JPH04314952A

JPH04314952A - ターボポンプ

Info

Publication number: JPH04314952A
Application number: JP3346645A
Authority: JP
Inventors: Jean-Philippe N Girault; ジャン−フィリップ　エヌ．ジラール
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1992-11-06
Also published as: FR2671142B1; EP0494006B1; FR2671142A1; US5224817A; DE69112368D1; EP0494006A1; DE69112368T2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体を予圧する予圧ポ
ンプを一体的に有する分流ターボポンプに関する。ター
ボポンプは、様々な分野において利用されているが、特
に宇宙において推進剤を加圧するために利用されている
。ターボポンプの流量を増加させると同時にサイズと重
量を小さくする研究により、高速で回転するターボポン
プが利用されるようになった。高速回転させると、キャ
ビテーションの発生する危険性が増加する。そのために
、高圧インペラの入口の圧力を高めてキャビテーション
の発生を防止する予圧ポンプを有した高圧ポンプがすで
に提案されている。

【０００２】

【従来の技術】様々な低圧予圧ポンプの駆動方法や、低
圧系と高圧系の様々な系統がすでに提案されている。図
２に線図で示す予圧ポンプの従来の駆動方法は、分岐系
統により構成されてきた。この場合、高圧ポンプ１によ
り吐き出された高圧流体の一部７は、高圧ポンプの出口
から、予圧ポンプ３を駆動する低圧水車（ハイドローリ
ックタービン）４へ循環される。低圧ポンプ３に供給さ
れた低圧流体５は昇圧されて、高圧ポンプ１の入口に連
通するその出口において中圧流体６となり、たとえ高圧
ポンプ１が高速回転しても、該高圧ポンプ１内において
キャビテーションの発生は防止される。前記高圧流体７
は、前記低圧軸３を駆動する前記水車４を通って循環し
、そして該高圧流体７の流量は、高圧の作動流体８に対
して僅かな流量となっている。高圧ポンプ１の軸４１は
、高圧ガス入口９と低圧ガス出口１０を有する従来のガ
スタービンにより駆動される。

【０００３】線図２に示されたポンプの実施例を図３に
図示する。このポンプは、“液体ロッケトエンジンのタ
ーボポンプ”と題されたナサ（ＮＡＳＡ）の論文（ＳＰ
−８１０７の５３頁から５５頁）に掲載されている。図
３には予圧ポンプ３が図示されており、該予圧ポンプ３
は、高圧ポンプ１から吐き出された高圧流体８の一部７
により駆動される水車４により駆動され、前記高圧ポン
プ１はガスタービン（図示せず）により駆動される。図
２、３を参照して説明したシステムは、シール手段する
ことが困難で嵩高な高圧部から低圧部への接続が必要と
なり、大きな圧損を伴う小さな流量の循環流が必要とな
り、機能的妥協を提供せず、そして高圧ポンプの高圧イ
ンペラにおけるキャビテーションを防止できな。更に、
低圧ポンプを高圧ポンプの前方に配置する、“直列（イ
ンライン）構造は、水車装置を増加させ嵩高くなる。

【０００４】図４から図７は、予圧ポンプ１３と高圧ポ
ンプ１１が協働する、翼列系統（カスケードサーキット
）を利用したシステムを示している。図４はこのシステ
ムの理論的線図を示しており、該システムにおいて高圧
ポンプ１１から吐き出された全流量が、僅かに膨張しな
がら低圧予圧ポンプ１３を駆動する水車１１に作用し、
前記水車１１は低圧軸４２により前記予圧ポンプ１３を
駆動し、前記低圧ポンプは入口で低圧流体１５を吸入し
、高圧ポンプ１１に供給される中圧流体１１に昇圧する
。図４のシステムでは従来高圧ポンプ１１の軸４１から
、ポンプの出口流体が、高圧ガスの入口と低圧ガスの出
口を有したガスタービン１２に取り込まれる。図５、６
は、図４の実施例を予圧ポンプ１３へ適用を示している
。図５はガスタービン１２（図示せず）から離隔した構
成要素を図示しており、図６は、ガスタービン１２２に
より駆動される主軸軸４１と、水車により駆動される軸
４２の配置を略示し、前記軸４１、４２は夫々軸受４３
、４４によりフレームに対して支持されている。図６は、前記軸４１、４２と共に回転する回転要素を略
示している。すなわち水車１４と、低圧第２軸４２に固
定された低圧ポンプ１３と、高圧主軸４１に固定された
高圧ポンプ１１である。

【０００５】図７は、カスケードサイクルを利用した図
４と同様の系統による他の実施例を示しており、そして
それは、また１９８１にウィリーにより出版された、Ｏ
．Ｅ．バルジェの“ターボマシン“の４２９頁に記載さ
れている。この場合水車１４は、高圧ポンプ１１の高圧
インペラの下流に配置された回転ディフューザにより構
成されており、そしてそれは図４の予圧ポンプと同様の
機能を有する低圧インデューサ１３に固定されており、
そして該インデューサ１３は前記高圧ポンプ１１の上流
に配置されている。図７に示した装置による実験では、
軸受の複雑な問題や、或いは低速、低出力に限定される
という問題が生じた。

