２の歯数より多く、かつ、駆動ギア２０のギア径が従動ギア２１，２２のギア径よりも大きい構成となっている。これら、駆動ギア２０及び従動ギア２１，２２の歯形としては、インボリュート歯形が好適に用いることができるが、これに限るものではなく、例えば、平歯、はす歯、または、正弦曲線歯形やトロコイド曲線歯形でも良い。

従動ギア２１，２２は、それぞれケーシング２３内において駆動ギア２０に噛み合わされている。そして、第１吸込口２４と第２吸込口２５とからそれぞれ駆動ギア２０と従動ギア２１，２２との間に流れ込んだ燃料は、駆動ギア２０及び従動ギア２１，２２の回転に伴って従動ギア２１，２２とケーシング２３の内壁面とによって形成される閉空間に閉じ込められて昇圧された後に、第１吐出口２６と第２吐出口２７とまで各々移動して吐出される。すなわち、燃料ポンプ２は、駆動ギア２０と第１従動ギア２１とを主体とする第１昇圧部９と、駆動ギア２０と第２従動ギア２２とを主体とする第２昇圧部１０とを有する構造となっている。したがって、第１昇圧部９と第２昇圧部１０とは、駆動ギア２０の回転数に対する吐出量が同一となる。

第１吸込口２４と第２吸込口２５とには各々燃料タンク１（図２参照）から延びる第１吸込ライン２８と第２吸込ライン２９とが接続されており、第１吐出口２６と第２吐出口２７とには各々燃料計量機構３（図２参照）から延びる第１吐出ライン３０と第２吐出ライン３１とが接続されている。また、第２吸込ライン２９の途中部位には、第２吸込ライン２９から第１吸込ライン２８への逆止弁３２が配置されている。なお、第１吸込ライン２８と第２吸込ライン２９とは、後述する燃料計量機構３から吐出された余剰分の燃料が流通する余剰ライン（図１においては不図示）が接続されている。

また、駆動ギア２０、第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２は、各々ジャーナルベアリング等の原動軸受３６、第１軸受３７及び第２軸受３８によって回転自在に支持され、各軸受３６，３７，３８は、各々が各ギアの一方の側面側に固定配置される固定側板３６ａ，３７ａ，３８ａと、各ギアの他方の側面側に軸方向へ可動に設置された可動側板３６ｂ，３７ｂ，３８ｂとを備えている。そして、燃料ポンプ２は、可動側板３６ｂ，３７ｂ，３８ｂの高圧受圧面３６ｃ，３７ｃ，３８ｃと低圧受圧面３６ｄ，３７ｄ，３８ｄに燃料等の流体の圧力を作用させることによって可動側板３６ｂ，３７ｂ，３８ｂをギアの側面に押し付けてシールを行うようになっている。

図２に戻り、燃料計量機構３は、上述の燃料ポンプ２の後段に配置されており、燃料ポンプ２によって昇圧された燃料を所定量ジェットエンジン４に供給するものである。この燃料計量機構３は、例えばスロットルレバーの位置等の情報が伝達され、この情報に応じてジェットエンジン４に供給する燃料の量を決定する。なお、図示するように、燃料計量機構３は、ジェットエンジン４に供給しない余剰分の燃料を余剰ラインを介して再び燃料ポンプ２に供給する。

燃料冷却オイルクーラ７は、燃料とエンジン潤滑油（オイル）とを熱交換する熱交換器であり、燃料計量機構３とジェットエンジン４との間に配置されている。
ジェットエンジン４は、上述のようにエンジン燃焼器５及びファン６を備えており、燃料冷却オイルクーラ７を介して供給される燃料をエンジン燃焼器５において燃焼させ、この燃焼によって得られるエネルギを用いてファン５を駆動することによって回転動力を得るものである。

次に、このように構成された本実施形態に係る燃料ポンプ２を備える燃料供給システムの動作について説明する。

まず、燃料タンク１に貯留された燃料が燃料ポンプ２に供給される。この際、燃料は、第１吸込ライン２８及び第２吸込ライン２９を介して燃料ポンプ２の第１吸込口２４及び第２吸込口２５に供給される。第１吸込口２４に供給された燃料は、駆動ギア２０の回転に伴って回転する第１従動ギア２１の回転によって、第１従動ギア２１とケーシング２３の内壁面とによって形成される閉空間に閉じ込められて昇圧された後、第１吐出口２６を介して燃料ポンプ２から吐出される。また、第２吸込口２５に供給された燃料は、駆動ギア２０の回転に伴って回転する第２従動ギア２２の回転によって、第２従動ギア２２とケーシング２３の内壁面とによって形成される閉空間に閉じ込められて昇圧された後、第２吐出口２７を介して燃料ポンプ２から吐出される。

