JP5024607B2 - 流体ポンプアッセンブリ、ターボポンプアッセンブリおよびターボポンプアッセンブリ改良方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体ポンプの使用に適したベーンアッセンブリに関し、特に、ターボポンプ部品に対する半径方向の負荷を生じさせる固定ベーンアッセンブリに関する。本発明は、部分的に、ＮＡＳＡ契約書第ＮＡＳ８−３６８０１号に基づく政府資金によってなされた。アメリカ合衆国政府は本発明に一定の権利を有する。

ロケットエンジンは、燃焼室内の噴射器アッセンブリに推進剤を送るためにターボポンプを用いている。このようなターボポンプは、ターボポンプが作動すると回転するロータと、推進剤または推進剤混合物の圧力を高めるようにロータの一部として回転するインペラと、を有する。ターボポンプの作動中に、低く、安定した同期振動応答が得られることが望ましい。

しかし、様々な理由で、特定のターボポンプは、望ましくない亜同期（ｓｕｂ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ）応答を発生することがある。亜同期振動応答は、少なくとも部分的に、ターボポンプの所与のベアリングセットにおける不十分な半径方向の負荷により生じる。

望ましくない亜同期振動応答の問題は、いくつかの方法で対処することができる。しかし、対処可能な多くの解決法は、複雑すぎるか、強度が不十分であるか、さもなければ、例えば、不満足なターボポンプの性能損失をもたらすため望ましくない。一例として、ロータベアリングを再設計することができるが、ロータベアリングの再設計は困難かつ複雑である。さらに、流れの入口および出口は、望ましくない振動に対して最適となり得る負荷ベクトルを生じさせることができるが、最適な入口および出口の流路により、エンジンの大きさや質量が増加してしまうため望ましくなく、かつ小さすぎて実用的でない最適設計「窓」（すなわち、所望の振動特性に対する許容度）がもたらされてしまう。

本発明によるターボポンプアッセンブリは、軸を中心として回転可能な回転部品と、回転部品に隣接して位置する固定ベーンアッセンブリと、を含む。固定ベーンアッセンブリは、回転部品から軸方向に離間した周方向の面と、円周方向の表面から回転部品に向かって延在する１つまたは複数のベーンと、を含む。１つまたは複数のベーンは、回転部品が軸を中心として回転し、固定ベーンアッセンブリと回転部品との間に流体が存在するときに、回転部品にかかる半径方向の負荷を発生させるように構成される。

本発明は、流体ポンプの部品の望ましくない振動を低減する機器および方法を提供する。特に、本発明により、従来では無負荷状態で望ましくない振動が生じてしまっていたポンプロータのベアリング支持体に対して半径方向の負荷を発生させる利点が提供される。本発明は、ポンプ内で流体に作用する、回転部材に隣接して配置された側方負荷（ｓｉｄｅｌｏａｄ）ベーンを用いる。側方負荷ベーンは、流体がベーンに隣接する流路内を移動するときに、ポンプ内の流体に不均一な円周方向の圧力場を生じさせる。不均一な円周方向の圧力場により、ロータベアリングに半径方向の負荷が付与されるが、ロータベアリングは、これ以外の場合には、実質的に無負荷であり、かつ望ましくない振動の問題を起こしやすい。

