JP3370107B2 - Turbo pump assembly - Google Patents

Turbo pump assembly

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JP3370107B2
JP3370107B2 JP22298592A JP22298592A JP3370107B2 JP 3370107 B2 JP3370107 B2 JP 3370107B2 JP 22298592 A JP22298592 A JP 22298592A JP 22298592 A JP22298592 A JP 22298592A JP 3370107 B2 JP3370107 B2 JP 3370107B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高速ターボポンプ組立
体に関するものであって、更に詳細には、ポンプ乃至は
圧縮機セクションと、タービンセクションと、関連する
軸受け・シールコンポーネントを有する従来の構成を一
体的ターボポンプ組立体とした一体化タービン・ポンプ
構成に関するものである。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to high speed turbopump assemblies and more particularly to a conventional arrangement having a pump or compressor section, a turbine section and associated bearing and seal components. The present invention relates to an integrated turbine pump configuration in which the above is an integrated turbo pump assembly.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のターボ機械は、インデューサ、軸
流及び遠心型ポンプ乃至は圧縮機を提供しており、それ
らは動力源として軸方向又は半径方向流れタービンへ結
合されている。該ポンプは、所要の吐出圧力乃至はヘッ
ド及びポンプ動作される流体の密度に依存して単段又は
多段とすることが可能である。該タービンは単段又は多
段とすることが可能であり、且つ作業流体において得ら
れるエネルギレベルに依存してインパルス型又はリアク
ション型のものとすることが可能である。ポンプ及びタ
ービンは、トルク伝達のために継手により一体的に接続
された別個の装置とすることが可能であり、又は共通の
シャフト上に取付けることが可能である。典型的に、ロ
ータはポンプインデューサ及びインペラ、タービンディ
スク乃至はホイール、軸受けジャーナル及び動的シール
噛合いリング等から構成される多数の部品の組立体であ
り、それらの部品は全てスプライン乃至は継手を介して
共通のシャフト上に一体的に組立てられ、且つリテイナ
ナット及びボルトを使用して一体的に予備負荷をかけて
ロータ組立体を構成している。該ハウジングは、インレ
ット、段間デフューザ、渦巻部、タービンマニホール
ド、ノズル、軸受け、ラビリンスシール及びダイナミッ
クシール等を包含する多数の部品から構成されており、
それらの部品全ては適宜の静的シールで一体的にボルト
締めされてターボポンプハウジングを構成する。ロータ
コンポーネントはバランスの目的のために組立てられる
が、ターボポンプの組立を容易とするために分解されね
ばならず、ロータの再組立期間中に再配置不安定性を発
生する。
2. Description of the Prior Art Conventional turbomachines provide inducers, axial and centrifugal pumps or compressors, which are coupled as power sources to axial or radial flow turbines. The pump can be single-stage or multi-stage depending on the required discharge pressure or head and density of the pumped fluid. The turbine can be single or multi-stage and can be impulse or reaction depending on the energy level available in the working fluid. The pump and turbine can be separate devices connected together by a joint for torque transmission, or they can be mounted on a common shaft. Typically, a rotor is an assembly of many parts, including a pump inducer and impeller, turbine disks or wheels, bearing journals and dynamic seal mating rings, all of which are splines or joints. Is integrally assembled on a common shaft via a shaft and is integrally preloaded by using a retainer nut and a bolt to form a rotor assembly. The housing is composed of a number of components including an inlet, an interstage diffuser, a swirl portion, a turbine manifold, a nozzle, a bearing, a labyrinth seal and a dynamic seal,
All of these components are bolted together with appropriate static seals to form a turbo pump housing. Although the rotor components are assembled for balancing purposes, they must be disassembled to facilitate assembly of the turbopump, causing relocation instability during rotor reassembly.

【0003】上述したタイプの典型的な従来の液体水素
ターボポンプは、回転組立体を貫通するハウジングを有
しており、それは、第一ポンプインペラ及び最後のター
ビンロータの間の少なくとも4倍、ポンプインペラ又は
タービンロータの何れかのものよりも小さな直径へ貫通
している。これらの貫通に対する理由は、(a)使用さ
れるデフューザタイプ、(b)使用されるポンプ段間流
路、(c)従来の軸受け及びシールの低速限界等であ
る。その結果、少なくとも6個の主要な回転組立体部
品、及び6個の主要なハウジング部分が、ユニットを組
立て且つ分解することを可能とするために必要とされ
る。更に、この大きな貫通深さは、極めて柔軟性に富ん
だ回転組立体としており、従って幾つかの曲げ臨界速度
の範囲内で動作させることとなる。この多数の部品は、
臨界速度制限と結合されて、ユニットを組立て且つ維持
することを高価なものとしており、且つ広範なスロット
ル範囲で動作することを困難なものとしている。従来の
軸受け及びシールの回転速度限界は、ユニットを比較的
大型且つ高重量のものとしている。
A typical conventional liquid hydrogen turbopump of the type described above has a housing extending through the rotating assembly which pumps at least four times between the first pump impeller and the last turbine rotor. It penetrates to a smaller diameter than either the impeller or the turbine rotor. The reasons for these penetrations are (a) the diffuser type used, (b) the pump interstage flow path used, (c) the low speed limits of conventional bearings and seals, etc. As a result, at least 6 major rotating assembly parts and 6 major housing parts are required to allow the unit to be assembled and disassembled. In addition, this large penetration depth makes for a very flexible rotating assembly and therefore operates within some bending critical speeds. This large number of parts
Combined with the critical speed limits, it makes the unit expensive to assemble and maintain and makes it difficult to operate over a wide throttle range. The rotational speed limits of conventional bearings and seals make the unit relatively large and heavy.

【0004】例えば、1984年11月13日付の米国
特許第4,482,303号は、タービンセクションと
圧縮機セクションとを連続した形態で有するターボ圧縮
機装置を提供している。該装置内に軸方向に支持されて
いる静止した即ち非回転シャフトが、摩擦のない軸受け
を支持しており、該軸受けはタービンセクション内に配
設されたタービンホイールと圧縮機セクション内に配設
された圧縮機インペラとを有するロータ組立体を回転可
能に支持している。
For example, US Pat. No. 4,482,303, issued Nov. 13, 1984, provides a turbo compressor system having a turbine section and a compressor section in continuous form. A stationary or non-rotating shaft axially supported within the device supports frictionless bearings, the bearings disposed within the turbine section and within the compressor section. Rotatably supporting a rotor assembly having a compressor impeller.

