JP2011042204A - 舶用複合型省エネ推進装置及び一軸二舵船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の省エネデバイスを組み合わせることにより、各デバイスが有する効果の和以上に省エネ効果をあげること。
【解決手段】プロペラ２前方の船尾部に配置される筒状のダクト本体２１と、前記ダクト本体の内部に設けられ、前記船尾部の左舷側および右舷側に取り付けられる複数の小翼２２ｓとを有する内部小翼付きダクト２０と、プロペラ後方に配置される一対の舵３と、前記一対の舵の内側にそれぞれ設けられたフィンとを有するフィン付き舵３０とを備える舶用複合型省エネ推進装置１０を船舶１００に装備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一軸二舵船型における複合型省エネ推進装置及びこの複合型省エネ推進装置を備える一軸二舵船舶に関する。なお、一軸二舵船舶とは、単一のプロペラの後方に一対の舵を装備した船舶をいう。

船舶における推進効率の向上を図り省エネルギーの効果（馬力低減効果）が得られるデバイス（以下、省エネデバイスという）のひとつとして、プロペラ前方の船尾に筒状のダクトを取り付けたもの（以下、ダクト型省エネデバイスという）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

省エネデバイスのもう一つは、一軸二舵船舶における一対の舵の内側の左右側面にそれぞれフィン（小翼）を取り付けたもの（以下、フィン付き舵という）が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

上記のダクト型省エネデバイスは、船尾部に沿って流れる船尾流れをダクト内を通過させることによって整流化するとともに、ダクトに揚力を発生させて揚力の水平方向成分である推力を生じさせようとする構成となっている。このため、ダクトの内側の断面形状は一般的にキャンバーを有する翼形状となっている。
また、ダクト内部に複数のステーを設けたものも提案されている（たとえば、特許文献３参照）。これは、ダクトの剛性を高め振動を抑制する目的で開発されたものであり、該ステーは補強のためであって翼型とはなっていない。

次に、上記のフィン付き舵は、プロペラ後流の旋回流成分を回収して水平方向の力成分（推力）に変換することを目的としたものである。このようなフィン付き舵は二舵に限らず一舵にも用いられている（たとえば、特許文献４参照）。

特開２００７−３３１５４９号公報 特開２００８−１８９１３３号公報 特開２００８−１４３４８８号公報 特開２００４−２９９４２０号公報

上述した省エネデバイスとしてのダクトおよびフィン付き舵は、それぞれ単独で用いることで省エネルギーの効果（以下、省エネ効果と略称する）をあげている。

本発明は、複数種類の省エネデバイスを組み合わせることにより、各デバイスが有する効果の和以上に省エネ効果をあげることを目的としたものである。

本発明に係る舶用複合型省エネ推進装置は、
プロペラ前方の船尾部に配置される筒状のダクト本体と、前記ダクト本体の内部に設けられ、前記船尾部の左舷側および右舷側に取り付けられる複数の小翼とを有する内部小翼付きダクトと、
プロペラ後方に配置される一対の舵と、前記一対の舵の内側にそれぞれ設けられたフィンとを有するフィン付き舵と、
を備えることを特徴とする。

このように構成することにより、少なくとも内部小翼付きダクトにおいては、ダクト本体が持つ省エネ効果に加えて、小翼による省エネ効果が加わるので、各省エネデバイスの効果の和以上に大きな省エネ効果が得られる。

また、本発明の舶用複合型省エネ推進装置において、前記内部小翼付きダクトのプロペラ軸方向の取付位置は、前記ダクト本体の後端位置がプロペラ位置からプロペラ直径の１００％以内となるように配置する。

また、本発明の舶用複合型省エネ推進装置において、前記内部小翼付きダクトの上下方向の取付位置は、ダクト中心の高さがプロペラ軸心の高さよりプロペラ直径の±５０％以内となるようにプロペラ軸と同軸または平行に配置する。

また、本発明の舶用複合型省エネ推進装置において、前記ダクト本体内に設けられる小翼は、非対称または対称の翼型であり、左舷側小翼は船首側が上がる方向に傾斜し、右舷側小翼は船首側が下がる方向に傾斜しており、両小翼とも迎角が０〜２５゜の範囲である。

また、本発明の舶用複合型省エネ推進装置において、前記フィンは、前記舵の内側側面に横向きに突出させて設けられており、且つ、一対のフィンが段違いに配設され、翼型の多角形または半円形に形成されているものである。

