JPH0688501A - 速度の異なる２つのポンプを同時に駆動するための方法及び２つの流体を同時に圧縮するためのターボポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 異なる速度で回転せねばならない２つの遠心
ポンプを同時に駆動する方法を提供する。 【構成】 ターボポンプ１は、ポンプ２ａ，２ｂと同軸
の同一の反転タービン３により異なる速度で駆動され得
る２つの遠心・同軸ポンプ２ａ，２ｂからなる。遠心ポ
ンプ２ａは、固定式外側ハウジング５ａ及び可動インペ
ラ６ａを備えている。入り口オリフィス８ａによりポン
プ２ａ内に貫入し出口コレクタ９ａにより圧縮状態で送
出される第１の推進薬を圧縮するために、２つのポンプ
及びタービン３に共通の軸７の周りに回転し得る。同様
に第２の遠心ポンプ２ｂは、固定式外側ハウジング５ｂ
及び可動インペラ６ｂを備える。これは入り口オリフィ
ス８ｂによりポンプ２ｂ内に貫入し且つハウジング５ｂ
内に設けられた出口コレクタ９ｂにより圧縮状態で送出
される第２の推進薬を圧縮するために、軸７の周りに回
転し得る。２つの遠心ポンプはそれぞれ反転タービン３
の各軸方向端部に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異なる速度で回転し得
る２つの遠心ポンプを同時に駆動するための方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】多数の
技術的用途は、２つの流体を圧縮するために２つの遠心
ポンプの同時使用を必要としている。例えば、ロケット
エンジンへの液体推進薬供給の場合がそうである。これ
らの用途では、２つのポンプの寸法及び速度は、低重量
に対して２つの流体の圧縮装置の効率を最良にするよう
に圧縮すべき流体の型及び実現すべき圧力の増加に適合
する必要がある。

【０００３】ポンプが単一タービンを使用して同一速度
で駆動され得且つポンプ及びタービンが単一シャフトに
より固定されるようにポンプ寸法を決定することは既に
提案されている。この配置は、装置全体の総合的な効率
には好ましくない。何故ならば、各構成要素であるポン
プ又はタービンの効率は機械的速度（regime mecaniqu
e）の適合により最適化され得ないからである。

【０００４】一方のポンプに減速機を設置することによ
り、単一タービンで速度の異なる２つのポンプを駆動す
ることも可能である。この方法には重量及びスペースの
増加を生じるという欠点があるが、この欠点は、減速機
が一般に出力の小さい方のポンプに設置されているため
に緩和されている。この方法にはまた作動時に付加的な
振動を生じるという欠点がある。

【０００５】勿論各ポンプを分割型タービンにより駆動
することができるが、この方法は装置の重量及びスペー
スの観点から好ましくない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、これら
の欠点を克服して、異なる速度で回転せねばならない２
つの遠心ポンプを同時に駆動するための方法を提案する
ことである。この方法により、装置全体の重量及びスペ
ースを穏当な規模に維持して、最適化された効率でポン
プを使用することができる。

【０００７】本発明の目的は、重なり合った回転翼が各
々のポンプの速度と同一速度で逆方向に回転する反転タ
ービンが使用され、且つこれらのポンプが重なり合った
回転翼に直接連結されることにより達せられる。

【０００８】好ましくは、速度の速い方のポンプは、タ
ービンの軸に近い方の反転タービンの内側回転翼に連結
される。

【０００９】この方法により、装置全体に対して良好な
効率が得られる。何故ならば、各ポンプの回転速度が圧
送される推進薬の型及び得られる圧力差に適合させられ
得るからである。更には、タービンの可動羽根段の間に
固定羽根式分配器がないので、反転タービンの効率が改
善される。提案した方法では減速機を使用しないので、
公知の方法に比べて重量及びスペース面で利点がある。

