JP2014125055A - 船舶用プロペラ及びそのボス - Google Patents

Abstract

【課題】流体力に起因してボスに生じる応力が集中することを抑制することができる組立式の船舶用プロペラを提供する。
【解決手段】船舶用プロペラ１００は、半径方向内側に突出する挿入部１３を基端側に有する翼１０と、挿入部１３が挿入される挿入溝２１を外周面側に有するボス２０と、を備えている。挿入部１３は、半径方向内側に向かうに従って周方向両外側に広がる一対の接触面１４を含んでいる。挿入溝２１は、半径方向外側付近の周方向両側に位置し、接触面に接する一対の傾斜面２３と、傾斜面２３の各々から半径方向内側に向かって延びる一対の延伸面２４と、挿入溝２１の底部を画する底面２５とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶用プロペラ及びその構成部材であるボスに関する。

船舶用のプロペラは、主に複数の翼とこれらの翼を支持するボスとによって構成されている。船舶用のプロペラでは、上記の翼とボスを鋳造により一体に成型するのが一般的である。このような一体成型されたプロペラを備えた船舶は、例えば翼の一枚が交換時期に達したとしても、プロペラ全体を交換する必要がある。また、大型のプロペラを鋳造によって製造するには、大きな設備や熟練の技術が必要であるため、その製造は容易ではない。

ところで、ガスタービンエンジンの技術分野においては、係合溝（スロット）を有するローターディスクと、係合部（ダブテール）を有する翼を別々に製造し、ローターディスクの係合溝に翼の係合部を挿入することで全体を形成する組立式のローターが広く用いられている。船舶用のプロペラもこのような組立式を採用すれば、翼の一枚が交換時期に達したとしても、その翼のみを交換すれば再度使用することができ、また、製造も比較的容易となる。

ガスタービンエンジンの場合、ローターは非常に速い回転速度で回転するため、翼には半径方向外側に向かう大きな遠心力が加わる。そして、この翼に加わる遠心力に起因する問題も生じる。つまり、翼に遠心力がはたらくと、翼の係止片が係合溝を形成する面に強く押し付けられ、係止片が押し付けられた部分にはフレッティング摩耗が生じる。なお、このフレッティング摩耗を防止するための対策については、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開平４−２９２５０１号公報 特開２００１−１３２４０７号公報

一方、船舶用のプロペラの場合、空気よりも比重の大きい水の中で使用されるため、翼には水から半径方向以外の方向に（周方向や軸方向に）大きな力（以下、「流体力」と称す）が加わる。そして、この流体力に起因する問題も生じる。つまり、仮に船舶用のプロペラを組立式とした場合、翼を挿入するボスの挿入溝には翼を介して大きな力が加わる。そのため、この力により生じる応力が構造的に集中する箇所から破損しない設計とする必要がある。

このように、ガスタービンエンジンのローターと船舶用のプロペラとは、使用条件及び使用環境が異なるため、生じる課題も異なる。そのため、船舶用のプロペラを組立式とする際に、例えば特許文献１及び２に記載の構成をそのまま適用したとしても、船舶用のプロペラに生じる課題は十分に解決されない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、流体力に起因してボスに生じる応力が集中することを抑制できる組立式の船舶用プロペラを提供することを目的とする。

本発明のある形態に係る船舶用プロペラは、半径方向内側に突出する挿入部を基端側に有する翼と、前記挿入部が挿入される挿入溝を外周面側に有するボスと、を備え、前記挿入部は、半径方向内側に向かうに従って周方向両外側に広がる一対の接触面を含み、前記挿入溝は、半径方向外側付近の周方向両側に位置し、前記接触面に接する一対の傾斜面と、前記傾斜面の各々から半径方向内側に向かって延びる一対の延伸面と、前記挿入溝の底部を画する底面とを含む。

この船舶用プロペラによれば、各挿入溝を形成する面に延伸面や湾曲面が含まれるため、挿入溝の断面形状に起因したボスに生じる応力集中を分散させることができる。

また、上記の船舶用プロペラにおいて、前記一対の延伸面は、互いに平行、又は、半径方向内側に向かうに従って互いに近づくように形成されていてもよい。また、前記一対の延伸面は、いずれも断面視において直線状に形成されていてもよい。かかる構成によれば、隣接する挿入溝間の部分（リガメント部）の幅が小さくなりすぎるのを防ぎ、このリガメント部の強度低下を抑えることができる。

