(57)【要約】  本開示は、第１の流体に対して相対的に移動する面におけるキャビテーションを低減させるためのシステムに関する。システムは、第２の流体を少なくとも一部が脱気するように構成された脱気装置を備える。システムはまた、貯蔵槽に連通しており、少なくとも一部脱気された第２の流体を収容するように構成され、第２の流体を面に向けるように配置された出口を有する貯蔵槽も備える。システムは、少なくとも一部が脱気された第２の流体を面に向けて流すことにより面に境界層を形成するように構成される。境界層は、そのような相対的移動の間のキャビテーションの発生を低減させるために、面においてキャビテーションが起こるのに必要な負圧を少なくとも部分的に増加させるように適合される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体に対して相対的に移動する面のキャビテーションを低減させる方法であって、
少なくとも一部が脱気された第２の流体を、前記第２の流体により前記面に境界層が形成されるように前記面に向けて流す段階を含み、
それにより前記境界層は、前記面でのキャビテーションを起こすのに必要な負圧を少なくとも部分的に増加させ、前記相対的移動の間のキャビテーションの発生を低減させる、方法。
【請求項２】
前記第２の流体は、前記第２の流体のガス平衡形態に対して５０％超に、例えば８０％に脱気される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の流体は、第１の体積流量で前記面に向けて流される、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の流体は、第２の体積流量で前記面に向けて流され、前記第１の体積流量は、前記第２の体積流量の５０％以下である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の流体は、前記境界層を形成するために、パルス流を用いて前記面に周期的に流される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の流体は、前記面に関する低圧領域に流される、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の流体は、前記第１の流体に開いた出口を有する導管を通して供給される、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記導管は、前記面に関する低圧側に位置付けられる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記面は、プロペラ、水中翼船、羽根車、ピストン、弁本体、制御弁、オリフィスまたは配管のうちの少なくとも１つに配置されるか、またはその一部を形成する、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の流体は、前記第１の流体の脱気された形態である、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の流体および／または前記第２の流体は水溶液である、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記水溶液は海水である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記境界層を形成するために前記面に向けて流される第２の流体の前記流れを制御するために流量制御装置を作動させる段階をさらに含む、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の方法によってキャビテーションが低減される面を有する船。
【請求項１５】
第１の流体に対して相対的に移動する面のキャビテーションを低減させるためのシステムであって、
第２の流体を少なくとも一部を脱気するように構成された脱気装置と、
前記脱気装置と連通し、前記少なくとも一部が脱気された第２の流体を収容するように構成された貯蔵槽であって、前記第２の流体を前記面に向けて流すように配置された出口を有する貯蔵槽と
を備え、
前記システムは、前記少なくともが脱気された第２の流体を前記面に向けて流すことにより前記面に境界層を形成するように構成され、それにより前記境界層は、前記面でのキャビテーションを起こすのに必要な負圧を少なくとも部分的に増加させ、前記相対的移動の間のキャビテーションの発生を低減させるように適合されている、システム。
【請求項１６】
前記脱気装置は、前記第２の流体のガス平衡形態に対して５０％超に、例えば８０％超に前記第２の流体を脱気するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムは、前記第２の流体を第１の体積流量で前記面に向けて流すように構成されている、請求項１５または請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１の流体は、第２の体積流量で相対的に移動し、前記第１の体積流量は、前記第２の体積流量の５０％以下である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
出口が、使用中前記面に関する低圧側に位置付けられる、請求項１５から請求項１８までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記面は、プロペラ、水中翼船、羽根車、ピストン、弁本体、制御弁、オリフィスまたは配管のうちの少なくとも１つに配置されるか、またはその一部を形成する、請求項１５から請求項１９までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
出口が、プロペラ、水中翼船、羽根車またはピストンに設けられる、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
出口が、導管の一端に向かって、または導管の一端に設けられる、請求項１５から請求項２１までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記面に向けて流される第２の流体の流量を制御するために前記貯蔵槽に連通する流れ制御装置をさらに備える、請求項１５から請求項２２までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
第１の流体に対して相対的に移動する面のキャビテーションを低減させるためのシステムであって、
第２の流体を脱気するための脱気装置と、
第２の流体を保持し、前記脱気装置に連通する貯蔵槽と、
前記第２の流体を前記面に向けて流すために前記貯蔵槽に連通する出口と
を備えるシステム。
【請求項２５】
前記出口を通る前記脱気された第２の流体の供給を制御するための流れ制御装置をさらに備える、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
請求項１５から請求項２５までのいずれか一項に記載のシステムを備える船。
【請求項２７】