【0005】1981年4月7日付の米国特許第4,2
60,339号は、ハウジング手段と、該ハウジング手
段内に収納されたロータ手段と、固定されたシャフト手
段と、該シャフト手段を該ハウジング手段へ固定的に取
付けるアンカ手段と、該シャフト手段に関して回転する
ために該ロータ手段を軸方向及び半径方向に位置決めす
る軸受け手段とを有するターボ圧縮機装置を開示してい
る。
US Pat. No. 4,2, dated Apr. 7, 1981
No. 60,339 refers to housing means, rotor means housed within the housing means, fixed shaft means, anchor means for fixedly attaching the shaft means to the housing means, and rotation with respect to the shaft means. To this end, there is disclosed a turbocompressor device having bearing means for axially and radially positioning the rotor means.

【0006】最後に、1991年3月10日付の米国特
許第4,255,095号は、ポンプ及びタービンがそ
れらの高圧側で一体的に結合されていることを特徴とす
るタービンポンプユニットを開示している。
Finally, US Pat. No. 4,255,095, issued Mar. 10, 1991, discloses a turbine pump unit characterized in that the pump and turbine are integrally connected on their high pressure side. is doing.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的とすると
ころは、単一の一体的回転要素と2つの主要なハウジン
グ要素と、ダクトとを有する典型的な簡単化したターボ
ポンプ装置を提供することである。本発明の別の目的と
するところは、非常に剛性の高い回転要素を有してお
り、その場合に曲げ臨界速度が動作速度範囲から取除か
れているターボポンプ装置を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a typical simplified turbopump system having a single integral rotating element, two main housing elements and a duct. That is. Another object of the present invention is to provide a turbopump device having a very stiff rotating element, in which the bending critical speed is removed from the operating speed range.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、第一ポ
ンプセクションと、第二ポンプセクションと、タービン
セクションとを有するターボポンプ組立体が提供され
る。部品数が最小であり且つ曲げ臨界速度を有すること
のない回転要素とすることの目的は、静止ハウジングに
よる回転要素の貫通数を最小とすることにより達成され
る。このことは、(a)回転要素の端部に遠心ポンプイ
ンレットを配置させ、(b)軸受け機能とシール機能と
を遠心ポンプインペラと同一の直径位置に配置させてそ
れらを単一コンポーネントへ結合させ、(c)遠心イン
ペラの直径より大きな直径においてポンプフローデフュ
ーザ及びフローコレクタを配置させ、(d)遠心ポンプ
インペラの直径に近ずくか又はそれを超える場合もある
直径でポンプ要素の間にタービンロータを配設し、且つ
(e)タービンインレット及び出口マニホールド及びポ
ンプインレット及び渦巻部を2つの部品からなるハウジ
ングへ一体化させることにより達成される。
According to the present invention, a turbo pump assembly is provided having a first pump section, a second pump section, and a turbine section. The objective of a rotating element with a minimum number of parts and no bending critical velocity is achieved by minimizing the number of penetrations of the rotating element by the stationary housing. This means that (a) the centrifugal pump inlet is located at the end of the rotating element, and (b) the bearing and sealing functions are located at the same diameter position as the centrifugal pump impeller to combine them into a single component. , (C) arranging the pump flow diffuser and flow collector at a diameter larger than the diameter of the centrifugal impeller, and (d) a turbine rotor between pump elements at a diameter that may approach or exceed the diameter of the centrifugal pump impeller. And (e) integrating the turbine inlet and outlet manifold and pump inlet and vortex into a two part housing.

【0009】[0009]

【実施例】以下、図面を参照して説明するが、同一の要
素には同一の参照番号を付してある。図1は、従来技術
に基づいて構成されたターボポンプ組立体を示してい
る。図1に示した如く、従来のターボポンプ組立体10
は、前方3段ポンプセクション12と後方2段タービン
セクション14とを有している。前方ポンプセクション
12は、流体インレット16と、インデューサ18と、
3つのインペラ段20とを有している。共通シャフト2
2は、組立体10の前方ポンプセクション12及び後方
タービンセクション14と関連している。後方タービン
セクション14は、更に、タービン流体インレット2
4、タービン流体アウトレット26、タービンブレード
28及びタービンディスク30が設けられている。ター
ボポンプ組立体10の動作方法は、流体インレット24
を介して作業流体を導入することにより後方タービンセ
クション14が機能し、それによりタービンブレード2
8を機能させそれによりシャフト22を回転することに
より特性付けられる。回転シャフト22は組立体10の
ポンプセクション12内のシャフト22上に位置された
インペラ20を機能させ、且つ流体インレット16を介
してポンプセクション12内への流体の流れを誘起させ
る。ポンプセクション12から、流体が矢印で示した如
く高圧状態でセクション12から流体が送給され、その
後所要の目的のために利用される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following description will be made with reference to the drawings, in which the same elements are designated by the same reference numerals. FIG. 1 shows a turbo pump assembly constructed according to the prior art. As shown in FIG. 1, a conventional turbo pump assembly 10
Has a front three-stage pump section 12 and a rear two-stage turbine section 14. The front pump section 12 includes a fluid inlet 16, an inducer 18, and
It has three impeller stages 20. Common shaft 2
2 is associated with the front pump section 12 and the rear turbine section 14 of the assembly 10. The aft turbine section 14 also includes a turbine fluid inlet 2
4, a turbine fluid outlet 26, a turbine blade 28 and a turbine disk 30 are provided. The method of operation of the turbo pump assembly 10 includes a fluid inlet 24
The aft turbine section 14 functions by introducing working fluid through the turbine blade 2
8 and is thereby characterized by rotating shaft 22. The rotating shaft 22 functions the impeller 20 located on the shaft 22 within the pump section 12 of the assembly 10 and induces fluid flow into the pump section 12 via the fluid inlet 16. From the pump section 12, the fluid is pumped from the section 12 at high pressure as indicated by the arrow and then utilized for the required purpose.

