JP4420891B2

JP4420891B2 - 可動フィン付ポッド推進装置

Info

Publication number: JP4420891B2
Application number: JP2005332944A
Authority: JP
Inventors: 正幸小林
Original assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Current assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: JP2007137238A

Description

本発明は、船尾の船底部にストラットを介して回動可能に垂設されるポッド推進装置に関する。

従来、この種のポッド推進装置は、船体船尾の船底部に回動可能に装備されかつ前記船底部から垂直方向に配置された舵を兼ねるストラット（支柱）と、前記ストラットの下端に垂設されたプロペラを含む繭形のポッドとを備えたものが知られている。

そして、ポッド内部には電動モーターが収納されており、この電動モーターによってプロペラが回転するようになっている。また、船尾の船底部の内部には、操舵装置が設けられていて、これらの装置によって舵を兼ねるストラットを最大３６０度回転できるようになっている。
この種の従来のポッド推進装置では、舵を兼ねるストラットが中心線に対して対称の翼断面形状に形成されており、また、ポッド推進装置自体も水からの抵抗を受けないように表面が曲面で形成された繭型状となっている。

ところで、このようなポッド推進装置ではプロペラによって形成される流体の流れ（以下、「プロペラ流」という。）が生じ、プロペラ流は、回転流となってポッド推進装置の表面を螺旋状に流れることとなる。このようなポッド推進装置の表面に螺旋状に流れるプロペラ流は、ポッド推進装置にまとわりつくように流れるため、この水流によってスラストが減少、トルクの増加をもたらし、航行効率の低減を招いていた。

このため、本願出願人はプロペラ流による上述した欠点を解消し、船舶の推進に対する推進効率を向上させるとともに、逆に幾分かの推力も得られるポッド推進装置を提供することを目的とした発明を出願し、当該発明に係る技術は特開２００４−２４９８７４号公報に開示されている。

この技術の概要について図６基に説明する。図６は、特開２００４−２４９８７４号公報に開示されたポッド推進装置の概略を示す側面図である。この図６において、ポッド推進装置６０は、船体７０の船尾の船底部７２に回動可能に装備されかつ前記船底部７２から垂直方向に配置された舵を兼ねるストラット７４と、前記ストラット７４の下端に装備されたプロペラ８０を含む繭型のポッド推進装置本体６２と、ポッド推進装置本体６２の左右の舷側に固着されたフィン６４と、から構成されている。

先に説明したように、プロペラ８０の回転によってポッド推進装置６０の表面にプロペラ流Ｖが形成される。すなわち、プロペラ８０は、船体後方から見て時計廻りに回転すると、プロペラ流Ｖの下流にはポッド推進装置６０が位置しているので、プロペラ流Ｖは、図６に示されるように、回転流となってポッド推進装置６０の表面を螺旋状に流れることとなる。したがって、ポッド推進装置６０の右舷側では、上から下後方へ斜めに流れる螺旋状の水流が発生し、ポッド推進装置６０の左舷側では下から上後方へ斜めに流れる螺旋状の水流が発生することとなる。

上記右舷および左舷に固着された設けられたフィン６４、６４は所定の翼形状を有し、かつ、そのフィン６４が、プロペラ流Ｖに対し、所定の仰角を有して設けられているので、船の推進方向に対して、斜めの方向から水流が向けられた場合、そのフィン角度に対して直角方向に揚力が発生するのである。そして、この揚力により、船舶の進行方向に対する推進力を生じさせるようにしたものである。
特開２００４−２４９８７４号公報

しかしながら、プロペラ流Ｖの流れの向きは常に一定ではなく、プロペラの回転数、プロペラのピッチ角が変わると、プロペラ流Ｖのフィン６４への入射角が変化する。そのため、特開２００４−２４９８７４号公報に開示された技術は従来のポッド推進装置に比べて有効にプロペラ流を利用してはいるものの、プロペラの回転エネルギーの回収が十分に行われない場合も生ずる。

