JP2018090173A

JP2018090173A - 船舶

Info

Publication number: JP2018090173A
Application number: JP2016237014A
Authority: JP
Inventors: 達也波津久; Tatsuya Hatsuku; 原智則井; Tomonori Ihara; 雅寛而賞; Kanji Takamasa
Original assignee: Tokyo University of Marine Science and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Marine Science and Technology NUC
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: JP6873459B2

Abstract

【課題】空気送出手段を用いずに船底部にバブルを発生させて摩擦抵抗を低減することができるとともに、船舶の推力を増加させる。【解決手段】実施形態による船舶１は、主推進装置１１が設けられた船体１０と、船体１０の船底部に空気を供給するための空気供給口１３を有する空気供給ダクト部１２と、空気供給口１３の下方に配置された翼部１５と、インペラ１７により加圧された水を翼部１５に向けて噴射するウォータジェット推進部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、船舶、より詳しくは、船底にバブルを発生させて船体と水との摩擦抵抗を低減するとともに推力を増加させることが可能な船舶に関する。

従来、船底にバブル（マイクロバブル、微細気泡などとも呼ばれる。）を発生させて、船体と水との摩擦抵抗を低減した船舶が知られている。

従来の船舶１００は、図５に示すように、船体１１０と、船体１１０の後尾部に設けられた推進装置１１１と、船体１１０の船底に空気を供給するための空気供給ダクト部１１２と、電力により作動するブロワー１２０とを備えている。ブロワー１２０は、空気供給ダクト部１１２内に空気を送り込み、船底に送り出す。ブロワー１２０により船底に送り出された空気は、船体１１０の後方にバブルＢとして放出される。このバブルＢにより、船体１１０と水との摩擦抵抗が低減される。その結果、省エネ効果（節電効果）を得ることが可能となる。

特許文献１には、隔壁により複数のチャンバーに区画された空気供給用のダクトと、各チャンバーに空気を供給するための配管と、配管内に空気を供給するアシストコンプレッサとを備える摩擦抵抗低減船が記載されている。チャンバーの外側面には開口部が形成されており、この開口部に微細気泡発生部材が取り付けられている。この微細気泡発生部材は、窓部とウイングを有しており、ウイングの窓部に対向する面は窓部に向かって膨出している。船が航行する際、ウイングと窓部との間に負圧が発生し、この負圧によってチャンバー内の気液境界面が下がる。特許文献１では、アシストコンプレッサによって気液境界面を窓部の近傍までさらに押し下げ、航行速度を上げることでバブルを発生させる。

特開２００９−２７４４６３号公報

上記従来の船舶１００において、ブロワー１２０の消費電力は喫水の深さに依存する。すなわち、喫水が深くなるにつれて、船底の水圧が上昇するため、船底に空気を送り出すブロワー１２０の消費電力が大きくなる。大型船舶等、喫水が深い船舶の場合、ブロワー１２０の消費電力が、船底のバブルによる省エネ効果を上回ってしまうという問題があった。

また、特許文献１のようにウイングを設けた船舶であっても、アシストコンプレッサ等の空気送出手段が必要であり、喫水が増加するにつれてバブルによる省エネ効果が相殺されてしまう。

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、空気送出手段を用いずに船底部にバブルを発生させて摩擦抵抗を低減することができるとともに、船舶の推力を増加させることができる船舶を提供することを目的とする。

本発明に係る船舶は、
主推進装置が設けられた船体と、
前記船体の船底部に空気を供給するための空気供給口を有する空気供給ダクト部と、
前記空気供給口の下方に配置された翼部と、
インペラにより加圧された水を前記翼部に向けて噴射するウォータジェット推進部と、
を備えることを特徴とする。

また、前記船舶において、
前記ウォータジェット推進部は、前記船体内に設けられた流路を有し、前記インペラは前記流路内に設けられ、
前記空気供給口は、前記ウォータジェット推進部の前記流路に開口し、
前記翼部は、前記空気供給口との間に前記流路よりも狭い流路を形成するように前記流路内に設けられているようにしてもよい。

