JP2014501194A - 船殻およびそのような船殻を含む船 - Google Patents

Abstract

船（1）の進路または推進方向の角セクター内で船（1）の推進力を生み出す空気力学的揚力を相対風により発生させるよう、その水線上の船殻の実質的部分が、本質的に、船殻の中心線（S）に対して対称形のNACA翼型の空中翼の一区画として設計されており、かつ空中翼区画（2）の前縁（3）が船（1）の前方向を向いており、空気力学的揚力が水線下で発生する流体力学的揚力によって均衡を保たれている船殻が提供される。上記の船殻を含む船（1）も提供される。

Description

本発明は、船殻およびこの船殻を含む船に関する。より具体的には、本発明は、船の水上船殻部の実質的部分が帆として機能するよう設計された、風力エネルギーを推進に利用する船殻および関連する船に関する。

持続可能な海上輸送には、海洋で見出される再生産可能な資源を利用することができる新技術の開発が必要である。風は、1つのそのような資源であり、これは太陽のエネルギーおよび地球の自転から発生するものである。気象学は、風の強さおよび風の向きに関する情報を提供し、したがって風力エネルギーは予測可能なものになっている。コンピュータプログラムは、気象データの電子的な重み付けを使用することによって、利用可能な風力エネルギーを活用するために船にとって最良の航海経路を計算することができる。これはウェザールーティング（weather routing）と呼ばれ、現在では市販されている。したがって、本発明にしたがう船に乗船中の船長にとって、船の推進力としてこのエネルギーを活用するために最良の進路を選択することは容易なことである。今日の発達した気象学ツールに加えて、「貿易風」という用語が帆船時代からすでに公知となっており、これは、風の方向および強さの点で特に適していることが経験的に知られている異なる大陸間の経路を表している。

したがって本発明の目的は、大気および海への排出を実質的にゼロにする海上輸送を実現する船を提供することである。

上記およびその他の目的は、船の進路または推進方向の角セクター（angular sector）内で船の推進力を生み出す空気力学的揚力を相対風の中で発生させるよう、水線上の船殻の実質的部分が、本質的に、船殻の中心線に関して対称形のNACA翼型の空中翼（aerofoil）の一区画として設計されており、かつ空中翼の前縁が船の前方向を向いており、空気力学的揚力が水線下で発生する流体力学的揚力によって均衡を保たれている、船殻、を含む、本発明にしたがう船によって達成されることが求められる。

本発明にしたがい設計された船殻を有し相対風の中を移動する船は、上記のように、進路の角セクター内で推進力を生み出す空気力学的揚力を発生させる。これは、船の風力システムである。船上で測定される相対風は、船の進路および速度、ならびに真風の方向および強さにより決定される。加えて、船を静止状態から運動状態にし所望の速度まで引き上げる電気推進システムと共に用いることで、発生した揚力を推進力として利用し、それによって燃料を節約することが可能である。これは、船の速度を一定に保つ動的システムである。

本発明に関連する空気力学的揚力（L）は、水上船殻部の重心に作用点（point of attack）があるベクトルのようなものである。平衡を得るために、空気力学的揚力は、上記のように、流体力学的揚力と均衡を保っており、この流体力学的揚力は、本発明の優利な態様においては、水線下に配置された4枚の水中翼（hydrofoil）であって、2枚の水中翼が船殻の中心線の各側に平行に、かつ水中船殻部の重心に対して対称的に配置されており、各水中翼が船殻の中心線側に45°内向きかつ下向きに縁取り（edge）されている水中翼、によって発生する。したがって、水中船殻部の重心もまた、船の回転中心である。

したがって：
- 空気力学的揚力 × アーム1 = 流体力学的揚力 × アームv
式中
- アーム1 = 水上船殻部の重心から水中船殻部の重心までの距離
- アームv = 水中翼の重心から水中船殻部の重心までの距離
でなければならない。

開発された設計モデルにおいて、アーム1はアームvに等しく、そして水中翼の投影面積は「帆の面積」、すなわち船殻の縦方向における船殻の投影面、の約5%に設定されている。

流体力学的揚力を得るために、水中翼は、1〜5°の迎え角を有し、これはリーウェイ角と呼ばれ、これは動的に生じるものである。したがって船の旋回に対する動的な安定性も得られる。

したがって船の水上船殻部の重心は、船殻の中心線に対して垂直な線上の、船の回転中心の真上に位置しなければならない。

空力および水力の例として、添付の図1には、Czeslav A. MarchajによるAero-hydrodynamics of Sailing、ISBN 0-396-07739-0から引用した、真風V_Tにより運動している帆走ボートに対して作用している力の代表図が示されており、同図において帆走ボート上で記録される対応する風は相対風V_Aである。同図から確認できるように、ボートの速度V_Sと相対風V_Aのベクトル間の角度は角度βである。

