JP4335835B2 - 水中航行船用可変ベクトル推進器 - Google Patents

水中航行船用可変ベクトル推進器 Download PDF

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この発明は、水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器に係り、特に、各羽根輪郭をプロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成して、プロペラ効率を高める水中航行船用可変ベクトル推進器に関するものである。
可変ベクトル推進器は、プロペラボスの外周に羽根が等間隔で回転軸に対して放射状に取り付けられ、一回転の間に羽根のピッチ角を適切に変化させて、3次元方向の任意方向に推力を発生させることができる特徴を備えている。このように可変ベクトル推進器は、3次元方向の任意方向に推力を発生させることができるため、水中を航行して探索や保守点検するような特殊用途の水中航行船の推進器として一部使用されている。
船体の推進器としては一般にスクリュプロペラが使用され、又そのプロペラはプロペラ効率が高まるように、プロペラボスの外周に半径方向に対して特定形状に加工された羽根が特定のピッチで取り付けられている。
可変ベクトル推進器を備えた水中航行船は、水面上を航行する一般の船舶に比べて非常にゆっくりした速度で水中を航行するために、プロペラ効率については余り考慮されておらず、このため、可変する羽根の形状も製作が最も容易な矩形型が一般的であった。
一部においては、可変ベクトル推進器の可変する羽根の形状について研究され、羽根輪郭が矩形輪郭のように羽根先端で羽根幅が有限な輪郭な場合、設定したピッチ分布でピッチ角を取ると、羽根先端付近で発生推力が大きくなるとともに、トルクが増大し所要馬力上不利になると考えられ、羽根輪郭は矩形型よりも楕円型が優れているとの研究報告がなされている(川崎重工技法・101号(1988年12月))。
実開昭61−105300 川崎重工技法・101号(1988年12月)「3次元推進器"バリベックプロペラ"の開発(第1報)」 西部造船会会報(西部造船会創立50周年記念号 第98号 平成11年8月)「可変ベクトル推進器を用いた無索式海中ロボットの基本制御」
しかしながら、可変ベクトル推進器の可変する各羽根輪郭を楕円型にするのは、矩形型に比べてプロペラ効率が向上する利点がある反面、矩形型に比べて楕円型はその製作が難しくなり、また、その分製作コストも高くなるという課題があった。
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、プロペラボスの外周に取り付けられたピッチ角が可変する各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形にすることにより、従来の矩形型羽根に比べてプロペラ効率を高めると共に、楕円型羽根に比べて製作も容易になる水中航行船用可変ベクトル推進器を提供することにある。
以上の目的を達成するために、請求項1発明は、水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成する手段よりなるものである。
また、請求項2に係る発明は、水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた4枚の各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成すると共に、七角形の最大高さをボス半径の1.25〜1.30倍とし、七角形の最大幅を最大高さの0.90〜0.95倍とし、羽根先端の第1角から羽根先端寄りの第2角までの高さを最大高さの0.25倍とし、第2角から羽根根元寄りの第3角までの高さを最大高さの0.35倍とし、第3角から羽根根元側の第4角までの高さを最大高さの0.40倍とし、羽根根元側幅を最大幅の0.3倍とした手段よりなるものである。
以上の記載より明らかなように、この発明に係る水中航行船用可変ベクトル推進器によれば、プロペラボスの外周に取り付けられたピッチ角が可変する各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成することにより、従来の矩形型羽根に比べて、七角形の羽根の場合には、プロペラ効率を約7%向上することができる。つまり、可変ベクトル推進器の羽根輪郭形状として従来の矩形型羽根を使用したときの水中航行船の水中速度が1ノットの場合、この発明に係る七角形羽根を使用した場合には水中速度を約2割アップ、つまり1.2ノット程度までスピードをアップすることができる。逆に水中での速度を従来と同じの1ノットに維持する場合には約7%程度の動力削減ができ、燃費の向上を図ることができる。
しかも、可変ベクトル推進器の羽根輪郭形状としてこの発明に係る七角形羽根は、この発明と同等のプロペラ効率を有する楕円型羽根に比べて、羽根の製作が容易となり、その分製造コストを安くすることができる等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