【０００６】図８は、ガスタービン２４により駆動され
る軸４２に予圧ポンプ２３が据え付けられ、前記ガスタ
ービン２４は、主軸２１を駆動する１次ガス（メインガ
スフロー）がら供給される。図８において参照番号２９
は１次ガスタービン（メインガスタービン）２２に供給
される高圧ガスを示しており、参照番号３２は、２次ガ
スタービン（オーグジュアリガスタービン）から排気さ
れる低圧ガスを示している。参照番号２５、２６、２８
は夫々予圧ポンプ２３の入口の低圧流体と、予圧ポンプ
２３から吐き出され、そして高圧ポンプ２１に供給され
る中圧流体と、そして高圧ポンプ２１から吐き出された
高圧流体を示している。図８に示されたシステムは、然
しながらポンプ近傍の低温部とガスタービン近傍の高温
部との膨張の差から生じる問題があり、その問題により
液体の系統とガスの系統との間のシール手段が問題とな
り、その結果図示されたサイクルを害することとなる。図８に示されたサイクルは利用される液体が、液体酸素
等の化学的に非常に活性な場合には禁止されなければな
らない。一般的に図８に示されたシステムは、ユニット
重量に対して高い出力が得られるが、然しながら複雑な
システムであり、２つのターボ機械を備えることからか
なり嵩高くなる。こうした構成は組み立てることが困難
であり、多くの部品点数を必要とし、推進チャンバから
吊り下げられる構造に困難な振動問題を生じさせる、複
数の固定点を必要とする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、非常
に高速で回転する高圧ポンプに生じるキャビテーション
を除去、或いは発生を制限するための予圧ポンプを備え
、そして高い性能を保ちながら全体として高いコンパク
ト性能を有するターボポンプを提供して、上述した従来
技術の問題点を解決することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明では、予圧ポンプを一体化して具備したター
ボポンプであって、単一のケーシング内に、タービンに
より駆動される主軸と、前記主軸と同軸の第２軸と、前
記ケーシングの内側で、低圧流体の入口近傍に、前記第
２軸に据え付けられた少なくとも１つの低圧インデュー
サと、前記低圧インデューサの下流に前記第２軸に据え
付けられた少なくとも１つの低圧インペラと、前記ケー
シングに固定され、そして前記低圧インペラの下流に配
置され、該ターボポンプの軸線に平行な方向に中圧流体
を整流する（レストア）ための低圧バッフルと、前記バ
ッフルから出た中圧流を、該ターボポンプの軸線と平行
に前記高圧インペラの方向に１８０゜流れの向きを変え
る戻り経路とを具備し、前記高圧インペラは、前記第２
軸の内側に前記主軸に据え付けられ、該高圧インペラに
より作られた高圧の全遠心流を、前記バッフルの部分に
形成された中空翼の内部を通して、吐き出し経路に吐き
出すようになっており、該吐き出し経路は、前記ケーシ
ングに固定され、前記高圧流が前記中空翼を通過した後
、該高圧流を集めるようになっており、更に該ターボポ
ンプは、前記吐き出し経路から分岐した分流経路を具備
し、該分流経路は前記低圧インペラの部分に形成された
湾曲した中空翼を通して前記高圧の遠心流を供給し、そ
れにより前記低圧インペラを駆動するトルクを発生する
ようになっており、前記高圧インペラは高圧ポンプを構
成し、該高圧ポンプは前記低圧ポンプにより構成される
低圧の予圧ポンプと接続されており、前記低圧ポンプは
前記低圧インデューサと前記低圧インペラより構成され
ることを特徴とするターボポンプが提供される。前記タ
ーボポンプは好ましくは、前記戻り経路と前記高圧イン
ペラとの間に前記主軸に据え付けられた高圧インデュー
サを更に具備している。

【０００９】低圧ポンプと、該低圧ポンプと協働する高
圧ポンプとの間で動力を分け合う原理により、本発明の
ターボポンプは、分割されたタイプのポンプよりも同じ
か、或いはそれ以上の高い効率と、高い回転速度をえる
ことが可能となる。図２、３、４から７に示した従来技
術による系統よりも短い系統により、より小さな直列（
インライン）の圧力損失と、従って高い効率が得られる
。１次ポンプ（メインポンプ）入口の流体を昇圧する、
予圧ポンプから構成されるスーパチャージャーと一体化
されたターボ機械を組み込んだ本発明によるターボポン
プの、特にコンパクトな構造は、機械の全重量、体積を
削減すると共に、製造困難な部品を必要とせずに部品点
数を削減する。これらの利点は特にロケットエンジンの
ターボポンプとの関係において重要である。と言うのは
、機械の構造やその推進系への組みつけは、部品点数や
、ロケットエンジンとの接合部を削減することにより一
般的に単純化されるからである。

