JP5596121B2

JP5596121B2 - 高圧可変容積式ピストンポンプ

Info

Publication number: JP5596121B2
Application number: JP2012503441A
Authority: JP
Inventors: フット，ウォルター・デカニア，ジュニア
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: EP2414680B1; EP2414680A2; CA2754997C; US7887302B2; WO2010117486A2; WO2010117486A3; JP2012522181A; US20100247338A1; CA2754997A1

Description

本発明は、総括的にはポンプに関し、より具体的には、液圧システム用の可変流量ポンプに関する。

航空機ガスタービンエンジンには多くの場合、可変ジオメトリ排出ノズル、ベクトル排出ノズル、バイパスドア、可変ステータベーン及び同様のもののような構成要素を作動させる様々な高圧液圧アクチュエータが組込まれる。

使用しているアクチュエータに応じて、流量要件が大きく変化し、またポンプ容量を要求量に一致させることが望ましい。従って、エンジン及び航空機液圧システムでは一般に、可変容積式高圧ピストンポンプが使用される。しかしながら、従来技術の可変容積式ピストンポンプは、複雑であり、重量がありかつ高価である可能性があり、また所望の信頼性に欠けるおそれがある。

これらの及びその他の従来技術の欠点は、本発明によって解決され、本発明は、低重量かつ高信頼性を備えた高圧可変流量ポンプを提供する。

本発明の１つの態様によると、可変流量ポンプは、（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えたハウジングと、（ｂ）主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックであって、（ｉ）入口チャンバと流体連通状態で配置された中心ボアと、（ｉｉ）中心ボアの周りに配置された複数のシリンダボアと、（ｉｉｉ）入口チャンバ及びシリンダボアを相互連結しかつ該シリンダボア間にバイパス流路を形成した複数の第１のフィード通路と、（ｉｖ）第２の端部に配置されかつシリンダボアから吐出チャンバへの流体流れを可能にするが逆方向への流れを阻止する少なくとも１つのチェック弁とを含む、シリンダブロックと、（ｄ）ボア内に配置された複数のピストンと、（ｅ）ピストンに機械的に結合されて、それが回転すると所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより該ピストンを往復動させるようになったシャフトと、（ｆ）シリンダブロックに結合されかつハウジング内部で該シリンダブロックを選択的に軸方向に位置決めしてバイパス流路の寸法を変化させるようになったメカニズムとを含む。

本発明の別の態様によると、可変流量ポンプを作動させる方法は、（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えたポンプのハウジングの該入口チャンバ内に流体を受けるステップと、（ｂ）所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより往復動するピストンを使用するステップとを含み、該ピストンを使用するステップは、（ｉ）主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックのシリンダボア内に入口チャンバから流体を引込むステップと、（ｉｉ）シリンダボアを通して流体を吐出するステップと、（ｉｉｉ）吐出するステップの間に、シリンダボアからの流体の一部分を第１のフィード通路を通して入口チャンバ内に選択的にバイパスさせかつ該バイパスの割合をハウジング内でのシリンダブロックの軸方向位置を調整することによって制御するようにするステップとを含む。

本発明は、添付図面の図と関連させて行なった以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明の態様により構成したポンプの概略断面図。図１のポンプの別の概略断面図。図１のポンプのさらに別の概略断面図。図１の線４−４に沿って取った図。図１の線５−５に沿って取った図。

様々な図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、可変容積式ポンプ１０を示している。ポンプ１０の主要な構成要素は、ハウジング１２、シリンダブロック１４、シャフト１６、ウォッブルプレート１８、ピストン２０、及び流量調整組立体２２である。

ハウジング１２は、主ボア２４を含む。入口チャンバ２６が、主ボア２４の一端部に配置され、また出口チャンバ２８が、反対側端部に配置される。入口３０が、入口チャンバ２６に連結され、また出口３２が、出口チャンバ２８に連結される。