また、上記の船舶用プロペラにおいて、前記傾斜面の傾斜角度は７０度以上９０度未満であることが望ましい。さらに、前記挿入溝の深さに対する前記延伸面の断面長さの比は０.２から０.５であることが望ましい。このように構成することで、ボスに生じる最大応力をより一層低減させることができる。

なお、上記の船舶用プロペラにおいて、前記翼と前記挿入溝を複数備えるようにしてもよい。また、本発明のある形態に係るボスは、上記の船舶用プロペラを構成する。

本発明に係る船舶用プロペラにあっては、流体力に起因してボスに生じる応力が集中することを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るプロペラの要部の断面図である。 図２は、延伸面がないボスの応力の分布図である。 図３は、図１に示すボスの応力の分布図である。 図４は、ボスの延伸面の長さと最大応力の関係を示したグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

＜プロペラの構成＞
まず、図１を参照して、本実施形態に係るプロペラ１００の構成について説明する。図１は、プロペラ１００の回転中心軸に垂直な面の断面図であって、後述するボス２０の外周面付近を拡大した図である。本実施形態に係るプロペラ１００は、船舶に用いるプロペラであって、図１に示すように、翼１０と、ボス２０と、スペーサ３０とを備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。なお、以下で「半径方向」及び「周方向」というときは、それぞれプロペラ１００の回転中心軸を基準とした半径方向及び周方向を意味することとする。また「断面」というときは、プロペラ１００の回転中心軸に垂直な断面を意味することとする。

翼１０は、ボス２０の外周に等間隔に配置されており、ボス２０とは別に形成された部材である。本実施形態に係るプロペラ１００は水中で動作するため、翼１０はプロペラ１００の回転によって水から大きな力を受ける。また、翼１０は、翼本体１１と、フランジ部１２と、挿入部１３とを有している。

翼本体１１は、翼１０のうち水からの力（流体力）を受ける部分である。ここで、翼１０が「てこ」であると考えると、この翼本体１１が流体力を受けることから力点となり、後述するフランジ部１２の周辺が支点となり、挿入部１３がボス２０に力を加える作用点となる。このような原理で、翼本体１１に加わった流体力はその大きさを増してボス２０へと伝わる。

フランジ部１２は、翼本体１１の基端側（半径方向内側）に位置する部分である。フランジ部１２は、断面視において翼本体１１から周方向両外側に広がっている。また、ボス２０の外周面側には嵌め込み部２７が形成されており、フランジ部１２はこの嵌め込み部２７に嵌め込まれている。これにより、フランジ部１２の外表面（半径方向外側の面）とボス２０のうち嵌め込み部２７に隣接する部分の外表面とによって、プロペラ１００のボス面が形成されている。

挿入部１３は、フランジ部１２のさらに基端側に位置し、半径方向内側に突出する部分である。挿入部１３は、ボス２０の挿入溝２１に挿入されている。挿入部１３は、断面視において略台形の形状を有している。また、挿入部１３は、半径方向内側に向かうに従って周方向両外側に広がる一対の接触面１４を有している。さらに、挿入部１３のうち接触面１４よりも基端側の部分は、面取が施されており、基端には下面１５が形成されている。また、この下面１５は平面状に形成されている。なお、この下面１５は平面状であることに限定されず、例えば円弧状に形成されていても構わない。

ボス２０は、翼１０を保持する部材である。ボス２０は全体として略円筒状、または、略円錐台状の形状を有しており、外周面側には周方向に等間隔で複数の挿入溝２１が形成されている。各挿入溝２１は複数の面から成る外郭面２２によって形成されている（画されている）。この外郭面２２は、プロペラ１００の回転中心軸を通る翼１０の中心線Ｃを基準として左右対称に形成されており、一対の傾斜面２３と、一対の延伸面２４と、底面２５と、一対の湾曲面２６と、を有している。換言すれば、各挿入溝２１は、一対の傾斜面２３と、一対の延伸面２４と、底面２５と、一対の湾曲面２６と、によって形成されて（画されて）いる。

