JP2021049874A - Turbine for generation of propulsion force - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、推進力発生用タービンに関する。 The present invention relates to a turbine for generating propulsive force.
海底下の金属鉱物資源の探査や海底地図作成の為、無人海底探査機の開発が進められつつある。このような海底探査機は、長期間にわたって海底の探査を行うことが求められるため、海中を移動するための推進装置として、できるだけ省エネルギー化された推進装置の開発が望まれている。 Development of an unmanned seafloor probe is underway for exploration of metal and mineral resources under the seafloor and creation of seafloor maps. Since such a seafloor probe is required to search the seafloor for a long period of time, it is desired to develop a propulsion device that saves energy as much as possible as a propulsion device for moving in the sea.
本発明は、このような要望を解決するためになされたものであって、海底探査機や船舶等の推進装置の推進力発生源として利用可能で省エネルギー化が可能な推進力発生用タービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a demand, and provides a propulsion force generating turbine that can be used as a propulsion force generating source for a propulsion device such as a seabed probe or a ship and can save energy. The purpose is to do.
本発明の上記目的は、一方端から他方端に向けて縮径するタービン軸部と、前記タービン軸部の表面に形成され、該タービン軸部の一方端から他方端に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、前記流体流路は、前記タービン軸部の一方端において流体を導き入れる流路入口及びタービン軸部の他方端において流体を前記タービン軸部の軸方向に噴出させる流体出口を有しており、前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が線型的に減少することを特徴とする推進力発生用タービンにより達成される。 The object of the present invention is to form a turbine shaft portion whose diameter is reduced from one end to the other end and a surface of the turbine shaft portion, and spirally extend from one end to the other end of the turbine shaft portion. A plurality of turbine blades are provided, and a fluid flow path is defined between turbine blades adjacent to each other, and the fluid flow path is a flow path inlet for guiding a fluid at one end of the turbine shaft portion. And at the other end of the turbine shaft portion, the fluid outlet is provided to eject the fluid in the axial direction of the turbine shaft portion, and the flow path area of the fluid flow path linearly decreases along the flow direction. It is achieved by a turbine for propulsion generation, which is characterized in that.
また、上記推進力発生用タービンにおいて、前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなることが好ましい。 Further, in the above-mentioned turbine for generating propulsive force, it is preferable that the height of each turbine blade from the surface of the turbine shaft portion increases along the flow direction of the fluid flow path.
また、前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さHLと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さHTとの比(HT/HL)は、1.5〜2.3であることが好ましい。 Further, the ratio (HT / HL) of the turbine blade height HL from the turbine shaft surface at the flow path inlet to the turbine blade height HT from the turbine shaft surface at the flow path outlet is determined. It is preferably 1.5 to 2.3.
また、前記流路入口における前記流体流路の流路面積SLと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積STとの比(ST/SL)が、0.4〜0.85の数値範囲となることが好ましい。 Further, the ratio (ST / SL) of the flow path area SL of the fluid flow path at the flow path inlet to the flow path area ST of the fluid flow path at the flow path outlet is 0.4 to 0.85. It is preferably in the numerical range.
また、前記流体流路の流路入口は、前記タービン軸部の一方端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れることが好ましい。 Further, it is preferable that the flow path inlet of the fluid flow path guides the fluid at one end of the turbine shaft portion in a direction perpendicular to the axial direction of the turbine shaft portion.
本発明によれば、海底探査機や船舶等の推進装置の推進力発生源として利用可能で省エネルギー化が可能な推進力発生用タービンを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a propulsion force generating turbine that can be used as a propulsion force generating source for a propulsion device such as a seabed probe or a ship and can save energy.
