KR20040004577A - 회전식 캠 링을 구비하는 가변 용적형 펌프 - Google Patents

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KR20040004577A
KR20040004577A KR10-2003-7013097A KR20037013097A KR20040004577A KR 20040004577 A KR20040004577 A KR 20040004577A KR 20037013097 A KR20037013097 A KR 20037013097A KR 20040004577 A KR20040004577 A KR 20040004577A
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KR10-2003-7013097A
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클레멘츠마틴에이.
한센로웰디.
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아르고-테크 코포레이션
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Abstract

본 발명의 베인 펌프(10) 기계적 손실은 베인 마찰 손실을 제거하고 그러한 마찰 손실을 보다 낮은 크기의 저널 베어링 유체 필름 점성 항력 손실로 대체함으로써 감소된다. 자유 회전식 캠 링(70)은 저널 베어링(80)에 의해 지지된다. 상기 캠 링과 상기 베인(26) 사이에는 상대적으로 낮은 슬라이딩 속도가 부여된다. 이로 인해, 베인 선단 속도 한도의 초과에 대한 우려 없이 펌프가 보다 빠른 속도로 작동하는 것을 허용함으로써 저렴하고 취성이 낮은 재료가 사용될 수 있다.

Description

회전식 캠 링을 구비하는 가변 용적형 펌프 {Variable displacement pump having a rotating cam ring}
현재의 베인 펌프는 하나 이상의 고정식, 또는 비회전식 캠 링을 사용한다. 이러한 베인의 외측 방사상 선단(outer radial tip)은 상기 캠 링을 따라 슬라이드된다. 그러나, 상기 링은 하우징에 대해서는 자유롭게 회전할 수 없다. 상기 고정식 캠 링은 고정 용적형 펌프(fixed displacement pump)의 펌프 하우징에 견고하게 고정되거나, 상기 캠 링은 가변 용적 성능을 제공하도록 이동 또는 피벗된다. 따라서, 당업자에게 분명해지는 바와 같이, 이러한 형태의 포지티브 용적형 펌프(positive displacement pump)는, 통상적으로 펌프 챔버 내에 수용된 로터의 회전축에 대해 직경방향으로 오프셋된 위치에 유입구 및 유출구를 구비하는 스테이터 또는 하우징을 포함한다. 원주둘레로 이격되고 방사상으로 연장되는 복수의 가이드 또는 베인은 상기 로터로부터 외측으로 연장된다. 상기 로터의 축이 상기 하우징 챔버의 축에 대해 오프셋되어 평행하게 연장되기 때문에, 상기 축들의 오프셋 관계로 인해 회전 도중에 상기 로터에 대해 방사상 내측 및 외측으로 상기 베인이이동하게 된다.
상기 베인의 외측 선단은 상기 캠 링과 접촉하고, 통상적으로 6개 내지 12개인 개개의 베인의 접촉력은 상기 캠 링에 마찰식 항력을 부여한다. 이러한 항력은 상기 펌프의 전체 효율을 떨어뜨리는 기계적 손실로 직접적으로 전환된다. 다수의 적용예에서, 상기 기계적인 항력 손실은 유체를 공급하기 위한 이론 출력을 훨씬 초과한다.
예를 들어, 제트 엔진에서 사용될 경우에, 베인 펌프는 일반적으로 그러한 베인 펌프에 의해 발생되는 빠른 속도 및 부하 인자(load factor)들로 인해 높은 내구성 및 내마모성을 갖는 재료를 사용한다. 이러한 재료로 제조된 부품은 일반적으로 제조 비용이 고가이며 높은 취성을 겪게 된다. 예를 들어, 제트 엔진에서 사용되는 베인 펌프 구성요소에 바람직한 재료로서는 텅스텐 카바이드가 폭넓게 사용된다. 텅스텐 카바이드는 특히 베인, 캠 링, 및 측판에 사용되는 매우 경질의 재료이다. 그러나, 텅스텐 카바이드는 예를 들어, 스틸의 비용의 대략 2.5배의 비용이 소요되며, 임의의 결함 또는 과대응력(overstress)으로 인해 크래킹(cracking) 및 그와 관련된 문제가 초래될 수 있다. 또한, 스틸에 대한 텅스텐 카바이드의 중량비는 대략 1.86이므로, 상술한 적용분야에서는 중량이 중요한 고려사항이 된다. 따라서, 일반적으로 높은 내구성 및 내마모성으로 인해 베인 펌프에서의 빠른 속도 및 부하 인자들에 대해서는 텅스텐 카바이드가 적합하지만, 그것과 관련된 중량, 비용, 및 높은 취성으로 인해 실질적으로 전체 단가가 증가하게 된다.
