JP2004299423A

JP2004299423A - バルブ、舵、船舶

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Publication number: JP2004299423A
Application number: JP2003091439A
Authority: JP
Inventors: Kotaku Yamamoto; 虎卓山本; Koyu Kimura; 校優木村; Akihito Hirayama; 明仁平山; Akihiko Fujii; 昭彦藤井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP3886049B2

Abstract

【課題】より一層推進効率を向上させることのできるバルブを提供する。
【解決手段】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。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１３が設けられ、該バルブ１３は、プロペラ３の回転軸芯線方向視における形状が、プロペラ３の回転軸芯より上側領域の面積に対し、下側領域の面積が大なる様に形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶の推進効率向上の為に舵においてプロペラと対向する位置に設けられるバルブ及び該バルブを備えた舵並びに該舵を備えた船舶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船舶におけるプロペラ及び舵まわりにおいては、船舶の推進効率向上の為、種々の工夫がなされる。その一つとしてバルブがあり、バルブは、舵においてプロペラと対向する位置に設けられることにより、プロペラへの後流を外側に排除して、プロペラへ流れ込む後流の流入速度を遅くして船舶の推進効率を向上させる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１１９９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、バルブはプロペラへ流れ込む後流の流入速度を遅くして推進効率を向上させる一方で、他方、それ自体が抗力を発生させ、推進効率を低下させる一因となるため、そのバランスを如何にとるかが重要な課題となる。
【０００５】
従来のバルブは、プロペラの回転軸芯線方向視において、回転軸芯を中心にして上下対称の形状（所謂回転体形状）をなす様に形成されていたが、必ずしも、上述したバランスの観点からは理想的な形状とは言えなかった。
【０００６】
そこで本発明は、プロペラへ流れ込む後流の流入速度を遅くするバルブのメリットと、それ自体が抗力を発生させるデメリットとの観点から、より一層バランスの優れたバルブ形状を形成することによって、より一層推進効率を向上させることにある。
【０００７】
【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、船舶の舵においてプロペラと対向する位置であって前記プロペラの回転軸芯線の延長線上に設けられるバルブであって、前記回転軸芯線方向視における形状が、前記プロペラの回転軸芯と交差する水平線より上側領域の面積に対し、下側領域の面積が大なる様に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
プロペラ後流（プロペラ作動時）の伴流分布においてバルブが設けられる範囲には、プロペラ回転軸芯から上側部分に流れの速い領域が存在する為、当該領域が、バルブによる抗力発生が著しい領域、即ち推進効率を低下させ易い領域となっている。一方、プロペラに流入する船体伴流の伴流分布においては、プロペラ回転軸芯から下側において、流れの速い領域が存在することから、バルブによって当該領域のプロペラ流入速度を遅くして、プロペラによる伴流利得を効果的に向上させることができる状態となっている。従って、上記第１の態様においては、この様な流れの分布に鑑みて、バルブ形状を、プロペラ回転軸線方向視において、プロペラ回転軸芯より上側の領域を小さくし、プロペラ回転軸芯より下側領域を大きくした。これにより、バルブによる抗力が減少するとともに、プロペラへ流れ込む後流を効果的にプロペラ回転面の外側に排除して、推進効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、前記下側領域が真円弧によって形成され、前記上側領域が楕円弧によって形成されていることを特徴とする。
上記第２の態様によれば、前記下側領域が真円弧によって形成され、前記上側領域が楕円弧によって形成されたことにより、バルブのプロペラ軸芯線方向視におけるプロペラ回転軸芯から下側領域の面積が上側領域の面積より大きくなり、これにより、上述した第１の態様の作用効果を得ることができる。
【００１０】
本発明の第３の態様は、上記第１の態様において、前記下側領域が真円弧によって形成され、前記下側領域が、前記真円弧の２つの端点に接続する２つの直線と、該２つの直線の端点に接続する真円弧とによって形成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記第３の態様によれば、前記下側領域が真円弧によって形成され、前記下側領域が、前記真円弧の２つの端点に接続する２つの直線と、該２つの直線の端点に接続する真円弧とによって形成されているので、これによってバルブのプロペラ軸芯線方向視におけるプロペラ回転軸芯から下側領域の面積が上側領域の面積より大きくなり、以て上述した第１の態様の作用効果を得ることができる。
