JP4556465B2 - インデューサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプの吸込み性能を維持させるためのインデューサ装置に係り、特に、流体を高加圧する高速大流量のポンプに好適に適用されるインデューサ装置に関する。

液体ロケットエンジン等においては、高圧の液体水素或いは液体酸素などの極低温流体を加圧するため、ターボポンプ等の高速大流量のポンプが使用されている。そしてこのポンプの吸込み性能を維持させるため、その上流側にインデューサ装置を装備するのが一般的である（特許文献１〜４参照）。

一般にインデューサ装置は、ポンプ羽根車の上流側に設置された羽根車を備え、この羽根車を流体が通過するときに流体を加圧し、ポンプ羽根車への流体の吸込みを補助するようになっている。このようにポンプ羽根車に導かれた流体は、ポンプ羽根車の高速回転により高加圧され、例えば２Ｋｇ／ｃｍ² 程度の液圧のものが３００Ｋｇ／ｃｍ²程度まで加圧され、ロケットエンジン等に供給される。

一方、このようなインデューサ装置においては、比較的高い流量係数で作動された場合、旋回キャビテーション、アタッチドキャビテーション等の、回転軸に対して非対称なキャビテーションが発生し、羽根強度や軸振動に影響を与えることが知られている（特許文献１〜３参照）。

この対策として、羽根車を取り囲むケーシングに拡径部を設け、非対称キャビテーションに起因する軸振動不安定現象を回避する手法が知られている。

特許文献１には、羽根車の流路を区画するケーシングの入口側に、羽根車を囲む区間の内径よりも大きな内径でなる拡径部を設けたインデューサ装置が開示されている。その拡径部と羽根車を囲む区間との間には、これらを滑らかに接続する傾斜面部が形成される。

特許文献２には、羽根車よりも上流側の位置から、羽根車の上流側部分と重なっている位置までの帯域でケースの内壁を拡径し、羽根とケースとの間のクリアランスを普通のクリアランスより１０倍以上大きい値とするインデューサ装置が開示されている。

これらの技術の効果としては、インデューサ装置入口付近のクリアランスをその他の部分より大きくすることにより、羽根外周部から上流方向に逆流する洩れ流れを増加させることで、非対称キャビテーション構造の形成を抑制するという効果、あるいは相対的にクリアランスの偏芯の影響を緩和するという効果が考えられる。

特開平５−３３２３００号公報 特開平１１−８２３８５号公報 航空宇宙技術研究所報告、ＴＲ−１３５９、１９９８年７月 特開平９−１４４６９９号公報

しかしながら、このようなケーシングを拡径する手法では、ケーシングの形状が複雑になりコストの増大が懸念される。また、既存のポンプに適用する場合ケーシングの大幅な設計変更が必要となる。さらに、一度設計した拡径部の形状・寸法等を変更しようとする場合、比較的大きな部品であるケーシング全体の設計変更が必要となる可能性が大きい。

そこで本発明の目的は、かかる問題を解消し、非対称キャビテーションに起因する軸振動不安定現象の防止に関してこれをシンプルなケーシング形状にて達成し、また既存ポンプの場合等であってもケーシングの設計変更を不要とし得るインデューサ装置を提供することにある。

本発明によれば、ポンプの吸い込み性能を維持すべく前記ポンプの上流側に設けられ、複数の羽根を有する羽根車と、この羽根車を隙間を隔てて取り囲み流路を区画するケーシングとを備えたインデューサ装置において、前記羽根の入口部に、前記ケーシングとの間の前記隙間を大きくするための所定区間に亘る段差を設け、該段差の下流端が、隣接する羽根の開始点がある位相位置付近に位置されることを特徴とするインデューサ装置が提供される。

