JP2013189914A - ターボポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボポンプの主軸の回転時及び停止時の両方でシールすることができるシール機構を備えたターボポンプを提供する。
【解決手段】ターボポンプ５０、６０は、主軸１と、ケーシング２と、インペラ１０と、シール機構７を含む。主軸１は、ケーシング２内のタービン翼８により回転する。インペラ１０は、主軸１と連動して回転する。シール機構７は、第１のシール機構７Ａと、第２のシール機構７Ｂと、を含む。第１のシール機構７Ａは、主軸１の外周面との間に隙間３０を設けるように主軸１の外周側に設けられ、主軸１の回転により流体が隙間３０を通過することを抑制するフローティングリングシール３２を備える。第２のシール機構７Ｂは、隙間３０を通過した流体に対して、主軸１が回転を停止している場合にシールを行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、シール機構を備えたターボポンプに関する。

特許文献１には、回転駆動部に連結している回転軸と、この回転軸が貫通する貫通孔を設けたポンプ基部と、前記回転軸の先端に翼ボスが連結し、前記回転駆動部の駆動により前記回転軸とともに回転するポンプ翼と、このポンプ翼を覆うように前記ポンプ基部に接続して流体室を画成するケーシングと、前記ポンプ基部内に配置され、前記回転軸を支持する軸受けロータ及び軸受けステータと、前記流体室側から前記回転軸側への流体の漏れを防止するメカニカルシールとを備えたターボポンプにおいて、前記軸受けステータは、円筒形状の部材として形成されており、前記メカニカルシールは、前記軸受けステータの端面に当接する弾性体からなる環状の緩衝材と、この緩衝材の前記翼ボス側の端面に当接する固定リングと、この固定リングの端面と摺接することでメカニカルシール摺動面となり、前記翼ボスに当接して前記回転軸の先端側に固定した回転リングとで構成されているとともに、押圧手段の押圧力を作用させることで前記メカニカルシール摺動面を密着させるターボポンプのシール構造が記載されている。

特開２００２−２８５９９５号公報

特許文献１に記載されているターボポンプのシール構造は、メカニカルシール摺動面があるため、回転軸が高速になるとメカニカルシール摺動面が摩耗するおそれがある。このため、ターボポンプのシール構造は、回転軸が高速回転する場合には、フローティングシールを採用することが多い。フローティングシールは、回転軸とシールリングとの隙間に生じる層流境界層の粘性低層によりシールする。しかしながら、フローティングシールは、回転軸が回転している場合には層流境界層の粘性低層が生じるためシールできるものの、回転軸が停止している場合には、フローティングシールを介して流体がリークするおそれがある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、ターボポンプの主軸の回転時及び停止時の両方でシールすることができるシール機構を備えたターボポンプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、ターボポンプは、ケーシング内のタービン翼により回転する主軸と、前記主軸と連動して回転するインペラと、前記インペラにより加圧された流体が流通する、前記ケーシング内の流路と、前記主軸の外周面との間に隙間を設けるように前記主軸の外周側に設けられ、前記主軸の回転により前記流体が前記隙間を通過することを抑制するフローティングリングシールを備える第１のシール機構と、前記隙間を通過した流体に対して、前記主軸が回転を停止している場合にシールを行う第２のシール機構と、を含むことを特徴とする。

この構成により、主軸が回転している場合は、第１のシール機構が流体をシールし、第２のシール機構は流体をシールしない。このため、第２のシール機構は主軸の回転により摩耗するおそれを低減することができる。そして、ターボポンプは、主軸が回転を停止している場合、第１のシール機構から流体が通過しても第２のシール機構で流体をシールすることができる。その結果、ターボポンプは、ターボポンプの主軸の回転時及び停止時の両方でシールすることができる。

