JP4348043B2 - ガスタービンのための燃料ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願は、燃料供給システムに関し、特に、ガスタービンエンジンに連結して使用する燃料ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料供給システムは、貯蔵タンクすなわち油タンクからエンジンに燃料を送る燃料ポンプを使用している。飛行機で使用されるガスタービンエンジンは、燃料を高圧で供給する燃料ポンプを必要とする。エンジンが燃料タンク上の数ヒート地点に配置されるヘリコプターのような幾つかの飛行機においては、油タンクから燃料ポンプの入口に相対的に低圧な燃料を供給することになる。結果として、飛行機に使用される燃料ポンプは、所望された高圧で燃料を供給しながら低圧入口状態で動作しなければならないことになる。
【０００３】
飛行機燃料供給システムにおいて所望の性能を達成するため、メイン燃料ポンプに連結させる入口圧力ブーストポンプの技術改良が行われてきた。典型的には、メイン燃料ポンプは、ギアポンプのような高圧ポンプである。メイン燃料ポンプは、入口ブーストポンプからの燃料を受けて、ガスタービンエンジンに高圧燃料を供給している。ブーストポンプは、供給油タンクすなわち燃料タンクから燃料を受ける低圧ポンプであり、燃料の圧力を増大し、メイン燃料ポンプの入口に燃料を排出する。ブーストポンプの機能は、ブーストポンプが低い有効吸込圧力（Net Positive Suction Pressure : NPSP）と高い蒸気液体比（Vapor to Liquid : V/L）のうちの少なくとも一方を満たすような良くない入口状態に従事していても、高圧ポンプを適切に変化させることである。
【０００４】
ＮＰＳＰとは、燃料すなわち流体の最下部におけるポンプ入口の液体の絶対圧力に、速度水頭をたして、ポンプ温度での流体の蒸気圧を引いた後、水平ポンプの場合にはポンプの中心線の仰角（elevation）を補正し、垂直ポンプの場合には羽根車の入口を補正したものである。
【０００５】
ＮＰＳＰ_requiredはポンプ生産者によって決定されるポンプ速度とポンプ容積の関数である。ＮＰＳＰ_availableは、ポンプ入口での蒸気圧を超える流体のエネルギーレベルを示し、少なくとも以下に示す抵抗の総和と同等でなければならない：（１）ポンプ室での液体の蒸気圧；（２）液体レベルがポンプレベルよりも下のときには吸込揚力（suction lift）；（３）吸込バルブを持ち上げると共に、そのバネの抵抗に打ち勝つのに必要な圧力；（４）吸込パイプラインでの液体摩擦；（５）吸込パイプラインで液体を加速するのに必要な力；および（６）ポンプでの圧力損失。動作状態でＮＰＳＰ_availableが少なくともＮＰＳＰ_requiredと同等でなければ、空洞現象（cavitation）が起きることになるだろう。Ｖ／Ｌ比とは、二相の入口流れに一致するものであり、蒸気圧と液体燃料の比と同等である。
【０００６】
固定翼飛行機では、典型的な最小ＮＰＳＰ値は、５.０psidであり、最大Ｖ／Ｌ比の値は、０.４５である。インデューサと遠心インペラを有する単純なブーストポンプデザインは、しばしばこれらの要求を満足する。
【０００７】
最近では、この明細書にリファレンスとして組み込まれているが、コネチカット州ウエストハートフォード（West Hartford,CT）のチャンドラーエバンス制御システム（Chandler Evans Control Systems）によって製造されているモデルＥＭＣ−９１ブーストステージポンプまたは米国特許番号４,８０４,３１３に示されている同様のポンプのようなサイドチャネルポンプが、飛行機の燃料供給システムにおけるブーストポンプとして使用されている。というのは、これらのポンプは、これらの要求される応用物に適した性能、サイズおよび重量特性等を有しているからである。特に、サイドチャネルポンプは、低いＮＰＳＰおよび高いＶ／Ｌ比のような不都合な入口状態のもとでも良く機能する。加えて、サイドチャネルポンプは、自己呼び水（self-priming）式である。したがって、それらは、ポンプ効率または流体圧に不都合な効果を及ぼさず、大きな気泡を汲み上げることができる。気泡は、燃料タンク上約６フィートにエンジンを配置した結果として、ヘリコプター応用物（helicopter application）における一般的な問題となっている。
【０００８】
しかしながら、最新式のヘリコプター応用物では、ブーストポンプの必要性が増大し、気泡が混ざった流れ、および、１２インチぐらいの気泡を含んだ液体と気体が混ざった代わりの流れを扱うポンプを必要としている。これは、１.０psid位の低さのＮＰＳＰおよび１.０位の高さのＶ／Ｌ比に一致している。これらの必要性は、従来のチャネルポンプで実現できるけれども、性能がいいかは別問題であり、実現したとき、性能マージン（performance margin）をほとんど得ることができない。
【０００９】
従来のサイドチャネルポンプの動作は、この技術に精通している人には良く理解されている。一般的に、軸方向に燃料の流れをインペラ−の中に方向づけるサイド入口ポートを通じて燃料をポンプ室に流入させる。そして、室内でのインペラの回転は、外力による渦流をそこに作り出す。典型的には、二つのサイドチャネルが、０°で中心に配置されると共に、弓形状に形づくられてロータ室に隣接する。この弓の内部では、円運動している流れがチャネルに流入して、螺旋でドーナツ形の流れになる。結果として、流体は、内部領域から排出領域の経路上で数回インペラ回転翼を通過する。回転翼を介した流体の各通過は、従来の圧力生成段階とみなされる。それゆえに、多段ポンプ（multi-stage pump）における同等な圧力上昇を、ロータの一回転ごとに実現できる。
【００１０】