請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の方法を利用して作動される、請求項１５から請求項２６までのいずれか一項に記載のシステムを備える船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば羽根車、プロペラ、水中翼船、噴射水取り入れ口、ピストン、パイプおよび制御弁など、流体に対して移動する面におけるキャビテーションを低減させるための方法およびシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
キャビテーションは、油圧系に作用する力の結果に起因する、油圧系における蒸気の空洞の形成である。キャビテーションは一般に、局所的圧力が、流体の飽和蒸気圧、すなわち特定の温度での流体の張力によって与えられる値をはるかに下回るまで十分に下がったときに起こる。キャビテーションの始まりが生じるためには、蒸気の空洞はたいてい、それらが凝集する面を必要とする。このような面は、コンテナ、パイプまたは弁の側面によって、流体中の不純物によって、または流体中の小さな溶解しなかった微泡によって提供される場合がある。より高い圧力を受けたとき、この空洞は急激に内側に向かって破裂し、強烈な衝撃波を生成する可能性がある。
【０００３】
キャビテーションは、流体伝達の効率に影響を与え、一般に油圧系における材料の劣化を招く。流体汲み上げ施設は、配管を通る一様な流体流れを保証するためにキャビテーションを防止するように設計される。キャビテーションはまた、水中翼船およびプロペラに対するキャビテーション作用により、高速の外洋航行船における速度制限の主な原因でもある。
【０００４】
キャビテーションはまた、油圧系の材料に摩耗を生じさせる場合もある。キャビテーション摩耗のほとんどの一般的な例は、ポンプ羽根車、プロペラ、および流れの方向の急激な変化が生じる流体回路内の湾曲部に対するものである。例えば、羽根車またはプロペラのブレードが流体の中で移動するとき、流体がブレードの周りで加速し、ブレードを通り過ぎて移動するため低圧が形成される。ブレードが素早く動くほど、圧力は低くなる可能性がある。所与の温度で圧力が流体の蒸気圧に達したとき、流体は蒸発し、気体の小泡を形成する。このような泡が合体したとき、結果として生じる合体した泡がつぶれる／内側に向かって破裂し、これにより材料に対して摩耗を生じさせる可能性のある強烈なキャビテーション衝撃波を生成する場合がある。
【０００５】
キャビテーションの有害な作用を緩和するための製造業による主な手法は、作動条件、キャビテーションの発生を抑えるシステムの幾何学的設計、またはキャビテーションによって生じる摩耗に抵抗するための強固な材料の使用を選択することである。例えば遠心力ポンプの最大シャフト速度は典型的には、羽根車またはプロペラのブレードにキャビテーションが生じないことを保証するように制限される。
【０００６】
従来技術が本明細書に参照された場合、そのような参考文献は、その従来技術が、オーストラリアで、または任意の他の国で当分野における共通の一般的知識の一部を形成する資格を成してはいないことを理解されたい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の流体に対して相対的に移動する面のキャビテーションを低減させる方法が開示される。この方法は、少なくとも一部が脱気された第２の流体を、第２の流体により面に境界層が形成されるように面に向けて流す段階を含む。境界層は、面でのキャビテーションを起こすのに必要な負圧を少なくとも部分的に増加させ、相対的移動の間のキャビテーションの発生を低減させる。
【０００８】
驚くべきことに、面に向かう脱気された流体は、その面におけるキャビテーションを低減させることができることが観察された。第１の流体中の溶解した無極性の気体分子の存在により、第１の流体中に凝集場所（サイト）が生じる可能性がある。水性と非水性の両方の流体が同様の結果を示し、それに加えて無極性流体は、水に対して気体を溶解させる高い能力を有する。したがって第２の流体を脱気することは、脱気流体の境界層を面に提供することによって、気体由来の凝集場所の数を削減するのを助けることもできる。よって、脱気された境界層を提供することは、面と第１の流体の相対運動の間のキャビテーションを軽減する、またはさらには完全に阻止するのに役立つことができる。
【０００９】
面が、外洋航行船を進ませるのに使用されるプロペラの一部を形成する場合、この方法は、船の性能および効率を大いに改善するのに役立つ場合がある。同じことが、制限オリフィスおよび弁を通してポンプで使用される羽根車またはピストンの面、噴射水取り入れ口および水中翼船の面におけるキャビテーションを低減させるのにも適用できる。弁およびオリフィスは、例えば精製所または発電所などの工場、あるいは車両の燃料系および潤滑系ならびにプリンタで使用されるものなどの噴射システムに対応付けられる場合もある。方法は、そのような相対運動の間の劣化および摩耗を少なくとも低減させるのを助けることができる。
【００１０】
キャビテーション中に形成される空洞の消失は、流体を通して衝撃波を送る。キャビテーションの大きさに応じて、これは有意な大きさの騒音を生じる場合がある。キャビテーションを低減させる、またはなくすことは、使用中の面に関連する騒音も減らす可能性がある。このことは、快適さの理由のために有用であり得るが、戦略的利点を満たす場合もある。例えば、潜水艦は、検知を阻止するために、可能な限り小さい音しか出さないように設計される。したがって開示される方法は、例えば潜水艦または他の海軍艦艇のプロペラに関連するキャビテーションの騒音を低減させるのに役立つ場合がある。
【００１１】
第１の流体に対して相対的に動く「面」という用語が利用される場合、第１の流体を通り過ぎる面の動き、または面を通り過ぎる第１の流体の動き、あるいはその両方を含めることを理解されたい。前者では、第１の流体は、静止している場合、または流れている場合がある。後者の場合、面は、例えばパイプ、弁の側壁など、所定の位置に固定されてもよい。別の代替の一実施形態では、面と流体の両方が動いている（例えば、互いに対して異なる速度で、異なる方向でなど、すなわち燃料噴射器）。
【００１２】
この方法は、また流れの分離および／または通気を最小限にする、遅らせる、または阻止するのに使用されてもよい。流れの分離および通気は各々、キャビテーションによってもたらされる、または最低限でもキャビテーションによって促進されると考えられている。流れの分離は、例えば水中翼船など、翼部分の迎え角が、流体流れが前縁のすぐ後でブレード面を離れる、したがって水によって囲まれたエアギャップを有する空隙を後に残すのに十分に大きい場合である。通気は、例えば水中翼船または噴射水取り入れ口などの面と、面の上を流れる流体との間に空気のトンネルが形成される場合である。水中翼船など水面下で動く面の場合、キャビテーションに加えて流体分離と通気の両方が生じる場合がある。境界層を設けることは、流体分離および／または通気を低減させる、および／またはなくすのに役立つ場合がある。このことは、そうでなければそのような現象に関連付けられる面の利用効率を改善する助けとなり得る。
【００１３】
