JP2008190390A - インデューサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧能力を高く維持しつつ、旋回キャビテーションを含めたキャビテーションによる回転軸の振動を防止できるインデューサ装置を提供する。
【解決手段】回転軸７に固定され回転軸７の回転方向に配置される複数の翼９と、該複数の翼９を囲むようにその内壁面１１ａが回転軸７の半径方向外側にて回転方向に延びているケーシング１１と、を備える。翼９の前縁９ｃは、根元９ａから屈曲箇所Ｐまで延びており、回転方向の位置が根元９ａから先端９ｂ側へ移行するに伴い回転方向後方側へ後退する後退部１７と、屈曲箇所Ｐで後退部１７から回転方向前方側へ屈曲するように後退部１７に結合され屈曲箇所Ｐから先端９ｂまで延びている屈曲部１９と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロケットエンジンなどで使用されるポンプの吸い込み性能を維持するためのインデューサ装置に関する。

ロケットエンジンなどでは、液体水素または液体酸素などの極低温流体を加圧するために、ターボポンプなどの大吸込容量ポンプが用いられる。このようなポンプには、その吸い込み能力を維持するためにインデューサ装置が設けられる。

インデューサ装置は、ターボポンプのポンプ羽根車の手前に設けられ、吸込流体を加圧してポンプ羽根車の流体吸込を補助する。ロケットが地表から発射され上昇していくと、高度が高くなるにつれ気圧が下がるため、ポンプの入口で十分な圧力が得られない場合がある。そのため、インデューサ装置で極低温流体の圧力を上げターボポンプが十分に吸い込めるくらいの圧力とする。

図６は、液体ロケットエンジンのターボポンプ３に設けられたインデューサ装置を示す軸方向断面図である。
ターボポンプ３は、回転軸７と、回転軸７に固定されたポンプ羽根車５と、回転軸７に固定されたタービン羽根車３１と、を有する。回転軸７は、軸受を介してケーシング２７に回転自在に支持されている。
インデューサ装置は、ポンプ羽根車５の上流側にて回転軸７の端部７ａに固定された複数の翼３３からなる羽根車を有する。回転軸７がタービンにより回転駆動されることで、インデューサ装置の複数の翼３３は、タービン羽根車３１およびポンプ羽根車５と同一速度で回転する。その回転速度は数万回転／分である。これにより、インデューサ装置が吸込流体を予圧してポンプ羽根車５に送り込む。

図７は、図６の各翼３３をＡ−Ａ方向より矢視した図であり、各翼３３において最も上側に位置する前縁３３ａを示している。図７において、３枚の翼３３が設けられており、各翼３３の前縁３３ａは、回転方向後方に後退していくように、回転軸７からその半径方向外側へ延びている。これにより、翼３３に作用する圧力を分散し低減している。なお、図８は、従来におけるインデューサ装置の翼３３を示す斜視図である。

しかし、このように前縁を後退させると、上述のようにロケット高度の上昇よってインデューサ装置への入口圧力が低くなると、チップボルテックスキャビテーションが発達しやすくなる問題がある。図９は、キャビテーション発生領域３５を示している。図９に示すように、翼３３の前縁３３ａの回転方向後方にキャビテーション領域３５が発生する。
キャビテーションとは、高速で流れる液体の中に圧力の低い領域が発生し、この低圧領域において気相または気液混相が発生する現象であり、キャビテーション領域とは、キャビテーションが発生している領域である。旋回キャビテーションは、キャビテーションによる不安定現象の一つであり、各翼に発生するキャビテーションの大きさが不均一になり、さらに、回転によって翼の回転位置が変化するに伴い、各キャビテーションが翼を順に移って行く現象である。旋回キャビテーションが発生することにより、軸振動の増大、翼の疲労損傷等の悪影響が生じる。また、旋回キャビテーションは、翼の先端から後方に伸びる縦渦（チップボルテックス）に沿って成長するキャビテーションの成長が引き金となって発生すると考えられている。図９の場合では、翼３３の背側と腹側との圧力差によりチップボルテックスキャビテーション領域３５が発生している。より厳密には、チップボルテックスキャビテーション領域３５は、前縁３３ａの回転方向後方における翼３３の腹側から背側へ向けて前縁３３ａを回り込むように生じている。なお、翼３３の背は、図７において、紙面厚さ方向手前側の見える面であり、その裏の見えない面が翼３３の腹である。

