JP2023148982A - 摩擦低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦抵抗低減効果が高く、かつ、圧力損失が小さくできる。
【解決手段】水に接して航行する航行体の摩擦低減装置であって、航行体の表面に開口する複数のキャビディ溝と、キャビディ溝のそれぞれに接続され、キャビディ溝に空気を供給する空気供給配管と、空気供給配管に接続し、空気供給配管に空気を供給するヘッダ部と、を有し、複数のキャビディ溝は、航行体の進行方向に沿って、列状に配置され、キャビディ溝は、航行体の進行方向に直交する走行が長手方向となり、航行体の進行方向の上流側の面に、航行体の進行方向に凸となる湾曲面を有し、開口から空気を湾曲部に沿って流通させ、航行体の進行方向の下流に向けて噴射する。
【選択図】図２

Description

本開示は、水中の摩擦を低減する摩擦低減装置に関するものである。

水に接して航行する航行体として船舶がある。船舶の船体に作用する摩擦抵抗を低減する技術として、空気（気泡）を水中に吹き出して船体の表面を気泡で覆う装置がある（特許文献１参照）。

特開２０１３－１０３９５号公報

航行体の水との接触面に気泡を吹き出し、表面を気泡で覆うことで、摩擦抵抗を低減することができる。しかしながら、水中に吹き出した空気で形成され空気膜で、航行体の表面の形状大きくなり、圧力損失が増加する場合がある。

本開示は上述した課題を解決するものであり、摩擦抵抗低減効果が高く、かつ、圧力損失が小さくできる摩擦低減装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の摩擦低減装置は、水に接して航行する航行体の摩擦低減装置であって、航行体の表面に開口する複数のキャビディ溝と、前記キャビディ溝のそれぞれに接続され、前記キャビディ溝に空気を供給する空気供給配管と、前記空気供給配管に接続し、前記空気供給配管に空気を供給するヘッダ部と、を有し、前記複数のキャビディ溝は、前記航行体の進行方向に沿って、列状に配置され、前記キャビディ溝は、前記航行体の進行方向に直交する方向が長手方向となり、前記航行体の進行方向の上流側の面に、前記航行体の進行方向に凸となる湾曲面を有し、前記開口から空気を前記湾曲部に沿って流通させ、前記航行体の進行方向の下流に向けて噴射する。

本開示の摩擦低減装置によれば、摩擦抵抗低減効果が高く、かつ、圧力損失が小さくできる。

図１は、実施形態の摩擦低減装置を搭載した船舶の概略側面図である。 図２は、摩擦低減装置が配置された船体の一部を拡大して示す斜視図である。 図３は、摩擦低減装置の概略構成を示す部分斜視図である。 図４は、摩擦低減装置の概略構成を示す断面図である。 図５は、図４の部分拡大断面図である。 図６は、他の実施形態の摩擦低減装置の部分拡大断面図である。 図７は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。 図８は、図７の部分拡大断面図である。 図９は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。 図１０は、図９の部分拡大断面図である。 図１１は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。 図１２は、図１１の部分拡大断面図である。 図１３は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。 図１４は、図１３の部分拡大断面図である。

以下に添付図面を参照して、本開示に係る船舶の摩擦低減装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態の船舶の摩擦低減装置を搭載した船舶の概略側面図である。本実施形態では、水に接して航行する航行体の一例として船舶に摩擦低減装置を適用した場合で説明するが、船舶に限定されない。航行体としては、水上を航行する船舶に加え、水中を航行する水中航行体も含む。また、摩擦低減装置の配置も特に限定されず、水と接している部分であればよい。

図１に示す船舶１０は、例えば、旅客船、カーフェリーである。なお、船舶１０は、これに限定されず、小型船舶、高速船、コンテナ船、バラ積み船、燃料輸送船、台船等種々の船舶に適用可能である。船体１０は、船首１１と、船尾１２と、船底１３と、左舷（船側）１４と、右舷（船側）１５を有している。本実施形態では、船体１０の船長方向（前後方向）をＸ方向、船幅方向（幅方向）をＹ方向、船高方向（上下方向）をＺ方向として表している。そして、ＣＬは、船体１０のセンターラインを表し、ＷＬは、船体１０の満載喫水線を表している。

