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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung ist eine Teilfortführung
der US Patentanmeldung, Seriennr. 09/741,524, welche am 20. Dezember
2000 eingereicht wurde, und beansprucht die Priorität der vorläufigen US
Patentanmeldung Nr. 60/236,293, welche am 28. September 2000 eingereicht
wurde, die beide hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in dem
Ausmaß enthalten
sind, in dem sie nicht im Widerspruch zu dieser Offenbarung stehen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Der
Gegenstand der Erfindung betrifft Kraftstoffpumpen für Gasturbinenmotoren
und insbesondere verstellbare Flügelzellenpumpen,
welche bei Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Zuverlässigkeit
und eine vorausgesagte Ausfallart verlangen.
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2. Hintergrund der verwandten
Technik
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Verstellbare
Flügelzellenpumpen
werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie als eine Alternative zu
herkömmlichen
Zahnrad-Konstantpumpen entwickelt. Ein Beispiel einer verstellbaren
Flügelzellenpumpe
ist in dem US Patent Nr. 5,545,014 von Sundberg u.a. offenbart,
dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in
dem Ausmaß enthalten
ist, in dem sie nicht im Widerspruch zu der vorliegenden Offenbarung
steht.
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Flügelzellenpumpen
umfassen üblicherweise
u.a. ein Gehäuse,
ein Kurvenelement und einen Rotor, welcher in dem Gehäuse durch
axial gegenüber liegende
Traglager abgestützt
ist. Das Gehäuse definiert
eine Innenkammer, einen Fluideinlass und einen Fluidauslass und
das Kurvenelement und der Rotor sind in der Innenkammer angeordnet.
Das Kurvenelement besitzt eine zentrale Bohrung, welche die Umfangsgrenze
der inneren Pumpenkammer definiert. Ein Rotor, welcher für eine Drehbewegung
in der zentralen Bohrung des Kurvenelements angebracht ist, ist
durch axial gegenüberliegende
Traglager abgestützt.
Das Rotorelement hat darin maschinell hergestellte, in Umfangsrichtung
beabstandete Schlitze, welche korrespondierende radial bewegliche
Flügelelemente
abstützen.
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Verstellbare
Flügelzellenpumpen
unterscheiden sich von anderen Zellenpumpen, wie z.B. Konstant-Flügelzellenpumpen,
darin, dass das Kurvenelement um ein Drehgelenk drehbar gelagert
ist, welches nach der vertikalen Mittellinie der Pumpe ausgerichtet
ist, um auf diese Weise seine Position bezüglich des Rotors einzustellen.
Diese Einstellung erlaubt es, die relativen Volumen der Einlass-
und Auslasszellen zu verändern
und auf diese Weise das Saugvermögen
der Pumpe zu verändern.
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Bei
einer einzigen Drehung durchqueren die Flügel des Rotorelements der Pumpe
wenigstens vier verschiedene bogenförmige Bereiche, welche die
360 Grad-Umdrehung ausmachen. Der erste Bereich ist das Einlassbogensegment,
in welchem Fluid in der Pumpenkammer aufgenommen wird und über diesen
Bereich nimmt das Zellenvolumen zu. Der zweite Bereich ist das Auslassbogensegment,
in welchem unter Druck stehendes Fluid aus der Pumpenkammer ausgelassen
wird und über
diesen Bereich nimmt das Zellenvolumen ab. Schließlich trennen Dichtungsbogensegmente
das Einlass- und das Auslassbogensegment und repräsentieren
die Bereiche, in welchen das Zellenvolumen im Wesentlichen konstant
bleibt.
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Im
Betrieb wird Fluid mit einem ersten Druck durch den Gehäuseeinlass
in die Pumpenkammer eingeleitet und in den zwischen benachbarten
Flügelelemen ten
begrenzte Raum, welcher als Zelle bekannt ist. Da die Flügelelemente
bei Verdränger-Flügelzelienpumpen
in der Pumpenkammer von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich
drehen, bewirkt der Aufbau des Kurvenelements, dass sich die Flügel in die
entsprechenden Schlitze zurückziehen. Dies
bewirkt, dass das von der Zelle begrenzte Volumen abnimmt. Da die
in einer Einlasszelle aufgenommene Fluidmenge größer als die in der entsprechenden
Auslasszelle enthaltene ist, wird ein in der Größe der volumetrischen Differenz
entsprechendes Fluidvolumen durch die Auslassöffnung mit einem Druck gleich
dem zu überwindenden
stromabwärtigen Druck
ausgelassen oder verdrängt.
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Typischerweise
sind die Pumpendrücke
und -geschwindigkeit in dem Pumpengehäuse so hoch, dass die Verwendung
von schweren, sehr verschleißfesten
Materialien, wie z.B. Wolframcarbid, für das Kurvenelement und die
Flügelelemente
notwendig wird, um mit dem Verschleiß fertig zu werden, welcher
durch diese hohen Druck- und Geschwindigkeitsniveaus verursacht
wird.