【００１０】当然反転タービンの寸法及び可動羽根の形
状は２つの遠心ポンプの各出力及び速度並びにタービン
の回転翼を起動するために使用し得る気体状流体に応じ
て計算される。

【００１１】本発明は更に、特にロケットエンジンに液
体推進薬を供給するために使用される、２つの流体を同
時に圧縮するためのターボポンプに関する。このターボ
ポンプは、一方ではそれぞれが固定式ハウジングと、こ
のハウジング内に設けられた入り口オリフィスによりポ
ンプ内に貫入し且つハウジング内に設けられた出口コレ
クタにより圧縮状態で送出される液体推進薬を圧縮する
ために、ポンプの共通軸の周りに回転し得る可動インペ
ラとを有する、同軸に配置された第１の遠心ポンプ及び
第２の遠心ポンプを備え、他方では、タービンハウジン
グを形成し且つこれらのポンプの固定式ハウジングを結
合する外側ケーシングと、ケーシングの内部で、これら
のポンプの共通軸の近くに配置され且つ第１のポンプ用
インペラに連結された内側回転翼と、このケーシングの
内部で内側回転翼を包囲し且つ第２のポンプ用インペラ
に連結された外側回転翼とを有する、ポンプと同軸であ
り且つこれらのポンプの間に配置された反転タービンを
備え、この内側回転翼及び外側回転翼が、ポンプの共通
軸と同軸の環状空間をこれらの間に規定し且つそれぞれ
が環状空間内に半径方向に伸びている少なくとも１つの
羽根段を備え、一方の回転翼の羽根段がタービンの軸方
向に向けて他方の回転翼の羽根段と交互になり、これら
の各回転翼が、推進薬供給管により環状空間内に貫入し
且つケーシング内に設けられた排気コレクタにより排出
される第３の気体推進薬の膨張により回転駆動され得る
ことを特徴とする。

【００１２】２つのポンプが異なる速度で回転し得る場
合、より速く回転するポンプが反転タービンの内側回転
翼に連結されている。

【００１３】タービンの推進薬供給管は第２のポンプの
側に設けられ、排気コレクタは第１のポンプの側に配置
されている。

【００１４】内側回転翼は環状空間の上流では、ポンプ
の軸に配置された支持ロッドにより担持され、この支持
ロッドは、支持アームの上流では、ポンプと同軸の推進
薬供給管内を循環する第３の推進薬の流れを偏向させる
ために使用される羽根形状の複数の半径方向支持アーム
により外側回転翼に結合されている。

【００１５】軸受が内側回転翼と支持ロッドとの間に配
置され、内側回転翼は、第１のポンプの高さに設けられ
た軸受を使用して、タービンのケーシング及びポンプの
固定式ハウジングからなる固定式構造体に対して配置さ
れている。

【００１６】好ましくは、タービンの推進薬供給管は第
２のポンプのインペラを通過して、軸方向オリフィスに
より第２のポンプのハウジングに通じている。

【００１７】変形例としては、外側回転翼の壁に設けら
れたオリフィスにより推進薬供給管と連通している気体
推進薬の環状入り口コレクタは、第２のポンプの付近の
タービンのケーシング内に設けられている。

【００１８】外側回転翼は、一方が第２のポンプの高さ
に、他方が支持アームと直角に配置されている２つの軸
受を使用して、タービンのケーシング及びポンプのハウ
ジングからなる固定式構造体に対して配置されている。

【００１９】

【実施例】添付図面を参照して以下の説明を読めば、本
発明の他の特徴及び利点が明白となろう。

【００２０】図１は、例えばロケットエンジンに供給す
るための２つの液体推進薬を同時に圧送するために特に
使用されるターボポンプ１を示している。このターボポ
ンプ１は、ポンプ２ａ，２ｂと同軸の同一の反転タービ
ン３により異なる速度で駆動され得る２つの遠心・同軸
ポンプ２ａ，２ｂからなっている。