一実施形態において、第２の流体は、第２の流体のガス平衡形態に対して５０％を超えて、例えば６０％、７０％、８０％または９０％を超えて脱気されてよい。一部の実施形態では、第２の流体の脱気のレベルは、第１の流体に関係している。一部の実施形態では、第２の流体は、９５％を超えて脱気されてもよい。一般に、脱気されるパーセンテージが高くなる程、キャビテーションを生じる（例えば形成、開始および空洞の促進など）のに必要とされる負圧が大きくなる。例えば、８０％脱気された流体についてキャビテーションを形成するのに、およそ５気圧の理論的負圧が必要とされ、９０％脱気された流体についてキャビテーションを形成するのにおよそ１０気圧の理論的負圧が必要とされ、９９％脱気された流体についてキャビテーションを形成するのにおよそ１００気圧の理論的負圧が必要とされる可能性がある。必要とされる脱気の量は、生じさせる負圧によって決まる。しかしながら一般的にはそれほど多くない量の脱気しか必要とされない可能性があることが観察される。
【００１４】
脱気の量は、面が利用される用途によって決定されてよい。例えばポンプで使用される羽根車は、高ＲＰＭで作動する場合が多く、ポンプの低圧側に有意な低圧を生成し得る。プロペラ、羽根車、ピストンおよび弁などの面に対する流体流れは、キャビテーションを阻止するための作動パラメータの範囲内で実施されることが多いため、開示される方法は、このような作動条件を改善するのに役立つ場合がある。例えば、ポンプ内の羽根車または船にあるプロペラを、より高いＲＰＭで作動させることが可能な場合もあり、ブレードが、固定されたＲＰＭでより高い迎え角に配向される場合もあり、またはプロペラシャフトが、キャビテーションが生じないうちは船の速度に対してより大きな角度になる場合もある。
【００１５】
第２の流体は、第１の体積流量で面に向けることができる。第１の流体は、第２の体積流量で相対的に移動することができる。一部の実施形態では、第１の体積流量は、第２の体積流量の５０％までであってよい。一部の実施形態では、第１の体積流量は、第２の体積流量のおよそ５〜２０％、例えば約１０〜１５％であってよい。一部の実施形態では、第１の体積流量は、第２の体積流量の１０％未満である場合もある。境界層は、一部の実施形態では薄い層を形成することしか必要としないことから、より少ない体積流量の第２の脱気された流体を利用することができることが観察された。一部の実施形態では、第２の流体は、境界層を形成するために、パルス式の流れを用いて面に周期的に流されてもよい。第２の流体は、わずかに高められた正圧の下でパルス式に送られてよい。第２の流体は、面に対応付けられた低圧領域に流されてよい。
【００１６】
第２の流体の必要とされる体積流量は、境界層の体積によって決定することができる。第２の流体の体積流量は一般に、境界層を維持することができるようなものにする必要がある。境界層は静止していないため、少なくとも一部脱気された第２の流体によってそれを補充する必要がある。したがって第２の流体の体積流量は、境界層を補充する必要がある割合によって決定することができる。面は、例えばプロペラブレードの表面積など関連する表面積を有する。境界層の厚さ、および境界層を形成するのに必要とされる水の体積は、以下の式
【数１】
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を用いて、レイノルズ数によって与えることができる。
この場合、δは、境界層の厚さであり、ｘは、δが計算された面の縁部からの距離であり、Ｒｅは、レイノルズ数である。レイノルズ数は、例えばプロペラのブレードなど平坦な面の上の流れの速度の尺度である。境界層の厚さおよび境界層を補充する必要がある割合は、第２の流体の体積流量を計算するのに使用することができる。しかしながら境界層の厚さ、および第２の流体の体積流量などのその他の関連する流体力学パラメータを求めるのに最適な方法は、例えば水中翼船の面とプロペラの面など面のタイプおよび用途によって決まる。
【００１７】
一実施形態において、第２の流体は、第１の流体に開いた出口を有する導管を通して供給できる。導管は、複数の出口を有してよい。複数の出口は、境界層を形成するために第２の流体の供給に使用できる。導管は、面に対応付けられた低圧側に位置付けできる。面は、プロペラ、水中翼船、羽根車、弁本体、制御弁、オリフィス、配管、チャネルなどの一部分を形成してよい、またはそれらのうちの少なくとも１つであってもよい。このようにして、本方法は一般に、広範な種類の幾何学形状についての広範な種類の用途においてキャビテーションを最小限にする、または阻止するのに使用されてよい。
【００１８】
時計周りの方向と反時計周りの両方向に回転させることができるプロペラおよび羽根車などの面の場合、プロペラまたは羽根車の低圧側は、その回転の方向によって決まる。プロペラまたは羽根車に関連するシャフトに沿って軸方向でプロペラまたは羽根車のいずれかの側に配置された導管が存在してよい。弁は、第２の流体を低圧側に流すために導管と連通してよい。あるいは、出口は、プロペラ、水中翼船または羽根車と一体式であってもよい。例えばプロペラが各ブレードに内部導管を有する場合があり、一連の出口が、各ブレードまたは水中翼船の低圧側の前縁に、またはその付近に位置付けされる場合もある。
【００１９】
一実施形態において、第２の流体は、第１の流体の脱気された形態であってよい。この方法において、第２の流体が面に向けられる場合、第１の流体は、第２の流体によって容易に置き換えられてよい。第１の流体および／または第２の流体は、水溶液（複数可）であってよい。第１の流体および／または第２の流体は、非水溶液（複数可）であってもよい。非水溶液は、低温流体、液体酸素、水素、アンモニアなどの液化ガスを含んでよい。水溶液は、海水であってもよい。水溶液は、淡水であってもよい。非水性流体は、炭化水素ベースであってもよい。第２の流体は、特定の割合の第１の流体を含んでもよい（例えば第２の流体は、第１の流体の一部分と混合されてもよい）。
【００２０】
一実施形態において、方法は、境界層を形成するために面に向けられる第２の流体の流れを制御するために流量制御装置を作動させることをさらに含んでよい。流量制御装置は、弁および／またはポンプである場合、ならびに／あるいはコンピュータに対応付けられたコンピュータ論理によってプログラム可能である場合もある。第１および／または第２の体積流量を求めるのにセンサが使用されてよい。センサは流量制御装置と通信してよい。圧力センサを使用して、面の低圧側および高圧側に関連する圧力（複数可）を測定し、その位置を特定する場合もある。流量制御装置は、圧力センサと通信してもよい。
【００２１】
また、上記に記載されるような方法を用いて作動される船も開示されている。船は、例えばボート、ヨット、貨物船、海軍船舶または潜水艦などの外洋航行（または淡水）船であってよい。船は、水中翼船を有してもよい。この方法を使用して、水中翼船、プロペラ、羽根車および船に対応付けられた噴射水取り入れ口におけるキャビテーションを最小限にすることができる。
【００２２】
また、第１の流体に対して相対的に移動する面におけるキャビテーションを低減させるためのシステムも開示されている。システムは、第２の流体を少なくとも一部を脱気するように構成された脱気装置を備える。貯蔵槽は脱気装置と連通している。貯蔵槽は、少なくとも一部が脱気された第２の流体を収容するように構成されている。貯蔵槽はまた、第２の流体を面に向けるための出口も有する。システムは、面に境界層を形成するために少なくとも一部脱気された第２の流体を面に向けるように構成されている。境界層は、そのような相対運動の間のキャビテーションの発生を低減させるために、面のキャビテーションが起こるのに必要とされる負圧を少なくともある程度高めるように適合されている。
【００２３】
