JP2019522145A - 段付きスリンガを有するターボポンプ - Google Patents

Abstract

ターボポンプが、第１および第２のセクションを有するスリンガを含む。第１および第２のセクションは、流体回路内に実質的に径方向に配置される。第２のセクションは、第１のセクションの下流かつ径方向内側である。ハウジングが、スリンガの第１のセクションの下流に、その第１のセクションに隣接して配置されるとともに、スリンガの第２のセクションの径方向外側に配置される。

Description

（関連出願の相互参照）
本開示は２０１６年７月２７日に出願された米国特許仮出願第６２／３６７，４４６号の優先権を主張するものである。

（米国連邦政府の支援による研究開発に関する声明）
本発明は、米国空軍に付与の契約番号ＦＡ８８１１−１６−９−０００３のもと、米国政府の援助によりなされた。米国政府は本発明の一定の権利を有する。

液体推進薬ロケットエンジン等に用いられるターボポンプは、一つ以上の推進薬を加圧するために使用される。漏出を抑え、延いては飛行体に搭載する必要のある液体質量を低減するように、ターボポンプは高圧の蒸気シールを含む。こうしたシールは漏出に対する障壁の役割を果たす高圧蒸気を発生させるようにポンプの回転エネルギーを使用する。

本発明の一例によるターボポンプが、第１および第２のセクションを有するスリンガ（slinger）を含む。第１のセクションは、流体回路内に実質的に径方向に配置され、第２のセクションは、第１のセクションの下流かつ径方向内側の流体回路内に実質的に径方向に配置される。ハウジングが、スリンガの第１のセクションの下流に、その第１のセクションに隣接して配置されるとともに、スリンガの第２のセクションの径方向外側に配置される。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第１のセクションが、第１のパドルを含む。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第２のセクションが、第２のパドルを含む。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、実質的に軸方向セクションが、第１のセクションと第２のセクションを直接連結して、スリンガの階段部を形成する。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、ハウジングが、スリンガの階段部と入れ子状に重なるハウジングの階段部を含む。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、スリンガが、回転軸上にある。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、スリンガが、それぞれ異なる流体を処理するように構成された第１の流体セクションと、第２の流体セクションと、の間に配置される。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第１のセクションが、第１の径方向高さを画定し、第２のセクションが、第１の径方向高さよりも低い第２の径方向高さを画定する。

本発明の一例によるターボポンプが、それぞれ異なる流体をポンプ輸送するように構成された第１および第２のポンプセクションと、第１および第２のポンプセクションの間のシールシステムと、を含む。シールシステムは、合わさって階段部を形成する、第１の軸方向側の面と、径方向側の面と、第２の軸方向側の面と、を備えた回転ディスクを有する。ハウジングが、回転ディスクに隣接する。ハウジングおよび回転ディスクは、それらの間に流体流路を画定する。回転ディスクの第１の軸方向側の面は、流体流路を部分的に横切ってハウジングの方へと延在する第１のパドルを含み、第２の軸方向側の面は、ハウジングの径方向内側にある。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第１の軸方向側の面が第１の径方向高さを画定し、第２の軸方向側の面が、第１の径方向高さよりも低い第２の径方向高さを画定する。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、径方向側の面が、第１の径方向高さと第２の径方向高さの中間の、軸方向長さを画定する。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、流体流路が、第１の軸方向側の面の径方向外側端部に隣接する上流端と、第２の軸方向側の面の径方向内側端部に隣接する下流端と、を有するとともに、下流端に配置されたシール要素をさらに含む。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第２の軸方向側の面が、第２のパドルを含む。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第２の軸方向側の面が、第１の軸方向側の面の径方向内側にある。

前述の実施例のいずれかにおける更なる実施例では、第１のポンプセクションは酸化剤ポンプであり、第２のポンプセクションは燃料ポンプである。

以下の詳細な説明から本発明の様々な特徴や利点が当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に記載する。

