特許 7148609 内部溝を有するハウジングを備えたポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-27

(45)【発行日】2022-10-05

(54)【発明の名称】内部溝を有するハウジングを備えたポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/66 20060101AFI20220928BHJP

   F04D 29/52 20060101ALI20220928BHJP

   F04D 29/16 20060101ALI20220928BHJP

   F04D 3/00 20060101ALI20220928BHJP

【ＦＩ】

F04D29/66 B

F04D29/52 A

F04D29/16

F04D3/00 Z

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020529453

(86)(22)【出願日】2018-10-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-15

(86)【国際出願番号】 US2018055534

(87)【国際公開番号】W WO2019108312

(87)【国際公開日】2019-06-06

【審査請求日】2021-06-18

(31)【優先権主張番号】62/592,662

(32)【優先日】2017-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】594203852

【氏名又は名称】エアロジェット ロケットダイン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】プイ，キン

(72)【発明者】

【氏名】メン，セン

【審査官】所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－１４４６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０７－０１０４９５（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ ２９／６６

Ｆ０４Ｄ ２９／５２

Ｆ０４Ｄ ２９／１６

Ｆ０４Ｄ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向流体通路を画定する内面を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記流体通路内に中心軸を中心として配置されるとともに、少なくとも１つのブレード先端部を規定する少なくとも１つのブレードを有するロータと、
を含む軸方向インデューサを備え、
前記ハウジングの前記内面は、前記少なくとも１つのブレード先端部に隣接する、周方向に細長い複数の溝を画定し、
前記複数の溝は、無端の溝と、前記無端の溝の後方にある端部を有する溝と、を含む、ポンプ。

【請求項2】

前記複数の溝は、複数の無端の溝と、前記複数の無端の溝の後方にある複数の端部を有する溝と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項3】

前記複数の溝が複数の無端の溝を含み、前記無端の溝が均一に軸方向に離間されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項4】

前記複数の溝は、溝の深さおよび溝の幅に関して共通のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項5】

前記複数の溝が一定の断面を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項6】

前記少なくとも１つのブレードが第１の軸方向位置で始まるとともに、第２の軸方向位置で終わり、前記複数の溝が第３の軸方向位置で始まるとともに、第４の軸方向位置で終わり、前記第４の軸方向位置は、前記第２の軸方向位置の前方にあることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項7】

前記ハウジングの内面が、前記複数の溝の後方に、いかなる溝も除外するバンド部を含むことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項8】

前記複数の溝は、前記中心軸に垂直な基準面に関して、前方ピッチ角を規定し、前記少なくとも１つのブレードは、前記基準面に関して、後方ピッチ角を規定することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

【請求項9】

軸方向流体通路を画定する内面を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記流体通路内に中心軸を中心として配置されるとともに、少なくとも１つのブレード先端部を規定する少なくとも１つのブレードを有するロータと、
を含む軸方向インデューサを備え、
前記ハウジングの内面は、前記少なくとも１つのブレード先端部に隣接する複数の溝を画定し、前記複数の溝は、前記中心軸に垂直な基準面に関して、前方ピッチ角を規定し、前記少なくとも１つのブレードは、前記基準面に関して、後方ピッチ角を規定し、
前記複数の溝は、無端の溝と、前記無端の溝の後方にある端部を有する溝と、を含む、ポンプ。

【請求項10】

前記前方ピッチ角と、前記後方ピッチ角と、が合同な角であることを特徴とする請求項９に記載のポンプ。

【請求項11】

前記合同な角は、５°～４０°の範囲であることを特徴とする請求項１０に記載のポンプ。

【請求項12】

軸方向流体通路を画定する内面を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記流体通路内に中心軸を中心として配置されるとともに、少なくとも１つのブレード先端部を規定する少なくとも１つのブレードを有するロータと、
を含む軸方向インデューサを備え、
前記ハウジングの内面は、前記少なくとも１つのブレード先端部に隣接する複数の溝を画定し、前記溝の各々は、前記中心軸に垂直な基準面に関して、該溝に沿って変化するピッチ角を規定し、
前記複数の溝は、無端の溝と、前記無端の溝の後方にある端部を有する溝と、を含む、ポンプ。