텅스텐 카바이드와 같은 특정한 재료를 사용하지만, 현재의 베인 펌프는 회전 속도가 다소 제한된다. 상기 제한은 상기 캠 링에 대한 높은 베인 선단 슬라이딩 속도에 관련된다. 상기 베인 펌프에서는 텅스텐 카바이드가 폭넓게 사용되지만, 12,000 RPM 이상의 고속 펌프 작동은 극히 곤란해진다.
상기 펌프에서는 효율 개선이 극히 바람직하며, 다른 적용분야에 베인 타입 펌프를 사용할 수 있는 능력과 증가된 신뢰성과 관련된 효율 개선이 필요하다.
본 발명은 펌프에 관한 것으로서, 특히 연료 펌프에서의 특정 용도, 즉 계량과 제트 엔진의 제어에 사용되는 고속 베인 펌프에 관한 것이다.
도 1은 유체 펌프의 바람직한 실시예의 분해 사시도.
도 2는 도 1의 펌프를 조립한 상태에서의 단면도.
도 3은 도 2의 조립된 펌프의 종방향 단면도.
도 4는 지지 링이 제 2 위치에 위치되어 있는 가변 용적형 펌프를 도시하는 도 2와 유사한 단면도.
본 발명에 따르면, 효율 및 신뢰성이 증가된 개선된 가스 터빈 연료 펌프가 제공된다.
특히, 상기 가스 터빈 연료 펌프는 펌프 챔버와, 상기 챔버와 유체 연통하는 유입구 및 유출구를 구비하는 하우징을 포함한다. 상기 펌프 챔버에는 로터가 수용되며, 상기 로터를 둘러싸는 캠 부재는 상기 하우징에 대해 자유롭게 회전한다.
상기 펌프의 작동 중에 기계적 손실을 감소시키기 위해, 상기 캠 부재와 상기 하우징 사이에는 저널 베어링이 개재된다.
상기 저널 베어링은 상기 캠 부재와 상기 하우징 사이에 규정된 연속적인 환형 통로이다.
상기 로터는 상기 캠 부재와 접촉하는 외측 방사상 팁을 구비하는 원주둘레로 이격된 베인을 포함한다.
상기 펌프는 상기 캠 부재와 상기 로터 사이의 편심율을 선택적으로 변경시키기 위해 상기 하우징 내부에 피벗식으로 고정되는 캠 슬리브를 추가로 포함한다.
상기 가스 터빈 연료 펌프는 자유 회전식 캠 부재를 사용할 수 없는 종래의베인 펌프에 비해 상당히 개선된 효율을 나타낸다.
또한, 상기 연료 펌프는, 선택된 구성요소들이 상당히 내구적이며 저렴한 재료로 형성될 수 있기 때문에, 절감된 비용으로 개선된 신뢰성을 나타낸다.
또한, 개선된 효율로 인해, 크기가 임계적인 특징이 되는 분야에서 특히 유용한, 상기 펌프의 소형화 및 치밀화가 가능해진다.
본 발명의 또다른 이점 및 장점은 하기의 상세한 설명을 참조로 당업자에게는 분명해질 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 펌프 조립체(10)는 내부에 펌프 챔버(14)가 형성된 하우징(12)을 포함한다. 샤프트(22)에 고정된 로터(20)가 상기 챔버내에 회전가능하게 수용되어 상기 챔버내에서 로터를 회전시킨다. 방사상으로 연장되는 일련의 홈들(24)이 상기 로터에 관해서 주변 또는 원주둘레로 이격되어 있고, 이 홈들은 로터의 외주로부터 연장되는 외측 방사상 선단을 갖는 블레이드들 또는 베인들(26)을 작동가능하게 수용한다. 상기 베인들은 다수의 베인들로 변경될 수 있고, 예를들어 도 2에는 9개의 베인들이 도시되어 있지만, 다른 수의 베인들이 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 샤프트(22)와 로터(20)의 회전축은 참조부호 30으로 도시되어 있다. 선택된 베인들(도 2에 도시된 우측 베인들)은 로터가 하우징 챔버 내에서 회전할 때 나머지 베인들(도 2의 좌측 베인들)만큼 로터의 외주로부터 외측으로 연장하지는 않는다. 펌프 챔버는 베인들이 로터와 함께 펌프 챔버에서 회전하고 유체의 양호한 변위를 제공할 때 각 베인들 사이에 한정된다.