【００１０】機械を組み立て、そして推進系に組みつけ
る時間を削減することは、製造費を削減することとなる
。部品点数や、振動に対する感受性や、部品を組み立て
る際の複雑さを削減することは、操作の信頼性を向上さ
せることとなる。液体やガスの回収、取り扱いのための
特別の系統が必要でないことや、渦巻き形やトーラス形
に比較して単純な吐き出し経路を使用することができる
ために、全体のデザインは簡単化され、それにより製造
費用が削減される。エネルギ変換機構の特別な構造のた
め、１次ポンプにより昇圧された流体の一部を予圧ポン
プに供給して、高圧ポンプにより作られたエネルギの僅
かな部分を予圧ポンプに供給可能となり、前記構造は、
機械的動力変換にあたり特に熱交換器を必要としない。中空翼を有するタービンインペラの機械的エネルギ変換
機を作ることは、従来分離した要素により果たされてい
た２つの機能を併せることにより全体としてコンパクト
な機械を得ることに寄与する。従って本発明によれば内
部を前記１次ポンプにより昇圧された流体が通過する前
記中空翼は、一方において内側で低圧ポンプのタービン
として作用し、他方外側で予圧ポンプのインペラとして
作用することとなる。

【００１１】本発明による他の実施例において、前記予
圧ポンプは前記中圧流を画定し、該中圧流は該ターボポ
ンプの軸線に実質的に平行な流れであり、それに対して
前記高圧インペラは、高圧流を、該ターボポンプの軸線
に実質的に垂直な面内で前記吐き出し経路に吐き出す。前記分流経路は、前記吐き出し経路から分岐され、小流
量の分流が前記低圧インペラの湾曲した中空翼の外側か
ら中心に向かって該翼を貫通するように構成されている
。本実施例は機能的な観点から利点を有しており、そし
て前記低圧のインペラの湾曲した中空翼を比較的高い圧
力差で小流量しか通過しないために容易に実施される。前記中空の動翼を通過する流量が小さいために、該中空
翼を設計、製造することは容易である。

【００１２】前記高圧インペラを固定するロータは、前
記主軸に支持され、前記第２軸と協働して前記中空翼と
通過した後の前記分流を受承する画室を画定し、そして
、前記第２軸を前記主軸に対して支持する軸受と、前記
第２軸を貫通して形成された出口オリフィスとを介して
、前記分流を低圧流の入口へと方向付ける。前記タービ
ンにより高速で駆動される前記主軸は、第１に前記バッ
フルと、前記高圧インデューサまたは高圧インペラとの
間に配置された静圧軸受により前記ケーシングに対して
据え付けられ、第２に前記戻り経路のバックプレートに
備えられた軸受により支持されており、該軸受は、高速
回転する軸を支持するのに適している。前記第２軸はロ
ーラ軸受と玉軸受を介して前記主軸に据え付けられてい
る。この４つの軸受の配置により高圧の主軸の高速回転
と、前記水車により駆動される低圧部の自由な回転が達
成される。前記低圧ポンプと高圧ポンプとの間に配置さ
れた軸受は、高圧の主軸と低圧の第２軸との回転さに相
当する比較的低速な回転をすることとなる。その結果、
軸受の損摩は小さくなり、寿命が長くなる。

【００１３】更に他の実施例において、前記戻り経路の
バックプレートに据え付けられた前記軸受は、前記中圧
流により潤滑、冷却され、前記中圧流は前記戻り経路の
壁部内の短い再循環経路を介して前記低圧バッフルの出
口から供給される。また他の実施例において、前記戻り
経路のバックプレートに据え付けられた前記軸受は、前
記中圧流は前記戻り経路の壁部内の短い再循環経路を介
して前記低圧バッフルの出口から供給される中圧流の供
給を受ける流体軸受（フルードベアリング）またはフォ
イル軸受である。更に他の実施例において、前記戻り経
路のバックプレートに据え付けられた前記軸受は、前記
中圧流は前記戻り経路の壁部内の短い再循環経路を介し
て前記低圧バッフルの出口から供給される中圧流の供給
を受けるアクティブマグネティック軸受である。前記再
循環経路を介して抽出された中圧流は、前記主軸と同軸
に同主軸の内部に備えられた経路を介して前記低圧ポン
プの入口等の低圧部に吐き出される。このような配置に
より余分な配管を除去し、損失を最小限に押さえ、そし
て流量、圧力、温度を前記主軸を支持する軸受の最適な
条件にすることが可能となる。またこの配置は構造を単
純なものとし、そして部品点数を削減し、以て製造費用
の削減と操作の信頼性の向上に寄与する。

【００１４】前記低圧バッフルと、前記高圧インデュー
サまたは前記高圧インペラとの間に据え付けられた前記
静圧軸受は、前記ケーシング内に形成された短い内部再
循環経路と、前記低圧バッフル内に形成された経路とを
介して、前記吐き出し経路の出口高圧流を供給され、前
記静圧軸受を通過した流体は、前記高圧ポンプに入口と
、前記低圧ポンプの出口に吐き出される。この配置によ
り高いＤとＮの積（ここでＤは主軸直径であり、Ｎはそ
の回転数である）を有する長寿命軸受により前記主軸を
支持することが可能となり、そしてこれは機械を操作す
る一般的な構成（スキーム）と矛盾しない。前記低圧ポ
ンプのロータを形成する前記第２軸と前記高圧ポンプの
ロータを形成する前記主軸に固定された部材との間に動
的（ダイナミック）シール手段を具備し、該動的シール
手段はワイパーラビリンス、或いはリング、または浮動
（フローティング）リング等の流体シール手段を具備し
て成る。

