JP6489225B2

JP6489225B2 - インデューサ及びポンプ

Info

Publication number: JP6489225B2
Application number: JP2017540521A
Authority: JP
Inventors: 裕司都丸
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2036-02-02
Also published as: CN107923408A; CN107923408B; WO2017047110A1; JPWO2017047110A1; EP3312428A1; EP3312428A4; EP3312428B1; US20180142695A1; US11111928B2

Description

本開示は、インデューサ及びポンプに関する。
本願は、２０１５年９月１４日に、日本に出願された特願２０１５−１８０７０８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

ロケットエンジン等は、液体水素または液体酸素等の極低温流体を加圧するポンプを有する。このようなポンプには、その吸込み性能を維持するために、インデューサが設けられている。インデューサは、回転軸に連結されたハブと、ハブから径方向に突出し、螺旋状に設けられた翼と、を有し、ポンプ吸入口に配置され、極低温流体を加圧してキャビテーションの発生を抑制する（例えば、下記特許文献１、２参照）。

日本国特開平２−３３４９９号公報国際特許出願公開第２０１３／１０８８３２号

ところで、インデューサは、キャビテーション性能を上げるために、翼の負圧面側に、リーディングエッジに向かって傾斜したくさび面を設け、前縁をくさび形状（先細り形状）とするのが一般的である。
このようなインデューサにおいて、翼の曲げ強度を上げるために、ハブに結合する翼の根元部の翼厚を厚くすると、それに応じてくさび面の角度が増加する。くさび面の角度が増加すると、キャビテーション性能が低下し、また、翼厚が増加することによる翼間流路幅が狭くなるのと相俟って、キャビテーションによる閉塞が早まり、吸込み性能が低下する。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされ、くさび面の角度を増加させることなく翼の根元部を厚くし、吸込み性能を維持したまま翼の曲げ強度を増やすことができるインデューサ及びポンプの提供を目的とする。

本願発明者は、上記課題を解決するため鋭意実験を重ねた結果、くさび面が設けられた翼の負圧面側の形状を変えずに、翼の圧力面側の形状を変えることで、吸込み性能を維持したまま翼の曲げ強度を増やすことができることを見出し、本開示の発明に想到した。
すなわち、上記課題を解決するために、本開示の第１の態様は、ハブと、ハブから径方向に突出し、螺旋状に設けられた翼と、を有するインデューサであって、翼の負圧面側には、リーディングエッジに向い、前記翼の負圧面と正圧面の中間点を結んだキャンバーラインに対して傾斜した、くさび面が設けられており、前記翼の前記径方向において、前記ハブと前記翼の根元部との結合部から前記翼の先端部までの距離である翼の高さに対する、前記ハブと前記翼の根元部との結合部からの距離、の比である前記翼の高さ比が０．５である位置よりも外側の領域において、前記翼の厚み方向に関し、前記キャンバーラインと前記リーディングエッジとの第１距離が、前記キャンバーラインと前記翼の正圧面との第２距離と一致し、前記翼の高さ比が０．５である位置よりも内側の領域において、前記第１距離を前記第２距離よりも短くする厚肉部を有する。

本開示によれば、キャビテーション性能を維持したまま翼の根元部における翼厚を厚くし、翼の曲げ強度を増やすことができるインデューサ及びポンプが得ることが可能となる。

本開示の実施形態におけるインデューサを有するポンプの構成図である。本開示の実施形態におけるインデューサの斜視図である。本開示の実施形態における翼を正圧面側から視た図である。図３のＩ−Ｉ断面図である。図３のＩＩ−ＩＩ断面図である。比較例として、従来の手法により翼厚を大きくした翼の断面図である。比較例の翼の根元部の翼厚を、Ａ、Ｂ、Ｃと大きくしたときの形状を示すグラフである。比較例の翼のキャビテーション性能を示すグラフである。本開示の実施形態における翼のキャビテーション性能を示すグラフである。本開示の別実施形態における翼を正圧面側から視た図である。本開示の別実施形態における翼のキャビテーション性能を示すグラフである。本開示の実施形態におけるインデューサ翼面の応力分布を示す図である。図１２とは別角度から視た本開示の実施形態におけるインデューサ翼面の応力分布を示す図である。