【0010】図4は、本発明に基づいて構成されたター
ボポンプ組立体40を示している。ターボポンプ組立体
40は、第一ポンプセクションハウジング42と、第二
ポンプセクションハウジング70とを有しており、その
各々は組立体40の設計条件に従って、アルミニウム、
チタン、又は高強度スチール合金、又はプラスチック物
質から構成することが可能である。ハウジング42及び
70に加えて、組立体40は、更に、図4及び6に示し
た如く大略円筒状の一定の直径の外部表面を有する回転
シャフト51が設けられている。
FIG. 4 illustrates a turbo pump assembly 40 constructed in accordance with the present invention. The turbo pump assembly 40 has a first pump section housing 42 and a second pump section housing 70, each of which is made of aluminum, according to the design requirements of the assembly 40.
It can be composed of titanium, or a high strength steel alloy, or a plastic material. In addition to the housings 42 and 70, the assembly 40 is further provided with a rotating shaft 51 having a generally cylindrical outer surface of constant diameter, as shown in FIGS.

【0011】回転シャフト51は、ハウジング42及び
70内に位置されており、且つ該ハウジングと共同し
て、第一ポンプセクションハウジング42内に第一ポン
プ43を画定し、且つ第二ポンプセクションハウジング
70内に第二ポンプ71を画定し、且つマニホールド9
4及び86と共に中心タービン70を画定している。換
言すると、図6のシャフトとハウジングとが組立てられ
ると、図4に示した如く、その複合構成体は、第一ポン
プセクション流体インレット44及び第二ポンプセクシ
ョンインレット72を夫々有する第一乃至は前方ポンプ
43及び後方ポンプ71を与え、且つインレットマニホ
ールド86及び出口マニホールド94を有する中央ター
ビン50を与える。
The rotating shaft 51 is located within the housings 42 and 70 and cooperates therewith to define a first pump 43 within the first pump section housing 42 and a second pump section housing 70. Defining a second pump 71 therein and manifold 9
A central turbine 70 is defined with 4 and 86. In other words, when the shaft and housing of FIG. 6 are assembled, the composite structure, as shown in FIG. 4, has a first or a front portion having a first pump section fluid inlet 44 and a second pump section inlet 72, respectively. A pump 43 and an aft pump 71 are provided and a central turbine 50 having an inlet manifold 86 and an outlet manifold 94 is provided.

【0012】再度図4を参照すると、第一乃至は前方ポ
ンプ43は、インレット44と、インデューサ46と、
インペラ48と、デフューザ54と、渦巻室(渦巻回収
部)56とを有している。第一ポンプセクションハウジ
ング42の内部表面(図6参照)とシャフト51の外部
表面66とにより画定される内部マニホールド94はタ
ービン吐出マニホールドを構成している。同様に、第二
ポンプ71は、インレット72と、インペラ76と、デ
フューザ78と、渦巻室80とを有している。第二ポン
プハウジング70の内部表面98とシャフト51の外部
表面100とにより画定される内部マニホールド86は
タービンインレットマニホールド86を構成している。
この構成により、第一乃至は前方ポンプ43と、第二
乃至は後方ポンプ71と、中央タービン50とが、一体
化されたタービン・二重ポンプターボポンプ形態を構成
している。
Referring again to FIG. 4, the first or front pump 43 includes an inlet 44, an inducer 46,
Impeller 48, diffuser 54, swirl chamber (swirl recovery
Part) 56. An internal manifold 94 defined by the internal surface of the first pump section housing 42 (see FIG. 6) and the external surface 66 of the shaft 51 constitutes the turbine discharge manifold. Similarly, the second pump 71 has an inlet 72, an impeller 76, a diffuser 78, and a swirl chamber 80. The inner manifold 86 defined by the inner surface 98 of the second pump housing 70 and the outer surface 100 of the shaft 51 constitutes the turbine inlet manifold 86.
With this configuration, the first to front pump 43, the second to rear pump 71, and the central turbine 50 form a turbine / double pump turbo pump configuration in which they are integrated.

【0013】ターボポンプ組立体40により作業流体を
処理するためには、第一ポンプセクションハウジング4
2が流体インレット44を有しており、それは回転シャ
フト51の前方インペラハブ52と関連するインデュー
サ46を通過した流体に対して方向付けを与える。前方
インペラハブ52もそれに取付けられてポンプインペラ
48を有している。第一ポンプセクションハウジング4
2内に位置してデフューザ54が設けられている。デフ
ューザ54は渦巻回収部56と連通しており、該渦巻回
収部56は流体通路58と関連しており、該通路は潤滑
用の流体を隣接する静圧軸受け・シール表面59へ供給
する。
To process the working fluid by the turbo pump assembly 40, the first pump section housing 4 is used.
2 has a fluid inlet 44, which directs the fluid passed through an inducer 46 associated with the front impeller hub 52 of the rotating shaft 51. The front impeller hub 52 also has a pump impeller 48 attached to it. First pump section housing 4
A diffuser 54 is provided within the position 2. The diffuser 54 is in communication with a swirl collector 56, which is associated with a fluid passage 58 which supplies lubricating fluid to an adjacent hydrostatic bearing and seal surface 59.

【0014】前方渦巻吐出部60は渦巻回収部56に近
接して形成されており、且つポンプ間クロスオーバダク
62を介して、流体が第一ポンプ43とハウジング4
2、ハウジング70及び回転シャフト51により画定さ
れる第二ポンプ71との間で送給されることを可能とし
ている。図4に示した如く、第二ポンプセクションハウ
ジング70の後方端における第二ポンプインレット72
は、シャフト51のインペラハブ74と、第二ポンプイ
ンペラ76と、第二ポンプデフューザ78と、第二ポン
プ渦巻回収部80とを有している。渦巻吐出部60から
の流体は、ポンプ間クロスオーバ62を介してインレッ
ト72及び第二ポンプ71内に流れ込む。
The forward swirl discharge section 60 is formed in the vicinity of the swirl recovery section 56, and has a crossover duct between pumps.
Via the door 62, the fluid is first pump 43 and the housing 4
2, and can be delivered to and from the second pump 71 defined by the housing 70 and the rotating shaft 51. As shown in FIG. 4, the second pump inlet 72 at the rear end of the second pump section housing 70.
Has an impeller hub 74 of the shaft 51, a second pump impeller 76, a second pump diffuser 78, and a second pump spiral recovery unit 80. The fluid from the spiral discharge part 60 flows into the inlet 72 and the second pump 71 via the inter-pump crossover 62.

