JP4807542B2

JP4807542B2 - 低損失遠心ポンプ

Info

Publication number: JP4807542B2
Application number: JP2001207312A
Authority: JP
Inventors: 精鋭増田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: JP2003021096A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円板摩擦による損失が少なく、低流量で使用しても流体の温度上昇が少ない低損失遠心ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、ジェットエンジンの燃焼器に燃料を噴射するための従来の燃料流量制御装置の構成図である。この図において、１は燃料ポンプ、２は計量バルブ、３はドレインバルブ、４はノズルであり、燃料ポンプ１で加圧した液体燃料（ジェット燃料）を、計量バルブ２で計量（流量調節）し、ドレインバルブ３を開き、ノズル４から燃焼器（図示せず）に噴射するようになっている。
【０００３】
また、余分な燃料を燃料ポンプ１の上流側に戻すためのバイパスバルブ５と、このバイパスバルブ５を制御して、計量バルブ２の上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の差圧ΔＰを一定に制御する差圧センサーバルブ６とを備えている。
【０００４】
計量バルブ２は、計量スプール２ａとノズルフラッパ２ｂを有し、ノズルフラッパ２ｂを電気的又は機械的に移動（図で左右に）させることにより、計量スプール２ａの左端に作用する流体圧が変化し、計量スプール２ａを左右に移動させて通過流量を制御する。例えば、この図でノズルフラッパ２ｂを右に移動させると、計量スプール２ａの左端圧力が上昇し、計量スプール２ａが右に移動して流量を絞り、逆にノズルフラッパ２ｂを左に移動させると、計量スプール２ａの左端圧力が低下し、計量スプール２ａが左に移動して流量が増加する。
【０００５】
計量バルブ２は、上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の差圧ΔＰを一定に保持することにより、ノズルフラッパ２ｂの変位に通過流量が比例する。そのため、差圧センサーバルブ６のスプール６ａをバネ６で図で左側に付勢し、スプール６ａの左端に上流側圧力Ｐ₁、右端に下流側圧力Ｐ₂をそれぞれパイロットライン７ａ，７ｂで導いている。
【０００６】
差圧ΔＰが所定の値より小さくなると、この図でスプール６ａが左に移動し、パイロットライン８ａから８ｂに高圧（上流側圧力Ｐ₁）の燃料が流れ、バイパスバルブ５のスプール５ａを右に移動してバイパスライン９ｂを閉じ、上流側圧力Ｐ₁を高め計量バルブ２の通過流量を増加させる。
【０００７】
逆に、差圧ΔＰが所定の値より大きくなると、この図でスプール６ａが右に移動し、バイパスバルブ５のバネ５ｂ側の圧力をパイロットライン８ｂ，８ｃを介して燃料ポンプ１の上流側（低圧部）に抜き、バイパスバルブ５のスプール５ａを左に移動してバイパスライン９ｂを開き、上流側圧力Ｐ₁を下げ計量バルブ２の通過流量を減少させる。
【０００８】
上述した構成により、差圧センサーバルブ６により上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の差圧ΔＰを常に一定に保持し、ノズルフラッパ２ｂの変位に比例した燃料流量をノズル４から噴射することができるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した航空用エンジンの燃料流量制御装置では、大流量を使用するときに燃料ポンプとして図２に例示するような、低比速度の遠心ポンプ１０を使用している。この図において、１１はインペラ、１２はシュラウド、１３はケーシング、１４は軸受、１５はシール（ラビリンスシール）、１６は加圧前の低圧流体、１７は加圧後の高圧流体である。
【００１０】
低比速度の遠心ポンプとは、高回転で大流量を吐出できるポンプであり、軽量に設計できるため航空用の場合、その点でメリットが大きい。
【００１１】
しかし、低比速度の遠心ポンプの場合、小型化のため回転数を高くしているため、円板摩擦が大きく効率が悪い問題点がある。またそのため、低流量で使用すると流体の温度が過剰に上昇する問題がある。すなわち、Ａ．Ｊ．Ｓｔｅｐａｎｏｆｆらの研究によれば、比速度１００程度の場合、最も大きい損失は円板摩擦であり、２０％以上の損失となる。
【００１２】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、円板摩擦による損失を低減することができ、これにより、低流量で使用しても流体の温度上昇を抑制することができる低損失遠心ポンプを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体燃料を加圧する低比速度の遠心ポンプであって、高速回転可能なインペラ（１１）のシュラウド（１２）とインペラを囲むケーシング（１３）との間に、インペラと同一方向に自由回転可能なフローティング部材（２０）を備え、
前記フローティング部材（２０）は、シュラウド（１２）とケーシング（１３）との間でこれらと接触せず、流体の摩擦だけにより駆動されるフローティングディスク（２１、２２）を有する、ことを特徴とする低損失遠心ポンプが提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記フローティング部材（２０）は、前記フローティングディスクの半径方向外端とケーシング（１３）との隙間を液密にシールする外側シール部材（２１ａ，２２ａ）と、前記フローティングディスクの軸方向外端とケーシング（１３）との隙間を液密にシールする内側シール部材（２１ｂ，２２ｂ）とを有する。
【００１５】
円板摩擦は、ケーシングとシュラウドの相対速度の二乗に比例するため、相対速度を半分にするディスクをケーシングとシュラウドの間に入れれば、円板摩擦の生じる面積は２倍になるが、円板摩擦が１／４になるため、全体で損失が１／２になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。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。
【００１７】
