JP2010095018A

JP2010095018A - 船舶

Info

Publication number: JP2010095018A
Application number: JP2008265085A
Authority: JP
Inventors: Eisaku Mano; 栄作真野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】設備コストを増大させることなくプロペラの背後に生ずる負圧状態を緩和し、キャビテーションの発生を抑制してプロペラの推進力を向上させる。
【解決手段】水面Ｗ下に位置する推進用の第１、第２の各プロペラ２，３と、各プロペラ２，３の駆動源であるエンジン８と、エンジン８からの排気ガスを大気中へ排出するのに設けられたガス排出路９とを有する。エンジン８からの排気ガスをガス排出路９より導入するガス導入路１２が設けられるとともに、第１のプロペラ２の後方位置には、ガス導入路１２と連通し第１のプロペラ２の背後の領域に向けて排気ガスを送り込むガス排出口１８が開口されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、水面下に位置する推進用のプロペラが回転することにより推進する船舶に関し、特にこの発明は、キャビテーションによるプロペラの推進力の低下を抑制する機能を有する船舶に関する。

一般的な船舶は、水面下に配置される推進用のプロペラを高速で回転駆動させて水を後方に押し出すことにより船体を前方に押す推進力を得ている。しかし、水中でプロペラを高速回転させると、プロペラの前方と後方とで圧力の差が生じ、プロペラの背後の領域の圧力が低くなることで、水が蒸発してプロペラの回転翼に気泡が発生する現象、すなわち、キャビテーション（空洞現象）が発生する。キャビテーションが発生すると、プロペラは発生する気泡により十分な水を押し出せない、いわば空回りに近い状態となるため、プロペラの推進力が低下するなどの問題が生じる。

そこで、プロペラの高速回転時に、プロペラの背後に形成される負圧領域に気体（例えば、空気）を送り込み、この空気により負圧状態を緩和することでキャビテーションの発生を抑制するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のものは、プロペラの後方位置に送気管の空気排出口を位置させ、エアポンプなどから空気を送気管を通してプロペラの背後の負圧領域に向けて送り込むことでその負圧状態を緩和し、その結果、キャビテーションの発生を抑制して、プロペラの推進力を向上させている。

特開２００８−６２６８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、プロペラの背後の負圧領域に空気を送出することでキャビテーションの発生を抑制する構成のものであるから、多量の空気を送出しようとすると、大容量のエアポンプなどの空気供給装置が必要となり、その分、気体送出のための設備コストが大きくなって船体の建造コストが増大してしまうという問題がある。

この発明は、上記した問題に着目してなされたもので、気体送出のための設備コストを増大させることなくプロペラの背後に生ずる負圧状態を緩和することでキャビテーションの発生を抑制してプロペラの推進力を向上した船舶を提供することを目的とする。

この発明の船舶は、水面下に位置する推進用のプロペラと、プロペラの駆動源であるエンジンと、エンジンからの排気ガスを大気中へ排出するのに設けられたガス排出路とを有するものであり、エンジンからの排気ガスを前記ガス排出路より導入するガス導入路が設けられるとともに、前記プロペラの後方位置には、ガス導入路と連通しプロペラの背後の領域に向けて排気ガスを送り込むガス排出口が開口されている。

上記した構成の船舶では、プロペラの回転によりプロペラの背後に負圧領域が形成されても、エンジンから排出される排気ガスがガス導入路を通ってガス送出口からこの負圧領域に送り込まれるので、この排気ガスにより前記負圧領域の負圧状態が緩和される。その結果、負圧状態に起因して起こるキャビテーションの発生が抑制され、キャビテーションによるプロペラの推進力の低下が抑えられる。

この発明の好ましい実施態様においては、前記プロペラは船体の前面に設けられている。この実施態様によると、ガス送出口から水中に送出される排気ガスは、キャビテーションの発生を抑制するとともに、プロペラの高速回転によりマイクロバブル（気泡）となり、船舶の運航に伴って船体の表面に沿って船尾の方向へ流動する。これにより、船体の浸水部がマイクロバブルで覆われて、船体表面と水との間にマイクロバブルによる境界層が形成される結果、船体に作用する水の摩擦抵抗が低減され、船舶の推進効率が向上する。
また、排気ガス中に含まれる大量のＣＯ₂（炭酸ガス）が水中に溶け込み取り込まれる結果、排気ガス中に含まれる炭酸ガスの大気中に放出される量が低減され、大気汚染の防止を効果的に支援できる。

