DE60010282T2

DE60010282T2 - Regelbare Flügelzellenpumpe mit verstellbaren Mantelhälften

Info

Publication number: DE60010282T2
Application number: DE60010282T
Authority: DE
Inventors: D. Lowell HANSEN; Kent E. Miller; Sam Maxwell
Original assignee: Argo Tech Corp
Current assignee: Argo Tech Corp
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: WO2001012991A1; DE60010282D1; EP1208302A1; US6398528B1; EP1208302B1; ATE265620T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf regelbare Flügelzellenpumpen und, im besonderen auf eine verbesserte Doppelnocken-, Sprengring-Walzen-Flügelzellenpumpe. Diese findet im besonderen Anwendung als Pumpe zur Förderung von Treibstoff zu einem Flugzeugdüsenmotor oder Gasturbine und wird mit besonderen Bezug hierzu beschrieben. Es ist jedoch vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung auch für andere Anwendungen zugänglich ist, welche die Merkmale von einem regelbaren Ausgangsdurchfluss einer Pumpe vorteilhaft verwendet.
Stand der Technik
Turbinenmotoren in Flugzeugen benötigen während des Betriebes unterschiedliche Mengen von Treibstoff. Der Treibstoffverbrauch eines Turbinenmotors ist zum Beispiel während des Startvorgangs wesentlich anders als während des Höhenflugs und nicht proportional zur Geschwindigkeit des Motors. Zur Anpassung dieses wechselnden Verbrauches in dem vorliegenden Stand der Technik wird der Treibstoff zu dem Motor unter Verwendung einer festgelegten Pumpe der Verdrängungsbauart in Verbindung mit einem regelbaren Treibstofffördersystems gepumpt.
Regelbare Förderungen werden mit einer Vielzahl von verschiedenen Methoden erreicht, einschließlich dem Wechsel der Geometrie von einer Pumpe der Verdrängungsbauart und/oder Umgehung eines Teils des überschüssigen, gepumpten Treibstoffs, zurück zum Pumpeneinlass. Im allgemeinen werden Umgehungssysteme in der Industrie bevorzugt. In solch einem System wird die Förderung von variablen Treibstoffdurchflüssen zum Motor durch gezielte Umgehung der überschüssigen Flussmenge zu einer Zwischenstufe oder zum Einlass der Pumpe der Verdrängungsbauart erreicht.
Konventionelle Pumpen der Verdrängungsbauart beinhalten Getriebepumpen, Flügelzellenpumpen oder Kolbenpumpen. Wenn das regelbare Fördersystem ein Umgehungssystem ist, sind die Pumpen typischerweise festgelegte Pumpen der Verdrängungsbauart, welche eine festgesetzte Menge von Treibstoff bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit fördern. Solche Systeme, welche eine festgelegte Pumpe der Verdrängungsbauart und eine Umgehung verwenden, sind schwer, uneffizient und manchmal anfällig.
Im Gegensatz dazu werden regelbare Pumpen der Verdrängungsbauart für die Förderung von Treibstoff des Pumpbetriebes zu Flugzeugmotoren in der Größenordnung von 8.000 rpm und 103 bar [1.500 Psid] nicht bevorzugt. Obwohl effizienter als Baugruppe haben festgelegte Pumpen der Verdrängungsbauart vordem eine unerwünschte Erwärmung des Treibstoffs in einem Treibstofffördersystem verursacht. Treibstoffsystemerwärmung bedarf einer Minimierung in vielen fortschrittlichen Motorsystemen, so wie diese in Flugzeuganwendungen verwendet werden.
Eine regelbare aktive Flügelzellenpumpe als Stand der Technik, auf welche sich der Oberbegriff von Anspruch 1 bezieht, ist in dem US-Patent 3,663,130 beschrieben. Die Pumpe beinhaltet ein Gehäuse, welches einen Rotor mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Nuten aufweist, wobei in jeder ein radial beabstandeter Flügel befestigt ist. Der radiale Abstand der Flügel wird mittels einem Paar von Nockensegmenten geregelt, welche innere plangedrehte Nockenoberflächen aufweisen, gegen welche äußere Enden der Flügel gleiten, während der Rotor rotiert.
Regelbare Pumpen der Verdrängungsbauart funktionieren durch erstens Aufnahme eines geregelten, variablen Volumens einer Flüssigkeit von dem Pumpeneinlass, dann Drücken der aufgenommenen Flüssigkeit in eine Austrittsführung. Typischerweise sind Flügelzellenpumpen ein wenig intolerant gegenüber Verschmutzung. Andere Mängel umfassen die Flügelbestückung und übermäßige Flügelspitzenbelastung an Einlass- und Auslass-Anschlussöffnungen, erhebliche Druckschläge und Kavitation, verursacht durch Flüssigkeiten, eingeschlossen in den Dichtungsbereichen, hohe Radiallagerbelastungen, Verwendung von sprödem Flügeln-, Nocken- und Anschlussplattenmaterial, hohes Restvolumen bei niedrigem Durchfluss, und Verwendung von komplexen Mechanismen, zur Synchronisierung beweglicher Mehrfachnockenringe.