以下、本発明に係る推進力発生用タービン1について、添付図面を参照して説明する。なお、各図は、構成の理解を容易ならしめるために部分的に拡大・縮小している。図1は、本発明に係る推進力発生用タービン1の概略構成斜視図であり、図2は、その概略構成側面図である。本発明に係る推進力発生用タービン1は、モーター等の駆動装置によって回転させることにより、一方端側から海水等の流体を導き入れつつ、他方端側から該流体を噴出することによって、該推進力発生用タービン1を備える海底探査機や船舶を推進させるものである。この推進力発生用タービン1は、図1や図2に示すように、タービン軸部2と、該タービン軸部2の表面に設けられる複数のコルク栓抜き形のタービン羽根3とを備えている。なお、推進力発生用タービン1を形成する材料としては金属材料であれば特に限定されないが、強度や耐久性の観点からステンレスやアルミニウム合金から形成されることが好ましい。また、推進力発生用タービン1の製造方法についても特に限定されないが、例えば、削り出しによる一体加工や、タービン軸部2に対してタービン羽根3を溶接して加工する手法等を挙げることができる。
Hereinafter, the propulsive
タービン軸部2は、図3の概略構成断面図に示すように、一方端から他方端に向けて縮径する形態を有している。タービン羽根3が設けられる領域21のタービン軸部2の輪郭は、タービン軸部2の軸線Zに沿う断面視において、円弧状及び放物線状の曲線を形成するように構成されている。
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 3, the
コルク栓抜き形のタービン羽根3は、上述のようにタービン軸部2の表面に形成されており、図1及び図2に示すように、タービン軸部2の一方端から他方端に向けて螺旋状に延びるように構成されている。本実施形態においては、3つの螺旋状のタービン羽根3を備えるように構成されている。つまりタービン羽根3は三重螺旋の形態でタービン軸部2の表面に設けられている。また、互いに隣接するタービン羽根3同士の間で流体流路が画成されている。画成される3つの流体流路もそれぞれ螺旋状の流路を構成している。この流体流路は、タービン軸部2の一方端において流体を導き入れる流路入口を備え、また、タービン軸部2の他方端において流体をタービン軸部2の軸方向に噴出させる流体出口を有している。この流体出口から噴出される高圧の流体(噴流)の反動を、推進力として活用し、推進力発生用タービン1を備える海底探査機や船舶は推進することができる。
The cork bottle opener
各タービン羽根3は、実質上同一構成であるが、図4の正面図(図2の矢視A方向から見た図)に示すように、3つそれぞれのタービン羽根3の前縁LEは、120°離れてタービン軸部2に配置されている。なお、各タービン羽根3の前縁LEは、タービン軸部2の最大直径部(タービン軸部2の一方端部)に位置している。また、3つそれぞれのタービン羽根3の後縁TEも同様に120°離れてタービン軸部2に配置されている。なお、各タービン羽根3の後縁TEは、タービン軸部2の他方端における最小直径部に位置している。また、タービン羽根3の前縁領域から流体(海水等)が流体流路に流入し、タービン羽根3の後縁領域から流体(海水等)が排出される。
Each
タービン軸部2の軸線周りの各タービン羽根3の全巻き角は、図4の正面図に示されている。各タービン羽根3の全巻き角は、各タービン羽根3の前縁LEから後縁TEへ円周に沿って伸びる度数として定義され、全巻き角は、図4において、タービン羽根3(3a)に対してA1、及び、タービン羽根3(3b)に対してA2、タービン羽根3(3c)に対してA3として示されている。各タービン羽根3の全巻き角A1,A2,A3としては、例えば、90°〜360°の範囲を挙げることができる。また、各タービン羽根3の全巻き角A1,A2,A3のより好ましい数値範囲としては、120°〜270°の範囲を挙げることができる。本実施形態においては、各タービン羽根3の全巻き角A1,A2,A3を180°に設定している。
The total winding angle of each
また、図2に示すように、タービン羽根3の前縁LEは、タービン軸部2の軸線Zと平行となるように形成されており、タービン羽根3の後縁TEは、タービン軸部2の軸線Zに対して垂直となるように形成されている。換言すると、螺旋状の各タービン羽根3は、図2の上方から下方に沿って該タービン羽根3を見た場合に、垂直な前縁LEから水平な後縁TEに徐々に遷移するように構成されている。タービン羽根3がこのような形態を有することにより、各タービン羽根3により画成される流体流路に対して、タービン軸部2の軸線Z(回転軸)に対して垂直な方向に向けて流体入口が流体(海水等)を導き入れることができ、また、タービン軸部2の軸線(回転軸線)の方向に流体(海水等)を噴出させることができる。
Further, as shown in FIG. 2, the front edge LE of the
また、本発明においては、各タービン羽根3のタービン軸部2表面からの高さは、流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなるように構成されている。つまり、各タービン羽根3のタービン軸部2表面からの高さは、流体流路の流路入口から流路出口に向かうに従い、徐々にその高さが高くなるように構成されている。なお、タービン羽根3の高さは、タービン軸部2の表面に対して垂直な方向の寸法を意味する。
Further, in the present invention, the height of each
また、上記構成のタービン羽根3により画成される流体流路は、図5に示す流体流路面積の説明図に示すように、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が線型的に減少するように構成されている。つまり、流体流路の流路面積は、流路入口から流路出口に向かうに従い、略一定の割合で徐々に減少するように構成されている。このような構成により、流路入口から流路出口に向けて流れる流体(海水等)は、流れ方向下流側に向かうに従い圧縮されると共に、その速度が上昇していくこととなる。ここで、流体流路の流路面積とは、流体の流れ方向に対して垂直な平面における流路の面積を意味する。なお、図5は、縦軸に流体流路の面積を採り、横軸に流体の流れ方向に沿う距離を採り、流体の流れ方向に沿って見た場合の流体流路の流路面積の変化を示したグラフである。
