JP3243483B2 - ウォータージェット推進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は吸入した水をインペ
ラによって加速して、船の進行後方へ噴出し、その反動
で船体を推進させるウォータージェット推進機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のウォータージェット推進機として
は図１に示すようなものがあり、船底の取水口３から後
方へ昇傾斜して船尾部後端の水噴射口４に至るウォータ
ージェット噴出用ダクト５が設けられていて、同ダクト
５の後部内には、インペラ８が配設されている。

【０００３】なおインペラ８は駆動軸６を介して、原動
機７に連結されている。またインペラ８よりも後方には
静翼９が設けられている。したがって、原動機７により
インペラ８を回転させることにより、取水口１３から、
同ダクト５内へ水が吸入されて、水噴射口４から高速の
水噴流が噴出されるため、その反作用により船が推進さ
れるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のウォータージェット推進機では、水の抵抗に
逆らって船体を水中で噴流によって推進させるために、
大容量の海水ポンプインペラによって水を吸い込ませ、
その水を船内でより高い吐出圧力を加えるためにインペ
ラを高速回転させる動力源に燃焼ガスタービンを使用す
るが、これによると、ガス圧を高くすることに限界があ
り、より高速化は望めない。たとえインペラ８の回転が
速くなったとしても、インペラの裏面に生じるキャビテ
ーション（空洞現象）の発生に伴って推進効率は低下し
て水の運動エネルギーの値をより大きくすることに限界
がある。これがために大型船舶（例えば商船、タンカ
ー、航空母艦等）には、未だに採用されず、依然として
スクリュープロペラに依存して、ジェット化による高速
化から取り残されている。又、ウォータージェット推進
の船舶は、建造の段階から船底の取水口を組み込む構造
のため、建造費が一般船より割高となるとともに、船
体、船室への影響も避けられない。従って既存のスクリ
ュープロペラ船をウォータージェット化するなどは、ド
ックで大ががりな改造工事となり、現実には行なわれて
いない。多くの船舶が大量輸送機関として大きな利点を
有しながら、ジェット化された大型航空機に高速輸送で
大きく遅れを取るという問題点を生じている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる問題点を
解決しようとするもので、限界ある燃焼ガス圧とキャビ
テーションの不可避な機械的回転に噴流加速の多くを依
存しない質量増加と一体化した熱効率の高い加速媒体手
段で構成したウォータージェット推進機を提供すること
を目的とし、その手段として、水、水蒸気、空気の噴射
口を自々最適位置決めにおいて配設し、各流体の特質を
効果的に利用して、上記３流体とインペラとの組合せの
中に新たに見い出した流体動熱力学によって、推力不足
の問題を解決するとともに、ウォータージェット推進機
を船体構造から船外に懸垂して単体構成とし、船体本体
からは駆動流体を供給するのみで駆動可能なウォーター
ジェット推進機を提供しようとするものである。

【０００６】そこで本発明のウォータージェット推進機
は、選択可能な加圧気体供給源からの気体で駆動するタ
ービンと該タービンの同軸上に連結するインペラの回転
で吸入する水の流路と、この流路の下流開口端に設けた
水噴射口と、この水噴射口の外周に同心状に設けた第１
気体噴射口と、前記水噴射口の中心軸上及び軸周上の一
方又は双方に第２気体噴射口を設けたものに於て、ター
ビンを駆動した気体が、前記選択可能な加圧気体供給源
に凝縮環流するか又は、前記水の流路に排出凝縮する構
成としたことを特徴とする。

【０００７】また、本発明のウォータージェット推進機
は、上記発明に係るウォータージェット推進機と同様に
構成されるとともに、上記第１気体噴射口と第２気体噴
射口が水蒸気と空気を混合噴射又は、各々を単独噴射す
る構成としたことを特徴とする。

【０００８】また本発明に係るウォータージェット推進
機は最上記発明に係るウォータージェット推進機と同様
に構成されるとともに上記第１気体噴射口が加圧空気と
大気を切り替え自在で噴射する構成としたことを特徴と
する。

