JP2002002583A - 船体の摩擦抵抗低減方法及び摩擦抵抗低減船 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ないエネルギ消費で摩擦抵抗低減を行っ
て、航行時のエネルギ消費を効果的に節減することがで
きる船体の摩擦抵抗低減方法及び摩擦抵抗低減船を提供
する。 【解決手段】 船体１０の航行に伴って気体空間に対し
て低圧となる負圧箇所４１を水中に形成し、気体空間か
ら水中の負圧箇所４１に気体を導くとともに、負圧箇所
４１を発達させる循環流れΓを翼によって水中に生じさ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、船体の摩擦抵抗を
低減する摩擦抵抗低減方法及び摩擦抵抗低減船に係り、
特に、水中に気泡を効率よく放出することにより、総合
エネルギ効率を向上させるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、船舶等の航行時のエネルギ消
費を節減することを目的として、水中に気体を送り込
み、船体外板の表面（没水表面）の近傍に多数の気泡を
介在させて、船体と水との摩擦抵抗を低減する方法が提
案されている。

【０００３】水中に気泡を発生させる技術としては、特
開昭５０−８３９９２号、特開昭５３−１３６２８９
号、特開昭６０−１３９５８６号、特開昭６１−７１２
９０号、実開昭６１−３９６９１号、実開昭６１−１２
８１８５号が提案されている。

【０００４】これらの技術では、水中に気泡を発生させ
る方法として、ポンプやブロアなどの装置によって加圧
した気体を船体に設けられた複数の孔や多孔板から水中
に噴出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加圧し
た気体を水中に噴出する方法であると、加圧用の装置を
稼動するエネルギが必要となり、摩擦抵抗の低減によっ
て減少したエネルギの節約分が目減りしてしまう。特
に、大型船の船底など、比較的水深の大きい箇所におい
て水中に気体を噴出する際には、水圧（静水圧）に対応
して高い圧力に気体を加圧する必要があり、多大なエネ
ルギを消費してしまう。また、加圧用の装置を船体に設
置するにあたり、設備コストや施工コストなど多大なコ
ストが生じてしまう。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、以下の点を目的とするものである。 （１）少ないエネルギ消費で摩擦抵抗低減を行って、航
行時のエネルギ消費を効果的に節減すること。 （２）水中に気泡を効率よく混入させ、効果的な摩擦抵
抗低減を実施すること。 （３）船体の建造コストを低減すること。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、船体の没水表面に気泡を放
出して船体の摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減方法にお
いて、船体の航行に伴って気体空間に対して低圧となる
負圧箇所を水中に形成し、気体空間から水中の負圧箇所
に気体を導くとともに、前記負圧箇所を発達させる循環
流れを翼によって水中に生じさせる技術が採用される。
また、請求項２に係る発明は、船体の没水表面に気泡を
放出して船体の摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減船にお
いて、船体の没水表面に設けられ、気体空間に対して低
圧となる負圧箇所を水中に形成する負圧形成部と、前記
負圧形成部の後方に設けられ、水中の負圧箇所に向けて
気泡を放出する排出口と、一端が気体空間に開放される
とともに他端が前記排出口を介して水中に開放される流
体通路とを備え、前記負圧形成部には、翼状の断面形状
に形成される翼状部材が配設される技術が採用される。
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の摩擦抵
抗低減船において、前記翼状部材は、上向きの揚力が生
じるように配設される技術が採用される。

【０００８】本発明によれば、船体の航行に伴って気体
空間に対して低圧となる負圧箇所が水中に形成されるの
で、圧力勾配力によって、気体空間から水中に気体が導
かれ、水中に気泡が放出される。このとき、翼によって
水中に循環流れを生じさせて負圧箇所を発達させること
により、圧力勾配力が増して多量の気体が水中に導かれ
る。また、この循環流れによって船体に上向きの揚力を
作用させることにより、船体の浸水面積を減少させるこ
とが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る摩擦抵抗低減
船を、タンカーやコンテナ船等の肥大船に適用した一実
施形態について、図面を参照して説明する。図２におい
て、符号Ｍは摩擦抵抗低減船、１０は船体、１１は気泡
発生装置、１２は船体外板（没水表面）、１３は推進
器、１４は舵、１５は水面（喫水線）を示している。

【００１０】前記摩擦抵抗低減船Ｍとしての肥大船は、
例えばＶＬＣＣ（Very Large CrudeOil Carrier）とい
ったものがこれに該当し、他の種類の船舶に比べて、喫
水線１５下の船体外板１２（没水表面）において船底の
面積が船側に対して比較的大きく形成されている。さら
に、船体１０の前方（船首側）には、前記気泡発生装置
１１が配されている。

