JP2009107610A - 水中翼 - Google Patents

Abstract

【課題】 航走中船体の縦方向・横方向の安定性と航走開始時の横方向の安定性を同時に満足させることが可能で、取り付けが簡単な船舶高速化用の水中翼を提供する。
【解決手段】 船体重心付近後方に取り付けた没水型の主翼３と５の発生する揚力にて船体を浮上させることで、船体抵抗を減らして高速航行を可能とする。船首部の滑走バランス翼７と９は浮上後に水面を滑走するように取り付けるが、この滑走体の揚力を利用して船体の縦方向の姿勢を安定させる。さらに、左右舷独立に取り付けることで横揺れ復原モーメントが作用し、航走開始時に生じる横揺れを抑えて滑らかに浮上できる。主翼３と５の上反角を１０°〜４５°と大きく設定することで、船体が横傾斜した場合に左右舷の翼揚力に差が生じ、元に戻ろうとする復原力が作用して船体の横安定性が確保できる。右舷主翼３と左舷主翼５のように左右舷別々に取り付けることで、既存船にでも簡単に装着できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、航走中の船体の縦方向・横方向の安定性と航走開始時の横方向の安定性を満足させることが可能で、既存船にでも取り付けが簡単にできる水中翼提供に関するものである。

昔から、水中翼を取り付けることで高速航行を可能とする試みは行われている。この一例として、特許文献１に開示されているものがある。これは、船首部船底センターラインに取り付けた一枚の没水翼を可動翼として、センサーにより翼角を制御することで浮上高さを一定に保ち、船体後部船底に配された没水翼とともに航走中の縦方向の安定性を保持する。
特開２００６−１８２３３８

この場合、高度な姿勢制御技術と高価なセンサーが必要であるばかりでなく、航走開始時・航走中の横方向の安定性が悪く横揺れするという問題がある。また、船首部船底のセンターラインに設置される没水翼では、フラップ制御をしない限り横方向の復原力は得られないので、横方向の安定性を満足させることが難しい。また、従来のものは水中翼を船底から取り付けるため、取り付けには上架あるいはドックインしなければならないという問題があった。本発明は、高度な制御を行うことなく、縦方向の安定性と横方向の安定性を同時に満足させる、取り付けが簡単な水中翼を提供することを課題とする。

本課題を解決する請求項１の発明は、船体重心の少し後方に配置した没水型主翼と、船首部の水面に配した滑走バランス翼を有することを特徴とする水中翼で、この前後の翼構成により、船体を浮上させ縦方向の安定性を保持する。主翼を船体重心近くに設置することにより主翼の揚力で船体重量の大部分を支持でき、滑走バランス翼は縦方向の安定性保持の役割を果たす。したがって、船体を支持するための揚力配分は主翼の発生する揚力９０％と滑走バランス翼の発生する揚力１０％とする。

この主翼は１０°〜４５°と大きな上反角を有する構造とすることで、横揺れした場合に左右舷の翼に作用する揚力に差が生じるという効果を利用して、請求項１の縦安定と同時に横方向の安定性も満足させることができる。（請求項２）翼に大きな上反角をつけることで、横揺れした時に片方の翼は水面とのなす角度が小さくなり水平翼に近い状態になるが、その一方では反対側の翼の水面とのなす角度がさらに大きくなる。そのため、揚力の鉛直方向成分に左右舷で大きな差が生じることになる。また、横揺れすることで傾斜した側の翼は他方の側の翼に比べて翼の水面からの距離（没水深度）が深くなり、深くなった翼の揚力の方が大きくなる。この二つの効果により、横方向の復原モーメントが生じて横方向の姿勢を安定にする。

船首部にある滑走バランス翼は、船体の滑走後に水面に来るように船首部に設置された水平固定翼で、水面を滑走することで揚力を発生して縦方向の安定性を保持する。また、左右舷に離して別々に装着することで、横方向の回転モーメントのレバーが大きくなり、横揺れに対する復原モーメントが大きくなる。そのため、船体滑走中の縦安定と同時に航走開始時の横方向の安定性も満足させることができる。（請求項３）

上に述べたとおり、滑走バランス翼は左右舷別々に取り付けるが、主翼も同様に左右舷別々に取り付ける左右舷独立構造である。（請求項４）そのため、着岸したままの水面上にある既存船にでも、上架やドックインすることなく水面に浮いたままの状態で簡単に取り付けが可能となる。

大型船に装着する場合などで一対の主翼だけでは船体浮上に十分な揚力が得られない時は、船体重心位置前後に複数対の翼を装着することで船体を浮上させる揚力を確保することができる。（請求項５）