本発明の望ましい態様として、前記第２のシール機構は、前記主軸と連動して回転するメインティングリングと、前記メインティングリングと接触することでシールできるメカニカルシール面を有するメカニカルリングシールと、前記メカニカルリングシールが前記メインティングリングに接触する状態と、前記メカニカルリングシールが前記メインティングリングに非接触となる状態とに相互に変化させる駆動手段と、前記主軸が回転を停止している場合に、前記メカニカルリングシールが前記メインティングリングに接触するように前記駆動手段を制御する制御装置と、を含むことが好ましい。

この構成により、メカニカルシール面の摩耗のおそれを低減することができる。その結果、ターボポンプは、ターボポンプの主軸の回転時及び停止時に、シールすることができる。

本発明によれば、ターボポンプの主軸の回転時及び停止時の両方でシールすることができるシール機構を備えたターボポンプを提供することができる。

図１は、本実施形態に係るターボポンプが適用されるロケットエンジンの概略配管系統図である。 図２は、本実施形態に係るターボポンプの概略構成図である。 図３は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構を説明するための説明図である。 図４は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構の動作を説明するための模式図である。 図５は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構の動作を説明するための模式図である。 図６は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構の動作を説明するためのフローチャートである。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態に係るターボポンプが適用されるロケットエンジンの概略配管系統図である。ロケットエンジン１００は、燃料の一部をロケット用燃焼器１０１の冷却材として用いると共に酸化剤及び燃料を加圧、圧送するターボポンプ５０及びターボポンプ６０の駆動媒体としても用いている。

＜ロケットエンジン＞
ロケットエンジン１００は、酸化剤と燃料とを噴射可能な噴射器１０２を含み、酸化剤と燃料とが燃焼可能なロケット用燃焼器１０１を備える。さらに、ロケットエンジン１００は、この酸化剤及び燃料をロケット用燃焼器１０１に供給すると共にロケットエンジン１００の各部に循環させる配管系統として、燃料をロケット用燃焼器１０１に供給する燃料供給ライン９０と、酸化剤をロケット用燃焼器１０１に供給する酸化剤供給ライン９１と、ロケット用燃焼器１０１を冷却する冷却媒体として燃料をロケットエンジン１００の各部に循環させる冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２とを備える。

燃料供給ライン９０は、複数の配管により構成され、燃料としての液体水素（以下、「ＬＨ_２」と称する。）を貯留する燃料タンクとロケット用燃焼器１０１の噴射器１０２とを接続し、燃料供給系を構成する。同様に、酸化剤供給ライン９１は、複数の配管により構成され、酸化剤としての液体酸素（以下、「ＬＯｘ」と称する。）を貯留する酸化剤タンクとロケット用燃焼器１０１の噴射器１０２とを接続し、酸化剤供給系を構成する。冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、複数の配管により構成され、一端において燃料供給ライン９０から分岐すると共に後述するロケット用燃焼器１０１における燃焼室１０３の壁面内の冷却通路１０５などを経由して他端がロケット用燃焼器１０１のノズル１０４内部に接続され、冷却媒体・駆動媒体供給系を構成する。

ロケットエンジン１００は、燃料供給ライン９０を介して燃料をロケット用燃焼器１０１に圧送可能な燃料用のターボポンプ５０及び酸化剤供給ライン９１を介して酸化剤をロケット用燃焼器１０１に圧送可能な酸化剤用のターボポンプ６０と、ロケット用燃焼器１０１を冷却して気化した燃料と液体燃料とを混合するミキサ７０と、酸化剤と燃料との混合気に点火する点火器８０とを備える。

燃料用のターボポンプ５０は、ポンプ５１とタービン５２を備える。タービン５２は、冷却通路１０５を通過し気化した燃料としての水素ガス（以下、「ＧＨ_２」と称する。）により回転駆動されることでポンプ５１を駆動し、ポンプ５１は、燃料供給ライン９０のＬＨ_２を加圧して噴射器１０２に圧送する。酸化剤用のターボポンプ６０は、ポンプ６１とタービン６２を備える。タービン６２は、冷却通路１０５を通過し気化した燃料としてのＧＨ_２により回転駆動されることでポンプ６１を駆動し、ポンプ６１は、酸化剤供給ライン９１のＬＯｘを加圧して噴射器１０２に圧送する。

