JPS61210298A - 遠心ポンプ・インペラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 不発明は遠心ポンプ用インペラ、特に気体および液体成
分の混合物、たとえば燃料・空気混合物を含む流体を圧
送する時に充分な作動を保つことのできるインペラに関
する。

ガスタービン航空エンジンの燃料系に使用されるような
低圧燃料ポンプは、燃料がインペラに入る時に、遊離し
た空気２よび燃料蒸気が燃料と共存するような緊急事態
に燃料をエンジンに供給する能力を有するべきである。

このような状態は、機体燃料タンクのブースタポンプが
機Ｗｔｔ休止するか、スイッチを切って停止されなけれ
ばならない時に生ずる。供給ラインからのポンプ入口圧
が低くなるために２成分流体流が生じ、燃料の中に溶解
した空気および燃料蒸気が放出される。在米の遠心燃料
ポンプは気体の比率が中位である気体燃料混合物をポン
プ圧送する時は充分な性能を発揮するが、気体比率が高
い混合物を圧送する必要がるる時にはポンプ能力が急激
に減退し易い。

本発明は同じ全体寸法の在来設計のインペラよりも大量
の、液体単位体積当りの気体ｐよび蒸気をポンプ圧送す
ることのできる遠心ポンプ用インペラの設計を与えるこ
とを目的とする。以下の本発明および特許請求の範囲の
記載において「気体」および「気体・・・・・・」とい
う語は「蒸気」および「蒸気・・・・・・」という意味
をも含んでいると解釈すべきでるる。

従って本発明は遠心ポンプの回転型インペラであって、
中央入口と、間に複数の拡大形流路を画成する複数の角
度隔置されたインペラ羽根とを有するインペラを与え、
該流路の出口部分は入口部分よりもかなり大きな拡がり
度合を有し、該流路の入口部分に入口から流れ出る流体
をさえぎるように配置される案内翼装置が設けられてい
るので、流体が液体成分と混合したかなりの気体成分を
含む時に、液体成分は案内翼装置により集められて黒面
上を流れる液体板を生じ、気体成分は流路の入口部分に
集まり、案内翼装置は液体板を噴流板として、集まった
気体成分の中を通して流路の出口部分の中へ放出してそ
こに集合させ、引続きその集合した液体がインペラ羽根
に接触して正常のポンプ作用を生ずるようにされており
、噴流板はインペラ羽根に接触せずに、集まった気体成
分を捕捉し浮力よりもポンプ遠心力により大きな影響を
受けるように充分小さな気泡として流路出口部分の液体
成分の中に再混合させるように働く。

遠心ギンブ・インペラ内でポンプ作用を生ずるために分
離した液体噴流を発生させる考え方は、できるだけキャ
ビテーションを避けなから流路入口に２ける運動エネル
ギを流路出口における圧力に変換するために羽根の間の
拡がり通路に依存するという、従来の遠心ポンプの行き
方とは反対であることに注目されたい。

不発明の一実施例において、案内翼装置はインペラ羽根
と一体構造である。この場合、案内翼装置はインペラ羽
根の入口面を構成し、各インペラ羽根の各入口面と次の
側面とは不連続にしてインペラ羽根から液体薄板を剥離
して噴流薄板を形成させることが望ましい。この不連続
性は、入口面と次の側面とが接する部分のかどを含むこ
とが好都合である。

代替実施例に２いて、案内翼装置はインペラ羽根から隔
置されて鋭い入口角を有する分離した案内翼を有する。

案内翼装置の入口角の望ましい範囲は１０〜５０°であ
る。

正しい流路形状全書るために、インペラ羽根は弦方向断
面がほぼ翼型をなしている。

インペラ羽根の間の流路はその人口２よび出口部分の間
を過渡的につなぐ中間部分を有し、該中間部分の長手方
向中心線はほぼ渦巻形であって噴流薄板がインペラ羽根
に衝芙しないようにされていることが望ましい。

