特許 7297445 ロケットエンジン用の推進剤供給ターボポンプのための改良されたケーシング

(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】2023-06-16

(45)【発行日】2023-06-26

(54)【発明の名称】ロケットエンジン用の推進剤供給ターボポンプのための改良されたケーシング

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/58 20060101AFI20230619BHJP

   F02K 9/46 20060101ALI20230619BHJP

【ＦＩ】

F04D29/58 F

F02K9/46

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018551469

(86)(22)【出願日】2017-03-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-06-06

(86)【国際出願番号】 FR2017050697

(87)【国際公開番号】W WO2017168079

(87)【国際公開日】2017-10-05

【審査請求日】2020-03-19

【審判番号】

【審判請求日】2022-02-07

(31)【優先権主張番号】1652879

(32)【優先日】2016-04-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】516257464

【氏名又は名称】アリアーヌグループ ソシエテ パ アクシオンス シンプリフィエ

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100117019

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 陽一

(74)【代理人】

【識別番号】100173107

【弁理士】

【氏名又は名称】胡田 尚則

(74)【代理人】

【識別番号】100153729

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 有一

(72)【発明者】

【氏名】ダビデ ドゥリ

【合議体】

【審判長】柿崎 拓

【審判官】窪田 治彦

【審判官】山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１３－５３９５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－１９８１４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

F02K9/48

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロケットエンジン（５０）用の推進剤供給ターボポンプ（１０）のケーシング（２０）において、前記ケーシング（２０）は冷却回路（３０）を具備し、前記冷却回路は、前記ケーシング（２０）の壁に少なくとも部分的に形成されており、
前記冷却回路（３０）は、前記推進剤供給ターボポンプ（１０）のポンプ入口部分（２０ａ）の壁において少なくとも部分的に延びている、ケーシング（２０）。

【請求項2】

前記冷却回路（３０）は、前記推進剤供給ターボポンプ（１０）のボリュート部分（２２）の壁において少なくとも部分的に延びている、請求項１に記載のケーシング（２０）。

【請求項3】

前記冷却回路（３０）は、軸受（１４ａ、１４ｂ）を受容するように構成された部分の壁において少なくとも部分的に延びている、請求項１又は２に記載のケーシング（２０）。

【請求項4】

前記冷却回路（３０）は、前記ケーシングの前記壁の外側においてダクト（３０ｃｄ）を具備する、請求項１～３のいずれか一項に記載のケーシング（２０）。

【請求項5】

ロケットエンジン（５０）用の推進剤供給ターボポンプ（１０）であって、このターボポンプが請求項１～４のいずれか一項に記載のケーシング（２０）を具備する、ターボポンプ（１０）。

【請求項6】

請求項５に記載のロケットエンジン（５０）用の推進剤供給ターボポンプ（１０）を具備する、ロケットエンジン（５０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロケットエンジン用の推進剤供給ターボポンプのケーシングに係わり、その様なケーシングを具備するロケットエンジン推進剤供給ターボポンプ、及びその様なターボポンプを備えたロケットエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、ロケットエンジン推進剤供給ターボポンプを始動する前に、ターボポンプは、冷却される必要がある。冷却が行われている間に、ターボポンプケーシングの全部又は一部は、ターボポンプがその必要な運転状態になるように、一般的にケーシングを冷却することにより、所定の温度に設定される。

【0003】

ロケットエンジンの推進剤供給ターボポンプを冷却するための既知の回路は一般的に、複雑であり、ロケットエンジン燃焼室に推進用推進剤を供給するためのターボポンプのポンプ回路との流体流接続を提示するので、冷却目的のためのその様な回路の使用は、困難な場合がある。更に、爆発の任意の危険性を回避するために、明白な安全性の理由から、冷却のために使用される冷却流体は、推進用推進剤と常に同一である。これは、避けることが望ましい、幾つかの制約が課される。

【発明の概要】

【0004】

従って、この意味において必要性が存在する。本開示は、ロケットエンジンのための推進剤供給ターボポンプのケーシングに関する。

【0005】

実施例では、ロケットエンジン用の推進剤供給ターボポンプのケーシングであって、ケーシングが冷却回路を具備しており、冷却回路はケーシングの壁において、少なくとも部分的に形成される、ケーシングが提供されている。