以下、図面に記載の発明を実施するための最良の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図1は水中航行船の構造図、図2は七角形の羽根の正面図、図3は可変ベクトル推進器の概略構造図、図4(A)は可変ベクトル推進器の推力零の説明図、図4(B)は可変ベクトル推進器の推力が上昇方向の説明図、図5(A)は可変ベクトル推進器の推力が前進方向の説明図、図5(B)は可変ベクトル推進器の推力が斜め上昇方向の説明図である。
図において、水中航行船1はその船尾に可変ベクトル推進器2が装備されている。船尾に装備されたこの可変ベクトル推進器2によって、水中航行船1は、水中を3次元方向の任意方向に自由にその推進方向を変えて航行することができ、1〜2ノットの低速で水中を航行して探索や保守点検するような特殊用途に使用される。
可変ベクトル推進器2は、プロペラボス3の外周に羽根4が等間隔例えば90度の間隔で回転軸に対して放射状に取り付けられ、一回転の間に羽根4のピッチ角を適切に変化させて、3次元方向の任意方向に推力を発生させることができる特徴を備えている。
ところで、可変ベクトル推進器2の羽根の形状の研究が進まなかったのは、可変ベクトル推進器2の構造上によるところが大である。即ち、可変ベクトル推進器2は、各羽根4のピッチ角を可変させる構造であり、可変方向によってその最適な形状が随時変わり、複雑な流線型の形状はときには逆の抵抗として働き、羽根の形状を特定するのが困難と考えられていた。
加えて、可変ベクトル推進器2は、各羽根4のピッチ角を可変させる構造であるため、プロペラボス3の内部に各羽根4を可変させるための機構が組み込まれており、このため、通常のスクリュープロペラに比べて、プロペラボス3の直径が必然的に大きくなる欠点も有していた。
即ち、プロペラ効率は、ボスの直径をプロペラの直径で割ったボス比が小さい程、良いとされているが、可変ベクトル推進器2にあっては、各羽根4を可変させるための機構がプロペラボス3の内部に組み込まている関係上、通常のプロペラのようにボス比を小さくできないという構造上の問題がある。
このようなため、初めから可変ベクトル推進器2にあっては、通常のスクリュープロペラのようにプロペラ効率が期待されておらず、また、前記したように水中のような3次元方向に自由に推力を生じさせることが特徴であり、しかも水中での航行は非常に低速であり、水面上を速い速度で航行する船に比べるとプロペラ効率の問題は小さい。このような背景のため、可変ベクトル推進器2の羽根については、前記の〔非特許文献2〕の楕円型の羽根の研究以外については行われていなかったと考えられる。
本願発明は、可変ベクトル推進器2の羽根4の形状について研究した数少ない発明であり、プロペラボス3の外周に取り付けられた4枚の各羽根4はその輪郭が、プロペラ半径方向の基準線Lを中心に羽根4の前縁41と後縁42が対称な七角形に形成されている。
即ち、左右対称な七角形の羽根4は、矩形の先端側の中央に対してその両側を先端側中央に向かって山形になるように横長な三角形に切断し、矩形の根元側の両角側を縦長な三角形に切断することにより、成形加工することができ、矩形の羽根には劣るが楕円形状の羽根に比べると、遙かに成形加工が容易となる。
これまでのスクリュープロペラの羽根は、プロペラボスに対して固定して取り付けられ、プロペラ効率を高めるために、先端側が楕円状に形成され、又側面側も捻りなどが入られた複雑な流線型が一般的である。
そして、いつのまにかプロペラの羽根とはこのような複雑な流線型の形状であるとの固定概念に凝り固まっていたものを、本願発明にあってはこの固定概念から抜け出してこれまでに誰もが想像することも無かった七角形の形状の羽根4を生み出したのである。
前縁41と後縁42が対称な七角形の形状の羽根4の羽根輪郭は、プロペラ半径方向の基準線L上の七角形の最大高さHをボス半径Rの1.25〜1.30倍とし、七角形の最大幅Cを最大高さHの0.90〜0.95倍とし、羽根先端の第1角4Aから羽根先端寄りの第2角4Bまでの高さhを最大高さHの0.25倍前後とし、第2角4Bから羽根根元寄りの第3角4Cまでの高さhを最大高さHの0.35倍前後とし、第3角4Cから羽根根元側の第4角4Dまでの高さhを最大高さHの0.40倍前後とし、羽根根元側幅Bを最大幅Cの0.3倍前後とする。
また、羽根4は、前縁41の上端の第1角4Aと後縁42の上端の第1角4Aとの間の幅は最大幅Cであり、前縁41の下端の第2角4Bと後縁42の下端の第2角4Bとの間の幅も略最大幅Cであり、左右の前縁41と後縁42とは左右で略平行に形成されている。又羽根4はそれぞれの角部、つまり第1角4A及び、左右の第2角4B、第3角4C、第4角4Dは、少し丸みを帯びた形状に形成されている。
羽根4はその羽根輪郭が上記の関係を満たす範囲にある場合には、従来の矩形型羽根に比べて、水中航行船1の速度が1ノットのときにはプロペラ効率が約7%程向上することが解析結果より判明した。プロペラ効率を水中速度に置き換えてみると水中速度を約2割アップ、つまり1.2ノット程度までスピードをアップすることができる。また、プロペラ効率を燃費に置き換えてみると、水中での速度を従来と同じの1ノットに維持する場合には約7%程度の動力削減ができ、燃費の向上を図ることができる。
前縁41と後縁42が対称な七角形の形状の各羽根4は、羽根根元側幅Bの真ん中、つまりプロペラ半径方向の基準線L上には回転軸43の先端がそれぞれ連結されている。回転軸43は羽根4を正逆回転させて可変させるもので、回転軸43の基端側はプロペラボス3の内部に挿入されている。
