JP2023003605A - 流体機械 - Google Patents

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秀行 工藤
Hideyuki Kudo
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Shinichi Isobe
茂樹 妹尾
Shigeki Senoo
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Abstract

【課題】後段側のプロペラを回転駆動させるモータを安定して冷却することができる流体機械を提供する。【解決手段】軸部と、軸部を囲うように設けられて、軸部との間で流体が流通可能な流路を区画する流路形成面を形成する内周面を有するシュラウドと、流路内で回転可能に設けられた第一プロペラと、流路内で第一プロペラよりも下流側で回転可能に設けられた第二プロペラと、第二プロペラの外周部に固定されシュラウド内に収容されたロータ、及びクリアランスを介してロータを囲いシュラウド内に固定されたステータを有するモータと、を備え、流路形成面は、第二プロペラよりも下流側の部分が該下流側に向かうに従って縮径し、シュラウドは、流路形成面の第一プロペラと第二プロペラとの間の部分に開口してクリアランスに連通する入口流路と、流路形成面の第二プロペラから下流側に離間した部分に開口してクリアランスに連通する出口流路と、を有する流体機械。【選択図】図３

Description

本開示は、流体機械に関する。
例えば特許文献１には、流体機械の一例として、外周駆動の船舶推進装置が開示されている。上記船舶推進装置は、軸線を中心とした円筒状をなすダクトと、このダクトの内側に同軸に二段で保持された二重反転プロペラと、この二重反転プロペラを回転させるモータと、を有する推進ユニットを備えている。
ダクト内には、二段のプロペラにそれぞれ対応するように二つのモータが収容されている。これらモータは、プロペラの外周部に設けられたロータと、このロータを外周側から取り囲むステータと、を有している。ロータ及びステータは、それぞれの外周面及び内周面が軸線に対して平行な円筒状をなしており、二つのモータは、軸線方向における同一の径方向位置に並設されている。二つのプロペラがこれらモータによって外周駆動されることにより、ダクト内の流体は軸線方向に圧送され、船舶推進装置は推進力を得ることができる。
特開２０１３－１０００１３号公報
ところで、上記特許文献１に記載の推進ユニットでは、ロータの回転に伴って熱が発生するため、モータを熱から保護するために冷却する必要がある。前段側のプロペラの下流側の流路と上流側の流路との間では、静圧の差が常に生じる。そのため、前段側のモータのロータとダクトとで画成される流路、及び前段側のモータのロータとステータとで画成されるクリアランスを通じて、流体が前段側のプロペラよりも下流側の空間から上流側の空間に向かって常に流れる。これにより、前段側のモータは流体と常に熱交換することができる。
一方、後段側のモータでは、後段側のモータのロータとダクトとで画成される流路の開口部の位置によっては、後段側のプロペラを挟む上流側の流路と下流側の流路とで静圧の大きさが逆転する可能性があり、流体が流れる向きを把握することが難しい。このため、後段側のプロペラを回転駆動させるモータを安定して冷却できない可能性がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、後段側のプロペラを回転駆動させるモータを安定して冷却することができる流体機械を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る流体機械は、軸線方向に延びる軸部と、前記軸部を囲うように設けられて、該軸部との間で前記軸線方向に流体が流通可能な流路を区画する流路形成面を形成するシュラウド内周面を有するシュラウドと、前記流路内で前記軸線回りに回転可能に設けられた第一プロペラと、前記流路内における前記第一プロペラよりも下流側で前記軸線回りに回転可能に設けられた第二プロペラと、前記第二プロペラの外周部に固定されたリング状をなし前記シュラウド内に収容されたロータ、及び、クリアランスを介して前記ロータを囲うリング状をなし前記シュラウド内に固定されたステータを有するモータと、を備え、前記流路形成面は、少なくとも前記第二プロペラよりも下流側の部分が該下流側に向かうに従って縮径しており、前記シュラウドは、前記流路形成面における前記第一プロペラと前記第二プロペラとの間の部分に開口するとともに、前記流路と前記クリアランスとを連通させる入口流路と、前記流路形成面における前記第二プロペラから下流側に離間した部分に開口するとともに、前記流路と前記クリアランスとを連通させる出口流路と、を有する。
本開示によれば、後段側のプロペラを回転駆動させるモータを安定して冷却することができる流体機械を提供することができる。
本開示の実施形態に係る水中航走体の船尾の斜視図である。 本開示の実施形態に係る推進装置の縦断面図である。 図２の要部拡大図である。
（水中航走体）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１及び図２に示すように、水中航走体１は、航走体本体２及び推進装置（流体機械）８を有している。
（航走体本体）
航走体本体２は、軸線Ｏに沿って延びる耐圧性容器によって構成されている。航走体本体２内には、例えば水中航走に必要な各種機器、電源、通信設備、センサ等が収容されている。
（推進装置）
推進装置８は、航走体本体２の後部に該航走体本体２と一体に設けられている。推進装置８は、水中航走体１を水中で推進させるための装置である。
