(57)【要約】【課題】キャビテーション流れが不安定化するのを抑制し、かつ、広い作動点領域で効果を発揮することができるキャビテーション流れの安定化装置を提供する。【解決手段】液体燃料Ｌを加圧する高速ポンプ１の遠心インペラ１４上流側に配設され、回転駆動される軸部３３とその外周部に螺旋状に形成された羽根３４とを有し、上流側からの液体燃料Ｌを昇圧して下流側に流すインデューサ本体３１と、これを囲むインデューサケーシング３２とを備えたインデューサ装置３０を有する高速ポンプ１におけるキャビテーション流れの安定化装置であって、インデューサケーシング３２におけるインデューサ本体３１の上流側に貫通孔４１が形成され、貫通孔４１に流量調整可能なバルブ５３が設けられている。【選択図】図１
2008175075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を加圧するポンプのインペラ上流側に配設され、回転駆動される軸部とその外周部に螺旋状に形成された羽根とを有し、上流側からの前記液体を昇圧して下流側に流すインデューサ本体と、これを囲むインデューサケーシングとを備えたインデューサ装置を有するポンプにおけるキャビテーション流れの安定化装置であって、
前記インデューサケーシングにおける前記インデューサ本体の上流側に開口部が形成され、該開口部に流量調整可能なバルブが設けられていることを特徴とするキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項２】
前記開口部が、前記羽根の下流側に発生するキャビティよりも大きな体積を有するキャビティが前記羽根の上流側に形成可能な位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項３】
前記開口部が、前記羽根の上流側端部より、前記羽根における前記液体進行方向の長さの二倍以下の位置に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項４】
液体を加圧するインペラと、これを囲むケーシングとを備えたポンプにおけるキャビテーション流れの安定化装置であって、
前記ケーシングにおける前記インペラの上流側に開口部が形成され、該開口部に流量調整可能なバルブが設けられていることを特徴とするキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項５】
前記開口部が、前記インペラの下流側に発生するキャビティよりも大きな体積を有するキャビティが前記インペラの上流側に形成可能な位置に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項６】
前記開口部が、前記インペラの上流側端部より、前記インペラにおける前記液体進行方向の長さの二倍以下の位置に形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項７】
前記開口部が、ノズルまたはスリットで形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のキャビテーション流れの安定化装置。
【請求項８】
前記開口部に供給される前記液体が、その進行方向の軸方向に直交する方向に回転する旋回流により供給されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のキャビテーション流れの安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビテーション流れの安定化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からロケットエンジン用など、高圧の液体水素或いは液体酸素を供給する装置としては、高速にて回転駆動される遠心型高速ポンプ（ターボポンプ）が使用されている。そして、このような高速ポンプでは、その吸込性能を維持させるために遠心インペラに発生するキャビテーションを抑制するインデューサ装置を設けている。図３は、従来の高速ポンプ１００の一例を示すものであり、ポンプ本体１１０とインデューサ装置１３０とを備えている。ポンプ本体１１０は、本体ケーシング１１１内に遠心インペラ１１４が収容され、遠心インペラ１１４には回転軸１１２を介してタービン１１５が連結されている。インデューサ装置１３０は、インデューサケーシング１３２内にインデューサ本体１３１を収容し、インデューサ本体１３１は延長軸１１６を介して回転軸１１２と同軸上に連結されている。また、インデューサケーシング１３２はインデューサ本体１３１の羽根１３４を所定のチップクリアランスを空けて囲む部分１４１と、この部分の上流側に形成された拡径部１４２と、拡径部１４２の上流側に形成された段差部１４３と、段差部１４３の上流側に形成された傾斜部１４４とを有している。
【０００３】