また、前記船舶において、
前記ウォータジェット推進部は、前記翼部の前方に位置するように前記船底部に外付けされていてもよい。

また、前記船舶において、
前記ウォータジェット推進部および前記翼部は、前記船体の船首側に設けられていてもよい。

また、前記船舶において、
前記船舶の喫水は、５メートル以上であってもよい。

また、前記船舶において、
前記空気供給ダクト部内に空気を強制的に送出する空気送出手段を有しなくてもよい。

また、前記船舶において、
前記翼部は、前記船舶の航行速度に応じて、前記ウォータジェット推進部から噴射された水流に対する角度を変えるようにしてもよい。

本発明では、ウォータジェット推進部から翼部に向けて水を噴射することにより翼部の上側の圧力を低下させ、それにより、空気供給口から空気を吸引して船底部にバブルを発生させる。よって、本発明によれば、空気送出手段を用いずに船底部にバブルを発生させて摩擦抵抗を低減することができるとともに、船舶の推力を増加させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る船舶１の概略的な構成を示す図である。図１の翼部１５を中心に拡大した一部拡大図である。航行速度に対する消費電力を比較するためのシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る船舶１Ａの概略構成図である。従来の船舶１００の概略的な構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る船舶１について、図１および図２を参照して説明する。

船舶１は、船底にバブルを発生させて、船体と水との摩擦抵抗を低減する摩擦抵抗低減船である。なお、本願において「水」の用語は、淡水に限らず、海水も含む。

船舶１の種類は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、喫水が比較的深い大型船である。例えば、全長３００〜４００メートル、幅４０〜５０メートル、喫水（満載時）約２０メートルのタンカー等である。ただし、本発明は、大型船に限られず、小型船・中型船にも適用可能である。

本実施形態に係る船舶１は、図１に示すように、船体１０と、空気供給ダクト部１２と、翼部１５と、ウォータジェット推進部（ウォータポンプ）１６とを備えている。なお、船舶１は、空気供給ダクト部１２内に空気を強制的に送出（圧送）する空気送出手段（ブロワー、コンプレッサ等）を有しない。

以下、各構成要素について詳しく説明する。

船体１０の後尾部には、主推進装置１１が設けられている。なお、主推進装置１１は、船体１０の後尾部に複数設けられてもよい。また、主推進装置１１の種類は特に限定されるものではない。例えば、主推進装置１１は、固定ピッチプロペラ、二重反転プロペラ、可変ピッチプロペラ、ポッド推進装置（アジマススラスターも含まれる。）、またはウォータジェット推進装置である。また、主推進装置１１は、船体１０の後尾部以外に設けられていてもよい。例えば、主推進装置１１は、船底１０の中央部分または前半部分（船首付近等）に設けられていてもよい。

空気供給ダクト部１２は、船体１０の内部に設けられている。本実施形態では、空気供給ダクト部１２は、図１に示すように、船体１０の船上部に一端が開口し、船底部に他端が開口する管路を構成している。より詳しくは、空気供給ダクト部１２は、船体１０の船底部に空気供給口１３を有し、船体１０の船上部に空気取込口１４を有する。なお、本願において、「船底部」という用語は、船体１０の底面に限らず、船底に設けられたウォータジェット推進部１６の流路や、船底近傍の船側部分も含む。

空気供給口１３は、船体１０の船底部に空気を供給するための開口部である。本実施形態では、空気供給口１３は、ウォータジェット推進部１６の流路Ｃに開口している。空気取込口１４は、水上の空気を空気供給ダクト部１２内に取り込むための開口部である。