【００１１】気泡発生装置１１は、図２（ｂ）に示すよ
うに、船底に設けられた開口１２ａに配設される流体案
内体２０と、この流体案内体２０に接続される気体導入
管（ＡＩＰ：Air Induction Pipe）２１とを備えて構成
されている。

【００１２】流体案内体２０は、内部に空洞を有する筒
状の部材として全体が構成されており、その軸方向の両
端部には、前記気体導入管２１もしくは船体外板１２と
の接続用のフランジ２２，２３が設けられている。ま
た、船体外板１２への接続側（下側）の端部には、船体
の没水表面１２から突出しかつ船体の前方（船首側）を
臨んで軸方向に対して斜めに配される斜面２４（あるい
は曲面）が設けられている。斜面２４は、船尾方向に向
かって徐々に船体の没水表面１２からの高さが増すよう
に設けられている。また、斜面２４後方の側面２５に
は、流体案内体２０内の空洞の開口として、船体の後方
（船尾側）を望む貫通穴からなる排出口２６が設けられ
ている。さらに、斜面２４の前方には、翼状の断面形状
に形成される翼状部材（翼３０，３１，３２）が配設さ
れている。

【００１３】すなわち、図３及び図４に示すように、流
体案内体２０の前部において、船体の没水表面１２（図
２参照）に対して所定の間隔で略平行に配される第１翼
３０と、第１翼３０と船体外板１２との間に配されて第
１翼３０を支持する第２翼３１，３２とが設けられてい
る。

【００１４】翼３０，３１，３２の形状は、ＮＡＣＡ翼
型、オジバル翼型など様々な翼型が適用可能であり、船
体の形状及び船速に応じて定められる。また、第１翼３
０は、前縁３０ａ及び後縁３０ｂを船体の進行方向Ｄve
に向けるとともに、翼面３０ｃ（図２（ｂ）参照），３
０ｄを上下方向に向け、さらに、航行時において上向き
の揚力が作用する（航行時において、下方を臨む翼面３
０ｄに比べて上方を臨む翼面３０ｃ側の流速が大きくな
る）ように配設されている。なお、翼３０，３１，３２
により、船体の進行方向Ｄveに沿って、鉛直方向上向き
に凸となる湾曲した水路３５が形成される。

【００１５】図２に戻り、気体導入管（ＡＩＰ：Air In
duction Pipe）２１は、主として筒状の部材から構成さ
れ、船体１０をほぼ貫通状態に敷設されるとともに、フ
ランジ２７を介して流体案内体２０に接続されている。
気体導入管２１と流体案内体２０とが接続されることに
よって、その内部空間として流体通路３６が形成され
る。この流体通路３６は、気体導入管２１の空気取入れ
口２１ａを介して一端が気体空間（大気）に開放される
とともに、他端が前記排出口２６を介して水中に開放さ
れるようになっている。なお、流体通路３６（流体案内
体２０及び気体導入管２１の内部空間）は、少ない圧力
損失で所望の流量の流体が流動するように、その断面積
や形状が定められている。

【００１６】また、流体案内体２０の各構成部材の形状
や配置位置は、航行時に流体案内体２０における水の流
れが所望の状態になるように、数値流体力学（ＣＦＤ：
Computational Fluid Dynamics）による流場解析によっ
て設計されている。

【００１７】すなわち、例えば、所定の船速Ｖｓでの航
行時において、船体１０に対する相対的な水の流れによ
って気体空間（大気）に対して低圧となる負圧箇所が流
体案内体２０の後方側の水中に形成されるように、船体
の没水表面１２からの流体案内体２０の斜面２４の突出
高さなどが定められている。さらに、翼３０，３１，３
２により、その翼３０，３１，３２の周りを循環する流
れが生じ、その循環流れによって水路３５及び流体案内
体２０の斜面２４に沿って流れる水の流速が増大するよ
うに定められている。

【００１８】なお、流体案内体２０や気体導入管２１の
材質としては、例えば耐食処理された金属、あるいは樹
脂など、主として表面が海水に対して耐食性を有し、さ
らに海成生物が表面に付着しにくいものが好ましく用い
られる。なお、図２（ｂ）に示す符号２８は、フランジ
接続用のパッキンである。