船首部の構造上、左右の翼を離して配することができない場合は全通の水平翼を装着することになり航走開始時に横の安定性が悪くなるが、水平翼の両端に上反角を設けることで、航走開始時の横方向の安定性を確保することができる。（請求項６）

本発明は、主翼に大きな上反角を有する没水翼を配置し、船首部には復原モーメントを大きくするように左右舷別々に没水水平翼を配置することで、本来没水翼では生じない横復原モーメントを得ることができる。そのため、縦安定性と横安定性を同時に満足でき安定航走が可能となる。

主翼も船首の滑走バランス翼も左右舷別々に取り付ける構造としているため、水面上に浮いたままの船舶にでも容易に取り付けることができる。大型船への装着の場合は、その排水量に応じて重心位置前後に複数対の主翼を取り付けることで、十分な揚力性能を得ることができる。

図１は、船体１の右舷後方には右舷主翼ストラット２と一体構造で構成されている右舷主翼３を、左舷後方には左舷主翼ストラット４と一体構造で構成されている左舷主翼５を一対で配し、また船首部の右舷には右舷滑走バランス翼ストラット６と一体構造で構成されている右舷滑走バランス翼７を、左舷には左舷滑走バランス翼ストラット８と一体構造で構成されている左舷滑走バランス翼９を配した本発明の実施形態を示す。船体重量の支持配分は主翼３および５の揚力で９０％、滑走バラス翼７および９の揚力で１０％とし、船体を浮上支持して高速航行する。

図２に示すとおり、主翼３および５は１０°〜４５°の上反角を有する没水翼である。この主翼３および５は、ストラット２および４を介して船体１に溶接あるいはボルトにて固定される。左右舷別々に取り付けるため、船体が水面に浮いた状態でも簡単に取り付けることが可能である。

船首部に取り付ける滑走バランス翼７および９は、図３に示すとおり滑走バランス翼ストラット６および８を介して船体１に溶接あるいはボルトにて固定される没水水平翼である。主翼同様、左右舷別々に取り付けるため、船体が水面に浮いた状態でも簡単に取り付けることが可能である。

図４は航走開始前の静止水面１０に船体が浮いている状態を示しているが、右舷主翼３は船体重心１１の少し後方に配置される。左舷主翼５も同じ位置に配置される。本来、船体重心に主翼を配置すれば、船体浮上には主翼のみで良いが、縦方向の安定性が保持できないため、船首部に縦方向の安定性を保持するために滑走バランス翼７を配置する。滑走バランス翼を配置することで、主翼３を重心位置より少し後方に置いて、縦安定性をより高めている。

図５は滑走後の状態を示すが、船首部の滑走バランス翼７は水面上まで浮いて滑走体となり、その滑走体が発生する上向きの滑走バランス翼揚力１３は主翼３が発生させる船首を沈ませようとする主翼揚力１２に対抗して常に姿勢を戻そうとする方向に作用し、縦方向の姿勢を保持できる。この滑走バランス翼は、高度な制御システムやセンサーおよび可動部分が不要で、非常に簡単な構造となる。

図６は、左舷側に傾斜した場合であるが、右舷主翼３の位置は水面に近づき、左舷主翼５は水面から離れて深い位置に来る。また、主翼３および５は大きな上反角を有するので、左舷側に傾斜すると左舷主翼５は水面に対して水平の状態に近づき、右舷主翼３は更に角度が大きくなり水面に対して直立状態に近づく。船体傾斜により、水面から主翼までの距離が左右舷にて異なってくるため、右翼揚力１４のＦＳと左翼揚力１５のＦＰは図７の揚力と翼の没水深度の関係から、

の関係になる。すなわち、図７によると翼の没水深度が浅くなるほど急激に揚力が減少するため、ＦＳがＦＰに比べて小さくなる。この傾斜を元に戻そうとする主翼復原モーメント２０は、右翼揚力１４（ＦＳ）と左翼揚力１５（ＦＰ）の鉛直成分である右翼揚力鉛直成分１６（ＦＳＶ）、左翼揚力鉛直成分１７（ＦＰＶ）と右翼揚力レバー１８（ＬＳ）、左翼揚力レバー１９（ＬＰ）によって、

と表される。すなわち、左右舷対称の場合、ＬＳとＬＰは等しいので主翼復原モーメント２０はＦＰＶとＦＳＶの差によって生じることになる。また、これら鉛直成分は揚力の大きさと主翼の水面に対する角度θにより、

のように決まる。上反角効果により、主翼の水面に対する角度が左右舷で大きく異なり、左右舷の揚力鉛直成分に差が生じる。左舷に傾斜した場合を例にとると、左舷側の水面に対す角度は小さく、右舷側の角度は大きい。したがって、左舷揚力鉛直成分１７（ＦＰＶ）が右翼揚力鉛直成分１６（ＦＳＶ）よりも大きくなる。没水深度の左右舷の差による揚力差に加えて、上反角効果により主翼復原モーメント２０がさらに大きくなる。