【０００９】また本発明に係るウォータージェット推進
機は、最上記発明に係るウォータージェット推進機と同
様に構成されるとともに上記第３気体供給管、環流管、
第２気体供給管、第１気体供給管を内蔵するウォーター
ジェット推進機の懸垂円筒管の回転が、水の噴射方向を
可変自在とする構成としたことを特徴とする。

【００１０】また本発明に係るウォータージェット推進
機は最上記発明に係るウォータージェット推進機と同様
に構成されるとともに上記タービンの同軸上に発電機が
連結する構成としたことを特徴とする。

【００１１】また本発明に係るウォータージェット推進
機は、最上記発明に係るウォータージェット推進機と同
様に構成されるとともに上記第２外筒を設けた構成とし
たことを特徴とする。

【００１２】また本発明に係るウォータージェット推進
機は最上記発明に係るウォータージェット推進機と同様
に構成されるとともに、上記タービンを駆動する気体が
水より低沸点の液体（例えばフロン、アルコール等）の
気化からなる構成としたことを特徴とする。

【００１３】また本発明に係るウォータージェット推進
機は最上記発明に係るウォータージェット推進機と同様
に構成されるとともに、上記吐出口近傍から後部傾斜上
壁を設けた構成としたことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】選択可能な加圧気体供給源の一つ
水蒸気供給源が稼働すると水蒸気がタービンを駆動し
て、インペラを回転させ、水を吸入加圧して加速し、さ
らにその水流の中心軸部分に超音速の水蒸気噴射を受け
て水噴射口から噴出する。噴出した水噴流は、さらに選
択可能な加圧気体供給源の一つ圧縮空気供給源が供給す
る高速で突走するジェット気流のトンネルに突入し、吐
出口から噴出する。従って、最も効果的な中心軸部分に
噴射された水蒸気は、その超音速の運動量で水流を加速
すると共に凝縮して水流の質量に加わり、水流はさらに
水噴射口ノズル効果で加速を受け噴出する。噴出した水
噴流は引き続きジェット気流に囲繞されて突走するの
で、外筒の内壁に直接触れないため、その速度エネルギ
ーを保持したまま吐出口から水中に噴出する。水中に於
てもジェット気流が水噴流を囲繞保護して水中での突走
で生じる摩擦抵抗を減らす粘性緩和剤として作用し、水
噴流の運動エネルギーを継続して保護する。その結果生
じる反動推力は増大する。タービンを駆動した水蒸気
は、凝縮機を経て、ポンプにより水蒸気供給源に環流す
るクローズドサイクルを形成するか、又は、水の流路に
排出して、水を加速しつつ凝縮する。従って、水蒸気に
よるタービンの駆動は、減速機等の介在を不要とし、水
蒸気による水流の加速は、インペラのキャビテーション
による限界を無関係なものとする。その上でジェット気
流が運動エネルギーの保護維持に大きな効果を生むこと
になる。

【００１５】また、本発明に係るウォータージェット推
進機においては、第１気体噴射口と第２気体噴射口から
空気と水蒸気を混合して噴射すると水蒸気の熱が空気を
膨張させ、その膨張が水噴流をさらに加速する。また空
気に代えて、水蒸気のみを噴射すれば、水噴流の中心軸
と外周からの両方から凝縮加速が可能となる。また第２
気体噴射口から水蒸気に空気を混合して噴射すると、水
噴射口の入口のテーパ形成部で生じる水の移動流入の競
合抵抗（動粘性）を緩和する水の移動潤滑油として作用
する。また吐出口を閉塞して噴射すれば、開口に向って
逆流し、ウォータージェット推進機内の付着物を排出又
は熱死させる。

【００１６】また本発明に係るウォータージェット推進
機においては、第１気体噴射口がバルブの切替えで大気
に連通し、水噴射によって第１気体噴射口に通じる気体
流路が負圧になると大気が吸入され、船の減速段階で、
圧縮空気供給源を停止した場合にあっても同様の代替的
効果を生む。

