ポンプ設計

2段遠心ポンプの高効率化について

2段の遠心ポンプを効率を改善して運転点でより圧力を高く発生させる方法について、色々と考えていましたが、やはり下図のような羽根形状を採用することが流量が同じ点で圧力を上げる方法として最適であり、 しかも効率の改善で圧力が上がりながら動力は同等か少なくすることが出来る可能性を持つものとなります。

気液2層流ポンプ 軸流段部分の流体解析1

これにより能力の上がった多段ポンプは、同じ仕事をさせる場合に
同じ動力でたくさん出来ることとなり、結局大きな省エネ・高能率化となります。

まだまだ改善すべきポンプは世の中に無数にあるでしょうから、
この高性能化技術はこれからも益々弊社において磨きをかけるべきものです。
補機(補助機械)的な用途の多いポンプですが、その改良は
今後益々重要となっていくでしょう。

型抜き量産可能な渦巻きケーシング ポンプやブロワ用

産業用ポンプやブロワなどでは木型により作られた砂型などに
金属を流し込む鋳造で渦巻きケーシングなどが作られていることが多いのですが、
出来上がった鋳造品を取り出すために渦巻き型の砂型を破壊して取り出さなければなりません。
それでは大量に作る場合は手間と費用がかかりすぎるので、出来れば金型で型を作って
それに樹脂や金属を流し込んで、金型を分解すれば製品が取り出せると費用も安くしかも精度の高い部品が出来ます。
ただし、金型から抜ける製品にするためには形状が抜ける形状になっていなければならないので、
設計時には色々と考えて形状に工夫をしなければならないところが少し大変です。

液体燃料圧送用 多段斜流ターボポンプユニットの設計進展中1

そのような型抜き可能な渦巻きケーシングを設計したものが左の3次元形状となります。

これであれば、プラスチックでとっても安価に大量に複雑なケーシングが量産可能です。

液体燃料圧送用 多段斜流ターボポンプユニットの設計進展中2

金型製作時の参考図になるのが左図となります。
金型は3次元CADでつくられる3次元データ(IGESやSTEP)があればCAMにより製作が可能となりますが、やはり基準となる参考図が必要となります。

ただ金型で製品を作る場合は、数万個は製品を作らないと高価な金型の元が取れないこととなりますので、売れる製品を計画することがまず必要ですね。

当社では量産品を作る予定はなく、作る場合は一品モノの試作品か、年に10台ぐらいまでの価格が高い製品を作るぐらいでしょうか。

超小型インデューサー付き無漏洩ポンプ設計例

超小型インデューサー付き無漏洩ポンプの設計例を御紹介します。

液体燃料圧送用 2段ターボポンプの動翼部分1

このポンプは大変に小さく、しかも高回転になっています。

またインデューサーが付いている理由は、使用する液体のポンプ入口温度が高温となっており、インデューサーなしではキャビテーション発生によるインペラの翼間閉塞が起きることが予想されるからです。
そして液体を漏らしたくないことから、磁石カップリング方式を採用して、完全な無漏洩を達成しています。

大きさは手のひらに載る大きさであることより分かって頂けると思います。

全体は大変に軽く出来ていますが、材質も主要部はフッ素系素材を使用している為、それも軽量化に貢献しています。

以上のように超小型でも色々な要素を詰め込んだポンプ設計例の紹介でした。

小型液体ロケット用ツインターボポンプ

小型液体ロケットに使用するための燃料圧送用ターボポンプとして、次の図のようなツインターボポンプを設計してみた。

多段遠心高圧ポンプの実際の姿は図1

これは円筒状スペースの中にぎりぎり納まるように燃料ポンプと酸化剤ポンプを並べて配置して、それをガスタービンが歯車駆動を使って同時に運転することで小型化・シンプル化を考慮したターボポンプである。

多段遠心高圧ポンプの実際の姿は図2

ガスタービン排気は、ロケット円筒ケーシングの側面から排気されるようになっています。この部分の形状をもう少し工夫して、4ノズル排気ぐらいに変更してみます。

多段遠心高圧ポンプの実際の姿は図2

このツインターボポンプの一番の特徴は、2つのターボポンプが斜流多段型となっているところです。これによりターボポンプ本体はコンパクトな棒状となり、配置しやすくスペースをとりません。

また、斜流の多段化により効率も高く取れ、圧力も多段化でかなりの高圧となります。タービンからの動力は歯車伝達でポンプに伝えられますが、その時に歯車比を自由に取れ、 液体の違いによるポンプ大きさの違いを吸収して同様なポンプ2つで液体圧送仕事を満足かのうです。

ただ、回転数jは相当に高くなり、伝達歯車の設計は難しいものとなっています。次はこのターボポンプ本体での配管などと、燃焼器関係を計画jしてみたいと思います。

タービンエンジン用補助機械 ギアポンプの設計

タービンエンジンにおいて、ベアリング潤滑や燃料の燃焼器への供給用に、油や燃料を高圧にするギアポンプを設計してみました。

ギアポンプは、上図のように歯車が2枚入っているポンプとなります。

歯車が回転しながら噛み合う場合に、噛み合い部の閉鎖された空間容積が変化することを利用して液体に圧力をかけて押し出す仕組みのポンプとなります。

つまり容積式ポンプとなりますので、弊社の得意なターボ型ポンプとは根本的に原理が異なっています。

容積式とターボ式の違いを簡単に言うならば、送る量が少なくてとっても高圧が必要な場合は容積式ポンプを選定して、送る量が比較的多くて圧力もほどほどにいる場合がターボ式ポンプの利用となります。

つまり用途によって容積式ポンプとターボ式ポンプは棲み分けているといえます。
どちらも重要な流体機械です。