そこで、本発明はプロペラ流の流れの向きが変化した場合であっても、最大の推進力が得られるようなポッド推進装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る可動フィン付ポッド推進装置は、円錐頭部の先端にプロペラを備えるポッド推進装置において、前記ポッド推進装置は、船尾の船底部からストラットを介して垂設され、前記円錐頭部の中間域には、断面が翼形状の複数の可動フィンが該円錐頭部の外周に略等間隔かつ垂直に立設され、前記可動フィンは、立設中心を軸として、前記円錐頭部に穿設された貫通孔に水密かつ回動自在に嵌合する円盤状の回動盤表面に垂直に固着され、裏面に歯すじが刻設された前記回動盤と、外周面に歯すじが刻設され、前記回動盤の歯すじと当該外周面歯すじとが咬合する傘状環状歯車により、前記可動フィンが前記プロペラの回転数及びあらかじめ数値計算により設定したピッチ角と最適なフィン角度に回動することにより周囲に生ずるプロペラ流に対して所定の迎角で対峙することを特徴とする。

本願請求項１に係る発明によれば、ポッド推進装置を構成する円錐頭部の先端にプロペラが具えられている。すなわち、従来のポッド推進装置では、円錐頭部にプロペラの羽根が固着され、円錐頭部自体が回動するように構成されているが、本願発明では円錐頭部の先端部にプロペラの羽根を固着していて、従来どおり円錐頭部全体を回動させても良いが、円錐頭部を固定部と回動部の２つに分けて先端部のみを回動させることもできる。
そして、可動フィンはポッド推進装置の外周に垂直に立設され、かつ、立設方向に平行な軸を中心として回動するようになっていて、ポッド推進装置周囲に生ずるプロペラ流に対してその幅方向を所定の迎角で対峙させることにしているから、プロペラ流の流れの向きに対する可動フィンの迎角を最適なものとすることが可能である。したがって、プロペラの回転数，ピッチ角と最適なフィン角度の関係は、あらかじめ数値計算等により設定しておくことにより、プロペラ回転流のフィンへの入射角に応じて最適な迎角をつけることでき、プロペラ回転エネルギーの回収率を上げることができる。

また、本願請求項１に係る発明によれば、可動フィンは円錐頭部の固定部に立設されている。すなわち、可動フィンはプロペラに近接して設けられている。前述したプロペラ流はプロペラに近いほど強く安定しているので、可動フィンをプロペラに近接して設けることにより、可動フィンの効果はより強く発揮されることになる。

そして、本願請求項１に係る発明によれば、複数の可動フィンをプロペラの回転数に応じて回動させることとしている。プロペラの回転数の把握は容易であり、ポッド推進装置の周面に設置したセンサーによりプロペラ流の向きを把握するよりも仕組みを単純化することができ、メンテナンスも容易になる。

さらに、本願請求項１に係る発明によれば、可動フィンは、ポッド推進装置に穿設された貫通孔に水密かつ回動自在に嵌合する回動盤の表面に垂直に固着されている。すなわち、回動盤に可動フィンの基端部を固着しているから、回動盤と可動フィンの接合部の剛性も高くなって、可動フィンが受ける水圧に十分耐えることができ、耐用期間の長い可動フィンを提供することができる。

また、本願請求項１に係る発明によれば、表面に可動フィンが固着された回動盤は、ポッド推進装置に内蔵された環状歯車に咬合することにより連動して回動することとしている。
複数の可動フィンをプロペラ流の向きに応じて連動して回動させることにより、プロペラ流の向きはポッド推進装置の両側面、底面、上面で略同一であるから、一の可動フィンの向きをプロペラ流に対して最適なものとすれば、すべての可動フィンの向きもプロペラ流に対して最適なものとなる、という効果を得ることができる。
また、可動フィンを回動させる方法として、ポッド推進装置に内蔵された環状歯車と回動盤に刻設された歯車とを咬合させる手段を採用している。この手段は構造が簡単であり、咬合部分の遊びを少なくすることができ狂いも生じないから、経済的であり、メンテナンスも容易であるという効果を有する。