図１は、ターボポンプ２０の概略断面図であり、該ターボポンプ２０は、中心線ＣＬに位置するロータシャフト２２と、第１のベアリングセット２４と、第２のベアリングセット２６と、３つのインペラ２８，３０，３２（それぞれ第１段〜第３段のインペラと呼ばれる）と、を含む。ロータシャフト２２には、タービンアッセンブリ３４が機械的に結合される。第１のベアリングセット２４は、外側レース２４Ａおよび内側レース２４Ｂを含むボールベアリングセットである。内側レース２４Ｂは、ロータシャフト２２とともに回転し、外側レース２４Ａは、固定されている。ここに用いられる「固定」という用語は、ポンプの取付位置に対して静止していることを意味し、ポンプまたはターボポンプ全体が移動車両内に（または他の移動物体上に）取付位置を有する場合にも適用される。第２のベアリングセット２６はローラーベアリングセットである。第１および第２のベアリングセット２４，２６は、ターボポンプ２０の回転部品（図５参照）をターボポンプ２０の固定部品に対して支持する。ターボポンプ２０の作動時には、インペラ２８，３０，３２およびロータシャフト２２は回転部品である。インペラ２８，３０，３２は、タービンアッセンブリ３４の回転により駆動されるロータシャフト２２とともに回転する。作動中、流体は、インペラ２８，３０，３２によって順次に圧送されて、移動しながら加圧される。インペラ２８，３０，３２は、流体を一次流路に沿ってターボポンプ２０を通して移動させる。図１に一次流路の一部を概略的に示す。当業者であれば、一次流路が回転インペラ２８，３０，３２および接続通路によって画定される複雑な形状を有することを認識されるであろう。

第１のディフューザ３６の側方負荷部分３５は、第１のインペラ２８に隣接して位置し、第２のディフューザ３８（１−２ディフューザとも呼ばれる）の側方負荷部分３７は、第２のインペラ３０に隣接して位置し、第３のディフューザ４０（２−３ディフューザとも呼ばれる）の側方負荷部分３９は、第３のインペラ３２に隣接して位置する。ディフューザ３６、３８、４０は、それぞれ隣接するインペラ２８，３０，３２の前方または上流側（図１ではインペラ２８，３０，３２の左側）に位置する固定部品である。二次流路の一部分は、ディフューザの側方負荷部分と隣接するインペラとの間、例えば、第２のディフューザ３８の側方負荷部分３７と第２のインペラ３０との間のギャップに画定される。二次流路は、ターボポンプ２０を通って流体の大部分を運ぶ一次流路の、実質的に外側の流体流に対応する。従来の先行技術のターボポンプでは、各ディフューザ３６，３８，４０の側方負荷部分３５，３７，３９とインペラ２８，３０，３２との間の二次流路は、円周方向で均一であり、ロータシャフト２２または第１のベアリングセット２４に正味半径方向負荷を生じさせない条件にあった。

ターボポンプ２０は、本明細書では具体的に明示していない多数の他の部品を含む。当業者であれば、ターボポンプの基本的な作動を理解されるであろう。したがって、ここでさらに説明する必要はないであろう。

図２および図３は、第２のディフューザ３８（図１参照）に配置された側方負荷ベーンアッセンブリ５０の一実施例を示している。別の実施例では、側方負荷ベーンアッセンブリ５０を、ターボポンプ２０の任意のインペラ２８，３０，３２に隣接して配置してもよいことを理解されたい。図２は、（第２のインペラ３０から第１のインペラ２８に向かって見た）側方負荷ベーンアッセンブリ５０の（軸方向の）正面図であり、図３は、図２に示された側方負荷ベーンアッセンブリ５０の一部分の斜視図である。図２には、中心線ＣＬを中心とした様々な機構の角度位置をより明確にするように参照符号、角度θ₀〜θ₃を示す。

側方負荷ベーンアッセンブリ５０は固定部品であり、ロータシャフト２２の中心開口部５２と、アッセンブリ５０をターボポンプ２０に取り付ける複数のボルト孔を備えて、アッセンブリの周縁部に設けられたフランジ５４と、を含む。アッセンブリ５０は、アルミニウムなどの金属材料で製造され得る。側方負荷壁３７は、中心開口部５２とフランジ５４との間に（半径方向に）位置する。側方負荷壁３７は、アッセンブリ５０の全周にわたって延在しており、すなわち、側方負荷壁３７は、中心線ＣＬを中心として３６０゜の角度範囲を有する。側方負荷壁３７は、対応するインペラ２８，３０，３２の１つに隣接するディフューザ３６，３８，４０の１つの側面と整列するように、半径方向に位置する。

