WO2022244347A1 - 推進装置、及び流体機械 - Google Patents

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propeller
electric motor
propulsion device
heat engine
shroud
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健彦 西田
茂樹 妹尾
真一 磯部
航 山田
卓慶 山田
晃 三上
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三菱重工業株式会社
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    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • Patent Document 1 As a propulsion device mounted on a machine that navigates underwater, for example, the one described in Patent Document 1 below is known.
  • a device according to Patent Document 1 below includes a generator driven by a gas turbine, an electric motor driven by the power generated by the generator, and an electric power storage device for storing the generated power.
  • the gas turbine is always operated in the high output range to drive the generator.
  • the generated power is supplied to the electric motor and the power storage device.
  • the gas turbine is supposed to shut down when the power storage device reaches the required maximum charge. Also, only one propeller is rotationally driven by the electric motor.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a propulsion device and a fluid machine with further improved efficiency.
  • a propulsion device includes: a machine body extending in an axial direction; a first propeller rotatable about the axis; a second propeller that can be rotated independently, an electric motor that drives one of the first propeller and the second propeller to rotate, and a heat engine that drives the other of the first propeller and the second propeller to rotate.
  • a fluid machine includes the propulsion device described above.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a propulsion device and an underwater vehicle (fluid machine) according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a graph showing an example of efficiency characteristics of a fuel cell system and a combustion engine
  • 4 is a graph showing efficiency characteristics of an electric motor and a heat engine
  • the underwater vehicle 100 includes a vehicle main body 80 (fluid machine main body) and a propulsion device 90 .
  • the cruising vehicle main body 80 is configured by a pressure-resistant container extending along the axis O.
  • Various devices, power supply, communication equipment, sensors, etc. required for underwater navigation are accommodated in the main body 80 of the cruising vehicle.
  • the propulsion device 90 is integrally attached to the rear portion of the vehicle body 80 .
  • the propulsion device 90 is a device for propelling the underwater vehicle 100 underwater.
  • the propulsion device 90 includes a fuselage 1, a shroud 2, a first propeller 3, a second propeller 4, an electric motor 5, a heat engine 6, a transmission 7, an inverter 8, a battery 9, and a first It has a bearing portion 10 , a second bearing portion 11 , a rotating shaft 71 , and a control portion 200 .
  • the fuselage 1 is provided integrally with the cruising vehicle main body 80 .
  • the fuselage 1 may be part of the cruising vehicle main body 80 .
  • the fuselage 1 extends along an axis O.
  • the fuselage 1 of the present embodiment has a truncated cone shape whose diameter decreases from one side in the direction of the axis O (hereinafter referred to as the "upstream side") toward the other side in the direction of the axis O (hereinafter referred to as the "downstream side"). is making
  • the shroud 2 has a tubular shape that covers the airframe 1 from the outside.
  • the shroud 2 has an airfoil cross-sectional shape in a cross-sectional view including the axis O. As shown in FIG. In this embodiment, the shroud 2 gradually decreases in diameter from upstream to downstream. It should be noted that the shape of the shroud 2 can be changed in various ways to correspond to the shape of the main body 80 of the cruising vehicle.
  • the shroud 2 is fixed to the fuselage 1 by a plurality of struts 2a.
  • the strut 2a extends radially outward from the fuselage 1 .
  • a plurality of struts 2a are arranged at intervals in the circumferential direction.
  • the strut 2a extends obliquely toward the downstream side as it goes radially outward.
  • a radially outer end of the strut 2 a is fixed near the upstream end of the shroud 2 .
  • a space between the shroud 2 and the fuselage 1 is a flow path F through which water flows.
  • the first propeller 3 has an inner ring 31 and first blades 32 .
  • the inner peripheral ring 31 has an annular shape centered on the axis O. As shown in FIG.
  • the inner peripheral ring 31 is rotatably supported around the axis O by a first bearing portion 10 provided on the outer peripheral surface of the body 1 .
  • the first bearing portion 10 has an upstream thrust bearing 10a, a downstream thrust bearing 10b, and a journal bearing 10c.
  • the upstream thrust bearing 10a faces the inner peripheral ring 31 from the upstream side, thereby bearing the thrust load directed toward the upstream side (the load in the direction of the axis O).
  • the downstream thrust bearing 10b faces the inner peripheral ring 31 from the downstream side, thereby bearing the downstream thrust load.
  • the journal bearing 10c bears a radial load by facing the inner peripheral ring 31 from the radially inner side.
