JP2004299420A - Rudder with fin and vessel - Google Patents

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JP2004299420A JP2003091423A JP2003091423A JP2004299420A JP 2004299420 A JP2004299420 A JP 2004299420A JP 2003091423 A JP2003091423 A JP 2003091423A JP 2003091423 A JP2003091423 A JP 2003091423A JP 2004299420 A JP2004299420 A JP 2004299420A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a rudder with a fin which facilitates attachment of the fin and never reduces the propulsion efficiency, additionally, to obtain the low-cost rudder with the fin by reducing the torque moment applied to a rudder mounting part or a rudder main body. <P>SOLUTION: The rudder 9 is mounted behind a propeller 3 mounted on a stern part of a hull 1 through a rudder shaft 11. The propeller 3 is mounted to be rotated and driven around a rotary shaft center line C. A propeller cap 7 is attached at the end of a propeller boss 5 (on a side facing the rudder 9) constituting a rotation center part of the propeller 3. A valve 12 is mounted in a position facing the propeller cap 7 in the rudder 9. The fin 15a collecting a rotating flow of the propeller 3 is mounted only on the starboard side on which a rapid flow is generated near a rudder side surface, and a fin is not mounted on the port side on which a random, late flow is generated near a rudder side surface. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵および該フィン付き舵を備えた船舶に関する。
【0002】
【従来の技術】
船舶においてプロペラの後方に設けられる舵には、推進効率向上の為に、フィンが設けられることがある。フィンは、プロペラ後流(回転流)を受けて揚力と抗力を発生し、この揚力と抗力との合力における推進方向成分が、船舶の推進効率を向上させる。また、フィンは、プロペラ回転流のエネルギー回収効率を向上させる為に、翼型の形状に形成されるとともに、その翼型の形状や取り付け位置等に種々の工夫が行われている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
実公平6−35918号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
フィンは、上述のように揚力と抗力との合力によって推進方向成分の力を発生させる一方で、他方、抗力の増加が顕著になる結果、推進効率の改善に寄与しない結果を招く場合もある。そこで、フィンの取り付けにおいては、個々の船体における航行時のプロペラ後流の状態に応じて、取り付け角や取り付け位置等の取り付け条件を精密に調整する必要がある。そうしないと、上述の様にフィンの取り付けによって推進効率をむしろ低下させてしまうからである。
【0005】
しかし、フィンの取り付け条件は、実際には許容範囲が極めて狭く、最も適切な条件を探すのが極めて困難なものとなっている。特に、プロペラが右回転の場合、舵の左舷側においては、プロペラの回転流に、航行時に船体から生じる渦流(ビルジ渦)が加わる結果、舵側面近傍ではランダムな遅い流場が形成され、プロペラ回転面の外周近傍では上向きの急な流場が発生する。従って、左舷側において充分な揚力を得るためには、フィンをプロペラ回転面の外周部にまで充分に延設する必要があるが、舵側面近傍では上述のようにランダムな遅い流場によって充分な揚力を得ることができず、抗力の影響が支配的となって結果的に全体として推進効率が低下する場合もある。
【0006】
加えて、フィンに捻りを加え、スパンに応じて翼の迎え角を変化させる方法も考えられるが、この場合はフィンの加工性が極めて悪く、顕著なコストアップを招くことにもなる。また、この様なフィンの取り付けは、上述した最適な条件を探すのがより一層困難なものとなる。
【0007】
更に加えて、フィンは揚力を発生させることによって舵取付部(舵軸)或いは舵本体に回転モーメントを付与する為、舵取付部或いは舵本体の強度を確保する必要があり、設計の自由度が損なわれるとともに強度向上によってコストアップを招く場合もある。
【0008】
そこで本発明はこの様な状況に鑑みなされたものであり、その目的は、フィンの取り付け作業が容易であるとともに推進効率を低下させることのないフィン付き舵を得ることにあり、加えて、舵取付部或いは舵本体に加わる回転モーメントを低減して設計の自由度が高く低コストなフィン付き舵を得ることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵であって、前記船舶の推進によって船体から発生する渦であり、前記プロペラの回転面においては、前記プロペラの回転軸芯の左右において前記回転面の外周部で上方に向かうとともに前記プロペラの回転軸芯に向けて下方に流れこむ渦と、前記プロペラによる回転流と、の相乗効果によって前記舵の一方側の側面近傍に急流が発生する場合における、前記一方側の側面にのみ前記フィンが設けられていることを特徴とする。
【0010】
プロペラ後流は、プロペラのみによって生じる回転流に、船体から生じる渦流が合流することによって形成される。ここで、例えばプロペラが右回りの場合に、舵の右舷側においては、舵側面近傍に船体から生じる渦とプロペラ回転流との相乗効果によって下向きの急な流場(急流)が形成される。一方、舵の左舷側においては、舵側面近傍に船体から生じる渦とプロペラ回転流との相殺効果によってランダムな遅い流場(緩流)が形成され、プロペラ回転面における外周部には、船体から生じる渦とプロペラ回転流との相乗効果によって上向きの急な流場が形成される。
