JP2019098804A - 舵 - Google Patents

Abstract

【課題】船体形状により生じる流れに起因する剥離を抑制するとともに、造波抵抗を低減可能な舵を提供する。【解決手段】舵は船体の後方に一対配置され、舵頭材と舵板とを備える。舵頭材は、船体に接続される第１接続部と、舵板に接続される第２接続部を有する。また舵頭材は、喫水線に平行であり、且つ、第１接続部を通る平面上において、回転軸と舵頭材の後縁部とを通る第１ラインが船体の後方に向けて船体中心線に近づくように傾斜している。【選択図】図４

Description

本開示は、船体に搭載可能な舵に関する。

２舵構造を採用する２基のプロペラを有するラインシャフト型やツインスケグ型の船舶が知られている。この種の船舶では、推進力を発生させるための一対のプロペラの後方に、船体のヨー方向の姿勢を制御するための一対の舵がそれぞれ配置されている。これらの舵は、舵頭材（ラダーホーン、整流板）を介して船体に対して揺動可能に支持されており、船舶の推進性能と密接な関係を有する。

例えば特許文献１には、２舵構造を採用するツインスケグ型の船舶において、舵の断面形状を所定の捩れ角を有する翼型とすることで、プロペラで回収できなかった非対称な流れ及びプロペラ面上を通り抜ける流れのエネルギーロスを揚力として回収し、船舶の推進効率を向上することが記載されている。また特許文献２には、船体の船幅の中央から左右にずれて一対設けられる舵において、各舵の下端部が船幅方向外側に向けて傾斜した形状を有することで、船舶の直進時の抵抗を低減することが記載されている。

また特許文献３には、舵自体の構成を工夫する特許文献１及び２とは異なり、舵頭材（ラダーホーン）の形状を工夫することによって、船舶の推進性能を向上させる技術の一例が開示されている。この文献では特に、螺旋上のプロペラ後流に従った取付角を有し、鉛直軸に対してツイスト型をなすラダーホーンを備えることで、プロペラ後流を整流し、船舶の推進性能を改善している。

特開２０１５−１１６９８６号公報 特開２０１６−１０７７１５号公報 特開２０１４−１５６１９３号公報

ところで、２舵構造を採用する船舶では、図１３に示されるように、船体１０に対して船幅方向外側から船体中心線ＣＬに向かう流れＲが生じる。このような流れＲは、船体１０の推進時に、舵を揺動可能に支持する舵頭材２１の前縁側に衝突することで剥離が生じたり、舵頭材２１の近傍を水面が通過することで造波抵抗を増加する要因となる。特に航行速度が比較的遅い船舶（例えばＬＮＧ運搬船、コンテナ船、調査船など）では、舵頭材が水面上に露出しやすいため造波抵抗が生じやすく、流れＲによる影響を低減することが重要となる。

上記特許文献１及び２は、舵の形状を工夫することにより推進性能を改善させる技術であり、舵頭材に関する工夫はなされていない。また特許文献３では、舵頭材の形状を工夫することで推進性能の改善を図っているもののが、プロペラ後流に対する改善であり、船体によって生じる流れＲを考慮したものではない。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、船体形状により生じる流れに起因する剥離を抑制するとともに、造波抵抗を低減可能な舵を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る舵は上記課題を解決するために、
船体の後方に配置された一対の舵であって、
前記船体に支持される舵頭材と、
前記舵頭材を介して回転軸により回動可能に支持される舵板と、
を備え、
前記舵頭材は、前記船体に接続する第１接続部と、前記舵に接続する第２接続部と、を有し、
喫水線に平行であり、且つ、前記第１接続部を通る平面上において、前記回転軸と前記舵頭材の後縁部とを通る第１ラインが前記船体の後方に向けて前記船体中心線に近づくように傾斜している。

上記（１）の構成によれば、回転軸と舵頭材の後縁部とを通る第１ラインが船体の後方に向けて船体中心線に近づくように傾斜することで、船体によって形成される流れは、舵頭材の形状に沿って剥離することなくスムーズに流れる。その結果、舵頭材における剥離発生を抑制するとともに、造波抵抗を効果的に低減できる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記舵頭材の前縁部及び後縁部を通る第２ラインを基準に対称な形状を有する。

上記（２）の構成によれば、舵頭材は、前縁部及び後縁部を通る第２ライン（すなわちノーズテールライン）を基準に対称な形状を有するため、製作コストを効果的に抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記船体の前記中心線に対する前記第１ラインの角度αが５°≦α≦１５°である。