  • the outer peripheral surface of the inner peripheral ring 31 is tapered by gradually decreasing in diameter toward the downstream side. Therefore, the outer peripheral surface of the fuselage 1 and the outer peripheral surface of the inner peripheral ring 31 are substantially flush with each other.
  • a first blade 32 is provided on the outer peripheral surface of the inner peripheral ring 31 .
  • the first blades 32 extend radially outward from the inner ring 31 and are arranged in plurality at intervals in the circumferential direction. These first blades 32 are rotationally driven about the axis O together with the inner ring 31 to generate propulsive force toward the downstream side.
  • the electric motor 5 is a device for rotating the first propeller 3 .
  • the electric motor 5 is provided inside the shroud 2 . That is, this electric motor 5 is an outer circumference drive motor.
  • the electric motor 5 is housed in a recess formed in the inner peripheral surface of the shroud 2 .
  • the electric motor 5 has a stator 51 fixed to the shroud 2 side and a rotor 52 fixed to the radial outer end of the first blade 32 .
  • the stator 51 has multiple coils and the rotor 52 has permanent magnets. Electric power of the battery 9 is supplied to the stator 51 through the inverter 8 . These battery 9 and inverter 8 are housed inside the body 1 .
  • the second propeller 4 is provided at the downstream end of the airframe 1 with the axis O as the rotation axis. That is, the second propeller 4 is located downstream of the first propeller 3 . Also, the direction of rotation of the second propeller 4 is opposite to the direction of rotation of the first propeller 3 . That is, the first propeller 3 and the second propeller 4 constitute contra-rotating propellers.
  • the second propeller 4 has a boss portion 41 and second blades 42 .
  • the boss portion 41 has a disc shape centered on the axis O.
  • the second blades 42 extend radially outward from the outer peripheral surface of the boss portion 41 and are arranged in plurality at intervals in the circumferential direction. Since the shroud 2 decreases in diameter toward the downstream side as described above, the radial dimension of the second blade 42 is set smaller than the radial dimension of the first blade 32 .
  • a rotating shaft 71 is attached to the center of the boss portion 41 (that is, the position of the axis O).
  • the rotating shaft 71 has a rod shape extending along the axis O.
  • the rotary shaft 71 is rotatably supported around the axis O by a second bearing portion 11 provided at the downstream end of the body 1 .
  • the second bearing portion 11 is a journal bearing.
  • the heat engine 6 is a device for rotating the second propeller 4 .
  • a gas turbine is suitably used as the heat engine 6 .
  • Heat engine 6 is driven by fuel supplied from tank 61 .
  • the rotational driving force of the heat engine 6 is first transmitted to the transmission 7 .
  • An upstream end of the rotating shaft 71 is connected to the transmission 7 .
  • the transmission 7 is a device for adjusting the rotation speed of the rotating shaft 71 . It is also possible to employ a configuration in which the rotation shaft 71 is directly rotated only by the heat engine 6 without providing the transmission 7 .
  • a control unit 200 is a device for controlling the operation of the electric motor 5 and the heat engine 6 .
  • the controller 200 drives only the electric motor 5 . That is, in the low speed range, only the first propeller 3 is rotationally driven.
  • the control unit 200 drives the heat engine 6 in addition to the electric motor 5 . As a result, the first propeller 3 and the second propeller 4 are driven to rotate.
  • the control unit 200 first drives the electric motor 5 with the electric power of the battery 9 .
  • the first propeller 3 rotates around the axis O by driving the electric motor 5 .
  • the water in the flow path F is pushed downstream, and the underwater vehicle 100 is provided with a propulsive force.
  • the propulsive force is obtained only by driving the first propeller 3 by the electric motor 5 in this way.
  • the control unit 200 drives the heat engine 6 in addition to the electric motor 5 .
  • the second propeller 4 also rotates, further increasing the speed of the underwater vehicle 100 .
  • the underwater vehicle 100 travels underwater by repeating switching and disconnection of the driving source as described above.
  • the electric motor 5 rotates the first propeller 3 and the heat engine 6 rotates the second propeller 4 .
  • This makes it possible to change the drive source to be used for each speed range, for example. As a result, it becomes possible to operate the propulsion device 90 more efficiently.
  • the rotating direction of the first propeller 3 on the upstream side and the second propeller 4 on the downstream side are reversed to form counter-rotating propellers. It can be collected by the second propeller 4 . Therefore, the turning loss in the wake of the second propeller 4 can be reduced. Thereby, the propulsion performance of the propulsion device 90 can be further improved.