また、本発明の舶用複合型省エネ推進装置において、前記一対のフィンは、非対称または対称の翼型であり、左舷側フィンは船首側が下がる方向に傾斜し、右舷側フィンは船首側が上がる方向に傾斜しており、両フィンとも迎角が±１５゜の範囲である。

また、本発明に係る一軸二舵船舶は、上記のいずれかの舶用複合型省エネ推進装置を装備したことを特徴とするものである。

以上のように、本発明に係る舶用複合型省エネ推進装置を一軸二舵船舶に装備することにより、より大きな省エネ効果を上げることができる。

本発明の実施の形態１に係る舶用複合型省エネ推進装置を装備した船舶の船尾部分を示す概略側面図である。 内部小翼付きダクトを左舷側および右舷側から見たときの断面側面図で、（ａ）は左舷側断面側面図、（ｂ）は右舷側断面側面図である。 内部小翼付きダクトのダクト中心での断面上面図である。 内部小翼付きダクトのダクト本体の作用説明図で、（ａ）はダクト本体での推力発生説明図、（ｂ）は小翼での推力発生図である。 フィン付き舵の部分を模式的に示す図で、（ａ）はプロペラとフィン付き舵の上面図、（ｂ）はフィン付き舵を後方から見たときの正面図である。 フィン付き舵を右舷側から見たときの側面図で、（ａ）は内側から見たときの図、（ｂ）は外側から投影して見たときの図である。 フィン付き舵の作用説明図で、（ａ）は左舷側フィン付き舵での推力発生説明図、（ｂ）は右舷側フィン付き舵での推力発生説明図である。 内部小翼付きダクトの小翼の迎角を変化させたときの馬力比較図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る舶用複合型省エネ推進装置１０を装備した船舶（一軸二舵船舶）１００の船尾部分を示す概略側面図である。
この実施の形態１に係る船舶１００は、船体１と、単一のプロペラ２と、一対の舵３とを備える一軸二舵船舶であり、さらに複数種類の省エネデバイスとして、内部小翼付きダクト２０と一対のフィン付き舵３０とを備える、本発明に係る舶用複合型省エネ推進装置１０を装備したものである。

まず、本発明に係る舶用複合型省エネ推進装置１０の一つの省エネデバイスを構成する内部小翼付きダクト２０について、さらに図２から図４を参照して説明する。
図２は内部小翼付きダクト２０を左舷側及び右舷側から見たときの断面側面図で、（ａ）は左舷側断面側面図、（ｂ）は右舷側断面側面図である。図３は内部小翼付きダクト２０のダクト中心での断面上面図で、図中の点線は、船尾Water Line（小翼の船尾取付線）をあらわしている。また、図４は内部小翼付きダクト２０の作用説明図で、（ａ）はダクト本体２１での推力発生説明図、（ｂ）は小翼２２ｓでの推力発生図である。

［内部小翼付きダクト２０の構成］
内部小翼付きダクト２０は、一つの筒状のダクト本体２１と、このダクト本体２１の内部の左舷側および右舷側にそれぞれ配置された小翼２２ｐ、２２ｓとを備える。ここで、記号「ｐ」はport（左舷）側、「ｓ」はstarboard（右舷）側をあらわす。以下同様である。

ダクト本体２１は、たとえば、ダクト本体２１の内側に翼型のキャンバーを持つ断面を有する筒状の形状を有するものとし、船尾方向の端縁であるダクト後端２１ａの断面径Ｄｄが船首方向の断面径より小さい円錐形状の一部をなしている。ダクト本体２１の側面形状は矩形状もしくは台形状となっている。なお、ダクト本体２１の外形及び断面形状は特に限定されない。

ダクト本体２１の内部に設けられる小翼２２ｐ、２２ｓは、非対称翼もしくは対称翼で構成する。小翼２２ｐ、２２ｓには、０〜２５゜の範囲で適切な迎角αを設定するものとし、左舷側小翼２２ｐは船首側（前縁）が上がる方向（上向き）に傾斜し、右舷側小翼２２ｓは船首側（前縁）が下がる方向（下向き）に傾斜して、上記角度範囲の迎角αをつける。なお、左舷側小翼２２ｐおよび右舷側小翼２２ｓはそれぞれ一つに限らず複数設けてもよい。小翼２２ｐ、２２ｓを複数ずつ設けた場合は、さらに整流化と、揚力増加に基づく推力増加による省エネ効果の増加を図ることができる。

