JP2005330865A

JP2005330865A - インデューサ

Info

Publication number: JP2005330865A
Application number: JP2004149000A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Miyagawa; 和芳宮川; Ichita Kobayashi; 一太小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】不安定なキャビテーションの発生を抑制することでこの不安定なキャビテーションに起因する軸振動の誘発を防止し、更にはインデューサ入口で生じる逆流を低減することで不安定振動を低減して、装置の安定化を図ったインデューサを提供する。
【解決手段】インデューサにおける入口から出口にかけての翼角度分布について、以下の式に基づいて設計を行い、インデューサ入口での翼角度変化を小さくする。
Δβ１＝（０．１〜０．３）×（β２−β１）
但し、Δβ１は翼長Ｌに対し入口側の０〜２０％Ｌの間における翼角度変化量、β１は入口翼角度、β２は出口翼角度である。
【選択図】図４

Description

本発明は、高速ポンプの吸込性能を維持させるために羽根車の上流側に配設されるインデューサに関するものである。

従来より、ロケット燃料用ポンプ，航空機用エンジン燃料ポンプ等に適用される高速ポンプ（ターボポンプ）では、その吸込性能を維持させるために、羽根車に発生するキャビテーションを抑制するインデューサを設けている。即ち、このインデューサは、軸流型の羽根車であって、ケーシング内にタービン翼及びインペラと同軸上に連結されて収容されている。従って、高温高圧のガスでタービンが回転してインペラが回転駆動すると、これと同期してインデューサの羽根車が回転することで、液体燃料を昇圧して高速ポンプの吸込口まで導き、インペラの高速回転により加圧してエンジン等に供給することができる。

ところで、上述したロケット燃料用ポンプでは、低圧の液体燃料を高圧にして供給するものであることから、インデューサの羽根車で部分的なガス化によりキャビテーションが発生する。この不安定なキャビテーションはキャビテーションが翼を移動し、お互いに連動して大きな力を各翼に作用させる。そして、この不安定なキャビテーションは、キャビテーションがインデューサの回転速度より速く伝わる等して、インデューサに回転非同期の軸振動を誘発してしまうという問題がある。

このような不安定なキャビテーションを抑制するものとして、下記に記載した特許文献１がある。特許文献１に記載されたインデューサ装置は、羽根車の流路を区画するケーシングの入口側に、この羽根車を囲む区間の内径より大きな内径の拡径部を設けるとともに、これらを滑らかに接続する傾斜面部を形成したものである。従って、拡径部を通った液体燃料は、傾斜部に沿って円滑に流れ、羽根車に取り込まれる際に、この羽根車に発生する不安定なキャビテーションと主流となる液体燃料の流れとの相互干渉を弱め、実質的に不安定なキャビテーションを抑制することができる。

ところが、不安定なキャビテーションは、上述したように、低圧の液体燃料を昇圧するときの部分的なガス化により発生し、インデューサの回転速度より速く伝搬して回転非同期の軸振動を誘発する。そのため、特許文献１のように、ケーシングの入口側に拡径部を設けて傾斜部により滑らかに接続することで、羽根車に発生する不安定なキャビテーションと液体燃料の流れとの相互干渉を弱めたとしても、不安定なキャビテーションを確実に抑制することができず、その結果、不安定なキャビテーションによるインデューサの軸振動の誘発を防止することはできず、予想することのできない過大な振動が発生してしまう虞がある。

このような不安定なキャビテーションの一つである旋回キャビテーションは、翼キャビティ長ｌの翼ピッチｔに対する割合（弦節比）が、
ｌ／ｔ＞約０．６〜０．７
となったときに生じ、回転数の約１．１〜１．３倍の周波数の軸振動となることが知られている。

そこで、このような不安定なキャビテーションの発生を抑制することで、この不安定なキャビテーションに起因する軸振動の誘発を防止し、装置の安定化を図ったインデューサが、本出願人により特許文献２に開示されている。これは、高速ポンプの羽根車の上流側に配設されるインデューサにおいて、翼を偶数枚とし、奇数枚目の翼と偶数枚目の翼との形状特性を異ならせた構成としている。