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Frühere verstellbare
Flügelzellenpumpen sind
in dem US Patent Nr. 5,545,014 von Sundberg u.a. und dem US Patent
Nr. 5,833,438 von Sundberg veranschaulicht. Das US Patent Nr. 5,545,014
offenbart eine langlebige, einfach wirkende, verstellbare Flügelzellenpumpe,
welche fähig
ist zum Unterflügelpumpen
(undervane pumping) und ein Druckausgleichsverfahren. Das US Patent
Nr. 5,833,438 von Sundberg lehrt eine verstellbare Flügelzellenpumpe, welche
ein haltbares Rotorelement mit Lagerzapfenenden an jeder Seite eines
zentralen Flügelabschnitts
mit großem
Durchmesser hat und einen Mechanismus, um den hohen Druck in dem
Kurvenelement (cam member) zu begrenzen und auf diese Weise einen
axialen Druckverlust entlang der Länge des Rotorelements zu verhindern.
Die in diesem Patent enthaltene Offenbarung ist hiermit durch Bezugnahme
in ihrer Gesamtheit in dem Ausmaß enthalten, in dem sie mit
der vorliegenden Offenbarung nicht im Widerspruch steht.
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Eine
Flügelzellenpumpe
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der US-A-5,545,014 bekannt.
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Die
Vorteile von verstellbaren Pumpen über herkömmliche Zellenpumpen, nämlich Zahnrad-Konstantpumpen,
ist, dass sie die Problematik lösen,
wo eine übermäßige Wärmeerzeugung
ein kritisches Hindernis für
die Pumpenleistung wird. Ebenso können verstellbare Flügelzellenpumpen
zur Vermeidung bestimmter Kraftstoffflussdosierungskomponenten verwendet
werden durch Ausnutzung der Pumpe als Dosierungsvorrichtung.
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Einer
der Nachteile, welche mit der verstellbaren Flügelzellenpumpentechnologie
im Zusammenhang steht, ist die Unfähigkeit, die Ausfallart (failure
mode) vorherzusagen. Als ein Ergebnis besteht eine Abneigung, diese
Technologie in Anwendungen, wie z.B. ein Hochleistungsflugzeug,
zu implementieren, welche eine hohe Zuverlässigkeit und eine vorhergesagte
Ausfallart verlangen. Bei einer herkömmlichen Zahnradpumpe mit konstanter
Verdrängung
ist der Fehlermechanismus gut bekannt. Während die Pumpe nachlässt, fällt typischerweise
die Leistung weit genug ab, sodass man den Motor nicht starten kann,
wodurch ein sicherer Ausfall eintritt. Bei einer verstellbaren Flügelzellenpumpe
kann jedoch, da die Flügel
infolge des Kontakts mit der Kurvenoberfläche abnutzen, die freitragende
Last, welche der Druck auf jeden Flügel ausübt, so hoch werden kann, dass
ein katastrophaler Defekt eines Flügels während des Pumpenbetriebs vorkommen
kann und das gesamte Pumpensystem tatsächlich ohne Warnung zerstört. Bei
einer Anwendung, wie z.B. Helikopterkraftstoffsystemen, kann diese
Art von Fehler eine Beschädigung
des Steuer/Regelsystems und des Motors bewirken und zum Tode führen, Um
einen solchen Vorfall zu vermeiden, muss die verstellbare Flügelzellenpumpe
regelmäßig inspiziert
und gewartet werden.
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Im
Hinblick auf das vorhergehende besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte
Flügelzellenpumpe,
welche der Ausfallart einer Zahnradpumpe ähnelt, indem der Verschleiß der Flügel "verfolgt" wird und der Motor
startunfähig
gemacht wird, nachdem ein bestimmtes Verschleißniveau erreicht ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Gegenstand der Anmeldung ist auf verstellbare Flügelzellenpumpen zur Verwendung
mit Gasturbinenmotoren gerichtet, welche einen Mechanismus zur Voraussage
der Ausfallart der Pumpe umfassen, um auf diese Weise einen Betriebsdefekt
zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flügelzellenpumpe
ein Pumpengehäuse, ein
Kurvenelement, ein Rotorelement und einen Mechanismus, um ein Hochdruckfluid
von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen zu lassen,
um einen Pumpenstart zu verhindern, wenn ein vorherbestimmter Verschleißzustand
erreicht wurde.
