WO2016024518A1 - ターボポンプ - Google Patents

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WO2016024518A1
WO2016024518A1 PCT/JP2015/072351 JP2015072351W WO2016024518A1 WO 2016024518 A1 WO2016024518 A1 WO 2016024518A1 JP 2015072351 W JP2015072351 W JP 2015072351W WO 2016024518 A1 WO2016024518 A1 WO 2016024518A1
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bearing
slinger
housing
turbo pump
shaft
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PCT/JP2015/072351
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French (fr)
Inventor
礼 三原
智哉 角田
Original Assignee
株式会社Ihi
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a turbo pump.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-165355 for which it applied to Japan on August 15, 2014, and uses the content here.
  • turbo pumps are used to supply propellants such as liquid hydrogen and liquid oxygen.
  • a turbo pump has a configuration in which an impeller that pressurizes and feeds liquid and a turbine disk provided with blade rows are connected by a shaft.
  • a shaft is supported by a bearing as shown in Patent Document 1, for example.
  • Such a bearing is cooled by a propellant having a very low temperature because frictional heat is generated by rotating the shaft at a high speed.
  • the space in which the bearing is accommodated and the space in which the turbine disk is accommodated are separated by a seal portion made of a clearance seal or the like.
  • a seal portion made of a clearance seal or the like.
  • the propellant used for cooling the bearing is recovered and used.
  • the shaft rotates since the shaft rotates, the amount of leakage at the seal portion cannot be made zero, and in reality, a part of the propellant leaks into the space in which the turbine disk is accommodated.
  • a configuration in which a so-called slinger (vaporizer) is disposed between the seal portion and the bearing. Is adopted.
  • the slinger is a rotating part having a plurality of blades and is attached to the shaft. The slinger rotates together with the shaft and vaporizes the propellant by reducing the pressure.
  • the propellant in the seal portion becomes a gas and has an extremely large volume as compared with the case of liquid, so that the leakage amount in the seal portion can be reduced.
  • the propellant around the slinger is heated by rotating the slinger.
  • the pressure of the propellant supplied to the bearing for cooling is low or the flow rate is low, the propellant has a characteristic that it is easily vaporized by the temperature rise, and thus it is caused by the slinger.
  • the temperature of the propellant around the bearing rises due to heat, and in the worst case, the propellant vaporizes. This may cause insufficient bearing cooling.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in a turbo pump in which a bearing supporting a shaft is cooled by a cryogenic liquid such as a propellant of a rocket engine, the cryogenic liquid around the bearing is generated by heat generated by a slinger.
  • the purpose is to prevent the temperature of the gas from rising and in the worst case vaporizing.
  • a first aspect of the present invention includes an impeller that pressurizes a liquid, a turbine disk provided with a blade row, a shaft that connects the impeller and the turbine disk, a bearing that supports the shaft, an impeller, a turbine disk, and a shaft
  • a turbo pump having a housing for housing the bearing, a seal portion provided between the bearing and the turbine disc, and a disc and a disc disposed between the bearing and the seal portion and fixed to the shaft
  • a slinger having a plurality of blade portions provided on the seal portion side, a decompression chamber in which the blade portions of the slinger are connected to each other via a gap flow path, and a bearing housing in which a bearing is housed. And a partition wall that is divided into chambers.
  • the decompression chamber is provided so as to extend to the radially outer side of the shaft from the blade portion of the slinger.
  • the gap channel is formed between the disk of the slinger and the partition wall.
  • the partition wall is provided as a part of the housing.
  • a projection is provided on the partition wall or the slinger disk and disposed in the gap flow path.
  • the interior of the housing is divided by the partition wall into a decompression chamber in which the wing portion of the slinger that decompresses the liquid is accommodated, and a bearing accommodation chamber in which the bearing is accommodated.
  • These decompression chambers and bearing housing chambers allow fluid to enter and exit through clearance channels, but compared to the case where there is no partition wall, the region where the bearing is provided from the region where the slinger blades are provided There is very little fluid movement to. For this reason, it is possible to suppress the heat generated in the vicinity of the blade portion of the slinger from being transmitted to the periphery of the bearing, and it is possible to prevent the liquid from being heated or vaporized around the bearing.
  • the cryogenic liquid around the bearing is heated or heated by the heat generated by the slinger. It is possible to prevent vaporization.
  • FIG. 1A It is a perspective view of the slinger with which the turbo pump in 1st Embodiment of this invention is provided. It is the figure which showed the simulation result verified about the fluid velocity near the slinger of the conventional turbo pump using the velocity contour. It is the figure which showed the simulation result verified about the fluid velocity near the slinger of the turbo pump of 1st Embodiment of this invention using the speed contour. It is an enlarged view near the slinger of the turbo pump in 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a turbo pump 1 of the present embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged view of region A in FIG. 1A.
  • a turbo pump 1 according to this embodiment includes a housing 2, an impeller 3, a turbine disk 4, a blade row 5, a shaft 6, a bearing 7, a seal portion 8, and a slinger 9. It has.
  • the housing 2 is a casing that houses the impeller 3, the turbine disk 4, the blade row 5, the shaft 6, the bearing 7, and the slinger 9.
