JP4597669B2 - 流体送出装置用カムリング・ベアリング - Google Patents

Description

本発明は、ベアリング装置に関し、さらに詳しくは、ジェット・エンジンのための燃料ポンプ、計量および制御に用いる流体静圧および流体動圧構造における支持部材またはヨーク内でカムリングを支持するために用いられるベアリング装置に関する。

２００２年３月２７日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０２／０９２９８の詳細は、ここに参照されることによって本願の開示内容に組み入れられるものとするが、この出願は、公知の燃料ポンプ装置よりも効率および信頼性に優れた燃料送出装置に関する。特に、燃料送出装置のポンプは、ポンプ・チャンバに流体連通した入口および出口を持ったチャンバを有するハウジングを含む。ロータがポンプ・チャンバに受けられ、カム部材がロータを包囲しかつハウジングおよびロータに関して自由回転できる。ジャーナル・ベアリングが、カムリングと、ハウジング内で回転を阻止された支持スリーブまたはヨークとの間に形成される。

ベアリング装置は、ポンピング機構の内部構成部品によって負わせられる流体静圧および流体動圧力に応答しなければならない。公知のベアリング装置は、組み合わされた流体静圧および流体動圧装置においてカムリングを適正に支持するよう改良されることを要求される。したがって、新規なベアリング組立体の必要性が存在する。

改良されたベアリング組立体は、回転自在なカムリング内にロータを受けるハウジングを含む燃料送出装置のために設けられる。その場合、カムリングはハウジングおよびロータに関して自由回転できる。ベアリング組立体は、関連したカムリングを受けるように寸法づけられた中央開口を有する環状面を含む。環状面は、第１および第２ランドによって離間された第１高圧パッドおよび第２低圧パッドを含む。

第１パッドの円周方向範囲は、カムリングの内径と少なくとも同じ大きさである。
第２パッドの円周方向端間は、好ましくは第１パッドの円周方向端よりも広い。
ポンプ・チャンバを横切って（ポンプ・チャンバの前後で）差圧が形成され、カムリングは圧力変動に応答して高圧パッドと低圧パッドとの間で移動可能である。ランドとカムリングとの間の間隙は、ベアリングを通過する流体の流れを選択的に変えて圧力を維持する。これにより、撓みの問題を懸念せずに比較的剛性の高いベアリング装架手段を与えることができる。

本発明の主な利点は、回転カムリングと、非回転という意味で静止状態ではあるけれども可動なヨークとの間に改良されたベアリング態様のインターフェース（接合部分）ができることにある。

本発明の別の利点は、流体動圧ベアリング能力だけでなく、流体静圧ベアリング能力を与えることができる構造に存在する。
本発明のさらに別の利点は、下記の詳細な記載を読みかつ理解したとき当業者にとっては明らかになるであろう。

図に示すように、ポンプ組立体１０は、ハウジング・チャンバ１４を有するハウジング１２を含む。シャフト２２に固定されたロータ２０が、ハウジング・チャンバ１４内に回転自在に受けられ、ハウジング・チャンバ１４内でロータ２０を回転させる。ロータ２０の周囲から突出する外半径方向先端を有するブレードまたはベーン２６を、それと連動可能なるように受けることができる一連の半径方向伸長溝２４が、ロータ２０の周りで周囲方向すなわち円周方向に沿って互いに離間されて配置されている。用いることのできるベーンの枚数はいろいろである。例えば、図２の実施例においては、９枚のベーンが示されているが、他の異なる枚数のベーンが本発明の範囲および意図から逸脱せずに用いられうる。図２に最も良く示されているであろうように、シャフト２２およびロータ２０の回転軸は、参照番号３０で示されている。選択されたベーン２６（図２において右側ベーン）は、ロータ２０がハウジング・チャンバ１４内で回転するとき、残りのベーン２６（図２において左側ベーン）がロータの周縁から外方に延びるほど大きくはロータの周囲から外方に延びていない。ベーン２６がロータ２０と共にハウジング・チャンバ１４内で回転しかつ流体の確実な移動を与えるとき、各ベーン間にポンピング・チャンバが形成される。

