JP2015205525A

JP2015205525A - 硬帆船

Info

Publication number: JP2015205525A
Application number: JP2014085109A
Authority: JP
Inventors: 和長濱; Kazu Nagahama; 雅仁戸城; Masahito Toshiro; 洋正山下; Hiromasa Yamashita
Original assignee: Tadano Ltd
Current assignee: Tadano Ltd
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-11-19

Abstract

【課題】正確な船の推進力を把握するための検出装置を備えた硬帆船を提供する。【解決手段】船舶上の設置面から上方に伸びるマスト体Ｍと、マスト体Ｍに取付けられた風力を受ける硬帆Ｓａとを備えた硬帆船において、マスト体Ｍの基部に切欠き孔を形成し、切欠き孔に薄板を固着したせん断応力検出部を設け、薄板に歪検出器Ｓ１を取付けて推進力検出装置を構成した。風によりマスト体Ｍに作用するせん断応力を歪検出器Ｓ１で直接検出することによって風中心の変位にかかわらず船の推進力を正確に求めることができる。薄板に発生する歪を検出することにより、厚板に発生する歪を検出する場合に比べ大きな出力値が得られるので、増幅の段階で入る誤差や外乱等を少なくでき、正確な推進力を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、硬帆船に関する。さらに詳しくは、硬帆が風力を受けて発生する推進力を把握するための推進力検出装置を備えた硬帆船に関する。

海運における大幅なＣＯ２削減を実現するために、同性能の従来型機走船に比べて燃料油使用量の半減を目標とする帆主機従の新形式風力推進船が開発されている。この新形式の風力推進船は大面積高揚力が得られる伸縮硬帆を用いたものである（特許文献１，２参照）。

伸縮硬帆自体は断面形状が三日月形あるいは飛行機の翼のような形状をした大形の部材であって、船上に立設されたマストに取り付けられており、伸縮自在かつ旋回自在である。かかる伸縮硬帆を高く伸長させ、風向きに対し適切な角度に向けると大風力を受けこれを推進力に変換すると船は航行する。

硬帆船の航行はヨットと同じように風に対して硬帆の向きを替え、硬帆が受けた風圧を推進力に替えるので、航行を制御するためには伸縮硬帆が受ける風力を正確に制御しなければならない。

しかるに、硬帆船の伸縮硬帆に作用する風の中心は一定位置には保持されず、常時変動する。このため、単純にマスト体に作用するモーメントから風力を検出しようとしても、モーメントのアーム長が始終変わるので、正確な推進力を把握することはできない等の問題がある。

特許第５１３７６２８号公報特許第５３１８００８号公報

本発明は上記事情に鑑み、正確な船の推進力を把握するための推進力検出装置を備えた硬帆船を提供することを目的とする。

第１発明の硬帆船の推進力検出装置は、船舶上の設置面から上方に伸びるマスト体と、該マスト体に取付けられた風力を受ける硬帆とからなる伸縮硬帆を備えた硬帆船において、前記マスト体に前記硬帆が受けた風力により発生するせん断応力を検出する歪検出器を取付けた推進力検出装置を備えることを特徴とする。
第２発明の硬帆船の推進力検出装置は、第１発明において、前記マスト体の基部に切欠き孔を形成し、該切欠き孔に薄板を固着したせん断応力検出部を設け、前記薄板に歪検出器を取付けて前記推進力検出装置を構成したことを特徴とする。
第３発明の硬帆船の推進力検出装置は、第２発明において、前記マスト体の基部は横断面が４角形であって、前記せん断応力検出部がマスト体の基部における４側面に形成されていることを特徴とする。
第４発明の硬帆船の推進力検出装置は、第２発明において、前記マスト体の基部は、横断面が多角形または円形であって、前記せん断応力検出部が、前記マスト体の基部における３側面において周方向に９０°間隔または等角度間隔な位置に形成されていることを特徴とする。

第１発明によれば、風によりマスト体に作用するせん断力を歪検出器で直接検出することによって風中心の変位にかかわらず船の推進力を正確に求めることができる。
第２発明によれば、薄板に発生する歪を検出することにより、厚板に発生する歪を検出する場合に比べ大きな出力値が得られるので、増幅の段階で入る誤差や外乱等を少なくでき、正確な推進力を得ることができる。
第３発明によれば、マスト体基部の４面に発生する歪量を考慮することで、推進力の大きさと方向を正確に検出することができる。
第４発明によれば、マスト体基部の３面に発生する歪量を計算することで推進力と方向を求めることができる。

