JP3668947B2 - 船尾端部整流装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の省エネのための抵抗の低減が可能な船尾部分の整流装置に関する。

船尾端付近での急激な流れの変化に基づき、船尾端後方に波や乱れた流れが発生し、船体に対しては造波抵抗となって作用する。こうした抵抗を低減するための改善策の一例として、船尾へのバルブの取り付けが試みられており、効果が得られている。理論的な裏付けとして、非特許文献１があり、特許例として、特許文献１がある。
Ｈ．Ｍｉｙａｔａ， Ｙ．Ｔｓｕｃｈｉｙａ ａｎｄ Ｔ．Ｉｎｕｉ 著 「 Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｓｔｅｒｎ−ｅｎｄ−ｂｕｌｂ」日本造船学会論文集１４８号 特開昭５５−８３６７７号公報

船体形状に特徴を持たせて船尾造波抵抗を減少しようとした特許例として、特許文献２および特許文献３がる。
特開平０６−３４４９７３号公報 特開２００２−１５４４７５号公報 一方で、船体周りの流れの改善をするために各種の整流フィンの取り付けが試みられており、フルード数が０．２未満の低速域で航行する船舶を対象に形状抵抗の低減を図っている特許例として、特許文献４および特許文献５がある。 特開平０６−２９８１５８号公報 特開平０８−１７５４７８号公報

また、滑走艇やこれに近い高速で航行する船舶は、船尾にトリムタブや整流フィンを取り付け、船体姿勢や船尾後方への流れを改善しようとする特許例として、特許文献６がある。
特開平０９−２５４８７９号公報

しかし、フルード数が０．２から０．４の範囲での船首トリムとなる航走姿勢で航行する船舶における船尾船底に取り付ける整流装置では、局所的な流れの変更には成功する例もあるが、抵抗低減効果を得られるものは見あたらない。

これは、こうした速度域の船尾付近の整流では、自由表面を考慮しない一様流れの中での整流では不十分であり、自由表面流を考慮した整流が必要であること、また、船体が船尾トリムで航走する滑走艇などの高速船とは、船尾流場のメカニズムが異なることによる。

本発明が解決しようとする課題は、従来の技術では適用に限界のあった、フルード数０．２以上０．４以下を航海速力とする船舶における船尾付近の流れの乱れによる造波抵抗を低減するために、船尾後方の水面において速度の不連続線を発生させる流れを整流し、船尾端から後方へ船底に沿う流れのスムーズな離脱を可能にし、自由表面付近の乱れた流れの発生に基づく抵抗を削減しようとするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、船尾端船底部において、船尾端後方への船底に沿う流れを整えるために、船底から船尾端にかけて船体外板の一部を覆うように設置され、船底面に沿う流れが装置面上の流れとして流入する前縁、装置面上の流れを一定長さの範囲で保持する側縁、ならびに、装置面上の流れを船体後方へ流出する後縁を有し、装置の前縁の全てと側縁の一部は船底外板と接し、装置の船尾端より後方へ突出する部分の長さは船尾端位置での装置の左右の側縁間の距離の３０％以下とし、装置の最前端から最後端までの長さは船尾端位置での装置の左右の側縁間の距離の１００％以上かつ１５０％以下とし、装置中心線から船尾端位置での装置の左右の側縁間の距離の１／４離れて装置中心線に平行な鉛直面と、装置前縁および装置底面の船尾端位置での断面形状線とのそれぞれの交点での計画喫水線からの深さ方向距離の差は、装置中心線上の船尾端位置での装置底面と船底との間の距離の２０％以下とし、装置前端から装置の前端と後端との間の距離の１／２後方位置で前縁を通過する装置中心線に平行な鉛直面と、装置前縁および装置後縁とのそれぞれの交点での計画喫水線からの深さ方向距離の差は、装置中心線上の船尾端位置での装置底面と船底との間の距離の２０％以下とすることを特徴とするものである。

船尾端船底部において、船底から船尾端後方へ沿った流れの整流をはかるために、船底から船尾端にかけて船体外板の一部を覆うように設置される装置で整流するものである。

船底面に沿う流れを装置面上の流れとして流入する前縁、装置面上の流れを一定長さの範囲で保持する側縁、ならびに、装置面上の流れを船体後方へ流出する後縁を有し、船底面に沿う流れの装置面へのスムーズな流入、装置面上での安定した流れ、装置面からのスムーズに離脱した流れを作り出す。