【請求項13】

前記ピッチ角が、前方ピッチ角であることを特徴とする請求項１２に記載のポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１７年１１月３０日に出願された米国仮出願第６２／５９２，６６２号の優先権を主張するものである。
（連邦政府による資金提供を受けた研究または開発に関する声明）
本発明は、米国航空宇宙局から付与された契約番号ＮＮＭ１６ＡＡ０２Ｃに基づく政府の支援を受けて行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。

【背景技術】

【0002】

ポンプは一般的に公知であり、流体を加圧するために使用される。例えば、ポンプは、ロータから半径方向にオフセットされた先端まで延びる１つまたは複数のブレードを有するインデューサを含みうる。ロータとブレードが回転して、ポンプに入る流体を加圧する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本開示の一例によるポンプは、軸方向流体通路を画定する内面を有するハウジングを備えた軸方向インデューサを含む。ロータが、ハウジングの流体通路内の中心軸の周りに配置されるとともに、少なくとも１つのブレード先端部を規定する少なくとも１つのブレードを有する。ハウジングの内面は、少なくとも１つのブレード先端部に隣接する複数の溝を画定する。それらの溝は円周方向に細長い。

【0004】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、溝の各々は、無端の溝（endless groove）である。

【0005】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、端部を有する溝（ended groove）を含む。

【0006】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、無端の溝と、無端の溝の後方にある端部を有する溝と、を含む。

【0007】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、複数の無端の溝と、複数の無端の溝の後方にある複数の端部を有する溝と、を含む。

【0008】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、複数の無端の溝を含み、無端の溝は均一に軸方向に離間される。

【0009】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、溝の深さおよび溝の幅に関して共通のアスペクト比を有する。

【0010】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、一定の断面を有する。

【0011】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、１つまたは複数のブレードは、第１の軸方向位置で始まる。１つまたは複数のブレードは、第２の軸方向位置で終端する。複数の溝は、第３の軸方向位置で始まる。少なくとも１つの溝は第４の軸方向位置で終端し、第４の軸方向位置は第２の軸方向位置の前方にある。

【0012】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、ハウジングの内面は、複数の溝の後方に、１つまたは複数の溝のいずれの溝も除外するバンド部（band）を含む。

【0013】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、複数の溝は、中心軸に垂直な基準面に関して、前方ピッチ角（forward pitch angle）を規定し、少なくとも１つのブレードは、基準面に関して、後方ピッチ角（aft pitch angle）を規定する。

【0014】

本開示の一例によるポンプは、軸方向流体通路を画定する内面を有するハウジングを有する軸方向インデューサを含む。ロータは、ハウジングの流体通路の中心軸の周りに配置され、少なくとも１つのブレード先端部を規定する少なくとも１つのブレードを有する。ハウジングの内面は、少なくとも１つのブレード先端部に隣接する複数の溝を規定する。複数の溝は、中心軸に垂直な基準面に対して、前方ピッチ角を規定する。ブレードは、基準面に対して、後方ピッチ角を規定する。

【0015】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、前方ピッチ角と、後方ピッチ角とは合同な角（congruent angles）である。

【0016】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、それらの合同な角は５°～４０°の範囲である。

【0017】

本開示の一例によるポンプは、軸方向流体通路を画定する内面を有するハウジングを備えた軸方向インデューサを含む。ロータは、ハウジングの流体通路の中心軸の周りに配置され、少なくとも１つのブレード先端部を規定する少なくとも１つのブレードを有する。ハウジングの内面は、少なくとも１つのブレード先端部に隣接する複数の溝を規定する。各溝は、中心軸に垂直な基準面に関して、溝に沿って変化するピッチ角を規定する。

【0018】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態では、ピッチ角は前方ピッチ角である。

【0019】

本開示の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】インデューサを備えた一例のポンプを示す図である。