本発明に係る推進力検出装置の概念説明図である。（Ａ）はせん断力検出理論の説明図、（Ｂ）はモーメント検出理論の説明図である。本発明の推進力検出装置におけるせん断力検出部の説明図である。図４はマスト体Ｍの断面図であり、（Ｂ）は本発明を適用したせん断力検出部を有するマスト体基部の断面図、（Ａ）は本発明を適用しないマスト体基部の断面図である。マスト体基部におけるせん断応力検出部の形成位置の説明図である。本発明が適用される硬帆船の制御ブロック図である。本発明が適用される硬帆船の説明図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（硬帆船の構造）
まず、本発明が適用される硬帆船Ｓを説明する。
図７は伸縮硬帆ＥＳを用いた風力推進船である硬帆船Ｓを示している。硬帆船Ｓは大面積であって高揚力が得られる伸縮硬帆ＥＳを船上に立設する形式の船舶である。伸縮硬帆ＥＳの設置数は任意であり、１基であっても複数であってもよい。
図示の例では４基用いているが、あくまでも例示である。

伸縮硬帆ＥＳの基本構造を図１に基づき説明する。
（Ａ）図に示す伸縮マスト体Ｍは単位マスト１，２，３，４，５を用いた５段マストであり、内蔵した油圧シリンダ等により伸縮し、また基部に設けた油圧モータ等により旋回自在となっている。
（Ｂ）図に示すように、硬帆Ｓａは５段の単位帆１１，１２，１３，１４，１５からなり、前記単位マスト１，２，３，４，５にそれぞれ取付けられている。各単位帆１１〜１５は、軽量高剛性のアルミニウム、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ(炭素繊維強化プラスチック）等を用いた硬質の帆であって、断面形状は三日月形あるいは飛行機の翼断面に似た形状を有している。

上記のごとき構造の伸縮硬帆ＥＳは、マスト体Ｍ内に図示しない伸縮機構と旋回機構からなる駆動機構を内蔵している。この駆動機構を用いて、図７に示すように、上下方向に伸縮させることによって高さを変え、旋回させることによって伸縮硬帆ＥＳの向きも変えることができる。
このような伸縮硬帆を使い風力を推進力に換えると硬帆船が航行する。

つぎに硬帆船の伸縮硬帆制御装置を図６に基づき説明する。
図６に示す伸縮硬帆ＥＳは、マスト体Ｍ内に硬帆Ｓａを伸縮させる伸縮シリンダーと旋回させる旋回モータとを備えている。そして、伸縮シリンダーの油圧回路内のバルブは伸縮駆動部１１で制御できるようになっており、旋回モータの油圧回路内のバルブは旋回駆動部１２で制御できるようになっている。

伸縮駆動部１１と旋回駆動部１２にはコンとローラ２０が接続されている。コントローラ２０は閾値と各種検出値とを比較して必要な駆動信号を生成する機能を備えており、コンピュータ等で構成されている。

検出部３０は、推進力検出装置３１や風向計３２、風速計３３などの外部情報検出器、旋回角計３６やマスト長さ計３７、航行速度計３８、船体傾斜計３９などの内部情報検出器からなり、これらはコントローラ２０に接続されている。
推進力検出装置３１は、硬帆Ｓａが受ける風圧に基づいてマスト体Ｍに発生するせん断応力をマスト体Ｍに生じた歪によって検出する歪検出器から構成したもの等が用いられる。この歪検出器を用いると検出した歪を硬帆Saが受ける風圧に基づく推進力に換算することができる。
風向計３２と風速計３３は公知の計器が用いられる。旋回角計３６、マスト長さ計３７および航行速度計３８、船体傾斜計３９も公知の計器が用いられる。

船舶の航行中は常時、検出部３０の推進力検出装置３１や風向計３２、風速計３３などの外部情報、そして旋回角計３６やマスト長さ計３７、航行速度計３８、船体傾斜計３９などの内部情報がコントローラ２０に入力されてくる。これらの各検出情報に基づき、コントローラ２０はそのときどきの内外情報に合った閾値を記憶部から取り出し必要な演算を行う。