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、実施例に係るポッド推進装置の側面図、図２は、実施例に係るポッド推進装置の構造概略図であって、図２（ａ）は同ポッド推進装置の構造概略側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部斜視拡大図、図３は、実施例に係るポッド推進装置のプロペラ流と可動フィンの説明図であって、図３（ａ）はプロペラ流の向きが角度α_１における右舷側側面図、図３（ｂ）はプロペラ流の向きが角度α_１における左舷側側面図、図３（ｃ）はプロペラ流の向きが角度α_２における右舷側側面図、図４は、実施例に係るポッド推進装置と従来のポッド推進装置の比較説明図であって、図４（ａ）は実施例に係るポッド推進装置におけるプロペラ流と可動フィンの関係説明図、図４（ｂ）は従来のポッド推進装置におけるプロペラ流と可動フィンの関係説明図、図５は可動フィンの回動フローチャートである。

図１ないし図４において、符号１０は実施例に係るポッド推進装置、符号２０はポッド推進装置本体、符号２２は円錐頭部、符号２２１は固定部、符号２２２は回動部、符号２４は円筒部、符号２６は円錐後部、符号３０は推進部、符号３２はプロペラ駆動モーター、符号３４はプロペラ軸、符号４０はプロペラ、符号４２はプロペラの羽根、符号５０は可動フィン、符号５２は可動フィン本体、符号５４は可動フィン回動盤、符号５６は環状歯車、符号５８は支持歯車、符号６０は従来のポッド推進装置、符号６４は従来のフィン、符号７０は船体、符号７２は船底部、符号７４はストラット、符号８０は従来のプロペラ、である。なお、図６を基に特開２００４−２４９８７４号公報に開示されたポッド推進装置（ここでは「従来のポッド推進装置」としている。）について説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付している。

まず、実施例に係るポッド推進装置１０の構成について、図１および図２を基に説明する。
ポッド推進装置１０は、主として、ポッド推進装置本体２０、プロペラ４０、可動フィン５０およびポッド推進装置本体２０に内蔵される推進部３０から構成されていて、船尾の船底部７２からストラット７４を介して垂設されている。なお、ストラット７４が舵を兼ねていることは、前述したとおりである。

ポッド推進装置本体２０は、先端部に位置する略円錐状の円錐頭部２２、中間部に位置する円筒状の円筒部２４および後端部に位置する半球状の円錐後部２６とから構成されていて、全体形状が略繭形となっている。さらに、円錐頭部２２は、円筒部２４側に位置する固定部２２１と先端部に位置する回動部２２２とから構成されている。
そして、回動部２２２には、その外周面に複数のプロペラの羽根４２、４２、・・・が固着されていて、回動部２２２と複数のプロペラの羽根４２、４２、・・・により、プロペラ４０が構成されている。また、ポッド推進装置本体２０内部には、推進部３０が収納されていて、推進部３０は、プロペラ駆動モーター３２とプロペラ軸３４とから構成されている。そして、プロペラ軸３４は、プロペラ駆動モーター３２の回転体（図示外）と前述したプロペラ４０とを連結している。

可動フィン５０は、可動フィン本体５２と円盤状の可動フィン回動盤５４とから構成されていて、可動フィン本体５２は可動フィン回動盤５４に略垂直に立設固着されている。そして、可動フィン回動盤５４は、円錐頭部２２の固定部２２１に穿設された嵌合孔に回動自在かつ水密に嵌合していて、実施例においては４つの可動フィン回動盤５４、５４、・・・がポッド推進装置本体２０の右舷側、左舷側、下面側および上面側に配設されている。本実施例では、可動フィン５０も回動盤５４も鋼製であるので溶着している。
なお、可動フィン本体５２の回動軸を円錐頭部２２に貫通孔を穿設し、その貫通孔に回動自在に嵌合させても良いことはもちろんであるが、この場合、可動フィン本体５２は回動軸により支持されていることになるから、可動フィン本体５２の回動軸には曲げ応力が働き、本実施例のように、可動フィン回動盤５４に立設固着される場合よりも、剛性の面で劣ることになる。

可動フィン本体５２の断面は一面が緩やかなカーブを呈し、他面が略直線状を呈する凸レンズ状のいわゆる翼の断面状であり、最大厚み部は中心部よりもプロペラ４０側に位置するように固定部２２１に取着されている。そして、この可動フィン４０が固定部２２１に取着された状態において、可動フィン本体４２の側面視は基端部を底辺とし先端部を上辺とする台形状を呈していて、その先端部となる台形の上辺は略水平となっている。

