(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給タンク（１）に充填した液体水素をターボポンプ（２）により加圧し、燃焼器に供給して推進力を得るロケットエンジンのターボポンプ（２）において、
該ターボポンプ（２）の回転軸（１７）を支持するハイドロスタティック軸受（１１）と、
前記燃料供給タンクから前記液体水素を、前記ターボポンプに供給する燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインとは別個のラインであるとともに、前記ハイドロスタティック軸受（１１）に液体水素を軸受供給用タンクから供給する軸受用供給ライン（６）と、を備え、
前記軸受用供給ラインは、前記ターボポンプ（２）の起動又は停止時に、前記軸受供給用タンクから液体水素を前記ハイドロスタティック軸受（１１）に供給することにより、該ハイドロスタティック軸受（１１）の軸受金（１２）から前記回転軸（１７）を浮上させることを特徴とするハイドロスタティック軸受付きターボポンプ。
【請求項２】
前記回転軸（１７）が前記軸受金（１２）から浮上していることを感知する軸変位センサーを、前記ハイドロスタティック軸受（１１）に設けたことを特徴とする請求項１のハイドロスタティック軸受付きターボポンプ。
【請求項３】
前記軸受金の内周面には、２列の軸受ポケット群が設けられ、
各列の軸受ポケット群は、多数の軸受ポケットが、前記回転軸周りの周方向に互いに間隔を置いて配置されたものであり、
一方の列の前記軸受ポケット群は、他方の列の前記軸受ポケット群から前記回転軸の軸方向にずれており、
一方の列の前記軸受ポケット群の前記各軸受ポケットは、前記周方向に関して、他方の列の前記軸受ポケット群の前記各軸受ポケットからずれており、
前記各軸受ポケットには供給孔が設けられ、前記軸受用供給ラインを介して該供給孔から該軸受ポケットに前記液体水素が供給されることを特徴とする請求項１又は２のハイドロスタティック軸受付きターボポンプ。
【請求項４】
前記軸受金の内周面には、前記２列の軸受ポケット群を前記軸方向に挟む２列の排出溝群が設けられ、
各列の排出溝群は、前記軸方向に延びる多数の排出溝が、前記周方向に互いに間隔を置いて配置されたものであることを特徴とする請求項３のハイドロスタティック軸受付きターボポンプ。
【請求項５】
前記軸受金の内周面には、軸受ポケット群と排出溝群とが設けられ、
前記軸受ポケット群は、複数の軸受ポケットが、前記回転軸周りの周方向に互いに間隔を置いて配置されたものであり、
前記排出溝群は、前記回転軸の軸方向に延びる複数の排出溝が、前記周方向に互いに間隔を置いて配置されたものであり、
前記軸受ポケットと前記排出溝とは、前記周方向に交互に並べられており、
前記各軸受ポケットには供給孔が設けられ、前記軸受用供給ラインを介して該供給孔から該軸受ポケットに前記液体水素が供給されることを特徴とする請求項１又は２のハイドロスタティック軸受付きターボポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、ハイドロスタティック軸受（静圧軸受）を組み込んだロケットエンジン用の極低温ターボポンプに係り、特にターボポンプの起動前に回転軸を浮上させることができるハイドロスタティック軸受付きターボポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より液体燃料と液体酸素を用いたターボポンプ方式のロケットエンジンは、図５に示すように、液体水素ＬＨ2等の液体燃料を燃料供給タンク１内に充填し、また酸化剤となる液体酸素ＬＯ2も別のタンク（図示していない）内に充填し、この液体燃料ＬＨ2をターボポンプ２により加圧して燃焼器（図示していない）に供給して推進力を得るものである。このターボポンプ２は、ポンプ３とこれを回転駆動するタービン４から成り、このタービン４で液体燃料ＬＨ2を加圧するものである。
【０００３】