Dem gemäß ist ein Bedarf für eine ausgewogene Pumpe der Verdrängungsbauart, welche robuster und verschmutzungsunempfindlicher ist und keine unerwünschten Mengen von Flüssigkeitserwärmungen verursacht. Die vorliegende Erfindung stellt eine neue und verbesserte Pumpe der Verdrängungsbauart zur Überwindung der oben aufgeführten Nachteile und anderer Mängel zur Verfügung.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe der Verdrängungsbauart. Im besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Doppelnocken-, Sprengring-Walzenflügelzellenpumpe, zur Förderung von zum Beispiel variablen Mengen von Treibstoff zu einem Flugzeugmotor.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte regelbare Walzenflügelzellenpumpe zur Verfügung gestellt. Die Pumpe beinhaltet ein Gehäuse;
einen Rotor, aufgenommen innerhalb des Gehäuses, zur Rotation um ein Rotationsmittelpunkt herum (RA), wobei der Rotor eine Mehrzahl von Nuten aufweist;
eine Mehrzahl von Flügeln, befestigt wirkend innerhalb der Nuten des Rotors;
erste und zweite Nockensegmente, jedes befestigt wirkend innerhalb des Gehäuses und relativ unabhängig beweglich zum Rotor, zur Erzeugung variabler, volumetrischer Pumpenkammern;
ein Einlass, zur Verfügung gestellt in dem Gehäuse, zur Einbringung von Flüssigkeit in die Mehrzahl von Pumpenkammern; und
ein Auslass, zur Verfügung gestellt in dem Gehäuse zum Auslassen der Flüssigkeit aus der Mehrzahl der Pumpenkammern, dadurch gekennzeichnet, dass jede Nut einen Halterungsschuh aufweist, welcher mit dem Flügel zusammenwirkt, befestigt in der Nut, wobei jeder Schuh ein hydrostatisches Polster aufweist, welches eine hydraulische Druckbelastung eines Flügels aufnimmt.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Nut- und Federverbindung zwischen dem Nockensegment für den nahtlosen Übergang des Walzenflügels während der Rotation von einem Nockensegment zum anderen zur Verfügung gestellt.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhalten die Anschlussplatten vorzugsweise radial angepasste Einlass- und Auslasskanäle zum Ausgleich von übertragener Flüssigkeit mit den unterhalb liegenden Nuten der Walzenflügel.
Die Schuhaufbauten bewahren die Walzen und Schuhe vor einer ungeeigneten Montage in der Rotornut.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Flügelzellenpumpe, welche den überschüssigen Flüssigkeitsdurchfluss zu einem System reduziert und die resultierende Energie und Erwärmung der Flüssigkeit, welche gepumpt wird, vermindert.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Rotors einer Flügelzellenpumpe, welche im Normalfall "druckausgleichend" ist, zur Minimierung der Belastungen, welche auf die Pumpenlager übertragen werden.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Flügelzellenpumpe, welche für einen großen variablen Bereich von Anwendungen verwendet werden kann.
Eine noch andere Anwendung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Flügelzellenpumpe, welche Walzen als Flügel verwendet.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Flügelzellenpumpe, welche geringes im Gewicht und dem geringes Volumen aufweist.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, die Bereitstellung einer Flügelzellenpumpe, in welcher jedes Nockensegment unabhängig gesteuert werden.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Pumpe mit zwei unabhängigen Auslässen, mit einem einzelnen Einlass oder zwei unabhängigen Einlässen, mit zwei unabhängigen Auslässen oder in irgendeiner Kombination der vorbenannten, verwendet werden kann.
Weitere Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann nach dem Lesen und Verstehen der vorliegenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann verschiedene Formen von Komponenten und Zusammenstellungen von Komponenten und verschiedene Schritte und Zusammenstellungen von Schritten annehmen. Die Zeichnungen dienen nur zum Zweck der Darstellung der vorliegenden bevorzugten Ausführungen und sind nicht als Einschränkung der Erfindung auszulegen.
1 ist eine isometrische Ansicht einer Flügelzellenpumpe zur vorliegenden Erfindung;
2 ist eine isometrische Ansicht einer Flügelzellenpumpe, wie in 1 dargestellt, welche eine gegenüberliegende Seite der Pumpe zeigt;
3 ist eine Ansicht einer Einzelteilanordnung einer Flügelzellenpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine isometrische Ansicht einer Flügelzellenpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung mit ausgewählten Teilen im Schnitt, zur Erleichterung des Bezuges;
5 ist eine schematische Teilansicht eines Rotors und seiner Mehrzahl von Rotornuten, gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine schematische Ansicht eines Walzenflügels und Schuhverbindung, gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Querschnittsansicht einer Pumpe der Verdrängungsbauart, hauptsächlich der Linie 7-7 von 4 entnommen;
8 ist eine Querschnittsansicht einer Pumpe der Verdrängungsbauart, hauptsächlich der Linie 8-8 von 4 entnommen;
9 ist eine schematische Ansicht eines Verbindungsanschlusses eines Nut- und Federnockenrings; in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung; und
10 ist eine Draufsicht einer Anschlussplatte in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf 1 und 2 ist eine Flügelzellenpumpe gezeigt, im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen VDRP. Die Pumpe beinhaltet eine externen Gehäuseaufbau 12 und ein plattenförmiges Gehäuseteil oder Anteil 12A. Die Gehäuseteile sind zusammen verbunden und in einer Paarweisen Beziehung durch eine Mehrzahl von Befestigungselementen, sowie Vorspannelemente 16 gesichert. Das Gehäuse beinhaltet eine Verbindungsstelle 18, 20, zur wirksamen Aufnahme innerhalb eines Antriebsübertragungsaufbaus, sowie ein Getriebe (nicht dargestellt), wie üblich und aus dem Stand der Technik bekannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung, sind erste und zweite Einlassanschlüsse 22, 34 an dem Gehäuse angeordnet. Die Einlässe 22, 24 sind mit einer Quelle von druckbeaufschlagter Hauptflüssigkeit (nicht dargestellt) verbunden, so wie Flugzeugmotorentreibstoff. Ein Austrittsanschluss 26 ist ebenfalls an dem Gehäuse 12 zur Verfügung gestellt.
