JP2014046912A

JP2014046912A - ローター船のローターの表面構造

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Publication number: JP2014046912A
Application number: JP2012206244A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Suzuki; 健一鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】ローター船のローターの表面形状を工夫してローターの揚力発生機能を高めることでローター船の燃費向上性能の向上とローターのコンパクト化を図る。
【解決手段】ローター船のローターにおいて、ローター表面に溝を水平に刻み縦断面が波型の溝構造とすることでローターの表面積が拡大し揚力の源である表面摩擦を効果的に発生させる。また、効率的な揚力発生にはローター周速が風速と大きく相違しないことが重要であるが、波型の溝構造の溝の深さをローターの径を基準に所定の範囲に制限することでこれを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグナス効果を推進力として利用するローター船のローター（回転円筒）表面構造に関する。

風のマグナス効果を利用して少ない燃料消費で航行できるローター船が約一世紀前に発明された。

その後、急速に発達した内燃機関が大型船舶の動力を担いローター船の改良は長期にわたり停滞したが、近年の燃油高騰や地球環境問題を契機に風力を利用できるローター船が再び注目されるようになり、内燃機関を主動力、マグナス効果によって生じる揚力を補助動力とするローター船の建造が進められている。

しかし、近年開発されているローター船に搭載されるローター（特許文献１参照）の基本構造は発明当時のものと大差なく、燃費削減を図るために極めて大きなローターを必要としている。

このため、強風時におけるローターの耐久性や船舶の安定性、さらに貨物の荷役機能の低下など、船の基本性能に関わる多くの課題が残されたままである。

特開平２３−１２１５８６（図１）

「日本機械学会誌特集号２００５年４月号（第１０８巻，第１０３７号）Ｐ２７７「流体摩擦の低減」」

ローター船のローターが風を最も効果的に推進力として活かすには、風が常時、船の進行方向に対して９０度の方向からローターに当たることが理想であり、これは、風とローターの回転が生み出すマグナス効果によってローター船のローターが揚力を生み出す仕組みによるものである。

マグナス効果をもたらす垂直の力の発生の根拠は複数挙げられているが、基本的には回転する円柱が粘性を有する流体中を一定速度で移動または一様流中に置かれた場合、円柱に接する流体の粘性によって回転運動に引きずられ移動方向または一様流に対して垂直の力（揚力）が発生するとされる。

一方、摩擦は流体の粘性に起因して生まれるため、ローター船のローターのマグナス効果の源は風とローター表面とが生み出す摩擦がその主体であると言える。

したがって、ローター船のローターが大きな揚力を生み出すには、何より高い風速の風を得ることが重要であるものの、実際の航行に際し自然界の不安定な風を相手にその効果を発揮するにはローターの摩擦発生機能の向上が極めて有効な手段となるため、効率的に摩擦を発生するローター構造の開発が必要である。

近年ローター表面に発生する摩擦の主たる部分は壁面に発生する乱流の働きによるところが大きく、この壁乱流は壁面上で生じる極小の乱流の集団であることが解明されつつある。（非特許文献１参照）

したがって本案では、先ずこの壁乱流をローター表面にできるだけ数多く発生させ、同時に、発生した個々の壁乱流が強力な摩擦を生み出すための条件を整えることでローターの揚力発生機能を増大しようとするものである。

壁乱流についてはなお未解明の部分が多いが、壁面上で発生することから、壁乱流を数多く発生させるにはその発生基盤であるローター表面積の拡大が不可欠であることは明らかであり、さらに個々の壁乱流がそれぞれ大きな摩擦を生むためにはローター表面の隅々に風がスムースに行き渡ることで壁乱流の発生と成長が促進されると考えられる。

具体的には、図１のとおり、ローター表面をローターの回転軸を含む縦断面においてローター表面が波型となるよう溝を水平に積み重ねた構造（以下、断面波型溝構造）とする。

この断面波型溝構造は単なる円筒状のローターに比ベローター表面積を大幅に拡大でき、また溝が水平方向に積み重なる構造は、水平方向からの風が溝の底部にまでスムースに進入することを可能とする。