一方、従来より、回転精度が高く、かつ高速運転性能に優れているという理由で、ハイドロスタティック軸受が使用されている。このハイドロスタティック軸受１１は、図６に示すように、軸受金１２の内周面１３の円周方向に複数個の軸受ポケット１４と、これらの軸受ポケット１４の間に軸方向の排出溝１５とが刻設されている。各軸受ポケット１４は潤滑油を供給する供給孔１６に連通してある。このように構成したハイドロスタティック軸受１１は、供給孔１６から加圧した潤滑油を供給すれば、この潤滑油が軸受ポケット１４に溜まり、回転軸１７を浮上させることができる。各軸受ポケット１４に滞留した潤滑油の圧力が均等になれば、回転軸１７は軸受１１内の中心に浮上することになり、回転軸１７の求心性が高くなり、高速運転性能に優れるようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のロケットは、地上から打ち上げ、約５０分程度の推進力を有し、そのまま地球の周囲を周回させたままで回収しない、所謂使い捨てロケットといわれるものである。そこで、このような使い捨てロケットのエンジンに用いるターボポンプ２のハイドロスタティック軸受１１も約５０分程度の耐用時間があれば充分であった。
【０００５】
一方、打ち上げた後に、そのロケットを回収して、数回使用することができるロケットの開発が進められている。このようなロケットに用いるターボポンプ２のハイドロスタティック軸受１１は長時間の耐用時間が必要である。しかし、液体水素等又は液体酸素（以下、液体燃料等という）を使用するターボポンプ２では、潤滑油の代わりに加圧した液体燃料等を用いるため、始動時に液体燃料等の圧力が上昇するまでは回転軸１７を浮上させることができず、そのため始動時に回転軸１７と軸受金１２の内周面１３とが接触して、この軸受金１２が磨耗する問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ターボポンプの起動、停止時にその回転軸を軸受金から浮上させて回転軸が軸受金と接触して磨耗することを阻止することができ、これにより軸受の耐久性を向上させることができるターボポンプを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料供給タンク（１）に充填した液体水素をターボポンプ（２）により加圧し、燃焼器に供給して推進力を得るロケットエンジンのターボポンプ（２）において、該ターボポンプ（２）の回転軸（１７）を支持するハイドロスタティック軸受（１１）と、前記燃料供給タンクから前記液体水素を、前記ターボポンプに供給する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインとは別個のラインであるとともに、前記ハイドロスタティック軸受（１１）に液体水素を軸受供給用タンクから供給する軸受用供給ライン（６）と、を備え、前記軸受用供給ラインは、前記ターボポンプ（２）の起動又は停止時に、軸受供給用タンクから液体水素を前記ハイドロスタティック軸受（１１）に供給することにより、該ハイドロスタティック軸受（１１）の軸受金（１２）から前記回転軸（１７）を浮上させることを特徴とするハイドロスタティック軸受付きターボポンプが提供される。
【０００８】
上記発明の構成によれば、ターボポンプ（２）への燃料供給ライン（５）とは別にハイドロスタティック軸受（１１）に液体水素を供給し得る軸受用供給ライン（６）を備えているため、ターボポンプ（２）の起動又は停止時に、その回転軸（１７）を軸受金（１２）から確実に浮上させて、回転軸（１７）が軸受金（１２）に接触して磨耗することがない。従って、このハイドロスタティック軸受（１１）の耐久性が向上する。すなわち液体燃料等の圧力が上昇していない起動又は停止時でも、回転軸（１７）を浮上させ、回転軸（１７）を円滑に回転させることができる。
軸受用供給ライン（６）から供給する液体が、ターボポンプ（２）に供給する液体燃料と同じ液体水素（ＬＨ２）であるため、燃料をそのまま軸受（１１）に利用することができ、更に余分な液体水素（ＬＨ２）は捕集タンク（９）に貯蔵して再利用することも可能である。
【０００９】