サイドチャネルポンプのようなポンプ要素の性能を最大限にするためには、実現可能な最も低い速度の燃料をポンプ要素に流入させることが重要である。一般的に、ポンプロータまたはインペラのような回転要素の角速度は、回転中心からの距離に直接比例しており、回転しているインペラ回転翼の最も小さい角速度は、回転翼の土台部分であり、最も大きい速度は、回転翼の先端で実現される。
【００１１】
上記のように、従来のサイドチャネルポンプは、ポンプハウジングの側面に配置されると共に、回転軸に平行な入口ポートを介して燃料を軸方向に供給する。したがって、供給される燃料は、ポートと回転中心の間の距離に比例した速度で回転翼を通過することになる。このことは、特に、入口ポートの最外径の高い回転翼速度によってＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ特性を下げる結果となる。
【００１２】
従来のサイドチャネルポンプのデザインに関する他の問題は、インペラの形状が性能の観点からみて、最適なものより小さいことである。特に、サイドチャネルポンプは、一般的に、ほとんどの部分が二次元でインペラの回転方向に対して軸方向に垂直に配置されているパドルホイールタイプのインペラ、すなわち、回転翼を有するインペラを利用している。この回転翼のタイプは、概して製造するのが簡単であるという理由によって選択されている。しかしながら、ＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ特性は、回転翼表面と入口流体の流れの方向の入射角に依存して、パドルホイールの性能は、最適なものより小さくなる。というのも、サイドポートを通じてポンプ室に軸方向に流入する流れは、回転翼に対して角度配置されていないからである。
【００１３】
これらの問題に対応するために、幾つかのＮＰＳＰおよびＶ／Ｐ特性の改良が、回転翼を持ったインペラを有すると共に、回転方向に対してある角度に向けられたサイドチャネルポンプにされており、部分的には入射角問題が修正されている。しかしながら、これらのデザインは、製造するのが困難で高くつくという理由で一般的なものではない。
【００１４】
従来のサイドチャネルポンプ形状における他の問題は、所望の入口流れ率と相関関係にある入口ポートのために要求される径方向の空間、および、サイドチャネルが、しばしば利用できる径方向の空間よりも大きくなるということである。結果として、ポンプデザインは、入口ポートとサイドチャネルの内の少なくとも一方のサイズが最適値よりも小さくなることを余儀なくされ、その結果ポンプ性能が下がることになる。
【００１５】
上記のように、燃料ポンプの性能を最大にする要求は、飛行機の性能を犠牲にすることなしに、航空宇宙産業での軽量でコンパクトなデザインを実現する目的と一緒にされる。サイドチャネルポンプが燃料供給システムに使用されるか、または、他の緊密な空間ポンプデザインが選択されれば、インペラと入口ポートとの間の軸方向の間の空間およびインペラとロータハウジングの間の径方向の空間の両方を最小化することによってポンプ性能を改良することができる。入口ポートとインペラ回転翼の間の空間は決定的なものであり、漏れる経路をなくすために最小化されなければならない。これらの空間は、典型的には、二つの軸方向のスラスト軸受によって制御される。また、漏れる経路をなくすのに決定的なものは、インペラとポンプハウジングの間の軸方向の隙間である。標準的なポンプデザインでは、ロータの各々の端に配置される二つの大きなジャーナル軸受を使用する。これらの配置は、ロータの重量、および、二つの軸受の間の汲み出し動作によって生成される力を均等に分配する。ポンプハウジング内のロータの配置は、ジャーナル軸受の内径とロータ軸の外径の間の径方向の隙間によって制御される。ロータはこれらの隙間内で自在に動くことができる。
【００１６】
ほとんどの回転ポンプの応用では、摩擦や曲げによる圧力損失を最小化するために、入口領域を最大化している。結果として、入口はジャーナル軸受の内側に収容されなければならないので、ジャーナル軸受が大型化する傾向がある。これらの大きな軸受は、中心に供給する装置の入口での径方向の空間を最小化する必要性と矛盾する大きな空間を必要とする。ロータ要素は、典型的にはジャーナル軸受の隙間内に存在しているので、入口とロータの間の隙間は、大部分が軸受の隙間と同等である。
【００１７】
加えて、述べたように、従来のサイドチャネルポンプは、中心軸から偏心したポンプハウジングの側に配置された軸方向の排出ポートを利用している。サイド排出ポートは、メインポンプまたはエンジンに案内する燃料ラインに接続される。中心排出ポートを備えることができるならば、ポンプの空間必要性をかなり低減することができる。
【００１８】
それゆえに、燃料がインペラ回転翼に接触する速度と入射角を減じることによって、ＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ特性をコスト有効性良く改良する新しい燃料ポンプ配置の必要性が存在し、それによって最新式の燃料供給システムで利用できる性能マージン（performance margin）が増大する。また、インペラと入口ポートの間の軸方向の隙間、および、インペラとロータハウジングの間の径方向の隙間の両方を最小化することによって、漏れ損失を減じて飛行機の汲み出し要素の性能を最大にする燃料ポンプデザインの必要性が存在している。
【００１９】
【発明の概要】
この出願は、ガスタービンエンジンのための新しくかつ有益な燃料ポンプに関し、特に、内部室と排出ポートを持ったポンプハウジングと、内部室に回転自在に取り付けられるロータ部材と、ポンプハウジングの内部室に流体を供給するポンプハウジングに支持された入口支柱部材とを有するサイドチャネル燃料ポンプに関する。
【００２０】
ポンプハウジングの内部室には、ポンプの中心軸と、この中心軸の周りに延びる外側で対向する弓形のチャネルとが通っている。内部室内に配置されたロータ部材は、周方向に離間して配置される径方向のベーン要素を持った主要な本体部を有し、各ベーン要素は、径方向の内側の土台部分と径方向の外側の先端部分を有している。また、ロータ部材は、内部室内にロータ部材を支持するための取り付け部を有する。