脱気装置は、第２の流体を５０％を超えて、例えば８０％を超えて脱気するように構成されてよい。脱気装置は、第２の流体をおよそ１０，０００Ｌ／時間の速度で５０％を超えて脱気するように構成されてよい。一部の実施形態では、脱気装置は、１０，０００Ｌ／時間を超える脱気流体を生成する。一部の実施形態では、脱気装置は、１０，０００Ｌ／時間未満の脱気流体を生成する。例えば脱気装置は、１，０００Ｌ／時間の９９．５％の脱気流体を生成してよい。脱気装置の出力率は、必要とされる脱気率に概ね反比例するため、必要とされる脱気のレベルが低下する際、脱気装置が生成することができる脱気流体の量は増大してよい。脱気装置は、真空システムを備えてよい。第２の流体から取り出した気体は、リサイクルされてよい、または例えば燃料セルにおける供給原料として使用されてもよい。例えばそのようなリサイクルまたは再利用は、潜水艦などの閉鎖システムにおいて実施されてよい。
【００２４】
脱気装置は、（疎水性の）中空の繊維の薄膜を含んでよい。脱気装置は、継続的な流れ脱気装置であってよい。このことは、脱気された第２の流体の一定の供給が面に向けることを保証するのに役立つ場合がある。貯蔵槽は、脱気装置と一体式であってよい。例えば、貯蔵槽は、脱気装置の出口に接続されたパイプであってよい。貯蔵槽がタンクである実施形態の場合、真空システムが設けられることで、貯蔵槽に蓄えられた脱気流体が、真空下に維持され、所定の値で、例えば８０％以上脱気されたままであることを保証することができる。一部の実施形態では、所望される脱気レベルを維持するために、貯蔵槽と併せて凍結装置が使用されて、少なくとも一部脱気された流体の頂部に凍結した層を形成する場合もある。一部の実施形態では、脱気装置は、遠心脱気装置を含んでもよい。
【００２５】
システムは、第２の流体を第１の体積流量で面に向けるように構成されてよい。第１の流体は、第２の体積流量で面に向けるように構成されてよい。第１の体積流量は、第２の体積流量の５０％までであってよい。
【００２６】
出口は、使用中に面に対応付けられる低圧側に位置付けされてよい。面は、プロペラ、水中翼船または羽根車のうちの少なくとも１つであってよい。面は、オリフィスまたは制御弁に対応付けられてもよい。出口は、プロペラ、水中翼船、羽根車またはオリフィスに（例えばその一部として）設けられてもよい。出口は、導管の一端に向けて設けられてよい。出口は、複数の出口を含んでもよい。複数の出口は、導管の長手方向軸線または遠心力の軸線に沿って位置付けされてよい。
【００２７】
システムは、使用中の第２の流体の供給流量を制御するために貯蔵槽と連通する流量制御装置をさらに備えてよい。流量制御装置は、弁および／またはポンプであってよい、ならびに／あるいはコンピュータに対応付けられたコンピュータ論理によってプログラム可能であってもよい。第１および／または第２の体積流量を測定するのにセンサが使用されてもよい。センサは流量制御装置と通信してよい。圧力センサを使用して、面の低圧側および高圧側に関連する圧力（複数可）を求める場合もある。流量制御装置は、圧力センサと通信してもよい。流量制御装置は、出口に対応付けられた可変絞り弁などの弁であってよい。流量制御装置は、パルス式の流量を利用することで、脱気流体を継続的におよび／または周期的に面に供給することを可能できる。
【００２８】
また第１の流体に対して相対運動する面におけるキャビテーションを低減させるためのシステムも開示されている。システムは、第２の流体を脱気するための脱気装置と、第２の流体を保持し、脱気装置と連通する貯蔵槽と、第２の流体を面に向けるために貯蔵槽と連通する出口とを備える。
【００２９】
また上記に記載したようなシステムを備える船も開示されている。船は上記に記載したような方法を利用して作動されてよい。
【００３０】
添付の非制限的な図面を参照して単なる一例として実施形態を次に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】プロペラの面におけるキャビテーションを低減させるためのシステムの一実施形態を示す図である。
【図２】脱気された流体なしで、面が第１の流体に対して動かされる場合の図１のシステムを示す図である。
【図３】脱気された流体の存在下で、面が第１の流体に対して動かされる場合の図１のシステムを示す図である。
【図４】面におけるキャビテーションを低減させるためのシステムの一実施形態の側面図である。
【図５】面におけるキャビテーションを低減させるためのシステムの一実施形態を示す図である。
【図６】所与の圧力での理論上の水のキャビテーションレベルを表すグラフを示す図である。
【図７】ゼロスリップ境界状態の概略図である。
【図８】１０秒後の、最初に完全に脱気された、静止した水の膜への大気ガスの拡散の後の脱気レベルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、面におけるキャビテーションを低減させるためのシステム１０を示す。図１では、面は、プロペラブレード２２の形態である。ブレード２２は、シャフト２４に接続される。シャフト２４は、ブレード２２を駆動するためにエンジンまたはモータに接続される（図示せず）。シャフト２４の回転が、ブレード２２を回転させ、この回転が面と第１の流体の相対運動を生じさせる。第１の流体は、シャフト２４およびブレード２２を全体的に取り囲む流体である。面がパイプの内側面である場合などの一部の実施形態では、相対運動は、パイプの内側面を通り過ぎる第１の流体の移動によって、すなわちパイプは静止しており、第１の流体が移動することによって実現される。図１の実施形態では、第１の流体は、水であるが、炭化水素などの他の流体も使用される場合がある。
【００３３】
システム１０はまた、第２の流体を脱気するための脱気装置１２も有する。図１の実施形態では、第２の流体は水であるが、炭化水素、作動液または冷媒などの他の流体が使用される場合もある。脱気装置１２は、導管１３の形態の入口を有する。このケースでは第１の流体と同じ流体であるガス化された水が導管１３を経由して脱気装置１２に通される。水が少なくとも一部脱気されると、それはその後導管１６を通って貯蔵槽１４に通される。貯蔵槽１４は、特定の量の脱気された水を収容するように構成されている。脱気された、少なくとも一部脱気された、および一部脱気されたなどの用語は、第２の流体を記述するためにこの開示を通して区別なく使用される。
【００３４】
貯蔵槽１４は任意選択で、所定の量の脱気を維持するシステム（図示せず）に取り付けられてよい。一部の実施形態では、貯蔵槽１４には、システム１０が使用されないとき、脱気された水を蓄えることを可能にするために、貯蔵槽１４の内部の圧力を低下させることができる真空源が備え付けられている。所定の量の脱気は、貯蔵槽１４の内部の圧力を決定することになる。したがって脱気流体の貯蔵は、溶解しなかった気体が溶解して脱気流体に戻るのを阻止するのに十分なレベルで作用するために空気を汲み出すためにもっぱら真空を必要とし、この十分なレベルは気体の拡散の割合によって制限される。例えば、５０％の脱気レベルが必要とされる場合、貯蔵槽１４の内部の負圧は、そのレベルの脱気を維持するように設定される。貯蔵槽が真空源に取り付けられた場合、貯蔵槽１４の内部の圧力は、脱気流体の分圧を下回るようになり、所定の気体脱気レベルを維持するのを助ける。
【００３５】