【0011】
ここで、上述した舵左舷側側面近傍に発生するランダムな遅い流場においては、充分な揚力が得られず、抗力が支配的となって推進効率を低下させる要因となり易い。そこで、上記第1の態様は、舵側面近傍に上記ランダムな遅い流場が形成される側面(上記プロペラ右回りの例では左舷側)を利用せずに、舵側面近傍に急流が発生する一方側の側面(上記プロペラ右回りの例では右舷側)にのみフィンを設けたことで、上記ランダムな遅い流場を確実に回避することができ、以て推進効率の低下を確実に防止することができる。加えて、舵側面近傍にランダムな遅い流場が存在する場合には、フィンの取付角や取付位置等の取付条件の調整が極めて困難であるが、上述した様にランダムな遅い流場を利用しないことで、フィンの取付作業を極めて容易にすることができる。更に、フィンの迎角をフィンのスパン位置毎に変化させる必要もないため、フィンの加工が容易となり、低コスト化を図ることができる。
【0012】
加えて、舵の両側面にフィンを取り付けた場合には、フィンに生じる揚力により、舵の取付部、或いは舵本体に回転モーメント(船の推進方向に平行な回転軸を持つモーメント力)が加わり、これにより、舵の取付部或いは舵本体の強度を確保する必要がある。しかし、フィンは舵の一側面側にのみ設けられることから、上記回転モーメントを著しく低減させることができ、設計の自由度が向上するとともに低コスト化を図ることができる。
【0013】
本発明の第2の態様は、船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵であって、前記船舶の推進によって船体から発生する渦であり、前記プロペラの回転面においては、前記プロペラの回転軸芯の左右において前記回転面の外周部で上方に向かうとともに前記プロペラの回転軸芯に向けて下方に流れこむ渦と、前記プロペラによる回転流と、の相殺効果によって前記舵の一方側の側面近傍に緩流が発生する場合における、前記一方側の側面とは反対側の側面にのみ前記フィンが設けられていることを特徴とする。
【0014】
上記第2の態様によれば、上記第1の態様と同様に、舵側面近傍に上記ランダムな遅い流場(緩流)が形成される当該一方側の側面を利用せずに、当該一方側の側面とは反対側の舵側面であって、舵側面近傍に急流が発生する側面にのみフィンを設けたことで、上記ランダムな遅い流場を確実に回避することができ、以て推進効率の低下を防止することができる。また、フィンの取付作業を極めて容易にすることができるとともに、フィンの迎角をスパン位置毎に変化させるといった必要もないため、フィンの加工が容易となり、低コスト化を図ることができる。加えて、舵の取付部或いは舵本体に加わる回転モーメントを著しく低減させることができ、設計の自由度が向上するとともに低コスト化を図ることができる。
【0015】
本発明の第3の態様は、船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵であって、前記プロペラが、船尾側から船首側を視て右回転であり、前記フィンが、右舷側の舵側面にのみ設けられていることを特徴とする。
【0016】
上記第3の態様によれば、プロペラが右回転であって、上記ランダムな遅い流場が舵側面近傍に発生する左舷側を利用せずに、急流が舵側面近傍に発生する右舷側にのみフィンを設けたことで、上記ランダムな遅い流場を確実に回避することができ、以て推進効率の低下を確実に防止することができる。また、フィンの取付作業を極めて容易にすることができるとともに、翼型における迎角をスパン位置毎に変化させた変形翼とする必要もないため、フィンの加工が容易となり、フィンの低コスト化を図ることができる。加えて、舵の取付部或いは舵本体に加わる回転モーメントを低減させることができ、設計の自由度を向上できるとともに、低コスト化を図ることができる。
【0017】
本発明の第4の態様は、上記第1から第3の態様のいずれかにおいて、前記フィンのスパンが、プロペラ直径の20%乃至45%となる様に形成されていることを特徴とする。
上記第4の態様によれば、前記フィンのスパンが、プロペラ直径の20%乃至45%となる様に形成されていることから、プロペラ回転流の存在する範囲にフィンが設けられることにより、効率的にプロペラ回転流を回収することができる。
【0018】
本発明の第5の態様は、上記第1から第4の態様のいずれかにおいて、前記フィンが下方又は上方に凸となるキャンバーラインを有する翼断面形状によって形成され、該翼断面形状において、最大厚が翼弦長の5%乃至25%であり、前記最大厚の位置が、翼前縁から翼弦長の45%乃至50%の任意の位置にあり、凸側とは反対側において、翼後縁と、該翼後縁から翼弦長の45%乃至55%における任意の位置との間が直線であるとともに、該直線の終端位置から翼前縁にかけてが、前記直線の延長線に対して翼厚増加方向側に位置する曲線であり、更に該曲線と、前記直線の延長線との間の最大距離が、翼弦長の5%未満であることを特徴とする。
【0019】
上記第5の態様によれば、フィンの翼断面形状における最大厚が翼舷長の5%乃至25%であるので、確実に揚力を得るべく一定のキャンバーを得ながら、抗力の増大を一定に抑えることができる。また、最大厚の位置が翼前縁から翼弦長の45%乃至50%の任意の位置にあるので、翼厚の分布が前後で均等となり、翼強度の低下を防止することができる。更に、凸側とは反対側において、翼後縁と、該翼後縁から翼弦長の45%乃至55%における任意の位置との間が直線であるので、フィンの工作性に優れ、フィンの低コスト化を図ることができる。加えて、前記直線の終端位置から翼前縁にかけてが、前記直線の延長線に対して翼厚増加方向側に位置する曲線であり、更に該曲線と、前記直線の延長線との間の最大距離が、翼弦長の5%未満であるので、翼効果が有効に得られる翼前半部でキャンバーを充分に得ることができる。
【0020】
本発明の第6の態様は、上記第1から第5の態様のいずれか1項に記載された前記フィン付き舵を備えたことを特徴とする船舶であり、当該第6の態様によれば、上述した第1から第5の態様のいずれかと同様な作用効果を得ることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図1乃至図7を参照しながら詳説する。ここで、図1は本発明に係る船舶の船尾側面図、図2はプロペラ作動時(右回り)の舵周辺におけるプロペラ軸芯に垂直な面での流速分布図、図3(A)、(B)は舵の斜視図、図4はフィンを左舷のみ、右舷のみ、左舷と右舷の双方に設けた場合のそれぞれの自航要素を示す図、図5は右舷フィンのスパンと自航要素との関係を示す図、図6は船尾部の正面図、図7はフィンの断面形状(翼型)を示す図である。
【0022】