推進装置８は、軸部３と、第一プロペラ１０Ａと、第二プロペラ１０Ｂと、軸受部４０と、シュラウド５０と、連結部７０と、ストラット７８と、円筒モータと、コニカルモータ（モータ）９０と、を有している。
（軸部）
図２に示すように、軸部３は航走体本体２の後部に一体に設けられている。軸部３は、航走体本体２の一部であってもよい。軸部３は軸線Ｏ方向に延びる棒状をなしている。本実施形態における軸部３は、軸線Ｏ方向一方側（航走体本体２の前方側）から軸線Ｏ方向他方側（航走体本体２の後方側）に向かうに従って縮径する円錐台形状をなしている。軸部３の径方向外側を向く面は、軸線Ｏ方向他方側に向かうに従って縮径するテーパ状をなす軸外周面３ａとされている。
軸部３には、軸外周面３ａから径方向内側に凹むとともに周方向にわたって環状に延びる収容溝５が形成されている。本実施形態における収容溝５は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて二つが形成されている。
詳しくは図３に示すように、収容溝５の底となる径方向外側を向く面は、溝底面５ａとされている。溝底面５ａは軸線Ｏを中心とした円筒面状をなしている。
収容溝５を構成する軸線Ｏ方向一方側の面は、溝上流側面５ｂとされている。溝上流側面５ｂは、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏ方向他方側を向いている。溝上流側面５ｂは、軸線Ｏを中心とする環状に延びている。
収容溝５を構成する軸線Ｏ方向他方側の面は、溝下流側面５ｃとされている。溝下流側面５ｃは、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏ方向一方側を向いている。溝下流側面５ｃは、軸線Ｏを中心とする環状に延びている。溝下流側面５ｃは、溝上流側面５ｂと平行をなしている。
（第一プロペラ、第二プロペラ）
図２及び図３に示すように、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂは、軸部３の外周側に配置されており、軸部３に対して軸線Ｏ回りに相対回転可能とされている。第一プロペラ１０Ａは、内周リング１１、第一羽根２０Ａ及び外周リング３０から構成されている。第二プロペラ１０Ｂは、内周リング１１、第二羽根（羽根）２０Ｂ及び外周リング３０から構成されている。
（内周リング）
内周リング１１は、軸線Ｏを中心とするリング状をなす部材である。第一プロペラ１０Ａの内周リング１１は、軸線Ｏ方向一方側の収容溝５内に収容されている。第二プロペラ１０Ｂの内周リング１１は、軸線Ｏ方向他方側の収容溝５内に収容されている。
図３に示すように、内周リング１１は、リング内面１２、上流端面１３、下流端面１４及び外周流路面１５を有している。
リング内面１２は、内周リング１１の内周面を構成している。リング内面１２は、周方向にわたって溝底面５ａと対向する円筒面状をなしている。リング内面１２の内径は溝底面５ａの外径よりも大きく設定されている。
上流端面１３は、内周リング１１における軸線Ｏ方向一方側を向く面であって、溝上流側面５ｂの軸線Ｏ方向他方側に間隔をあけて配置されている。
下流端面１４は、内周リング１１における軸線Ｏ方向他方側を向く面であって、溝下流側面５ｃの軸線Ｏ方向一方側に間隔をあけて配置されている。
外周流路面１５は、内周リング１１における径方向外側を向く外周面を構成している。外周流路面１５は、軸線Ｏ方向他方側に向かうに従って縮径するテーパ面状をなしている。外周流路面１５は、軸外周面３ａに連なるように延びている。
（第一羽根、第二羽根）
第一羽根２０Ａは、第一プロペラ１０Ａの内周リング１１における外周流路面１５から径方向外側に延びるように設けられている。第二羽根２０Ｂは、第二プロペラ１０Ｂの内周リング１１における外周流路面１５から径方向外側に向かうように延びている。第一羽根２０Ａ及び第二羽根２０Ｂは、周方向に間隔をあけて複数が内周リング１１に設けられている。第一羽根２０Ａ及び第二羽根２０Ｂの軸線Ｏ方向の寸法、いわゆるコード長は、内周リング１１の軸線Ｏ方向の寸法よりも小さい。
第一羽根２０Ａ及び第二羽根２０Ｂは、径方向に交差する断面形状が翼型をなしている。第一羽根２０Ａ及び第二羽根２０Ｂの軸線Ｏ方向一方側の縁部は、上流側となる前縁とされている。第一羽根２０Ａ及び第二羽根２０Ｂの軸線Ｏ方向他方側の縁部は、下流側となる後縁とされている。以下では、軸線Ｏ方向一方側を単に「上流側」と称し、軸線Ｏ方向他方側を単に「下流側」と称する。
（外周リング）
図２及び図３に示すように、外周リング３０は、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂの外周部を構成する部材であって、軸線Ｏを中心としたリング状をなしている。第一プロペラ１０Ａの外周リング３０は、周方向に配列された複数の第一羽根２０Ａを周方向に接続している。第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０は、周方向に配列された複数の第二羽根２０Ｂを周方向に接続している。第一プロペラ１０Ａの外周リング３０の軸線Ｏ方向の寸法は、第一羽根２０Ａの軸線Ｏ方向の寸法よりも大きい。第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０の軸線Ｏ方向の寸法は、第二羽根２０Ｂの軸線Ｏ方向の寸法よりも大きい。
第一プロペラ１０Ａの外周リング３０は、第一基部３２と、第一押さえ部３４と、第二押さえ部３５と、を有している。
第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０は、第二基部３３と、第一押さえ部３４と、第二押さえ部３５と、を有している。
