(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
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
ことを特徴とするターボポンプ。
【請求項２】
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、
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
ことを特徴とするターボポンプ。
【請求項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によって形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のターボポンプ。
【請求項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ことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のターボポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２２６６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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側に漏出する。
【０００５】
このため、例えば、推進剤のタービンディスク側への漏出をより低減させる必要がある場合には、上述の非接触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。
【０００６】
しかしながら、スリンガが回転駆動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く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こともあり、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、気化されることによって、軸受を十分に冷却することができない恐れがある。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、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、気化してしまうことを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、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、上記インペラと上記タービンディスクとを連結するシャフトと、上記シャフトを軸支する軸受と、上記インペラ、上記タービンディスク、上記シャフト及び上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、上記軸受と上記タービンディスクとの間に設けられるシール部と、上記軸受と上記シール部との間に配置され、かつ、上記シャフトに固定されるディスク及び上記ディスクの上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、上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、上記スリンガの翼部が配置される減圧室と、上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という構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記減圧室が、上記スリンガの翼部よりも上記シャフトの径方向外側まで延設して設けられているという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記隙間流路が、上記スリンガのディスクと上記仕切壁とによって形成されているという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、上記第１〜３いずれかの発明において、上記仕切壁が、上記ハウジングの一部として設けられているという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、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という構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
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とされているものの、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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）が本発明の第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り、（ｂ）が（ａ）のＡ領域の拡大図である。
【図２】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。
【図３】仕切壁を有していない従来のターボポンプと、仕切壁を備える第１実施形態のターボポンプと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であり、（ａ）が速度等高線を用いて従来のターボポンプのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）が速度等高線を用いて第１実施形態のターボポンプのシミュレーション結果を示した図である。
【図４】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。
【図５】突起部を有していないターボポンプと、突起部を備える第２実施形態のターボポンプと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であり、（ａ）が速度等高線を用いて突起部を有していないターボポンプのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）が速度等高線を用いて第２実施形態のターボポンプのシミュレーション結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（第１実施形態）
図１（ａ）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。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ領域の拡大図である。図１（ａ）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。
【００１８】
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。
【００１９】
また、ハウジング２は、シャフト６の軸が向かう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。
【００２０】
さらに、本実施形態においてハウジング２は、図１（ｂ）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。
【００２１】
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を減圧させて気化させる領域である。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減圧室２ｃ１の当該径方向の長さは、翼部９ｂの倍程度とされている。
【００２２】
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。
【００２３】
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とによって形成されている。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の周面９ａ１とに挟まれることによって形成されている。この隙間流路２ｉのシャフト６の径方向の高さは、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の径方向の高さは、スリンガ９の翼部９ｂの上記長さ（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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の一方側の端部と接続されており、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を中心として回転駆動される。このように回転駆動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。
【００２６】
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と反対側のシャフト６の端部と接続される円板状の部材であり、周面に翼列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。
【００２７】
シャフト６は、上述のように一端がインペラ３と接続され、他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。
【００２８】
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の延在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。
【００２９】
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。
【００３０】
図２は、スリンガ９の斜視図である。スリンガ９は、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、表裏面がシャフト６の延在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、等間隔で環状に複数配列されている。この翼部９ｂの高さ（ディスク９ａの表面から当該表面と垂直な方向への大きさ）は、図１（ｂ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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が回転駆動される。インペラ３が回転駆動されることにより、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。
【００３３】
また、このように本実施形態のターボポンプ１が稼働されている間、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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の出入りが可能とされているものの、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。
【００３６】
図３は、仕切壁２ｈを有していない従来のターボポンプと、仕切壁２ｈを備える本実施形態のターボポンプと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であり、（ａ）が速度等高線を用いて従来のターボポンプのシミュレーション結果を示しおり、（ｂ）が速度等高線を用いて本実施形態のターボポンプ１のシミュレーション結果を示している。なお、図３（ａ）及び（ｂ）において、図中に示す数字は、等高線の相対的な速度を示すものであり、速度の絶対値を示すものではない。
【００３７】
図３（ａ）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側から軸受側（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で生成された熱が軸受７側に向かうことが分かる。一方、図３（ｂ）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で生成された熱が軸受７側に到達しにくいことが分かる。
【００３８】
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。
【００３９】
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とによって形成されている。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。
【００４０】
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の形状変更のみで仕切壁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。
【００４１】
（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、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００４２】
図４は、本実施形態のターボポンプのスリンガ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。
【００４３】
図５は、突起部を有していないターボポンプと、突起部１０を備える第２実施形態のターボポンプと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であり、（ａ）が速度等高線を用いて突起部１０を有していないターボポンプのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）が速度等高線を用いて第２実施形態のターボポンプのシミュレーション結果を示した図である。なお、図５（ａ）及び（ｂ）において、図中に示す数字は、等高線の相対的な速度を示すものであり、速度の絶対値を示すものではない。
【００４４】
図５（ａ）と図５（ｂ）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、軸受７側の温度をさらに下げることができる。
【００４５】
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ことは言うまでもない。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。
【００４６】
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るものではなく、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。
【００４７】
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るものではなく、減圧室２ｃ１が翼部９ｂの上記径方向の長さと同様の長さを有する構成を採用することも可能である。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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  周面
９ｂ  翼部
１０  突起部
Ｘ  推進剤（液体）
【図１】
0006442914.tif 000002
【図２】
0006442914.tif 000003
【図３】
0006442914.tif 000004
【図４】
0006442914.tif 000005
【図５】
0006442914.tif 000006