そして、コントローラ２０は伸縮駆動部１１にむけ駆動信号を出力する。これにより、伸縮シリンダーが作動して伸縮硬帆ESが伸縮する。また、旋回制御部１２に向け駆動信号を出力する。これにより、旋回モータが作動して伸縮硬帆ES を航行に必要な向きに制御する。このようにして、硬帆船Ｓを航行させる。

（推進力の検出）
以上のごとき硬帆船Ｓにおいて、風力航行を制御するには、伸縮硬帆ＥＳに風力を受けて発生する推進力を検出しなければならない。推進力を検出するには、（１）マスト体Ｍに作用するモーメントから把握する方法と、（２）マスト体Ｍに作用するせん断応力から把握する方法の二通りあるが、本発明では、（１）モーメント方式を採用せず、（２）せん断応力方式を採用している。以下、その理由を説明する。

伸縮硬帆ＥＳのマスト体Ｍは片持ち梁であるので、図２に示す片持ち梁をマスト体Ｍと仮定して説明する。なお、マスト体Ｍ（硬帆Ｓａも含む）の自重および荷重点近傍の応力集中を考慮しないと仮定する。

伸縮硬帆ＥＳが風力を受けると、マスト体Ｍには曲げモーメントとせん断力が作用する。そこで、マスト体Ｍに曲げモーメントとせん断力が作用したとして、そのときに発生する先端作用力Ｆを求めるためには、既述のごとく（１）曲げモーメントから算出する方法と、（２）せん断応力から算出するの二つがあるが、まず（１）曲げモーメントからの算出を採用しなかった理由を説明する。

（１）曲げモーメントから算出する方法
モーメントを検出する場合、図２（Ｂ）に示すように歪検出器Ｓ２はマスト体Ｍの外表面（硬帆の帆面に平行な面であって、中心線から離れた場所）に貼付する。
歪検出器Ｓ２の取付位置におけるＹ方向の歪値をε_ｙ１、断面係数をＺ_ｙ１とする。
マスト表面に作用する応力：σ_ｙ１＝Ｅ（縦弾性係数）×ε_ｙ１
歪検出器Ｓ２取付位置（図ではＡ位置とする）に作用するモーメント：Ｍ_ｙ１＝σ_ｙ１×Ｚ_ｙ１
先端作用力：Ｆ＝Ｍ_ｙ１／Ｌ（先端からの距離）

上記より先端作用力は断面寸法、Ｙ方向歪値、Ｌの関数になる。歪値とＬが既知であれば、先端作用力を算出できる。
しかし、Ｌが未知である場合、この方法では先端作用力を算出することができない。伸縮硬帆ＥＳに風力が作用するとき、その風圧中心は常に変動している。つまり、現実には上記式のＬは変動することを意味するので、モーメントから伸縮硬帆ＥＳに作用する風力を求めることはできない。よって、本発明では曲げモーメントからの算出方法を採用しなかった。

（２）せん断応力から算出する方法
そこで、本発明では硬帆船の推進力をマスト体Ｍに発生するせん断応力から求めることとした。
本発明が採用したせん断応力から風力（つまり船の推進力）を求めることの理論的根拠を説明する。
せん断応力を検出する場合、図２（Ａ）に示すように、歪検出器Ｓ１はマスト体Ｍの外表面であって硬帆の帆面に直角な面における中心線上と一致する場所に貼付する。また、歪検出器Ｓ１はＸ・Ｙ・斜方向の３軸歪を検出できる３軸歪センサを用いる。

マスト体Ｍに取付けた歪検出器Ｓ１の値（歪値）からせん断応力を求める。
上記の場合、ｘ，ｙ方向の垂直歪ε_ｘ，ε_ｙは０である。
４５°方向の垂直歪は、次式で表される。
ここでγ_zはせん断歪である。
ε₄₅が（1/2）γ_zで表されることは、（ε_x＋ε_y）が０であり、（ε_x−ε_y）も０であること、ｃｏｓ（２×４５°）が０であり、ｓｉｎ（２×４５°）が１であることから、理解できる。

そして、せん断応力とせん断歪には次式の関係がある。
ここで、Ｇは横弾性係数である。

次に、角材の場合、せん断応力とせん断力Ｆは、次式で表される。
ここで、ｂは一辺の幅寸法
ここで、ｈは前記一辺に直角な辺の幅寸法
数２，３より４５°方向の垂直歪とせん断力Ｆには次の関係がある。
この式より、４５°方向の垂直歪が既知であれば先端作用力を算出できることが分る。