本発明の他の局面は以下の記載および前出の特許請求の
範囲から明らかであろう。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明の詳細な説明する
。

第１図を参照するに、ガスタービン航空エンジンの燃料
供給系のための在来型の低圧燃料ポンプ用インペラ１０
０は、駆動軸１０４に取付けられて間に通路１０８を画
成する８個の薄肉羽根１０６を担持する１個の無空のデ
ィスク１０２を有する。

これらの通路１０８はディスク１０２の周囲に向って拡
がる。インペラは矢印Ｒの方向に回転し、ケーシング内
に収容され、軸１０４は軸受内で回転することはいうま
でもない。ハウジング２よび軸受は第１図に図示されな
いが、第３図２よび第４図に適当なものが線図で示され
る。

羽根１０６は金属その他の材料から成る薄肉の「壁」の
形をとり、ディスク１０２に河して直角に立上り、製作
上の容易さから通常は適当な鋳型の中でディスクの他の
部分と一体に鋳造される。

羽根１０６はその前縁１１０から後縁１１２まで概して
渦巻形に延び、それぞれの個所にて羽根入口角ｉＤよび
出口角ｄをもってディスクの接線に接続する。角ｉは通
常０〜２５°、角ｄは通常３０〜６０°の範囲にそれぞ
れある。

作動中は、圧送される燃料は取入ダクト（図示されない
が、第４図参照〕を弁して矢印Ｉの方向からインペラ１
００の入口に入る。燃料は入口の外方に向って進み、そ
こで羽根１０６の前縁１１０によりすくい取られて羽根
の間の通路１０８の比較的狭い入口に押し込まれる。ポ
ンプ作用は回転するインペラ１００が燃料に働いて燃料
を加速する遠心効果と、燃料の運動エネルギを圧力ヘッ
ドに変換する羽根１０６の間の拡がり通路１０８とに依
存するが、後者の効果はポンプケーシング（第４図）内
にあって通路１０８の出口から燃料が流入するコレクタ
・ボリュートによりさらに高められる。

今述べた在来型の低圧燃料ポンプ・インペラを組込んだ
燃料供給系の、高々度に２ける正常の作動中は、機体燃
料タンク・ブースタポンブノ作用により燃料系に燃料が
充満し、低圧燃料ポンプの入口において遊離した気体ま
たは蒸気が存在しない。しかし、ブースタポンプが切ら
れるか、故障した場合、ブースタポンプからの供給ライ
ン内の圧力が低下して、溶解気体と燃料蒸気とが燃料か
ら放出される。不幸にして、燃料内に大量の気体。

および蒸気が気泡として存在すると、上記のインペラ１
００全組込んだ低圧燃料ポンプの性能に影響し、そのボ
／ブ圧送能力を減退させエンジンの燃料途絶全惹起する
ことさえある。エンジンが継続して出力を発生すること
を保証するために、起り得る最大限の割合の気体２よび
蒸気を含む燃料を供給されてもコレクタ・ボリュートの
中に適正な圧力ヘッドを生ずることができる低圧燃料ポ
ンプ・インペラが必要である。

つぎに第２図を参照するに、本発明によるインペラ設計
が示され、これは第１図に示すインペラよりも大量の気
体寂よび蒸気を燃料と共に圧送することができる。第１
図のインペラ１００と第２図のインペラ２００の違いは
羽根の設計にあることが判るでろろう。インペラ２００
の作動モードを示すためにインペラの一部における燃料
流が図椿される。

ここでも、インペラはその入口領域にて混合成分の流体
全受入れ、望見および燃料蒸気の気泡２０２が液体燃料
２０４の全体にわたって存在する。在来型インペラ１０
０と同様に、遠心効果は混合流体全入口の外側へ放出し
、そこで以下に詳述される大形インペラ羽根２０８の間
の通路２０６の入口に近付く。通路２０６の入口に入る
につれ、混合流体は隣接する２個のインペラ羽根２０８
の間に配置される小形案内翼２１０の組の前縁に出会う
。本例の場合、案内翼２１０の前縁は隣接するインペラ
羽根２０８の前縁の中間に配置される。