第一基部３２は、第一プロペラ１０Ａにおける外周リング３０の本体部分に相当する部材であり、軸線Оを中心に円筒状をなしている。第一基部３２は、リング内周面３１と、円筒固定面３２ａと、を有する。リング内周面３１は、第一基部３２の内周面を構成する面である。第一基部３２のリング内周面３１は、周方向に配列された複数の第一羽根２０Ａの径方向外側の端部に一体に接続されている。円筒固定面３２ａは、第一基部３２における外周面を構成する面である。円筒固定面３２ａは、軸線Ｏを中心とする円筒面状をなしており、軸線Ｏ方向に延びている。円筒固定面３２ａは、軸線Ｏに平行とされている。
第二基部３３は、第二プロペラ１０Ｂにおける外周リング３０の本体部分に相当する部材であり、軸線Оを中心に円筒状をなしている。第二基部３３は、リング内周面３１と、テーパ固定面３３ａと、を有する。リング内周面３１は、第二基部３３の内周面を構成する面である。第二基部３３のリング内周面３１は、周方向に配列された複数の第二羽根２０Ｂの径方向外側の端部に一体に接続されている。テーパ固定面３３ａは、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０における外周面を構成する面である。テーパ固定面３３ａは、下流側に向かうに従って縮径するテーパ面状をなしている。テーパ固定面３３ａは一様のテーパ角度で、即ち、軸線Ｏに対して一様な傾斜角で軸線Ｏ方向に延びている。このようなテーパ固定面３３ａを有することで、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０の径方向の厚さは、下流側に向かうに従って小さくなっている。
ここでテーパ固定面３３ａの平均外径は、円筒固定面３２ａの平均外径よりも小さく設定されている。本実施形態ではテーパ固定面３３ａは、軸線Ｏ方向で一様なテーパ形状で延びている。そのため、テーパ固定面３３ａの平均外径は、テーパ固定面３３ａの軸線Ｏ方向の中央での外径と同一である。また、円筒固定面３２ａの平均外径は、円筒固定面３２ａの軸線Ｏ方向での任意の部分での外径と同一である。
本実施形態では、テーパ固定面３３ａの上流側の端部の外径は、円筒固定面３２ａの下流側の端部の外径と同一、又は該円筒固定面３２ａの下流側の端部の外径よりも小さく設定されている。
第一押さえ部３４は、第一基部３２の円筒固定面３２ａの上流側の端部、及び、第二基部３３のテーパ固定面３３ａの上流側の端部からそれぞれ径方向外側に張り出すとともに周方向にわたって延びている。第一押さえ部３４の軸線Ｏ方向一方側を向く面は、外周リング３０の上流側の端面である外周リング上流面３４ａとされている。
第二押さえ部３５は、第一基部３２の円筒固定面３２ａの下流側の端部、及び、第二基部３３のテーパ固定面３３ａの下流側の端部からそれぞれ径方向外側に張り出すとともに周方向にわたって延びている。第二押さえ部３５の軸線Ｏ方向他方側を向く面は、外周リング３０の下流側の端面である外周リング下流面３５ａとされている。
（軸受部）
軸受部４０は、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂを軸部３に対して軸線Ｏ回りに回転可能に支持する。軸受部４０は、収容溝５内に設けられており、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂの内周リング１１を回転可能に支持している。軸受部４０は、ラジアル軸受４１、上流側スラスト軸受４２及び下流側スラスト軸受４３から構成されている。
ラジアル軸受４１は、収容溝５における溝底面５ａ上に周方向にわたって設けられている。ラジアル軸受４１として、本実施形態ではジャーナル軸受を採用している。ラジアル軸受４１の外径は内周リング１１の内径よりも小さい。これにより、ラジアル軸受４１と内周リング１１との間には周方向にわたってクリアランスが形成されている。
上流側スラスト軸受４２は、収容溝５における溝上流側面５ｂ上に周方向にわたって設けられている。上流側スラスト軸受４２は、内周リング１１の上流端面１３と軸線Ｏ方向にクリアランスを介して対向している。
下流側スラスト軸受４３は、収容溝５における溝下流側面５ｃ上に周方向にわたって設けられている。下流側スラスト軸受４３は、内周リング１１の下流端面１４と軸線Ｏ方向にクリアランスを介して対向している。
ラジアル軸受４１、上流側スラスト軸受４２及び下流側スラスト軸受４３と、内周リング１１と、の間には、収容溝５に流入する水が介在されている。これによって、ラジアル軸受４１、上流側スラスト軸受４２及び下流側スラスト軸受４３は、内周リング１１との間に形成される水膜を介して該内周リング１１を回転可能に支持している。
（シュラウド）
シュラウド５０は、軸部３、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂを外周側から囲うように設けられている。シュラウド５０は、軸線Ｏを中心とした環状をなしている。シュラウド５０は、軸部３の外周面から径方向に間隔をあけて配置されている。これによって、シュラウド５０と軸部３との間には、軸線Ｏ方向にわたって環状をなすとともに、軸線Ｏ方向に流体が流通可能な流路が形成されている。
シュラウド５０は、シュラウド内周面５１と、シュラウド外周面５２とを有する。シュラウド内周面５１は、径方向内側を向く面であり、軸部３との間で軸線Ｏ方向に流体が流通可能な流路を区画している。シュラウド外周面５２は、シュラウド５０における径方向外側を向く面である。
流路内には、径方向に延びる第一プロペラ１０Ａの第一羽根２０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂの第二羽根２０Ｂが配置されており、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０は、シュラウド５０内に収容されている。したがって、第一プロペラ１０Ａは、流路内で軸線Ｏ回りに回転可能に設けられており、第二プロペラ１０Ｂは、流路内における第一プロペラ１０Ａよりも下流側で軸線Ｏ回りに回転可能に設けられている。
