JP4382120B2

JP4382120B2 - ダクト付きタービンフィン

Info

Publication number: JP4382120B2
Application number: JP2007218153A
Authority: JP
Inventors: 史朗片岡
Original assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Current assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: JP2009051283A

Description

本発明は、船舶用推進装置に関し、とくにプロペラ後方に装着されるタービン翼に関するものである。

プロペラの推進効率はプロペラの回転中心軸付近においては低いことが知られている。そのため、プロペラの回転中心軸付近の推進効率を高めるためにプロペラ後部にプロペラよりも小径のタービン翼を装着するタービンフィン（ターボリング）と呼ばれる技術が提案されている。

この種のタービンフィンについては、特公平８−５４３１号公報や特公平７−１２１７１６号公報に開示のものが知られている。
特公平８−５４３１号公報に開示の技術は、「プロペラ翼の後方にタービン翼を取付けて装置全休のプロペラ効率を改善すること」を目的として、「プロペラ軸（１）にプロペラ翼（２）を装着している舶用推進装置において、前記プロペラ翼（２）の後方に、該プロペラ翼（２）よりも小径のタービン翼（３）をプロペラ翼（２）と同一軸心として装着しており、該タービン翼（３）は、前記プロペラ翼（２）から後方へはき出される水の流速が抑えられる形状とされている」構成により、「プロペラ誘導速度が大きい程、すなわちプロペラ軸後方への流れが速い程、また回転方向につれまわる流れが大きい程効果があり、ここに、プロペラ効率が向上」の効果を奏するというものである。

また、特公平７−１２１７１６号公報に開示の技術は、「ボスキャップ後流における水流を、ハブ渦の発生を減らす方向に案内するための整流板の作用により、ボスキャップ後流のハブ渦が拡散されてプロペラ翼面上の渦による誘起抗力が減少し、その結果トルクを増大させることなくプロペラ特性(推進器効率)の大幅な向上」の目的で、「スクリュープロペラのボスに取付けるキャップであって、（ａ）該プロペラの後側において該ボスに取付けるキャップ本体と、（ｂ）該キャップ本体上に該キャップ本体の周囲に沿って問隔をあけて立設した複数個のフィンとを有し、（イ）該フィンの個数は各プロペラブレードにつき等しく、（ロ）該フィンはプロペラブレード根部の幾何学的ピッチ角εに対して−２０°〜＋３０°の傾きα(−２０°≦α−ε≦３０°)を有し、（ハ）該フィンの前縁はプロペラブレード根部の後縁とプロペラ前後方向に等しいか又はこの後縁より後方であって、隣接するプロペラブレード根部の隙問の位置にあり、そして（ニ）該フィンの該キャップ本体の軸線から最大直径は該ボスのキャップ取付け端部の直径より人でプロペラ直径の３３％以下」の構成により、「トルクを増大させることなくプロペラ特性(推進器効率)を大幅に向上させる」という効果を奏するというものである。

これら従来のタービンフィンの概略について、図６に基づいて概説する。なお、図６は、従来のタービンフィンを備えた船舶の船尾部分の側面図である。
図６に示された従来のタービンフィン３は、複数枚のプロペラ翼３３を有するプロペラ３０の後部にあって、プロペラのハブ３１と、ハブ３１に対して放射状に固着される複数枚のタービン翼１３とからなり、タービン翼１３はプロペラ翼３３とは逆向きのキャンバーを有していて、ハブ３１の船尾側先端は円錐状のキャップとなっている。そして、このタービン翼１３の直径はプロペラ翼３３の直径の略４０％の大きさとなっている。

ここで、従来のタービンフィンの原理について、図７に基づき概説する。なお、図７は、従来のタービンフィンの原理の説明図であって、プロペラ翼３３およびタービン翼１３の断面の相対的な位置関係を示していて、矢印Ｗは水流を示し、矢印Ｖｐはプロペラ翼に生ずるベクトルを示し、実線で示した矢印Ｖｔはタービン翼に生ずるベクトルを示している。また、ベクトル方向については、上向きの垂直方向を「＋」とし、右向きの水平方向を「＋」とする。そして、図７の右側が船首方向、左側が船尾方向である。