翼部１５は、図１および図２に示すように、空気供給口１３の下方に配置されている。本実施形態では、翼部１５は、ウォータジェット推進部１６の流路Ｃ内に設けられている。

翼部１５は、図２に示すように、空気供給口１３との間にウォータジェット推進部１６の流路Ｃよりも狭い流路を形成するように設けられている。これにより、翼部１５の上側を通過する水流の速度が翼部１５の下側を通過する水流の速度よりも大きくなり、翼部１５の上側の圧力が低下する。その結果、水流が十分大きい場合、空気供給ダクト部１２から船底部に空気が吸引される。

翼部１５の形状は、ウォータジェット推進部１６から噴射された水流が受ける抵抗が小さい形状が好ましい。本実施形態では、翼部１５は側面視してドルフィン状である。なお、翼部１５の形状はこれに限定されるものではなく、他の形態を取りうる。また、翼部１５は、側面視して上側の線が下側の線よりも長い形状でもよい。これにより、翼部１５と空気供給口１３との間隔の大きさによらず、翼部１５の上側の圧力を低くすることができる。

また、翼部１５は、回転軸Ａを中心に回転可能であるように構成されている。これにより、ウォータジェット推進部１６から噴射された水流に対する翼部１５の角度を変え、船底部への空気供給量を調節することができる。なお、翼部１５は、回転しないように船体１０に固定されてもよい。

ウォータジェット推進部１６は、インペラ１７により加圧された水を翼部１５に向けて噴射するように構成されている。このウォータジェット推進部１６は、図１に示すように、船体１０内に設けられた流路Ｃを有する。流路Ｃの一端には取水口１８が設けられ、流路Ｃの他端には吐出口（ノズル）１９が設けられている。取水口１８は、図１に示すように、船体１０の船首側に設けられている。

インペラ１７は、流路Ｃ内に回転自在に設けられており、取水口１８から取水された水を加圧する。このインペラ１７は、流路Ｃ内に配置された翼部１５の前方に設けられている。

ウォータジェット推進部１６の推力は、インペラ１７の回転数および翼部１５の角度により調整することが可能である。

なお、ウォータジェット推進部１６および翼部１５は、図１に示すように、船体１０の船首側に設けられていることが好ましい。これにより、バブルが船底部を覆う面積が大きくなるため、船体１０と水との間の摩擦抵抗の低減効果を高めることができる。

また、ウォータジェット推進部１６は複数設けられてもよい。例えば、船体１０の幅方向あるいは推進方向に沿って複数のウォータジェット推進部１６を設けてもよい。翼部１５ついても複数設けてよい。

次に、上記構成を有する船舶１の動作について説明する。

取水口１８から取水された水は、インペラ１７により加圧されて翼部１５に向けて噴射される。噴射された加圧水流（増速水流）Ｗは、図２に示すように、翼部１５により２つの加圧水流Ｗ１およびＷ２に分岐する。翼部１５の上側を流れる加圧水流Ｗ１は、翼部１５の下側を流れる水流よりも速度が速いため、翼部１５の上側の圧力が低下する。その結果、図２に示すように、空気供給口１３を介して空気供給ダクト部１２から空気が流路Ｃ内に吸引され、翼部１５の後方にバブルＢが発生する。すなわち、ウォータジェット推進部１６で加圧された水流により翼部１５の上側の圧力が十分に低下し、空気供給口１３を介して空気が吸引される。したがって、ブロワーやコンプレッサ等の空気送出手段を用いることなく、船底部にバブルを発生させることができる。なお、バブルの発生量（空気供給量）は、インペラ１７の回転数および翼部１５の角度により制御することが可能である。

上記のように本実施形態では、ウォータジェット推進部１６から翼部１５に向けて水を噴射することにより翼部１５の上側の圧力を低下させ、それにより、空気供給口１３から空気を吸引して船底部にバブルを発生させる。よって、本実施形態によれば、空気送出手段を用いずに船底部にバブルを発生させて摩擦抵抗を低減することができる。