【0015】以下に詳細に説明する如く、渦巻回収部8
0は第二ポンプ渦巻吐出部82と連通している(図2及
び3参照)。タービンインレット84は、作業流体をタ
ービンロータブレード92へ供給するために第二ポンプ
セクションハウジング70に取付けられた静止インレッ
トノズル羽根88及びインレットマニホールド86と連
通している。チャンバ90が、第二ポンプセクションハ
ウジング70及び回転シャフト51により画定されてい
る。図4に示した如く、チャンバ90内には、回転シャ
フト51に取付けられているシャフトロータブレード9
2に近接してノズル羽根88が位置されている。チャン
バ90は、更に、前方ポンプハウジング92のタービン
出口マニホールド94とインレットマニホールド86と
の間に導管を形成している。出口マニホールド94はマ
ニホールドアウトレット96(図3参照)と連通してお
り、該アウトレットはターボポンプ組立体40から流出
するタービン作業流体を例えばロケットエンジンスラス
ト室等の所望の位置に対して方向付けする。
As will be described in detail below, the spiral recovery section 8
0 communicates with the second pump spiral discharge part 82 (see FIGS. 2 and 3). The turbine inlet 84 is in communication with a stationary inlet nozzle vane 88 and an inlet manifold 86 mounted on the second pump section housing 70 for supplying working fluid to the turbine rotor blades 92. A chamber 90 is defined by the second pump section housing 70 and the rotating shaft 51. As shown in FIG. 4, in the chamber 90, the shaft rotor blade 9 attached to the rotating shaft 51 is attached.
The nozzle blade 88 is located close to the nozzle 2. The chamber 90 further forms a conduit between the turbine outlet manifold 94 of the front pump housing 92 and the inlet manifold 86. The outlet manifold 94 communicates with a manifold outlet 96 (see FIG. 3) that directs turbine working fluid exiting the turbopump assembly 40 to a desired location, such as a rocket engine thrust chamber.

【0016】動作について説明すると、例えば液体水素
等の流体が燃料システム貯蔵タンク(不図示)から第一
ポンプインレット44へ供給され、且つ気体状の高エネ
ルギへ流体がタービンインレット84へ供給される。ポ
ンプ流体がインレットダクト44を介して第一ポンプセ
クション43へ流入し、且つインデューサ46へ通過
し、該インデューサはポンプが低いインレット圧力で動
作することを可能とする。次いで、第一ポンプセクショ
ンエネルギ入力の殆どはインペラ48において発生す
る。該インペラから流出する流れにおける過剰な運動エ
ネルギがデフューザ54において静圧へ変換される。次
いで、その流れは渦巻回収部56において回収され、且
つ吐出ダクト60内へ方向付けされ、該ダクトはポンプ
セクション流れクロスオーバダクト62へ通じている。
クロスオーバダクトは、合流しており、流れをインレッ
ト72内へ方向付けする。第二ポンプセクションエネル
ギ入力の全てはインペラ76において発生する。そこか
らの流れ状態は、第一ポンプセクションインペラへの出
口におけるものと類似しており、即ちその流れはデフュ
ーザ78内において静圧へ変換され、第二ポンプセクシ
ョン渦巻回収部(渦巻部)80において回収され、且つ
吐出ダクト82(図2及び3に示してある)内へ方向付
けされる。そこから、流体は例えばロケット推進システ
ム等の所定のシステムへ向けて方向付けがされる。 こ
のポンプ流れの一部又は全ては、燃焼及び/又は熱伝達
により過熱された後に、帰還されてタービンを駆動す
る。それは、タービンインレットダクト84(図4参
照)を介して中程度に高温のガスとしてタービンに入
り、且つタービンインレットマニホールド86内に流動
する。タービンノズルブレード88はその流れをタービ
ンロータブレード92を介して効率的に通過するために
その流れを整合させ、該タービンロータブレードはノズ
ル出口流れにおける運動エネルギを2つのポンプセクシ
ョンを駆動するトルクへ変換する。該ロータブレードか
ら流出した後に、その流れはタービン出口マニホールド
94内において回収され、且つタービン吐出ダクト96
(図2及び3参照)へ送給される。そこから、その流れ
は、エンジンサイクルに依存して、メインの燃焼室か、
又はタービン吐出姿勢制御ロケットの何れかへ送給され
る。
In operation, a fluid such as liquid hydrogen is supplied from a fuel system storage tank (not shown) to the first pump inlet 44 and gaseous high energy fluid is supplied to the turbine inlet 84. Pump fluid enters the first pump section 43 via the inlet duct 44 and passes to the inducer 46, which allows the pump to operate at low inlet pressure. Most of the first pump section energy input then occurs at impeller 48. Excess kinetic energy in the flow exiting the impeller is converted to static pressure in diffuser 54. The flow is then recovered in the swirl recovery 56 and directed into the discharge duct 60, which leads to a pump section flow crossover duct 62.
The crossover ducts meet and direct the flow into the inlet 72. All of the second pump section energy input occurs at impeller 76. The flow conditions therefrom are similar to those at the outlet to the first pump section impeller, ie the flow is converted to static pressure in the diffuser 78 and the second pump sex
Vortex collection section (swirl section) 80 and is directed into a discharge duct 82 (shown in FIGS. 2 and 3). From there, the fluid is directed towards a predetermined system, such as a rocket propulsion system. Some or all of this pump flow is superheated by combustion and / or heat transfer before returning to drive the turbine. It enters the turbine as a moderately hot gas via the turbine inlet duct 84 (see FIG. 4) and flows into the turbine inlet manifold 86. Turbine nozzle blades 88 align the flow to efficiently pass it through turbine rotor blades 92, which converts the kinetic energy at the nozzle outlet flow into torque that drives the two pump sections. To do. After exiting the rotor blades, the flow is recovered in turbine outlet manifold 94 and turbine discharge duct 96.
(See FIGS. 2 and 3). From there, the flow depends on the engine cycle, the main combustion chamber,
Or delivered to either a turbine discharge attitude control rocket.