  • the housing 2 includes an impeller housing space 2 a for housing the impeller 3, a turbine disk housing space 2 b for housing the turbine disk 4, and a central housing space 2 c for housing the shaft 6, the bearing 7 and the slinger 9. .
  • the housing 2 has a pump inlet opening 2d that opens toward the direction in which the shaft 6 extends, and takes the propellant X (cryogenic liquid) into the impeller accommodating space 2a.
  • the housing 2 is provided so as to be wound on the outer side in the radial direction of the impeller 3, and has a scroll flow path 2 e for discharging the propellant X pressurized by the impeller 3 to the outside of the turbo pump 1. Yes.
  • the housing 2 has an introduction flow path 2f that is provided outside the turbine disk 4 in the radial direction and supplies a turbine driving gas to the turbine disk housing space 2b.
  • the housing 2 has a turbine exhaust port 2g that is provided on the opposite side of the pump inlet opening 2d and exhausts the combustion gas that has passed through the turbine disk 4.
  • the housing 2 has a partition wall 2h that divides the central housing space 2c (that is, the interior of the housing 2) into a decompression chamber 2c1 and a bearing housing chamber 2c2, as shown in FIG. 1B.
  • the partition wall 2 h is provided as a part of the housing 2, and is provided in an annular shape so as to center the shaft 6 and surround the shaft 6.
  • the decompression chamber 2c1 is an area in which a later-described blade portion 9b of the slinger 9 is disposed, and is provided on the turbine disk 4 side of the central housing space 2c.
  • the propellant X is decompressed and vaporized by rotating the blade portion 9 b by the rotation of the slinger 9.
  • the decompression chamber 2c1 is provided so as to extend to the outside in the radial direction of the shaft 6 of the blade portion 9b of the slinger 9.
  • the length of the decompression chamber 2 c 1 in the radial direction of the shaft 6 is about twice the length of the blade portion 9 b in the radial direction of the shaft 6.
  • the bearing housing chamber 2c2 is a region where the bearing 7 is provided, and is provided on the impeller 3 side of the central housing space 2c.
  • the propellant X for cooling the bearing 7 is directly supplied to the bearing housing chamber 2c2.
  • the propellant X supplied to the bearing housing chamber 2c2 is generally returned to the impeller 3 after cooling the bearing 7.
  • the gap channel 2i is formed between the partition wall 2h and a disk 9a (described later) of the slinger 9. That is, the gap channel 2i is formed between the inner peripheral surface 2h1 of the partition wall 2h and the outer peripheral surface 9a1 of the disk 9a of the slinger 9.
  • the length of the gap 6i in the radial direction of the shaft 6 is supplied to the bearing housing chamber 2c2, and then the propellant X that has flowed into the decompression chamber 2c1 through the gap 2i again passes through the gap 2i.
  • the bearing housing chamber 2c2 Through the bearing housing chamber 2c2.
  • the length in the radial direction of the shaft 6 of the gap channel 2i is set to a sufficiently small value, for example, about a fraction of the length in the radial direction of the shaft 6 of the blade portion 9b of the slinger 9. ing.
  • the partition wall 2h is provided as a part of the housing 2, and the partition wall 2h allows the central housing space 2c of the housing 2 to communicate with the gap channel 2i.
  • the partition wall 2h allows the central housing space 2c of the housing 2 to communicate with the gap channel 2i.
  • the impeller 3 is a radial impeller housed in an impeller housing space 2 a formed inside the housing 2.
  • the impeller 3 is connected to the first end of the shaft 6 and is rotated about the shaft 6 by the rotational power transmitted from the turbine disk 4. By rotating in this way, the impeller 3 pressurizes the propellant X taken into the housing 2 from the pump inlet opening 2d and sends it out to the scroll flow path 2e side.
  • the turbine disk 4 is accommodated in a turbine disk accommodation space 2 b formed inside the housing 2.
  • the turbine disk 4 is a disk-shaped member connected to the second end of the shaft 6 opposite to the first end of the shaft 6 to which the impeller 3 is connected.
  • a blade row 5 is provided on the outer peripheral surface of the turbine disk 4.
  • the blade row 5 is formed of a plurality of blades arranged at equal intervals in the circumferential direction of the shaft 6.
  • a turbine is formed by the turbine disk 4 and the blade row 5, and rotational power is generated from the energy of the turbine driving gas supplied into the housing 2 through the introduction flow path 2f.
  • the turbine driving gas that has passed through the turbine disk 4 and the blade row 5 is discharged to the outside of the housing 2 through the turbine exhaust port 2g.
  • the shaft 6 has a first end connected to the impeller 3 and a second end connected to the turbine disk 4, thereby connecting the impeller 3 and the turbine disk 4.
  • the shaft 6 is connected to the impeller 3 and the turbine disk 4 through a central housing space 2 c formed inside the housing 2, and transmits the rotational power generated on the turbine disk 4 side to the impeller 3.
  • the bearings 7 are generally provided in the central housing space 2c formed inside the housing 2 so as to be separated from each other in the direction in which the shaft 6 extends, in two or four. These bearings 7 rotatably support the shaft 6.