本実施形態では、ウォータジェット推進部１６により増速された水流を翼部１５に向けて噴射することで、翼部１５の上側の圧力を低下させ、空気供給口１３から空気を吸引してバブルを発生させる。したがって、船舶１が主推進装置１１の出力を落として低速で航行する場合においても、船底部にバブルを発生させることができる。

さらに、本実施形態によれば、ウォータジェット推進部１６が噴射する水流により、船舶１の推力を増加させることができる。図２に示すように、インペラ１７により増速された水流は、翼部１５の後方で、多数のバブルを含む二相流となる。換言すれば、本実施形態では、増速された水流の中にバブルを混入させる。これにより、推力に寄与する流体の体積が増大し、船舶１の推力をより一層、増加させることができる。

一般に、扱う流体の密度に起因して、ウォータジェット推進機の方がブロワーやコンプレッサ等の空気送出手段よりも動作効率が高い。したがって、本実施形態によれば、大型船舶のように喫水が深い場合であっても、正味の省エネ効果を得ることができる。従来、喫水が５メートル以上の船舶では、バブルの摩擦抵抗低減効果により節減される電力が、ブロワー等の空気送出手段を動作させる動力より小さくなる。このため、空気送出手段により船底部にバブルを発生させても、正味の省エネ効果が得られない。特に喫水が１０〜２０メートル以上の大型船舶では、空気送出手段により船底部にバブルを発生させることは実際的でない。

これに対し、本実施形態では、空気送出手段よりも効率の高いウォータジェット推進部を用いて船底部にバブルを発生させるため、喫水が深い場合であっても、正味の省エネ効果を得ることができる。ここで、図３に示すシミュレーション結果について説明する。図３は、航行速度に対する船舶の消費電力を示すシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは、３つのケース、すなわち、ウォータジェット推進部と翼部が設けられ船舶の場合（本実施形態、ケースＩ）、ブロワーと翼部が設けられた船舶の場合（ケースＩＩ）、ウォータジェット推進部や翼部は設けられず、ブロワーのみ設けられた船舶の場合（ケースＩＩＩ）についてそれぞれ、航行速度に対する船舶の消費電力を計算機シミュレーションした。シミュレーション条件は、水温２０℃、喫水２０メートル、ボイド率（Ｖｏｉｄｆｒａｃｔｉｏｎ）０．２である。図３のグラフの縦軸は、消費電力比、すなわち、ブロワー単独の場合（ケースＩＩＩ）の消費電力を基準としたときの消費電力の比を示している。

図３のシミュレーション結果によれば、航行速度が約５〜６ｍ／ｓ以上になると、ケースＩの船舶の消費電力は、ケースＩＩおよびＩＩＩの船舶の消費電力よりも低くなる。航行速度が上がるにつれて、ケースＩの船舶の消費電力はさらに大幅に低減される。このように本実施形態によれば、喫水が深い場合であっても、特に巡航速度以上において省エネ効果を得ることができる。

なお、翼部１５は、船舶１の航行速度に応じて、ウォータジェット推進部１６から噴射された水流に対する角度を変えるようにしてもよい。例えば、低速域において翼部１５の角度を大きくする（すなわち翼部１５を下に向ける）。これにより、空気供給口１３と翼部１５との間の流路が狭まるため、翼部１５の上側の圧力がさらに低下し、空気供給口１３からの空気取込量が増加する。その結果、バブルの発生量が増加し摩擦抵抗がさらに低減されるため、消費電力比が比較的高い低速域における効率を改善することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。図４において同等の機能を有する構成要素には図１と同一の符号を付している。

第２の実施形態の第１の実施形態との相違点の一つは、ウォータジェット推進部の構成である。第１の実施形態ではウォータジェット推進部は船体内部に設けられていたが、第２の実施形態ではウォータジェット推進部は船底部に外付けされている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態に係る船舶１Ａは、図４に示すように、船体１０Ａと、空気供給ダクト部１２と、翼部１５と、ウォータジェット推進部（ウォータポンプ）１６Ａとを備えている。