シリンダブロック１４は、主ボア２４内に受けられる。シリンダブロック１４は、最大流量位置（図３に示す）及び最小流量位置（図１に示す）間で軸方向の移動が自由である。シリンダブロック１４は、ほぼ円筒形でありかつ第１の端部３４及び第２の端部３６を有する。中心ボア３８が、シリンダブロック１４の回転軸線に沿って下方に延びる。中心ボア３８は、その第１端部で開口してシャフト１６を受け、かつその第２の端部３６で閉鎖している。中心ボア３８の周りには、複数のシリンダボア４０が配置される。第１のフィード通路４２（つまり、スロット、ホール又は同様のもの）の組が、中心ボア３８及びシリンダボア４０を分離する壁４４の周りに配置される。第２のフィード通路４６の組が、第１のフィード通路４２の軸方向下流に設置される。シリンダブロック１４の第２の端部３６には、吐出チャンバ２８からシリンダボア４０内に戻るような逆流を防止する吐出弁４８が担持される。この特定の実施例では、図５において最も明確に見られるように、吐出弁４８は、シリンダブロック１４の第２の端部３６に取付けられた単一の弁プレート５０の一部となっているリード弁である。この目的においては、他のタイプのチェック（逆止）弁と置換えることができる。ハウジング１２及びシリンダブロック１４間の漏洩は、１つ又はそれ以上のシール５２によって最少にされる。シール５２は、低摩擦タイプであるのが好ましい。この図示した実施例では、シール５２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイト又は同様なもののような材料で製作された低摩擦キャップを備えた市販の「Ｏ」リング付勢シールである。

シャフト１６は、ハウジングに配置された適切な軸受及びシール５４を貫通する。シャフト１６の第１の端部は、ハウジング１２の外側に延びかつ該シャフトを駆動要素に連結するのを可能にするキー溝、スプライン又は非駆動歯車のような１つ又はそれ以上の機械的機構（図示せず）が組入れられる。

シャフト１６の反対側端部は、中心ボア３８内に緊密に嵌合した円筒形外表面５６を有する拡大プラグ５５として形成される。シャフト１６内には、入口チャンバ２６及び中心ボア３８の内部間で作動流体を自由に通過させるブリードポート５７が設けられる。これにより、過剰な負荷又は液圧ロックを引き起こさない状態でシリンダブロック１４をシャフト１６に対して軸方向に平行移動させること可能になる。第２の端部付近に回転ポート５８を組入れて、入口チャンバ２６から第２のフィード通路４６に作動流体を流す。図４に見られるように、回転ポート５８は、プラグ５５の円周部の周りで半分だけ延びるグルーブの形態を取ることができる。回転ポート５８は、ピストン２０が「吸入」ストローク（図１における上部ピストン２０）にある時には、回転ポート５８は関連するシリンダボア４０に対して開口しているが、ピストン２０が「吐出」ストローク（図１における下部ピストン２０）にある時には、対応するシリンダボア４０が閉鎖されるように、配置されるか又は「時計方向に回転位置合せされる」。

図１に見られるように、ウォッブルプレート１８は、シャフト１６に取付けられかつ入口チャンバ２６内に配置される。ウォッブルプレート１８は、シャフト１６の回転がピストン２０の軸方向往復運動に変換されるのを可能にする方法でピストン２０に結合される。この図示した実施例では、ウォッブルプレート１８は、研磨加工、減摩皮膜の塗布又は同様のものにより得ることができる低摩擦作動面６０を有する。作動面６０は、シャフト１６の回転軸線に対して非垂直角度「Ａ」で配置される。作動面６０上に取付けられているのは、環状チャネル６４を形成した環状フランジ６２である。複数のスリッパ６６が、チャネル６４内に受けられかつ例えば図示したボール継手７０を介してコネクティングロッド６８に結合される。コネクティングロッド６８の各々は次に、ほぼ円筒形のピストン２０の１つに結合される。ピストン２０は、軸方向に移動させることができるが、シリンダブロック１４によってあらゆる横方向移動を拘束される。ウォッブルプレート１８がシャフト１６によって回転されると、個々のスリッパ６６は、交互に前進するか又は後退して、対応するコネクティングロッド６８及びピストン２０を順々に押圧するか又は引戻すことになる。このサイクルにおけるいずれかの特定の時点で、ピストン２０の１つは、完全に延伸した位置（図１における右側に）に位置することになる。正反対にあるピストン２０は、完全に後退した位置（図１における左側に）に位置することになり、また残りのピストン２０は、中間の位置に位置することになる。ウォッブルプレート角度Ａは、所望の大きさの軸方向ピストンストロークを得るように選択することができる。ピストン２０の数及び寸法（大きさ）並びにシャフト速度もまた、特定の用途に適するように変更することができる。