以上の数理的解析から明らかなように、４５°方向の垂直歪を検出すればマスト体Ｍに作用する先端作用力Ｆを求めることができるので、伸縮硬帆ＥＳに作用する風力（つまり船の推進力）を求めることができる。しかも風圧中心がどのように変化しても、それによって算出値は変動しない。
なお、数４は、ｘ，ｙ方向の垂直歪が０である（主応力方向が４５°である）ことが前提である。垂直歪が０でない場合は、歪検出器Ｓ１の値から（１）主応力方向とＸ軸のなす角度、（２）最大せん断応力を求め、それらの値からせん断応力を算出する。そのせん断応力を数３に代入すると、せん断力が得られる。

（せん断応力検出部）
上記のせん断応力はマスト体Ｍに作用する歪から検出できるので、原理的にはマスト体Ｍの高さ方向のどの位置でもよいが、歪がより多く発生するマスト体基部Ｍｂで歪を検出するのが好ましい。
また、マスト体基部Ｍｂに発生するせん断応力を検出するだけなら、マスト体基部Ｍｂの壁面に歪検出器を直接貼付してもよいのであるが、本発明では図３に示すように、切欠きに貼付した薄板からなるせん断応力検出部４３に歪検出器Ｓ１を貼付している。
その理由は、厚肉の壁面に直接歪検出器Ｓ１を取付けた場合に比べ、薄板に歪検出器Ｓ１を取付けたほうが検出値の増加、つまり高い出力値が得られることにある。

つぎに、本発明の特徴であるせん断応力検出部４３を図３に基づき説明する。
同図（Ａ），（Ｂ）に示すように、マスト体Ｍの基部Ｍｂにおける壁面には切欠き４１が形成されている。
図示の切欠き４１は、幅３４ｍｍ、上下寸法６００ｍｍの細長孔であるが、このような寸法には制限がなく、形状にも制限がない。ただし、縦長の切欠き形状は、歪の検出値が大きくなりやすいという利点がある。

切欠き４１の外表面には薄板４２が貼付されている。薄板４２は、寸法が幅４０ｍｍ、上下寸法６００ｍｍ、厚さ１ｍｍの鉄板である。この薄板４２は切欠き４１の孔を塞ぐことができればよく、その寸法と形状は、切欠き孔に合わせて選択すればよい。歪みを直接検出する歪検出器Ｓ１は、薄板４２の表面に貼付される。
歪検出器Ｓ１はストレーンゲージとも呼ばれる公知の検出器であり、材料に生ずる歪量を電気抵抗の変化で検出する検出器である。
本発明においては、ストレーンゲージを直交する向きと４５°の向きに配置した３軸ゲージが発生する歪量を正確に検出できるので好ましい。歪検出器Ｓ１の貼付位置は薄板４２の中心である。

図３（Ｂ）に示すように、切欠き４１と薄板４２からなるせん断応力検出部４３は、四角形断面のマスト体Ｍの基部Ｍｂにおいて４面に設けられる。このように構成すると、４面に発生する歪量を計算することで推進力の大きさと方向も正確に検出することができる。

（せん断応力検出部の技術原理）
図４において、（Ａ）図の断面１は厚肉のマスト体基部Ｍｂに直接歪検出器を貼付する方式を示し、（Ｂ）図の断面２は切欠きに薄板を貼付し、その薄板に歪検出器を貼付する方式を示している。
図中に示した断面１，２における板厚および幅寸法は同じであり、断面１の板厚は１６ｍｍ、断面２の薄板は板厚が１ｍｍである。

ａ）まず、断面１（図４のＡ）における歪検出器の出力を説明する。
ここで、
Ｉ＝断面２次モーメント
Ｓ＝断面１次モーメント

ｂ）つぎに、断面２（図４のＢ）における歪検出器の出力を説明する。
Ｆを同じとすると数５および数６より、

以上のようにτ_bはτ_aの１６倍となっている。このように、歪検出器Ｓ１の出力は板厚に反比例して高い出力が得られることが分る。このため、出力値を増幅するとしても増幅割合を小さくできるので、増幅に伴う誤差の拡大や外乱を防止でき、正確な推進力を得ることができる。
図３の実施形態は上記知見に基づき、切欠きを形成した部分に薄板を貼付し、この薄板に歪検出器を貼付したものである。
しかし、上記せん断応力検出部を用いず、直接厚肉のマスト体基部Ｍｂに歪検出器Ｓ１を貼付したものも本発明に含まれる。

