JP4362519B2 - 舶用一軸二舵システムおよび一軸二舵船舶 - Google Patents

Description

本発明は、舶用一軸二舵システムおよび一軸二舵船舶、特に、一対の舵のそれぞれにフィン（小翼）が設置される舶用一軸二舵システムおよび一軸二舵船舶に関する。

従来型の、船体の中心に１本のプロペラ軸を有し、その後ろに一対の舵を装備する船舶（以下、一軸二舵船という）の舵に装着された省エネルギーデバイス（以下、省エネデバイスという）は、それぞれの舵内側におけるプロペラ軸高さ近傍に小翼を配置し、その小翼によってプロペラ後流の旋回流れ成分を回収し、その結果、小翼により発生されるスラスト力を用いて船舶の馬力低減を達成してきた。（例えば、特許文献１参照）
このシステムにおいて旋回流れを効率約回収するためには、この小翼の面積を大きくすれば、プロペラ後流の旋回流れのエネルギーをより効率よく回収することが出来る。

特開２００２−１９３１８７号公報

上記のごとく従来型の一軸二舵船における省エネデバイスにおいては、舵内側に小翼を配置した場合、舵を切った場合にお互いが干渉することを避ける必要がある。
因って、従来この目的に使用される小翼は、矩形翼もしくはそれに近似した形状の小翼を用いた場合には、この二舵間における干渉によって翼の面積には限界があった。
本発明は、同一の舵間隔において、配置する小翼の翼面積を最大にし、船舶に対する馬力低減効果を最大にする舶用一軸二舵システムおよび一軸二舵船舶を提供することをその目的とする。

本発明における舶用一軸二舵システムは、
（１）船尾に設置される一軸のプロペラと、該プロペラの後方で該プロペラの軸心を挟んで略鉛直面内に配置される一対の舵とを有する舶用一軸二舵システムであって、
前記一対の舵のそれぞれの内側面（一対の舵の対面する側の面）に水平面に対して所定の迎角を具備する内フィンにおいて、該内フィンの平面形状を、前記舵の操舵旋回時に内フィンの先端が対の舵面および内フィン周面に干渉しない範囲における、操舵旋回の旋回中心を中心とする最大の半円形円弧に形成することを特徴とするものである。
（２）上述の（１）において、前記一対の内フィンを、鉛直方向で前記プロペラの軸心と略同一高さに設置したことを特徴とするものである。

（３）また、上述の（１）または（２）において、前記プロペラの軸心と略同一高さにおけるプロペラ後流が、前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の一方の舵の内側面寄りで略斜め上方向であり、前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の他方の舵の内側面寄りで略斜め下方向であるとき、前記一方の舵の内フィンを、対称または上向きのキャンバーを具備する非対称の翼形状とし、前記他方の舵の内フィンを、対称または下向きのキャンバーを具備する非対称の翼形状としたものである。
（４）上述の（１）乃至（３）において、前記プロペラの軸心と略同一高さにおけるプロペラ後流が、前記一対の舵に挟まれた範囲の外側および前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の一方の舵の内側面寄りで略斜め上方向であり、前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の他方の舵の内側面寄りで略斜め下方向であるとき、前記一方の舵の内フィンが、前方が高くなる仰角を有し、前記他方の舵の内フィンが、前方が低くなる俯角を有することを特徴としたものである。
（５）さらに、上述の（４）において、前記仰角及び俯角が、各０〜１５度で、失速角を超えない範囲の角度であることを特徴とするものである。

本発明における舶用一軸二舵船は、
（３）上述の（１）乃至（５）における舶用一軸二舵システムを備えたことを特徴とするものである。

すなわち、本発明は前記内フィンの平面形状を、対の内フィンとの干渉を避けた最大限の半円形状円弧によって構成することにより、同じ舵間隔であっても、従来の矩形内フィンよりもより大きな面積を維持できるようにしたものである。

