DE69000353T2

DE69000353T2 - Fluegelzellenmaschine.

Info

Publication number: DE69000353T2
Application number: DE9090109407T
Authority: DE
Inventors: Lowell D Hansen
Original assignee: Vickers Inc
Current assignee: Vickers Inc
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2010-05-19
Also published as: CN1026255C; EP0399387B1; CN1047551A; JP2899063B2; JPH0315685A; DE69000353D1; US5064362A; EP0399387A2; EP0399387A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine doppelwangige Flügelzellenmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine bekannte Maschine dieser Art (US-A-2 752 893) weist einen Fluideinlaß auf einer axialen Seite der Maschine und einen Fluidauslaß an der entgegengesetzten Seite des Gehäuses auf. Das Fluid kann durch eine ringförmige Kammer zu einer axialen Blindbohrung des Rotors gelangen, von welcher eine Mehrzahl von kleineren radialen Bohrungen sich zum äußeren Rand des Rotors erstrecken, und das Fluid kann die Maschine über eine weitere Mehrzahl von kleinen radialen Bohrungen verlassen, welche zu einer weiteren axialen Blindbohrung führen, die sich zur Auslaßseite der Maschine öffnen. Aus diesem Grund ist der Druck in der Maschine in axialer Richtung unausgeglichen.
Es gibt viele Flügelzellenmaschinen auf dem Markt mit Fluideinlaß- und -auslaßkanälen, die in dem Gehäuse in und um den Kontur- oder Nockenring gebildet sind, so daß die Fluideinlaß- und -auslaßsteueröffnungen sich typischerweise direkt in die Fluiddruckräume an den Kanten der Flügelumlaufbahn öffnen. Die Außenkanten der Flügel sind dem Verschleiß und der Beschädigung ausgesetzt, wenn sie den Kanten der Fluidsteueröffnungen begegnen. Ferner werden in der Pumpenanwendung bei Gasturbinen von Flugzeugmotoren, wenn die Pumpengeschwindigkeiten zunehmen, die Fluideinlaßsteueröffnung kleiner, was den Einlaßbrennstoffdruck kritisch werden läßt.
Es ist vorgeschlagen worden, den Außendurchmesser des Rotors so zu gestalten, daß zusätzliche Einlaßfläche erhalten wird. Diese Technik liefert die Flügel jedoch vergrößerten Belastungen aus und verschlimmert daher die Empfänglichkeit der Flügel gegenüber Beschädigung. Es wurde in der Tat festgestellt, daß die meisten Flügelzellenpumpenausfälle durch Absplitterung oder Bruch der Flügel an den Fluidsteueröffnungen oder -fenstern verursacht werden, wo die Flügelkanten frei werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die generelle Aufgabenstellung zugrunde, eine Flügelzellenmaschine zu schaffen, bei der die Steuerung des Einlaß- und Auslaßfluids direkt in die Fluiddruckräume vermieden wird, wobei diese Ursache der möglichen Flügelbeschädigung und des Maschinenausfalls beseitigt wird und wobei die Maschine axial ausgeglichen ist. Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Maschine mit spezieller Nützlichkeit für Brennstoffpumpenanwendungen in Gasturbinen von Flugzeugmotoren zu schaffen, welche verbesserte Fluideinlaßcharakteristiken, verglichen mit entsprechenden Maschinen ähnlicher Art des Standes der Technik zeigt. Beim Herangehen an die vorhergehende Zielrichtung liegt der Erfindung die weitere und noch spezifischere Aufgabenstellung zugrunde, eine Flügelzellenmaschine zu schaffen, in welcher die Brennstoffeinlaßkanäle so konstruiert sind, daß sie mit der Drehung des Rotors zur Unterstützung des Einlaßstromes und Drucks kooperieren.
Die Erfindung betrachtet eine doppelwangige Flügelzellenmaschine wie in Anspruch 1 definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung mit zusätzlichen Zielrichtungen, Merkmalen und Vorteilen ist am besten aus der nachfolgenden Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und der Zeichnung zu verstehen. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine druckausgeglichene, doppelwangige Brennstoffpumpe für eine Gasturbine eines Flugzeugmotors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 und 3 Schnitte entlang der Linien 2-2 bzw. 3-3 in Fig. 1,
Fig. 4 ein typisches Diagramm der Steuerzeiten für Einlaß und Auslaß der Pumpe nach Fig. 1 bis 3,
Fig. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Pumpe nach Fig. 1 bis 3,
Fig. 6 einen Schnitt ähnlich zu dem nach Fig. 1, jedoch für eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 7 und 8 Schnitte entlang der Linien 7-7 bzw. 8-8 in Fig. 6.

Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführung

Die Zeichnungen stellen eine druckausgeglichene, doppelwangige Brennstoffpumpe 10 vom Flügelzellentyp für einen Luftfahrzeuggasturbinenmotor gemäß einer zur Zeit bevorzugten Verwirklichung der Erfindung dar. Ein Gehäuse 12 weist einen Deckel 14 mit einem sich radial erstreckenden Flansch 16 auf, um die Pumpe 10 an einer nicht gezeigten, geeigneten Pumpenträgerstruktur zu befestigen. Eine Pumpenantriebswelle 18 ist drehbar innerhalb des Gehäuses 12 über (als Steuerspiegelplatten wirksame) Druckplatten 24, 28 gelagert. Ein Abdichtring 20 umgibt die Welle 18 innerhalb des Deckels 14, wobei ein Federring 22 zwischen dem Flansch des Ringes 20 und einer gegenüberstehenden Oberfläche des Deckels 14 im zusammengepreßten Zustand gefangen ist, um den Ring 20 gegen einen anliegenden Ring 23 zu drängen. Eine vordere Druckplatte 24 umgibt die Welle 14 und weist eine axial ausgerichtete Oberfläche 26 entfernt von dem Deckel 14 auf. Eine rückwärtige Druckplatte 28 umgibt die Welle 18 und ist am Gehäuse 12 (über nicht gezeigte Einrichtungen) befestigt, wobei eine flache Druckplattenseite 30 der Fläche 26 gegenübersteht und parallel zu dieser ausgerichtet ist.
Ein Kontur- oder Nockenring 32 ist zwischen den Druckplatten 24, 28 gehalten, und zwar mit einer Reihe von Stiften 34 (Fig. 2, 3 und 5), die um den Umfang des Nockenrings 32 herum angeordnet sind und sich von dessen Seiten in gegenüberliegenden Öffnungen 36 der Druckplatten 24, 28 erstrecken und dabei den Nockenring und die Druckplatten in Umfangsrichtung zueinander ausrichten. Eine Reihe Schrauben 38 halten die Druckplatten und den Nockenring zusammen. Die Druckplatten und der Nockenring bilden so einen Rotorhohlraum, in welchem der Rotor 40 gelegen ist. Der Rotor 40 ist drehbar angeordnet und mit der Welle 18 verbunden, und weist im gleichen Abstand um seinen Umfang herum verteilte, randständige Schlitze 42 auf, in welche eine Anordnung von Flügeln 44 verschieblich aufgenommen werden. Die radial innere Oberfläche 46 des Nockenringes 32 hat eine Kontur zur Bildung (gegenüber dem kreisrunden Rotor) zweier sich gegenüberstehender, symmetrischer Fluiddruckräume 48. Eine Mehrzahl von Fluidkanälen 50 erstreckt sich durch den Körper des Rotors 40 und sind im gleichen Abstand in Umfangsrichtung angeordnet, wobei ein Kanal 50 mittig zwischen einem benachbarten Paar von Flügelschlitzen 42 des Rotors angeordnet ist. Jeder Rotorfluidkanal 50 umfaßt einen axialen Kanal 52, der sich ganz durch den Rotorkörper erstreckt, wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, und eine Anzahl von axial benachbarten Kanälen, d.h. zwei Kanälen 54, 56, die sich radial nach außen von jedem Kanal 52 zum Rand des Rotors 50 erstrecken. Alle Kanäle 52 liegen auf einem gemeinsamen Radius, von der Drehachse des Rotors 40 und der Welle 18 aus gesehen.
Der Fluideinlaß zur Pumpe 10 weist sich gegenüberstehende Anordnungen von Einlaßkanälen 58 auf (von denen drei in Fig. 1, 3 und 5 dargestellt sind), die sich radial nach innen vom Rand der Druckplatten 24, 28 zu den diametral gegenüberliegend angeordneten, nierenförmigen Einlaßkanälen oder -öffnungen 60, 62 in jeder Druckplatte erstrecken. Die nierenförmig gestalteten Öffnungen 60, 62 in den jeweiligen Druckplatten stehen sich axial ausgerichtet gegenüber und weisen einen gemeinsamen Radius von der Drehachse der Welle gleich dem Radius der Rotorkanäle 52 auf. Daher überdecken die Rotorkanäle 52 die Einlaßöffnungen 60, 62 in den Platten 24, 28 als Funktion der Drehung des Rotors zwischen den Platten. In ähnlicher Weise umfaßt der Fluidauslaß der Pumpe 10 zwei sich diametral gegenüberstehende, nierenförmige Schlitze oder Öffnungen 64, 66 in jeder Druckplatte 24, 28, die jeweils typischerweise mitten zwischen benachbarten Einlaßöffnungen 60, 62 angeordnet sind. Die Öffnungen 64, 66 führen zu Auslaßkanälen 68 (wovon vier gezeigt sind), die sich durch die rückwärtige Druckplatte 28 in einem Winkel zu der Wellenachse erstrecken, wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich. Die Öffnungen 64, 66 sind auf dem Radius der Rotoröffnungen 52 angeordnet, so daß die Rotoröffnungen die Auslaßöffnungen 64, 66 als Funktion der Rotordrehung überdecken. Jede Öffnung 60 bis 66 ist so winkelmäßig dimensioniert, daß sie mindestens zwei Rotoröffnungen 52 überdeckt.