도 2를 계속 참조하면, 스페이서 링(40)은 하우징에 견고하게 고정되고 하우징 챔버의 내벽에 인접하게 이격된 위치에서 로터 둘레에 수용된다. 스페이서 링은 편평한 또는 평면 캠 요동 표면(42)을 갖고 회전방지 핀(44)을 수용한다. 이 핀은 상기 로터 둘레로 회전불가능하게 수용되는 캠 슬리브(50)를 피봇가능하게 수용한다. 제 1 및 제 2 로브들 또는 작동 표면들(52, 54)은 슬리브상에, 통상적으로는 회전방지 핀에 대향하는 위치에 제공된다. 상기 로브들은 캠 슬리브(50)의 위치를 변경하기 위한 수단을 한정하기 위해 제 1 및 제 2 액츄에이터 조립체(56, 58)와 협동한다. 변경 수단은 본 기술 분야에 잘 공지된 바와 같이 펌프의 행정 또는 변위를 선택적으로 변경한다. 예를 들면, 각 액츄에이터 조립체는 피스톤(60)과, 스프링과 같은 편향 수단(62), 및 클로우져 부재(64)를 포함하므로, 피스톤의 후면에 적용된 압력에 따라 캠 슬리브의 작동 로브들은 선택적으로 이동된다. 이러한 선택적인 작용은 핀(44)에 인접한 스페이서 링의 내부면을 따라 배치된 전체적으로 평면 또는 편평한 표면(66)을 따르는 캠 슬리브의 요동 운동을 초래한다. 캠 슬리브는 조립체의 밀봉 구역에서 나타나는 압력 진동을 제한하기 위해 아치형 이동 보다는 중심점의 선형 이동을 행하는 것이 바람직하다. 이러한 방법에서, 캠 슬리브의 중심은 액츄에이터 조립체중 하나가 작동하여 캠 슬리브를 이동시킬 때(도 2) 샤프트와 로터의 회전축(30)으로부터 선택적으로 오프셋된다. 캠 슬리브와, 작동 표면, 및 작동 조립체의 다른 상세한 설명은 일반적으로 당업자들에게 잘 공지되어 있으므로, 여기에서 부가적인 설명은 생략한다.
평탄한 내주벽(72)을 갖는 회전식 캠 부재 또는 링(70)이 캠 슬리브내에 수용되고, 이 벽은 로터로부터 연장하는 개별적인 베인(26)들의 외측 선단에 의해 접촉한다. 캠 링의 평탄한 외주벽(74)은 캠 슬리브(50)내에서 자유롭게 회전하도록 형성되어 있다. 특히, 저널 베어링(80)은 슬리브 내에서 회전식 캠 링(70)을 지지한다. 저널 베어링은 펌프 유체, 여기선 제트 연료로 채워지고, 유체정역학적 또는 유체동역학적, 또는 하이브리드 유체정역학적/유체동역학적 베어링을 한정한다. 베인들의 외측 선단들과 회전식 캠 링(70) 사이에서 전개되는 마찰력은 로터와 함께 회전하는 캠 링을 인터록킹하는 구조적 성분이 없으므로 캠 링이 로터에 대해 자유롭게 회전할 지라도 캠 링을 로터와 대략 동일한 속도로 회전시킨다. 상기 링은 로터의 속도보다 약간 느린 속도로 또는 로터의 속도보다 약간 빠른 속도로 회전하지만, 유체 필름 베어링에서 지지/작동으로 인해 상기 캠 링은 보다 작은 크기의 점성 항력을 갖는다. 상기 캠 링의 작은 점성 항력은 주변의 고정식 링과 접촉하여 베인의 마찰 손실로 초래되는 공지된 베인 펌프에 의해 나타나는 높은 기계적 손실을 대체한다. 상기 캠 링과 베인들의 접촉으로 초래되는 항력은 전체 펌프 효율을감소시키는 기계적 손실로 직접적으로 변환된다. 상기 캠 링은 캠 슬리브 내에서 저널 베어링(80)에 의해 단독으로 지지된다. 저널 베어링은 연속적인 통로이다. 즉, 상기 캠 링의 작은 점성 항력에 의해 얻어지는 장점과는 상충하게 되는, 롤러 베어링, 핀 등과 같은 상호 접속하는 구조적 성분은 존재하지 않는다. 예를 들면, 침지된 볼 베어링은 저널 베어링, 특히 유체 베어링과 같은 펌프 유체를 양호하게 사용하는 저널 베어링에 의해 제공되는 향상된 효율을 나타내지 못한다.
