JP2012126163A - 船体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】船首部1aには、Y軸方向右側に各々の開口を有する複数の管体11a〜11nと、これらに接続された配管20と、配管に圧縮空気を供給するコンプレッサを備え、各配管20には、圧力調整弁が挿設され、各弁は、制御部により制御されている。各管体11a〜11nは、Y軸方向に沿っており、各管後端部に空気室19が形成されている。各管後端は、互いに連通された状態で、その底部が水中に対して開口されている。各管体11a〜11nの上部壁12および側壁は、設計最大船速に応じ規定される放物線を以って形成されている。
【選択図】図2
Description
図23に示すように、従来技術に係る船体90は、大量の貨物を積載し、あるいは多くの人を乗せるべく、側面90c同士の間の距離(船体幅)を出来るだけ広くするように設計されている。このため、推進時における水の抵抗を少しでも減らそうとして、船首部90aを尖らせるということが従来から行われている。
このような問題に対して、種々の取り組みがなされている(例えば、特許文献1,2など)。
本発明は、上記課題の解決を図るべくなされたものであって、大量輸送を可能としながら、速い速度での航行が可能であり、また、高いエネルギ効率を有する船体を提供することを目的とする。
本発明に係る船体は、船首部に配され、それぞれ進行方向前方に開口を有する複数の管体と、複数の管体のそれぞれに対して、圧縮空気を供給するための配管と、配管に圧縮空気を供給するコンプレッサとを有し、複数の管体は、それぞれが進行方向に沿って配されており、管後端部に空気室が形成され、複数の管体は、その管後端で水中に対して開口されており、複数の管体のそれぞれの上部壁および(または)側壁は、各管体の進行方向前方の開口端から水を設計最大船速で進行方向後方に向けて水平方向に放出した場合における放物線に沿った形状で形成されていることを特徴とする。
従って、本発明に係る船体では、大量輸送を可能としながら、速い速度での航行が可能であり、また、高いエネルギ効率を有する。
本発明に係る船体は、一例として、次のようなバリエーションの形態を採用することができる。
また、本発明に係る船体は、上記構成において、前記スクリューが配された領域と、船尾部における排水口との間の排水経路中には、鉛直上下方向に積層された複数の船尾部管体が挿設されており、前記複数の船尾部管体のそれぞれの管内には、スクリューからの水の圧力および負気圧の状態(負圧機能室の負圧状態)に応じて開閉する扉が設けられているという構成を採用することもできる。船尾部管体および扉、および船尾部の構成としてのバッフルプレート付きのスクリュー室、連通管集合室、船尾排水誘導室が直通に連通するダクト管状体が構成されており、ダクト管状体の構成により、前記スクリューの3次元に放散する推力流を当該ダクト管状体内に集合させることで、推力効率の向上が図られる。
1.船体1の外観構成
本実施の形態に係る船体1の外観構成について、図1を用い説明する。
また、船体1では、その船底1cが略平底となっている。
図1に示すように、船首部1aには、複数の管体の開口が設けられている。複数の管体は、X−Z面において、行列状に配されている。
船体1の構成の内、先ず、船首部1aの構成について、図2および図3を用い説明する。
図2に示すように、船体1の船首部1aには、各々がY軸方向に沿って形成された複数の管体11a〜11nが設けられている。なお、船体1では、図2の紙面手前および奥にも管体11a〜11nが配されている。図3に示すように、各管体11a〜11nは、各管体11a〜11nの管後端部に空気室19が構成されている。なお、各管体11a〜11nの断面形状は、正方形または長方形状であって、内側の高さが、例えば、1[m]である。
図2に戻って、各管体11a〜11nは、その管後端で互いに連通されており、Z軸方向下側の管尻部が水中側が開口されている。