Im Rotor 40 unterhalb jedes Flügels 40 ist jeweils eine Fluidkammer 70 auf einem Radius zur Überdeckung mit einem Kanal 72 gebildet, der sich gänzlich um die Seiten 26, 30 jeder Druckplatte 24, 28 erstrecken. Der Kanal 72 in der Druckplatte 28 (Fig. 3) steht über einen Kanal 74 mit dem Auslaß 68 in Verbindung. Daher drängt der Fluiddruck unterhalb der Flügel 44 diese in Eingriff mit der Oberfläche 46 des Nockenrings. Ein ringförmiger Hohlraum 80 zwischen dem Deckel 14 und der Platte 24 fördert mit hohem Druck Leckagefluid um die Welle 18 durch einen Kanal 81 zu der nierenförmigen Öffnung 60 in der Platte 24. Ein ähnlicher Kanal erstreckt sich durch die Steuerspiegelplatte 28 zur Aufnahme von Leckageflüssigkeit um die Welle 18 und zur Führung zum Einlaß 58.
Einlaßfluid wird daher zu den Rotor/Ringhohlräumen 48 durch die Druckplatten und den Rotorkörper und nicht direkt zu den Fluiddruckhohlräumen geschaltet. Weiterhin wird das Auslaßfluid von den Pumpendruckräumen durch die Rotorkanäle und durch die Druckplatten geschaltet und nicht direkt von den Pumphohlräumen. Diese Merkmale bieten mindestens drei ausgeprägte Vorteile:
1. Die Abwesenheit von Fluidschaltöffnungen bei oder benachbart zu den Nockenringkanten verhindert eine potentielle Beschädigung der äußeren Kanten der Flügel 44.
2. Der Pumpeneinlaßbogen und damit die Schaltzeit ist stark verlängert, wie in Fig. 4 dargestellt. Im einzelnen ist der Bogen des Einlaßbereichs um 18 % der Schaltzeit zu den sich kreuzenden Bohrungen 52 verlängert anstelle des Raums zwischen den Paaren der Flügel im Vergleich mit einer ähnlichen Struktur, die vom Rand her geschaltet wird, wodurch die Geschwindigkeit des Einlaßfluids und demgemäß auch der Verschleiß der Pumpe verringert wird.
3. Die im Einlaßkanal durch den Rotor führende zentrifugale Pumpwirkung führt auch zu einer Vergrößerung des Einlaßwirkungsgrades.
Die Kontur und die Anordnung der Einlaßkanäle in den Platten 24, 28 kann abweichend ausgebildet sein. Beispielsweise könnten sich die Einlaßkanäle von dem Hohlraum 59 (Fig. 1) bei anderen Pumpenkonstruktionen erstrecken. In ähnlicher Weise können sich die Auslaßkanäle 68 und die Öffnugnen 64, 66 in Abhängigkeit von Konstruktionserfordernissen ändern. Der Kanal 72 kannn nierenförmig gestaltet sein (Fig. 7), um den Flügelhub für die Pumpenverdrängung auszunutzen. Die kreuzenden Bohrungen 52 müssen nicht zentral zwischen Flügelpaaren angeordnet sein, so lange sie nur konsistent in einer gegebenen Konstruktion angeordnet sind. Sie können nach vorne in Richtung der Drehung angeordnet sein, um die Füllbögen 60, 62 weiterhin zu vergrößern.
Fig. 6 bis 8 stellen eine modifizierte Pumpenkonstruktion 80 dar, in welchen die kreuzenden Bohrungen 52 und die zugeordneten nierenförmigen Öffnungen 60, 66 radial außen zum Kanal 72 angeordnet sind, um die Pumpengröße zu reduzieren. Die radialen Bohrungen 54, 56 werden durch Ausbrüche der Kreuzungsbohrungen 52 zum äußeren Durchmesser des Rotors 82 gebildet. Die Flügel 44 werden an beiden Enden geführt, was sie gegenüber Fremdpartikeln in dem Einlaßfluid schützt. Die nierenförmigen Öffnungen 60 bis 66 sind so gestaltet, daß sie einen Druckübergang in den Pumpenkammern 48 bewirken, d.h. Kompression des Fluids, wenn sie vom Einlaß zum Auslaß wandern, und Dekompression, wenn sie vom Auslaß zum Einlaß wandern, um den Pumpenzyklus zu wiederholen.