【００２１】
入口支柱部材は、互いに対向する第１および第２端部を有し、第１端部に取り付けられる入口ポートと第２端部に取り付けられる径方向の排出ポートの間に延びる入口通路を画定する。運転中に、流体は入口通路の中に流入し、ポンプハウジングの内部室のベーン要素の土台において径方向に第１の圧力で供給される。流体が内部室に流入すれば、内部室内のロータ部材の回転で流体の圧力が増大し、流体はポンプハウジングの排出ポートを介して第２の圧力で内部室を流出する。
【００２２】
好ましくは、ポンプハウジングの排出ポートは、内部室から軸方向に延び、ポンプの中心軸から偏心している。加えて、燃料ポンプは、内部室内でロータ部材を支持してロータ部材の位置を維持する三つの軸受を備える。上記軸受は、ロータ部材の径方向の位置を維持する取り付け部材と動作可能に結び付けられるジャーナル軸受と、ロータ部材の軸方向の位置を維持する第１および第２の軸方向のスラスト軸受である。
【００２３】
この出願の燃料ポンプは、ポンプハウジングの内部室内に配置されると共に、第１の軸方向のスラスト軸受をロータ部材の方へ付勢する周方向の付勢手段を更に備え、ロータ部材のハウジング内での静的な釣り合いと、ロータ部材の軸方向の位置の調整とを促進していることを心に抱いておくべきである。一実施形態では、周方向の付勢手段は、環状のウエーブワッシャを備えている。このウエーブワッシャは、所望の堅さや性能の調整のために平たくする正弦波のまたは先細りの断面を有することができる。代わりに、周方向の付勢手段は、複数の螺旋バネを備えても良い。周方向の付勢手段は、周方向の付勢手段の付勢力を調整する少なくとも一つの詰め木（詰め金）要素を更に有しているということを心に抱いておくべきである。
【００２４】
一実施形態では、燃料ポンプは、ポンプハウジングの内部室に軸方向に動作可能に取り付けられる環状の板部材を更に備える。この板部材は、ロータ部材の主要な本体部と第１の軸方向のスラスト軸受の間に配置され、流体の流れをポンプハウジングの内部室内に制限している。
【００２５】
この発明の一実施形態では、入口支柱部材は、初期の締まり嵌め（initial close clearance fit）が入口支柱とロータの間に存在するような寸法と形状を有する。ポンプの試運転の期間中、ロータは、上記二つの構成要素の間に運転隙間（running clearance）を生成するように、入口支柱部材の外面を機械加工する。したがって、ロータは、入口支柱上に支持されず、むしろ軸方向のスラスト軸受によって軸方向に支持される。
【００２６】
また、この出願は、ポンプの中心軸と排出ポートとが存在する内部室を持ったポンプハウジングを有する燃料ポンプに関する。内部室には、中心軸の周りに延びると共に、外側で対向する弓形のチャネルが通っている。燃料ポンプは、内部室内に回転自在に取り付けられると共に、周方向に離間して配置された径方向のベーン要素を持った主要な本体部を有するロータ部材を備える。また、ロータは、内部室内でロータ部材を支持すると共に、内部室内に延びる軸方向の排出通路を有する取り付け部を備える。
【００２７】
この実施形態では、入口支柱部材がポンプハウジング内に支持されていることを心に抱いておく必要がある。入口支柱部材は、対向する第１および第２端部を有し、入口通路および出口通路を画定する。この実施形態では、入口通路は、第１端部に形成された入口ポートと、第２端部に形成された径方向の排出ポートの間を延びている。この実施形態では、出口通路は、第２端部に接続されて径方向の入口ポートと軸方向の排出ポートの間を延びている。以前に開示された実施形態と同様な方法で、入口ポートから流体を流入させて、第１の圧力でポンプの内部室に径方向に供給する。そして、ポンプの内部室の中で流体の圧力が増大する。ロータ部材は、内部室内の流体の圧力を増大させる。この実施形態に特有なものではないが、流体は入口支柱部材に接続された出口通路を通じて第２の圧力でポンプハウジングを流出する。
【００２８】
一つのジャーナル軸受がロータの取り付け部に動作可能に係合させられ、第１および第２の軸方向のスラスト軸受が、周方向の付勢手段に沿ってロータ部材の軸方向の位置を維持するためにポンプハウジングの内部室内に配置されていることをこころに抱いておく必要がある。
【００２９】
この出願は、更に内部室と排出ポートを有するポンプハウジングに関し、内部室にはポンプの中心軸が通っている。ロータ部材は、中心軸に対し内部室内に回転自在に取り付けられており、ロータ部材は、周方向に離間して配置された径方向のベーン要素を持った主要な本体部と、内部室内でロータ部材を支持する取り付け部とを有する。ジャーナル軸受は、ハウジング内でロータ部材を支持する取り付け部に動作可能に結び付けられ、第１および第２の軸方向のスラスト軸受は、ポンプハウジングの内部室内に配置されて、ポンプハウジングの内部室内でロータ部材の軸方向の位置を維持している。周方向の付勢手段は、ポンプハウジングの内部室に配置されて、ポンプハウジング内での力の静的な均衡を促進するために第１の軸方向のスラスト軸受をロータ部材の方に付勢している。
【００３０】
加えて、この出願は、内部室と排出ポートとを有するポンプハウジングに関する。インペラは、ポンプハウジングの内部室内に回転自在に取り付けられている。上記インペラは、主要な本体部と、内部室内でインペラを支持する片持ちの円筒形状の拡張部分とを有する。片持ちの円筒形状の拡張部分は、それを通じて延びる軸方向の排出通路を有する。入口支柱部材は、ポンプハウジング内に支持されており、入口通路と出口通路を夫々形成すると共に、互いに対抗している第１および第２端部を有する。ジャーナル軸受は、ハウジング内でインペラを支持する片持ちの円筒形状の拡張部分に動作可能に結び付けられている。加えて、第１および第２の軸方向のスラスト軸受を、インペラを支持するためにポンプハウジングの内部室内に配置する。好ましくは、環状のウエーブワッシャを、第１の軸方向のスラスト軸受をインペラの方へ付勢するためにポンプハウジングの内部室内に配置して、インペラの片持ちの拡張部分によって与えられる曲げモーメントを元に戻して、ポンプハウジング内での静的な釣り合いを容易に達成する。また、少なくとも一つの詰め木（詰め金）要素を、ウエーブワッシャの付勢力を調整するために備える。