3 und 4 stellen eine Achse 30 dar, welche wirksam in dem Gehäuse 12 aufgenommen ist und sich durch eine Öffnung erstreckt, welche in dem Gehäusedeckel gebildet ist. Die Achse 30 beinhaltet einen Keil oder eine verkeilte Anordnung, zur Verbindung der Pumpenachse 35. Achse 35 wiederum beinhaltet eine verkeilte oder Keil-Anordnung, zur Verbindung einer paarweisen Anpassung am Rotor 36. Die Pumpenachse und Rotor sind mittels einem Satz von Lageraufbauten drehbar gelagert, welche Lagerplatten 32, 33 aufweisen und innerhalb des Gehäuses befestigt sind.
Der Rotor 36 hat eine Mehrzahl von Ausnehmungen oder Nuten 38, welche nach Außen hin gegen die Peripherie des Rotors geöffnet sind. In der dargestellten Ausführung sind die Seitenwände der Nuten 38 im wesentlichen parallel mit und winkelig gegen eine rotierende Achse RA des Rotors angeordnet. Die Nuten 38 erstrecken sich über die gesamte, axiale Länge des Rotors, von einer Anschlussplatte zu einer anderen Anschlussplatte. Das Nutprofil ist asymmetrisch, wie durch Teile 38a, 38b dargestellt, aus Gründen, welche nachfolgend ersichtlicher werden. In einer exemplarischen Ausführung, sind zwölf Nuten 38 in dem Rotor 36 angeordnet und im gleichen Abstand zueinander über den Kreisumfang. Natürlich kann eine unterschiedliche Anzahl von Nuten in anderen Ausführungen ohne Abweichung von dem Bereich und der Absicht der Erfindung verwendet werden. Zusätzlich kann auch die Gestaltung und Ausrichtung der Nuten in dem Rotor variieren, als Antwort auf bestimmte Pumpenparameter, welche erwünscht werden.
5 und 6 stellen im Besonderen einen Flügel, oder Walze 40 dar und einen angefügten Schuh 42, welcher in jeder Nut 38 befestigt ist. Die Walze und Schuh sind zur radialen Bewegung in der Nut ausgelegt. Ein Teil der Außenfläche 44 des Rotors in Verbindung mit den Walzenflügeln begrenzt die gepumpte Flüssigkeit und definiert teilweise die Wände der Mehrzahl von Pumpenkammern 46 in der bevorzugten Ausführung. Die Walzenflügel 40 und Schuhe 42 erstrecken sich axial über die gesamte Länge der Nuten. Es ist anerkannt, dass andere Arten von Flügeln verwendet werden können, so wie geteilte, gegenüberliegende Flügel, konventionelle Flügel und selbst ein "intra"-Flügel kann verwendet werden und sollte so eine spezifische Bauformanwendung gewährleisten.
Die Schuhe 42 stützen die Walzen in dem Rotor und sind zur Zusammenwirkung mit den Konturen der asymmetrischen Nuten ausgelegt, um zu gewährleisten, dass die Walzen genau in dem Rotor 36 angeordnet sind. Die Schuhe 42 sind vorzugsweise an der Antriebsseite der Nuten angeordnet, das heißt, dass die Schuhe die Walzenflügel während der Rotation des Rotors antreiben. Die Schuhe erfüllen auch den Zweck, eine stützende und übereinstimmende Oberfläche für einen Aufbau eines Flüssigkeitsschmierfilms zur Verfügung zu stellen um Anteile der Flügelbelastung in den Rotorkörper zu leiten. Es wird geschätzt, dass die Schuhe in einer alternativen Ausführung auch an der gegenüberliegenden Seite der Walzenflügel positioniert sein können, um jede Belastung aufzunehmen, welche zu den Flügeln während einer anderen Verwendung der Pumpe weitergeleitet werden kann.
3 und 7 stellen deutlich ein Paar von gegenüberliegenden, entgegengesetzten Nocken dar, halbkreisförmige Sprengringe oder Kurvensegmente 48, 50, welche den Rotor 36 einkreisen. Die beiden Kurvensegmente 48, 50 sind vorzugsweise zur leichten Herstellung und Aufbau gleich. Die Kurvensegmente überlagern sich gegenseitig, um eine nahtlose Nut- und Federverbindung 52 (9) zu bilden, welche durch eine Nut 54 in einem Kurvensegment definiert ist, welches eine Feder 56 in dem anderen Kurvensegment aufnimmt.
Die ersten und zweiten Kurvensegmente 48, 50 sind unabhängig voneinander bewegbar, relativ zu der rotierenden Achse oder Mittellinie des Rotors 36. Die Kurvensegmente sind innerhalb eines Kurvenblocks 64 gesichert, welcher diese umgibt und die Kurvensegmente in radialer Position festhält. Die Kurvensegmente 48, 50 beinhalten entsprechend eine allgemeine, kurvenförmige innere Kontur 66, 68. Wenn die Kurvensegmente an ihrer Nullpunktposition sind, wird ein kreisförmiges 360°-Profil für die Walzen 40 zur Verfügung gestellt, um diese zu verfahren. Jedoch wenn sich eins oder beide Kurvensegmente radial auswärts bewegen, erzeugen die Kurvensegmente eine nicht kreisförmige, exzentrische Kurve, ähnlich wie ein ovales oder elliptischförmiges Profil für die Walzenflügel, um zu verfahren. Diese Aktion führt zu einem Wechsel in dem begrenzten Volumen der Pumpenkammern, welche Flüssigkeit von dem Einlass zu dem Pumpenaustritt befördern.