ボートの中心線に対する横力が平衡になるためには、
- F_S = F_H
でなければならない。

F_Sは、特定の面積を有する垂直の水中翼（帆走ボートでは「竜骨」とも呼ばれる）が、本明細書では「リーウェイ角」とも呼ばれる迎え角を生じるときに発生する。竜骨の形態の水中翼は、ボートの中心線に平行なその水平中心線に関して対称な形態（NACA）を有する。その垂直中心線は、概ね、前縁から25%後方に位置し、水中船殻部の重心を通っている。これが、このボートの回転中心である。

F_Hは、傾斜モーメントを生じる水平方向の傾斜力であり、
- M_H = F_H × アーム
であり、式中、アームは帆の重心から水中船殻部の重心までの垂直距離である。

FSは、水中翼の重心を通じて、水中翼の中心線に対して90°で作用する水平方向の力である。水中翼の中心線と水中船殻部の中心線の間に水平距離がない場合（竜骨が中央に固定されている場合のように）、復原モーメントは生じない。
- MS = FS × アーム

均衡を得るために、復原モーメントは傾斜モーメントと等しくなければならない。
- MS = MH

ここでのアームは、水中翼の中心線から水中船殻部の中心線までの距離であり、竜骨が中央に配置されたこの例では0である。

したがって、1つの船殻を有する帆走ボートにおいては、水中翼（竜骨）の重量が復原モーメントとして使用される。複数の船殻を有する帆走ボートのように、重量を使用することが可能でないまたは望ましくない場合は、排水（displacement）を復原モーメントとして使用することもできる。排水はまた、1つの船殻を有する大型船舶における復原モーメントとしても使用される。

水中翼は、水中船殻部の中心線側に例えば45°内向きに縁取りされるかまたは傾けられ、かつ該中心線から所定の距離にあるアーム上に位置している場合、力を発生させる。この力にアームを乗じたものは、速度および迎え角、つまりリーウェイ角、が存在する場合、動的な復原モーメントとなる。水中翼のどちら側で、上か／下か、右舷かまたは左舷のリーウェイ角を通じて、F_Sが発生するかに依存して、F_Sは、重心を通じて、水中翼の垂直中心線に対して90°で作用する。
- M_S = F_S × アーム

したがって、船舶の中心線から所定の距離にある水平アーム上の1つのみの対称形の水中翼によって、復原モーメントを発生させることが可能である。この船舶は、「プロア船（Proa）」と呼ばれ、これは右舷および左舷の両側の風に対して機能する。

大型船舶では、上記のようなことは実現せず、そのため、トライマランのように、一般的には傾けた水中翼が2つ存在する。

本発明の上記の優利な態様においては、実施上かつ安全上の理由である程度の排水に加えて復原モーメントを発生させる、かつ本質的にトライマラン形状の水中船殻部を与える、4枚の傾けた水中翼を有することが意図される。

水中船殻部の中心で測定される8.3:1という長さ／幅比は優利な点である。それは、船舶の船尾付近に望まない乱流が生じ海中の抗力が大きくなる限度が8:1であるようであるためである。

上記の長さ／幅比では、船舶は横方向安定性をほとんど有さず、この事実を補うために、本発明の上記の優利な態様のトライマラン形態が選択され、これによって、今日のどの商用船舶も同様なことを自慢できないほど良好な安定性および小さな海中抗力が与えられる。

計算上、水上船殻部および上部構造（superstructure）が空気力学および風を考慮せずに設計されている大型商用船舶、例えば16000 hkの主エンジンを有する車両輸送船Maersk Taiyoは、船速9 m/sおよび好ましくない方向からの風の強さ8 m/sで、風のために最大907 hkのブレーキ効果を経験し得ることが示されている。このブレーキ効果は最大2.8トン／日の石油消費に相当し、これは環境および費用の面で極めて重大である。

本発明の好ましい態様に関する同様の計算は、空中翼面積が5580 m²および船速V_Sが7 m/sおよび43°に等しい迎え角βからの真風強さが12 m/sで、この船が風力から13570 hkの推進力を発生させることができることを示している。

風力の助けをかりて大きな推進力を得ることができ、これが非常に速い速度をももたらし得ることはすでに周知であり、14.5 m/sに等しい真風速度V_Tおよび14°に等しい迎え角βに設定された氷上帆走の世界記録が65 m/s（235 km/h）であると言われるようである。

翼弦長の95%で切り抜き（cut off）されている対称形のNACA翼（NACA 16-018）を有する船殻に対してNorwegian University of Science and Technology - NTNUで実施された風洞試験（Lars Saetran教授による「Wind tunnel study of the above-water part of a ship's hull」、2010年10月）は、以下のように結論付けている（引用）：「このNACA翼を有する船殻のモデル試験では、船の縦軸に対して約13から39度の風のセクター内で、船の移動方向に作用する風力の成分が得られる」。