【００３１】
この技術に精通している人は、この出願の公開が、速度および燃料がインペラ回転翼に接触する範囲を減じることによって、ＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ特性を改良する新しい燃料ポンプ配置を提供し、それによって最新式の燃料供給システムにおける性能マージン（performance margin）が増大することを容易に理解できるだろう。また、この公開は、もれの損失を低減するポンプ配置を提供し、インペラとロータハウジングの間の径方向の隙間、および、インペラと入口ポートの間の軸方向の隙間の両方が最小になることによって、飛行機ポンプ要素の性能が最大になる。
【００３２】
ここで公開されるポンプ特有のこれらのおよび他の特徴は、以下の記述、添付された図および添付された請求項から容易に明らかになるだろう。
【００３３】
【発明の実施の形態】
この発明は、ガスタービンエンジンに連結して使用する従来技術の燃料ポンプの様々な問題を解決する。ここで開示される燃料ポンプの利点および他の特徴は、以下の図付きの好適な実施形態の詳細な記述から、当該技術に普通の知識を有する人には容易に明白になるだろうと思われる。
【００３４】
同じ構造要素を同じ参照番号で示すこの発明の図を参照すると、燃料供給システムにおけるブーストステージポンプとして使用される参照番号１０が付された従来技術の燃料ポンプが図１に示されている。燃料ポンプ１０は、ポンプハウジング２０とロータ３０とを有するありふれたサイドチャネルポンプのデザインとなっている。上記ポンプハウジング２０は、ロータ３０が配置された内部室２２を有する。上記内部室２２には、中心軸２４と、二つの外側の対向する弓形のチャネル６０ａおよび６０ｂが通っており、上記チャネル６０ａおよび６０ｂは、中心軸２４の周りに部分的に延びている。
【００３５】
上記ロータ３０は、ポンプハウジング２０の内部室２２内で、中心軸２４に対して回転自在に据え付けられている。上記ロータ３０は、複数の回転翼３６を有する主要な本体部３２と、内部室２２内でロータを支持するための対抗している取り付け部分３４ａ,３４ｂとを備える。ジャーナル軸受３８ａ,３８ｂは、各々取り付け部３４ａ,３４ｂに取り付けられ、内部室２２内で回転運動しているロータを支持する。ジャーナル軸受３８ａ,３８ｂは、ロータ３０の重量と、汲み出し動作の最中に生じる力とを均等に分配するように動作する。ロータ３０は、ジャーナル軸受３８ａ,３８ｂによって径方向と軸方向が画定される一定の空間内を動作する。
【００３６】
運転中、燃料は中心軸２４から偏心しているサイド入口ポート４０を通してポンプ１０の内部室２２に流入する。上記サイド入口ポート４０は、燃料の流れを回転翼３６の方へ方向づけている。駆動軸８０は、ロータキャビティ３７内に配置されると共に、ロータ３０の雌ねじ３９に係合する雄ねじ８２によってそれに動作可能に接合している。駆動軸８０は、内部室２２内におけるロータ３０の回転をもたらし、それによって内部室２２内に外力によって渦流を生成する。外側で対向しているサイドチャネル６０ａおよび６０ｂは、内部室２２に隣接配置されており、０度で中心に配置されると共に、弓形に延びている。この弓の内部では、円運動している流れがチャネル６０ａおよび６０ｂに流入して、螺旋でドーナツ形の流れを達成している。結果として、流体は、内部室２２の入口領域から排出領域の経路上で数回回転翼３６を通過する。回転翼３６を介した流体の各通過は、流体に与えるエネルギーを増大させ、それによって流体速度を増大し、増大した流体の圧力でもとどおりになる。この加圧された流体は、そのとき中心軸２４から偏心している径方向の排出ポート５０を通じてポンプ１０から流出する。
【００３７】
上記のように、ポンプ１０は、中心軸２４に平行につまり回転軸に平行にポンプハウジング２０の側面の内側に配置された入口ポート４０を通じて燃料を軸方向に供給する。供給された燃料は、中心軸２４からポート４０の径方向の距離に比例した速度で回転翼３６を通過する。前記のように、これは、入口ポート４０を介して内部室２２に流入する流体と、回転翼３６の角度の間の入射角に依存して、ＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ特性を減じることになる。また、ポンプ１０のこの配置は、流体が内部室２２に流入する点において、特に入口ポート４０の最も外部の半径部分で、非常に大きな回転翼速度によってＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ特性を更に低減する。
【００３８】
図２を参照すると、この出願の好適な実施形態の燃料ポンプを参照番号１００で示している。ポンプ１００は、ポンプハウジング１１０、ロータ部材１２０および入口支柱部材（inlet post member）１４０を有するサイドチャネルポンプである。この出願のこの実施形態では、ポンプハウジング１１０は、内部室１０２と、排出ポート１０４とを有する。内部室１０２には、ポンプ１００の中心軸１０６と、外側で対向する弓形チャネル１０８ａおよび１０８ｂとが通っており、上記弓形チャネル１０８ａおよび１０８ｂは、中心軸１０６の周りに約２７０°に亘って部分的に広がっている。ロータ部材１２０は、ポンプハウジング１１０の内部室１０２内に中心軸１０６に対して回転自在に取り付けられている。ロータ部材１２０は、主要な本体部１２２と、内部室１０２内にロータ部材１２０を支持するための取り付け部１３０とを有する。主要な本体部１２２は、周方向に離間して配置された径方向のベーン要素１２４を有し、各々は径方向内側の土台部分１２８と径方向外側の先端部分１２６とを有している。