  • the seal portion 8 is provided at a boundary portion between the turbine disk storage space 2b and the central storage space 2c (that is, between the bearing 7 and the turbine disk 4), and the propellant is transferred from the central storage space 2c to the turbine disk storage space 2b. Prevent X from leaking out.
  • a so-called labyrinth seal mechanism that is a non-contact type seal is employed as the seal portion 8.
  • FIG. 2 is a perspective view of the slinger 9.
  • the slinger 9 is disposed between the bearing 7 (the bearing 7 closest to the seal portion 8) and the seal portion 8, and is composed of a disk 9a and a plurality of wing portions 9b as shown in FIG. .
  • the disk 9a is a disk-shaped part that supports the wing portion 9b, and is fixed to the shaft 6 so that the front and back surfaces of the disk 9a face the direction in which the shaft 6 extends, as shown in FIG.
  • the wing portions 9b are radially provided on the surface of the disk 9a fixed to the shaft 6 on the seal portion 8 side (hereinafter referred to as a surface), and a plurality of wing portions 9b are arranged at equal intervals.
  • the height of the wing portion 9b (the length in the direction perpendicular to the surface of the disk 9a) is set slightly smaller than the distance from the surface of the disk 9a to the inner wall of the housing 2 as shown in FIG. 1B. Yes. As a result, the wing portion 9 b is rotated with a minimum clearance with respect to the inner wall of the housing 2.
  • the turbine driving gas flows into the turbine disk housing space 2b through the introduction flow path 2f
  • the blade row 5 receives the combustion gas, whereby the turbine disk 4 is Rotational power is generated by being rotated.
  • the generated rotational power is transmitted to the impeller 3 through the shaft 6, and the impeller 3 is rotated.
  • the propellant X supplied from the pump inlet opening 2d to the impeller accommodating space 2a is pressurized and discharged through the scroll flow path 2e.
  • the turbo pump 1 of the present embodiment is driven as described above, the propellant X is supplied to the bearing housing chamber 2c2 of the central housing space 2c in order to cool the bearing 7 heated by the frictional heat. Is done. Such propellant X is generally returned to the impeller 3 after cooling the bearing 7.
  • a part of the propellant X supplied to the bearing housing chamber 2c2 flows into the decompression chamber 2c1 through the clearance channel 2i.
  • the propellant X that has flowed into the decompression chamber 2c1 is decompressed and vaporized by the wings 9b of the slinger 9 that rotates together with the shaft 6, and thus expands to increase its volume.
  • a seal portion 8 is provided at a boundary portion between the decompression chamber 2c1 and the turbine disk housing space 2b. For this reason, the propellant X leaking from the decompression chamber 2c1 to the turbine disk housing space 2b is extremely small.
  • the central housing space 2c inside the housing 2 is divided into the decompression chamber 2c1 and the bearing housing chamber 2c2 by the partition wall 2h.
  • the pressure reducing chamber 2c1 and the bearing housing chamber 2c2 can allow the propellant X to enter and exit through the gap channel 2i.
  • the blade portion 9b of the slinger 9 is provided as compared with the case without the partition wall 2h.
  • the movement of the propellant X from the region (decompression chamber 2c1) to the region (bearing housing chamber 2c2) where the bearing 7 is provided is extremely small.
  • the turbo pump 1 of this embodiment in the turbo pump 1 in which the bearing 7 that supports the shaft 6 is cooled by the propellant X of the rocket engine that is a cryogenic liquid, the bearing is generated by heat generated by the slinger 9. It is possible to prevent the propellant X around 7 from being heated or vaporized. Therefore, the wear of the bearing 7 increases due to insufficient cooling, and it is possible to prevent seizure in the worst case.
  • FIGS. 3A and 3B show simulation results for verifying the fluid velocity in the vicinity of the slinger 9 between the conventional turbo pump 1 having no partition wall 2h and the turbo pump 1 of the present embodiment having the partition wall 2h.
  • FIG. 3A shows a simulation result for verifying the fluid velocity in the vicinity of the slinger 9 of the conventional turbo pump 1 using velocity contours
  • FIG. 3B verifies the fluid velocity in the vicinity of the slinger 9 of the turbo pump 1 of the present embodiment. Simulation results are shown using velocity contours.
  • the numbers shown in the drawings are the relative speeds of the contour lines, not the absolute values of the speeds.
  • FIG. 3A when the partition wall 2h is not provided, a flow is formed from the blade portion 9b of the slinger 9 toward the bearing side of the slinger 9 (left side in the figure). It can be seen that the heat generated by the wing portion 9b is directed to the bearing 7 side of the slinger 9.
  • FIG. 3B in the case of the turbo pump 1 of the present invention having the partition wall 2h, the flow from the blade portion 9b of the slinger 9 toward the bearing 7 side of the slinger 9 is not formed. It can be seen that the heat generated by the wing portion 9b is difficult to reach the bearing 7 side of the slinger 9.
  • the decompression chamber 2 c 1 is provided so as to extend from the blade portion 9 b of the slinger 9 to the radially outer side of the shaft 6. For this reason, the decompression chamber 2c1 is widened, and the propellant X stirred in the decompression chamber 2c1 by the rotation of the blade portion 9b can circulate inside the decompression chamber 2c1 without exiting the decompression chamber 2c1. . Therefore, it becomes possible to more reliably prevent the backflow of the propellant X from the decompression chamber 2c1 to the bearing housing chamber 2c2.
