JP3692398B2

JP3692398B2 - 船体抵抗低減船

Info

Publication number: JP3692398B2
Application number: JP2001379550A
Authority: JP
Inventors: 良明児玉
Original assignee: National Maritime Research Institute
Current assignee: National Maritime Research Institute
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2003175884A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船体浸水部の外板表面に沿って気泡（マイクロバブル）を流して、同部の外板表面に作用する水の抵抗を低減することができる船体抵抗低減船に関する。特には、プロペラの推進性能を低下することなく、マイクロバブルによる摩擦抵抗低減効果を実際の船舶推進エネルギ低減に結び付けることのできる船体抵抗低減船に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船舶が航行する際には、船体浸水部の外板表面に水（海水あるいは淡水）の抵抗が作用する。この水の抵抗は、船舶の推進性能を低下させる大きな要因となるため、これを低減させるための様々な対策が講じられている。ここで、水の抵抗には、水面に波を発生させることで生じる抵抗（造波抵抗）と、水の粘性によって船体が周囲の水を引き摺ることで生じる抵抗（摩擦抵抗）との二成分がある。これらの抵抗のうち、例えばタンカー等の大型で比較的速度の遅い船舶については、造波抵抗の方がより小さく、摩擦抵抗が抵抗全体の約８割を占める。そのため、このような種類の船舶においては、水の抵抗を低減するには摩擦抵抗を低減するのが効果的である。
【０００３】
摩擦抵抗の低減対策の一つとして、船体浸水部の外板に沿って気泡（マイクロバブル）を流し、この気泡で船体浸水部と水の境界層を覆って抵抗作用を低減する方法（マイクロバブル推進法）が知られている。このマイクロバブル推進法を採り入れた船体抵抗低減船の従来例としては、特開平９−１１８２８８号公報や特開２００１−９７２７６号公報等を挙げることができる。
【０００４】
特開平９−１１８２８８号公報に開示された摩擦抵抗低減船は、船体内部に気泡水発生装置を備えている。船体の底部には、気泡水発生装置と連通するスリット状の気泡水吹出口が形成されている。船舶の航行時に、気泡水吹出口から船体外部へと吹き出た気泡水は、船体の底部に沿って拡散して後方へと流れ、水の摩擦抵抗を低減させる。さらに、同公報においては、船尾部の船底面をフラットに形成して気泡の沿う面積を広くし、これによって船体を前方に押す推進力を得ることも開示されている。
【０００５】
特開２００１−９７２７６号公報に開示された摩擦抵抗低減船は、主機（メインエンジン）の排出ガスを過給機から取り出し、排出ガスの余剰ガスを船底の吹出口から吹き出す。過給機から取り出す余剰ガスの量は、所定のシーケンス制御により、船体の速度に対して主機の燃料供給量が最も少なくなるよう調節できる。そのため、この摩擦抵抗低減船は、少ない燃料で効率良く航行することができるとされている。
【０００６】