종래의 적용예에 있어서 이들 기계적 항력 손실은 제트 엔진 연료 펌프의 여러 작동 체제에서 유체를 공급하기 위한 기계적 출력을 훨씬 초과할 수 있다. 그 결과, 이들 베인 펌프에서의 빠른 속도와 부하 인자들로 인해 높은 내구성과 내마모성을 갖는 재료의 사용이 필요해졌다. 재료 중량과 제조 비용이 상당히 증대되었고, 또한 재료들은 높은 취성을 겪게 된다. 이들 펌프의 회전 속도는 또한 캠 링에 대한 높은 베인 슬라이딩 속도로 인해 제한되었다. 텅스텐 카바이드와 같은 특정한 재료를 사용할 경우에도, 예를 들어 12,000 RPM 이상의 고속 펌프 작동은 극히 곤란했다.
상기 베인과 캠 링 사이의 마찰에 기인하는 이들 기계적 손실은 본 발명에서 훨씬 낮은 크기의 점성 항력 손실로 대체된다. 이는 캠 링이 로터 베인과 함께 회전할 수 있다는데에 기인한다. 캠 링과 베인들 사이의 비교적 낮은 슬라이딩 속도는 제조업자로 하여금, 보다 저렴하고 보다 낮은 취성을 갖는 재료를 펌프에 사용할 수 있게 한다. 이는 신뢰성을 향상시키며 펌프가 선단 속도 한계 초과에 대한 우려 없이 보다 높은 속도로 작동할 수 있게 한다. 또한, 보다 높아진 작동 속도로인해 주어진 유동을 달성하는데 필요한 용적이 보다 적어진다. 즉, 보다 작고 보다 치밀한 펌프가 종래의 대형 펌프와 유사한 유동 결과를 제공할 수 있다. 이 펌프는 또한 다양한 베인 펌프 기구들에 대해 확장된 적용 범위를 가질 것이다.
도 3은 펌프 챔버에 대한 유입구 및 유출구를 제공하기 위한 로터 주위의 유입구 및 유출구 형성을 보다 특별하게 도시한다. 제 1 및 제 2 플레이트(90, 92)는 각각 개구(94, 96)를 갖는다. 베인을 회전시킴으로써 유체에 에너지가 부여된다. 예를 들어 제트 연료가, 소망의 하류측 사용을 위해 증대된 압력으로 공급된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 어떠한 작동 조립체도 가압되지 않으며 따라서 캠 슬리브는 베인 펌프의 행정을 변화시키도록 피벗되지 않는다. 즉, 이러한 도 4의 비유동(no flow) 위치는 도 2에 비교될 수 있으며, 여기에서는 도면에 도시된 바와 같이 펌프의 왼쪽 사분원을 따라서 캠 슬리브와 스페이서 링(40) 사이에 밀접한 간극이 형성되도록 캠 슬리브(50)가 핀(44) 주위로 피벗된다. 이는 캠 슬리브의 위치를 변경함으로써 달성되는 방식으로 가변 용적 성능을 제공한다.
양호한 장치에서, 베인들은 여전히 텅스텐 카바이드와 같은 내구성의 경질 재료로 제조된다. 그러나 상기 캠 링과 측판들은 중량 및 제조 비용을 줄이고 높은 신뢰성이 가능하도록 스틸과 같은 저가의 내구성 재료로 형성되기도 한다. 물론, 필요하다면 모든 구성요소들이 여전히 텅스텐 카바이드와 같은 값비싼 내구성 재료로 형성될 수 있고 종래의 장치에 비해 상당한 효율 이익을 달성하는 것이 실현될 것이다. 저널 베어링을 형성하는 유체로서 제트 연료를 사용함으로써, 선택된 구성요소들 용도의 텅스텐 카바이드 및 펌프 조립체의 나머지 구성요소들 용도의 스틸의 이익들이 장점으로 사용된다. 이는 모든 제트 연료 구성요소들이 스틸로 제조될 필요가 있어서 텅스텐 카바이드를 사용함으로써 제공되는 이익들을 얻기 위한 기회가 박탈되는, 저널 베어링 유체로서 오일 또는 유사 유압유를 사용하는 것과 대조되어야 하다.