本実施形態におけるシュラウド５０は、軸線Ｏを含む断面形状が翼型をなしている。シュラウド内周面５１とシュラウド外周面５２との上流側の端部の接続箇所は、周方向にわたって環状をなすシュラウド前縁５３とされている。シュラウド内周面５１とシュラウド外周面５２との下流側の端部での接続箇所は、周方向にわたって環状をなすシュラウド後縁５４とされている。シュラウド後縁５４の軸線Ｏ方向位置は、軸部３の軸線Ｏ方向他方側の後端の軸線Ｏ方向位置と同一とされている。
シュラウド５０は、上流側から下流側に向かうに従って徐々に縮径する形状をなしている。本実施形態では、シュラウド５０の断面翼型におけるシュラウド内周面５１とシュラウド外周面５２からの距離が等しい翼中心線（キャンバーライン）が、上流側から下流側に向かうに従って徐々に径方向内側に傾斜している。これにより、シュラウド後縁５４は、シュラウド前縁５３よりも径方向内側に位置している。
シュラウド外周面５２は、シュラウド前縁５３付近では下流側に向かうに従って一旦拡径し、その後さらに下流側に向かうに従って滑らかに縮径していく。シュラウド外周面５２は、径方向外側に向かって凸となる凸曲面状をなしている。
シュラウド５０には、シュラウド内周面５１から径方向外側に向かって凹む第一キャビティ５０Ａ及び第二キャビティ（キャビティ）５０Ｂが形成されている。第一キャビティ５０Ａは、シュラウド５０における上流側寄りの部分に形成されており、第二キャビティ５０Ｂは、シュラウド５０における下流側寄りの部分に形成されている。即ち、第二キャビティ５０Ｂは第一キャビティ５０Ａよりも下流側に形成されている。
第一キャビティ５０Ａには、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０が収容されている。第二キャビティ５０Ｂには第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０が収容されている。
第一キャビティ５０Ａ内における径方向内側を向く面には、軸線Ｏを中心とする円筒面状をなす底部を有する円筒固定凹部５６が形成されている。円筒固定凹部５６は、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０における第一基部３２の円筒固定面３２ａと対応する軸線Ｏ方向位置に形成されている。
第二キャビティ５０Ｂにおける径方向内側を向く面には、下流側に向かうに従って一様のテーパ角度で縮径する底部を有するテーパ固定凹部５７が形成されている。テーパ固定凹部５７は、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０における第二基部３３のテーパ固定面３３ａと対応する軸線Ｏ方向位置に形成されている。
それぞれの外周リング３０における第一基部３２及び第二基部３３のリング内周面３１は、シュラウド内周面５１に軸線Ｏ方向に連なるようにして延びている。即ち、リング内周面３１は、シュラウド内周面５１の凸曲面の一部を構成するように延びている。本実施形態におけるリング内周面３１は、シュラウド内周面５１とともにシュラウド前縁５３からシュラウド後縁５４にかけて一様に連なる流路形成面５５を形成している。
流路形成面５５におけるシュラウド前縁５３からシュラウド後縁５４に向かうシュラウド後縁５４寄りの中途位置には、軸線Ｏからの径方向の距離が最小となる位置、即ち流路形成面５５における該流路形成面５５の内径が最小となる位置がある。本実施形態では、流路形成面５５における該流路形成面５５の内径が最小となるこの位置を最小内径位置Ｐと称する。
流路形成面５５は、最小内径位置Ｐからシュラウド後縁５４に向かうに従って滑らかに拡径している。したがって、流路形成面５５は、径方向内側に向かって凸となる凸曲面状をなしている。なお、流路形成面５５は、最小内径位置Ｐからシュラウド後縁５４に向かうに従って拡径していなくてもよく、流路形成面５５は、最小内径位置Ｐからシュラウド後縁５４に向かうに従って軸線Ｏに平行に延びていてもよい。
流路形成面５５と軸部３の軸外周面３ａとの間に形成される環状の流路は、シュラウド前縁５３から最小内径位置Ｐに向かうに従って径方向内側に絞られていく。これによって、流路の流路断面積は、シュラウド前縁５３の位置から下流側に向かうに従って漸次減少し、最小内径位置Ｐで最小となる。
最小内径位置Ｐは、第二プロペラ１０Ｂの第二羽根２０Ｂの後縁から下流側に離間したところに位置している。最小内径位置Ｐは、第二羽根２０Ｂの後縁と外周リング３０における第二基部３３のリング内周面３１との接続位置よりも、第二羽根２０Ｂの翼弦長（コード長）の半分以上の距離離間していることが望ましい。
第一キャビティ５０Ａの内面を構成する軸線Ｏ方向一方側の面は、第一キャビティ上流面５８ａとされている。第一キャビティ上流面５８ａは、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏ方向他方側を向いている。第一キャビティ上流面５８ａは、軸線Ｏを中心とする環状に延びている。
第一キャビティ５０Ａの内面を構成する軸線Ｏ方向他方側の面は、第一キャビティ下流面５８ｂとされている。第一キャビティ下流面５８ｂは、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏ方向一方側を向いている。第一キャビティ下流面５８ｂは、軸線Ｏを中心とする環状に延びている。第一キャビティ下流面５８ｂは、第一キャビティ上流面５８ａと平行をなしている。
シュラウド５０は、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０における外周リング上流面３４ａと、第一キャビティ上流面５８ａとによって周方向に区画形成される第一出口流路１００を有している。第一出口流路１００は、流路形成面５５における第一プロペラ１０Ａよりも軸線Ｏ方向一方側の部分に開口している。
