JP2019048612A

JP2019048612A - プラズマアクチュエータを備えた船舶用マグナス揚力発生装置

Info

Publication number: JP2019048612A
Application number: JP2017185445A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　健一; Kenichi Suzuki; 健一鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: JP6307672B1

Abstract

【課題】ローター船のローターの性能向上を図る。【解決手段】回転駆動するローターと風とのマグナス効果によって該ローターに生じる揚力を推進力として用いるローター船に搭載されるマグナス揚力発生装置であって、ローター表面にローターの回転方向と反対方向に気流を生み出せる構造のプラズマアクチュエータを備え、プラズマアクチュエータがローター表面のうち相対風と同方向に回転するローター側面部において稼働するよう制御されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、船舶等の推進機関として利用される、マグナス効果により風から揚力を生み出す回転駆動する円筒（以下「ローター」という。）の表面構造に関する。

ローターを装備した船舶（以下「ローター船」という。）が約一世紀前に開発され、現在、近年の燃油高騰や地球環境問題から、内燃機関を主動力、ローターが生み出す推進力を補助動力としたローター船が建造されている。

現在製造されているローター船のローターは、大型の円筒を甲板上に立設してモーターで回転駆動する構造であり、ローターによる推進力を確保するため極めて大きなローターを数多く搭載し、荷役性の低下や船体の不安定化をもたらしているのが現状である。

特開２０１５−３６２９２

ローターはローター表面と風によるマグナス効果によって風向に垂直な方向に推進力となる揚力（以下「推進力」という。）を生み出す。ローターが風の中で回転することで、ローターの表面には推進力の主体となる正圧と負圧がいずれも生じると考えられるが、同じローターであっても、風と同方向に回転する側面（以下「側面Ｂ」という。）と、風と反対方向に回転する側面（以下「側面Ａ」という。）では、生じる正圧、負圧ともに異なるため、それらの総和としての合力がマグナス効果として風向に垂直な方向に作用する力になると考えられる。

また、ローター表面に生じる正圧と負圧のうち、ローター船の通常の航行に際して想定される最大でも毎秒２０ｍ程度の風速域で生じるのは主に正圧であり、ローターの生み出す推進力はローター表面の正圧分布によってほぼ決定すると考えられる。したがって、ローターの生み出す推進力の最大化には側面Ｂでの正圧の最小化と同時に、側面Ａでの正圧の最大化が必要である。（図１）

特許文献１では、▲１▼ローター表面におけるローターの側面風速（ローター表面の境界層の外側を流れる風の速度であり、ローター表面との摩擦に影響されない風速。以下「側面風速」という。）とローターの周速との速度差（以下「相対速度」という。）の分布と、ローターに生じる揚力の向きとの関係から、マグナス効果による揚力の向きは相対速度の大きい側面部から相対速度の小さい側面部に向かう向きと重なっており、さらに▲２▼側面Ａの相対速度は揚力に大きく関わり、揚力の主体となる正圧に影響しているとしている。

このことは、側面Ａだけでなく側面Ｂについても側面風速の相対速度の上昇が正圧の上昇に大きく関与することを示唆しており、側面Ｂにおいても周速と側面風速の相対速度を最小化することで、相対速度に由来すると考えられる正圧も最小化すると考えられる。この際、ローター側面全体の正圧の総和から生じる推進力は、側面Ａに生じる正圧がベースになる。（図１ａ）

ここで推進力上昇を目指して側面Ａにおける相対速度をさらに大きくするため、仮に周速を側面風速の２倍にした場合（図１ｂ）、側面Ｂにおいても周速は側面風速を上回ることでより大きな正圧（３）が生じ、該正圧が側面Ａの正圧を相殺する。そしてこの際、周速を増速するエネルギーも必要になる。したがって、側面Ｂにおいて周速と側面風速との相対速度を最小化することによって正圧を最小化した状態（以下「シンクロ状態」という。）においてローターのエネルギー効率は最大化すると考えられる。（図２）

しかし、当然ながら十分な風速がなければシンクロ状態制御もその特性を発揮できないことは明らかであり、自然界の風を利用するローターの普及にとって大きな壁となっている。

