JP2021059331A

JP2021059331A - 船舶のプロペラ動力計測システムおよび前記計測システム用のスターンチューブ

Info

Publication number: JP2021059331A
Application number: JP2020214696A
Authority: JP
Inventors: 哲二東島; Tetsuji Tojima; 鎮▲かく▼ 東島; Chinkaku Higashijima
Original assignee: NISSHO ELECTRONICS; Nissho Electric Works Co Ltd
Current assignee: NISSHO ELECTRONICS; Nissho Electric Works Co Ltd
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP7045107B2

Abstract

【課題】プロペラの回転数が比較的低速であっても、所望の高精度のプロペラ動力の計測が可能な船舶のプロペラ動力計測システムおよび前記計測システム用のスターンチューブを提供する。【解決手段】プロペラ軸５が、スターンチューブ６内を貫通し、かつスターンチューブの軸方向両端部において軸受により軸支され、船体内から水中に突出してプロペラと結合されることにより、プロペラ動力を計測するプロペラ動力計測システム用の、前記軸受を備えたスターンチューブにおいて、前記軸受を、軸方向摩擦および回転方向摩擦が小さいスラスト・トルク非拘束タイプの軸受２０とする。【選択図】図４

Description

この発明は、船舶のプロペラ動力計測システムに用いるスターンチューブ並びに、同スターンチューブを用いたプロペラ動力計測システムに関する。

現在、船舶推進システムは、省エネルギおよびより高度の自動化を達成するために、種々の改善がなされている。船舶の性能を調査するに当たって、エンジンが発生するエネルギが船体を動かすエネルギ（プロペラ動力）に変換される割合、即ち変換効率を調査することは重要な事項である。プロペラ動力は、システムの信頼性向上のための技術情報としても、また、船舶の経済的運行管理の情報としても、最も基礎的かつ重要なデータである。

従来行われたプロペラの単独試験や船舶模型を用いた水槽実験、ならびにプロペラ動力の計測方法や装置等に関しては、種々の方法、装置が知られている（特許文献１および２、ならびに非特許文献１および２等参照）。

図１は、船舶模型に搭載された従来のプロペラ動力計測システム（自航試験装置）の一例を示す図である。また、図２は、図１に示すプロペラ軸５がスターンチューブ６を貫通した状態の一例を示す断面図である。これらの図を用いて、従来の計測方法とその問題点について以下に述べる。

図１において、１０は船舶模型であり、この船舶模型１０にプロペラ動力計測システム１が搭載されて自航試験が実施される。プロペラ動力計測システム１は、プロペラを駆動するモータ２、プロペラのトルク、スラスト、回転数などを計測するプロペラ動力計３、プロペラ４、プロペラ軸５およびスターンチューブ（船尾管）６とから成る。プロペラ動力計３における計測方法としては、トルク、スラストに関しては一般にストレーンゲージが、回転数に関しては無接触光電スイッチが用いられる。

なお、図１において、７はギアボックスであり、通常のプロペラ試験の場合には不要であり、二重反転プロペラの場合に用いる。二重反転プロペラとは、反転する２つのプロペラからなるプロパルサであり、前方プロペラの旋回流を後方プロペラで相殺することにより、通常プロペラでは旋回エネルギとして損失していたものを回収しようとするものであって、低回転大直径プロペラの組合せが有望視されている。この場合、ギアボックス７を用いることにより、前後のプロペラ回転数比を変化させることができる（非特許文献２参照）。ギアボックス７を用いない場合には、モータ１とプロペラ動力計３とが直結される。

図１において、プロペラ軸５はスターンチューブ６を貫通して、船舶模型１０の船体内から水中に突出してプロペラ４を回転させている。図２に示すように、スターンチューブ６は、プロペラ軸５の軸径より若干大きい内径を有する中空管からからなり、その両端部で比較的小さな摩擦係数を有する軸受８によりプロペラ軸５を支えており、当該プロペラ軸と軸受との間の隙間（約０．２mm）に水が流れるようにして、小さな摩擦でプロペラ軸を回転可能としている。前記軸受８は、原理的に滑り軸受であり、軸受材料としては、テフロン（デュポン社の登録商標）や焼結金属を用いたドライベアリングなどが用いられる。

図２において、５３，５４は夫々、プロペラ軸５端部におけるプロペラ動力計３側端部、プロペラ４側端部である。また、ｄはプロペラ軸５の直径（例えば、８ｍｍ）、Ｄはスターンチューブ６の直径（例えば、３２ｍｍ）、Ｌはスターンチューブ６の長さ（例えば、４７０ｍｍ）である。スターンチューブ６の長さは、プロペラ軸５の曲げ、捩じり振動を低減するために長い方が好ましく、４７０〜９００ｍｍ程度である。

