Zentrifugalpumpe mit einer erhöhten Betriebssicherheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Zentrifugalpumpe zur Förderung eines Fluids, insbesondere zur Förderung von Kraftstoff an ein Flugzeugtriebwerk, mit einem Gehäuse, in dem eine Rotorwelle drehbar gelagert ist und auf der ein Schleuderrad zur Förderung des Kraftstoffes angeordnet ist, wobei zum rotatorischen Antrieb der Rotorwelle um eine Rotorachse eine Motoranordnung vorgesehen ist.

Zentrifugalpumpen weisen eine Bauform auf, nach der das zu fördernde Fluid axial aus Richtung der Rotorachse angesaugt wird und radial über das Schleuderrad abströmt. Die Gehäuse der elektrischen Zentrifugalpumpen sind dem Fluidflussweg angepasst, und umschließen zumeist das Schleuderrad umfangsseitig. Aus dem Stand der Technik sind Pumpenanordnungen bekannt, welche über eine Antriebswelle mit einem Elektromotor verbunden sind. Hierfür sind Wellendichtelemente erforderlich, um die rotierende Welle gegen das Gehäuse abzudichten. Derartige Wellendichtelemente haben eine hohe Verschleißneigung, wobei bei der Förderung von Kraftstoff besondere Gefahren entstehen können, wenn der Kraftstoff aus einem beschädigten Dichtelement austreten kann. Um das Problem der Dichtelemente zu umgehen, sind so genannte Nassläuferpumpen bekannt, bei denen die Motoranordnung bereits innerhalb des Gehäuses der Zentrifugalpumpe angeordnet wird. Jedoch erstreckt sich zwischen der Motoranordnung und dem Schleuderrad eine Antriebswelle, so dass die Motoranordnung am ersten Ende und das Schleuderrad am gegenüberliegenden zweiten Ende der Antriebswelle angeordnet ist. Folglich ergibt sich eine große Bauform der Zentrifugalpumpe, wobei häufig das Gehäuse zwischen dem Bereich der Motoranordnung und dem Bereich des Schleuderrades eine Teilungsebene aufweist.

Um den allgemeinen Trend im Luftfahrzeugbau zu folgen, eine steigende Elektrifizierung einzelner Aggregate zum Betrieb des Luftfahrzeugs umzusetzen (MEE = More Electric Engine), werden Kraftstoffpumpen gefordert, die ausschließlich durch elektrische Antriebe zur Förderung des Kraftstoffs an ein Flugzeugtriebwerk betrieben wer-

den. Die Folge ist, dass gerade im Hinblick auf die hohe geforderte Betriebssicherheit der elektrischen Zentrifugalpumpe zur Förderung des Kraftstoffes an ein Flugzeugtriebwerk eine besondere Sicherheitsanforderung zukommt.

Neuere Pumpenkonzepte für Kraftstofffördersysteme für Triebwerke von Flugzeugen sehen einen elektrischen Antrieb vor, welcher über eine Antriebswelle ein Pumpenmodul antreibt. Sowohl ein Ausfall der Motoranordnung als auch ein Versagen der Dichtelemente zwischen der Motoranordnung und der Zentrifugalpumpe können zu einem Ausfall der Kraftstoffförderung an das Flugzeugtriebwerk führen.

Aus der DE 199 08 531 Al ist ein Kraftstoffpumpenantrieb für ein Flugzeugtriebwerk bekannt, welcher einen Pumpenmotor aufweist, der eine Kraftstoffpumpe über eine Pumpenwelle antreibt. Die Abdichtung der rotierenden Pumpenwelle zum Pumpengehäuse erfolgt über Radialwellendichtelemente, welche eine Verschleißneigung aufweisen, die zum Ausfall des Kraftstoffpumpenantriebes führen können.