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Das
Pumpengehäuse
umfasst typischerweise eine zylindrische Innenkammer, welche eine
Mittelachse definiert, durch welche sich eine vertikale Mittellinie
und eine horizontale Mittellinie erstrecken. Das Kurvenelement ist
für eine
schwenkbare Bewegung in der Innenkammer des Pumpengehäuses um einen
Drehpunkt angebracht, welcher nach der vertikalen Mittellinie der
Innenkammer ausgerichtet ist. Das Kurvenelement besitzt eine Bohrung,
welche sich durch dieses hindurch erstreckt, welche eine Umfangsfläche eines
Pumpenhohlraums definiert. Die Umfangsfläche des Pumpenhohlraums umfasst ein
Auslassbogensegment, ein Einlassbogensegment und Dichtungsbogensegmente,
welche das Einlassbogensegment und das Auslassbogensegment voneinander
trennen.
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Das
zylindrische Rotorelement ist für
eine Drehbewegung in der Bohrung des Kurvenelements um die Mittelachse
der Innenkammer angebracht. Das Rotor element besitzt einen zentralen
Körperabschnitt
mit einer ersten und einer zweiten axial entgegengesetzten Endfläche und
einer Mehrzahl von darin ausgebildeten, in Umfangsrichtung beabstandeten
und sich radial erstreckenden Flügelschlitzen.
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Jeder
Flügelschlitz
stützt
ein entsprechendes Flügelelement
ab, welches für
eine radiale Bewegung in diesem angebracht ist. Jedes der Flügelelemente
besitzt eine radial äußere Endfläche, welche dazu
ausgebildet ist, mit der Umfangsfläche des Pumpenhohlraums gleitend
in Eingriff zu treten, und einen radial inneren Flügelunterabschnitt,
welcher in jedem Flügelschlitz
angeordnet ist.
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Der
Mechanismus, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich zu
dem Einlassbogenbereich strömen
zu lassen, um einen Pumpenstart zu verhindern, aktiviert sich dann,
wenn die Endfläche
von jedem Flügelelement
einen vorbestimmten Wert bezüglich
des Flügelunterabschnitts
von jedem Flügelelement
verschlissen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Mechanismus, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich
zu dem Einlassbogenbereich strömen
zu lassen, wenn die Endfläche
jedes Flügelelements
einen vorbestimmten Wert verschlissen ist, bogenförmige Kanäle, welche
in der ersten Endfläche
des Körperabschnitts
des Rotorelements ausgebildet sind. Die bogenförmigen Kanäle erstrecken sich jeweils
zwischen jedem Flügelschlitz.
Es ist vorgesehen, dass die bogenförmigen Kanäle von der Mittelachse um einen
radialen Abstand beabstandet sind und der radiale Abstand den vorherbestimmten Verschleißwert definiert.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfassen die Mittel, um ein Hochdruckfluid von dem Auslassbogenbereich
zu dem Einlassbogenbereich strömen
zu lassen, wenn die Endfläche
jedes Flügelelements
einen vorbestimm ten Wert verschlissen ist, bogenförmige Kanäle, welche
in der zweiten Endfläche
des Körperabschnitts
des Rotorelements ausgebildet sind.
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Es
ist derzeit bevorzugt, dass der vorbestimmte Verschleißwert erreicht
wird, wenn der Flügelunterabschnitt
von jedem Flügelelement
an einem Punkt in dem Pumpenhohlraum radial außerhalb der in dem Körperabschnitt
des Rotors ausgebildeten bogenförmigen
Kanäle
angeordnet ist. Als ein Ergebnis dieser relativen Positionierung
darf das Fluid von dem Auslassbogensegment zu dem Einlassbogensegment
des Pumpenhohlraums strömen.
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Die
Umfangsfläche
des Pumpenhohlraums umfasst ein Auslassbogensegment von etwa 150 Grad,
ein erstes Dichtungsbogensegment von etwa 30 Grad, ein Einlassbogensegment
von etwa 150 Grad und ein zweites Dichtungsbogensegment von etwa
30 Grad.
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Es
ist ferner vorgesehen, dass die erste und die zweite axial voneinander
beabstandete Endplatte in der Innenkammer des Pumpengehäuses angeordnet
sind. Jede Endplatte besitzt eine erste Fläche, welche dem Rotorelement
benachbart ist und einen axialen Endabschnitt des Pumpenhohlraums
ausbildet. Jede Endplatte ist von dem Rotorelement derart beabstandet,
dass eine reibungsfreie Drehung des Rotorelements innerhalb des
Pumpenhohlraums ermöglicht
ist. Vorzugsweise umfassen die Endplatten einen Mechanismus, welcher
der ersten Fläche
von jeder Endplatte zugeordnet ist, um Fluid von dem Auslassbogensegment
des Pumpenhohlraums zu dem Flügelunterabschnitt
jedes Flügelelements
strömen
zu lassen, wenn jedes Flügelelement
die Auslass- und Dichtungsbogensegmente durchläuft. Zusätzlich umfasst die erste Fläche von
jeder Endplatte einen Mechanismus, um Fluid von dem Einlassbogenbereich
des Pumpenhohlraums zu dem Flügelunterabschnitt
von jedem Flügelelement
strömen
zu lassen, wenn jedes Flügelelement
das Einlassbogensegment durchläuft,
während
das Rotorelement um die Mittelachse dreht.
