(57)【要約】  本発明による遠心ポンプ（１０）は、羽根車（２０）と、それを包囲するケーシング（５０）を有する。羽根車は、主通路（２４）を有し、主通路（２４）は、第１の通路（２４１）と第２の通路（２４２）に分岐し、第１の通路及び第２の通路（２４１，２４２）に共通する供給入口（２２）を有する。第１の通路（２４１）は、半径方向に差し向けられた第１の出口（２４３）を有し、第２の通路（２４２）は、半径方向に差し向けられ且つ第１の出口（２４３）の後方に位置する第２の出口（２４４）を有する。羽根車（２０）は、ケーシング（５０）と協働して、軸線方向平衡システムを形成する。軸線方向平衡システムは、羽根車の後面（２７）とケーシングのうちの上記後面（２７）に面する部分（５７）との間に形成されたチャンバ（９０）を有する。チャンバ（９０）への入口は、第２の出口（２４４）のレベルに位置する。
2012526944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ（１０）であって、
羽根車（２０）と、前記羽根車を包囲するケーシング（５０）と、を有し、
前記羽根車は、主通路（２４）を有し、前記主通路は、第１の通路（２４１）と第２の通路（２４２）に分岐し、前記第１の通路と前記第２の通路に共通する供給入口（２２）を有し、前記供給入口は、前記ポンプの回転軸線（Ａ）と平行であり、前記主通路（２４）の入口であり、
前記第１の通路（２４１）は、半径方向に差し向けられた第１の出口（２４３）を有し、前記回転軸線（Ａ）に対して第１の直径で開口し、流体を第１の圧力で供給し、
前記第２の通路（２４２）は、半径方向に差し向けられ且つ前記第１の出口（２４３）の後方に位置する第２の出口（２４４）を有し、前記第１の直径よりも大きな第２の直径で開口し、流体を前記第１の圧力よりも高い第２の圧力で供給し、
前記羽根車（２０）は、前記ケーシング（５０）と協働して、軸線方向平衡システムを形成し、前記軸線方向平衡システムは、前記羽根車の後面（２７）と前記ケーシングのうちの前記後面（２７）に面する部分（５７）との間に形成されたチャンバ（９０）を有し、前記チャンバ（９０）への入口は、前記第２の出口（２４４）のレベルに位置する、ポンプ（１０）。
【請求項２】
前記第１の通路（２４１）と前記第２の通路（２４２）は、シュラウド（４０）によって分離され、前記シュラウドは、少なくとも、前記第１の出口（２４３）と前記第２の出口（２４４）の間を延びる部分を有する、請求項１に記載のポンプ（１０）。
【請求項３】
前記シュラウド（４０）は、前記主通路（２４）内に前記供給入口（２２）に向かって上流側に延長される、請求項２に記載のポンプ（１０）。
【請求項４】
前記第１の出口（２４３）と前記第２の出口（２４４）との間を延びる前記シュラウド（４０）の外側部分（４８）は、前記ケーシング（５０）の中間壁（５８）との対向部のところに、動的シールガスケットを有する、請求項２又は３に記載のポンプ（１０）。
【請求項５】
前記主通路（２４）の前壁と前記ケーシング（５０）の間の対向部は、動的シールガスケットを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のポンプ（１０）。
【請求項６】
更に、前記供給入口（２２）の上流に位置する誘導部（４）及び整流ノズル（６）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のポンプ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において、用語「上流」及び「下流」は、ポンプ及び羽根車を通る流体の通常の流れ方向に対して定められている。
【０００３】
ある宇宙適用例（例えば、ロケットエンジン用ターボポンプ）及びある工業適用例（例えば、液体天然ガス（ＬＮＧ）ガス化サイクル）では、第１の流量及びある圧力の第１の流体流れと、第１の流量よりも少ない流量及び上記圧力よりも高い圧力の別の流体流れを利用することが必要である。
【０００４】
一般に、直列に供給が行われる２つのポンプが、かかる用途に必要である。
【０００５】
図４は、直列に配置された２つのポンプを有する先行技術のターボポンプを示し、その作動の概要を以下に説明する。
【０００６】