【図2】図１のポンプのロータの分離された図である。

【図3】図１のポンプの断面図である。

【図4】ポンプのハウジングの断面図である。

【図5】ポンプのハウジングの溝を通した断面図である。

【図6】ポンプのハウジングの別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は、ポンプ２０の選択された部分を概略的に示す。理解されるように、ポンプ２０は、１つまたは複数の追加のポンプセクションおよび／またはタービンなどの、限定されない、図示されない他の構成要素を含みうる。以下でさらに詳述するように、ポンプ２０は、ポンプの壊滅的な故障を生じさせるおそれのある流れによって引き起こされる不安定性を低減する特徴を含む。

【0022】

ポンプ２０は、概して中心軸Ａを中心として回転可能なシャフト２２を含む。シャフト２２上に配置されたインデューサ２４が存在する。インデューサ２４は、静的なハウジング２６と、シャフト２２と共に回転可能なロータ２８とを含む。ハウジング２６は、ポンプ入口３４とポンプ出口３６との間に概ね軸方向の流体流れのための軸方向流体通路３２を画定する内面３０を有する。ポンプの入口および出口３４／３６は、一般に、「前方」および「後方」方向、および、それらの用語のバリエーションを定義し、「前方」は、入口３４への方向性を指し、「後方」は、出口３６への方向性を指す。同様に、中心軸Ａは一般に、「軸方向」、「径方向」、「周方向」、およびこれらの用語のバリエーションに関しての方向性を定義する。

【0023】

ロータ２８は、ハウジング２６の流体通路３２内の中心軸Ａの周りに配置される。ロータ２８は、少なくとも１つのブレード先端部または縁部４０を画定する１つまたは複数のブレード３８を含む。ロータ２８の拡大図も図２に示す。図示の例では、ブレード３８はシュラウドレスであるが、ロータ２８は、ブレード先端部４０に取り付けられた１つまたは複数のシュラウドを含むとともにロータ２８と共に回転するシュラウド付きのロータであってもよいことを理解されたい。

【0024】

図３に示すように、ハウジング２６の内面３０は、１つまたは複数のブレード先端部４０に隣接する１つまたは複数の溝４２を画定する。例えば、溝４２は、１つまたは複数のブレード先端部４０と径方向に位置合わせされ、かつ軸方向に均一に離間される。換言すれば、溝４２の軸方向範囲は、少なくともブレード３８の軸方向範囲と重なる。溝４２は、周方向（ＣＤ）に細長い。例えば、そのような各溝４２は、溝４２が内面３０の周りに延在し、軸方向（または軸方向成分）よりも周方向ＣＤ（または円周方向成分）において長い溝中心軸（central groove axis）４４を規定する。

【0025】

断面では、図４の代表的な例に示されているように、溝４２は矩形、特に正方形であり、実質的にそれらの全長に沿ってそれぞれ均一な断面である。さらに、溝４２は、最も一般的には、同じまたは等しい断面を有し、その結果、溝４２は、断面形状が等しい幾何学形状であり、幅および深さが等しい寸法である。代替的に、矩形の同等の溝は、流れによって引き起こされる不安定性を低減するのに役立つが、溝４２の１つまたは複数は、半円形、楕円形、または多角形などの、矩形とは異なる断面形状を有してもよく、かつ／または、幅、奥行き、またはその他の特徴的な寸法の、異なるサイズを有しうることが想定される。

【0026】

図５を参照すると、ロータ２８の無いハウジング２６の半分の断面図を示し、この例の溝４２は、それぞれ明確（definitive）な第１の端部４２ａで始まり、それぞれ明確な第２の端部４２ｂで終端する、端部を有する溝（ended groove）である。第２の端部４２ｂは、各溝４２が螺旋の一部となるように、第１の端部４２ａの後方に軸方向に変位される。例えば、各溝４２は、ハウジング２６の内面３０の周りにある距離で延在する。最も典型的には、各溝４２は、内面３０の周りに３６０°未満で延在する。さらなる例では、各溝４２は、内面３０の周りに等しい距離すなわち共通の距離で延在する。すなわち、それらの各個の第１の端部４２ａから各個の第２の端部４２ｂまでの各々の溝中心軸４４に沿った溝４２の長さは互いに等しく、内面３０内に等量巻きついている。例えば、各溝４２は、内面の周りに９０°、１８０°、２７０°、または９０°～３６０°までのその他の指定された割合で巻きついている。