【００１５】更に好ましい実施例において、反対に方向
付けられた一連の第１、第２、第３のシール手段を具備
し、該シール手段は、夫々前記第２軸と高圧ポンプのロ
ータとの間に、前記第２軸と前記ケーシングに固定され
た低圧バッフルとの間に、そして前記高圧ポンプのロー
タと前記低圧バッフルとの間に配置されている。前記流
体シール手段は、高圧ポンプから低圧ポンプへの漏れを
最小限にし、そして低圧部と高圧部との間の漏れを所要
量に厳しく調節して、以て漏れの最適な制御に寄与する
。従って好ましい実施例において、これらの軸受を潤滑
する流量は付加的な部品やアッセンブリを必要とせず、
そしてこれは機械を操作する一般的な構成（スキーム）
と矛盾しない。

【００１６】本発明の他の特徴によれば、ターボポンプ
は動的（ダイナミック）シール手段を具備し、該シール
手段は、前記低圧ポンプのロータの一部を形成する前記
第２軸に固定された部材と、前記分流経路との間に配置
されたワイパラビリンス等の流体軸受手段であって、そ
して該流体軸受手段は前記高圧流と入口の前記低圧流と
の間の流量を最小にするようなクリアランスをとる。更
に他の実施例において、前記ケーシングと一体化された
部材（キャスティング）は、補強リブを具備し、そして
戻り経路を画定し、該部材と前記主軸との間に衝撃吸収
環状ガスケットが配置されている。この構造は、回転ア
ッセンブリの強固にし、それにより寿命が長くなる。

【００１７】前記主軸を駆動する前記ガスタービンは、
該ターボポンプのケーシングに半径方向のスタッドによ
り結合されたケーシングを具備している。従って好まし
くない構造上の硬直することなく、ポンプとタービンと
の間の断熱が達成される。以下に本発明の特徴や利点を
、添付図面を参照する本発明の好ましい実施例に基づき
更に詳細に説明する。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明による予圧ポンプを一体的に
有するターボポンプの全体図であり、該ターボポンプは
特にロケットエンジンの推進剤を加圧するのに使用され
ることを予定している。本発明の本質的特徴によれば、
単一のケーシング１０２は高圧ポンプ（ＨＰポンプ）の
アクティブコンポーネントを含んで成り、該高圧ポンプ
は、主軸１０１を介して外部ガスタービン１０３により
、低圧ポンプ（ＬＰポンプ）のアクティブコンポーネン
トと共に駆動され、該低圧ポンプのアクティブコンポー
ネントは、前記主軸１０１と同軸の第２次軸１０４に接
合されており、該第２次軸１０４は、それ自体湾曲した
中空の翼を備えた低圧インペラ（ＬＰインペラ）により
直接駆動され、該低圧インペラの中空部分を、前記高圧
ポンプの吐出口１６１から吐き出された高圧流１６３の
ほんの一部から成る分流１６３が通過する。前記主軸１
０１に備えられた高圧ポンプの高圧インペラ１１４は、
低圧インペラ１１０の内側に一体化されており、前記高
圧インペラ１１４から所定の圧力、流量にて吐き出され
た高圧の遠心流１６１が、吐出流１０８を画定する吐き
出し経路１０６を全体として通過できるようになってお
り、前記吐出流１０８は、該高圧流体を使用するように
製造されている要素に供給され、それに対して前記分流
１６３は、前記湾曲した中空翼１３２の内部１３３を貫
通する分流経路１６２を通過して、中心に向かって戻る
ことができるように成っている。前記吐き出し経路１０
６から分岐される分流経路１６２の入口はダイヤフラム
１６４を適宜に具備している。

【００１９】前記湾曲した中空翼１３２を通過した後前
記分流１６３は、前記高圧インペラ１１４を駆動する高
圧ロータ１３０と、低圧第２ロータ１０４との間の画室
に入る。前記分流は、前記高圧ロータ１３０により偏向
され軸受け１３１、１２７を潤滑しながら通過して、次
いで第２ロータ１０４に形成されたオリフィス１５４を
通過して低圧入口１０５に供給される。前記高圧インペ
ラ１１４から吐き出された高圧流体の流れは、分配経路
１０６を通過する前に、バッフル１１１の一部を形成し
す中空の静翼１２９を通過し、該バッフル１１１の機能
については後述する。前記低圧インペラ１１０は、流体
１０７の入口１０５の近傍に配置されており、同低圧イ
ンペラ１１０に対して翼列に（インカスケード）装着さ
れた高圧インペラの入口に中圧流体の流れを供給するこ
とにより、同高圧インペラにブースト作用を果たし、前
記中圧流体は、高速回転中の高圧インペラ１１４内のキ
ャビテーションの発生を防止する。

【００２０】低圧ポンプにより構成される入口の予圧ス
テージが存在することによる高いレベルの性能によりコ
ンパクト性が損なわれることは無い。と言うのは、前記
低圧ポンプと前記高圧ポンプを機械と同軸にして、低圧
ポンプ本体を高圧ポンプの本体と一体化するためである
。上述したように、前記低圧インペラ１１０を駆動する
ために水車（ハイドローリックタービン）を、低圧ポン
プステージに結合している。前記低圧ブースとインペラ
１１０内の駆動タービンは、コンパクト性を高めるのに
寄与している。前記低圧ポンプは、前記第２シャフト１
０４から構成されるロータを具備し、該ロータはその入
口にインデューサ１０９を備え、該インデューサ１０９
は大きな入口直径を有した第１吸引ステージを構成し、
高い吸引容量を得ることを容易にしている。前記低圧イ
ンペラ１１０を構成する低圧ポンプの少なくとも１つの
ステージは整流する中空の翼１３２を具備して成り、水
車を高圧流体の分流１６３を前記中空の翼１３２を通し
て動作可能にしている。