プロペラ翼３３は、断面が回転方向とは逆向き（図７においては上向き）のキャンバーを有する翼形であり、プロペラ翼３３の後方（船尾側）にタービン翼１３が位置し、タービン翼１３はプロペラ翼３３とは逆向き（図７においては下向き）のキャンバーを有している。プロペラ翼３３の回転によりプロペラ周りには水流が発生するが、この水流Ｗは図に示すようにプロペラ翼３３の周りに流れ、水流Ｗ_１によりプロペラ翼３３には揚力Ｖｐが発生する。そして、揚力Ｖｐは垂直方向のトルク（＋Ｑ）と水平方向で船首方向に向かうスラスト（＋Ｔ）とに分解することができる。

一方で、タービン翼１３の周りにも水流Ｗ_２が図に示すように流れて、水流Ｗ_２によりタービン翼１３にはプロペラ翼３３の揚力Ｖｐとは逆向きの揚力Ｖｔが発生する。そして、揚力Ｖｔは垂直方向のトルク（−Ｑ′）と水平方向で船尾方向に向かうスラスト（−Ｔ′）とに分解することができる。
したがって、タービン翼１３で発生した揚力および抗力はプロペラ翼３３のスラスト（＋Ｔ）およびトルク（＋Ｑ）を何れも減少させる方向に作用し、プロペラ翼３３では、タービン翼１３との相互干渉により僅かにスラストおよびトルクがそれぞれΔＴおよびΔＱ分増加することになる。結果として、タービン翼１３で発生したトルク減少成分の割合がスラスト減少成分の割合より大きくなるため、プロペラ３０の推進効率が良くなることになる。

この従来のタービンフィンの課題点について、図８に基づき概説する。なお、図８は、従来のタービンフィンのタービン翼面に生ずる水流図およびタービン翼の揚力分布図であり、図８（ａ）はタービン翼面に生ずる水流図であり、図８（ｂ）はタービン翼面上の揚力分布図である。

図８（ｂ）は、タービン翼面上の揚力分布を示しているが、タービン翼１３の付け根部であるハブ部からタービン翼１３の先端部であるチップ（Ｔｉｐ）までの揚力の大きさを右方向に向かう矢印の長さで示したものである。この図から分かるように、従来のタービンフィンでは、その翼面に揚力が発生するものの、上下端部のハブ部とチップ（Ｔｉｐ）とでタービン翼１３の揚力が「０」となっている。
すなわち、従来のタービンフィンでは、翼先端部に近づくに従ってトルク及びスラストの減少効果小さくなっており、プロペラ効率の改善効果が十分に得られていないという課題があった。
特公平８−５４３１号公報特公平７−１２１７１６号公報

そこで、本願出願人は鋭意、研究した結果、タービン翼の先端部が揚力「０」となるメカニズムは、図８（ａ）に示すように、タービン翼の先端部（チップ（Ｔｉｐ））では背面から回り込む水流が発生するためであることを突き止め、さらに、タービンフィンの形状を所定の形状とすることにより、プロペラの推進効率が向上することができる、との知見を得た。本願発明は、この知見に基づくものであり、前述したタービン翼の先端部における水流を変えることにより、タービン翼の先端部における揚力損失を無くし、もってプロペラの推進効率を向上させるタービンフィンを提供することを目的とする。

上記課題を達成するため、本願請求項１に係るダクト付きタービンフィンは、ハブに放射状に固着される複数枚のプロペラ翼からなるプロペラの後部にあって、前記ハブに放射状に固着され該プロペラ翼と同数枚のタービン翼と、複数枚の前記タービン翼の先端部同士を連結し該タービン翼が固着され、長さ方向の断面が翼形の円筒状のダクトと、からなり、該タービン翼は該ダクト内に収納され、船舷側から見た前記タービン翼の翼端の見掛け上の翼弦は前記ダクトの長さと略同一に形成され、前記タービン翼のキャンバーの向きは前記プロペラ翼のキャンバーとは逆の向きであり、前記ダクトの翼形の最大翼厚は船首側に位置する、ことを特徴としている。
また、本願請求項２に係るダクト付きタービンフィンは、請求項１に記載のダクト付きタービンフィンであって、前記ダクトの直径は前記プロペラ翼の直径の略２４％〜略３２％であり、該ダクトの船首側に位置する翼形の前縁の直径は船尾側に位置する翼形の後縁の直径よりも略０．５％〜１．０％大きい、ことを特徴としている。