본 발명은 양호한 실시예들을 참조하여 기술되었다. 상술한 상세한 설명을 판독 및 이해하게 되면 수정예 및 변경예가 있을 수 있음이 명백하다. 본 발명은 그러한 수정예 및 변경예들은 첨부하는 청구항들 또는 그 균등물들의 범위에 포함되는 한 모두 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (25)

  1. 펌프 챔버와, 그 펌프 챔버와 유체 연통하는 유입구 및 유출구를 구비하는 하우징과,
    상기 펌프 챔버에 수용되는 로터와,
    상기 로터를 둘러싸며 상기 하우징에 대해 자유롭게 회전하는 캠 부재와,
    펌프의 작동 중에 기계적 손실을 감소시키기 위해 상기 캠 부재와 상기 하우징 사이에 개재되는 저널 베어링을 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캠 부재는 상기 캠 부재에 대한 상기 로터의 자유로운 회전을 가능하게 하는 평활한 내주벽을 구비하는 가스 터빈 연료 펌프.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 상기 캠 부재와 상기 하우징 사이의 연속 환형 통로인 가스 터빈 연료 펌프.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 로터와 작동식으로 연결되는 원주둘레로 이격된 베인들을 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캠 부재와 상기 하우징 사이에 방사상으로 개재되는 캠 슬리브를 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  6. 제 5 항에 있어서, 펌프 출력을 선택적으로 변경시키기 위해 상기 하우징 내의 상기 캠 슬리브의 위치를 변경시키는 수단을 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 캠 슬리브와 상기 하우징 사이에 방사상으로 개재되는 스페이서 링을 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 캠 슬리브는 상기 캠 부재와 상기 로터 사이의 오프셋을 선택적으로 변경시키기 위해 상기 스페이서 링에 피벗식으로 고정되는 가스 터빈 연료 펌프.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 유체정력학적 베어링(hydrostatic bearing)인 가스 터빈 연료 펌프.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 유체동력학적 베어링(hydrodynamic bearing)인 가스 터빈 연료 펌프.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 하이브리드(hybrid) 유체정력학적/유체동력학적 베어링인 가스 터빈 연료 펌프.
  12. 공급부로부터 하류 노즐 세트에 제트 연료를 공급하기 위한 가스 터빈 연료 펌프로서,
    펌프 챔버와 작동식으로 연통하는 연료 유입구 및 연료 유출구를 구비하는 하우징과,
    상기 펌프 챔버에 수용되며, 상기 펌프 챔버를 개별적인 펌프 챔버 부분들로 분리하는 복수의 베인을 구비하는 로터와,
    상기 베인들에 슬라이드식으로 결합하는 방사상 내부면 및 외부면을 구비하는, 상기 로터 둘레로 수용되는 캠 링과,
    상기 연료 유입구와 연통하도록 상기 캠 링을 둘러싸고, 그에 의해 제트 연료가 상기 캠 링에 대한 저널 베어링 내에서의 유체 필름으로서 기능하도록 하는 캠 저널 베어링을 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 유체동력학적 베어링인 가스 터빈 연료 펌프.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 유체정력학적 베어링인 가스 터빈 연료 펌프.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 하이브리드 유체정력학적/유체동력학적 베어링인 가스 터빈 연료 펌프.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 로터의 회전축으로부터 선택적으로 오프셋되는 중심을 갖는, 상기 캠 링을 에워싸는 캠 슬리브를 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 저널 베어링은 상기 캠 링과 상기 하우징 사이의 연속 환형 통로인 가스 터빈 연료 펌프.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 로터와 작동식으로 연결되는 원주둘레로 이격된 베인들을 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 캠 링과 상기 하우징 사이에 방사상으로 개재되는 캠 슬리브를 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  20. 제 19 항에 있어서, 펌프 출력을 선택적으로 변경시키기 위해 상기 하우징 내의 상기 캠 슬리브의 위치를 변경시키는 수단을 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 캠 슬리브와 상기 하우징 사이에 방사상으로 개재되는 스페이서 링을 부가로 포함하는 가스 터빈 연료 펌프.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 캠 슬리브는 상기 캠 링과 상기 로터 사이의 편심율을 선택적으로 변경시키기 위해 상기 스페이서 링에 피벗식으로 고정되는 가스 터빈 연료 펌프.
  23. 제 12 항에 있어서, 상기 베인들은 텅스텐 카바이드로 형성되는 가스 터빈 연료 펌프.
  24. 제 12 항에 있어서, 상기 캠 링은 염가의 내구성 재료로 형성되는 가스 터빈 연료 펌프.
  25. 로터 및 그 로터를 둘러싸는 캠 부재를 내부에 수용하는 펌프 챔버를 구비하는 하우징을 포함하는 가스 터빈 연료 펌프 작동 방법으로서,
    상기 하우징 내에서 저널 베어링을 통해 상기 캠 부재를 지지하는 단계와,
    상기 로터를 상기 캠 부재에 대해서 자유롭게 회전시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 연료 펌프 작동 방법.
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