キャビテーション領域３５の大きさや形は、運転条件により、上述のように翼ごとに異なり非対称となる場合がある（図９参照）。その結果、流体力がアンバランスとなり回転軸７に振動が発生してしまう。
このような回転軸振動を防止するために、特許文献１〜３の発明が提案されている。

図１０は、特許文献１の発明によるインデューサ装置を示す軸方向断面図である。特許文献１のインデューサ装置では、ケーシング４１のうち、羽根車４２よりも上流側の区間４３にある拡径部の内径Ｄ₁ を、羽根車４２を囲む区間４４の内径Ｄ₂ と、この区間４４の内壁４５から羽根車４２の先端４６までの隙間Ｓの径方向距離Ｄｓとを加算した値以上としている。これにより、拡径部を通して、上流方向に逆流する洩れ流れを増加させて、液体を流入させることで、非対称キャビテーションの形成を抑制している。

図１１は、特許文献２の発明によるインデューサ装置を示す軸方向断面図である。特許文献２の発明では、羽根５１の周囲部分とケース５２との間のクリアランスに関して、前方側のクリアランスＪ１２を、後方側に位置する普通のクリアランスＪ１１の１０倍以上としている。このクリアランスＪ１２を通して、上流方向に逆流する洩れ流れを増加させて、液体を流入させることで、非対称キャビテーションの形成を抑制している。

図１２は、特許文献３の発明によるインデューサ装置を示す軸方向断面図である。特許文献３の発明では、羽根６１の入口部に、ケーシング６２との間の隙間を大きくするための段差ａを設けている。これにより、段差区間Ａの隙間ｃ１が、段差区間Ａより下流側の領域Ｂにおける隙間ｃ２より大きくなり、ケーシングを拡径することなく拡径した場合と同様の非対称キャビテーション抑止効果が得られる。

このように、特許文献１〜３の発明では、インデューサ装置入口付近のクリアランスをその他の部分より大きくすることで、下流側から上流側への逆流を増加させ、これにより、非対称キャビテーションによる回転軸振動などの悪影響を抑制している。
特開平５−３３２３００号公報 「高速ポンプのインデューサ装置」 特開平１１−８２３８５号公報 「大吸込容量ポンプ用インデューサ装置」 特開２００５−２７３６２１号公報 「インデューサ装置」

しかし、逆流の増加は液体ロケットエンジンシステムの動特性の不安定化につながる可能性があるため、特許文献１〜３の発明とは別の手段でキャビテーションの問題を解決することが望まれる。
また、インデューサ装置入口付近のクリアランスをその他の部分より大きくした場合、このクリアランスを通して上流方向に逆流する洩れ流れが増加することで、翼の背側と腹側との圧力差が減少する可能性がある。これによって、インデューサ装置の昇圧能力が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、特許文献１〜３の発明とは別の手段により、昇圧能力を高く維持しつつ、旋回キャビテーションを含めたキャビテーションによる回転軸の振動を防止できるインデューサ装置を提供することを目的とする。

本発明は、次の点に着目してなされたものである。図１３は、図６のＡ−Ａ線矢視図であり、キャビテーション領域を示している。図１３（Ａ）のように、ケーシングと翼先端との間には隙間があるため、この隙間の回転方向後方に先端漏れ流れによる第１キャビテーション領域２１が発生する。また、図１３（Ｂ）のように、前縁の回転方向後方に前縁剥離渦による第２キャビテーション領域２２が発生する。これら第１キャビテーション領域２１の逆流渦と、第２キャビテーション領域２２の逆流渦が結合することで、図１３（Ｃ）のように、その相乗効果により図の斜線領域において大きな逆流渦が発生する。このように従来では、大きな逆流渦が発生しており、これが回転軸振動の大きな要因となっていた。即ち、逆流渦が生じ、この大きさや形状が各翼ごとに異なっていても、逆流渦を小さくできれば、回転軸が振動する問題を回避できる。これに基づき、本発明では、第１キャビテーション領域２１の逆流渦と、第２キャビテーション領域２２の逆流渦とを分離することで、従来における大きな逆流渦の発生を回避し、これにより、回転軸が振動する問題を解決する。