このように構成された高速ポンプでは、高温高圧のガスでタービンが回転して遠心インペラが回転すると、これと同期してインデューサ本体が回転することで、液体燃料を昇圧して高速ポンプの吸入口まで導き、遠心インペラの高速回転により加圧してエンジンなどに供給することができると共に、キャビテーションサージによる圧力振動を抑制することができ、ポンプの吸込性能を維持することができるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２５８０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の特許文献１の高速ポンプのインデューサ装置は、インデューサケーシングに固定化された形状を形成することにより実現されたものであるため、ある作動点領域においてのみ効果を発揮するものであった。また、その有効な形状を見出すために、多くの試行実験をして調整する必要があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、キャビテーション流れが不安定化するのを抑制し、かつ、広い作動点領域で効果を発揮することができるキャビテーション流れの安定化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、液体を加圧するポンプのインペラ上流側に配設され、回転駆動される軸部とその外周部に螺旋状に形成された羽根とを有し、上流側からの前記液体を昇圧して下流側に流すインデューサ本体と、これを囲むインデューサケーシングとを備えたインデューサ装置を有するポンプにおけるキャビテーション流れの安定化装置であって、前記インデューサケーシングにおける前記インデューサ本体の上流側に開口部が形成され、該開口部に流量調整可能なバルブが設けられていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、前記開口部が、前記羽根の下流側に発生するキャビティよりも大きな体積を有するキャビティが前記羽根の上流側に形成可能な位置に設けられていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、前記開口部が、前記羽根の上流側端部より、前記羽根における前記液体進行方向の長さの二倍以下の位置に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、液体を加圧するインペラと、これを囲むケーシングとを備えたポンプにおけるキャビテーション流れの安定化装置であって、前記ケーシングにおける前記インペラの上流側に開口部が形成され、該開口部に流量調整可能なバルブが設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載した発明は、前記開口部が、前記インペラの下流側に発生するキャビティよりも大きな体積を有するキャビティが前記インペラの上流側に形成可能な位置に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載した発明は、前記開口部が、前記インペラの上流側端部より、前記インペラにおける前記液体進行方向の長さの二倍以下の位置に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載した発明は、前記開口部が、ノズルまたはスリットで形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載した発明は、前記開口部に供給される前記液体が、その進行方向の軸方向に直交する方向に回転する旋回流により供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載した発明によれば、インデューサ装置のインデューサ本体の上流側にキャビティを能動的に作ることができるため、キャビテーション流れが不安定化するのを抑制することができる。また、バルブにより開口部より供給する液体の流量を調整することができるため、都度液体の主流の条件や羽根の形状に合わせてインデューサケーシングを加工する必要が無くなり、広い作動点領域で効果を発揮することができる。
【００１５】
請求項２に記載した発明によれば、羽根の上流側に能動的に作られたキャビティの体積が、羽根の下流側に形成されるキャビティよりも大きくなるため、キャビテーション流れの不安定を抑制することができる効果がある。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、羽根の上流側に能動的に作られたキャビティの体積が、羽根の下流側に形成されるキャビティよりも大きくなるため、キャビテーション流れの不安定を抑制することができる効果があると共に、適正な体積を有するキャビティを上流側に能動的に作ることができる効果がある。
【００１７】
請求項４に記載した発明によれば、ポンプのインペラの上流側にキャビティを能動的に作ることができるため、キャビテーション流れ不安定を抑制することができる。また、バルブにより開口部より供給する液体の流量を調整することができるため、都度液体の主流の条件やインペラの形状に合わせてケーシングを加工する必要が無くなり、広い作動点領域で効果を発揮することができる。
【００１８】