側方負荷壁３７は、実質的に平坦な壁部分５８と、６つのポケット６０Ａ〜６０Ｆと、を含む。ポケット６０Ａ〜６０Ｆは、円周方向に離間した縁部に、５つのベーン６２Ａ〜６２Ｅを形成する。図２に示されるように、ベーン６２Ａ〜６２Ｅは、中心線ＣＬを中心として角度θ₁とθ₃との間において１５４゜の角度範囲を有する第１の角度領域内に位置する。ベーン６２Ａ〜６２Ｅは、第１の角度領域において実質的に均等な角度を有して離間している。実質的に平坦な壁部分５８は、中心線ＣＬを中心として角度θ₃とθ₁との間で２０５゜の角度範囲を有する第２の角度領域内に位置する。第１および第２の角度領域は、合わせて３６０゜の角度範囲を有しており、すなわち、２つの領域は合わせてアッセンブリ５０の全周にわたって延在する。別の実施例では、ベーンの数および配置を変更してもよいことに留意されたい。例えば、６つのポケットより多くまたは少なくポケットを設けてもよい。また、第１の角度領域が、より大きな、またはより小さな角度範囲を有していてもよく、第１の角度領域の位置（すなわち、ポンプ取付位置に関する各参照符号の「回転」位置）を変更してもよい。さらに、ベーンは必ずしも等間隔の角度で離間していなくてもよい。

図３には、ポケット６０Ｂ〜６０Ｄおよびベーン６２Ｃ，６２Ｄを含む側方負荷壁３７の一部が示されている。また、図３には、ベーンの高さＨ、ベーンの幅Ｗおよびポケットの深さＤなどの複数の参照寸法が示されている。寸法Ｈ、ＷおよびＤは、望ましい半径方向負荷などの望ましい性能特性をもたらすように特定の用途によって調整される。

各ベーン６２Ａ〜６２Ｅは、実質的に矩形形状を有し、ポケット６０Ａ〜６０Ｆおよびベーン６２Ａ〜６２Ｅは、側方負荷壁３７をフライス加工することによって形成される。矩形状のベーンを用いることによって、十分な構造的強度をもたらすとともに、製造が容易になる。他の実施例では、ベーンの形状を所望に応じて変更してもよい。

作動中、流体がターボポンプ２０を通って圧送される際に、側方負荷ベーンアッセンブリ５０は、二次流路（すなわち、側方負荷ベーンアッセンブリ５０と、隣接する第２のインペラ３０との間のギャップ内）における流体と相互作用する。アッセンブリ５０のベーン６２Ａ〜６２Ｅは、非対称の旋回（スワラ）ブレーキのように作用し、二次流路内の流体に不均一な円周方向の圧力場を生じさせる。不均一な円周方向の圧力場は、隣接する第２のインペラ３０にモーメントを及ぼし、このモーメントにより、第２のインペラ３０における半径方向の力の成分が生じて、ロータシャフト２２および第１のベアリングセット２４に半径方向の負荷がもたらされる。

図４は、ターボポンプ２０の一部分の概略的な断面図であり、隣接する側方負荷ベーンアッセンブリ５０（図示せず）との関連により生じた不均一な円周方向の圧力場に起因する、第２のインペラ３０にかかる正味モーメントＭを示している。図４において、モーメントＭは、ロータシャフト２２（および中心線ＣＬ）から半径方向に距離を隔てた位置において、実質的に軸方向のモーメントとして示されている。特定用途の特性によって、モーメントＭの大きさおよび位置を変更することができる。以下に説明するように、インペラ３０およびロータシャフト２２を通じて力が伝達されると、モーメントＭは、第１の方向に（図示しない角度θ₄において）ロータシャフト２２および第１のベアリングセット２４（および／または第２のベアリングセット２６）に対する半径方向の負荷を生じさせる。図４に示すように、第２のベアリングセット２６は、支点のように作用するのに対して、第１のベアリングセット２４は、ポンプハウジングつまりグラウンド２０Ａに対する半径方向の動きに若干の自由度を有する。これは、ターボポンプ２０の構成が、係合を保つように、第２のベアリングセット２６に対して十分な剛性を与えているからである。ターボポンプ２０およびハウジング２０Ａの特定の構成に応じて、ベアリングセット２４，２６の個々の特性を変更してもよいことを理解されたい。