続いて図２を参照すれば、スペーサ・リング４０は、ハウジング１２に剛接状態で固定され、また、ハウジング・チャンバ１４の内壁に隣接して間隔をあけた位置でロータの周りに受けられる。スペーサ・リング４０は、平坦または平面カム転がり面４２を有しかつ回転防止ピン４４を受ける。ピン４４は、ロータ２０の周りに非回転状態で受けられるカムスリーブ５０を枢動可能に受ける。第１および第２ローブまたは作動面５２、５４が通常は回転防止ピン４４に対向した位置でスリーブ５０に設けられる。ローブ（ｌｏｂｅ）５２、５４は、第１および第２アクチュエータ組立体５６、５８と協働して、カムスリーブ５０の位置を変更するための手段を形成する。この位置変更手段は、当該技術分野においては周知の仕方でポンプのストロークまたは容量を選択的に変える。ピストン６０の背面に加わる圧力に応答してカムスリーブ５０の作動ローブ５２、５４が選択的に動かされるように、例えば、各アクチュエータ組立体５６、５８は、ピストン６０、スプリング６２等のバイアス手段、および閉鎖部材６４を含む。この作動ローブ５２、５４の選択的作動は、ピン４４に隣接したスペーサ・リング４０の内面にそって配置されたほぼ平面または平坦面６６にそったカムスリーブ５０の転がり移動を生じさせる。組立体のシール（封止）領域において起こる圧力脈動を制限するように、カムスリーブ５０は円弧運動よりはむしろ中心点が直線移動するような運動を受けることが望ましい。このようにして、アクチュエータ組立体の一方が作動されてカムスリーブ５０を動かすとき（図２）、カムスリーブ５０の中心はシャフト２２およびロータ２０回転軸３０から選択的にずらされる。カムスリーブ、作動面、作動組立体の他の詳細は、当業者には一般に周知であるので、ここではそれ以上の説明は不要であると考える。

ロータ２０から延びる個々のベーン２６の外側先端によって接触される滑らかな内周壁７２を有する回転カム部材すなわちカムリング７０が、カムスリーブ５０内に受けられる。カムリング７０の滑らかな外周壁７４は、カムスリーブ５０内で自由回転するように形成される。さらに詳しく述べれば、ジャーナル・ベアリング８０がスリーブ５０内で回転カムリング７０を支持する。ジャーナル・ベアリング８０は、ポンプ流体（ここではジェット燃料）で満たされ、流体静圧もしくは流体動圧ベアリングまたはハイブリッド型流体静圧／流体動圧ベアリングを形成する。カムリング７０をロータ２０と共に回転するように相互係止する構造上の構成部品がないのでカムリング７０はロータ２０に関して自由回転ではあるけれども、ベーン２６の外側先端と回転カムリング７０との間に発生する摩擦力が、カムリング７０をロータ２０とほぼ同じ速度で回転させることになる。カムリング７０は、ロータ２０の速度よりもわずかに低い速度で回転するか、あるいはロータ２０の速度よりもわずかに高い速度で回転するかも知れないが、流体膜（フィルム）ベアリング態様における支持／動作作用のためにカムリング７０はずっと低い大きさの粘性抗力を持つことがわかるであろう。カムリング７０の低い粘性抗力は、周囲を囲む静止リングに接触するベーンの摩擦損失によって生じる公知のベーン・ポンプにおける高い機械的損失に取って代わる。カムリング７０とベーン２６との接触から生じる抗力は、ポンプ全体の効率を低下させる機械的損失に直接的に変換される。カムリング７０は、カムスリーブ５０内でジャーナル・ベアリング８０によってのみ支持される。ジャーナル・ベアリング８０は、連続通路である。すなわち、カムリング７０の低粘性抗力によって得られる利益に逆に作用するであろうローラ・ベアリング、ピン等の相互連結構造の構成部品はここにはないのである。例えば、溢流ボール・ベアリングは、ジャーナル・ベアリング、特に流体ベアリングのようにポンプ流体をうまく使用するジャーナル・ベアリングによってもたらされる向上した効率を与えないであろう。

従来の装置においては、これらの機械的抗力損失は、ジェット・エンジン燃料ポンプの多数の動作群において流体を吸引する機械的動力をはるかに越えることがありえた。その結果、これらベーン・ポンプにおいては、高い速度および高い（航空機）搭乗率に対応するために高度の耐久性と耐摩耗性とを有する材料の使用が要求された。材料の重量および製造費は実質的に大きくなり、また、材料が極めて脆くなった。これらのポンプの回転速度は、カムリングに相対的なベーンの高い滑り速度のために制限されたものになっていた。タングステン・カーバイト等の特殊な材料を使用した場合でさえも、高速ポンプ運転（例えば、１２０００ｒｐｍ）を達成するのが極めて困難であった。