また好ましくは、前記段差が、少なくとも、前記羽根の取付ピッチの１／３に等しい位相区間に亘って設けられる。

また好ましくは、前記段差が、前記羽根の外径端の全長に対し５〜３０％の軸方向距離となる区間に設けられる。

前記段差の下流側端部に、前記隙間を下流側に向けて徐々に小さくするための傾斜部が設けられてもよい。

本発明によれば、ケーシングを拡径することなく羽根の入口部においてケーシングと羽根との間の隙間を大きくすることができる。このため、シンプルなケーシング形状にて非対称キャビテーションの発生を無くし、これに起因する軸振動不安定現象を回避し得る。また既存ポンプに適用する場合等であってもケーシングの設計変更を不要とすることができる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図５に本実施形態に係るインデューサ装置を示す。インデューサ装置２０は、液体ロケットエンジン等における高速大流量のポンプ２１の吸込み性能を維持させるためそのポンプ２１の上流側に設けられている。これらインデューサ装置２０及びポンプ２１が取り扱う流体は、高圧かつ極低温の液体水素又は液体酸素などの液体であり、矢示の如く入口側から供給された液体は図の左側から右側に向かって流れ、まずインデューサ装置２０によって予圧され、次いでポンプ２１によって高圧まで加圧されて液体ロケットエンジン等に供給される。

本実施形態においてポンプ２１はターボポンプであり、ポンプ回転軸２８の一端に固定されたインペラ２９と、ポンプ回転軸２８の他端に固定されたタービン３０の翼車３１とを有する。回転軸２８は軸受３３を介してポンプケーシング３２に回転自在に支持されている。ポンプケーシング３２はインペラ２９を収容し、液体を流通させるための流路を区画する。

インデューサ装置２０は、インデューサ回転軸３４の上流端に取り付けられた軸流型の羽根車２３を有する。羽根車２３はケーシング２４に収容され、ケーシング２４は羽根車２３を所定の隙間を隔てて取り囲むと共に、内部に流体を通過させるための流路２７を区画する。インデューサ回転軸３４はポンプ回転軸２８に同軸に連結されるか又は一体とされ、これによりインデューサ装置２０の羽根車２３、ポンプ２１のインペラ２９、及びタービン３０の翼車３１は同一回転速度で回転される。その回転速度は数万回転／分のオーダーである。インデューサ回転軸３４は、支持部４５及び軸受４６を介してケーシング２４に回転自在に支持される。ケーシング２４は本実施形態ではポンプケーシング３２に一体とされている。

羽根車２３は、インデューサ回転軸３４の端部に設けられた羽根取付部３５に、複数（本実施形態では三枚）の螺旋状の羽根３６を立設してなり、その高速回転により液体を軸方向下流側に送り出すようになっている。ケーシング２４の内面或いはこれによって区画される流路２７は、軸方向に沿って一定である内径Ｄを有する（図４参照）。即ち、流路２７の内径Ｄは、羽根車２３よりも上流側に位置する入口部２５から、羽根車２３よりも下流側の領域に至るまで、一定である。この点、拡径部により内径が変化する特許文献１及び２のケーシングとは異なる。

特にこの拡径部に代わり、本実施形態では羽根車の羽根に段差が設けられている。以下この点について詳細に説明する。

図１〜図３に示されるように、本実施形態に係る羽根車２３においては、羽根３６の入口部に所定区間に亘る段差１が設けられている。そして段差のある区間（段差区間Ａ）において、羽根３６とケーシング２４との間の径方向の隙間ｃ１は、段差区間Ａより下流側の領域（下流側領域Ｂ）における羽根３６とケーシング２４との間の径方向の隙間ｃ２より大きくされている。隙間ｃ２の大きさは、所望のインデューサ性能を確保すべく最小限に設定されるものである。

段差１は、下流側領域Ｂよりも羽根３６の半径を小さくしてなる。即ち段差区間Ａの羽根３６の半径Ｒ１は下流側領域Ｂの羽根３６の半径Ｒ２より小さい。そして段差１は、流れ方向下流側に向かって羽根３６の前端縁（リーディングエッジ）２で開始し（開始点或いは上流端ａ）、羽根３６の外周端で終了する（終了点或いは下流端ｂ）。図３における本実施形態の羽根３６と、図９における段差のないベースの羽根３６とを見比べれば分かるように、段差１は、ベースの羽根の入口部外周端部を切り欠いたように構成されている。