  • the gap flow path 2i is formed between the disk 9a of the slinger 9 and the partition wall 2h. For this reason, in order to form the gap channel 2i, the gap channel 2i can be formed without forming a through hole in the housing 2 or installing another member.
  • the partition wall 2 h is provided as a part of the housing 2. For this reason, the partition wall 2h can be formed only by changing the shape of the housing 2, and the partition wall 2h can be easily formed.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the slinger 9 of the turbo pump 1 of the present embodiment.
  • the turbo pump 1 of the present embodiment is provided with a plurality of protrusions 10 with respect to the inner peripheral surface 2h1 of the partition wall 2h. Since the labyrinth seal is formed by such a protruding portion 10, the movement of the propellant X from the decompression chamber 2 c 1 to the bearing housing chamber 2 c 2 can be further reduced.
  • the number of the protrusions 10 is arbitrary and may be provided on the disk 9a of the slinger 9.
  • FIGS. 5A and 5B are simulation results for verifying the fluid velocity in the vicinity of the slinger 9 between the turbo pump 1 having no protrusions and the turbo pump 1 of the second embodiment including the protrusions 10.
  • FIG. 5A shows a simulation result in which the vicinity of the slinger 9 of the turbo pump 1 having no protrusions is verified with respect to the fluid velocity, using speed contours
  • FIG. 5B shows the vicinity of the slinger 9 of the turbo pump 1 of the second embodiment. It is the figure which showed the simulation result which verified about the fluid velocity using the velocity contour.
  • the numbers shown in the drawings are relative speeds of the contour lines, not the absolute values of the speeds.
  • the present invention is not limited to this, and can be applied to the whole turbo pump that handles other cryogenic liquids.
  • the decompression chamber 2c1 extends from the blade portion 9b of the slinger 9 to the radially outer side of the shaft 6 has been described.
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to employ a configuration in which the decompression chamber 2c1 has a length approximately the same as the radial length of the blade portion 9b.
  • the cryogenic liquid around the bearing is heated or vaporized by heat generated by a slinger. This can be prevented.
  • turbo pump 2 housing 2a impeller accommodating space 2b turbine disc accommodating space 2c central accommodating space 2c1 decompression chamber 2c2 bearing accommodating chamber 2d pump inlet opening 2e scroll channel 2f introduction channel 2g turbine exhaust port 2h partition wall 2h1 inner peripheral surface 2i clearance Flow path 3