また、前記回転軸（１７）が前記軸受金（１２）から浮上していることを感知する軸変位センサーを、前記ハイドロスタティック軸受（１１）に設けてよい。
【００１０】
この構成により、軸変位センサーの感知動作でターボポンプ（２）の回転軸（１７）が軸受金（１２）から浮上する前に、回転軸（１７）が回転して軸受金（１２）と接触して磨耗することを防止することができる。逆に、ターボポンプ（２）を停止するときは、この軸変位センサーの感知動作でターボポンプ（２）の回転軸（１７）が軸受金（１２）から浮上している際に、この回転軸（１７）を停止させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は本発明のハイドロスタティック軸受付きターボポンプから成るロケットエンジンを示す全体系統図である。本発明のターボポンプは、再使用できるロケットエンジンに用いるものであり、液体燃料ＬＨ2を燃料供給タンク１内に充填し、また酸化剤となる液体酸素ＬＯ2も別のタンク（図示していない）内に充填し、液体燃料ＬＨ2 はターボポンプ２により加圧して燃焼器（図示していない）に供給してロケットの推進力を得るものである。
【００１５】
特に、本発明では、ターボポンプ２への燃料供給ライン５とは別に加圧流体をハイドロスタティック軸受１１に供給する軸受用供給ライン６を備えている。ターボポンプ２に供給する液体燃料と同じ液体水素ＬＨ2を充填した軸受用供給タンク７から軸受用供給ライン６を介して、ターボポンプ２の起動時に、回転軸１７を軸受金１２から浮上させるために作動する。なお、上述した燃料供給ライン５又は軸受用供給ライン６には、パイプの途中にバルブ、ポンプ又はメータ等が接続してあり、また各供給ライン５，６には排出部８が設けられている。更に、余分な液体水素ＬＨ2を貯蔵するは捕集タンク９にも連通してある。なお、ターボポンプ２にはドレイン１０が設けられている。
【００１６】
図２はターボポンプの一例を示す一部断面図である。この図において、ターボポンプ２は、ポンプ３とこれを回転駆動するタービン４とからなり、燃料供給タンク１内に充填した液体燃料ＬＨ2を燃料供給ライン５を介して供給し、タービン４で液体燃料ＬＨ2を加圧するものである。この液体燃料ＬＨ2を燃焼器（図示していない）の冷却ジャケットに供給するようになっている。このタービン４の回転軸１７に本発明のハイドロスタティック軸受１１を備えている。
【００１７】
図３（ａ）と（ｂ）はターボポンプの回転軸を支持するハイドロスタティック軸受を示すものである。この図において、ハイドロスタティック軸受１１は、軸受金１２の内周面１３の円周方向に複数個の軸受ポケット１４が刻設されている。これらの軸受ポケット１４には、ターボポンプ２の起動又は停止時に、軸受用供給タンク６に充填してある液体水素ＬＨ2を軸受用供給ライン６を介して供給することにより、回転軸１７を軸受金１２から浮上させるものである。このように構成した本発明のハイドロスタティック軸受１１は、軸受用供給ライン６を介して供給孔１６から加圧した液体水素ＬＨ2を供給すれば、この液体水素ＬＨ2が軸受ポケット１４に溜まり、回転軸１７を浮き上がらせる。各軸受ポケット１４に滞留した液体水素ＬＨ2の圧力が均等になれば、回転軸１７は軸受１１内の中心に浮上させる。
【００１８】
ハイドロスタティック軸受１１には、軸受用供給ライン６の液体水素ＬＨ2 を供給し、回転軸１７が軸受金１２から浮上していることを感知する軸変位センサー（図示しいていない）を設けることができる。この軸変位センサーの感知動作により、ターボポンプ２の回転軸１７が軸受金１２から浮上する前に、回転軸１７が回転して軸受金１２と接触して磨耗することを防止することができる。逆に、ターボポンプ２を停止するときは、この軸変位センサーの感知動作により、ターボポンプ２の回転軸１７が軸受金１２から浮上している際に、この回転軸１７を停止させることにより、回転軸１７が軸受金１２と接触して磨耗することを防止することができる。
【００１９】
図４（ａ）から（ｄ）はハイドロスタティック軸受の軸受金に設ける軸受ポケットの他の発明の実施の形態を示すものである。
