JP2005193747A - 動揺抑制装置およびこれを装備した船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】 上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制すると共に波浪中抵抗増加も抑制し、さらに、操船性能を向上することができる動揺抑制装置、および該動揺抑制装置を装備した船舶を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の動揺抑制装置は、船舶の船首部に装備され、船舶１０の船首部の左舷および右舷それぞれから突出する船首翼２１と、船舶１０の上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制するように前記左右の船首翼２１の翼角をそれぞれ独立に制御する制御手段とを装備する。また、船舶１０の上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制すると共に、船舶１０の旋回または停止を支援するように前記左右の船首翼２１の翼角をそれぞれ独立に制御する制御手段とを装備する。さらに、本発明の船舶１０は前記動揺抑制装置を装備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は船舶に装備されてその動揺を抑制する動揺抑制装置およびこれを装備した船舶に関する。

波浪中の船舶に生じる動揺の主なものとしては、上下揺（ヒーブ）、縦揺（ピッチング）および横揺（ローリング）があり、船体に働く波の作用および船体動揺によって抵抗が増加し船速が低下したり、船体や艤装品の構造信頼性の低下、乗り心地の悪化、各種船上作業の稼働率低下を招いたりしている。
このため、船舶の縦揺（ピッチング）防止装置として、船首部に設置する傾動自在なフィンが開示されている。該フィンは、船首部が上昇する際は前下がりに傾動して、これにより生じる下向き揚力を船首部の上昇抑制力、該下向き揚力の水平成分を推進力としてそれぞれ作用させ、一方、船首部が下降する際は前上がりに傾動して、これにより生じる上向き揚力を船首部の下降抑制力、該上向き揚力の水平成分を推進力としてそれぞれ作用させるものである（例えば、特許文献１参照）。

また、船舶の縦揺防止効果に加え造波抵抗を減少させるため、船首バルブに設置するフィンが開示されている。該フィンは、フィン角度と水流の入射角を同方向にすることで形状抵抗を小さくし、且つ船首バルブの見かけ上のボリュームを増やすものである（例えば、特許文献２参照）。

さらに、船舶の横揺（ローリング）防止装置として、能動フィン式減揺装置（いわゆるフィンスタビライザー）が開示されている。すなわち、船舶の両舷に張り出した左右のフィンが同一周期かつ同一回動角度範囲でそれぞれ反対方向に反復的に回動し、このとき発生するそれぞれ反対方向の作用力が船体の重心回りの偶力として作用するものである（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６１−０３７５９３号公報（第２頁、図１） 実開平 ４−０９１５９７号公報（第２頁、図１） 特開平 ７−２４６９９１号公報（第２頁、図１）

しかしながら、前記技術におけるフィンは、それぞれ縦揺防止装置あるいは横揺防止装置として特化したものであって、縦揺および横揺の両方を防止しようとすると、それぞれの装置を装備する必要があるという問題があった。
また、船舶の旋回性能や停止性能の向上に、効果的に作用させるということまで考慮されていなかった。
さらに、船体に設置した加速度センサーによって船舶動揺のみを計測するため、波はあっても船体運動がほとんどない場合には、波の運動によって翼に働く推進力を効率的に得ることができなかった。

本発明は以上のような問題を解決するためになされたものであり、船体表面上の圧力変動を測ることによって翼角度を制御して、上下揺、縦揺および横揺の全てを同時に抑制し、また、それによって波浪中の抵抗増加を低減でき、さらに、操船性能を向上することができる動揺抑制装置、および該動揺抑制装置を装備した船舶を提供することを目的とする。

（１）本発明の動揺抑制装置は、船舶の船首部に装備される動揺抑制装置であって、
船舶の船首部の左舷および右舷にそれぞれ突出する船首左舷翼および船首右舷翼と、
船舶の上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制すると共に波浪中抵抗増加も抑制するように前記船首左舷翼および船首右舷翼それぞれの翼角を独立に制御する制御手段とを装備することを特徴とする。
（２）また、船舶の船首部に装備される動揺抑制装置であって、
船舶の船首部の左舷および右舷にそれぞれ突出する船首左舷翼および船首右舷翼と、
船舶の上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制するとともに、該船舶の旋回または停止を支援するように前記船首左舷翼および船首右舷翼それぞれの翼角を独立に制御する制御手段を装備することを特徴とする。
（３）また、前記（１）または（２）において、前記船舶の船体表面に作用する圧力変動を計測する圧力センサーを装備することを特徴とする。
（４）さらに、本発明の船舶は、前記（１）乃至（３）の何れかに記載の動揺抑制装置を装備したことを特徴とする。