【００１７】また本発明に係るウォータージェット推進
機においては、ウォータージェット推進機の懸垂円筒管
を動力装置で回転すると吐出口の吐出方向を３６０度自
由に選択するので船の方向舵として機能する。

【００１８】また本発明に係るウォータージェット推進
機においては、タービンの同軸上に発電機が連結される
ので、船の航行中に、同時に発電を可能とする。

【００１９】また本発明に係るウォータージェット推進
機においては、クローズド・サイクルの場合はタービン
を駆動する気体が水より低沸点の液体（例えばフロン、
アルコール等）を気化して駆動すれば、熱効率、凝縮効
率を有効なものとする。

【００２０】また本発明に係るウォータージェット推進
機においては、懸垂円筒管に固定して第２外筒を設け、
この外筒内に同心状にウォータージェット推進機を装置
することによって、第２外筒内の水を加速して水流を発
生するので、後部傾斜上壁による推力変換効率を増大す
る。

【００２１】また本発明に係るウォータージェット推進
機においては、吐出口近傍に設けた後部傾斜上壁が、吐
出口から噴出する水噴流を囲繞するジェット気流の気泡
の膨張と浮力及び運動エネルギーと水噴流がもたらす周
囲の水の加速で生じる流れの力を効果的な角度で直接受
けとめて、推力に変換する。

【００２２】

【実施例】図２は本発明のウォータージェット推進機１
であって水蒸気圧と空気圧によってその推力を増大発生
させるようにしたものであり、水蒸気及びその他の気体
を供給するための第３気体供給管２と同様の環流管２３
及び第２気体供給管３１及び第１気体供給管２４を内蔵
する懸垂円筒管３に固定され、懸垂円筒管３の他端は船
体４に設けた動力装置（図示省略）で駆動できるように
液密に回転自在に船体４の接続部４´に連結され、第３
気体供給管２は一方は選択可能な加圧気体供給源５に接
続し、他端は蒸気貯留部６に接続され、接続部４´で回
転自在に、気密に連結されている。ウォータージェット
推進機１のケーシング７は長円筒形の形状を持ち、この
ケーシング７はその軸線方向を船体４の進行方向に合わ
せて船体４に懸垂されている。ケーシング７の先端部に
は開口８及び後端部には水噴射口９をそれぞれ設け、開
口８から取水した水を加圧した後に水噴射口９から噴出
させる。なお開口８には異物の流入を防ぐための網目状
のスクリーン１０を設ける。ケーシング７の内部には、
同軸上にコーン１１を支持柱１３、１７´で固定し、こ
のコーン１１とケーシング７の内壁との間に環状断面の
水の流路１２を形成する。またコーン１１の外周には、
流れのガイドのための静翼１４を設け、コーン１１には
推力発生用のインペラ１５を組み込む。このインペラ１
５は軸流型であり、後部側に突き出したタービン１６を
コーン１１に設けた軸受け１７によって支持されてい
る。

【００２３】コーン１１の後端側には、吐出口３０に対
向する面を開放させた円形断面の高圧蒸気貯留部１８及
びその出口となる第２気体噴射口２７を設ける。この高
圧蒸気貯留部１８に高圧蒸気を供給するための第２気体
供給管が接続され、他端は選択可能な加圧気体供給源に
通じている。インペラ１５が連結するタービン１６の後
部には、円形断面のチャンバー１９を設け、タービン１
６の後端は、このチャンバー１９の後端の壁３３に軸受
され、チャンバー１９内のタービン１６には、高圧ター
ビンブレード２０及び低圧タービンブレード２１をチャ
ンバー１９と同軸に固定している。またこの低圧タービ
ンブレード２１の後端部には、蒸気を排出するための高
圧蒸気貯留部１８の外壁と水の流路１２の外壁との間に
設けた環流管２３が支持柱１７´内を通って懸垂円筒管
３の接続部４´に通じ、この接続部４´は水平方向に回
転自在に気密に接続され、船体４の凝縮機２５、ポンプ
（図示省略）を経て選択可能な加圧気体供給源５に連通
するクローズド・サイクルを形成している。また支持柱
１７´内の環流管２３には、電磁弁２６が設けられ、水
の流路１２の下流側に水蒸気を排出するための排出口２
７´が開閉できるようになっている。このため、さらに
電磁弁２６´が接続部４´に至る途中にも設けられクロ
ーズド・サイクルを解消できるようになっている。水噴
射口９の外周には、同心状に外筒２８を設け、この外筒
２８の内壁と水噴射口９の外壁との間に気体流路２９´
を構成しその開口端を第１気体噴射口２９とする。ま
た、外筒２８を水噴射口９よりも一定距離延長して設
け、その開口端を吐出口３０とする。また気体流路２９
´に気体を供給するための第１気体供給管２４が環状連
通部３２に接続され、他端は懸垂円筒管３の接続部４´
に水平方向に回転自在に気密に接続されて、船体４の選
択可能な加圧気体供給源５に連通している。

