(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インデューサ回転子（１２３）を取り囲むケース（１２４）を備え、該インデューサ回転子（１２３）が前記ケース（１２４）に対してクリアランス（Ｊ１１）を残している複数の羽根（１３６）を有している大吸込容量ポンプ用インデューサ装置において、前記インデューサ回転子（１２３）から上流側の前記ケース（１２４）の内壁の筒状部分（１２７）と前記筒状部分（１２７）に隣接し且つ前記インデューサ回転子（１２３）の前記羽根（１３６）の前縁から前記インデューサ回転子（１２３）の軸線に沿って延びる重なり距離（ｄ１１）にわたって前記インデューサ回転子（１２３）の上流側部分を覆っている前記ケース（１２４）の内壁の部分（１２７Ａ）との両方に延在する帯域で、前記羽根（１３６）の外周部分と前記ケース（１２４）の間のクリアランス（Ｊ１２）が通常のクリアランス（Ｊ１１）の値より大きい増加された値を有し、前記羽根（１３６）の前縁から前記インデューサ回転子（１２３）の軸線に沿って延びる重なり距離（ｄ１１）が前記インデューサ回転子の羽根（１３６）の軸線方向の長さの１５％から２０％の範囲にあり、前記増加された値のクリアランス（Ｊ１２）と通常の値のクリアランス（Ｊ１１）との間の比が１０より大きいことを特徴とする大吸込容量ポンプ用インデューサ装置。
【請求項２】
前記通常の値のクリアランス（Ｊ１１）は前記インデューサ回転子の羽根（１３６）の外周部分の半径の０．４％から１％の範囲にある値を有することを特徴とする、請求項１に記載の大吸込容量ポンプ用インデューサ装置。
【請求項３】
前記通常の値のクリアランス（Ｊ１１）は０．４ｍｍから０．９ｍｍの範囲にある値を有する一方で、前記増加された値のクリアランス（Ｊ１２）は５ｍｍから１０ｍｍの範囲にある値を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の大吸込容量ポンプ用インデューサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インデューサ回転子を取り囲むケースを備え、そのインデューサ回転子がケースに対してクリアランスを残している複数の羽を有している、大吸込容量のポンプのためのインデューサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特にロケットエンジンに供給される推進剤成分のような低温液を与圧することを企図された大吸込容量を有する種々のタイプのポンプ、又はターボポンプがすでに知られている。
かかるポンプは「インデューサ」として知られる第一の入口側回転子要素を備えている。
【０００３】
ターボポンプのインデューサが比較的高い流量係数で作動するときには、超同期（ｓｕｐｅｒｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ）キャビテーション現象が襲う。
機械の流量係数を指すためにφを、インデューサの調和地点（すなわち、流れが羽根配列と機械のケースの間の角度に等しい中間角度でインデューサに進入する環境）に対応する流量係数を指すためにφ0 を使用すれば、欧州、米国、及び日本起源の種々のインデューサは既に０．６に近い流量φ／φ0 で作動する。この作動帯域においては、超同期キャビテーション現象に出くわす。この現象は詳細にはＶＵＬＣＡＩＮ１ロケットエンジンと関連する液体水素ターボポンプ用インデューサ、及び同じＶＵＬＣＡＩＮ１ロケットエンジンと関連する液体酸素ターボポンプ用インデューサに関して存在する。
【０００４】
したがって、インデューサへの入口圧力が低くされると、旋回キャビテーション（ｒｏｔａｒｙ  ｃａｖｉｔａｉｏｎ）状態が観察され、多くの振動及び軸への半径方向力を引き起こす。このタイプのキャビテーションは液体がインデューサの羽根のある多数の通路で異なる様式で気化が起こることによる。この振動の振幅は、機械の回転振動数Ｆ0 の約１．２倍である超同期周波数ＦS において優勢であり、この超同期周波数ＦS は、インデューサへの供給圧力が漸次的に減少させられるにつれ、同期周波数Ｆ0 の方へ漸次的に動いていく。
【０００５】
図６は線図的なグラフであり、グラフにおいてはψ＝ｆ（τ）の曲線１が示されており、ここでは、ψはインデューサの無次元圧力上昇を示し、τはインデューサの無次元入口圧力を示している。