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Es
ist derzeit vorgesehen, dass das Rotorelement ferner eine Mehrzahl
von im Wesentlichen axialen Fluiddurchgängen umfasst, welche in dem zentralen
Körperabschnitt
des Rotors ausgebildet sind. Jeder Durchgang ist zwischen einer
Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten radialen Flügelschlitzen
angeordnet und stellt einen Weg durch den Rotorkörperabschnitt für Fluid
derart bereit, dass es axial von dem Pumpenhohlraum zu der ersten
und zweiten Endplatte strömt.
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Der
Gegenstand der Anmeldung ist auch auf eine Flügelzellenpumpe gerichtet, welche
u.a. ein Pumpengehäuse,
ein Kurvenelement und ein Rotorelement umfasst. Das Rotorelement
ist im Wesentlichen zylindrisch und für eine Drehbewegung in der Bohrung
des Kurvenelements um die Mittelachse der Innenkammer angebracht.
Das Rotorelement umfasst einen zentralen Körperabschnitt mit einer ersten
und einer zweiten axial entgegengesetzten Endfläche und einer Mehrzahl von
darin ausgebildeten in Umfangsrichtung beabstandeten, sich radial
erstreckenden Flügelschlitzen.
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Es
ist vorgesehen, dass jeder Flügelschlitz ein
entsprechendes Flügelelement
abstützt,
welches für
eine radiale Bewegung darin angebracht ist. Jedes Flügelelement
hat eine radial äußere Endfläche, welche
dazu ausgebildet ist, mit der Umfangsfläche des Pumpenhohlraums gleitend
in Eingriff zu treten, und einen radial inneren Flügelunterabschnitt
in jedem Flügelschlitz.
Vorzugsweise besitzt die erste Endfläche des Körperabschnitts darin ausgebildete bogenförmige Kanäle, welche
sich zwischen jedem Flügelschlitz
erstrecken. Die bogenförmigen
Kanäle stellen
einen Weg für
Hochdruckfluid bereit, um von dem Auslassbogensegment zu dem Einlassbogensegment
des Pumpenhohlraums zu entweichen, wenn jede Flügelendfläche derart verschlissen ist, dass
der Flügelunterabschnitt
radial außerhalb
der bogenförmigen
Kanäle
angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die bogenförmigen
Kanäle
von der Mittelachse um einen radialen Abstand beabstandet, wobei
der radiale Abstand einen erlaubten Flügelendflächenverschleißwert definiert,
welcher vorkommen kann, bevor Hochdruckfluid von dem Auslassbogensegment zu
dem Einlassbogensegment des Pumpenhohlraums entweichen kann.
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Die
vorliegende Anmeldung betrifft eine verstellbare Flügelzellenpumpe,
welche ein Pumpengehäuse,
ein Kurvenelement, ein Rotorelement, einen Leck- oder Auslaufweg
und eine erste und eine zweite axial beabstandete Endplatte umfasst.
Der Auslaufweg lässt
Fluid von dem Auslassbogenbereich zu dem Einlassbogenbereich strömen, wenn
das Kurvenelement in einer Startposition ist und jeder Flügelunterabschnitt
radial außerhalb
des Auslaufwegs angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der Auslaufweg in
der ersten Endfläche
des Körperabschnitts
des Rotorelements ausgebildete bogenförmige Kanäle umfasst, die sich zwischen
jedem Flügelschlitz
erstrecken.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Damit
Durchschnittsfachleute, für
welche die vorliegende Anmeldung bestimmt ist, leichter verstehen,
wie dieselbe herzustellen und zu verwenden ist, wird auf die Zeichnungen
Bezug genommen, in welchen:
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1 eine Querschnittsansicht
einer verstellbaren Flügelzellenpumpe
ist, welche gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung konstruiert ist, welche ein Pumpengehäuse, ein
drehbar gelagertes Kurvenelement und ein Rotorelement mit zugehörigen Flügelelementen umfasst;
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2 eine Seitenansicht im
Querschnitt der Flügelzellenpumpe
der 1 ist, welche die
Art und Weise veranschaulicht, in welcher Fluid in der Pumpenkammer
aufgenommen und aus dieser ausgelassen wird;
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3 eine Seitenansicht der
Oberfläche
der Endplatte der Pumpe der 1 ist,
welche eine Reihe von darin ausgebildeten Kanälen und Ausnehmungen veranschaulicht;
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4 eine Querschnittsansicht
des Rotors der 2 ist,
wobei der Rotor bogenförmige
Ausnehmungen oder Kanäle
besitzt, welche in jedes Ende des Körperabschnitts zwischen benachbarten
Flügelschlitzen
eingeschnitten sind;
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5 eine Seitenansicht im
Querschnitt des Rotorelements der Flügelzellenpumpe der 1 ist, welche die bogenförmigen Kanäle veranschaulicht, die
in einem Ende des Rotors ausgebildet sind, um Hochdruckkraftstoff
zu ermöglichen,
zu der Niederdruckseite des Dichtungsbogens zu strömen, wenn ein
vorher festgesetzter Flügelverschleißzustand
erreicht wurde; und
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6 eine vergrößerte örtlich begrenzte Querschnittsansicht
einer verstellbaren Flügelzellenpumpe
im verschlissenen Zustand ist, in welchem Kraftstoff von der Hochdruckseite
der Pumpenkammer zu der Niederdruckseite des Dichtungsbogens strömt.
