(57)【要約】【課題】ポンプ内における非対称キャビテーションの発生を良好に抑制することで歩留まりの向上が図られた、ポンプ、及びポンプの駆動方法を提供する。【解決手段】液体を加圧するポンプのインペラ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を有するポンプ１である。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の羽根３４の中腹部に対応する位置に開口部４１が形成され、開口部４１内にインデューサ本体３１の上流側よりも高い圧力の流体が注入される。【選択図】図１
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【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前記羽根の中腹部に対応する位置に開口部が形成され、該開口部内に前記インデューサ本体の上流側よりも高い圧力の流体が注入されることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記開口部は、前記インデューサケーシングの外側から内側に、前記液体が流動する上流側から下流側に向かうように形成されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記インデューサケーシングは断面視略中空円環形状から構成されており、
該インデューサケーシングの周方向に沿って、複数の前記開口部が形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記開口部は、前記羽根の回転によって生じる流れ方向に沿うように前記インデューサケーシングに形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項５】
前記インデューサ本体の下流側に流動することで昇圧された液体の一部が前記開口部に注入される構成を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項６】
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の駆動方法であって、
ポンプ起動時に、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前記羽根の中腹部に対応する位置に形成された開口部内に前記インデューサ本体の上流側よりも高い圧力の流体を注入することを特徴とするポンプの駆動方法。
【請求項７】
前記インデューサ本体の下流側に流動することで昇圧した流体の一部を前記開口部から注入することを特徴とする請求項６に記載のポンプの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ、及びポンプの駆動方法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途等、高圧の液体水素或いは液体酸素を供給する装置として、高速で回転駆動されるターボポンプが使用されている。ターボポンプは、キャビテーションが常に発生するほどの極めて低い入口側圧力下での運転が要求される。このようなターボポンプでは、その吸込性能を満足させつつ高圧の流体を吐出するため、インデューサを備えている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】小林、「インデューサの非対称キャビテーション発生に対する軸振動の影響について」、日本機械学会論文集  Ｂ編  ７１巻７０９号（２００５−９）、Ｐ２３０３−Ｐ２３０８、Ｎｏ．０４−１２３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記非特許文献中に示されるように、インデューサは、ある程度キャビテーションが発生しても流体を吸い込むことが可能であるが、インデューサ入口側の圧力が低く過ぎると、不安定現象としての非対称キャビテーションが起こることが確認されている。
非対称キャビテーションとは、減圧に伴い均一な大きさで成長するインデューサの各羽根のキャビティが何らかの要因で不均一な大きさの状態で固定される現象である。非対称キャビテーションが生じると不均一な流体力が羽根に加わることで回転に同期した振動が発生し、ポンプの運転時における信頼性が低下することで不良品となってしまう。この非対称キャビテーションが発生する要因の一例として、インデューサの回転軸における振れ回り（軸振動）が挙げられる。そこで従来は、回転軸の振れ回りを予め抑えることで非対称キャビテーション発生の防止を図っていたが、回転軸の振れ回り量を抑えるには軸のバランス調整を厳密に行う必要があった。しかしながら、軸のバランス調整を厳密に行う事は非常に困難であり、バランス調整が不十分な場合に上記の非対称キャビテーション（軸振動）が生じることでポンプとしての信頼性が得られず不良品となってしまうため、結果的にポンプの歩留まりが低下するといった問題があった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、ポンプ内における非対称キャビテーションの発生を良好に抑制することで歩留まりの向上が図られた、ポンプ、及びポンプの駆動方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
本発明のポンプは、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前記羽根の中腹部に対応する位置に開口部が形成され、該開口部内に前記インデューサ本体の上流側よりも高い圧力の流体が注入されることを特徴とする。
【０００６】
また、前記開口部は、前記インデューサケーシングの外側から内側に、前記液体が流動する上流側から下流側に向かうように形成されるのが望ましい。
【０００７】
また、前記インデューサケーシングは断面視略中空円環形状から構成されており、該インデューサケーシングの周方向に沿って、複数の前記開口部が形成されるのが望ましい。
【０００８】
また、前記開口部は、前記羽根の回転によって生じる流れ方向に沿うように前記インデューサケーシングに形成されるのが望ましい。
【０００９】
また、前記インデューサ本体の下流側に流動することで昇圧された液体の一部が前記開口部に注入される構成とするのが望ましい。
【００１０】