船体１０は、船尾１２側に隔壁１６により機関室１７が区画され、この機関室１７に主機関（例えば、ディーゼルエンジン）１８が配置されている。この主機関１８は、推進力を伝達するプロペラ１９が駆動連結されている。また、船体１０は、船尾１２に船体１０の方向を制御する舵２０が設けられている。

また、船体１０は、空気供給機器室２１と、船倉２２と、車両甲板２３と、ランプ２４と、甲板暴露部２５と、隔壁２６と、船底外板２７と、船側外板２８，２９とを有している。空気供給機器室２１は、船倉２２より船首１１側に配置されている。空気供給機器室２１と船倉２２は、隔壁２６により仕切られている。車両甲板２３は、空気供給機器室２１及び船倉２２の床面を形成している。ランプ２４は、自動車（図示略）が船倉２２に乗り降りするために使用される。甲板暴露部２５は、例えば、船首１１の上甲板であり、空気供給機器室２１の上方に配置される。

摩擦低減装置３１は、空気供給装置３２と、エアクーラ３３と、通風筒３４と、空気吸い込み口３５と、空気吹き出し部３６と、空気吹き出し部３７と、海水取入部３８と、ポンプ３９と、空気吹き出し部４２と、を有している。空気吹き出し部３６は、左舷１４（船側外板２８）と、右舷１５（船側外板２９）に配置されている。空気吹き出し部３７及び海水取入部３８は、船首１１側の船底１３（船底外板２７）に配置されている。空気吹き出し部４２は、プロベラ１９の案内構造物５４に配置されている。空気供給装置３２及びエアクーラ３３は、空気供給機器室２１に設置されている。通風筒３４及び空気吸い込み口３５は、甲板暴露部２５に配置されている。通風筒３４は、空気供給機器室２１に連通され、空気供給機器室２１を換気するために用いられる。空気吸い込み口３５は空気供給装置３２に接続されている。空気供給装置３２は、エアクーラ３３を介して空気吹き出し部３６、３７に接続されている。海水取入部３８は、ポンプ３９を介してエアクーラ３３に接続されている。空気吹き出し部４２は、配管５０を介して、空気供給装置３２と接続される。

海水取入部３８と空気吹き出し部３７は、例えば、船体１０のセンターラインＣＬ上に配置され、船底１３における船底外板２７の平坦な部分に配置されている。海水取入部３８は、空気吹き出し部３７より船首１１側に配置されている。空気吹き出し部３６は、船首１１側における左舷１４と右舷１５の各船側外板２８，２９に配置されている。各空気吹き出し部３６は、センターラインＣＬに対して対称に配置され、船首１１側が接近するように斜めに配置されている。海水取入部３８は、両舷１４，１５に設けられた空気吹き出し部３６の間に配置されている。

空気供給装置３２は、空気吸い込み口３５から吸い込んだ空気を加圧し、その加圧された圧縮空気をエアクーラ３３から空気吹き出し部３６、３７、４２に供給する。ポンプ３９は、海水取入部３８から取り入れられた海水をエアクーラ３３に供給する。エアクーラ３３は、海水を用いて圧縮空気を冷却する。エアクーラ３３は、例えば、圧縮空気と海水を熱交換する熱交換器である。また、エアクーラ３３は、圧縮空気中に海水を散布して圧縮空気を冷却するように構成してもよく、海水中に圧縮空気を吹き出して圧縮空気を冷却するように構成してもよい。空気吹き出し部３６、３７、４２は、空気供給装置３２から供給された圧縮空気を水中に吹き出す。即ち、船体１０の空気吹き出し部３６、３７、４２から水中に空気が吹き出され、この吹き出された空気により形成される気泡が船底１３の平坦部に送り出され、この気泡により船体１０が覆われることで船体１０の摩擦抵抗が低減される。