【0006】

ターボポンプのケーシングは、単一部品として形成されていてもよいし、さもなければ、一旦共に組み立てられてターボポンプの完全なケーシングを形成する、複数の別個の部分として形成されてもよいことが理解できる。

【0007】

ターボポンプが、推進目的用のロケットエンジンの燃焼室に推進剤を圧送するためのポンプ回路（即ち推進用推進剤）と、ターボポンプのタービンを回転駆動するための推進剤が流れる駆動回路（即ち駆動推進剤）と、冷却回路と、を有することもまた理解可能である。ポンプ回路、駆動回路及び冷却回路は、共通の任意の流体ダクト（導管）を有さず、従って相互に独立することもまた理解可能である。従って、ポンプ回路、駆動回路及び冷却回路は、お互いから流体流れ分離の状態にある。言い換えれば、冷却回路は、冷却に単に専用の回路であり、冷却回路は、冷却のためにのみ使用される。

【0008】

ターボポンプを冷却するための冷却回路は、ターボポンプのケーシングの少なくとも１つの壁において一体化された、ダクトを有することも理解可能である。言い換えると、冷却回路は、ケーシングの壁の厚み内において延びている、少なくとも１つのダクトを具備する。これにより、冷却回路とポンプ回路及び更にターボポンプ駆動回路の両方との間における完全な分離を提供しながら、ケーシングの冷却を改善することが可能になる。

【0009】

ポンプ回路とは別個の冷却回路を有することは、両者が共通するダクト内を次々に流れる、冷却目的のための流体（即ち冷却流体）及び更に推進用推進剤（即ち、推進目的用の燃焼室内に注入されるべき推進剤）の両者を有することに関連する制約により影響されないことを可能にする。

【0010】

最後に、ポンプ回路と駆動回路と冷却回路との間の独立性により、ポンプ回路において流れるべき推進剤及び駆動回路において流れるべき推進剤とは異なる、推進剤により、ターボポンプを冷却することが可能になる。これは、冷却回路が別個であるためにのみ可能となり、及び従って、ポンプ回路又は駆動回路と共通の流体ダクトを有さない。具体的には、もし回路が別個ではないならば、共通のダクト内で２つの異なる推進剤を交互に連続して流すことは、そのことが２つの推進剤間の反応により爆発の危険性を提示するであろうために、特に危険であろう。従って、冷却流体、例えば、ポンプ回路及びターボポンプの駆動回路内を流れる推進剤（単数又は複数）の性質とは無関係に、ターボポンプを冷却するための推進剤、を選択することが可能である。推進用推進剤が、必ずしも駆動推進剤と同一ではないことが認識されるべきである。

【0011】

幾つかの実施例において、冷却回路は、ターボポンプのポンプ入口部分の壁において少なくとも部分的に延びている。

【0012】

従って、ケーシングは、ポンプ回路のための入口を形成する、部分を具備することが理解可能である。冷却回路はこの入口部分の壁においてダクトを有するので、この部分を非常に効果的な状態で冷却することが可能であり、その部分は、推進用推進剤に接触する最初の部分である。これは、この入口部分がターボポンプの始動時に熱衝撃を受けることを回避し、更にまた、ターボポンプ内のキャビテーション（空洞現象）の危険の恐れがあるであろう、推進剤の部分的気化を引き起こし得るであろう、推進用推進剤の望ましくない加熱を回避するように作用する。

【0013】

幾つかの実施例において、冷却回路は、ターボポンプのボリュート（渦巻き室）部分の壁において少なくとも部分的に延びている。

【0014】

ポンプ回路がボリュート（渦巻き室）を通過する状態で、ケーシングがボリュートを形成する部分を具備することは理解可能である。冷却回路が、このボリュート部分の壁においてダクトを有するので、この部分を非常に効果的な状態で冷却することが可能であり、その部分は、大量の推進用推進剤と接触する。これは、ターボポンプを始動する時に、ボリュート部分が熱衝撃を受けることを回避するように、更にまた、ターボポンプ内のキャビテーションの危険性の恐れがあるであろう、推進剤の部分的気化を引き起こし得るであろう、推進用推進剤の不都合な加熱を回避するように作用する。

【0015】

幾つかの実施例において、冷却回路は、軸受を受容するように構成された、部分の壁において少なくとも部分的に延びている。

【0016】

ケーシングが、軸受、例えば、ターボポンプのロータ（回転体）を支持する軸受、が配置される部分を具備することは理解可能である。冷却回路がこの部分の壁においてダクトを有するので、この部分を非常に効果的な状態で冷却することが可能であり、軸受のための良好な作動条件を確保するために、その部分は、非常に正確に制御されたその温度を有する必要がある。