この発明のさらに好ましい実施態様においては、上記した構成に加えて、前記ガス排出路に設けられる第１の弁と、前記ガス導入路に設けられる第２の弁と、第１、第２の各弁の開閉を電気的に制御する制御装置とをさらに備えている。

この発明の上記した構成において、「第１の弁」および「第２の弁」は、電磁ソレノイドなどを駆動源として電気的に開閉動作する電磁弁である。また、「制御装置」は、リレー回路のような専用のハードウェア回路をもって構成することもでき、また、プログラムされたコンピュータをもって構成することもできる。

この発明のさらに好ましい実施態様においては、前記制御装置は、プロペラの回転数が所定の回転数以下のとき、第１の弁を開くとともに第２の弁を閉じ、プロペラの回転数が所定の回転数に達したとき、第１の弁を閉じるとともに第２の弁を開くようにしている。

この実施態様によると、プロペラが所定の回転数に達していない低速回転時には、第１の弁が開いているとともに第２の弁が閉じているので、エンジンから排出される排気ガスはガス排出路を通って大気中に放出される。一方、プロペラが所定の回転数に達した高速回転時には、第１の弁が閉じるとともに第２の弁が開くので、エンジンから排出される排気ガスはガス導入路を通ってガス送出口からプロペラの背後の領域に送出される。これにより、プロペラの高速回転によってプロペラの背後に生じる負圧領域の負圧状態が緩和されて、キャビテーションの発生が抑制される。

この発明によれば、プロペラの高速回転によりプロペラの背後の領域に生じる負圧状態に起因してキャビテーションが発生しても、エンジンから排出される排気ガスをプロペラ背後の負圧領域に送出して負圧状態を緩和することでキャビテーションの発生を抑制しているので、プロペラ背後の負圧領域に気体を送出するのに格別な装置を必要とせず、気体送出のための設備コストを低減できる。

図１は、この発明の一実施例である船舶１を模式的に示している。
図示例の船舶１は、船体１０の船首部１０Ａおよび船尾部１０Ｂにそれぞれ推進用のプロペラ２，３を備えており、各プロペラ２，３が水面ｗ下で高速で回転して水を後方に押し出すことにより、船体１０が前方に推進される。

船首部１０Ａの第１のプロペラ２は、図１〜図３に示すように、船体１０の前面の下方に設けられ、ハブ部２３とハブ部２３から外周方向へ延びる複数枚（この実施例では４枚）の回転翼２４とを有するものである。ハブ部２３は、その形状が流線型に形成されており、水流が後方に滑らかに流れるようになっている。また、ハブ部２３の外径Ｌは、後述するガス送出管１３の外径とほぼ一致しており、ガス送出管１３に設けられた複数のガス送出口１８から送出される排気ガスが、各回転翼２４の背後の領域に送り込まれるようになっている。各回転翼２４は、その数や形状に特に制限はなく、図３に示す形状以外のものであってもよい。
なお、船首部１０Ａの第１のプロペラ２は、図示を省略しているが、通水性を有するカバーによって全体が覆われている。

船尾部１０Ｂの第２のプロペラ３は、船体１０の後面の下方に設けられている。第２のプロペラ３としては、ハブ部３３とハブ部３３に取り付けられた複数枚の回転翼３４とを有する公知のものが利用できるが、キャビテーションの発生をできる限り抑制することができる形状のものを用いるのが好ましい。

第１、第２の各プロペラ２，３は、図１および図２に示すように、それぞれ回転軸２０，３０の先端に固定され、各回転軸２０，３０は、それぞれ軸受２１，３１により船体１０に回転自由に支持されている。第１のプロペラ２の回転軸２０はカップリング２２を介して第１のモータ４に連結されており、第１のプロペラ２は第１のモータ４の駆動で回転する。一方、第２のプロペラ３の回転軸３０はカップリング３２を介して第２のモータ５に連結されており、第２のプロペラ３は第２のモータ５の駆動で回転する。

第１、第２の各モータ４，５は直流モータにより構成されており、バッテリー６から電力の供給を受けて回転駆動される。バッテリー６は発電機７に接続されている。発電機７は、船体１０内のエンジン８に接続されており、エンジン８の回転を受けて起電力を発生し、その電力はバッテリー６に蓄えられる。