シリンダブロック１４をハウジング１２に対する所望の軸方向位置に選択的に移動させるための手段が設けられる。シリンダブロック１４を移動させることができるあらゆるタイプのアクチュエータ（例えば、電気式、液圧式）を使用することができる。この図示した実施例では、シリンダブロック１４は、その中で小さいパイロット弁（図示せず）を使用してプライマリシリンダ（参照符号７４で概略的に示す）のいずれかの側に作動流体圧力を流入させる公知のタイプの電気液圧式サーボ弁（ＥＨＳＶ）７２によって移動される。図示するように、吐出圧力は、圧力調整器７６に流入させることができ、圧力調整器７６は次に、管路７８を通して調整流体圧力をＥＨＳＶ７２に供給することができる。従って、ＥＨＳＶ７２における圧力降下は、広範囲のポンプ出力圧力にわたってほぼ一定となり、このことは、制御プログラミングを簡易化する。プログラム可能論理制御装置（ＰＬＣ）又はコンピュータのような１つ又はそれ以上のプロセッサを含む制御装置８０が、ＥＨＳＶ７２に結合される。制御装置８０は、必要流量信号に応答しかつ次にＥＨＳＶ７２を適当な位置に駆動する。線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）のような好適な変換器（図示せず）を使用して、シリンダブロック軸方向位置フィードバック情報を制御装置８０にもたらすことができる。

ポンプ１０は以下のように作動する。作動流体が、入口３０に流入しかつポンプ１０の左側の入口チャンバ２６ボリュームを充満させる。この流体は、比較的低い入口圧力であり、公知のタイプの好適なブーストポンプ（図示せず）によって供給することができる。それと同時に、シャフト１６は回転していて、上述のようにピストン２０を往復動させる。ピストン２０が後退又は充填位置にある（図１における上部ピストン２０）時に、関連するシリンダボア４０は、回転ポート５８並びに第１及び第２のフィード通路４２及び４６を通して作動流体で充満される。吐出ストローク（図１における下部ピストン２０）時には、回転ポート５８は、上述のように第２のフィード通路４６を閉鎖する。ピストン２０がその吐出ストロークを開始すると、ポンプ流体は先ず、第１のフィード通路４２を通る圧力により入口チャンバ２６にバイパスして戻される。ピストン２０が第１のフィード通路４２の端部に到達すると、残りのストロークは、吐出弁４８を通して流体を吐出チャンバ２８にまたその後は出口３２を通して圧送する。

吐出流量は、出口チャンバ２８へのピストンストローク送給流体対入口チャンバ２６へのバイパス戻り流の割合を変えることによって変更される。これは、シリンダブロック１４の軸方向位置の調整によって達成される。図１は、シリンダブロック１４が吐出チャンバに向けて移動される場合の該シリンダブロック１４の最少流量位置を示している。この位置は、ピストンストロークの最大値において第１のフィード通路４２を露出させる。図２は、中間流量位置を示している。図１に比較して、シリンダブロック１４は、入口チャンバ２６に向けて移動している。これにより、ピストンストロークにおいて第１のフィード通路４２がより早く遮断されることになる。図３は、最大流量位置を示している。この位置では、シリンダブロック１４は、可能な限り遠くに入口チャンバ２６に向けて移動している。この位置では、第１のフィード通路４２を通る如何なるバイパス流も生じない。

ポンプはまた、バランスピストン８２を含むことができる。作動中に、吐出圧力は、管路８４を通してバランスピストン８２に流入させる。この圧力は、シリンダブロック１４の第２の端部上への吐出圧力によって加わる力に対抗して、シリンダブロック１４を右側に向けて駆動する傾向になる。バランスピストン８２の面積は、シリンダブロック１４への正味軸方向力がゼロ又は非常に小さいものとなり、それによって軸受荷重を減少させるように選択することができる。バランスピストン８２を用いた場合には、ＥＨＳＶ７２は、シール摩擦に打勝つのに十分な能力を有することが必要であるのみでありかつ該ＥＨＳＶを別の方法で配置しなければならないとした場合よりも非常により小さくすることができる。

所望に応じて、ポンプ１０は、圧力リリーフ弁８６を含むことができる。吐出圧力が、リリーフ弁の設定値を超える場合には、流れは、入口チャンバ２６にバイパスさせる。

以上の説明は可変流量ポンプを説明している。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずにそれらの実施形態に対して様々な修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、例示の目的で示すものであって、限定を目的とするものではない。

１０可変容積式ポンプ
１２ハウジング
１４シリンダブロック
１６シャフト
１８ウォッブルプレート
２０ピストン
２２流量調整組立体
２４主ボア
２６入口チャンバ
２８出口チャンバ
３０入口
３２出口
３４第１の端部
３６第２の端部
３８中心ボア
４０シリンダボア
４２第１のフィード通路
４４壁
４６第２のフィード通路
４８吐出弁
５０弁プレート
５２シール
５４シール
５５拡大プラグ
５６円筒形外表面
５７ブリードポート
５８回転ポート
６０低摩擦作動面
６２環状フランジ
６４環状チャネル
６６スリッパ
６８コネクティングロッド
７０ボール継手
７２電気液圧式サーボ弁（ＥＨＳＶ）
７４プライマリシリンダ
７６圧力調整器
７８管路
８０制御装置
８２バランスピストン
８４管路
８６圧力リリーフ弁