  • Impeller 4 Turbine disk 5 Blade row 6
  • Shaft 7 Bearing 8 Seal part 9
  • Projection part X Propellant (liquid)

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Abstract

液体を加圧するインペラ（３）と、翼列（５）が設けられるタービンディスク（４）と、インペラ（３）とタービンディスク（４）とを連結するシャフト（６）と、シャフト（６）を軸支する軸受（７）と、インペラ（３）、タービンディスク（４）、シャフト（６）及び軸受（７）を収容するハウジング（２）とを有するターボポンプ（１）であって、軸受（７）とタービンディスク（４）との間に設けられるシール部（８）と、軸受（７）とシール部（８）との間に配置され、かつ、シャフト（６）に固定されるディスク（９ａ）及びディスク（９ａ）のシール部（８）側に複数設けられる翼部（９ｂ）を有するスリンガ（９）と、ハウジング（２）の内部を、互いに隙間流路（２ｉ）を介して接続される、スリンガ（９）の翼部（９ｂ）が配置される減圧室（２ｃ１）と、軸受（７）が収容される軸受収容室（２ｃ２）とに区分けする仕切壁（２ｈ）とを備える。

Description

ターボポンプ
本発明は、ターボポンプに関する。
本願は、２０１４年８月１５日に日本国に出願された特願２０１４－１６５３５５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ロケットエンジン等では、液体水素や液体酸素等の推進剤を供給するために、いわゆるターボポンプが用いられている。このようなターボポンプは、液体を加圧して圧送するインペラと、翼列が設けられたタービンディスクとがシャフトで連結された構成を有している。このようなシャフトは、例えば特許文献１に示されるような軸受によって軸支されている。このような軸受は、シャフトが高速回転することによって摩擦熱を生じることから、極低温である推進剤によって冷却されている。
日本国特開２０１１－２２６６３２号公報
ところで、軸受が収容されている空間とタービンディスクが収容されている空間とは、クリアランスシール等からなるシール部によって隔離されている。ここで、軸受の冷却に用いられた推進剤は、全量が回収されて使用されることが望ましい。しかしながら、シャフトが回転することから、シール部における漏出量をゼロにすることはできず、現実的には、推進剤の一部がタービンディスクが収容されている空間に漏出する。
このため、例えば、推進剤のタービンディスクが収容されている空間への漏出をより低減させる必要がある場合には、上述のシール部と軸受との間に、いわゆるスリンガ（ベーパライザ）を配置する構成が採用される。このスリンガは、複数の翼を持つ回転部品でシャフトに取り付けられており、シャフトと共に回転し、推進剤を減圧して気化させる。これによってシール部における推進剤は気体となり、液体の場合と比較して極めて大きな体積となることから、シール部における漏出量を減少させることができる。
しかしながら、スリンガが回転されることでスリンガの周囲の推進剤が加熱される。ここで、仮に、軸受に冷却用に供給される推進剤の圧力が低かったり流量が少なかったりした場合には、推進剤が昇温によって気化しやすい特性を有しているため、スリンガによって生じた熱によって軸受の周囲の推進剤温度が上昇し、最悪の場合推進剤が気化するに至る。これが軸受冷却不足の原因になる可能性がある。
本発明は、上述する事情に鑑みてなされ、シャフトを軸支する軸受がロケットエンジンの推進剤等の極低温液体によって冷却されるターボポンプにおいて、スリンガによって発生する熱によって軸受の周囲の極低温液体の温度が上昇し、最悪の場合気化してしまうことを防止することを目的とする。
本発明の第１の態様は、液体を加圧するインペラと、翼列が設けられるタービンディスクと、インペラとタービンディスクとを連結するシャフトと、シャフトを軸支する軸受と、インペラ、タービンディスク、シャフト及び軸受を収容するハウジングとを有するターボポンプであって、軸受とタービンディスクとの間に設けられるシール部と、軸受とシール部との間に配置され、かつ、シャフトに固定されるディスク及びディスクのシール部側に複数設けられる翼部を有するスリンガと、ハウジングの内部を、互いに隙間流路を介して接続される、スリンガの翼部が配置される減圧室と、軸受が収容される軸受収容室とに区分けする仕切壁とを備える。
本発明の第２の態様は、第１の態様において、減圧室が、スリンガの翼部よりもシャフトの径方向外側まで延設して設けられている。
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、隙間流路が、スリンガのディスクと仕切壁との間に形成されている。
本発明の第４の態様は、第１～３いずれかの態様において、仕切壁が、ハウジングの一部として設けられている。
本発明の第５の態様は、第１～第４いずれかの態様において、仕切壁あるいはスリンガのディスクに設けられると共に隙間流路に配置される突起部を備える。
本発明によれば、ハウジングの内部が、仕切壁によって、液体を減圧させるスリンガの翼部が収容される減圧室と、軸受が収容される軸受収容室とに区分けされている。これらの減圧室と軸受収容室とは隙間流路を介して流体の出入りが可能であるが、仕切壁がない場合と比較してスリンガの翼部が設けられた領域から軸受が設けられた領域への流体移動が極めて少なくなる。このため、スリンガの翼部近傍で生じた熱が、軸受の周囲に伝達されることを抑制することができ、軸受の周囲において液体が昇温もしくは気化することを防止することができる。したがって、本発明によれば、シャフトを軸支する軸受がロケットエンジンの推進剤等の極低温液体によって冷却されるターボポンプにおいて、スリンガによって発生する熱によって軸受の周囲の極低温液体が昇温もしくは気化することを防止することが可能となる。