燃料供給ライン９０は、ＬＨ_２の流動方向に対して上流側から順に、燃料用のターボポンプ５０のポンプ５１と、主燃料バルブ９３と、ミキサ７０とを備える。酸化剤供給ライン９１は、ＬＯｘの流動方向に対して上流側から順に、酸化剤用のターボポンプ６０のポンプ６１と、主酸化剤バルブ９４とを備える。

冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、燃料供給ライン９０のＬＨ_２の流動方向に対してポンプ５１の下流側、主燃料バルブ９３の上流側で燃料供給ライン９０から分岐する。冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、燃料供給ライン９０のＬＨ_２の流動方向に対して上流側から順に、燃焼室冷却バルブ９２ｃと、冷却通路１０５と、推力制御バルブ９５と、燃料用のターボポンプ５０のタービン５２と、酸化剤用のターボポンプ６０のタービン６２を備える。

燃料用のターボポンプ５０のタービン５２と、酸化剤用のターボポンプ６０のタービン６２とは、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２に直列に配置される。また、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、他端においてノズル１０４内部に接続する部分の上流側にノズル１０４を冷却する冷却通路も備えている。なお、燃料用のターボポンプ５０及び酸化剤用のターボポンプ６０の具体的な構成は、後述する。

また、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、合流管９６と、混合比制御管９７と、バイパス管９８を備える。合流管９６は、冷却通路１０５の下流側、推力制御バルブ９５の上流側で冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の主管から分岐してミキサ７０に接続する。混合比制御管９７は、酸化剤用のターボポンプ６０のタービン６２の上流側、燃料用のターボポンプ５０のタービン５２の下流側で冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の主管から分岐してタービン６２の下流側に接続することで、タービン６２をバイパスする。この混合比制御管９７は、混合比制御バルブ９９を備える。バイパス管９８は、合流管９６の分岐部の下流側、推力制御バルブ９５の上流側で冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の主管から分岐して酸化剤用のターボポンプ６０のタービン６２の下流側に接続してタービン５２及びタービン６２をバイパスする。このバイパス管９８は、ウエストバルブ９８ａを備える。

主燃料バルブ９３は、燃料供給ライン９０を開閉することで噴射器１０２へのＬＨ_２の供給を調節する。主酸化剤バルブ９４は、酸化剤供給ライン９１を開閉することで噴射器１０２へのＬＯｘの供給を調節する。燃焼室冷却バルブ９２ｃは、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２を開閉することで冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２におけるＬＨ_２、ＧＨ_２の循環を調節する。推力制御バルブ９５は、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２を開閉することでタービン５２に導入される駆動媒体としてのＧＨ_２の導入量を制御してこのタービン５２の回転数を制御する。上記構成により、ポンプ５１によるＬＨ_２の加圧を制御することで、ロケットエンジン１００全体での推力が制御される。

混合比制御バルブ９９は、混合比制御管９７を開閉することでタービン６２に導入される駆動媒体としてのＧＨ_２の導入量を制御してこのタービン６２の回転数を制御する。この構成により、ポンプ６１によるＬＯｘの加圧を制御することで、ロケット用燃焼器１０１全体での混合比（ＬＯｘ／ＧＨ_２）、すなわち、噴射器１０２から噴射されるＬＯｘとＧＨ_２との比率が制御される。ウエストバルブ９８ａは、冷却通路１０５を通過することで気化したＧＨ_２がタービン５２、タービン６２をバイパスする際に当該バイパス量に応じて開閉する。

ミキサ７０は、主燃料バルブ９３を通過した極低温のＬＨ_２と、冷却通路１０５を通過して気化した高温のＧＨ_２とを混合し、ＧＨ_２としてロケット用燃焼器１０１に供給可能とする。なお、燃料としての水素は、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２における冷却通路１０５よりも下流側ではＧＨ_２及びＬＨ_２の気液二相が存在していることがある。