混合流体が案内翼２１０に出会う時、流体は案内翼の前
縁によりすくい取られて翼の側面にそって燃料の比較的
薄い板２１１として押し流され、大量の気体および蒸気
の気泡が燃料から分離して、各通路２０６の内方部分に
気体および蒸気が充満する空間２１２として集まる。燃
料板２１１は各案内翼２１０の後縁を離れる時に、各通
路２０６内で噴流板２１４を形成し、この噴流板は通路
２０６の長手方向中心線にそい、またはその近くで、半
径方向および回転方向の速度成分の組合せによりほぼ渦
巻形進路奮とる。噴流板２１４は通路２０６の内方部分
において燃料を圧送する第量の手段となる。しかし燃料
・気体混合物の幾らかは大形のインペラ羽５２０８によ
ってもさえぎられ、その凸形側面にそって燃料板２１６
として流れる。ここでも気体２よび蒸気の成分は燃料板
２１６から押し出されて空間２１２に集まる。このよう
にして燃料噴流板２１４２工び燃料板２１６の形で圧送
された燃料はポンプ出口を満たし、液体燃料と集合した
気体および蒸気との間に前線すなわちインターフェイス
２１５が形成され、燃料噴流板２１４と燃料板２１６は
インターフェイス２１５に衝突して、太きなしよう乱を
生ずる。

空気および蒸気もこの過程により効果的に圧送される。

空間２１２内の気体全噴流板で捕捉して、噴流板２１４
および燃料板２１６がインターフェイス２１５に衝突す
る際に発生するしよう乱により捕捉された気体を液体燃
料に取り込むことにより、入ってくる気体を液体と肖混
合するのに充分な程、噴流板２１４とインターフェイス
２１５との相幻速度が大きい時に、液体成分と共に空気
および蒸気の成分の圧送が生ずる。インターフェイス２
１５は「混合前線」と称することもできる。

浮力よりも遠心力により、より大きく影響される小形の
気泡として混合前線の背後で乱流により液体中に再混合
さｎた空気および蒸気が通路２０６の外方部分のポンプ
作用による圧力上昇のために液体中に再溶解しながら、
この気体圧送過程が継続する。

運転中は、インペラ２００がエンジンに駆動される補機
歯車筐から駆動力を得ているので、インペラ２００はエ
ンジン速度に関連した速度にて回転する。正常状態では
入口からインペラ２００に入る燃料は空気２よび蒸気の
気泡を含１ず、この場合、在米型インペラが同じ状態で
働くのと同じやつ方でインペラ２００が働く。充分な気
泡が存在する時、インペラ２００は第２図に示されるよ
うにそのポンプ作用モード’ｋｆｆえるので、ポンプ出
口は液体で満たされたままで、気体と液体の間のインタ
ーフェイス２１５は通路２０６内を内方または外方に移
動し、生気および蒸気が燃料に再混合する割合が空間２
１２に蓄積する割合に等しくなった所で停止する。

つぎに大形羽根２０８の形態を考察するが、これは下記
の設計条件により決定される。

中　インペラ羽根の凹形側面の形状および向きが第１ｃ
Ｌ図の羽根１０６と類似であって、インペラ・ディスク
の外周に２ける串口角２よび中央区域における入口角も
類似しており、主要な違いは、通路２０６への入口が案
内翼２１０を完全に収容するのに充分な広さを有するよ
うに、同一寸法のインペラ・ディスクにおいて羽根２０
８の凹形側面の長さが第１α図の羽根１０６よりも短か
いことが望ましいという点である。