ところで、新しい船舶の推進機の一種として、ポッドプロペラが開発されている。このポッドプロペラは、船底下に突設された支柱（コラム）、及び、その先に取り付けられたポッド（ハウジング）を有する。ポッドの端部にはプロペラが設けられており、ポッドの内部にはプロペラを駆動するモータが配置されている。モータは、船体のエンジンを発電機として駆動される。ポッドプロペラは、プロペラを船底下に離して設置できるので、プロペラを船体の影響を受けない均一な流れの中で回転させることができる。そのため、高い推進効率を得ることができるとともに、プロペラ表面におけるキャビテーションの発生も抑えることができる。また、ポッドプロペラは、針路変更時にポッド自身を回転させてプロペラの向きを変えることにより方向を変えることができるため、舵は不要である。
【０００７】
さらに、ポッドプロペラは、プロペラシャフトがなく、プロペラがエンジンとは独立に回転駆動されるため、エンジンの振動・騒音を船体から遮断できる。
このように、ポッドプロペラは、キャビテーションを抑制し、エンジンの振動・騒音を遮断できるので、騒音対策が容易に実現でき、現在は客船に多く採り入れられている。
なお、ポッドプロペラの従来例としては、例えば特開平１１−２７８３７９号公報等を挙げることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、以下に述べる試験装置及び実船を用いて、マイクロバブルの摩擦抵抗低減効果を確認する実験を行なった。
まず、試験装置を用いた実験について述べる。
図４は、基礎的な実験に用いたマイクロバブル実験流路の全体図である。
図５（Ａ）は図４の実験流路に空気を注入するチャンバーの拡大断面図であり、図５（Ｂ）は摩擦計測に用いる摩擦力計を示す図である。
【０００９】
図４に示す実験流路１０は、管路１１と気泡除去タンク１２を有する回流式の流路である。この実験流路１０においては、水は矢印Ｘ方向に流れる。実験流路１０の管路１１は、送水部１５、湾曲部２０及び試験部２５からなる。送水部１５の上流側端部１５ａと試験部２５の下流側端部２５ｂは、気泡除去タンク１２に接続されている。送水部１５には、上流側にポンプ１７が組み込まれており、下流側に電磁流量計１９が組み込まれている。ポンプ１７で気泡除去タンク１２から汲まれた水は、送水部１５から湾曲部２０を経て試験部２５に至り、再び気泡除去タンク１２に流入する。
【００１０】
試験部２５は、厚さ１５ｍｍ、奥行き１００ｍｍの扁平断面形状となっている。試験部２５の上流端２５ａからの長さは、３０００ｍｍである。試験部２５の上流端２５ａから１０３ｍｍ下流側の位置（第１位置Ｐ１）には、空気注入チャンバー２６が組み込まれている。この空気注入チャンバー２６は、図５（Ａ）に示すように、多孔質板２７を備えている。空気注入チャンバー２６から供給された空気は、多孔質板２７を通って試験部２５内に注入される。試験部２５において、空気注入チャンバー２６（第１位置Ｐ１）からそれぞれ０．５ｍ、１．０ｍ、１．５ｍ下流側の位置（第２位置Ｐ２、第３位置Ｐ３、第４位置Ｐ４）には、摩擦力計の取付フランジ２８が形成されている。これら取付フランジ２８には、図５（Ｂ）に示すように、摩擦力計２９が取り付けられる。この摩擦力計２９で、試験部２５の各位置Ｐ２〜Ｐ４における流路壁面と水との摩擦力が計測される。
【００１１】
前記実験流路を用いて行なった実験の結果について述べる。
図６は、空気注入チャンバーから注入した気泡の写真である。
図７は、流路の壁面摩擦を計測した結果を示すグラフである。横軸は流路内の平均ボイド率α（すなわち流路断面内の空気の体積割合）を表し、縦軸は気泡状態での壁面摩擦力と気泡無し状態での壁面摩擦力との比Ｃｆ／Ｃｆ０を表す。
【００１２】