本発明のポンプの駆動方法は、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の駆動方法であって、ポンプ起動時に、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前記羽根の中腹部に対応する位置に形成された開口部内に前記インデューサ本体の上流側よりも高い圧力の流体を注入することを特徴とする。
【００１１】
また、前記インデューサ本体の下流における流体を前記開口部に注入するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
開口部内に高圧の流体を注入することでインデューサ本体の羽根に非対称キャビテーションが発生するのを防止でき、安定した出力を得ることができる。また、非対称キャビテーションを防止するに際し、軸系の調整等といった煩雑な作業が不要となる。よって、こ従来のような軸系の調整不良によってポンプの歩留まりが低下するおそれがなくなり、結果的に歩留まりの向上が図られたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明のポンプの一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、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）を例に挙げて説明する。本実施形態に係る高速ポンプは、ロケットエンジン用途など、高圧の液体水素あるいは液体酸素を供給する装置として好適に用いられる。なお本明細書中において、上流および下流とは、ポンプ内に供給される流体の流れの方向に対して規定されるものである。
【００１４】
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。
【００１５】
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。なお、図１中では、羽根３４の形状を簡略化して図示している。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宜変更可能である。
【００１６】
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、例えば液体水素、液体酸素等からなる液体燃料（流体）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。
【００１７】
ここで、図２はインデューサケーシング３２を羽根３４の回転軸方向から視た概略断面構成図である。図２に示すように、インデューサケーシング３２には小さな穴の貫通孔（開口部）４１が複数、周方向に沿って均等に形成されている。本実施形態では、貫通孔（開口部）４１を周方向に沿って均等に形成しているが、貫通孔（開口部）４１を不均等配置にしても良い。この貫通孔４１は、インデューサケーシング３２の外側面と内側面との間を貫通するとともに、前記インデューサケーシング３２の内面側における貫通孔４１の形成位置が前記インデューサケーシングの外面側における貫通孔４１の形成位置に対して、前記インデューサ本体３１の羽根３４の回転方向にずれた状態に形成されている。具体的には、前記貫通孔４１は、羽根３４が回転することで生じる液体燃料Ｌの流れ方向に沿うようにインデューサケーシング３２に形成されている。
【００１８】
図３は前記貫通孔４１が形成されたインデューサケーシング３２及び内部に設けられるインデューサ本体３１を示す拡大断面図である。
図３に示すように貫通孔４１は液体燃料Ｌの流れにおける上流から下流に向かって形成されている。また、前記貫通孔４１は、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の羽根３４の中腹部に対応する位置（同図中、１点鎖線で示される）に形成されている。この貫通孔４１の形成位置は、詳細について後述する非対称キャビテーションの起点をなす領域Ａに対応している（図６参照）。
【００１９】
そして、貫通孔４１にはインデューサ本体３１の上流側よりも高い圧力の液体燃料Ｌが供給管５２を介して注入される構成となっている。具体的に本実施形態では、前記液体燃料Ｌをポンプ本体１０から供給する構成とした。ポンプ本体１０にはインデューサ装置３０によって昇圧された液体燃料Ｌが供給されるため、前記ポンプ本体１０内を流れる液体燃料Ｌは、その圧力が前記インデューサ本体の上流側（昇圧前）に比べて高いものとなる。したがって、簡便な構成により高圧の液体燃料Ｌを貫通孔４１内に注入することが可能となっている。
【００２０】
なお、本発明は上記構成に限定されることはない。例えば本実施形態では、ポンプ本体１０内から高圧の液体燃料Ｌを貫通孔４１内に供給する供給管５２を設ける構成としたが、高速ポンプ１の吸込口３７に供給される液体燃料Ｌよりも高い圧力に維持した液体燃料Ｌを別のタンクに収容し、供給管を介して貫通孔４１に注入する構成を採用しても良い。
【００２１】
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が回転駆動することにより、インデューサ本体３１が回転駆動する。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。
【００２２】
一般的に高速ポンプに設けられるインデューサには、キャビテーションを伴う流れが発生しており、入口圧力が所定値よりも低くなることで出口圧力が低下する非対称キャビテーションと呼ばれる不安定現象が起こることが確認されている。非対称キャビテーションとは、減圧に伴い均一な大きさで成長するインデューサ本体の各羽根のキャビティが何らかの要因で不均一な大きさの状態で固定される現象である。
【００２３】
図４は、非対称性キャビテーションの発生時におけるインデューサ本体の羽根を正面から視た図である。羽根を構成する３枚の翼には、各翼の回転方向とは逆方向にそれぞれキャビテーションが生じており、図４に示されるように各翼に生じるキャビテーションの大きさが異なっている。このように、非対称キャビテーションの発生時には、各翼に作用する流体力のバランスが崩れることで、図５に示されるようにポンプの出口圧力（ポンプ出力）が低下してしまう。なお、図５は非対称キャビテーションが生じた高速ポンプにおける、入口側（上流側）における圧力と出口側（下流側）における圧力との関係を示したグラフである。また、非対称キャビテーションが生じると、羽根の回転軸における振れ回り量が増加し、大きな軸振動が生じる。軸振動が生じるポンプは、製品としての品質を維持しているとは言い難く不良品とみなされる。