【００２１】図１に示す実施例において前記低圧ポンプ
は、ただ１つのインデューサ１０９と、１つの低圧イン
ペラ１１０を有しており、該低圧インペラ１０９はまた
水車を構成しいるが、然しながら他の実施例において低
圧ポンプは水車の機能を有する整流されたインペラ１１
０から上流に配置された複数のステージを有することも
できる。前記低圧ポンプの出口と高圧ポンプの入口の接
続は、前記バッフル１１１を含んで成り、該バッフル１
１１は、低圧ポンプと高圧ポンプを組み合わせたケーシ
ングに据え付けられており、そして機械の軸上に水圧流
（ハイドローリックフロー）を戻して、前記高圧インペ
ラ１１４の入口において液体の渦流（プレローテーショ
ン）を除去するようになっており、前記高圧インペラ１
１４の入口は、戻り経路１１２と協働して前記バッフル
１１１から出た中圧流をその出口で、該ターボポンプの
軸線と平行に前記高圧インペラ１１４の方向に１８０゜
流れの向きを変える。

【００２２】図１４は、前記戻り経路１１２と共にポン
プのバックプレート１５３の拡大図を図示する。前記戻
り経路１１２は、リブまたはフィン１５１、１５２を具
備し、そして前記ケーシング１０２と一体化され、それ
によって衝撃吸収のためのガスケット１２５の備えられ
ている前記シャフト１０１と戻り経路１１２の間の位置
１４３から離隔しても構造的な剛性を増加するようにな
っている。こうした特徴によりロータリアッセンブリの
強度と長寿命を得ることができる。前記バックプレート
アッセンブリ１５３にハウジング１４９を設け、該ハウ
ジング１４９は、前記戻り経路１１２の外側に軸受け１
２６をシーリングシステム１４０と共に受承し（図１）
、該軸受１２６は前記ガスタービン１０３に結合した主
軸１０１の後端部を受承する。

【００２３】前記ガスタービン１０３のケーシング１２
０は、端部１１５を貫通する半径方向のスタッド１１６
により固定され、前記端部１１５は、前記バックプレー
ト１５３に形成されたフランジ１１７と係合する（図１
）。上述の方法は、構造的な強度を損なうことなくポン
プとタービンとの間の良好な熱的衝撃を吸収するように
成っている。

【００２４】前記主軸１０１により直接駆動される高圧
ポンプのロータ１３０は、インデューサ（該インデュー
サは必要に応じて備えられる）１１３とインペラ１１４
により構成される。前記高圧インペラ１１４は、その比
速度により、軸流型、ら線状遠心（ヘリコセントリフュ
ーガル）型、或いは遠心型とすることができる。前記高
圧ポンプは、前記インデューサ１１１の中空静翼１２９
を通して高圧の遠心流１６１を前記吐き出し経路１０６
へ吐き出し、前記分流経路１６２において分岐された前
記高圧の遠心流１６１の一部１６３は、前記低圧インペ
ラ１１０の前記湾曲した中空翼１３２に供給され、それ
により前記インペラ１１０に駆動トルクを与え、該駆動
トルクはモーメントに変換される。前記中空翼１３２は
、その内部を前記高圧流の一部が通過し、従って該翼１
３２は、外部的には流体を加圧する翼であると同時に内
部的には低圧ポンプを駆動する動力により駆動される翼
でもある。この原理を高い比速度で回転する前記高圧イ
ンペラ１１４に適用することにより、流体が該インペラ
を通過して前記中空翼１３２を通過する前に、回転する
ボリュートで上昇する。（図１２）前記吐き出し経路１
０６はボリュートき、或いはトーラスから構成される。

【００２５】前記主軸１０１と第２軸１０４を支持する
様々な種類の軸受けを使用した実施例を以下に詳細に説
明する。高速の前記主軸１０１は、第１に前記ケーシン
グ１０２に一体化された低圧バッフル１１１と、該主軸
１０１に一体化された前記インデューサ１１３との間に
配置された静圧軸受１２８により支持され、第２に高速
回転する軸を支持するのに適した、例えば前記戻り経路
のバックプレートに備えられた一対の玉軸受等の軸受手
段により支持される。前記第２低圧軸１０４はそれ自体
、ローラ軸受１３１と一対の玉軸受１２７を介して、前
記主軸１０１に前記ガスタービン１０３に面した端部で
据え付けられる。この４つの軸受の配置により前記主軸
１０１の高速回転と、水車による低圧部の自由な回転（
フリーローテーション）が可能となる。前記低圧ポンプ
と高圧ポンプとの間に配置される軸受は、前記主軸１０
１の回転速度と前記第２軸の回転速度との回転数の差に
対応する比較的低速で回転するため、損傷が比較的遅く
なる。