この曲線１は多かれ少なかれ水平部分１０を有していること、及び、τを減少させるに伴い、この曲線１は、旋回キャビテーション状態を伴う帯域に対応する窪み部分１１及び立ち上がり１２部分を持つ帯域を有する。立ち上がり部分１２と窪み部分１１の間には、ｄψ／ｄτによって定義される曲線の傾きが負である帯域が存在する。この帯域では、ラインとポンプからなる装置全体が不安定になる。曲線の部分１３は、τの値が非常に小さくなるときにインデューサによって起こされる圧力上昇の降下に対応している。
【０００６】
超同期周波数を取り除くためにインデューサの付近のポンプのケースの形状を変更する提案が、詳細には公開された日本特許出願第５−３３２３００号でなされている。例えば、図２及び図４に示されるように、インデューサから上流側に位置するケースの部分２７の内壁の直径Ｄ１より小さい直径Ｄ２を帯域２６に与えるために、ケースの前方部分２４の内径はインデューサ回転子２３の羽根３６から上流側にある傾斜部分４３に沿って漸次的に先細りになっており、帯域２６のケース２４の筒状内壁とインデューサの回転子２３の間のクリアランスＪ１を残すために、直径Ｄ２は回転子２３の直径Ｄｔより大きいままにしてある。回転子２３の直径Ｄｔと直径Ｄ１のケースの部分２７の間に存在するクリアランスＪ２はしたがって回転子２３とケースの帯域２６の間に存在し且つインデューサ２３の回転子から上流側の短い距離ｄ１にわたって延びているクリアランスＪ１よりも大きい。この従来技術においては、クリアランスＪ２はクリアランスＪ１の約２倍となっている。それでも、かかる条件で回転子から上流側にケースの内径の拡張部分を設けることは、旋回キャビテーションがないこと及び超同期周波数が除去されることを全ての環境下で保証するには不十分であることが試験により示されている。
【０００７】
したがって、日本特許出願第５３３２３００号明細書において推奨されている解決策はケースに対する又は回転子に対する旋回キャビテーション現象によって引き起こされる振動を除去できないであろう。結果的に、ベアリングのようなポンプ構成要素が損傷を受ける危険性及びポンプへの入口における液体の圧力が旋回キャビテーション現象が再び出現するであろう最小値より上に維持されなくてはならない危険性が残る。あいにく、ロケットに積み込まれ且つタンクに貯蔵された液体の圧力を出来る限り低くすることによって、液体を貯蔵し且つインデューサを備えるポンプと関連するタンクの機械的構造を軽量化し単純化することを可能にするために、ポンプへの入口における液体の圧力を削減することが所望されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の欠点を改善することと、超同期キャビテーション現象を防ぎ高振幅振動が現れる危険性を削減するために、超同期周波数が全作動流量範囲にわたって除去されている大吸込容量ポンプ用のインデューサ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、インデューサ回転子を取り囲むケースを備え、そのインデューサ回転子がケースに対してクリアランスを残している複数の羽根を有している大吸込容量ポンプ用インデューサ装置において、インデューサ回転子から上流側のケースの内壁の筒状部分と前記筒状部分に隣接し且つインデューサ回転子の羽根の前縁から前記インデューサ回転子（１２３）の軸線に沿って延びる重なり距離にわたってインデューサ回転子の上流側部分を覆っているケースの内壁の部分との両方に延在する帯域で、羽根の外周部分とケースの間のクリアランスが通常のクリアランスの値より大きい増加された値を有し、羽根の前縁からインデューサ回転子の軸線に沿って延びる重なり距離がインデューサ回転子の羽根の軸線方向の長さの１５％から２０％の範囲にあり、増加された値のクリアランスと通常の値のクリアランスとの間の比が１０より大きいことを特徴とするインデューサ装置によって達成される。
【００１０】
通常の値のクリアランスはインデューサ回転子の羽根の外周部分の半径の０．４％から１％の範囲にある値を有する。