管体11b,11d,11f,11h,11i,11j,11l,11nに対しては、配管20が各上部壁12を挿通して接続されてり、圧縮空気の供給がなされる構成となっている。また、図2および図3に示すように、管体11a〜11nでは、Z軸方向に隣接する管体同士の間に連通管15が介挿されており、これにより下方の空気が上方へと送られるようになっている。図3に示すように、各管体11d〜11g(管体11h〜11hの図示を省略)では、空気室19の下面が各管内における水面501d〜501gとなる。そして、前方より流入した水は、空気室19の下側を通過して水面501d〜501gに入射することになる。
図2および図3に示すように、各連通管15の上部には、オーバーフローセンサ16が設けられている。これについても、後述する。
また、各管体11a〜11nの内部には、Y軸方向右側の前端開口に近い部分に満水センサ13が設けられ、Y軸方向中程に満水センサ14が設けられている。
3.管体11a〜11nの上部壁12
管体11a〜11nの上部壁12および側壁は、放物線に沿うプロファイルを以って構成されており、全ての管体11a〜11nの上部壁12のプロファイルは同一である。このプロファイルの既定方法について、図4および図5を用い説明する。
上記各プロファイルは、図5に示すように、各設計最大船速を初速とする場合の各水流落下曲線(放物線)を先ず描き、管体の内側高さである1[m]でこれらを区切った場合に得られる線分で設定することができる。あるいは、管体の長さについては、設計船速のプロファイルよりも長く設定し、その容積分を空気溜り(エアーダム)とすることができる。
管体11a〜11nにおける満水センサ13,14およびオーバーフローセンサ16について、図6を用い説明する。図6では、管体11cを一例として図示するが、他の管体11a,11b,11d〜11nも同様の構成を有する。
端子23は、アース23に接続されている。
満水センサ14のロッドの先端にもフロートが設けられており、そのフロートが上昇した時に接触可能な位置に端子25が設けられている。端子25は、連通管15の上端開口部分に配されたオーバーフローセンサ16のロッドに接続されている。オーバーフローセンサ16の管出口の先端には、フロー空気弁が設けられており、当該フロー空気弁が下がりきった場合に接続される位置に端子26が設けられている。端子26は、能動側電流線22に接続されている。アース23と能動側電流線22とは、後述する制御部に対して接続され、満水センサ13,14およびオーバーフローセンサ16の開閉情報が制御部に入力される。
上記においては、鉛直方向(Z軸方向)の上下で隣接する管体同士の間に介挿される連通管15の配置について図示および説明をしたが、X−Z面方向における連通管15の配置について、図7を用い説明する。
図7に示すように、管体11bと管体11cとの間には、上部壁12を挿通して、X軸方向左側に配された連通管15が介挿されている。管体11cと管体11dとの間には、上部壁12を挿通して、X軸方向右側に配された連通管15が介挿されている。このように、連通管15は、X軸方向において、互い違いに配されることにより、隣接する同士で干渉しないようになっている。
6.船首部1aにおける水の流れ
船首部1aにおける水の流れについて、図8を用い説明する。
図8に示すように、船首仮想壁11、上部の密閉蓋21、船首隔壁17、および仮定水面27により構成される密閉室を考える。なお、水の密度は、1[g/cm3]とし、密度を“1”とする。また、密閉室に供給される圧縮空気の圧力を1[kgf/cm2]とする。
上記の時点において、水面に対して作用する圧力は、1[kgf/cm2]である。これに相対する単位面積当たりの水の重量が「水頭圧」である。ここで、空気圧力と水頭圧とは、その水面位置では釣り合った状態にある。
船首仮想壁11に下方から上方に向けて、高さおよび幅が1[m]の扉を想定し、当該扉が後方にのみ開く構成であるとする。
図8に示すように、最下段における水頭圧と空気圧との関係は、空気圧が1[kgf/cm2]、水頭圧が1[kgf/cm2]で互いに釣り合った状態にある。
一方、最上段の喫水線部分では、空気圧が1[kgf/cm2]で、水頭圧が0[kgf/cm2]、水の重量も0[kg]である。よって、最上段での空気圧と水頭圧との釣り合いは崩れ、空気が扉の外部へと噴出しようとする。このとき、上記のように、仮定する扉は、後方に向けてのみ開くと仮定しているので、圧力が仮想扉にかかることになる。
