JP2018020584A - 船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】船尾ダクトをプロペラの直前に配置した船舶において、船体後流を利用して推力を発生できる船尾ダクトの推力発生部分を円弧形状の船尾ダクトよりも増加できて、船尾ダクトによる推力をより大きくできる船舶を提供する。
【解決手段】ダクト部材１１とこのダクト部材１１を船体に支持するダクト支持部材１２とを有して構成された船尾ダクト１０Ａを、プロペラの直前に配置した船舶において、船首尾方向から見てプロペラ回転軸中心Ｃより上方のダクト部材１１の後縁の形状を船幅方向が短径で水深方向が長径となる楕円形状の一部を含む形状に形成している構成にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、船尾にダクトを備えた船舶に関する。

一般の商用船等の排水量型の船舶において、船舶の船尾後流を利用して推進力を得るために、船尾に船舶用ダクトを設置することが行われており、例えば、船首側が船尾側よりも径が大きい円筒型の筒状ダクトを一対のステーで船体に連結した船舶用ダクトが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、この円形のダクトの上部では推力を発生させるが、ダクトの下部が抵抗となっていることが分かり、これに対し、ダクト部を略円錐台形状の筒を中心軸を含む平面で略半分に切断した略半円錐台形状にした船舶のダクト装置や半円よりも大きい円弧状の船舶用ダクトが提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。

更に、半円形のダクトの側面部分で推力の発生量が小さいことを改良すべく、船尾部に設けられたプロペラと、プロペラの前方且つ船尾部に生じる船尾縦渦の中心位置よりも上方に配置され、船舶後方から前方へ向かって拡径された円弧状のダクトと、ダクトの両下端部と船尾部の側面との間をプロペラの半径方向に各々延出し、船舶後方から前方へ向かって前上がりに傾斜する主フィンとを備えた船舶が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００８−１４３４８８号公報 特開２００８−１３７４６２号公報 特開２００８−３０８０２３号公報 特開２０１１−１７８２２２号公報

しかしながら、本発明者らは多くの実験結果を見て、船体後流場についての流速分布や流向を考慮した結果、これらの円形のダクトや半円弧ダクトでは、その円形の中心位置がプロペラ軸中心よりも上方になるようにダクトを配設しただけでは、まだ、船体後流を十分に利用して推力を出すダクト形状に最適化できておらず、さらに改善できるのではないかと考えて、本発明に想到した。

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、船尾ダクトをプロペラの直前に配置した船舶において、船体後流を利用して推力を発生できる船尾ダクトの推力発生部分を円弧形状の船尾ダクトよりも増加できて、船尾ダクトによる推力をより大きくできる船舶を提供することにある。

上記のような目的を達成するための船舶は、ダクト部材と該ダクト部材を船体に支持するダクト支持部材とを有して構成された船尾ダクトを、プロペラの直前に配置した船舶において、船首尾方向から見てプロペラ回転軸中心より上方の前記ダクト部材の後縁の形状を船幅方向が短径で水深方向が長径となる楕円形状の一部を含む形状に形成している構成にする。

この構成によれば、ダクト部材の後縁を楕円形状の一部を含む形状に形成することにより、プロペラ回転軸中心より上側の船体後流場に配置できるダクト部材の長さを長くすることができる。そのため、船体後流を利用して推力を発生できる船尾ダクトの推力発生部分を円弧形状の船尾ダクトよりも増加できて、船尾後流場に対してダクト部材の形状をより大きな推力を得られるように最適化させることができる。

なお、この楕円形状の楕円の中心位置の船体に対する上下位置は特に限定する必要が無く、また、この楕円形状の一部の形状とダクト部材を支持するダクト支持部材の船幅方向の水平に対する傾斜角で、ダクト部材の扇形形状が決まることになる。

上記の船舶において、前記ダクト部材の形状の一部となる楕円形状を、その長径を短径の１．１倍以上でかつ１０倍以下とすることが好ましく、より好ましくは１．２倍以上でかつ１．８倍以下とする。これにより、ダクト部材の船首尾方向から見たダクト部材の後縁の形状を、多くの船舶の船体後流場に適した形状にすることができる。

上記の船舶において、前記ダクト部材の上端の後縁の位置を、プロペラの先端の円の内側で、かつ、プロペラ回転軸中心を中心として半径がプロペラ半径の０．３倍の円の外側に配置していると、多くの船舶の船尾後流場に適した形状となる。なお、船首尾方向から見たダクト部材の後縁における半幅（船幅方向の長さ）は、プロペラ半径の０．２倍より大きくかつ０．８倍より小さいことが好ましい。