【0017】

幾つかの実施例において、冷却回路は、ケーシングの壁の外側においてダクトを具備する。

【0018】

その様なダクトが、ケーシングの壁の厚みにおいて設けられないことは理解可能である。一例として、その様なダクトは、ケーシングの異なる部分の壁に形成されたダクトを共に接続することを可能にする。これは、ケーシングの壁内に形成されたダクトを有する、区域を余りにも多く生成することにより、ケーシングを機械的に弱めることを回避すること、及び冷却する必要のないターボポンプのケーシングの冷却部分を回避することを可能にする。

【0019】

本開示はまた、ロケットエンジン用の推進剤供給ターボポンプを提供しており、ターボポンプは、本開示に記載の実施例のいずれかによるケーシングを具備する。

【0020】

本開示はまた、本開示に記載の実施例のいずれかによるロケットエンジン推進剤供給ターボポンプを具備する、ロケットエンジンを提供する。

【0021】

本開示はまた、本開示に記載の実施例のいずれかによるロケットエンジン用の推進剤供給ターボポンプのケーシングを製造する方法であって、付加製造の少なくとも１つのステップを具備する方法を提供する。

【0022】

付加製造は、連続する層を積み重ねることにより、材料を付加することにより製造する方法であることが想起されるべきである。

【0023】

その様な製造方法は、本開示のターボポンプケーシング等の、複雑な部品の製造に特に良好に適合する。

【0024】

本発明及びその利点は、非限定的な例として与えられる、本発明の様々な実施例の以下の詳細な説明を読むことにより、より良好に理解可能である。説明は、添付の図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、ロケットエンジンを備えた宇宙船を示す。

【図2A】図２Ａは、図１の宇宙船ロケットエンジンのターボポンプの断面の半分図である。

【図2B】図２Ｂは、ターボポンプ冷却回路の配置を示す図である。

【図3】図３は、宇宙船内の図２Ａのターボポンプを冷却するための完全な回路の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

図１は、推進剤タンク６０から供給される、ロケットエンジン５０を有する宇宙船１００を示す。図２Ａは、ロケットエンジン５０に推進剤を供給するためのターボポンプ１０の軸線方向Ｘに平行な断面の半分図である。

【0027】

推進剤供給ターボポンプ１０は、細線で描かれた様々な内部要素、及び特には、シャフト（軸）１２ａを有するロータ（回転体）１２と、インデューサ（入口導翼）１５と、インペラ（羽根車）１２ｂと、タービンホイール（車輪）１２ｃと、を具備する。ロータ１２は、軸受１４ａ及び１４ｂによりターボポンプ１０内で回転するように支持される。ロータ１２の回転軸線は、ターボポンプ１０の軸線方向Ｘを画定する。以下で、及び反対の言及がなされない限り、半径方向Ｒは、軸線Ｘに垂直な方向である。方位角方向は、軸線方向の周りの輪を説明する方向に対応する。軸線方向、半径方向及び方位角方向は、それぞれ、円柱座標系における高さ、半径及び角度により規定される方向に対応する。

【0028】

ターボポンプ１０の囲いは、太線で描かれたケーシング２０により画定される。この例において、ケーシング２０は、３つの別個の要素、即ち、ポンプ入口ケーシング２０ａと、中間ケーシング２０ｂと、タービン出口ケーシング２０ｃと、を具備する。これらの入口、中間及び出口ケーシングは共に、ケーシング２０を形成する。

【0029】

太い矢印は、推進用推進剤、即ち、ロケットエンジン５０の燃焼室５０ａに送られるために、ターボポンプ１０により圧送される推進剤、の流れを表す。

【0030】

推進用推進剤は、ポンプ入口ケーシング２０ａを介してターボポンプ１０内に入り、インデューサ１５を介してそしてその後インペラ１２ｂを介して通過しており、インペラ１２ｂは、推進剤を吸入して、更に中間ケーシング２０ｂの一部により形成された、ボリュート（渦巻き室）２２内に推進剤を吐出する。この様に加圧された推進剤は、図示されない接線出口を介してボリュート２２から流れる。これらの通路は、ポンプ回路１１ａを形成する。