ポッド推進装置本体２０内には、プロペラ軸３４の回転軸を中心として回動するリング状の環状歯車５６が、回動自在に複数の支持歯車５８に支持されていて、環状歯車５６の外周面は、固定部２２１の傾きに対応した勾配を有し、その表面には歯すじが刻設されることにより、環状歯車５６はかさ歯車状となっている。一方、固定部２２１に穿設された嵌合孔に回動自在かつ水密に嵌合する可動フィン回動盤５４は、その裏面（可動フィン本体５２が固着された面とは反対側の面）の周縁部に中心に対して放射状に歯すじが刻設された歯車となっている。そして、環状歯車５６の歯すじと４つの可動フィン回動盤５４の歯すじとが咬合することにより、可動フィン回動盤５４が回動すると、可動フィン回動盤５４、５４、・・・が連動して回動するようになっている。

なお、円錐頭部とは、略円錐状を呈するポッド推進装置１０の先端部分をいい、その後に配置される。また、プロペラ流とは、高速回転するプロペラによってポッド推進装置１０の周囲に生ずる安定した水の流れをいう。さらに、迎角とは、可動フィン本体５２の前端部および後端部を結ぶ幅方向の線とプロペラ流との成す挟角をいい、所定の迎角とは、後述する可動フィン本体５２の揚力の水平分力が最大となる迎角をいう。
また、可動フィン本体５２の断面は、翼形状に形成されている。ここにいう翼形状とは、一面が緩やかなカーブを呈し他面が略直線状を呈する凸レンズ状であって、飛行機の翼の断面に近似した形状をいう。この形状により可動フィン本体５２の緩やかなカーブを呈する面には揚力が発生し、後述するように、この揚力の分力がプロペラ流の上流側に向くことになるから、揚力の分力が船舶の推進方向に一致することになる。

つぎに、実施例に係るポッド推進装置１０の作用について、図３および図４を基に説明する。
図３および図４において、符号Ｖはプロペラ流、符号αは可動フィン５０の水平面に対する角度、符号βはプロペラ流Ｖの水平面に対する角度、符号Ｌは可動フィン５０の揚力、符号Ｆは揚力Ｌの水平方向の分力である。

プロペラ４０は、船体７０の船尾側から見て時計廻りに回転しており、しかも、プロペラ４０の船尾側にポッド推進装置本体２０が位置しているので、ポッド推進装置本体２０の周囲に発生するプロペラ流Ｖは、図３に示すように、回転流となってポッド推進装置１０の表面を螺旋状に流れることになる。すなわち、ポッド推進装置の１０の右舷側（図３（ａ）参照）では、上から下後方へ斜めに流れる螺旋状のプロペラ流Ｖが発生し、ポッド推進装置１０の下面側では右から左後方へ斜めに流れ、同ポッド推進装置１０１の左舷側（図３（ｂ）参照）では下から上後方へ斜めに流れる螺旋状のプロペラ流Ｖが発生することとなる。このプロペラ流Ｖは、プロペラの回転数が変わればその向き（β）も変わり、プロペラの回転数が一定であればその向き（β）も一定になる。

なお、可動フィン５０による推進力をより効果的に発揮させるためには、プロペラ流Ｖの流れの向きを的確に把握する必要がある。このプロペラ流Ｖの流れの向きを的確に把握する方法として、ポッド推進装置本体２０の周面に設置したセンサーによっても把握することは可能である。しかし、プロペラ流Ｖの流れの向きは、プロペラ４０の回転数およびプロペラ４０のピッチ角により変化するが、プロペラ４０のピッチ角は当該船舶に固有のものであるから、プロペラ流Ｖの流れの向きは、専らプロペラ４０の回転数に応じて変化することになる。そして、プロペラ４０の回転数は、ポッド推進装置本体２０に内蔵されたプロペラ駆動モーター３２の回転数であるから、本実施例においては、プロペラ駆動モーター３２に回転体の回転数を把握するセンサー（図示外）を添設している。