以上のように、本発明によれば風によりマスト体基部に作用する風荷重（せん断力）を歪検出器で検出したせん断応力から演算により求めることによって風中心の変位にかかわらず船の推進力を正確に求めることができる。

つぎに、せん断応力検出部４３の他の配置例を図５に基づき説明する。
マスト体基部Ｍｂの断面形状は、四角形に限られず他の多角形でもよく、円形でもよい。多角形には、四角、六角、八角など任意のものが含まれる。

せん断応力検出部４３は、図３（Ｂ）に示すようにマスト体基部Ｍｂの４側面に形成してもよいが、３側面に形成してもよい。
マストにはせん断力の外に回転力（トルク）が働いているが、回転力は対向２面に貼った２つの歪検出値の差で判り、残る歪検出器にも同じ回転力が作用しているため、３つの歪検出器で推進力と方向を求めることができる。

図５（Ａ）は、断面４角形のマスト体基部Ｍｂの３カ所の側面にせん断応力検出部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを、形成した例であり、せん断応力検出部４３ａとせん断応力検出部４３ｂの間、およびせん断応力検出部４３ｂとせん断応力検出部４３ｃの間は周方向で９０°の間隔をあけて位置している。そして、各せん断応力検出部４３に、歪検出器Ｓ１を取付けている。

図５（Ｂ）は、断面三角形のマスト体基部Ｍｂの３枚の側面にせん断応力検出部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを、形成した例であり、せん断応力検出部４３ａとせん断応力検出部４３ｂの間、およびせん断応力検出部４３ｂとせん断応力検出部４３ｃの間は周方向で１２０°の間隔をあけて位置している。そして、各せん断応力検出部４３に、歪検出器Ｓ１を取付けている。

図５（Ｃ）は、断面六角形のマスト体基部Ｍｂにおいて、６面のうちの３枚の側面にせん断応力検出部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを、形成した例であり、せん断応力検出部４３ａとせん断応力検出部４３ｂの間、およびせん断応力検出部４３ｂとせん断応力検出部４３ｃの間は周方向で１２０°の間隔をあけて位置している。そして、各せん断応力検出部４３に、歪検出器Ｓ１を取付けている。

図５（Ｄ）は、断面円形のマスト体基部Ｍｂの側面にせん断応力検出部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを、形成した例であり、せん断応力検出部４３ａとせん断応力検出部４３ｂの間、およびせん断応力検出部４３ｂとせん断応力検出部４３ｃの間は周方向で９０°の間隔をあけて位置している。そして、各せん断応力検出部４３に、歪検出器Ｓ１を取付けている。

図５の（Ａ）〜（Ｄ）に示すように３個の検出器を各側板の幅寸法における中央位置に貼れば求めることができる。
具体的には、つぎのとおりである。
（１）図５（Ａ）に示す四角柱は、３つの側板の中央位置
（２）図５（Ｂ）に示す三角柱は、各側板の中央位置
（３）図５（Ｃ）に示す六角柱は、１つ置きの３つの側板の中央位置
（４）図５（Ｄ）に示す円柱は９０°離間した３位置

上記にマスト体基部が四角形、三角形、六角形の例を示したが、上記例示以外の多角形柱でも、原理的に船の推進力を求めることができる。

３１推進力検出装置
４１切欠き
４２薄板
４３せん断応力検出部
Ｓ１歪検出器

Claims

船舶上の設置面から上方に伸びるマスト体と、該マスト体に取付けられた風力を受ける硬帆とからなる伸縮硬帆を備えた硬帆船において、
前記マスト体に前記硬帆が受けた風力により発生するせん断応力を検出する歪検出器を取付けた推進力検出装置を備える
ことを特徴とする硬帆船。
前記マスト体の基部に切欠き孔を形成し、該切欠き孔に薄板を固着したせん断応力検出部を設け、
前記薄板に歪検出器を取付けて前記推進力検出装置を構成した
ことを特徴とする請求項１記載の硬帆船。
前記マスト体の基部は、横断面が４角形であって、
前記せん断応力検出部がマスト体の基部における４側面に形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の硬帆船。
前記マスト体の基部は、横断面が多角形または円形であって、
前記せん断応力検出部が、前記マスト体の基部における３側面において周方向に９０°間隔または等角度間隔な位置に形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の硬帆船。