ベーンとカムリングとの間の摩擦から生じるこれらの機械的損失は、本発明においては、ずっと低い値の粘性抗力損失と置き換えられる。このことは、ロータのベーンと共に回転すべきカムスリーブの能力に起因するものである。カムリングとベーンとの間には比較的低い滑り速度が生じるので、製造業者がポンプに安価で脆くない材料を使用できるようになる。これは、増大された信頼性を与え、先端速度が限度を超えるのではないかとの懸念なしにポンプを非常に高い速度で運転することを許す。さらに、高運転速度が、所定流れを達成するために要求される容積を比較的小さくする。換言すれば、より一層小型のポンプで従来の大型ポンプと同じ流量を与えることができる。本発明のポンプは、様々なベーン・ポンプ機構に対して広い適用範囲を有する。

図３は、ポンプ・チャンバに入口および出口を与えるようにロータ２０の周りに出入口を設けたことをさらに詳細に示している。第１板９０および第２板９２は、それぞれ開口９４、９６を有する。エネルギが回転ベーンによって流体に付与される。例えば、ジェット燃料は、昇圧された状態で所望の下流使用箇所までポンプ送りされる。

図４に示すように、作動組立体のいずれも加圧されないと、カムスリーブ５０は枢動せず、ベーン・ポンプのストロークが変わることもない。図４の「流れなし位置」を、図２と対比してみるとよい。図２では、カムスリーブ５０がピン４４の周りを枢動することにより、ポンプの左側四分円に沿ってカムスリーブ５０とスペーサ・リング４０との間には狭い間隙が形成されていることが分かる。これは、カムスリーブ５０の位置を変えることによって達成される仕方で容量可変能力を与えるということである。

好適装置においては、ベーンは、依然としてタングステン・カーバイト等の耐久性のある硬い材料から作られる。しかし、カムリングおよび側板を作る材料は、鋼等の低費用の耐久性材料に代えられ、重量および製造費を低減しながらも大きな信頼性を得ることができるようにする。もちろん、望むならば、すべての構成部品をタングステン・カーバイト等のより高価な耐久性のある材料から作り、従来装置を越える相当な効率利益を達成することもできることが理解されるであろう。ジャーナル・ベアリング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って、ポンプ組立体の選択された構成部品に対してはタングステン・カーバイトの利点を利用し、また、その他の構成部品に対しては鋼の利点を利用する。このことは、ジャーナル・ベアリング流体としてオイルまたは類似の液圧流体を使用する場合と対比されるべきである。その場合には、ジェット燃料に関するすべての構成部品は鋼からつくられる必要があり、タングステン・カーバイトを使用することによってもたらされる利点を得る機会は排除される。

図５および図６により詳しく示すように、カムスリーブ（ヨーク）５０とカムリング７０との間のインターフェース（接合部分）によって形成されたジャーナル・ベアリング組立体がより詳細に示されている。特に、カムスリーブ（支持スリーブまたはヨーク）５０の内面１００は、ベアリング装置の個々の部分を形成するように非一定直径である。特に、第１部分すなわち大径部分１０２は、第１パッドすなわち高圧パッドと、それと直径方向反対側に位置する第２パッドすなわち低圧パッド１０４とを形成する。説明を容易にするために図５を参照すると、第１高圧パッド１０２は時計の文字盤の位置で言うとほぼ４時から８時まで延び、一方、第２低圧パッド１０４はほぼ１０時から２時まで延びている。第１および第２シール（封止）・ランド１０６、１０８が、第２低圧パッド１０４から第１高圧パッド１０２を分離している。したがって、第１シール・ランド１０６はほぼ２時から４時まで延び、一方、第２シール・ランド１０８はほぼ８時から１０時まで延びている。

ベアリング装置は、流体静圧部分および流体動圧部分の組合せの形態を形成する。ベアリングの流体静圧部分は、第１高圧パッド１０２および第２低圧パッド１０４によってそれぞれ形成された２つのパッド構成である。図６でより明確にわかるように、第１高圧パッド１０２は、カムスリーブ（ヨーク）５０の全幅または範囲にわたって、すなわち前面５０ａから背面５０ｂまでにわたって、彫られた溝である。同様に、第２低圧パッド１０４は、カムスリーブ（ヨーク）５０の全幅にわたる溝である。第１高圧パッド１０２は、ポンピング機構の内部構成部品によって発生された力を支持することができる。カムスリーブ（ヨーク）５０内の２つのパッド間にシール・ランド１０６、１０８がある。シール・ランド１０６、１０８は、円滑な始動を促し且つ運転中にベアリング内にカムリング７０を中心位置決めするための流体動圧効果を発生する
高圧パッドの幾何学的形状は、流体圧によって発生された力が内部ポンピング要素によって発生された力よりわずかに大きくなるように、決定される。第１高圧パッド１０２の円周方向範囲、すなわち４時から８時までの範囲は、カムリング７０の半径方向厚みによって画定される。第１高圧パッド１０２の縁１０２ａ、１０２ｂは、カムリング７０の内面７２の径寸法を示す水平線の長さ部分よりも外側に外れた位置に配置されることが望ましい（図５参照）。シールおよび高圧溝の側面は、カムスリーブ（ヨーク）の面５０ａ、５０ｂに沿っていて、且つ、ポンピング要素を挟み込むポート板９０、９２（図３）によって作られる。高圧流体（ジェット燃料）が図６に示すパッド貫通孔１２０に供給され、カムスリーブ（ヨーク）５０とカムリング７０との間のインターフェース（接合部分）への流れが貫通オリフィス１２２（図６においては１つだけが示されている）に制限される。図からわかるように、高圧のオリフィス１２２は、ベアリング組立体のこの領域における各開口または孔１２０と連通する。