傾斜面２３は、外郭面２２のうち半径方向外側付近に位置し、翼１０の接触面１４に面接触している。なお、傾斜面２３の傾斜角度αについては後述する。また、傾斜面２３は、翼１０の接触面１４よりも半径方向外側に位置している。翼１０が回転し、遠心力が働いた場合、翼１０の接触面１４と傾斜面２３が当接する。そのため、翼１０の挿入部１３と、ボス２０の挿入溝２１との間に発生するがたつきは小さなものとなる。なお、翼１０の接触面１４の下端部１６（半径方向内側端）は、傾斜面２３と延伸面２４の境界部分とは一致せず、この境界部分よりも上方（半径方向外側）に位置している。

延伸面２４は、傾斜面２３から半径方向内側に延びる面である。この延伸面２４は、傾斜面２３と底面２５を離間するために形成されている。また、延伸面２４は、断面視において直線状に形成されている。本実施形態では、延伸面２４は翼１０（挿入部１３）の中心線Ｃに対して平行に形成されている。つまり、この中心線Ｃを挟んで両延伸面２４は平行に形成されている。ただし、両延伸面２４は、互いに平行でなくてもよい。つまり、両延伸面２４は、傾斜面２３から、中心線Ｃに対して離れる方向に延びていなければよく、例えば、両延伸面２４は、半径方向内側に向かうに従って互いに近づくように形成してもよい。延伸面２４をこのように構成することで、隣接する挿入溝２１間の部分（リガメント部）２８の幅が小さくなりすぎるのを防ぎ、リガメント部２８の強度低下を抑えることができる。なお、延伸面２４の長さについては後述する。また、本実施形態では、延伸面２４は直線状に形成されているが、これに限定されず、円弧状に形成されていてもよい。なお、図１に示すように、本実施形態では、傾斜面２３と延伸面２４は角部を成すように接続されているが、傾斜面２３と延伸面２４の間に湾曲面を形成してもよい。

底面２５は、挿入溝２１の底部を形成する面である。本実施形態の底面２５は、直線状に形成されている。なお、底面２５は、半径方向内側に凸形状などの曲線としてもよいが、底面２５がボス２０の内周面２９に近すぎると、ボス２０の底面２５と内周面２９との間の部分の強度が低下し、必要強度を確保できなくなるおそれがある。そのため、底面２５は直線状であることが好ましい。また、底面２５は、半径方向外側に凸形状などの曲線としてもよく、例えば、底面２５をボス２０と同心の円弧としてもよい。なお、底面２５と挿入部１３の下面１５とは離間している。つまり、底面２５と挿入部１３の下面１５との間には空間が形成されている。

湾曲面２６は、延伸面２４と底面２５の間に位置しており、断面視において円弧状に形成されている。湾曲面２６の曲率半径は特に限定されないが、底面２５の周方向寸法の１０〜２０％であることが望ましい。湾曲面２６の曲率半径をこのように構成することで、湾曲面２６に生じる応力集中を低減させることができる。ただし、湾曲面２６は円弧状に限定されず、延伸面２４と底面２５を滑らかに接続するものであればよい。また、底面２５がボス２０の内周面２９に近すぎると強度低下の問題が生じることは上述したとおりである。

スペーサ３０は、挿入部１３の下面１５と挿入溝２１を形成する底面２５との間に挿入された部材である。このスペーサ３０を挿入することにより、挿入部１３の接触面１４と挿入溝２１の傾斜面２３を確実に当接させることができ、挿入部１３と接触面１４との間のがたつきを防止することができる。スペーサ３０は、挿入部１３と挿入溝２１との間のがたつきを防止するものであるため、翼１０を半径方向外側に付勢できる部材であることが望ましい。例えば、スペーサ３０として、ボス２０の挿入溝２１の延在方向に高さが変化するくさび状の部材を用い、挿入溝２１の延在方向において、挿入部１３の下面１５と挿入溝２１の底面２５との距離が徐々に変化するようにし、当該距離の大きい方からスペーサ３０を任意の位置まで挿入することで、翼１０を半径方向外側に付勢する構成としてもよい。さらに、スペーサ３０の挿入に代えて、ねじで翼１０を付勢してもよい。つまり、ボス２０に内周面２９側から底面２５に抜けるねじ穴を形成し、そのねじ穴にねじを挿入し、ねじの先端を翼１０の下面１５に押し当てることで、翼１０を半径方向外側に付勢するように構成してもよい。その他にも、油圧式や空圧式のアクチュエータ等を用いても構わない。なお、本実施形態においては、中心線Ｃに対して、一対の傾斜面２３は左右対称としているが、これに限定されず、最大荷重の差を考慮して、一対の傾斜面２３のそれぞれが異なる角度を持つものとしてもよい。また、同様に、本実施形態においては、中心線Ｃに対して、一対の延伸面２４は左右対称としているが、これに限定されず、最大荷重の差を考慮して、一対の延伸面２４のそれぞれが異なる角度を持つものとしてもよい。