請求項５に記載した発明によれば、インペラの上流側に能動的に作られたキャビティの体積が、インペラの下流側に形成されるキャビティよりも大きくなるため、キャビテーション流れの不安定を抑制することができる効果がある。
【００１９】
請求項６に記載した発明によれば、インペラの上流側に能動的に作られたキャビティの体積が、インペラの下流側に形成されるキャビティよりも大きくなるため、キャビテーション流れの不安定を抑制することができる効果があると共に、適正な体積を有するキャビティを上流側に能動的に作ることができる効果がある。
【００２０】
請求項７に記載した発明によれば、開口部から液体をケーシング（またはインデューサケーシング）内に確実に導くことができるため、ケーシング内でキャビティを能動的に作ることができる効果がある。
【００２１】
請求項８に記載した発明によれば、ケーシング内に供給された液体によりケーシング内でキャビティを能動的に作り易くすることができるため、キャビテーション流れ不安定を抑制し易くすることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態を図１および図２に基づいて説明する。なお、本実施形態においては、インデューサ装置を備えた遠心型高速ポンプ（以下、高速ポンプという）を用いて説明する。
図１に示すように、高速ポンプ１は、ポンプ本体１０とインデューサ装置３０とを備えて構成されている。ポンプ本体１０は、中空の本体ケーシング１１内に回転軸１２が軸受１３により回転自在に支持され、この回転軸１２の一端側に遠心インペラ１４が連結されており、他端側にタービン１５が連結されている。また、回転軸１２の一端側には同軸上に回転自在に支持された延長軸１６が連結されている。そして、遠心インペラ１４の吸込側（上流側）にはインデューサ装置３０が連結されている。
【００２３】
インデューサ装置３０は、インデューサ本体３１と、このインデューサ本体３１を囲むインデューサケーシング３２とから構成されている。インデューサ本体３１は延長軸１６の先端部に装着されており、延長軸１６に連結される軸部３３と、この軸部３３の外周面に螺旋状に固定された複数（本実施形態においては、３枚）の羽根３４とから構成されている。ここで、羽根３４は逆流が発生しないように設計されている。
【００２４】
また、インデューサケーシング３２は、略中空円筒形をなしており、ポンプ本体１０側に形成されたフランジ部３５において本体ケーシング１１の上流側に形成されたフランジ部１７と図示しないボルトなどにより連結されている。そして、このインデューサ装置３０の上流側には低温低圧の液体燃料Ｌが収容された図示しないタンクがフランジ部３６を介して図示しないボルトなどにより連結されている。
【００２５】
ここで、インデューサケーシング３２には、小さな穴の貫通孔４１が周面上に複数形成されている。貫通孔４１は、インデューサケーシング３２の外周面と内周面との間を貫通するように開口されているが、外周面からインデューサ本体３１側に向かって傾斜して形成されている。
更に、貫通孔４１に液体燃料Ｌ´を供給可能な液体供給装置５０が設けられている。液体供給装置５０は液体燃料Ｌ´を収容したタンク５１と、タンク５１と貫通孔４１との間に設けられた供給管５２と、供給する液体燃料Ｌ´の流量を調整可能なバルブ５３とを備えている。ここで、液体燃料Ｌ´は、液体燃料Ｌと同じもので構成されている。
【００２６】
なお、インデューサ本体３１の羽根３４の枚数については、例えば４枚など、ポンプの種類などに応じて適正数に設定することができる。また、貫通孔４１はスリット形状に形成してもよい。また、供給管５２は、貫通孔４１と直接接続してもよいし、貫通孔４１の手前まで配管するように構成してもよい。また、バルブ５３は、手動調整バルブでも良いし、自動調整バルブでも良い。
【００２７】
このように構成された高速ポンプ１では、タービン１５が高温高圧のガスの作用で回転させられると、これと同軸の遠心インペラ１４が回転駆動されると共に、インデューサ本体３１が回転駆動される。すると、この回転により、タンクからの液体燃料Ｌが昇圧され、軸方向へ送り出され、高速ポンプ１の吸込口３７まで導かれる。高速ポンプ１は、タンクからの液体燃料Ｌをインデューサ本体３１により昇圧して遠心インペラ１４側に流し、遠心インペラ１４の高速回転によりさらに高圧に加圧して吐出するように構成されている。
【００２８】
次に、上述のインデューサ装置３０の作用について説明する。
図２に示すように、高速ポンプ１が作動し、インデューサ本体３１が回転すると、インデューサ本体３１の羽根３４における液体燃料Ｌの主流の進行方向下流側にキャビティＣ２が複数箇所で発生する。
【００２９】
また、液体燃料Ｌと同じ材質の液体燃料Ｌ´を旋回流の状態で貫通孔４１よりインデューサケーシング３２内へと供給すると、インデューサケーシング３２内へ供給された液体燃料Ｌ´の旋回流と液体燃料Ｌの主流とが交錯した箇所から下流側にキャビティＣ１が複数箇所で発生する。つまり、液体燃料Ｌ´の旋回流と液体燃料Ｌの主流との間に渦が発生し、この渦の中心部が低圧になり、キャビティ（渦キャビティ）Ｃ１が発生する。
【００３０】