上記のように構成されるロケットエンジン１００は、燃料供給ライン９０を介して供給されるＬＨ_２を燃料用のターボポンプ５０によってロケット用燃焼器１０１に圧送すると共に、酸化剤供給ライン９１を介して供給されるＬＯｘを酸化剤用のターボポンプ６０によってロケット用燃焼器１０１に圧送する。

ロケットエンジン１００は、ＬＯｘとＧＨ_２とをロケット用燃焼器１０１の燃焼室１０３内で混合し、この混合気に点火器８０により点火することで燃焼させて推力を得る。この間、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、燃料用のターボポンプ５０により圧送されるＬＨ_２の一部をロケット用燃焼器１０１における燃焼室１０３の壁面に設けられる冷却通路１０５に導入する。そして、低温のＬＨ_２は、燃焼室１０３を冷却する。燃焼室１０３を冷却することでエネルギーを得たＬＨ_２は、その温度が上昇しガス化してＧＨ_２となる。ガス化したＧＨ_２の一部は、合流管９６を介してミキサ７０に導入され、このミキサ７０でＬＨ_２と混合される。

また、残りのＧＨ_２が燃料用のターボポンプ５０のタービン５２、酸化剤用のターボポンプ６０のタービン６２に順に導入され、タービン５２、タービン６２の駆動媒体として作用し、その膨張エネルギーによりタービン５２、タービン６２を回転駆動する。これにより、上述のように燃料用のターボポンプ５０及び酸化剤用のターボポンプ６０は、ＬＨ_２、ＬＯｘを圧送する。そして、タービン５２、タービン６２を回転駆動したＧＨ_２は、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の他端からノズル１０４内に廃棄される。

なお、このロケットエンジン１００では、密度が高く従って高出力が必要な燃料用のターボポンプ５０をＧＨ_２により先に駆動し、その後に酸化剤用のターボポンプ６０を駆動する。また、燃料用のターボポンプ５０、酸化剤用のターボポンプ６０を駆動した後のＧＨ_２の圧力は初めのタービン５２入口前の圧力に比較してかなり低下しており、タービン５２入口前の圧力と略等しい圧力の燃焼室１０３内には供給することはできないため、ロケット用燃焼器１０１の低圧部位としてノズル１０４内部に排出している。

＜ターボポンプ＞
図２は、本実施形態に係るターボポンプの概略構成図である。ターボポンプ５０またはターボポンプ６０は、回転駆動される主軸１と、主軸１に固定されたインペラ１０と、主軸１に固定されたタービン翼８と、液体を導入するインデューサ６と、ケーシング２と、主軸１の回転を支持する軸受４及び軸受５と、主軸１とケーシング２との隙間からＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体（流体）が漏洩することを防止するシール機構７とを含む。ターボポンプ５０またはターボポンプ６０は、主軸１がインペラ１０とタービン翼８とを直列に連結する。

インデューサ６は、軸流型の羽根車であって、ケーシング２内にタービン翼８及びインペラ１０と主軸１の同軸上に連結されて収容されている。なお、矢印Ｐｉの向きは、燃料タンクまたは酸化剤タンクから供給されるＬＨ_２またはＬＯｘの供給方向を示している。高温高圧のガスでタービン翼８を回転させ、連動するインペラ１０が回転駆動すると、これと同期してインデューサ６の羽根車が回転する。このため、インデューサ６は、ＬＨ_２またはＬＯｘをインペラ１０の吸込口まで導き、インペラ１０の吸込性能を維持させるためにインペラ１０の羽根車に発生するキャビテーションを抑制する。