ベクトルＩ_Lは、第３のインペラ３２の自然な半径方向の負荷を表し、ベクトルＴ_Lは、タービンアッセンブリ３４の自然な半径方向の負荷を表す。ベクトルＩ_Lは、所与の角度参照点θ₅（図示せず）に対して約０〜５０°の方向に位置し、ベクトルＴ_Lは、参照点θ₅に対して約０°の方向に位置する。ベクトルＩ_LおよびＴ_Lは、第３のインペラ３２およびタービンアッセンブリ３４の回転および流体との相互作用に起因するとともに、ターボポンプ２０の流体入口および出口の構成に起因して生じる。ベクトルＩ_LおよびＴ_Lは、ターボポンプ２０の自然な特性に基づいて、すなわち、側方負荷ベーンアッセンブリ５０によって与えられる半径方向負荷から実質的に独立した要因に基づいて、ターボポンプ２０の半径方向負荷の好ましい方向を定める。ベクトルＩ_LおよびＴ_Lは、通常その大きさが小さく、単独では第１のベアリング２４に十分な剛性を付与しない。

側方負荷ベーンアッセンブリ５０は、アッセンブリ５０によって与えられる半径方向負荷の第１の方向が、ターボポンプ２０の半径方向負荷の好ましい方向と実質的に整列するように（すなわち、θ₄≒θ₅であるように）構成される。このような整列は厳密に必要なものではないが、半径方向負荷の効果を改善し、性能損失を低減させる。

図５は、ターボポンプ２０の回転部品のフリーボディダイヤグラムであり、インペラ２８，３０，３２，シャフト２２、およびタービンアッセンブリ３４の一部分を概略的な断面図の形式で示している。図５には、ベクトル、距離など複数の参照符号が示されており、作動中にターボポンプ２０の部品にかかる負荷に影響するいくつかのパラメータを説明している。これらの参照符号の定義を以下の表１に示す。

図５において参照符号は、基本的に第２のインペラ３０に関して示されているが、側方負荷ベーンアッセンブリが他のインペラ２８，３２に隣接して位置する他のインペラ２８，３２についても同様のパラメータが存在することに留意されたい。

ベクトルＦＢＮＬ（すなわち、第１のベアリングセット２４にかかる正味半径方向負荷）の大きさは、下記の式により得られる。

図２の側方負荷ベーンアッセンブリ５０のベクトルＦＢＮＬは、θ₄で示された角度に方向づけられているが、この角度は、実験的に決定される。角度θ₄は、実質的にベーンアッセンブリ５０の第１の角度領域の内にあるとともに、実質的に第１の角度領域の対称線（すなわち、θ₂）から、インペラ２８，３０，３２およびロータシャフト２２の回転方向と反対方向にオフセットしている。角度θ₄の角度θ₂からのオフセットは、ポンプ内の流体力学に起因する。

ベクトルＳＢＮＬ（すなわち、第２のベアリングセット２６にかかる正味半径方向負荷）の大きさは下記の式により得られる。

ベクトルＦＢＮＬは、第１のベアリングセット２４にかかる予測された半径方向負荷を与える。予想された半径方向負荷が、第１のベアリングセット２４の係合を保持するために（すなわち、第１のベアリングセット２４とハウジング２４Ａとの係合を保持するために）所望の剛性を付与するように、側方負荷ベーンアッセンブリ５０は構成され得る。式（１），（２）、および図５のフリーボディダイヤグラムは、側方負荷ベーンアッセンブリ５０により生じる不均一な円周方向の圧力場によって、第１のベアリングセット２４に半径方向負荷を生じさせる力の関係の説明に役立つものである。

上述のようなベーンアッセンブリ５０の実施形態について、ベンチテスト実験を行った。ターボポンプ２０を通常の作動条件で回転させ、水を圧送した。側方負荷ベーンアッセンブリ５０は、５つのベーン６２Ａ〜６２Ｅおよび６つのポケット６０Ａ〜６０Ｆを有しており、ここで、ベーンの長さＬは、３．４２９ｃｍ（１．３５インチ）、ベーンの幅Ｗは、０．６３５ｃｍ（０．２５０インチ）、ポケットの深さＤは、０．１５２４ｃｍ（０．０６０インチ）であった。ベーン６２Ａ〜６２Ｅは、約１５４°の角度範囲を有する第１の角度領域内で円周方向に等しく間隔を隔てている。