次に、図２から図５を用いて摩擦低減装置３１の空気吹き出し部４２の構成について説明する。図２は、摩擦低減装置が配置された船体の一部を拡大して示す斜視図である。図３は、摩擦低減装置の概略構成を示す部分斜視図である。図４は、摩擦低減装置の概略構成を示す断面図である。図５は、図４の部分拡大断面図である。以下では、空気吹き出し部４２について説明するが、空気吹き出し部３６，３７も同様の構造とすることで、同様の効果を得ることができる。

船体１０は、プロペラ１９の周囲に案内機構５４が配置される。案内機構５４は、筒部６０と、筒部６２とを有する２重の筒形状であり、プロペラ１９で形成される水流を所定の方向に案内する。筒部６０は、内部にプロペラ１９が配置される。筒部６０は、船体１０の船長方向Ｘに沿った方向が軸となる筒形状であり、船首から船尾に向けて径が小さくなる絞り形状である。筒部６０は、先端６３が進行方向前側の端部（船首方向の端部となる。）。船体１０が進行方向前側に移動すると、矢印の方向に水が流れる。筒部６２は、筒部６０よりも船尾側に配置され、船長方向Ｘにおいて、船首側の一部が、筒部６０と重なる位置に配置される。筒部６２は、筒部６０の外周側に配置される。

空気吹き出し部４２は、筒部６０の全域に配置される。空気吹き出し部４２は、筒部６０の外周側から気泡を吹き出す。空気吹き出し部４２は、図３から図５に示すように、複数のキャビティ溝８０と、ヘッダ部（母管）８２と、複数の空気供給配管８４と、を含む。複数のキャビティ溝８０は、船幅方向Ｙに延在する溝であり、船長方向Ｘに列状に並んで配置される。本実施形態のキャビティ溝８０は、筒部６０の外周の全周に形成されるリング形状の溝である。キャビティ溝８０は、筒部６０の外周の周方向の一部のみに設けてもよい。また、キャビティ溝８０は、船幅方向Ｙに対して傾斜してもよい。また、キャビティ溝８０は、延在方向において、折れ曲がった形状、例えば屈曲部を有する形状でもよく、曲線形状でもよい。

キャビティ溝８０は、図４及び図５に示すように、壁面が湾曲面８６となる。本実施形態の湾曲面８６は、キャビティ溝８０の延在方向に直交する断面、つまり、図４及び図５に示す面において、溝となる空間が真円となる曲面である。湾曲面８６は、船首方向側の面が、船主側に凸となる曲面であり、船尾側の面が船尾側に凸となる曲面である。

ヘッダ部８２は、配管５０と接続し、配管５０から空気が供給される。ヘッダ部８２は、空気供給配管８４を介して、それぞれのキャビティ溝８０と接続する。ヘッダ部８２は、空気供給配管８４を介して、配管５０から供給される空気をキャビティ溝８０に供給する。ヘッダ部８２は、配管５０から供給される空気を一時的に貯留して、平均化して、各空気供給配管８４に空気を供給する。

空気供給配管８４は、１つのキャビティ溝８０とヘッダ部８２とを接続する管路である。空気供給配管８４は、キャビティ溝８０毎に設けられる。複数の空気供給配管８４は、船長方向Ｘに列状に並んで配置される。空気供給管８４は、ヘッダ部８２からキャビティ溝８０に向かうにしたがって、船首方向（進行方向の前側）に移動する向きで配置される。本実施形態の空気供給配管８４は、ヘッダ部８２との接続部における、ヘッダ部８２の延在方向とのなす角（接続部の船首側の角度）θが９０度未満となる。本実施形態の空気供給配管８４は、進行方向において、キャビディ溝８０の中央９６よりも上流側が、ヘッダ部８２との接続部９８となる。