【0017】該回転要素は、両方のインペラ出口の両側
に位置された合体静圧軸受け・シールにより半径方向に
おいて支持されている。
The rotating element is supported in the radial direction by united hydrostatic bearing and seals located on opposite sides of both impeller outlets.

【0018】従来のターボポンプにおいては、ロータの
回転中心は、ラジアル軸受けにより確立されており、且
つインペラシュラウドと段間シールの同心性が該軸受け
に関して維持されねばならなかった。軸受けの機能とシ
ールとをインペラ吐出部の両側に位置した静圧軸受けに
結合させることにより、軸受けとシールとの間の同心制
御は取除かれており、且つ通常の差圧リークを利用して
静圧軸受け剛性及びダンピングを与えている。
In conventional turbopumps, the center of rotation of the rotor was established by radial bearings, and the concentricity of the impeller shroud and interstage seal had to be maintained with respect to the bearings. By coupling the function of the bearing and the seal to the hydrostatic bearings located on both sides of the impeller discharge part, the concentric control between the bearing and the seal is eliminated and the normal differential pressure leak is utilized. Provides static pressure bearing rigidity and damping.

【0019】第一ポンプセクション43の場合、これら
の結合乃至は合体軸受けのうちの第一のものがインデュ
ーサ・インペラシュラウド49とハウジング42との間
の半径方向同心的空間内に位置されており、且つこれら
の合体軸受けのうちの第二のものがインペラ48の反対
側に位置されており、且つ渦巻回収部56から二次軸受
け供給部58へ通過する流れにより供給される。同様の
合体軸受けが第二ポンプセクション71における半径方
向負荷を支持している。軸方向のスラスト負荷は、第二
ポンプセクション渦巻部80からインデューサ46外側
のラジアル(半径方向)面へ通過するバランスピストン
流れダクトを介して該ラジアル面へ供給されるバランス
ピストンの流れにより圧力がバランスされる。
In the case of the first pump section 43, the first of these couplings or coalescing bearings is located in the radial concentric space between the inducer impeller shroud 49 and the housing 42. The second of these combined bearings is located on the opposite side of the impeller 48 and is supplied by the flow passing from the spiral recovery section 56 to the secondary bearing supply section 58. Similar coalescing bearings support the radial load on the second pump section 71. The axial thrust load is pressured by the flow of the balance piston that is supplied to the radial surface of the second pump section swirl 80 through the balance piston flow duct that passes to the radial surface outside the inducer 46. Balanced.

【0020】この構成のターボポンプコンポーネントの
場合には、ハウジングが3つの部分から構成されている
ことが明らかであり、即ち第一ポンプセクションハウジ
ング42と、第二ポンプセクションハウジング70と、
ポンプセクションクロスオーバダクト62の3つの部品
である。インペラ48及び76の先端部における直径よ
り小さな直径へハウジングが回転要素51内に貫通乃至
は侵入することがないことは、この構成を著しく簡単化
させることを可能としている。それは、更に、回転組立
体を1つの部分からのみ構成することを可能としてい
る。更に、それは、その回転組立体の直径を最大とする
ことを可能としており、その際にターボポンプ動作範囲
から曲げに関する臨界速度を取除いている。
In the case of a turbopump component of this construction it is clear that the housing is made up of three parts, namely the first pump section housing 42, the second pump section housing 70 and
There are three parts of the pump section crossover duct 62. The fact that the housing does not penetrate into the rotary element 51 to a diameter smaller than the diameter at the tips of the impellers 48 and 76 makes it possible to greatly simplify this arrangement. It also allows the rotating assembly to be constructed from only one part. Moreover, it allows the diameter of the rotating assembly to be maximized, thereby removing the critical velocity for bending from the turbopump operating range.

【0021】本発明原理を適用した別のターボポンプ構
成を図7,8及び9に示してある。これらの構成は図4
に示した構成と異なる点は、これらの変形例において
は、単に一つのポンプセクション(即ち段)を有するも
のであり、従ってタービンが中間ではなくシャフトの他
端部に位置されていることである。図7及び8に示した
構成は、ラジアル流入タービンを有しており、且つ図9
の構成はアキシャルフロー即ち軸方向流れのタービンを
有している。しかしながら、両方の構成とも合体型静圧
軸受け・シールを使用しており、且つポンプインペラの
直径より小さな直径へのハウジングの貫通乃至は侵入が
存在しないという原理を使用しており、従って、図4の
構成において得られるものと同程度の簡単化及び臨界速
度に対する耐久性を得ることが可能である。
Alternative turbopump configurations applying the principles of the present invention are shown in FIGS. 7, 8 and 9. These configurations are shown in FIG.
The difference from the configuration shown in FIG. 2 is that these variants have only one pump section (ie stage) and therefore the turbine is located at the other end of the shaft rather than in the middle. . The configuration shown in FIGS. 7 and 8 has a radial inflow turbine, and FIG.
The arrangement has an axial flow turbine. However, both configurations use a merged hydrostatic bearing and seal, and the principle that there is no penetration or penetration of the housing into a diameter smaller than the diameter of the pump impeller, and thus FIG. It is possible to obtain the same degree of simplification and durability against critical speed as that obtained in the configuration of FIG.