図1において、船体1の船尾部に設けられたプロペラ3の後方に、舵軸11を介して舵9が設けられている。プロペラ3は回転軸芯線Cを中心に回転駆動される様に設けられ、プロペラ3の回転中心部を構成するプロペラボス5の先端(舵9と対向する側)には、プロペラキャップ7が取り付けられている。また、舵9においてプロペラ3と対向し且つプロペラ3の回転軸芯線Cと交差する位置にはバルブ12が設けられている。バルブ12は、プロペラへ流れ込む後流をいわば堰止めることによってプロペラ3の回転面内に伴流係数の大きい流域を形成し、以てプロペラ3における伴流利得を向上させる為のものである。尚、符号APで示す線は舵9の回動軸芯線を示すものである。
【0023】
プロペラキャップ7は、バルブ12に向かって順次径が大となる様な形状(本実施形態では円錐体形状)に形成され、これによって推進効率を向上させる様に構成されている。即ち、プロペラボス5の後方においては船体1が航行する際に所謂ハブ渦が発生し、流れを乱すが、プロペラキャップ7を上述した様な円錐体形状とすることにより、プロペラボス5の後方においては上記ハブ渦をバルブ12の外側に拡散させ、もって上記ハブ渦による流れの乱れを整流することが可能となる。
【0024】
舵9には、フィン15aが取り付けられている。舵9にフィン15aを取り付けることで、プロペラ後流によってフィン15aによる揚力と抗力を発生させ、該揚力と抗力の合力における推進方向成分により、プロペラ3の回転流を回収して推進効率(以下符号ηで表す)を向上させることができる。以下、当該フィン15aの具体的な実施形態について説明する。
【0025】
先ず、図2は、舵9の断面におけるプロペラ後流の流れ方向を示すベクトル図(船体後方から前方を視た図)である。プロペラ3は船体後方から視て右回転する為、プロペラ3のみによって発生する後流は、舵9の左舷側では上向きの流れとなり、右舷側では下向きの流れとなる。しかし、プロペラ3には、船体1から舵9の左舷側で図2の時計回り方向、右舷側で反時計回り方向の渦、つまり、船体1の推進によって船体1から発生する渦であり、プロペラ3のプロペラ回転面PDにおいては、プロペラ3の回転軸芯の左右においてプロペラ回転面PDの外周部で上方に向かうとともに前記プロペラの回転軸芯に向けて下方に流れこむ渦(所謂ビルジ渦)、が流れ込んでくる。従って当該ビルジ渦と、プロペラ3の回転流との相殺効果と相乗効果とにより、図2に示す様に左舷側においては舵側面近傍に遅いランダムな流場(緩流)が発生し、プロペラ回転面PDの外周部では、急な上向きの流場が発生する。また、右舷側においては、舵側面近傍に急な下向きの流場(急流)が発生する。
【0026】
以上により、舵9にフィンを取り付ける場合には、左舷側に取り付けるフィンは上述した急な上向きの流場に届く様に、プロペラ回転面PDの外周部まで充分に延設する必要がある。しかしこの場合、フィンは、舵9の左側面近傍における遅いランダムな流場を通る必要がある。
【0027】
ここで、舵9の左側面近傍における遅いランダムな流場においては、フィンは充分な揚力を発揮することができず、抗力が支配的となり、むしろ推進効率ηを低下させる要因となり易い。また、推進効率ηを向上させることができるフィン取付位置或いは取付角度等の、フィン取付条件の許容範囲が極めて狭く、調整作業が極めて困難となり易い。そして殆どの場合、船の全ての航行条件において最適なフィン取付条件が結果として得ることができず、フィンを取り付けたことによって、逆に推進効率ηを低下させてしまうことになる。
【0028】
そこで、上述した舵9における左舷側の側面近傍に生じる遅いランダムな流場を確実に避けるべく、フィンを舵9の右舷側のみに設けることで、推進効率ηの低下要因を確実に排除して、推進効率ηを効率的に向上させることが可能となる。
【0029】
図4は、フィンを左舷のみ、右舷のみ、左舷と右舷の双方に設けた場合のそれぞれの自航要素を比較する図である(フィンスパンは右舷及び左舷双方ともにプロペラ直径Dpの35%)。ここで、図4においてηはプロペラ効率比、1−tは推進減少係数tに基づく1−t、1−wは模型船の伴流係数に基づいて推定した実船の伴流係数wに基づく1−w、△ηはフィン無しを基準とした場合の推進効率η(=((1−w)/(1−t))×η×η:ηはプロペラ単独効率)の向上率を示している。
【0030】
図示する様に、両舷にフィンを設けた場合の推進効率ηに比して右舷のみにフィンを設けた場合の推進効率ηが向上していることが判る(特に、1−tが顕著に向上)。つまり、左舷フィンが推進効率ηを低下させる要因となっていることが判る。
【0031】
次に、図5は、右舷フィンのスパン(プロペラ直径Dpに対する割合)を0%(フィン無し)から20%、28%、35%と変化させた場合の自航要素の変化を示すものであり、図示する様に、フィンのスパンを大きくするに従って、少なくとも35%までは、推進効率ηがフィンのスパンに比例して向上することが判る(特に、1−tが顕著に向上)。
【0032】
一方、フィンがプロペラ回転面より外側に張り出すと、プロペラ回転流の存在しない範囲にまでフィンが存在することとなり、抗力が支配的となって推進効率ηが低下することが考えられるとともに、プロペラ後流はプロペラによって加速される為に縮流され、プロペラ回転流が存在する範囲は、実際にはプロペラ回転面よりも狭い範囲となる。
【0033】
以上により、右舷フィンのスパンをプロペラ直径に対して20%乃至45%程度とすることにより、右舷側の側面に生じる下向きの急な流場のみを利用して、右舷フィンの機能を効果的に発揮することが可能となる。
【0034】
次に、図3は右舷フィンの一実施例を示すものであり、図3(A)、(B)に示す舵9のいずれにおいても、左舷側にフィンは設けられておらず、右舷側の側面9aにのみフィン15aが設けられている。図3(A)は、側面9aに直接フィン15aを取り付けた実施例を示すものであり、図3(B)は、バルブ12にフィン15aを取り付けた実施例を示すものである。バルブ12にフィン15aを取り付けることで、より一層推進効率ηを向上させることができるが、バルブ12を設けない場合でも、上述した右舷側のみのフィン15aの作用効果は得ることができる。
【0035】
加えて、以下の様な作用効果を得ることもできる。図6(A)は舵9の左右両舷にフィンを取り付けた状態を示す模式図(符号15bは左舷側フィン)であり、図6(B)は右舷のみにフィン15aを取り付けた状態を示す模式図である。左右両舷にフィンを取り付けた場合には、それぞれのフィンには図の矢印で示す方向の揚力が発生する。ここで、それぞれの揚力は、舵9の舵軸11或いは舵9本体に図の時計方向回りの回転モーメントを付与することとなり、舵軸11或いは舵9の強度設計にこれを考慮する必要が生じる。しかし、右舷のみにフィン15aを取り付けたことにより、上記回転モーメントを顕著に低減させることができ、これにより、舵軸11或いは舵9の設計に考慮する強度を低く設定することができ、設計の自由度が向上するとともに、構造の簡素化等によって舵軸11或いは舵9の低コスト化を図ることが可能となる。
【0036】
