JP2008018927A - 船舶推進システム - Google Patents

Abstract

【課題】高効率の船舶推進システムを提供する。
【解決手段】本発明は、エンジン１２、伝動モジュール１４と水平に装着される延長駆動軸１６を含む。駆動軸１６は、尾端に同期回転可能な能動羽根車２４を有する。流水路３３は、陥凹部３４と頂壁３６を形成している。進水柵板４０は、陥凹部３４の開口部に装着される。回転しない受動羽根車５２は、能動羽根車２４と船尾３０の後方に配置される。ノズル５４と舵板５６とは、受動羽根車の後方に装着される。本発明は、上述したようなユニットの配置により抵抗力を減少させ、損害が生じやすい位置を避けることが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明はタービン式駆動船舶、詳しく言えば船舶のシェルに能動羽根車を収納可能な陥凹部を形成することにより能動羽根車の回転を効率高く向上させるタービン式駆動船舶に関するものである。

従来の船舶の内部に装着されるエンジンは通常一つの延長駆動軸を有する。延長駆動軸はエンジンの出力軸とプロペラに連接するように下向きに傾斜する。船舶のシェルは水遮断可能な開口部とシェルの底部にぶら下がる支柱を有し、支柱底端に接合部を有し、延長駆動軸は開口部からシェルを貫通し、接合部内に嵌合される。プロペラは延長駆動軸の尾端に位置するように接合部の後方に装着され、船内舵または船外舵はプロペラの後方に装着される。

上述の船舶の構成ユニット、例えば支柱、接合部、推進器と舵などはシェルの下方に位置付けられるため、船舶を推進する際に抵抗力が生じやすく、効率を低下させる事態を招く。またプロペラとシェルの外側に露出するユニットは暗礁または流木などに衝突し、損壊を受けることがよくある。

上述の欠点に対し、多くの発明者は従来の船舶の設計に改善を加える特許案を提出した。例えば特許文献１はシェルに流水路を有し、流水路の尾端に陥凹部を形成し、前述した構成ユニットを流水路内に装着することにより延長駆動軸を水平面または水平面に近い状態に位置決めすることである。またそれに類似しているStruartの特許文献２、Renato Levi Limitedの特許文献３などの特許案は上述した構成ユニットの配置によって抵抗力の減少と流水路内に位置する構成ユニットの保護を図るだけでなく、エンジンの運転を効率高く向上させ、水中の物に損害される状況を減少させることである。かつそれは双エンジン船舶に対し、船舶の長軸両側に沿い等距離を置き、一致する流水路を二つ形成する。

また進水柵板でそれぞれの流水路の開口部を覆うことにより水以外の異物が陥凹部に流れ込むことを防止する。
またプロペラと受動羽根車を取り組むことによりプロペラの効率を高めるため、直径が比較的大きいシェル内にプロペラを装着すれば能動羽根車として使用することが可能である。

従って、流水路を設置していない船舶と比べて、それらは船舶のシェルに少なくとも一つの流水路を設置することにより効率を高めることが可能であるが、まだ改善の余地がある。
例えば高速運行の際、流水路内に空気が入り込み、特に気流は流水路の上部に滞るため、流水路内に水を充満させることができない。水に空気が混じると能動羽根車を通過した水流を変化させて乱流を生成する。水流を乱流の形として能動羽根車を通過させるよりも、水流を層流の形として能動羽根車を通過させるほうが好ましいため、層流の場合、水にのみ能動羽根車を通過させればよいが、空気にも能動羽根車を通過させると推力を減少させてしまう。

米国特許出願第１０／８５５５６９号明細書 米国特許第３６５９５４７号明細書 英国特許第２２４８４３３号明細書

それに対し、流水路を改良することにより空気の進入を防止し、能動羽根車を通過する高効率の層流を生成する流水路設計は提出された。
またもう一つ提出されたのはノズルを増設する流水路設計である。ノズルの直径は能動羽根車の直径の半分であるように設定される。船舶推進システムは直径が縮小されたノズルにより水流を高速噴出させて生じた力と反射力を動力として利用することが可能であるが、エンジンの効率を低下させ、相当大きいバックプレッシャーを生成することはその欠点である。