即ち、上記目的を達成するため、本発明によると、流体を加圧し吸引するポンプ羽根車と、該ポンプ羽根車が固定され回転駆動される回転軸と、を有するポンプに設けられ、ポンプの吸込み性能を維持するインデューサ装置であって、前記ポンプ羽根車の上流側において前記回転軸に固定され、回転軸の回転方向に配置される複数の翼と、該複数の翼を囲むように、その内壁面が前記回転軸の半径方向外側にて前記回転方向に延びているケーシングと、を備え、前記各翼は、回転軸に固定される根元と、前記ケーシング側の先端とを有するとともに、上流端に位置する部分であり前記根元から前記先端まで延びその途中の屈曲箇所で回転方向に屈曲している前縁を有し、前記前縁は、前記根元から前記屈曲箇所まで延びており、その位置が前記根元から前記先端側へ移行するに伴い回転方向後方側へ後退する後退部と、前記屈曲箇所で前記後退部から回転方向前方側へ屈曲するように後退部に結合され前記屈曲箇所から前記先端まで延びている屈曲部と、を有する、ことを特徴とするインデューサ装置が提供される。好ましくは、前記先端と前記ケーシングの前記内壁面との半径方向距離は、前記先端のすべての軸方向位置にわたって一定である。

上記構成では、各翼の前縁は、屈曲箇所で前記後退部から回転方向前方側へ屈曲するように後退部に結合され前記屈曲箇所から前記先端まで延びている屈曲部を有するので、この屈曲部により、翼先端とケーシングとの間の隙間の回転方向後方で発生する第１キャビテーション領域と、後退部の回転方向後方側で発生する第２キャビテーション領域とを分離できる。従って、従来において生じていた大きな逆流渦の発生を防止でき、これにより、回転軸の振動を防止できる。
しかも、先端と前記ケーシングの前記内壁面との半径方向距離を、前記先端のすべての軸方向位置にわたって一定にできるので、これにより、翼の先端とケーシングとの隙間を大きくする部分を無くすことができる。従って、翼の背側と腹側との圧力差を高く維持でき、これにより、インデューサ装置の昇圧能力を高く維持できる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記屈曲箇所の半径方向位置は、前縁における前記根元の半径方向位置と前縁における前記先端の半径方向位置との間の半径方向中央と、前縁における前記先端の半径方向位置との間に位置し、かつ、該半径方向中央と前縁における前記先端の半径方向位置との間の半径方向中間付近である。

このように、前記屈曲箇所は、前縁における前記根元の半径方向位置と前縁における前記先端の半径方向位置との間の半径方向中央と、前縁における前記先端の半径方向位置との間の半径方向中間付近に位置しているので、屈曲部は、第１キャビテーション領域と第２キャビテーション領域とを分離できるのに十分な長さを有する。これにより、第１キャビテーション領域と第２キャビテーション領域とを確実に分離できる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記屈曲部は、その回転方向位置が前記根元から前記先端側へ移行するに伴い回転方向後方側へ後退しており、屈曲部が回転方向後方側へ後退する大きさは、屈曲部の回転方向後方にキャビテーション領域が発生しない程度に小さい。

このように、屈曲部が回転方向後方側へ後退するが、後退の大きさが、屈曲部の回転方向後方にキャビテーション領域が発生しない程度に小さいので、屈曲部に作用する圧力を分散・低減しつつ、第１キャビテーション領域と第２キャビテーション領域とを確実に分離できる。