本発明の動揺抑制装置は、船舶の上下揺と縦揺と横揺との３種類の動揺を同時に抑制する。また、その結果、船体動揺に起因する抵抗増加を低減すると共に、翼に働く推力の発生によって波浪中の抵抗増加を減らし船速低下を抑制する。さらに、船舶の旋回半径を小さくしたり、また停止距離を短くしたりして操船性能が向上する。
本発明の船舶は、動揺が少なく、波浪中の船速低下が少なく、さらに、高い操船性能を有する。

以下、実施形態１として動揺抑制装置について、実施形態２として動揺抑制装置の制御システムについて、それぞれ説明する。なお、船首左舷翼または船首右舷翼を特別区別する必要がない場合は、両者を船首翼と総称する

［実施形態１］
（動揺抑制装置の原理概要）
図１は本発明に係る動揺抑制装置の原理を説明する原理概要図である。図１において、船舶１０の船首部の舷１１に動揺抑制装置（図示しない）が設置され、その両舷に船首翼２１が回動自在に突出している。
船首部が上昇するとき、船速と船体および波の運動とによって矢印Ｗで示す水流（以下、水流Ｗと称す）が船首翼２１に流入し、水流Ｗによって下向き揚力Ｌが発生する。そして、揚力Ｌの水平方向成分が推力Ｔとなって船舶１０の推進力として作用し、揚力Ｌの鉛直方向成分が下向きの減衰力Ｒとなって船舶１０の上昇を抑制する。
一方、船首部が下降するとき、船首翼２１の下面側から速度の速い水流が流入し、該水流によって上向き揚力が発生する。そして、該揚力の水平方向成分が推力となって船舶１０の推進力として作用し、該揚力の鉛直方向成分が上向きの減衰力となって船舶１０の下降を抑制する（図示しない）。

（動揺抑制装置）
図２は本発明に係る動揺抑制装置を示す模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。動揺抑制装置２０は、船舶１０の船首部に設置されるものであって、左舷１１ａ、右舷１１ｂに突出する一対の船首翼２１ａ、２１ｂと、船首翼２１ａ、２１ｂに固定された回動軸２２ａ、２２ｂと、回動軸２２ａ、２２ｂを回動自在に支持する軸受け２３ａ、２３ｂと、回動軸２２ａ、２２ｂに固定された従動タイミングプーリ２４ａ、２４ｂと、船舶１０の船首部に設置された駆動モータ設置２５ａ、２５ｂと、駆動モータ設置２５ａ、２５ｂの駆動軸に固定された駆動タイミングプーリ２６ａ、２６ｂと、従動タイミングプーリ２３ａ、２３ｂと駆動タイミングプーリ２６ａ、２６ｂとに巻回されたタイミングベルト２７ａ、２７ｂとを有している。

また、回動軸２２ａ、２２ｂには、その回動を拘束したり開放（回動自在）にしたりする軸拘束手段が付設されている。そして、回動が拘束された状態で、船首翼２１ａ、２１ｂに作用する前記力（揚力Ｌ、推力Ｔ、減衰力Ｒ等）が船体に伝達され、一方、回動が開放された状態で、駆動モータ設置２５ａ、２５ｂの回転によって船首翼２１ａ、２１ｂが所定のフィン角度に回動されるものである。

さらに、駆動モータ設置２５ａ、２５ｂの回転停止および軸拘束手段（図示しない）の動作を制御する翼制御部３０を有している。そして、翼制御部３０には、船舶１０の走行情報、動揺情報、船底圧力情報あるいは操船情報等が入力される。なお、回動軸２２ａ、２２ｂは、それぞれ同期して回動したり（回動角度、回動角速度等は同一または相違する）、手動入力によって所定の翼角に強制的に回動したりすることも可能である。
また、回動軸２２ａ、２２ｂに伸縮機構または折り畳み機構を設けることにより、船首翼２１ａ、２１ｂを、船舶１０の船体内に収納することが可能になる（図示しない）。
なお、以上のタイミングベルト／タイミングプーリ方式は翼の設置位置における船体幅が狭く、駆動モータを設置することができない場合のアレンジであり、空間的な余裕がある場合は、駆動モータを回動軸に直結することも可能である。