一例のターボポンプを示す図である。 ターボポンプのシールシステムを示す図である。 シールシステムの段付きスリンガのパドルを示す図である。

図１はターボポンプ２０を概略的に示す。ターボポンプ２０は液体推進薬ロケットモータに使用されるが、本明細書中の実施例は他種のポンプにも役立てられることを理解されたい。図示の例のターボポンプ２０は、概してそれぞれ異なる流体を輸送するように構成された第１のポンプ部２２と、第２のポンプ部２４と、を含む。例えば、ターボポンプ２０は、液体酸素および燃料推進薬をポンプ輸送するように液体推進薬ロケットエンジンに用いられる。この点に関し、第１のポンプ部２２は酸素ポンプとして液体酸素タンクに流体的に接続されるとともに、第２のポンプ部２４は燃料ポンプとして燃料タンクに流体的に接続される。ポンプ部２２／２４は概ね駆動軸２６に取り付けられる。各ポンプ部２２／２４は、それらのポンプ部を通して輸送される流体を加圧するポンプブレードおよびベーンを含む。

ターボポンプ２０は、図２にも示すように、ポンプ部２２／２４の間に位置決めされたシールシステム２８を含む。シールシステム２８は、ポンプ部２２および２４における流体の圧力差に起因したポンプ部の間の漏れを低減させる役割を果たす。本開示ではターボポンプ２０に示されるが、シールシステム２８はまた、これらに限定しないが、ポンプとタービンの間のシール、ポンプと電気モータの間のシール、ポンプと大気との間のシール、または内部のポンプコンポーネント間のシールなど、他種のポンプおよびポンプ構成にも役立てられる。

図２の拡大図に示すように、シールシステム２８は、ターボポンプ２０の作動中に、Ｂで表される蒸気バリアの形成を促進する、段付きスリンガ（stepped slinger）３０を含む。スリンガ３０は、ディスクに取り付けられたまたはディスクと一体化された複数のパドル５０を有する回転ディスクであり、それらのパドル５０は径方向に指向されるとともに周方向に配置される。ディスクは一般にパドル５０の回転を付与するように、シャフト２６などのシャフトに取り付けられる。回転時に、パドル５０は、回転軸Ａからの径方向距離に応じて増加する径方向圧力差を生じさせる。蒸気バリアＢは、シールシステム２８における流体回路３２を通る流体の漏出を制限しやすくする。

段付きスリンガ３０は第１のセクション３４と、第２のセクション３６と、を含む。第１及び第２のセクション３４／３６は双方とも、流体回路３２の実質的に径方向に配置される。第２のセクション３６は、第１のセクション３４の下流かつ径方向内側である。第１のセクション３４は径方向外側端部３４ａと、径方向内側端部３４ｂと、を含む。同様に、第２のセクション３６は径方向外側端部３６ａと、径方向内側端部３６ｂと、を含む。

段付きスリンガ３０は、第１のセクション３４の径方向内側端部３４ｂを第２のセクション３６の径方向外側端部３６ａに直接連結する実質的に軸方向セクション３８をさらに含む。本明細書中に用いられるように、用語「径方向」、「軸方向」またはそれらの変形は、ポンプ部２２／２４の回転軸Ａに対する向きを表す。「径方向」に指向されたセクションは軸Ａに対して垂直方向に延在しており、「軸方向」に指向されたセクションは軸Ａに対して平行な方向に延在する。本開示の当業者にとって明らかなように、直交する径方向および軸方向は互いに垂直であるが、許容される製造公差に応じて幾分変動しうる。用語「実質的に」は、製造公差内、すなわち、径方向または軸方向の少なくとも＋／−３°の範囲内の向きを表す。

第１のセクション３４、第２のセクション３６、および軸方向セクション３８は、合わさって軸２６上の回転ディスクを形成する。第１のセクション３４は第１の軸方向側の面（first axially-facing side）４０を有し、軸方向セクション３８は径方向側の面(radially-facing side)４２を有し、第２のセクション３６は第２の軸方向側の面（second axially-facing side）４４を有する。側面４０／４２／４４は段付きスリンガ３０の階段部を形成する。