インペラ１０は、ケーシング２内で回転させて、遠心ポンプとして作用する。つまり、ポンプ５１、６１は、インデューサ６を介して吸い込んだ流体を遠心力で加圧する遠心式ポンプである。インペラ１０は、インデューサ６を介して吸い込んだＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体（流体）を加圧し、ＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体にエネルギーを与える。加圧されたＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体は、矢印Ｐｏの方向に排出され、図１に示す燃料供給ライン９０または酸化剤供給ライン９１に供給される。

タービン５２、６２は、上述したように図１に示す冷却通路１０５を通過し気化すると共に、矢印Ｇｉの方向から供給されるＧＨ_２により回転駆動する。つまり、駆動媒体であるＧＨ_２は、タービン翼８を押して、主軸１を回転させる。なお、駆動媒体であるＧＨ_２は、矢印Ｇｏの方向に排出され、図１に示すように、燃焼室１０３に送られる。

図３は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構を説明するための説明図である。図３に示すように、本実施形態に係るターボポンプのシール機構７は、第１のシール機構７Ａと、第２のシール機構７Ｂとを含む。ケーシング２はインペラ１０のタービン翼８側に位置する静止壁３を備えている。インペラ１０は、インペラ１０の外周面を覆うように前シュラウド１１及び後シュラウド１５を備えている。前シュラウド１１の外周面と、対向するケーシング２との隙間には液体が通流する第１流路１２が形成されている。第１流路１２には、インペラ１０の前シュラウド１１の内径側に設けた突起部と、この突起部に対向するケーシング２に同様に形成された突起部により絞りが形成されている。

インペラ１０の後シュラウド１５と、対向する静止壁３との隙間には、液体が通流する第２流路１６が形成されている。第２流路１６は、第１オリフィス１７と第２オリフィス１８とを含む多段オリフィスを備えている。第１オリフィス１７と第２オリフィス１８とは、第２流路１６の圧力を調整し、軸方向のバランスを保ち、インペラ１０が他部材と接触するおそれを低減する。

また、バランスホール１９は、第２流路１６と接続し、第２流路１６の液体をインペラ１０の翼入口に還流させている。バランスホール１９は、翼に連通する側が第２流路１６に連通する側よりも径方向外側に位置するように傾斜している。このため、バランスホール１９から還流する液体は、インペラ１０の主流の流入向きを乱す乱流を抑制できる。その結果、ポンプ５１、６１はポンプ性能を維持することができる。

第２流路１６から分枝させた軸受冷却流路２１は、軸受４及び軸受５の潤滑及び冷却のため、軸受冷却機構に加圧されたＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体の一部を導く流路である。軸受４及び軸受５は、主軸１と連結している軸受内輪４２と、ケーシング２と連結する軸受外輪４３と、軸受内輪４２と軸受外輪４３との間で自転するとともに、主軸１の回転方向と同じ向きに公転する転動体４１とを含む。軸受冷却流路２１は、オリフィス２２を介して整流空間２３に接続している。

整流空間２３は、軸受４と隣接する空間であり、第１のシール機構７Ａで区画されている。オリフィス２２は、周方向に複数空けられた絞りであり、軸受冷却流路２１と整流空間２３との間に圧力差を生じさせる。これにより、オリフィス２２は、外周側から主軸１に向かう噴流ｃ１を生じさせる。

第１のシール機構７Ａは、ランナー３１と、フローティングリングシール３２と、リテーナ３３と、フローティングシールハウジング３４とを含む。フローティングシールハウジング３４は、ケーシング２に固定されており、リテーナ３３を介してフローティングリングシール３２を支持する。リテーナ３３は、フローティングリングシール３２を保持する保持部であり、フローティングリングシール３２を主軸側に与圧するような機構を有していてもよい。ランナー３１は、主軸１の一部であり、主軸１の外周面である。ランナー３１は、金属で形成されており、表面を例えば酸化クロムで被覆している。