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Diese
und andere Merkmale der Flügelzellenpumpe
der vorliegenden Anmeldung werden leichter für Durchschnittsfachleute aus
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
offenbar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in welchen gleiche Bezugszahlen ähnliche
strukturelle Aspekte des Gegenstands der Erfindung identifizieren,
ist in 1 eine verstellbare
Flügelzellenpumpe veranschaulicht,
welche gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des Gegenstands der Anmeldung aufgebaut und allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet
ist. Die Flügelzellen pumpe 10 umfasst
ein Pumpengehäuse 12,
welches eine Innenkammer begrenzt, die ein Kurvenelement 14 und
ein Rotorelement 16 abstützt. Das Rotorelement 16 umfasst
eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen 17. Jeder
Schlitz ist so aufgebaut, dass er ein entsprechendes Flügelelement 18 abstützt. Das
Kurvenelement 14 ist für
eine Schwenkbewegung in dem Pumpengehäuse 12 um einen Drehzapfen 20 angebracht,
welcher einen Drehpunkt begrenzt, um die Verdrängung der Flügelzellenpumpe 10 zu
verändern.
Das Kurvenelement 14 umfasst einen einstückigen Körper, welcher
eine Bohrung 22 begrenzt, die eine Kurvenkammer ausbildet.
Die kreisförmige Bohrung 22 definiert
eine glatte kontinuierliche Umfangsfläche 24 des Pumpenhohlraums
und ist im ständigen
Kontakt mit den äußeren Endflächen 21 von
jedem Flügelelement 18.
Ein Hebel 25 erstreckt sich von dem Körper des Kurvenelements 14 aus
und ist schwenkbar mit einem Betätigungskolbenaufbau 15 verbunden,
um die Position des Kurvenelements 14 relativ zu dem Rotorelement 16 zu
verändern.
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Wie
in 1 veranschaulicht,
passt jedes Flügelelement 18 gut
in einen entsprechenden Schlitz 17 und wirkt wie ein Kolben,
während
er während
der Bewegung des Rotorelements 16 durch den Hochdruckauslassbogenbereich 62 (3) der Pumpenkammer radial
nach innen gedrückt
wird. Jeder Schlitz 17 hat einen radial inneren Hohlraum
unter einem Flügel 19 (undervane
cavity), welcher einen Bereich definiert, der für einen niedrigen Einlassdruck
geöffnet
ist, wenn das Flügelelement 18 in
dem Einlassbogenbereich 60 (3)
der Pumpenkammer ist, und für
einen hohen Auslassdruck geöffnet ist,
wenn das Flügelelement 18 in
dem Auslassbogenbereich 62 der Pumpenkammer und den Dichtungsbogenbereichen 64a und 64b (3) der Pumpenkammer ist.
Die Art und Weise, in welcher unter Druck stehendes Fluid zu dem
Hohlraum unter einem Flügel
strömt
bzw. übertragen
wird, wird nachfolgend detaillierter bezüglich 3 beschrieben.
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Auf 2 Bezug nehmend umfasst
die Flügelzellenpumpe 10 ferner
einen Einlassbereich 50, um Niederdruckfluid in die Pumpenkammer
hineinzulassen, und einen Auslassbereich 52, um Hochdruckfluid
aus der Pumpenkammer auszutragen. Eine Hauptantriebswelle 32 erstreckt
sich durch die Innenkammer des Pumpengehäuses 12 längs der
Längsachse
davon, um ein zentrales Wellenelement 34 anzutreiben. Das
Wellenelement 34 ist zur Drehung durch gegenüberliegende
Traglager 36a und 36b gelagert und ist mit dem
Rotorelement 16 verkeilt, um diesem eine Drehbewegung zu
erteilen.