【００２６】図１０、図１２から理解されるように、前
記静圧軸受１２８は、前記吐き出し経路１０６内の高圧
液体１０８の一部を利用しており、該高圧液体は、、ケ
ーシングに一体化された再循環経路１３４、１３５、１
３６を介して直接供給されている。この再循環された流
体は、付加的な部品を使わずに中圧で前記高圧ポンプの
入口（流れ１３７）と、前記低圧ポンプの出口（流れ１
３８）へと排出される。この配置により高いＤとＮの積
（ここでＤは主軸１０１の直径であり、Ｎはその回転数
である）を有する長寿命軸受により前記主軸を支持する
ことが可能となり、そしてこれは機械を操作する一般的
な構成（スキーム）と矛盾しない。

【００２７】図１１は、ガスタービン１０３に隣接する
端部で前記主軸を支持する軸受１２６の実施例を示して
いる。該軸受１２６は、例えば一対の軸受により構成さ
れ、そして前記バッフル１１１の出口から、前記戻り経
路１１２を画定するバックプレート１５３と、該軸受１
２６の近傍のピックアップポイントを構成する再循環経
路１３９とをを介して引いた中圧の再循環流れにより潤
滑、冷却される。該軸受１２６を潤滑した流体は、例え
ば経路１４１と、前記主軸１０１の内部に同主軸１０１
と同軸に配置された経路１４２（図１１参照）と、前記
第２ロータ１０４を貫通する出口経路１５４（図１参照
）を含んで成る一連の経路により、低圧ポンプの入口と
いった低圧部に吐き出される。このような配置により余
分な配管を除去し、損失を最小限に押さえ、そして流量
、圧力、温度を前記主軸１０１を支持する軸受１２６の
最適な条件にすることができる。図１１に図示される前
記一対の軸受１２６は、高速回転に適した他の種の軸受
とすることもできる。従って該軸受１２６は、図１１に
図示した経路１３９と相似する再循環経路を介して供給
される中圧流体の流体軸受、或いはフォイル軸受とする
こともできる。同様に該軸受１２６は、再循環経路１３
９を介して供給される中圧流体により冷却されるアクテ
ィブマグネティック軸受とすることもできる。前記ガス
ケット（シーリングシステム）１４０は、前記ガスター
ビン１０３が配置されている領域に対して全ての状態下
で密封作用を果たす。

【００２８】前記ガスタービン１０３は、前記主軸１０
１の端部に直接装着された１段またはそれ以上の翼列１
２１、１２２を具備して成り、前記高圧ポンプ、及び低
圧ポンプに必要な動力を供給する。タービン車１２１、
１２２は長接続手段（ロングタイ）１２３により前記主
軸１０１上に同主軸１０１と同軸に装着されており、そ
し弾性スラスト部材により各部品間の伸び差（ディファ
レンシャルエキスパンジョン）が制限される。前記ター
ビン１０３は、高温ガス供給経路１１８と、環状の画室
１１９とを含んで成るケーシング１２０を具備して成り
、前記環状の画室１１９により高温ガスは、前記タービ
ン車１２１、１２２の翼列に供給される。上述のように
前記タービン１０３のケーシング１２０は、前記高圧ポ
ンプ、及び低圧ポンプのケーシング１０２に、半径方向
のスタッドを含んで成る接続手段により接続可能である
。

【００２９】図１２、図１３は、前記低圧ポンプを構成
する前記第２軸１０４と、前記高圧ポンプのロータを構
成する前記主軸１０１に取着された部材１３０、１１４
との間の、動的シール手段（ダイナミックシーリング）
を図示する。ワイパーラビリンスや、リング、或いは浮
動リングといった流体密封手段１４７、１４８が、前記
ロータ１０４のバッフル１１１の部分１２９と前記高圧
インペラ１１４の支持部１３０との間に配置される。流
体シール手段１４６が、前記第２軸１０４と、前記低圧
バッフル１１１の前記低圧インペラ１１０近傍の上流端
部との間に、前記流体シール手段１４７、１４８とは反
対の向きに配置される。動的シール手段１４４、１４５
が、前記第２軸の低圧インペラ１１０と、前記分流経路
１６２との間に配置される（図１、８、９）。同様にこ
れら動的シール手段は、ワイパーラビリンスといった流
体密封手段を含んで成り、該シール手段によれば、出口
の高圧流１６３と入口１０７の低圧流との間の流量を最
小限にすることができる。様々の流体シール手段の作動
クリアランスが、低圧ポンプへの漏れ（リーク）流量を
低圧／高圧軸受の厳しい要求に規制し、それにより漏れ
の取扱を最適化する。従って本発明の好ましい実施例に
おい、前記軸受を潤滑する流体は付加的な装置、或いは
部品を必要とせずに得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による予圧ポンプを一体
的に具備した分流ターボポンプの軸線で切断した断面図
である。

