JP5518729B2 - 運転安全性を向上させた遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は流体搬送のための、特に燃料を航空機エンジンへ搬送するための、電動遠心ポンプに関し、ロータ軸が回転可能に取り付けられ、そして、燃料を搬送するためのインペラがそのロータ軸に配置され、そこに、ロータ軸を回転子軸の回りに回転するよう駆動するためのモータ装置が設けられた、ハウジングからなる。

遠心ポンプは、搬送される流体が回転子軸の方向から軸方向に吸入され、インペラを介して半径方向に流出する構成を特徴とする。電動遠心ポンプのハウジングは、流体流路に適合しており、たいていの場合インペラを円周側面で囲む。ポンプ装置は従来技術から知られており、駆動シャフトを介して電動機へ接続される。このためにシャフト・シーリング（密閉）材が、ハウジングに対して回転シャフトを密閉するために必要とされる。この種のシャフト・シーリング材は摩耗しやすく、燃料を搬送する際、燃料が損害を受けた密封部材から流れ出うる場合は、特別な危険がある。シーリング材のこの問題を回避するため、いわゆる電動ウエット・ポンプが知られており、それにはモータ装置が遠心ポンプのハウジング内にすでに配置されている。しかしながら、駆動シャフトはモータ装置とインペラとの間に延び、そのため、モータ装置は駆動シャフトの第１の端部に配置され、そしてインペラは対向する第２の端部に配置される。このため、遠心ポンプは構造上大きくなり、多くの場合ハウジングは、モータ装置の領域とインペラの領域との間に接合面を備える。

航空機製造の一般的な傾向に従い、個々のアセンブリの電化（MEE = more electric engine）を促進するため、燃料を航空機エンジンへ搬送するための電動によってのみ動作する燃料ポンプが必要とされる。その結果、特に要求される高水準な運転安全性に関して、燃料を航空機エンジンへ搬送するための電気遠心ポンプには、特別な安全上の条件が与えられる。

航空機エンジンの燃料搬送システムのより最近のポンプ設計では、駆動シャフトを介してポンプ・モジュールを駆動する電気駆動装置を備える。モータ装置と遠心ポンプの間のシーリング材の故障と同様に、モータ装置の故障は共に航空機エンジンに燃料を搬送する障害となる。

航空機エンジンのための燃料ポンプ駆動装置は特許文献１から知られ、それは主軸を介して燃料ポンプを駆動するポンプ・モータを有する。ポンプ本体に回転主軸を密閉することは、半径方向のシャフト・シーリング材により達成されるが、それは摩耗する性質があり、燃料ポンプ駆動装置の故障につながりうる。

燃料を航空機エンジンへ搬送する他のシステムは特許文献２に開示されており、それも回転軸を介してポンプ装置を駆動するモータを含む。多くの場合、燃料タンクと航空機エンジンとの間にいくつかのポンプが同様に直列に配置され、第１のポンプは予備圧力で燃料を搬送し、第２のポンプは航空機エンジンの燃焼器にさらに増強された圧力で燃料を搬送する。ギア・ボックスの形のエンジンによる機械駆動と、追加の電動ポンプとの組合せも知られている。しかしながら、この場合でさえ、故障の起こりうる原因が、ラジアル軸シールの欠陥または電動駆動装置の故障、例えばモータ装置の巻線本体の過熱、などのように多数に亘るため、燃料搬送装置の運転安全性は限定される。

独国特許出願公開第１９９０８５３１号明細書 米国特許第６６７５５７０号明細書

本発明の目的は、従って、高水準の運転安全性を有するコンパクトな設計の遠心ポンプを創出することである。

この目的は、特徴部分と共に請求項１の前提部分による遠心ポンプにより解決される。本発明の有利な更なる開発成果は、従属請求項に開示される。

本発明は、次のような技術的な教示を含む。すなわち、インペラは少なくとも一つのロータを有し、少なくとも一つの固定子はハウジングにてロータに隣接して面平行に配置され、それによりロータおよび固定子はモータ装置を形成する。

ロータとして、また同時にモータ装置のロータのための支持体として構成される、インペラを備えた電動遠心ポンプの発明の実施態様は、非常にコンパクトな構成のポンプを生み出す。特に、この利点は、本来半径方向のシャフト・シーリング材によって、ハウジングに密閉されなければならない駆動シャフトが、モータ装置とインペラの間に存在しない、ということにある。航空機の個々の技術部品の電化の枠組みの中で、本発明の電動遠心ポンプは、燃料タンクから航空機エンジンまで燃料を搬送することに特に適している。このポンプ構成は、航空機エンジンを介して機械的に駆動されるポンプと組み合わせたフォア・ポンプとしても、燃料タンクと航空機エンジン間の唯一の利用できるポンプとしても、使用されうる。本発明によれば、遠心ポンプのハウジングが、モータ装置もインペラも共に囲むので、動的シールは必要とされず、流入および流出が静的シーリングにより密閉されるのみである。