本発明の第１実施形態におけるターボポンプの概略構成を模式的に示す断面図である。 図１ＡのＡ領域の拡大図である。 本発明の第１実施形態におけるターボポンプが備えるスリンガの斜視図である。 従来のターボポンプのスリンガ近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示した図である。 本発明の第１実施形態のターボポンプのスリンガ近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示した図である。 本発明の第２実施形態におけるターボポンプのスリンガ近傍の拡大図である。 突起部を有していないターボポンプのスリンガ近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示した図である。 本発明の第２実施形態のターボポンプのスリンガ近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示した図である。
　以下、図面を参照して、本発明に係るターボポンプの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
（第１実施形態）
　図１Ａは、本実施形態のターボポンプ１の概略構成を模式的に示す断面図である。
　図１Ｂは、図１ＡのＡ領域の拡大図である。図１Ａに示すように、本実施形態のターボポンプ１は、ハウジング２と、インペラ３と、タービンディスク４と、翼列５と、シャフト６と、軸受７と、シール部８と、スリンガ９とを備えている。
　ハウジング２は、インペラ３、タービンディスク４、翼列５、シャフト６、軸受７及びスリンガ９を収容するケーシングである。このハウジング２は、内部にインペラ３を収容するインペラ収容空間２ａと、タービンディスク４を収容するタービンディスク収容空間２ｂと、シャフト６、軸受７及びスリンガ９を収容する中央収容空間２ｃを備えている。
　また、ハウジング２は、シャフト６の軸が延びる方向に向けて開口し、インペラ収容空間２ａに推進剤Ｘ（極低温の液体）を取り込むポンプ入口開口２ｄを有している。また、ハウジング２は、インペラ３の径方向外側において巻回されるように設けられ、インペラ３によって昇圧された推進剤Ｘをターボポンプ１の外部に吐出するためのスクロール流路２ｅを有している。また、ハウジング２は、タービンディスク４の径方向外側に設けられ、タービン駆動用のガスをタービンディスク収容空間２ｂに供給する導入流路２ｆを有している。また、ハウジング２は、ポンプ入口開口２ｄと反対側に設けられ、タービンディスク４を通過した燃焼ガスを排気するタービン排気口２ｇを有している。
　さらに、本実施形態においてハウジング２は、図１Ｂに示すように、中央収容空間２ｃ（すなわちハウジング２の内部）を減圧室２ｃ１と、軸受収容室２ｃ２とに区分けする仕切壁２ｈを有している。この仕切壁２ｈは、ハウジング２の一部として設けられており、シャフト６を中心としかつシャフト６を囲うように環状に設けられている。
　減圧室２ｃ１は、スリンガ９の後述する翼部９ｂが配置される領域であり、中央収容空間２ｃのタービンディスク４側に設けられている。この減圧室２ｃ１では、スリンガ９の回転によって翼部９ｂが回されることによって推進剤Ｘが減圧されて気化される。また、減圧室２ｃ１は、スリンガ９の翼部９ｂのシャフト６の径方向外側まで延設して設けられている。本実施形態において、シャフト６の径方向における減圧室２ｃ１の長さは、シャフト６の径方向における翼部９ｂの長さの倍程度とされている。
　軸受収容室２ｃ２は、軸受７が設けられる領域であり、中央収容空間２ｃのインペラ３側に設けられている。この軸受収容室２ｃ２には、軸受７を冷却するための推進剤Ｘが直接供給される。なお、軸受収容室２ｃ２に供給された推進剤Ｘは、軸受７を冷却後、一般的にはインペラ３に戻される。
　これらの減圧室２ｃ１と、軸受収容室２ｃ２とは、隙間流路２ｉによって接続されている。この隙間流路２ｉは、仕切壁２ｈとスリンガ９の後述するディスク９ａとの間に形成されている。つまり、隙間流路２ｉは、仕切壁２ｈの内周面２ｈ１と、スリンガ９のディスク９ａの外周面９ａ１との間に形成されている。この隙間流路２ｉのシャフト６の径方向における長さは、軸受収容室２ｃ２に供給され、その後、隙間流路２ｉを介して減圧室２ｃ１に流れ込んだ推進剤Ｘが、再び隙間流路２ｉを介して軸受収容室２ｃ２に逆流しないように設定されている。このため、例えば、隙間流路２ｉのシャフト６の径方向における長さは、スリンガ９の翼部９ｂのシャフト６の径方向における長さに対して十分小さい値、例えば数分の１程度とされている。
　このように、本実施形態のターボポンプ１においては、ハウジング２の一部として仕切壁２ｈが設けられており、この仕切壁２ｈによって、ハウジング２の中央収容空間２ｃが、互いに隙間流路２ｉを介して接続される、減圧室２ｃ１と軸受収容室２ｃ２とに区分けされている。
　インペラ３は、ハウジング２の内部に形成されたインペラ収容空間２ａに収容されたラジアルインペラである。このインペラ３は、シャフト６の第一端と接続されており、タービンディスク４から伝達される回転動力によってシャフト６を中心として回転される。このように回転されることによって、インペラ３は、ポンプ入口開口２ｄからハウジング２内に取り込まれる推進剤Ｘを加圧し、スクロール流路２ｅ側に送り出す。
　タービンディスク４は、ハウジング２の内部に形成されたタービンディスク収容空間２ｂに収容されている。このタービンディスク４は、インペラ３が接続されているシャフト６の第一端の反対側のシャフト６の第二端と接続される円板状の部材である。タービンディスク４の外周面には翼列５が設けられている。翼列５は、シャフト６の周方向に等間隔で配置される複数の翼から形成されている。これらのタービンディスク４及び翼列５によってタービンが形成されており、導入流路２ｆを介してハウジング２内に供給されるタービン駆動ガスの有するエネルギから回転動力が生成される。なお、タービンディスク４及び翼列５を通過したタービン駆動ガスは、タービン排気口２ｇを介してハウジング２の外部に排出される。