【図２】従来技術による予圧ポンプを具備したターボポ
ンプの系統図である。

【図３】図２の系統図で示される予圧ポンプを具備した
ターボポンプの一実施例の略示構造図である。

【図４】従来技術による予圧ポンプを具備したターボポ
ンプの系統図である。

【図５】図４の系統図で示される予圧ポンプを具備した
ターボポンプの一実施例の略示構造図である。

【図６】図５を更に簡略化して示した構造図である。

【図７】図４の系統図で示される予圧ポンプを具備した
ターボポンプの第２の実施例の略示構造図である。

【図８】従来技術による予圧ポンプを具備したターボポ
ンプの系統図である。

【図９】図１のターボポンプに利用されている中空翼を
有したタービンインペラにより構成される機械的エネル
ギ変換機構の略示斜視図である。

【図１０】図１のターボポンプに利用されている流体軸
受に流体を供給する経路の断面図である。

【図１１】図１のターボポンプに利用されているタービ
ン軸受に流体を再循環させる経路の断面図である。

【図１２】図１のターボポンプに利用されている回転ボ
リュートの断面詳細図である。

【図１３】図１のターボポンプの実施例の低圧部と高圧
部の間の動的（ダイナミック）シール手段の詳細断面図
である。

【図１４】図１のターボポンプの実施例の高圧ポンプの
バックプレートの詳細断面図である。

【符号の説明】

１０１…主軸１０２…ケーシング１０３…ガスタービン１０４…第２軸１０５…低圧ポンプ（予圧ポンプ）の入口１０６…吐き
出し経路１０７…低圧流１０９…低圧インデューサ１１０…低圧インペラ１１１…バッフル１１２…戻り経路１１４…高圧インペラ１２９…中空翼１３２…湾曲した中空翼１６１…高圧流１６２…分流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　低圧の予圧ポンプを一体化して具備し
たターボポンプであって、単一のケーシング（１０２）
内に、タービン（１０３）により駆動される主軸（１０
１）と、前記主軸（１０１）と同軸の第２軸（１０４）
と、前記ケーシング（１０２）の内側で、低圧流体（１
０７）の入口（１０５）近傍に、前記第２軸（１０４）
に据え付けられた少なくとも１つの低圧インデューサ（
１０９）と、前記低圧インデューサ（１０９）の下流に
前記第２軸に据え付けられた少なくとも１つの低圧イン
ペラ（１１０）と、前記ケーシング（１０２）に固定さ
れ、そして前記低圧インペラ（１１０）の下流に配置さ
れ、該ターボポンプの軸線に平行な方向に中圧流体を整
流する（レストア）ための低圧バッフル（１２９、１１
１）と、前記バッフル（１１１）から出た中圧流を、該
ターボポンプの軸線と平行に高圧インペラ（１１４）の
方向に１８０゜流れの向きを変える戻り経路（１１２）
とを具備し、前記高圧インペラ（１１４）は、前記第２
軸（１０４）の内側に前記主軸（１０１）に据え付けら
れ、該高圧インペラ（１１４）により作られた高圧の全
遠心流（１６１）を、前記バッフル（１２９、１１１）
の部分に形成された中空翼（１２９）の内部（１６０）
を通して、吐き出し経路（１０６）に吐き出すようにな
っており、該吐き出し経路（１０６）は、前記ケーシン
グ（１０２）に固定され、前記高圧流（１６１）が前記
中空翼（１２９）を通過した後、該高圧流（１６１）を
集めるようになっており、更に該ターボポンプは、前記
吐き出し経路（１０６）から分岐した分流経路（１６２
）を具備し、該分流経路（１６２）は前記低圧インペラ
（１１０）の部分に形成された湾曲した中空翼（１３２
）を通して前記高圧の遠心流を供給し、それにより前記
低圧インペラ（１１０）を駆動するトルクを発生するよ
うになっており、前記高圧インペラ（１１４）は高圧ポ
ンプを構成し、該高圧ポンプは前記低圧ポンプにより構
成される低圧の予圧ポンプと接続されており、前記低圧
ポンプは前記低圧インデューサ（１０９）と前記低圧イ
ンペラ（１１０）より構成されることを特徴とするター
ボポンプ。
【請求項２】　　前記戻り経路（１１２）と前記高圧イ
ンペラ（１１４）との間に前記主軸（１０１）に据え付
けられた高圧インデューサ（１１３）を更に具備するこ
とを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ。
【請求項３】　　前記予圧ポンプは、前記中圧流を画定
し、該中圧流は該ターボポンプの軸線に実質的に平行な
流れであり、それに対して前記高圧インペラ（１１４）
は、高圧流（１０８）を、該ターボポンプの軸線に実質
的に垂直な面内で前記吐き出し経路（１０６）に吐き出
すことを特徴とする請求項１または２に記載のターボポ
ンプ。
【請求項４】　　前記タービン（１０３）により高速で
駆動される前記主軸（１０１）は、第１に前記バッフル
（１１１）と、前記高圧インデューサ（１１３）または
高圧インペラ（１１４）との間に配置された静圧軸受（
１２８）により前記ケーシング（１０２）に対して据え
付けられ、第２に前記戻り経路（１１２）のバックプレ
ートに備えられた軸受（１２６）により支持されており
、該軸受（１１２）は、高速回転する軸を支持するのに