【００１２】
本発明の第４の態様は、船舶に設けられる舵であって、上記第１から第３の態様のいずれかに記載された前記バルブをプロペラと対向する位置に備えていることを特徴とする。当該第４の態様によれば、上記第１から第３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。
【００１３】
本発明の第５の態様は、上記第４の態様の舵を備えたことを特徴とする船舶である。当該第５の態様によっても、上記第１から第３のいずれかと同様な作用効果を得ることができる。
【００１４】
本発明の第６の態様は、上記第５の態様において、前記バルブと対向する位置に設けられるプロペラキャップが、前記バルブに向かって順次径が大となる様に形成されていることを特徴とする。
上記第６の態様によれば、前記バルブと対向する位置に設けられるプロペラキャップが、前記バルブに向かって順次径が大となる様に形成されていることから、この様な形状によって、プロペラの後方中央部に発生する乱れた流れや渦を拡散・整流することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
先ず、図１乃至図９を参照しながら本発明に係るバルブの実施形態について説明する。ここで、図１は船尾側面図、図２はプロペラ後流（プロペラ作動時）の伴流分布図、図３はプロペラ後流（プロペラ作動時）の伴流係数の周方向分布図、図４はプロペラに流入する船体伴流の、プロペラ位置における伴流係数の周方向分布図、図５はバルブ１３の正面図、図６（Ａ）はバルブ１３の平面図、図６（Ｂ）はバルブ１３の側面図（右舷側から視た図）、図７はバルブ１４の正面図、図８（Ａ）はバルブ１４の平面図、図８（Ｂ）はバルブ１４の側面図（右舷側から視た図）、図９は本発明と従来例の自航要素の差を示す図である。
【００１６】
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１３が設けられている。バルブ１３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。
【００１７】
プロペラキャップ７は、バルブ１３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１３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。
【００１８】
次に、プロペラ３の後流について図２乃至図４を参照しつつ説明する。図２において、符号Ｖはプロペラ３の回転軸芯と交差する垂直線、符号Ｈは同じくプロペラ３の回転軸芯と交差する水平線、符号ＰＤはプロペラ回転面を示している。図示する様に、プロペラ後流の伴流分布は、プロペラ回転面ＰＤ内におけるバルブが設けられる範囲（おおよそ符号ＰＣで示す円の範囲）においては水平線Ｈより下側の領域、より具体的には水平線Ｈより下側の領域であってプロペラ３の回転軸芯に近接する部分の流れが遅く（伴流係数が大きい）、水平線Ｈより上側の領域が流れが速い（伴流係数が小さい）状態となっている。
図３は、この状態を伴流係数の周方向分布で示したものである。図３においては、０°、１８０°が垂直線Ｖに対応し、９０°、２７０°が水平線Ｈに対応する。図示する様に、水平線Ｈより上側（２７０°〜９０°）の範囲が、下側（９０°〜２７０°）の範囲に比して伴流係数が小さくなっている（流れが速くなっている）。
【００１９】
一方、プロペラ３に流入する船体伴流の伴流係数周方向分布を示す図４においては、０°、１８０°が垂直線Ｖ、９０°が水平線Ｈを表している。図４においては、水平線Ｈより下側の領域において伴流係数の小さい（流れの速い）領域が存在する。つまり、バルブ１３を配設することで、プロペラ３へ流入する船体伴流の流入速度を遅くすることができ、もって効果的に、プロペラ３における伴流利得を向上できることが判る。
【００２０】
以上により、バルブ１３においては、図２及び図３より、水平線Ｈから上側の領域がバルブ１３の形状による抗力の発生に大きく寄与し、プロペラ３へ流れ込む後流の堰止め効果を発揮して伴流利得を向上させる効果よりも、前記抗力発生による推進効率低下の影響が著しくなり易いことが判る。一方、図４より、水平線Ｈから下側の領域が、バルブ１３がプロペラ後流の堰止め効果を発揮した場合に、効果的にプロペラ３における伴流利得を向上させることができることが判る。
【００２１】
そこで本実施形態においては、バルブ１３のプロペラ軸芯線方向視における形状を、図５に示す様に水平線Ｈに対して上下非対称とし、水平線Ｈより上側領域の面積に対し、下側領域の面積が大なる様に形成した（水平線Ｈより下側領域の面積に対し、上側領域の面積が小なる様に形成した）。つまり、バルブ１３の形状による抗力の発生に大きく寄与する上側領域の面積は小さく、プロペラ後流の堰止め効果を効果的に得ることができる下側領域の面積は大きくとったことで、推進効率を効果的に向上させることができる。
【００２２】