図３は本発明に係る動揺抑制装置における船首翼の平面形状の例を示す平面図であり、船長１７５ｍのコンテナ船について検討したものである。なお、後記する模型試験用の模型船における船首翼の寸法を図中に座標表示（単位：ｍｍ）する。
図３において、平面視台形の第一の船首翼（以下、タイプ１の船首翼と称す）は舷に近い方の長手方向の縁（以下、根本縁と称す）の長さが４．３７５ｍ（実船相当寸法。以下同じ）で、舷から遠い方の長手方向の縁（以下、先端縁と称す）の長さが１．７５ｍ、根本縁と先端縁との幅方向の間隔（以下、翼幅と称す）が８．７５ｍ、根本縁の前方端に対する先端縁の前方端の後退量が１．７５ｍの台形である。

平面視台形の第二の船首翼（以下、タイプ２の船首翼と称す）は根本縁の長さが３．５ｍで、先端縁の長さが１．４ｍ、翼幅が７．０ｍ、根本縁の前方端に対する先端縁の前方端の後退量が１．４ｍの台形である。

平面視矩形の船首翼（以下、タイプ３の船首翼と称す）は船舶の長手方向の長さが４．３７５ｍで幅方向の長さが８．７５ｍの矩形である。
なお、船首翼２１ａ、２１ｂの平面視の形状（平面積、アスペクト比、先端縁の後退角、前方縁と先端縁との角部の曲線等）および側面視の断面形状は、図示するものに限定するものではなく、対象とする船の寸法や船形、船速等により最適な形状を選定すればよい。

（動揺抑制装置の性能概要）
図４〜７は本発明に係る動揺抑制装置の効果を説明する模型試験結果であって、図４は上下揺の抑制効果、図５は縦揺の抑制効果、図６は抵抗増加の抑制効果を示す。なお、模型船は前記コンテナ船を船長４ｍに縮尺したものであって、規則向波中で試験したものである。

（上下揺の抑制効果）
図４において、縦軸は、上下揺（片）振幅ＺＧを入射波（片）振幅ζａで除した無次元化係数、横軸は入射波の波長λを船長ＬＰＰで除した無次元値である。図中、三角はタイプ１の船首翼を装備した船舶（以下、船舶１と称す）、四角はタイプ２の船首翼を装備した船舶（以下、船舶２と称す）、二重丸はタイプ３の船首翼を装備した船舶（以下、船舶３と称す）、白丸は船首翼がない船舶（以下、船舶０と称す）のそれぞれについて、フルード数Ｆｎを０．２８４とした場合の向波中での実験値を示す。

図中の実験値において、白丸で示す船舶０（船首翼を装備しない）の縦軸（ＺＧ／ζａ）の値は、横軸（λ／ＬＰＰ）の値が１．２付近でピークを生じ、その値は１．２程度になっている。
これに対して、三角で示す船舶１、四角で示す船舶２および二重丸で示す船舶３（何れも船首翼を装備している）は、横軸（λ／ＬＰＰ）の値が１．２付近で縦軸（ＺＧ／ζａ）の値は０．８前後にまで小さくなっている。
以上より、前記原理概要に説明したような、船首翼を装備することによる上下揺の抑制効果が確認され、船首翼を装備しない船舶０に対して上下揺が約３０％小さくなっている。

（縦揺の抑制効果）
図５において、縦軸は縦揺（片）振幅θを入射波の波傾斜ｋζａで除した無次元値、横軸は入射波の波長λを船長ＬＰＰで除した無次元値（図４に同じ）である。図中の表示要領は図４に同じである。