(予定対向水流押し入り長さ:10[m])−(仮想扉実質押し入り長さ:0.5[m])=(空気圧による押し返し長さ:9.5[m])という関係が成立する。
(予定実質水流押し入り長さ:10[m])−(仮想扉上端での水流押し入り長さ:9.5[m])=0.5[m]−S
よって、最下段における仮想扉1枚が受ける水の重量は、500[kg]となる。これが、管体内の上下間の差圧により発生した跳ね返し空気圧に相当する。これを損失馬力に換算すると、約6.6[馬力/m2]となる。これが、管体内設定の空気圧力に抗して水がその圧力膜を破る力そのものとなる。
なお、図8は、船速が10[m/s]の場合のものであり、従来技術に係る船体との抵抗の違いは、10[m/s]の場合には約1/20となる。この違いは、船速が速くなればなるほど大きな率の差になる。また、本実施の形態に係る船体1での上記抵抗は、船速の速い遅いには影響を受けず、変化しない。よって、船速が速ければ速いほど、高い効果が得られる。これが、本発明の本質的な性質であり、通水管(管体)内の各設定の空気膜を破り浸入するのに要する力が、500[kgf/m2]と決定付けるものである。この機能が、従来技術に係る船体の抵抗推進理論から本発明に係る流体誘導理論へと変換された成果である。
次に、管体内部における状態について、図9および図10を用い説明する。なお、図9および図10では、最大船速が30ノット(15[m/s])、吃水3.5[m]の船体を想定している。なお、図9および図10では、連通管15を模式的に示し、また、オーバーフローセンサ16の図示を省略している。
次に、図9(b)に示すように、微速前進時(1[m/s])には、上部における空気圧供給が自動制御によりカットされている。そして、この状態では、空気圧注入がなされ、管口から外部への空気漏れは生じない。よって、下部の管体内では、エアーダム容積が大きくなる。
8.船底部の構成
船底部の構成について、図11から図13を用い説明する。
図11(a)に示すように、船体1では、船底が平底構造を有し、船底部が複数のブロック30aに区画されている。そして、区画されたブロック30a内は、船底ブロック枠組30bにより10〜20[cm]の幅を有する金属板で升目状に区切られている。
図11(b)に示すように、内升組30bの壁材後部には、水面センサ31が設けられ、これにより区画された室内の上方には脱気管34および空気供給管35が接続されている。また、升組内水503の水面よりも上部には、連通孔36が設けられており、隣接する区画との空気および水の流通が可能となっている。
なお、図13(a)に示すように、水頭圧センサ32は、船体1の船底1cにおいて、Y軸方向に互いに間隔をあけた状態で複数設けられ、図13(b)に示すように、船体1の幅方向(X軸方向)にも互いに間隔を開けた状態で複数設けられている。
ここで、上記センサが設けられている船底升目部では、空気圧の出し入れにより3つの作動および機能することができる。これについては、後述する。
船首部1aおよび船尾部分1dに対する空気配管の構成について、図14を用い説明する。
図14に示すように、船体1では、圧縮空気を生成するコンプレッサ44およびこれを一時的に貯めておく2つの空気タンク45を備える。2つの空気タンク45のそれぞれには、開閉バルブ46,52と圧力調整バルブ47,53が各直列接続されている。そして、各圧力調整バルブ47,53には、配管が接続されている。
一方、圧力調整バルブ53に接続された配管は、圧力調整バルブ41,43を介して、配管42および一部の配管20に対して接続されている。配管42は、管体11iに対して接続されている。
各開閉バルブ46,52および各圧力調整バルブ40,41,43,47,49〜51,52,53,54は、制御部48により開閉制御されている。制御部48による圧力制御は、上記の各センサ13,14,16,31,32などからの情報をもとになされる。
10.船底升目部での作動および機能
船底升目部での空気の出し入れによる3つの作動および機能について、図15を用い説明する。なお、図15においては、右側から左側に向けての水流を設定するものとする。