ここで可動フィン５０の作用、および、水平面に対する角度αとプロペラ流Ｖの水平面に対する角度βとの関係について説明する。なお、可動フィン５０の水平面に対する角度αとは、可動フィン本体５２の断面における前端部と後端部とを結んだ線と水平面との成す挟角をいう。
いま、プロペラ４０がある一定の回転数で回転しているときのプロペラ流Ｖの角度βを角度β_１、そのときの可動フィン５０の角度αを角度α_１とし（図３（ａ）、（ｂ）および図４（ａ）の１参照）、プロペラ４０が他の一定の回転数で回転しているときのプロペラ流Ｖの角度βを角度β_２、そのときの可動フィン５０の角度αを角度α_２とする（図３（ｃ）および図４（ａ）の２参照）。

前述したように、可動フィン５０は翼に近似した断面を有していて、最大厚み部は中心部よりもプロペラ流Ｖに対して上流側（実施例においてはプロペラ４０側）に位置するように形成されている。このため、プロペラ流を初めとする水流に対して略平行に可動フィン５０を配置させると、プロペラ流は、可動フィン５０の略直線状の面よりも緩やかなカーブ面の方が流れが速くなり、緩やかなカーブ面を流れる水流部分の圧力は略直線状の面を流れる水流部分の圧力より低下し、そこで生じた圧力差から、可動フィン５０には緩やかなカーブ面の方へ引き上げる揚力Ｌが生じる。そして、この揚力Ｌは水平方向の力（Ｆ）と垂直方向の力とに分けることができ、この水平方向の力（Ｆ）が当該船舶の推進方向と一致して推進力Ｆとなる。

ところで、揚力Ｌは角度βを角度αと同値としたときよりも、角度αに所定の角度（迎角）を加えたときにより大きくなる。そして、この揚力Ｌの水平方向の力（Ｆ）が最大となる迎角を、ここでは所定の迎角というが、所定の迎角をΔαとすれば、β＝α+Δα、なる等式が成立する。なお、Δαは可動フィン５０の断面形状により定まる固有値であり、プロペラ流の角度βに対する最適な可動フィン５０の角度αは、あらかじめ数値計算等により設定しておく。

ここで、可動フィン５０と従来のフィン６４との作用の相違について、図４を基に説明する。従来のフィン６４は従来のポッド推進装置６０に角度α_１で固着されていて（図６参照）、この角度α_１はプロペラ流Ｖの角度β_１における可動フィン５０の角度α_１と同一であり、かつ、可動フィン５０の断面形状と従来のフィン６４の断面形状はともに同一であるとする。

プロペラ流Ｖの角度がβ_１の場合は、図（ａ）の１および図（ｂ）の１に示すように、揚力Ｌの大きさや方向が同一であるため、推進力Ｆも同一となる。すなわち、推進力Ｆの大きさは、「図（ａ）の１の場合＝図（ｂ）の１の場合」となる。
プロペラ流Ｖの角度がβ_２（ただし、β_２＞β_１）の場合は、図（ａ）の２に示すように、可動フィン５０の角度α_２は角度α_１よりも大きくなり（α_２＝β_２−Δαでありα_１＝β_１−Δαであって、かつ、β_２＞β_１であるから、α_２＞α_１となる。）、揚力Ｌの大きさは略同一であるため揚力Ｌの水平分力である推進力Ｆは図（ａ）の１における推進力Ｆよりも大きくなる。すなわち、推進力Ｆの大きさは、「図（ａ）の２の場合＞図（ａ）の１の場合」となる。
一方、従来のフィン６４において、プロペラ流Ｖの角度がβ_２の場合は、図（ｂ）の２に示すように、従来のフィン６４の角度α_１は固定されていて不変であるため、揚力Ｌの向きは変わらないが、迎角が大きくなることから、揚力Ｌの大きさは図（ｂ）の１の場合よりも小さくなり、揚力Ｌの水平分力である推進力Ｆは図（ｂ）の１における推進力Ｆよりも小さくなる。すなわち、推進力Ｆの大きさは、「図（ｂ）の１の場合＞図（ｂ）の２の場合」となる。
したがって、図（ａ）の２の場合＞図（ａ）の１の場合＝図（ｂ）の１の場合＞図（ｂ）の２の場合、ということになるから、プロペラ流Ｖの角度βが変化した場合は、可動フィン５０の推進力の方が従来のフィン６４の推進力よりも大きくなるのである。