Aus der US 6,675,570 B2 ist ein weiteres System zur Förderung von Kraftstoff an ein Flugzeugtriebwerk offenbart, welches ebenfalls einen Motor umfasst, der über eine rotierende Welle eine Pumpenanordnung antreibt. Häufig sind auch mehrere Pumpen in Serie zwischen einem Kraftstofftank und dem Flugzeugtriebwerk angeordnet, wobei eine erste Pumpe den Kraftstoff auf einen Vordruck fördert und eine zweite Pumpe den Kraftstoff mit einem weiter erhöhten Druck in die Brennkammer des Flugzeugtriebwerks befördert. Auch eine Kombination zwischen einem mechanischen Antrieb über das Triebwerk in Form einer Gear-Box und einer weiteren elektrischen Pumpe ist bekannt. Jedoch ist auch hier die Betriebssicherheit der Kraftstofffördereinrichtung durch die Vielzahl von möglichen Ausfallursachen wie eine defekte Radialwellendichtung oder ein Ausfall des elektrischen Antriebs beispielsweise durch eine überhitzung des Wicklungskörpers der Motoranordnung begrenzt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zentrifugalpumpe zu schaffen, die eine kompakte Bauform mit einer hohen Betriebssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Zentrifugalpumpe gemäß des Oberbegriffs des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Schleuderrad wenigstens einen Rotor aufweist und im Gehäuse planparallel benachbart zum Rotor wenigstens ein Stator angeordnet ist, so dass der Rotor mit dem Stator die Motoranordnung bildet.

Die erfindungsgemäße Ausführung einer elektrische Zentrifugalpumpe mit einem Schleuderrad, welches gleichzeitig als Rotor oder als Träger des Rotors einer Motoranordnung ausgeführt ist, führt zu einer sehr kompakten Bauform der Pumpe. Insbesondere wird der Vorteil erreicht, dass zwischen der Motoranordnung und dem Schleuderrad keine Antriebswelle vorhanden ist, welche durch Radialwellendichtelemente gegen das Gehäuse abgedichtet werden muss. Im Rahmen der Elektrifizierung der einzelnen technischen Komponenten eines Luftfahrzeugs eignet sich die erfindungsgemäße elektrische Zentrifugalpumpe insbesondere zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank an ein Flugzeugtriebwerk. Dieses Pumpenkonzept kann sowohl als Vorpumpe in Kombination mit einer mechanisch über das Flugzeugtriebwerk angetriebenen Pumpe als auch als einzige vorhandene Pumpe zwischen dem Kraftstofftank und dem Flugzeugtriebwerk eingesetzt werden. Das Gehäuse der Zentrifugalpumpe umschließt erfindungsgemäß sowohl das Schleuderrad als auch die Motoranordnung, so dass keine dynamische Abdichtung erforderlich ist, sondern lediglich ein Zu- und Ablauf mittels eines statischen Dichtelementes abgedichtet werden muss.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind auf beiden Seiten des Schleuderrades ein Rotor und ein Stator zur Bildung jeweiliger Motormodule angeordnet, die gemeinsam die Motoranordnung bilden. Erfindungsgemäß können auch weitere Motormodule

vorgesehen sein, so dass ein elektrisch redundantes Motorkonzept bereitgestellt wird, welches eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist. Das Schleuderrad besteht aus zwei planparallelen Scheiben, zwischen denen sich Schaufelelemente zur Förderung des Kraftstoffs befinden. Die Scheiben des Schleuderrades können entweder selbst den Rotor der Motoranordnung bilden, oder der Rotor ist an jeder beiden Scheiben des Schleuderrades angeordnet und weist eine ringförmige Struktur auf.

Vorteilhafterweise umspült das geförderte Fluid die Motoranordnung, so dass diese nach Art eines Nassläufers ausgebildet ist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass auch innerhalb des Gehäuses keine Dichtelemente erforderlich sind, um etwa die Motoranordnung gegen das Schleuderrad abzudichten. Ein weiterer Vorteil ist der Effekt einer Kühlung, da das geförderte Fluid, insbesondere der zum Flugzeugtriebwerk geförderte Kraftstoff, einen Kühleffekt der Motoranordnung bewirkt. Der Kraftstoff umspült sowohl den Rotor als auch den Stator, auf dem wenigstens ein Wicklungskörper aufgenommen ist. Beim elektrischen Betrieb der Motoranordnung kann sich der Wicklungskörper erwärmen, so dass die entstehende Wärmemenge durch den Kraftstoff abgeführt wird. Die Wahrscheinlichkeit eines Wicklungsbrandes oder eines Kurzschlusses innerhalb des Wicklungskörpers wird durch das Nassläuferkonzept verringert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektrischen Zentrifugalpumpe weist eine Rotorwelle auf, die als Hohlwelle ausgeführt ist, wobei das zu fördernde Fluid axial in die Hohlwelle eintritt. Dabei ist es hinreichend, dass die Hohlwelle wenigstens an einer Seite in Richtung der Rotorachse eine öffnung aufweist, in die der Kraftstoff als zu förderndes Fluid aus Richtung der Rotorachse in den Hohlraum der Hohlwelle einströmt. Die Hohlwelle kann einteilig mit dem Schleuderrad ausgeführt sein, wobei die Hohlwelle mittels einer Wälzlagerung innerhalb des Gehäuses drehbar gelagert ist.