例としては、通常の値のクリアランスは０．４ｍｍから０．９ｍｍの範囲にある値を有する一方で、増加された値のクリアランスは５ｍｍから１０ｍｍの範囲にある値を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の他の特徴及び利点は、例として与えられ且つ同伴の図面を参照している、詳細な実施例についての以下の説明により明らかとなる。
図３から図５に関して、既知のインデューサ装置、詳細には日本特許出願第５−３３２３３０号（公開）の公開公報に開示され且つロケット発射装置に供給される推進剤、例えば液体水素を与圧する働きをするターボポンプのような大吸込容量ポンプ２１に利用されているようなインデューサ装置の例の説明が続く。
【００１２】
大吸込容量ポンプ２１は回転軸２８に固定されている羽根車２９を有し、回転軸２８の後方部分はタービン３０の一つ又はそれ以上の羽根車を担持している。回転軸２８が少なくとも一つのベアリング３３によってポンプボデー３２のケースに対して取付けられている。インデューサ回転子２３が軸３４の前方端部に配設されており、この軸３４は羽根車２９を支持する回転軸２８を延長しており、ベアリング４６と協働してもよい。インデューサ回転子２３は、例えば、軸３４の前方端部に保持された中心要素３５に取付けられた一群の三つのらせん形状羽根３６を備える。図３及び図４に見られるように、インデューサ回転子２３のハブとして働く中心要素３５の半径の値はインデューサ回転子２３の入口と出口の間で増加している。
【００１３】
フランジ４４が液体タンク又は液体供給管に固定するためにケース２４の入口端部３９に設けられることができる。ケース２４に固定された固定羽根４５がインデューサ回転子２３と羽根車２９との間に設けられてもよい。
このように、図３に示されるターボポンプ２１は羽根車２９を具備しているポンプ本体への入口に従来のように配置されたインデューサ装置２３、２４を呈しており、前記インデューサ装置は旋回キャビテーションによって引き起こされるような振動を防ぐための構造を備えている。この目的のために、回転子の流れの経路を分離するケースの入口が内径Ｄ１の拡張部分２７を設けられており、この内径Ｄ１はインデューサ回転子２３の羽根３６を取り囲む帯域２６の内径Ｄ２よりも大きい。
【００１４】
多数の比較試験により、ケースのこのような形状は、超同期的な旋回キャビテーションを小さな程度まで減らすことに間違いなく寄与しているが、超同期周波数線及び対応する半径方向振動を完全に除去することはできないことが判明している。
【００１５】
本発明は図２から図５に関して説明されるような参照例の既知のケース形状から離れて、超同期周波数線を完全且つ確実に除去することを可能にする別なケース形状を提案している。この新しいケース形状が図１に示されおり、この図１は図２に示される既知の形状と比較するのに適している。本発明は種々のタイプの大吸込容量のポンプに利用され得る改良されたインデューサ装置に関するものであり、したがって図３から図５を参照する例によって説明される特殊なポンプ構造に限定されるものではない。
【００１６】
図１の構成においては、インデューサ回転子１２３から上流側に位置するケース１２４の内壁の筒状第一部分１２７は、インデューサ回転子１２３の羽根１３６と合ったところに位置するケース１２４の内壁の筒状第二部分１２６よりも大きい直径を正に有している。それにもかかわらず、筒状第一部分１２７及び筒状第二部分１２６の間には（図２の遷移帯４３に反して）円錐台形状の遷移帯が設けられておらず、ケース１２４の内壁の筒状第一部分１２７が筒状第一部分１２７と等しい直径の付加的な筒状部分１２７Ａによって羽根１３６の前縁から距離ｄ１１にわたって延長されており、増加されたクリアランスＪ１２がインデューサ回転子１２３から上流側だけでなくインデューサ回転子１２３の上流側部分に部分的に重なる距離ｄ１１にわたっても形成されようになっている。さらに、上述の特徴と組み合わされ得る本発明の別の特徴によれば、ケース１２４の内壁の第一部分１２７及び付加的部分１２７Ａとインデューサの羽根１３６の外周の間の増加されたクリアランスＪ１２と、ケース１２４の内壁の第二部分１２６とインデューサの羽根１３６の外周の間の通常の値のクリアランスＪ１１との間の比は１０より大きくなる。通常の値のクリアランスはインデューサの羽根の外周部分の半径の０．４％から１％の範囲にある値を有する。
【００１７】
例としては、通常の値のクリアランスＪ１１は０．４ｍｍから０．９ｍｍの範囲にある値を有し、一方増加された値のクリアランスＪ１２は５ｍｍから１０ｍｍの範囲にある値を有する。