シュラウド５０は、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０における外周リング下流面３５ａと、第一キャビティ下流面５８ｂとによって周方向に区画形成される第一入口流路１０１を有している。第一入口流路１０１は、流路形成面５５における第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の部分に開口している。
第二キャビティ５０Ｂの内面を構成する軸線Ｏ方向一方側の面は、第二キャビティ上流面５９ａとされている。第二キャビティ上流面５９ａは、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏ方向他方側を向いている。第二キャビティ上流面５９ａは、軸線Ｏを中心とする環状に延びている。
第二キャビティ５０Ｂの内面を構成する軸線Ｏ方向他方側の面は、第二キャビティ下流面５９ｂとされている。第二キャビティ下流面５９ｂは、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏ方向一方側を向いている。第二キャビティ下流面５９ｂは、軸線Ｏを中心とする環状に延びている。第二キャビティ下流面５９ｂは、第二キャビティ上流面５９ａと平行をなしている。
シュラウド５０は、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０における外周リング上流面３４ａと、第二キャビティ上流面５９ａとによって周方向に区画形成される第二入口流路（入口流路）１０２を有している。第二入口流路１０２は、流路形成面５５における第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の部分に開口している。
シュラウド５０は、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０における外周リング下流面３５ａと第二キャビティ下流面５９ｂとによって周方向に区画形成される第二出口流路（出口流路）１０３を有している。第二出口流路１０３は、流路形成面５５における第二プロペラ１０Ｂから下流側に離間した部分に開口している。
具体的には、第二出口流路１０３は、流路形成面５５における該流路形成面５５の内径が最小となる最小内径位置Ｐの近傍に開口している。本実施形態における最小内径位置Ｐの近傍は、この最小内径位置Ｐを基準としてシュラウドの軸線方向の寸法Ｒの±１０％の範囲の領域であることが望ましい。
ここで、本実施形態におけるシュラウド５０は、軸線Ｏ方向に分割された複数の分割体を連結することによって構成されている。即ち、分割体としてのシュラウド５０は、上流分割体６１、中間分割体６２及び下流分割体６３によって構成されている。
上流分割体６１は、シュラウド前縁５３を含む上流側の部分を構成している。中間分割体６２は、シュラウド５０における上流分割体６１の下流側に連なる部分を構成している。上流分割体６１における径方向内側かつ下流側の部分を大きく切り欠いた箇所を、中間分割体６２が下流側から閉塞することによって第一キャビティ５０Ａが区画形成されている。下流分割体６３は、中間分割体６２の下流側に連なる部分であって、シュラウド後縁５４を含む部分を構成している。下流分割体６３における径方向内側かつ上流側の部分を大きく切り欠いた箇所を、中間分割体６２が上流側から閉塞することによって第二キャビティ５０Ｂが区画形成されている。
（連結部）
図１に示すように、連結部７０は、シュラウド５０におけるシュラウド外周面５２から突出するように設けられている。連結部７０はシュラウド５０の複数の分割体を互いに連結する。
（ストラット）
図１及び図２に示すように、ストラット７８は、シュラウド５０と軸部３とを連結することで、軸部３に対してシュラウド５０を支持する。ストラット７８は、周方向に間隔をあけて複数が設けられており、軸線Ｏ方向に延びている。ストラット７８における下流側の端部は、シュラウド５０に固定されている。ストラット７８の上流側の端部は軸部３の軸外周面３ａに固定されている。
ストラット７８の軸線Ｏに直交する断面形状は、径方向を長手方向として周方向を短手方向とした偏平矩形状をなしている。これによって、水中航走体１の推進の回転を抑制している。
（円筒モータ）
図２及び図３に示すように、円筒モータ８０は、シュラウド５０における第一キャビティ５０Ａ内に収容されている。円筒モータ８０は、第一プロペラ１０Ａを回転駆動する。円筒モータ８０は、円筒ステータ８１及び円筒ロータ８２を有している。
円筒ステータ８１は、軸線Ｏを中心として軸線Ｏ方向に延びる円筒状をなしている。円筒ステータ８１の内周面及び外周面は、軸線Ｏに平行とされている。円筒ステータ８１の外周面は、シュラウド５０の第一キャビティ５０Ａ内における円筒固定凹部５６に嵌め込まれている。即ち、円筒ステータ８１は、シュラウド５０と一体に固定されている。円筒ステータ８１の外周面の外径は、円筒固定凹部５６の底面の内径と軸線Ｏ方向にわたって同一とされている。
円筒ロータ８２は、軸線Ｏを中心として軸線Ｏ方向に延びる円筒状をなしている。円筒ロータ８２の内周面及び外周面は、軸線Ｏに平行とされている。円筒ロータ８２の外径は円筒ステータ８１の内径よりも小さく設定されている。円筒ロータ８２の軸線Ｏ方向の寸法は、円筒ステータ８１と同一とされている。円筒ロータ８２は、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０における第一基部３２の円筒固定面３２ａに外周側から一体に固定されている。したがって、円筒ロータ８２の内径は、円筒固定面３２ａの外径と軸線Ｏ方向にわたって同一とされている。