第２低圧パッド１０４の幾何学的形状は、円周方向縁１０４ａ、１０４ｂを第１高圧パッド１０２の円周方向縁よりもわずかに広く、すなわち第１高圧パッド１０２の縁１０２ａ、１０２ｂよりもわずかに広く設定することによって、決定される。第１高圧パッド１０２から第２低圧パッド１０４への漏れ口を第２低圧パッド１０４に設け、高圧が発生しないようにしなければならない。このために、貫通開口１２４が設けられる。図６ではその１つが示されている。図からわかるように、貫通開口１２４は開口１２２よりも実質的に大きい直径を有する。したがって、ポンピング要素内の力に抗するように差圧がカムスリーブ（ヨーク）５０を横切って発生される。

第１高圧パッド１０２および第２低圧パッド１０４はベアリング部材を完全に通過する形で切り欠かれている。すなわち、これらのパッドは面５０ａから面５０ｂまで完全に延びていて、カムリング７０が図５で見て垂直方向に動くことを許容する。垂直方向の移動は、水平方向におけるカムスリーブ（ヨーク）５０の半径方向撓みを許す。間隙が増加したとき、ベアリングを通過する流れが増加して第１高圧パッド１０２における圧力を維持するようにしなければならないか、または、間隙が減少されなければならない。第１高圧パッド側のオリフィス１２２は、流れを制限し、したがってカムリング７０が力の平衡状態を再確立するように間隙を減少する方向に垂直に動く。これは、撓みの問題を懸念せずに、比較的剛性のベアリングを作ることを可能にする。

ベアリング全体、カムスリーブ（ヨーク）５０およびカムリング７０は、上述したようにポンピング機構内で自由に転がる。図５に示すように、ベアリングがスペーサ・リング４０に設けられたほぼ平坦な面４２に沿って左方向または右方向に転がる。面４２上のこの転がりは、カムリング７０の直線移動を与えるように作用する。カムリングの直線移動は、運転中の流体ポンプ圧脈動を最少にするのに重要である。カムスリーブ（ヨーク）の滑りおよび回転は、カムスリーブ（ヨーク）の各側に挿入された回り止めディスク４４によって阻止される。図６からわかるように、これらの回り止めディスク４４は弓形凹部または切欠１３０に受けられるように寸法づけられている。切欠１３０は図６では１つだけが示されているが、同様の切欠がカムスリーブ（ヨーク）の背面５０ｂに設けられてもよいことは理解されるであろう。したがって、これらの回り止めディスク４４は、カムスリーブ（ヨーク）５０またはスペーサ・リング４０に設けられた対応する凹部を完全に通過せず、それによって、カムスリーブ（ヨーク）５０内の力がスペーサ・リング４０を介してハウジング構造体に伝達されるようにする。

カムスリーブ（ヨーク）５０の好適実施例においては、アンダカット１４０が第１および第２面５０ａ、５０ｂに設けられることがわかる。アンダカット１４０は、これらの面の半径方向外側周囲に設けられる。さらに、アンダカット１４０はカムスリーブ（ヨーク）５０の実質的に全体の周りで円周方向に、すなわち時計の文字盤で言うと時計方向に約６：３０（６時３０分）から約５：３０（５時３０分）まで、延びている。そのアンダカット１４０は、カムスリーブ（ヨーク）の面にかかる圧力の制御を容易にし、全体のポンプ構造の圧力を正確に予測しまたは制御する。

本発明は、好適実施例を参照して記載されてきた。明らかに、修正および変更が上述した記載を読みかつ理解したときに起こるであろう。本発明は、そのような修正および変更が添付特許請求の範囲またはそれと等価の範囲内にある限り、そのようなすべての修正および変更を含むように構成されていることが意図されている。