Vorteilhafterweise ist das Schleuderrad mit der Hohlwelle fluidisch verbunden, so dass das Fluid aus der Hohlwelle in das Schleuderrad eintritt und zur Förderung über dieses radial abströmt. Die Zentrifugalpumpe ist folglich als Axial-Radial-Pumpe ausgeführt,

da das zu fördernde Fluid axial die Pumpe anströmt und radial aus dieser abströmt. Die erfmdungsgemäße Ausgestaltung der Rotorwelle als Hohlwelle mit einem fluidisch mit dem Innenraum der Hohlwelle verbundenen Schleuderrad und der Anordnung des Rotors der Motoranordnung im oder am Schleuderrad stellt eine sehr kompakte Bauform einer Zentrifugalpumpe bereit, bei der der Rotor der Motoranordnung sowie das Schleuderrad der Pumpe bauteüintegriert ausgeführt sind. Die Lagerung des Rotors der Motoranordnung sowie des Schleuderrades der Pumpe wird ebenfalls durch die zweifach ausgeführte Wälzlagerung am vorderen und hinteren Ende der Rotorwelle vorgenommen, wobei die Lagerung ebenfalls durch das zu fördernde Fluid umspült ist. Diese kann entweder als gekapselte Lagerung ausgeführt sein, wobei vorteilhafterweise auch die Lagerung durch das zu fördernde Fluid geschmiert wird. Folglich ist auch der mechanische Ausfall der Wälzlagerung als sehr gering anzusehen, da zumindest eine ü- berhitzung der Wälzlagerung ausgeschlossen werden kann.

Das Gehäuse umschließt gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform die Rotorwelle radial und einseitig axial. Das bedeutet, dass das Gehäuse ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist, wobei das Gehäuse zur axialen Anströmung der Rotorwelle durch das zu fördernde Fluid einen konzentrisch um die Rotorachse ausgebildeten Gehäuseflansch aufweist, welcher der geschlossenen Seite des Gehäuses in Richtung der Rotorachse gegenüberliegt, wobei das zu fördernde Fluid durch den Gehäuseflansch in das Gehäuse eintritt, wobei das Gehäuse über den Gehäuseflansch an eine Aufnahme anflanschbar und gegen diese abdichtbar ist. Folglich weist das Gehäuse lediglich einen Fluideingang und einen Fluidausgang auf, so dass folglich lediglich statische Dichtungen erforderlich sind.

Das Gehäuse ist vorzugsweise zweiteilig ausgeführt, wobei die Teilungsebene der beiden Gehäusehälften in der Erstreckungsebene des Schleuderrades liegt. Hieraus ergibt sich eine vereinfachte Montage der Zentrifugalpumpe und insbesondere der integrierten Motoranordnung, wobei die Montage aus Richtung der Motorachse erfolgen kann. Die Verbindung der beiden Gehäusehälften kann durch Schraubenelemente erfolgen, wobei

ferner zur Abdichtung der Gehäusehälften gegeneinander ein Dichtungselement in der Teilungsebene vorgesehen wird.

