JP2018135037A - ウォータージェット推進器、水上航行体 - Google Patents

Abstract

【課題】管路内で発生する流れの剥離を低減させることが可能な、ウォータージェット推進器を提供する。
【解決手段】本発明のウォータージェット推進器１０は、回転軸１１周りに回転するインペラ１２ａと、水上航行体の底面１０１で開口し、回転軸１１の延びる方向に対して傾斜して延びる傾斜流路１３Ａ、および傾斜流路１３Ａと曲がり部１３Ｂを介して接続され、インペラ１２ａに流体を導入するストレート流路１３Ｃ、を有する主流管路１３と、傾斜流路１３Ａに接続され、主流管路１３を流通する流体の一部を外部に排出する吸入管路１４と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウォータージェット推進器と、それを備えた水上航行体に関する。

船舶等の水上航行体は大量輸送に適しており、輸送コストも安く、さらに環境に対する負荷も小さいことから輸送手段としての価値が非常に高い。そして近年は時間的価値の高まりにともなって、船舶のさらなる高速化が望まれている。

ここで、従来から、水上航行体の推進装置として、図５（ａ）に示すようなウォータージェット推進器３００が知られている。このウォータージェット推進器３００は、回転軸３０１に取り付けられた羽根車３０２を回転させて、底面側３０３から吸引した水を水上航行体の後方３０４から噴出することで、スクリューと比較して大きな推進力を得ることができ、高速での航行を可能としている。さらに、浅瀬での航行も可能としている。

ところで、ウォータージェット推進器においては、水を吸い込む管路（インテークダクト）が、一般に推進系統の機器配置の関係上、中途位置で湾曲して形成されており、この湾曲する位置で水の流通方向が転向され、運転条件や形状によっては流れの剥離が発生することがある。

吸込管路内で流れの剥離Ｓが発生すると、管路内での損失が増加し、効率が低下する。また、管路内で発生した剥離Ｓによって、図５（ｂ）に示すように、管路断面内の流速分布が不均一となる。そして、このような不均一な流速分布を有する水が、ポンプの羽根車へそのまま流入する場合、ポンプ効率の低下や吸込性能（キャビテーション性能）の低下、振動等が発生し、十分な推進力を得られなくなる虞がある。

こうした問題に対し、特許文献１では、管路の角度や長さを変えたり、インペラの下方に設けられたリップ部の形状を変えたりすることにより、管路内における剥離発生の抑制が図られているが、十分な対策とはなっていない。

特開２０００−１２８０８２号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、管路内で発生する流れの剥離を低減させることが可能なウォータージェット推進器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

（１）本発明の一態様に係るウォータージェット推進器は、回転軸周りに回転するインペラと、水上航行体の底面で開口し、前記回転軸の延びる方向に対して傾斜して延びる傾斜流路、および該傾斜流路と曲がり部を介して接続され、前記インペラに流体を導入するストレート流路、を有する主流管路と、前記傾斜流路に接続され、前記主流管路を流通する流体の一部を外部に排出する吸入管路と、を備えている。
（２）前記（１）に記載のウォータージェット推進器において、前記吸入管路は、一端が前記傾斜流路の外壁面に接続され、前記底面から遠ざかる方向に延在していてもよい。
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載のウォータージェット推進器において、前記吸入管路の一端は、前記傾斜流路の外壁面において、前記回転軸との交点と重ならない位置に接続されていてもよい。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のウォータージェット推進器において、前記吸入管路の一端は、前記傾斜流路の外壁面において、前記回転軸との交点と前記曲がり部との間に接続されていてもよい。
（５）前記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のウォータージェット推進器において、前記吸入管路の断面積を調整する手段をさらに備えていてもよい。
（６）本発明の一態様に係る水上航行体は、前記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のウォータージェット推進器を備えている。

本発明のウォータージェット推進器は、主流管路を流通する流体の一部を外部に排出する管路として、吸入管路を備えている。吸込管路から流体の一部を外部に排出することで、船速に比べて主流管路内の流速が遅い場合に生じる、主流管路入口付近の速度の過度な減速を、抑制することが可能となり、湾曲外側で発生する流れの剥離が抑制され、循環流が発生するのを抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係るウォータージェット推進器を搭載した水上航行体の断面図である。 （ａ）本発明の第一実施形態に係るウォータージェット推進器の断面図である。（ｂ）（ａ）のウォータージェット推進器を構成する、吸入管路近傍の一部の拡大断面図である。（ｃ）（ａ）のウォータージェット推進器の管路内での流体の流速分布を示した図である。 本発明の第二実施形態に係るウォータージェット推進器の断面図である。 本発明のウォータージェット推進器を搭載した水上航行体の変形例である。 （ａ）従来のウォータージェット推進器の断面図である。（ｂ）（ａ）のウォータージェット推進器の管路内での流体の流速分布を示した図である。