本案は、プラズマアクチュエータの生み出す気流（以下「プラズマ気流」という。）が、側面Ｂの表面付近に周速よりも速度の遅い気流（以下「表面気流」という。）となり、該表面気流と側面風速との速度差を縮小することで側面Ｂに生じる正圧が最小化する状態（以下「超シンクロ状態」という。）を生み出すものである。超シンクロ状態では、シンクロ状態と異なり側面風速を超えるローター周速においても側面Ｂの正圧の縮小が可能になることが大きな特徴である。

請求項１に記載のローターは、回転駆動するローターと風とのマグナス効果によって該ローターに生じる揚力を推進力として用いるローター船に搭載されるマグナス揚力発生装置であって、ローター表面にローターの回転方向と反対の方向に気流を生み出せる構造のプラズマアクチュエータ（７）を備え、ローターには少なくともローターに吹き付ける相対風の計測システムと、ローター周速の制御システムと、プラズマアクチュエータの制御システムと、これらのシステムを連携するシステムとを備え、プラズマアクチュエータがローター表面のうち相対風と同方向に回転する側面Ｂにおいて稼働するよう制御されることを特徴とする。

請求項２記載のローターは、プラズマアクチュエータが側面Ｂの一部において稼働するよう制御されることを特徴とする請求項１記載のローターである。

請求項１、請求項２に記載のローターは現在運用されているローター船をはじめ、浮遊式海洋構造物や車輛の推進力発生機関として、さらにマグナス効果を利用した風力発電機のローターとして利用可能である。

ローターの超シンクロ状態では、風速の不足分を周速が補うことでより大きな推進力を生み出すことが可能となる。またローターの性能向上により、小型の船舶や車輛への搭載が可能になる。

ローター表面にマグナス効果によって生じる正圧とローターに生じる推進力の例を示す模式図（横断面図）ａローター周速が側面風速にほぼ一致する場合ｂローター周速が側面風速の２倍となる場合ローター表面に設けたプラズマアクチュエータが側面Ｂの位置において、側面の回転方向と反対の方向にプラズマ気流を発生させることによって超シンクロ状態となった際にローターに生じる正圧と推進力の模式図（横断面図）側面Ｂの位置のプラズマアクチュエータのうち一部を稼働させる際の稼働範囲の一例を示す模式図（横断面図）超シンクロ状態におけるローター表面のプラズマ気流から生まれる表面気流と側面風速の関係を示す模式図（横断面図）ローター表面に設けるプラズマアクチュエータの一例（斜視図）

ローター表面におけるプラズマアクチュエータは、図４に示す通り、ローター表面の横断面において、隣り合うプラズマアクチュエータどうしの間隔が均等になるよう配置され、ローターの回転方向に応じてプラズマ気流がローター回転方向と反対向きとなる制御を行う。

プラズマ気流を生み出す部位は側面Ｂに位置するすべてのプラズマアクチュエータでなくても、例えばローター表面の横断面において、ローター回転軸を通り相対風の向きと垂直となる直線が側面Ｂと交わる点（ｂ）を含み、中心角が少なくとも６０度以上の弧（１１）となる場合であっても、プラズマアクチュエータの稼働エネルギー消費を節減しながら、側面Ｂに生じる正圧の抑制効果が期待できる。（図３）

シンクロ状態の周速をさらに増速してシンクロ状態が解消した状態のローターにおいて、側面Ｂの表面にプラズマ気流（８）をローターの回転方向と反対向きに発生させると、該プラズマ気流は側面Ｂの表面付近にローター表面の周速に比べて低速で回転する表面気流（９）となる。ローター表面周速と側面風速との相対速度はシンクロ状態時と変わらなくても、該表面気流（９）の流速を側面風速（１）に近付けるようにプラズマ気流を制御することで、側面Ｂの正圧が最小化（超シンクロ状態化）する。（図４）

例えば側面風速が５ｍ／ｓの場合、シンクロ状態においては、周速（５ｍ／ｓ）を合せた相対速度（１０ｍ／ｓ）が、ローターの推進力となる側面Ａの正圧発生のベースとなる。次に側面風速を変えずに周速を２倍（１０ｍ／ｓ）に増速し、プラズマ気流によって超シンクロ状態にした場合、側面Ａの正圧は相対速度（１５ｍ／ｓ）をベースに生じることになり、シンクロ状態にくらべ推進力は大幅に上昇する。