そしてこれにより、インデューサが回転して液体燃料を昇圧するとき、奇数枚目の翼と偶数枚目の翼での不安定なキャビテーションの発生状況及び特性が異なり、この不安定なキャビテーションを各翼に固定することとなり、不安定なキャビテーションの伝搬を防止することでインデューサの軸振動の誘発を阻止し、過大な振動の発生を防止することができ、インデューサの安定化を可能とすることができるとしている。
特許第２７０４９９２号（第２頁−第３頁、図１−図３）特開２００４−１３２２１０号公報

しかしながら、近年、いわゆるキャビテーションサージ現象として、インデューサを液体燃料が通過する際に流量及び圧力の変動を伴うといった現象についても、不安定振動の要因として問題があり、その対策が必要となっている。このようなキャビテーションサージ現象が生じる原因の一つとして、インデューサ入口で生じるキャビテーションを伴った逆流による流動の不安定が挙げられる。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、不安定なキャビテーションの発生を抑制することで、この不安定なキャビテーションに起因する軸振動の誘発を防止し、更にはインデューサ入口で生じる逆流を低減することで不安定振動を低減して、装置の安定化を図ったインデューサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、高速ポンプの羽根車の上流側に配設されるインデューサにおいて、以下の式に基づく翼角度分布としたことを特徴とする。
Δβ１＝（０．１〜０．３）×（β２−β１）
但し、
Δβ１：翼長Ｌに対し、入口側の０〜２０％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。

また、以下の式に基づく翼角度分布としたことを特徴とする。
Δβ２＝（０．２〜０．５）×（β２−β１）
但し、
Δβ２：翼長Ｌに対し、出口側の８０〜１００％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。

また、翼を偶数枚としたことを特徴とする。

また、以下の条件式を満足することを特徴とする。
α≦２．５９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
α：インシデンス角
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。

また、以下の条件式を満足することを特徴とする。
β１ｔ≦７．４９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
β１ｔ：翼チップ側の入口翼角度
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。

本発明によれば、不安定なキャビテーションの発生を抑制することでこの不安定なキャビテーションに起因する軸振動の誘発を防止し、更にはインデューサ入口で生じる逆流を低減することで不安定振動を低減して、装置の安定化を図ったインデューサを提供することができる。

具体的には、インデューサ入口での翼角度変化を小さくすることで、この部分での負荷を低減し、入口で発生する逆流を抑制している。

また、インデューサ出口での翼角度変化を小さくすることで、設計揚程に対してインデューサで得られる揚程を安定させることができる。また、翼出口での剥離やウェークの低減と、滑りの抑制を図ることができるので、設計通りの揚程を安定して確保することができる。

また、翼を偶数枚とすることにより、軸を挟んで対向する翼同士におけるキャビテーション発生状況を同一とすることでバランスを取り、キャビテーションの旋回を抑制している。

また、インシデンス角を小さく取ることで、翼入口での負荷が小さくなり、逆流も小さくすることができるので、不安定振動を低減して、装置の安定化を図ることができる。

また、入口翼角度を小さく取ることで、流入角との差が小さくできることから、翼入口での負荷が小さくなり、入口で発生する逆流も小さくすることができるので、不安定振動を低減して、装置の安定化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、インデューサが装着された高速ポンプの断面図であり、図２は、インデューサの概略を示す斜視図である。まず、一般的なインデューサ及び高速ポンプについて説明する。図１及び図２に示すように、中空のケーシング１１内には回転軸１２が軸受１３により回転自在に支持され、この回転軸１２の一端部にケーシング１１の中央に位置するインペラ１４が固結される一方、他端部にタービン１５が固結されている。

また、回転軸１２の一端部には同軸状に延長軸１６が連結され、ケーシング１１の内面に取り付けられた静止翼１７に軸受１８を介して回転自在に支持されている。そして、この延長軸１６の先端部にインデューサ１９が装着されている。このインデューサ１９は高速ポンプの吸込側に配設されており、延長軸１６に固結される軸部２０と、この軸部の外周にらせん状に固定される４枚の翼２１とから構成されている。そして、インデューサ１９側のケーシングに低温低圧の液体燃料が収容された図示しないタンクが連結されている。