図中の実験値において、横軸（λ／ＬＰＰ）の値が１．２のとき、白丸で示す船舶０（船首翼が装備されていない）では縦軸（θ／ｋζａ）の値は０．８５程度であるのに対して、三角で示す船舶１、四角で示す船舶２および二重丸で示す船舶３（いずれも船首翼を装備している）では縦軸（θ／ｋζａ）の値は０．５〜０．６５と小さくなっている。
以上より、前記原理概要に説明したような、船首翼を装備することによる縦揺の抑制効果が確認され、そして、船首翼を装備しない船舶０に対して縦揺も３０％程度小さくなっている。

（抵抗増加の抑制効果）
図６において、縦軸は抵抗増加の無次元化係数ＲＡＷ、横軸は入射波の波長λを船長ＬＰＰで除した無次元値（図４に同じ）である。図中の表示要領は図４に同じである。

図中の実験値において、横軸（λ／ＬＰＰ）の値が１．２のとき、白丸で示す船舶０（船首翼を装備していない）では縦軸（ＲＡＷ）の値が２．２５であるのに対して、三角で示す船舶１、四角で示す船舶２および二重丸で示す船舶３（いずれも船首翼を装備している）では縦軸（ＲＡＷ）の値が０．５〜１．０程度にまで小さくなっている。
以上より、前記原理概要に説明したような、船首翼を装備することによる抵抗増加の抑制効果が確認され、そして、船首翼を装備していない船舶０に対して抵抗増加が６０％以上小さくなってる。

（横揺の抑制効果）
図７において、縦軸は横波中の横揺（片）振幅φを入射波の波傾斜ｋζaで除した無次元値、横軸は入射波の波長λを船長Lppで除した無次元値（図４に同じ）である。図中の表示要領は図５に同じである。
図中の推定値において、横軸（λ/Lpp）の値が１．８のとき（横揺同調のとき）、破線で示す船首翼が装備されていない船舶では縦軸（φ／ｋζa）は５．０程度であるのに対して、実線で示す翼を制御した船舶では縦軸（φ／ｋζa）の値は１．７程度と小さくなっている。以上より、前記原理概要に説明したように、船首翼を装備しない船舶に対して横揺も６０％程度小さくなっている。

（操船性能の向上効果）
さらに、左右の船首翼の翼角を個別に制御することにより、旋回性能および停止性能（操船性能と総称する）を向上させることも可能となる。
例えば、右舷の船首翼（以下、右舷翼と称す）を下向きに、左舷の船首翼（以下、左舷翼と称す）を上向きに翼角を取れば、右舷翼には下向きの揚力が、また左舷翼には上向きの揚力が働き、船体を右舷方向に横傾斜させるモーメントが発生する。この船体の横傾斜によって船を旋回させるモーメントが働く。

舵を最大舵角とって旋回する場合に、上記のように左右の翼角を逆方向に取ると、翼角を取らない場合に比べて旋回径がより小さくなる。上述のコンテナ船（船長１７５ｍ、タイプ１の船首翼を有する）を対象に、左右の翼角を±３０度取った場合の旋回径の推定結果を表１に示す。ここで示す旋回径は、旋回直径を船長で除した無次元値で示している。
一方、左右の翼角を同一の値に取ると、抵抗が増加し船体停止を早めることが可能である。前記コンテナ船を対象に、通常のプロペラ逆転による停止操船時に、翼角を左右同時に３０度取った場合の停止距離の減少効果の推定値を表１に示す。ここで示す停止距離は、停止距離を船長で除した無次元値で示している。
以上のように、左右の船首翼を制御することによって、旋回性能および停止性能の両方を向上させることも可能となる。

［実施形態２］
（制御システム）
図８は本発明に係る動揺抑制装置の制御システムを説明するブロックダイアグラムである。図８において、船体が動揺(上下揺、縦揺、横揺を総称する)していること（Ｓ１）、および波による圧力変動を船体表面上(例えば船底)に設置した圧力センサーによって計測する（Ｓ２）。
そして、翼制御部３０は、前記計測結果および船速情報（旋回情報、停止情報等を含む）に基づいて最適な翼流入角度を演算し、右舷翼駆動装置および左舷翼駆動装置（前記駆動モータ設置２５ａ、２５ｂおよび軸拘束手段等）、に、右舷翼および左舷翼（前記船首翼２１ａ、２１ｂに同じ）が該翼流入角になるよう所定の指令を発する（Ｓ３）。
右舷翼駆動装置および左舷翼駆動装置は該指令を受けて右舷翼および左舷翼を回動する（Ｓ４ｂ、Ｓ４ａ）。したがって、右舷翼および左舷翼の翼角は前記最適な翼流入角度になる（Ｓ５ｂ、Ｓ５ａ）。