以下、本開示に係るインデューサの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本開示の実施形態におけるインデューサ１０を有するポンプ１の構成図である。
本実施形態のポンプ１は、液体水素または液体酸素等の極低温流体を加圧するターボポンプであり、遠心インペラ２と、タービン３と、インデューサ１０と、を有する。遠心インペラ２、タービン３、及びインデューサ１０は、回転軸４に対し同軸上に連結されている。

回転軸４は、遠心インペラ２とタービン３との間で、軸受５を介してポンプケーシング６に回転自在に支持されている。また、回転軸４は、インデューサ１０と遠心インペラ２との間で、軸受７を介してポンプケーシング６に回転自在に支持されている。なお、符号８は、インデューサ１０により昇圧された後の流体を遠心インペラ２へ導くための静翼である。

インデューサ１０は、ポンプ１の吸い込み性能を維持する。インデューサ１０は、遠心インペラ２の上流側のポンプ吸込口９に配置され、流体を加圧して遠心インペラ２の吸い込みを補助する。インデューサ１０は、回転軸４に連結されたハブ１１と、ハブ１１から径方向に突出する翼１２と、を有する。ポンプ吸込口９には、流体を収容した図示しないタンクが連結されている。

このように構成されたポンプ１は、タービン３が高温高圧のガスの作用で回転すると、これと同軸の遠心インペラ２が回転すると共に、インデューサ１０が回転する。この回転により、図示しないタンクから流体がポンプ吸込口９まで導かれる。ポンプ１は、タンクからの流体をインデューサ１０により加圧して遠心インペラ２側に流し、遠心インペラ２の回転によりさらに加圧して吐出するようになっている。

図２は、本開示の実施形態におけるインデューサ１０の斜視図である。図３は、本開示の実施形態における翼１２を正圧面１３側から視た図である。図４は、図３のＩ−Ｉ断面図である。図５は、図３のＩＩ−ＩＩ断面図である。なお、Ｉ−Ｉ断面は、翼１２の根元部１５に沿った回転方向の断面である。また、ＩＩ−ＩＩ断面は、翼１２の根元部１５からチップ部１６（先端部）に至る径方向の断面である。
インデューサ１０は、図２に示すように、略円柱状のハブ１１と、ハブ１１から径方向に突出し、螺旋状に設けられた翼１２と、を有する。

インデューサ１０には、複数（本実施形態では３枚）の翼１２が、設けられる。複数の翼１２は、ハブ１１と一体で形成され、ハブ１１の周方向（回転方向）に配置される。複数の翼１２のそれぞれは、同一の寸法および形状を有する。また、複数の翼１２は、ハブ１１の周方向において互いに等間隔にずらされて配置されている。なお、インデューサ１０の翼１２は３枚に限られず、例えば４枚等、ポンプ１の種類等に応じて適正数に設定することができる。

翼１２は、ハブ１１に結合される根元部１５と、根元部１５と反対側（ハブ１１の径方向外側）に位置するチップ部１６（先端部）と、を有する。また、翼１２は、上流端であるリーディングエッジ１７と、下流端であるトレーリングエッジ１８と、を有する。なお、径方向とは、根元部１５からチップ部１６に向かう方向である。翼１２には、リーディングエッジ１７に向かって傾斜する、くさび面１９が設けられている。

くさび面１９は、図４に示すように、翼１２の負圧面１４側に設けられている。くさび面１９は、翼１２の負圧面１４と正圧面１３の中間点を結んだキャンバーライン２０に対して所定角度で傾いている。くさび面１９は、傾いた平面１９ａと、平面１９ａの前縁側とリーディングエッジ１７とを接続するＲ面１９ｂ（湾曲面）と、平面１９ａの後縁側と負圧面１４とを接続するＲ面１９ｃと、を含む。