  • the electric motor 5 is an outer peripheral drive motor provided inside the shroud 2 instead of inside the airframe 1, it is normally cooled by the water flowing around the shroud 2. . Thereby, the electric motor 5 can be cooled without providing another cooling device. As a result, the efficiency of the propulsion device 90 can be further improved.
  • the two power sources of the electric motor 5 and the heat engine 6 are independent of each other, there is no need to add a generator, reducer, or auxiliary equipment for supplying electric power from the heat engine 6 to the electric motor 5. It is possible to avoid complicating the system and increasing the installation space.
  • the efficiency characteristics are particularly high in the low speed region where the load is small, and the efficiency characteristics are somewhat high even in the high speed region where the load is large.
  • efficiency characteristics tend to decrease in a low load range.
  • a gas turbine is used as the heat engine.
  • the first propeller 3 is driven only by the electric motor 5 in the low speed range where the speed is less than the threshold value. That is, as shown in the graph of FIG.
  • the electric motor 5 has superior efficiency characteristics in the low output range compared to the heat engine 6, so the efficiency of the propulsion device 90 can be improved by the above configuration. . In addition, since it is driven only by the electric motor 5, it is possible to improve quietness in the low speed range.
  • the heat engine 6 is operated in addition to the electric motor 5, thereby further improving the output.
  • the gas turbine as the heat engine 6 is inferior to the electric motor 5 in efficiency characteristics in the low speed range. Therefore, as described above, the electric motor 5 is mainly driven in the low speed range, and the heat engine 6 is driven when the high speed range is reached, so that the efficiency characteristics of the electric motor 5 and the heat engine 6 can complement each other. can.
  • the electric motor 5 is driven using power supplied from the battery 9 independent of the heat engine 6 .
  • the efficiency of the propulsion device 90 can be further improved.
  • the first propeller 3 is driven by the electric motor 5 and the second propeller 4 is driven by the heat engine 6 .
  • the configuration is not limited to this, and the first propeller 3 may be driven by the heat engine 6 and the second propeller 4 may be driven by the electric motor 5 .
  • the cross-sectional shape of the shroud 2 is wing-shaped
  • the cross-sectional shape of the shroud 2 is preferably streamlined, but may be other shapes such as a rectangular shape. Even in this case, the diameter of the shroud 2 is reduced toward the downstream side, thereby defining a flow path whose cross-sectional area becomes smaller toward the downstream side.
  • the propulsion device 90 may be applied to, for example, a ship or the like that navigates on water.
  • the configuration of the propulsion device 90 may be applied to other fluid machinery used underwater, such as a pump.
  • the present invention may be applied not only to a fluid machine that pumps water but also to a fluid machine that pumps other liquids such as oil.
  • the propulsion device 90 includes the airframe 1 extending in the direction of the axis O, the first propeller 3 rotatable around the axis O, and the first propeller 3 provided downstream of the A second propeller 4 rotatable around the axis O, an electric motor 5 for rotationally driving one of the first propeller 3 and the second propeller 4, and the other of the first propeller 3 and the second propeller 4. a heat engine 6 driven in rotation.
  • one of the first propeller 3 and the second propeller 4 is rotationally driven by the electric motor 5 and the other of the first propeller 3 and the second propeller 4 is rotationally driven by the heat engine 6 .
  • This makes it possible to change the drive source to be used for each speed range, for example. As a result, it becomes possible to operate the propulsion device 90 more efficiently.
  • the propulsion device 90 includes a shroud 2 that is provided so as to surround the fuselage 1 from the outer peripheral side and forms a flow path F between the fuselage and the shroud 2 that is provided in the flow path F.
  • the first propeller 3 provided in the flow path F
  • the second propeller 4 provided downstream of the first propeller 3 in the flow path F
  • the electric motor 5 provided in the shroud 2
  • the fuselage 1 provided and the heat engine 6
  • the electric motor 5 is an outer peripheral drive motor provided inside the shroud 2 rather than inside the fuselage 1, so that it is normally cooled by the water flowing around the shroud 2. Thereby, the electric motor 5 can be cooled without providing another cooling device. As a result, the efficiency of the propulsion device 90 can be further improved.
  • the rotation directions of the first propeller 3 and the second propeller 4 may be opposite.