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In
der Innenkammer angeordnete entgegengesetzte Seitenplatten 40 und 42 bilden
einen abgedichteten Hohlraum zwischen dem Kurvenelement 14 und
dem Rotorelement 16 aus und stellen eine Einlass- und eine
Auslassöffnung
für den
Hohlraum bereit. Ein axiales Distanzstück 30 ist in dem Gehäuse 12 zwischen
Seitenplatten 40 und 42 abgestützt und besitzt eine Dicke,
welche etwas größer als
die Dicke des Kurvenelements 14 ist. Dies erlaubt es, die Seitenplatten 40 und 42 fest
gegen das Distanzstück 30 durch
eine Mehrzahl von Schraubbefestigungsmitteln (nicht gezeigt) zu
klemmen, während
es erlaubt, dass schmale Spalten zwischen dem Kurvenelement 14 und
den Seitenplatten bleiben, um eine Reibung zwischen diesen zu verringern
oder zu beseitigen.
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Nun
auf 3 Bezug nehmend
ist eine Oberfläche 44 der
Seitenplatte 40 benachbart dem Rotorelement 16 angeordnet.
Die 360 Grad-Pumpenkammer umfasst einen Einlassbogenbereich 60, einen
Auslassbogenbereich 62 und Dichtungsbogenbereiche 64a und 64b,
welche zwischen dem Einlassbogenbereich 60 und dem Auslassbogenbereich 62 angeordnet
sind. Der Einlassbogenbereich 60 stellt den Abschnitt der
Pumpenkammer dar, in welchem das zwischen benachbarten Flügelelementen (d.h.
innerhalb der Zellen) enthaltene Volumen zunimmt und Niederdruckfluid
in der Pumpenkammer aufgenommen wird. Der Auslassbogenbereich 62 ist der
Abschnitt der Pumpenkammer, in welchem das zwischen benachbarten
Flügelelementen
enthaltene Volumen abnimmt. In den Dichtungsbogenbereichen 64a und 64b bleibt das
Volumen im Wesentlichen konstant.
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Wenn
der Rotor 16 in der Pumpenkammer dreht, überträgt die dadurch
erzeugte Zentrifugalkraft eine radial nach außen gerichtete Kraft auf jedes
Flügelelement 18.
Zusätzlich überträgt das in
benachbarten Zellen enthaltene unter Druck stehende Fluid eine radial
nach innen gerichtete Kraft auf jedes benachbarte Flügelelement 18.
Oft sind die entgegengesetzten Kräfte, welche auf jedes Flügelelement 18 übertragen
werden, nicht ausgeglichen. Als ein Ergebnis wird entweder das Flügelende 21 von
jedem Flügel 18 einem übermäßigen Verschleiß infolge
einer resultierenden radial nach außen gerichteten Kraft ausgesetzt,
oder Fluid leckt bzw. entweicht aus den Zellen infolge einer resultierenden
radial nach innen gerichteten Kraft. Dies verringert die Pumpenleistung.
Ein idealer Pumpenbetriebszustand findet statt, wenn der auf die
Flügelelemente
ausgeübte Druck
ausgeglichen ist und wenn die Flügelelemente in
den in dem Rotor definierten Schlitzen "schwimmen". Dieser Zustand führt zu einem minimalen Verschleiß der Flügelspitzen
und minimiert die Druckverluste, welche durch den mangelnden Kontakt
zwischen den Flügelspitzen
und dem Kurvenelement verursacht werden.
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Die
Pumpe 10 ist dazu ausgebildet und konfiguriert, den unausgeglichenen
Flügelzustand
zu korrigieren, indem auf den Flügelunterabschnitt 23 von
jedem Flügelelement 18 Druck
ausgeübt
wird. Insbesondere wird Niederdruck aus dem Inneren jeder Zelle,
welche den Einlassbereich 60 durchquert, dem Flügelunterabschnitt 23 des
Flügelelements 18 innerhalb
des Einlassbogenbereichs 60 zugeführt. Entsprechend wird der
Flügelunterabschnitt 23 der Flügel, welche
den Auslassbogenbereich 62 und die Dichtungsbogenbereiche 64a und 64b durchqueren, mit
Hochdruck von den im Auslassbogenbereich 62 angeordneten
Zellen versorgt. Der Druck, in der Form von unter Druck stehendem
Fluid, wird von dem Einlassbogenbereich 60 und dem Auslassbogenbereich 62 dem
Flügelunterabschnitt 23 von
jedem Flügelelement 18 zugeführt durch
in dem Rotorkörperabschnitt
maschinell hergestellte Durch flußöffnungen und dadurch, dass
Endplatten vorgesehen sind, welche darin ausgebildete Durchflusskanäle haben.
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Auf
die 4 und 5 Bezug nehmend, umfasst
der Körperabschnitt 19 des
Rotors 16 eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Durchflussöffnungen 84.