Claims

1. Doppelwangige Flügelzellenmaschine mit folgenden Merkmalen:

ein Gehäuse (12) umfaßt ein Plattenpaar (24, 28), die innerhalb des Gehäuses (12) gegen Drehung gesichert sind und sich gegenüberstehende flache, parallele Seiten (26, 30) zur Bildung eines Rotorhohlraumes aufweisen;

ein Rotor (40) ist innerhalb des Hohlraumes zur Drehung um eine feste Achse montiert und weist flache, parallele Seitenflächen auf, die den Plattenseiten (26, 30) gegenüberstehen, ferner eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden peripheren Schlitzen (42), eine Mehrzahl von Flügeln (44), die in den Schlitzen (42) einzeln verschieblich montiert sind, und eine Mehrzahl von Rotorkanälen (50), die sich radial durch den Rotor (40) zwischen den Schlitzen (42) erstrecken;

jeder der Kanäle (50) weist eine äußere Endöffnung (54, 56) am Rand des Rotors (40) zwischen einem benachbarten Paar der Schlitze (42) und einem inneren Ende auf;

ein Nockenring (32) ist innerhalb des Gehäuses gegen Drehung gesichert montiert, umgibt den Rotor (40) in radialer Richtung und weist eine radial nach innen gerichtete Oberfläche (46) auf, die eine Flügelbahn und zwei symmetrisch, sich gegenüberstehende Fluiddruckräume (48) zwischen der Oberfläche (46) und dem Rotor (40) bildet;

ein Fluideinlaß und

ein Fluidauslaß,

dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Rotorkanal (50) zwei innere Enden (52) aufweist, die sich jeweils auf einer entsprechenden Rotorseitenfläche öffnen, wobei die inneren Enden aller Kanäle (50) auf einem gleichförmigen, identischen Radius von der Achse auf beiden Rotorseitenflächen angeordnet sind,

daß der Fluideinlaß zwei Einlaßkanäle (58) in dem Gehäuse (12) aufweist, die sich jeweils durch die Platten (24, 28) erstrecken und identische, sich diametral gegenüberstehende nierenförmige Öffnungen (60, 62) in jeder Endplatte (26, 30) bilden, wobei die Einlaßöffnungen (60, 62) in einer (26) der Plattenseiten identisch und entgegengesetzt zu den Einlaßöffnungen (60, 62) in der gegenüberstehenden Plattenseite (30) sind und auf einem gemeinsamen Radius von der Achse liegen, um zu den inneren Kanalenden in den Rotorseitenflächen zu fluchten, und daß der Fluidauslaß identische, sich diametral gegenüberstehende nierenförmige Öffnungen (64, 66) in jeder Plattenfläche (26, 30) und auf einem gemeinsamen Radius von der Achse umfaßt, um zu den inneren Kanalenden in den Rotorseitenflächen zu fluchten, so daß der Druck rund um den Rotor (40) ausgeglichen ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkanäle (50) jeweils einen ersten Teil (52), der sich axial durch den Rotor (50) zwischen den Seitenflächen erstreckt, und einen zweiten Teil (54, 56) aufweisen, der sich radial von dem ersten Teil zu einem zugeordneten äußeren Ende an dem Rand erstreckt, und daß der erste Teil radial zu dem zugeordneten, offenen äußeren Ende und zu dem zugeordneten zweiten Teil des Kanals radial ausgerichtet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nierenförmigen Öffnungen (60, 62, 64, 66) an den Rotorseitenflächen so dimensioniert sind, daß sie mit mindestens zwei inneren Enden des Kanals (50) in dem Rotor (40) in Verbindung stehen.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (54, 56) mitten zwischen benachbarten Paaren der Schlitze (42) angeordnet ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotorkanal (50) ein Paar zweiter Teile (54, 56) aufweist, die axial benachbart zueinander angeordnet sind.