  • the first propeller 3 on the upstream side and the second propeller 4 on the downstream side are contra-rotating propellers in which the directions of rotation are reversed. It can be collected by the propeller 4. Therefore, the turning loss in the wake of the second propeller 4 can be reduced.
  • the electric motor 5 includes a stator 51 fixed to the shroud 2, and the first propeller 3 and the second propeller radially inside the stator 51. 4 may be a perimeter drive motor with a rotor 52 fixed to one of the perimeters.
  • the electric motor 5 is an outer peripheral drive motor provided inside the shroud 2 rather than inside the fuselage 1, so that it is normally cooled by the water flowing around the shroud 2. Thereby, the electric motor 5 can be cooled without providing another cooling device. As a result, the efficiency of the propulsion device 90 can be further improved.
  • the propulsion device 90 further includes a control unit 200 that controls the operation of the electric motor 5 and the heat engine 6. Only the electric motor 5 may be operated when the value is less than a predetermined threshold value, and the heat engine 6 may be operated when the value is equal to or greater than the threshold value.
  • one of the first propeller 3 and the second propeller 4 is driven only by the electric motor 5 in the low speed range where the speed is less than the threshold. Since the electric motor 5 is superior to the heat engine 6 in efficiency characteristics in a low output range, the efficiency of the propulsion device 90 can be improved by the above configuration. In addition, since it is driven only by the electric motor 5, quietness can be improved. Furthermore, in a high-speed region where the speed is equal to or higher than the threshold value, by operating the heat engine 6 in addition to the electric motor 5, the output can be further improved.
  • the electric motor 5 may rotate one of the first propeller 3 and the second propeller 4 by electric power supplied from the battery 9 .
  • a fluid machine (underwater vehicle 100) according to a seventh aspect includes a fluid machine main body (vessel main body 80) and a propulsion device 90 according to any one of the above aspects provided in the fluid machine main body. And prepare.
  • the efficiency of the fluid machine can be improved.