【0031】

加圧された推進剤はその後、燃焼室５０ａに到達する（図１参照）。

【0032】

タービン１２ｃを駆動するための推進剤の流れは、太字の矢印によっても表される。それら自体が当業者に既知の種々の形態（例えば、加熱された後、又は完全に又は部分的に燃焼された後の）であってもよい、駆動推進剤は、中間ケーシング２０ｂの一部により形成された「タービン上流空洞」２３内に、入口（図示せず）を介して導入され、その後、タービン１２ｃを通り流れて、それによりロータ１２を回転駆動し、更にその後続いて、タービン出口ケーシング２０ｃにより区画される、排気空洞２４に到達して、出口（図示せず）を介してポンプ１０から吐出される。これらの通路は、タービン１２ｃを駆動するための駆動回路１１ｂを形成する。

【0033】

タービン１２ｃのポンプ回路１１ａ及び駆動回路１１ｂは、ターボポンプの「主」推進剤が流れる、主回路１１を形成すると考えることが出来る。ポンプ回路１１ａは、燃焼室５０ａに供給するための供給回路の一部を形成する。駆動回路１１ｂは、供給回路（即ち、推進剤を燃焼室に供給するための回路）の一部を形成しない。推進用推進剤及び駆動推進剤は、必ずしもではないが、一般的には異なることが認識されるべきである。ターボポンプは、ポンプ回路と駆動回路との間の遮断を提供することでそれ自体が知られる、手段（図示せず）を有する。

【0034】

図２Ａ及び２Ｂを参照して、ターボポンプ１０のケーシング２０を冷却するための冷却回路３０の説明が続く。ケーシング２０は、壁に形成されたダクト（導管）を有する、複数の壁を有する。この例において、これらのダクトの各々は、冷却回路３０の一部を形成する。

【0035】

ターボポンプ１０のポンプ入口部分を形成する、ポンプ入口ケーシング２０ａは、その壁に形成されていて且つ軸線方向Ｘにおいて延びている、環状のダクト３０ａを有する。従って、ダクト３０ａは、軸線Ｘの周りで概略螺旋状の形状を提示する。

【0036】

特に、ボリュート２２又はターボポンプ１０のボリュート部分を形成する、中間ケーシング２０ｂは、それの壁に形成されていて且つ軸線方向Ｘ及び半径方向Ｒの両方において延びている、環状ダクト３０ｂを有する。従って、ダクト３０ｂは、概略螺旋であって且つ軸線Ｘの周りで半径が変化する、形状を提示する。

【0037】

中間ケーシング２０ｂは同様に、軸受１４ａ及び１４ｂを受容するようにそれぞれ構成された、２つの部分２０ｂａ及び２０ｂｂを有する。これらの部分は、それらの壁に形成されたそれぞれの環状のダクト３０ｃ及び３０ｄを有しており、それらのダクトは、軸線方向Ｘ及び更に半径方向Ｒの両方において延びている。従って、ダクト３０ｃ及び３０ｄの各々は、概略螺旋状であって且つ軸線Ｘの周りで変化する半径からなる、形状を提示する。

【0038】

ダクト３０ａ及び３０ｂは、ポンプ入口ケーシング２０ａの壁及び中間ケーシング２０ｂの壁に形成された、中間ダクト３０ａｂにより共に接続される。ダクト３０ｂ、３０ｃはまた、中間ケーシング２０ｂの壁に形成された中間ダクト３０ｂｃにより共に接続される。最後に、ダクト３０ｃ及び３０ｄは、中間ケーシング２０ｂの壁の外側にある、ダクト３０ｃｄにより共に接続される。ダクト３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｃ、３０ｃ、３０ｃｄ及び３０ｄは、ターボポンプ１０を冷却するための、より特別にはターボポンプ１０のケーシング２０を冷却するための、冷却回路３０を形成する。

【0039】

図２Ｂは、ターボポンプ１０のケーシング２０内の冷却回路３０の図式図を示す。回路３０内の冷却流体の流れ方向は、矢印により指示される。回路３０の入口及び出口は、説明及び教示目的のために、不連続な線により象徴的な様式で表されることが認識されるべきである。同様に、冷却回路３０のダクトに関して任意の別の形状を想定することが可能であり、図２Ａ及び図２Ｂに示される例は、限定よりむしろ例示的である。当然、ターボポンプ１０のケーシング２０の任意の別の部分において冷却回路３０のダクトを設けることも想定可能である。