図６は、ターボポンプ２０の二次流路内の複数の半径方向位置について計算した、流体圧力に対する角度位置のグラフである。Ｘ軸上で、θは度数で表したターボポンプ中心線ＣＬを中心とした角度位置（任意の選択された参照点から０〜３６０°の測定値）を表す。Ｙ軸上で、平方インチ当たりポンド（ｐｓｉ）で表した圧力は、流体の静圧の測定値を表す。図６のグラフには多数のプロットが示されており、各プロットは、中心線ＣＬからの異なる半径方向位置における圧力に基づいている（半径がより大きな場合にはより大きな平均流体圧力に相当する）。

側方負荷ベーンアッセンブリ５０の第１の角度領域は、図６のグラフに示されるように、概ねθ₁とθ₃との間（θ₂を含む）のθ値に相当する。側方負荷ベーンアッセンブリ５０の第２の角度領域は、概ねグラフ上のθ₁とθ₃との間（θ₂を含まない）のθ値に相当する。グラフは、第１の角度領域において流体が各々のベーン６２Ａ〜６２Ｅを通過した時点に一般的に相当する急激な圧力上昇を示しており、圧力上昇は位置が中心線ＣＬから遠いほど大きくなる。中心線ＣＬに最も近い最小半径においてはベーン６２Ａ〜６２Ｅの効果はそれほど顕著ではない。しかし、ターボポンプ２０の作動中の、流体をベーン６２Ａ〜６２Ｅから遠ざけるような半径方向の流体の動きに起因する、流体圧力の急上昇の数はベーンの数（５つ）と正確には一致しなかった。本実施例における半径方向負荷の角度θ₄は、図６に示される任意に選択された参照点に関して約６０°であった。θ₄は下記の式によって計算することができ、ここで、Ｐは圧力、ｒは半径方向位置の変数、θは図６の水平軸の変数である。

ＦＢＮＬ（すなわち、第１のベアリングセット２４にかかる正味半径方向負荷）の大きさは１８５．５１９ｋｇ（４０９ｌｂｓ.）であった。この値は図６のグラフのプロットの下の面積を積分することによって得られた。

本発明を好ましい実施例を参照しつつ説明したが、当業者は本発明の主旨および範囲から逸脱することなく形状および詳細の変更がなされ得ることを理解するであろう。例えば、本発明による側方負荷ベーンアッセンブリは、様々のベーンおよびポケットの構成を備えていてもよい。さらに、流体ポンプは、１つまたは複数の本発明による側方負荷ベーンアッセンブリを様々な位置に用いてもよい。加えて、本発明による側方負荷ベーンアッセンブリは、所望のように、既存の半径方向負荷に対抗する半径方向負荷を生じさせるように、側方負荷ベーンアッセンブリを構成することによって、流体ポンプの部品（例えば、ベアリング）にかかる正味半径方向負荷を低減させるように用いられ得る。

ターボポンプの概略断面図。 本発明による側方負荷ベーンアッセンブリの正面図。 図２の側方負荷ベーンアッセンブリの一部分の斜視図。 半径方向に負荷を受けた図１のターボポンプの一部分の簡略化された概略断面図。 図１のターボポンプの一部分の概略断面図。 ターボポンプの二次流路内の複数の半径方向位置について計算した流体圧力と角度位置とのグラフ。

Claims (15)