一方、この波型の溝をローターの回転軸に平行に刻んだ場合、ローター表面積は拡大できるが波型溝の風が当たる面では大きな壁乱流が発生しても、風が遮られる部分では風の流れがローター表面から剥離するため強力な壁乱流は発生し難くなると考えられる。

なお、ローターへの風の進入方向は、搭載する船の揺れや気象環境によって水平を中心に上下するため、断面波型溝構造は必ずしも水平でなくても水平との傾斜角が数度以内であれば風は溝の底部にまで容易に進入し、波型の溝を水平配置した場合とほぼ同様の機能が期待できる。

また波型の溝の表面は、磨き上げや塗装による平滑化は避ける必要があるが、表面の凹凸（図５）等は適切に設けられることで摩擦増大に効果が期待できる。

ローターの揚力は、ローター表面に生じる正圧がローターを中心軸方向に押す圧力の総和であるとされるが、正圧が主に摩擦に起因するものとして風速とローター表面の周速の相対速度から発生する摩擦のローター表面での分布をモデル的に表示したのが図３である。

図３によりローター周囲に生じる摩擦由来の正圧の総和としての揚力が風向に対し垂直になることが容易に理解される。同時に、ローターの揚力が最大となるのは風速が同じであればローターの周速が風速と同水準となる場合であることを示すものであり、風速とローターの周速が相違する場合は摩擦由来の正圧が生じてもローターの周囲全体に分布して揚力増大に役立たないばかりか、場合によって揚力が失われることを示すものである。

本案の断面波型溝構造は溝のピッチと深さで決まるが、ピッチを狭く深さを大きくすることで表面積を大幅に増加させることが可能である。

しかし、断面波型溝構造の溝を深くした場合、最外周の周速と溝の底部の周速に大きな差が生まれローターの全周囲に摩擦が発生する構造となる。

したがって、ローターの溝の底部と先端部の周速が大きく相違することは避ける必要があり、溝の深さは最大でも波型表面の最外周の回転軸中心からの距離の２０％程度にとどめることが不可欠である。

さらに波のピッチを狭めることでもローター表面積の拡大が可能であるが、狭すぎるピッチは溝の底部への風の進入を妨げることに留意する必要がある。

ローター船のローター表面をローターの回転軸を含む縦断面においてローター表面が波型となるよう溝を水平に積み重ねた構造はローターの表面積を拡大し、かつ波型表面の溝の底部にまで風がスムースに進入できる構造となることで、ローターの揚力発生機能を高める。

ローター表面の周速を風速に合わせることが揚力の最大化に極めて重要であり、表面の周速が部位によって異なる波型の表面構造にとって避けられない課題であるが、溝の深さを波型表面の最外周の回転軸中心からの距離を基準に一定の制限を加えることで効率的な揚力発生が可能となる。

円筒製のローター表面を軟質部材によってカバーする構造とすることでローター表面の維持管理や回転時の安全性確保が容易となる。

表面が断面波型溝構造のローターの斜視図表面が断面波型溝構造のローターの一部の縦断面図ローター表面の周速と風速の関係からローター表面に発生する摩擦の大きさ及び発生部位をモデル的に表記したローター平面図（ａ：風速１周速１、ｂ：風速２周速１、ｃ：風速１周速２、ｄ：風速２周速２）円筒ローターの表面を容易に断面波型溝構造とするためのカバー方法（ａ：リング状、ｂ：ロープ状）

ローター船のローターの表面を図１のように断面波型溝構造にし、揚力を最大化するためにローターの表面の周速を風速と同水準とするためローターの回転数を調節する。

円柱状のローター表面を断面波型溝構造とするためには、樹脂、ゴムなどを材料に断面波型溝構造あるいは断面波型溝構造の一部を構成する形状のカバーを作製し、円柱状ローターに被せる構造とすることによって、低コストでローターの揚力発生機能を高めることができるだけでなく、ローター表面の維持管理が容易になるほか、軟質性を確保することで特に回転時の安全性が確保し易くなる。

また、前述のカバーを切り分けたリングをローターに順に取り付ける構造（図５ａ）や、ロープ状に成型したものをローターに巻きつける構造（図５ａ）とすることでローター表面の維持管理がさらに容易になる。