本願発明は上記の構成により、タービン翼の先端部同士を連結して固着する略円筒のダクトを装備し、ダクトの長さ方向、すなわちダクトの船舶中心線に平行な断面形状を翼形とし、翼の最大厚さは船首側に位置するとともに、翼のキャンバーはタービンフィンの中心軸方向に向いて膨らんでいる。そして、プロペラによる縮流（プロペラ後部のプロペラ中心に向かう水流）中に断面が翼形のダクトが位置するため、ダクトに揚力が発生し、前縁推力としてスラストを増加させる。

また、本願発明に係るタービンフィンではダクトによる水流の塞き止め効果によりタービン翼先端部での揚力損失が無くなるとともに、ダクト内面で流速が加速されるため、従来のタービンフィンに比べスラスト、トルク共に大きく減少することになる。そして、スラスト減少分については、前述したダクトの前縁推力によりキャンセルされるため、結果としてトルクのみ大きく減少することになり、プロペラの推進効率が上昇する。

以下、本願発明を実施するための最良の形態に係る実施例について、図１ないし図５に基づいて説明する。なお、図１は、実施例に係るダクト付きタービンフィンの斜視図であり、図２は、実施例に係るダクト付きタービンフィンを備えた船舶の船尾部分の側面図であり、図３は、実施例に係るダクト付きタービンフィンの作用説明の断面図と水流との関係図であり、図３（ａ）は、ダクト付きタービンフィンと水流との関係を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ部拡大図であってダクト付きタービンフィンに作用する揚力の説明図であり、図４は、実施例に係るダクト付きタービンフィンのタービン翼面に生ずる水流図およびタービン翼の揚力分布図であり、図４（ａ）はタービン翼面に生ずる水流図であり、図４（ｂ）はタービン翼面上の揚力分布図であり、図５は、実施例に係るダクト付きタービンフィンを備える船舶のプロペラ翼面と従来のダクト付きタービンフィンを備える船舶のプロペラ翼面に生ずるスラストおよびトルク分布の比較図である。

図１ないし図４において、符号１は実施例に係るダクト付きタービンフィン、符号１１は実施例に係るタービン翼、符号１５はダクト、符号１５１はダクトの前縁、符号１５３はダクトの後縁、符号３０はプロペラ、符号３１はハブ、符号３３はプロペラ翼、符号４１は舵、である。また、Ｗは水流、Ｖｄはダクトに生ずる揚力をベクトルで示している。
なお、従来のタービンフィンについて、図６で説明した要素と同一の要素に対しては、図１ないし図３においても同一の符号を付している。

まず、ダクト付きタービンフィン１の構成について、図１ないし図３に基づき説明する。

本実施例に係るダクト付きタービンフィン１は、回転軸となるハブ３１、ハブ３１から放射状に固着される５枚のタービン翼１１、１１、・・・、およびタービン翼１１、１１、・・・の先端部同士を相互に連結して固着する略円筒のダクト１５から構成されていて、プロペラ３０の後部であって舵４１の前部に装着されている。
なお、プロペラ３０は、従来と同様に、回転軸となるハブ３１およびハブ３１から放射状に固着される５枚のプロペラ翼３３、３３・・・から構成されている。

すなわち、船尾側が閉塞された略円錐状の砲弾形を呈するハブ３１には、船首側に５枚のプロペラ翼３３、３３・・・が放射状に固着され、プロペラ翼３３の後部に、５枚のタービン翼１１、１１、・・・が放射状に固着されている。また、プロペラ翼３３の前縁と後縁とを結ぶ翼弦とタービン翼１１の前縁と後縁とを結ぶ翼弦は、いずれも船首方向に対し右に捻った状態でハブ３１に固着されている（図７参照）。

５枚のタービン翼１１、１１、・・・は、前述したように、ハブ３１から等間隔に放射状に固着されていて、その幅方向に平行な断面は、最大翼厚が船首側に位置する翼形を呈し、プロペラ翼３３とは逆向きのキャンバーとなっている。そして、船舷側から見たタービンハブ３１の見掛け上の幅は翼根（タービンハブ３１との固着部）から翼端（ダクト１５との固着部）にかけて略同一であり、その見掛けの形状は矩形となっている。