Die inneren Konturen 66, 68 der Kurvensegmente werden durch die radial beweglichen Walzenflügel in dem Rotor 36 durchquert. Die Walzen bilden eine hydrodynamische Schicht zwischen den Walzen und den inneren Konturen der Kurvensegmente, um den Kontakt von Metall auf Metall auszuschließen und erhöhen die verwendbare Lebensdauer der Pumpenkomponenten. So definieren die inneren Konturen 66, 68 der Kurvensegmente andere Teile der Wände der Pumpenkammern 46. Der Abstand zwischen den Kurvensegmenten 48, 50 und dem Rotor ist zum Teil variabel, je nach der jeweiligen Position der Kurvensegmente 48 und 50 zur Mittellinie des Rotors. Gleichfalls kann die Kontaktbelastung der Walzenflügel 40, welche die Kurvensegmente belegt, wie erwünscht durch absichtliches Ausgleichen der Nutenwinkel 38, mit Bezug auf die Rotormittellinie variieren. Die resultierende hydraulische Belastung auf die Walzen und Kurvensegmente kann verändert werden.
Erste und zweite Anschlussplatten 80, 82 sind wirksam auf beiden Seiten der Anordnung des Rotors 36, Kurvensegmente 48, 50 und dem Kurvenblock 64 (3, 4 und 8) angeordnet. Die Anschlussplatten 80, 82 verhindern eine axiale Bewegung der Kurvensegmente und definieren in einer axialen Richtung unbewegliche Wände der Pumpenkammern 46. Dadurch ist das variable Volumen der Pumpenkammern abhängig von der Distanz zwischen dem Rotor und den Kurvensegmenten, welche durch die angrenzenden, radial beweglichen Walzenflügel überspannt sind.
Jede der Anschlussplatten 80, 82 beinhaltet entsprechende Achsenöffnungen, zur Aufnahme der Achse 35. Zusätzlich beinhaltet jede Anschlussplatte einen ersten Einlassanschlusskanal 84 und einen ersten Auslassanschlusskanal 86, zur gezielten Flüssigkeitsübertragung mit den Pumpenkammern 46, wenn erstes Kurvensegment angrenzend, umlaufend angeordnet ist. Jede Anschlussplatte beinhaltet auch einen zweiten Einlassanschlusskanal 88 und einen zweiten Auslassanschlusskanal 90, zur Flüssigkeitsübertragung mit den Pumpenkammern 64, wenn die zweite Kurvensektion 50 angrenzend angeordnet ist. Die Einlässe 84, 88 und Auslässe 86, 90 sind relativ konzentrisch zur Rotorachse. Die Anordnung der Anschlusskanäle 84 bis 90 hindern jede Pumpenkammer 46 daran Kontakt mit mehr als einem Kanal an irgendeiner bestimmten wechselnden Position des Rotors 36 zu haben.
Jede Anschlussplatte 80, 82 beinhaltet zusätzlich einen ersten Druckeinlasskanal 92 und einen ersten Druckauslasskanal 94, zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Bereich, welcher durch die Nuten 38 unterhalb der Walzenflügel definiert, wenn die erste Kurvensektion angrenzend angeordnet ist. Ebenso beinhaltet jede Anschlussplatte auch einen zweiten Druckeinlasskanal 96 und einen zweiten Druckauslasskanal 98 zur Flüssigkeitsübertragung mit dem Bereich, welcher durch die Nuten unterhalb der Walzenflügel definiert wird, wenn die zweite Kurvensektion 50 angrenzend angeordnet ist. Die Einlässe 92, 96 und Auslässe 94, 98 sind alle relativ konzentrisch zur Rotorachse. Die Druckkanäle 92 bis 98 erlauben beiden Einlass- oder Auslassflüssigkeiten unter den Flügeln vorhanden zu sein, abhängig von dem Druck zwischen aufeinanderfolgenden Flügeln, welche die Pumpenkammer 46 bilden. Ebenso übermitteln die Druckkanäle in wirksamer Weise den Druckpegel an der Seite der Flügel, angrenzend an dem Rotor, als Reaktion zum Druck auf der Seite der Flügel, angrenzend an den Kurvensegmenten 48, 50, während die Walzenflügel die Kurvensegmente 48, 50 überqueren.
Ebenso wie aus den 3 und 4 erkennbar, sind die Lagerplatten 32, 33 angrenzend an den Anschlussplatten an der axial gegenüberliegenden Seite der Anschlussplatten von den Kurvenblöcken 64 angeordnet. Eine Mehrzahl von Verbindungselementen, so, wie Bolzen 100, welcher sich zwischen den Lagerplatten erstreckt, schließen den Kurvenblock 64 und Anschlussplatten 80, 82 dazwischen ein. Dadurch ist der Kurvenblock an der gegenüberliegenden Seite der Anschlussplatten angegrenzt und die Anschlussplatten sind an den Lagerplatten angegrenzt.
Die Lagerplatten 32, 33 beinhalten vorzugsweise Durchgänge (nicht dargestellt) in Flüssigkeitsverbindung mit den ersten Einlassanschlusskanälen 84 und dem ersten Pumpeneinlass 22 und in gleicher Weise in Flüssigkeitsverbindung mit dem ersten Auslassanschlusskanälen 86, zweitem Einlassanschlusskanälen 88, dem Pumpenauslass 26 und den zweiten Pumpeneinlass 24. Eine Flüssigkeitsverbindung ist zwischen Pumpenauslass 26 und den Lagern in den Lagerplatten 32, 33 beinhaltet. Dies stellt einen Lagerschmierfluss, zur drehbaren Lagerung der Pumpenachse 35 zur Verfügung.