Jede Durchflussöffnung 84 ist
zwischen der Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten radialen
Flügelschlitzen 17 vorgesehen
und stellt einen Weg für
Fluid bereit, um von dem Pumpenhohlraum zu Kanälen 66i und 66d (siehe 3) zu strömen, welche
in der Endplatte 40 oder in beiden Endplatten 40 und 42 ausgebildet
ist. Jede Durchflussöffnung 84 ist
im Wesentlichen T-förmig
und umfasst einen radialen Kanal 85 und einen axialen Kanal 86.
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Dieses
Merkmal ist vorteilhaft, da sich Fluid von der Zelle radial einwärts in jede
Durchflussöffnung 84 gegen
die durch die Drehung erzeugte Zentrifugalkraft bewegen muss, sodass
das Fluid vor dem Eintritt in jede Durchflussöffnung 84 effektiv
gefiltert wird. Darüber
hinaus werden in dem Fluid in der Pumpenkammer enthaltene Feststoffe
radial auswärts
durch die Zentrifugalbewegung gedrückt, was schwebstofffreies
Fluid an dem radial inneren Abschnitt der Zelle übrig lässt.
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Nun
auf 3 Bezug nehmend
sind die bogenförmigen äußeren Kanäle 66i und 66d in
der Fläche 44 der
Endplatte 40 ausgebildet und sind jeweils durch die Durchflussöffnungen 84 des
Rotorelements 16 in Fluidverbindung mit dem Einlass- und
dem Auslassbogenbereich 60 und 62. Niederdruckfluid
von dem Einlassbogenbereich 60 wird in dem bogenförmigen äußeren Kanal 66i aufgenommen
und fließt dann
radial einwärts
durch Durchgänge 68a–e zu dem
bogenförmigen
inneren Kanal 69i. Die Durchgänge 68a–e und der innere Kanal 69i sind
auch in der Fläche 44 der
Seitenplatte 40 ausgebildet. Der innere Kanal 69i steht
mit dem Flügelunterabschnitt von
jedem Flügelelement 18,
welches in dem Einlassbogenbereich 60 angeordnet ist, in
Ver bindung.
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In
einer ähnlichen
Weise wird auf der Auslassseite der Pumpenkammer Hochdruckfluid
vom Inneren des Auslassbogenbereichs 62 von dem bogenförmigen äußeren Kanal 66d aufgenommen.
Das Fluid strömt
dann radial einwärts
durch Durchgänge 67a–d zu
einem bogenförmigen
inneren Kanal 69d. Wie zuvor sind die Durchgänge 67a–d und
der innere Kanal 69d jeweils in die Fläche 44 der Seitenplatte 40 maschinell
eingearbeitet. Der bogenförmige
innere Kanal 69d steht mit dem Flügelunterabschnitt von jedem
Flügelelement 18,
welches in dem Auslassbogenbereich 62 und den Dichtungsbogenbereichen 64a und 64b angeordnet
ist, in Verbindung. Ein Fachmann würde ohne weiteres erkennen,
dass die Anzahl an Kanälen
und Durchgängen
abhängig
von der Konfiguration der Pumpe und den zugehörigen Betriebsdrücken verändert werden
kann.
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Die Übertragung
von unter Druck stehendem Fluid durch die oben beschriebene Reihe
von Öffnungen
und Kanälen
zu dem Flügelunterabschnitt
von jedem Flügelelement
dient dazu, die auf die Flügel übertragen
Kräfte
auszugleichen oder wenigstens sicherzustellen, dass eine resultierende
radial auswärts
gerichtete Kraft auf diese ausgeübt
wird.
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Wie
oben erwähnt,
ist einer der Nachteile, welcher mit der verstellbaren Flügelzellenpumpentechnologie
verbunden ist, die Unfähigkeit,
die Ausfallart vorherzusagen. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Konstant-Zellenpumpen, welche nicht starten, wenn die Pumpenelemente
ein vorbestimmtes Verschleißmaß erfahren
haben, fallen herkömmliche verstellbare
Flügelzellenpumpen
ohne Warnung und oft katastrophal während eines Pumpenbetriebs
aus.
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Die
Kraftstoffpumpe 10 ist dafür ausgebildet und konfiguriert,
um die Ausfallart, welche normalerweise mit der verstellbaren Flügelzellenpumpentechnologie
im Zusammenhang steht, zu einer zu ändern, welche im Wesentlichen der
von Konstant-Zellenpumpen gleicht. Wie in den 4 und 5 veranschaulicht,
sind eine Reihe von Leck- oder Auslaufwegen 87a und 87b in
den Enden 92a und 92b des Körperabschnitts 19 des
Rotorelements 16 ausgebildet. Diese Auslaufwege 92a und 92b erlauben
es, dass in dem bogenförmigen äußeren Kanal 66d,
dem bogenförmigen
inneren Kanal 69d und den Durchgängen 67a–d enthaltener
Hochdruck in den Niederdruckeinlassbogenbereich 60 strömt, wenn
die Ventilelemente 18 derart verschlissen sind, dass der
Flügelunterabschnitt 23 radial
außerhalb
der Auslaufwege 87a und 87b angeordnet ist.