上記（３）の構成によれば、第２ラインを基準に対称な形状を有する舵頭材は、船体の中心線に対する第１ラインの角度αが５°≦α≦１５°の範囲にすることで、上記効果を効果的に享受できる。

（４）幾つかの実施形態では上記（３）の構成において、前記船体の前記中心線に対する前記第１ラインの角度αが７°≦α≦１０°である。

上記（４）の構成によれば、第２ラインを基準に対称な形状を有する舵頭材は、船体の中心線に対する第１ラインの角度αが５°≦α≦１５°の範囲にすることで、上記効果を更に効果的に享受できる。

（５）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記舵頭材の前縁部及び後縁部を通る第２ラインを基準に、船幅方向外側が船幅方向内側に比べて膨出した非対称な形状を有する。

上記（５）の構成によれば、舵頭材は、前縁部及び後縁部を通る第２ライン（すなわちノーズテールライン）を基準に非対称な形状を有する。このような非対称形状は上記（２）のような対称形状に比べて製作コストが少なからず増えてしまうが、船体中心線に対する第１ラインの角度を抑えることができる。つまり船体の中心線に対する舵頭材の角度を抑えることができるので、船体強度を有利に確保できる。

（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記第２接続部において、前記舵と表面が連続するように、前記第１接続部から前記第２接続部にかけて前記第１ラインの傾斜が連続的に変化する。

上記（６）の構成によれば、第１接続部から第２接続部にかけて第１ラインの傾斜が連続的に変化するので、第２接続部において舵と表面が連続する。そのため、舵と舵頭材との間に段差が生じることで造波抵抗が増加したり、エロージョンが発生することを的確に抑制できる。

（７）幾つかの実施形態では上記（６）の構成において、前記舵板は前記船体の前記中心線に平行な後縁部を有する。

上記（７）の構成によれば、舵は船体中心線に平行な後縁部を有するため、船舶の直進時に船幅方向のモーメントが作用しにくく、良好な推進性能が得られる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る舵は上記課題を解決するために、
船体の後方に配置された一対の舵であって、
前記船体に支持される舵頭材と、
前記舵頭材を介して回転軸により回動可能に支持される舵板と、
を備え、
前記舵頭材は、前記船体に接続する第１接続部と、前記舵に接続する第２接続部と、を有し、
喫水線に平行であり、且つ、前記第１接続部を通る平面上において、前記回転軸と前記舵頭材の前縁部とを通る第３ラインが前記船体の前方に向けて前記船体中心線から離れるように傾斜している。

上記（８）の構成によれば、回転軸と舵頭材の前縁部とを通る第３ラインが船体の前方に向けて船体中心線から離れるように傾斜することで、船体によって形成される流れは、舵頭材の形状に沿って剥離することなくスムーズに流れる。その結果、舵頭材における剥離発生を抑制するとともに、造波抵抗を効果的に低減できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、船体形状により生じる流れに起因する剥離を抑制するとともに、造波抵抗を低減可能な舵を提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る舵を備える船舶を側方から示す模式図である。 図１の船舶を船底から示す模式図である。 図１の舵頭材近傍の拡大図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 ＣＦＤを用いた船体の近傍における流れのシミュレーション結果である。 図４の変形例である。 図３の舵頭材のＢ−Ｂ線断面を、Ａ−Ａ線断面とともに示す模式図である。 舵板及び舵頭材を船尾側から示す模式図である。 図３の変形例である。 図９のＣ−Ｃ線断面図である。 図１０の変形例である。 図９の舵頭材のＤ−Ｄ線断面を、Ｃ−Ｃ線断面とともに示す模式図である。 船体の周囲における流れを示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る舵を備える船舶１を側方から示す模式図であり、図２は図１の船舶１を船底から示す模式図である。船舶１は船体中心線ＣＬを基準に略対称な船体１０を有する。船体１０は、船首１１と、船尾１２と、船底１３と、右舷１４と、左舷１５と、を含む。
尚、船舶１は、例えばフルード数が０．１６〜０．２４であり、例えばＬＮＧ船やＬＰＧ船のようなガスキャリア、コンテナ船、調査船又は大型貨客船等である。

