(57)【要約】液体燃料推進ロケットエンジンは、主ターボポンプとブースタターボポンプを含む。主ターボポンプは、供給管路と流体的に連結された出口を有する主ポンプを備える。ブースタターボポンプは、ハウジング、ロータ、ブースタポンプ及びタービンを含む。ブースタポンプは、ハウジングの第１の部分とロータの第１の部分を含む。タービンは、ハウジングの第２の部分とロータの第２の部分を含む。タービンは、ロータの第２の部分に取り付けられたタービンブレードと供給管路に流体的に連結された入口を有する。タービンは、ハウジングの第１の部分ではなく、ハウジングの第２の部分によって定められる周方向に配置された複数の送り管路を有する。これらの送り管路は、入口とタービンブレードの間に流体的に連結されている。送り管路は、鋭角の湾曲部を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料推進ロケットエンジンであって、
供給管路と流体的に連結された出口を有する主ポンプを備える主ターボポンプと、
ブースタターボポンプと、を有し、ブースタポンプは、
ハウジングと、
ロータと、
前記ハウジングの第１の部分と、前記ロータの第１の部分と、を含むブースタポンプと、
前記ハウジングの第２の部分と、前記ロータの第２の部分と、を含むタービンと、を備え、
前記タービンは、前記ロータの第２の部分に取り付けられたタービンブレードを有し、
前記タービンは、前記供給管路と流体的に連結された入口を有し、
前記タービンは、前記ハウジングの第１の部分ではなく、前記ハウジングの第２の部分によって定められる複数の周方向に配置された送り管路を有し、
前記周方向に配置された送り管路は、前記入口と前記タービンブレードとの間に流体的に連結されており、
前記周方向に配置された送り管路は、鋭角の湾曲部を有することを特徴とする液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項２】
前記鋭角の湾曲部は、約６０°であることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項３】
ブースタポンプは、前記ロータの第１の部分に取り付けられたインデューサと液体酸素供給タンクとの間に流体的に連結された入口を有することを特徴とする請求項１に記載の液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項４】
液体燃料推進ロケットエンジンであって、
供給管路を備える主ターボポンプと、
ブースタターボポンプと、を有し、ブースタターボポンプは、
ハウジングと、
ロータと、
前記ロータの第１の部分にインデューサブレードを有し、かつ前記ハウジングの第１の部分にベーンを有する軸流ブースタポンプと、
前記ロータの第２の部分にタービンブレードを有する軸流タービンと、を備え、
前記ハウジングは、軸流タービンにつながる複数の送り管路を定めており、これらの送り管路は、ブースタポンプの前記ベーンの径方向内側に位置する湾曲部をそれぞれ含み、これらの湾曲部は、前記ベーンを通って延びていないことを特徴とする液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項５】
前記湾曲部は、９０°より小さい鋭角であることを特徴とする請求項４に記載の液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項６】
前記湾曲部は、約６０°であることを特徴とする請求項４に記載の液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項７】
軸流タービンへの前記送り管路は、前記供給管路と流体的に連通していることを特徴とする請求項４に記載の液体燃料推進ロケットエンジン。
【請求項８】
前記ハウジングは、軸流ブースタポンプのポンプ出口及び軸流タービンのタービン出口を定めており、タービン出口は、ポンプ出口に開口していることを特徴とする請求項４に記載の液体燃料推進ロケットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料推進ロケットエンジンに関し、特に、軸方向の供給を受けるタービンを備えるブースタターボポンプを有する液体燃料推進ロケットエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、２０１６年７月２２日出願の米国仮特許出願第６２／３６５６２５号の優先権を主張する。
【０００３】
液体燃料推進ロケットエンジンは、推進剤として液体酸素を使用することができる。液体酸素は、燃焼の前に酸素ブースタポンプ及び主ターボポンプを含む一連のポンプで加圧される。酸素ブースタポンプは、タービン部とポンプ部を含む。ポンプ部は、貯蔵タンクからの比較的低圧の液体酸素の圧力を増加させる。液体酸素は、続いて、主ターボポンプに送られ、さらに加圧される。
【０００４】