従って、噴射推進に頼ることなく、能動羽根車に対しノズルの直径を比較的大きくすることによりバックプレッシャーを減少させ、エンジンの効率を高めることを可能にする推進システムが求められた。
また一般の高性能の船舶は船首が水面から仰ぎ、高速運航の際に船尾が水中に没する。
従って船首が上がりすぎることと船尾が沈み込みすぎることを防止するために船舶の設計に改良を加える必要がある。
そこで、本発明の目的は、高効率の船舶推進システムを提供することにある。

本発明は、船舶のボディーに形成される流水路、能動羽根車、受動羽根車、二つのシェル、エンジン、延長駆動軸、ノズル、導流板と進水柵板を含む。流水路はボディーにおいて陥凹部を有し、陥凹部は船舶と一致する長軸と、船舶の船尾と一致する尾端と、船尾の前方に位置付けられる前端とを有する。陥凹部の前端は最小深度を有するのに対し、尾端は最大深度を有する。

能動羽根車と受動羽根車とは、陥凹部の尾端に配置され、受動羽根車は能動羽根車の後方に位置付けられ、二つのシェルのうちの一つは能動羽根車に距離をあまり置かず能動羽根車を囲むように装着され、もう一つは受動羽根車に距離をあまり置かず受動羽根車を囲むように装着される。エンジンは、陥凹部の前方に装着される出力軸を有し、延長駆動軸はやや水平状態下で出力軸から能動羽根車まで延伸され、延長駆動軸は下向きに０度から５度まで傾斜することが可能である。

また陥凹部または流水路の頂壁は２０度から３０度まで傾斜可能な状態を呈するように設けられるため、船舶が高速運航する際にでも、頂壁に気泡が滞る現象が発生しない。このとき流水路を通過する水流は層流となる。かつ受動羽根車と能動羽根車の軸心部の直径はそれぞれの受動羽根車と能動羽根車の半径の１５から２０％を占めるように設計される、即ち典型的な軸流設計であるため、流量を増大させ、能動羽根車の効率を増進することが可能なだけでなく、受動羽根車の効率を増進することが可能である。

陥凹部の頂壁は陥凹部の前端位置に近い上方が平坦であり、両側が陥凹部の側面に連接する円弧形を呈し、前端位置に近い円弧半径は比較的小さく、後端位置に向いていく円弧半径は漸増するようにされるのに対し、平坦部位は狭くなり、陥凹部の尾端の頂壁の断面は能動羽根車と、能動羽根車のシェルと、受動羽根車と、受動羽根車のシェルとを収納可能な半円形を呈する。陥凹部の尾端の半径はやや能動羽根車と受動羽根車が共同する半径より大きい。

ノズルは受動羽根車の後方に装着され、ノズルの半径は受動羽根車の半径より５％から１５％小さいため、ノズルがエンジンに対し生じるバックプレッシャーを減少させることが可能である。一般的に能動羽根車、受動羽根車とノズルの組み合わせは推進ポンプまたはポンプと呼ばれる。

導流板は能動羽根車前方の進水柵板の上に位置するように陥凹部に装着される。また陥凹部の頂壁は陥凹部の内部の上半部の水流を能動羽根車へ導き、陥凹部の下半部の一部分の水流は能動羽根車の左側または右側を流れるため、導流板は進水柵板の一部分として配置され、能動羽根車のシェルの下方に位置付けられることにより水流を上向きに能動羽根車へ流入させる。

進水柵板は砕片が能動羽根車に支障をもたらすことを防止するために陥凹部の開口部に装着される。従って進水柵板を流れる大部分の水流はあまり障碍を受けず能動羽根車へ流入し、導流板の表面は水流を層流に変化させ、能動羽根車へ流入させることが可能である。

延長駆動軸はやや水平方向上に位置するようにエンジンの出力軸に装着され、陥凹部の尾端は能動羽根車を収納可能な深度を有し、能動羽根車の中央軸はやや出力軸と同じ高度上に位置付けられる。