【００２４】また第１気体供給管２４には、途中から枝
管３４がバルブ３５を介して設けられ、バルブを開くと
選択可能な加圧気体供給源５からの管路は閉ざされ、大
気に通じる切り替えを行う。加圧気体供給源５が選択可
能なので、例えば空気又は水蒸気を単独に、又空気と水
蒸気を混合流体として供給することもできる。吐出口３
０には、船体側から操作するアクチュエーター又は、タ
ーボファンモーター等の駆動源３６によって作動するフ
ラップシャッター３７が設けられ、吐出口３０を閉塞す
ることができる。またタービン１６の同軸上に発電機を
連結（図示省略）する構成も可能である。また懸垂円筒
管３に固定した第２外筒３８を設け、その中心軸上にウ
ォータージェット推進機１を装置したり、吐出口３０の
近傍から後部傾斜上壁４０を設けることもできる。

【００２５】以上の構成において選択可能な加圧気体供
給源５から水蒸気を第３気体供給管２を通じて蒸気貯留
部６に供給するとその出口２２からチャンバー１９に噴
出して、タービン１６が高速回転して、インペラ１５の
回転によって、開口８から流入する水は、吸引昇圧され
ケーシング７内の水の流路１２を流れる。チャンバー１
９でタービン１６を駆動した水蒸気は、後端の環流管２
３に流れ、この環流管２３は支持柱１７´内を通って懸
垂円筒管３内に入り、接続部４´を経て船体４内の凝縮
機２５に至り、ポンプ（図示省略）を通って加圧気体供
給源５に連通している。従って水蒸気は水となって供給
源に環流する。ケーシング７内の水の流路１２を流れる
水は水噴射口９の手前で第２気体噴射口２７から噴出す
る超音速の水蒸気噴射を受けて、一段と加速され、水噴
射口９のノズル効果で更に加速が加わって外筒２８内に
噴出する。外筒２８は第１気体供給管２９から環状連通
部３２に送り込まれた加圧空気が同心状に設けられた第
１気体噴射口２９から噴出して、水噴射口９からの水噴
流と平行な環状噴流を形成して、水噴流を囲繞しつつ突
走する。水噴流はジェット気流の速度エネルギーに保護
されてその速度を降すことなく維持して、吐出口３０か
ら水中に吐出する。ジェット気流の速度が高速であるほ
ど、水噴流のガードは強固なため、水中に於ける動粘性
の摩擦抵抗の潤滑油として、水噴流の運動エネルギーを
保護するように働く。