【００３９】
入口支柱部材１４０は、ポンプハウジング１１０の内側に支持され、対向する第１および第２の端部１４２,１４４を有し、入口通路１４６を画定する。入口通路１４６は、第１端部１４２に形成された入口ポート１４８と第２端部１４４に形成された径方向の排出ポート１５０の間を延びている。好ましくは、入口支柱部材１４０は、初期の締まり嵌めが、入口支柱部材の外面とこれに一致するロータの適合表面の間に存在するような寸法と形状を有する。
【００４０】
ポンプの試運転の期間中、ポンプが計画通りのスピードに徐々に上げられたとき、硬い鋼から構成されたロータの適合表面は、二つの部材の間に運転隙間を形成するように、入口支柱部材の外面を機械加工するかまたは摩滅させる。
【００４１】
運転中、流体は燃料タンク（図示せず）から入口ポート１４８に供給され、入口通路１４６に沿って中心軸１０６に対して軸方向に第１の圧力を有する状態で供給される。入口通路１４６は、ポンプハウジング１１０内部室１０２内で径方向に外側へ横断する。入口通路１４６における軸方向の流れから径方向の流れへの移行は、通常出来るだけ小さな曲げ半径を維持しながら流れの方向の変化に伴う圧力および速度の損失を最小にするように形作られる。曲げ半径を最小にすることが好まれ、そのことによってベーン要素１２４の土台位置１２８を最も中心軸１０６に近づけることが可能になり、土台位置１２８を最小の角速度で移動させることが可能になる。
【００４２】
図３を参照すると、入口通路１４６を横断した後、流体は、ベーン要素１２４の土台位置１２８において、径方向の排出部分１５０を介して内部室１０２の中に流出する。この配置によって、回転翼速度が最も遅いベーン要素１２４の土台位置１２８に内部室の流体を径方向に供給することができて、ＮＰＳＰおよびＶ/Ｌ特性の改良が達成されて、ＮＰＳＰおよびＶ/Ｌ特性が従来技術よりも優れたものになる。また、二次元羽根車を使用すれば、この中心に送り込む配置は、流体の方向と回転翼の表面との間の入射角を更に最適化することができる。ここで開示された燃料ポンプは、相対的に低い入口圧力での動作を可能にし、ほとんどの応用物で適切な出口圧力を作り出すことができる。
【００４３】
図２および３を参照すると。駆動軸（図示せず）の回転は、矢印Ａで示すような内部室１０２の内部でのロータ部材１２０の回転をもたらす。内部室１０２でのロータ部材１２０の回転は、内部室１０２内に外力による渦流を生成する。外側で対向しているサイドチャネル１０８ａおよび１０８ｂは、０°で中心に配置されると共に、弓形状で内部室１０２に隣接配置されている。この弓の中では、円運動している流れがチャネル１０８ａおよび１０８ｂに流入して、螺旋でドーナツ形の流れになっている。結果として、流体は、内部室１０２の入口領域から排出領域の経路上で数回回転翼１２４を通過する。回転翼１２４を介した流体の各通過は、流体に与えるエネルギーを増大させ、それによって流体速度を増大し、増大した流体の圧力でもとどおり（recover）になる。この加圧された流体は、そのとき中心軸１０６から偏心している径方向の排出ポート１０４を通じてポンプ１００から流出する。
【００４４】
ここで示された回転翼１２４は、一平面の二次元の外形を有している（図３参照）。回転翼１２４は、流入流体を受けることを促進するために、土台部分１２８で曲がっている。しかしながら、回転翼１２４は、複雑な三次元の外形を有するように形作られたり、または、平坦な土台部分１２８、すなわち、径方向の単なる回転翼を持った二次元の外形を有するように形作られることも想定されている。回転翼１２４を第１の角度で土台部分１２８にくっつけると共に、先端部分１２６を第２の角度で変化させて三次元の外形にすることによって、ＮＰＳＰおよびＶ／Ｌ比特性を最適化できることが示されている。
【００４５】
流れが径方向の排出ポート１５０を介して内部室に径方向に流入する燃料ポンプ形状を示す図２を参照し続ける。径方向の流れ方向は、回転翼１２４と流入流体との間の入射角を最小にするのに役立つ。代わりの応用では、流入速度に軸方向の成分が加えられるかもしれず、これによって混ざり合った流れの流入状態になる。好ましくは、これは、円錐形状を有する入口支柱部材を用いることによって達成でき、このとき上記入口支柱部材は、同様に角度がついた土台部分を有する回転翼を備えている。回転ハウジング１１０の突出ポート１０４は、内部室１０２から軸方向に延びており、ポンプ１００の中心軸１０６から偏心している。代わりに、排出ポート１０４を、以下の図４および図５で詳細に議論されるようにポンプ１００の中心軸に沿って配置しても良い。
【００４６】
好ましくは、ロータ部材１２０は、軸受を配置することによって内部室１０２内に支持される。軸受システムの動作についてもまた以下の図４および図５で詳細に議論するつもりである。この軸受配置は、ロータ部材１２０を支持するために取り付け部１３０に動作可能に結び付けられるジャーナル軸受１６０を含んでいる。加えて、第１および第２の軸方向のスラスト軸受１６２ａおよび１６２ｂが備えられる。軸方向のスラスト軸受１６２ａおよび１６２ｂは、内部室１０２内のロータ部材１２０の軸方向の位置を支持している。軸受の配置は、内部室１０２内に配置される周方向の付勢メカニズム１７０と、少なくとも一つの詰め木（詰め金）要素１７２を更に含む。付勢メカニズムは、第２の軸方向のスラスト軸受１６２ｂをロータ部材１２０の方に付勢することによってポンプハウジング内での静的なつりあいを促進し、ロータ部材１２０の軸方向の配置を容易にする。
【００４７】
この発明の一実施形態では、周方向の付勢メカニズムは、環状のウエーブワッシャの形式を取り、代わりの実施形態では、複数のらせん状のばねの形式を取る。
【００４８】