【0022】同様に、図4に示したターボポンプ組立体
における如く、図7乃至9に示したターボポンプ組立体
は、ターボポンプインペラ先端部と等しいか又はそれよ
り大きな夫々のデフューザ、コレクタ(回収部)及びノ
ズルの内径を与えている。更に、図4の実施例における
如く、図7乃至9の組立体は、各組立体のデフューザ、
コレクタ及びタービンステータに対しインペラ先端部と
等しいか又はそれより大きな最小直径を与えている。
Similarly, as in the turbopump assembly shown in FIG. 4, the turbopump assembly shown in FIGS. 7-9 has a respective diffuser, collector (recovery) equal to or greater than the turbopump impeller tip. Part) and the inner diameter of the nozzle. Further, as in the embodiment of FIG. 4, the assembly of FIGS. 7-9 includes a diffuser for each assembly,
It provides a minimum diameter to the collector and turbine stator that is equal to or greater than the impeller tip.

【0023】このように、ターボポンプ組立体(図1乃
至9)は、ターボポンプ組立体の組立体シャフト内への
前述したコンポーネントによる貫通乃至は侵入を選択的
に取除くハウジング構成を与えている。
Thus, the turbopump assembly (FIGS. 1-9) provides a housing configuration that selectively removes penetration by the aforementioned components into the assembly shaft of the turbopump assembly. .

【0024】図7及び8を参照すると、上述したタイプ
の流体の流れがインレット100を介してポンプ内に入
り、且つ低いインレット圧力でポンプが動作することを
可能とするインデューサ102を介して通過する。次い
で、その流れへ入力されるポンプエネルギの大部分がイ
ンペラ104において発生する。次いで、その流れはラ
ジアルデフューザ106内に通過し、そこで余分の運動
エネルギが静圧へ変換される。そこから、その流れは渦
巻回収部108内に通過し、該渦巻回収部即ちコレクタ
108はその流れをポンプ出口ダクト110へ向けて方
向付けを行なう。
Referring to FIGS. 7 and 8, a fluid flow of the type described above enters the pump through the inlet 100 and passes through an inducer 102 that allows the pump to operate at low inlet pressure. To do. Most of the pump energy input to that flow then occurs in impeller 104. The flow then passes into radial diffuser 106, where excess kinetic energy is converted to static pressure. From there, the flow passes into the swirl collector 108, which directs the flow toward the pump outlet duct 110.

【0025】このポンプを駆動するためには、タービン
駆動ガスがタービンインレットダクト112を介してタ
ービン内に入り、且つタービンインレットマニホールド
114内に通過する。それは、インレットノズル116
により適宜の角度でラジアル流入タービンロータ118
に向けて方向付けがなされる(図8参照)。その流れが
半径方向内側に通過すると、ロータ118がその駆動ガ
スの運動エネルギを機械的エネルギへ変換してシャフト
122の他端部におけるポンプを駆動する。使用された
駆動ガスは、次いで、ダクト120を介して軸方向にタ
ービンから流出される。
To drive this pump, turbine drive gas enters the turbine via turbine inlet duct 112 and passes into turbine inlet manifold 114. It is the inlet nozzle 116
Radial inflow turbine rotor 118 at an appropriate angle
(See FIG. 8). As the flow passes radially inward, rotor 118 converts the kinetic energy of the drive gas into mechanical energy to drive a pump at the other end of shaft 122. The used drive gas then exits the turbine axially via duct 120.

【0026】一端部にポンプインペラを有しており且つ
他端部にタービンロータを有するシャフト122は、合
体静圧軸受け・シール128,130,132により支
持されており、それらの軸受け・シールはポンプインペ
ラ先端部及びタービンロータ先端部の直径と同一の直径
に位置されている。この構成により、図7及び8におけ
る構成は単に3つの部分、即ちシャフト/ロータ/イン
ペラ122及びハウジング部分124及び126を必要
とするに過ぎない。従って、それは、図4に示した構成
の場合と同様の簡単化及び剛性を有している。
A shaft 122 having a pump impeller at one end and a turbine rotor at the other end is supported by combined hydrostatic bearings / seals 128, 130, 132, which bearings / seals are pumps. It is located at the same diameter as the diameter of the impeller tip and the turbine rotor tip. With this configuration, the configurations in FIGS. 7 and 8 require only three parts: the shaft / rotor / impeller 122 and the housing parts 124 and 126. Therefore, it has the same simplification and rigidity as in the configuration shown in FIG.

【0027】更に、図7に示した如く、環状ギャップ1
25がより高い温度のタービンをより低い温度のポンプ
から動作期間中熱的に分離すべく機能する。
Further, as shown in FIG. 7, the annular gap 1
25 serves to thermally isolate the higher temperature turbine from the lower temperature pump during operation.

【0028】図9に示した構成においては、そのポンプ
機能は前述したものと同一である。流れがインレット2
00を介してポンプ内に入り且つポンプが低いインレッ
ト圧力で動作することを可能とするインデューサ202
を介して通過する。次いで、その流れに入力されるエネ
ルギの殆どはインペラ204において発生する。次い
で、その流れはラジアルデフューザ206内へ流れ、そ
こで余分の運動エネルギは静圧へ変換される。そこか
ら、その流れは渦巻回収部208内に流入し、そこでポ
ンプ出口ダクト(不図示)へ向けて方向付けされる。
In the configuration shown in FIG. 9, the pump function is the same as that described above. Flow is the inlet 2
Inducer 202 that enters the pump via 00 and allows the pump to operate at low inlet pressure
Pass through. Most of the energy input into the flow then occurs in impeller 204. The flow then flows into radial diffuser 206, where excess kinetic energy is converted to static pressure. From there, the flow enters the swirl collector 208 where it is directed towards a pump outlet duct (not shown).

【0029】このポンプを駆動するために、タービン駆
動ガスがタービンインレットダクト(不図示)を介して
タービン内に入り且つタービンインレットマニホールド
210内に流入し、該マニホールドはその流れを整合さ
せ且つ軸方向タービンロータブレード212内へ方向付
けさせる。これらのタービンロータブレードはガスエネ
ルギを膨張させ且つシャフト218を介してポンプを駆
動するための機械的エネルギへ変換させる。該ロータブ
レードから流出すると、そのガスは拡散され且つ静止ス
テータ羽根214により軸方向に回転される。次いで、
その使用されたガスは出口ダクト216を介してタービ
ンから流出する。
To drive this pump, turbine drive gas enters the turbine through a turbine inlet duct (not shown) and into a turbine inlet manifold 210, which matches its flow and axially. Directed into turbine rotor blades 212. These turbine rotor blades expand gas energy and convert it via shaft 218 into mechanical energy for driving the pump. Upon exiting the rotor blades, the gas is diffused and axially rotated by stationary stator vanes 214. Then
The used gas exits the turbine via outlet duct 216.