  • the present disclosure relates to propulsion devices and fluid machinery. According to the present disclosure, the efficiency of the propulsion system can be further improved.

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Abstract

本開示の推進装置は、軸線方向に延びる機体と、軸線回りに回転可能な第一プロペラと、第一プロペラよりも下流側に設けられて軸線回りに回転可能な第二プロペラと、第一プロペラ及び第二プロペラの一方を回転駆動する電動モータと、第一プロペラ及び第二プロペラの他方を回転駆動する熱機関と、を備える。

Description

推進装置、及び流体機械
　本開示は、推進装置、及び流体機械に関する。
　本願は、２０２１年５月１７日に出願された特願２０２１－８３０８７号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　水中を航行する機械に搭載される推進装置として、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。下記特許文献１に係る装置は、ガスタービンで駆動する発電機と、この発電機が発生させた電力によって駆動する電動モータと、発電した電力を貯蔵する電力貯蔵装置と、を備えている。
　ガスタービンは常に高出力域で運転されて発電機を駆動する。発電した電力は、電動モータ、及び電力貯蔵装置へ供給される。電力貯蔵装置が所要の最大充電量に達するとガスタービンを停止するとされている。また、電動モータによって１つのみのプロペラが回転駆動される。
特開２０１３－３５２９７号公報
　しかしながら、上記特許文献１に係る構成では、ガスタービンの動力を発電機で電力に変換する際にエネルギーの損失が発生してしまう。また、電動モータのみによってプロペラの駆動力を賄う必要があることから、当該電動モータが大型化してしまう。その結果、推進装置の効率が損なわれる虞がある。
　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、効率がさらに向上した推進装置、及び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、本開示に係る推進装置は、　軸線方向に延びる機体と、前記軸線回りに回転可能な第一プロペラと、前記第一プロペラよりも下流側に設けられて前記軸線回りに回転可能な第二プロペラと、前記第一プロペラ及び前記第二プロペラの一方を回転駆動する電動モータと、前記第一プロペラ及び前記第二プロペラの他方を回転駆動する熱機関と、を備える。
　そして、本開示に係る流体機械は、上記推進装置を備える。
　本開示によれば、効率がさらに向上した推進装置、及び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推進装置、及び水中航走体（流体機械）の構成を示す断面図である。 燃料電池システム及び燃機関の効率特性の一例を示すグラフである。 電動モータ及び熱機関の効率特性を示すグラフである。
（水中航走体の構成）
　　以下、本開示の実施形態に係る水中航走体１００（流体機械）について、図１を参照して説明する。図１に示すように、水中航走体１００は、航走体本体８０（流体機械本体）と、推進装置９０と、を備えている。航走体本体８０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８０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。
（推進装置の構成）
　推進装置９０は、航走体本体８０の後部に一体に取り付けられている。推進装置９０は、水中航走体１００を水中で推進させるための装置である。推進装置９０は、機体１と、シュラウド２と、第一プロペラ３と、第二プロペラ４と、電動モータ５と、熱機関６と、変速機７と、インバータ８と、バッテリー９と、第一軸受部１０と、第二軸受部１１と、回転軸７１と、制御部２００と、を有している。
（機体の構成）
　機体１は、航走体本体８０に一体に設けられている。機体１は、航走体本体８０の一部であってもよい。機体１は軸線Ｏに沿って延びている。本実施形態の機体１は、軸線Ｏ方向一方側（以下、「上流側」と称する」）から軸線Ｏ方向他方側（以下、「下流側」と称する）に向かうにしたがって縮径する円錐台形状をなしている。
（シュラウドの構成）
　シュラウド２は、機体１を外側から覆う筒状をなしている。シュラウド２は、軸線Ｏを含む断面視で、翼型の断面形状を有している。本実施形態では、シュラウド２は、上流側から下流側に向かうに従って次第に縮径している。なお、シュラウド２の形状は航走体本体８０の形状に対応させて種々に変更することが可能である。
　シュラウド２は、機体１に対して複数のストラット２ａによって固定されている。ストラット２ａは、機体１から径方向外側に向かって延びている。ストラット２ａは、周方向に間隔をあけて複数配置されている。また、ストラット２ａは、径方向外側に向かうに従って下流側に向かって斜めに延びている。ストラット２ａの径方向外側の端部は、シュラウド２の上流側の端部近傍に固定されている。シュラウド２と機体１との間の空間は、水が流通する流路Ｆとされている。
（第一プロペラの構成）