ここでは、周方向の付勢メカニズム１７０は、一般的な正弦波の外形を有するウエーブワッシャとなっている。線状の外形のウエーブワッシを代用することもできて、所望の付勢力を適切に供給することができる。好ましくは、周方向の付勢手段は、腐食に強い鋼（スチール）から製造される。周方向の付勢手段は、適切な復元力を供給するということもこころにいだいておく必要がある。しかしながら、この技術に精通している人は、吸引する応用物および所望の性能に依存して異なる荷重特性を有する付勢要素を利用できるということを認識するだろう。図２の参照を続けると、環状の板部材１２８が、ポンプハウジング１１０の内部室１０２内に軸方向に移動自在に取り付けられており、好ましくは移動するロータに取り付けられている。板部材１２８は、ロータ部材１２０と第２の軸方向のスラスト軸受１６２ｂとの間に配置され、内部室１０２内の流体の流れを制限するようになっている。環状の板部材１２８は、シュラウドとして作用し、ポンプ損失を低減して空気吸引性能を改良する。
【００４９】
図４および図５を参照すると、参照番号２００が付されたこの出願の他の実施形態の燃料ポンプが示されている。燃料ポンプ２００は、サイドチャネルポンプである。しかしながら、この技術に精通した人は、例えば、遠心ポンプや液体リングポンプのような他の緊密な空間タイプのポンプ形状に、発明を適用できるということを容易く理解できるだろう。
【００５０】
燃料ポンプ２００は、内部室２０２と排出ポート２０４とを有するポンプハウジング２１０を含む。内部室２０２には、中心軸２０６と、この中心軸２０６の周りに延びると共に、外側で対向している弓形チャネル２０８ａおよび２０８ｂとが通っている。また、燃料ポンプ２００は、ロータ部材２２０と入口支柱部材（inlet post menber）２４０とを有する。ロータ部材２２０は、内部室２０２内で中心軸２０６に対して回転自在に取り付けられる。ロータ部材は、周方向に離間して配置される径方向のベーン要素２２４を持った主要な本体部２２２を有する。各ベーン要素２２４は、径方向の内側の土台部分２２８と径方向の外側の先端部分２２６とを有する。また、ロータ部材２２０は、内部室２０２内でロータ部材２２０を支持する取り付け部分２３０を有する。好ましくは、取り付け部分２３０は、軸方向の排出通路２３１を有し、軸方向の排出通路２３１は取り付け部分２３０を通して延びている。
【００５１】
好ましくは、入口支柱部材２４０は、ポンプハウジング２１０内で支持されて、互いに対向している第１および第２端部２４２,２４４を有する。入口支柱部材２４０には、入口通路２４６と出口通路２５２とが形成されている。入口通路２４６は、第１端部２４２に形成された入口ポート２４８と第２端部２４４に形成された径方向の排出ポート２５０の間を延びている。出口通路２５２は、第２端部２４４に接続された径方向の吸入ポート２５４と軸方向の排出ポート２５６の間を延びている。
【００５２】
動作中、流体は、入口通路２４２の中に流入し、初めに中心軸２０６に沿って供給される。そのとき、流体は、ポンプハウジング２１０の内部室２０２のベーン要素２２４の土台部分２２８で第１の圧力で径方向に供給される。ロータ部材２２０の回転は、これに連動する駆動軸２９０によって引き起こされ、内部室２０２０内の流体圧力を増大する。それゆえに、流体は、排出ポート２０４に連通している出口通路２５２を通って第２の圧力でポンプハウジング２１０から流出する。
【００５３】
燃料ポンプ２００は、第１および第２の軸方向のスラスト軸受２６２ａおよび２６２ｂと共に、ジャーナル軸受２６０を更に有する。ジャーナル軸受２６０は、ロータ部材２２０を支持する取り付け部分２３０に動作可能に結び付いている。第１および第２の軸方向のスラスト軸受２６２ａおよび２６２ｂは、ポンプハウジングの内部室内でロータ部材の軸方向の位置を支持するために内部室２０２内に配置される。加えて、周方向の付勢メカニズム２７０が、第１の軸方向のスラスト軸受２６２ｂをロータ部材２２０の方に付勢するために、ポンプハウジング２１０の内部室２０２内に配置される。このことは、ロータ部材２２０の軸方向の配置を容易にする。好ましくは、少なくとも一つの詰め木（詰め金）要素２７２を、周方向の付勢メカニズム２７０の付勢力を調整するために利用する。
【００５４】
この開示は、下流側に入口の流れの領域の直径よりも低減された直径のジャーナル軸受を利用することによって、従来の緊密な空間タイプのポンプ形状が有する上記の問題に対応する。このことは、ロータ部材２２０の片側のポンプ要素によって作り出されるラジアル荷重の略全てを受けると共に、図１の従来技術の軸受配置で使用されていた対向する第２のジャーナル軸受を省略することによって達成される。結果として、ジャーナル軸受を有さないポンプ側のポンプハウジングの内部室に、より大きな通路を作ることができる。
【００５５】
しかしながら、この配置は、アンバランスな荷重状態を作り出し、このアンバランスな荷重状態は、第１および第２の軸方向のスラスト軸受２６２ａおよび２６２ｂによって修復される。特に、第２の軸方向のスラスト軸受２６２ｂは、荷重の偏心によって作り出される曲げモーメントに打ち勝つような方法で、付勢要素２７０によってロータの方に付勢される。付勢要素２７０によって引き起こされる軸方向のスラスト荷重は、ロータ部材２２０を第１の軸方向のスラスト軸受２６２ａに係合させ、ロータ部材２２０の軸方向の位置を画定する。
【００５６】
この実施形態では、取り付け部分２３０は、燃料ポンプ２００の排出側に配置されて、入口側には径方向の軸受が接続されない。好ましくは、周方向の付勢メカニズム２７０は、偏心荷重によって作り出される全てのモーメントに対処できる大きさとなっている。ロータ部材２２０は、ジャーナル軸受２６０、および、第１および第２の軸方向のスラスト軸受２６２ａ,２６２ｂの複合的な作用を通じて完全で静的なつりあいを実現する。したがって、ロータ部材２２０は、緊密に適合した径方向の排出ポート２５０の間を回転自在になり、上記緊密性は、ジャーナル軸受２２６の小さなサイズに依存する最小の軸受隙間の変動のみに左右される。