主ターボポンプからの液体酸素の一部は、抽気管路に分流され、酸素ブースタポンプのタービン部に送られる。タービン部は、酸素ブースタポンプのポンプ部を駆動する。軸流タービンを使用するため、従って、タービンへ液体酸素の抽気を軸方向に送るために、タービン入口がポンプ部を通るように設けられる。例えば、タービン入口は、ポンプ部のベーンを通って延在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の例による液体燃料推進ロケットエンジンは、主ターボポンプと、ブースタターボポンプと、含む。主ターボポンプは、供給管路と流体的に連結された出口を有する主ポンプを備える。ブースタターボポンプは、ハウジングと、ロータと、ハウジングの第１の部分とロータの第１の部分とを含むブースタポンプと、ハウジングの第２の部分とロータの第２の部分とを含むタービンと、を備える。タービンは、ロータの第２の部分に取り付けられたタービンブレードを有する。タービンは、供給管路と流体的に連結された入口を有する。タービンは、ハウジングの第１の部分ではなく、ハウジングの第２の部分によって定められる複数の周方向に配置された送り管路を有する。周方向に配置された送り管路は、入口とタービンブレードとの間に流体的に連結されている。周方向に配置された送り管路は、鋭角の湾曲部を有する。
【０００６】
上記のいずれかの実施例の追加の実施例では、鋭角の湾曲部は、約６０°である。
【０００７】
上記のいずれかの実施例の追加の実施例では、ブースタポンプは、ロータの第１の部分に取り付けられたインデューサと液体酸素供給タンクとの間に流体的に連結された入口を有する。
【０００８】
本開示の例による液体燃料推進ロケットエンジンは、供給管路を備える主ターボポンプと、ブースタターボポンプと、を有する。ブースタターボポンプは、ハウジングと、ロータと、ロータの第１の部分にインデューサブレードを有し、かつハウジングの第１の部分にベーンを有する軸流ブースタポンプと、ロータの第２の部分にタービンブレードを有する軸流タービンと、を備える。ハウジングは、軸流タービンにつながる複数の送り管路を定めている。これらの送り管路は、ブースタポンプのベーンの径方向内側に位置し、かつベーンを通って延びていない湾曲部をそれぞれ含む。
【０００９】
上記のいずれかの実施例の追加の実施例では、湾曲部は、９０°より小さい鋭角である。
【００１０】
上記のいずれかの実施例の追加の実施例では、湾曲部は、約６０°である。
【００１１】
上記のいずれかの実施例の追加の実施例では、軸流タービンへの送り管路は、供給管路と流体的に連通している。
【００１２】
上記のいずれかの実施例の追加の実施例では、ハウジングは、軸流ブースタポンプのポンプ出口及び軸流タービンのタービン出口を定めており、タービン出口は、ポンプ出口に開口している。
【００１３】
本開示の種々の特徴及び利点は、以下の詳細な説明より当業者に明らかとなる。詳細な説明に付随する図面を以下に簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】例示的な液体燃料推進ロケットエンジンの説明図である。
【図２】ロケットエンジンのブースタターボポンプの透視図である。
【図３Ａ】ブースタターボポンプの断面図である。
【図３Ｂ】ブースタターボポンプの部分断面図である。
【図４】ブースタターボポンプの送り管路を切り離して示した立体説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、例示的な液体燃料推進ロケットエンジン２０を概略的に示している。ロケットエンジン２０は、燃焼チャンバ２２とノズル２４を含む。ロケットエンジン２０は、燃料タンク２６の燃料及び酸素タンク２８の液体酸素から推力を発生させる。燃料と液体酸素は燃焼チャンバ２２内で燃焼され、燃焼ガスは、推力を発生させるためにノズル２４から放出される前にスロート部を通して加速される。
【００１６】
液体酸素は、燃焼チャンバ２２に供給される前に加圧される。この例では、液体酸素は、最初に、ブースタターボポンプ３０（“ＢＴＰ３０”）で加圧され、次いで、主ポンプ３２ａを有する主ターボポンプ（“ＭＴＰ３２”）でさらに加圧される。ＢＴＰ３０は、ブースタポンプ３４とタービン３６を含む。ブースタポンプ３４は、液体酸素を加圧する。
【００１７】
液体酸素は、続いて、ブースタポンプ３４からＭＴＰ３２に送られる。液体酸素の一部は、主ポンプ３２ａの出口３２ｂから供給管路３８を通してＢＴＰ３０に戻るように送られる。この液体酸素は、ＢＴＰ３０のタービン３６に送られる。液体酸素は、タービン３６内で膨張してブースタポンプ３４を駆動する。
【００１８】
図２は、ＢＴＰ３０の透視図であり、図３ＡはＢＴＰ３０の断面図であり、図３ＢはＢＴＰ３０の選択された部分のＢＴＰ３０の回転中心軸に垂直な断面図である。ＢＴＰ３０は、ハウジング４０を含む。ブースタポンプ３４は、概してハウジング４０の一部を含み、タービン３６は、ハウジング４０の他の第２の部分を含む。さらに、ブースタポンプ３４とタービン３６は、共通のロータ４２を共有する。ハウジング４０と同様に、ブースタポンプ３４は、ロータ４２の一部を含み、タービン３６は、ロータ４２の他の第２の部分を含む。