有利な実施態様によれば、ロータおよび固定子はインペラの両側に配置されてそれぞれのモータ・モジュールを形成し、それらは合わせてモータ装置を構成する。本発明によれば、さらに追加のモータ・モジュールを設けることができ、その結果電気的に冗長な、より故障確率の低いモータ構成が利用できる。インペラは２枚の面平行のディスクからなり、その間に燃料を搬送する羽根部材が位置する。インペラのディスクはそれ自身がモータ装置のロータを形成するか、または、ロータはインペラの２枚のディスクの各々に設けられて、環状構造を備える。

搬送流体はモータ装置周辺を都合よく循環するので、そのモータ装置は一種のウェット・モータの形式で構成される。このことはハウジングの中でさえも、例えば、インペラと相対するモータ装置を密閉するために、シーリング材は必要としないという利点を有する。更なる効果は、冷却効果であって、搬送流体、特に航空機エンジンへ搬送される燃料は、モータ装置に対して冷却効果を生み出すからである。燃料は、固定子へもロータへも循環し、そこには少なくとも一つの巻線本体が設けられる。巻線本体は、モータ装置の通電動作中に発熱する場合があり、発生した熱量は燃料によって奪われる。ウェット・モータの概念故に、巻線本体内の巻線焼けまたは短絡の確率は低下する。

電動遠心ポンプのさらに有利な実施態様は中空軸として設計されるロータ軸であって、搬送される流体は、軸方向にこの中空軸に入る。この場合、中空軸は少なくとも一方の回転子軸方向に開口を有することで十分であり、燃料が、搬送流体として、回転子軸の方向から中空軸の中空空間へ流れる。中空軸は、インペラと一体に構成でき、そこで中空軸はローラ軸受によりハウジング内に回転可能に取り付けられる。

インペラは、有利には中空軸に流体的に接続され、その結果中空軸からの流体はインペラに入り、そのインペラを介して半径方向に搬送のため流出する。搬送される流体がポンプ内に軸方向に流入して半径方向にそこから流出するので、遠心ポンプはすなわち軸流渦巻きポンプとして設計される。中空軸の内部スペースに流体的に接続されるインペラ、およびインペラ内、あるいはその上の、モータ装置のロータの配置を有する中空軸としてのロータ軸、による本発明の実施態様は、遠心ポンプのきわめてコンパクトな構成を提供し、そこではポンプのインペラと同様にモータ装置のロータが部品統合（component-integrated）の方式で構成されている。ポンプのインペラと同様にモータ装置のロータの取付けは、また、ロータ軸の前後端上のローラ軸受の二重配置により達成され、そこでは、搬送された流体は、ベアリング周辺へも循環する。当該ベアリングは、密閉されたベアリングとして設計でき、ここで、ベアリングは搬送される流体によっても潤滑されると都合が良い。結果として、少なくともローラ軸受の過熱は排除できるので、ローラ軸受の機械的故障はわずかにしか見られない。

本発明の一実施例によれば、ハウジングは、半径方向に、そして一方側は軸方向に、ロータ軸を囲む。これは、ハウジングが開口端および閉塞端を有することを意味し、そこでハウジングは、搬送される流体がロータ軸の軸へ流入するための、回転子軸の回りに同心で構成されるハウジングフランジをもち、そのフランジは、回転子軸の方向に、ハウジングの閉塞端の反対側にあり、そこで搬送される流体はハウジングフランジを通ってハウジングに入り、そこでハウジングは、ハウジングフランジを介して受口にフランジ装着され密閉されうる。従って、ハウジングは流体流入口および流体排出口だけを備えていて、結果として固定シールだけが必要とされる。

ハウジングは、二部構成（二つ割り）として製作されるのが好ましく、そこでは２つのハウジング・ハーフ（半分部分）の接合面は、インペラの延長平面内にある。これは結果として、遠心ポンプの、特に一体型のモータ配置の、簡略化された組付けにつながり、そこでは、組付けをモータ軸の方向から行うことができる。２つのハウジング・ハーフは、ねじ止め要素によって結合でき、そこで、さらに、シーリング材がハウジング・ハーフを互いに密閉するために設けられる。