Claims

可変流量ポンプであって、
（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えたハウジングと、
（ｂ）前記主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックであって、
（ｉ）前記入口チャンバと流体連通状態で配置された中心ボアと、
（ｉｉ）前記中心ボアの周りに配置された複数のシリンダボアと、
（ｉｉｉ）前記入口チャンバ及びシリンダボアを相互連結しかつ該シリンダボア間にバイパス流路を形成した複数の第１のフィード通路と、
（ｉｖ）該第２の端部に配置されかつ前記シリンダボアから前記出口チャンバへの流体流れを可能にするが逆方向への流れを阻止する少なくとも１つのチェック弁と、を含む、
シリンダブロックと、
（ｄ）前記ボア内に配置された複数のピストンと、
（ｅ）前記ピストンに機械的に結合されて、それが回転すると所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより該ピストンを往復動させるようになったシャフトと、
（ｆ）前記シリンダブロックに結合されかつ前記ハウジング内部で該シリンダブロックを選択的に軸方向に位置決めして前記バイパス流路の寸法を変化させるようになったメカニズムと、を含み、
前記シリンダブロックに結合された前記メカニズムが、電気液圧式サーボ弁である
ことを特徴とする、ポンプ。
前記ピストンに結合された前記メカニズムが、
（ａ）前記シャフトによって担持されかつその作動面が該シャフトの回転軸線に対して非垂直角度で配置されたディスク状ウォッブルプレートと、
（ｂ）各ピストンについて、前記作動面と係合したスリッパと、
（ｃ）各ピストンについて、前記スリッパ及びピストンに結合されたコネクティングロッドと、を含む、
請求項１記載のポンプ。
前記出口チャンバ及び電気液圧式サーボ弁間に結合されかつ該電気液圧式サーボ弁に調整流体圧力を供給するように構成された圧力調整器をさらに含む、請求項１記載のポンプ。
前記電気液圧式サーボ弁に作動接続されたプログラム可能制御装置をさらに含む、請求項１記載のポンプ。
前記入口チャンバ及びシリンダボアを相互連結した複数の第２のフィード通路をさらに含み、
前記第２のフィード通路が、前記第１のフィード通路の軸方向下流に配置される、
請求項１記載のポンプ。
可変流量ポンプであって、
（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えたハウジングと、
（ｂ）前記主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックであって、
（ｉ）前記入口チャンバと流体連通状態で配置された中心ボアと、
（ｉｉ）前記中心ボアの周りに配置された複数のシリンダボアと、
（ｉｉｉ）前記入口チャンバ及びシリンダボアを相互連結しかつ該シリンダボア間にバイパス流路を形成した複数の第１のフィード通路と、
（ｉｖ）該第２の端部に配置されかつ前記シリンダボアから前記出口チャンバへの流体流れを可能にするが逆方向への流れを阻止する少なくとも１つのチェック弁と、を含む、
シリンダブロックと、
（ｄ）前記ボア内に配置された複数のピストンと、
（ｅ）前記ピストンに機械的に結合されて、それが回転すると所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより該ピストンを往復動させるようになったシャフトと、
（ｆ）前記シリンダブロックに結合されかつ前記ハウジング内部で該シリンダブロックを選択的に軸方向に位置決めして前記バイパス流路の寸法を変化させるようになったメカニズムと、を含み、
前記シャフトの端部が、前記シリンダブロックの中心ボアに支持された円筒形外表面を有するプラグで終端する
ことを特徴とする、ポンプ。
前記プラグが、前記入口チャンバ及び前記シリンダボアを相互連結した複数の第２のフィード通路を通して前記入口チャンバ及び前記シリンダボアのサブセットを連通状態にする回転入口ポートを形成しており、かつ
前記プラグが、前記第２のフィード通路の残りの部分を通る流れを阻止するようになっている、
請求項６記載のポンプ。
可変流量ポンプであって、
（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えたハウジングと、
（ｂ）前記主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックであって、
（ｉ）前記入口チャンバと流体連通状態で配置された中心ボアと、
（ｉｉ）前記中心ボアの周りに配置された複数のシリンダボアと、
（ｉｉｉ）前記入口チャンバ及びシリンダボアを相互連結しかつ該シリンダボア間にバイパス流路を形成した複数の第１のフィード通路と、
（ｉｖ）該第２の端部に配置されかつ前記シリンダボアから前記出口チャンバへの流体流れを可能にするが逆方向への流れを阻止する少なくとも１つのチェック弁と、を含む、
シリンダブロックと、