【００２１】第１の遠心ポンプ２ａは、固定式外側ハウ
ジング５ａ及び可動インペラ６ａを備えている。このイ
ンペラはハウジング５ａの内部に配置され、且つ入り口
オリフィス８ａによりポンプ２ａ内に貫入し且つハウジ
ング５ａ内に設けられた出口コレクタ９ａにより圧縮状
態で送出される第１の推進薬を圧縮するために、２つの
ポンプ２ａ，２ｂ及びタービン３に共通の軸７の周りに
回転し得る。

【００２２】同様に、第２の遠心ポンプ２ｂは、固定式
外側ハウジング５ｂ及び可動インペラ６ｂを備えてい
る。このインペラ６ｂはハウジング５ｂの内部に配置さ
れ、且つ入り口オリフィス８ｂによりポンプ２ｂ内に貫
入し且つハウジング５ｂ内に設けられた出口コレクタ９
ｂにより圧縮状態で送出される第２の推進薬を圧縮する
ために、軸７の周りに回転し得る。

【００２３】２つの遠心ポンプ２ａ，２ｂはそれぞれ、
反転タービン３の各軸方向端部に配置されている。

【００２４】反転タービン３は、タービン３のハウジン
グを構成し且つ遠心ポンプ２ａ，２ｂのハウジング５ａ
と５ｂとを結合する、実質的に円筒形状の固定式外側ケ
ーシング１０を備えている。タービン３は更に、ケーシ
ング１０の内部で、共通軸７の周りに回転装着されてい
る２つの重なり合った回転翼１１，１２を備えている。

【００２５】第１の回転翼１１、いわゆる内側回転翼は
軸７の近くに配置され且つ第１のポンプ２ａに連結され
ている。第２の回転翼１２、いわゆる外側回転翼は内側
回転翼１１を少なくとも部分的に包囲し且つ第２のポン
プ２ｂのインペラ６ｂに連結されている。外側回転翼１
２は内側回転翼１１と共に、共通軸７と同軸の環状空間
１３を規定している。各回転翼１１，１２は、内側回転
翼１１については１４ａ、外側回転翼１２については１
５ａと、少なくとも１つの羽根段を備えている。各回転
翼の羽根段数は１以上であり得るが、２つの回転翼１
１，１２の羽根段数は同一であるか又はせいぜい１つだ
け違っている。図１では、内側回転翼１１が３つの羽根
段１４ａ，１４ｂ，１４ｃを備え、外側回転翼が２つの
羽根段１５ａ，１５ｂしか有さないことがわかる。

【００２６】内側回転翼１１の羽根段１４ａ，１４ｂ，
１４ｃは、軸７に沿って外側回転翼１２の羽根段１５
ａ，１５ｂと交互になっている。各羽根段の羽根１６は
環状空間１３内を半径方向に伸び且つこの空間１３内で
角度をなして規則正しく配分されている。

【００２７】内側回転翼１１及び外側回転翼１２は、第
２のポンプ２ｂの側に位置する推進薬供給管１７を通っ
て環状空間１３内に貫入し且つ第１のポンプ２ａ近くの
ケーシング１０内に設けられた排気コレクタ１８から排
出される第３の気体推進薬の膨張により軸７の周りに回
転駆動され得る。

【００２８】内側回転翼１１は、玉軸受１９ａの挿入さ
れた支持ロッド１９を使用して外側回転翼１２上で心出
しされており、該支持ロッドは、タービン３の軸７方向
に伸び、且つ環状空間１３内に貫入する第３の推進薬の
流れを偏向させるための羽根形状の複数の半径方向支持
アーム２０により外側回転翼１２に結合されている。支
持アーム２０は環状空間１３内を半径方向に伸びる。好
ましくはこの環状空間１３の平均直径は、支持アーム２
０の上流でタービン３の軸７内に位置する推進薬供給管
１７に達するように気体推進薬の入り口の側へ向け少さ
くなっている。