ノズルの直径は能動羽根車のシェルよりやや小さく、ノズルが生じるバックプレッシャーは低いため、エンジンの効率を改善することが可能である。
調整可能な長形の船底板の幅は能動羽根車の直径の１．５倍であり、船底板は能動羽根車のシェルの底部に位置するように進水柵板の後端に連接される前端を有し、船底板の中間部位は受動羽根車に近いノズルの前縁部に配置され、かつ能動羽根車の下方と流水路の後方に位置付けられる。

船底板の長軸はボディーの長軸と一致するように設けられる。船舶が高速運航する場合、船底板は前方位置が固定され、後方が下向きに傾斜する状態を呈するため、船底板は上向きの力を生成し、船舶の船尾を上昇させ、船首を降下させることが可能である。また本発明は船尾の位置に陥凹部を形成することにより浮力を減少させ、また特に船舶が高速運航する状態下で船尾を容易に水没させるため、船底板とノズルの間に複数のクッションを配置し、クッションの厚さにより船底板の下向きの傾斜度を変えることが可能である。これにより船舶の前後の傾斜角度を変えることが可能となる。またクッションの数を減らすことにより船底板の尾端を上げ、船尾を降下させ、船首を仰がせることが可能である。またクッションの数を増やすことにより船尾を仰がせ、船首を降下させることが可能である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図４に示すのは本発明の第１実施例の断面図である。本実施例はエンジン１２、伝動モジュール１４と水平に装着される延長駆動軸１６を含む。駆動軸１６は尾端に同期回転可能な能動羽根車２４を有する。また流水路とボディーの材質が同じであれば最も好ましい。材質はガラス繊維、アルミニウム合金またはステンレスなどのいずれか一つである。流水路３３は陥凹部３４と頂壁３６を形成し、進水柵板４０は陥凹部３４の開口部に装着され、回転しない受動羽根車５２は能動羽根車２４と船尾３０の後方に配置され、ノズル５４と舵板５６は受動羽根車の後方に装着される。本発明は上述したユニットの配置により抵抗力を減少させ、損害が生じやすい位置を避けることが可能である。

頂壁３６が水平面に対する傾斜角度は２４度となり、かつ２０から３０度の間にすることも可能である。図１０Ｂに示すように、能動羽根車２４のシェル２５と受動羽根車５２のシェル５３は別々に能動羽根車２４と受動羽根車５２を囲むように装着され、突出縁部２５ａは能動羽根車２４のシェル２５の外部に配置される。

図１２から図１８に示すように、流水路３３の陥凹部３４の頂壁３６は陥凹部３４の前端位置に近い上方が平坦であり、頂壁３６の両側は陥凹部３４の側面に配置される円弧状の接続段３６ｃを有し、前端位置に近い接続段３６ｃの円弧半径は比較的小さく、後端位置に向いていく接続段３６ｃの円弧半径は漸増するようにされるのに対し、平坦な頂壁３６の部位は狭くなる。かつ能動羽根車２４と受動羽根車５２を収納するために陥凹部３４の尾端の断面は半円形を呈し、陥凹部３４の尾端の半径はやや能動羽根車２４と受動羽根車５２が共同する半径より大きいように設けられる。

能動羽根車２４は複数の羽根を有し、羽根の後縁部はやや陥凹部３４の後縁部と一致するように設けられ、頂壁３６の上部は能動羽根車２４のシェル２５の上半部を収納し、下側壁は能動羽根車２４の周囲まで延伸されるため、上部と下側壁は能動羽根車２４のシェル２５を一緒に囲むことが可能である。

受動羽根車５２は回転せずシェル内に制限される複数のらせん状の羽根を有する。２００馬力のエンジンである場合、能動羽根車２４は四つの羽根を有し、受動羽根車５２は八つのらせん状の羽根を有する。バックして後退する際、錐体５２ａは層流の水流を受動羽根車５２へ流入させるように維持する。またノズル５４の前端は受動羽根車５２のシェル５３の尾端に位置付けられ、シェル５３の前端は船尾３０の外部に位置付けられる。

舵板５６はノズル５４の内部に装着され、尾翼５７は低速の際に舵板５６の有効性を高めることが可能である。注目すべきなのは、ノズル５４の尾端の直径を陥凹部３４の最大直径にほぼ近くし、直径の縮小率を５％から１５％に設定することによりノズルが生じるバックプレッシャーを減少させ、バックの性能を高めることである。