Wie zuvor behandelt, sind die Kurvensegmente 48, 50 unabhängig drehbar, zur Erzeugung unterschiedlicher, nicht kreisförmiger oder elliptischer Kurvenprofile zur Überquerung der Walzenflügel. Wenn die Kurvensegmente bei Nullabstand gehalten werden, ist das Volumen der Pumpengehäuse 39 und 46 gering und bleibt konstant, während der Rotor 36 über Achse RA rotiert, unter Berücksichtigung eines geringen Restvolumens. Wenn die Kurvensegmente 48, 50 radial auswärts von ihrer entsprechenden Nullabstandsposition bewegt werden, ist das ringförmige Kurvenprofil mit Bezug zur Mittellinie der Rotation des Rotors versetzt. Dies erzeugt einen volumetrisch ausgedehnten und zusammengezogenen Bereich auf jeder Kurvensektion für die Pumpenkammern. Als Ergebnis werden Flüssigkeitseinlässe in den erweiterten Bereich und Auslässe in den zusammengezogenen Bereich von einem der Kurvensegmente eines festgelegten Volumens einer Flüssigkeit vom Einlass zum Auslass bewegt, bei jeder Umdrehung des Rotors.
Die zwölf verschiedenen (einzelnen) Pumpenkammern kreisen durch das entspannte und zusammengezogene Volumen eines jeden Kurvensegments. Die Auswahl von zwölf Pumpenkammern, oder eine andere ungerade oder gerade Anzahl von Kammern ermöglicht den Übergang von den Pumpenkammern 39 und 46 zwischen Einlassanschlusskanälen 84, 88 und Auslassanschlusskanälen 86 und 90, um während der Rotation des Rotors ausgeglichen zu werden. Im Besonderen trennt eine Pumpenkammer 46 den ersten Einlassanschlusskanal 84 von dem ersten Auslassanschlusskanal 86. Ebenso trennt eine Pumpenkammer den zweiten Einlassanschlusskanal 88 von dem zweiten Auslassanschlusskanal 90. Weiterhin trennt ein Pumpenkanal den ersten Auslassanschlusskanal 86 von dem zweiten Einlassanschlusskanal 88 und trennt den zweiten Auslassanschluss 920 vom dem ersten Einlassanschluss 84. Eine Pumpenkammer 39 trennt den ersten Einlassanschlusskanal 92 vom dem zweiten Auslassanschlusskanal 94. Ebenso trennt ein Pumpenkanal den zweiten Einlassanschlusskanal 96 vom dem zweiten Auslassanschlusskanal 98. Des weiteren trennt ein Pumpenkanal 39 ersten Auslassanschlusskanal 94 von dem zweiten Einlassanschluss 96 und trennt den zweiten Auslassanschluss 98 von dem ersten Einlassanschluss 92. Die Trennung der Übergangsbereiche erfolgt gleichzeitig und minimiert die Menge der eingeschlossenen Flüssigkeit und minimiert deshalb jede Druckreaktion in der geförderten Flüssigkeit.
Im Betriebszustand wird der Rotor über die Pumpenachse 35 angetrieben um eine zentrifugale Kraft zu erzeugen und veranlasst die Flügelzellen sich radial auswärts gegen die Kurvensegmente zu bewegen. Die Flügelzellen bilden die abgrenzenden Wände 66, 68 der Kurvensegmente, um Abdichtungen zwischen den angrenzenden Pumpenkammern zu bilden. Das Volumen der Pumpenkammern ist abhängig von dem Abstand der Kurvensegmente von der Mittellinie des Rotors.
Jede Kurvensegmentposition wird durch ein Antriebskolben 200 und 210 gesteuert. Die Steuerung des Systemdruckes wirkt auf den Bereich des Antriebskolben ein und liefert die erforderliche Kraft, um beide Kurvensegmente in die erwünschte Abstandsrichtung zu bewegen. Ausgleichkolben 220, 230 sind als Mittel zum entgegenwirken der Kraft eingefügt, welche gegen die Kurvenoberfläche des Flüssigkeitsdrucks erzeugt wird. Die Kombination von Druckauslässen, welche an den Ausgleichkolben wirken und die Drucksteuerung, welche an den Antriebskolben wirkt, stellt den notwendigen Kraftausgleich zur Verfügung, um die Kurvensegmente zur Platzierung in eine erwünschte Position zu veranlassen.
Kurvenpositionsrückmeldung, so wie ein Paar von linear geregelten Differentialumwandler (LVDT) 106, 108 werden zur gezielten Überwachung des radialen Abstandes von den entsprechenden Kurvensegmenten 48, 50 verwendet, relativ zu dem erwünschten Abstand. Die Überwachung der Pumpenregelung der LVDT's und Abstimmen des Druckes des Antriebkolbens zur Bewegung der Kurvensegmente in die geeignete Richtung, um den erwünschten Durchfluss von der Pumpe zur Verfügung zu stellen. Die elektrischen Leitungen 110, 112 stellen Energie und Signalverbindungen zu den LVDT's zur Verfügung.
Die Kurvensegmente beinhalten Spannmittel, so wie Federn 114, 116, um die Kurvensegmente zum maximalen Hub zu drängen, relativ zur Mittellinie des Rotors. Die Antriebskolben 200, 210 und Ausgleichkolben 220, 230 stellen sich gegen das Halten einer Kraft auf den Kurvensegmenten gegen die Spannung einer Feder und Flüssigkeitsdruck. Wie vorher beschrieben, je größer der Abstand von einem Kurvensegment von der Mittellinie des Rotors 36 ist, um so größer sind die Pumpenkammern 39, 46, wenn diese angrenzend an den Kurvensegmenten angeordnet sind. Gleichfalls, je größer die Pumpenkammern, desto größer der Flüssigkeitsdurchflussaustritt von der Pumpe.