図１において、前記スターンチューブ６を通って船体内に入った水は、図１に特別には図示しない水溜まり部に集められ、図示しないポンプにより船外には排出される。

ところで、上記のプロペラ動力計測システムにおいては、下記のような問題があった。従来、プロペラの回転数は一般に１０〜３０ｒｐｓであって、比較的高速で回転しているので、スターンチューブ６におけるプロペラ軸の摩擦トルクは比較的小さく、プロペラの所要トルクに比べて格段に小さい値であった。そのため、高速回転時におけるプロペラの真のトルクを計測するに当たって、プロペラ動力計３における計測値から、低速回転時におけるトルクの計測値をスターンチューブの摩擦トルクとして、高速回転時におけるトルクの計測値から差し引くことにより、真のトルクを求めるようにしても実用上問題がなかった。

しかしながら、近年、省エネの要求が高まり、プロペラの回転数が１〜５ｒｐｓの低速回転となっており、この場合、上記従前の計測方法では、計測精度に問題が生ずるようになった。

図３に軸受の発生摩擦Ｆと回転数ｎの一般的な関係を示す。図３に示すように、発生摩擦Ｆは、荷重項Ｆ_１と速度項Ｆ_２との合成（Ｆ_１＋Ｆ_２）からなり、回転数ｎの増大に伴って、起動摩擦Ｆ_０から漸減し最下点から僅かに漸増する傾向を示す。前記荷重項は、軸受部位における接触面の差動すべりによるもので、回転数が低い程、荷重の影響を受けて大きな値となる。前記速度項は、液膜のせん断および攪拌抵抗などの影響により、回転数が高い程、大きな値となる。

図２に示すような滑り軸受における低速域における摩擦係数μは、０．１〜０．２程度であり、比較的低速回転のプロペラに関し、そのプロペラ動力を計測する場合に、所望の計測精度（通常、０．２％）を確保することが不可能となる問題があった。

特開平６−１１７９４９号公報特開２００３−７５２９１号公報

平山伝治、他３名、"推進動力の測定"、日本舶用機関学会誌、第１９巻、第６号、昭和５９年６月発行、第４７３〜４８０頁小久保芳男、他１名、"二重反転プロペラの実験的研究-その１"、船舶技術研究所報告、第２６巻、第４号、平成３年７月発行、第１７５〜１９２頁三宅圀博、"ラビリンスシールとその特性"、ターボ機械、第２０巻、第５号、１９９２年５月発行、第２５８〜２６６頁小茂鳥和生、"非接触シール論"、コロナ社、昭和４８年１２月２０日発行、第４４〜４７頁

この発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、プロペラの回転数が比較的低速であっても、所望の高精度のプロペラ動力の計測が可能な船舶のプロペラ動力計測システムおよび前記計測システム用のスターンチューブを提供することにある。さらに、前記計測システムにおいて、前記スターンチューブを通って船体内に入る水の侵入量を低減し、これにより、船外へ排水するためのポンプ容量を低減可能とすることにある。

前述の課題を解決するために、この発明のスターンチューブは下記のようなものとする。即ち、プロペラ軸が、スターンチューブ内を貫通し、かつスターンチューブの軸方向両端部において軸受により軸支され、船体内から水中に突出してプロペラと結合されることにより、プロペラ動力を計測するプロペラ動力計測システムに用いられる、前記軸受を備えたスターンチューブであって、前記軸受は、軸方向摩擦および回転方向摩擦が小さいスラスト・トルク非拘束タイプの軸受としたことを特徴とする。

ここで、スラスト・トルク非拘束タイプの軸受とは、後述する具体例に示すように、摩擦係数μが０．０００６〜０．００１２程度であり、従来の軸受の摩擦係数μ（０．１〜０．２程度）に比べて、摩擦係数が格段に小さい軸受をいう。従って、このような軸受の適用により、プロペラの回転数が低速であっても、高精度のプロペラ動力の計測が可能となる。

また、前記発明のスターンチューブとしては、下記の構成が好ましい。即ち、前記スターンチューブとプロペラ軸との間の隙間に、少なくとも１つのラビリンスシールを備えたことを特徴とする。さらに、前記ラビリンスシールは、直通形ラビリンスシールとすることが好ましい。