図１は、本発明による低損失遠心ポンプの構成図である。この図において、本発明の低損失遠心ポンプは、液体燃料を加圧する低比速度の遠心ポンプである。また、本発明の低損失遠心ポンプは、高速回転可能なインペラ１１のシュラウド１２とインペラを囲むケーシング１３との間に、インペラ１１と同一方向に自由回転可能なフローティング部材２０を備える。
【００１８】
フローティング部材２０は、この例では、シュラウド１２とケーシング１３との間で非接触に回転可能なフローティングディスク２１、２２と、これらのフローティングディスク２１、２２とケーシング１３との隙間を液密にシールするシール部材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂとからなる。シール部材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂはこの例ではラビリンスシールである。
【００１９】
図２に示した従来の低比速度の遠心ポンプの場合、Ａ．Ｊ．Ｓｔｅｐａｎｏｆｆらの研究によれば、比速度１００程度の場合、最も大きい損失は円板摩擦であり、２０％以上の損失となる。また、これはインペラ１１のシュラウド１２（円盤状の羽根を覆う板）と流体の摩擦によるものであり回転速度の２乗に比例する。またこの円板摩擦は図２に太い破線１８で示す４ケ所部分で発生する。この円板摩擦部分１８は、この例ではすべて高圧流体内であり円板摩擦も大きくなっている。
【００２０】
シュラウド１２と流体の相対速度を１／２にできれば、円盤摩擦はその二乗の１／４に減少する。この効果を得るために、図１に示した装置では、シュラウド１２（インペラ回転数）とケーシング１３（回転数：０）との間にフリーに回転する円盤（フローティングディスク）を挿入している。
【００２１】
この構成により、シュラウド１２とフリー円盤（フローティングディスク）の相対速度が約１／２となり、ケーシング１３とフローティングディスクとの相対速度も約１／２となる。すなわちフローティングディスク２１、２２は、その両面に作用する摩擦抵抗が一致する速度、言い換えれば損失エネルギーが最小となる速度で回転し、両面の面積が同一の場合、その速度はインペラ回転数の約１／２となる。
【００２２】
図１において、フローティングディスク２１、２２は受圧面（４ケ所の円板摩擦部分１８）の釣り合いにより、どの部材とも接触しておらず、流体の摩擦だけにより駆動される。
【００２３】
シール部材（ラビリンスシール）２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂにより、フローティングディスク２１、２２の外面は、高圧流体１７と低圧流体１６の中間圧力、すなわち外側シール部材２１ａ，２２ａと内側シール部材２１ｂ，２２ｂを通して高圧から低圧までに抜ける中間圧力を受ける。従ってこの中間圧力により、フローティングディスク２１、２２は、インペラ１１のシュラウド１２に向けて押し付けられる。
【００２４】
一方、フローティングディスク２１、２２の内面は、この例では高圧流体１７の圧力を受け、インペラ１１のシュラウド１２から遠ざかる方向に力を受ける。
【００２５】
フローティングディスク２１、２２の外面圧力は、シュラウド１２に近づいたとき内側シール部材２１ｂ，２２ｂが開き外側シール部材２１ａ，２２ａを流れる流量も増えて中間圧力が下がる。またシュラウド１２から遠ざかったときに、内側シール部材２１ｂ，２２ｂが閉まり、リークが減り圧力が上がる。また、内側シール部材２１ｂ，２２ｂのリークが０となったときフローティングディスク２１、２２の外面圧力は中間圧力と同圧になる。
【００２６】
このような関係によりリークが０でないどこかのリーク量で、部材は完全にどこにも接していない状態で圧力がバランスする点で静止する。なお、径方向にも圧力バランス溝等を設けることによって、径方向もどこにも接していない状態にすることが可能である。この構成により、フローティングディスク２１、２２は、ポンプによって生じる流体の回転の摩擦のトルクにより自転する。
【００２７】
円板摩擦は、ケーシングとシュラウドの相対速度の二乗に比例するため、上述したフローティングディスク２１、２２をケーシング１３とシュラウド１２の間に入れることにより、円板摩擦の生じる面積は２倍になるが、円板摩擦が１／２の二乗の１／４になるため、全体で損失が１／２になる。
従って、低比速度の遠心ポンプの効率が向上し、低流量域まで使用できるようになる。
【００２８】
なお本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の低損失遠心ポンプは、円板摩擦による損失を低減することができ、これにより、低流量で使用しても流体の温度上昇を抑制することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による低損失遠心ポンプの構成図である。
【図２】従来の低損失遠心ポンプの構成図である。
【図３】従来の燃料流量制御装置の構成図である。
【符号の説明】
１燃料ポンプ、２計量バルブ、３ドレインバルブ、
４ノズル、５バイパスバルブ、６差圧センサーバルブ、
７ａ，７ｂパイロットライン、８ａ，８ｂ，８ｃパイロットライン、
９ａ，９ｂバイパスライン、１０遠心ポンプ、１１インペラ、
１２シュラウド、１３ケーシング、１４軸受、
１５シール（ラビリンスシール）、１６低圧流体、１７高圧流体、
２０フローティング部材、２１、２２フローティングディスク、
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂシール部材（ラビリンスシール）

Claims

液体燃料を加圧する低比速度の遠心ポンプであって、高速回転可能なインペラ（１１）のシュラウド（１２）とインペラを囲むケーシング（１３）との間に、インペラと同一方向に自由回転可能なフローティング部材（２０）を備え、
前記フローティング部材（２０）は、シュラウド（１２）とケーシング（１３）との間でこれらと接触せず、流体の摩擦だけにより駆動されるフローティングディスク（２１、２２）を有する、ことを特徴とする低損失遠心ポンプ。
前記フローティング部材（２０）は、前記フローティングディスクの半径方向外端とケーシング（１３）との隙間を液密にシールする外側シール部材（２１ａ，２２ａ）と、前記フローティングディスクの軸方向外端とケーシング（１３）との隙間を液密にシールする内側シール部材（２１ｂ，２２ｂ）とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の低損失遠心ポンプ。