モータ・モジュールは少なくとも一つの巻線本体を備え、それは給電および始動用にそれぞれ割り当てられた電力装置に接続され、巻線短絡の場合には、電力装置は短絡した巻線本体を遮断する事が出来る。個々のモータ・モジュールの接続が独立しているため、モータ装置の冗長構成が可能である。モータ・モジュールはこの場合少なくとも巻線本体を有する１つのロータおよび１つの固定子を含み、遠心ポンプを単独動作で駆動できる。さらに電動遠心ポンプの運転安全性の向上ために、独立した電力装置がモータ・モジュールごとに設けられ、そしてそれに接続される。結果として、遠心ポンプの電力制御は、モータ・モジュールの数に従った多数の電力装置ユニットを含む。電力装置は、巻線短絡が巻線本体で生じるとすぐに、対応する巻線本体が遮断されるように構成される。結果として、欠陥のある巻線本体は直接遮断され、更なる電力エネルギーの入力は行われないので、巻線焼けは回避されうる。さらに、短絡する巻線本体内での、温度上昇にも至る電圧の誘導が回避されうる。

ロータは、積層された、環状のディスク・ロータのような形に構成することができ、それらは、一方の側に溝状の篭型巻線を備えることができる。モータ・モジュールの有利な実施態様は、軸流機械の構成により達成でき、それは非同期電動機として、または星型の溝付きロータを有するリラクタンス電動機として設計される。

遠心ポンプの更なる実施態様は、嵌め込まれた永久磁石が設けられた、磁気ロータとして構成されたロータを有する。永久磁石は、しかしながら、インペラ内に直接嵌め込まれることもでき、ここでは、前記インペラは磁性体で製造される。インペラ内に永久磁石を嵌め込むことにより、インペラの横に配置される別個の環状ロータは必要なくなるので、統合の度合いは更に向上する。永久磁石は、インペラの円周に、横方向に互いに等間隔で配置することができ、インペラにねじ止め、接着または嵌め合いにより配置できる。軸流機械のこのような構成により発生するトルクは、インペラに直接伝達され、そのためロータ軸と共に回転することとなる。

ロータおよび固定子でできた個々のモータ・モジュールは、ポンプを駆動するのにそれぞれ十分な定格出力を有することで、運転安全性は更に向上する。短絡モータ巻線が遮断されれば発火あるいは同様なことは起こらないので、特に後々の損傷は回避されうる。モータ・モジュールに割り当てられる電力装置は、モータ巻線の最小または最大出力消費が許されるような範囲内でモータ・モジュールが動作するように、構成されうる。個々のモータ・モジュールへ供給するためのパラメータが特定の最低および最大値から逸脱する場合、そのモータ・モジュールは自動的に遮断されうる。ポンプを駆動するモータ・モジュールは、残りのモータ・モジュールとして、欠陥のあるモータ・モジュールの欠落を補完するので、それに応じたより高い電力によって動作されうる。結果として、個々のモータ巻線の欠陥にもかかわらず、航空機エンジンへの燃料供給についての故障または中断はなく、それにより、最高の運転安全性が得られる。

本発明を改良する追加の手段は、本発明の好ましい例示的実施形態の記載と共に、図面に基づいて、以下に更に詳細に説明される。

インペラのそれぞれ右側と左側とに配置された、少なくとも１つのロータと巻線本体を有する１つの固定子とからなるモータ・モジュールを有する、本発明の遠心ポンプの横断面図。 各々が固定子およびロータからなる、合計４台のモータ・モジュールを有する、モータ装置の図。

図１は本発明の電動遠心ポンプを表示し、それは参照番号１により特定される。そこには、回転子軸５が左右対称線を形成し、その上側半断面だけが示された、半断面が表示されている。ハウジング２は、二部構成（二つ割り）となるように製作され、閉じた後方部分および開いた前方部分を有する。ハウジング２の前方の開口にはハウジングフランジ８が形成され、それを通して、搬送される流体がハウジング２内に流入できる。流体流路１０は矢印により特定され、そこではハウジング２に入った後、流体は最初に中空軸として構成されたロータ軸３に入る。ロータ軸３にはインペラ４が配置され、それは中空軸の内部領域に流体的に接続される。従って、流体流路１０は最初回転子軸５に平行に延びるので、遠心ポンプは軸方向に流入を受ける。ロータ軸３の中空空間に入った後、流体はインペラ４を通過し、半径方向外向きに加速される。その結果、流体はポンプから半径方向に流出する。インペラ４は定盤（surface plate）の構成を備え、電動遠心ポンプの本発明の実施態様によれば、ロータ６が、インペラ４の外表面の右側と左側の両外側に配置される。ハウジング２内で、ロータ６の左側および右側の平行平面に配置されるのはそれぞれ固定子７であり、そこに巻線本体９が取り付けられる。ロータ６、固定子７および巻線本体９の装置は、合わせて独立したモータ・モジュールを形成する。本実施例では、従って、２つのモータ・モジュールがハウジング２の中に組み込まれる。巻線本体９に通電するとトルクが発生させられ、それがロータ６に作用する。それ故、インペラ４は回転動作に入り、そのインペラはロータ軸３と共に回転するように駆動される。