ウォータジェット推進部１６Ａは、図４に示すように、翼部１５の前方に位置するように船体１０Ａの船底部に外付けされている。このウォータジェット推進部１６Ａは、船体１０Ａの船首側に設けられることが好ましい。

ウォータジェット推進部１６Ａは、第１の実施形態と同様に、インペラ１７により加圧された水を翼部１５に向けて噴射するように構成されている。このウォータジェット推進部１６Ａは、自身の内部に設けられた流路Ｄを有する。流路Ｄの一端には取水口２０が設けられ、流路Ｄの他端には吐出口（ノズル）２１が設けられている。

インペラ１７は、流路Ｄ内に回転自在に設けられており、取水口２０から取水された水を加圧する。このインペラ１７は、翼部１５の前方に設けられている。図４に示すように、本実施形態では、翼部１５は、流路Ｄの外部に設けられている。翼部１５は、空気供給口１３との間に流路Ｄよりも狭い流路を形成している。

第２の実施形態に係る船舶１Ａにおいて、取水口２０から取水された水がインペラ１７により加圧され、加圧された水は吐出口２１から翼部１５に向けて噴出する。ウォータジェット推進部１６Ａから噴出した水流は、翼部１５により２つの水流に分岐する。翼部１５の上側の圧力が低下することで、空気供給口１３を介して空気供給ダクト部１２から空気が船底部に吸引され、翼部１５の後方にバブルＢが発生する。

したがって、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ブロワー等の空気送出手段を用いずに船底部にバブルを発生させて摩擦抵抗を低減することができる。さらに、ウォータジェット推進部１６Ａが噴射する水流により、船舶１Ａの推力を増加させることができる。

さらに、第２の実施形態によれば、ウォータジェット推進部が船体の船底部に外付けしたものであるため、既存の船体を改造することで第２の実施形態に係る船舶１Ａを容易に製造することができる。

なお、第２の実施形態において、ウォータジェット推進部を旋回可能に船体に取り付けてもよい。これにより、必要に応じてウォータジェット推進部を旋回させて、船舶の旋回力や横方向の推力を向上させることができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１，１Ａ，１００船舶
１０，１０Ａ，１１０船体
１１主推進装置
１２，１１２空気供給ダクト部
１３空気供給口
１４空気取込口
１５翼部
１６，１６Ａウォータジェット推進部
１７インペラ
１８，２０取水口
１９，２１吐出口
１１１推進装置
１２０ブロワー
Ａ回転軸
Ｂバブル
Ｃ，Ｄ流路
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２加圧水流

Claims

主推進装置が設けられた船体と、
前記船体の船底部に空気を供給するための空気供給口を有する空気供給ダクト部と、
前記空気供給口の下方に配置された翼部と、
インペラにより加圧された水を前記翼部に向けて噴射するウォータジェット推進部と、
を備えることを特徴とする船舶。
前記ウォータジェット推進部は、前記船体内に設けられた流路を有し、前記インペラは前記流路内に設けられ、
前記空気供給口は、前記ウォータジェット推進部の前記流路に開口し、
前記翼部は、前記空気供給口との間に前記流路よりも狭い流路を形成するように前記流路内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の船舶。
前記ウォータジェット推進部は、前記翼部の前方に位置するように前記船底部に外付けされていることを特徴とする請求項１に記載の船舶。
前記ウォータジェット推進部および前記翼部は、前記船体の船首側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の船舶。
前記船舶の喫水は、５メートル以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の船舶。
前記空気供給ダクト部内に空気を強制的に送出する空気送出手段を有しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の船舶。
前記翼部は、前記船舶の航行速度に応じて、前記ウォータジェット推進部から噴射された水流に対する角度を変えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の船舶。