【００１９】次に、上述のように構成される摩擦抵抗低
減船Ｍによる船体の摩擦抵抗低減方法について、図１を
参照して以下説明する。停船状態においては、流体通路
３６（図２に示す流体案内体２０及び気体導入管２１の
内部空間）に、船体１０の周囲とほぼ同じ水位まで水
（海水）が入り込んでいる。推進器１３（図２参照）の
推力により船体１０が航行状態になると、船体１０に対
して相対的な水の流れ４０が形成される。

【００２０】航行状態において、船底では、流体案内体
２０の斜面２４によって水の流路が狭められることによ
り、船底に沿って流れる水の流速が増大するとともに、
斜面２４のその突出端の鋭い角により、水中に剥離域が
形成される。これらにより、斜面２４の背面側の水中に
おいて、静水圧が局所的に低下する。

【００２１】そして、船体１０の航行速度が所定の船速
Ｖｓ（例えば標準航行速度）に達すると、斜面２４の後
方の水中において、大気に対して低圧となる負圧箇所４
１が形成される。

【００２２】このとき、空気取入れ口２１ａにおける圧
力に比べ、負圧箇所４１に面した排出口２６の圧力が低
いために、流体通路３６内の流体（海水及び空気）に対
して圧力勾配力が作用し、流体通路３６から海水が排出
されるとともに、空気取入れ口２１ａから流入した空気
が、流体通路３６を流動して水中に送り込まれる。

【００２３】そして、水中に送り込まれた気体が気泡４
２として水に混入し、船体１０の没水表面１２の近傍に
多数の気泡４２が介在することにより、船体１０の摩擦
抵抗が低減される。

【００２４】このとき、水中に空気を送り込むために必
要なエネルギは、主として気体の位置を変化させるため
のエネルギである。このエネルギは、船体の没水表面１
２から突出する流体案内体２０の斜面２４によって水の
流動状態を変化させることで得られるものであり、加圧
した気体を水中に噴出する場合に消費されるエネルギに
比べて少ない。そのため、船体１０の摩擦抵抗低減によ
り、航行時のエネルギ消費が効果的に低減される。

【００２５】また、本実施形態では、側面２５の突出端
の鋭い角により、剥離域とともにキャビテーションが生
じる。そのため、剥離域やキャビテーションによる攪拌
作用により、気体と水との境界面で気体と水とが積極的
に混合され、気液界面からの気泡４２の離脱が促進され
る。

【００２６】さらに、本実施形態では、流体案内体２０
の前部に翼３０，３１，３２が配設されており、この翼
３０，３１，３２の周りに循環流れΓが生じる。すなわ
ち、図１（ｂ）に示すように、第１翼３０の周りにおい
て、水路３５側の翼面３０ｃに沿って船尾方向に、反対
側の翼面３０ｄに沿って船首方向に流れる循環流れΓが
生じる。このとき、水路３５側の翼面３０ｃでは没水表
面１２に沿って流れる水の流れ４０と循環流れΓの速度
が加わって流速が増大し、これによって、斜面２４に沿
って流れる水の流速が増大し、負圧箇所４１の静水圧が
さらに低下する。そのため、流体通路３６内の流体に対
する圧力勾配力が増して、多量の空気（気泡）が水中に
放出される。なお、図１には示していないが、第２翼３
１，３２においても同様に、循環流れが生じるので、水
路３５及び斜面２４に沿って流れる水の流速がさらに増
大する。

【００２７】すなわち、翼３０，３１，３２の周りに生
じる循環流れΓにより、斜面２４の突出端Ｐにおける流
速が増大し、負圧箇所４１が発達して気泡４２に対する
水中への吸引力が増大する。これにより、水中に放出さ
れた多量の気泡４２が没水表面１２に介在するようにな
り、摩擦抵抗が効果的に低減される。また、循環流れΓ
は、低速航行時（例えば１０ノット程度）においても生
じるために、広範囲の航行速度に対して摩擦抵抗の低減
効果を向上させることができる。

【００２８】また、本実施形態では、第１翼３０の周り
の循環流れΓにより、第１翼３０の上下で圧力差が生
じ、第１翼３０を介して船体１０に対して上向きの揚力
Ｌｆが作用する。そして、この揚力Ｌｆにより、船体１
０の特に船首側が浮上して、船体１０の浸水面積が減少
し、船体１０の摩擦抵抗がさらに低減される。

【００２９】なお、負圧箇所４１の形成には、流体案内
体２０（翼３０，３１，３２や斜面２４など）の形状や
レイノルズ数が主な支配因子となり、水深による不利が
生じにくいと考えられるため、本発明に係る技術は、大
型船への適用に有利である。