試験部２５内の水の平均流速はＶ＝７ｍ／ｓｅｃであり、平均ボイド率はα＝０．０２である。平均流速Ｖ＝７ｍ／ｓｅｃは、通常の大型タンカーの巡航速度（１４ノット）に相当する。空気注入チャンバー２６から注入される気泡の直径は、約１ｍｍ程度である（図６の気泡写真参照）。図７のグラフにおいて、◇は第２位置での計測結果を示し、◯は第３位置での計測結果を示し、□は第４位置での計測結果を示す。実線のグラフは、Merkle等が１９９０年に行なった実験結果のグラフである。図７からわかるように、平均ボイド率αが高くなるにしたがって、比Ｃｆ／Ｃｆ０が小さくなっている。これは、注入空気量が増加するに連れて、摩擦力が低減していることを示す。さらに、本実験の結果は、Merkle等の実験結果とも良く合致している。この実験結果から、マイクロバブルによって最大３０％の顕著な摩擦低減効果が得られることが確認された。
【００１３】
次に、模型の平板船を用いた実験について述べる。
図８は、本実験に用いた平板船を示す平面図である。
図９（Ａ）は平板船の外板表面の摩擦力の計測結果を示すグラフであり、横軸は船首からの距離ｘ［単位ｍ］を表し、縦軸は前述と同様の比Ｃｆ／Ｃｆ０を表す。図９（Ｂ）は平板船の外板表面のマイクロバブル吹き出し下流部における摩擦低減効果を説明するグラフであり、横軸は吹き出し空気量ｑ（＝Ｑ／ＳＶ；Ｑ：吹き出し空気量［単位ｍ³／ｍｉｎ］、Ｓ：吹き出し部面積［単位ｍ²］、Ｖ：速度［単位ｍ／ｓｅｃ］）を表し、縦軸は気泡状態でのマイクロバルブ吹き出し下流部の摩擦抵抗と気泡無し状態での吹き出し下流部の摩擦抵抗との比Ｒｆ／Ｒｆ０を表す。
【００１４】
図８に示す平板船３０は、長さ５０ｍ、幅１ｍの寸法を有し、船底は平らに形成されている。平板船３０の船首（図８の左端）から３．０ｍの位置には、気泡吹き出し部３１が設けられている。この平板船３０においては、船首からそれぞれ３．５ｍ（第１位置Ｐ１）、４．８ｍ（第２位置Ｐ２）、８．８ｍ（第３位置Ｐ３）、３１．５ｍ（第４位置Ｐ４）、３２．８ｍ（第５位置Ｐ５）、３６．８ｍ（第６位置Ｐ６）離れた位置に、摩擦力計測部が設けられている。この平板船３０を長さ４００ｍの曳航水槽（図示されず）に配置し、最大速度７ｍ／ｓｅｃとして実験を行った。
【００１５】
前記平板船を用いて行なった実験の結果について述べる。
図９（Ａ）のグラフにおいて、△は吹き出し空気量ｑ＝０．０２の場合の値を示し、○は吹き出し空気量ｑ＝０．０４の場合の値を示す。このグラフにおいては、速度Ｖ＝７ｍ／ｓｅｃに設定されている。このグラフから、気泡による摩擦力の低減効果は、吹き出し空気量ｑにほぼ比例し、空気吹き出し部の下流で急速に減衰するが、平板船のほぼ下流端まで持続していることがわかる。
図９（Ｂ）のグラフにおいて、△は速度Ｖ＝７ｍ／ｓｅｃの場合の値を示し、○は速度Ｖ＝５ｍ／ｓｅｃの場合の値を示す。このグラフを考慮すると、平板船３０の吹き出し部３１よりも下流に位置する部分全体の摩擦低減効果は、速度Ｖ＝５ｍ／ｓｅｃでは４０％近い低減効果が得られ、速度Ｖ＝７ｍ／ｓｅｃでは２０％強の低減効果が得られることがわかった。
【００１６】
このように、実験からは、マイクロバブルは通常の大型タンカーの巡航速度である７ｍ／ｓｅｃ（１４ノット）に対して、数１０％程度の顕著な摩擦低減効果を挙げることができると考えられる。さらに、摩擦低減効果は、前述の平板船を用いた実験結果から、船体の空気吹き出し部より下流側においてもある程度持続することが明らかになった。これらの結果から、マイクロバブルは、実際の船舶への適用の可能性が非常に高いことがわかる。
【００１７】
次に、実船を用いた実験について述べる。
まず、一般的なマイクロバブル推進船舶の構成について説明する。
図３（Ａ）は通常のプロペラを備えるマイクロバブル推進船舶を模式的に示す側面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の船舶におけるプロペラへのマイクロバブルの流入状態を説明する側面図である。
