ポンプ設計

超小型液体燃料ロケット用ターボポンプ設計計画


超小型液体燃料ロケット用ターボポンプ設計計画1

超小型の液体ロケットに使用できるような超小型の液体燃料昇圧用タービン駆動ターボポンプの設計を行っています。 今日は、先日設計したポンプを駆動する動力源となる衝動単段タービンの片側軸に、燃料圧送用インデューサー付きターボポンプを付け加えました。

超小型液体燃料ロケット用ターボポンプ設計計画2

このような超小型液体ロケット用ターボポンプの使われる用途として考えられるのは、超高空到達用ジェットロケット ハイブリッド機のロケット推進用や、アメリカにて始まろうとしているロケット機のレーシングリーグに使われる機体で あるXレーサー用など、そして国内であれば安価に衛星を打ち上げる小型ロケット用などがあります。

超小型液体燃料ロケット用ターボポンプ設計計画3

今回付け加えたターボポンプの特徴は、高速回転によるポンプ入口でのキャビテーション発生を抑えるために遠心ポンプ羽根の前に斜流タイプのインデューサーの動翼と静翼が配置されているところです。
軸流タイプインデューサーよりも斜流タイプインデューサーのほうが、遠心力作用を液体に加えるので昇圧力は優れています。

超小型液体燃料ロケット用ターボポンプ設計計画4

液体を高圧まで昇圧する遠心ポンプ羽根の設計については、ある程度外径を大きくすることが出来たので、効率を重視して羽根出口角度は小さく設計しており、弦長の長いブレードとなっています。
ブレードそのものは、わずかにひねりを入れた、軽い3次元形状羽根として、製作の難しさを軽減した設計としました。

次は、タービン軸の反対側にもうひとつの燃料液を加圧するポンプを設計したいと思います。
そのポンプは、今回のポンプよりも圧力が必要となるため、ステパノフ的な羽根設計ではなく、羽根出口角度を増やした設計で行おうと考えています。

液体ロケット用超小型ターボポンプ軸流インデューサーの設計


液体ロケット用超小型ターボポンプ軸流インデューサーの設計1

今日は、超小型液体ロケット用燃料圧送ターボポンプの2つあるポンプの片方に軸流インデューサーを設計しました。

液体ロケット用超小型ターボポンプ軸流インデューサーの設計2

このインデューサーという軸流ポンプ風の羽根が付けられる目的を説明します。
高速回転ポンプ入口では高速で回転するブレード入口縁に対して、大きな相対速度で液体が流入します。

液体ロケット用超小型ターボポンプ軸流インデューサーの設計3

そうすると流体の圧力が下がり、液体の蒸発により泡が発生し、それが多くなり過ぎると翼間の空間を閉鎖して流体が流れなくなったりするのを防ぐことです。

このように、高速回転遠心ポンプではどうしても必要になってくる、前置昇圧羽根というのがインデューサーです。

次は、軸受け周りにシール・ベアリングなどを配置して、最後にケーシングを完成していきます。

レースエンジン用高性能ウォーターポンプ設計


実は、レースエンジンの冷却性能を画期的に高性能化するウォーターポンプをつい最近設計していたのです。

レースエンジン用高性能ウォーターポンプ設計1 レースエンジン用高性能ウォーターポンプ設計2

これが、その非常に高性能なレースエンジン用ウォーターポンプ羽根です。
これまでの冷却性能を1.5倍ほどに高める性能を持つ羽根です。
しかも効率も高いので、高性能でありながら消費動力は少ないという画期的なウォーターポンプ羽根と言えるでしょう。

直径10mm超小型インデューサー付き遠心ポンプの設計

燃料電池系ポンプとして、インデューサー直径わずかに10mmの遠心型ポンプの製品設計を進めています。

直径10mm超小型インデューサー付き遠心ポンプの設計1

これが、直径10mmの対キャビテーション用インデューサーを持つ遠心ポンプ羽根直径20mmの、燃料電池関係に使われるポンプの羽根部分の3次元設計結果図です。

直径10mm超小型インデューサー付き遠心ポンプの設計2

インデューサーという、この図中の船のプロペラに近い形を持つ3枚羽根部分の役目は、温度の高い水中で高速で羽根を回転する場合にキャビテーションという流れを阻害する泡が発生するのをなるべく防ぐ為のものです。 

直径10mm超小型インデューサー付き遠心ポンプの設計3

特に小型のポンプを非常に高速で運転しようとする場合に、相対速度の大きさによるキャビテーション生成が問題となるので、今後のポンプ高速化・高効率化を考える場合には、小さくても必須の羽根となっていきます。

マイクロポンプが出来上がり、実験を始めます

ある用途向けに、ターボ型ポンプでは最小に近いと思われる羽根を設計して製作を行ったマイクロポンプと呼んで良いポンプの性能実験を始める段階となりました。

マイクロポンプ1 マイクロポンプ2

これがそのマイクロポンプの本体部分です。
マイクロポンプと言うには少々本体が大きいかも知れません。
内部は見えませんが、実は羽根自体は非常に小さくなっています。
試作機のためにケーシング等の本体を大きく作りすぎたように思い、少々反省です。

マイクロポンプ3

そしてこれが、マイクロポンプの性能実験を行なう為の装置です。
シンプルでありながら大変良く実験装置全体を設計してもらえたと思っています。
今後の実験でどのような性能が取れるのか、楽しみであります。
実験結果は、又の機会にご報告するかもしれません。

高速小型ポンプの構造計画設計と詳細設計、部品図作成まで

高速小型ポンプ

小型高速ポンプの構造計画設計と詳細設計、部品図作成までの事例説明となります。

このブログや弊社サイトなどで、流体機械設計のなかでの羽根設計やそれらの流体解析事例などを多くご紹介しているせいか、弊社設計範囲は羽根やケーシングなどの流力設計部分だけではないかとお客様から誤解される場合も多くあります。

弊社ではこの図のように、ある流体機械機種のすべての部分の構造計画設計を行います。

それは、モーター部・軸受部・シール部・ケーシング部などすべての構成部品となります。
そして下図のように、それらの2次元製作用部品図制作も設計範囲に含まれます。

高速小型ポンプ 2次元設計図

ハイブリッド車用電動ウォーターポンプ設計

ハイブリッド車用電動ウォーターポンプ設計1

これから普及期に入ったハイブリッド自動車は、エンジン補機類であるポンプなどを電動化することで、更なる省エネ・快適性を実現出来ます。

ハイブリッド車用電動ウォーターポンプ設計2

そのようなハイブリッド用補機として、左図のような電動ウォーターポンプを当社では設計しています。

ハイブリッド車用電動ウォーターポンプ設計3

モーターを永久磁石式の高効率モーターとするとともに、ポンプ本体も高効率化を行うことで冷却液の循環に対するエネルギー量を相当に減らすことが出来、燃費に貢献して、CO2排出量を抑えます。

またモーターの回転数をポンプ羽根の工夫設計により高速化可能ですので、ウォーターポンプ全体がかなり小型化出来、省資源・軽量化ともなっています。