フローティングリングシール３２は、主軸１の外周面との間に隙間３０を設けるように主軸１の外周側に設けられている。また、フローティングリングシール３２は、主軸１の軸方向と直交する平面に配置された、カーボン製のリングである。隙間３０は、ランナー３１とフローティングリングシール３２とを非接触とする微小量の空間である。主軸１が回転すると隙間３０には、層流境界層の粘性低層が発生し、ＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体（流体）が隙間３０を通過することを阻害する。このため、第１のシール機構７Ａは、主軸１の回転によりＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体（流体）が隙間３０を通過することを抑制することができる。

第２のシール機構７Ｂは、メインティングリング３５と、メカニカルリングシール３６と、リテーナ３７と、駆動手段であるシリンダ機構３８と、メカニカルシールハウジング３９とを含む。メインティングリング３５は、タービン翼８の基部８Ａに固定され、主軸１の回転と連動して回転可能なリング形状をしている。メインティングリング３５は、金属で形成されており、表面を例えばクロムで被覆している。

メカニカルシールハウジング３９は、ケーシング２に固定されており、リテーナ３７及びシリンダ機構３８を介してメカニカルリングシール３６を支持する。メカニカルリングシール３６は、主軸１の軸方向と直交する平面に配置された、カーボン製のリングである。メカニカルリングシール３６は、メインティングリングと接触することでシールできるメカニカルシール面３６Ｓを有する。駆動手段であるシリンダ機構３８及び駆動手段を制御する制御装置については、後述する。

整流空間２３の噴流ｃ１は、軸受４における軸受内輪４２及び軸受外輪４３の間を通過する。噴流ｃ１は、軸受４を冷却しながら軸受５に向かって送出される冷却流ｃ２となる。冷却流ｃ２は、軸受５における軸受内輪４２及び軸受外輪４３の間を通過し、軸受５を冷却しながらバランスホール１９に向かって送出される冷却流ｃ３となる。冷却流ｃ３は、バランスホール１９を介して、インペラ１０の翼入口に放出される還流ｃ４の一部となる。

本実施形態に係るターボポンプのシール機構７は、インペラ１０により加圧された流体が流通するケーシング２内の流路、つまり軸受冷却流路２１及び整流空間２３と、タービン５２、６２側の隔離流路２５との間をシールする。なお、シール空間２４は、第１のシール機構７Ａと、第２のシール機構７Ｂとの間の領域である。整流空間２３と隔離流路２５との間には、第１のシール機構７Ａによる第１のシールと、第２のシール機構７Ｂによる第２のシールとがある。次に本実施形態に係るターボポンプのシール機構７の動作について、図４から図６を用いて説明する。

図４及び図５は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構の動作を説明するための模式図である。図４及び図５に示すように、シリンダ機構３８は、シリンダ１３２と、シリンダ１３２内を変位可能なピストン１３１と、スプリング１３３と、希ガスタンク１３４と、制御弁１３５と、制御装置１３６とを含む。

希ガスタンク１３４は、例えばヘリウム等の希ガスを所定の圧力で格納している。希ガスタンク１３４は、圧力ラインＯＴを介して、希ガスを制御弁１３５に供給することができる。シリンダ１３２には、シリンダ第１室１３２Ａと、シリンダ第２室１３２Ｂとがピストン１３１で区画されている。シリンダ第１室１３２Ａは、圧力ラインＯ１を介して制御弁１３５に接続し、希ガスが流通可能となっている。また、シリンダ第２室１３２Ｂは、圧力ラインＯ２を介して制御弁１３５に接続し、希ガスが流通可能となっている。スプリング１３３は、弾性力により、予め一方向に与圧することができる。スプリング１３３は、なくてもよい。

制御装置１３６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）とを含んでいるコンピュータシステムである。本実施形態では、制御装置１３６は、ロケットエンジン１００の制御装置であってもよく、ロケットエンジン１００の制御装置とは別に、専用の制御装置としてもよい。制御装置１３６は、ＣＰＵの演算結果に基づき、制御指令ｉにより制御弁１３５を制御する。これにより、制御装置１３６は、制御弁１３５が制御する希ガスの流量に応じて、シリンダ第１室１３２Ａとシリンダ第２室１３２Ｂとの圧力差を制御することができる。これにより、シリンダ第１室１３２Ａとシリンダ第２室１３２Ｂとの圧力差に応じて、ピストン１３１の変位が制御される。