典型的には、通常のクリアランスＪ１１は約０．４ｍｍである一方、増加されたクリアランスＪ１２は約６ｍｍとなるであろう。
羽根１３６の前縁からインデューサ回転子１２３の軸線に沿って延びる重なり部の距離ｄ１１はインデューサの羽根の軸線方向の長さの１５％から２０％の範囲をとり得る。
こうして、増加されたクリアランスの帯域が重要な距離ｄ１１にわたって回転子の一部分に重なっていて、Ｊ１２／Ｊ１１の比が大きい、すなわち１０以上であるならば、前縁の形状に係わらず、超同期周波数線がインデューサの作動流量の全範囲にわたって除去されることができる。
【００１８】
図１０は、本発明のインデューサ装置を備えたターボポンプに関して、周波数特性線がインデューサの入口圧力τの関数としてどのように変化するかを示している。低圧力においては、副同期（ｓｕｂｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ）線６２と共に、機械の回転周波数Ｆ0 に対応する線６１が普通に存在することが見て取れる。副同期キャビテーションに対応するこの副同期線６２は低圧の間に規定される帯域にのみ現れ、したがって既知のインデューサの超同期周波数線と同じ欠点を起こすことはないと言える。
【００１９】
比較として、図９と図１１は、最初の図が通常のクリアランスを有する既知のインデューサ装置を備えたターボポンプに関して、第二番目の図が図２から図５を参照して規定されるようなインデューサ装置を備えたターボポンプに関して、周波数特性線がインデューサの入口における無次元圧力τの関数としてどのように変化するかを示している。
【００２０】
図９においては、機械の回転周波数Ｆ0 に対応する線５３、５４、及び５６と、前記回転周波数Ｆ0 のまわりに位置するノイズ５５の他に、振動現象を引き起こす旋回キャビテーション現象に対応する他の多数の線が存在している。例えば、回転周波数Ｆ0 の約１．１から１．２倍の周波数Ｆs のところで顕著になっている超同期線５７が見られる。超同期線５７は、実際問題として特に厄介である、比較的広い範囲の入口圧力τにわたって存在している。図１１においては、さらに回転周波数Ｆ0 の２倍のところに現れる線５８及び６０が見られる。回転周波数Ｆ0 と超同期周波数Ｆs の結合したものに対応する他の厄介な線５１及び５８がさらに図９の線図に現れている。例えば、線５１は４（Ｆs −Ｆ0 ）に等しい周波数に対応している。副同期線５２も見られる。
【００２１】
図１１においては、他の関連する線７２から線７６と線７８から線８０の郡の他に、同じように、拡張された比較的高い入口圧力範囲に超同期線７７がはっきりと見られ、上記線群は、図９の線５２から線５６と線５８から線６０に関して与えられた分析と同様に分析され得る。
図１０を図９及び図１１と比較すれば、本発明のケース形状が実施されたときに、余計な振動源がどれくらい削減されるかが分かる。
【００２２】
図７の曲線ψ＝ｆ（τ）は、第一に本発明のインデューサ装置を備えたターボポンプに関して（曲線３０１）、第二に通常のクリアランスを有する従来技術のターボポンプに関して（曲線１０１）、第三に図２から図５を与える類のケース形状を有するターボポンプに関して（曲線２０１）描かれたものであるが、この曲線を考慮すると、曲線１０１と２０１の両方とも図６に示される曲線１の形状を維持しており、両曲線においては、インデューサの入口における無次元圧力τを減らしていくと、プラトーを形成する部分１１０、２１０に隣接して、窪み部分１１１、２１１があって、降下部分１１３、２１３に先行する立ち上がり部分１１２、２１２が後ろにある。
【００２３】
対照的に、本発明のインデューサ装置に対応する曲線３０１は、インデューサの入口における無次元圧力τが減らされていくとき、曲線３０１は小さな値になるまで窪みや立ち上がりなしに続くプラトー３１０を曲線が降下する前部分に有している。したがって、傾きｄψ／ｄτが負になる帯域はもはやなく、このことは全体としてポンプと給送及び供給ラインからなる装置に対してより優れた安定性を約束する。超同期キャビテーションを有効な流量の全範囲にわたって消失させることを可能にするのは、付加的部分１２７Ａによって形成され且つ羽根１３６の一部分に重なっているケースの空洞と比Ｊ１２／Ｊ１１の高い値との組み合わせである。