　シャフト６は、上述のように第一端がインペラ３と接続され、第二端がタービンディスク４と接続されており、これによってインペラ３とタービンディスク４とを連結している。このシャフト６は、ハウジング２の内部に形成された中央収容空間２ｃを通じてインペラ３とタービンディスク４と連結しており、タービンディスク４側で生成された回転動力をインペラ３に伝達する。
　軸受７は、ハウジング２の内部に形成された中央収容空間２ｃに、シャフト６の延びる方向に離間して一般的には２つもしくは４つ設けられている。これらの軸受７は、シャフト６を回転可能に支持している。
　シール部８は、タービンディスク収容空間２ｂと中央収容空間２ｃとの境界部分（すなわち軸受７とタービンディスク４との間）に設けられており、中央収容空間２ｃからタービンディスク収容空間２ｂに推進剤Ｘが漏出することを防ぐ。本実施形態においては、このシール部８として、非接触式のシールであるいわゆるラビリンスシール機構を採用している。
　図２は、スリンガ９の斜視図である。スリンガ９は、軸受７（シール部８に最も近い軸受７）とシール部８との間に配置されており、図２に示すように、ディスク９ａと複数の翼部９ｂとから構成されている。
　ディスク９ａは、翼部９ｂを支える円板状の部位であり、図１に示すように、ディスク９ａの表裏面がシャフト６の延びる方向に向くようにシャフト６に対して固定されている。翼部９ｂはシャフト６に固定されたディスク９ａのシール部８側の面（以下、表面と称する）に放射状に設けられており、等間隔で複数配列されている。この翼部９ｂの高さ（ディスク９ａの表面から垂直な方向への長さ）は、図１Ｂに示すように、ディスク９ａの表面からハウジング２の内壁までの距離よりも僅かに小さく設定されている。これによって、翼部９ｂは、ハウジング２の内壁に対して最小限の隙間を空けた状態で回転される。
　このような構成を有する本実施形態のターボポンプ１では、タービン駆動用のガスが導入流路２ｆを通じてタービンディスク収容空間２ｂに流入すると、翼列５が燃焼ガスを受け、これによってタービンディスク４が回転されることで回転動力が生成される。
　生成された回転動力は、シャフト６を通じてインペラ３に伝達され、インペラ３が回転される。インペラ３が回転されることにより、インペラ収容空間２ａにポンプ入口開口２ｄから供給された推進剤Ｘが昇圧され、スクロール流路２ｅを通じて吐出される。
　また、このように本実施形態のターボポンプ１が駆動されている間、摩擦熱により加熱される軸受７を冷却するために、中央収容空間２ｃの軸受収容室２ｃ２には、推進剤Ｘが供給される。このような推進剤Ｘは軸受７を冷却した後、一般的にはインペラ３に戻される。
　ここで、軸受収容室２ｃ２に供給された推進剤Ｘの一部は、隙間流路２ｉを通じて減圧室２ｃ１に流れ込む。減圧室２ｃ１に流れ込んだ推進剤Ｘは、シャフト６と共に回転されるスリンガ９の翼部９ｂによって減圧されて気化することで膨張して体積が増大する。また、減圧室２ｃ１とタービンディスク収容空間２ｂとの境界部分には、シール部８が設けられている。このため、減圧室２ｃ１からタービンディスク収容空間２ｂに漏出する推進剤Ｘは極微量となる。
　このような本実施形態のターボポンプ１によれば、ハウジング２の内部である中央収容空間２ｃが、仕切壁２ｈによって、減圧室２ｃ１と軸受収容室２ｃ２とに区分けされている。これらの減圧室２ｃ１と軸受収容室２ｃ２とは隙間流路２ｉを介して推進剤Ｘの出入りが可能であるが、仕切壁２ｈがない場合と比較してスリンガ９の翼部９ｂが設けられた領域（減圧室２ｃ１）から軸受７が設けられた領域（軸受収容室２ｃ２）への推進剤Ｘの移動が極めて少なくなる。このため、スリンガ９の翼部９ｂ近傍で生じた熱が、軸受７の周囲に伝達されることを抑制することができ、軸受７の周囲において推進剤Ｘが昇温もしくは気化することを防止することができる。したがって、本実施形態のターボポンプ１によれば、シャフト６を軸支する軸受７が極低温液体であるロケットエンジンの推進剤Ｘによって冷却されるターボポンプ１において、スリンガ９によって発生する熱によって軸受７の周囲の推進剤Ｘが昇温もしくは気化することを防止することが可能となる。よって、冷却不足によって軸受７の摩耗が増加し、最悪の場合に焼き付きを起こすことを防止することが可能となる。
　図３Ａ、図３Ｂは、仕切壁２ｈを有していない従来のターボポンプ１と、仕切壁２ｈを備える本実施形態のターボポンプ１とのスリンガ９近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を示す。図３Ａは、従来のターボポンプ１のスリンガ９近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示し、図３Ｂは、本実施形態のターボポンプ１のスリンガ９近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示している。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、図中に示す数字は、等高線の相対的な速度であり、速度の絶対値ではない。
　図３Ａに示すように、仕切壁２ｈを有していない場合には、スリンガ９の翼部９ｂからスリンガ９の軸受側（図中左側）に向けての流れが形成されており、スリンガ９の翼部９ｂで生成された熱がスリンガ９の軸受７側に向かうことが分かる。一方、図３Ｂに示すように、仕切壁２ｈを備える本願発明のターボポンプ１の場合には、スリンガ９の翼部９ｂからスリンガ９の軸受７側に向かう流れが形成されておらず、スリンガ９の翼部９ｂで生成された熱がスリンガ９の軸受７側に到達しにくいことが分かる。
　また、本実施形態のターボポンプ１においては、減圧室２ｃ１が、スリンガ９の翼部９ｂよりもシャフト６の径方向外側まで延設して設けられている。このため、減圧室２ｃ１が広くなり、翼部９ｂが回転することによって減圧室２ｃ１にて掻き回された推進剤Ｘが減圧室２ｃ１から出ることなく、減圧室２ｃ１の内部を循環することができる。よって、減圧室２ｃ１から軸受収容室２ｃ２への推進剤Ｘの逆流をより確実に防止することが可能となる。