シリンダ機構３８は、シリンダ第２室１３２Ｂがシリンダ第１室１３２Ａよりも高圧となる場合、図４に示すメカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に非接触となる状態とすることができる。この場合、第２シールの開放が行われ、シール空間２４と、隔離空間２５とは、繋がった状態となる。

また、シリンダ機構３８は、シリンダ第１室１３２Ａがシリンダ第２室１３２Ｂよりも高圧となる場合、図５に示すメカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に接触する状態とすることができる。この場合、第２シールの閉鎖が行われ、シール空間２４と隔離空間２５とは、シールされている。

本実施形態に係るターボポンプ５０、６０では、駆動手段をシリンダ機構３８として説明している。駆動手段は、メカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に接触する状態と、メカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に非接触となる状態とに相互に変化させることができれば、シリンダ機構でなくてもよい。例えば、駆動手段は、ベローズで構成してもよい。

図６は、本実施形態に係るターボポンプのシール機構の動作を説明するためのフローチャートである。図６に示すように、まず、ターボポンプ５０、６０は、主軸１が回転している（ステップＳ１）。制御装置１３６は、第２シールの開放を処理する（ステップＳ２）。つまり、ステップＳ２において、制御装置１３６は、シリンダ機構３８を制御し、メカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に非接触となる状態とする。これにより、メカニカルシール面３６Ｓの摩耗を低減することができる。

図６に示すように、制御装置１３６は、主軸１が停止していない場合（ステップＳ３、Ｎｏ）、第２シールの開放を継続する（ステップＳ２）。制御装置１３６は、主軸１が停止する場合（ステップＳ３、Ｙｅｓ）、ステップＳ４に進む。そして、制御装置１３６は、第２シールの閉鎖を処理する（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、制御装置１３６は、シリンダ機構３８を制御し、メカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に接触となる状態とする。これにより、図５に示すように、メカニカルシール面３６Ｓで、シール空間２４と隔離空間２５とは隔てられる。

主軸１が停止する場合、図３に示す第１のシール機構７Ａは、隙間３０には、層流境界層の粘性低層を発生させることができず、ＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体（流体）が隙間３０を通過する。しかし、第２のシール機構７Ｂは、メカニカルシール面３６Ｓで、シール空間２４と隔離空間２５とをシールしている。このため、ターボポンプ５０、６０は、隔離空間２５に、ＬＯｘ、ＬＨ_２等の液体（流体）が流入するおそれを低減することができる。

次に、図６に示すように、制御装置１３６は、主軸１が回転を再開しない場合（ステップＳ５、Ｎｏ）、第２シールの閉鎖を継続する（ステップＳ４）。制御装置１３６は、主軸１が回転を再開する場合（ステップＳ５、Ｙｅｓ）、ステップＳ６に進む。そして、制御装置１３６は、第２シールの開放を処理する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、制御装置１３６は、シリンダ機構３８を制御し、メカニカルリングシール３６がメインティングリング３５に非接触となる状態とする。これにより、メカニカルシール面３６Ｓの摩耗を低減することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るターボポンプ５０、６０は、主軸１と、ケーシング２と、インペラ１０と、シール機構７を含む。主軸１は、ケーシング２内のタービン翼８により回転する。インペラ１０は、主軸１と連動して回転する。シール機構７は、第１のシール機構７Ａと、第２のシール機構７Ｂと、を含み、インペラ１０により加圧された流体が流通する、ケーシング２内の流路からシールする。第１のシール機構７Ａは、主軸１の外周面との間に隙間３０を設けるように主軸１の外周側に設けられ、主軸１の回転により前記流体が隙間３０を通過することを抑制するフローティングリングシール３２を備える。第２のシール機構７Ｂは、隙間３０を通過した流体に対して、主軸１が回転を停止している場合にシールを行う。