1. 軸を中心に回転し得る回転部品と、
   前記回転部品に隣接して配設された固定ベーンアッセンブリと、
   を有する流体ポンプアッセンブリであって、
   前記固定ベーンアッセンブリは、
   前記回転部品から軸方向に間隔を隔てた円周方向の表面と、
   前記円周方向表面から前記回転部品に向かって延びる１つまたは複数のベーンであって、前記回転部品が軸を中心として回転し、かつ前記固定ベーンアッセンブリと前記回転部品との間に流体が存在するときに、前記回転部品に半径方向の負荷を生じさせるように構成された１つまたは複数のベーンと、
   を有することを特徴とする流体ポンプアッセンブリ。
2. 前記回転部品がロータ上に取り付けられたインペラセンブリであることを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプアッセンブリ。
3. 前記１つまたは複数のベーンが、前記ロータの好ましい半径方向の動きの方向に、前記ロータにかかる半径方向の負荷を発生させるように構成されることを特徴とする請求項２に記載の流体ポンプアッセンブリ。
4. 前記固定ベーンアッセンブリが、円周方向に間隔を隔てた複数のベーンを有することを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプアッセンブリ。
5. 前記円周方向表面が、第１の角度領域および第２の角度領域からなり、該第１および第２の角度領域が、前記回転部品の前記軸に対して垂直に画定され、かつ合計で３６０°の角度範囲を有し、
   前記複数の円周方向に間隔を隔てたベーンが、すべて前記第１の角度領域内に配置されることを特徴とする請求項４に記載の流体ポンプアッセンブリ。
6. 前記複数の円周方向に間隔を隔てたベーンが、前記第１の角度領域内において実質的に等しい角度で間隔を隔てることを特徴とする請求項５に記載の流体ポンプアッセンブリ。
7. 前記固定ベーンアッセンブリが、前記第１の角度領域内において実質的に等しい角度で間隔を隔てた５つのベーンを有し、
   前記第１の角度領域が、約１５４°の角度範囲を有することを特徴とする請求項６に記載の流体ポンプアッセンブリ。
8. 前記ベーンの１つが実質的に矩形であることを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプアッセンブリ。
9. 前記円周方向表面が、ケースの壁部を画定することを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプアッセンブリ。
10. 回転軸を画定するロータと、
    前記ロータに支持され、該ロータとともに回転するインペラセンブリと、
    前記インペラセンブリに隣接するケース構造であって、該ケース構造から延びる１つまたは複数のベーンを有するケース構造と、
    流体媒体の二次流路であって、前記インペラセンブリと前記ケース構造との間に画定される二次流路と、
    を有するターボポンプアッセンブリであって、
    前記インペラセンブリの回転により、前記ロータに半径方向の負荷をかける不均一な円周方向の圧力場が二次流路に生じることを特徴とするターボポンプアッセンブリ。
11. 前記１つまたは複数のベーンが、不均一な円周方向の圧力場を発生させるように構成され、これにより、前記ロータの好ましい半径方向の動き方向と整列する方向に、前記ロータにかかる半径方向の負荷が発生することを特徴とする請求項１０に記載のターボポンプアッセンブリ。
12. 前記ベーンの１つが実質的に矩形であることを特徴とする請求項１０に記載のターボポンプアッセンブリ。
13. 前記１つまたは複数のベーンが、前記ケース構造の第１の領域内に配置され、
    前記１つまたは複数のベーンが、前記第１の領域内で実質的に等しく円周方向に間隔を隔てることを特徴とする請求項１０に記載のターボポンプアッセンブリ。
14. 前記ロータを支持するロータベアリングをさらに有し、
    前記ロータにかかる前記半径方向の負荷により、前記ロータが前記ロータベアリングに対する半径方向の負荷が生じることを特徴とする請求項１０に記載のターボポンプアッセンブリ。
15. 振動を低減させるようにターボポンプアッセンブリを改良する方法であって、該ターボポンプアッセンブリが、回転軸を画定するロータと、インペラサブアッセンブリと、固定ケースと、を有し、前記方法は、
    前記ロータの好ましい動きの方向を確定することと、
    前記ロータの好ましい動きの方向に半径方向負荷を発生させるように、前記インペラサブアッセンブリと前記固定ケースとの間における二次流路内に形成される不均一な円周方向の圧力場を決定することと、
    前記不均一な円周方向の圧力場の発生を促進させる形態でケースから延びるベーン構造を形成することと、
    を含むことを特徴とするターボポンプアッセンブリ改良方法。

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