【0027】

ポンプ２０の作動中、ロータ２８とブレード３８が回転すると、ブレード３８の先端部４０とハウジング２６の内面３０との間の容積部を通る流体の逆流や、ブレード先端部４０またはその近くに渦、および／または、ブレード先端部４０またはその近くにキャビテーションが生じる可能性がある（その程度は、流体のタイプ、圧力、温度、ロータ速度などに関連し得る）。総じて、このような現象は、本明細書では流れによって引き起こされる不安定性と呼ぶ。

【0028】

これに関して、溝４２は、流れの不安定性の低減を促進する。例えば、流体がブレード先端部４０の近くを流れるとき、ブレード３８の回転により、流体が溝４２内に移動する。溝４２に入ると、溝４２の側面は、流体がポンプ２０内でさらに前方に流れるのを止め、それにより逆流を低減する。

【0029】

再び図３および５を参照すると、溝４２およびブレード３８は、流れによって引き起こされる不安定性の低減を強化するように構成される。例えば、各溝４２は、溝ピッチ４６を規定し、１つまたは複数のブレード３８は、ブレードピッチ４８を規定する。溝ピッチ４６は、中心軸Ａに垂直な基準平面５０に対する、溝中心軸４０上の点の接線の角度、すなわち、その接線と平面５０との間の角度である。あるいは、正接の同等の基準点は、溝４２の底部または側壁にある。ブレードピッチは、基準平面５０に対する、ブレード先端部４０上の点に接する線の角度、すなわち、その線と平面５０との間の角度である。理解されるように、２つの線の間の角度を決定するための基準面５０の選択は便宜上の問題であり、それらの線の角度は、同じ基準面がその両方の線に使用される限り、その他の基準面を使用しても等しく表すことができる。

【0030】

溝ピッチ４６は前方ピッチ角を有し、ブレードピッチ４８は後方ピッチ角を有する。別の言い方をすれば、ブレード先端部４０は概ね中心軸Ａから後方方向に傾斜し、溝４２の細長い方向は概ね中心軸Ａから前方方向に傾斜している。一例では、溝ピッチ４６の前方ピッチ角と、ブレードピッチ４８の後方ピッチ角とは、合同な角である。例えば、溝接線は、基準面５０と１０°の溝ピッチ角を形成し、ブレード接線は、基準面５０と１０°のブレードピッチ角を形成する。あるいは、前方および後方が、「＋」（プラス記号）と「－」（マイナス記号）などの、互いに反対の記号で表される命名法が採用される場合、溝ピッチ角が－１０°として表され、ブレードピッチ角が＋１０°として表されてもよく、またはその逆として表されてもよい。本明細書で使用する場合、選択された命名法により負の角度と正の角度とは、絶対値が等しい限り合同であると見なされる。

【0031】

合同な角度は、例えば、ポンピングされる流体のタイプ、予想される動作温度、予想される動作圧力、およびブレード先端部４０の速度に応じて変えることができる。最も一般的には、合同な角は５°～４０°の範囲であり（前方と後方とが両方とも正である命名法を想定）、代替的には、一方の角度が＋５°～＋４０°の範囲にあり、他方の角度が－５°～－４０°の範囲で等しいが反対の符号である（前方と後方が反対の符号である命名法を想定）。

【0032】

さらなる例では、溝ピッチ角は、溝４２の長さに沿って変化し得る。例えば、溝４２は、最初は、明確な第１の端部４２ａからの浅い溝ピッチ角、すなわち、平面５０に対して低い角度を有しうる。次に、溝ピッチ角は、溝の長さに沿って個々の第２の端部に向かって増加し、すなわち平面５０に対してより高い角度で増加しうる。最後に、溝ピッチ角は、個々の第２の端部４２ｂまで減少しうる。すなわち、各溝４２は、初期の低角度範囲、中間の高角度範囲、および後続の低角度範囲を有しうる。それにより、ブレードピッチ角がブレード先端部４０（エッジ）に沿って軸方向に変化するときに、溝ピッチ角がブレードピッチ角との一致を保つことを可能にする。さらなる一例では、溝ピッチ角は、溝の長さに沿って連続的に変化し得る。