次に、図15(b)に示すように、区画内が半満水半空気の状態である場合には、区画内の水によるベアリング効果により、水の回転体対水流の接触となる。この場合のCf値は、約10−3〜10−4となる。
なお、参考として、図15(d)に示すように、従来技術に係る船体の場合には、平板対水流の接触となるため、Cf値が約10−2〜10−3となる。
静止摩擦量は、(W×Cf値)により表わされ、水接触のCf値粘度により幅を持つ。そして、上記のように、Cf値は、図15(a)から図15(c)に示した順に小さくなり、船底摩擦も同様の関係で変化する。また、図15(d)に示す従来技術では、大きなCf値となっている。
11.船尾部1bの構成
船尾部1bの構成について、図16および図17を用い説明する。
図16に示すように、船体1の船尾部1bは、Y軸方向の右側から左側に向けて幅が絞られた構造となっている。そして、船尾部1bにおいては、上部に船尾壁1eが設けられ、その下が開口されている(開口1f)。開口1fの内側には、排水通水管61および通水管部67を介してスクリュー室62が配されている。スクリュー室62には、動力源に接続されたスクリュー66が設けられており、X軸方向の左右には、浮力室63,64が配されている。浮力室63,64は、その全部が船尾隔壁65により区画されている。なお、船尾部1bにおけるスクリュー66を備える部分は、推進部として機能する。
また、図17(a)に示すように、スクリュー室66の後ろには、複数の通水管72からなる通水管部67が配置されている。複数の通水管72は、図17(b)に示すように、後方から見るとき、行列状に配されている。
図17(c)に示すように、通水管72は、角筒状の管本体720と、その中に配置され、ヒンジ721で軸支された扉722とを備え構成されている。扉722は、通水管72の導入口720aから導出口720bに流れる水の流れに対して、ある程度の抵抗を与えることができる。これにより、扉722が半開の状態においても、扉722の全周は気密状態が維持される。なお、扉722の材質についての制約はなく、その重量についても性能面での影響はない。
なお、図17(a)に示すように、船体1の積荷満載時の喫水線505bと、空荷時の喫水線505aとの間に当たる部分にも函体(通水管72)を複数設置し、船尾の外の水流渦部に通水排水することで、渦による抵抗の軽減・解消を図ることができる。また、その部位の上部に函体(通水管72)を隙間なく設置することとしてもよい。
船体1では、通水管72が船体内に収容された構成としているので、悪天候などの影響によっても破損を防止することができる。
12.船尾部1bの各部への負圧空気供給
船尾部1bの密閉空間であるスクリュー室62に対する負圧空気供給に係る構成について、図18を用い説明する。
このように、密閉空間であるスクリュー室62に負圧空気が供給されることにより、所謂、水位上昇を図るとともにその水重量の載荷によりペーパーロック現象が発生することを防止することができ、高い推進エネルギ効率での航行が可能となる。
次に、図19(b)に示すように、本実施の形態に係る船体1では、スクリュー室62において、スクリュー66の上部にバッフルプレート73が設けられており、スクリュー室62に水重量が充填されているので、推力が集中し、吃水下放水がなされる。
次に、図20(a)に示すように、本実施の形態に係る船体1では、推力誘導拘束壁がダクト壁として機能するため、推力流が上方向や横方向に逃げることがなく集中する。
一方、図22(a)に示すように、従来技術に係る船体では、スクリューの推力が上方向や横方向へと逃げてしまうことになる。
なお、図20(b)では、図示の都合上、二次元で図示しているが、実際には、三次元でベクトルが合成される。同様に、図22(b)についても、実際には、三次元で展開される。
11.船首仮想壁
11a〜11n.管体
12.上部壁
13,14.満水センサ
15.連通管
16.オーバーフローセンサ
17.船首隔壁
18.甲板
19.空気室
20,42.空気供給管
21.密閉蓋
22.能動側電流線
23.アース
24〜26.端子
27.仮定水面
30a.船底ブロック枠組
30b.内升組
30c.水密室