プロペラボス3の内部には、非回転傾動円形板51と回転傾動円形板52とが非連結状態で前後に隣設して配置され、これらの非回転傾動円形板51と回転傾動円形板52の中心をプロペラ主軸5が貫通している。非回転傾動円形板51と回転傾動円形板52は、プロペラ主軸5に対して前後への移動と上下左右に自在に傾動できる状態で取り付けられている。
非回転傾動円形板51はプロペラ主軸5に対して遊転状態つまりプロペラ主軸5が回転しても回転しないように取り付けられている。非回転傾動円形板51は回転する回転傾動円形板52の回転を妨げないように、回転傾動円形板52と背中合わせになる側にはベアリングなどが取り付けられている。
非回転傾動円形板51より船首側となる水中航行船1の内部には、メインモータ6、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63が配置されている。メインモータ6はプロペラ主軸5を回転させるモーターで、プロペラ主軸5と連動連結されており、プロペラ主軸5を同一方向回りに回転させる。
非回転傾動円形板51の円周側には120度の等間隔で、3本の連結棒61a、62a、63aのそれぞれの一端が揺動自在に連結されている。連結棒61aの他端はエレベータサーボ61に揺動自在に連結され、連結棒62aの他端はピッチサーボ62に揺動自在に連結され、又連結棒63aの他端はエルロンサーボ63に揺動自在に連結されている。
これらエレベータサーボ61、ピッチサーボ62及びエルロンサーボ63の直流サーボは、モーターの回転角度により非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52の傾斜や位置を制御する機能を果たす。これらの役割としてエレベータサーボ61は前後、ピッチサーボ62は上下、エルロンサーボ63は左右方向を制御している。
船尾寄り側に位置する回転傾動円形板52はプロペラ主軸5の回転に連動して回転するもので、回転傾動円形板52の円周側には90度の等間隔で、4本の連結棒52aのそれぞれの一端が回転自在に連結されている。4本の各連結棒52aの他端はそれぞれの楕円片43aの一端側に回転自在に連結されており、各楕円片43aの他端側は各回転軸43の端部に固設されている。
回転傾動円形板52、4本の連結棒52a及び4枚の羽根4は、一緒に回転しており、回転中の羽根4の各回転軸43はそれぞれの連結棒52aが非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52が傾動することにより前後方向に移動することで正回転又は逆回転して羽根4のピッチ角を可変する構造になっている。
水中航行船1の内部には、上記のメインモータ6、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63を制御するための制御機構7、例えばセンサ制御部71、プロペラ制御部72、PWM回路73の各種機器が組み込まれ、又センサ制御部71へ各種の情報を送る指令受信部74、電子コンパス75、GPSレシーバ76、ソナー回路77、なども組み込まれている。
また、プロペラボス3の外周に取り付けた羽根4が回転するその外周側には、羽根4を保護するための安全ネットカバー体8がリング状に取り付けられている。さらに、水中航行船1の外部の上部には、その前部に前方の衝突防止ソナー81が取り付けられ、又ハイドロホン82や深度センサ83が取り付けられている。水中航行船1の外部の下部には、保護用アルミ板84、下方の衝突防止ソナー85、左右の衝突防止ソナー86、又後部側にはバラスト投下装置87などが取り付けられている。
次に、上記発明を実施するための最良の形態の構成に基づく水中航行船の航行時における可変ベクトル推進器2の作動について以下説明する。
各種の航行条件を入力し、水中航行船1を航行させるために各種の航行条件を入力してスタートさせると、制御機構7のプロペラ制御部72からPWM回路73を通じてメインモータ6、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63を制御にすることにより、水中航行船1は水中を航行する。
この場合において、図のように、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63を制御して、前記の非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52を中立位置にすると、各羽根4はピッチ角がゼロとなって所謂空転状態となり、推力が発生せず、水中航行船1は水中で停止状態となる。
一方、図のように、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63を制御して、前記の非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52を中立位置で上部を前方に傾けると、上側にくる羽根4のピッチ角と下側にくる羽根4のピッチ角は逆向きになり、上向きの推力が発生して、水中航行船1は水中を上方に向けて移動する。これに対して、前記の非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52を中立位置で下部を前方に傾けると、上下に来る各羽根4は上記と反対向きのピッチ角となって下向きの推力が発生して、水中航行船1は水中を下方向けて移動する。