Regelbare Durchflussregelung wird durch gezielten Wechsel des Pumpenabstandes erreicht, dass heißt, durch Bewegung eines oder beider Kurvensegmente gegen oder weg von der Mittellinie des wirkenden Rotors. Solche Bewegungen von den Kurvensegmenten können während der Betriebsfunktion des Rotors/Pumpe durchgeführt werden. Jede Kurvensektion kann, wenn erwünscht, unabhängig bewegt werden und die Pumpe zur Verfügungsstellung einer druckbeaufschlagten Flüssigkeit in zwei unabhängigen gänzlich separaten Flüssigkeitskreisläufe mit unterschiedlichen Betriebsparametern (Durchfluss und Druck) verwendet werden oder für unterschiedliche Teile von Durchflusskreisläufen. Es ist verständlich, dass, wenn die zwei Kurvensegmente nicht gleichmäßig verschoben sind und die Pumpe mit zwei Kreisläufen bei unterschiedlichen Druckpegeln arbeitet, dass dann der Rotor im Druck unausgeglichen wird, erzeugt durch Lagerbelastungen, was erklärt werden kann.
Eine vorteilhafte Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist, dass die Pumpe druckausgleichend während des Betriebszustandes ist, wenn diese in einem einfachen Austrittsystem oder druckgleich in einem doppelten Austrittsystem verwendet wird. Die doppelten Nockensegmente haben jedes einen Einlassbereich, welcher vorzugsweise diametrisch entgegengesetzt einem anderen, oder 180° auseinander ist. Ebenso sind die Austrittsbereiche aus gleichen Gründen vorzugsweise diametrisch entgegengesetzt einem anderen, oder 180° auseinander angeordnet. Solch eine Anordnung neigt zum Ausgleich der radialen Druckbelastung, welche auf den Rotor einwirkt. Die Pumpe überschreitet die Begrenzungen von einfachen Nockenausführungen, durch Ausgleich der Belastungen, welche auf die Pumpenlager weitergeleitet werden. Weiterhin können Flüssigkeitsdurchgänge in Verbindung zwischen dem Auslass und den dazugehörigen Lagern, diese in der Abstützung der Rotorbelastungen unterstützen, wenn der Einlass und Austrittsbereich unterschiedliche Druckpegel aufweist.
Die getrennte Belastung von den zwei Kurvensegmenten ist auch vorzugsweise ausgeglichen. Ein Segment des Belastungsvektors wird zu den ebenen Seiten des Kurvensegments in den Kurvenblock zerlegt, wo die entsprechenden Kurvensegmente während des Abstandwechsels gleiten. Zweite, hydrostatische Polster 120, 122 werden zwischen den paarweisen Oberflächen zum Ausgleich der Belastung (7) verwendet. Die Belastung in Richtung 90° zur flachen Seite reagiert unter Berücksichtigung des Austrittdrucks, um an dem außerhalb abgedichteten Hohlraum der Ausgleichkolben 230, 220 angeschlossen zu werden. Ein Antriebskolben wird verwendet, um das Segment entlang seiner entsprechenden flachen Seite zu bewegen. Die notwendige Antriebskraft ist gering, aufgrund des Druckausgleichs, welcher in der Ausführung verwendet wird.
Eine vorteilhafte Eigenschaft der Ausführung ist, dass die Kurvenbelastungen, welche in dem Kurvenblock von der entsprechenden flachen Seite wirken, durch Kolben 250, 260 (7) ausgeglichen, um exesive Abweichungen des Kurvenblocks zu vermeiden.
Ein weiterer Vorteil der Ausführung ist, dass der Walzenschuh hydrostatische Polster 280, 290 aufweist, ausgelegt, um die auftretenden Walzenbelastungen und erhöhte Entwicklung von hydrodynamischen Flüssigkeitsfilmen auszugleichen.
Die Pumpe ist geeignet, die Treibstoffbezüge von unterschiedlichen Abständen zu den Turbinentreibstoffsystemen zur Verfügung zu stellen. Sie sind geeignet zur Dosierung von Treibstoff zu den Triebwerken, ebenso wie zur Bedienung zugehöriger Antriebsanforderung des Triebwerks. Die Trennung der beiden Kurvensegmente in zwei Fließkreisläufe erlaubt zum Beispiel die Verwendung des einen Kreislaufs, zur Dosierung des Durchflusses von Triebwerken und des anderen Kreislauf, zur Verwendung für den verlangten Durchfluss von Triebwerksantrieben. Darüber hinaus wird dies erreicht, während unterschiedliche Lagerbelastungen von eventuell unterschiedlichen Druckanforderungen sich entgegenkommen. Die Erfindung erlaubt den Abstand zwischen dem Rotor und den Anschlussplatten, geregelt in der Herstellung, um die volumetrische Effizienz der Anordnung für den Druckpegel zu verbessern, welcher in der Anordnung erforderlich ist. Die Pumpe kann thermisch angepasst werden, um kritische Abstände ohne Bezug auf Flüssigkeiten oder Umgebungstemperaturen durch geeignete Materialauswahl und Anordnung anzupassen.
Zusammenfassend ist die Anordnung eine abstandsregelbare, doppelt ausgleichende Nockenwalzenpumpe (VDRP), welche mit zwei einzelnen Nocken funktioniert, halbkreisförmige Kurvensegmente, zueinander entgegengesetzt. Ein Regelsystem wird zur Bewegung der entsprechenden Kurvensegmente verwendet, um variable Abstände zu erreichen, welche für einen variablen Ausgangsdurchfluss erforderlich sind. Dies wird unter Verwendung von zwei gegenüberliegenden einzelnen ringförmigen Kurvensegmenten erreicht, um eine ausgleichende, doppelte Nockenanordnung zu bilden, mit der Maßnahme, einem einzelnen Rotor und Satz von Walzen zu ermöglichen, unabhängig an den zwei gegenüberliegenden Kurvensegmenten zu wirken.