図２及び図４から分かるように、段差区間Ａにおいて羽根３６は開始点ａから終了点ｂ直前まで一定の半径Ｒ１を有し、終了点ｂの位置で半径がＲ１からＲ２に変更される。即ち段差１の下流端部３が半径方向にほぼ平行とされている。段差区間Ａは所定の軸方向距離ｄ１及び位相範囲αを有する。

段差区間Ａにおける各部寸法については主に非対称キャビテーションの防止という観点から様々な値が設定し得るが、好ましくは以下のように設定される。

図４を参照して、例えば段差区間Ａの隙間ｃ１に関しては、下流側領域Ｂの隙間ｃ２の３〜８倍とするのが好ましい。

また、段差区間Ａの軸方向距離ｄ１については、羽根３６の外径端の全長Ｌに対し５〜３０％とするのが好ましい。

また、図２に示されるように、段差区間Ａの位相範囲αについては、少なくとも、羽根３６の取付ピッチの１／３とするのが好ましい。本実施形態の場合、３枚の羽根３６が等位相間隔で取り付けられており、羽根３６の取付ピッチは１２０°なので、段差区間Ａの位相範囲αは少なくとも４０°である。

さらに図２に示されるように、段差区間Ａの終了点（下流端）ｂは、隣接する羽根の開始点がある位相位置付近に位置されるのが好ましい。ここで隣接する羽根とは、ある羽根に対して反回転方向に隣接する羽根のことをいう。例えば図中示される羽根３６Ａに関して、隣接する羽根は３６Ｂであり、その開始点は３６ＢＸである。その開始点３６ＢＸがある位相位置θＢの付近に、羽根３６Ａの段差１の終了点ｂが位置される。

さて、以上のように構成されたインデューサ装置２０においては、羽根３６の入口部に段差１を設けたことで、その入口部の隙間ｃ１が下流側領域Ｂの隙間ｃ２より大きくなる。よって引用文献１及び２のように、羽根の入口部付近でケーシング側を拡径し、ケーシングと羽根との隙間を大きくしたのと同様の効果が得られる。従って旋回キャビテーション、アタッチドキャビテーション等の非対称キャビテーションの発生を無くすことができ、ポンプの軸振動が過大となることを抑止することができる。

しかも、このような効果を、ケーシング側に一切拡径部を設けずに得ることができるのが大きな特徴である。従って、ケーシングの形状はシンプルとなりコストの増大が防止される。また、既存のポンプに適用する場合でもケーシングの設計変更は不要で、ケーシングより明らかに小さい部品である羽根車ないしは羽根の設計変更のみで済む。さらに隙間ｃ１の形状・寸法等を変更しようとする場合でも、ケーシングの設計変更は不要で、羽根車ないしは羽根の設計変更のみで済む。このように設計変更を比較的容易に行うことが可能となり、かつ比較的容易な設計変更で非対称キャビテーションに対する特性を変更可能とすることができる。

ところで、流体が羽根車に流入するとき、本実施形態のように、最初の流入部つまり羽根の入口部において羽根とケーシングとの隙間を増大するのが非対称キャビテーションの抑制に効果的である。これは羽根の入口部で流体圧力が比較的急激に増加し、羽根の腹側と背側との差圧が大きくなり、これによって逆流による渦を生じさせ、不安定現象を抑制できるからである。なお、羽根の腹、背とは、図２において紙面厚さ方向手前側の見える面が羽根の背であり、その裏の見えない面が羽根の腹である。

従って、このような差圧の大きくなるような区間に段差１を設けるのが好ましい。かかる観点から本実施形態では段差区間Ａにおける各寸法が上記のように設定されている。

即ち、段差１の下流端ｂは、隣接する羽根３６Ｂの開始点３６ＢＸがある位相位置θＢ付近に位置されるのが好ましい。開始点３６ＢＸから羽根３６Ｂへの流体導入が始まり、羽根３６Ｂの腹側の圧力が増大し始め、よって他方の羽根３６Ａにおける差圧が減少し始めるからである。これと同様の理由で、段差区間Ａの位相範囲αは、少なくとも羽根３６の取付ピッチの１／３とするのが好ましい。