適していることを特徴とする請求項２に記載のターボポ
ンプ。
【請求項５】　　前記第２軸（１０４）は、ローラ軸受
（１３１）と玉軸受（１２７）を介して前記主軸（１０
１）に据え付けられていることを特徴とする請求項４に
記載のターボポンプ。
【請求項６】　　前記戻り経路（１１２）のバックプレ
ートに据え付けられた前記軸受（１２６）は、前記中圧
流により潤滑、冷却され、前記中圧流は前記戻り経路（
１１２）の壁部内の短い再循環経路（１３９）を介して
前記低圧バッフル（１１１）の出口から供給されること
を特徴とする請求項４または５に記載のターボポンプ。
【請求項７】　　前記戻り経路（１１２）のバックプレ
ートに据え付けられた前記軸受（１２６）は、前記中圧
流は前記戻り経路（１１２）の壁部内の短い再循環経路
（１３９）を介して前記低圧バッフル（１１１）の出口
から供給される中圧流の供給を受ける流体軸受（フルー
ドベアリング）またはフォイル軸受であることを特徴と
する請求項４または５に記載のターボポンプ。
【請求項８】　　前記戻り経路（１１２）のバックプレ
ートに据え付けられた前記軸受（１２６）は、前記中圧
流は前記戻り経路（１１２）の壁部内の短い再循環経路
（１３９）を介して前記低圧バッフル（１１１）の出口
から供給される中圧流の供給を受けるアクティブマグネ
ティック軸受であることを特徴とする請求項４または５
に記載のターボポンプ。
【請求項９】　　前記再循環経路（１３９）を介して抽
出された中圧流は、前記主軸（１０１）と同軸に同主軸
（１０１）の内部に備えられた経路（１４２）を介して
前記低圧ポンプの入口等の低圧部に吐き出されることを
特徴とする請求項６から８の何れか１項に記載のターボ
ポンプ。
【請求項１０】　　前記低圧バッフル（１１１）と、前
記高圧インデューサ（１１３）または前記高圧インペラ
（１１４）との間に据え付けられた前記静圧軸受（１２
８）は、前記ケーシング（１０２）内に形成された短い
内部再循環経路（１３４）と、前記低圧バッフル（１１
１）内に形成された経路（１３５、１３６）とを介して
、前記吐き出し経路（１０６）の出口高圧流（１０８）
を供給され、前記静圧軸受（１２８）を通過した流体は
、前記高圧ポンプに入口と、前記低圧ポンプの出口に直
接吐き出されることを特徴とする請求項４から９の何れ
か１項に記載のターボポンプ。
【請求項１１】　　前記低圧ポンプのロータを形成する
前記第２軸（１０４）と前記高圧ポンプのロータを形成
する前記主軸（１０１）に固定された部材（１３０、１
１４）との間に動的（ダイナミック）シール手段を具備
し、該動的シール手段はワイパーラビリンス、或いはリ
ング、または浮動（フローティング）リング等の流体シ
ール手段を具備して成ることを特徴とする請求項１から
１０の何れか１項に記載のターボポンプ。
【請求項１２】　　反対に方向付けられた一連の第１、
第２、第３のシール手段（１４８、１４６、１４７）を
具備し、該シール手段（１４８、１４６、１４７）は、
夫々前記第２軸（１０４）と高圧ポンプのロータ（１３
０）との間に、前記第２軸（１０４）と前記ケーシング
（１０２）に固定された低圧バッフル（１１１）との間
に、そして前記高圧ポンプのロータ（１３０）と前記低
圧バッフル（１２９、１１１）との間に配置されている
ことを特徴とする請求項１１に記載のターボポンプ。
【請求項１３】　　動的シール手段（１４４、１４５）
を具備し、該シール手段（１４４、１４５）は、前記低
圧ポンプのロータの一部を形成する前記第２軸に固定さ
れた部材と、前記分流経路（１６２）との間に配置され
たワイパラビリンス等の流体軸受手段であって、そして
該流体軸受手段は前記高圧流（１６３）と入口の前記低
圧流（１０７）との間の流量を最小にするようなクリア
ランスをとることを特徴とする請求項１から１２の何れ
か１項に記載のターボポンプ。
【請求項１４】　　前記高圧インペラ（１１４）を固定
するロータ（１３０）は、前記主軸（１０１）に支持さ
れ、前記第２軸と協働して前記中空翼（１３２）と通過
した後の前記分流（１６３）を受承する画室を画定し、
そして、前記第２軸を前記主軸（１０１）に対して支持
する軸受（１３１、１２７）と、前記第２軸（１０４）
を貫通して形成された出口オリフィス（１５４）とを介
して、前記分流（１６３）を低圧流の入口（１０４）へ
と方向付けることを特徴とする請求項１から１３の何れ
か１項にに記載のターボポンプ。
【請求項１５】　　前記ケーシング（１０２）と一体化
された部材（キャスティング）（１５３）は、補強リブ
（１５１、１５２）を具備し、そして戻り経路（１１２
）を画定し、該部材（１５３）と前記主軸（１０１）と
の間に衝撃吸収環状ガスケット（１４３）が配置されて
いることを特徴とする請求項４または５に記載のターボ
ポンプ。
【請求項１６】　　前記主軸（１０１）を駆動する前記
ガスタービン（１０３）は、該ターボポンプのケーシン
グ（１０２）に半径方向のスタッド（１１６）により結
合されているケーシング（１２０）を具備していること
を特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のタ
ーボポンプ。