（１１）インペラ羽根の凸形側面の形状の向きは、通路
２０６の内方部分において、該側面が案内翼２１０と噴
流板２１４にほぼ平行に延在することか望ましいが、通
路の外方部分では凸形側面を凹形側面に徐々に近付けて
凹形側面の出口角に見合う出口角を生ずるように曲率が
変えられるという要求に従っている。案内翼２１０を収
容する通路２０６の入口部分、噴流板２１４を含む通路
の中間部分（入口部分と中間部分を合せて通路の「内方
部分」に区分けする）、およびインペラを通して急速に
圧力上昇を与えるためにより大きな拡がりを有する通路
の外方部分、の間はほぼ区別することができる。通路の
中間部分および出口部分のおよその区分は第２図に示す
ように点ｆａＤによりなされる。設計条件（１）および
（１１）の岨合せ効果はインペラ羽根をほぼ翼車にする
ことになる。

（ｉｉｉｌ　　ｌ！Ｊｔ流板２１４の有効な機能を阻害
する程に大量の混合流体金子くい取らないために、イン
ペラ羽根の前縁はおそらく案内翼の前縁よりも少し大き
な半径上に存在し、案内翼の前縁により混合流体と接層
しないように幾分か遮蔽される。

他の設計条件は案内翼２１０の前縁の入口角である。こ
の角度は噴流板に最高速度を与えることにより気体圧送
量を最大にするように選択され、おそらく１０〜５０°
の範囲にあるでろろう。噴流板は高速であることが重要
である。それは噴流板による空気の捕捉と共に、噴流板
の衝突による気体／散体境界２１５に２ける乱れをも最
大にするからである。この乱れは液体中に空気を取り込
む助けとなり、またこの捕捉され取り込まれた空気全多
数の小気泡に分裂させる。小気泡はより少数の大気泡よ
りも速く液中に溶解し、浮力による影響が少ない。

本発明の効果を試験するために、単純なポンプ・インペ
ラ全製作し、その性能および通過する空気含有燃料の挙
動について評価を行った。試験インペラ３００およびそ
のケーシング３０２の構造および寸法が第３図２よび第
４図に線図で示される。

ケーシング３０２は入口ダクト３０３、出ロボリュート
３０５、およびインペラ軸３０９を支承する軸受３０７
を有する。インペラ３００は８個の単純なくさび形イン
ペラ羽根３０４ｆｔ有することが判るであろう。各羽根
３０４は第２図の羽根２０８の凹形側面に相当する直線
側面３０６と、第２図の２枚の羽根によって生ずるもの
に近い流れ状態を生ずる３つの小面を有する反対側面３
０８と、全有する。インペラに空気３よび燃料の混合物
が供給された。

各羽根３０４の前縁は約３０°の入口含金羽根に与える
平坦な入口案内面３１０を有する。この面は第２図の案
内翼２１０が行ったように混合流体音すくい取って気相
２よび蒸気相から液体燃料を分離しつつ混合流体全誘導
する。入口面３１０上を流れる燃料流を、入口面３１０
と出口面３１４との間の過渡段階にある次の面３１２か
ら剥離させるために、入口面３１０は過渡面３１２と不
連続でめる、つまり２つの面の接合部に鋭いかどが存在
し、そのため燃料は急激な方向変換に追従し得ない。よ
って第２図のように、噴流板が発生し、これが空気およ
び蒸気全捕捉し、出ロボリュート３０５を満たす移動の
遅い燃料に衝突する。

ポンプケーシング３０２の入口側は透明プラスチックに
より構成され、第５図の写真が試験中に撮られた。羽根
３０４の粗ぼくな形状と単一性にもかかわらず、入口案
内面３１０により生じた噴流板（矢印）がはっきり見ら
れ、混合前線、つまりインターフェイスも見られること
が判る。

透明ケーシングとインペラ羽根３０４の上縁と０間に０
．０７６ｍｍのすき間を設けて写真が撮られたが、これ
はインペラ内の流れの模様がすき間の大きい場合に、ケ
ーシング上の燃料フィルムによりろいまいにされたから
である。しかし軸方向すき間を大きくすると、より良い
性能が得られた。