上記の船舶において、前記ダクト部材の周方向に垂直な断面形状を内側に凸のキャンバーを持った翼形状で形成すると共に、該翼形状の前縁と後縁を結ぶ翼弦線が前記プロペラ回転軸に対して船首側に開く０度より大きく４０度以下の開角を持つように形成して、この翼形状をその部位に流れる水流の流向に対して迎角を取るように形成していると、ダクト部材による推力を最適化させることができる。つまり、ダクト部材の迎角は、その部位における水流の流向に対して大きな推力を得られる迎角の角度になるようにフィッティングさせる。

上記の船舶において、前記ダクト支持部材を前記ダクト部材の下端と前記船体を連結するように構成すると共に、船首尾方向から見て、前記ダクト支持部材を船幅方向の水平に対して外側が上になる角度で０度以上でかつ７０度以下の傾斜角となるように設けていると次のような効果を発揮できる。

ダクト部材を配設する船体の船尾後流における船尾渦の中心位置によっては、ダクト部材における推力発生の効果が少ない部分が生じるが、船尾渦の中心位置が船体形状によってダクト支持部材の船体との連結部よりも上側にある船舶の場合には、このダクト支持部材を水平に対して外側が上になるように傾斜させることにより、船尾渦よりも下側のダクト部材の推力発生効果が得られ難い部分を取り除いて、ダクト部材による推力を大きくする効果を得ることができる。このダクト支持部材とダクト部材との接続部位は、水平から船尾渦の中心の近傍の間に最適点があると考えられるので、この構成により、多様な船体形状に対応できる。

上記の船舶において、前記ダクト支持部材を船首尾方向からみたときに前縁が後縁よりも前記船尾ダクトの内側になるように設けていると、このダクト支持部材により揚力を発生でき、その推進方向成分を利用することができる。この船尾後流の水流の向きや流速は、水槽実験や流体数値計算の結果等から容易に推定できる。

上記の船舶において、前記ダクト支持部材の後縁を前縁に対してプロペラ回転方向と逆側になるように、もしくは逆側に曲げて設けていると、プロペラに逆向きの流れを誘導でき、プロペラ効率を高めることができる。

上記の船舶において、船首尾方向から見て、前記ダクト部材と前記ダクト支持部材との接続部位に丸みを持たせていると、ダクト部材とダクト支持部材との継ぎ目から発生する翼端渦を抑制することができる。

上記の船舶で、船首尾方向から見た形状において、前記ダクト部材に鉛直方向の鉛直ダクト支持部材を設けると共に、該鉛直ダクト支持部材の断面形状を、左右対称の形状、又は、その後端をプロペラの回転方向とは逆方向に曲げた形状としていると、取付強度を確保することができるとともに、前記プロペラの回転方向と逆方向に曲げることにより、プロペラと逆向きの流れを誘導することにより、プロペラ効率を上げることができる。

上記の船舶で、船首尾方向から見た形状において、前記ダクト部材に加えて、前記ダクト部材の内側に副ダクト部材を設けていると、内側の副ダクト部材によっても各部位で揚力を発生でき、この揚力の推力方向の成分でさらに推力を発生できる。

本発明の船舶によれば、船尾ダクトをプロペラの直前に配置した船舶において、船尾ダクト部材の後縁の形状を楕円形状の一部を含む形状に形成することにより、船体後流を利用して推力を発生できる船尾ダクトの推力発生部分を円弧形状の船尾ダクトよりも増加できて、船尾ダクトによる推力を向上できる。

本発明の第１の実施の形態の船舶における船尾ダクトの配置を模式的に示す側面図である。 図１の船舶における船尾ダクトの形状を模式的に示す船首側から見た図である。 図１の船舶におけるダクト部材の形状とその断面形状を模式的に示す断面形状付の側面図である。 図１の船舶におけるダクト支持部材の断面形状を模式的に示す断面図である。 図４のダクト支持部材の別の形態の断面形状を模式的に示す断面図である。 図４のダクト支持部材のさらに別の形態の断面形状を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の船舶における傾斜したダクト支持部材を有する船尾ダクトの形状を模式的に示す船首側から見た図である。 本発明の第３の実施の形態の船舶におけるダクト支持部材と丸みで接続する船尾ダクトの形状を模式的に示す船首側から見た図である。 本発明の第４の実施の形態の船舶における鉛直ダクト支持部材を有する船尾ダクトの形状を模式的に示す船首側から見た図である。 図９の船舶における鉛直ダクト支持部材の断面形状を模式的に示す平面図である。 本発明の第５の実施の形態の船舶における二重のダクト部材の船尾ダクト形状を模式的に示す船首側から見た図である。