図３（Ａ）に示す船舶２００は、図の左側が船首２００Ａであり、図の右側が船尾２００Ｂである。この船舶２００の船体２０３において、水没している下半部が船体浸水部２０５である。この船体浸水部２０５の船首２００Ａ側の端面２０６は、滑らかな曲面状に形成されている。船体浸水部２０５の船尾２００Ｂ側には、プロペラ２１０が取り付けられている。プロペラ２１０は、プロペラシャフト２１１を介して、船体２０３内のエンジン２０８に接続されている。
【００１８】
この船舶２００においては、エンジン２０８の駆動力がプロペラシャフト２１１を介してプロペラ２１０に直接伝達され、プロペラ２１０が回転する。プロペラ２１０の後方には、船底から垂下する舵２２０が設けられている。船首２００Ａ寄りの船体２０３内部には、前述と同様のマイクロバブル形成装置１２０が設けられている。マイクロバブル形成装置１２０は、船底２０１の船首２００Ａ寄りに形成された吹出口２２３に連通している。
【００１９】
実船を用いて行なった実験の結果について述べる。
本実験に用いた実船は、独立行政法人航海訓練所の練習船「青雲丸」である。青雲丸は、全長１１６ｍ、総トン数５９００トンである。この実船を用いた実験においても、マイクロバブルによる摩擦低減効果を確認することができた。
ところが、同時に、マイクロバブルが船尾で回転するプロペラに流入すると推力低下を招き、船舶全体としてはエネルギ効率が低下することが判明した。
【００２０】
前述の特開平９−１１８２８８号公報や特開２００１−９７２７６号公報の摩擦抵抗低減船においては、マイクロバブルの流入に伴うプロペラの推進効率の低下に対する対策は、何ら考慮されていない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、プロペラの推進性能を低下することなく、マイクロバブルによる摩擦抵抗低減効果を実際の船舶推進エネルギ低減に結び付けることのできる船体抵抗低減船を提供することを目的とする。
【００２１】
【解決を課題するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明の船体抵抗低減船は、船体浸水部１０５の外板表面に沿って気泡（マイクロバブル）を流す手段（マイクロバブル形成手段１２０）と、船底１０１下に突設された支柱１１１、並びに、該支柱の下端部に設置されたプロペラ１１３及びその駆動モータ１１５を有するポッドプロペラ１１０と、を具備する船体抵抗低減船であって、船体浸水部１０５の船尾１００Ｂ側の底面は、船底１０１から船尾に向けて上方に傾斜した傾斜面１０７が形成されており、前記ポッドプロペラ１１０は、該傾斜面１０７に設けられており、船底とプロペラ軸心との間隔、及び、ポッドプロペラの半径が、マイクロバブル層にプロペラ上端がかからないように設定されていることを特徴とする。
【００２２】
ポッドプロペラを用いることで、プロペラを船底下に離して設置することができる。そのため、マイクロバブル形成手段から船底に沿って流れる気泡がプロペラに流入するのを低減できる。したがって、ポッドプロペラの推進性能をほとんど低下することなく、マイクロバブルによる船体浸水部の摩擦力低減効果を実現することができる。さらに、マイクロバブルの層は、プロペラの騒音を遮断する効果もあるため、船体の静粛性も一層高めることができる利点もあると考えられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、ポッドプロペラを備えるマイクロバブル推進貨物船を模式的に示す側面図である。
図２は、ポッドプロペラを備えるマイクロバブル推進フェリー（又は客船）を模式的に示す側面図である。
【００２４】
図１に示す貨物船１００は、図の左側が船首１００Ａであり、図の右側が船尾１００Ｂである。貨物船１００の船体１０３において、水没している下半部が船体浸水部１０５である。この船体浸水部１０５の船首１００Ａ側の端面１０６は、滑らかな曲面状に形成されている。船体浸水部１０５の船尾１００Ｂ側底面は、船底１０１から船尾に向けて上方に傾斜した傾斜面１０７が形成されている。