【００５７】
図４を続けて参照すると、環状の板部材２２８を、ポンプハウジング２１０の内部室２０２内で軸方向に移動自在に取り付けている。板部材２２８は、ロータ部材２２０と第２の軸方向のスラスト軸受２６２ｂとの間に配置され、流体の流れを内部室１０２内に制限するようになっている。環状の板部材２２８は、シュラウドとして作用し、それによってポンプ損失を低減して空気のポンプ性能を改良する。
【００５８】
この発明は、好ましい実施形態に対して記述されたけれどもこの技術に精通している人は、添付された請求項によって定義されているこの発明の精神または範疇をたがえることなしに、様々な変形および修正のうちの少なくとも一方を行うことができるということを容易に理解できるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ポンプの縦軸側の従来技術のサイドチャネルポンプの断面図である。
【図２】 内部室を有するポンプハウジング、流体を内部室に径方向に供給する入口ポート、排出ポート、ロータ部材および内部室の中でロータを支持する一つのジャーナル軸受を有するこの出願の好適な実施形態のサイドチャネルポンプの断面図である。
【図３】 図２の３−３線断面図であり、ロータ部材の離間して配置された径方向のベーン要素、入口支柱部材を貫いて延びる入口通路およびポンプ軸の周りに延びる弓形のサイドチャネルを示す図である。
【図４】 ロータを支持する一つのジャーナル軸受、ロータを軸方向に位置決めするための二つのスラスト軸受、ウエーブワッシャ、羽根車シュラウドおよび入口支柱を有すると共に、流体を内部室に径方向に供給して内部室から径方向に排出するこの出願の好適な実施形態の他のサイドチャネルポンプの断面図である。
【図５】 図４の５−５線断面図であり、ロータ部材の離間して配置された径方向のベーン要素と、入口支柱部材を貫いて延びる入口通路および排出通路と、ポンプ軸の周りに延びる弓形のチャネルとを示す図である。

Claims (22)

1. ａ）内部室と排出ポートとを有するポンプハウジングを備え、上記内部室には、ポンプの中心軸と、この中心軸の周りに延びて外側で対向している弓形のチャネルが通っており、
   ｂ）また、上記ポンプハウジングの上記内部室内にそれの中心軸のまわりに回転自在に取り付けられるロータ部材を備え、上記ロータ部材は、周方向に離間して配置された径方向のベーン要素を持つ主要な本体部と、上記ロータ部材を上記内部室に支持する取り付け部分とを有し、各ベーン要素は、径方向の内側の土台部分と径方向の外側の先端部分とを有しており、
   ｃ）また、対向する第１および第２端部を有すると共に、上記第１端部に形成された入口ポートと上記第２端部に形成された径方向の排出ポートの間に延びる入口通路を形成している上記ポンプハウジング内に支持された入口支柱部材を備え、上記入口ポートに流入する流体は、上記ポンプハウジングの内部室の上記ベーン要素の土台部分に径方向に第１の圧力で供給され、上記入口支柱部材に対する上記内部室内の上記ロータ部材の回転は、上記内部室内の流体の圧力を増大し、上記流体は、上記ポンプハウジングの上記排出ポートから第２の圧力で流出することを特徴とする燃料ポンプ。
2. 請求項１に記載の燃料ポンプにおいて、上記ロータハウジングの上記排出口は、上記内部室から軸方向に延び、上記ポンプの上記中心軸から偏心していることを特徴とする燃料ポンプ。
3. 請求項１に記載の燃料ポンプにおいて、上記ポンプハウジング内の上記ロータ部材を支持する上記取り付け部に動作可能に係合するジャーナル軸受を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
4. 請求項３に記載の燃料ポンプにおいて、上記ポンプハウジングの上記内部室内で上記ロータ部材の軸方向の部分を支持するために、上記ポンプハウジングの上記内部室内に配置されて互いに対向する第１および第２の軸方向のスラスト軸受を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
5. 請求項４に記載の燃料ポンプにおいて、上記ポンプハウジング内の静的な均衡を促進するために、上記ポンプハウジングの上記内部室内に配置されて上記第１の軸方向のスラスト軸受を上記ロータ部材の方へ付勢する付勢手段を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
6. 請求項５に記載の燃料ポンプにおいて、上記付勢手段は、環状のウエーブワッシャを備えることを特徴とする燃料ポンプ。
7. 請求項５に記載の燃料ポンプにおいて、上記付勢手段は、上記付勢手段の付勢力を調整する少なくとも一つの詰め金要素を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
8. 請求項１に記載の燃料ポンプにおいて、流体の流れを上記ポンプハウジングの上記内部室内に制限するために、上記ロータ部材の主要な本体部と上記第１の軸方向のスラスト軸受の間に軸方向に取り付けられた環状の板部材を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
9. 請求項１に記載の燃料ポンプにおいて、上記入口支柱部材と上記ロータ部材の間に運転隙間が存在することを特徴とする燃料ポンプ。
10. ａ）内部室と排出ポートとを有するポンプハウジングを備え、上記内部室には、ポンプの中心軸と、この中心軸の周りに延びて外側で対向している弓形のチャネルが通っており、
    ｂ）また、上記ポンプハウジングの上記内部室内にそれの中心軸のまわりに回転自在に取り付けられるロータ部材を備え、上記ロータ部材は、周方向に離間して配置された径方向のベーン要素を持つ主要な本体部と、上記ロータ部材を上記内部室に支持する取り付け部分とを有し、各ベーン要素は、径方向の内側の土台部分と径方向の外側の先端部分とを有すると共に、上記取り付け部は、それを通じて延びる軸方向の排出通路を有しており、