一方、翼１２の正圧面１３側には、リーディングエッジ１７からキャンバーライン２０に対し平行に延びる平行面２１と、平行面２１と正圧面１３とを接続する傾斜面２２と、が設けられている。傾斜面２２は、所定角度で傾く平面２２ａと、平面２２ａの前縁側と平行面２１とを接続するＲ面２２ｂと、平面２２ａの後縁側と正圧面１３とを接続するＲ面２２ｃと、を含む。なお、平行面２１とリーディングエッジ１７との間にも、微小なＲ面が設けられている。

図３に示すように、くさび面１９は、翼１２の巻角度（リーディングエッジ１７からトレーリングエッジ１８までの角度）で、０度から１２０度の範囲に設けられている。平行面２１及び傾斜面２２は、図４に示すように、くさび面１９の反対側（正圧面１３側）において、くさび面１９が設けられた範囲に設けられている。例えば、平行面２１及び傾斜面２２が設けられる範囲Ｒ１は、例えば、翼１２の巻角度で０度から１５度乃至９０度の範囲に設けることが好ましい。また、平行面２１が設けられる範囲Ｒ２は、翼１２の巻角度で０度から３０度の範囲で設けることが好ましい。

図４に示すように、翼１２の根元部１５においては、翼１２の厚み方向に関し、キャンバーライン２０とリーディングエッジ１７との第１距離Ｄ１が、キャンバーライン２０と翼１２の正圧面１３との第２距離Ｄ２よりも短い形状となっている。図４に示す符号Ｘは、翼厚を大きくする前の翼１２の外形を示す。本実施形態の翼１２は、負圧面１４側の形状（特に、くさび面１９の角度）を変えずに、正圧面１３側の形状を変えることで、翼厚を大きくしている。

図３及び図５に示すように、翼１２の正圧面１３側には、少なくとも翼１２の根元部１５において、第１距離Ｄ１を第２距離Ｄ２よりも短くする厚肉部２３を有する。本実施形態の厚肉部２３は、翼１２と一体で形成されている。すなわち、厚肉部２３は、翼１２と一体で削り出し加工される。厚肉部２３は、図４に示す傾斜面２２、及び、正圧面１３の少なくとも一部を形成する。

また、図５に示すように、翼１２の径方向において、ハブ１１と翼１２の根元部１５との結合部から翼１２の先端部１６までの距離が翼の高さＨ１である。さらに、翼１２の径方向において、ハブ１１と翼１２の根元部１５との結合部からの距離をＨ２とする。翼の高さＨ１に対するハブ１１と翼１２の根元部１５との結合部からの距離Ｈ２の比を翼１２の高さ比とすると、翼１２の高さ比が０．５である、つまりＨ２＝１／２Ｈ１となる位置は、図３及び図５における符号Ｈで示された線で表される。
厚肉部２３は、図３及び図５に示すように、径方向に関し、翼１２の高さ比が０．５の位置（図３及び図５における符号Ｈで示される線）よりも内側の領域にある。一方、径方向に関し、翼１２の高さ比が０．５の位置（図３及び図５における符号Ｈで示される線）よりも外側の領域には、厚肉部２３がなく、その外側の領域においては、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２が一致する。すなわち、翼１２の高さ比が０．５の位置よりも外側の領域では、翼１２は、図４において符号Ｘで示される外形を有する。

続いて、上記構成のインデューサ１０の機能について、図６〜図１３を参照して説明する。

図６は、比較例として、従来の手法により翼厚を大きくした翼１１２の断面図である。
比較例の翼１１２は、くさび面１１９が設けられた負圧面１１４側の形状を変えることによって、翼厚を厚くする。すなわち、翼１１２の厚み方向に関し、翼１１２の負圧面１１４と正圧面１１３の中間点を結んだキャンバーライン１２０とリーディングエッジ１１７との第１距離Ｄ１が、キャンバーライン１２０と翼１１２の正圧面１１３との第２距離Ｄ２と一致する。この従来手法では、翼厚を厚くすると、それに応じてくさび面１１９の角度が増加する。