図１に示されるように、船体１０には、船尾１２側に隔壁１６により機関室１７が区画されている。機関室１７には動力源たる主機関１８が配置されており、主機関１８は例えばディーゼルエンジンである。主機関１８の出力軸には、駆動時に推進力を生じさせるためのプロペラ１９が連結されている。プロペラ１９の回転中心線ＳＣＬ（シャフトセンターライン）もしくはＰＳＬ：プロペラシャフトライン）を内装して船底１３に一体に設けられたものをスケグといい、船舶１は、一対のスケグが船体中心線ＣＬの左右両側にずれてそれぞれ配置されたツインスケグ型である。

主機関１８は、それぞれのプロペラ１９に対応して個別に設けられていてもよいし、全てのプロペラ１９を駆動できるように単一で設けられていてもよい。また、プロペラ１９の回転中心線ＳＣＬは、船体中心線ＣＬと平行な関係にあり、ＷＬは船体１０の喫水線（満載時）を示している。

船体１０のうち船尾１２近傍には、船舶１の進行方向を制御するための一対の舵２が設けられている。舵２は舵板２０を有する。舵板２０は、船体１０に支持される舵頭材２１を介して船体１０に対して回動可能に支持される。舵頭材２１は、その内部に舵板２０の回転軸である舵軸２５を所定のギャップを介して収容しており（図４を参照）、舵軸２５には船体１０に内蔵された駆動機（舵取機）２２が連結されている。駆動機２２は例えば油圧装置であり、油圧シリンダでラムを動かすことにより舵軸２５を回転可能に構成される。駆動機２２として、ロータリベーン方式を用いてもよい。船舶１は、このような舵板２０を前述の一対のプロペラ１９の後方に一対配置した２舵船である。

舵板２０は板形状を有しており、船舶１の旋回時には、舵板２０は、駆動機２２によって舵軸２５が回転されることで鉛直且つ船体中心線ＣＬに対して所定の角度で傾斜した姿勢に制御される。

ここで船舶１の船体１０は、図２に示されるように、船尾１２に向かって後側が窄まった形状を有する。このため、船尾１２付近には、推進時に、船幅方向外側から船体中心線ＣＬに向かう流れＲが生じる。このような流れＲは、舵板２０を支持する舵頭材２１の前縁側に衝突することで剥離が生じたり、舵頭材２１の近傍を水面が通過することで造波抵抗を増加する要因となり得る。

図３は図１の舵頭材２１近傍の拡大図であり、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。舵頭材２１は、上述したように船体１０に対して舵板２０を揺動可能に支持しており、船体１０に接続する第１接続部３０と、舵板２０に接続する第２接続部３１と、を備える。
尚、図３のＡ−Ａ線は、喫水線ＷＬに平行であり、且つ、第１接続部３０の少なくとも一部を通る平面上に位置する（本実施形態では特に、Ａ−Ａ線は第１接続部３０の最下点を通過する）。

ここで図４に示されるように、舵軸２５と舵頭材２１の後縁部２１ａとを通る第１ラインＬ１を定義すると、本実施形態では、第１ラインＬ１が船体１０の後方に向けて船体中心線ＣＬに近づくように傾斜する。これにより、船体１０によって形成される流れＲは、舵頭材２１の形状に沿って剥離することなくスムーズに流れる。その結果、舵頭材２１における剥離発生を抑制するとともに、造波抵抗を効果的に低減できる。

本実施形態では、舵頭材２１は、その前縁部２１ｂ及び後縁部２１ａを通る第２ラインＬ２を基準に対称な形状を有する（図４では、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２は重なっている）。この場合、船体中心線ＣＬに対する第１ラインＬ１の傾斜角度αが５°≦α≦１５°の範囲が好ましく、更には、７°≦α≦１０°の範囲が好ましい。傾斜角度αがこのよう範囲にすることで、上記作用を効果的に享受できる。また、このような対称形状の舵頭材２１は製作コストを効果的に抑制できる。

図５はＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）を用いた船体１０の近傍における流れのシミュレーション結果である。図５（ａ）は、傾斜角度αがゼロであり（第１ラインＬ１が船体中心線ＣＬに平行であり）、且つ、第２ラインＬ２を基準に対称形状を有する舵頭材２１を備える比較例における検証結果を示しており、舵頭材２１の前縁部２１ｂに流れＲが衝突することにより、剥離が生じる様子が示されている。一方、図５（ｂ）は、図４の構造を有する本実施形態における検証結果を示しており、図５（ａ）のような剥離が生じず、流れＲが舵頭材２１の形状に沿ってスムーズに流れる様子が示されている。
尚、傾斜角度αが５％未満であれば船体中心線ＣＬ側の舵面上で剥離が生じやすくなり、１５％以上であれば船体１０側の舵面上で剥離が生じやすくなる。