Further, as shown in the explanatory diagram of the fluid flow path area shown in FIG. 5, the flow path area of the fluid flow path defined by the
本発明に係る推進力発生用タービン1は、上述のように、タービン羽根同士の間で画定される流体流路が、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が線型的に減少するように構成されているため、モーター等の駆動装置によって回転させることにより、タービン軸部2の一方端に導き入れられ、他方端から噴出する流体(海水等)が、各流体流路内をスムーズに流通することが可能となる。この結果、推進力発生用タービン1を回転させるためにモーター等の駆動装置に供給される電力量を少ないものとすることが可能となり、省エネルギーで海底探査機や船舶等を推進させることが可能となる。
As described above, the propulsion
また、図1に示されているように、タービン羽根3は、タービン軸部2の軸線Zの周りに前縁LEから後縁TEに向けて螺旋状となる形態を有していることから、各タービン羽根(3a,3b,3c)は、各々、凸形の側面31、及び、凹形の側面32をそれぞれ備えている。ここで、モータ等の駆動装置によって、推進力発生用タービン1を図1及び図4に示された矢印Bの方向に回転させると(図4においては反時計回りに回転させると)、各流体流路をタービン軸部2の一方端側から他方端側に流れる流体(海水等)の作用により、各タービン羽根3の凸形の側面31は、タービン羽根3の高圧側となり、各タービン羽根3の凹形の側面32は、タービン羽根3の低圧側となる。このようにタービン羽根3の凸形の側面31を高圧側、各タービン羽根3の凹形の側面32を低圧側として構成できることから、推進力発生用タービン1に対して、図1や図4の矢印B方向への回転を補助するような力(各タービン羽根3において生じる揚力に基づく力)が発生することになる。これにより、推進力発生用タービン1を回転させるためにモーター等の駆動装置に供給される電力量をより一層少ないものとすることが可能となり、より省エネルギーで海底探査機や船舶等を推進させることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 1, the
また、タービン羽根3のタービン軸部2の表面からの高さが、流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなるように構成しているため、特に、流体(水)の流速が上昇する流体流路の下流側において、各タービン羽根3の凸形の側面31(高圧側)と、各タービン羽根3の凹形の側面32(低圧側)との間で、極めて高い圧力差を生じさせることが可能となる。この結果、各タービン羽根3に作用する揚力が増加して、推進力発生用タービン1に対して、図1や図4の矢印B方向への回転を補助するような力が大きく発生し、モーター等の駆動装置に供給される電力量を更に一層少ないものとすることができ、省エネルギー化することが可能となる。
Further, since the height of the
ここで、図2を参照して、各タービン羽根3のタービン軸部2の表面からの高さに関して、流路入口におけるタービン軸部2の表面からのタービン羽根3の高さHLと、流路出口におけるタービン軸部2の表面からのタービン羽根3の高さHTとの比(HT/HL)が、1.5〜2.5の数値範囲となるように構成することが好ましい。また、1.7〜2.2の数値範囲となるように構成することがより好ましい。なお、タービン羽根3の高さHLは、タービン羽根3の前縁LEの高さに対応し、タービン羽根3の高さHTは、タービン羽根3の後縁TEの高さに対応する。このように、比(HT/HL)の値が、1.5〜2.5の数値範囲となるように構成することにより、より一層、タービン軸部2の一方端に導き入れられ、他方端から噴出する流体(海水等)が、各流体流路内をスムーズに流通することが可能となる。
Here, with reference to FIG. 2, with respect to the height of each
また、タービン羽根3により画成される流体流路に関し、図5に示す流体流路面積の説明図に示す流路入口における流路面積SLと、流路出口における流路面積STとに関し、両者の比(ST/SL)は、0.4〜0.9の数値範囲となるように構成することが好ましい。また、0.5〜0.8の数値範囲となるように構成することがより好ましい。このような数値範囲となるように、比(ST/SL)の値を設定することにより、更に各流体流路内をスムーズに海水等の流体が流通することが可能となり、推進力発生用タービン1を駆動させるためにモーター等の駆動装置に供給される電力量を更に一層少ないものとすることができ、省エネルギー化することが可能となる。
Further, regarding the fluid flow path defined by the
本発明に係る推進力発生用タービン1に関し、上記においては、タービン羽根3を3枚備える構成について説明したが、このような構成に特に限定されず、2枚のタービン羽根3を備えるように構成してもよく、或いは、4枚以上のタービン羽根3を備えるように構成してもよい。
Regarding the propulsive
ここで、図6に示すように、推進力発生用タービン1のタービン軸部2の他方端に、タービン軸部2の軸方向に沿って伸びる突起体22を設けるように構成してもよい。このような突起体22を備えることにより、推進力発生用タービン1から噴出される流体(海水等)の整流効果を高めることができ、推進力発生用タービン1を回転させるためにモーター等の駆動装置に供給される電力量をより一層少ないものとすることが期待される。
Here, as shown in FIG. 6, a
次に、上記構成の推進力発生用タービン1を備える推進装置10の一例について説明する。この推進装置10は、図7の概略模式構成図に示すように、上部ケーシング6と、下部ケーシング7と、推進力発生用タービン1と、モーター等の駆動装置8とを備えている。なお、推進力発生用タービン1は、上述の構造を備えるものであるため、以下において構造に関する詳細な記載は省略する。
Next, an example of the