水の脱気レベルは、用途および面の使用法によって決まる。図１の実施形態では、脱気率は、ブレード２２が回転する速度によって決まる。ブレード２２が高速で回転する場合、ベルヌーイの法則によって決められるように、低圧側２２ａに負圧、すなわち低圧が形成される。ブレード２２が速く回転するほど、低圧側２２ａの圧力は低くなる。キャビテーションは、ブレード２２の低圧側の圧力が第１の流体の分圧に満たない場合に生じるため、低圧側の圧力を測定することによって、必要とされる脱気の量を計算することができる。例えば、図６は、所与の脱気弁（空気濃度）においてキャビテーションが起こるのに必要とされる論理上の負圧（キャビテーション圧力）を示している。
【００３６】
低圧側の圧力が１０気圧であると特定された場合、このとき水は、最大でも１０％の空気を含む必要があり、すなわち少なくとも９０％脱気する必要がある。しかしながら低圧側の圧力が２気圧であると特定された場合、この場合、水は、最大でも５０％の空気を含む必要があり、すなわち少なくとも５０％脱気する必要がある。図１では、ブレード２２は、左周りに駆動されるブレードであり、反時計周りに回転したとき、低圧側２２ａは、ブレード２２のシャフト側に位置づけられ、高圧側２２ｂは、ブレード２２のシャフト側の反対側に位置づけられる。ブレード２２の反時計周りの回転は、矢印２６の方向での正味の流体流れを生じさせる。しかしながら理解すべきであるように、低圧側と高圧側は、ブレード２２が反対方向に回転したとき、互いに入れ替わることになる。
【００３７】
脱気装置１２の形態は、システム１０の用途によって変化する。一部の形態では、脱気装置は、真空システムに接続された（疎水性の）中空の繊維の薄膜を使用する。中空の繊維の薄膜を使用することで流体を９９．５％まで脱気することができる。しかしながらほとんど用途に関して、キャビテーションを最小限にする、または阻止するにはおよそ８０％のこれより小さい脱気レベルで十分である。中空の繊維の薄膜は、中空の繊維の片側を通って流れ、中空の繊維の他方の側を真空に曝すことによって機能し、その結果、流体中の溶解した気体が薄膜の中を通過することになる。水蒸気もまた疎水性の薄膜の細孔を通過するため、一部の実施形態では、乾燥剤を使用してこのような水を収集し、それが真空ポンプと接触するのを阻止することに留意されたい。脱気装置の他の形態には、遠心脱気装置またはキャビテーション脱気装置が含まれる。キャビテーション脱気装置は、空洞を形成した泡を排斥して溶解した気体を取り除くことによって機能する。脱気された水の適切な流れを提供するために、一部の実施形態は２つ以上の脱気装置を有する場合もある。
【００３８】
貯蔵槽１４は、ブレード２２に隣接して位置付けされ、脱気された水をブレード２２に向けるように構成された導管１８の形態の出口を有する。詳細には、導管１８は、脱気された水を、ブレード２２のより圧力が低い側２２ａに向けるように構成されている。導管１８には、脱気された水をブレード２２に向けるのを可能にするために、第１の流体、すなわち図１の実施形態の場合は水中に開いた開口２０の形態の出口が備わっている。理論に拘泥することなく、脱気された水がブレード２２に接触すると、それはブレード２２の平坦な面に沿って広がって脱気流体の境界層を形成する。脱気流体に空洞を形成するのに必要とされる負圧は一般に、ガス化された流体のものより高く、すなわち脱気流体に空洞を形成するのはより困難である。したがって脱気流体の境界層は、キャビテーションの発生を低減させるのに役立つ。
【００３９】
導管１８は、ブレード２２の低圧側２２ａに位置付けされるため、開口２０を出て行く脱気流体を低圧側２２ａに生成された低圧領域に吸い込むことができる。この方法において、脱気された水は、単にブレード２２における境界層としてではなく、脱気流体のより全体的な境界領域を形成してよい。脱気流体を低圧側２２ａで低圧領域に吸い込むことは、脱気流体を均一に分散させて、境界層がブレード２２に、および／またはブレード２２の周りに均一に広がることを保証する。境界層がどのような形態を採ろうとも、それは、ブレード２２の使用中のキャビテーションの発生を少なくとも低減させるのを助ける少なくとも一部脱気された流体を含んでいる。
【００４０】
図２は、脱気された水の流れがなく、ブレード２２の面に境界層が形成されない場合の、使用中の図１のシステムを示している。この実施形態では、ブレード２２は、２，３００ＲＰＭで素早く回転している。ブレード２２に形成され、流れ２６の方向にブレード２２から離れるように進む泡の形成によってキャビテーションは明らかである。ガス化された水の存在は、低圧領域２２ａに生成された低圧が、所与の温度において水の蒸気圧を下回ることを意味している。図３に示されるように、８０％脱気された水の流れが開始されると、脱気された水は、矢印２１の全体的な方向で開口２０から流れ出て、ブレード２２の低圧側２２ａに向かって流れる。脱気された水の流れが開始されるとすぐに、境界が形成されキャビテーションが止まる。図３の実施形態では、脱気された水の体積流量は、およそ６０ｍＬ／分であり、全体的にブレード２２の上を進む水の体積流量の１０％である。しかしながら第１の流体、すなわち水と、第２の流体、すなわち脱気された水の体積流量の比率は、境界層を形成するのに必要とされる脱気された第２の流体の量によって変わることを理解されたい。明確にするために、システム１０の特定の機構は、図２および図３からは削除されている。図３の実施形態の体積流量は、小規模用途向けのものであり、一般商船などの大規模での用途に関する体積流量は、例えばレイノルズ数を用いて計算することができる。
【００４１】
システム１０はまた流量制御装置２１を有する。流量制御装置２１は、多くの形態を採る場合がある。一形態では、流量制御装置は、導管１８を通して脱気流体を貯蔵槽１４から汲み上げ、開口２０から第１の流体へと排水する、導管１８に配置されたポンプである。ポンプは、境界層を維持するために、十分な体積流量が維持されることを保証するために、プログラム可能なコンピュータ論理（ＰＬＣ）または同様のものに接続される。流量センサ、温度センサおよび圧力センサなどのセンサを使用して、第１の流体の特徴およびブレード２２の作動パラメータを特定してＰＣＬに入力を提供することで、ブレード２２の使用中に境界層が維持されることを保証する。流量制御装置２１はまた、導管１８内に配置された、可変絞り弁などの制御弁の形態である場合もある。一部の実施形態では、ポンプに加えて制御弁が使用され、この場合ポンプは、所定の速度に設定され、制御弁は、貯蔵槽１４からの脱気された流体の流量を増減させるように調節される。
【００４２】
開口２０は、低圧側２２ａに隣接して位置付けされることから、脱気流体は、ブレード２２の低圧側にある低圧領域に吸い込まれやすい。したがってブレード２２のすぐそばの低圧が大きくなるほど、低圧領域の吸い込み力は大きくなる。この吸い込み力は、一部の実施形態では、導管１８を通して脱気流体を貯蔵槽１４から吸い込み、開口２０から排出する手段として利用される。ブレード２２が速く回転するほど、圧力は低くなり、キャビテーションが発生し易くなる。しかしながら圧力が低下する際、吸引力は大きくなり、これは、脱気された水の体積流量を増大させるのに役立つ。このことは、境界層を維持するために受動フィードバックシステムを提供するのに役立つ。受動フィードバックシステムの制御を助けるために、一部の実施形態では、流れ制御装置２１は、脱気流体の体積流量を調整するのに役立つ制御弁の形態である。制御弁は、ＰＬＣまたは同様のもの、およびセンサに接続されて境界層を維持するのに役立つ。