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Insbesondere
tritt bei einer verstellbaren Flügelzellenpumpe
der maximale Flügelüberstand
vom Inneren des entsprechenden Schlitzes dann auf, wenn das Kurvenelement 14 in
der dem Pumpenstart entsprechenden Position angeordnet ist, wie
in 1 veranschaulicht.
Wie dargestellt, ragen in der Pumpenstartposition die in dem Dichtungsbogenbereich 64a angeordneten
Flügelelemente 18 maximal
aus dem Inneren der Flügelschlitze 17 hervor.
Wenn die Flügelzellenpumpe 10 neu
und nicht verschlissen ist, verhindert der Flügelunterabschnitt 23 von
jedem Flügelelement 18,
dass Fluid in die Auslaufwege 87a und 87b strömt. Jedoch
wird die radiale Position des Flügelunterabschnitts 23 von
jedem Flügelelement 18 bezüglich der
Auslaufwege 87a und 87b verändert, während die Flügelspitzen 21 infolge
ihres Kontakts mit der Umfangsfläche 24 des
Pumpenhohlraums verschleißen.
Letztendlich verschleißen
die Flügelelemente 18 in
dem Ausmaß,
dass der Flügelunterabschnitt 23 radial
außerhalb
der Auslaufwege 87a und 87b angeordnet ist und
nicht länger
Kraftstoff von den Auslaufwegen 87a und 87b abhatten kann.
Infolgedessen beginnen die in dem Rotor 16 ausgebildeten
Auslaufwege 87a und 87b, langsam Hochdruckkraftstoff
zu der Niederdruckeinlassseite des Dichtungsbogens 64a strömen zu lassen.
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Nun
auf 6 Bezug nehmend
sind die Flügelelemente 18 der
Flügelzellenpumpe 10 in
einem verschlissenen Zustand gezeigt. Während die Flügel elemente 18 verschleißen, geschieht
es durch die in den Endplatten ausgebildeten Kanäle oder Ausnehmungen, dass
der Hochdruck mit der Niederdruckseite der Pumpe in Verbindung steht.
Während
der Verschleiß weiter
fortschreitet, wird diese Verbindung ausgeprägter und kräftiger. Letztendlich wird ein
bestimmtes Auslaufniveau durch diesen Weg erreicht, sodass die Fähigkeit
der Pumpe, einen ausreichenden Fluss bereitzustellen, um den Motor
zu starten, verhindert wird und ein Start nicht erfolgen kann. Somit
wird es notwendig, die Pumpe für
eine Überholung
auszubauen, bevor ein Punkt erreicht wird, wo ein Fehler infolge
eines überlasteten
Flügels
droht und ein Hauptfehler kann vermieden werden.
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Die
Ausfallart beeinflusst nur die Fähigkeit des
Motors, zu starten. Eine höhere
Leckage während
des Betriebs ist für
das Überleben
einer Mission nicht kritisch und daher besteht keine Gefahr, dass die
zusätzliche
Leckage den Motorbetrieb beeinträchtigen
wird. Dieses Betriebsszenario ist identisch mit dem einer Konstantpumpe.
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Die
radiale Position der Auslaufwege 87a und 87b wird
basierend auf der Konfiguration und der Größe der Pumpenkomponenten und
der Materialeigenschaften der Flügelelemente
festgelegt. Die Auslaufwegposition wird so ausgewählt, dass
die oben beschriebene Ausfallart sichergestellt wird und katastrophale
Betriebsfehler vermieden werden.
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Es
ist vorgesehen, dass die Durchlassverbindungen der Pumpe durch eine
Reihe von Techniken erreicht werden können. Die Pumpenkonfigurationen
können
verschiedenartige Ausnehmungen in den Kurvenelementen, Seitenplatten
und Rotoren verwenden, um verschiedene Drücke aus verschiedenen Gründen zu übertragen
einschließlich,
aber nicht auf diese beschränkt,
Lagerschmierung, Druckausgleich und dgl. Die Erfindung verwendet
Durchlassausnehmungen in dem Rotor, um eine kontrollierte und voraussagbare
Ausfallart bereitzustellen, um so die Flügelzellenpumpe mit einer Zuverlässigkeit ähnlich der
einer Konstantpumpe zu versehen.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde,
werden Fachleute leicht verstehen, dass verschiedene Änderungen
und/oder Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom
Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.