１断面波型溝構造のローター表面
２回転軸
３フランジ
４ローター表面
５断面波型溝構造のローター表面のローター最外周の半径
６断面波型溝構造のローター表面の溝の底部の半径
７ローター表面の断面波型溝構造の溝の深さ
８断面波型溝構造の溝のピッチ
９ローター表面に生まれる摩擦による正圧
１０揚力と向きが反対の正圧となる摩擦
１１揚力と同方向の正圧となる摩擦のうち揚力と向きが反対の正圧となる摩擦（１０）によって相殺される摩擦
１２揚力を構成する正圧
１３揚力
１４表面が円筒のローター
１５円筒ローター表面に積み重ねて波型構造の表面とするリング
１６円筒ローター表面に巻き付けて波型構造の表面とするロープ

特開平２３−１２１５８６（図１）

本発明は、ローター船に用いられるローターであって、
該ローターの外周壁面部の表面には、連続する複数の水平または略水平の輪状溝から構成される断面波型溝構造によって、回転軸芯方向断面視において波形となる波形表面が形成され、該断面波型溝構造における前記波形表面の溝の深さは、該波型表面の最外周縁部から前記ローターの軸芯までの距離に対して５％から２０％の範囲内であり、該断面波型溝構造における前記波形表面の溝のピッチは、前記溝の深さとの比率で０．５〜１の範囲内の寸法であることを特徴とする構成を採用した。

また、本発明は、前記断面波型溝構造が、前記ローターの外周壁面部の表面に樹脂またはゴムをはじめとする軟質素材のカバーを掛けることで、前記波形表面を形成させる構成のものであることを特徴とする構成を採用することもできる。

また、本発明は、前記断面波型溝構造が、前記ローターの外周壁面部の表面に樹脂またはゴムをはじめとする軟質素材のリングを重ねて設置したことで、前記波形表面を形成させる構成のものであることを特徴とするとする構成を採用することもできる。

前記断面波型溝構造が、前記ローターの外周壁面部の表面に樹脂またはゴムをはじめとする軟質素材のロープ状の紐状部材をネジ山状に巻き付けて、前記波形表面を形成させる構成のものであることを特徴とする請求項１に記載のローター船のローター。

また、本発明は前記波形表面に、動作流体に対して適度な流体摩擦を増加させるための梨地仕上げ、又はエンボス加工仕上げ、或いは、多数の微細な凹部または凸部のいずれか若しくはこれらの組合せによる表面仕上げがなされていることを特徴とするとする構成を採用することもできる。

したがって本発明では、先ずこの壁乱流をローター表面にできるだけ数多く発生させ、同時に、発生した個々の壁乱流が強力な摩擦を生み出すための条件を整えることでローターの揚力発生機能を増大しようとするものである。

この断面波型溝構造は単なる円筒状のローターに比べローター表面積を大幅に拡大でき、また溝が水平方向に積み重なる構造は、水平方向からの風が溝の底部にまでスムースに進入することを可能とする。

本願の断面波型溝構造は溝のピッチと深さで決まるが、ピッチを狭く深さを大きくすることで表面積を大幅に増加させることが可能である。

Claims

ローターの回転数を自由に調節可能な機能を有するローター船のローターにおいて、ローター表面の周速を風速にできる限り合わせる機構を搭載し、ローターの回転軸を含む縦断面においてローター表面が波型となるよう溝を水平に積み重ねた構造（以下、断面波型溝構造）とし、この断面波型溝構造のローター表面の溝の深さを波型表面の最外周の回転軸中心部からの距離の２０％を超えないことを特徴とするローター
ローター船のローターにおいて、円筒状のローター表面に樹脂またはゴムをはじめとする軟質素材のカバーを掛けてローター表面を断面波型溝構造とする請求項１記載のローター
ローター船のローターにおいて、円筒状のローター表面に樹脂またはゴムをはじめとする軟質素材のリングを重ねて設置しローター表面を断面波型溝構造とする請求項１記載のローター
ローター船のローターにおいて、円筒状のローター表面に樹脂またはゴムをはじめとする軟質素材のロープ状素材をネジ山状に巻き付けローター表面を断面波型溝構造とする請求項１記載のローター
回転するローターが風や水流との間に生み出す揚力を利用する発電機、航空機及びその他の機械、装置において用いられる請求項１ないし４記載のローター