上記の研究では、船の推進のための風力の発生に対する船殻形状の最適効果を得るために、試験された船殻を構成する対称形のNACA翼区画で最大限の2次元流れを確立することが重要であることも実証され、同研究では、これは、試験されたモデルの1つにおいて対称形のNACA翼形状の空中翼の長さを2倍にすることによってなされた。空中翼の縦方向に対して垂直方向の空中翼の両端に端板（end plate）を配置することによって空中翼上で2次元流れのプロファイルを得ることができることも、以前から技術文献により公知となっている。空中翼が本質的に水面まで下方に延びる船においては、水面が必然的にそのような端板または面を構成するので、その反対側の、船の上側の空中翼の他端に関して、そのような端板または面を配置することが最も重要となる。そのような側板または面は、翼区画の長さがその翼弦長に対して小さい小アスペクト比の場合に特に重要であり、本発明にしたがう船殻は、高アスペクト比を有する航空機の翼と異なり必然的にその場合に該当する。

上記の研究の試験データが図2に示されており、この図から、2倍の船殻高さおよびトリッピング（「ペインドウィンドウ（paned window）」形状の記号により示されている）によって、13°から39°の相対風で正の力成分が得られ（負の抗力係数Cdとして示されている、正確には帆走の推進力として使用されるのはこの負の抗力である）、30°で最大の力が得られることが分かる。「ダイヤモンド」形状の記号により示されている、トリッピングなしでは、結果は若干劣っていたが、それでも有意な正の力成分が得られた。同図から分かるように、他の2つの記号によって示されている、他の2つの試験モデル（それぞれ、従来の船殻および1つのNACA翼形状の翼区画）では、同様の正の力成分が測定されなかった。

出願人が載貨重量トン数（DWT）21000の車両輸送船M/S Hoegh Trooperの船上で得られた、2010年9月3日〜9月15日の期間のフロリダのジャクソンビルからマルタのバレッタまでの渡航ならびにその後の韓国へ向かうおよび欧州に戻る渡航のログデータにアクセスしたこと、このログデータは、船が渡航時間の45%超において13〜39°のセクター内にあったことを示していること、にも言及したい。その進路が最大10%調整されていた場合、この数値は59%となっていたであろう。このことは、NTNUによって実施された試験における試験モデルの中の最良のモデルによって、負の風力が、約59%の時間で、正に変わっていたであろうことを意味する。

以下の添付図に優利な態様にしたがう船が示されており、その長さは180.5 m、高さは33 mそして幅は34.2 mである。これにより5957 m²の帆面積が与えられる。このことは、本発明のこの態様が、進路に対して30°、19 m/sの相対風により、エンジン出力を使用せずに帆走できることを示唆している。M/S Hoegh Trooperが渡航9日目に経験したのはこのような条件であった。

したがって、本発明にしたがい、船の進路または推進方向の角セクター内で船の推進力を生み出す空気力学的揚力を相対風により発生させるよう、水線上の船殻の実質的部分が、本質的に、船殻の中心線に対して対称形のNACA翼型の空中翼の一区画として設計されており、かつ空中翼の前縁が船の前方向を向いており、空気力学的揚力が水線下で発生する流体力学的揚力によって均衡を保たれていることを特徴とする船殻が提供される。

本発明にしたがい、上記のような船殻を有する船がさらに提供される。

以下では、本発明の非限定的な態様が、添付図面を参照しつつさらに詳細に説明されている。

図1は、Czeslav A. MarchajによるAero-hydrodynamics of Sailing、ISBN 0-396-07739-0から引用した、真風V_Tにより動作している帆走ボートに対して作用している力の代表図であり、ここで船上で記録される対応する風は相対風V_Aである。ボートの速度V_Sと相対風V_Aのベクトルの間の角度は角度βである。 図2は、NTNUで実施された風洞実験（Lars Saetran教授による「Wind tunnel study of the above-water part of a ship's hull」、2010年10月）の試験結果のグラフである。 図3は、本発明の優利な態様の側面図である。 図4は、本発明の優利な態様の透視図である。 図5は、本発明の優利な態様の断面図である。図5は、図3のA-A線に沿った断面であり、A-A線は本質的に船の水線に一致する。 図6は、本発明の優利な態様の正面図である。 図7は、本発明の優利な態様の背面図である。

図3〜7は、船1の進路または推進方向の角セクター内で船1の推進力を生み出す空気力学的揚力を相対風により発生させるよう、水線上の船殻の実質的部分が、本質的に、船殻の中心線Sに関して対称形のNACA翼型の空中翼2の一区画として設計されており、かつ空中翼2の前縁3が船の前方向を向いており、空気力学的揚力が水線下で発生する流体力学的揚力によって均衡を保たれている、本発明に従う船1を示している。