次に、本実施形態におけるフィン15aの翼型について詳説する。図1に示す様に、フィン15aを翼型の形状によって形成することができ、この場合右舷側のフィン15aは、キャンバーラインが下に凸となる様に設けられる。図7は説明の便宜上、キャンバーラインが上に凸となる様にフィン15aの翼型を示した図であり、符号CBはキャンバーラインを示している。図7において、本実施形態においては翼断面形状における最大厚dが、翼舷長a+bの5%乃至25%となる様に設定されている。従って確実に揚力を得るべく一定のキャンバーを得ながら、抗力の増大を一定に抑えることができる。また、最大厚dの位置Qが翼前縁から翼弦長の45%乃至50%の任意の位置(符号eで示す距離)に設定されている。従って翼厚の分布が前後で均等となり、翼強度の低下を防止することができる。
【0037】
更に、凸側とは反対側(翼底面)において、翼後縁と、該翼後縁から翼弦長の45%乃至55%における任意の位置Pとの間(符号bで示す区間)が直線(平坦面)となる様に形成されている(直線G)。従って、フィンの工作性に優れ、フィンの低コスト化を図ることができる。加えて、前記直線の終端位置から翼前縁にかけて(符号aで示す区間)が、前記直線の延長線に対して翼厚増加方向側に位置する曲線(曲線F)であり、更に該曲線と、前記直線の延長線との間の最大距離(符号cで示す距離)が、翼弦長a+bの5%未満となる様に形成されている。従って、翼効果が有効に得られる翼前半部でキャンバーを充分に得ることができる。
【0038】
尚、この様な翼型の形状は、舵9の右舷側にのみフィンを取り付ける本発明の実施形態に限られず、舵9の両舷にフィンを取り付ける従来の実施形態においても、上記作用効果を得ることができることは言うまでもない。
【0039】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、舵側面近傍に上記ランダムな遅い流場が形成される側面(上記プロペラ右回りの例では左舷側)を利用せずに、舵側面近傍に急流が発生する一方側の側面(上記プロペラ右回りの例では右舷側)にのみフィンを設けたことで、上記ランダムな遅い流場を確実に回避することができ、以て推進効率の低下を確実に防止することができる。加えて、舵側面近傍にランダムな遅い流場が存在する場合には、フィンの取付角や取付位置等の取付条件の調整が極めて困難であるが、上述した様にランダムな遅い流場を利用しないことで、フィンの取付作業を極めて容易にすることができる。更に、フィンの迎角をフィンのスパン位置毎に変化させる必要もないため、フィンの加工が容易となり、低コスト化を図ることができる。加えて、舵の両側面にフィンを取り付けた場合には、フィンに生じる揚力により、舵の取付部、或いは舵本体に回転モーメント(船の推進方向に平行な回転軸を持つモーメント力)が加わり、これにより、舵の取付部或いは舵本体の強度を確保する必要がある。しかし、フィンは舵の一側面側にのみ設けられることから、上記回転モーメントを著しく低減させることができ、設計の自由度が向上するとともに低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る船舶の船尾側面図である。
【図2】プロペラ作動時(右回り)の舵周辺におけるプロペラ軸芯に垂直な面での流速分布図である。
【図3】(A)は舵の外観斜視図、(B)は他の実施形態に係る舵の外観斜視図である。
【図4】フィンを左舷のみ、右舷のみ、両舷に設けた場合のそれぞれの自航要素を示す図である。
【図5】右舷フィンのスパンと自航要素との関係を示す図である。
【図6】船尾部の正面図である。
【図7】フィンの断面形状(翼断面)を示す図である。
【符号の説明】
1 船体
3 プロペラ
5 プロペラボス
7 プロペラ
7a プロペラキャップ
9 舵
11 舵軸
15a フィン(右舷側)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rudder provided with fins for generating a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a marine vessel, and a marine vessel provided with the finned rudder.
[0002]
[Prior art]
On a rudder provided behind a propeller in a ship, fins are sometimes provided to improve propulsion efficiency. The fins generate a lift and a drag in response to the wake (rotational flow) of the propeller, and the propulsion component of the resultant force of the lift and the drag improves the propulsion efficiency of the ship. The fins are formed in the shape of an airfoil in order to improve the energy recovery efficiency of the propeller rotating flow, and various modifications are made to the shape and the mounting position of the airfoil. Reference 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Utility Model Publication No. 6-35918
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the fin generates the force of the propulsion direction component by the combined force of the lift and the drag as described above, but on the other hand, the increase in the drag becomes conspicuous, and the fin may not contribute to the improvement of the propulsion efficiency. Therefore, in mounting the fins, it is necessary to precisely adjust the mounting conditions such as the mounting angle and the mounting position according to the state of the wake behind the propeller in each hull during navigation. Otherwise, the propulsion efficiency is rather reduced by the attachment of the fins as described above.