また、側面風速が２０ｍ／ｓの場合、シンクロの状態においては相対速度（４０ｍ／ｓ）がローターの推進力となる側面Ａの正圧発生のベースとなるが、周速を２倍（４０ｍ／ｓ）に増速して前記同様に超シンクロ状態にした場合、側面Ａの正圧は相対速度（６０ｍ／ｓ）をベースに生じる。仮にこのローターを搭載するローター船の安全航行上限が２５ｍ／ｓの場合、側面Ａの相対速度（６０ｍ／ｓ）をシンクロ状態で生み出す側面風速（３０ｍ／ｓ）は航行困難となる水準であるが、ローター周速のみを増速する超シンクロ状態においては航行可能であり、さらにローターの生み出す大きな推進力を利用できる。

周知のとおり風は秒刻みで刻々と変化する性質がある。ローター船の航行においては、現行の重く大きなローターの周速を小刻みに変化する側面風速に合致させる制御は不可能に近い。一方、ローターの周速を一定の範囲に留まるよう制御すること、あるいはプラズマ気流の秒刻み制御は、いずれも前者に比べて容易である。したがって、周速を側面風速が秒単位で増減する範囲を上回る水準、例えば側面風速の平均速度の２倍程度の速度域に保ちながら、表面気流と側面風速との相対速度を最小化するプラズマ気流の制御を行うことで安定した推進力を得られる。

プラズマアクチュエータは、ローターの回転軸に垂直であってローター表面の回転方向に反対向きとなるプラズマ気流を効果的に生み出す必要があり、ローターの横断面において隣り合うプラズマアクチュエータの間隔を均等になるようローター表面に配置することが重要である。長方形を基本とする現行のプラズマアクチュエータの場合、ローター表面にローターの回転軸に並行に配置する（図５）ことがコスト的にも有利と考えられる。

１側面風速
２側面風速１においてシンクロ状態となる周速
３正圧
４増速分の周速
５周速
６ローターの回転軸に生じる推進力
７プラズマアクチュエータ
８プラズマ気流（プラズマアクチュエータから生じる相対的方向のイメージ）
９表面気流
１０プラズマ気流による表面気流の減速分
１１側面Ｂのうちプラズマ気流を発生させる部位
１２相対風の向きに垂直となる直線
Ａ相対風と反対方向に回転する側面
Ｂ相対風と同方向に回転する側面
ａ相対風の向きに垂直となる直線とＡとの交点
ｂ相対風の向きに垂直となる直線とＢとの交点

請求項１に記載のマグナス揚力発生装置は、回転駆動するローターと風とのマグナス効果によって該ローターに生じる揚力を推進力として用いるローター船に搭載されるマグナス揚力発生装置であって、ローター表面に備えるローターの回転方向と反対方向に気流を生み出せる構造のプラズマアクチュエータ（７）と、ローターに吹き付ける相対風の計測システムと、ローター周速の制御システムと、プラズマアクチュエータの制御システムを備えることを特徴とする。

請求項２に記載のマグナス揚力発生装置は、プラズマアクチュエータがローター表面のうち相対風と同方向に回転するローター側面部（側面Ｂ）の少なくとも一部において稼働するよう制御されることを特徴とする請求項１記載のマグナス揚力発生装置である。

請求項１、請求項２に記載のマグナス揚力発生装置は現在運用されているローター船をはじめ、浮遊式海洋構造物や車輛の推進力発生機関として、さらにマグナス効果を利用した風力発電機のローターとして利用可能である。

Claims

回転駆動するローターと風とのマグナス効果によって該ローターに生じる揚力を推進力として用いるローター船に搭載されるマグナス揚力発生装置であって、ローター表面にローターの回転方向と反対方向に気流を生み出せる構造のプラズマアクチュエータを備え、ローターには少なくともローターに吹き付ける相対風の計測システムと、ローター周速の制御システムと、プラズマアクチュエータの制御システムと、これらのシステムを連携するシステムとを備え、プラズマアクチュエータはローター表面のうち相対風と同方向に回転するローター側面部において稼働するよう制御されることを特徴とするローター。
プラズマアクチュエータはローター表面のうち相対風と同方向に回転するローター側面部の一部において稼働するよう制御されることを特徴とする請求項１記載のローター。