Die Anordnung an der geringsten Abstandsposition der beiden Kurvensegmente stellt einen normalen 360° kreisförmigen Bogen für die Walzen zur Verfügung, um zu verfahren. Die beiden Kurvensegmente sind identisch und überlagern sich gegenseitig in der Einlasszone durch ein Nut- und Feder-Anordnungsschema. Wenn die beiden Segmente von der geschlossenen Position weg bewegt werden, ist das kreisförmige Kurvenprofil versetzt, mit Bezug auf die Mittellinie der Rotation des Rotors mit seinen entsprechenden Walzen. Dies erzeugt eine erweiterte und zusammengezogene Sektion in den zwei 90°-Segmenten der Walze. Dies ermöglicht Flüssigkeiten in den erweiterten Bereich einzufließen und in der zusammengezogenen Sektion auszutreten. Dies wird mit den anderen Sektionen der Kurven auch wiederholt.
Die "Nut- und Feder"-Anordnungseigenschaft zwischen den beiden Kurvenringsegmenten ermöglicht den Walzen, von einem Kurvenring zum anderen überzuleiten. Die Kurvenringsegmente sind zwischen zwei Anschlussplatten enthalten, eine an jeder Seite der beiden Kurvenringe. Die Anschlussplatten wirken mit den Einlass- und Austrittkreisbögen innerhalb der Pumpe für beide oberen Flügel- und unteren Flügel-Verbindungen zusammen.
Die Trennbelastung von den beiden Kurvensegmenten wird durch zwei andere Anordnungseigenschaften ausgeglichen. Eine Komponente des Druckbelastungsvektors ist aufgeteilt auf die flache Seite des Kurvenrings in dem umlaufenden Körper des Pumpenmechanismus, wo die entsprechenden Kurvensegmente während des Abstandswechsels gleiten. Ein hydrostatisches Polster mit Pumpenaustrittsdruck wird zwischen den paarweisen Oberflächen verwendet, um die Kurvenbelastung in dieser Richtung auszugleichen. Die Belastung in der Richtung 90° zur flachen Seite ist hydraulisch durch Anschließen des Pumpenaustrittdruckes an den Hohlraum ausgeglichen, eingeschlossen durch die abgedichteten Ausgleichkolben und den Antriebskolben. Der Antriebskolben-Belastungsbedarf ist begrenzt auf die Verwendung, zur Bewältigung der Summe der Trägheits- und Reibungsbelastung, verbunden mit der Bewegung des Kurvensegments entlang seiner entsprechenden flachen Seite, zuzüglich der kurvengetrennten Federbelastungen. Diese Federn stellen die erforderliche Belastung zur Vergrößerung des Abstandes durch Trennung der Kurvensegmente während des normalen Betriebszustandes und nach Anhalten des Triebwerkes zum nachfolgenden Neustart zur vollständigen Durchflussposition zur Verfügung.
Die Walzen sind in ihren entsprechenden Nuten mit einem Walzenschuh gestützt, welcher Druckpolster beinhaltet, vorgesehen, um zusätzliche Lagerstützung für die Walzen während des Betriebes zur Verfügung zu stellen. Druck ist ebenso neben den Walzen an dazugehörigen Taktpunkten der Anschlussplatte angeschlossen, um beiden Einlass- oder Austrittsflüssigkeiten zu ermöglichen, unter den Walzen vorzuliegen, abhängig von dem Rotationsbogen und Pumpenkammerndruck zwischen den Walzen, um sicherzustellen, dass die Walzen immer druckausgeglichen oder auswärtsbelastet gegen den Kurvenring sind.
Die Anordnung wendet zwölf Walzen an, um das Schalten von wirksamen Taschen zu ermöglichen, welche identisch für alle Pumpenkammern um die vollständige Sektion von beiden Kurvensegmenten herum sind. Dies kann weiterhin festlegen, wie zum Beispiel eine Pumpenkammer bei jedem kleineren Druck (Kurvenwechselzone zwischen Einlass- und Austrittsdruck und zur dazwischenliegenden Abdichtung) eine von jeder der Hauptdruckzonen hat (Überleitung vom Einlass zum Austritt der Pumpensequenz), zwei auf jeder der entsprechenden Einlassrampen aufweist, wo Flüssigkeit in die Pumpenkammern fließt und zwei an jeder der entsprechenden Austrittrampen, wo die Flüssigkeit aus den entsprechenden Pumpenkammern vertrieben ist. Die Verwendung von zwölf Pumpenkammern, beabstandet, wie in den vier beschriebenen Sektionen aufgeführt, welche zur gleichen Zeit wechseln, minimieren jede Flüssigkeitsüberfüllung oder Überleitung und kann sich auf die Druckreaktion auswirken, erkennbar in der geförderten Flüssigkeit.
Der Rotor wird angetrieben durch eine einfache Rundantriebspassfeder durch die Hauptachse, welche durch das Getriebe angetrieben wird. Dies stellt eine optimale Anordnung für die rotierenden Teile zur Verfügung, mit der Fähigkeit des Rotors, sich zwischen den Anschlussplatten zu zentrieren.
Die Kurvensegmente, Walzen, Walzenschuhe und Rotor sind in ihrer Größe durch Trennung und/oder Überlagerung auf einen Raum kleiner als der Kurvenblock zugeschnitten, welcher den Kurvensegmenten ein Übertragen ermöglicht. Die Regelung der Seitenräume sind kritisch für die Pumpenleistung. Die Anschlussplatten stellen einen Durchfluss in und aus der Pumpengruppe und Abdichtung der Durchgänge von der Rotornut zu der Durchgangsbohrung zu den Lagerräumen zur Verfügung. Die beiden Druckplatten beherbergen die Lager und stellen eine Verbindung der Anschlüsse der Anschlussplatten von der Innenseite der Pumpenzone zu dem Hauptgehäusedurchgang zur Verfügung und stellen ein Axialdruckausgleich der getrennten Pumpenbelastung zur Verfügung. Der gesamte Aufbau ist für eine einfache Montage miteinander verschraubt und von dem Hauptgehäuse demontierbar.