タービン翼１１、１１、・・・の先端部を環囲する略円筒のダクト１５の船舶中心線に平行な断面形状は翼形となっていて、翼形の最大翼厚は船首側に位置し、キャンバーはタービンハブ３１方向にやや膨らんだ状態となっている。そして、ダクト１５の直径はプロペラ翼３３の直径の略２４．０％〜３２．０％であり、ダクト１５の船首側の直径、すなわちダクトの前縁１５１が形成する直径は、プロペラ翼３３の直径の略２４．５％〜３２．５％、船尾側の直径は、すなわちダクトの後縁１５３が形成する直径は、プロペラ翼３３の直径の略２３．５％〜３１．５％となっていて、ダクト１５の船首側の直径は船尾側の直径よりも略１．０％大きくなっている。したがって、断面が翼形の前縁（ダクトの前縁１５１）と後縁（ダクトの後縁１５３）とを結ぶ翼弦はタービン翼１１の回転軸線（ハブ３１の中心線）に対して船首方向にわずかに開いた状態になっている。
そして、ダクト１５の幅はタービン翼１１の見掛け上の幅と略同一に形成されている。なお、ダクト１５は、タービン翼１１と一体に構成しても良く、また、別途に製造の上、タービン翼１１にボルト等で固着しても良いものである。

つぎに、ダクト付きタービンフィン１の作用について、図３ないし図５に基づき説明する。

プロペラ３０が回転すると、プロペラ３０の後部にはプロペラ中心軸に向かう縮流Ｗが生ずる。そして、ダクト付きタービンフィン１はプロペラ３０の後部に位置しているため、縮流Ｗの中に置かれることになる。
縮流Ｗの中に置かれたダクト付きタービンフィン１には、主に２つの作用が生ずるが、この作用効果について以下に説明する。なお、縮流Ｗは図面の上・下や図面の手前・奥のいずれもプロペラ中心軸に向かうように流れ、ダクト１６は円筒であるので、以下の説明では、図面の上部に位置するダクト１６およびタービン翼１１を例にして説明するが、当該作用はダクト１６の円筒のすべての部分に生じ、５枚のタービン翼１１、１１、・・・のすべてに生じていることは勿論である。

〔作用１〕
プロペラ縮流Ｗは、図３（ａ）に示すように、斜め右上方から流れてダクト１５の上面に斜めに衝突する。すなわち、ダクト１５により縮流Ｗの流れが塞き止められることにより、従来には生じていたタービン翼１１の先端部であるダクト１５との固着部における揚力損失が無くなる。
このことは、図４（ｂ）と従来のタービンフィンの説明で使用した図８（ｂ）とを比較することにより裏付けられる。なお、図４（ｂ）は、図８（ｂ）同様に、タービン翼面上の揚力分布を示していて、タービン翼１１の付け根部であるハブ部からタービン翼１１の先端部であるチップ（Ｔｉｐ）までの揚力の大きさを右方向に向かう矢印の長さで示したものである。
すなわち、ダクト付きタービンフィン１のタービン翼１１面上の揚力分布は、図４（ｂ）に示すように、タービン翼１１の付け根部であるハブ部においては従来のタービンフィン３と同様に揚力が「０」となっているが、タービン翼１１の先端部であるチップ（Ｔｉｐ）では、従来のタービンフィンの揚力が「０」であるのに対し、ダクト付きタービンフィン１では、タービン翼１１の中間部の揚力よりも小さくなっているものの、揚力は「０」となっていない。これは、従来のタービンフィンでは、図８（ａ）に示すように、タービン翼の先端部（チップ（Ｔｉｐ））で背面から回り込む水流が発生するためであり、ダクト付きタービンフィン１では、図４（ａ）に示すように、ダクト１５による縮流Ｗの流れ塞き止め効果によりタービン翼の先端部（チップ（Ｔｉｐ））での背面から回り込む水流の発生が防止されたことによるものである。

〔作用２〕
前述したように、ダクト１５の断面形状は翼形となっていて、翼形の最大翼厚は船首側に位置し、キャンバーはタービンハブ３１方向にやや膨らんだ状態となっている。図３（ａ）に示すように、このダクト１５の断面形状により、プロペラ縮流Ｗが斜め右上方から流れてダクト１５を通過するときに、ダクト１５には図３（ｂ）に示すように、右下向き方向（プロペラ３０の中心軸方向）の揚力Ｖｄが発生する。
この揚力Ｖｄは水平方向と垂直方向とに分解することができるが、垂直方向の力はダクト１５の中心軸に向かうことになって、ダクト１５が円筒形であるので結果として打ち消され、水平方向のみの力が生ずることになる。この水平方向の力が前縁推力となる。