円筒ロータ８２の外周面は、円筒ステータ８１の内周面に周方向及び軸線Ｏ方向にわたって対向している。円筒ロータ８２の外周面と円筒ステータ８１の内周面との間には、周方向及び軸線Ｏ方向にわたって第一クリアランスＣ１が形成されている。第一クリアランスＣ１は、第一出口流路１００及び第一入口流路１０１に接続されている。したがって、第一出口流路１００及び第一入口流路１０１は、流路と第一クリアランスＣ１とを連通させている。
円筒ロータ８２の上流側の端面は、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０における第一押さえ部３４に下流側から当接している。円筒ロータ８２の下流側の端面は、第一プロペラ１０Ａの外周リング３０における第二押さえ部３５に上流側から当接している。
このような円筒モータ８０では、円筒ステータ８１に通電されることで回転磁界が発生し、これによって円筒ロータ８２が軸線Ｏ回りに回転する。
（コニカルモータ）
図２及び図３に示すように、コニカルモータ９０は、シュラウド５０における第二キャビティ５０Ｂ内に収容されている。コニカルモータ９０は、第二プロペラ１０Ｂを駆動する。コニカルモータ９０は、コニカルロータ（ロータ）９２及びコニカルステータ（ステータ）９１を有している。
コニカルロータ９２は、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０の外周側に固定されたリング状をなし、シュラウド５０内に収容されている。コニカルステータ９１は、クリアランスを介してロータを囲うリング状をなし、シュラウド５０内に固定されている。
コニカルモータ９０では、コニカルステータ９１のコイルに通電されることで生じる回転磁界によって、コニカルロータ９２が軸線Ｏ回りに回転駆動する。コニカルモータ９０の回転方向は、円筒モータ８０の回転方向とは逆方向とされている。即ち、コニカルモータ９０と円筒モータ８０とは、回転方向が互いに反対とされている。
図２及び図３に示すように、コニカルロータ９２は、第二プロペラ１０Ｂの外周リング３０における第二基部３３に固定された状態で、上流側の端部が第一押さえ部３４に下流側から当接している。コニカルロータ９２の下流側の端部は、第二押さえ部３５に上流側から当接している。
コニカルロータ９２の外周面は、コニカルステータ９１の内周面に周方向及び軸線Ｏ方向にわたって対向している。コニカルロータ９２の外周面とコニカルステータ９１の内周面との間には、周方向及び軸線Ｏ方向にわたって第二クリアランスＣ２が形成されている。第二クリアランスＣ２は、第二入口流路１０２及び第二出口流路１０３に接続されている。したがって、第二入口流路１０２及び第二出口流路１０３は、流路と第二クリアランスＣ２とを連通させている。
（作用効果）
上記構成の水中航走体１は推進装置８が駆動されることで水中を航行することができる。即ち、シュラウド５０の第一キャビティ５０Ａ内の円筒モータ８０が駆動されると、該円筒モータ８０の円筒ロータ８２に一体に固定された第一プロペラ１０Ａが周方向一方側に向かって軸線Ｏ回りに回転する。これにより、流路内に位置する第一羽根２０Ａによって下流側に水が圧送される。また、円筒モータ８０の駆動と同時にコニカルモータ９０が駆動されると、該コニカルモータ９０のコニカルロータ９２に一体に固定された第二プロペラ１０Ｂが周方向他方側に向かって軸線Ｏ回りに回転する。これにより、流路内に位置する第二羽根２０Ｂによって下流側に水が圧送される。
そして、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂには水を圧送する際の反力として、上流側に向かう推進力が発生する。この推進力は、第一プロペラ１０Ａ及び第二プロペラ１０Ｂの内周リング１１から水膜及び上流側スラスト軸受４２を介して軸部３に伝達される。これによって、軸部３及びこれと一体とされた航走体本体２に推進力が作用し、水中航走体１が推進する。
本実施形態における推進装置８によれば、第二入口流路１０２が流路形成面５５における第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の部分に開口しており、第二出口流路１０３が流路形成面５５における第二プロペラ１０Ｂから下流側に離間した部分に開口している。そして、流路の流路断面積は、少なくとも第二プロペラ１０Ｂよりも下流側に向かうに従って小さくなる。つまり、第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の流路における流体の静圧は、第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の流路における流体の静圧よりも低くなる、即ち、第二プロペラ１０Ｂを境に二つの流路間の静圧に差が生じる。これにより、流路内を上流から下流へと流れる流体の一部は、第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の流路から、第二入口流路１０２、第二クリアランスＣ２、第二出口流路１０３の順に常に流れ、第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の流路へ流出する。したがって、第二クリアランスＣ２を流れる流体とコニカルモータ９０とが常時熱交換するため、コニカルモータ９０を安定して冷却することができる。
また、本実施形態における推進装置８によれば、第二出口流路１０３は、流路形成面５５における該流路形成面５５の内径が最小となる最小内径位置Ｐの近傍に開口している。これにより、第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の流路から、第二入口流路１０２、第二クリアランスＣ２、及び第二出口流路１０３を介して第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の流路へと流れる流体の流速を上昇させることができる。したがって、コニカルモータ９０をより効果的に冷却することができる。