バルブ１３の形状は、具体例として図５に示す様に、水平線Ｈから下側領域が真円弧１３ｂにより、上側領域が該真円弧の端点に接続する楕円弧１３ａによって形成することができる。また、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す様に流れの剥離を防止する観点から、平面視及び側面視において流線形の形状に形成することが好ましい。また、他の実施例として、図７に示すような正面形状とすることもできる。図７及び図８は他の実施例に係るバルブ１４を示すものであり、バルブ１４は、正面視において下側領域が真円弧１４ｃによって形成され、上側領域が、該真円弧に接続する直線１４ｂ、１４ｂと、該直線１４ｂ、１４ｂに接続する円弧１４ａによって形成されている。
【００２３】
尚、以上説明したバルブの形状は一例であり、プロペラ３の回転軸芯から下側領域の面積が上側領域の面積より大なる形状（上側領域の面積が下側領域の面積より小なる形状）であれば、どの様な形状であっても構わない。
【００２４】
図９はバルブ無しの場合と、従来技術に係るバルブ（プロペラ３の回転軸芯線方向視において上下対称の真円形状（所謂回転体形状））と、本実施形態に係るバルブ１３及び１４と、の自航要素を示す図である。図において「非対称バルブＡ」はバルブ１３を、「非対称バルブＢ」はバルブ１４を示し、η_Ｒ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_Ｓ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_Ｓに基づく１−ｗ_Ｓ、△ηはバルブ無しを基準とした場合の推進効率η_Ｐ（＝（（１−ｗ_Ｓ）／（１−ｔ））×η_Ｒ×η_Ｏ：η_Ｏはプロペラ単独効率）の向上率を示している。図示する様に、非対称バルブＡ、Ｂはともに従来技術に係るバルブに比して１−ｗが減少し、これによって推進効率η_Ｐが大きく向上していることが判る。
【００２５】
続いて、図１０乃至図１６を参照しながら、舵９に取り付けるフィンについて説明する。ここで、図１０はプロペラ作動時（右回り）の舵周辺（舵断面）におけるプロペラ軸芯に垂直な面での流速分布図、図１１（Ａ）、（Ｂ）は舵の斜視図、図１２は船尾部の側面図、図１３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自航要素を示す図、図１４は右舷フィンのスパンと自航要素との関係を示す図、図１５は船尾部の正面図、図１６はフィンの断面形状（翼型）を示す図である。
【００２６】
舵９にフィンを取り付けることで、プロペラ後流によって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η_Ｐを向上させることができる。以下、当該フィンの具体的な実施形態について説明する。
【００２７】
先ず、図１０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（図１１参照）。従ってこれらの相殺効果と相乗効果とにより、図１０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における外周部では、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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（以下符号η_Ｐで表す）を低下させる要因となり易い。また、推進効率η_Ｐ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_Ｐを低下させてしまうことになる。
【００３０】
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_Ｐの低下要因を確実に排除して、推進効率η_Ｐを効率的に向上させることが可能となる。
【００３１】
図１３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それぞれプロペラ直径Ｄｐの３５％）。図示する様に、両舷にフィンを設けた場合の推進効率η_Ｐに比して右舷のみにフィンを設けた場合の推進効率η_Ｐ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_Ｐを低下させる要因となっていることが判る。
【００３２】
次に、図１４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、３５％までは、推進効率η_Ｐ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）。
【００３３】
一方、フィンがプロペラ回転面から外側に張り出すと、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_Ｐ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。
以上により、右舷フィンのスパンをプロペラ直径の少なくとも２０％乃至４５％程度とすることにより、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１１及び図１２は右舷フィンの一実施例を示すものであり、図１１及び図１２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１１（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１１（Ｂ）及び図１２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。