従って、高温高圧のガスの作用でタービン１５が回転してインペラ１４が回転駆動すると、これと同期してインデューサ１９が回転することで、タンク内の液体燃料を昇圧して高速ポンプへ導き、引き続いてインペラ１４の高速回転により加圧して、インペラ１４の周囲でケーシング１１内に設けた静止流路１０を介して、エンジン等に供給することができる。

本実施形態のインデューサ１９では、翼２１を偶数枚としている。即ち、例えば図２に示すように、インデューサ１９は、４枚の翼２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが回転方向に対して９０度ずらして取り付けられている。仮に翼を奇数枚とすると、回転方向に対して液体燃料の流量が僅かにアンバランスとなり、翼入口で形成されるキャビテーションがインデューサの回転数より速い速度で伝播する、いわゆる旋回キャビテーションが生じやすい。そしてこれにより、回転非同期の軸振動が誘発される。そこで、翼を偶数枚とすることにより、軸を挟んで対向する翼同士におけるキャビテーション発生状況を同一とすることでバランスを取り、キャビテーションの旋回を抑制している。

図３は、本実施形態に係るインデューサについて翼を展開して模式的に表した図である。同図（ａ）は全体図、同図（ｂ）は入口側詳細図、同図（ｃ）は出口側詳細図である。同図（ａ）に示すように、インデューサ１９は、４枚の翼２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが回転方向に対して９０度ずらして取り付けられている。なお、矢印Ａはインデューサ１９の回転方向、矢印Ｂは液体燃料の供給方向である。

さて、同図（ｂ）に示すように、液体燃料の軸流方向流体速度Ｖｍ及び、翼チップ側周速Ｕ２に対する相対速度Ｕ１のベクトル和により、流入速度Ｖが求められる。このとき、そのベクトルの向きが流入方向となり、これと翼との成す角αがインシデンス角である。一方、β１ｔは翼チップ側の入口翼角度である。ちなみに、相対速度Ｕ１と流入速度Ｖとのベクトルの成す角γを流入角と呼び、β１ｔ＝α＋γである。また、同図（ｃ）において、β２ｔは翼チップ側の出口翼角度である。

本実施例では、上述したインデューサ１９の入口側設計において、以下の条件式を満足することを特徴としている。
α≦２．５９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
α：インシデンス角
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。

本実施例のように、高速回転するインデューサにおいて、インシデンス角を小さく取ることで、翼入口での負荷が小さくなり、逆流も小さくすることができるので、不安定振動を低減して、装置の安定化を図ることができる。

本実施例では、上述したインデューサ１９の入口側設計において、以下の条件式を満足することを特徴としている。
β１ｔ≦７．４９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
β１ｔ：翼チップ側の入口翼角度
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。

本実施例のように、高速回転するインデューサにおいて、入口翼角度を小さく取ることで、流入角との差が小さくできることから、翼入口での負荷が小さくなり、入口で発生する逆流も小さくすることができるので、不安定振動を低減して、装置の安定化を図ることができる。

さて図４は、本発明のインデューサにおける入口から出口にかけての翼角度分布の例を模式的に示すグラフである。同図では、横軸にインデューサ軸方向位置を取っており、入口を０とし、出口を１とする。また、縦軸に翼角度βを取っており、ここでは翼のチップ側からハブ側にかけての何れの位置における翼角度も対象としている。

本実施例では、インデューサにおける入口から出口にかけての翼角度分布について、以下の条件式を満足するとき、図４の一点鎖線ａで示すように、翼角度分布を一次関数的（直線的）に増加させた設計とする。
β２−β１≦５゜
但し、
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。このように、入口翼角度と出口翼角度の差が小さい場合は、直線的に角度変化を与えた設計とし、設計の簡易化を図ることができる。また、インデューサの半径方向位置に応じて、３流線若しくは５流線で設計を行う。なお、従来は例えば同図の破線ｂで示すように、入口から出口にかけて翼角度が変化しない設計となっていた。

本実施例では、インデューサにおける入口から出口にかけての翼角度分布について、以下の式に基づいて設計を行い、図４の実線ｃで示すように、インデューサ入口での翼角度変化を小さくした設計とする。
Δβ１＝（０．１〜０．３）×（β２−β１）
但し、
Δβ１：翼長Ｌに対し、入口側の０〜２０％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。このように、インデューサ入口での翼角度変化を小さくすることで、この部分での負荷を低減し、入口で発生する逆流を抑制している。また、インデューサの半径方向位置に応じて、３流線若しくは５流線で設計を行う。