    ｃ）また、対向する第１および第２端部を有する共に、入口通路と出口通路とが形成されている上記ポンプハウジング内に支持された入口支柱部材を備え、上記入口通路は、上記第１端部に形成された入口ポートと上記第２端部に形成された径方向の排出ポートの間を延びる一方、上記出口通路は、上記第２端部に形成されると共に、径方向の入口ポートと軸方向の排出ポートの間を延び、上記入口ポートに流入する流体は、上記ポンプハウジングの内部室の上記ベーン要素の土台部分に径方向に第１の圧力で供給され、上記入口支柱部材に対する上記内部室内の上記ロータ部材の回転は、上記内部室内の流体の圧力を増大し、上記流体は、上記出口通路を介して上記ポンプハウジングの上記排出ポートから第２の圧力で流出することを特徴とする燃料ポンプ。
11. 請求項１０に記載の燃料ポンプにおいて、上記ポンプハウジング内の上記ロータ部材を支持する上記取り付け部分に動作可能に係合するジャーナル軸受を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
12. 請求項１１に記載の燃料ポンプにおいて、上記ポンプハウジングの上記内部室内で上記ロータ部材の軸方向の部分を支持するために、上記ポンプハウジングの上記内部室内に配置されて互いに対向する第１および第２の軸方向のスラスト軸受を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
13. 請求項１１に記載の燃料ポンプにおいて、上記ポンプハウジング内の静的な均衡を促進するために、上記ポンプハウジングの上記内部室内に配置されて上記第１の軸方向のスラスト軸受を上記ロータ部材の方へ付勢する付勢手段を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
14. 請求項１３に記載の燃料ポンプにおいて、上記付勢手段は、環状のウエーブワッシャを備えることを特徴とする燃料ポンプ。
15. 請求項１３に記載の燃料ポンプにおいて、上記付勢手段は、上記付勢手段の付勢力を調整する少なくとも一つの詰め金要素を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
16. 請求項１０に記載の燃料ポンプにおいて、流体の流れを上記ポンプハウジングの上記内部室内に制限するために、上記ロータ部材の主要な本体部と上記第１の軸方向のスラスト軸受の間に配置される環状の板部材を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
17. 請求項１０に記載の燃料ポンプにおいて、上記入口支柱部材と上記ロータ部材の間に運転隙間が存在することを特徴とする燃料ポンプ。
18. ａ）内部室と排出ポートとを有するポンプハウジングを備え、上記内部室には、ポンプの中心軸とこの中心軸の周りに延びて外側で対向している弓形のチャネルが通っており、
    ｂ）また、上記ポンプハウジングの上記内部室内にそれの中心軸のまわりに回転自在に取り付けられるインペラを備え、上記インペラは、周方向に離間して配置された径方向の回転翼を持つ主要な本体部と、上記内部室に上記インペラを支持する片持ちの円筒形の拡張部分とを有し、各回転翼は、径方向の内側の土台部分と径方向の外側の先端部分とを有すると共に、上記片持ちの円筒形の拡張部分は、それを通じて延びる軸方向の排出通路を有し、
    ｃ）また、対向する第１および第２端部を有する共に、入口通路と出口通路とが形成されている上記ポンプハウジング内に支持された入口支柱部材を備え、上記入口通路は、上記第１端部に形成された入口ポートと上記第２端部に形成された径方向の排出ポートの間を延びる一方、上記出口通路は、上記第２端部に形成されると共に、径方向の入口ポートと軸方向の排出ポートの間を延び、上記入口ポートに流入する流体は、上記ポンプハウジングの内部室の上記回転翼の土台部分に径方向に第１の圧力で供給され、上記内部室内での上記入口支柱部材に対する上記インペラの回転は、上記内部室内の流体の圧力を増大し、上記流体は、上記出口通路を通って上記排出ポートを介して上記ポンプハウジングから第２の圧力で流出し、
    ｄ）また、上記ポンプハウジング内に配置されて上記ポンプハウジング内で上記インペラを支持する片持ちの拡張部分に動作可能に係合するジャーナル軸受を備え、
    ｅ）また、上記ポンプハウジングの内部室内に配置されて上記ポンプハウジングの上記内部室内の上記インペラの軸方向の位置を維持する互いに対向する第１および第２の軸方向のスラスト軸受を備え、
    ｆ）また、上記ロータ部材の上記片持ちの拡張部分によって伝達されるモーメント力をもとに戻すことによってポンプハウジング内の静的な均衡を促進するために、上記ポンプハウジングの上記内部室に配置されて上記第１の軸方向のスラスト軸受を上記インペラの方に付勢する付勢手段を備え、
    ｇ）また、上記付勢手段の付勢力を調整するための手段を備えることを特徴とする燃料ポンプ。
19. 請求項１８に記載の燃料ポンプにおいて、流体の流れを上記ポンプハウジングの上記内部室内に制限するために、上記インペラの主要な本体部と上記第１の軸方向のスラスト軸受の間に軸方向に取り付けられる環状の板部材を更に備えることを特徴とする燃料ポンプ。
20. 請求項１８に記載の燃料ポンプにおいて、上記入口支柱部材と上記インペラの間に運転隙間が存在することを特徴とする燃料ポンプ。
21. 請求項１８に記載の燃料ポンプにおいて、上記付勢手段は、環状のウエーブワッシャを備えることを特徴とする燃料ポンプ。
22. 請求項１８に記載の燃料ポンプにおいて、上記付勢手段の付勢力を調整する手段は、少なくとも一つの詰め金要素を備えることを特徴とする燃料ポンプ。

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