内部小翼付きダクト２０の各部の寸法関係について、適切な値及び範囲の一例を示すと、次のようになっている。ここで、プロペラ２の直径をＤｐ、ダクト本体２１のダクト後端２１ａの直径をＤｄ、ダクト本体２１の上部長さをＬ１、ダクト本体２１の下部長さをＬ２、小翼２２ｐ及び２２ｓのダクト中心２０ａにおける翼弦長をＣｒ、外端接続部の翼弦長をＣｔ、小翼２２ｐ及び２２ｓの迎角をαとすると、
Ｄｄ＝６０％Ｄｐ
Ｌ１＝５５．７％Ｄｐ
Ｌ２＝７．２％Ｄｐ
Ｃｒ＝２０〜４０％Ｄｐ
Ｃｔ＝１０〜２０％Ｄｐ
α＝０〜２５゜
である。

上記のように構成された内部小翼付きダクト２０は、プロペラ２の前方の船体１の船尾部に取り付けられる。また、小翼２２ｐ、２２ｓもダクト本体２１の内部においてそれぞれ船尾部の左舷側および右舷側に取り付けられる。なお、小翼２２ｐ、２２ｓは、図３に示す点線１１、１１で切断された箇所で船尾部に取り付けられる。従って、点線１１と点線１１の内側に存在する小翼２２ｐ、２２ｓの部分は取付時には除去される。

この内部小翼付きダクト２０のプロペラ軸方向の取付位置は、ダクト後端２１ａの位置がプロペラ位置からプロペラ２の直径Ｄｐの１００％以内となるように配置する。その理由は、この値以下であれば、ダクト本体２１がプロペラ２から離れすぎないので、ダクト本体２１内で整流化された流れを乱されることなくスムーズにプロペラ２に導くことができるからである。なお、本実施形態ではダクト後端２１ａの位置をプロペラ位置から２０％Ｄｐとしている。

また、内部小翼付きダクト２０の上下方向の取付位置は、ダクト中心（ダクト後端２１ａの断面中心）２０ａの高さがプロペラ軸心２ａの高さよりプロペラ２の直径Ｄｐの±５０％以内となるようにプロペラ軸と同軸または平行に配置する。本実施形態ではダクト中心２０ａの高さをプロペラ軸心２ａから５％Ｄｐ上方としている。

［内部小翼付きダクト２０の作用効果］
上記のように構成された内部小翼付きダクト２０を一軸二舵船舶１００の船尾に取り付けると、この内部小翼付きダクト２０に対して船尾流れが図４に示すように作用する。なお、図４は右舷側を示すが、左舷側も同様である。ここでは、特に断らない限り右舷側について説明する。
ダクト本体２１は、筒状の円錐形状の一部として形成されており、内側には断面がキャンバーを持つ翼形状に形成されているので、船尾流れの流入方向に対して垂直方向に揚力５１が発生し、その揚力５１の水平方向成分である推力５３が発生する。
また、ダクト本体２１の内部の右舷側には翼形状の右舷側小翼２２ｓが配置されているので、この右舷側小翼２２ｓに対しても船尾流れの流入方向に対して垂直方向に揚力５２ｓが発生し、その揚力５２ｓの水平方向成分である推力５４ｓが発生する。
したがって、右舷側では上記の二つの推力５３、５４ｓが発生し、左舷側でも同様に二つの推力５３、５４ｐ（不図示）が右舷側と同じ方向に発生するので、ダクト本体２１のみに比べて、より大きな省エネ効果（馬力低減効果）が得られることになる。また、小翼２２ｐ、２２ｓの後方には速度の遅い流れが生じ、この遅い流れがプロペラ２に導入されるので、伴流利得によりプロペラ２の効率アップを図ることができる。

次に、本発明に係る舶用複合型省エネ推進装置１０のもう一つの省エネデバイスを構成する一対のフィン付き舵３０について、図５から図７を参照して説明する。
図５はフィン付き舵３０の部分を模式的に示す図で、（ａ）はプロペラ２とフィン付き舵３０の上面図、（ｂ）はフィン付き舵３０を後方から見たときの正面図である。図６はフィン付き舵を右舷側から見たときの側面図で、（ａ）は内側から見たときの図、（ｂ）は外側から投影して見たときの図である。また、図７はフィン付き舵の作用説明図で、（ａ）は左舷側フィン付き舵での推力発生説明図、（ｂ）は右舷側フィン付き舵での推力発生説明図である。