以上が本実施形態に係るプロペラ１００の構成である。本実施形態に係るプロペラ１００は、翼１０の挿入部１３をボス２０の挿入溝２１の延在方向に沿って（例えば、図１の紙面手前側から紙面奥側に向かって）挿入溝２１に挿入し、その後スペーサ３０をボス２０の底面２５と翼１０の下面１５の間に挿入するという手順で組み立てることができる。このように本実施形態に係るプロペラ１００は組立式のプロペラであるため、翼１０の一枚が破損したとしても、破損した翼１０のみを交換すれば、プロペラ１００を再度使用することができる。また、本実施形態に係るプロペラ１００によれば、構成部品単位で製造を行うことができるため、プロペラ１００全体として製造を比較的容易に行うことができる。

＜本実施形態の効果＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るプロペラ１００の挿入溝２１の形状に由来する効果について説明する。図２及び図３は、翼に遠心力（紙面上方向の力）及び周方向（紙面右方向）の力をかけたときのボスの応力分布を示した図である。そして、図２は延伸面のない（挿入溝の断面形状が略台形である）ボスの場合を示しており、図３は上述した本実施形態のボス２０の場合を示している。図２及び図３において、色の濃い部分が、応力の高い部分である。なお、図２及び図３は、翼に同じ大きさの力を加えたときの結果を示している。

図２に示すように、延伸面のないボスの場合、本実施形態の傾斜面２３に相当する面と底面２５に相当する面の境界部分に応力が集中している。一方、図３に示すように、延伸面２４を有する本実施形態のボス２０の場合、応力が集中する部分はほとんどなく、分散している。なお、図３に示す場合、最大応力の値は図２に示す場合の３分の１程度である。このように、本実施形態によれば、構造的に集中した応力が分散するため、ボス２０に生じる最大応力を大幅に低減することができる。

また、船舶用のプロペラは、一方向にのみ回転するのではなく、両方向に回転するように構成されている。つまり、船舶が前進する場合にはプロペラは正転し、船舶が後退する場合にはプロペラは逆転する。これに対し、本実施形態では、挿入溝２１は、翼１０の中心線Ｃを基準に左右対称に形成されている。そのため、図３において、翼１０に逆の方向（紙面左方向）の力がかかった場合は、応力分布傾向は左右が反転する。つまり、本実施形態によれば、プロペラ１００が正転時だけでなく逆転時においても、応力を適切に分散させることができる。

＜傾斜面の傾斜角度＞
次に、図４を参照して、傾斜面２３の適切な傾斜角度αについて説明する。図４は、傾斜面２３の傾斜角度αが７０度の場合と８０度の場合について、延伸面２４の長さと最大応力の関係を示した図である。ここでいう傾斜角度αとは、断面視において、プロペラ１００の中心軸を通る挿入溝２１の中心線Ｃに直交する線を基準とし、当該線に対して傾斜面２３がなす角度をいう（図１参照）。図４において、２本ある屈曲線のうち上方側に位置する線でつながれたポイント（丸）が、傾斜角度αが７０度のときのものである。また、下方側に位置する屈曲線でつながれたポイント（四角）が、傾斜角度αが８０度のときのものである。