【００２５】
船体浸水部１０５の船尾１００Ｂ側の傾斜面１０７には、ポッドプロペラ１１０が取り付けられている。ポッドプロペラ１１０は、傾斜面１０７から下方に突設された支柱１１１を備えている。この支柱１１１の下端部には、電動モータ１１５を内蔵するハウジング１１６が取り付けられている。電動モータ１１５の出力軸端には、プロペラ１１３が取り付けられている。プロペラ１１３は、電動モータ１１５の駆動で回転する。電動モータ１１５は、ケーブル１１７を介して、船体１０３内の発電機１０９に接続されている。発電機１０９は、船体１０３内のエンジン１０８に軸接続されており、エンジン１０８によって回転駆動されている。しかし、発電機１０９とプロペラ１１３とは、機械的には接続されていない。なお、ポッドプロペラ１１０は、針路変更時にポッド自身を回転させてプロペラ１１３の向きを変えることにより方向を変えることができるため、舵は不要である。
【００２６】
船首１００Ａ寄りの船体１０３内部には、マイクロバブル形成装置１２０が設けられている。このマイクロバブル形成装置１２０は、船底１０１に形成された吹出口１２３に連通している。バブル吹出口１２３は、図５（Ａ）の空気注入チャンバー２６と同様に、多孔質のバブル吹出部（図示されず）を有する。マイクロバブル形成装置１２０で形成されたマイクロバブルＭＢは、吹出口１２３から船体１０３の底板内に吹き出て、船体浸水部１０５の外板表面に沿って後方（図の右側）へと流れる。
【００２７】
図２に示すフェリー１３０は、図の左側が船首１３０Ａであり、図の右側が船尾１３０Ｂであり、船体１３３内には客室１３４等が設けられている。フェリー１３０の船体１３３において、水没している下半部が船体浸水部１３５である。船体浸水部１３５の船首１３０Ａ側の端面１３６は、滑らかな曲面状に形成されている。船体浸水部１３５の船尾１３０Ｂ側底面は、船底１３１から船尾に向けて上方に傾斜した傾斜面１３７が形成されている。
【００２８】
船体浸水部１３５の船尾１３０Ｂ側の傾斜面１３７には、前述の貨物船１００と同様のポッドプロペラ１１０が取り付けられている。一方、船首１３０Ａ寄りの船体１３３内部には、前述の貨物船１００と同様のマイクロバブル形成装置１２０が設けられている。マイクロバブル形成装置１２０は、船底１３１の船首１３０Ａ側に形成された吹出口１４３に連通している。
【００２９】
次に、本発明に係る貨物船１００（図１参照）と、一般的な船舶２００（図３参照）との作用の比較について述べる。なお、フェリー１３０（図２参照）の作用も貨物船１００と同様である。
図１に示す貨物船１００の航行時において、マイクロバブル形成装置１２０で形成されたマイクロバブルＭＢが、船底１０１の吹出口１２３から吹き出される。このマイクロバブルＭＢは、船体浸水部１０５の外板表面に沿って後方（図の右側）へと流れる。このとき、船体浸水部１０５の外板表面と水との間に境界層が形成され、前述の実験結果で述べたように、水の摩擦抵抗が低減される。
【００３０】
船体浸水部１０５に沿って流れたマイクロバブルＭＢは、船尾１００Ｂへと至る。ここで、貨物船１００のポッドプロペラ１１０のプロペラ１１３は、船底傾斜面１０７から離れて下方に配置されているので、プロペラ１１３へのマイクロバブルＭＢの流入が少なく、プロペラ１１３の推進効率の低下が抑制される。さらに、マイクロバブルＭＢの層は、プロペラ１１３の騒音を遮断する効果もあるため、船体１０３の静粛性も一層高められる。なお、標準的な貨物船（５万トン）の場合、船底とプロペラ軸心との間隔は６ｍ程度で、ポッドプロペラの半径が３ｍ程度とすれば、プロペラ上端と船底間の間隔は３ｍ程度となり、マイクロバブル層（例えば２ｍ）にプロペラ上端がかからない。