本実施例では、インデューサにおける入口から出口にかけての翼角度分布について、以下の式に基づいて設計を行い、図４の実線ｃで示すように、インデューサ出口での翼角度変化を小さくした設計とする。
Δβ２＝（０．２〜０．５）×（β２−β１）
但し、
Δβ２：翼長Ｌに対し、出口側の８０〜１００％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。このように、インデューサ出口での翼角度変化を小さくすることで、設計揚程（圧力）に対してインデューサで得られる揚程を安定させる（バラツキを小さくする）ことができる。また、翼出口での剥離やウェークの低減と、滑りの抑制を図ることができるので、設計通りの揚程を安定して確保することができる。

図５は、インデューサにおける逆流の様子を模式的に示す断面図である。同図（ａ）は従来のインデューサにおける一例を示しており、同図（ｂ）は本発明のインデューサにおける一例を示している。同図（ａ）に示すように、従来はインデューサ入口における翼２１のチップ側より、矢印で示す流れに対するキャビテーションを伴った逆流２２が大きく生じていたものが、同図（ｂ）に示すように、本発明の構成とすることにより殆ど生じない状態となった。

なお、上述した各実施例の構成は、それぞれ単独で、或いは適宜組み合わせて使用可能である。

インデューサが装着された高速ポンプの断面図。インデューサの概略を示す斜視図。インデューサの翼を展開して模式的に表した図。インデューサにおける入口から出口にかけての翼角度分布の例を示すグラフ。インデューサにおける逆流の様子を模式的に示す断面図。

符号の説明

１０静止流路
１１ケーシング
１２回転軸
１３軸受
１４インペラ
１５タービン
１６延長軸
１７静止翼
１８軸受
１９インデューサ
２０軸部
２１翼

Claims

高速ポンプの羽根車の上流側に配設されるインデューサにおいて、
以下の式に基づく翼角度分布としたことを特徴とするインデューサ；
Δβ１＝（０．１〜０．３）×（β２−β１）
但し、
Δβ１：翼長Ｌに対し、入口側の０〜２０％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。
翼を偶数枚としたことを特徴とする請求項１に記載のインデューサ。
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のインデューサ；
α≦２．５９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
α：インシデンス角
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のインデューサ；
β１ｔ≦７．４９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
β１ｔ：翼チップ側の入口翼角度
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。
翼を偶数枚とし、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のインデューサ；
α≦２．５９゜
β１ｔ≦７．４９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
α：インシデンス角
β１ｔ：翼チップ側の入口翼角度
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。
高速ポンプの羽根車の上流側に配設されるインデューサにおいて、
以下の式に基づく翼角度分布としたことを特徴とするインデューサ；
Δβ２＝（０．２〜０．５）×（β２−β１）
但し、
Δβ２：翼長Ｌに対し、出口側の８０〜１００％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。
高速ポンプの羽根車の上流側に配設されるインデューサにおいて、
以下の式に基づく翼角度分布としたことを特徴とするインデューサ；
Δβ１＝（０．１〜０．３）×（β２−β１）
Δβ２＝（０．２〜０．５）×（β２−β１）
但し、
Δβ１：翼長Ｌに対し、入口側の０〜２０％Ｌの間における翼角度変化量
Δβ２：翼長Ｌに対し、出口側の８０〜１００％Ｌの間における翼角度変化量
β１：入口翼角度
β２：出口翼角度
である。
翼を偶数枚としたことを特徴とする請求項７に記載のインデューサ。
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載のインデューサ；
α≦２．５９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
α：インシデンス角
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載のインデューサ；
β１ｔ≦７．４９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
β１ｔ：翼チップ側の入口翼角度
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。
翼を偶数枚とし、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載のインデューサ；
α≦２．５９゜
β１ｔ≦７．４９゜
但し、
φ＝Ｖｍ／Ｕ２＝０．０７〜０．０８
ここで、
α：インシデンス角
β１ｔ：翼チップ側の入口翼角度
φ：入口流量係数
Ｖｍ：軸流方向流体速度
Ｕ２：翼チップ側周速
である。