図８に示すように、左右舷に離して翼を配置することで、滑走バランス翼復原モーメント２５を生じさせるモーメントのレバーである右翼揚力レバー２３および左翼揚力レバー２４を大きく取ることができる。また、右舷揚力２１と左舷揚力２２は没水深度の差により、その大きさに差が生じて左舷傾斜の場合は左舷揚力が大きくなり、船体傾斜を元に戻そうとする復原モーメント２５が発生する。このように、モーメントレバーを大きくするように滑走バランス翼７および９を配置したことで、航走開始時に横安定性を確保できる。

排水量（船体重量）が大きくなり、一対の主翼だけでは十分な性能が得られない場合は、図９に示すように船体重心１１に近い部分に追加の主翼２６を配置することで、船体を支持する揚力の追加が可能である。図９は、二対の主翼を配置した場合であるが、さらに追加してもよい。

船首部分がスリムな船型の船では、船首部構造上の観点から滑走バランス翼を左右に離して配置することができない場合がある。そのような場合は、図１０に示すように一枚で水平の全通の滑走バランス翼２７を設置する。全通の滑走バランス翼の両端に上反角２８と２９を設けることにより、主翼の上反角と同様の効果で復原モーメントを発生させて、航走開始時に生じる横揺れをキャンセルし、横方向の安定性を確保する。

本発明の実施形態の全体構成を示す概略斜視図である。 主翼部分の船体を船首の方向から見た断面図である。 船首の滑走バランス翼を船首の方向から見た断面図である。 船体が水面に静止している状態を示す右舷から見た横断面図である。 船体が滑走後の状態を示す右舷から見た横断面図である。 左右舷の揚力差から生じる復原モーメントを示す主翼部分の断面図である。 翼の揚力と翼の没水深度の関係を説明する模式図である。 左右舷の揚力差から生じる復原モーメントを示す船首の滑走バランス翼部分の断面図である。 主翼を追加する場合の船体が水面に静止している状態を示す右舷から見た横断面図である。 船首部に配置した水平の全通滑走バランス翼部分を船首の方向から見た横断面図である。

符号の説明

１ 船体
２ 右舷主翼ストラット
３ 右舷主翼
４ 左舷主冀ストラット
５ 左舷主翼
６ 右舷滑走バランス翼ストラット
７ 右舷滑走バランス翼
８ 左舷滑走バランス翼ストラット
９ 左舷滑走バランス翼
１０ 水面
１１ 船体重心
１２ 主翼揚力
１３ 滑走バランス翼揚力
１４ 右翼揚力
１５ 左翼揚力
１６ 右翼揚力鉛直成分
１７ 左翼揚力鉛直成分
１８ 右翼揚力レバー
１９ 左翼揚力レバー
２０ 主翼復原モーメント
２１ 右舷滑走バランス翼揚力
２２ 左舷滑走バランス翼揚力
２３ 右舷滑走バランス翼揚力レバー
２４ 左舷滑走バランス翼揚力レバー
２５ 滑走バランス翼復原モーメント
２６ 追加の主翼
２７ 全通の滑走バランス翼の水平部
２８ 滑走バランス翼の右舷側上反角部
２９ 滑走バランス翼の左舷側上反角部

Claims (6)

1. 船体重心の少し後方に配置した主翼と、船首部の水面に配した滑走バランス翼により船体を浮上させ、縦方向の船体安定性を保持することを特徴とする水中翼。
2. 主翼は１０°〜４５°と大きな上反角を有した構造で、請求項１の縦安定と同時に横方向の安定性も満足させることができることを特徴とする請求項１記載の水中翼。
3. 滑走バランス翼は船体滑走後に水面に来るように船首部に設置され左右舷に離して別々に装着する水平翼で、船体滑走中の縦安定と同時に航走開始時の横方向の安定性も満足させることができることを特徴とする請求項１記載の水中翼。
4. 主翼および滑走バランス翼を左右舷別々に装着することができる独立構造としたことで、水面上に浮いたままの既存船にでも翼の取り付けが可能であることを特徴とする請求項１記載の水中翼。
5. 複数対の主翼を装着できる構造としたことを特徴とする請求項１記載の水中翼。
6. 船首部がスリムな船型の場合には請求項３の滑走バランス翼は一枚の全通の水平翼とし、両端に上反角を設けた構造として航走開始時の横方向の安定性を確保することを特徴とする請求項１記載の水中翼。

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