Die Motormodule weisen zumindest einen Wicklungskörper auf, der mit einer jeweils zugeordneten Leistungselektronik zur Versorgung und Ansteuerung verbunden ist, wobei die Leistungselektronik im Fall eines Wicklungskurzschlusses eine Abschaltung des kurzgeschlossenen Wicklungskörpers ermöglicht. Durch die getrennte Verbindung der einzelnen Motormodule ist ein redundanter Aufbau der Motoranordnung möglich. Ein Motormodul umfasst dabei zumindest einen Rotor und einen Stator mit einem Wicklungskörper, welcher auch im Alleinbetrieb die Zentrifugalpumpe antreiben kann. Um die Betriebssicherheit der elektrischen Zentrifugalpumpe weiter zu erhöhen, ist für jedes Motormodul eine separate Leistungselektronik vorgesehen und mit dieser verbunden. Folglich umfasst die elektrische Steuerung der Zentrifugalpumpe eine Anzahl von Leistungselektronikeinheiten gemäß der Anzahl der Motormodule. Die Leistungselektronik ist derart ausgeführt, dass ein Wicklungskörper abgeschaltet wird, sobald sich ein Wick- lungskurzschluss in dem entsprechenden Wicklungskörper ergibt. Damit kann ein Wicklungsbrand vermieden werden, da der defekte Wicklungskörper unmittelbar abgeschaltet wird und kein weiterer elektrischer Energieeintrag erfolgen kann. Ferner kann die Induktion einer Spannung vermieden werden, welche innerhalb eines kurzgeschlossenen Wicklungskörpers ebenfalls zu einer Temperaturüberhöhung führen kann.

Die Rotoren können nach Art geblechter, ringförmiger Scheibenrotoren ausgeführt sein, wobei diese einseitig genutete Kurzschlusskäfige aufweisen können. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Motormodule kann durch eine Bauart einer Axialflussmaschine erzielt werden, welche als Asynchronmotor oder als Reluktanzmotor mit einseitig sternförmig geschlitzten Rotoren ausgeführt ist.

Eine weitere Ausführungsform der Zentrifugalpumpe weist Rotoren auf, die als magnetische Rotoren mit eingesetzten Permanentmagneten ausgeführt sind. Die Permanentmagnete können jedoch auch direkt im Schleuderrad eingesetzt sein, wobei dieses aus

einem magnetischen Material hergestellt ist. Durch den Einsatz der Permanentmagnete in das Schleuderrad kann eine weitere Erhöhung der Integrationsdichte erfolgen, da keine separaten ringförmigen Rotoren vorgesehen werden müssen, die seitlich am Schleuderrad angeordnet werden. Die Permanentmagnete können auf dem Umfang des Schleuderrades in seitlicher Richtung gleich beabstandet zueinander angeordnet werden, wobei die Anordnung durch eine Verschraubung, ein Verkleben oder ein Verkeilen in dem Schleuderrad möglich ist. Das Drehmoment, das durch die so gebildete Anordnung einer Axialflussmaschine erzeugt wird, wird unmittelbar in das Schleuderrad übertragen, so dass dieses gemeinsam mit der Rotorwelle in Rotation versetzt wird.

Eine weitere Erhöhung der Betriebssicherheit wird dadurch erreicht, dass die einzelnen Motormodule aus einem Rotor und einem Stator eine Nennleistung aufweisen, die jeweils zum Antrieb der Pumpe hinreichend ist. Insbesondere können auf diese Weise Folgeschäden vermieden werden, da bei einer Abschaltung einer kurzgeschlossenen Motorwicklung kein Brand oder ähnliches entstehen kann. Die dem Motormodul zugeordnete Leistungselektronik kann dabei derart ausgelegt sein, das diese eine minimale oder maximale Leistungsaufnahme der Motorwicklung zulässt, innerhalb derer die Motormodule betrieben werden. Verlassen die Parameter der Versorgung der einzelnen Motormodule die vorgegebenen minimalen und maximalen Werte, so kann das Motormodul automatisch abgeschaltet werden. Das Motormodul, welches als übriges Motormodul die Pumpe antreibt, kann durch eine entsprechend höhere Leistung angesteuert werden, um den Ausfall des defekten Motormoduls auszugleichen. Folglich entsteht trotzt eines Defektes einer separaten Motorwicklung kein Ausfall oder eine Unterbrechung der Kraftstoffversorgung des Flugzeugtriebwerks, was eine maximale Betriebssicherheit ermöglicht.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigt:

Figur 1 eine quergeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Zentrifugalpumpe mit jeweils einem linksseitig sowie rechtsseitig vom Schleuderrad angeordneten Motormodul, bestehend zumindest aus einem Rotor und einem Stator mit einem zugeordneten Wicklungskörper und