（ｄ）前記ボア内に配置された複数のピストンと、
（ｅ）前記ピストンに機械的に結合されて、それが回転すると所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより該ピストンを往復動させるようになったシャフトと、
（ｆ）前記シリンダブロックに結合されかつ前記ハウジング内部で該シリンダブロックを選択的に軸方向に位置決めして前記バイパス流路の寸法を変化させるようになったメカニズムと、を含み、
前記シリンダブロックが、バランスピストン並びに該バランスピストン及び前記出口チャンバと連通状態になった管路を組入れており、
前記バランスピストンが、前記シリンダブロックの第２の端部上への吐出圧力によって加わる力に対抗するように構成される
ことを特徴とする、ポンプ。
前記チェック弁が、その中に一体形に形成されたリード弁を有するフラットプレートを含む、請求項１記載のポンプ。
可変流量ポンプを作動させる方法であって、
（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えた前記ポンプのハウジングの該入口チャンバ内に流体を受けるステップと、
（ｂ）所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより往復動するピストンを使用するステップと、
を含み、前記ピストンを使用するステップが、
（ｉ）前記主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックのシリンダボア内に前記入口チャンバから流体を引込むステップと、
（ｉｉ）前記シリンダボアを通して流体を吐出するステップと、
（ｉｉｉ）前記吐出するステップの間に、前記シリンダボアからの前記流体の一部分を第１のフィード通路を通して前記入口チャンバ内に選択的にバイパスさせかつ該バイパスの割合を前記ハウジング内での前記シリンダブロックの軸方向位置を電気液圧式サーボ弁により調整することによって制御するようにするステップと、を含む、
方法。
前記ピストンが、前記ポンプのシャフトにより回転するウォッブルプレートによって往復動される、請求項１０記載の方法。
前記電気液圧式サーボ弁に対して調整流体圧力を供給するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
可変流量ポンプを作動させる方法であって、
（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えた前記ポンプのハウジングの該入口チャンバ内に流体を受けるステップと、
（ｂ）所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより往復動するピストンを使用するステップと、
を含み、前記ピストンを使用するステップが、
（ｉ）前記主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックのシリンダボア内に前記入口チャンバから流体を引込むステップと、
（ｉｉ）前記シリンダボアを通して流体を吐出するステップと、
（ｉｉｉ）前記吐出するステップの間に、前記シリンダボアからの前記流体の一部分を第１のフィード通路を通して前記入口チャンバ内に選択的にバイパスさせかつ該バイパスの割合を前記ハウジング内での前記シリンダブロックの軸方向位置を調整することによって制御するようにするステップと、を含み、
前記方法が、
（ａ）回転フィードポートを開口するステップと、
（ｂ）前記ピストンを使用する、つまり前記入口チャンバから前記第１のフィード通路の軸方向下流に配置された第２のフィード通路を介して前記シリンダボア内に流体を引込むステップと、
（ｃ）前記シリンダボアから流体を吐出するのに先立って前記回転フィードポートを閉鎖するステップと、をさらに含む、
ことを特徴とする、方法。
可変流量ポンプを作動させる方法であって、
（ａ）主ボアによって相互連結された入口チャンバ及び出口チャンバを備えた前記ポンプのハウジングの該入口チャンバ内に流体を受けるステップと、
（ｂ）所定の充填及び吐出位置間での軸方向ポンプストロークにより往復動するピストンを使用するステップと、
を含み、前記ピストンを使用するステップが、
（ｉ）前記主ボア内に配置された第１及び第２の端部を有する非回転シリンダブロックのシリンダボア内に前記入口チャンバから流体を引込むステップと、
（ｉｉ）前記シリンダボアを通して流体を吐出するステップと、
（ｉｉｉ）前記吐出するステップの間に、前記シリンダボアからの前記流体の一部分を第１のフィード通路を通して前記入口チャンバ内に選択的にバイパスさせかつ該バイパスの割合を前記ハウジング内での前記シリンダブロックの軸方向位置を調整することによって制御するようにするステップと、を含み、
前記方法が、
前記シリンダブロックのバランスピストンに流体圧力を流入させて、前記シリンダブロックの第２の端部上への吐出圧力によって加わる軸方向力に対抗するようにするステップをさらに含む、
ことを特徴とする、方法。