本発明に係る舶用一軸二舵システムは、一対の二舵間における干渉を排除し、内フィンの面積を半円形状円弧に形成して最大にすることにより、プロペラの後流の回転エネルギを効率よく回収することができ、また、より大きな推進力を得ることができる。
さらに、本発明に係る一軸二舵船舶は、前記舶用一軸二舵システムの作用効果によって、大きな推進力が得られるため、推進動力の消費が大幅に低減され、顕著な省エネを図ることができる。

［実施の形態１］
図１は、舵上面および船体後方から見た一対の舵システムを模式的に示す図であり、
（ａ）は従来の内フィン無しの場合の図、（ｂ）は従来型の内フィンを付した場合の図、（ｃ）は本発明の内フィンを付した場合の図である。
図２は、従来型の内フィンと本発明の内フィンの上面視形状を比較して示す図である。
図３は、左舵側内フィンと右舵側内フィンとの相互干渉状態を示す説明図であり、
（ａ）は従来型の内フィンの場合の図、（ｂ）は本発明の内フィンの場合の図である。
図において、１はプロペラ（外周軌跡のみにて表示）、２Ｌは一対の舵の内のＰＯＲＴ側舵、２Ｒは一対の舵の内のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵、３Ｌは従来のＰＯＲＴ側舵に設けられた内フィン、３Ｒは従来のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵に設けられた内フィン、４Ｌは本発明のＰＯＲＴ側舵に設けられた内フィン、４Ｒは本発明のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵に設けられた内フィンである。

図１において、舶用一軸二舵システム１０は、一軸のプロペラ１（図示しない）と、プロペラ１の後方でプロペラ１の軸心１Ｃを挟んで略鉛直面内に配置されるＰＯＲＴ側舵（以下、左舵という）２ＬおよびＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵（以下、右舵という）２Ｒと、左舵２Ｌの内側２４Ｌに設置される左舵内側の内フィン（以下、左内フィンという）と、右舵内側２４Ｒに設置される右舵内側の内フィン（以下、右内フィンという）とを有している。なお、従来のシステムにおける図１（ｂ）においては、左内フィン３Ｌ、右内フィン３Ｒ、本発明における図１（ｃ）においては、左内フィン４Ｌ、右内フィン４Ｒにて表示されている。

図２に示されるように、従来型の内フィンの上面視形状は略梯形を呈しており、これに対し本発明の内フィンの上面視形状は半円形状を呈している。本発明の半円形状の内フィンの形状は、前記舵の操舵旋回時に内フィンの先端が相対する対の舵面および内フィン周面に干渉しない範囲において、操舵旋回の旋回中心を中心とする最大の半円形円弧に形成することを特徴としている。
本実施の形態１において、舵間の間隔を７．８ｍとし、一対の内フィンと船体中心線位置における最小間隔Δ₀ を７３ｍｍとなるように設計した場合、従来型の右内フィン３Ｒの辺３０、３１、３２で囲まれた上面積３Ａに対し本発明の右内フィン４Ｒの半円外周４０で囲まれた上面積４Ａは、約２０％増加していることがわかる。
また、本発明は上面視形状が半円形状を有していることにより、プロペラ後流れに対して従来の梯形の場合の外周辺のコーナーによる断続的な流れに較べ、フィン外周辺が連続的な円弧であることにより、より円滑な流れを期待し得る。

図３は、舶用一軸二舵システムにおける、従来型の略梯形を呈する一対の内フィンと本願の円弧状の一対の内フィンにおける相互干渉状態を示す比較説明図であるが、二舵の相互の作用角度により従来型の略梯形形状においては一対の内フィン間の間隔は大きく変化するのに対し本発明の半円形状の一対の内フィン間の間隔Δは最小間隔Δ₀ を維持する。
前者は二舵の相互の作用角度位置の変化により間隔Δが大きく変化し、プロペラ後流れに対する内フィンの効果が或程度不連続になることを意味する。 本発明においてはこの不連続性は回避される。