流体ポンプの好適実施例の分解斜視図である。 図１の組み立てられた流体ポンプの横断面図である。 組み立てられた流体ポンプの縱断面図である。 図２に類似した横断面図であって、支持リングが第２位置に位置決めされた状態の可変容積ポンプを示す。 ポンプの拡大横断面図である。 ベアリング組立体の分解斜視図である。

Claims (15)

1. ベーンを支持するロータを回転自在に受けるハウジングを有する燃料送出装置にして、前記ロータが、前記ハウジングと前記ロータとの間に位置づけられた回転可能なカムリング内に受け入れられ、前記カムリングは、前記ハウジングと前記ロータとのそれぞれに相対的に自由に回転可能である、燃料送出装置におけるベアリング組立体において、
   流体ベアリング部材にして、関連づけられたカムリングを受けるように寸法づけられた中央開口を有する環状面を備えた流体ベアリング部材を含み、
   前記環状面は、第１高圧パッドと、該第１高圧パッドに対してほぼ直径方向に沿って対向位置にある第２低圧パッドと、前記第１高圧パッドおよび前記第２低圧パッドを互いに分離して、前記関連づけられたカムリングを作動中に中心位置決めする第１および第２ランドと、を備える、ベアリング組立体。
2. 前記第２低圧パッドの円周方向端間は、前記第１高圧パッドの円周方向端間よりも広い、請求項１に記載のベアリング組立体。
3. 前記第１高圧パッドおよび前記第２低圧パッドは、前記ベアリング部材の全幅にわたって延びる円周方向伸長溝によって形成されている、請求項１に記載のベアリング組立体。
4. 前記ベアリング部材の回転を防止する手段をさらに備えている、請求項１に記載のベアリング組立体。
5. 前記防止手段は、さらに前記カムリングと前記ベアリング部材との間の相対滑りを防止するようになされている、請求項４に記載のベアリング組立体。
6. 燃料送出装置にして、ベーンを支持するロータを回転自在に受けるハウジングと、該ハウジングと前記ロータとの間に回転可能に受けられたカムリングと、該カムリングを包囲し且つ燃料送出装置からの燃料の流れを変えるようにアクチュエータ組立体により前記ハウジングに対して選択的に動かされ得るヨークと、を有する燃料送出装置に関連づけられたベアリング組立体であって、
   前記ヨークとして、中央開口を有する環状面を含む流体ベアリング部材を備え、前記環状面が、第１高圧パッドと、該第１高圧パッドに対してほぼ直径方向に沿って対向位置にある第２低圧パッドにして、第１および第２ランドによって前記第１高圧パッドから分離された第２低圧パッドと、を有する、ベアリング組立体。
7. 前記第２低圧パッドの円周方向端間は、前記第１高圧パッドの円周方向端間よりも広い、請求項６に記載のベアリング組立体。
8. 前記第１高圧パッドおよび前記第２低圧パッドは、前記ベアリングの全幅にわたって延びる円周方向伸長溝によって形成されている、請求項６に記載のベアリング組立体。
9. 前記ベアリング部材の回転を防止する手段をさらに備えている、請求項６に記載のベアリング組立体。
10. 前記防止手段は、さらに前記カムリングと前記ベアリング部材との間の相対滑りを防止するようになされている、請求項９に記載のベアリング組立体。
11. 高圧の発生を防止するために前記ベアリング部材を貫通し且つ前記第２低圧パッドに連通する圧力を逃がすための通路をさらに備えている、請求項６に記載のベアリング組立体。
12. 前記圧力を逃がすための通路は、前記第１高圧パッドに連通した高圧供給オリフィスよりも大きい断面積を有し、それにより差圧が前記カムリングの第１高圧パッド側と第２低圧パッド側との間に形成される、請求項１１に記載のベアリング組立体。
13. 前記カムリングが、前記カムリングの第１高圧パッド側と第２低圧パッド側との間に形成された差圧によって、前記第１高圧パッドおよび前記第２低圧パッド間を動き、それによって、前記ランドと前記カムリングとの間の間隙を変えるようになされている、請求項１２に記載のベアリング組立体。
14. 前記ヨークおよび前記カムリングを備えた前記ベアリング組立体は、平坦面上を転動することにより、ハウジングに対して転がり運動するようになされており、それにより、前記カムリングが選択的直線移動を受けるようになされている、請求項６に記載のベアリング組立体。
15. 前記カムリングは、前記ハウジングに対して直線移動するようになされており、それにより、前記燃料送出装置の作動中の圧力脈動を低減し得るようになされている、請求項６に記載のベアリング組立体。

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