このとき、船体動揺を船体表面上(例えば船底)に設置した圧力センサーによって計測するから、波浪中の船体動揺の大小に関わらず船体の動きまたは周囲の波の動きが正確に計測されることになる。たとえば、船体に設置された加速度センサーでは、波があっても船体運動がほとんどない場合は当該波が検出されないのに対し、圧力センサーでは、船体運動がほとんどない場合でも船体表面上の圧力が変動しているため、周囲の波が検出されるから、当該波から推進力を得ることが可能になる。

以上より、本発明に係る動揺抑制装置２０は、両舷からそれぞれ突出する船首翼２１ａ、２１ｂの翼角がそれぞれ独立に制御されるから、これが装備された船舶１０の上下揺（ヒーブ）と縦揺（ピッチング）と横揺（ローリング）との３種類の動揺を同時に抑制し、さらに、波浪中の抵抗増加を減少する。
また、本発明における動揺抑制装置２０を装備した船舶１０は、上下揺（ヒーブ）と縦揺（ピッチング）と横揺（ローリング）との３種類の動揺が同時に抑制され、さらに、波浪中の抵抗増加が減少するから、動揺が少なく、波浪中の船速低下が少なく、高い操船性能を有する。

本発明は船舶の動揺を抑制する動揺抑制装置、およびこれを装備した船舶に利用することができる。

本発明に係る動揺抑制装置の原理を説明する原理概要図。 本発明に係る動揺抑制装置を模式的に示す平面図および斜視図。 本発明に係る動揺抑制装置における船首翼の平面形状の例を示す平面図。 本発明に係る動揺抑制装置の上下揺の抑制効果を説明する模型試験結果。 本発明に係る動揺抑制装置の縦揺の抑制効果を説明する模型試験結果。 本発明に係る動揺抑制装置の抵抗増加の抑制効果を説明する模型試験結果。 本発明に係る動揺抑制装置の横揺の抑制効果を説明する模型試験結果。 本発明に係る動揺抑制装置の制御システムを説明するブロックダイアグラム。

符号の説明

１０：船舶、１１：船首部、１１ａ：左舷、１１ｂ：右舷、２０：動揺抑制装置、２１：船首翼、２１ａ：船首翼、２１ｂ：船首翼、２２ａ：回動軸、２２b：回動軸、２３ａ：軸受け、２３ｂ：軸受け 、２４ａ：従動タイミングプーリ、２４ｂ：従動タイミングプーリ、２５ａ：駆動モータ設置、２５ｂ：駆動モータ設置、２６ａ：駆動タイミングプーリ、２６ｂ：駆動タイミングプーリ、２７ａ：タイミングベルト、２７ｂ：タイミングベルト、３０：翼制御部。

Claims (4)

1. 船舶の船首部に装備される動揺抑制装置であって、
   船舶の船首部の左舷および右舷にそれぞれ突出する船首左舷翼および船首右舷翼と、
   船舶の上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制すると共に波浪中抵抗増加も抑制するように前記船首左舷翼および船首右舷翼それぞれの翼角を独立に制御する制御手段とを装備することを特徴とする動揺抑制装置。
2. 船舶の船首部に装備される動揺抑制装置であって、
   船舶の船首部の左舷および右舷にそれぞれ突出する船首左舷翼および船首右舷翼と、
   船舶の上下揺と縦揺と横揺とを同時に抑制するとともに、該船舶の旋回または停止を支援するように前記船首左舷翼および船首右舷翼それぞれの翼角を独立に制御する制御手段を装備することを特徴とする動揺抑制装置。
3. 前記船舶の船体表面に作用する圧力変動を計測する圧力センサーを装備することを特徴とする請求項１または２記載の動揺抑制装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の動揺抑制装置を装備したことを特徴とする船舶。
   

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