　第一プロペラ３は、内周側リング３１と、第一羽根３２と、を有している。内周側リング３１は、軸線Ｏを中心とする円環状をなしている。内周側リング３１は、機体１の外周面に設けられた第一軸受部１０によって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。第一軸受部１０は、上流側スラスト軸受１０ａと、下流側スラスト軸受１０ｂと、ジャーナル軸受１０ｃと、を有している。上流側スラスト軸受１０ａは、内周側リング３１に上流側から対向することで上流側に向かうスラスト荷重（軸線Ｏ方向の荷重）を負担する。下流側スラスト軸受１０ｂは、内周側リング３１に下流側から対向することで下流側に向かうスラスト荷重を負担する。ジャーナル軸受１０ｃは、内周側リング３１に対して径方向内側から対向することで径方向の荷重を負担する。
　内周側リング３１の外周面は、下流側に向かうに従って次第に縮径することでテーパ状をなしている。したがって、機体１の外周面と内周側リング３１の外周面とは実質的に面一となっている。内周側リング３１の外周面には、第一羽根３２が設けられている。第一羽根３２は、内周側リング３１から径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて複数配列されている。これら第一羽根３２は、内周側リング３１とともに軸線Ｏ回りに回転駆動されることで下流側に向かう推進力を発生させる。
（電動モータの構成）
　電動モータ５は、第一プロペラ３を回転駆動するための装置である。電動モータ５は、シュラウド２の内部に設けられている。つまり、この電動モータ５は外周駆動モータである。電動モータ５は、シュラウド２の内周面に形成された凹部に収容されている。電動モータ５は、シュラウド２側に固定されたステータ５１と、第一羽根３２の径方向外側の端部に固定されたロータ５２と、を有している。ステータ５１は複数のコイルを有し、ロータ５２は永久磁石を有している。このうち、ステータ５１にはバッテリー９の電力がインバータ８を介して供給される。これらバッテリー９、及びインバータ８は機体１の内部に収容されている。
（第二プロペラの構成）
　第二プロペラ４は、機体１の下流側の端部に軸線Ｏを回転軸として設けられている。つまり、第二プロペラ４は第一プロペラ３よりも下流側に位置している。また、第二プロペラ４の回転方向は、第一プロペラ３の回転方向とは反対である。つまり、これら第一プロペラ３と第二プロペラ４は二重反転プロペラを構成している。
　第二プロペラ４は、ボス部４１と、第二羽根４２と、を有している。ボス部４１は、軸線Ｏを中心とする円盤状をなしている。第二羽根４２は、ボス部４１の外周面から径方向外側に向かって延びるとともに周方向に間隔をあけて複数配列されている。上述のようにシュラウド２が下流側に向かうに従って縮径していることから、第二羽根４２の径方向の寸法は、第一羽根３２の径方向の寸法よりも小さく設定されている。
　ボス部４１の中心（つまり、軸線Ｏの位置）には、回転軸７１が取り付けられている。回転軸７１は、軸線Ｏに沿って延びる棒状をなしている。回転軸７１は、機体１の下流側の端部に設けられた第二軸受部１１によって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。第二軸受部１１はジャーナル軸受である。
（熱機関、変速機の構成）
　熱機関６は、第二プロペラ４を回転駆動するための装置である。熱機関６として具体的にはガスタービンが好適に用いられる。熱機関６は、タンク６１から供給された燃料によって駆動する。熱機関６の回転駆動力はまず変速機７に伝達される。変速機７には、上記の回転軸７１の上流側の端部が接続されている。変速機７は、回転軸７１の回転数を調節するための装置である。なお、変速機７を設けず、熱機関６のみによって直接的に回転軸７１を回転させる構成を採ることも可能である。
（制御部の構成）
　制御部２００は、電動モータ５、及び熱機関６の動作を制御するための装置である。水中航走体１００が低速域にある場合には、制御部２００は電動モータ５のみを駆動する。つまり、低速域では第一プロペラ３のみが回転駆動された状態となる。一方で、水中航走体１００が高速域にある場合には、制御部２００は電動モータ５に加えて熱機関６を駆動する。これにより、第一プロペラ３及び第二プロペラ４が回転駆動された状態となる。
（作用効果）
　次いで、水中航走体１００、及び推進装置９０の動作について説明する。推進装置９０を動作させるに当たって、制御部２００はまずバッテリー９の電力によって電動モータ５を駆動する。電動モータ５が駆動することで、第一プロペラ３が軸線Ｏ回りに回転する。これにより、流路Ｆ内の水が下流側に向かって押し出され、水中航走体１００に推進力が与えられる。水中航走体１００の速度が予め定められた閾値未満にあるときは、このように電動モータ５による第一プロペラ３の駆動のみによって推進力を得る。
　一方で、水中航走体１００の速度が上記の閾値以上となった場合、制御部２００は電動モータ５に加えて、熱機関６を駆動する。これにより、第二プロペラ４も回転し、水中航走体１００の速度がさらに高くなる。速度域が変化するごとに、上記のような駆動源の切り替えと切り離しを繰り返して水中航走体１００が水中を航走する。
　以上、説明したように、上記構成によれば、電動モータ５によって第一プロペラ３が回転駆動され、熱機関６によって第二プロペラ４が回転駆動される。これにより、例えば速度域ごとに使用する駆動源を変えることが可能となる。その結果、推進装置９０をより効率的に運用することが可能となる。