【0030】一端部にポンプインペラを有し他端部にタ
ービンロータを有するシャフト218は、ポンプインペ
ラ先端部と同一の直径位置に位置されている合体静圧軸
受け・シール224,226,228により支持されて
いる。この構成により、図9の構成は、3つの部分、即
ちシャフト/ロータ/インペラ218及びハウジングセ
クション220及び222から構成されている。
A shaft 218 having a pump impeller at one end and a turbine rotor at the other end is supported by united hydrostatic bearings / seals 224, 226, 228 located at the same diameter as the tip of the pump impeller. Has been done. With this configuration, the configuration of FIG. 9 is made up of three parts: shaft / rotor / impeller 218 and housing sections 220 and 222.

【0031】軸受け機能とシール機能とを単一のユニッ
トに結合乃至は合体させ且つそれらをポンプインペラ先
端部の直径と同一の直径位置に配置させることにより、
ポンプインレットをシャフトの端部に配置させることに
より、且つポンプデフューザ/コレクタ(回収部)及び
タービンマニホールドノズルの直径をポンプインペラ先
端部の直径と等しいか又はそれ以上のものとすることに
より、以下の如き効果が得られる。
By combining or combining the bearing and sealing functions into a single unit and locating them at the same diameter position as the diameter of the pump impeller tip,
By locating the pump inlet at the end of the shaft and by making the diameter of the pump diffuser / collector (recovery) and turbine manifold nozzle equal to or greater than the diameter of the pump impeller tip, Such an effect can be obtained.

【0032】(a)デフューザと、コレクタ(回収部)
と、マニホールドと、ノズルとを収容するハウジング
を、ボルトを外した場合に回転組立体の両端部から脱装
させることの可能な2つの部分のみから構成することが
可能である。
(A) Diffuser and collector (collecting section)
It is possible to configure the housing containing the manifold, the nozzle and the nozzle with only two parts that can be removed from both ends of the rotary assembly when the bolts are removed.

【0033】(b)シャフトと、ポンプインペラと、タ
ービンロータとを収容する回転組立体を単に1つの部分
から構成することが可能である。
(B) It is possible to construct the rotary assembly containing the shaft, the pump impeller and the turbine rotor from only one part.

【0034】(c)上述した特徴は、2つのポンプセク
ション(図4における如く)が存在する場合には単に4
つの部分から構成されるターボポンプ組立体とし、且つ
1つのポンプセクション(図7及び9における如く)が
存在する場合には3つの部分のみからなるターボポンプ
組立体とすることが可能である。
(C) The above feature is simply 4 if there are two pump sections (as in FIG. 4).
It is possible to have a turbo pump assembly consisting of three parts and, if there is one pump section (as in FIGS. 7 and 9), a turbo pump assembly consisting of only three parts.

【0035】(d)回転組立体の最小直径が最大とさ
れ、その際に曲げ臨界速度で動作する可能性を最小と
し、そのことは動作安定性、範囲及び信頼性を著しく向
上させている。
(D) The minimum diameter of the rotating assembly is maximized, which minimizes the possibility of operating at bending critical speeds, which significantly improves operational stability, range and reliability.

【0036】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
Although specific embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention should not be limited to these specific examples, and various modifications can be made without departing from the technical scope of the present invention. It goes without saying that the above can be modified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 従来公知のターボポンプ組立体を示した一部
を切欠いた概略斜視図。
FIG. 1 is a partially cutaway schematic perspective view showing a conventionally known turbo pump assembly.

【図2】 本発明のターボポンプ組立体を示した概略
図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a turbo pump assembly of the present invention.

【図3】 図2の3−3に沿ってとった概略側面図。3 is a schematic side view taken along line 3-3 of FIG.

【図4】 図2の4−4線に沿ってとった概略断面図。4 is a schematic cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG.

【図5】 図4の5−5線に沿ってとった本ターボポン
プ組立体の一実施例の概略断面図。
5 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of the present turbo pump assembly taken along line 5-5 of FIG.

【図6】 図4のターボポンプ組立体の概略分解図。6 is a schematic exploded view of the turbo pump assembly of FIG.

【図7】 本発明に基づいて単段遠心ポンプ及びラジア
ル流入タービンを有するターボポンプ組立体を示した概
略断面図。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a turbo pump assembly having a single stage centrifugal pump and a radial inflow turbine according to the present invention.

【図8】 図7の8−8線に沿ってとった概略図。FIG. 8 is a schematic view taken along line 8-8 of FIG. 7.

【図9】 本発明に基づいて単段遠心ポンプと軸流ター
ビンとを有するターボポンプ組立体を示した概略断面
図。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a turbo pump assembly having a single stage centrifugal pump and an axial flow turbine according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

42 第一ポンプセクションハウジング 43 第一(前方)ポンプ 44 インレット 46 インデューサ 48 インペラ(羽車) 51 シャフト 54 デフューザ 56 渦巻室 64 内部表面 66 外部表面 70 第二ポンプハウジング 71 第二ポンプ 72 インレット 76 インペラ 78 デフューザ 80 渦巻室 86 内部マニホールド 94 内部マニホールド 98 内部表面 100 外部表面 42 First Pump Section Housing 43 First (forward) pump 44 inlet 46 Inducer 48 Impeller (impeller) 51 shaft 54 Diffuser 56 Whirlpool 64 Internal surface 66 External surface 70 Second pump housing 71 Second pump 72 Inlet 76 Impeller 78 Diffuser 80 Whirlpool 86 internal manifold 94 Internal manifold 98 Internal surface 100 external surface