ハウジング４６が回転ディスクに隣接して位置決めされる。ハウジング４６は対応する階段部４６ａを画定し、その階段部４６ａの各面が段付きスリンガ３０の各側面４０／４２／４４とぴったりと合うように、段付きスリンガ３０の階段部と入れ子状に重なる。ハウジング４６と段付きスリンガ３０との間の締りばめは、流体回路３２の流体流路４８を画定する。ハウジング４６は概ね下流に沿って、段付きスリンガ３０の第１のセクション３４に隣接し、かつ段付きスリンガの第２のセクション３６の径方向外側に位置決めされる。

第１の軸方向側の面４０は、流体流路４８を部分的に横切ってハウジング４６の方へと延在する第１のパドル５０を含む。パドル５０は、図３の分離されたディスクの軸方向の図にも示される。この例では、パドル５０は軸方向側の面４０を囲むように周方向に離間される。同様に、この例では、第２の軸方向側の面４４は流体流路４８へと延在する第２のパドル５２を含む。

ターボポンプ２０の作動中、流体Ｆなどの高圧流体が流体回路３２および流体流路４８へと流れる。この例では、流体Ｆはシールシステム２８に隣接する静圧軸受４９から流れる。本開示から明らかなように、流体Ｆの流体源は静圧軸受４９に限定されるものではなく、シールシステム２８の特定の実装設計に依存する。

段付きスリンガ３０は流体Ｆからの蒸気バリアＢの形成を容易にする。流体Ｆは、第１のセクション３４の径方向外側端部３４ａに位置する上流端で流体流路４８に流入する。スリンガ先端の液体はより高圧であるため、回転するスリンガ３０から間隙の向こう側に面する非回転のハウジング４６の下方に境界層が発達しうる。このハウジング４６に沿った高密度の液体の境界層はスリンガ３０を迂回して漏れの質量流を増加させる。第１のパドル５０の間を流れる流体Ｆの部分が蒸発して蒸気シールを形成する。軸２６とともに回転する第１のパドル５０が、流体Ｆを混合して径方向外側へとポンプ輸送する役割を果たし、それにより流体のエンタルピーを増大させ、流体の圧力を蒸気圧未満に低下させる。回転するパドル５０が流体Ｆに付与するエネルギーは非回転の境界層の少なくとも一部を蒸発させる役割を果たす。残りの境界層の流れは、流体流路４８を通して、ハウジング４６に沿って径方向内側に流れ、そしてセクション３８を横切って第２のセクション３６へと流れ続ける。第２のセクション３６では、第２のパドル５２が境界層を破壊し、残りの液体の少なくとも一部を蒸発させる。回転エネルギーおよび第１のパドル５０からの蒸発量に応じて、第１のパドル５０からの蒸発が許容水準である場合には、第２のセクション３６は第２のパドル５２を有していなくてもよい。

段付きスリンガ３０の寸法は、流体Ｆにエネルギーを与え蒸発させるのを促進する。例えば、第１のセクション３４（および第１の軸方向側の面４０）は径方向高さＨ１を有し、第２のセクション３６（および第２の軸方向側の面４４）は径方向高さＨ１よりも低い第２の径方向高さＨ２を有する。この例では、水平のセクション３８（および径方向側の面４２）はＨ１とＨ２の中間の軸方向長さＡ１を画定する。第１の径方向高さＨ１の寸法は、流体Ｆの大部分を蒸発させるのに十分である。第２のセクション３６の径方向高さＨ２は、第１のセクション３４によって蒸発しなかった残りの液体を蒸発させるように必ずしも大きい必要はない。生み出された高圧蒸気は、流体回路３２を通る凝縮液の漏出を制限する役割を果たす。この例では、第２のセクション３６の径方向内側端部３６ｂ付近の流体流路４８の下流端にシール要素５４が設けられて、シール要素５４の反対側の排出溝への流体Ｆおよび高圧蒸気の漏れを遮断する役割を果たす。段付きスリンガ３０は、非回転面の下方の境界層を破壊し、液体を強制的に回転する流体流にして、直線状の、非階段状のスリンガに比較して、より十分な流体Ｆの蒸発を促進する。