ロータ軸３はハウジング２内のローラ軸受１１に置かれるので、遠心ポンプは動的シールを必要としない。回転する部品はハウジング２の内部でのみ組付けられるので、インペラ４を駆動するために、駆動シャフトはハウジングから突出さない。

電動遠心ポンプ１はウェット・モータとして構成されるので、モータ・モジュールもベアリング１１も搬送される流体にさらされることはない。流体は、ロータ６および固定子７および巻線本体９と同様に両方のベアリング１１回りにも循環して、冷却効果を生み出す。従って、巻線本体９またはローラ軸受１１の過熱のため、遠心ポンプ１が故障することはなく、したがって運転安全性はさらに向上する。

図２は可能なモータ装置の他の例示的実施形態を示し、合計４台のモータ・モジュールからなる。各モータ・モジュールは、ロータ６および固定子７、その上に巻線本体９が、それぞれ取り付けられる。巻線本体９の表示は記号（シンボル）として表示され、巻線本体は星型接続である。ロータ６は、複動式（double acting）ロータとして構成されるので、ロータは、固定子７に隣接して右側と左側の両側にそれぞれのモータ・モジュールを形成する。２つの固定子７および１つのロータ６の二重の装置が、二つロータ軸に設けられているので、ここでも同様に冗長性が運転安全性を向上させる。示されたロータ６はそれぞれインペラでもあるので、遠心ポンプ１は合計２つのインペラを有する。

本発明はその構成に関し、前述に示唆された好ましい実施態様の例に限定されない。実際、多くの変更が考えられ、基本的に他の構成によっても示された解決策を利用しうる。

Claims (11)

1. ロータ軸（３）が回転可能に取り付けられ、燃料を搬送するためのインペラ（４）が当該ロータ軸に配置され、当該ロータ軸（３）を回転子軸（５）のまわりに回転可能なように駆動するためのモータ装置が設けられた、ハウジング（２）からなる、流体を搬送するための、特に燃料を航空機エンジンへ搬送するための、電動遠心ポンプ（１）であって、
   当該インペラ（４）は、少なくとも一つのロータ（６）と、当該ロータ（６）に隣接して面平行に当該ハウジング（２）内に配置された少なくとも一つの固定子（７）と、を具備し、当該ロータ（６）および当該固定子（７）が当該モータ装置を構成するモータ・モジュールを形成し、
   当該モータ・モジュールの各々は少なくとも一つの巻線本体（９）を有し、当該モータ・モジュールの数に従った数の給電および始動用の電力装置のうち、それぞれ割り当てられた当該電力装置に個々独立に接続され、当該電力装置は、巻線短絡の場合には短絡した当該巻線本体（９）を遮断し、短絡した当該巻線本体（９）を含む当該モータ・モジュールへの更なる電力エネルギーの入力は行わない
   ことを特徴とする電動遠心ポンプ（１）。
2. 前記ロータ（６）および前記固定子（７）は個々の前記モータ・モジュールを形成するために前記インペラ（４）の両側面に配置され、合わせて前記モータ装置を形成すること
   を特徴とする請求項１に記載の電動遠心ポンプ（１）。
3. 搬送流体は前記モータ装置の回りを循環し、前記モータ装置はウェット・モータの形式で設計される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動遠心ポンプ（１）。
4. 前記ロータ軸（３）は中空軸として設計され、搬送される流体は軸方向に当該中空軸に入る
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
5. 前記インペラ（４）は前記中空軸に流体的に接続され、前記中空軸からの流体は前記インペラに入り、そして搬送のため前記インペラを介して半径方向に流出する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
6. 前記ハウジング（２）は、半径方向に、そして一方側は軸方向に、前記ロータ軸（３）を囲み、そして、流体による前記ロータ軸（３）の軸流のために前記回転子軸（５）回りに同心で構成されるハウジングフランジ（８）を有し、それを通して当該流体は前記ハウジング（２）に入り、それはフランジ装着に使用され、受口上の前記ハウジング（２）を密閉する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
7. 前記ハウジング（２）は二部構成として製作され、そして、接合面は前記インペラ（４）の延長平面内にある
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
8. 前記ローター（６）は、積層された、環状のディスク・ロータのような形に構成され、一方面に溝状の篭型巻線を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
9. 前記モータ・モジュールは、一種の軸流機械のような働きをする非同期電動機として、または一方面に星型の、溝付きの前記ロータ（６）を有するリラクタンス電動機としてそれぞれ製作される
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
10. 前記ロータ（６）は、嵌めこまれた永久磁石を有する磁気ロータとして製作されるか、当該永久磁石は前記インペラ（４）に直接挿入されて前記ロータ（６）を構成し、前記インペラは非磁性体で製造される
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。
11. 前記ロータ（６）および前記固定子（７）からなる個々の前記モータ・モジュールは、ポンプを駆動するのにそれぞれ十分な定格出力を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電動遠心ポンプ（１）。

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