つぎに、可動フィン５０の回動の仕組みについて、図２および図５を基に説明する。
図２に示すように、環状歯車５６は、プロペラ軸３４を取り囲んだように配設されていて、プロペラ軸３４およびプロペラ駆動モーター３２とは干渉しないように配置されている。そして、環状歯車５６は、複数の支持歯車５８により支持され、複数の支持歯車５８が図示外の支持歯車回動モーターにより回転すると、その回転が環状歯車５６を回転させ、さらに可動フィン回動盤５４に伝達されて可動フィン本体５２が所定の迎角となるようになっている。

そして、可動フィン５０は、以下に示す工程により回動する。すなわち、
（１）プロペラ駆動モーター３２の回転数が所定の範囲を超えると、その変化をプロペラ駆動モーター３２に添設されたセンサー（図示外）が察知する（ステップ１）。
（２）環状歯車４６が察知されたプロペラ駆動モーター３２の回転数に対応する回動角度となるように、支持歯車回動モーター（図示外）に所定時間電流を送る（ステップ２）。
（３）電流が送られることにより、支持歯車回動モーター（図示外）は所定時間稼動する（ステップ３）。
（４）支持歯車回動モーターの稼動により、支持歯車５８が回動し、さらに、環状歯車５６が回動する（ステップ４）。
（５）環状歯車５６の回動により、環状歯車５６と咬合する４つの可動フィン回動盤５４、５４、・・・が回動して、可動フィン５０の水平面に対する角度αが最適のものとなる（ステップ５）。

なお、本実施例では、ポッド推進装置１０のプロペラ４０がストラット７４の船首側に位置するトラクタータイプを示しているが、ポッド推進装置のプロペラがストラット７４の船尾側に位置するプッシャータイプであっても良い。

図１は、実施例に係るポッド推進装置の側面図である。図２は、実施例に係るポッド推進装置の構造概略図であって、図２（ａ）は同ポッド推進装置の構造概略側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部斜視拡大図である。図３は、実施例に係るポッド推進装置のプロペラ流と可動フィンの説明図であって、図３（ａ）はプロペラ流の向きが角度α_１における右舷側側面図、図３（ｂ）はプロペラ流の向きが角度α_１における左舷側側面図、図３（ｃ）はプロペラ流の向きが角度α_２における右舷側側面図である。図４は、実施例に係るポッド推進装置と従来のポッド推進装置の比較説明図であって、図４（ａ）は実施例に係るポッド推進装置におけるプロペラ流と可動フィンの関係説明図、図４（ｂ）は従来のポッド推進装置におけるプロペラ流と可動フィンの関係説明図である。図５は、可動フィンの回動フローチャートである。図６は、特開２００４−２４９８７４号公報に開示されたポッド推進装置の概略を示す側面図である。

符号の説明

１０実施例に係るポッド推進装置
２０ポッド推進装置本体
２２円錐頭部
３０推進部
３２プロペラ駆動モーター
３４プロペラ軸
４０プロペラ
５０可動フィン
５６環状歯車
６０従来のポッド推進装置
６４従来のフィン
７０船体
７２船底部
７４ストラット
８０従来のプロペラ

Claims

円錐頭部の先端にプロペラを備えるポッド推進装置において、前記ポッド推進装置は、船尾の船底部からストラットを介して垂設され、前記円錐頭部の中間域には、断面が翼形状の複数の可動フィンが該円錐頭部の外周に略等間隔かつ垂直に立設され、前記可動フィンは、立設中心を軸として、前記円錐頭部に穿設された貫通孔に水密かつ回動自在に嵌合する円盤状の回動盤表面に垂直に固着され、裏面に歯すじが刻設された前記回動盤と、外周面に歯すじが刻設され、前記回動盤の歯すじと当該外周面歯すじとが咬合する傘状環状歯車により、前記可動フィンが前記プロペラの回転数及びあらかじめ数値計算により設定したピッチ角と最適なフィン角度に回動することにより周囲に生ずるプロペラ流に対して所定の迎角で対峙することを特徴とする可動フィン付ポッド推進装置。