ターボポンプ１００は、回転軸線Ａを中心に回転するのに適した回転シャフト１８０と、回転シャフト１８０を包囲するケーシング１５０を有している。ケーシング１５０は、回転しないように構成され、回転シャフト１８０は、ケーシング１５０を支持するボールベアリングに取付けられている。１次ポンプ１１０が、回転軸線Ａの周りに取付けられ、回転シャフト１８０と一緒に回転するように拘束された１次羽根車１１２と、１次排出ボリュート１１５を有している。１次排出ボリュート１１５は、ケーシング１５０に組込まれ、不動である。
【０００７】
流体がターボポンプの前方からその中に環状通路１０２を経て進入し、環状通路１０２内において、インデューサ又は誘導部１０４が、流体を回転軸線Ａと平行な方向に流す。本明細書において、用語「前」及び「後」は、ポンプの複数の部分の互いに対する位置及び回転軸線Ａに平行な方向に対する位置を定めるために用いられる。
【０００８】
整流ノズル１０６が、誘導部１０４の下流側に設けられ、１次羽根車１１２が、整流ノズル１０６の下流側に設けられている。１次羽根車１１２は、複数の１次傾斜通路１０４を有し、１次傾斜通路１０４は、流体を回転シャフト１８０から半径方向に遠ざけるように移動させ、その結果、流体が引き続いて回転軸線Ａに対して半径方向に流れる。かくして、流体は、１次排出ボリュート１１５の上流に位置し且つ１次傾斜通路１１４の下流に位置するディフューザ１１７に引込まれる。１次ボリュート１１５に進入した流体は、１次羽根車１１２を通過することによって圧縮されている。
【０００９】
１次ボリュート１１５内を流れる流体の一部分がその下流で取出され、回転シャフト１８０に沿って１次ポンプ１１０の後方に位置する２次ポンプ１２０内に投入される。
【００１０】
２次ポンプ１２０は、回転シャフト１８０と一緒に回転するよう拘束された２次羽根車１２２と、２次排出ボリュート１２５を有している。２次排出ボリュート１２５は、ケーシング１５０内に組込まれ、不動である。
【００１１】
１次ボリュート１１５から来た流体は、２次ポンプ１２０の複数の２次傾斜通路１２４に流入し、２次ポンプ１２０は、流体を回転シャフト１８０から半径方向に遠ざけ、その結果、流体は、回転軸線Ａに対して半径方向に流れる。かくして、流体は、２次排出ボリュート１２５の上流に位置し且つ２次傾斜通路１２４の下流に位置するディフューザ１２７に引込まれる。２次傾斜通路１２４の断面は、１次傾斜通路１１４の断面よりも小さい。２次ポンプ１２０は、１次ポンプ１１０によって送出された流体の流量よりも少ない流量で且つかかる流体の圧力レベルよりも高い圧力レベルで流体を送出する。
【００１２】
しかしながら、２つのポンプを有していることにより、ターボポンプの構成が複雑になる。
【００１３】
さらに、１次羽根車１１２は、ロータに作用する流体によって生じる軸線方向力（回転軸線Ａに沿う力）を補償するのに役立つ軸線方向平衡システムを含んでいる。軸線方向平衡システムは、１次羽根車１１２の後方に位置し且つ１次羽根車１１２とケーシング１５０との間に位置するチャンバ１９０を含む。１次傾斜通路１１４の出口から取出された流体は、チャンバ１９０の中を半径方向に流れ、１次羽根車１１２のうちの回転シャフト１８０の最も近くに位置する部分を経てチャンバ１９０から出る。チャンバ１９０の中を通る流体の上記流れは、ロータに作用する流体によって生じる軸線方向力に対抗するクッションとして作用する。この軸線方向平衡システムの作動は、ロータがケーシング１５０に対して軸線方向に動くことが可能でなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
残念ながら、１次羽根車１１２は、中くらいの圧力を送出するので、チャンバ１９０内の圧力は、同様に中くらいである。軸線方向平衡システムの取出し能力は、チャンバ１９０の寸法に依存し、１次羽根車１１２の回転速度の関数である。この回転速度は、速すぎてはならず、その理由は、そうでないと、ロータに作用する流体が及ぼす軸線方向力が強すぎて、軸線方向平衡システムによってバランスをとることができず、その結果、ターボポンプに損傷を生じさせるからである。
【００１５】
かくして、かかるターボポンプは、有効性が制限されたものである。
【００１６】
本発明は、これらの欠点に対処することを目的とする。
【００１７】
本発明は、寸法、重量及びコストを減少させ且つ性能を向上させたポンプ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】
【００１８】