【００４３】
ガス化された水、すなわち第１の流体は、ブレード２２が回転しているときにブレード２２を通り過ぎるように第１の流体の体積流量で継続して流れるため、境界層を継続的に補充する必要がある。境界層が補充を必要とする割合は、第１の流体がブレード２２を通り過ぎて流れる比率、すなわち矢印２６の方向に沿って流れる第１の流体の体積流量の比率と、キャビテーションを最小限にする、または阻止するのに必要とされる脱気の量に左右される。第１の流体の体積流量が増大する際、第２の流体の体積流量も一般に比例式に増大する必要がある。しかしながら、第１の流体の体積流量と第２の流体の体積流量の比率は常に同一のままではない。境界層を形成するために、脱気された水の体積流量は、ガス化された水、すなわち全体的にブレード２２を通り過ぎて流れる水の体積流量の５０％までである。一部の実施形態では、脱気された水の体積流量は、ガス化された水の体積流量のおよそ１０％である。ガス化された水と脱気された水の比率は、ブレード２２の低圧側における圧力と、ブレード２２の表面積によって決まる。ブレードのサイズが大きくなると、境界層を形成するために十分な量の脱気された水を提供するために、一般に脱気後の体積流量を増大させる必要がある。いくつかの実施形態において、第２の流体は、例えば工場では、ガス化された流体に置き換わる。
【００４４】
図１の実施形態では、低圧側２２ａの最も低圧の領域は、ブレード２２の後縁および先端２２ｃにある。水が、長さ「ｘ」のプレート（例えばブレード２２）を横切るように流れるゼロスリップ状態の場合、水流は、面の近くで減速し、この作用は、図７に示されるように「ｘ」の増加と共に高まる。実験から得られた境界層の式を使用して、バルク水流速の９９％に達する、プレートのそばの水の層の厚さ（δ）を計算することができる。
【数２】
2020517433.tif 000004
【００４５】
このような状況は、「ゼロスリップ」状態を例示する図７によって説明することができ、この場合流体の流れ５０は、面５２に接近する際に減速し、面（５４）に接近する流体の速度は、流体が面５２の上を流れる距離ｘと、流体層の厚さδによって決まる。
【００４６】
レイノルズ数は、
【数３】
2020517433.tif 000005
によって与えられ、
ここでは、ρは水の密度であり、Ｖはバルク流速であり（すなわち静止したプレートからの無限距離における）、μは水の動的粘度であり、ｘは面の長さである。
【００４７】
典型的にはＲｅは、高く、１０００から５×１０５までの範囲内の層流に相当する。例えばＲｅ＝５０，０００の場合、境界層の水の厚さ（δ）は、０．５ｍのｘ値に関して約１．１２ｃｍである。面にもっと近くなると、すなわち面からの境界層の厚さの１％の範囲内と仮定すると、水は、固体面に対してゆっくりとしか移動しなくなる。一例として、これは、１０ｃｍ／秒の水の流速について、約１１２μｍの厚さの水の層におおむね相当することになる。
【００４８】
溶解した気体が水などの流体中に存在する場合にキャビテーションが生じる。一方向（ｘ）での気体の拡散の場合、適切な式は、その形態でのフィックの第２の法則であり、
【数４】
2020517433.tif 000006
この場合、Ｃは溶質濃度であり、Ｄは拡散係数である。最初の条件では、完全に脱気された水が大気圧で空気に曝されたとき、水の面に極めて薄い層が生じるはずであり、これは、（約１ｍＭの）飽和した溶解後の濃度になる。このような層は急速に形成され、その飽和濃度をこのときから先まで維持し（大気と均衡した状態で）、溶解した気体は水に拡散することになる。よって、境界条件に対してフィックの法則を解く必要があり、ｔのいかなる値についてもｘ＝０である場合、Ｃ＝Ｃ０であり、ｔ＝０であるときのｘ＞０についてＣｘ＝０である。また、ｔが極めて大きくなるとき、ｘのいかなる値についてもＣｘ＝Ｃ０である。このような条件の下でのフィックの法則の解法は、
【数５】
2020517433.tif 000007
この場合、誤差関数は、表を用いて、またはこの計算について言えば一連の数式を用いて計算することができる。
【数６】
2020517433.tif 000008
【００４９】
水中の酸素と窒素ガスに関して、２０°Ｃでの拡散係数Ｄの値は、２ｘ１０-５ｃｍ２／秒であり、飽和ガス濃度、すなわちＣ０は１ｍＭである。このような値を用いて、膜厚に対する拡散の関数として脱気レベルを示す図８のグラフを描くことができる。このような計算の結果は、静止している水について、すなわち固体面に最も近い境界層のほとんど静止している部分において、約１００μｍの厚さの脱気された水の膜の有意な再ガス化は数秒かかることになる。
【００５０】
ブレード２２を使用する場合、使用中素早く回転するブレード２２上の脱気された水の薄い境界層の一時的なコーティングは、多くのその後の回転に対するキャビテーション作用を阻止することができる。このことは、キャビテーションを阻止する、または最小限にするのに必要とされる脱気された水の量をかなり削減することができ、キャビテーションを最小限にすることの効果は、一部の実施形態では、かなりの時間にわたって、例えば数秒以上にわたって持続することができる。キャビテーションの発生を低減させる効果は、静止した膜がブレードが回転する際に徐々に流出するまで、またはバルク流体からの拡散が脱気された膜を再ガス化するまで持続すべきである。
【００５１】
脱気流体の一時的な膜を有することの効果は、脱気された流体の比較的高い正圧の流れの周期的な制御された放出を回転するブレードの近くで放出させ、ブレード２２の低圧側２２ａで後縁のそばに当たるようにタイミングを合わせることによってさらに最適化させることができる。脱気された流体がブレード２２にぶつかると、それは、ブレードを脱気された流体（例えば水）の薄い膜で（一時的に）被覆して境界層を形成する。ほとんどのブレード面に関して予測されるゼロスリップ境界状態は、一部の実施形態では、回転する面のそばでの薄い脱気された膜の一時的な保持を保証する。言い換えると、脱気流体は、境界層を形成するために、パルス式の流れを利用して面に周期的に流される。脱気流体のパルス式の流れの利用は、脱気された流体が単に周期的なやり方で、例えばブレードの１００回転のうちの１回転毎に、または時間の１％の間だけ放出されることを意味してよい。
【００５２】
いくつかの実施形態において、脱気流体を周期的に流すことは、脱気流体の流れをブレード２２に向けてパルス的に送ることを含む。一部の実施形態ではパルスの間の一定の時間間隔が使用されるが、他の実施形態では、パルスの間の時間間隔は、ブレード２２の低圧側２２ａでの状況によって決まる。一部の実施形態では、センサを使用してパルスの間の時間間隔を決める。流量制御装置を使用して、脱気流体の送達を制御する場合もある。
【００５３】
回転するブレードの前縁は、キャビテーションを抑制する高い正圧を生成する。ブレードが回転する際、脱気された水の静止した薄い膜は、ブレードの上を流れる水のせん断力によってブレードの後縁（低圧）に向かって徐々に流出する傾向があり、この場合、それはキャビテーションを抑制し続ける。同時に、流動する流体（例えば水）中の溶解した気体が、脱気された水の薄い境界層の中へと拡散し始める。しかしながら、固体面のすぐそばの事実上静止した状態にあるガスの拡散は、比較的ゆっくりであり、０．１ｍｍの膜についてこのようなガス処理は数秒かかることになる。