装置の前縁の全てと側縁の一部は船底外板と接することで、船底面の流れと装置面上の流れの連続性を保つ。

装置の船尾端より後方より突出する部分の長さは船尾端船底部での装置の左右の側縁間の幅の３０％以下とすることで、船尾端後方での接水面の増加に基づく抵抗の増加を押さえ、装置の最前端から最後端までの長さは船尾端船底部での装置の左右の側縁間の幅の１００％以上かつ１５０％以下とすることにより、整流対象とする船底面の流れの束の幅方向の量と整流するための加速時間を関係付けている。

装置中心線から船尾端船底部での装置の左右の側縁間の幅の１／４離れて装置中心線と平行な鉛直面と、装置前縁および船尾端船底部での装置の底面に作られる線とのそれぞれの交点での計画喫水線からの深さ方向距離の差が、装置中心線上の船尾端位置での装置底面と船底との間の距離の２０％以下とすることにより、整流装置面での主要な流れが水面に平行に近い流れで、装置面上での位置の違いに基づく速度ベクトルの変化が小さい流れとなるように制御している。

装置の前端から後端までの長さの１／２の位置で装置中心線と平行な鉛直面と、装置の前縁および装置の後縁とのそれぞれの交点での計画喫水線からの深さ方向距離の差が、装置中心線上の船尾端位置での装置底面と船底との間の距離の２０％以下とすることで、装置の側縁に沿う装置後半部の流れを制御し、整流装置上で安定した流れを作り出している。

図３および図４は課題解決のための手段による作用を説明するための図である。

図３および図４は船底に沿う流れの加速度変化図であり、横軸に船体の長手方向の座標ｘをとり、原点がミッドシップ、ｘ１が整流装置の前端位置、ｘ２が船尾端位置、ｘ３が整流装置の後端位置を示している。縦軸は船底に沿う流れの加速度ａを示している。

ｙ＝ｙ１は、整流装置を取り付ける中心線付近のバトックライン、ｙ＝ｙ２は整流装置の側縁付近のバトックライン、ｙ＝ｙ３は整流装置側縁から装置の中心線方向とは逆方向に離れた位置でのバトックラインをそれぞれ示している。

図３は、整流装置を取り付けていない状態での加速度変化図であり、３本のバトックライン上の加速度の変化を見ると、船尾端で３本のバトックライン上で速度の不連続な様子が現れており、ｙ＝ｙ１およびｙ＝ｙ２では、船尾端において加速度の絶対値が大きく、船尾端からの流れがスムーズに離脱出来ない状態にあることが分る。

図４は整流装置を取り付けた状態での加速度変化図であり、整流装置を付けることにより、船底に沿う流れの船尾端後方への離脱点を後方にシフトし、離脱前の加速度の絶対値の大きさを小さくするとともに、整流装置の整流作用によりｙ＝ｙ１とｙ＝ｙ２での流れの加速度の差を小さくしている。

先に示した整流装置の形状の特徴は、こうした作用を実現するためのポイントとして押さえたものである。

請求項２の発明は、船尾端船底部において、船底から船尾端後方へ沿った流れの整流をはかるために、請求項１の発明である装置と同一形状となる部分を有する船体外板で整流するものである。

請求項３の発明は、船尾端船底部において、船底から船尾端後方へ沿った流れの整流をはかるために、請求項１の発明である装置と同一形状となる部分を有する抵抗低減とは別の用途を持った船尾部付加構造物で整流するものである。

本発明の適用により、船尾の流れが整流され、船体に働く抵抗が低減される。その結果、船舶航行時の省エネが図れる。本発明は、従来の船型に装備できる形状の装置であり、既に建造され航行している船舶に対しても適用が可能である。また、船舶の用途に応じて必要な構造物を船尾へ付加するときに、構造物の付加に併せて流体抵抗の低減も図れる。

抵抗の大きさを判断することが可能なものとして、水面上に現れる速度の不連続線を用い、発明の効果を示す。

図５は船底側から見た水面の流れを示したものであり、整流装置の付いていない造波抵抗の大きな船では、船尾後端から後方へ大きく広がった速度の不連続線２０が見られる。このような速度の不連続線の発生には船底に沿う流れの速度分布が大きく関係する。