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メイナード レオ スタンジランド アメリカ合衆国, カリフォルニア 91362, サウザンド オークス, バ レー ハイ 864 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04D 29/22 F02D 13/04 F02K 9/48 F04D 29/62 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Maynard Leo Strangeland USA, California 91362, Thousand Oaks, Valley High 864 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) F04D 29/22 F02D 13 / 04 F02K 9/48 F04D 29/62

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ターボポンプ組立体において、前方ポン
プセクションハウジング及び後方ポンプセクションハウ
ジングを画定する複数個のハウジングが設けられてお
り、前記複数個のハウジング内に位置されており且つ前
記複数個のハウジングと共同して前記前方ポンプセクシ
ョンハウジング内に第一ポンプセクションを画定すると
共に前記後方ポンプセクションハウジング内に第二ポン
プセクションを画定する共通の回転可能なシャフトが設
けられており、前記第一ポンプセクションは、前記前方
ポンプセクションハウジングの内部表面と前記シャフト
の外部表面とにより画定される内部マニホールドを有し
ており、且つ前記第二ポンプセクションは、前記後方ポ
ンプセクションハウジングの内部表面と前記シャフトの
外部表面とにより画定される内部マニホールドを有して
おり、その際に前記第一ポンプセクション、第二ポンプ
セクション及び内部マニホールドとが一体化タービン・
二重ポンプ形態を構成していることを特徴とするターボ
ポンプ組立体。
1. A turbopump assembly, wherein a plurality of housings defining a front pump section housing and a rear pump section housing are provided, positioned within said plurality of housings, and said plurality of housings. And a common rotatable shaft defining a first pump section in the front pump section housing and a second pump section in the rear pump section housing. Has an inner manifold defined by an inner surface of the front pump section housing and an outer surface of the shaft, and the second pump section has an inner surface of the rear pump section housing and an outer surface of the shaft. Defined by the surface An internal manifold, in which the first pump section, the second pump section and the internal manifold are integrated into a turbine.
Turbopump assembly characterized by Tei Rukoto constitute a double pump form.
【請求項2】 請求項1において、前記第一ポンプセク
ションが、流体インレットと、インデューサと、デフュ
ーザと、渦巻回収部と、結合静圧軸受け・シールと、渦
巻吐出部と、ロータブレードと、出口マニホールドとを
有することを特徴とするターボポンプ組立体。
2. A method according to claim 1, wherein the first Ponpuseku <br/> sucrose emissions is, the flow body inlet inducer and a diffuser, and a spiral collection portion, and a coupling hydrostatic bearing seals, spiral discharge portion And a rotor blade and an outlet manifold.
【請求項3】 請求項1において、前記第二ポンプセク
ションが、流体インレットと、デフューザと、渦巻回収
部と、結合静圧軸受け・シールと、渦巻吐出部と、イン
レットマニホールドと、固定インレット羽根とを有する
ことを特徴とするターボポンプ組立体。
3. The method of claim 1, wherein the second Ponpuseku <br/> sucrose emissions is, the flow body inlet, a diffuser, a spiral collection portion, and a coupling hydrostatic bearing seal, a spiral discharge portion, the inlet manifold And a fixed inlet blade, a turbo pump assembly.
【請求項4】 請求項1において、前記前方ポンプセク
ションハウジング及び前記後方ポンプセクションハウジ
ングが、更に、前記第二ポンプセクションのインレット
マニホールドと連通すると共に前記第一ポンプセクショ
ンのアウトレットマニホールドと連通するチャンバを画
定していることを特徴とするターボポンプ組立体。
4. The chamber of claim 1, wherein the front pump section housing and the rear pump section housing further communicate with an inlet manifold of the second pump section and an outlet manifold of the first pump section. A turbo pump assembly, characterized in that it defines.
【請求項5】 請求項2において、更に、前記第一ポン
プセクション渦巻吐出部と前記第二ポンプセクション
の流体インレットとの間に流体連結を与える手段が設け
られていることを特徴とするターボポンプ組立体。
5. The swirl discharge section of the first pump section and the second pump section according to claim 2.
Means for providing a fluid connection to and from the fluid inlet of the turbo pump assembly.
【請求項6】 請求項1において、前記第一ポンプセク
ションが、更に、インペラハブと、インペラとを有する
ことを特徴とするターボポンプ組立体。
6. The turbo pump assembly according to claim 1, wherein the first pump section further comprises an impeller hub and an impeller.
【請求項7】 請求項1において、前記第二ポンプセク
ションが、更に、インペラハブと、インペラとを有する
ことを特徴とするターボポンプ組立体。
7. The turbopump assembly according to claim 1, wherein the second pump section further comprises an impeller hub and an impeller.
【請求項8】 請求項5において、前記流体連結を与え
る手段がポンプ間クロスオーバダクトを有することを特
徴とするターボポンプ組立体。
8. The method of Claim 5, turbo pump assembly, wherein the means for providing a pre-Symbol Fluid coupling has a cross-over duct between the pump.
【請求項9】 ターボポンプ組立体において、前方ポン
プセクションと後方タービンセクションとを画定する複
数個のハウジングが設けられており、前記複数個のハウ
ジング内に位置されており且つそれらと連結して更にポ
ンプとタービンとを画定する回転可能なシャフトが設け
られており、インペラが設けられており、前記インペラ
と同じか又はそれ以上の外径を有する結合軸受け・シー
ルが設けられており、内径が前記インペラと等しいか又
はそれより大きいデフューザと、コレクタと、タービン
マニホールドノズルとが設けられていることを特徴とす
るターボポンプ組立体。
9. A turbo pump assembly, wherein a plurality of housings defining a front pump section and a rear turbine section are provided, positioned within and coupled to the plurality of housings. A rotatable shaft defining a pump and a turbine is provided, an impeller is provided, a coupling bearing / seal having an outer diameter equal to or greater than the impeller is provided, and an inner diameter is Diffuser equal to or greater than impeller, collector and turbine
Turbopump assembly and the manifold nozzle, characterized in Tei Rukoto provided.
【請求項10】 請求項9において、前記前方ポンプセ
クションが結合静圧軸受け・シールを有することを特徴
とするターボポンプ組立体。
10. The turbopump assembly according to claim 9, wherein the front pump section has a combined hydrostatic bearing and seal.
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