【００２４】
ところで、非対称キャビテーションの発生を防止する手段としては、回転軸の振れ回りを予め抑えることが考えられる。この場合、回転軸の振れ回り量を抑えるには軸系のバランス調整を厳密に行う必要がある。しかしながら、軸のバランス調整を厳密に行う事は非常に困難であり、バランス調整が不十分に行われないと、非対称キャビテーション（軸振動）が生じ不良品となることでポンプの歩留まりが低下してしまう。
【００２５】
以下、本実施形態に係る高速ポンプ１の駆動方法を述べることで、高速ポンプ１によればポンプ内における非対称キャビテーションの発生を良好に抑制することで歩留まりを向上させることができる点について説明する。
【００２６】
本実施形態に係る高速ポンプ１は、ポンプが作動するとインデューサ本体３１が回転し、昇圧された液体燃料Ｌがインデューサ本体３１に送られる。するとインデューサ本体３１の回転に伴って、羽根３４にキャビテーションが生じる。
【００２７】
このように羽根３４に生じているキャビテーションが非対称キャビテーションへと発展するおそれがある。これに対し、高速ポンプ１は、図３に示したようにインデューサ本体３１の羽根３４の中腹部に対応する位置に設けられた貫通孔４１からポンプ本体３１に送られることで昇圧された液体燃料Ｌの一部を注入している。なお、貫通孔４１の形成位置は、非対称キャビテーションの起点をなす領域Ａに対応している。すなわち、この領域Ａ内にキャビテーションが発生すると非対称キャビテーションが発生することを意味している。
【００２８】
ここで、比較として前記貫通孔４１から液体燃料Ｌを注入しない場合を例示することで、本実施形態に係る高速ポンプ１によって得られる格別の作用効果について説明する。
【００２９】
図６（ａ）は上記貫通孔４１から高圧の液体燃料Ｌを注入しない場合におけるインデューサ本体３１の羽根３４に生じるキャビテーションの状態を示し、図６（ｂ）は上記貫通孔４１から高圧の液体燃料Ｌを注入した場合におけるインデューサ本体３１の羽根３４に生じるキャビテーションの状態を示す図である。なお、図６（ａ），（ｂ）中では羽根３４を回転方向に展開した状態で図示しており、同図中、１点鎖線で示される領域Ａは図３中に示した貫通孔４１の形成領域（すなわち、非対称キャビテーションの起点をなす領域）に対応している。
【００３０】
図６（ａ）に示すように、貫通孔４１から高圧の液体燃料Ｌを注入しない場合には、高速ポンプ１の吸込口３７における圧力が所定値よりも低くなった場合に各羽根３４に異なる大きさのキャビテーションが生じることとなる（非対称キャビテーションの発生）。
【００３１】
一方、本実施形態に係るインデューサ装置３０では、高圧の液体燃料Ｌを上述したように非対称キャビテーションの起点をなす領域Ａに形成された貫通孔４１から注入されることで、図６（ｂ）に示すように非対称キャビテーションの起点をなす領域Ａ内にキャビテーションが発生するのを防止できる。したがって、非対称キャビテーションが発生するのを防止できる。
図７は本実施形態に係る高速ポンプ１における、入口側（上流側）における圧力と出口側（下流側）における圧力との関係を示したグラフであり、図５に対応するものである。
本実施形態に係る高速ポンプ１は、図７に示されるようにポンプの入口側における圧力が低圧になった場合でも、非対称キャビテーションが発生することがなく、安定したポンプの出口圧力（ポンプ出力）を得ることができる。
【００３２】
以上述べたように、本実施形態に係る高速ポンプ１によれば、貫通孔４１を介して高圧の液体燃料Ｌを注入することで非対称キャビテーションの発生が防止できる。また、本実施形態に係る高速ポンプ１では、回転軸１２及び軸受１３等の軸系の調整を厳密に行うといった煩雑な作業が不要となる。よって、このような調整不良によって非対称性キャビテーションが発生してしまいポンプが不良となり、歩留まりを低下させることがなくなる。したがって、ポンプの歩留まりを向上させることができる。
【００３３】
また、前記貫通孔４１は、上流から下流に向かってインデューサケーシング３２に形成したため、貫通孔４１から注入された高圧の液体燃料Ｌは、フランジ３６を介して図示されないタンクから供給される液体燃料Ｌの主流にスムーズに合流させることができる。また、前記貫通孔４１がインデューサケーシング３２の周方向に均等に形成される構成とした。この構成により、回転するインデューサ本体３１の羽根３４に対し、高圧の液体燃料Ｌが供給されることとなり、これに伴って上記領域Ａにキャビテーションが生じるのを良好に防止することができる。
【００３４】
また、図２に示したように、前記貫通孔４１は、羽根３４が回転することで生じた液体燃料Ｌの流れ方向に沿うようにインデューサケーシング３２に形成されている。これにより、高圧の液体燃料Ｌを注入した際に羽根３４の表層部に圧力変化が生じるのを良好に防止できる。
【００３５】
なお、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非対称キャビテーションの発生を防止したが、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】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る高速ポンプの側断面図である。
【図２】インデューサケーシングを羽根の回転軸方向から視た概略断面図である。
【図３】インデューサケーシング及びインデューサ本体の拡大断面図である。
【図４】非対称性キャビテーションが発生時の羽根を正面図である。
【図５】従来の高速ポンプにおける入口及び出口の圧力関係を示す図である。
【図６】インデューサ本体の羽根に生じるキャビテーションの状態を示す図である。
【図７】本実施形態に係る高速ポンプの入口及び出口の圧力関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…高速ポンプ、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）、Ｌ…液体燃料（液体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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