NACA翼は、その空中翼区画2の後縁4が空中翼の翼弦長の95%のところで切り抜きされているNACA 16-018型であるのが有利である。

空中翼区画2は、空中翼区画2の表面から空中翼区画2の外周の実質的部分に、特に空中翼区画2の前縁3および側面に沿って、ある角度をなして突出している水線上の上方5および下方6の各々の面により区切られているのが良く、その角度が90°以上であるのが有利である。

流体力学的揚力は、水線下に配置された複数の水中翼7によって発生させるのが良く、ここで、示されているように、4枚の水中翼7は、船殻の中心線Sに関してかつ船の水中船殻部の重心に関して対称的に配置され、そしてその重心が船1の回転中心を構成する。

図示されていない代替の態様においては、2枚の水中翼が、船殻の中心線に関してかつ船の水中船殻部の重心に対称的に配置され、その重心が船の回転中心を形成する。

水中翼7は、船殻の中心線Sを通る垂直面に対して船殻の中心側に約45°下向きかつ内向きの角度に配置され、かつ船1の水上船殻部の重心が船1の船殻の中心線Sに対して直角の線上の、船1の回転中心の真上に位置するのが有利である。

さらに、水中翼7の総投影面積が、船殻の縦方向において、対称形の空中翼区画の投影面積の約5%を構成するのが有利である。

特に図6および7で確認できるように、船殻は、トライマラン型であるのが有利である。

本発明にしたがう船1は、船1の風力推進システムを補うために、図示されていない変速電気推進システムを含むのが有利である。

Claims (14)

1. 船殻であって、船（1）の進路または推進方向の角セクター（angular sector）内で船（1）の推進力を生み出す空気力学的揚力を相対風により発生させるよう、水線上の船殻の実質的部分が、本質的に、船殻の中心線（S）に関して対称形のNACA翼型の空中翼（aerofoil）の一区画として設計されており、かつ空中翼区画（2）の前縁（3）が船（1）の前方向を向いており、空気力学的揚力が水線下で発生する流体力学的揚力によって均衡を保たれており、かつ空中翼区画（2）が、空中翼区画（2）の表面から空中翼区画の外周の実質的部分に、特に空中翼区画（2）の前縁（3）および側面に沿って、ある角度をなして突出している水線上の上方（5）面により区切られていることを特徴とする、船殻。
2. NACA翼がNACA 16-018型であり、空中翼区画（2）の後縁（4）が空中翼区画（2）の翼弦長の95%で切り抜き（cut off）されていることを特徴とする、請求項1記載の船殻。
3. 空中翼区画（2）が、空中翼区画（2）の表面から空中翼区画の外周の実質的部分に、特に空中翼区画（2）の前縁（3）および側面に沿って、ある角度をなして突出している水線上の下方（6）面により区切られていることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項記載の船殻。
4. 前記角度が90°またはそれ以上であることを特徴とする、請求項3記載の船殻。
5. 流体力学的揚力を、水線下に配置された複数の水中翼（hydrofoil）（7）によって発生させることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項記載の船殻。
6. 4枚の水中翼（7）が、船殻の中心線（S）に対してかつ船（1）の水中船殻部の重心に対して対称的に配置され、該重心が船（1）の回転中心を構成していることを特徴とする、請求項5記載の船殻。
7. 2枚の水中翼（7）が、船殻の中心線に対してかつ船（1）の水中船殻部の重心に対称的に配置され、該重心が船（1）の回転中心を構成していることを特徴とする、請求項5記載の船殻。
8. 水中翼（7）が、船殻の中心線（S）を通る垂直面に対して船殻の中心側に約45°下向きかつ内向きとなる角度で配置されることを特徴とする、請求項6または7記載の船殻。
9. 船（1）の水上船殻部の重心が、船殻の中心線（S）に対して直角の線上の、船（1）の回転中心の真上に位置することを特徴とする、請求項6または7記載の船殻。
10. 水中翼（7）の総投影面積が、船殻の縦方向において、空中翼区画（2）の投影面積の約5%を構成していることを特徴とする、請求項5〜9のいずれか一項記載の船殻。
11. トライマラン型であることにより特徴付けられる、前記請求項のいずれか一項記載の船殻。
12. 請求項1〜11のいずれか一項記載の船殻を含む、船（1）。
13. 船の風力推進システムを補うために、変速電気推進システムを含むことにより特徴付けられる、請求項12記載の船。
14. 船（1）の長さが180.5 mであり、船（1）の高さが33 mであり、かつ船（1）の幅が34.2 mであることを特徴とする、請求項12または13記載の船。

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