【００３５】
また、バルブ１２は、図５乃至図８を参照しながら説明したバルブ１３、１４と同様に、プロペラ回転軸芯線方向視における形状を、プロペラ回転軸芯に対して上下非対称とし、プロペラ回転軸芯より上側領域の面積に対し、下側領域の面積が大なる様に形成することで、上述した様により一層推進効率η_Ｐを向上させることができる。しかし、上下対称のバルブ形状（所謂回転体形状）であっても、上述した右舷側のみのフィン１５ａの作用効果を得ることができる。
【００３６】
加えて、以下の様な作用効果を得ることもできる。図１５（Ａ）は舵９の左右両舷にフィンを取り付けた状態を示す図（符号１５ｂは左舷側フィン）であり、図１５（Ｂ）は右舷のみにフィン１５ａを取り付けた状態を示す図である。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。
【００３７】
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１２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（左舷側に設ける場合は上に凸となる様に設ける）。図１５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１５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。
【００３８】
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。
【００３９】
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実施例に限られず、舵９の両舷にフィンを取り付ける実施例においても、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。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、バルブが設けられる範囲（プロペラキャップ面内）における流れの分布と、プロペラ回転面内全体における流れの分布とに鑑みて、バルブ形状を、プロペラ回転軸線方向視において、プロペラ回転軸芯より上側の領域を小さくし、プロペラ回転軸芯より下側領域を大きくしたので、これにより、バルブによる抗力が減少するとともに、プロペラへ流れ込む後流を効果的にプロペラ回転面の外側に排除して、推進効率を向上させることが可能となる。
【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】プロペラ後流（プロペラ作動時）の伴流分布図である。
【図３】プロペラ後流（プロペラ作動時）の伴流係数の周方向分布図である。
【図４】プロペラに流入する船体伴流の、プロペラ位置における伴流係数の周方向分布図である。
【図５】本発明に係るバルブの正面図である。
【図６】（Ａ）は本発明に係るバルブの平面図、（Ｂ）は同側面図である。
【図７】本発明に係るバルブの正面図である。
【図８】（Ａ）は本発明に係るバルブの平面図、（Ｂ）は同側面図である。
【図９】本発明に係るバルブと従来例に係るバルブとの自航要素の差を示す図である。
【図１０】プロペラ作動時（右回り）の舵周辺（舵断面）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１１】（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１２】船尾部の側面図である。
【図１３】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１４】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１５】船尾部の正面図である。
【図１６】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
１３、１４バルブ
１５ａフィン（右舷側）

Claims

船舶の舵においてプロペラと対向する位置であって前記プロペラの回転軸芯線の延長線上に設けられるバルブであって、
前記回転軸芯線方向視における形状が、前記プロペラの回転軸芯と交差する水平線より上側領域の面積に対し、下側領域の面積が大なる様に形成されている、ことを特徴とするバルブ。
請求項１において、前記下側領域が真円弧によって形成され、
前記上側領域が楕円弧によって形成されている、ことを特徴とするバルブ。
請求項１において、前記下側領域が真円弧によって形成され、
前記下側領域が、前記真円弧の２つの端点に接続する２つの直線と、該２つの直線の端点に接続する真円弧とによって形成されている、ことを特徴とするバルブ。
船舶に設けられる舵であって、請求項１から３のいずれか１項に記載した前記バルブをプロペラと対向する位置に備えている、
ことを特徴とする舵。
請求項４記載の舵を備えたことを特徴とする船舶。
請求項５において、前記バルブと対向する位置に設けられるプロペラキャップが、前記バルブに向かって順次径が大となる様に形成されている、ことを特徴とする船舶。