上述した本発明のインデューサ装置によると、昇圧能力を高く維持しつつ、旋回キャビテーションを含めたキャビテーションによる回転軸の振動を防止できる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図６は、本発明の実施形態によるインデューサ装置が適用可能なポンプ３の構成を示す軸方向断面図である。
図６の例では、ポンプ３はロケットエンジン用のターボポンプである。図６に示すように、ポンプ３は、液体水素や液体酸素などの極低温流体を加圧し吸引するポンプ羽根車５と、該ポンプ羽根車５が固定され回転駆動される回転軸７と、を有する。このポンプ３の吸込み性能を維持するために、インデューサ装置が設けられる。

図１は、図６のＡ−Ａ線矢視図であるが、本実施形態による構成を示している。図２は、図６の一部拡大図であるが、本実施形態による構成を示している。

図１と図２に示すように、本実施形態によるインデューサ装置１０は、複数の翼９とケーシング１１とを有する。複数の翼９は、ポンプ羽根車５の上流側において回転軸７に固定され、回転軸７の回転方向（以下、単に回転方向という）に配置される。ケーシング１１は、複数の翼９を囲むように、その内壁面１１ａが回転軸７の半径方向（以下、単に半径方向という）外側にて回転方向に延びている。なお、ケーシング１１は、ポンプ３のケーシング２７（図６参照）と一体的に形成されていてよい。図２では、複数の翼９は回転軸の端部７ａに固定されている。また、本実施形態では、翼９は３枚であるが、本発明によると、他の適切な数であってもよい。

本実施形態によると、各翼９は、根元９ａと先端９ｂと前縁９ｃとを有する。翼９の根元９ａは回転軸７に固定される部分である。翼９の先端９ｂはケーシング１１側の先端部分である。翼９の前縁９ｃは、上流端に位置する部分であり根元９ａから先端９ｂまで延びその途中の屈曲箇所Ｐで回転方向に屈曲している。なお、図２に示すように、先端９ｂは、回転軸７の軸心Ｃから一定の距離だけ離れており、先端９ｂとケーシング１１との隙間は一定である。即ち、先端９ｂとケーシング１１の内壁面１１ａとの半径方向距離は、先端９ｂのすべての軸方向位置（軸心Ｃの方向に関する位置）にわたって一定であるこのように、本実施形態では、先端９ｂとケーシング１１との隙間を大きくする部分を設けなくてよい。

また、図１に示すように、前縁９ｃは、後退部１７と屈曲部１９とを有する。後退部１７は、根元９ａから屈曲箇所Ｐまで延びており、その位置が根元９ａから先端９ｂ側へ移行するに伴い回転方向後方側へ後退する。屈曲部１９は、屈曲箇所Ｐで後退部１７から回転方向前方側へ屈曲するように後退部１７に結合され屈曲箇所Ｐから先端９ｂまで延びている。なお、図３は、回転軸７に固定された複数の翼９を示す斜視図である。

屈曲箇所Ｐは、図２に示すように、前縁９ｃにおける根元９ａの半径方向位置ｘと前縁９ｃにおける先端９ｂの半径方向位置ｙとの間の半径方向中央Ｑと、前縁９ｃにおける先端９ｂの半径方向位置ｙとの間に位置し、かつ、該半径方向中央Ｑと先端９ｂの半径方向位置ｙとの間の半径方向中間付近に位置している。例えば、回転軸７の半径方向における半径方向位置ｘから半径方向位置ｙまでの距離を１とした場合、半径方向位置ｙから屈曲箇所Ｐまでの半径方向距離は０．１〜０．３であってよい。言い換えると、屈曲箇所Ｐは、半径方向中央Ｑと半径方向位置ｙとの間の半径方向位置であって、半径方向位置ｙ付近から離れた半径方向位置にある。

図１における後退部１７の形状は、根元９ａから先端９ｂ側へ移行するにつれ、後退部１７の位置が回転方向後方側へ後退する程度が次第に増加するような滑らかな曲線形状である。例えば、図１における後退部１７の形状は、円弧状であってよい。また、後退部１７の形状は、図４に示すように、後退部１７のどの位置においても、後退部１７の接線と逆回転方向とのなす角θ_１が一定角度（例えば、３０度）となるような曲線形状であってもよい。