以下、本発明に係る実施の形態の船舶について、図面を参照しながら説明する。なお、この船尾後流の水流の向きや流速は、水槽実験や流体数値計算の結果等から容易に推定できる。

図１に示すように、この本発明に係る第１の実施の形態の船舶１は、船体２の後部にプロペラ３と舵４を有しており、船尾において、プロペラ３の直前に、ダクト部材１１とダクト支持部材（ストラット）１２とが接続部位１３で接続している船尾ダクト１０Ａを配置して構成される。なお、図２、図７、図８、図９、図１１は、ダクト部材１１を船首尾方向の船首側から見た図である。また、ここでいう船尾渦の中心近傍とは、縦渦の中心を中心とするプロペラ直径Ｄｐの０．１５倍（０．１５Ｄｐ）の円内のことを言う。

図１〜図３に示すように、本発明に係る第１の実施の形態の船舶は、ダクト部材１１とこのダクト部材１１を船体２に支持するダクト支持部材１２とを有して構成された船尾ダクト１０Ａを、プロペラ３の直前に配置した船舶１である。

この船舶１において、図２に示すように、船首尾方向から見てプロペラ回転軸中心Ｃより上方のダクト部材１１の後縁の形状を船幅方向（Ｙ方向）が短径で水深方向（Ｚ方向）が長径となる楕円形状の一部を含む形状に形成している。

つまり、ダクト部材１１の後縁を船首尾方向から見て楕円形状の一部を含む形状で形成することにより、プロペラ回転軸中心Ｃより上側の船体後流場に配置できるダクト部材１１の長さを長くすることができる。そのため、船体後流を十分に利用して推力を発生でき、また、縦長の楕円形状とすることでダクト部材１１に流入する迎角を大きくとることができるので、船尾ダクト１０Ａの推力発生部分と発生できる推力の大きさの両方を円弧形状の船尾ダクトよりも増加できる。

そして、図２に示すように、このダクト部材１１の後縁におけるプロペラ回転軸中心Ｃから最も高い位置Ｈｔは、プロペラ回転軸中心Ｃを中心としてプロペラ半径Ｒｐの０．３倍の半径（０．３Ｒｐ）の円Ｃｐｉよりも外側で、プロペラ先端円（半径Ｒｐ）Ｃｐよりも内側になる位置に配置することが好ましい。つまり、「０．３Ｒｐ＜Ｈｔ＜Ｒｐ」とする。この配置により、多くの船舶の船体後流場に適した形状となる。

また、図２に示すように、ダクト部材１１の後縁における半幅Ｂｔは、プロペラ半径Ｒｐの０．２倍よりも大きく、プロペラ半径Ｒｐの０．８倍よりも小さくすることが好ましい。つまり、「０．２Ｒｐ＜Ｂｔ＜０．８Ｒｐ」とする。また、更に好ましくは、プロペラ半径Ｒｐの０．２倍よりも大きく、プロペラ半径Ｒｐの０．６倍よりも小さくする。
上記の構成とすることで、ダクト部材１１を可能な限り長く取ることができ、且つ、ダクト部材１１に流入する迎角を最大限に大きく取ることができる。

さらには、ダクト部材１１の形状の一部となる楕円形状を、その長径を短径の１．１倍以上でかつ１０倍以下とし、より好ましくは１．２倍以上でかつ１．８倍以下とすると、ダクト部材１１の形状が多くの船舶の船尾後流に適した形状となる。

図３に示すように、側面視では、このダクト部材１１の形状は、下方のコード長さＣ１が上方のコード長さＣ２以下となる形状となっている。なお、このダクト部材１１の形状は、船尾形状に応じて構造的な面から、あるいは、船尾流場に応じて流体力学的な面から、必要に応じて決まるので、特に図示しないが、下方のコード長さＣ１が上方のコード長さＣ２と同じ長さとなる場合もある。

また、ダクト部材１１の周方向に垂直な断面形状を内側に凸のキャンバーを持った翼形状で形成する。それと共に、この翼形状の前縁と後縁を結ぶ翼弦線がプロペラ回転軸に対して船首側に０度より大きく４０度以下の開角を持つように形成して、この翼形状をその部位に流れる水流の流向に対して迎角を取るように形成する。これにより、ダクト部材１１による推力を最適化させることができる。つまり、ダクト部材１１の迎角は、その部位における水流の流向に対して大きな推力を得られる迎角の角度になるようにフィッティングさせる。これによりダクト部材１１で発生する揚力を大きくすることができ、船尾ダクト１０Ａから得られる推力を大きくすることができる。