摩擦低減装置３１の空気吹き出し部４２は、キャビティ溝８０を進行方向に列状に配置し、かつ、湾曲面８６を設けることで、空気を吹き出すキャビティ溝８０の内部にキャビティ渦９２を形成することができる。キャビティ渦９２は、水と接する面で、進行方向前から後ろに向かう流れとなる。これにより、空気吹き出し部４２のキャビティ溝８０では、吹き出し位置の水の流れに沿った方向に空気を吹き出すことができる。

摩擦低減装置３１の空気吹き出し部４２は、キャビティ渦９２が剥離泡の役割を果たすため、物体表面での流れの境界層の発達が抑制され、摩擦抵抗も抑制できる。キャビディ溝８０にキャビティ渦９２を形成することで、気泡の吹き出し位置でのせん断応力を小さくでき、摩擦抵抗が低減できる。また、キャビティ渦９２が水との接触位置で同じ方向に流れることで、空気の吹き出し位置での水の流れ（主流）との接触界面における流れのせん断を小さくできる。摩擦抵抗（せん断力）は、流れのせん断に関係（比例）するため、流れのせん断を小さくすることで摩擦抵抗を低減される。

また、摩擦低減装置３１の空気吹き出し部４２は、空気供給配管８４のキャビティ溝８０との接続位置を、中央より進行方向前側とすることで、キャビティ溝８０内での空気の流れを湾曲面８６に沿った流れとしやすくなり、キャビティ渦９２を好適に形成することができる。これにより、摩擦低減の効果をより高くすることができる。

また、摩擦低減装置３１の空気吹き出し部４２は、空気供給配管８４の角度θを９０度未満とすることで、ヘッダ部８２の流れのエネルギー（動圧）を利用して流れを分岐させることができる。これにより、ヘッダ部８２から空気供給管に流入する際の損失（分岐損失）を低減することができ、空気噴射に必要な動力が低減できる。

また、キャビティ溝８０は、本実施形態のように断面を円形とし、円形の一部に吹き出し口となる開口がある形状とすることが好ましいが、これに限定されない。キャビティ溝８０は、進行方向前側の面に、キャビティ溝８０に流入した空気を吹き出し口で進行方向前側から後ろ側にながれる向きに変換する湾曲面があればよい。つまり、キャビティ溝８０は、進行方向後ろ側の面が曲面以外の形状でもよい。

図６は、他の実施形態の摩擦低減装置の部分拡大断面図である。図６に示す空気吹き出し部４２ａは、複数のキャビティ溝８０と、ヘッダ部８２と、空気供給配管８４と、含む。以下、空気吹き出し部４２ａに特有の点を説明する。空気吹き出し部４２ａは、空気供給配管８４のヘッダ部８２との接続側の端部で、かつ、進行方向後ろ側（船尾側）の面に曲面部１０２が形成される。曲面１０２は、進行方向前側（船主側）に凸となるＲ形状である。

空気吹き出し部４２ａは、空気供給配管８４のヘッダ部８２との接続側の端部で、かつ、進行方向後ろ側（船尾側）の面に曲面１０２を設けることで、ヘッダ部８０から空気供給配管８４へ流入する空気が、進行方向前側に傾いた状態で流入する。これにより、キャビティ溝８０に流入した空気が、キャビティ溝８０の進行方向前側の湾曲面８６に沿って回転する流れをより適切に形成することができる。これにより、抵抗低減の効果をより高くし、かつ、動力の低下の効果を高くすることができ、摩擦の低減効果を高くすることができる。

図７は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。図８は、図７の部分拡大断面図である。図７及び図８に摩擦低減装置の示す空気吹き出し部４２ａは、複数のキャビティ溝８０と、ヘッダ部８２と、空気供給配管８４ｂと、含む。以下、空気吹き出し部４２ｂに特有の点を説明する。空気吹き出し部４２ｂは、ヘッダ部８２ｂに断面積調整部１１２が配置される。断面積調整部１１２は、ヘッダ部８２ｂの空気供給配管８４との接続部とは反対側の面に配置される。断面積調整部１１２は、船長方向のほぼ全域に配置され、進行方向後ろ側から進行方向前側に向かうにしたがって、厚みが厚くなる形状である。これにより、ヘッダ部８２ｂは、進行方向後ろ側から進行方向前側に向かうにしたがって、高さが短くなり断面積が減少する。これにより、図８に示す所定の位置のヘッダ部８２ｂの高さ１２０が、高さ１２０の位置よりも進行方向前側の位置のヘッダ部８２ｂの高さ１２２よりも高くなる。