【００３０】ところで、水中に混入された気泡４２は、
水深に応じた静水圧よりも低い内圧で形成される。その
ため、一定の水深で気泡４２が移動するとき（例えば船
底に沿って気泡が移動するとき）、負圧箇所４１から離
れるに従って気泡４２に大きな水圧が作用し、徐々に気
泡４２の大きさが小さくなる。本出願人らのこれまでの
研究によれば、比較的小さい気泡のほうが船体の摩擦抵
抗を低減するのに好ましいとされている。

【００３１】また、負圧箇所４１から離れるに従って気
泡４２に大きな水圧が作用することから、負圧作用によ
って発生した気泡４２は、従来の加圧方式に比べて、拡
散しにくい傾向にある。そのため、船体の没水表面１２
から気泡４２が比較的離れにくく、船底付近の所定領域
内に占める気泡４２の量が多くなる。本出願人らのこれ
までの研究によれば、所定領域内の気泡の量は多いほ
ど、船体の摩擦抵抗を低減するのに好ましく、しかも没
水表面１２に近い気泡ほどその効果が高い。これらのこ
とから、上述した負圧作用によって発生した気泡は、こ
の点からも摩擦抵抗の低減に有利に働く。したがって、
上述した流体案内体２０を、船底の広さに応じて複数配
置し、船底の複数箇所から気泡を放出することにより、
摩擦抵抗の低減効果をさらに向上させることができる。

【００３２】また、気泡発生装置１１は簡素な構成であ
り、気体を加圧するための装置が不要であることから、
船体１０の建造コストが少なくて済むことはいうまでも
ない。

【００３３】なお、上述した実施形態において示した各
構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発
明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づ
き種々変更可能である。例えば、上述した実施形態で
は、本発明を肥大船に適用した例を示したが、これに限
るものではなく、高速船や漁船など他の船にも適用可能
である。また、気泡発生装置１１の大きさや数、その配
置場所といったものは、船体の形状に応じて適宜設定さ
れる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水中に負圧箇所を形成することにより、圧力勾配力を利
用して、気体を加圧する場合に比べて少ないエネルギ消
費で水中に気体を送り込み、摩擦抵抗低減を行うことが
できる。また、水中に翼によって循環流れを生じさせて
負圧箇所を発達させることにより、水に混入される気泡
の量を増やすことができる。さらに、循環流れによって
船体に揚力を作用させることにより、船体の浸水面積を
減少させることができる。したがって、効果的な摩擦抵
抗低減を実施し、航行時のエネルギ消費を節減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る摩擦抵抗低減船による船体の摩
擦抵抗低減方法の一例を示す概念図である。

【図２】 本発明に係る船体の摩擦抵抗低減方法を船舶
に適用した一実施形態を概略的に示す構成図である。

【図３】 流体案内体の一部を示す斜視図である。

【図４】 図２に示すＡ矢視図である。

【符号の説明】

Ｍ 摩擦抵抗低減船 Γ 循環流れ １０ 船体 １１ 気泡発生装置 １２ 船体外板（没水表面） １５ 水面（喫水線） ２０ 流体案内体（負圧形成部） ２１ 気体導入管 ２４ 斜面 ２６ 排出口 ３０，３１，３２ 翼（翼状部材） ３６ 流体通路 ４０ 水の流れ ４１ 負圧箇所 ４２ 気泡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 船体の没水表面に気泡を放出して船体の
   摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減方法において、 船体の航行に伴って気体空間に対して低圧となる負圧箇
   所を水中に形成し、気体空間から水中の負圧箇所に気体
   を導くとともに、前記負圧箇所を発達させる循環流れを
   翼によって水中に生じさせることを特徴とする船体の摩
   擦抵抗低減方法。
2. 【請求項２】 船体の没水表面に気泡を放出して船体の
   摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減船において、 船体の没水表面に設けられ、気体空間に対して低圧とな
   る負圧箇所を水中に形成する負圧形成部と、 前記負圧形成部の後方に設けられ、水中の負圧箇所に向
   けて気泡を放出する排出口と、 一端が気体空間に開放されるとともに他端が前記排出口
   を介して水中に開放される流体通路とを備え、 前記負圧形成部には、翼状の断面形状に形成される翼状
   部材が配設されることを特徴とする摩擦抵抗低減船。
3. 【請求項３】 前記翼状部材は、上向きの揚力が生じる
   ように配設されることを特徴とする請求項２に記載の摩
   擦抵抗低減船。