図４は、本発明の舶用一軸二舵システムにおけるプロペラ後流の流入鉛直方向角度分布図である。図４は、プロペラ後流の前進方向速度成分（Ｖｘ）に対する鉛直方向速度成分（Ｖｚ）の割合を角度β＝ａ・ｔａｎ（Ｖｚ／Ｖｘ）で示したものである。図４において、船体中心に対し流速分布は対称では無く偏心しており、また下向きの流れの流入角度は２０°を超えていることがわかる。内フィンはこの流れ分布を想定して設計される。
舵内側に装着された内フィンは、上記のプロペラ後流の断面２次速度成分を回収することにより馬力低減を達成するものである。図４はＡＰ位置での舵がない場合の流向分布であり、船尾から船首方向にみた場合を示している。したがって、左舷側では上昇流（＋の角度）が、また右舷側では下降流（−の角度）が存在する。この流れをプロペラ後方の二舵の内側に装着された内フィンにより効率よく回収するものである。
図５は、前記上昇流、下降流により内フィンが受ける揚力の状態を示す説明図である。
上昇流と下降流がそれぞれの内フィンに揚力を発生させ、その前向き成分が船体を前方に押出す力、すなわちスラスト力（推力）となり、馬力低減をもたらす。

前記揚力Ｌは次の数１で表される。

Ｃ_L は主として内断面形状によって決定される揚力係数であり、断面形状が同じであれば揚力に大きな違いはない。ρは流体（本発明においては海水）の密度であり、Ｖｓは舵が前進する際の海水に対する相対速度であり、Ｓは内フィンの平面積である。したがって、内フィン平面積の増加分に比例して、そのまま揚力の増加分となる。よって、大きな平面積を内フィンに持たすことが 馬力低減に寄与する。
本発明にあっては、前述のごとく平面積形状を半円形状にし、一対の内フィン間の間隙Δ₀ を最小にすることにより、最も大きな内フィン面積Ｓを確保することができる。

また、プロペラ直後に体積を持つ内フィンを配置することにより、排除圧効果による伴流利得を得ることができる。この場合も極力それ自身が抵抗とならず、出来るだけ体積の大きなフィン形状のものを配置することにより、大きな伴流利得を得ることができる。
本発明の内フィンの断面形状は図５にても明かなように翼型で構成されている。本実施の形態１においては、各断面の前から翼弦長４０％の位置において翼弦長の１５％の最大厚さを持つ非対称翼形状を採用している。なお、翼断面形状は非対称翼形状でなく対称形としてもよい。

また内フィンの舵への取り付け角度、即ち図５における迎角αは、船尾から見て左舷側は＋の迎角（前縁が後縁より高くなる方向）とし、右舷側は−の迎角（前縁が後縁より低くなる方向）としている。また、それぞれの迎角αは０度〜１５度程度で、失速角を超えない範囲とする。
これらにより本発明の内フィン自身は大きな抵抗とならずスラスト力を出すことができ、従来型の内フィンより平面積が大きく、また、従来型の内フィンと翼断面形状が同じであれば、体積も大きいと言うことになり排除圧効果も大きくなり、よって伴流利得による馬力低減も大きくなる。

本実施の形態１に基づく内フィンと従来型の内フィンを設けた模型船を用いて、馬力低減率（省エネルギー効果）を船型試験水槽における推進性能試験により求めた結果より、実船に当てはめた推定比較データを表１に示す。
この場合、実船は船長約３００ｍの一軸二舵船型の大型タンカー船として適用した。

表１に示されるように、本発明の内フィンを設けたものは、満載状態および軽荷状態の場合ともに、本実施の形態１による内フィンを用いた場合は従来型のものに較べ約１．５％程度の馬力低減効果が得られている。

本発明は上記の構成により、プロペラ後流の回転エネルギーを効率良く回収して推力に変換することができ、各種船形を問わず省エネルギー効果に優れた舶用一軸二舵システムおよび一軸二舵船舶として広く利用することができる。