この楕円形状の楕円の長径、短径、中心位置は、実験や流体数値計算等から船体後流のダクト位置における伴流分布とその流向を求めて、プロペラ回転軸方向（Ｘ方向）に対して垂直な面（Ｙ−Ｚ平面）内で、ダクト部材１１が船尾渦（ビルジ渦：縦渦）の中心付近を通るように配置することが好ましい。言い換えれば、楕円形状は、船尾渦の中心近傍を通るように構成することが好ましい。

つまり、楕円形状は、船尾渦の中心近傍を通るように構成することで、ダクト部材１１を可能な限り長く取ることができるようになり、且つ、ダクト部材１１に流入する迎角を最大限に大きく取ることができるので、推力効果を高めることができる。

そして、ダクト支持部材１２に関しては、ダクト支持部材１２をダクト部材１１の下端と船体２を連結するように構成する。また、図２に示すように、船首尾方向から見て、ダクト支持部材１２を水平に配置する。すなわち、ダクト支持部材１２を船幅方向の水平に対して外側が上になる角度（上反角）が０度の傾斜角となるように設ける。

なお、図４に示すように、水平配置のダクト支持部材１２の断面形状を好ましくは翼形状とし、船尾後流の水流に対して船長方向（Ｘ方向）に推力が発生する迎角を持つように、船長方向の前縁を後縁よりも船尾ダクトの内側に配置した形状とする。すなわち、ダクト支持部材１２は水平に対して船首方向が上がるように好ましくは０度より大きく３０度以下の設置角θを持って船体２に取り付けられる。ここで、断面形状としては対称翼の他、キャンバーを持った非対称翼とすることもできる。

これにより、このダクト支持部材１２により揚力を発生して、この揚力の推進方向成分により推力を得る。

あるいは、別の形態として図５に示すように、船長方向（Ｘ方向）に関してダクト支持部材１２の後縁を前縁に対してプロペラ回転方向と逆側になるように設けると、もしくは、図６に示すように、後縁をプロペラ回転方向と逆側に曲げて設ける、すなわちプロペラ回転方向に凸のキャンバーを持つように設けると、これにより、プロペラに逆向きの流れを誘導でき、プロペラ効率を高めることができる。ここで、図５及び図６は例えば船尾から見て右回りのプロペラの場合の右舷側のダクト支持部材１２の断面図を示す。つまり、ダクト支持部材１２を、プロペラ回転方向と逆向きの流れ成分が増加するように誘導する角度を付けて設けて、プロペラ効率を向上させることが好ましい。これにより、ダクト支持部材１２により、プロペラ面に流入する水流において、プロペラ３の回転方向と逆方向に流れの成分を大きくすることができるので、プロペラ効率を向上できる。

上記の構成により、船尾後流場に対して船尾ダクト１０Ａの形状を最適化させることができ、この船尾ダクト１０Ａにより得られる推力成分をより大きくでき、船舶の推進性能をより向上できる。

次に、第２の実施の形態の船舶について説明する。図７に示すように、この第２の実施の形態の船舶では、船首尾方向から見て、ダクト支持部材１２を水平方向に対して外側が上になる傾斜角度αで傾斜させている船尾ダクト１０Ｂを備えている構成とする。この傾斜角度αは７０度以下の範囲とする。なお、傾斜角度α＝０は、水平であり、この場合は、第１の実施の形態の船舶１における船尾ダクト１０Ａが該当することになる。

図４〜図６に示すように、このダクト支持部材１２は、第１の実施の形態の船舶のダクト支持部材１２と同様に、その断面形状を好ましくは翼形状に形成する。

次に、第３の実施の形態の船舶について説明する。図８に示すように、この第３の実施の形態の船舶では、船首尾方向から見て、ダクト部材１１とダクト支持部材１２との接続部位１３に丸みを持たせている船尾ダクト１０Ｃを備えている構成とする。

これにより、ダクト部材１１とダクト支持部材１２との継ぎ目から発生する翼端渦を抑制することができる。

次に、第４の実施の形態の船舶について説明する。図９に示すように、この第４の実施の形態の船舶では、船首尾方向から見た形状において、ダクト部材１１に鉛直方向に延びる鉛直ダクト支持部材１２Ａを設けている船尾ダクト１０Ｄを備えている構成とする。この鉛直ダクト支持部材１２Ａは、プロペラ回転軸中心Ｃを通る鉛直線上に配置し、船体と滑らかに接続する。