上部ケーシング6は、中央開口部を有する有底筒状に構成される部材である。上部ケーシングの周壁は、その内面が、中央部開口部に配置される推進力発生用タービン1との間に所定寸法離間した状態となるように構成される。
The
下部ケーシング7は、上部ケーシング6の下方に配置されており、上方から下方に向かうに従い徐々に縮径する内周面を有する筒状部71を備えている。また、下部ケーシング7における上方から下方に向かうに従い徐々に縮径する筒状部71は、推進力発生用タービン1におけるタービン羽根3の立設方向側の端縁との間で僅かな隙間を形成するように構成されている。この隙間はできるだけ小さくなるように構成されることが好ましい。
The
推進力発生用タービン1は、上部ケーシング6の中央開口部及び下部ケーシング7の筒状部71の内側に回転可能に配置される。
The propulsive
モーター等の駆動装置8は、上部ケーシング6の上方に配置されている。この駆動装置8は、伝達軸9を介して推進力発生用タービン1に接続されており、駆動装置8の回転によって推進力発生用タービン1を回転させることが可能に構成されている。
The
駆動装置8の作用により推進力発生用タービン1を回転させることにより、上部ケーシングの周壁の内側に存在する海水等の流体は、推進力発生用タービン1の回転軸線に対して垂直な上部ケーシング6の底面に沿って流体流路の流体入口に流入し、各流体流路を流れる際に加圧され、タービン軸部2の他端部側の流体出口から噴出する。噴出する流体の噴出方向は、タービン軸部2の軸方向に沿う方向であり、この流体出口から噴出される高圧の流体(噴流)の反動により、流体の噴出方向とは反対側に向かって、推進力発生用タービン1を備える海底探査機や船舶は推進することとなる。ここで、流体出口から噴出された流体によって形成される推進装置10の後流は、推進力発生手段として一般的に使用されるいわゆるプロペラによる後流よりも直線性に富んだ流れ(直線的な流れ)となる。これにより、プロペラを搭載した推進装置と比べ、本発明に係る推進力発生用タービン1を搭載した推進装置の方が、高い推進性能を発揮することとなる。また、例えば、海底付近を海底探査機が航行しているような場合に、後流によって海底の泥を巻き上げてしまうような事態が発生することを効果的に抑制することが可能となる。
By rotating the
1 推進力発生用タービン
2 タービン軸部
3 タービン羽根
6 上部ケーシング
7 下部ケーシング
71 筒状部
8 駆動装置
10 推進装置
LE タービン羽根の前縁
TE タービン羽根の後縁
1 Turbine for
Claims (5)
前記タービン軸部の表面に形成され、該タービン軸部の一方端から他方端に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、
互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、
前記流体流路は、前記タービン軸部の一方端において流体を導き入れる流路入口及びタービン軸部の他方端において流体を前記タービン軸部の軸方向に噴出させる流体出口を有しており、
前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が線型的に減少することを特徴とする推進力発生用タービン。 A turbine shaft that reduces in diameter from one end to the other,
It is provided with a plurality of turbine blades formed on the surface of the turbine shaft portion and spirally extending from one end to the other end of the turbine shaft portion.
A fluid flow path is defined between turbine blades adjacent to each other.
The fluid flow path has a flow path inlet for introducing the fluid at one end of the turbine shaft portion and a fluid outlet for ejecting the fluid in the axial direction of the turbine shaft portion at the other end of the turbine shaft portion.
The fluid flow path is a turbine for generating propulsive force, characterized in that the flow path area linearly decreases along the flow direction.
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JP2019174220A JP2021049874A (en) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Turbine for generation of propulsion force |
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Cited By (1)
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CN114435573A (en) * | 2022-02-17 | 2022-05-06 | 交通运输部天津水运工程科学研究所 | Marine turbine propeller |
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2019
- 2019-09-25 JP JP2019174220A patent/JP2021049874A/en active Pending
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CN114435573A (en) * | 2022-02-17 | 2022-05-06 | 交通运输部天津水运工程科学研究所 | Marine turbine propeller |
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