砕片が進水柵板４０に入り込んで掃除をしなければならない場合、観察窓４１により陥凹部３４を検査し、陥凹部に入り込むことが可能である。観察窓４１はボルト４１ａにより固定される。

図７、図８、図１１Ａと図１１Ｂに示すように、半円形を呈する頂壁３６は若干のやや平行する壁３９ａ、３９ｂを有する。平行する壁３９ａ、３９ｂは導流板３９の側辺となり、導流板３９は能動羽根車２４の前縁部に装着されるため、水流が能動羽根車２４の左右側から能動羽根車２４を流れることを防止することが可能である。従って導流板３９は乱流を生じせず水流を能動羽根車２４へ正確に導くことが可能となる。

図１１Ａに示すように、能動羽根車２４のシェル２５の尾端と受動羽根車５２のシェル５３の前端は別々に連接ユニット７６ａと連接ユニット７６ｂにより互いに連結され、受動羽根車５２のシェルの尾端とノズル５４の前端は別々に連接ユニット７８ａと連接ユニット７８ｂにより互いに連結される。

図１１Ａ、図１１Ｂと図１１Ｃに示すように、船底板５８の幅は能動羽根車２４の幅よりも５０％大きく、船底板５８は能動羽根車２４のシェル２５の底部に位置するように進水柵板４０の後端に連接される前縁部５８ａを有する。船底板５８の中央は受動羽根車５２に近いノズル５４の前縁部に配置され、かつ流水路３３の尾端に位置付けられ、船底板５８の縦方向の中心点はボディー１８の長軸と一致するように設けられる。船底板５８の斜度は船底板５８とノズル５４の間に配置され、数によって厚さが違うクッション５９により調整されるため、ボディーの前後の傾斜角度を変え、船舶の速度を高めることが可能である。また船舶が正常運航する場合、船舶の船首は水面より高く、船尾は水面に沈み込む。また図１９に示すように、本実施例では船底板の尾端を下向きに傾斜させている。数多くのクッションで船底板５８の尾端を比較的低い位置に調整することにより船尾を仰がせ、船首を降下させることが可能である。また一般的に能動羽根車、受動羽根車とノズルの組み合わせは推進ポンプまたはポンプと呼ばれ、船底板はポンプ全体を保護することが可能なだけでなく、水流が直接ポンプに衝突して抵抗力を生成することを防止することが可能であるため、水流は障害を受けず船底板の下方をスムーズに流れることが可能である。

また進水柵板４０を通過する水流は能動羽根車２４を流れる前に駆動軸１６と導流板３９の表面のみに衝突し、頂壁３６の斜度は２４度となり、陥凹部３４は気泡を滞らせることなく、層流の水流のみを通過させる。これにより本発明は抵抗力をより減少させ、推進効率を高める効果を有する。

（第２実施例）
図９に本発明の第２実施例を示す。第２実施例は双エンジンを示す実施例であり、図の右側に示すのは能動羽根車、図の左側に示すのは受動羽根車である。

図１０Ａと図１０Ｂに示すように、延長駆動軸１６は５度を下向きに傾斜し、尾管６０は傾斜状態を呈するように流水路３３に一体成型される。また延長駆動軸１６は尾管６０を貫通し、尾管６０の管壁と駆動軸１６の間は駆動軸１６を尾管６０に沿い自由回転させることを可能にする軸受６２を有する。密封ユニット６３は尾管６０の前端に装着され、スラスト軸受６４は密封ユニット６３の前端に接するように装着され、ストッパー６６はスラスト軸受６４の前端を収納し、連結器６８はショックアブソーバー６８ａを有し、かつ駆動軸１６とエンジン１２を連結する。

船底板５８の幅の約５０％は能動羽根車２４の幅よりも大きく、液圧シリンダ７３と連結棒７４は舵板５６に一緒に連接され、流水路３３は外側に定位レバー４０ａを有し、進水柵板４０は定位レバー４０ａに連接される。