エンジン８の排気部には、エンジン８からの排気ガスを外部へ排出するためのガス排出路９が接続されている。ガス排出路９は煙突１１に連通し、ガス排出路９に導入された排気ガスは煙突１１に導かれて大気中に排出される。ガス排出路９には分岐点が設けられ、その分岐位置にエンジン８からの排気ガスをガス排出路９より導入するガス導入路１２が接続されている。ガス導入路１２は、船体１０内を船首部１０Ａの方向に延び、このガス導入路１２の先端にはガス送出管１３が連結してある。

ガス送出管１３は、船体１０の前面の貫通孔１４より水中に突き出ている。このガス排出管１３は、例えば鋼管からなる管状のものであり、その両端面はそれぞれ端板１５Ａ，１５Ｂにより閉塞されている。後端面の端板１５Ｂにガス導入路１２が接続されている。ガス送出管１３の中空内部１６を第１のプロペラ２の回転軸２０が貫通しており、各端板１５Ａ，１５Ｂの貫通部において回転軸２０がゴムあるいは樹脂で形成された軸受（図示せず）により回動自由に支持され、排気ガスが外部に漏れないようになっている。なお、図中、１７はシール部材であり、船体１０の内部に水が進入するのを防止する。

ガス送出管１３の前端部の周面には、ガス送出管１３の中空内部１６と水中とを連通する複数のガス送出口１８が等角度間隔で３列にわたって形成されている。各ガス送出口１８は、第１のプロペラ３の後方（各回転翼２４の直後）に位置し、ガス導入路１２に導入された排気ガスはガス送出管１３に導かれて各ガス送出口１８から第１のプロペラ２の背後の領域（各回転翼２４の直後の領域）に向けて送出される。

前記ガス排出路９およびガス導入路１２には、それぞれ排気ガスの流路を開閉する第１、第２の各電磁弁４１，４２が設けられている。各電磁弁４１，４２は、図示しないが、電磁ソレノイドへの通電をオン、オフすることにより弁体を往復動作させて流路を開閉するものである。

各電磁弁４１，４２は、図４に示す制御装置４０によって開閉が制御される。制御装置４０は、プログラムされたコンピュータにより構成され、各モータ４，５の回転を制御するとともに、回転計４３で検出された第１のモータ４の回転数ｖを読み取り、その回転数ｖに応じて各電磁弁４１，４２に対して駆動信号ｓ１、ｓ２を送出して各電磁弁４１，４２を開閉制御する。

この実施例では、第１のモータ４の回転数が低く、第１のプロペラ２が所定の回転数に達していない低速回転時には、制御装置４０は第１の電磁弁４１を開くとともに第２の電磁弁を閉じ、エンジン８から排出される排気ガスをガス排出路９を介して煙突１１から大気中に放出する。
第１のモータ４の回転数が上がり、第１のプロペラ２が所定の回転数に達した高速回転時には、制御装置４０は第１の電磁弁４１を閉じるとともに第２の電磁弁４２を開き、エンジン８から排出される排気ガスをガス排出路９からガス導入路１２に導入する。ガス導入路１２に導入された排気ガスはガス送出管１３を通って各ガス送出口１８から第１のプロペラ２の背後の領域に送出される。これにより、第１のプロペラ２の高速回転によって第１のプロペラ２の背後に形成される負圧領域に気体（排気ガス）が送り込まれる。

なお、船舶１の速度（船速）をセンサで監視し、船速が所定の値以上になったときにガス導入路１２に排気ガスを導入するようにしてもよい。

上記した構成の船舶１では、船舶１の運航に伴い、第１のプロペラ２が高速回転されると、第１のプロペラ２の前方と後方とで圧力差が生じ、第１のプロペラ２の背後の領域の圧力が低下することにより、キャビテーションが発生する。このとき、エンジン８から排出される排気ガスは、ガス排出路９からガス導入路１２に導入されてガス送出管１３に送られる。ガス送出管１３に送られてきた排気ガスは、前記圧力の低下により、各ガス送出口１８を通して水中内に高速で吸引される結果、各ガス送出口１８から第１のプロペラ２の背後に形成された負圧領域に勢いよく送り込まれ、この排気ガスにより前記負圧領域はその負圧状態が緩和される。その結果、前記負圧状態に起因して起こるキャビテーションの発生が抑制され、キャビテーションによる第１のプロペラ２の推進力の低下が抑えられる。