[0005]
However, the fin attachment conditions are actually extremely narrow in the permissible range, and it is extremely difficult to find the most appropriate condition. In particular, when the propeller rotates clockwise, on the port side of the rudder, a vortex (bilge vortex) generated from the hull during navigation is added to the rotating flow of the propeller, and as a result, a random slow flow field is formed near the rudder side. In the vicinity of the outer circumference of the rotating surface, a steep upward flow field is generated. Therefore, in order to obtain a sufficient lift on the port side, it is necessary to extend the fins sufficiently to the outer peripheral portion of the propeller rotating surface, but near the rudder side, the random slow flow field is sufficient as described above. In some cases, lift cannot be obtained, and the effect of drag becomes dominant, resulting in a reduction in propulsion efficiency as a whole.
[0006]
In addition, a method of twisting the fin to change the angle of attack of the wing according to the span can be considered. However, in this case, the workability of the fin is extremely poor, and this leads to a significant increase in cost. In addition, it is more difficult to find the above-mentioned optimum conditions for mounting such fins.
[0007]
In addition, the fin imparts a rotational moment to the rudder mounting part (rudder shaft) or the rudder main body by generating lift, so that it is necessary to ensure the strength of the rudder mounting part or the rudder main body, and the degree of freedom in design is increased. In some cases, the strength is increased and the cost is increased due to the strength improvement.
[0008]
Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to obtain a finned rudder that can easily perform fin mounting work and does not reduce the propulsion efficiency. An object of the present invention is to obtain a finned rudder having a high degree of design freedom and a low cost by reducing a rotational moment applied to a mounting portion or a rudder main body.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a first aspect of the present invention is a rudder provided with fins that generate a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a marine vessel. A vortex that is generated, and on the rotation surface of the propeller, on the left and right sides of the rotation axis of the propeller, goes upward at the outer peripheral portion of the rotation surface and flows downward toward the rotation axis of the propeller; The fin is provided only on the one side surface when a rapid flow occurs near the one side surface of the rudder due to a synergistic effect of the rotational flow of the propeller.
[0010]
The wake of the propeller is formed by the vortex generated from the hull joining the rotating flow generated only by the propeller. Here, for example, when the propeller is clockwise, on the starboard side of the rudder, a downward steep flow field (rapid flow) is formed near the rudder side due to a synergistic effect of the vortex generated from the hull and the propeller rotating flow. On the other hand, on the port side of the rudder, a random slow flow field (slow flow) is formed near the rudder side due to the canceling effect of the vortex generated from the hull and the propeller rotating flow, and the outer periphery of the propeller rotating surface is Due to the synergistic effect of the generated vortex and the propeller rotating flow, a steep upward flow field is formed.
[0011]
Here, in a random slow flow field generated near the rudder port side surface described above, sufficient lift cannot be obtained, and the drag becomes dominant, which tends to be a factor that lowers propulsion efficiency. Therefore, in the first aspect, the rapid flow is generated near the rudder side surface without using the side surface where the random slow flow field is formed near the rudder side surface (port side in the example of the propeller clockwise). By providing fins only on the side surface (the starboard side in the example of clockwise rotation of the propeller), it is possible to reliably avoid the random slow flow field, thereby reliably preventing a reduction in propulsion efficiency. Can be. In addition, if there is a random slow flow field near the rudder side, it is extremely difficult to adjust the mounting conditions such as the fin mounting angle and mounting position, but use the random slow flow field as described above. By not doing so, the work of attaching the fins can be made extremely easy. Further, since it is not necessary to change the angle of attack of the fin for each span position of the fin, machining of the fin becomes easy and cost reduction can be achieved.
[0012]
In addition, when fins are attached to both sides of the rudder, a rotational moment (a moment force having a rotational axis parallel to the ship's propulsion direction) is applied to the rudder attachment portion or the rudder main body due to the lift generated by the fins. Therefore, it is necessary to secure the strength of the rudder mounting portion or the rudder main body. However, since the fins are provided only on one side of the rudder, the rotational moment can be significantly reduced, so that the degree of freedom of design can be improved and the cost can be reduced.
[0013]
A second aspect of the present invention is a rudder provided with fins for generating a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a marine vessel, the vortex generated from a hull by propulsion of the marine vessel, In the rotation surface, the vortex flowing upward and downward toward the rotation axis of the propeller on the left and right sides of the rotation axis of the propeller at the outer peripheral portion of the rotation surface, and the rotation flow of the propeller, The fins are provided only on the side surface opposite to the one side surface when the slow flow occurs near the one side surface of the rudder due to the offset effect.
[0014]
According to the second aspect, similar to the first aspect, the one side where the random slow flow field (slow flow) is formed near the rudder side is used without using the one side. By providing fins only on the side of the rudder opposite to the side where the rapid flow occurs near the rudder, the above-mentioned random slow flow field can be reliably avoided, and thus the propulsion efficiency Can be prevented from decreasing. Further, the work of attaching the fins can be made extremely easy, and there is no need to change the angle of attack of the fins for each span position, so that the fins can be easily worked and the cost can be reduced. In addition, the rotational moment applied to the rudder mounting portion or the rudder main body can be significantly reduced, so that the degree of freedom in design can be improved and the cost can be reduced.
[0015]
A third aspect of the present invention is a rudder provided with fins for generating a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a ship, wherein the propeller rotates rightward as viewed from the stern side to the bow side. The fin is provided only on the starboard side on the starboard side.
[0016]
According to the third aspect, the propeller rotates clockwise, and does not use the port side where the random slow flow field occurs near the rudder side, but only on the starboard side where the rapid flow occurs near the rudder side. By providing the fins, it is possible to reliably avoid the random slow flow field, and it is possible to reliably prevent the propulsion efficiency from lowering. In addition, the work of mounting the fins can be made extremely easy, and there is no need to use deformed wings in which the angle of attack of the airfoil is changed for each span position. Can be achieved. In addition, the rotational moment applied to the rudder mounting portion or the rudder main body can be reduced, the degree of freedom in design can be improved, and the cost can be reduced.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the span of the fin is formed to be 20% to 45% of the propeller diameter.