【００１９】
ブースタポンプ３４は、インデューサブレード４４ａの周方向の列と、インデューサブレード４４ａの下流に位置するベーン４４ｂの周方向の列と、を含む。ハウジング４０は、インデューサブレード４４ａにつながるポンプ入口４６と、ベーン４４ｂから外につながるポンプ出口４８と、を定める。ブースタポンプ３４は、軸流であり、液体酸素タンク２８からの液体酸素は、ポンプ入口４６に軸方向に送られる。ポンプ入口４６とポンプ出口４８は、中心軸に関して互いを横切るように方向づけられている。
【００２０】
タービン３６のロータ４２部分は、ロータ４２に取り付けられた複数のタービンブレード５２の列と、ブレード５２の列の間に設けられたベーン５４と、を含む。ブースタポンプ３４とタービン３６は共通のロータ４２に取り付けられているため、タービン３６を通した液体酸素の膨張によってブースタポンプ３４が回転駆動される。
【００２１】
ハウジング４０は、タービン入口５６とタービン出口５８を定める。タービン入口５６は、タービンブレード５２につながる複数の周方向に配置された送り管路５６ａを含む。送り管路５６ａは、図４にも立体説明図として切り離して示されている。タービン入口５６は、ＭＴＰ３２からの供給管路３８と流体的に連結されている。タービン出口５８は、６０として示すようにポンプ出口４８に開口する（図２参照）。
【００２２】
タービン３６は、軸流であり、よって、供給管路３８からの液体酸素は、タービン３６に軸方向に送られる。しかし、ブースタポンプ３４の存在によってタービン３６への液体酸素の軸方向の供給が妨げられる。類似のタービンポンプでは、タービンへの入口は、ブースタポンプの１つまたは複数のベーンを通して設けられる。これは、多くの場合、入口通路を収容するようにベーンの形状寸法を設計することを要し、より良好なポンプ効率を有する形状寸法と競合する。
【００２３】
ＢＴＰ３０では、ベーン４４ｃを通る入口を有する代わりに、ハウジング４０がタービン３６への送り管路５６ａを定める。送り管路５６ａは、５６ｂとして示される鋭角の湾曲部をそれぞれ含む（図４参照）。湾曲部の角度に関して、ロータ４２が対称軸である。上流はブースタポンプ３４に向かう方向であり、下流はタービン３６に向かう方向（０°）である。送り管路５６ａは、ハウジング４０の第２の部分に上流方向で入り、下流方向に対して約２１５°の角度を成すベクトルに沿ってロータ４２に径方向内向きに近づく。送り管路５６ａは、鋭角５６ｂにおいて対称軸とほぼ平行な下流方向に滑らかに湾曲する。鋭角の湾曲部５６ｂは、９０°以下である。図示の例では、鋭角の湾曲部５６ｂは、約６０°である。これにより、ブースタポンプ３４とタービン３６は、図３ではほぼ左から右への軸方向である共通の軸方向から供給を受ける。
【００２４】
送り管路５６ａの湾曲部により、送り管路５６ａは、ブースタポンプ゜３４のエンベロープの外部、より詳細にはブースタポンプ３４に含まれるハウジング４０部分の外部に設けることができる。例えば、（５６ａ’として示される）通路５６ａの部分は、ブースタポンプ３４のベーン４４ｃの周方向の列の径方向内側にあるが、ブースタポンプ３４のベーン４４やハウジング４０を通らない。すなわち、送り管路５６ａの鋭角の湾曲部５６ｂは、ブースタポンプ３４の外部の限られた空間内に送り管路５６ａを組み込むことを可能にする。これにより、入口を収容するようにベーン４４ｃを形状づける必要はなくなる。代わりに、ベーン４４ｃは、ポンプ効率を向上させるように形状づけることができる。同様に、送り管路５６ａの寸法も、ベーン４４ｃの大きさや形状寸法に制約されることなく、タービン３６への入力を大きくするように少なくともいくらか大きくすることができる。ベーンを通る流路は直径が小さく、実質的な圧力降下が生じるので、これにより、性能を向上させることができる。本開示では、送り管路５６ａの数をより少なくして直径を大きくし、圧力降下を減少させることができる。さらに、部品が少なくなるので製造がより安価になり、実装がよりコンパクトになる。
【００２５】
図示の例では、特徴部の組み合わせが示されているが、本開示の種々の実施例の利点を実現するために全ての特徴部を組み合わせる必要はない。換言すると、本開示の実施例に従って設計されたシステムは、いずれかの図に示す全ての特徴部または図に概略的に示す全ての部分を必ずしも含まない。さらに、一実施例の選択された特徴部を他の例示的な実施例の選択された特徴部と組み合わせることもできる。
【００２６】
上述の説明は、例示的なものであり、限定的なものではない。開示された実施例の変更及び改良は、当業者に明らかとなり得るが、必ずしも本開示から逸脱しない。本開示に与えられる法的保護の範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ判断できる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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