ラビリンスシールとは、周知のように、液体または気体（ここでは水）の流れの流路をせばめる絞り片と、その背後の膨張室からなり、絞り片段数を増やすことによって一段当たりの圧力降下を小さくして、水のもれ量を減少させる非接触のシール装置である。ラビリンスシールのラビリンス形状としては種々のものが知られており、代表例としては、a)逃げ溝絞り片からなる直通形（後述する本発明の実施態様）、b)各種の食い違い形、c)半径流と直通形の組合せ形などである（非特許文献３参照）。上記の内、直通形は、構造が簡単であるので、本発明において好適である。とはいえ、直通形は、直通部分の流体の吹き抜けがあり、特に、水のような非圧縮性流体の場合、膨張室の存在によって直通部分の長さが減少し、漏れ量が大きくなる場合がある（非特許文献４参照）が、この問題および、本発明がこの問題をカバーして漏れ量を大幅に低減できる点などに関しては、実施態様の項で詳述する。

いずれにせよ、上記のようなラビリンスシールを設けることにより、前記スターンチューブを通って船体内に入る水の侵入量を低減し、船外へ排水するためのポンプ容量を低減することができる。

また、前記スターンチューブの軸方向両端部における各軸受の軸受を挟んだ両側に、夫々ラビリンスシールを備えることが、水の侵入量低減および回転軸の機械的安定性の観点から好ましい。

さらに、この発明のプロペラ動力計測システムとしては下記のようなものとするのが好ましい。即ち、船舶模型に搭載された、プロペラを駆動するモータと、プロペラと、少なくとも前記プロペラのトルク、スラストを含むプロペラ動力を計測するプロペラ動力計と、プロペラ軸と、スターンチューブとを備えたプロペラ動力計測システムにおいて、前記
スターンチューブは、前述のいずれかに記載の構成を備えたスターンチューブとする。

この発明によれば、プロペラの回転数が比較的低速であっても、所望の高精度のプロペラ動力の計測が可能な船舶のプロペラ動力計測システムおよび前記計測システム用のスターンチューブを提供することができる。さらに、前記スターンチューブを通って船体内に入る水の侵入量を低減し、船外へ排水するためのポンプ容量を低減することができる。

船舶模型に搭載された従来のプロペラ動力計測システムの一例を示す図。従来技術に係り、プロペラ軸がスターンチューブを貫通した状態の一例を示す断面図。軸受の摩擦と回転数の一般的な関係を示す図。本発明に係り、プロペラ軸がスターンチューブを貫通した状態の一例を示す断面図であって、図４（ａ）は図２に対応する断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＰ矢視部の拡大断面図。図４に示すスラスト・トルク非拘束軸受の一例を示す斜視図軸受またはラビリンスシールとプロペラ軸との間の隙間に関し、均一隙間流路（ａ図）と偏心隙間流路（ｂ図）との比較を示すイメージ図。

図４〜図６に基づき、本発明のスターンチューブの実施の形態について以下に述べる。図４は、本発明の実施形態に係り、プロペラ軸がスターンチューブを貫通した状態の一例を示す断面図であって、図４（ａ）は図２に対応する断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＰ矢視部の拡大断面図である。図５は、図４に示すスラスト・トルク非拘束軸受２０の一例を示す斜視図である。なお、図４および５において、前記図１および２に記載された部材と同一機能を有する部材には同一符号を付して、詳細説明を省略する。

図４に示すスターンチューブは、プロペラ軸５の軸方向両端部にそれぞれ、スラスト・トルク非拘束軸受２０と、前記軸受２０を挟んでラビリンスシール３０および３１を設けた実施態様を示す。

ここで、前記スラスト・トルク非拘束軸受２０とは、前述のように軸方向摩擦および回転方向摩擦が極めて小さい軸受であって、その一例を図５に示すが、例えば、THK社（株
）製のLMストロークや、日本トムソン（株）製のストロークロータリブッシングが適用できる。この軸受は図５に示すように、円筒形の外筒２１の内部に、ボールケージ２２と多数個のボール２３が組み込まれている。ボール２３の配置は荷重を均等に配分できるように千鳥に配列されている。外筒２１の内径の両側面には、スラストリングと止め輪２４が組み付けられており、ボールケージのオーバーランを防止する。図５に示す軸受は、ボールとボール転動面は最も転がり損失の小さい点接触で、しかも各々のボールはボールケージで分離保持されているため、極めて小さな摩擦係数（μ＝０．０００６〜０．００１２）で転がり運動ができる。

また、図４において、３０は絞り片段数が４の直通形ラビリンスシールを示し、３１は絞り片段数が２のラビリンスシールを示す。水はプロペラ軸５の図４左側におけるプロペラ接続端５４側からスターンチューブ６とプロペラ軸５との間の隙間に侵入するが、まず、２段のラビリンスシール３１によりその侵入を抑制し、後続の４段のラビリンスシール３０により、侵入をさらに抑制する。それでも漏れた水は、プロペラ動力計接続端５３側に到達するが、再度、ラビリンスシール３０および３１により、水の流れを抑制する。
直通形ラビリンスシールとプロペラ軸との間の隙間は、従来のスターンチューブとプロペ
ラ軸との間の隙間に比較して極めて小さく、かつ前記スラスト・トルク非拘束軸受２０の適用により隙間がほぼ均一となるので、スターンチューブを通って船体内に入る水の侵入量を著しく低減することができる。この点に関し、以下に詳述する。