According to the fourth aspect, since the span of the fin is formed so as to be 20% to 45% of the propeller diameter, the fin is provided in the range where the propeller rotational flow exists, thereby improving the efficiency. It is possible to collect the propeller rotating flow.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the fin is formed by a wing cross-sectional shape having a camber line projecting downward or upward. The thickness is 5% to 25% of the chord length, and the position of the maximum thickness is anywhere from 45% to 50% of the chord length from the leading edge of the wing, and on the side opposite to the convex side, A straight line is formed between the trailing edge and any position between 45% and 55% of the chord length from the trailing edge of the wing, and from the end position of the straight line to the leading edge of the wing, a line extending from the straight line extends. And the maximum distance between the curve and an extension of the straight line is less than 5% of the chord length.
[0019]
According to the fifth aspect, since the maximum thickness of the fin in the cross-sectional shape of the fin is 5% to 25% of the wing length, the increase in drag is kept constant while obtaining a constant camber so as to reliably obtain lift. Can be suppressed. Further, since the position of the maximum thickness is at an arbitrary position of 45% to 50% of the chord length from the leading edge of the blade, the distribution of the blade thickness becomes uniform before and after, and a reduction in blade strength can be prevented. Further, on the side opposite to the convex side, a straight line is formed between the trailing edge of the wing and an arbitrary position within 45% to 55% of the chord length from the trailing edge of the wing. Cost can be reduced. In addition, a curve extending from the terminal position of the straight line to the blade leading edge is located on the blade thickness increasing direction side with respect to the extended line of the straight line, and furthermore, a maximum between the curved line and the extended line of the straight line. Since the distance is less than 5% of the chord length, a sufficient camber can be obtained in the first half of the wing where the wing effect is effectively obtained.
[0020]
A sixth aspect of the present invention is a vessel including the finned rudder according to any one of the first to fifth aspects, according to the sixth aspect. The same operation and effect as those in any of the first to fifth aspects described above can be obtained.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a stern side view of the ship according to the present invention, FIG. 2 is a flow velocity distribution diagram on a plane perpendicular to the propeller shaft center around the rudder when the propeller is operated (clockwise), FIG. B) is a perspective view of the rudder, FIG. 4 is a view showing respective self-propelled elements when fins are provided only on the port side, only on the starboard side, and both on the port and starboard sides. FIG. FIG. 6 is a front view of the stern portion, and FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional shape (airfoil) of the fin.
[0022]
In FIG. 1, a rudder 9 is provided via a rudder shaft 11 behind a propeller 3 provided at a stern portion of a hull 1. The propeller 3 is provided so as to be driven to rotate around a rotation axis C. A propeller cap 7 is attached to a tip (a side facing the rudder 9) of a propeller boss 5 constituting a rotation center of the propeller 3. ing. A valve 12 is provided at the rudder 9 at a position facing the propeller 3 and intersecting with the rotation axis C of the propeller 3. The valve 12 forms a flow area having a large wake coefficient in the rotation plane of the propeller 3 by blocking the wake flowing into the propeller, so to speak, to improve the wake gain in the propeller 3. Note that a line indicated by a reference sign AP indicates a rotation axis of the rudder 9.
[0023]
The propeller cap 7 is formed in a shape (in this embodiment, a conical shape) having a diameter gradually increasing toward the valve 12, and is configured to improve propulsion efficiency. That is, when the hull 1 sails behind the propeller boss 5, a so-called hub vortex is generated and disturbs the flow. However, by forming the propeller cap 7 into a conical shape as described above, the propeller boss 5 is rearward. The vortex diffuses the hub vortex to the outside of the valve 12, thereby making it possible to rectify the flow turbulence caused by the hub vortex.
[0024]
The fin 15a is attached to the rudder 9. By attaching the fins 15a to the rudder 9, lift and drag by the fins 15a are generated by the wake of the propeller, and the propulsion direction component of the resultant force of the lift and drag is used to collect the rotational flow of the propeller 3 and propulsion efficiency (hereinafter referred to as the symbol). η P ) can be improved. Hereinafter, a specific embodiment of the fin 15a will be described.
[0025]
First, FIG. 2 is a vector diagram showing the flow direction of the wake of the propeller in the cross section of the rudder 9 (a diagram viewed from the rear of the hull to the front). Since the propeller 3 rotates clockwise as viewed from the rear of the hull, the wake generated only by the propeller 3 becomes an upward flow on the port side of the rudder 9 and a downward flow on the starboard side. However, the propeller 3 is a vortex in the clockwise direction in FIG. 2 on the port side of the rudder 9 from the hull 1 and in the counterclockwise direction on the starboard side, that is, a vortex generated from the hull 1 by the propulsion of the hull 1. In the propeller rotating surface PD of No. 3, a vortex (a so-called bilge vortex) which flows upward at the outer peripheral portion of the propeller rotating surface PD on the left and right sides of the rotating shaft of the propeller 3 and flows downward toward the rotating shaft of the propeller; Comes in. Therefore, due to the canceling effect and the synergistic effect of the bilge vortex and the rotating flow of the propeller 3, a slow random flow field (slow flow) is generated near the rudder side on the port side as shown in FIG. At the outer peripheral portion of the surface PD, a steep upward flow field is generated. On the starboard side, a steep downward flow field (rapid flow) is generated near the rudder side.
[0026]
As described above, when fins are mounted on the rudder 9, the fins mounted on the port side need to be sufficiently extended to the outer peripheral portion of the propeller rotating surface PD so as to reach the above-mentioned steep upward flow field. However, in this case, the fins need to pass through a slow random flow field near the left side of the rudder 9.
[0027]
Here, in a slow random flow field in the vicinity of the left side surface of the rudder 9, the fins cannot exert a sufficient lift, and the drag becomes dominant, which rather tends to be a factor for lowering the propulsion efficiency η P. In addition, the allowable range of the fin mounting conditions such as the fin mounting position or the mounting angle at which the propulsion efficiency η P can be improved is extremely narrow, and the adjustment work is likely to be extremely difficult. In most cases, optimum fin mounting conditions cannot be obtained as a result in all navigation conditions of the ship, and the installation of the fins, on the contrary, lowers the propulsion efficiency η P.