また、各ガス送出口１８から送出された排気ガスは、第１のプロペラ２の高速回転により細かく剪断され、マイクロバブル（気泡）Ｂとなって船首部１０Ａから船尾部１０Ｂに向かって水面ｗ下の船体表面を覆うように流動する。これにより、船体１０の浸水部がマイクロバブルＢで覆われ、船体表面と水との間にマイクロバブルＢによる境界層が形成される結果、船体１０に作用する水の摩擦抵抗が低減され、船舶１の推進効率が向上する。
さらに、排気ガス中に含まれる大量のＣＯ₂（炭酸ガス）が水中に溶け込み取り込まれる結果、排気ガス中に含まれる炭酸ガスの大気中に放出される量が低減され、大気汚染の防止も効果的に支援できる。

なお、上記の実施例では、船首部１０Ａの第１のプロペラ２の背後領域にエンジン８から排出される排気ガスを送り込むようにしているが、これに限らず、図１の一点鎖線で示すように、ガス排出路９より第２のガス導入路１９をさらに分岐させ、このガス導入路１９の先端部を船体１０の後面より船体１０外に導き、ガス送出口２５より第２のプロペラ３の背後の領域に排気ガスを送り込むようにしてもよい。このようにすることで、第２のプロペラ３の背後領域に発生するキャビテーションも抑制でき、キャビテーションによる第２のプロペラ３の推進力の低下も抑えられる。

図５は、この発明の他の実施例である船舶１の構成を模式的に示している。なお、この実施例の船舶１の基本的な構成は上記した実施例の構成と同様であり、ここでは対応する構成に同一の符号を付することで説明を省略する。

図１に示す実施例では、エンジン８を発電機７の発電に用い、発電機７で発電された電力を第１、第２の各プロペラ２，３に直結した第１、第２の各モータ４，５に供給して各プロペラ２，３を駆動するようにしているが、この実施例では、船体内１０に第１、第２の各エンジン８０，８１を設け、第１のプロペラ２の回転軸２０を第１のエンジン８０のクランク軸にカップリング２２を介して直結するとともに、第２のプロペラ３の回転軸３０を第２のエンジン８１のクランク軸にカップリング３２を介して直結して、各プロペラ２，３を各エンジン８０，８１で直接駆動するようにしている。

第１、第２の各エンジン８０，８１の排気部には、各エンジン８０，８１からの排気ガスを外部へ排出するための第１、第２のガス排出路９０，９１がそれぞれ接続されている。各ガス排出路９０，９１は、ガス排出路９を介して連結され、煙突１１に連通している。ガス排出路９の分岐位置にはガス導入路１２が接続され、各エンジン８０，８１からの排気ガスは各ガス排出路９０，９１からガス排出路９を介してガス導入路１２に導入されて、ガス送出管１３に送られる。

この実施例によれば、エンジンの動力を各プロペラ２，３の回転に効率よく変換することができ、船舶１のエネルギー効率を一層向上させることができる。
なお、一方のプロペラ（例えば、第１のプロペラ２）は、エンジン（第１のエンジン８０）により直接駆動する一方、他方のプロペラ（例えば、第２のプロペラ３）は、エンジン（第２のエンジン８１）により発電機およびモータを介して駆動するように構成することも可能である。

この発明の一実施例である船舶の構成を模式的に示す説明図である。船首部の構成を拡大して示す説明図である第１のプロペラの正面図である。船舶の電気的構成を示すブロック図である。この発明の他の実施例である船舶の構成を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１船舶
２第１のプロペラ
３第２のプロペ
８エンジン
９ガス排出路
１２，１９ガス導入路
１８，２３ガス送出口
４０制御装置
４１第１の電磁弁
４２第２の電磁弁

Claims

水面下に位置する推進用のプロペラと、プロペラの駆動源であるエンジンと、エンジンからの排気ガスを大気中へ排出するのに設けられたガス排出路とを有する船舶において、
エンジンからの排気ガスを前記ガス排出路より導入するガス導入路が設けられるとともに、前記プロペラの後方位置には、ガス導入路と連通しプロペラの背後の領域に向けて排気ガスを送り込むガス排出口が開口されて成る船舶。
前記プロペラは、船体の前面に設けられている請求項１に記載された船舶。
請求項１または２に記載された船舶であって、
前記ガス排出路に設けられる第１の弁と、前記ガス導入路に設けられる第２の弁と、第１、第２の各弁の開閉を電気的に制御する制御装置とをさらに備えている船舶。
前記制御装置は、プロペラの回転数が所定の回転数以下のとき、第１の弁を開くとともに第２の弁を閉じ、プロペラの回転数が所定の回転数に達したとき、第１の弁を閉じるとともに第２の弁を開くようにした請求項３に記載された船舶。