［フィン付き舵３０の構成］
一対のフィン付き舵３０の舵３は、プロペラ２の後方において、船体中心（プロペラ軸心２ａ）に対し左右対称の鉛直面内に配置される。この一対の左舷側舵３ｐと右舷側舵３ｓとの内側の側面にそれぞれ翼型のフィン３１ｐ、３１ｓを突出させて設けることで、一対のフィン付き舵３０を構成する。

フィン３１ｐ、３１ｓは、左舷側を上キャンバー、右舷側を下キャンバーを持つ非対称翼、もしくは両者とも対称翼のいずれでもよい。本実施形態では、翼前縁からコード長の４０％の位置で最大翼厚を持つ非対称翼としている。
フィン３１ｐ、３１ｓの迎角βは、船型により最適な角度を選ぶこととし、±１５゜の範囲で決定する。本実施形態では、フィン３１ｐ、３１ｓの迎角βは４゜としている。また、左舷側フィン３１ｐは船首側（前縁）が下がる方向（下向き）に傾斜し、右舷側フィン３１ｓは船首側（前縁）が上がる方向（上向き）に傾斜している。

また、フィン３１ｐ、３１ｓは、後方から見て段違いに配置されるとともに、上面から見た平面形状は、対の舵３ｐ、３ｓに対し干渉しない範囲において最大半円形状に内接する多角形のうち、できるだけ平面積を大きくするため台形形状に形成されている。つまり、各々のフィンの可動範囲において、干渉しない範囲で最大限の平面積を得る平面形状とする。したがって、台形等の多角形に限らず半円形の形状でもよい。本実施形態のフィン３１ｐ、３１ｓの形状によれば、平面積を大きくすることができるので、揚力を増加でき、より大きな推力を得ることができる（図５参照）。

［フィン付き舵３０の作用効果］
図７に示すように、左舷側フィン３１ｐに対してはプロペラ２からの旋回流が斜め上方に向かって流入するので、その流入方向に対して垂直方向に揚力５５ｐが発生し、その揚力５５ｐの水平方向成分である推力５６ｐが発生する。
同様に、右舷側フィン３１ｓに対してはプロペラ２からの旋回流が斜め下方に向かって流入するので、その流入方向に対して垂直方向に揚力５５ｓが発生し、その揚力５５ｓの水平方向成分である推力５６ｓが発生する。
したがって、左舷側フィン３１ｐに発生する推力５６ｐと右舷側フィン３１ｓに発生する推力５６ｓとは同じ方向であるので、この二つの推力５６ｐ、５６ｓによって省エネ効果（馬力低減効果）が得られる。

表１及び表２は、船型試験水槽における一軸二舵船型の模型試験による省エネ効果（馬力低減効果）を確認した結果である。水槽試験は一軸二舵船型を用いて下記の６つのケースについて実施した。なお、カッコ内は表中の記載を示す。
・省エネデバイス無し
・ダクト本体のみ
・内部小翼付きダクト（ダクト本体＋小翼Ａ又はＢ）
・フィン付き舵のみ（フィン）
・ダクト本体とフィン付き舵（ダクト本体＋フィン）
・内部小翼付きダクトとフィン付き舵（ダクト本体＋小翼Ａ又はＢ＋フィン）
ここで、小翼Ａの迎角は、ｐ側、ｓ側ともに０゜、小翼Ｂの迎角は、ｐ側１７．５゜（船首側上げ）、ｓ側２０゜（船首側下げ）とした。
また、表中の省エネ効果は、省エネデバイス無しの場合の馬力に対する馬力低減率をあらわしたものである。

表１、表２から、馬力低減率は、「内部小翼付きダクトとフィン付き舵」の場合、満載状態で１１．６％、軽荷状態で１１．３％である。これに対して、「ダクト本体とフィン付き舵」の場合、満載状態で１０．５％、軽荷状態で７．８％であり、前者の方がはるかに省エネ効果が高いことがわかる。つまり、軽荷状態で比較すると、上記７．８％は、「ダクト本体」単独の３．９％と「フィン付き舵」単独の２．８％との和（６．７％）よりも大きく、それ以上に前者「内部小翼付きダクトとフィン付き舵」の方（１１．３％）が省エネ効果が非常に高いものとなっている。