【００２４】
もしφが機械の流量係数を表すとして、超同期キャビテーション現象が（φ，τ）面内に限定される（図８参照）ことが観察される。
したがって、τが高い値を有するときには、キャビテーションは発生しない又は殆ど発生せず（図６及び図７の曲線の水平部分に相当する）、もしτがインデューサにとって許容可能な限界に十分近い値をとれば、再調和がインデューサの羽根のある多数の流路に起こり、インデューサの圧力上昇性能において降下しそうになること（図６及び図７の曲線の下側部分に相当する）に伴ってキャビテーションが強力に発達する。
【００２５】
さらに、機械の流量係数φを変化させることが所望されれば、超同期キャビテーションが消失する最小流量点が出現する。同様に、超同期キャビテーションが消失する最大流量点が出現する。
図８はＲＥＦ及びＢによって示される二つの範囲を示しており、それぞれ、次の表に与えられるようなパラメータＪ１、Ｊ２、及びｄ１の種々の値の通常のクリアランスを有するケース形状と図２に示されるようなケース形状とに対応している。
ケースのタイプ    Ｊ１（ｍｍ）    Ｊ２（ｍｍ）    ｄ１（ｍｍ）
ＲＥＦ            ０．４          ０．４          −−
Ｂ                ０．６４        ２．０          １．２８
図８は、超同期周波数線が除去された場合の例えばパラメータＪ１１＝０．４ｍｍ、Ｊ１２＝６ｍｍ、及びｄ１１＝１２ｍｍである本発明のケース形状を有するインデューサ（図１）に対応している範囲は示していない。
【図面の簡単な説明】
【図１】インデューサ回転子に近接して位置するケースの形状に関しての本発明の本質的な特徴を示している線図である。
【図２】従来技術のインデューサに近接して位置するケースの形状を示していることを除いて、図１に類似の線図である。
【図３】本発明が適用可能な従来技術のターボポンプの例についての軸線方向の断面図である。
【図４】インデューサを含む図３の入口部分の軸線方向の拡大断面図である。
【図５】図４の入口部分の端面図である。
【図６】従来型のポンプに関して、インデューサの無次元圧力上昇ψがインデューサの入口における無次元圧力τの関数として変化することを示す、ψ＝ｆ（τ）の曲線である。
【図７】ψ＝ｆ（τ）の三本の曲線を示す一つのグラフであり、三本の曲線のうちの二本の曲線は従来技術のインデューサ装置に対応し、第三の曲線は本発明によるインデューサ装置に対応している。
【図８】種々のインデューサに関して、流量係数φ／φ0 とインデューサへの入口における無次元圧力τによって規定される平面（φ／φ0 ，τ）において超同期周波数が現れる範囲を示している。
【図９】周波数特性線が既知の従来型インデューサの入口における無次元圧力τの関数としてどのように変化するかを示しており、特に超同期周波数線の見掛けを示す役に立つ。
【図１０】周波数特性線が、類似ではあるが本発明の装置と適合された図１の構成を有するインデューサの入口における無次元圧力τの関数として、どのように変化するかを示しており、図中においては超同期周波数線が完全に除去されている。
【図１１】周波数特性線が、図２に示される装置のような従来技術の装置と適合された類似のインデューサの入口における無次元圧力τの関数として、どのように変化するかを示しており、特に超同期周波数線の見掛けを示している。
【符号の説明】
１２３…インデューサ回転子
１２４…ケース
１２７…第一部分
１３６…羽根
Ｊ１１…通常のクリアランス
Ｊ１２…増加されたクリアランス
【図１】
0004108830.tif 000002
【図２】
0004108830.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004108830.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004108830.tif 000008
【図８】
0004108830.tif 000009
【図９】
0004108830.tif 000010
【図１０】
0004108830.tif 000011
【図１１】
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