前述のように、直通形ラビリンスシールは、直通部分の流体の吹き抜けがあり、水のような非圧縮性流体の場合、漏れ量が大きくなる問題がある。しかしながら、漏れ流量は一般的に、隙間の３乗に比例し、流路の長さに反比例する。前述のように従来のプロペラ軸と軸受との間の隙間は約０．２mmであるのに対し、直通形ラビリンスシールとプロペラ軸との間の隙間は０．１mm以下とすることができる。従って、前記隙間の低減により、漏れ流量は（１／２）^３＝１／８に低減できる。

また、前述のように、前記スラスト・トルク非拘束軸受２０の適用により、直通形ラビリンスシールとプロペラ軸との間の半径方向隙間は、図６（ａ）に示すように、ほぼ均一となる。図６（ａ）において、G₀は均一な半径方向隙間を示す。従来のプロペラ軸と軸受との間の隙間は、図６（ｂ）に示すように、重力によって軸が軸受に対して偏心し、上方隙間は２×G₀となる。同一流体における均一隙間流路と偏心隙間流路との漏れ流量の比は、２：５であり、均一隙間流路の方が漏れ流量が低減する。

従って理論的には、前記隙間の低減と前記均一隙間流路による低減とにより、本発明の場合、水侵入量が１／８×２／５＝１／２０に低減する。

なお、図４に示した直通形ラビリンスの実施例においては、膨張室を備えた直通形ラビリンスの例のみを示したが、少なくとも一つの直通形ラビリンスを、膨張室がなく直通部分のみからなるものとすることもできる。この場合、スラスト・トルク非拘束軸受２０と、前記直通部分のみからなるラビリンスとの空間は一種の膨張室とみなすこともできる。

さらに、図４（ｂ）に示すように、スターンチューブ右側のラビリンスシール３１は、止めねじ４０により軸方向の動きが係止され、ラビリンスシール３１とスラスト・トルク非拘束軸受２０との間、および、スラスト・トルク非拘束軸受２０とラビリンスシール３０との間には、図示しない間隔片が設けられ、これにより、軸方向の動きが係止される。一方、スターンチューブ左側のラビリンスシール３１は、図４（ａ）に示すように、スペーサ４１およびＣ型止め輪４２により、軸方向の動きが係止される。

上記のような図４に示すスターンチューブ６を、図１に示すプロペラ動力計測システムに適用することにより、プロペラの回転数が比較的低速であっても、所望の高精度のプロペラ動力の計測が可能な船舶のプロペラ動力計測システムを提供することができ、さらに、前記スターンチューブを通って船体内に入る水の侵入量を著しく低減し、船外へ排水するためのポンプ容量を低減することができる。

１：プロペラ動力計測システム、２：モータ、３：プロペラ動力計、４：プロペラ、５：プロペラ軸、６：スターンチューブ、７：ギアボックス、８：軸受、１０：船舶模型、２０：スラスト・トルク非拘束軸受、２１：外筒、２２：ボールケージ、２３：ボール、３０，３１：ラビリンスシール。

Claims

プロペラ軸が、スターンチューブ内を貫通し、かつスターンチューブの軸方向両端部において軸受により軸支され、船体内から水中に突出してプロペラと結合されることにより、プロペラ動力を計測するプロペラ動力計測システム用の、前記軸受を備えたスターンチューブにおいて、前記軸受を、軸方向摩擦および回転方向摩擦が小さいスラスト・トルク非拘束タイプの軸受としたことを特徴とするスターンチューブ。
請求項１記載のスターンチューブにおいて、前記スターンチューブとプロペラ軸との間の隙間に、少なくとも１つのラビリンスシールを備えたことを特徴とするスターンチューブ。
請求項２記載のスターンチューブにおいて、前記ラビリンスシールは、直通形ラビリンスシールとしたことを特徴とするスターンチューブ。
請求項２または３に記載のスターンチューブにおいて、前記スターンチューブの軸方向両端部における各軸受の軸受を挟んだ両側に、夫々ラビリンスシールを備えたことを特徴とするスターンチューブ。
船舶模型に搭載された、プロペラを駆動するモータと、プロペラと、少なくとも前記プロペラのトルク、スラストを含むプロペラ動力を計測するプロペラ動力計と、プロペラ軸と、スターンチューブとを備えたプロペラ動力計測システムにおいて、
前記スターンチューブは、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスターンチューブとしたことを特徴とするプロペラ動力計測システム。