空気吹き出し部４２ｂは、断面積調整部１１２を設けることで、ヘッダ部８２ｂの端部での流速の減少を低減することができる。これにより、母管内の流れ方向の静圧分布をさらに均一化（一様化）でき、ヘッダ部８２ｂとキャビティ溝８０との静圧差を均一化できる。これにより、各キャビティ溝８０から流出される空気の量を均一化できる。

図９は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。図１０は、図９の部分拡大断面図である。図９及び図１０に摩擦低減装置の示す空気吹き出し部４２ｃは、複数のキャビティ溝８０と、ヘッダ部８２と、空気供給配管８４ｃと、含む。以下、空気吹き出し部４２ｃに特有の点を説明する。空気吹き出し部４２ｃは、ヘッダ部８２ｃに断面積調整部１１２ｃが配置される。断面積調整部１１２ｃは、ヘッダ部８２ｃの空気供給配管８４との接続部側の面に配置される。断面積調整部１１２ｃは、船長方向のほぼ全域に配置され、進行方向後ろ側から進行方向前側に向かうにしたがって、突出量が大きくなる形状である。これにより、図１０に示す所定の位置の断面積調整部１１２ｃの突出量１３０が、突出量１３０の位置よりも進行方向前側の位置の断面積調整部１１２ｃの突出量１３２よりも短くなる。空気供給配管８４は、断面積調整部１１２ｃの突出量に合わせて長くなる。これにより、ヘッダ部８２ｃは、進行方向後ろ側から進行方向前側に向かうにしたがって、高さが短くなり断面積が減少する。

空気吹き出し部４２ｃのように、空気供給配管８４側に断面積調整部１１２ｃを設けることでも、ヘッダ部８２ｂの端部での流速の減少を低減することができる。これにより、母管内の流れ方向の静圧分布をさらに均一化（一様化）でき、ヘッダ部８２ｂとキャビティ溝８０との静圧差を均一化できる。これにより、各キャビティ溝８０から流出される空気の量を均一化できる。また、空気供給配管８４の入口の突出量が徐々に大きくなるため、空気供給配管８４の進行方向前側の面がヘッダ部８４ｃに露出し、ヘッダ部８４ｃに対してスクープ状となる。これにより空気供給配管８４にはヘッダ部８４ｃの流速に応じた動圧エネルギーを持った流れが流入することができ、キャビティ溝８０に空気を供給するための必要動力を低減することができる。

図１１は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。図１２は、図１１の部分拡大断面図である。図１１及び図１２に摩擦低減装置の示す空気吹き出し部４２ｄは、複数のキャビティ溝８０と、ヘッダ部８２と、空気供給配管８４と、含む。以下、空気吹き出し部４２ｄに特有の点を説明する。空気吹き出し部４２ｄは、ヘッダ部８２ｂに断面積調整部１１２ｄが配置される。断面積調整部１１２ｄは、ヘッダ部８２ｄの空気供給配管８４との接続部とは反対側の面に配置される。断面積調整部１１２ｄは、船長方向のほぼ全域に配置され、ヘッダ部８４ｄの厚み（高さ）が一定になるように厚みが調整された形状である。これにより、ヘッダ部８２ｂは、進行方向後ろ側から進行方向前側に向かうにしたがって、高さが変化せず、断面積が一定である。これにより、図１２に示す所定の位置のヘッダ部８２ｄの高さ１４０が、高さ１４０の位置よりも進行方向前側の位置のヘッダ部８２ｄの高さ１４２と同じ高さとなる。また、空気供給配管８４は、進行方向の位置によらず、長さが一定となる。つまり、空気供給配管８４は、隣接する空気供給配管８４と長さが同じである。