また、図１における屈曲部１９の形状は、直線状であってもよいし、曲線形状であってもよい。本発明によると、屈曲部１９は、屈曲箇所Ｐから先端９ｂ側へ移行するに伴いその位置が回転方向後方側へ後退していなくてもよいが、好ましくは、屈曲部１９は、屈曲箇所Ｐから先端９ｂ側へ移行するにつれその位置が回転方向後方側へ後退する。これにより、屈曲部１９に作用する圧力を分散して低減できる。この場合、屈曲部１９が回転方向後方側へ後退する大きさは、屈曲部１９の回転方向後方にキャビテーション領域が発生しない程度に小さい。なお、屈曲部１９が回転方向後方側へ後退する大きさは、屈曲箇所Ｐの回転方向位置と屈曲部１９における先端９ｂの回転方向位置との差の大きさであってよい。

前縁９ｃの形状についてさらに詳しく述べると、図１に示すように、その半径方向位置の変化量に対する回転方向位置の変化量（即ち、後退率）が、根元９ａから屈曲箇所Ｐへ移行するに従い連続的に増加し、屈曲箇所Ｐで不連続的に減少し、屈曲箇所Ｐから先端９ｂまで一定となっている。
また、屈曲部１９を上述のように後退させる場合には、前縁９ｃは、その半径方向位置の変化量に対する回転方向位置の変化量（即ち、後退率）が、根元９ａから屈曲箇所Ｐへ移行するに従い連続的に増加し、屈曲箇所Ｐで不連続的に減少し、屈曲箇所Ｐから先端９ｂまで先端９ｂ側へ移行するに従い連続的に増加する形状となっている。
本発明によると、前縁９ｃの形状はこれらに限定されず、屈曲箇所Ｐに変曲点が存在するように屈曲箇所Ｐで屈曲し、その半径方向位置の変化量に対する回転方向位置の変化量が、根元９ａから先端９ｂまでの全体にわたって連続的に変化する形状としてもよい。

屈曲部１９の設定について説明する。屈曲箇所Ｐの半径方向位置および回転方向位置と、屈曲部１９が後退部１７から回転方向前方側へ屈曲する角度とは、本実施形態によるインデューサ装置１０が適用される環境条件に基づいて、第１キャビテーション領域２１と第２キャビテーション領域２２とを分離できるように設定される。このような環境条件には、例えば、後退部１７の回転方向後方でキャビテーション領域が発生することになる回転軸７の回転速度、このキャビテーション領域発生を引き起こす吸込口２５（図６参照）での流体圧力、後退部１７が回転方向後方側へ後退していく大きさなどを含む。

［作用］
図５に基づいて、本実施形態によるインデューサ装置１０の作用について説明する。翼９の先端９ｂとケーシング１１との間には隙間があるため、この隙間の回転方向後方に先端漏れ流れによる第１キャビテーション領域２１が発生する。また、後退部１７の回転方向後方には、前縁剥離渦による第２キャビテーション領域２２が発生する。本実施形態では、前縁９ｃに屈曲部１９を設けているので、図５に示すように、第１キャビテーション領域２１と第２キャビテーション領域２２とを分離することができる。従って、従来において生じていた大きな逆流渦の発生を防止でき、大きな非対称キャビテーション領域の形成も防止できる。これにより、回転軸７の回転安定性を大幅に向上させ、回転軸７の振動を防止できる。

しかも、本実施形態では、翼９の先端９ｂとケーシング１１との間の隙間の寸法は小さい所定の一定値となっており、翼９の先端９ｂとケーシング１１との隙間を大きくする部分を設けなくてもよい。従って、翼９の背側と腹側との圧力差を低減させずに高く維持でき、これにより、インデューサ装置１０の昇圧能力を高く維持できる。

また、屈曲箇所Ｐは、前縁９ｃにおける根元９ａの半径方向位置ｘと前縁９ｃにおける先端９ｂの半径方向位置ｙとの間の半径方向中央Ｑと、前縁９ｃにおける先端９ｂの半径方向位置との間の半径方向中間付近に位置しているので、屈曲部１９は、第１キャビテーション領域２１と第２キャビテーション領域２２とを分離できるのに十分な長さを有する。これにより、第１キャビテーション領域２１と第２キャビテーション領域２２とを確実に分離できる。