（その他の実施例）
上述したエンジンと請求項に記載されたエンジンは任意の種類のエンジンを含む。
図５に示すのはエンジンの出力軸と延長駆動軸の間が垂直に配置されたシステムである。これにより本発明は各種の推進システムを配置可能な柔軟性があることが判明した。

（参考例）
図１に示すのは内舵を有する従来の船舶１０である。船舶１０はエンジン１２、伝動モジュール１４と下向きに傾斜する延長駆動軸１６を含む。駆動軸１６はボディー１８の防水開口を貫通する。また駆動軸１６がボディー１８に突出する部位は支柱２２の円柱２０に差し込まれる。プロペラ２４は駆動軸１６の尾端に装着され、駆動軸１６とともに回転することが可能である。内舵２６は船尾３０の前方に装着され、かつ舵柄２８から制御される。

延長駆動軸１６の大部分、支柱２２、円柱２０、プロペラ２４と内舵２６は水面下方に位置付けられる。これらのユニットは抵抗力を生じ、エンジン１２の効率を低下させるだけでなく、水面下の暗礁に衝突して損壊を受けることがよくある。
図２に示すように、従来のボートに設けられる内舵２６は船尾３０の後方に装着されても上述の通り抵抗力を生じるという問題がある。

図３に示すのは従来のボートに搭載される噴射システム３２である。そのうちの延長駆動軸１６は水平状態を呈し、流水路から形成された陥凹部３４はボディー１８に位置する。また陥凹部３４の頂壁３６とボディー１８の間は４５度の仰角を有し、能動羽根車３８は駆動軸１６の尾端に装着され、水流は進水柵板４０を経由して陥凹部３４と能動羽根車３８のシェル４２を流れ、そののちノズル４４を流れる。ノズル４４の直径は収束状態を呈する。ベルヌーイ原理（・・・・・・・・・'・・Principle）によって船舶を前進させるのにはノズル４４を通過する水流速度を高めることにより反射力を生じる必要がある。特に船舶に施す衡量Ｉが運動量△Ｐの変化に相当する、即ちＩ＝△Ｐを指す。

かつ水平状態を呈する駆動軸１６をボディー１８の下方に伸ばさず、支柱２２などのユニットを使用しなければ、上述の通り船舶が生じる抵抗力を減少させることが可能である。またユニットは陥凹部に装着されるため、保護を受け、損壊を防止することが可能である。それに対し、噴射システム３２はノズル４４がバックプレッシャーを生じることが原因となって効率が悪いだけでなく、乱流の現象が生じる。

従来のボートの断面図である。 別の従来のボートの断面図である。 別の従来のボートの断面図である。 本発明の第１実施例の同軸推進システムを有する灯油またはガソリン発動機の断面図である。 本発明のその他の実施例による９０度の推進システムを有する舷外機の断面図である。 図４の一部分の拡大図である。 図６の７−７線に沿う断面図である。 図６の８−８線に沿う断面図である。 本発明の第２実施例による双エンジン推進システムの背面図である。 図９の１０Ａ−１０Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施例による推進システムの平面図である。 本発明の第１実施例の一部分の斜視図である。 本発明の第１実施例の一部分の舵板の状態を示す部分断面図である。 本発明の第１実施例の一部分の分解図である。 本発明の第１実施例における流水路を示す斜視図である。 本発明の第１実施例における流水路を示す側面図である。 図１３の１４０−１４０線に沿う断面図である。 図１３の１５０−１５０線に沿う断面図である。 図１３の１６０−１６０線に沿う断面図である。 図１３の１７０−１７０線に沿う断面図である。 図１３の１８０−１８０線に沿う断面図である。 本発明の第１実施例の一部分を示す模式的断面図である。