図６は図４の変形例である。本変形例では、舵頭材２１の前縁部２１ｂ及び後縁部２１ａを通る第２ラインＬ２を基準に、船幅方向外側が船幅方向内側に比べて膨出した非対称な形状を有する。このような非対称形状は、上述の図４のような対称形状を有する場合に比べて製作コストが少なからず増えてしまうが、船体中心線ＣＬに対する第１ラインＬ１の角度βを、前述の図４の角度αに比べて小さく抑えることができる。これは船体１０のキールに対する舵頭材２１の角度を抑えることを意味しており、船体強度を有利に確保できる。

ここで舵頭材２１は、鉛直方向全体にわたって所定の傾斜角度α又はβを有してもよい。ただし、この場合、舵板２０と舵頭材２１の後方側が一致していないとギャップ（段差）が生じ、当該ギャップに起因して、造波抵抗が増加したり、エロージョンが発生するおそれがある。図７は図３の舵頭材２１のＢ−Ｂ線断面を、Ａ−Ａ線断面とともに示す模式図である。ここでＢ−Ｂ線は、喫水線ＷＬに平行であり、且つ、第２接続部３１を通る平面上に位置する。
尚、図７に示されるＡ−Ａ断面は、船体１０と舵頭材２１の上面が接する第１接続部を通る平面における断面構造を示しており、図７に示されるＢ−Ｂ断面は、舵頭材２１の下面と舵板２０の上面が接する第２接続部を通る平面における断面構造を示している。

ここで図８は舵板２０及び舵頭材２１を船尾側から示す模式図である。この例では、舵板２０は、鉛直方向に延在する船尾側の後縁ライン（頂部）２０ａを有している。一方、舵頭材２１はＡ−Ａ線断面では図４を参照して前述したように傾斜角度αを有しているが、Ｂ−Ｂ線断面では舵板２０の後縁ライン２０ａと舵頭材２１の後縁ライン２１ａとが互いに一致するように傾斜角度がゼロになっている。すなわち、傾斜角度βは舵板２０の上端面のノーズテールラインに対して０°となることが好ましい。このようにＡ−Ａ線断面とＢ−Ｂ線断面との間において傾斜角度αは連続的に変化することで、舵頭材２１が捩れ形状を有してもよい（言い換えると、舵頭材２１は、船体１０側から舵板２０側に向かうに従って傾斜角度が減少するように、捩れ形状を有してもよい）。

舵板２０は、上述したように、船舶１の直進時に船幅方向のモーメントが作用しないように、少なくとも後縁側が船体中心線ＣＬに平行に形成されている。そのため、舵板２０が中立位置（直進時の位置）にあるときには、図７に示されるように、Ｂ−Ｂ線断面において舵頭材２１の傾斜角度がゼロとなることで、第２接続部３１では舵頭材２１の表面と舵板２０の表面とが連続するように構成されている。そのため、舵板２０と舵頭材２１との間にギャップが生じず、造波抵抗やエロージョンを抑制できる。

図９は図３の変形例であり、図１０は図９のＣ−Ｃ線断面図である。この変形例では、舵頭材２１は、船体長手方向における長さが舵板２０より短い形状を有する点で上記実施形態と異なる（すなわち、舵頭材２１の断面積がより小さい）。この場合、図１０に示されるように、舵頭材２１は舵軸２５と舵頭材２１の前縁部２１ｂとを通る第３ラインＬ３を定義すると、第３ラインＬ３が船体１０の前方に向けて船体中心線ＣＬから離れるように傾斜するように構成される。これにより、船体１０によって形成される流れＲは、舵頭材２１の形状に沿って剥離することなくスムーズに流れる。その結果、舵頭材２１における剥離発生を抑制するとともに、造波抵抗を効果的に低減できる。

図１０の例では、舵頭材２１は前縁部と舵軸中心とを通る第２ラインＬ２（ノーズテールライン）を基準に対称的な断面形状を有する。
尚、図１０では第２ラインＬ２と第３ラインＬ３は重なることとなる。

図１１は図１０の変形例である。この変形例では、舵頭材２１は図６に倣って、第３ラインＬ３に対して非対称な断面形状を有する。例えば、舵頭材２１は船幅方向外側が船幅方向内側に比べて膨出した非対称な形状を有する。この場合、図１０に比べて第３ラインＬ３の船体中心線ＣＬに対する傾斜角度γが小さく抑えることができる。これは、船体１０のキールに対する舵頭材２１の角度を抑えることを意味しており、船体強度を有利に確保できる。