特徴部の組合せを図示の例に示したが、本開示の様々な実施例の利点を実現するようにそれらの全てを必ずしも組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の実施例によって設計された装置は、図面の一つに示された特徴部の全て、または図面に概略的に示された部分の全てを必ずしも含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴部を別の実施例の選択された特徴部と組み合わせてもよい。

上記の記載は本質的に限定的ではなく例示的なものである。開示の例に対する変更、修正が本開示から必ずしも逸脱することなく当業者にとって明らかとなるであろう。本開示に所与の法的保護の範囲は以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。

Claims (15)

1. 第１および第２のセクションを有するスリンガであって、前記第１のセクションが、流体回路内に実質的に径方向に配置され、前記第２のセクションが、前記第１のセクションの下流かつ径方向内側の前記流体回路内に実質的に径方向に配置された、スリンガと、
   前記スリンガの前記第１のセクションの下流に該第１のセクションに隣接して配置されるとともに、前記スリンガの前記第２のセクションの径方向外側に配置されたハウジングと、
   を備えたターボポンプ。
2. 前記第１のセクションが、第１のパドル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。
3. 前記第２のセクションが、第２のパドルを含むことを特徴とする請求項２に記載のターボポンプ。
4. 軸方向セクションが、前記第１のセクションと前記第２のセクションを直接連結して、前記スリンガの階段部を形成することを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ。
5. 前記ハウジングが、前記スリンガの階段部と入れ子状に重なるハウジングの階段部を含むことを特徴とする請求項４に記載のターボポンプ。
6. 前記スリンガが、回転軸上にあることを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ。
7. 前記スリンガが、それぞれ異なる流体を処理するように構成された第１の流体セクションと、第２の流体セクションと、の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ。
8. 前記第１のセクションが、第１の径方向高さを画定し、前記第２のセクションが、前記第１の径方向高さよりも低い第２の径方向高さを画定することを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ。
9. それぞれ異なる流体をポンプ輸送するように構成された第１および第２のポンプセクションと、
   前記第１および第２のポンプセクションの間のシールシステムと、
   を備えたターボポンプであって、前記シールシステムが、
   合わされて階段部を形成する、第１の軸方向側の面と、径方向側の面と、第２の軸方向側の面と、を有する回転ディスクと、
   前記回転ディスクに隣接するハウジングであって、該ハウジングと前記回転ディスクとの間に流体流路を画定するハウジングと、
   を含み、
   前記回転ディスクの前記第１の軸方向側の面が、前記流体流路を部分的に横切って前記ハウジングの方へと延在する第１のパドルを含み、前記第２の軸方向側の面が、前記ハウジングの径方向内側にある、ターボポンプ。
10. 前記第１の軸方向側の面が第１の径方向高さを画定し、前記第２の軸方向側の面が、前記第１の径方向高さよりも低い第２の径方向高さを画定することを特徴とする請求項９に記載のターボポンプ。
11. 前記径方向側の面が、前記第１の径方向高さと前記第２の径方向高さの中間の、軸方向長さを画定することを特徴とする請求項１０に記載のターボポンプ。
12. 前記流体流路が、前記第１の軸方向側の面の径方向外側端部に隣接する上流端と、前記第２の軸方向側の面の径方向内側端部に隣接する下流端と、を有するとともに、前記下流端に配置されたシール要素をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のターボポンプ。
13. 前記第２の軸方向側の面が、第２のパドルを含むことを特徴とする請求項９に記載のターボポンプ。
14. 前記第２の軸方向側の面が、前記第１の軸方向側の面の径方向内側にあることを特徴とする請求項９に記載のターボポンプ。
15. 前記第１のポンプセクションが酸化剤ポンプであり、前記第２のポンプセクションが燃料ポンプであることを特徴とする請求項９に記載のターボポンプ。

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