この構成により、主軸１が回転している場合は、第１のシール機構７Ａが流体をシールし、第２のシール機構７Ｂは流体をシールしない。このため、第２のシール機構７Ｂは主軸の回転によりメカニカルシール面３６Ｓが摩耗するおそれを低減することができる。そして、ターボポンプ５０、６０は、主軸１が回転を停止している場合、第１のシール機構７Ａの隙間３０から流体が通過しても第２のシール機構７Ｂで流体をシールすることができる。その結果、ターボポンプ５０、６０のシール機構７は、主軸１の回転時及び停止時の両方でシールすることができる。また、ターボポンプ５０、６０は、高速回転可能となるので分子量の小さい流体、例えばＬＨ_２でもポンプ５１、６１において圧縮することができる。

１ 主軸
２ ケーシング
３ 静止壁
４、５ 軸受
６ インデューサ
７ シール機構
７Ａ 第１のシール機構
７Ｂ 第２のシール機構
８ タービン翼
１０ インペラ
１１ 前シュラウド
１２ 第１流路
１５ 後シュラウド
１６ 第２流路
１７ 第１オリフィス
１８ 第２オリフィス
１９ バランスホール
２１ 軸受冷却流路
２２ オリフィス
２３ 整流空間
２４ シール空間
２５ 隔離流路
３０ 隙間
３１ ランナー
３２ フローティングリングシール
３３ リテーナ
３４ フローティングシールハウジング
３５ メインティングリング
３６ メカニカルリングシール
３６Ｓ メカニカルシール面
３７ リテーナ
３８ シリンダ機構
３９ メカニカルシールハウジング
４１ 転動体
４２ 軸受内輪
４３ 軸受外輪
５０、６０ ターボポンプ
５１、６１ ポンプ
５２、６２ タービン
７０ ミキサ
８０ 点火器
９０ 燃料供給ライン
９１ 酸化剤供給ライン
９２ 冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン
９３ 主燃料バルブ
９４ 主酸化剤バルブ
９５ 推力制御バルブ
９６ 合流管
９７ 混合比制御管
９８ バイパス管
９９ 混合比制御バルブ
１００ ロケットエンジン
１０１ ロケット用燃焼器
１０２ 噴射器
１０３ 燃焼室
１０４ ノズル
１０５ 冷却通路
１３１ ピストン
１３２ シリンダ
１３２Ａ シリンダ第１室
１３２Ｂ シリンダ第２室
１３３ スプリング
１３４ 希ガスタンク
１３５ 制御弁
１３６ 制御装置
ｃ１ 噴流
ｃ２、ｃ３ 冷却流
ｃ４ 還流

Claims (2)

1. ケーシング内のタービン翼により回転する主軸と、
   前記主軸と連動して回転するインペラと、
   前記インペラにより加圧された流体が流通する、前記ケーシング内の流路と、
   前記主軸の外周面との間に隙間を設けるように前記主軸の外周側に設けられ、前記主軸の回転により前記流体が前記隙間を通過することを抑制するフローティングリングシールを備える第１のシール機構と、
   前記隙間を通過した流体に対して、前記主軸が回転を停止している場合にシールを行う第２のシール機構と、
   を含むことを特徴とするターボポンプ。
2. 前記第２のシール機構は、
   前記主軸と連動して回転するメインティングリングと、
   前記メインティングリングと接触することでシールできるメカニカルシール面を有するメカニカルリングシールと、
   前記メカニカルリングシールが前記メインティングリングに接触する状態と、前記メカニカルリングシールが前記メインティングリングに非接触となる状態とに相互に変化させる駆動手段と、
   前記主軸が回転を停止している場合に、前記メカニカルリングシールが前記メインティングリングに接触するように前記駆動手段を制御する制御装置と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ。

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