この鉛直方向の鉛直ダクト支持部材１２Ａを、その断面形状を、左右対称の形状、又は、図１０に示すように、その後端をプロペラの回転方向とは逆方向に曲げた形状としていると、この鉛直ダクト支持部材１２Ａによりダクト部材１１を支持する強度を大きくすることができる。また、プロペラ３の回転方向と逆方向に曲げることにより、プロペラ３と逆向きの流れを誘導することにより、プロペラ効率を上げることができる。より好ましくは、プロペラ３の回転方向と同じ側にキャンバーを有した翼断面を仮定し、その翼断面と船体２を滑らかに接続した構造とする。

この鉛直ダクト支持部材１２Ａにより、プロペラ３に流入する水流の方向を変更させて、プロペラ回転方向と逆方向の流れをプロペラ断面に誘導することができると共に、ダクト部材１１を支持する強度を確保できる。

次に、第５の実施の形態の船舶について説明する。図１１に示すように、この第５の実施の形態の船舶では、船首尾方向から見た形状において、ダクト部材１１に加えて、ダクト部材１１の内側に副ダクト部材１４を設けている船尾ダクト１０Ｅを備えている構成とする。

この内側の副ダクト部材１４によってもこの副ダクト部材１４の各部位で揚力を発生でき、この揚力の推力方向の成分でさらに推力を発生できる。

上記の構成の船舶によれば、船尾ダクト１０Ａ〜１０Ｅをプロペラ３の直前に配置した船舶において、船尾ダクト部材１１の後縁の形状を楕円形状の一部を含む形状に形成することにより、船体後流を利用して推力を発生できる船尾ダクト１０Ａ〜１０Ｅの推力発生部分を円弧形状の船尾ダクトよりも増加できて、船尾ダクト１０Ａ〜１０Ｅによる推力を向上できる。

１ 船舶
２ 船体
３ プロペラ
４ 舵
５ 船尾管
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 船尾ダクト
１１ ダクト部材
１２ ダクト支持部材
１２Ａ 鉛直ダクト支持部材
１３ 接続部位
１４ 副ダクト部材
Ｃ プロペラ回転軸中心
Ｃｐ プロペラ先端円
Ｄｐ プロペラ直径
Ｒｐ プロペラ半径

Claims (10)

1. ダクト部材と該ダクト部材を船体に支持するダクト支持部材とを有して構成された船尾ダクトを、プロペラの直前に配置した船舶において、船首尾方向から見てプロペラ回転軸中心より上方の前記ダクト部材の後縁の形状を船幅方向が短径で水深方向が長径となる楕円形状の一部を含む形状に形成していることを特徴とする船舶。
2. 前記ダクト部材の楕円形状を、その長径を短径の１．１倍以上でかつ１０倍以下として形成している請求項１に記載の船舶。
3. 前記ダクト部材の上端の後縁の位置を、プロペラの先端の円の内側で、かつ、プロペラ回転軸中心を中心として半径がプロペラ半径の０．３倍の円の外側に配置している請求項１又は２に記載の船舶。
4. 前記ダクト部材の周方向に垂直な断面形状を内側に凸のキャンバーを持った翼形状で形成すると共に、該翼形状の前縁と後縁を結ぶ翼弦線が前記プロペラ回転軸に対して船首側に開く０度より大きく４０度以下の開角を持つように形成している請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶。
5. 前記ダクト支持部材を前記ダクト部材の下端と前記船体を連結するように構成すると共に、船首尾方向から見て、前記ダクト支持部材を船幅方向の水平に対して外側が上になる角度で０度以上でかつ７０度以下の傾斜角となるように設けていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の船舶。
6. 前記ダクト支持部材を船首尾方向からみたときに前縁が後縁よりも前記船尾ダクトの内側になるように設けていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の船舶。
7. 前記ダクト支持部材の後縁を前縁に対してプロペラ回転方向と逆側になるように、もしくは逆側に曲げて設けていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の船舶。
8. 船首尾方向から見て、前記ダクト部材と前記ダクト支持部材との接続部位に丸みを持たせている請求項１〜７のいずれか１項に記載の船舶。
9. 船首尾方向から見た形状において、前記ダクト部材に鉛直方向の鉛直ダクト支持部材を設けると共に、該鉛直ダクト支持部材の断面形状を、左右対称の形状、又は、その後端を前記プロペラの回転方向とは逆方向に曲げた形状としている請求項１〜８のいずれか１項に記載の船舶。
10. 船首尾方向から見た形状において、前記ダクト部材に加えて、前記ダクト部材の内側に副ダクト部材を設けている請求項１〜９のいずれか１項に記載の船舶。

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