図６に本発明による整流装置を取り付けた状態での水面上に現れる速度の不連続線を示す。

図６は船底側から見た水面の流れを示したものであり、整流装置を付けて船尾流れを改善した船では、図５で見られた船尾後端から後方へ大きく広がった速度の不連続線２０が消え、船尾後方へ直線的にのびる速度の不連続線２１が見られる。このような速度の不連続線の形の変化は、船底に沿う流れの速度分布が船体抵抗を小さくする好ましい方向に変化したことを示している。

発明を実施するための最良の形態は、適用する個別の船舶に対して発明の内容に依存する寸法および形状を決定し、直接装置に反映することである。

図１に請求項１の発明の実施の形態として装置の平面図の例を示す。

装置外形は装置５の中心線６に対して対称な形状で、装置は装置中心線を船体１の中心線と平行に設置する。船体１については、右舷側船側線が２、左舷側船側線が３、船尾端面が４である。

装置の船底側から見た平面輪郭形状は、船体中心線と垂直な直線形状の後縁８、船体中心線と平行な側縁９、ならびに、装置中心線上の装置の前端から斜め後方にのびて側縁とつながる前縁１０で構成される。

代表的な寸法としては、Ｌ１が船尾端船底部での装置の左右の側縁間の距離で装置の幅を表す。Ｌ２は装置の船尾端後方への突出長さ、Ｌ３が装置の前端から後端までの距離で装置の長さを表す。この例では前端基準線７と後縁８との間の距離である。

Ｌ１は装置の底面に沿う流れとして整流される範囲を表す装置の代表長さである。Ｌ２は装置の底面に沿う流れが装置から離れる船尾端後方の最適位置から決定される。Ｌ３は装置の底面で流れを整流するために必要な長さから決定される。本例では、Ｌ２／Ｌ１を２５％、Ｌ３／Ｌ１を１２５％としている。

装置の形状は船底部の形状を考慮して決定される。図１の中で、ＷＬ１は整流装置前縁と装置中心線から装置幅の１／４側方鉛直面との交点を通る船体の等深線、ＷＬ２は整流装置前縁と装置前端から装置長さ１／２後方鉛直面との交点を通る船体の等深線をそれぞれ示している。これらの等深線が装置の底面でとる形状により、整流装置の整流作用が表現できる。

ＷＬ１は整流される流れの主要な部分の作用を表すものである。本例では、等深線は装置の中心線と平行に船尾端位置までのびる形状にしており、前縁、ならびに、船尾端船底部での装置の底面と、装置中心線から船尾端船底部での装置の左右の側縁間の距離の１／４離れて装置中心線と平行な鉛直面とのそれぞれの交点での水面からの深さの差は船尾端位置での装置底面の船底からの深さの０％とし、整流装置面での主要な流れが水面と平行に近い流れとなるように制御している。

ＷＬ２は装置の側縁に沿う流れの性質を決める等深線である。本例では、等深線は装置後縁８までそのままのびる形であり、装置の前縁、ならびに、装置後縁と、装置の最前端から最後端までの長さの１／２の位置で装置中心線と平行な鉛直面とのそれぞれの交点での水面からの深さの差が船尾端位置での装置底面の船底からの深さの０％とし、装置の側縁に沿う装置後半部の流れを制御し、整流効果を高めている。

図２に請求項１の発明の実施の形態として装置の側面図の例を示す。

図２の中で、装置を取り付ける船体を１１、その甲板面を１２、船尾端面を１３、船底面を１４でそれぞれ示す。装置１５は図２に示すように船尾端と船底面の一部を覆うように取り付けられる。

また、図２の中で、装置１５の船尾端後方での上面、後端面および底面の各中心線を１６、１７および１８でそれぞれ示す。

装置の寸法に関して、Ｌ２は装置の船尾端後方突出長さ、Ｌ３は装置の全体長さ、Ｌ４は船尾端における装置の深さをそれぞれ示す。

装置の形状に関し、ＢＬ１は装置中心線から装置幅の１／４側方の装置底面のバトックラインを、ＢＬ２は整流装置前縁と装置前端から装置長さ１／２後方鉛直面との交点を通る装置底面のバトックラインをそれぞれ示す。

Ｌ５はＢＬ１と装置前縁との交点の計画喫水線１９からの深さ方向距離、Ｌ６はＢＬ１と装置底面の船尾端位置での断面形状線との交点の計画喫水線１９からの深さ方向距離、Ｌ７はＢＬ２と装置前縁との交点の計画喫水線１９からの深さ方向距離、Ｌ８はＢＬ２と装置後縁との交点の計画喫水線１９からの深さ方向距離装置をそれぞれ示す。