したがって、第１及び第２吐出口２６，２７の燃料は、第１及び第２吸込口２４，２５の燃料よりも高圧状態とされる。このため、駆動ギア２０と第１従動ギア２１との間、また、駆動ギア２０と第２従動ギア２２との間に隙間がある場合には、第１吐出口２６の燃料が第１吸込口２４にリークし、第２吐出口２７の燃料が第２吸込口２５にリークする。しかしながら、上述のように、本実施形態に係る燃料ポンプ２は、駆動ギア２０が第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２の約２倍の径を有しかつ第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２より多くの歯数を有している。このため、第１及び第２従動ギア２１，２２が従来のギアポンプと比較して増速されることから、本実施形態に係る燃料ポンプ２の駆動ギア２０、第１従動ギア２１及び第２従動ギア２２の歯幅を従来のギアポンプより減少させることができる。したがって、従来のギアポンプより歯先の面積を減少させることができ、駆動ギア２０と第１従動ギア２１との間、また、駆動ギア２０と第２従動ギア２２との間における燃料のリークを抑止することが可能となる。
また、この他に、駆動ギア２０とケーシング２３の内壁面との間に隙間がある場合には、第１吐出口２６の燃料が第２吸込口２５にリークする。しかしながら、本実施形態に係る駆動ギア２０は、従来の従動ギアと比較して２倍程度の歯を有しているため、駆動ギア２０とケーシング２３の内壁面との間の圧損が高くなり、第１吐出口２６の燃料が第２吸込口２５にリークすることをも防止することができる。

なお、駆動ギア２０と従動ギア２１，２２との間の燃料のリークは、駆動ギア２０の歯数が従動ギア２１，２２の歯数であるＮ枚からＮ＋Ｍ枚に増えることによって、（Ｎ／（Ｎ＋Ｍ））^０．５に減少する。したがって、理論的には、駆動ギア２０の歯数を増やせば増やすだけ燃料のリークが減少するが、駆動ギア２０の歯数を増やすと駆動ギア２０の径も大きくなってしまい、燃料ポンプ２が大型化してしまう。このため、経験的に、駆動ギア２０の歯数は、従動ギア２１，２２の２倍程度であることが好ましい。
また、駆動ギア２０の径を大きくすることによって、従来と同様の回転数であっても、燃料の流量をより多くすることができる。また、逆に、燃料の流量を従来同様とする場合には、ギアの歯幅をＮ／（Ｎ＋Ｍ）とすることができ、さらにリークをさせることが期待できる。

このように、本実施形態に係る燃料ポンプ２は、高圧側から低圧側への燃料のリークを防止することができるため、燃料ポンプの容積効率を向上させることが可能となる。

そして、このような燃料ポンプ２によって高圧化された燃料は、第１吐出ライン３０及び第２吐出ライン３１を介して燃料計量機構３に吐出される。そして、燃料は、燃料計量機構３において、その一部が所定量としてジェットエンジン４に向けて吐出され、残りが余剰分として解圧された後に燃料ポンプ２に送り戻される。

続いて、燃料供給システム（燃料計量機構３）からジェットエンジン４に向けて吐出された燃料は、燃料冷却オイルクーラ７において、ジェットエンジン４に用いられるオイルと熱交換した後に、ジェットエンジン４の燃焼器５に供給される。そして、燃料は、エンジン燃焼器５において燃焼され、この燃焼によるエネルギによってファン６が駆動され、回転動力となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るギアポンプの好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態において、燃料ポンプ２を一構成として有する燃料供給システムを例にとって説明した。しかしながら、本発明に係るギアポンプは、このような燃料供給システムに備えられているギアポンプに限定されるものではなく、液体を昇圧して吐出する全ての三連式ギアポンプに適用することが可能である。

また、上記実施形態において、エンジン潤滑油（オイル）の冷却を燃料のみによっておこなった。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、ファン６からの空気の一部をオイルを冷却する抽気空気として用いることによって、さらにオイルを冷却しても良い。

本発明の一実施形態に係る燃料ポンプ２の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料ポンプ２を有する燃料供給システムの系統図である。 従来の燃料ポンプ１００の概略構成図である。

符号の説明

１……燃料タンク
２……燃料ポンプ（ギアポンプ）
３……燃料計量機構
４……ジェットエンジン
５……エンジン燃焼器
６……ファン
７……燃料冷却オイルクーラ
２０……駆動ギア
２１……第１従動ギア（従動ギア）
２２……第２従動ギア（従動ギア）

Claims (2)

1. 駆動ギアを挟んで対向配置される２つの従動ギアを備える三連式のギアポンプにおいて、
   前記駆動ギアの歯数が前記従動ギアの歯数より多く、前記駆動ギアのギア径が前記従動ギアのギア径よりも大きく、かつ、２つの従動ギアが同じギア径で同じ歯数を有し、
   前記駆動ギアの歯数は、駆動ギアの歯数（Ｎ＋Ｍ）、従動ギアの歯数（Ｎ）及び前記駆動ギアと前記従動ギアとの間のリーク量の減少量の関係式である下式（１）に基づいて設定されている
   ことを特徴とするギアポンプ。
   （駆動ギアと従動ギアとの間のリーク量の減少量）＝（Ｎ／（Ｎ＋Ｍ）） ^０．５ ……（１）
2. 前記駆動ギア及び前記従動ギアは、インボリュート歯形の歯を有することを特徴とする請求項１記載のギアポンプ。

Images