なお、段差１を設けたことによる羽根の強度上の劣化は実用上問題とならない。羽根が螺旋状に十分長いからである。また段差区間Ａから下流側区間Ｂへの移行時に非対称キャビテーションが発生する虞はない。段差区間Ａの終了点手前ですでに流体圧力がある程度高まっているからである。

本発明の他の実施形態は様々なものが考えられる。例えば、図６に示すように、段差１の下流側の端部に、隙間ｃ１を下流側に向けて徐々に小さくするための傾斜部４が設けられてもよい。傾斜部４においては、羽根３６の半径がＲ１からＲ２に徐々に増大される。この傾斜部４により、羽根外周部から上流方向に逆流する洩れ流れが徐々に消失され、好ましい特性となることが期待できる。

図７及び図８に示すように、本発明は斜流型のインデューサ装置にも適用できる。図７の実施形態において、流路２７は、羽根３６よりも入口側の位置で、一定内径Ｄの形状から、下流側に向かうにつれ順次大径となるテーパ形状に変更され、そのテーパ形状の部分に羽根３６が位置される。羽根３６の入口部に前記同様の段差１が設けられ、段差区間Ａでは、羽根３６の外周端が流路２７の内面と平行になるように、或いは一定の隙間ｃ１を形成するように、半径Ｒ１が下流側に向かうにつれ順次増大されている。

図８の実施形態において、流路２７は、段差１の終了点ｂ直後の下流側区間Ｂ内の位置で一定内径Ｄの形状からテーパ形状に変更され、これに伴って羽根車２３においても、当該位置を境に羽根３６が一定内径Ｒ１から順次増大されるようになる。段差１は流路２７の一定内径Ｄとなる部分に設けられているので、段差１の形状等は図１乃至図４に示したような前記実施形態と同様である。

本発明は例えば消防用ポンプやＬＮＧポンプなどにも適用可能である。取り扱う流体についても液体水素又は液体酸素などの液体に限定されない。要するに本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想内において様々な変形例や応用例を採り得るものである。

本発明の好適実施形態に係るインデューサ装置の縦断側面図である。 本実施形態に係る羽根車の概略正面図である。 本実施形態に係る羽根車の斜視図である。 本実施形態に係るインデューサ装置の要部拡大縦断側面図である。 本実施形態に係るインデューサ装置が適用されるポンプの縦断側面図である。 他の実施形態に係るインデューサ装置の縦断側面図である。 他の実施形態に係るインデューサ装置の縦断側面図である。 他の実施形態に係るインデューサ装置の縦断側面図である。 本実施形態に係る羽根車のベースとなる段差の無い羽根車を示す斜視図である。

符号の説明

１ 段差
４ 傾斜部
２０ インデューサ装置
２１ ポンプ
２３ 羽根車
２４ ケーシング
２７ 流路
３６ 羽根
３６ＢＸ 隣接する羽根の開始点
ａ 段差の開始点
ｂ 段差の終了点
ｃ１ 段差区間の隙間
ｃ２ 下流側領域の隙間
Ｌ 羽根の外径端の全長
θＢ 隣接する羽根の開始点がある位相位置
α 段差区間の位相領域

Claims (4)

1. ポンプの吸い込み性能を維持すべく前記ポンプの上流側に設けられ、複数の羽根を有する羽根車と、該羽根車を隙間を隔てて取り囲み流路を区画するケーシングとを備えたインデューサ装置において、前記羽根の入口部に、前記ケーシングとの間の前記隙間を大きくするための所定区間に亘る段差を設け、該段差の下流端が、隣接する羽根の開始点がある位相位置付近に位置されることを特徴とするインデューサ装置。
2. 前記段差が、少なくとも、前記羽根の取付ピッチの１／３に等しい位相範囲に亘って設けられる請求項１記載のインデューサ装置。
3. 前記段差が、前記羽根の外径端の全長に対し５〜３０％の軸方向距離となる区間に設けられる請求項１又は２記載のインデューサ装置。
4. 前記段差の下流側端部に、前記隙間を下流側に向けて徐々に小さくするための傾斜部が設けられる請求項１乃至３いずれかに記載のインデューサ装置。

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