【００５４】
このような作用に加えて、回転ブレード２２によって生成される遠心力もまた、静止した、最初に脱気された境界層を回転するブレードの先端２２ｃに向けて強制的に流す傾向があり、このこともまた、この地点でのキャビテーションを阻止するのに役立つことになり、この場合それはしばしば観察される。一部の実施形態では脱気境界層は、例えば１００回転など、ブレード２２の複数の回転にわたって存在するが、これは、ブレード２２が回転する速度によって決まる。
【００５５】
大抵のプロペラ材料に関して予測されるゼロスリップ状態は、水への面結合が可能な好適な親水性の面の選択によって確実にすることができる。このことは、境界層の形成を促進することになる。したがって一部の実施形態では、面には、親水性のコーティングが備わっている。テフロン（登録商標）などの疎水水性の材料は、境界層の形成に貢献しないスリップ状況を生み出す場合がある。また疎水性の面は、キャビテーションを促進させることもよく知られている。一部の実施形態では微小な面の粗さを使用して、プロペラを横切る表面流動を低減させることによって境界層の形成を強化する。
【００５６】
キャビテーションは、温かい水の中でより容易に発生し易く、粘度は温度の上昇に伴って低下し、境界層におけるより速いせん断の速度につながるため、ガス化された、および脱気された水（または流体）の温度も、ガス化された、および脱気された水の相対的な体積流量を決めることも理解されたい。したがって、脱気された水の温度が上昇する際、脱気された水の体積流量および／または脱気率も増大する。脱気された水の体積流量を調節するために、一部の実施形態では、温度の変動をモニタし、ＰＣＬに入力を提供するのにセンサが使用される。あるいは、脱気された流体の温度を維持するために、脱気された流体に熱交換器を通過させる場合もある。より低い温度での脱気された水または脱気された流体は、ガス化された流体の温度に関係なく、より耐久性のある境界層を面に形成することになる。
【００５７】
開口２０は一般に、低圧側２２ａに極めて近接して位置付けされる。このことは、ガス化された水と脱気された水との過剰な混合を低減させるのに役立つ。開口２０と低圧側２２ａとの間の経路の長さが長い場合、ガス化された流体と脱気された流体の拡散は、脱気された流体の脱気レベルの低下を招く。このことは、脱気装置１２による脱気の間の脱気レベルを高めることによって克服することができる。しかしながら経路の長さを進むのに必要とされる時間が短い場合、脱気された水の脱気レベルを低下させるのにガス化された流体と脱気された流体の十分な拡散のための時間がない場合もあり、最初の脱気レベルを調節する必要性が全くない場合もある。拡散はまた、脱気された水または流体が低温に維持された場合にもそのペースを落とすことになる。比較的温かい流体を脱気するのは一般的により容易であるため、一部の実施形態には、脱気を助けるために脱気すべき流体を加熱するための第１の熱交換器と、境界層を形成する前に脱気された流体を冷却するための第２の熱交換器とが備わっている場合もある。
【００５８】
図４は、出口の代替の一実施形態を示している。この実施形態では、第１の中空のスリーブ２８ａは、環３０を形成するためにシャフト２４と同軸に配置されている。導管１８は、環３０と流体連通している。環３０が密閉されるように、シャフト２４は、パッキン押さえ、スタッフィングボックスまたはＯリングシールなどの水密シール３３の中を通っている。第２の中空のスリーブ２８ｂは、シャフト２４の長さに沿って環３０をさらに継続するためにシャフト２４を囲むように同軸に配置されている。第２の中空のスリーブ２８ｂは、水密シール３５によって第１の中空のスリーブ２８に接続される。穴３４ａを有する通路３２ａがブレード２２の第１のブレード２３ａに沿って延びている。ブレード２２はまた、同様に穴３４ｂを有する通路３２ｂを有する第２のブレード２３ｂも有する。通路３２ａおよび３２ｂは、第２の中空のスリーブ２８ｂに接続され、環３０と流体連通している。この方法において、導管１８を通して供給される脱気された水は、境界層を形成するためにブレード２２に脱気された流体を供給するために、穴３４ａおよび３４ｂから出て行く前に、環３０ならびに通路３２ａおよび３２ｂの中を通される。
【００５９】
第２の中空のスリーブは、ブレード２３ａおよび２３ｂに接続されて、環３０と通路２２ａおよび２２ｂとの間の流体連通を可能にするため、第２の中空の部分は、シャフト２４によって画定される軸の周りでブレード２２と一緒に回転する。第１の中空のスリーブ２８ａは回転することができず、そのためシール３５は、水密シールを維持しながら、第２の中空のスリーブ２８ｂが第１の中空のスリーブ２８ａに対して回転することを可能にするように構成される。シール３５は、パッキン押さえ、スタッフィングボックスまたはＯリングシールであり得る。シール３５の特定の場所は、それがスリーブ２８ｂがスリーブ２８ａに対して回転することを可能にする限り、重要ではない。一部の実施形態では、シール３５はブレード２２上に位置付けされる。このような構成では、第２のスリーブ２８ｂは、常に必要とされる訳ではない。他の実施形態ではシャフト２４は、その長手方向の長さに沿って延びる孔を有しており、この孔は、導管１８と流体連通している。
【００６０】
図４の実施形態は、代表的なものであり、通路３２ａおよび３２ｂは、ブレード２２の外側面に位置付けされる場合、または内部に位置付けされる場合もあることを理解されたい。通路３２ａおよび３２ｂは、ブレード２２と一体式に形成されるように示されているが、それらは常にそうする必要があるわけではない。例えば３つ、４つ、５つおよび６つのブレードとプロペラに対して２３ａ−ｘ、３２ａ−ｘおよび３４ａ−ｘなどの通路および穴を有する任意の数のブレードが存在する場合もある。脱気された水がブレード２２の面に向けられて境界層を形成することができる限り、穴の数はとりわけ重要ではない。図４の実施形態の利点は、脱気された水がブレード２２の面で放出される点である。一般に、穴２３ａ〜ｘは、プロペラの低圧側の前縁にずっと沿って、脱気された流体を放出する。このことは、ガス化された水と脱気された水の拡散および混合を抑える助けをする。図４に関して記載される原理はまた、例えば羽根車、水中翼船、噴射水取り入れ口、ノズルおよび弁などの他の面に適用することができる。
【００６１】
図５は、代替のシステム５０を示している。システム５０は、システム１０と同様であるが、専用の貯蔵槽が存在していない。代わりに、貯蔵槽は脱気装置５２と一体式である。例えば一部の実施形態では、脱気装置５２の内部空洞は、適切な量の脱気された水を収容するのに十分な容積を有する。あるいは、脱気装置５２は、脱気された水を必要とされる体積流量で提供する連続流れ脱気装置である。脱気装置５２が連続流れ脱気装置である場合、流量制御装置２１を設ける必要はない。しかしながら一部の実施形態は、脱気装置５２と開口２０との間で流量制御装置２１を使用することで、脱気された水の体積流量を調節するのを助ける場合もある。一部の実施形態では、脱気装置は貯蔵槽の中に配置される。
【００６２】