【0040】

図３を参照すると、宇宙船１００内のターボポンプ１０用の完全な冷却回路８０の例の説明が続く。当然ながら、完全な冷却回路８０は、ターボポンプ１０の一部を形成する、冷却回路３０を具備する。

【0041】

完全な冷却回路８０は、ターボポンプ１０を冷却するための冷却流体として使用される、推進剤を含む推進剤タンク８２を具備する。推進剤タンク８２は、ターボポンプ１０を冷却するように使用するための推進剤のみを受容するように構成された、タンク（図３に示すように、タンク６０及びタンク８２はその場合、別個のタンクである）であり得るか、さもなければ、推進用推進剤を有するターボポンプのポンプ回路に供給するように作用する、タンク（変更例は、図示されない）であり得ることが認識されなければならない。この様な状況下では、タンク８２及びタンク６０は、一致しており、単一のタンク８２を形成しており、このタンク８２はその場合、供給回路（即ち、推進用推進剤を供給するために専門化された回路）に対して及びそれにも係わらずお互いに別個であって且つ独立状態に維持される、完全な冷却回路８０に対して共通の唯一の要素である。例えば、２つの回路は、オン／オフ（開閉）弁、逆止弁、又は当業者に知られる任意の別のデバイス（装置）により独立した状態に保持される。

【0042】

モータ駆動式ポンプ８４は、タンク８２から、推進剤をターボポンプ１０の回路３０に供給する推進剤供給管８６に、推進剤を送る。この管８６は、回路３０をタンク８２から分離するための弁８６ａを有する。

【0043】

戻り管８８は、回路３０を通って流れる、推進剤を取り込み、更に推進剤をタンク８２に戻すように作用する。管８８は、タンク８２を回路３０から分離することを可能にするように弁８８ａを備える。

【0044】

推進剤供給管８６及び戻り管８８は、回路８０が宇宙船１００の外部と連通することを可能にするように、入口分岐回路及び出口分岐回路をそれぞれ形成する、それぞれの分岐回路８６ｂ及び８８ｂを有する。これらの分岐回路により、例えば、飛行中に行われる追加の冷却のためにタンク８２に含まれる推進剤を保存するように、宇宙船が地上にある間に、回路８０において冷却流体を流すことが可能である。

【0045】

更に、戻り管８８は、弁８８ｃｃにより管８８から分離された、吐出ノズル８８ｃを有する。従って、回路８０に含まれる流体の全てを宇宙船１００の外部に吐出するために、弁８８ｃｃを開くことにより、回路８０を一掃することが可能である。

【0046】

従って、完全な冷却回路８０により、宇宙船１００が地上にある間に、弁８６ａ及び８８ａが閉じられた状態で、さもなければ独立した状態で、飛行中であろうと又は地上であろうと、タンク８２内に含まれた推進剤を使用することにより、分岐回路８６ｂ及び８８ｂを介してターボポンプ１０を冷却することができる （分岐回路８６ｂ及び８８ｂは当然にその際、遮断される）。回路８０を一掃するために、弁８６ａ及び８８ａが閉じられており（タンク８２を一掃することがやはり望まれない限り）、更に吐出ノズル８８ｃの弁８８ｃｃは開かれる。回路８０が使用されている間に、ノズル８８ｃを介して徐々に冷却推進剤を排出することも可能であり、その場合において、弁８６ａ及び８８ｃｃが開かれる一方で、弁８８ａは、閉じられる。

【0047】

当然に、変形例において、完全な冷却回路８０は、外部への分岐回路を有さない。別の変形例において、完全な冷却回路８０は、タンク８２を有さないが、しかし外部への分岐回路のみを有する。更に別の変形例において、戻り管８８は、吐出ノズル８８ｃ内に直接的に導かれており、タンク８２に接続されない（推進剤供給管８６が、タンク８２及び／又は分岐回路８６ｂに接続される）。更に、吐出ノズルは、選択可能である。

【0048】

本発明は特定の実施例を参照して説明されるが、特許請求の範囲により規定される、本発明の一般的な範囲を逸脱することなく、修正及び変更がこれらの実施例に実施されてもよいことは明らかである。特には、図示され及び／又は言及された、様々な実施例の個々の特徴は、追加的な実施例において組み合わされてもよい。従って、説明及び図面は、限定的よりむしろ、例示的な意味で考慮されるべきである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】