【0033】

ポンプ２０の動作中、ブレード３８の後方ピッチ角と併用される溝４２の前方ピッチ角は、溝のない構成と比較して、流れによって引き起こされる不安定性の低減を向上させる。例えば、内面３０の近くの流体がポンプ入口３４に向かって逆流しようとするとき、ブレード３８の回転が流体を溝４２内に移動させる。溝４２は前方ピッチ角を介して前方に傾斜し、ブレード３８は後方ピッチ角を介して後方に傾斜するため、ブレード先端部４０（エッジ）は複数の溝４２を架橋する。溝４２を横切るブレード３８の回転運動は、流体を掃引して、溝４２内の流体をポンプ出口３６に向かって下流に流すように機能する。上流へと流れるには、流体は、ブレード先端部４０での掃引作用および圧力を克服する必要がある。前方ピッチ角および後方ピッチ角は、それにより、溝４２内の下流の流れが好まれる流動力学を生み出し、それによって逆流の低減を向上させる。

【0034】

図６は、ポンプ２０で代替的に使用されうるハウジング１２６の別の例を示す。この例では、ハウジング１２６はまた、内面１３０と、概して円周方向に細長い溝１４２と、を含む。この例では、溝１４２は、２つの異なるタイプの溝、すなわち、無端の溝１５０と、端部を有する溝１５２と、を含む。端部を有する溝１５２は、上記の溝４２と同様または同じである。一方、無端の溝１５０は、溝４２のように個々の第１および第２の端部４２ａ／４２ｂを有さない。むしろ、各溝１５０は、中心軸Ａの周りの連続した環である。溝４２と同様に、溝１５０は均一に軸方向に離間され、溝１５２は均一に軸方向に離間される。

【0035】

図示の例では、一群の連続する無端の溝１５０があり、次いで、無端の溝１５０の下流すなわち後方に一群の連続する端部を有する溝１５２がある。無端の溝１５０の上流位置では、一般に圧力が低く、したがって逆流に抵抗する必要性が少ない一方、端部を有する溝１５２の下流位置では、圧力が高く、逆流に抵抗する必要があるため、前方ピッチ角を有する溝が使用される。

【0036】

また、図３および図６の各々に示されるように、ハウジング２６／１２６のいずれかは、溝４２／１４２の後方にあり、いかなる溝も除外する部分すなわちバンド部１６０を含み得る。すなわち、バンド部１６０内の内面３０／１３０は滑らかである。例えば、図３に示されるように、溝４２（または代替的に溝１４２）の軸方向範囲は、ブレード３８の軸方向範囲と同一の広がりを持たない。例えば、ブレード３８は、Ａ１で表される第１の軸方向位置で始まり、ブレード３８は、Ａ２で表される第２の軸方向位置で終わる。溝４２は、Ａ３で表される第３の軸方向位置で始まり、Ａ４で表される第４の軸方向位置で終わる。示されるように、第４の軸方向位置Ａ４は、第２の軸方向位置Ａ２の前方または後方であってもよい。

【0037】

図示の例では複数の特徴の組み合わせが示されるが、本開示の様々な実施形態の利点を実現するためにそれらのすべてを組み合わせる必要はない。言い換えれば、本開示の実施形態に従って設計されたシステムは、図のいずれか１つに示される特徴のすべてまたは図に概略的に示される部分のすべてを必ずしも含むとは限らない。さらに、１つの例示的な実施形態の選択された特徴は、他の例示的な実施形態の選択された特徴と組み合わせることができる。

【0038】

上記の説明は、本質的に限定的ではなく例示的である。開示された例に対する変形および修正が、本開示から必ずしも逸脱しないことが当業者にとって明らかとなるであろう。本開示に付与の法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】