本例では、装置上でＢＬ１は船尾後端まで計画喫水線に平行な直線、ＢＬ２は装置後端まで計画喫水線に平行な直線としている。

図７に請求項１の発明の別の実施の形態として装置の平面図の例を示す。

図７に示す実施例は、船体１に対して整流装置を複数個に取り付けたものである。本例では、右舷側整流装置２２と左舷側整流装置２３を間隔幅Ｌ９で平行に取り付けたものである。

船体形状の違いに基づく船底に沿う流れの様子によっては、整流装置の取り付け場所や取り付け個数を変更する必要があり、本例はその一例である。

図８に請求項１の発明の別の実施の形態として装置の側面図の例を示す。

図８に示す実施例は、船体１１に対して整流装置２４を取り付けたものである。本例では、実施例１と整流装置２４の底面形状２５は同一の形状であるが、後端面２６での鉛直な中心線の上端から下端までの距離を短くし、上面２７の中心線が水平線となす角度を大きくしたものである。

計画喫水線より上方の装置の形状は自由に取ることが可能である。本例はその一例である。

本発明は、新造船への装置製作と取り付け、既存船舶への装置製作と取り付け、舶用の各種装置へ適用しての組合せ利用における製作と船舶への取り付けなどにおいて利用可能になる。

本発明の実施例を示す装置の平面図である。 本発明の実施例を示す装置の側面図である。 本発明の原理の説明図である。 本発明の原理の説明図である。 本発明の効果の説明図である。 本発明の効果の説明図である。 本発明の他の実施例における装置の平面図である。 本発明の他の実施例における装置の側面図である。

符号の説明

１：船体
２：右舷船体側面
３：左舷船体側面
４：船尾端面
５：整流装置
６：整流装置中心線
７：整流装置前縁基準線
８：整流装置後縁
９：整流装置右舷側側縁
１０：整流装置右舷側前縁
１１：船体
１２：船体上甲板面
１３：船尾端面
１４：船尾底面
１５：整流装置
１６：整流装置上面
１７：整流装置後縁
１８：整流装置底縁
１９：船体の計画喫水線
２０：整流装置なし状態での船尾端後方の自由表面の速度の不連続線
２１：整流装置を取り付けた状態での船尾端後方の自由表面の速度の不連続線
２２：他の実施例における右舷側整流装置
２３：他の実施例における左舷側整流装置
２４：他の実施例における整流装置
２５：他の実施例における整流装置の底面
２６：他の実施例における整流装置の後端面
２７：他の実施例における整流装置の上面
Ｌ１：整流装置幅
Ｌ２：整流装置船尾端後方突出長
Ｌ３：整流装置長さ
Ｌ４：装置中心線上の船尾端位置での装置底面と船底との間の距離
Ｌ５：装置中心線から船尾端船底部での装置の左右の側縁間の距離の１／４離れて装置中心線に平行な鉛直面と、装置前縁との交点での計画喫水線からの深さ方向距離
Ｌ６：装置中心線から船尾端船底部での装置の左右の側縁間の距離の１／４離れて装置中心線に平行な鉛直面と、装置底面の船尾端位置での断面形状線との交点での計画喫水線からの深さ方向距離
Ｌ７：装置前端から装置の前端と後端との間の距離の１／２後方位置で前縁を通過する装置中心線に平行な鉛直面と、装置の前縁との交点での計画喫水線からの深さ方向距離
Ｌ８：装置前端から装置の前端と後端との間の距離の１／２後方位置で前縁を通過する装置中心線に平行な鉛直面と、装置の後縁との交点での計画喫水線からの深さ方向距離
Ｌ９：整流装置間間隔距離
ＷＬ１：整流装置前縁と装置中心線から装置幅の１／４側方の平行面との交点を通る等深線
ＷＬ２：整流装置前縁と装置前端から装置長さ１／２後方の鉛直面との交点を通る等深線
ＢＬ１：整流装置前縁と装置中心線から装置幅の１／４側方の平行面との交点を通るバトックライン
ＢＬ２：整流装置前縁と装置前端から装置長さ１／２後方の鉛直面との交点を通るバトックライン

Claims (3)