ブレード２２と水ベースのシステムの使用に関連して実施形態を記載してきたが、開示されるシステムおよび方法は、面が第１の流体に対して動かされるその他の用途にも適用することができる。そのような例には、キャビテーション摩耗、（流体および配管／工場の）酸化、生物学的および無機物付着物を最小限にし、水性および／または非水性流体および／または低温流体を汲み上げ（キャビテーションはピストンポンプを含めた全てのポンプにおいて生じる）、および弁を通してキャビテーションを最小限にする液体燃料補給式のロケットモータのターボポンプ供給システムが含まれる。用語「ポンプ駆動流体ループ」は、油圧系、注油系および冷凍装置など全ての用途をカバーする。
【実施例】
【００６３】
実施形態を非制限的な例を参照して以下に記載する。
（１）例示のシステム設定
一実施形態では、キャビテーションに対する脱気効果を測定するのに水道水が使用された。水道水を脱気するのに、小さな中空の繊維の薄膜（モデル:米国、シャーロット、Ｍｅｍｂｒａｎａによって供給された２×６  Ｒａｄｉａｌ  Ｆｌｏｗ  Ｓｕｐｅｒｐｈｏｂｉｃ）が使用された。到達圧力≦２．５×１０-２ｍバールを有する真空ポンプ、Ｆｏｓｓａ  ＦＯ  ００１５  Ａ（オーストラリア、シドニー、Ｂｕｓｃｈ）は、事前に乾燥させたシリカゲル、すなわち粒状体を包含する２つの５Ｌパイレックス（登録商標）ガラスタンクを利用して水蒸気への暴露から保護され、小さい膜板水ポンプ（モデル:ＦｌｏＪｅｔ-Ｄ３７３２-Ｅ５０１１）を利用して薄膜の中で水道水を循環させながら水道水から気体を蒸発させるのに使用された。水道水の中の溶解した酸素レベルをモニタするために、１ｐｐｂの検出限界のＩｎＰｒｏ６９００酸素電極システム（オーストラリア、メルボルン、Ｍｅｔｔｌｅｒ-Ｔｏｌｅｄｏ  Ｌｔｄ）が上記の実験で使用された。
【００６４】
電気調節可能なロータに取り付けられ、最大毎分回転数２９６０の３つのブレードを備えた簡素なプロペラによって生じるキャビテーションを水で満たされたパースペックスの矩形の管の中で視覚的に観察することができた。水道水が、薄膜へと６００ｍＬ／分で、薄膜部の外側チャンバにおける真空を使用して汲み上げられ、酸素電極に接続された送波器は、水タンク内の酸素含有量が継続的に低下したことを示した。このプロセスは、中空の繊維の薄膜の疎水性の細孔を通過する間、溶解した気体を取り除くための継続的な逆流プロセスで保証された。
【００６５】
（２）脱気された水性環境を利用するキャビテーションの阻止
脱気レベルを高めることで、キャビテーションが観察される前のプロペラの速度も高めることができた。このような回転速度／脱気測定の結果が表１に集計されており、これは、より高い脱気レベルは、システムにおけるキャビテーション圧力をより高くすることを明らかに示している（このデータは、図６における水のキャビテーションの理論上の値によって得られた）。一例として、２９６０ｒｐｍの最大回転速度においても、７０％の脱気がキャビテーションを阻止するのに十分であることがわかった。
【００６６】
（３）局所的な脱気された水性環境を利用するキャビテーションの阻止
気体と均衡する水の中に浸された回転するプロペラのブレードの低圧側の近くで、脱気された水が局所的に取り込まれた。パースペックスの管の中で、自由に流れるガス化された水道水と、（８０％）脱気された水（６０ｍＬ／分、すなわち約１０分の１の水の流量）が、湾曲した金属製のパイプおよび穴パイプを通って別々に取り込まれた。ガス化された水道水のみがパースペックスの管の中を流れる場合、視覚的なキャビテーションが生じるが、プロペラのブレードに隣接して放出される脱気された水の局所的な流れが始まると、全てのキャビテーションは止まる。このような実験は、４つのブレードのプロペラを利用して２３００ｒｐｍの高い回転速度で実施された。脱気された水の流れが始まったときのキャビテーションの音の中断もまた明白であり、これは速やかであった。
【００６７】
キャビテーションに対する脱気効果の実験による結果
【表１】
2020517433.tif 000009
【００６８】
海水をシミュレートするために、０．５ＭのＮａＣｌの水溶液が使用されたとき、表１について同様の結果が得られた。
【００６９】
（４）周期的に流される脱気された水を利用するキャビテーションの阻止
（８０％）の脱気された水が放出される前後の回転するプロペラの再試験において、有効な脱気された水の境界層の存在と保持に関する根拠が存在した。これは、上部の回転するブレードのみに流された脱気された水の放出（バックグラウンド流れの１０分の１の流量で）が、図１および図２に見られるように、ブレードが次の１８０°を回転したときと同じ効果を生むという観察から生じている。
【００７０】
（３）からの実験は、脱気された水の放出時に繰り返され、その後、脱気された流れ中断が次に続く観察された結果のタイミングで繰り返された。脱気された水の流れがオフにされた後、キャビテーションの阻止が数秒間持続することは、すぐに明らかである。このような実験において、ブレードは典型的には、キャビテーションの何らかのサインが目に触れるまで１００回転を超えて通過した。このような観察は境界層モデルのみによって説明することができる。
【００７１】
目的の、またはベースライン実験として、プロペラの低圧側の圧力の上昇もキャビテーションを低減し得るかどうかを判定するために、脱気された水と共に使用される同一の流量での通常のガス化された水の放出の作用も研究された。低圧側への直接のガス化された水の放出は実際にはキャビテーションを高め、キャビテーションの増大は、ガス化された水が放出されるとすぐに明白になることがこのような実験での明白な観察であった。
【００７２】
このような結果は、加圧され脱気された水のパルスは、１００回転のうちの１回毎に、または時間の１％の間だけ放出される必要があることを指摘している。このことは、キャビテーションの発生を低減させるために境界層を形成するのに必要とされる脱気された水の体積のかなりの削減を表している。これらの実験はまた、わずかに高められた正圧の下で、単にプロペラブレードのそばに水を放出するだけで、回転するプロペラの低圧側の有効な境界層コーティングを生成することができることも証明している。このような方法およびパルス式の水放出システムの利用は、広範な範囲の用途でのプロペラキャビテーションの阻止に有効なプロセスを提供する。
【００７３】
以下に続く特許請求の範囲において、および方法およびシステムの先行する記載において、特定の言い回しまたは必要な含意が理由で、文脈がそうでないことを要求する場合を除いて、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」あるいは「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形形態は、包含的な意味で使用されており、すなわち述べられる特徴の存在を指定しており、方法およびシステムの種々の実施形態における別の特徴の存在または別の特徴の追加を排除するものではない。
【００７４】
本開示の原理および範囲から逸脱することなく、多くの修正形態が可能であることは当業者に理解されるであろう。
【図１】
2020517433.tif 000010
【図２】
2020517433.tif 000011
【図３】
2020517433.tif 000012
【図４】
2020517433.tif 000013
【図５】
2020517433.tif 000014
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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