また、図のように、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63を制御して、前記の非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52を中立位置から船尾側に平行に移動させると、各羽根4は同一のピッチ角となって前進の推力が発生して、水中航行船1は水中を前進する。これに対して、前記の非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52を中立位置から船首側に平行に移動させると、各羽根4は上記と反対向きの同一のピッチ角となって後進の推力が発生して、水中航行船1は水中を後進する。
さらに、図のように、エレベータサーボ61、ピッチサーボ62、エルロンサーボ63を制御して、前記の非回転傾動円形板51及び回転傾動円形板52を中立位置より前方に移動させ、しかもその上部を前方に傾けると、上側にくる羽根4のピッチ角が大きく、下側にくる羽根4のピッチ角が小さくなるため、斜め上向きの推力が発生して、水中航行船1は水中を斜め上向きに移動する。
4枚羽根について従来翼(矩形型羽根)と本願発明の七角形の羽根との効率の比較をコンピュータを使って行った。なお、プロペラ直径は248mm、ボス直径は108mm、ボス比は0.44の条件下でおこなった。そのときの、効率比較を図に示す。
図からも明らかなように、水中航行船1の実際の運航が行われると考えられる前進係数が0.2〜0.3の範囲では、本願発明の七角形の羽根が矩形型の羽根に比べてプロペラ効率が高いことがわかった。
また、本願発明の七角形の羽根と、楕円型の羽根のプロペラ効率の比較を表1に示す。表1から明らかなよう、プロペラ効率は略同一といえる。
Figure 0004335835
なお、この発明は上記発明を実施するための最良の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。
この発明を実施するための最良の形態を示す水中航行船の構造図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す七角形の羽根の正面図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の概略構造図である。 (A)はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力零の説明図である。 (B)はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力が上昇方向の説明図である。 (A)はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力が前進方向の説明図である。 (B)はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力が斜め上昇方向の説明図である。 この発明の実施例の矩形羽根と七角形羽根のプロペラ効率比較を示す図である。
符号の説明
1 水中航行船
2 可変ベクトル推進器
3 プロペラボス
4 羽根
41 前縁
42 後縁
43 回転軸
43a 楕円片
5 プロペラ主軸
51 非回転傾動円形板
52 回転傾動円形板
52a 連結棒
6 メインモータ
61 エレベータサーボ
61a 連結棒
62 ピッチサーボ
62a 連結棒
63 エルロンサーボ
63a 連結棒
7 制御機構
71 センサ制御部
72 プロペラ制御部
73 PWM回路
74 指令受信部
75 電子コンパス
76 GPSレシーバ
77 ソナー回路
8 安全ネットカバー体
81 前方の衝突防止ソナー81
82 ハイドロホン
83 深度センサ
84 保護用アルミ板
85 下方の衝突防止ソナー
86 左右の衝突防止ソナー
87 バラスト投下装置
4A 七角形の第1角
4B 七角形の第2角
4C 七角形の第3角
4D 七角形の第4角
B 七角形の羽根根元側幅
C 七角形の最大幅
H 七角形の最大高さ
L プロペラ半径方向の基準線

Claims (2)

  1. 水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成することを特徴とする水中航行船用可変ベクトル推進器。
  2. 水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた4枚の各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成すると共に、七角形の最大高さをボス半径の1.25〜1.30倍とし、七角形の最大幅を最大高さの0.90〜0.95倍とし、羽根先端の第1角から羽根先端寄りの第2角までの高さを最大高さの0.25倍とし、第2角から羽根根元寄りの第3角までの高さを最大高さの0.35倍とし、第3角から羽根根元側の第4角までの高さを最大高さの0.40倍とし、羽根根元側幅を最大幅の0.3倍としたことを特徴とする水中航行船用可変ベクトル推進器。
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