Figur 2 eine Motoranordnung mit insgesamt vier Motormodulen, die jeweils aus einem Stator und einem Rotor bestehen.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Zentrifugalpumpe dargestellt, welche mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Dieses ist im Halbschnitt dargestellt, wobei die Rotorachse 5 die Symmetrielinie bildet und nur der obere Halbschnitt gezeigt ist. Das Gehäuse 2 ist zweiteilig ausgeführt und weist einen geschlossenen hinteren Teil und einen geöffneten vorderen Teil auf. Die öffnung des vorderen Teils des Gehäuses 2 ist durch das Gehäuseflansch 8 gebildet, durch das das zu fördernde Fluid in das Gehäuse 2 einströmen kann. Der Fluidflussweg 10 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet, wobei das Fluid nach Eintritt in das Gehäuse 2 zunächst in eine Rotorwelle 3 eintritt, welche als Hohlwelle ausgeführt ist. An der Rotorwelle 3 ist ein Schleuderrad 4 angeordnet, welches fluidisch mit dem Innenbereich der Hohlwelle verbunden ist. Folglich verläuft der Fluidflussweg 10 zunächst parallel zur Rotorachse 5, so dass die Zentrifugalpumpe axial angeströmt wird. Nach Eintritt in den Hohlraum der Rotorwelle 3 tritt das Fluid in das Schleuderrad 4 über und wird radial nach außen beschleunigt. Folglich strömt das Fluid radial von der Pumpe ab. Das Schleuderrad 4 hat die Struktur einer Planscheibe, wobei gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung der elektrischen Zentrifugalpumpe sowohl linksseitig als auch rechtsseitig an der Außenplanfläche des Schleuderrades 4 je ein Rotor 6 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist planparallel zum linksseitigen und rechtsseitigen Rotor 6 ein jeweiliger Stator 7 angeordnet, auf dem ein Wicklungskörper 9 aufgebracht ist. Die Anordnung aus dem Rotor 6, dem Stator 7 und dem Wicklungskörper 9 bildet gemeinsam ein separates Motormodul, so dass gemäß der vorlie-

genden Ausfuhrung zwei Motormodule innerhalb des Gehäuses 2 integriert sind. Durch eine Bestromung des Wicklungskörpers 9 wird ein Drehmoment erzeugt, welches auf den Rotor 6 wirkt. Folglich wird das Schleuderrad 4 in eine Drehbewegung versetzt, so dass dieses gemeinsam mit der Rotorwelle 3 rotierend angetrieben ist.

Die Rotorwelle 3 ist in einer Wälzlagerung 11 innerhalb des Gehäuses 2 gelagert, so dass die Zentrifugalpumpe keine dynamischen Dichtungen erfordert. Die sich drehende Komponente ist ausschließlich innerhalb des Gehäuses 2 integriert, und es tritt keine Antriebswelle aus dem Gehäuse heraus, um das Schleuderrad 4 anzutreiben.

Die elektrische Zentrifugalpumpe 1 ist als Nassläufer ausgeführt, so dass sowohl die Motormodule als auch die Lagerung 11 dem zu fördernden Fluid ausgesetzt sind. Das Fluid umspült sowohl die Lagerung 11 als auch die Rotoren 6 und Statoren 7 sowie den Wicklungskörper 9, und erzeugt eine Kühlwirkung. Folglich ist ein Ausfall der Zentrifugalpumpe 1 aufgrund der überhitzung eines Wicklungskörpers 9 oder einer Wälzlagerung 11 unwahrscheinlich, so dass hierdurch die Betriebssicherheit weiter erhöht wird.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer möglichen Motoranordnung, welche aus insgesamt vier Motormodulen besteht. Jedes Motormodul weist einen Rotor 6 und einen Stator 7 auf, auf dem jeweils ein Wicklungskörper 9 aufgebracht ist. Die Darstellung des Wicklungskörpers 9 ist symbolhaft gezeigt, wobei dieser eine Sternschaltung aufweist. Die Rotoren 6 sind als doppelt wirkende Rotoren ausgeführt, so dass dieser sowohl mit dem linksseitigen als auch mit dem rechtseitigen angrenzenden Stator 7 ein jeweiliges Motormodul bildet. Die Doppelanordnung aus zwei Statoren 7 und einem Rotor 6 ist zweifach auf der Rotorwelle vorgesehen, so dass auch hier die Redundanz eine Erhöhung der Betriebssicherheit bewirkt. Die dargestellten Rotoren 6 können jeweilige Schleuderräder sein, so dass die Zentrifugalpumpe 1 insgesamt zwei Schleuderräder aufweist.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.