　さらに、上記構成によれば、上流側の第一プロペラ３と下流側の第二プロペラ４との回転方向を反転させた二重反転プロペラとすることで、第一プロペラ３で生じた旋回流を第二プロペラ４で回収することができる。そのため、第二プロペラ４の後流での旋回損失を低減させることができる。これにより、推進装置９０の推進性能をさらに向上させることができる。
　加えて、上記構成によれば、電動モータ５は機体１内部ではなくシュラウド２内に設けられた外周駆動モータであることから、シュラウド２の周囲を流れる水によって常態的に冷却された状態となる。これにより、他の冷却装置を設けることなく電動モータ５を冷却することができる。その結果、推進装置９０の効率性をさらに向上させることができる。
　また、電動モータ５と熱機関６の２系統の動力源が互いに独立しているので、熱機関６から電動モータ５に電力を供給する発電機、減速機、補機類の追加が不要で、システムの複雑化や設置スペースの増大を回避することができる。
　ここで図２に示すように、駆動源として燃料電池システムを用いた場合、負荷が小さい低速域では特に高い効率特性を示し、負荷が大きい高速域でも、ある程度高い効率特性を示す。一方で、駆動源としてディーゼルエンジンや火花点火エンジン等の熱機関を用いた場合には、負荷が小さい低速域での効率特性が低下する傾向がある。熱機関としてガスタービンを用いた場合にも同様の傾向を示す。
　これに対して、上記構成によれば、速度が閾値未満の低速域では電動モータ５のみによって第一プロペラ３を駆動する。即ち、図３のグラフに示すように、電動モータ５は熱機関６に比べて低出力域での効率特性が優れていることから、上記構成によって推進装置９０の効率性を向上させることができる。また、電動モータ５のみによる駆動であることから低速域での静粛性も高めることができる。
　さらに、速度が閾値以上の高速域では電動モータ５に加えて熱機関６も動作させることで、さらなる出力の向上を図ることができる。上述した通り、熱機関６としてのガスタービンは低速域での効率特性が電動モータ５に劣る。そこで、上記のように低速域では電動モータ５を主体として駆動し、高速域に達した段階で熱機関６を駆動することで、電動モータ５及び熱機関６の効率特性をお互いに補い合うことができる。
　また、上記構成によれば、熱機関６とは独立したバッテリー９から供給された電力を用いて電動モータ５を駆動する。これにより、例えば熱機関６によって発電した電力を電動モータ５に供給する構成を採った場合の熱機関による負荷が小さい低速域での効率低下を回避でき、電力変換時に生じる損失もなくすことができる。このため、推進装置９０の効率をさらに高めることができる。
　以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば実施形態では、第一プロペラ３を電動モータ５で駆動し、第二プロペラ４を熱機関６で駆動する構成とした。しかしながらこれに限定されることはなく、第一プロペラ３を熱機関６で駆動し、第二プロペラ４電動モータ５で駆動する構成としてもよい。
　さらに、上記実施形態では、シュラウド２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２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、シュラウド２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、上記実施形態では、本開示に係る推進装置９０を水中航走体１００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に推進装置９０を適用してもよい。また、推進装置９０の構成を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９０、及び水中航走体１００（流体機械）は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係る推進装置９０は、軸線Ｏ方向に延びる機体１と、前記軸線Ｏ回りに回転可能な第一プロペラ３と、前記第一プロペラ３よりも下流側に設けられて前記軸線Ｏ回りに回転可能な第二プロペラ４と、前記第一プロペラ３及び前記第二プロペラ４の一方を回転駆動する電動モータ５と、前記第一プロペラ３及び前記第二プロペラ４の他方を回転駆動する熱機関６と、を備える。
　上記構成によれば、電動モータ５によって第一プロペラ３及び第二プロペラ４の一方が回転駆動され、熱機関６によって第一プロペラ３及び第二プロペラ４の他方が回転駆動される。これにより、例えば速度域ごとに使用する駆動源を変えることが可能となる。その結果、推進装置９０をより効率的に運用することが可能となる。
（２）第２の態様に係る推進装置９０は、前記機体１を外周側から囲うように設けられて、前記機体との間に流路Ｆを形成するシュラウド２と、前記流路Ｆに設けられる前記第一プロペラ３と、前記流路Ｆにおける前記第一プロペラ３よりも下流側に設けられる前記第二プロペラ４と、前記シュラウド２内に設けられる前記電動モータ５と、前記機体１に設けられる前記熱機関６と、を備えていてもよい。
　上記構成によれば、電動モータ５は機体１の内部ではなくシュラウド２内に設けられた外周駆動モータであることから、シュラウド２の周囲を流れる水によって常態的に冷却された状態となる。これにより、他の冷却装置を設けることなく電動モータ５を冷却することができる。その結果、推進装置９０の効率性をさらに向上させることができる。