本発明のハイドロスタティック軸受１１の軸受金１２に設ける軸受ポケット１４の形状は、図３（ａ）と（ｂ）に示した形状に限定されるものではない。
例えば、本発明の軸受金１２は、図４（ａ）に示すように内周面１３に多数の小さい軸受ポケット１４を円周方向に２列に並べ、各軸受ポケット１４の中央位置に供給孔１６を透設したものである。このように小さい軸受ポケット１４を多数並列した軸受金１２は、各軸受ポケット１４に滞留した液体水素ＬＨ2の圧力をより均等にすることができる。
【００２０】
図４（ｂ）に示す軸受金１２は、内周面１３に多数の小さい軸受ポケット１４を円周方向に２列に並べ、かつ、これらの軸受ポケット１４の両側に位置をずらして排出溝１５を多数設けたものである。このように小さい軸受ポケット１４を多数並列し、かつ排出溝１５を有する軸受金１２は、各軸受ポケット１４に滞留した液体水素ＬＨ2の圧力をより均等にすることができ、回転軸１７は軸受１１内の中心に浮上させることができるだけではなく、排出溝１５により液体水素ＬＨ2の循環を円滑に行うことができる。
【００２１】
図４（ｃ）に示す軸受金１２は、内周面１３に大きい軸受ポケット１４と排出溝１５とを交互に並べたものである。このように軸受ポケット１４に隣接して排出溝１５を設けた軸受金１２は、余分な液体水素ＬＨ2を直ぐに排出して圧力をより均等にすることができる。
更に、図４（ｄ）に示すように、軸受金１２は内周面１３に大きな略正方形状の軸受ポケット１４のみを並べたものでもよい。
これらの軸受ポケット１４と排出溝１５の設ける本数又はそれぞれの形状は、ハイドロスタティック軸受１１の形状又はその規模に応じて適宜選択使用することができる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、燃料供給タンクの他に軸受用供給ラインを備えたものであれば、図示した系統図のような構成に限定されない。更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように、本発明のハイドロスタティック軸受付きターボポンプは、ターボポンプの起動又は停止時に、その回転軸を軸受金から確実に浮上させてあるため、回転軸が軸受金に接触して磨耗しないので、このハイドロスタティック軸受の耐久性が向上する。従って、ターボポンプの耐用時間を延ばし、ひいてはロケットの長寿命化を図ることができる。
【００２４】
また、ターボポンプの起動又は停止時にその回転軸を軸受金から浮上させて回転軸が軸受金と接触して磨耗することを阻止し、軸受の耐久性を向上させることができるので、飛行後に回収して数回使用できるロケットのターボポンプの軸受に用いることができる、等の優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハイドロスタティック軸受付きターボポンプを備えたロケットエンジンを示す全体系統図である。
【図２】ターボポンプを示す一部断面図である。
【図３】本発明のハイドロスタティック軸受を示す側断面図（ａ）及び正断面図（ｂ）である。
【図４】ハイドロスタティック軸受の軸受金に設ける軸受ポケット及び排出溝の他の発明の実施の形態を示すものである。
【図５】従来のハイドロスタティック軸受付きターボポンプを備えたロケットエンジンを示す全体系統図である。
【図６】潤滑油を持ちた従来のハイドロスタティック軸受を示す側断面図（ａ）及び正断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１  燃料供給タンク
２  ターボポンプ
５  燃料供給ライン
６  軸受用供給ライン
１１  ハイドロスタティック軸受
１２  軸受金
１７  回転軸
【図１】
0004553215.tif 000002
【図２】
0004553215.tif 000003
【図３】
0004553215.tif 000004
【図４】
0004553215.tif 000005
【図５】
0004553215.tif 000006
【図６】
0004553215.tif 000007