図１２は図９の舵頭材２１のＤ−Ｄ線断面を、Ｃ−Ｃ線断面とともに示す模式図である。ここでＤ−Ｄ線は、喫水線ＷＬに平行であり、且つ、舵板２０の上端部２１ａを通る平面上に位置する。図１２に示されるように、舵頭材２１はＣ−Ｃ線断面では図１０を参照して前述したように傾斜角度γを有しているが、Ｄ−Ｄ線断面では舵板２０の上端部２１ａと舵頭材２１の後縁ラインが互いに一致するように傾斜角度γがゼロになっている。このようにＣ−Ｃ線断面とＤ−Ｄ線断面との間において傾斜角度γは連続的に変化することで、舵頭材２１が捩れ形状を有してもよい（言い換えると、舵頭材２１は、船体１０側から舵板２０側に向かうに従って傾斜角度が減少するように、捩れ形状を有してもよい）。

舵板２０は、上述したように、船舶１の直進時に船幅方向のモーメントが作用しないように、少なくとも後縁側が船体中心線ＣＬに平行に形成されている。そのため、舵板２０が中立位置（直進時の位置）にあるときには、図１２に示されるように、Ｄ−Ｄ線断面において舵頭材２１の傾斜角度γがゼロとなることで、舵頭材２１の表面と舵板２０の表面とが連続するように構成されている。そのため、舵板２０と舵頭材２１との間にギャップが生じず、造波抵抗やエロージョンを抑制できる。

以上説明したように本発明の幾つかの実施形態によれば、船体形状により生じる流れに起因する剥離を抑制するとともに、造波抵抗を低減可能な舵を提供できる。

本発明の幾つかの実施形態は船体に搭載可能な舵に利用可能である。

１ 船舶
２ 舵
１０ 船体
１１ 船首
１２ 船尾
１３ 船底
１４ 左舷
１５ 右舷
１６ 隔壁
１７ 機関室
１８ 主機関
１９ プロペラ
２０ 舵板
２１ 舵頭材
２１ａ 後縁部
２１ｂ 前縁部
２２ 駆動機
２５ 舵軸
３０ 第１接続部
３１ 第２接続部
ＣＬ 船体中心線
ＰＣＬ 回転中心線

Claims (9)

1. 船体の後方に配置された一対の舵であって、
   前記船体に支持される舵頭材と、
   前記舵頭材を介して回転軸により回動可能に支持される舵板と、
   を備え、
   前記舵頭材は、前記船体に接続される第１接続部と、前記舵板に接続される第２接続部を有し、
   喫水線に平行であり、且つ、前記第１接続部を通る平面上において、前記回転軸と前記舵頭材の後縁部とを通る第１ラインが前記船体の後方に向けて前記船体の中心線に近づくように傾斜している、舵。
2. 前記舵頭材の前縁部及び後縁部を通る第２ラインを基準に対称な形状を有する、請求項１に記載の舵。
3. 前記船体の前記中心線に対する前記第１ラインの角度αが５°≦α≦１５°である、請求項２に記載の舵。
4. 前記船体の前記中心線に対する前記第１ラインの角度αが７°≦α≦１０°である、請求項３に記載の舵。
5. 前記舵頭材の前縁部及び後縁部を通る第２ラインを基準に、船幅方向外側が船幅方向内側に比べて膨出した非対称な形状を有する、請求項１に記載の舵。
6. 前記第２接続部において、前記舵と表面が連続するように、前記第１接続部から前記第２接続部にかけて前記第１ラインの傾斜が連続的に変化する、請求項１から５のいずれか一項に記載の舵。
7. 前記舵板は、前記船体中心線に平行な後縁部を有する、請求項６に記載の舵。
8. 船体の後方に配置された一対の舵であって、
   前記船体に支持される舵頭材と、
   前記舵頭材を介して回転軸により回動可能に支持される舵板と、
   を備え、
   前記舵頭材は、前記船体に接続される第１接続部と、前記舵板に接続される第２接続部を有し、
   喫水線に平行であり、且つ、前記第１接続部を通る平面上において、前記回転軸と前記舵頭材の前縁部とを通る第３ラインが前記船体の前方に向けて前記船体中心線から離れるように傾斜している、舵。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の舵を備える、船舶。
   

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