以下、本発明を適用した実施形態であるウォータージェット推進器について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態に係るウォータージェット推進器１０について、図１、２を用いて説明する。図１は、ウォータージェット推進器１０を搭載した水上航行体１１０の断面図である。本実施形態では、水上航行体１１０として、船舶（ウォータジェット推進船）を例示する。ウォータージェット推進器１０は、船底から取り込んだ水（流体）Ｗを船体後方に吐出することにより、船体１００の推進力を発生させる手段であり、船体後方の一部分Ｒ_１に備わっている。図２（ａ）は、この一部分Ｒ_１に含まれるウォータージェット推進器１０とその近傍領域の拡大断面図である。

ウォータージェット推進器１０は、回転軸１１周りに回転するインペラ１２ａと、外部から取り込んだ水等の流体をインペラ１２ａの位置まで流通させる主流管路１３と、主流管路１３を流通する流体の一部を外部に排出する吸入管路１４と、を備えている。

主流管路１３は、水上航行体の底面１０１で開口し、回転軸１１の延びる方向に対して傾斜して延びる傾斜流路１３Ａ、曲がり部１３Ｂ、および傾斜流路１３Ａと曲がり部１３Ｂを介して接続され、インペラ１２ａに水を導入するストレート流路１３Ｃ、を有している。

流体が受ける抵抗を低く抑える観点から、ストレート流路１３Ｃの延在方向は、底面１０１と平行であることが好ましい。また、傾斜流路１３Ａの延在方向となす角度については、特に制限はないが、２０〜４０度程度であれば好ましい。

同様の観点から、吸入管路１４は、一端１４ａが傾斜流路１３Ａの外壁面に接続され、底面１０１から遠ざかる方向に延在していることが好ましい。さらに、ウォータージェット推進器１０の設置スペースの増大を抑える観点から、吸入管路１４は、傾斜流路１３Ａに近接し、傾斜流路１３Ａと略平行に延在していることが好ましい。

回転軸１１は、水上航行体１１０の進行方向Ｄと平行なストレート流路１３Ｃ内の中心線に沿って延在し、傾斜流路１３Ａの側壁を貫通して外部に突出している。回転軸の一端１１ａは、ストレート流路１３Ｃの開口端部においてインペラ１２ａに接続されている。回転軸の他端１１ｂは、ウォータージェット推進器１０外部において回転駆動手段１５に接続されている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の吸入管路１４近傍の一部分Ｒ_２の拡大断面図である。吸入管路の一端１４ａは、傾斜流路１３Ａの外壁面において、回転軸１１との交点Ｃと重ならない位置に接続されている。図２（ａ）、（ｂ）では、吸入管路の一端１４ａの接続位置が、回転軸１１より上側にある場合を例示しているが、この接続位置は、回転軸１１より下側にあってもよいし、回転軸１１の周りを囲むように設置されていてもよい。接続位置は、主流管路１３内において、剥離による循環流れが発生する側（図２では上側）であることが好ましい。この場合、循環流れの一部が吸入管路１４に吸い込まれて低減することによって、インペラ１２ａに向かう流れが一様化し、インペラ１２ａの各部分にかかる圧力が均等化されるため、問題とされているインペラ１２ａの性能低下や振動等を抑える効果を奏する。

傾斜流路１３Ａの外壁面において、回転軸との交点Ｃと曲がり部１３Ｂとの間の領域であれば、回転軸との交点Ｃの位置によらず、吸入管路の一端１４ａを傾斜流路１３Ａの中心線上に接続することができる。この場合、吸入管路１４に吸い込まれる流体の流れ方向が、底面１０１側からの平面視において、水上航行体１１０の推進方向と平行になり、推進方向と垂直な方向の流れが発生しないため、主流管路１３内の流れを一様化する観点からより好ましい。

吸入管路の他端１４ｂは大気開放されており、吸い込んだ流体がここから外部に排出される構造となっている。

図２（ｃ）は、本実施形態に係るウォータージェット推進器１０の管路内での流体の分布を示した図である。図２（ｃ）に示すように、主流管路１３内の各部分において、長手方向に対して平行かつ一様な流れが形成されており、剥離は見られない。

以上説明したように、本実施形態に係るウォータージェット推進器は、主流管路を流通する流体の一部を外部に排出する管路として、吸入管路を備えており、主流管路に流れ込む流体の総量を、吸入管路から排出される分だけ減らすことができる。そのため、主流管路入口付近で発生する流れの過度な減速を抑制することが可能となり、湾曲外側で発生する流れの剥離が抑制され、循環流が発生するのを抑制することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係るウォータージェット推進器２０について、図３を用いて説明する。ウォータージェット推進器２０は、吸入管路２４に、管路内で流体が受ける抵抗を調整する手段として抵抗可変装置２６を備えている。抵抗可変装置２６以外の構成については、第一次実施形態に係るウォータージェット推進器１０と同様であり、水上航行体等に搭載して用いることができる。