一つの試験系列において、ポンプへの入口を絞ることに
より空気混入流を発生させたが、これは前記の機体燃料
系に生ずる状態と同じようにポンプの吸込＾にＬつ燃料
中に溶解していた空気を引き出した。他の試験系列では
、ポンプ入口の上流の燃料流の中に空気を噴射すること
により空気温入流全発生させた。試験において、広い範
囲の気体／液体比にわたって、インペラ前後の圧力差の
非常に低い値にまでポンプは極ぐ安定して作動すること
が判った。高い気体／液体比（０，１５以シに２いて在
米型ポンプは試験した特定速度におけるインペラ前後の
正規圧力増加の約８０％にて急激に圧送能力が低下した
が、本発明のポンプはそうでなかった。この特性は第６
図に明らかであるが、この図は気体／液体比ＣＧ／Ｌ）
の値全漸進的に増して絞られたポンプ入口圧に河してポ
ンプの圧力上昇をプロットしたものでおる。２つの点線
の間の曲線部分は在来型ボ／ブ全超えた本発明のポンプ
の余剰作動範囲の概略値である。＋２０℃のＡｖ　ｔ　
ｕｒ燃料を用い模擬高度６０９６ｙｙ＋（２０，０００
ｆｔ）におけるポンプ速度６．５００ｒｐｒｎにて、燃
料に空気を混和しない（つ１９気体／ｇ、体比が０の）
場合には４．５４６ｔ１時（１０００ｇαｌ／時うの燃
料流に４５０ＫＦＧ（６５ｐｓりの圧力上昇を与え、気
体／液体比０．２５で同じ流量に２いて３３１　ＫＰα
（４８１ｓりの圧力上昇を与えた。

噴流板の両側慎２いて気体の捕捉が生ずるから、各羽根
に、例えば第３図の破線により示されるような通気路３
１６ｉ−設ければ、噴流板の背後の空間に入る気体およ
び蒸気が増してインペラの性能を向上させたでろろうこ
とに注目すべきでるる。

第２図に２いて、主要羽根から隔置された案内翼により
噴流板が発生するから、噴流板の背後の空間への通気が
可能となる。

ガスタービン工／ジ／燃料供給系に２ける燃料ポンプへ
の応用の見地から説明されたが、発電プラントまたは他
の製造プラントに２ける水２よび蒸気の混合物のような
、他の型式の液体／気体／蒸気混合物全圧送しなけれは
ならないポンプにも本発明を利用することができるでろ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１ｃＬ図はガスタービン航空エンジン用の在来型燃料
ポンプ遠心インペラの平面図、 第１ｂ図は第１α図のインペラの側面図、第２図は本発
明による燃料ポンプ・インペラを示す、第１α図同様の
図、 第３図は性能特性を確認するために試験を行った、本発
明の単純化した実施例を示す、第２図同様の図、 第４図は単純化したインペラおよびそれを囲むケーシン
グの、第３図のＡ　＝　Ａ線にそう断面図、第５図は試
験中の第３図および第４図のポンプの写真、 第６図は第３図乃至第５図のポンプに関する試験結果の
実例を示すグラフ。 ２００・・・インペラ　　２０２・・・気体成分２０４
・・・液体成分　　２０６・・・通路２０８・・・イン
ペラ羽根　　２１０・・・案内翼装置２１１・・・液体
板　　　２１２・・・集合気体成分２１４・・・噴流板
　　　３００川インペラ３０４・・・インペラ羽根　　
３１０・・・入口面３１２・・・側面部分 手続補正書（方式） 昭和６１年４月ｆ日 特許庁長官　　宇　賀　道　部　　　殿１、事件の表示
　　　　　　　　　　　場昭和６０年特許　願第２９０
２９０号 遠心ポンプ・インペラ ６、補正をする者 事件との関係　　　出　願　人 住所 名　称　　ロールス・ロイス・リミテッド４、代理人 ５、補正命令の日付　　昭和６１年３月２５日（発送日
）６、補正の対象 明細書の〔図面の簡単な説明〕の欄 図面の第５図と第６図 （別紙） （１）明細書第２０頁下から６行目〜末行の記載「第５
図は・・・・・・第６図は第６図乃至第５図」とあるな
、「第５図は第６図および第４図」に訂正。 （２）図面中、第５図を削除し、第６図を新たな第５図
とする（添附図面朱書のとおり）。 以　　　上