Diese Erfindung ist mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungen beschrieben. Änderungen und Veränderungen können von Anderen nach Durchlesen und Verstehen der vorausgehenden detaillierten Beschreibung offensichtlich auftreten. Zum Beispiel beschreibt die Erfindung in Verbindung mit einer Gasturbine Treibstoffsysteme und kann wechselweise in einem Treibstoffantriebssystem in einer Triebwerksgeometrie oder in einem hydraulischen System für Flugwerke und industrielle Anwendungen verwendet werden. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung ausgelegt ist, dass alle solche Änderungen und Veränderungen eingeschlossen sind, insofern, dass diese innerhalb des Bereichs der angefügten Ansprüche liegen oder hierzu gleichwertig sind.

Claims

Eine regelbare Flügelzellenpumpe, umfassend: ein Gehäuse (12, 12A); einen Rotor (36), innerhalb des Gehäuses (12, 12A) aufgenommen, zur Rotation um einen Drehpunkt (RA), wobei der Rotor (36) eine Vielzahl von Nuten (38) aufweist; eine Vielzahl von Flügeln (40), welche wirksam innerhalb der Schlitze (38) des Rotors (36) befestigt sind; ein erstes und zweites Kurvensegment (48, 50), jedes wirksam innerhalb des Gehäuses (12, 12A) befestigt und unabhängig beweglich in Bezug zum Rotor (36), zur Erzeugung von unterschiedlichen volumetrischen Pumpenkammern; einen Einlass (22, 24), welcher im Gehäuse (12, 12A) vorgesehen ist, zur Einbringung von Flüssigkeit in die Vielzahl der Pumpenkammern (46); und ein Auslass (26), welcher im Gehäuse (12, 12A) vorgesehen ist, zur Ausleitung von Flüssigkeiten aus der Vielzahl von Pumpenkammern (46), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schlitz (38) einen Halterungsschuh (42) aufnimmt, welcher in den und in dem Schlitz (38) befestigt an Flügel (40) eingreift, wobei jeder Führungsschuh (42) eine hydrostatische Auflage (280, 290) aufweist, welche eine hydraulische Drucklast der Flügel unterstützt.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvensegmente (48, 50) miteinander durch eine Feder-und-Nut-Verbindung (52, 54, 56) verbunden sind, für den nahtlosen Übergang der Flügel (40) von dem einen Kurvensegment (48) zu dem anderen Segment (50).
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin erste und zweite Schlitzplatten (80, 82) aufweist, welche axial an gegenüberliegenden Seiten des Rotors (36) positioniert sind.
Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Schlitzplatten (80, 82) mindestens einen schlitzartigen Einlasskanals (84, 88) aufweisen, zur Führung von Flüssigkeit in die Vielzahl von Pumpenkammern (46), und mindestens einen schlitzartigen Auslasskanal (86, 90), zur Führung von Flüssigkeit aus der Vielzahl von Pumpenkammern (46) heraus.
Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Schlitzplatten (80, 82) eine Vielzahl von Einlass- (92, 96) und Auslass- (94, 98) Kanälen beinhalten, welche im Allgemeinen gleich beabstandet zum angrenzenden Rotor (36) sind.
Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Schlitzplatten (80, 82) mindestens einen Druckeinlasskanal (92, 96) aufweisen, zur Führung von Flüssigkeit in eine Vielzahl von Nuten (38), welche die Flügel (40) aufnehmen, und mindestens ein Druckauslasskanal (94, 98) zur Führung von Flüssigkeit aus der Vielzahl der Nuten (38) heraus, welche die Flügel (40) aufnehmen.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl von Flügeln (40) innerhalb einer Vielzahl von Schlitzen (38) aufgenommen ist und von einem Halterungsschuh (42) an der Antriebsseite des Schlitzes (38) begleitet wird, wobei der Schuh ausgebildet ist, um zu verhindern, dass der Flügel und der Schuh in der Nut des Rotors falsch platziert werden.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Flügel (40) walzenartige Flügel sind, welche radial innerhalb der Nuten (38) bewegbar sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin erste und zweite Aktuatoren (200, 210) zur Bewegung der ersten und zweiten Kurvensegmente (48, 50) vorhanden sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Vorspannelement (114, 116) aufweist, welches die Kurvensegmente (48, 50) von einander entfernt hält.
Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Aktuator (200, 210) aufweist, zur Aufrechterhaltung der Kurvensegmente an einer erwünschten Position gegen das Vorspannelement (114, 116).
Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Rückkopplungsmittel aufweist, so wie ein linearvariabler Differentialmessumformer (106, 108), zum Schließen einer Rückkopplungsschleife mit einem Kontroller, zur Aufrechterhaltung der Kurvensegmente (48, 50) an einer erwünschten Position.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (38) relativ winkelig zum Drehpunkt (RA) des Rotors (36) sind, zur Minimierung der Kontaktlast der Flügel (40) an den Kurvensegmenten (48, 50).
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvensegmente (48, 50) zu Ausgleichzwecken gegenüberliegend im Gehäuse (12, 12A) angeordnet sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (36) radial von den Kurvensegmenten (48, 50) umgeben ist und axial zwischen erste und zweite Anschlussplatten (80, 82) aufgenommen ist, welche axial zwischen ersten und zweiten Lagerungsaufbauten (32, 33) aufgenommen sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenkräfte durch Ausgleichkolben (220, 230) in Übereinstimmung mit den Kurvensegment-Aktuator-Kolben (200, 210) ausgeglichen werden.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenkraft durch Ausgleichkolben (220, 230) ausgeglichen werden, um einer Durchbiegung vorzubeugen.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (36) und die Kurvensegmente (48, 50) thermisch aneinander angepasst sind, um eine Änderung des Betriebsspiels durch Flüssigkeits- und Außentemperaturänderungen zu verhindern.