さらに、図４の横軸は、挿入溝２１の深さＤに対する延伸面２４の長さＬの比を示している。ここでいう挿入溝２１の深さＤとは、挿入溝がないと想定した場合のボス外周面と中心線Ｃの交点からボス２０の底面２５までの中心線Ｃ方向の距離をいう（図１参照）。また、延伸面２４の中心線Ｃ方向の長さＬは断面視における延伸面２４の長さ（断面長さ）をいう（図１参照）。一方、図４の縦軸は最大応力を示しており、その値は図２に示すボスに生じる最大応力との比である。

図４に示すように、傾斜角度αが７０度の場合と８０度の場合を比べると、傾斜角度が１０度変化するだけで、最大応力（図２の最大応力との比）が３分の２から半分程度にまで低下していることがわかる。傾斜角度αが大きくなれば傾斜面２３と延伸面２４の境界部分における応力は小さくなることが予測されるが、特に傾斜角度αが７０度以上となれば、最大応力を大幅に低減することができることが判明した。一方、傾斜角度αが９０度に達すると、実質的に傾斜面２３が存在しなくなる（延伸面２４に同化する）。この場合、挿入部１３に当接して、挿入部１３の径方向外側への移動を規制する部分がなくなるため、挿入部１３と挿入溝２１との間のがたつきが大きくなる。そのため、傾斜角度αは少なくとも９０度よりも小さくする必要がある。以上を踏まえると、傾斜角度αは７０度以上９０度未満であることが望ましい。

＜延伸面の長さ＞
次に、図４を引き続き参照して、延伸面２４の最適な長さ（断面長さ）について説明する。図４に示すように、傾斜角度αが７０度の場合及び８０度の場合のいずれであっても、延伸面２４の長さＬ（挿入溝２１の深さＤに対する延伸面２４の長さＬの比）が大きくなるに従って、最大応力（図２の最大応力との比）が小さくなる。特に、挿入溝２１の深さＤに対する延伸面２４の長さＬの比が０.２以上であれば、その効果は大きい。一方、延伸面２４の長さＬが大きくなりすぎると、ボス２０の内周面２９と挿入溝２１を形成する底面２５の距離が小さくなり、それらの間の部分の必要強度が確保できないおそれがある。そのため、実質的に挿入溝２１の深さＤに対する延伸面２４の長さＬの比は、０.５以下であるのが望ましい。以上を踏まえると、挿入溝２１の深さＤに対する延伸面２４の長さＬの比は、０.２から０.５であることが望ましい。

以上、本発明の実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

本発明に係る船舶用プロペラは、流体力に起因するボスに生じる応力を分散させることができ、その結果、ボスに発生する応力の集中を抑制することができる。よって、船舶の技術分野において有益である。

１０ 翼
１３ 挿入部
１４ 接触面
２０ ボス
２１ 挿入溝
２３ 傾斜面
２４ 延伸面
２５ 底面
２６ 湾曲面
１００ プロペラ
α 傾斜角度
Ｄ 挿入溝の深さ
Ｌ 延伸面の長さ

Claims (7)

1. 半径方向内側に突出する挿入部を基端側に有する翼と、
   前記挿入部が挿入される挿入溝を外周面側に有するボスと、を備え、
   前記挿入部は、半径方向内側に向かうに従って周方向両外側に広がる一対の接触面を含み、
   前記挿入溝は、
   半径方向外側付近の周方向両側に位置し、前記接触面に接する一対の傾斜面と、
   前記傾斜面の各々から半径方向内側に向かって延びる一対の延伸面と、
   前記挿入溝の底部を画する底面とを含む、船舶用プロペラ。
2. 前記一対の延伸面は、断面視において互いに平行、又は、半径方向内側に向かうに従って互いに近づくように形成されている、請求項１に記載の船舶用プロペラ。
3. 前記一対の延伸面は、いずれも断面視において直線状に形成されている、請求項１又は２に記載の船舶用プロペラ。
4. 前記傾斜面の傾斜角度は７０度以上９０度未満である、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載の船舶用プロペラ。
5. 前記挿入溝の深さに対する前記延伸面の断面長さの比は０.２から０.５である、請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載の船舶用プロペラ。
6. 前記翼と前記挿入溝を複数備えている、請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載の船舶用プロペラ。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一の項に記載の船舶用プロペラを構成するボス。