この目的は、ポンプが、羽根車と、羽根車を包囲するケーシングと、を有し、羽根車は、主通路を有し、主通路は、第１の通路と第２の通路に分岐し、第１の通路と第２の通路に共通する供給入口を有し、供給入口は、ポンプの回転軸線と平行であり、主通路の入口であり、第１の通路は、半径方向に差し向けられた第１の出口を有し、回転軸線に対して第１の直径で開口し、流体を第１の圧力で供給するのに適し、第２の通路は、半径方向に差し向けられ且つ第１の出口の後方に位置する第２の出口を有し、第１の直径よりも大きな第２の直径で開口し、流体を第１の圧力よりも高い第２の圧力で供給するのに適し、羽根車は、ケーシングと協働して、軸線方向平衡システムを形成し、軸線方向平衡システムは、羽根車の後面とケーシングのうちの後面に面する部分との間に形成されたチャンバを有し、チャンバへの入口は、第２の出口のレベルに位置することによって達成される。
【００１９】
これらの構成によって、１次ポンプ及び２次ポンプが、２つの排出部を有する単一のポンプに置き換えられているので、ターボポンプは、より小さい寸法及びより少ない重量しか有しない。かくして、２次ポンプに供給するための流体を１次ポンプの出口から取出す必要はもはやない。その結果、ターボポンプの構成が簡単化され、製造コストを減少させる。更に、羽根車の直径がより大きくなるので、２つの排出部を有するポンプと関連した軸線方向平衡システムの性能が、後で説明するように向上する。
【００２０】
有利には、第１の通路と前記第２の通路は、シュラウドによって分離され、シュラウドは、少なくとも第１の出口と第２の出口の間を延びる部分を有する。
【００２１】
非限定的な例として与えられる実施形態の以下の詳細な説明を考慮すると、本発明をより良く理解でき、その利点がより明らかになろう。以下の説明は、添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の遠心ポンプを含むターボポンプの長手方向断面図である。
【図２】本発明の遠心ポンプの長手方向断面図である。
【図３】本発明の遠心ポンプの別の実施形態の長手方向断面図である。
【図４】先行技術のターボポンプの長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、ターボポンプ１を示し、ターボポンプ１は、回転軸線Ａを中心として回転するのに適した回転シャフト８０と、回転シャフト８０に取付けられたポンプ１０を有している。ポンプ１０は、回転シャフト８０と一緒に回転するように拘束された羽根車２０と、回転シャフト８０を包囲するケーシング５０を有し、ケーシング５０は、回転しないように構成されている。回転シャフト８０は、ケーシング５０を支持するボールベアリングに取付けられている。
【００２４】
流体がターボポンプ１の前方からその中に環状ダクト２を経て進入し、環状ダクト２は、インデューサ又は誘導部４に案内され、整流ノズル６が誘導部４に続き、羽根車２０は、整流ノズル６の下流に位置している。誘導部４及び整流ノズル６は、ポンプ１０の一部を形成している。
【００２５】
羽根車２０は、供給入口２２を備えた主通路２４を有し、誘導部４からの流体は、供給入口２２に進入する。供給入口２２は、回転軸線Ａに沿って差し向けられている。主通路２４は、ベンド又は曲り部を供給入口２２の下流に形成し、曲り部は、回転軸線Ａから遠ざかる方向に向かっており、主通路２４は、曲り部のところで、第１の通路２４１と第２の通路２４２に分岐している。第１の通路２４１は、第１の出口２４３に通じ、かくして、第１の出口２４３は、回転軸線Ａに対して実質的に垂直に差し向けられている。
【００２６】
第１の通路２４１と第２の通路２４２の間の分離は、シュラウド４０によって構成されている。
【００２７】
図２に示すように、シュラウド４０は、第１の通路２４１の後方に位置し、すなわち、第１の通路は、ターボポンプの前側の近くに位置し、従って、シュラウド４０は、第１の出口２４３まで第１の通路２４１の後壁を形成している。
【００２８】
シュラウド４０は、第２の通路２４２の前方に位置し、かくして、第２の通路２４２の前壁を形成している。第２の通路２４２は、半径方向において、第１の出口２４３のレベルを越えて延び、第１の出口２４３よりも回転軸線Ａから遠い第２の出口２４４で終端している。シュラウド４０の外側部分４８は、シュラウド４０のうちの第１の出口２４３と第２の出口２４４の間に延びる部分である。
【００２９】