[0028]
Therefore, in order to reliably avoid the slow random flow field generated near the port side surface of the rudder 9 described above, the fins are provided only on the starboard side of the rudder 9 to reliably eliminate the cause of the reduction in the propulsion efficiency η P. Thus, the propulsion efficiency η P can be efficiently improved.
[0029]
FIG. 4 is a diagram comparing self-propulsion elements when fins are provided only on the port side, only on the starboard side, and on both the port side and the starboard side (the fin span is 35% of the propeller diameter Dp on both the starboard side and the port side). In FIG. 4, η R is the propeller efficiency ratio, 1-t is 1-t based on the propulsion reduction coefficient t, and 1-w S is the wake coefficient w of the actual ship estimated based on the wake coefficient of the model ship. 1−w S , Sη based on S is the propulsion efficiency η P (= ((1−w S ) / (1-t)) × η R × η O : η O is based on the absence of the fin: η O is the propeller It shows the rate of improvement of individual efficiency).
[0030]
As shown in the figure, it can be seen that the propulsion efficiency η P when the fins are provided only on the starboard side is improved as compared with the propulsion efficiency η P when the fins are provided on both sides (particularly, 1-t Noticeably improved). In other words, it can be seen that the port fin is a factor that lowers the propulsion efficiency η P.
[0031]
Next, FIG. 5 shows the change of the self-propelled element when the span of the starboard fin (the ratio to the propeller diameter Dp) is changed from 0% (no fin) to 20%, 28%, and 35%. As shown in the drawing, it can be seen that as the fin span is increased, the propulsion efficiency η P increases in proportion to the fin span at least up to 35% (particularly, 1-t significantly increases).
[0032]
On the other hand, when the fins protrude outward from the propeller rotation surface, the fins exist to the extent that the propeller rotation flow does not exist, and the drag becomes dominant and the propulsion efficiency η P is considered to decrease, The wake of the propeller is contracted because it is accelerated by the propeller, and the range in which the propeller rotating flow exists is actually narrower than the propeller rotating surface.
[0033]
As described above, by setting the span of the starboard fin to be about 20% to 45% with respect to the propeller diameter, the function of the starboard fin can be effectively utilized by utilizing only the downward steep flow field generated on the starboard side. It is possible to demonstrate.
[0034]
Next, FIG. 3 shows an embodiment of the starboard fin. In any of the rudder 9 shown in FIGS. 3A and 3B, no fin is provided on the port side, and the starboard fin is not provided. Fins 15a are provided only on side surface 9a. FIG. 3A shows an embodiment in which the fin 15a is directly attached to the side surface 9a, and FIG. 3B shows an embodiment in which the fin 15a is attached to the valve 12. By attaching the fin 15a to the valve 12, the propulsion efficiency η P can be further improved. However, even when the valve 12 is not provided, the above-described operation and effect of the fin 15a only on the starboard side can be obtained.
[0035]
In addition, the following effects can be obtained. FIG. 6A is a schematic diagram showing a state in which fins are mounted on both sides of the rudder 9 (reference numeral 15b is a port side fin), and FIG. 6B shows a state in which fins 15a are mounted only on the starboard side. It is a schematic diagram. When fins are attached to both the left and right ports, a lift is generated in each fin in the direction indicated by the arrow in the figure. Here, each lift gives a clockwise rotation moment to the rudder shaft 11 of the rudder 9 or the rudder 9 main body in the figure, and it is necessary to consider this in the strength design of the rudder shaft 11 or the rudder 9. . However, by mounting the fins 15a only on the starboard side, the rotational moment can be remarkably reduced, whereby the strength considered in the design of the rudder shaft 11 or the rudder 9 can be set low, and the design can be reduced. The degree of freedom is improved, and the cost of the rudder shaft 11 or the rudder 9 can be reduced by simplifying the structure.
[0036]
Next, the airfoil of the fin 15a in the present embodiment will be described in detail. As shown in FIG. 1, the fins 15a can be formed in the shape of an airfoil. In this case, the fins 15a on the starboard side are provided so that the camber line is convex downward. FIG. 7 is a diagram showing the wings of the fins 15a so that the camber line is convex upward for convenience of description, and reference numeral CB indicates the camber line. In FIG. 7, in this embodiment, the maximum thickness d in the blade cross-sectional shape is set to be 5% to 25% of the blade length a + b. Accordingly, it is possible to suppress the increase in the drag force while obtaining a constant camber so as to surely obtain the lift force. The position Q of the maximum thickness d is set at an arbitrary position (distance indicated by reference symbol e) of 45% to 50% of the chord length from the blade leading edge. Therefore, the distribution of the blade thickness becomes uniform before and after, and a decrease in blade strength can be prevented.
[0037]
Further, on the side opposite to the convex side (wing bottom surface), a straight line is formed between the trailing edge of the blade and an arbitrary position P at 45% to 55% of the chord length from the trailing edge (a section indicated by the symbol b). (Straight surface) (straight line G). Therefore, the workability of the fin is excellent, and the cost of the fin can be reduced. In addition, from the end position of the straight line to the leading edge of the blade (section indicated by a), a curve (curve F) located on the blade thickness increasing direction side with respect to the extension of the straight line is further provided. , Is formed so that the maximum distance (distance indicated by reference symbol c) between the straight line and the extended line is less than 5% of the chord length a + b. Therefore, a sufficient camber can be obtained in the first half of the wing where the wing effect is effectively obtained.