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）中央の流体入口と間に複数の拡がり形流体流通路
   ２０６を画成する複数の角度隔置されたインペラ羽根と
   を有する、遠心ポンプ用回転型インペラであつて、前記
   通路２０６の出口部分は実質的にその入口部分よりも拡
   がり度合が大きく、また前記通路２０６の入口部分にイ
   ンペラ２００の前記入口から流れ出る流体２０２、２０
   ４をさえぎるように配置された案内翼装置２１０が設け
   られていて、流体が液体成分２０４に混合したかなりの
   量の気体成分２０２を含む時、該液体成分２０４は前記
   案内翼装置２１０により集められて翼面上を流れる液体
   板２１１を生じ前記気体成分２０２は前記通路２０６の
   入口部分に集合し、前記案内翼装置２１０は該液体板２
   １１を噴流板として前記集合した気体成分２１２を通し
   て前記通路２０６の出口部分へ放出してそこに集合させ
   、引続きその集合した液体が前記インペラ羽根２０８に
   接触して正常のポンプ作用を生ずるようにされており、
   前記噴流板２１１は前記インペラ羽根２０８に接触する
   ことなく前記集合した気体成分２１２を捕捉し浮力より
   もポンプ遠心力により大きな影響を受けるように充分小
   さな気泡として前記通路２０６の出口部分にある液体成
   分の中に再混合させるように働くこと、を特徴とする回
   転型インペラ。
2. （２）前記案内翼装置３１０が前記インペラ羽根３０４
   と一体構造をなすことを特徴とする、特許請求の範囲第
   （１）項に記載の回転型インペラ。
3. （３）前記案内翼装置が前記インペラ羽根３０４の入口
   面３１０を構成し、各インペラ羽根３０４の各入口面３
   １０とその後の側面部分３１２との間が不連続であつて
   前記液体板が前記インペラ羽根から剥離して噴流板を形
   成することを確実にしていることを特徴とする、特許請
   求の範囲第（１）項または第（２）項に記載の回転型イ
   ンペラ。
4. （４）前記不連続性は、前記入口面３１０とその後の側
   面部分３１２が相互に接する部分のかどを含むことを特
   徴とする、特許請求の範囲第（３）項に記載の回転型イ
   ンペラ。
5. （５）前記案内翼装置が前記インペラ羽根２０８から隔
   置され、鋭い入口角を有する分離した案内翼２１０を含
   むことを特徴とする、特許請求の範囲第（１）項に記載
   の回転型インペラ。
6. （６）前記インペラ羽根２０８の翼弦方向断面形がほぼ
   翼型であることを特徴とする、特許請求の範囲第（１）
   項から第（５）項１でのいづれか１項に記載の回転型イ
   ンペラ。
7. （７）前記インペラ羽根２０８の間の通路２０６がその
   入口部分と出口部分の間の過渡部分である中間部分を有
   し、該中間部分の長手方向中心線がほぼ渦巻形であつて
   、そのため前記噴流板２１４が前記インペラ羽根に衝突
   しないようにされていることを特徴とする、特許請求の
   範囲第（１）項から第（６）項までのいづれか１項に記
   載の回転型インペラ。
8. （８）前記案内翼装置２１０の入口角が１０〜５０°の
   範囲にあることを特徴とする、特許請求の範囲第（１）
   項から第（７）項までのいづれか１項に記載の回転型イ
   ンペラ。