図７は、比較例の翼１１２の根元部１１５の翼厚を、Ａ、Ｂ、Ｃと大きくしたときの形状を示すグラフである。図７においてｈは翼高さを、ｔは翼厚を示す。また、ｔ＝０は、キャンバーライン１２０を示す。図８は、比較例の翼１１２のキャビテーション性能を示すグラフである。図８においてτはキャビテーション性能を、Ｑ／Ｑｄはポンプ流量比を示す。Ｑｄは試験用ポンプの設計流量であり、Ｑは作動時における実際の流量である。
図８に示すように、例えば、設計流量と実際の流量が一致するＱ／Ｑｄ＝１．０で比較すると、従来手法を用いて翼厚をＡ、Ｂ、Ｃと大きくした場合、翼厚が大きくなるに連れて、キャビテーション性能が悪化する（キャビテーションが発生し易くなる）ことが分かる。

図９は、本開示の実施形態における翼１２のキャビテーション性能を示すグラフである。図９は、翼１２の根元部１５の翼厚を、Ｄ（図４において符号Ｘで示す翼１２の外形）からＤ´（図４において実線で示す翼１２の外形）としたときのキャビテーションの性能を示す。
図９に示すように、例えば、設計流量と実際の流量が一致するＱ／Ｑｄ＝１．０で比較すると、本手法を用いて翼厚をＤからＤ´と大きくした場合、翼厚が大きくなるに連れて、キャビテーション性能が向上する（キャビテーションが発生し難くなる）ことが分かる。この場合、図４に示すように、くさび面１９が設けられた翼１２の負圧面１４側の形状（くさび面１９の角度）を変えずに、翼１２の正圧面１３側の形状を変えることで、翼１２の根元部１５を厚くし、キャビテーション性能を上げることができることが分かる。

図１０は、本開示の別実施形態における翼１２Ａを正圧面１３側から視た図である。図１１は、本開示の別実施形態における翼１２のキャビテーション性能を示すグラフである。図１１は、翼１２Ａの根元部１５の翼厚を、ＤからＤ´としたときのキャビテーションの性能を示す。
図１０に示すように、別実施形態の翼１２Ａは、径方向に関し、翼１２の高さ比が０．５の位置よりも外側の領域に、厚肉部２３の一部がはみ出している点で、上記実施形態と異なるが、その他の構成においては同様である。
この別実施形態の翼１２Ａは、図１１に示すように、例えば、設計流量と実際の流量が一致するＱ／Ｑｄ＝１．０で比較すると、翼厚を大きくする前と後で、同じキャビテーション性能を有する。すなわち、図９と図１１を比較すると、キャビテーション性能を上げたい場合、厚肉部２３を、翼１２の高さ比で０．５の位置よりも内側の領域に収めることが好ましいことが分かる。

図１２は、本開示の実施形態におけるインデューサ翼面の応力分布を示す図である。図１３は、図１２とは別角度から視た本開示の実施形態におけるインデューサ翼面の応力分布を示す図である。
図１２及び図１３に示すように、インデューサ翼面の応力分布をみると、翼１２の根元部１５において応力が高くなっていることが分かる。
本実施形態では、少なくとも翼１２の根元部１５における翼厚を厚くしており、翼１２の曲げ強度の改善に効果的であることが分かる。