符号の説明

１２：エンジン、４：伝動モジュール、１６：延長駆動軸、２４：能動羽根車、２５：シェル、２５ａ：突出縁部、３０：船尾、３３：流水路、３４：陥凹部、３６：頂壁、３６a：接続段、３９：導流板、３９ａ：平行壁、３９ｂ：平行壁、４０：進水柵板、４０ａ：定位レバー、４１：観察窓、４１ａ：ボルト、５２：受動羽根車、５２ａ：錐体、５３：シェル、５４：ノズル、５６：舵板、５７：尾翼、５８：船底板、５８ａ：前縁部、５９：ワッシャー、６０：尾管、６２：軸受、６３：密封ユニット、６４：スラスト軸受、６６：ストッパー、６８：連結器、６８ａ：ショックアブソーバー、７３：液圧シリンダ、７４：連結棒、７６ａ：連接ユニット、７６ｂ：連接ユニット、７８ａ：連接ユニット、７８ｂ：連接ユニット

Claims (7)

1. 船舶のボディーに形成される流水路であって、陥凹部を有し、陥凹部は長軸、尾端と前端を有し、長軸は船舶の長軸と一致するように設けられ、尾端は船舶の船尾と一致するように設けられ、前端は船尾の前方に位置付けられ、また陥凹部の前端は最小深度を有するのに対し、尾端は最大深度を有する流水路と、
   陥凹部の尾端に配置される能動羽根車と、
   陥凹部の外側に配置され、かつ能動羽根車の後方に位置付けられる受動羽根車と、
   陥凹部の前方に装着され、かつ出力軸を有するエンジンと、
   出力軸と能動羽根車の間まで延伸される延長駆動軸と、
   陥凹部の開口部に装着される進水柵板と、
   能動羽根車を囲むように陥凹部の尾端に装着される円形のシェルと、
   受動羽根車の後方に装着されるノズルと、
   を含み、そのうち陥凹部の頂壁は２０度から３０度の斜度を有し、頂壁は陥凹部に近い前端が平坦な状態を呈し、かつ陥凹部の尾端に向いて徐々に湾曲し、頂壁は陥凹部においての尾端の断面が円弧形を呈し、受動羽根車は複数のらせん状の羽根を有し、かつ受動羽根車は羽根を囲む円形のシェルを有し、また船舶が高速運航する場合、頂壁の斜度により陥凹部に水を充満させることを確保するため、水流は進水柵板を通過して能動羽根車へ流入する前に障碍を受けることがあまりなく、また水流は層流の形として陥凹部を流れ、また能動羽根車、受動羽根車とノズルの後方に装着される舵板は保護されることを特徴とする船舶推進システム。
2. 延長駆動軸は水平状態を呈し、陥凹部の尾端は能動羽根車を収納可能であり、能動羽根車の中央軸はエンジンの出力軸とほぼ同じ位置に据えられることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進システム。
3. ノズルの直径を能動羽根車の直径よりやや小さくすることにより、ノズルが生じるバックプレッシャーを減少させ、効率を増進することを特徴とする請求項１に記載の船舶推進システム。
4. さらに導流板を能動羽根車前方に位置させるように陥凹部に装着し、導流板により陥凹部を流れる水流全体を能動羽根車へ導くことを特徴とする請求項３に記載の船舶推進システム。
5. 能動羽根車のシェルは軸方向に沿い延伸される突出縁部を有し、突出縁部により船尾と結合することを特徴とする請求項４に記載の船舶推進システム。
6. さらに前端と後端とを有する船底板を含み、船底板は長形を呈し、その幅は能動羽根車の幅よりも５０％大きく、かつ船底板の前端は能動羽根車のシェルの底部に固定され、かつ進水柵板の尾端に連接され、また船底板の中心点はノズルの受動羽根車に向く側に配置され、また船底板は能動羽根車の下方、なおかつ流水路の後方に位置付けられ、また船底板の尾端は舵板の尾端と一致するように設けられ、また船底板はボディーの長軸と一致する長軸を有するため、船底板により能動羽根車を保護し、損害を避けることが可能なだけでなく抵抗力を減少させることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の船舶推進システム。
7. さらに船底板とノズルの間に配置される複数のクッションを含み、クッションの厚さにより船底板の斜度を変えることが可能であるため船舶の喫水角度を変えることが可能となり、またクッションの数を減らすことにより船底板の尾端を上げ、船尾を降下させ、船首を仰がせることが可能であり、またクッションの数を増やすことにより船尾を仰がせ、船首を降下させることが可能であることを特徴とする請求項６に記載の船舶推進システム。

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