【００２９】玉軸受１９ａにより外側回転翼１２上で心
出しされた内側回転翼１１は、公知の如く玉軸受１９ａ
と第１の羽根段１４ａとの間に配置された第１の円錐状
リング２１と、最後の羽根段１４ｃを第１のポンプ２ａ
のインペラ６ａのシャフト２３に結合する同様に円錐状
の第２のリング２２とからなっている。内側回転翼１１
は、ターボポンプ１の固定式構造体２４に対して配置さ
れ、該構造体は、第１のポンプ２ａ及びタービン３に共
通の環状側板を形成する固定式構造体２４の部分２４ａ
とインペラ６ａのシャフト２３との間に挿入された玉軸
受２５により、ハウジング５ａ，５ｂ及びケーシング１
０からなる。

【００３０】同様に、外側回転翼１２は、インペラ６ｂ
のシャフト２７を第１の羽根段１５ａに結合する第３の
円錐状リング２６からなっている。この外側回転翼１２
は、一方では、タービン３と第２のポンプ２ｂとを離隔
する第２の環状側板２９と第３のリング２６との間に支
持アーム２０と直角に設置された第２の玉軸受２８によ
り、他方ではインペラ６ｂのシャフト２７と第２のポン
プ２ｂの固定式ハウジング５ｂとの間に挿入された第３
の玉軸受３０により、固定式構造体２４上で心出しされ
ている。

【００３１】第１のリング２１及び第２のリング２２
は、それぞれが羽根段１４ａ，１４ｂ，１４ｃを担持し
ているタービンディスク３２ａ，３２ｂ，３２ｃを収納
し得るのに十分な寸法の環状空間３１を軸７の周りに規
定している。これらのディスク３２ａ，３２ｂ，３２ｃ
は内側回転翼１１の高速回転により生じる大きな遠心力
に耐えるのに十分な寸法を有する。それゆえ、内側回転
翼１１に連結された第１のポンプ２ａは、２つのポンプ
２ａ，２ｂのうちでより速く回転するポンプである。連
続する２つのディスク、例えば３２ａと３２ｂとは、環
状空間１３により包囲され且つ対応する羽根段１５ａと
直角に位置する環状区域３３を環状空間１３と共に規定
する円錐状壁により公知の如く結合されている。この環
状区域３３内には、羽根段１５ａの羽根１６を担持する
環状ディスク３４が収納され得る。第３の推進薬の流管
を構成する環状空間１３は、羽根の頭部及び脚部が、流
管の連続性及びその気密性を確保する補足部品により公
知の如く規定されている。

【００３２】第１のポンプ２ａの場合、第１の推進薬用
入り口オリフィス８ａは好ましくはポンプ２ａ，２ｂ及
びタービン３の共通軸７と同軸である。

【００３３】第２のポンプ２ｂは第１のポンプ２ａより
もかなり遅く回転し、インペラ６ｂのハブは図１に示す
如く、ハウジング５ｂの側板内に設けられた開口部３５
がターボポンプ１の軸７に通じる推進薬供給管１７の延
長上に置かれ得るように軸７に沿って曲湾し得る。この
場合、第２のポンプ２ｂにより圧縮される第２の推進薬
用入り口オリフィス８ｂはポンプ２ａ，２ｂの軸７から
離れている。

【００３４】インペラ６ｂのハブ内に設けられ得る最大
開口部が、ポンプ２ａ，２ｂを起動させるために環状空
間１３内に十分な流量の気体推進薬を供給し得るには不
十分なときには、図２及び図３に示す変形例が、タービ
ン３のケーシング１０内に気体推進薬用環状入り口コレ
クタ３６を備えている。このコレクタ３６は、支持アー
ム２０の上流で第３のリング２６内に設けられたオリフ
ィス３７により推進薬供給管１７と連通し、また複数の
密閉シールが挿入されている。