【００３１】
これに対し、図３（Ａ）に示す船舶２００の場合は、船底２０１の吹出口２２３から吹き出されたマイクロバブルＭＢが、船体浸水部２０５に沿って下流側へと流れた後にプロペラ２１０に巻き込まれる（図３（Ｂ）参照）。このように、マイクロバブルＭＢがプロペラ２１０に巻き込まれると、前述した通り、プロペラ２１０の推進効率が低下し、船舶２００全体としてのエネルギ効率が低下してしまう。
【００３２】
この比較からわかるように、本発明に係る貨物船１００（あるいはフェリー１３０）は、マイクロバブル推進法とポッドプロペラ１１０を併用することで、プロペラ１１３の推進効率をほとんど低下することなく、マイクロバブルＭＢによる水の摩擦抵抗の低減を実現できる。さらに、前述した通り、ポッドプロペラ１１０を用いることで高い推進効率を実現できるとともに、プロペラ表面におけるキャビテーションの発生も抑えることができ、エンジンの振動・騒音を遮断できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、マイクロバブルによる摩擦抵抗低減効果を実際の船舶推進エネルギ低減に結び付けることのできる船体抵抗低減船を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポッドプロペラを備えるマイクロバブル推進貨物船を模式的に示す側面図である。
【図２】ポッドプロペラを備えるマイクロバブル推進フェリー（又は客船）を模式的に示す側面図である。
【図３】図３（Ａ）は通常のプロペラを備えるマイクロバブル推進船舶を模式的に示す側面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の船舶におけるプロペラへのマイクロバブルの流入状態を説明する側面図である。
【図４】基礎的な実験に用いたマイクロバブル実験流路の全体図である。
【図５】図５（Ａ）は図４の実験流路に空気を注入するチャンバーの拡大断面図であり、図５（Ｂ）は摩擦計測に用いる摩擦力計を示す図である。
【図６】空気注入チャンバーから注入した気泡の写真である。
【図７】流路の壁面摩擦を計測した結果を示すグラフである。
【図８】本実験に用いた平板船を示す平面図である。
【図９】図９（Ａ）は平板船の外板表面の摩擦力の計測結果を示すグラフであり、図９（Ｂ）は平板船の外板表面のマイクロバブル吹き出し下流部における摩擦低減効果を説明するグラフである。
【符号の説明】
１００貨物船
１００Ａ船首１００Ｂ船尾
１０１船底１０３船体
１０５船体浸水部１０６端面
１０７傾斜面１０８エンジン
１０９発電機１１０ポッドプロペラ
１１１支柱１１３プロペラ
１１５電動モータ１１６ハウジング
１１７ケーブル
１２０マイクロバブル形成装置
１２３吹出口１３０フェリー
１３０Ａ船首１３０Ｂ船尾
１３１船底１３３船体
１３４客室１３５船体浸水部
１３６端面１３７傾斜面

Claims

船体浸水部１０５の外板表面に沿って気泡（マイクロバブル）を流す手段（マイクロバブル形成手段１２０）と、
船底１０１下に突設された支柱１１１、並びに、該支柱の下端部に設置されたプロペラ１１３及びその駆動モータ１１５を有するポッドプロペラ１１０と、
を具備する船体抵抗低減船であって、
船体浸水部１０５の船尾１００Ｂ側の底面は、船底１０１から船尾に向けて上方に傾斜した傾斜面１０７が形成されており、
前記ポッドプロペラ１１０は、該傾斜面１０７に設けられており、
船底とプロペラ軸心との間隔、及び、ポッドプロペラの半径が、マイクロバブル層にプロペラ上端がかからないように設定されていることを特徴とする船体抵抗低減船。