抵抗可変装置２６は、吸入管路２４の断面積を変え、管路内を流れる流体が受ける抵抗を増減させることにより、吸入管路２４内に流れ込む流体の量を調整する機能を有している。吸入管路２４の断面積を変える方法としては、例えば、吸入管路２４を遮断するシャッターを設け、シャッターの開閉を行う方法が挙げられる。

例えば船の速度が上がった場合には、主流管路入口付近で発生する速度減速量が大きくなる。この速度減速を緩和するため、より多くの流体を吸込管路から排出する必要があるため、抵抗可変装置２６を用いて吸入管路２４の断面積を増加させることにより、吸入管路２４に流れるように誘導する。

反対に船の速度が下がった場合には、主流管路入口付近で発生する速度減速量が小さくなる。抵抗可変装置２６を用いて吸入管路２４の断面積を減少させることにより、吸入管路２４に流れ込む流体を少なくする。

このようにして吸入管路２４の断面積を調整することにより、船の速度が変わった場合であっても、主流管路２３に流れ込む流体の量を一定に保つことが可能となるため、第一実施形態に係るウォータージェット推進器１０と同等の効果を得ることができる。

抵抗可変装置２６の操作は、船速とポンプ２２への流量をセンサーで感知して自動的に行う自動式であってもよいし、船の操縦者が直接行う手動式であってもよい。

＜適用例＞
上述した実施形態に係るウォータージェット推進器１０、２０を備えた水上航行体としては、例えば、図４に示すような水陸両用車２１０等を挙げることができる。

水陸両用車２１０は、動力伝達駆動系として、例えばディーゼルエンジン等のエンジン（動力部）と、変速機と、動力分配機構と、差動装置と、陸上で走行させるための走行部２０１と、水中で推進力を発生させ、水上で航行させるためのウォータージェット推進器１０（２０）を有する推進部２０２とを、車両本体２００に搭載してなる。車両本体２００は、水上航行時に浸水しないように、所望の水密性能を有している。

推進部２０２は、車両本体２００の後部（水陸両用車２１０の重心よりも全長方向（長さ方向）後方側の部分、船尾）側に設けられ、推進軸を介して動力分配機構に接続されている。推進部２０２の駆動は、動力分配機構から推進軸を介して伝達された動力によって行われる。

推進部２０２は、ウォータージェット機構であり、ウォータージェット通水路２０３と、ウォータージェット通水路２０３内に設けられた羽根車２０４と、羽根車２０４に連結された推進軸２０５とを備えている。

ウォータージェット通水路２０３は、水上航行時において水中に配される車両本体２００の吃水部に、水を取り込むための導入口２０６と、取水した水を噴き出す噴出口２０７とを開口して形成されている。さらに、噴出口２０７は車両本体２００の後面の下方側に設けられている。

推進部２０２においては、動力分配機構から推進軸２０５に回転動力が伝達されて推進軸２０５が軸線周りに回転すると、羽根車２０４が旋回し、導入口２０６から水がウォータージェット通水路２０３に取り込まれ、羽根車２０４で高圧化して流通し、噴出口２０７から車両本体２００の後方に向けてウォータージェットとして噴射される。このように発生したウォータージェットを推進力とすることにより、水陸両用車２１０を水上航行させることができる。

１００・・・船体
１０１、２０１・・・底面
１１０・・・水上航行体
１０、２０・・・ウォータージェット推進器
１１、２１・・・回転軸
１２、２２・・・ポンプ
１２ａ、２２ａ・・・インペラ（羽根車）
１３、２３・・・主流管路
１３Ａ・・・傾斜流路
１３Ｂ・・・曲がり部
１３Ｃ・・・ストレート流路
１４、２４・・・吸入管路
１４ａ・・・回転軸の一端
１４ｂ・・・回転軸の他端
１５、２５・・・回転駆動手段
２６・・・抵抗可変装置
Ｃ・・・交点
Ｄ・・・進行方向
Ｒ１、Ｒ２・・・一部分
Ｗ・・・水（流体）

Claims (6)

1. 回転軸周りに回転するインペラと、
   水上航行体の底面で開口し、前記回転軸の延びる方向に対して傾斜して延びる傾斜流路、および該傾斜流路と曲がり部を介して接続され、前記インペラに流体を導入するストレート流路、を有する主流管路と、
   前記傾斜流路に接続され、前記主流管路を流通する流体の一部を外部に排出する吸入管路と、を備えていることを特徴とするウォータージェット推進器。
2. 前記吸入管路は、一端が前記傾斜流路の外壁面に接続され、前記底面から遠ざかる方向に延在していることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進器。
3. 前記吸入管路の一端は、前記傾斜流路の外壁面において、前記回転軸との交点と重ならない位置に接続されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のウォータージェット推進器。
4. 前記吸入管路の一端は、前記傾斜流路の外壁面において、前記回転軸との交点と前記曲がり部との間に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のウォータージェット推進器。
5. 前記吸入管路の断面積を調整する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のウォータージェット推進器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のウォータージェット推進器を備えていることを特徴とする水上航行体。

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