【００３５】密閉シール３８ａ，３８ｂ，３８ｃはそれ
ぞれ、第１のリング２１と支持ロッド１９との間、外側
回転翼１２の下流端部とケーシング１０との間、及びケ
ーシング１０と第２のリング２２との間に設けられてい
る。これらの密閉シールは環状空間１３を密閉させるた
めに使用される。ポンプ２ａ，２ｂも、これらのポンプ
により圧縮された推進薬を離隔し且つケーシング１０内
部への漏出を防ぐための密閉シール（図示せず）を備え
ている。

【００３６】連続する２つの羽根段、例えば１４ａ，１
５ａの速度三角形が、図４及び図５に示すタービン３の
型について例示されている。接線速度ＵＮ，ＵＮ＋１
は、２つの羽根段１４ａ，１５ａの平均半径が同一であ
ることを考慮して、回転翼１１，１２の機械的速度比内
にある。各羽根段１４ａ又は１５ａに対して、速度三角
形は入力速度ＶＥ及び出力速度ＶＳについて対称的であ
る。羽根１６は、軸方向速度ＶＸが羽根段全体で一定に
維持されるように描かれている。

【００３７】最適に近いタービン効率を得るために、Ｖ
Ｘ値は、軸方向速度ＶＸの比及び接線速度ＵＮ，ＵＮ＋
１の比で、値１の両側に置かれた値を確保するように選
択される。図４及び図５に示す実施例では、この比率
は、羽根段１４ａの場合で０．７７近くになり、羽根段
１５ａの場合で２近くになり得る。速度ＵＮ，ＵＮ＋１
の比率はほぼ３である。

【００３８】外側回転翼１２に固定された支持アーム２
０は従来のタービンでは入り口分配器がそうしていたよ
うに、第１の羽根段１４ａの入り口に気体推進薬の流れ
を向けるという空気力学的機能を有する。これらの支持
アーム２０は軸７の近くにあるので、外側回転翼１２か
ら羽根段１５ａ，１５ｂに提供される出力よりかなり小
さい出力をこの外側回転翼１２に提供する。

【００３９】各回転翼の段数が１つ違い得ることは明記
した。この数はこれらの回転翼１１，１２を駆動するた
めに使用される気体推進薬に応じて計算される。特に、
高温水素（hydrogene chaud）を回転翼１１，１２を駆
動するための気体推進薬として高温で使用すると、羽根
段毎に他の流体より非常に大きい負荷が得られ得る。そ
れにより、所定の推進薬流量及びタービン出力に対して
羽根段数を減らすことができる。

【００４０】上述したターボポンプ１は、サイクルエキ
スパンダを備えたロケットエンジンに液体推進薬、酸素
及び水素を供給するのに特に適している。このロケット
エンジンでは、反転タービンが再生（regeneratif）回
路により生じる高温水素により駆動されている。このタ
ーボポンプ１が他の液体状又は気体状流体を圧縮するた
めに使用され得且つタービン３が水素以外の気体状流体
により駆動され得ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターボポンプの好ましい実施例の概略
断面図である。