[0038]
In addition, such a shape of the airfoil is not limited to the embodiment of the present invention in which fins are provided only on the starboard side of the rudder 9, and the above-described effects can be obtained in the conventional embodiment in which fins are provided on both sides of the rudder 9. It goes without saying that you can get it.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the rapid flow is generated near the rudder side surface without using the side surface on which the random slow flow field is formed near the rudder side surface (port side in the example of the propeller clockwise). By providing fins only on one side surface (the starboard side in the example of clockwise rotation of the propeller), the random slow flow field can be avoided reliably, and the reduction in propulsion efficiency is ensured. Can be prevented. In addition, if there is a random slow flow field near the rudder side, it is extremely difficult to adjust the mounting conditions such as the fin mounting angle and mounting position, but use the random slow flow field as described above. By not doing so, the work of attaching the fins can be made extremely easy. Further, since it is not necessary to change the angle of attack of the fin for each span position of the fin, machining of the fin becomes easy and cost reduction can be achieved. In addition, when fins are attached to both sides of the rudder, a rotational moment (a moment force having a rotational axis parallel to the ship's propulsion direction) is applied to the rudder mounting portion or the rudder main body due to the lift generated by the fins. Thus, it is necessary to ensure the strength of the rudder mounting portion or the rudder main body. However, since the fins are provided only on one side of the rudder, the above-mentioned rotational moment can be remarkably reduced, so that the degree of freedom of design can be improved and the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a stern side view of a ship according to the present invention.
FIG. 2 is a flow velocity distribution diagram on a plane perpendicular to a propeller axis around a rudder when a propeller is operated (clockwise).
FIG. 3A is an external perspective view of a rudder, and FIG. 3B is an external perspective view of a rudder according to another embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing respective self-propelled elements when fins are provided only on the port side, only on the starboard side, and on both sides.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a span of a starboard fin and a self-propelled element.
FIG. 6 is a front view of a stern.
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional shape (wing cross section) of a fin.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 Hull 3 Propeller 5 Propeller boss 7 Propeller 7a Propeller cap 9 Rudder 11 Rudder shaft 15a Fin (starboard side)

Claims (6)

船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵であって、
前記船舶の推進によって船体から発生する渦であり、前記プロペラの回転面においては、前記プロペラの回転軸芯の左右において前記回転面の外周部で上方に向かうとともに前記プロペラの回転軸芯に向けて下方に流れこむ渦と、
前記プロペラによる回転流と、
の相乗効果によって前記舵の一方側の側面近傍に急流が発生する場合における、前記一方側の側面にのみ前記フィンが設けられている、
ことを特徴とするフィン付き舵。
A rudder provided with fins for generating a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a ship,
A vortex generated from the hull by the propulsion of the ship, and on the rotation surface of the propeller, on the left and right sides of the rotation axis of the propeller, goes upward at the outer peripheral portion of the rotation surface and toward the rotation axis of the propeller. A vortex flowing down,
Rotating flow by the propeller,
When a rapid flow occurs near one side surface of the rudder due to a synergistic effect, the fins are provided only on the one side surface,
A finned rudder characterized by the following.
船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵であって、
前記船舶の推進によって船体から発生する渦であり、前記プロペラの回転面においては、前記プロペラの回転軸芯の左右において前記回転面の外周部で上方に向かうとともに前記プロペラの回転軸芯に向けて下方に流れこむ渦と、
前記プロペラによる回転流と、
の相殺効果によって前記舵の一方側の側面近傍に緩流が発生する場合における、前記一方側の側面とは反対側の側面にのみ前記フィンが設けられている、
ことを特徴とするフィン付き舵。
A rudder provided with fins for generating a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a ship,
A vortex generated from the hull by the propulsion of the ship, and on the rotation surface of the propeller, on the left and right sides of the rotation axis of the propeller, goes upward at the outer peripheral portion of the rotation surface and toward the rotation axis of the propeller. A vortex flowing down,
Rotating flow by the propeller,
In the case where a gentle flow occurs near the one side surface of the rudder due to the offset effect of the rudder, the fin is provided only on the side surface opposite to the one side surface,
A finned rudder characterized by the following.
船舶におけるプロペラの後流を利用して推進方向の力を発生させるフィンを備えた舵であって、
前記プロペラが、船尾側から船首側を視て右回転であり、
前記フィンが、右舷側の舵側面にのみ設けられている、
ことを特徴とするフィン付き舵。
A rudder provided with fins for generating a force in a propulsion direction by using a wake of a propeller in a ship,
The propeller is clockwise when viewed from the stern side to the bow side,
The fin is provided only on the rudder side on the starboard side,
A finned rudder characterized by the following.
請求項1から3のいずれか1項において、前記フィンのスパンが、プロペラ直径の20%乃至45%となる様に形成されている、
ことを特徴とするフィン付き舵。
4. The fin according to claim 1, wherein a span of the fin is formed to be 20% to 45% of a propeller diameter. 5.
A finned rudder characterized by the following.
請求項1から4のいずれか1項において、前記フィンが下方又は上方に凸となるキャンバーラインを有する翼断面形状によって形成され、
該翼断面形状において、最大厚が翼弦長の5%乃至25%であり、
前記最大厚の位置が、翼前縁から翼弦長の45%乃至50%の任意の位置にあり、
凸側とは反対側において、翼後縁と、該翼後縁から翼弦長の45%乃至55%における任意の位置との間が直線であるとともに、該直線の終端位置から翼前縁にかけてが、前記直線の延長線に対して翼厚増加方向側に位置する曲線であり、更に該曲線と、前記直線の延長線との間の最大距離が、翼弦長の5%未満である、
ことを特徴とするフィン付き舵。
The fin according to any one of claims 1 to 4, wherein the fin is formed by a wing cross-sectional shape having a camber line that is convex downward or upward,
In the wing cross-sectional shape, the maximum thickness is 5% to 25% of the chord length,
The maximum thickness position is anywhere from 45% to 50% of the chord length from the wing leading edge;
On the side opposite to the convex side, a straight line is formed between the trailing edge of the wing and any position between 45% and 55% of the chord length from the trailing edge, and extends from the end position of the straight line to the leading edge of the wing. Is a curve located on the blade thickness increasing direction side with respect to the extension of the straight line, and further, the maximum distance between the curve and the extension of the straight line is less than 5% of the chord length.
A finned rudder characterized by the following.
請求項1から5のいずれか1項に記載された前記フィン付き舵を備えたことを特徴とする船舶。A marine vessel comprising the finned rudder according to any one of claims 1 to 5.
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