31.水面センサ
32.水頭圧センサ
33,34.脱気管
35.空気供給管
36.連通孔
37.抵抗値用摺動子
38,39.配線
40,41,43,47,49,50,51,53,81.圧力調整バルブ
44,83.コンプレッサ
45,84.空気タンク
46,52,82.開閉バルブ
48.制御部
61.排水通水管
62.スクリュー室
63,64.浮力室および多目的室
65.船尾隔壁
66.スクリュー
67.通水管部
70.船尾推力安定装置機器および多目的室
71.通水管集合作動装置室
72.通水管
73.バッフルプレート
720.管本体
721.ヒンジ
722.扉
Claims (9)
- 船首部に配され、それぞれ進行方向前方に開口を有する複数の管体と、
前記複数の管体のそれぞれに対して、圧縮空気を供給するための配管と、
前記配管に圧縮空気を供給するコンプレッサと、
を有し、
前記複数の管体は、それぞれが進行方向に沿って配されており、管後端部に空気室が形成され、
前記複数の管体は、その管後端で水中に対して開口されており、
前記複数の管体のそれぞれの上部壁および側壁は、各管体の進行方向前方の開口端から水を設計最大船速で進行方向後方に向けて水平方向に放出した場合における放物線に沿った形状で形成されている
ことを特徴とする船体。 - 前記船首部における前記複数の管体の開口を、船首前方から見るとき、前記複数の開口は、行列状に配されており、
鉛直方向において隣接する管体同士の間には、連通管が挿通されており、
鉛直方向に互いに隣接する管体同士の間では、相対的に下部に位置する管体において水位および空気圧が確定した後のオーバーフローした空気が、前記連通管を介して、相対的に上部に位置する管体へと送られる
ことを特徴とする請求項1に記載の船体。 - 船尾部における船底には、互いに区画され、底部が水中に解放された複数の水密室が形成されており、
前記複数の空間の各々に対しては、空気の供給経路である配管が接続されており、
前記各水密室への空気の供給状態に応じて、水流との摩擦係数Cf値が10−4以下となるように、当該各水密室における空気と水との割合が規定される
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の船体。 - 船尾部には、スクリューを備える推進部が設けられており、
前記推進部よりも前記船首部寄りの船底には、船底を流れる水から空気を除去する脱気装置が設けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の船体。 - 前記脱気装置の形成により、船首部および船底部の各装置よりの空気漏れを回収し、スクリューの保護および推力の向上が図られる
ことを特徴とする請求項4に記載の船体。 - 前記推進部においては、前記スクリューの鉛直方向上部に、バッフルプレートが配されており、
前記バッフルプレートの上部に水重量が載荷されている
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の船体。 - 前記スクリューが配された領域と、船尾部における排水口との間の排水経路中には、鉛直上下方向に積層された複数の船尾部管体が挿設されており、
前記複数の船尾部管体のそれぞれの管内には、スクリューからの水の圧力および負気圧の状態に応じて開閉する扉が設けられている
ことを特徴とする請求項4から請求項6の何れかに記載の船体。 - 前記船尾部管体および前記扉、および船尾部の構成としてのバッフルプレート付きのスクリュー室、連通管集合室、船尾排水誘導室が直通に連通するダクト管状体が構成されており、
前記ダクト管状体の構成により、前記スクリューの3次元に放散する推力流を当該ダクト管状体内に集合させることで、推力効率の向上が図られる
ことを特徴とする請求項7に記載の船体。 - 前記船首部は、鉛直上方からこれを見るとき、方形状であり、
船底部も、その全面にわたって平板上であり、
船側部の壁面高さ幅も、船首尾線全長にわたって同幅である
ことを特徴とする請求項1から請求項8の何れかに記載の船体。
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