図２に示すように、シュラウド４０は、外側部分４８の上流側延長部分である内側部分を有し、内側部分は、主通路２４の傾斜領域の主要部分にわたっている。したがって、第１の通路２４１及び第２の通路２４２は、傾斜し、第１の通路２４１に沿う流れに対して垂直な第１の通路２４１の断面は、上流端部４５と第１の出口２４３の間で僅かに先細りになり、第２の通路２４２に沿う流れに対して垂直な第２の通路２４２の断面は、上流端部４５と第２の出口２４４の間で僅かに先細りになる。
【００３０】
シュラウド４０の内側部分の上流端部４５は、供給入口２２の下流に位置している。例えば、上流端部４５は、第１の出口２４３よりも供給入口２２の近くに位置している。
【００３１】
理想的には、シュラウド４０の厚さは、主通路２４内の流体の分離を最適化するように可能な限り薄い。
【００３２】
変形例として、図３に示すように、シュラウド４０は、その外側部分４８を越えて回転軸線Ａに向かって延びていない。かかる状況において、シュラウド４０の上流端部４５は、回転軸線Ａから第１の出口２４３までの距離と同じ回転軸線Ａからの距離のところに位置している。
【００３３】
シュラウド４０はまた、シュラウド４０がほぼ主通路２４の入口２２まで延びている図２に示す形態とシュラウド４０が第１の出口２４３を越えて上流側に延びていない図３に示す形態との間の中間の距離にわたって、主通路２４内を上流側に延びていてもよい。
【００３４】
ケーシング５０は、２つの排気部を有するボリュートを形成し、ボリュートは、第１の排出ボリュート５１を含んでいる。第１の出口２４３は、第１の排出ボリュート５１の第１のオリフィス５１３に面し、その結果、流体は、羽根車２０によって、第１のオリフィス５１３を通して第１の排出ボリュート５１に向かって押される。
【００３５】
ケーシング５０はまた、第２の排出ボリュート５２を含む。第２の出口２４４は、第２の排出ボリュート５２の一部分を形成する第２のオリフィス５２４に面するように位置しており、その結果、流体は、羽根車２０によって、第２のオリフィス５２４を通して第２の排出ボリュート５２に引込まれる。
【００３６】
第２の通路２４２の断面は、第１の通路２４１の断面よりも小さい。
【００３７】
かくして、第１の通路２４１は、流れを大きい流量及び中くらいの圧力で供給し、第２の通路２４２は、その断面が第１の通路２４１の通路よりも小さいので、流れを小さい流量で供給すると共に、第２の出口２４４が第１の出口２４３よりも回転軸線Ａから半径方向に遠くに位置しているので、上記流れを第１の通路２４１の流れの圧力よりも高い圧力で供給する。
【００３８】
したがって、先行技術の排出ボリュート１１５（図４）で行われていたように、流体を排出ボリュートの出口から取出す必要はもはや存在しない。その結果、第１の排出ボリュート５１の断面は、排出ボリュート１１５の断面よりも小さいのがよい。
【００３９】
第２の排出ボリュート５２は、第１の排出ボリュート５１に隣接し、第１の排出ボリュート５１の後方に位置し、第１の排出ボリュート５１よりも回転軸線Ａから遠くに位置する。この形態は、ケーシング５０が占める容量を最小にするのに役立つ。
【００４０】
羽根車２０のシュラウド４０の外側部分４８は、ポンプの前方に向かう面を有している。外側部分４８に面する中間壁５８が、ケーシング５１の一部分を形成し、第１の排出ボリュート５０のディフューザ５１１を第２の排出ボリュート５２のディフューザ５２２から分離している。中間壁５８がケーシング５０の一部分を形成しているので、中間壁５８は、不動である。
【００４１】
ポンプが作動状態にあるとき、シュラウド４０の外側部分４８は、回転軸線Ａを中心に回転駆動され、従って、外側部分４８は、中間壁５８に対して移動する。かくして、羽根車の第１の出口２４３と第２の出口２４４の間の圧力差に起因して、望ましくない流体の漏れが、外側部分４８と中間壁５８の間のインターフェース又は対向部のところで起こる。
【００４２】
この漏れ流量を最小にすることが望ましい。
【００４３】
外側部分４８と中間壁５８の間の相対運動があれば、上記対向部のシールは、好ましくは、動的シールガスケット又は動的シール部によって行われる。例えば、動的シールガスケット又は動的シール部は、ラビリンスガスケット又はラビリンスシール部である。
【００４４】
図２及び図３に示すように、主通路２４の前壁２９は、主通路２４の供給入口２２のところに且つ前壁２９とケーシング５０の間のインターフェース又は対向部のところに、動的ガスケット又は動的シール部を有する。動的ガスケット又は動的シール部は、漏れを制限するように設計され、かくして、第１の通路２４１の第１の出口２４３と供給入口２２の間で再循環され且つ再圧縮される必要がある流れを制限するように設計されている。例を挙げると、動的ガスケット又は動的シール部は、ラビリンスガスケット又はラビリンスシール部である。