　また、本実施形態のターボポンプ１においては、隙間流路２ｉは、スリンガ９のディスク９ａと仕切壁２ｈとの間に形成されている。このため、隙間流路２ｉを形成するために、ハウジング２に貫通孔を形成する等の加工や、別部材を設置することなく、隙間流路２ｉを形成することができる。
　また、本実施形態のターボポンプ１においては、仕切壁２ｈが、ハウジング２の一部として設けられている。このため、ハウジング２の形状を変更するのみで仕切壁２ｈを形成することができ、容易に仕切壁２ｈを形成することができる。
（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、第１実施形態と同様の部分については、第１実施形態と同様の参照番号を付し、その説明を省略あるいは簡略化する。
　図４は、本実施形態のターボポンプ１のスリンガ９近傍の拡大図である。この図に示すように、本実施形態のターボポンプ１は、仕切壁２ｈの内周面２ｈ１に対して、複数の突起部１０が設けられている。このような突起部１０によって、ラビリンスシールが形成されるため、減圧室２ｃ１から軸受収容室２ｃ２への推進剤Ｘの移動をさらに減少させることが可能となる。なお、突起部１０の数は任意であり、またスリンガ９のディスク９ａに対して設けても良い。
　図５Ａ、図５Ｂは、突起部を有していないターボポンプ１と、突起部１０を備える第２実施形態のターボポンプ１とのスリンガ９近傍の流体速度について検証したシミュレーション結果である。図５Ａは、突起部を有していないターボポンプ１のスリンガ９近傍を流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示し、図５Ｂは、第２実施形態のターボポンプ１のスリンガ９近傍を流体速度について検証したシミュレーション結果を速度等高線を用いて示した図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、図中に示す数字は、等高線の相対的な速度であり、速度の絶対値ではない。
　図５Ａと図５Ｂとの比較から明らかなように、突起部１０を設けることにより、スリンガ９の翼部９ｂからスリンガ９の軸受７側に向かう流れが弱まり、スリンガ９の翼部９ｂで生成された熱がスリンガ９の軸受７側に到達しにくいことが分かる。したがって、第２実施形態のターボポンプによれば、スリンガ９の軸受７側の温度をさらに下げることができる。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
　例えば、上記実施形態においては、本発明の液体（極低温液体）が推進剤Ｘである構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、他の極低温液体を扱うターボポンプ全体に適用することができる。
　また、上記実施形態においては、減圧室２ｃ１がスリンガ９の翼部９ｂよりもシャフト６の径方向外側まで延設して設けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、減圧室２ｃ１が翼部９ｂの上記径方向の長さと同程度の長さを有する構成を採用することも可能である。
　また、例えば、仕切壁２ｈに貫通孔を形成してこの貫通孔を隙間流路とする構成や、ハウジング２と別体の仕切壁を設ける構成を採用することも可能である。
本発明によれば、シャフトを軸支する軸受がロケットエンジンの推進剤等の極低温液体によって冷却されるターボポンプにおいて、スリンガによって発生する熱によって軸受の周囲の極低温液体が昇温もしくは気化することを防止することが可能となる。
１　ターボポンプ
２　ハウジング
２ａ　インペラ収容空間
２ｂ　タービンディスク収容空間
２ｃ　中央収容空間
２ｃ１　減圧室
２ｃ２　軸受収容室
２ｄ　ポンプ入口開口
２ｅ　スクロール流路
２ｆ　導入流路
２ｇ　タービン排気口
２ｈ　仕切壁
２ｈ１　内周面
２ｉ　隙間流路
３　インペラ
４　タービンディスク
５　翼列
６　シャフト
７　軸受
８　シール部
９　スリンガ
９ａ　ディスク
９ａ１　外周面
９ｂ　翼部
１０　突起部
Ｘ　推進剤（液体）

Claims (9)

  1. 　液体を加圧するインペラと、翼列が設けられるタービンディスクと、前記インペラと前記タービンディスクとを連結するシャフトと、前記シャフトを軸支する軸受と、前記インペラ、前記タービンディスク、前記シャフト及び前記軸受を収容するハウジングとを有するターボポンプであって、
    　前記軸受と前記タービンディスクとの間に設けられるシール部と、
    　前記軸受と前記シール部との間に配置され、かつ、前記シャフトに固定されるディスク及び前記ディスクの前記シール部側に複数設けられる翼部を有するスリンガと、
    　前記ハウジングの内部を、互いに隙間流路を介して接続される、前記スリンガの翼部が配置される減圧室と、前記軸受が収容される軸受収容室とに区分けする仕切壁と
    　を備えるターボポンプ。
  2. 　前記減圧室は、前記スリンガの翼部よりも前記シャフトの径方向外側まで延設して設けられている請求項１記載のターボポンプ。
  3. 　前記隙間流路は、前記スリンガのディスクと前記仕切壁との間に形成されている請求項１または２記載のターボポンプ。
  4. 　前記仕切壁は、前記ハウジングの一部として設けられている請求項１または２記載のターボポンプ。
  5. 前記仕切壁は、前記ハウジングの一部として設けられている請求項３記載のターボポンプ。
  6. 　前記仕切壁あるいは前記スリンガのディスクに設けられると共に前記隙間流路に配置される突起部を備える請求項１または２記載のターボポンプ。
  7. 前記仕切壁あるいは前記スリンガのディスクに設けられると共に前記隙間流路に配置される突起部を備える請求項３記載のターボポンプ。
  8. 前記仕切壁あるいは前記スリンガのディスクに設けられると共に前記隙間流路に配置される突起部を備える請求項４記載のターボポンプ。
  9. 前記仕切壁あるいは前記スリンガのディスクに設けられると共に前記隙間流路に配置される突起部を備える請求項５記載のターボポンプ。
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