（３）第３の態様に係る推進装置９０では、前記第一プロペラ３と前記第二プロペラ４との回転方向が反対であってもよい。
　上記構成によれば、上流側の第一プロペラ３と下流側の第二プロペラ４との回転方向を反転させた二重反転プロペラとすることで、第一プロペラ３で生じた旋回流を第二プロペラ４で回収することができる。そのため、第二プロペラ４の後流での旋回損失を低減させることができる。
（４）第４の態様に係る推進装置９０では、前記電動モータ５は、前記シュラウド２に固定されたステータ５１、及び、該ステータ５１の径方向内側で前記第一プロペラ３及び前記第二プロペラ４のうちの一方の外周部に固定されたロータ５２を備える外周駆動モータであってもよい。
　上記構成によれば、電動モータ５は機体１の内部ではなくシュラウド２内に設けられた外周駆動モータであることから、シュラウド２の周囲を流れる水によって常態的に冷却された状態となる。これにより、他の冷却装置を設けることなく電動モータ５を冷却することができる。その結果、推進装置９０の効率性をさらに向上させることができる。
（５）第５の態様に係る推進装置９０では、前記電動モータ５、及び前記熱機関６の動作を制御する制御部２００をさらに備え、該制御部２００は、前記推進装置９０による速度が予め定められた閾値未満である場合には前記電動モータ５のみを動作させ、前記閾値以上である場合には前記熱機関６を動作させてもよい。
　上記構成によれば、速度が閾値未満の低速域では電動モータ５のみによって第一プロペラ３及び第二プロペラ４の一方を駆動する。電動モータ５は熱機関６に比べて低出力域での効率特性が優れていることから、上記構成によって推進装置９０の効率性を向上させることができる。また、電動モータ５のみによる駆動であることから静粛性も高めることができる。さらに、速度が閾値以上の高速域では電動モータ５に加えて熱機関６も動作させることで、さらなる出力の向上を図ることができる。
（６）第６の態様に係る推進装置９０では、前記電動モータ５は、バッテリー９から供給された電力によって前記第一プロペラ３及び前記第二プロペラ４の一方を回転駆動してもよい。
　上記構成によれば、熱機関６とは独立したバッテリー９から供給された電力を用いて電動モータ５を駆動する。これにより、例えば熱機関６によって発電した電力を電動モータ５に供給する構成を採った場合の熱機関による負荷が小さい低速域での効率低下を回避でき、電力変換時に生じる損失もなくすことができる。このため、推進装置９０の効率をさらに高めることができる。
（７）第７の態様に係る流体機械（水中航走体１００）は、流体機械本体（航走体本体８０）と、該流体機械本体に設けられた上記いずれか一態様に係る推進装置９０と、を備える。
　上記構成によれば、流体機械の効率を向上させることができる。
　本開示は、推進装置、及び流体機械に関する。本開示によれば、推進装置の効率をさらに向上させることができる。
１００　水中航走体
９０　推進装置
１　機体
２　シュラウド
２ａ　ストラット
３　第一プロペラ
４　第二プロペラ
５　電動モータ
６　熱機関
７　変速機
８　インバータ
９　バッテリー
１０　第一軸受部
１０ａ　上流側スラスト軸受
１０ｂ　下流側スラスト軸受
１０ｃ　ジャーナル軸受
１１　第二軸受部
３１　内周側リング
３２　第一羽根
４１　ボス部
４２　第二羽根
５１　ステータ
５２　ロータ
６１　タンク
７１　回転軸
８０　航走体本体
２００　制御部

Claims (7)

  1. 　軸線方向に延びる機体と、
    　前記軸線回りに回転可能な第一プロペラと、
    　前記第一プロペラよりも下流側に設けられて前記軸線回りに回転可能な第二プロペラと、
    　前記第一プロペラ及び前記第二プロペラの一方を回転駆動する電動モータと、
    　前記第一プロペラ及び前記第二プロペラの他方を回転駆動する熱機関と、を備える推進装置。
  2. 　前記機体を外周側から囲うように設けられて、前記機体との間に流路を形成するシュラウドと、
    　前記流路に設けられる前記第一プロペラと、
    　前記流路における前記第一プロペラよりも下流側に設けられる前記第二プロペラと、　前記シュラウド内に設けられる前記電動モータと、
    　前記機体に設けられる前記熱機関と、を備える請求項１に記載の推進装置。
  3. 　前記第一プロペラと前記第二プロペラとの回転方向が反対である請求項１又は２に記載の推進装置。
  4. 　前記電動モータは、
    　前記シュラウドに固定されたステータ、及び、該ステータの径方向内側で前記第一プロペラ及び前記第二プロペラのうちの一方の外周部に固定されたロータを備える外周駆動モータである請求項２又は３に記載の推進装置。
  5. 　前記電動モータ、及び前記熱機関の動作を制御する制御部をさらに備え、
    　該制御部は、前記推進装置による速度が予め定められた閾値未満である場合には前記電動モータのみを動作させ、前記閾値以上である場合には前記熱機関を動作させる請求項１から４のいずれか一項に記載の推進装置。
  6. 　前記電動モータは、バッテリーから供給された電力によって前記第一プロペラ及び前記第二プロペラの一方を回転駆動する請求項１から５のいずれか一項に記載の推進装置。
  7. 　流体機械本体と、
    　該流体機械本体に設けられた請求項１から６のいずれか一項に記載の推進装置と、を備える流体機械。
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