空気吹き出し部４２ｄは、空気供給配管８４の長さを一定とすることで、空気供給配管８４の流動損失を同等とすることができる。これにより、空気供給配管８４に流入する空気量を均等化することができ、筒体６０の均等な空気膜を形成することができる。また、ヘッダ部８０ｄの高さを一定とすることで、より圧力を均等にすることができる。

図１３は、他の実施形態の摩擦低減装置の断面図である。図１４は、図１３の部分拡大断面図である。図１３及び図１４に摩擦低減装置の示す空気吹き出し部４２ｅは、複数のキャビティ溝８０と、ヘッダ部８２と、複数の空気供給配管８４ｅと、含む。以下、空気吹き出し部４２ｅに特有の点を説明する。空気吹き出し部４２ｅは、円筒形状の筒部６０の外周側の面と内周側の面の両方に、複数のキャビティ溝８０が形成される。ヘッダ部８２は、筒部６０の厚み方向の中央に配置される。空気供給配管８４ｅは、ヘッダ部８２と、円筒形状の筒部６０の外周側の面に形成されたキャビティ溝８０または、内周側の面に形成されたキャビティ溝８０とを接続する。

空気吹き出し部４２ｅは、筒部６０の対向する２つの面（内周面と外周面）の両方に複数のキャビティ溝８０を形成することで、筒部６０の対向する２つの面の両方に空気の膜を形成することができる。これにより、筒部６０の摩擦低減効果をより高くすることができる。

１０ 船体
１１ 船首
１２ 船尾
１３ 船底
１４ 左舷（船側）
１５ 右舷（船側）
１９ プロペラ
２１ 空気供給機器室
２７ 船底外板
２８，２９ 船側外板
３１ 摩擦低減装置
３２ 空気供給装置
３３ エアクーラ
３４ 通風筒
３５ 空気吸い込み口
３６，３７ 空気吹き出し部
３８ 海水取入部
３９ ポンプ
４１ 気体室
４２ 空気吹き出し部
５０ 配管
５２ ポンプ
５４ 案内構造物
６０ 筒部
６２ 筒部
８０ キャビティ溝
８２ ヘッダ部（母管）
８４ 空気供給配管
８６ 湾曲面
１０２ 曲面部
１１２ 断面積調整部
Ｘ 船長方向
Ｙ 船幅方向
Ｚ 船高方向

Claims (6)

1. 水に接して航行する航行体の摩擦低減装置であって、
   航行体の表面に開口する複数のキャビディ溝と、
   前記キャビディ溝のそれぞれに接続され、前記キャビディ溝に空気を供給する空気供給配管と、
   前記空気供給配管に接続し、前記空気供給配管に空気を供給するヘッダ部と、を有し、
   前記複数のキャビディ溝は、前記航行体の進行方向に沿って、列状に配置され、
   前記キャビディ溝は、前記航行体の進行方向に直交する走行が長手方向となり、前記航行体の進行方向の上流側の面に、前記航行体の進行方向に凸となる湾曲面を有し、前記開口から空気を前記湾曲部に沿って流通させ、前記航行体の進行方向の下流に向けて噴射する摩擦低減装置。
2. 前記空気供給配管は、前記ヘッダ部から前記キャビティ溝に向かうにしたがって、前記ヘッダ部の延在方向に直交する方向に対して前記航行体の進行方向の上流側に移動する方向に傾斜している請求項１に記載の摩擦低減装置。
3. 前記空気供給配管は、前記航行体の進行方向において、前記キャビディ溝の中央よりも上流側に接続する請求項１または請求項２に記載の摩擦低減装置。
4. 前記ヘッダ部は、前記航行体の進行方向の下流側に向かって、断面積が減少する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の摩擦低減装置。
5. 前記空気供給配管は、隣接する空気供給管と長さが同じである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の摩擦低減装置。
6. 前記複数のキャビディ溝は、複数の面が水中に配置された位置に形成され、前記複数の面の両方に開口する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の摩擦低減装置。

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