さらに、屈曲部１９について、屈曲箇所Ｐから先端９ｂ側へ移行するに伴いその位置が回転方向後方側へ後退させるように屈曲部１９を形成する場合に、その後退の大きさを、屈曲部１９の回転方向後方にキャビテーション領域が発生しない程度に小さくする。これにより、屈曲部１９に作用する圧力を分散・低減しつつ、第１キャビテーション領域２１と第２キャビテーション領域２２とを確実に分離できる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明のインデューサ装置は、ロケット用エンジンのターボポンプだけでなく、第１キャビテーション領域２１と第２キャビテーション領域２２とが結合して発生する大きな逆流渦により悪影響が生じる他のポンプにも適用可能である。

本発明の実施形態によるインデューサ装置を示す正面図である。 本発明の実施形態によるインデューサ装置を示す軸方向断面図である。 本発明の実施形態によるインデューサ装置の翼を示す斜視図である。 本発明の実施形態による翼形状の一例を示す正面図である。 本発明の実施形態によるインデューサ装置の作用を説明するための図である。 本発明のインデューサ装置が適用可能なターボポンプを示す軸方向断面図である。 従来における翼の前縁形状を示す正面図である。 従来における翼形状を示す斜視図である。 非対称なキャビテーション領域を示す正面図である。 特許文献１のインデューサ装置を示す軸方向断面図である。 特許文献２のインデューサ装置を示す軸方向断面図である。 特許文献３のインデューサ装置を示す軸方向断面図である。 過大な逆流渦が発生する原理を説明するための図である。

符号の説明

３ ポンプ
５ ポンプ羽根車
７ 回転軸
７ａ 回転軸の端部
９ 翼
９ａ 根元
９ｂ 先端
９ｃ 前縁
１０ インデューサ装置
１１ ケーシング
１１ａ 内壁面
Ｐ 屈曲箇所
Ｑ 半径方向中央
１７ 後退部
１９ 屈曲部
２１ 第１キャビテーション領域
２２ 第２キャビテーション領域
２５ 吸込口
２７ ケーシング

Claims (4)

1. 流体を加圧し吸引するポンプ羽根車と、該ポンプ羽根車が固定され回転駆動される回転軸と、を有するポンプに設けられ、ポンプの吸込み性能を維持するインデューサ装置であって、
   前記ポンプ羽根車の上流側において前記回転軸に固定され、回転軸の回転方向に配置される複数の翼と、
   該複数の翼を囲むように、その内壁面が前記回転軸の半径方向外側にて前記回転方向に延びているケーシングと、を備え、
   前記各翼は、回転軸に固定される根元と、前記ケーシング側の先端とを有するとともに、上流端に位置する部分であり前記根元から前記先端まで延びその途中の屈曲箇所で回転方向に屈曲している前縁を有し、
   前記前縁は、
   前記根元から前記屈曲箇所まで延びており、その位置が前記根元から前記先端側へ移行するに伴い回転方向後方側へ後退する後退部と、
   前記屈曲箇所で前記後退部から回転方向前方側へ屈曲するように後退部に結合され前記屈曲箇所から前記先端まで延びている屈曲部と、を有する、ことを特徴とするインデューサ装置。
2. 前記先端と前記ケーシングの前記内壁面との半径方向距離は、前記先端のすべての軸方向位置にわたって一定である、ことを特徴とする請求項１に記載のインデューサ装置。
3. 前記屈曲箇所の半径方向位置は、前縁における前記根元の半径方向位置と前縁における前記先端の半径方向位置との間の半径方向中央と、前縁における前記先端の半径方向位置との間に位置し、かつ、該半径方向中央と前縁における前記先端の半径方向位置との間の半径方向中間付近である、ことを特徴とする請求項１に記載のインデューサ装置。
4. 前記屈曲部は、前記根元から前記先端側へ移行するに伴いその位置が回転方向後方側へ後退しており、屈曲部が回転方向後方側へ後退する大きさは、屈曲部の回転方向後方にキャビテーション領域が発生しない程度に小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のインデューサ装置。

Images