このように、上述の本実施形態によれば、ハブ１１と、ハブ１１から径方向に突出し、螺旋状に設けられた翼１２と、を有するインデューサ１０の、翼１２の負圧面１４側には、リーディングエッジ１７に向かって傾斜した、くさび面１９が設けられている。また、翼１２の径方向において、ハブ１１と翼１２の根元部１５との結合部から翼１２の先端部１６までの距離である翼の高さＨ１に対する、ハブ１１と翼１２の根元部１５との結合部からの距離Ｈ２、の比である翼１２の高さ比が０．５である位置よりも外側の領域において、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とが一致し、翼１２の高さ比が０．５である位置よりも内側の領域において、第１距離Ｄ１を第２距離Ｄ２よりも短くする厚肉部２３を有することによって、キャビテーション性能を維持したまま翼１２の根元部１５における翼厚を厚くし、翼１２の曲げ強度を増やすことができるインデューサ１０及びポンプ１が得られる。

以上、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、厚肉部２３が翼１２と一体で形成されている構成について説明したが、本開示はこの構成に限定されず、厚肉部２３が翼１２とは別体の付加物によって形成されていてもよい。
付加物としては、例えば、インデューサ１０の翼１２の根元部１５に溶射することにより肉を盛り、その付加物により厚肉部２３を形成してもよい。
また、付加物としては、例えば、インデューサ１０の翼１２の根元部１５にロウ材シートを貼り、ロウ材シートを溶融させて肉を盛り、その付加物により厚肉部２３を形成してもよい。

例えば、上記実施形態では、根元部１５の正圧面１３側に、リーディングエッジ１７からキャンバーライン２０に対し平行に延びる平行面２１と、平行面２１と正圧面１３とを接続する傾斜面２２と、が設けられている構成について説明した。しかしながら、本開示はこの構成に限定されず、例えば、平行面２１がなく、リーディングエッジ１７と正圧面１３との間には傾斜面のみが設けられてもよい。

本開示によれば、キャビテーション性能を維持したまま翼の根元部における翼厚を厚くし、翼の曲げ強度を増やすことができるインデューサ及びポンプが得られる。

１ポンプ
１０インデューサ
１１ハブ
１２翼
１３正圧面
１４負圧面
１５根元部
１７リーディングエッジ
１９くさび面
２０キャンバーライン
２１平行面
２２傾斜面
２３厚肉部
Ｄ１第１距離
Ｄ２第２距離
Ｈ１翼の高さ

Claims

真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際ハブと、前記ハブから径方向に突出し、螺旋状に設けられた翼と、を有するインデューサであって、
前記翼の負圧面側には、リーディングエッジに向い、前記翼の負圧面と正圧面の中間点を結んだキャンバーラインに対して傾斜した、くさび面が設けられており、
前記翼の前記径方向において、前記ハブと前記翼の根元部との結合部から前記翼の先端部までの距離である翼の高さに対する、前記ハブと前記翼の根元部との結合部からの距離、の比である前記翼の高さ比が０．５である位置よりも外側の領域において、前記翼の厚み方向に関し、前記キャンバーラインと前記リーディングエッジとの第１距離が、前記キャンバーラインと前記翼の正圧面との第２距離と一致し、
前記翼の高さ比が０．５である位置よりも内側の領域において、前記第１距離を前記第２距離よりも短くする厚肉部を有するインデューサ。
前記厚肉部は、前記翼と一体に形成されている請求項１に記載のインデューサ。
前記厚肉部は、前記翼とは別体の付加物によって形成されている請求項１に記載のインデューサ。
少なくとも前記根元部の正圧面側には、前記リーディングエッジから前記キャンバーラインに対し平行に延びる平行面と、前記平行面と前記正圧面とを接続する傾斜面と、が設けられている請求項１に記載のインデューサ。
少なくとも前記根元部の正圧面側には、前記リーディングエッジから前記キャンバーラインに対し平行に延びる平行面と、前記平行面と前記正圧面とを接続する傾斜面と、が設けられている請求項２に記載のインデューサ。
少なくとも前記根元部の正圧面側には、前記リーディングエッジから前記キャンバーラインに対し平行に延びる平行面と、前記平行面と前記正圧面とを接続する傾斜面と、が設けられている請求項３に記載のインデューサ。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のインデューサを有するポンプ。