【図２】タービンが気体推進薬用環状入り口コレクタを
備えている、本発明のターボポンプの変形例の断面図で
ある。

【図３】２つのポンプが軸方向に供給を受ける第２の変
形例の断面図である。

【図４】内側回転翼の羽根の速度を示す線図である。

【図５】外側回転翼の羽根の速度を示す線図である。

【符号の説明】

１ ターボポンプ ２ａ，２ｂ ポンプ ３ 反転タービン ５ａ，５ｂ ハウジング ６ａ，６ｂ インペラ １０ ケーシング １１，１２ 回転翼 １９ 支持ロッド

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる速度で回転し得る２つの遠心ポン
   プを同時に駆動するための方法であって、重なり合った
   回転翼が各々のポンプの速度と同一速度で逆方向に回転
   する反転タービンを使用し、且つ該ポンプが重なり合っ
   た回転翼に直接連結されることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 速度の速い方のポンプが、タービンの軸
   の近くに位置する内側回転翼に連結されることを特徴と
   する請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 特にロケットエンジンに液体推進薬を供
   給するために使用される、２つの流体を同時に圧縮する
   ためのターボポンプであって、該ターボポンプが、一方
   ではそれぞれが固定式ハウジングと、該ハウジング内に
   設けられた入り口オリフィスによりポンプ内に貫入し且
   つハウジング内に設けられた出口コレクタにより圧縮状
   態で送出される液体推進薬を圧縮するために、ポンプの
   共通軸の周りに回転し得る可動インペラとを有する、同
   軸に配置された第１の遠心ポンプ及び第２の遠心ポンプ
   を備え、他方では、タービンハウジングを形成し且つ前
   記各ポンプの固定式ハウジングを結合する外側ケーシン
   グと、ケーシング内部で、該ポンプの共通軸の近くに配
   置され且つ第１のポンプ用インペラに連結された内側回
   転翼と、ケーシングの内部で内側回転翼を包囲し且つ第
   ２のポンプ用インペラに連結された外側回転翼とを有す
   る、ポンプと同軸であり且つ該ポンプの間に配置された
   反転タービンを備え、該内側回転翼及び該外側回転翼
   が、ポンプの共通軸と同軸の環状空間をこれらの間に規
   定し且つそれぞれが環状空間内に半径方向に伸びている
   少なくとも１つの羽根段を備え、一方の回転翼の羽根段
   がタービンの軸方向に向けて他方の回転翼の羽根段と交
   互になり、該各回転翼が、推進薬供給管により環状空間
   内に貫入し且つケーシング内に設けられた排気コレクタ
   により排出される第３の気体推進薬の膨張により回転駆
   動され得ることを特徴とするターボポンプ。
4. 【請求項４】 ２つのポンプが異なる速度で回転し得、
   より速く回転するポンプが反転タービンの内側回転翼に
   連結されていることを特徴とする請求項３に記載のター
   ボポンプ。
5. 【請求項５】 タービンの推進薬供給管が第２のポンプ
   の側に備わり、排気コレクタが第１のポンプの側に配置
   されていることを特徴とする請求項４に記載のターボポ
   ンプ。
6. 【請求項６】 内側回転翼が、環状空間の上流では、ポ
   ンプの軸に配置された支持ロッドにより担持され、該支
   持ロッドが、支持アームの上流では該ポンプと同軸の推
   進薬供給管内を循環する第３の推進薬の流れを偏向させ
   るために使用される羽根形状の複数の半径方向支持アー
   ムにより外側回転翼に結合されていることを特徴とする
   請求項５に記載のターボポンプ。
7. 【請求項７】 軸受が内側回転翼と前記支持ロッドとの
   間に設置され、該内側回転翼が、第１のポンプの高さに
   設置された軸受を使用して、タービンのケーシング及び
   ポンプの固定式ハウジングからなる固定式構造体に対し
   て配置されていることを特徴とする請求項６に記載のタ
   ーボポンプ。
8. 【請求項８】 タービンの推進薬供給管が第２のポンプ
   のインペラを通過して、軸方向オリフィスにより該第２
   のポンプのハウジングに通じていることを特徴とする請
   求項６又は７に記載のターボポンプ。
9. 【請求項９】 外側回転翼の壁内に設けられたオリフィ
   スにより推進薬供給回転翼と連通している気体推進薬の
   環状入り口コレクタが、第２のポンプの付近のタービン
   のケーシング内に設けられていることを特徴とする請求
   項６又は７に記載のターボポンプ。
10. 【請求項１０】 外側回転翼が、一方が第２のポンプの
    高さに、他方が支持アームと直角に配置されている２つ
    の軸受を使用して、タービンのケーシング及びポンプの
    ハウジングからなる固定式構造体に対して配置されてい
    ることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記
    載のターボポンプ。