1. 船尾端船底部において、船尾端後方への船底に沿う流れを整えるために、流れの制御面を船底から船尾端にかけて船体外板の一部を覆うように設置し、流れの制御面は、制御面上へ流れを流入する前縁、制御面上の流れを一定長さの範囲で安定させる側縁、ならびに、制御面上の流れを船体後方へ流出する後縁を有し、流れの制御面の前縁の全てと側縁の一部は船底外板と接し、船尾端より前方での流れを整流するために、流れの制御面の船尾端より後方へ突出する部分の長さは船尾端位置での流れの制御面の左右の側縁間の距離で示す制御面幅の３０％以下とし、流れの深さ方向および幅方向の速度変化量を制限するために、流れの制御面の最前端から最後端までの距離で示す制御面長さは制御面幅の１００％以上かつ１５０％以下とし、制御面上の主たる流れを整流するために、流れの制御面中心線から制御面幅の１／４離れ、流れの制御面中心線に平行な鉛直断面において、制御面の前縁および船尾端位置での計画喫水線からの制御面の深さの差は、流れの制御面中心線上の船尾端位置での流れの制御面と船底との間の距離で示す制御面厚さの２０％以下とし、制御面上の境界域の流れを整流するために、流れの制御面中心線から制御面長さの１／２の位置離れ、流れの制御面中心線に平行な鉛直断面において、制御面前縁および制御面後縁での計画喫水線からの深さ方向距離の差は、制御面厚さの２０％以下とすることを特徴とする整流装置。
2. 船尾端船底部において、船尾端後方への船底に沿う流れを整えるために、流れの制御面を船底から船尾端にかけて船体外板の一部を覆うように設置し、流れの制御面は、制御面上へ流れを流入する前縁、制御面上の流れを一定長さの範囲で安定させる側縁、ならびに、制御面上の流れを船体後方へ流出する後縁を有し、流れの制御面の前縁の全てと側縁の一部は船底外板と接し、船尾端より前方での流れを整流するために、流れの制御面の船尾端より後方へ突出する部分の長さは船尾端位置での流れの制御面の左右の側縁間の距離で示す制御面幅の３０％以下とし、流れの深さ方向および幅方向の速度変化量を制限するために、流れの制御面の最前端から最後端までの距離で示す制御面長さは制御面幅の１００％以上かつ１５０％以下とし、制御面上の主たる流れを整流するために、流れの制御面中心線から制御面幅の１／４離れ、流れの制御面中心線に平行な鉛直断面において、制御面の前縁および船尾端位置での計画喫水線からの制御面の深さの差は、流れの制御面中心線上の船尾端位置での流れの制御面と船底との間の距離で示す制御面厚さの２０％以下とし、制御面上の境界域の流れを整流するために、流れの制御面中心線から制御面長さの１／２の位置離れ、流れの制御面中心線に平行な鉛直断面において、制御面前縁および制御面後縁での計画喫水線からの深さ方向距離の差は、制御面厚さの２０％以下とすることを特徴とする整流装置と同一形状となる船体外板を有する船舶。
   
3. 船尾端船底部において、船尾端後方への船底に沿う流れを整えるために、流れの制御面を船底から船尾端にかけて船体外板の一部を覆うように設置し、流れの制御面は、制御面上へ流れを流入する前縁、制御面上の流れを一定長さの範囲で安定させる側縁、ならびに、制御面上の流れを船体後方へ流出する後縁を有し、流れの制御面の前縁の全てと側縁の一部は船底外板と接し、船尾端より前方での流れを整流するために、流れの制御面の船尾端より後方へ突出する部分の長さは船尾端位置での流れの制御面の左右の側縁間の距離で示す制御面幅の３０％以下とし、流れの深さ方向および幅方向の速度変化量を制限するために、流れの制御面の最前端から最後端までの距離で示す制御面長さは制御面幅の１００％以上かつ１５０％以下とし、制御面上の主たる流れを整流するために、流れの制御面中心線から制御面幅の１／４離れ、流れの制御面中心線に平行な鉛直断面において、制御面の前縁および船尾端位置での計画喫水線からの制御面の深さの差は、流れの制御面中心線上の船尾端位置での流れの制御面と船底との間の距離で示す制御面厚さの２０％以下とし、制御面上の境界域の流れを整流するために、流れの制御面中心線から制御面長さの１／２の位置離れ、流れの制御面中心線に平行な鉛直断面において、制御面前縁および制御面後縁での計画喫水線からの深さ方向距離の差は、制御面厚さの２０％以下とすることを特徴とする整流装置と同一形状部分を有する船尾部付加構造物。