【００２６】またバルブ３５を開いて第１気体供給管を
大気に連通すれば、水噴流によって気体流路２９´が負
圧を生じ、大気が流入する。加圧空気と大気の使い分け
は、船が減速段階に至ると次の様な操作を行うことがで
きる。即ち 水蒸気の段階的噴出圧力の低下。 加圧空気の噴射停止の代りに大気の導入。 水噴射口９を出た水噴射流の直径拡大を防ぎつつ、水中
摩擦の緩和を補助的に維持することができる。又後部傾
斜上壁４０の効果を有効にする場合も、大気の導入がエ
アリフト効果と気泡の浮力を発生して条件をととのえ
る。 バルブ３５を閉じると水噴射口９からの水噴流は吐出
口３０の口径一杯に拡大して船速は減速される。 タービンの段階的減速及び停止によって、船は停止に
至る。 これら〜はかならずしも、この順序で行う必要はな
く、自由な組合せ、あるいは単独駆動としてもよく、用
途によって自由な選択もよい。例えば停船状態におい
て、ウォータージェット推進機１は水中下に長期間没し
ていると、ケーシング７の内部に水中生物等が付着して
汚損による摩擦抵抗の原因となる。そこで吐出口３０に
設けたフラップシャッター３７で吐出口３０を閉塞す
る。そこで第１気体噴射口２９から加圧空気を噴出する
と、気泡が水をかくはんしつつ付着生物をはく離して、
水と共に開口８から排出する。同時にスクリーン１０に
付着した異物も離脱させる。また第２気体噴射口２７か
ら水蒸気を噴出すれば、その熱によって強固に付着した
生物を死滅させることもできる。又航海中にスクリーン
１０やケーシング７内に異物が付着したときは、ウォー
タージェット推進機１の稼働を停止して懸垂円筒管３を
１８０度反転すれば、なお慣性航行中の水の流れが吐出
口３０から開口８に向かって生じるので異物を流出させ
ることができる。吐出口３０を閉塞して空気と水蒸気を
同時に噴射すると共にインペラ１５を稼働すれば気泡と
熱水のかくはん流が生じて強度の洗じょう力をつくり出
すこともできる。また、これら洗じょう力以外にも、航
海中に第２気体噴射口２７´から水蒸気と共に加圧空気
を噴射すると、吐出口３０からは気液気の準三層流が形
成され、液流のみの場合に比して、さらに推力を増す。
即ち水の流路１２が水噴射口９への入口をテーパ状に形
成すると水自体の粘性による移動流入の場合の競合抵抗
（動粘性）が発生する。これを緩和するため、加圧され
た液体の鋼性（金属性）を損わぬ程度の空気を最も効果
的な水流の中心軸に注入することにより、水流移動の潤
滑油として作用するからである。

【００２７】また船の方向舵は懸垂円筒管３が船体４に
備えた動力装置（図示省略）によって接続部４´が回転
自在となっているため、水の噴射方向を３６０度無段階
に変更できるので定置回転・後進・徐行・平行移動等を
船側の両側に少なくとも各１基を備えたウォータージェ
ット推進機１の各々の噴射方向の調整によって可能とな
る。急ブレーキは１８０度回転させることによって効果
的に行うことができる。内蔵する第３気体供給管２、第
２気体供給管３１、環流管２３、第１気体供給管２４が
接続部４´で懸垂円筒管３に同期して回転するため、懸
垂円筒管３の回転は支障なく行なえる。また本ウォータ
ージェット推進機１はインペラ１５を駆動するタービン
１６を利用して同軸上に発電機をクラッチ（図示省略）
を介して接続すれば、航行中に同時に発電も行うことが
できる。クローズドサイクルに於ては、水蒸気の他にフ
ロン、アルコール等の低沸点の液体を気化して、選択可
能な加圧気体供給源５から供給してタービン１６を駆動
してもよい。クローズドサイクルでない場合は水蒸気で
タービン１６を駆動して、環流管２３に設けた電磁弁２
６´を閉じて、排出口２７´に設けた電磁弁２６を開き
排出口２７´から水蒸気を排出凝縮させ、水の流路１２
を流れる水を加速することもできる。また吐出口３０か
ら噴出する水噴射流と気体の膨張及び浮力が周囲の水を
加速するので吐出口３０近傍から延在する後部傾斜上壁
４０がその流れの力を効果的な角度で直接受けとめて、
推力に変換することができる。また第２外筒３８の中心
軸にウォータージェット推進機１を装着すれば、第２外
筒３８内の水を加速して、水流を発生し、後部傾斜上壁
４０が受けとめる変換効率を高めることができる。