【００４５】
変形例として、特にターボポンプの性能がそれほど重要ではない適用例では、第１の通路２４１の前壁２９、及び／又は、シュラウド４０及びその外側部分４８を省略してもよい。
【００４６】
単一の軸線方向平衡システムが、羽根車２０の後面２７の後方に設けられ、ポンプが作動中であるときにロータに作用する流体によって生じる軸線方向の（回転軸線Ａに沿う）力を補償するために用いられる。
【００４７】
第２の通路２４２の後壁は、羽根車２０によって形成され、羽根車２０の後面２７は、その面積全体にわたってケーシング５０の一部分５７に面している。後面２７と上記一部分５７との間の空間は、チャンバ９０を形成している。
【００４８】
流体が第２の通路２４２から第２の出口２４４と同じレベルで取出され、軸線方向隙間が可変である環状通路９３を経てチャンバ９０に入り、羽根車２０のうちの回転シャフト８０に最も近くに位置する部分と同じレベルに位置する出口オリフィス９６を通ってこのチャンバ９０から出る。環状通路９３及びチャンバ９０を含む組立体は、軸線方向平衡システムを構成する。
【００４９】
軸線方向隙間が可変である環状通路９３の作動を以下に簡単に要約する。
【００５０】
流体は、環状通路９３を経てチャンバ９０に進入する。環状通路９３と出口オリフィス９６の間の圧力差により、流体がチャンバ９０に流入することを確保するので、チャンバ９０は流体で満たされる。この流体は、羽根車２０を前方に移動させようとする圧力を前方に向かって及ぼす。環状通路９３の形状は、羽根車の前方運動によって通路を閉鎖させようとする形状である。したがって、チャンバ９０内の圧力が減少し、それにより、羽根車２０が後方に移動することを可能にする。
【００５１】
かくして、軸線方向平衡システムにより、羽根車２０を平衡点付近の軸線方向位置に維持することを可能にすることが理解できる。その結果、軸線方向平衡システムは、羽根車２０（かくして、回転シャフト８０）の軸線方向位置を調節する機能を有する。したがって、この軸線方向平衡システムは、羽根車２０に対する補償力がロータ及び回転シャフトの軸線方向位置とは無関係である受動システムとは対照的である能動システムであるという利点を有する。
【００５２】
図１〜図３において、環状通路９３は、段部を有する。
【００５３】
かくして、軸線方向平衡システムにより、羽根車２０を平衡点付近の軸線方向位置に維持することを可能にすることが理解できる。
【００５４】
羽根車２０の半径方向高さが先行技術の羽根車の高さよりも大きければ、圧力が作用するチャンバ９０の領域はより大きくなる。さらに、環状通路９３と出口オリフィス９６との間の圧力差は、より大きくなる。かくして、チャンバ９０内の圧力を大きく変化させることができ、その結果、軸線方向平衡システムは、より大きい軸線方向力に順応させることができる。軸線方向平衡システムの能力のこの大幅な増大により、十分な取込み能力を保ちながらターボポンプの回転速度を増大させる。
【００５５】
結果的に得られる利点は、ターボポンプの低減した寸法及び重量、かくして、低減したコストと、ターボポンプのより大きい効率を含む。
【００５６】
さらに、軸線方向平衡システムの作動に順応させるために、先行技術におけるように羽根車２０が回転シャフト８０に結合される必要はない。ポンプ１０が羽根車を１つしか有していないならば、図１に示すように、羽根車は、回転シャフト８０と一緒に単一のブロックを形成し、軸線方向平衡システムの作動に順応させるために、回転シャフト８０と羽根車２０が、軸線方向に一緒に移動する。
【００５７】
かくして、本発明のポンプが少ない部品しか有していないので、ポンプの製造が単純化される。
【００５８】
図１〜図３において、第２の通路２４２の断面は、第１の通路２４１の断面よりも小さく示されている。これと逆の形態も、第２の通路２４２からの出口のところの圧力が第１の通路２４１からの出口のところの圧力よりも高いままであれば可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2012526944.tif 000007
2012526944.tif 000008
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