この〔作用１〕および〔作用２〕の相乗効果により、本願発明では、タービン翼１１の先端部にダクト１５を装備することにより、ダクト１５ではプロペラ縮流Ｗにより前縁推力が発生するとともに、ダクト１５による流れの塞き止め効果によりタービン翼１１の揚力損失が無くなり、また、ダクト１５内面で縮流Ｗの流速が加速されるため、従来のタービンフィン３に比べ、プロペラ翼３３に生ずるスラスト（Ｔ）およびトルク（Ｑ）共に大きく減少することになる。そして、スラスト減少分についではダクトの前縁推力によりキャンセルされるため、結果としてトルクのみ大きく減少することになり、プロペラの推進効率が上昇する。

図５では、ダクト付きタービンフィン１を備える船舶については実線とし、従来のタービンフィン３を備える船舶については点線としていて、Ｒはプロペラ翼の先端部までの半径であり、ｒはプロペラ翼の半径方向の位置を示していて、「０」をハブ部の位置としている。したがって、０≦ｒ≦Ｒであり、０≦ｒ／Ｒ≦１となる。
図５に示すように、ダクト付きタービンフィン１を備える船舶のプロペラ翼に生ずるスラストおよびトルクは半径方向ｒのすべての位置で、従来のタービンフィン３を備える船舶のプロペラ翼に生ずるスラストおよびトルクよりも減少し、ことにトルクについては、大きく減少していることが分かる。前述したように、このトルクの減少分が、プロペラの推進効率の上昇に寄与することになる。

図１は、実施例に係るダクト付きタービンフィンの斜視図である。図２は、実施例に係るダクト付きタービンフィンを備えた船舶の船尾部分の側面図である。図３は、実施例に係るダクト付きタービンフィンの作用説明の断面図と水流との関係図であり、図３（ａ）は、ダクト付きタービンフィンと水流との関係を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ部拡大図であってダクト付きタービンフィンに作用する揚力の説明図である。図４は、実施例に係るダクト付きタービンフィンのタービン翼面に生ずる水流図およびタービン翼の揚力分布図であり、図４（ａ）はタービン翼面に生ずる水流図であり、図４（ｂ）はタービン翼面上の揚力分布図である。図５は、実施例に係るダクト付きタービンフィンを備える船舶のプロペラ翼面と従来のダクト付きタービンフィンを備える船舶のプロペラ翼面に生ずるスラストおよびトルク分布の比較図である。図６は、従来のタービンフィンを備えた船舶の船尾部分の側面図である。図７は、従来のタービンフィンの原理の説明図である。図８は、従来のタービンフィンのタービン翼面に生ずる水流図およびタービン翼の揚力分布図であり、図８（ａ）はタービン翼面に生ずる水流図であり、図８（ｂ）はタービン翼面上の揚力分布図である。

符号の説明

１実施例に係るダクト付きタービンフィン
１１タービン翼
１３ダクト
１５１ダクトの前縁
１５３ダクトの後縁
３０プロペラ
３１ハブ
３３プロペラ翼

Claims

ハブに放射状に固着される複数枚のプロペラ翼からなるプロペラの後部にあって、
前記ハブに放射状に固着され該プロペラ翼と同数枚のタービン翼と、
複数枚の前記タービン翼の先端部同士を連結し該タービン翼が固着され、長さ方向の断面が翼形の円筒状のダクトと、からなり、
該タービン翼は該ダクト内に収納され、
船舷側から見た前記タービン翼の翼端の見掛け上の翼弦は前記ダクトの長さと略同一に形成され、
前記タービン翼のキャンバーの向きは前記プロペラ翼のキャンバーとは逆の向きであり、前記ダクトの翼形の最大翼厚は船首側に位置する、ことを特徴とするダクト付きタービンフィン。
前記ダクトの直径は前記プロペラ翼の直径の略２４％〜略３２％であり、該ダクトの船首側に位置する翼形の前縁の直径は船尾側に位置する翼形の後縁の直径よりも略０．５％〜１．０％大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のダクト付きタービンフィン。