舵上面および船体後方から見た一対の舵システムを模式的に示す図、（ａ）従来の内フィン無しの場合の図、（ｂ）従来型の内フィンを付した場合の図、（ｃ）本発明の内フィンを付した場合の図。 従来型の内フィンと本発明の内フィンの上面視形状を比較して示す図。 左舵側内フィンと右舵側内フィンとの相互干渉状態を示す説明図、（ａ）従来型の内フィンの場合の図、（ｂ）本発明の内フィンの場合の図。 本発明の舶用一軸二舵システムにおけるプロペラ後流の流入鉛直方向角度分布図。 上昇流、下降流により内フィンが受ける揚力の状態を示す説明図。

符号の説明

１ プロペラ（外周軌跡のみにて表示）、
１Ｃ プロペラの軸心、
２Ｌ 一対の舵の内のＰＯＲＴ側舵、
２２Ｌ ＰＯＲＴ側舵の外側面、
２３Ｌ ＰＯＲＴ側舵の後側面
２４Ｌ ＰＯＲＴ側舵の内側面、
２Ｒ 一対の舵の内のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵、
２２Ｒ Ｓｔａｒｂｏａｒｄ側舵の外側面
２３Ｒ Ｓｔａｒｂｏａｒｄ側舵の後側面
２４Ｒ Ｓｔａｒｂｏａｒｄ側舵の内側面
３Ｌ 従来のＰＯＲＴ側舵に設けられた内フィン、
３Ｒ 従来のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵に設けられた内フィン、
３Ａ 従来の内フィンの平面積
４Ｌ 本発明のＰＯＲＴ側舵に設けられた内フィン、
４Ｒ 本発明のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵に設けられた内フィン、
４Ａ 本発明の従来の内フィンの平面積
１０ 舶用一軸二舵システム、
３０ 従来の内フィンの外周ライン、
４０ 本発明の内フィンの外周ライン。

Claims (6)

1. 船尾に設置される一軸のプロペラと、該プロペラの後方で該プロペラの軸心を挟んで略鉛直面内に配置される一対の舵とを有する舶用一軸二舵システムであって、
   前記一対の舵のそれぞれの内側面に水平面に対して所定の迎角を具備する内フィンにおいて、該内フィンの平面形状が、前記舵の操舵旋回時に該内フィンの先端が、対の舵面および内フィン周面に干渉しない範囲における、操舵旋回の旋回中心を中心とする最大の半円形円弧により形成されていることを特徴とする舶用一軸二舵システム。
2. 前記内フィンが、鉛直方向で前記プロペラの軸心と略同一高さに設置されることを特徴とする請求項１記載の舶用一軸二舵システム。
3. 前記プロペラの軸心と略同一高さにおけるプロペラ後流が、前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の一方の舵の内側面寄りで略斜め上方向であり、前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の他方の舵の内側面寄りで略斜め下方向であるとき、
   前記一方の舵の内側面に設置される内フィンが、対称または上向きのキャンバーを具備する非対称の翼形状であって、
   前記他方の舵の内側面に設置される内フィンが、対称または下向きのキャンバーを具備する非対称の翼形状であることを特徴とする請求項１または２記載の舶用一軸二舵システム。
4. 前記プロペラの軸心と略同一高さにおけるプロペラ後流が、前記一対の舵に挟まれた範囲の外側および前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の一方の舵の内側面寄りで略斜め上方向であり、前記一対の舵に挟まれた範囲の内側の他方の舵の内側面寄りで略斜め下方向であるとき、
   前記一方の舵の内側面に設置される内フィンが、前方が高くなる仰角を有し、
   前記他方の舵の内側面に設置される内フィンが、前方が低くなる俯角を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の舶用一軸二舵システム。
5. 前記仰角及び俯角が、各０〜１５度で失速角を超えない範囲の角度であることを特徴とする請求項４に記載の舶用一軸二舵システム。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の舶用一軸二舵システムを有することを特徴とする一軸二舵船舶。

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