【００２８】

【発明の効果】上述の如く構成し、作動する本発明のウ
ォータージェット推進機は、限界ある燃焼ガス圧とキャ
ビテーションの不可避な機械的回転に水噴流加速の多く
を依存せず、水蒸気と空気の効果的利用によって大イン
ペラの低回転による低荷重から生れる周知の効率的大質
量と、最初に存在する熱エネルギーの事実上全ての保存
をなす水蒸気による凝縮加速と、空気による運動エネル
ギーの保存維持との組合せによって、Ｆ＝ρａｖ² （Ｆ
＝反動力、ρ＝密度、ａ＝流路面積、ｖ＝速度）で示さ
れる反動推力は極めて強大となり、又単体構造のため、
容易に船舶のウォータージェット推進化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のウォータージェット推進機を示す説明
図。

【図２】本発明のウォータージェット推進機を示す説明
図。

【符号の説明】

１ ウォータージェット推進機 ２ 第３気体供給管 ３ 懸垂円筒管 ４ 船体 ４´ 接続部 ５ 選択可能な加圧気体供給源 ６ 蒸気貯留部 ７ ケーシング ８ 開口 ９ 水噴射口 １０ スクリーン １１ コーン １２ 水の流路 １３ 支持柱 １４ 静翼 １５ インペラ １６ タービン １７ 軸受 １７´ 支持柱 １８ 高圧蒸気貯留部 １９ チャンバー ２０ 高圧タービンブレード ２１ 低圧タービンブレード ２２ 出口 ２３ 環流管 ２４ 第１気体供給管 ２５ 凝縮機 ２６ 電磁弁 ２６´ 電磁弁 ２７ 第２気体噴射口 ２７´ 排出口 ２８ 外筒 ２９ 第１気体噴射口 ２９´ 気体流路 ３０ 吐出口 ３１ 第２気体供給管 ３２ 環状連通部 ３３ 後端の壁 ３４ 枝管 ３５ バルブ ３６ 駆動源 ３７ フラップシャッター ３８ 第２外筒 ４０ 後部傾斜上壁

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 選択可能な加圧気体供給源からの気体で
   駆動するタービンと、該タービンの同軸上に連結するイ
   ンペラの回転で吸入する水の流路と、この流路の下流開
   口端に設けた水噴射口と、この水噴射口の外周に同心状
   に設けた第１気体噴射口と、該水噴射口の中心軸上及び
   軸周上の一方又は双方に第２気体噴射口を設けたものに
   於て、タービンを駆動した気体が、前記選択可能な加圧
   気体供給源に凝縮環流するか、又は前記水の流路に排出
   凝縮することを特徴とするウォータージェット推進機。
2. 【請求項２】 第１気体噴射口２９と第２気体噴射口２
   ７が水蒸気と空気を混合噴射又は各々を単独噴射するこ
   とを特徴とする特許請求項１に記載のウォータージェッ
   ト推進機。
3. 【請求項３】 第１気体噴射口２９が加圧気体と大気を
   切り替え自在で噴射することを特徴とする特許請求項２
   に記載のウォータージェット推進機。
4. 【請求項４】 第３気体供給管２、環流管２３、第２気
   体供給管３１、第１気体供給管２４を内蔵するウォータ
   ージェット推進機の懸垂円筒管３の回転が水の噴射方向
   を可変自在とすることを特徴とする特許請求項１に記載
   のウォータージェット推進機。
5. 【請求項５】 タービン１６の同軸上に発電機が連結す
   ることを特徴とする特許請求項１に記載のウォータージ
   ェット推進機。
6. 【請求項６】 第２外筒３８を設けたことを特徴とする
   特許請求項１に記載のウォータージェット推進機。
7. 【請求項７】 タービン１６を駆動する気体が水より低
   沸点の液体（例えばフロン、アルコール等）の気化から
   なることを特徴とする特許請求項１に記載のウォーター
   ジェット推進機。
8. 【請求項８】 吐出口３０近傍から後部傾斜上壁４０を
   設けたことを特徴とする特許請求項１に記載のウォータ
   ージェット推進機。