また、本実施形態における推進装置８によれば、最小内径位置Ｐの近傍は、最小内径位置Ｐを基準としてシュラウドの軸線方向の寸法Ｒの±１０％の範囲の領域である。これにより、上記作用効果を具体的な設計値で実現することができる。
また、本実施形態における推進装置８によれば、外周リング３０のリング内周面３１がシュラウド５０のシュラウド内周面５１とともに流路形成面５５を形成している。これにより、リング内周面３１近傍で流体が剥離等を起こしてしまう可能性を低減できる。つまり、流体が第二プロペラ１０Ｂを通過する際に生じる圧力損失を低減することができる。したがって、流体を第二プロペラ１０Ｂよりも下流側へより効率的に圧送することができる。
［その他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
実施形態では、流路形成面５５と軸部３の軸外周面３ａとの間に形成される環状の流路は、シュラウド前縁５３から最小内径位置Ｐに向かうに従って径方向内側に絞られていく構成を説明した。しかしながら、これに限定されることはない。例えば、流路形成面５５における、第二プロペラ１０Ｂよりも上流側の部分は、径方向の寸法が軸線О方向に一様であって、第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の部分のみが該下流側に向かうに従って縮径している構成であってもよい。
さらに、実施形態では、第一プロペラ１０Ａ、第二プロペラ１０Ｂの二つのプロペラのうち、第二プロペラ１０Ｂを駆動するモータのみをコニカルモータ９０とした例について説明した。しかしながら、これに限定されることはない。即ち、複数のプロペラに対応するように当該プロペラと同数のモータが設けられていればよく、これらモータのそれぞれは円筒型であってもコニカル型のいずれであってもよい。
さらに、実施形態では、シュラウド５０の断面形状を翼型にした例について説明したが、必ずしも翼型でなくてもよい。シュラウド５０の断面形状は流線形状であることが好ましいが、例えば、矩形状等の他の形状であってもよい。この場合であっても、流路形成面５５を形成するシュラウド内周面５１は下流側に向かって縮径することで、流路断面積が下流側程小さくなる流路を区画形成する。
また、シュラウド５０の形状は少なくともシュラウド内周面５１が下流側に向かうに従って縮径していればよい。即ち、シュラウド外周面５２の形状は下流側に向かうに従って縮径していなくてもよい。
さらに、実施形態では、本発明に係る流体機械を水中航走体１の推進装置８に適用した例について説明した。しかしながらこれに限定されることはなく、例えば、水上を航行する船舶等の推進装置に流体機械を適用してもよい。
また、本発明に係る流体機械は、推進装置のみならず、ポンプ等の他の水中で用いられる流体機械に適用してもよい。また、水を圧送する流体機械のみならず、油等の他の液体を圧送する流体機械に本発明を適用してもよい。
［付記］
各実施形態に記載の推進装置（流体機械）は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係る流体機械は、軸線Ｏ方向に延びる軸部３と、前記軸部３を囲うように設けられて、該軸部３との間で前記軸線Ｏ方向に流体が流通可能な流路を区画する流路形成面５５を形成するシュラウド内周面５１を有するシュラウド５０と、前記流路内で前記軸線Ｏ回りに回転可能に設けられたと第一プロペラ１０Ａ、前記流路内における前記第一プロペラ１０Ａよりも下流側で前記軸線Ｏ回りに回転可能に設けられた第二プロペラ１０Ｂと、前記第二プロペラ１０Ｂの外周部に固定されたリング状をなし前記シュラウド５０内に収容されたロータ、及び、クリアランスを介して前記ロータを囲うリング状をなし前記シュラウド５０内に固定されたステータを有するモータと、を備え、前記流路形成面５５は、少なくとも前記第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の部分が該下流側に向かうに従って縮径しており、前記シュラウド５０は、前記流路形成面５５における前記第一プロペラ１０Ａと前記第二プロペラ１０Ｂとの間の部分に開口するとともに、前記流路と前記クリアランスとを連通させる入口流路と、前記流路形成面５５における前記第二プロペラ１０Ｂから下流側に離間した部分に開口するとともに、前記流路と前記クリアランスとを連通させる出口流路と、を有する。
上記構成によれば、流路の流路断面積は、少なくとも第二プロペラ１０Ｂよりも下流側に向かうに従って小さくなる。つまり、第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の流路における流体の静圧は、第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の流路における流体の静圧よりも低くなる、即ち、第二プロペラ１０Ｂを境に二つの流路間の静圧に差が生じる。これにより、流路内を上流から下流へと流れる流体の一部は、第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の流路から、入口流路、クリアランス、出口流路の順に常に流れ、第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の流路へ流出する。したがって、クリアランスを流れる流体とモータとが常時熱交換することができる。
（２）第２の態様に係る流体機械は、（１）の流体機械であって、前記出口流路は、前記流路形成面５５における該流路形成面５５の内径が最小となる最小内径位置Ｐの近傍に開口していてもよい。