図８は、内部小翼付きダクト２０について小翼２２ｐ、２２ｓの迎角（図８では、Fin Angleと記載）を変えたときの馬力比較をあらわしたものである。小翼無しの場合（Ａ００のケース）に対する馬力比であり、マイナスは馬力の減少を表す。
小翼の迎角は−角度（図２のαと反対方向の迎角）以外はほとんど省エネ効果があるが、約１％以上の馬力減少を目安とすれば、ｐ側は０〜１７．５゜、ｓ側は０〜２５゜の範囲が好ましい。なお、図８において、ｎ・Ｑ／Ｖｍ³（但し、ｎはプロペラ回転数、Ｑはトルク、Ｖｍは船速）は馬力比を表す指標であり、値が小さいほど省エネ効果が大きいことを表す。

以上のように、本実施形態に係る船舶（一軸二舵船舶）１００は、プロペラ前方の船尾に配置された内部小翼付きダクト２０と、プロペラ後方に配置された一対のフィン付き舵３０とを備えた舶用複合型省エネ推進装置１０を装備したので、次のような作用効果がある。
（１）プロペラ前方の船尾に配置された内部小翼付きダクト２０は主として船尾縦渦を回収する。このとき、ダクトを通過した流れは、渦成分が回収され、整流した（２次速度ベクトル流れの少ない）流れとなる。
（２）さらにダクト内に小翼２２ｐ、２２ｓを配置することで、プロペラ２に流れ込む流れをさらに整流することができる。
（３）整流した流れは、プロペラ面に流れ込み、プロペラ面を通過した流れは、船体の船尾縦渦影響の少ないきれいな旋回流となる。
（４）一軸二舵船型においては、舵内側に配置されたフィン３１ｐ、３１ｓがこの旋回流を回収し、省エネ効果を得る。このとき、船尾縦渦影響が少ない螺旋状となるきれいな流れの方がフィン３１ｐ、３１ｓによるエネルギー回収率が大きくなる。
よって、ダクト内に小翼を配置したことが、プロペラに流れ込む流れをより整流し、その整流により舵内側に配置したフィンの省エネ効果向上が全体の省エネ効果を押し上げることとなる。

１ 船体
２ プロペラ
３ 舵
２ａ プロペラ軸心
３ｐ 左舷側舵
３ｓ 右舷側舵
１０ 舶用複合型省エネ推進装置
２０ 内部小翼付きダクト
２１ ダクト本体
３０ フィン付き舵
２０ａ ダクト中心
２１ａ ダクト後端
２２ｐ 左舷側小翼
２２ｓ 右舷側小翼
３１ｐ 左舷側フィン
３１ｓ 右舷側フィン
１００ 一軸二舵船舶

Claims (7)

1. プロペラ前方の船尾部に配置される筒状のダクト本体と、前記ダクト本体の内部に設けられ、前記船尾部の左舷側および右舷側に取り付けられる複数の小翼とを有する内部小翼付きダクトと、
   プロペラ後方に配置される一対の舵と、前記一対の舵の内側にそれぞれ設けられたフィンとを有するフィン付き舵と、
   を備えることを特徴とする舶用複合型省エネ推進装置。
2. 前記内部小翼付きダクトのプロペラ軸方向の取付位置は、前記ダクト本体の後端位置がプロペラ位置からプロペラ直径の１００％以内となるように配置することを特徴とする請求項１記載の舶用複合型省エネ推進装置。
3. 前記内部小翼付きダクトの上下方向の取付位置は、ダクト中心の高さがプロペラ軸心の高さよりプロペラ直径の±５０％以内となるようにプロペラ軸と同軸または平行に配置することを特徴とする請求項１または２記載の舶用複合型省エネ推進装置。
4. 前記ダクト本体内に設けられる小翼は、非対称または対称の翼型であり、左舷側小翼は船首側が上がる方向に傾斜し、右舷側小翼は船首側が下がる方向に傾斜しており、両小翼とも迎角が０〜２５゜の範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の舶用複合型省エネ推進装置。
5. 前記フィンは、前記舵の内側側面に横向きに突出させて設けられており、且つ、一対のフィンが段違いに配設され、翼型の多角形または半円形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の舶用複合型省エネ推進装置。
6. 前記一対のフィンは、非対称または対称の翼型であり、左舷側フィンは船首側が下がる方向に傾斜し、右舷側フィンは船首側が上がる方向に傾斜しており、両フィンとも迎角が±１５゜の範囲であることを特徴とする請求項５記載の舶用複合型省エネ推進装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の舶用複合型省エネ推進装置を装備したことを特徴とする一軸二舵船舶。

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