ここで、キャビティＣ１の体積がキャビティＣ２の体積よりも大きくなるように貫通孔４１の位置を決定している。したがって、流量変動に対するキャビティＣ１の体積変動は小さいため、キャビテーション流れを安定化することができる。
【００３１】
また、液体燃料Ｌの主流の流れ方向と貫通孔４１との間に形成されている角度θは、小さくすること、好ましくは２０°以下にすることが好ましい。角度θを小さく構成することで、キャビティＣ１をインデューサケーシング３２の内周面により近い位置に形成することができ、液体燃料Ｌの主流に与える影響を小さくすることができる。
【００３２】
更に、貫通孔４１の位置を、羽根３４の上流側端部より長さＰ２だけ離れた位置とした。ここで、羽根３４の軸方向の長さをＰ１とすると、長さＰ２は長さＰ１の２倍以下の長さであることが好ましい。長さＰ２を長さＰ１の２倍より大きい長さに設定すると、キャビティＣ１の大きさがキャビティＣ２の大きさより安定的に大きくならず、キャビテーション流れの安定化の効果が薄れる可能性があるためである。
【００３３】
そして、液体燃料Ｌ´の旋回速度を高く設定することが好ましい。旋回速度が高いと、キャビティＣ１の形状を主流の流れ方向に細長く形成することができ、液体燃料Ｌの主流に与える影響を小さくすることができるため好ましい。また、このような細長く形成されたキャビティＣ１をできる限り数多く作るようにすることが好ましい。キャビティＣ１を数多く作ることで、よりキャビテーション流れを安定化させることができる。
【００３４】
本実施形態によれば、液体燃料Ｌを加圧する高速ポンプ１における遠心インペラ１４の上流側にインデューサ装置３０を配設した。インデューサ装置３０は、回転駆動される軸部３３とその外周部に螺旋状に形成された羽根３４とを有し、上流側からの液体燃料Ｌを昇圧して下流側に流すインデューサ本体３１と、これを囲むインデューサケーシング３２とを備え、インデューサケーシング３２におけるインデューサ本体３１の上流側に貫通孔４１を複数形成し、貫通孔４１に流量調整可能なバルブ５３を介して液体燃料Ｌ´を供給可能に構成した。
【００３５】
このように構成することで、インデューサ装置３０のインデューサ本体３１の上流側にキャビティＣ１を能動的に作ることができるため、キャビテーション流れ不安定を抑制することができる。また、バルブ５３により貫通孔４１より供給する液体燃料Ｌ´の流量を調整することができるため、都度液体燃料Ｌの主流の条件や羽根３４の形状に合わせてインデューサケーシング３２を加工する必要が無くなり、広い作動点領域で効果を発揮させることができる。
【００３６】
また、小さな穴の貫通孔４１を複数形成したため、貫通孔４１から液体燃料Ｌ´をインデューサケーシング３２内に確実に導くことができるため、インデューサケーシング３２内でキャビティＣ１を能動的に確実に作ることができる。
【００３７】
また、貫通孔４１に供給される液体燃料Ｌ´を、その進行方向の軸方向に直交する方向に回転する旋回流としたため、インデューサケーシング３２内に供給された液体燃料Ｌ´がインデューサケーシング３２内でキャビティＣ１を能動的に作り易くすることができるため、キャビテーション流れの不安定さを抑制し易くすることができる。
【００３８】
更に、羽根３４の下流側に発生するキャビティＣ２の体積よりも大きな体積を有するキャビティＣ１が羽根３４の上流側に形成されるような位置に貫通孔４１を設けたため、流量変動に対するキャビティＣ１の体積変動が小さくなり、キャビテーション流れの不安定を抑制して、安定化することができる。
【００３９】
そして、貫通孔４１を、羽根３４の上流側端部より羽根３４における液体燃料Ｌの進行方向の長さＰ１の二倍以下の位置に形成したため、適正な大きさのキャビティＣ１を羽根３４の上流側に能動的に作ることができる。
【００４０】
尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、以下の態様を用いてもよい。
本実施形態では、インデューサ装置のインデューサケーシングに小さな穴の貫通孔を形成してキャビテーション流れの安定化を図ったが、貫通孔に変えて、より穴の大きな貫通孔すなわちスリットを形成してもよいし、インデューサ装置を備えていない軸流ポンプや遠心ポンプの羽根の上流側のケーシングに同様の貫通孔やスリットを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態における高速ポンプの側断面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるインデューサ装置の側断面図である。
【図３】従来の高速ポンプの側断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…高速ポンプ（ポンプ）  １４…遠心インペラ（インペラ）  ３０…インデューサ装置  ３１…インデューサ本体  ３２…インデューサケーシング  ３３…軸部  ３４…羽根  ４１…貫通孔（開口部）  Ｃ１，Ｃ２…キャビティ  Ｌ，Ｌ´…液体燃料
【図１】
2008175075.tif 000003
【図２】
2008175075.tif 000004
【図３】
2008175075.tif 000005