上記構成によれば、第一プロペラ１０Ａと第二プロペラ１０Ｂとの間の流路から、入口流路、クリアランス、及び出口流路を介して第二プロペラ１０Ｂよりも下流側の流路へと流れる流体の流速を上昇させることができる。
（３）第３の態様に係る流体機械は、（２）の流体機械であって、前記最小内径位置Ｐの近傍は、前記最小内径位置Ｐを基準として前記シュラウドの軸線方向の寸法Ｒの±１０％の範囲の領域であってもよい。
上記構成によれば、上記作用効果をより具体的な設計値で実現することができる。
（４）第４の態様に係る流体機械は、（１）から（３）の何れかの流体機械であって、前記第二プロペラ１０Ｂは、前記流路内で径方向に延びるとともに周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根と、前記シュラウド内周面５１から凹むキャビティに収容されて複数の前記羽根を周方向に接続するリング状をなす外周リング３０と、を有し、前記外周リング３０は、径方向内側を向き、前記シュラウド５０の内周面とともに前記流路形成面５５を形成するリング内周面３１を有し、前記入口流路は、前記外周リング３０の上流側の端面と前記キャビティの内面とによって区画形成されており、前記出口流路は、前記外周リング３０の下流側の端面と前記キャビティの内面とによって区画形成されている。
上記構成によれば、リング内周面３１近傍で流体が剥離等を起こしてしまう可能性を低減できる。つまり、流体が第二プロペラ１０Ｂを通過する際に生じる圧力損失を低減することができる。
１…水中航走体 ２…航走体本体 ３…軸部 ３ａ…軸外周面 ５…収容溝 ５ａ…溝底面 ５ｂ…溝上流側面 ５ｃ…溝下流側面 ８…推進装置（流体機械） １０Ａ…第一プロペラ（プロペラ） １０Ｂ…第二プロペラ（プロペラ） １１…内周リング １２…リング内面 １３…上流端面 １４…下流端面 １５…外周流路面 ２０Ａ…第一羽根（羽根） ２０Ｂ…第二羽根（羽根） ３０…外周リング ３１…リング内周面 ３２…第一基部 ３２ａ…円筒固定面 ３３…第二基部 ３３ａ…テーパ固定面 ３４…第一押さえ部 ３４ａ…外周リング上流面 ３５…第二押さえ部 ３５ａ…外周リング下流面 ４０…軸受部 ４１…ラジアル軸受 ４２…上流側スラスト軸受 ４３…下流側スラスト軸受 ５０…シュラウド ５０Ａ…第一キャビティ ５０Ｂ…第二キャビティ ５１…シュラウド内周面 ５２…シュラウド外周面 ５３…シュラウド前縁 ５４…シュラウド後縁 ５５…流路形成面 ５６…円筒固定凹部 ５７…テーパ固定凹部 ５８ａ…第一キャビティ上流面 ５８ｂ…第一キャビティ下流面 ５９ａ…第二キャビティ上流面 ５９ｂ…第二キャビティ下流面 ６１…上流分割体（分割体） ６２…中間分割体（分割体） ６３…下流分割体（分割体） ７０…連結部 ７８…ストラット ８０…円筒モータ（モータ） ８１…円筒ステータ ８２…円筒ロータ ９０…コニカルモータ（モータ） ９１…コニカルステータ（ステータ） ９２…コニカルロータ（ロータ） １００…第一出口流路 １０１…第一入口流路 １０２…第二入口流路 １０３…第二出口流路 Ｃ１…第一クリアランス Ｃ２…第二クリアランス（クリアランス） Ｏ…軸線 Ｐ…最小内径位置 Ｒ…シュラウドの軸線方向の寸法

Claims (4)

  1. 軸線方向に延びる軸部と、
    前記軸部を囲うように設けられて、該軸部との間で前記軸線方向に流体が流通可能な流路を区画する流路形成面を形成するシュラウド内周面を有するシュラウドと、
    前記流路内で前記軸線回りに回転可能に設けられた第一プロペラと、
    前記流路内における前記第一プロペラよりも下流側で前記軸線回りに回転可能に設けられた第二プロペラと、
    前記第二プロペラの外周部に固定されたリング状をなし前記シュラウド内に収容されたロータ、及び、クリアランスを介して前記ロータを囲うリング状をなし前記シュラウド内に固定されたステータを有するモータと、
    を備え、
    前記流路形成面は、少なくとも前記第二プロペラよりも下流側の部分が該下流側に向かうに従って縮径しており、
    前記シュラウドは、
    前記流路形成面における前記第一プロペラと前記第二プロペラとの間の部分に開口するとともに、前記流路と前記クリアランスとを連通させる入口流路と、
    前記流路形成面における前記第二プロペラから下流側に離間した部分に開口するとともに、前記流路と前記クリアランスとを連通させる出口流路と、
    を有する流体機械。
  2. 前記出口流路は、前記流路形成面における該流路形成面の内径が最小となる最小内径位置の近傍に開口している請求項１に記載の流体機械。
  3. 前記最小内径位置の近傍は、前記最小内径位置を基準として前記シュラウドの軸線方向の寸法の±１０％の範囲の領域である請求項２に記載の流体機械。
  4. 前記第二プロペラは、
    前記流路内で径方向に延びるとともに周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根と、
    前記シュラウド内周面から凹むキャビティに収容されて複数の前記羽根を周方向に接続するリング状をなす外周リングと、を有し、
    前記外周リングは、
    径方向内側を向き、前記シュラウドの内周面とともに前記流路形成面を形成するリング内周面を有し、
    前記入口流路は、前記外周リングの上流側の端面と前記キャビティの内面とによって区画形成されており、
    前記出口流路は、前記外周リングの下流側の端面と前記キャビティの内面とによって区画形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の流体機械。
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