JP4454161B2

JP4454161B2 - 船舶の推進効率向上用ダクト

Info

Publication number: JP4454161B2
Application number: JP2001014681A
Authority: JP
Inventors: 隆江山森; 留男藤本; 功治牧野; 光泰長浜
Original assignee: Universal Shipbuilding Corp
Current assignee: Universal Shipbuilding Corp
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: JP2002220089A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、推進性能の向上を図るために船舶の船尾部近傍に設置するダクトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばタンカーなどの船舶において、推進効率の向上を図るために、船舶の船尾部近傍に取り付けるリング状のダクトがある（例えば特開昭５４−１１５８９２号）。このダクトは、断面形状が翼形となされており、船舶の推進中にダクトの周囲に発生する循環水流を利用して推力を得るものである。
【０００３】
上記したダクトは、ダクトが推力を発生することに伴うプロペラ荷重度の減少による推進性の向上には寄与するが、ダクト後端部の直径の大きさによっては、船殻効率を低下させてしまうといった問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、実開平３−１７９９６号において、船舶の船尾部とプロペラとの間に設けるダクトにおいて、側面視形状がほぼ逆三角形状をなしたリング状ダクトを提案した。
【０００５】
本出願人が実開平３−１７９９６号で提案したダクトによれば、船殻効率及び推進効率を向上させることができ、また、プロペラにおける変動圧力に悪影響を与えることなく、ダクトによる推進効率の向上の増大が図れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らのその後の研究実験によれば、船舶とプロペラの間に実開平３−１７９９６号のダクトを設置した場合、上記したような顕著な作用効果が得られるものの、ダクトの下端部に抗力が生じていることが判明した。
【０００７】
本発明は、上記した本出願人が先に提案した実開平３−１７９９６号のダクト下端部に発生していた抗力を減少させると共に、さらに、ダクトの上半分で発生する推力を一層向上させ、推進性能の向上が図れる船舶の推進効率向上用ダクトを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の船舶の推進効率向上用ダクトは、断面長さ（コード長さ）を、上半分ではほぼ一定とすることで、上半分で生じる推力をより一層向上させ、また、下半分では下方に向かって除々に小さくすることで、下端部で生じる抗力が減少すると共に、さらに、上半分で発生する推力を一層向上させることができ、また、ダクト断面の船長方向に対する迎え角を、上半分では一定とし、下半分では下方に向かって除々に小さく形成することで、全体としての効果を一層向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に係る船舶の推進効率向上用ダクトは、ダクトの断面長さ（コード長さ）を、ダクトを船尾側から見た図１に示すａ〜ｂ，ａ〜ｄの上半分ではほぼ一定とし、またｂ〜ｃ，ｄ〜ｃにおける下半分では下方に向かって除々に小さく形成し、さらに、ダクト断面の船長方向に対する迎え角を、図１に示すａ〜ｂ，ａ〜ｄの上半分では一定とし、ｂ〜ｃ，ｄ〜ｃの下半分では下方に向かって除々に小さく形成したものである。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係る船舶の推進効率向上用ダクトは、上記の構成において、上半分のコード長さについて、ほぼ一定とすることに代えて上方から下方に順に向かって小さくなるようにすると共に、側面視形状を、図１に示すａ〜ｂ，ａ〜ｄの上半分では前方に向かって膨出した曲線状となるコード長さとし、図１に示すｂ〜ｃ，ｄ〜ｃの下半分では前方に向かって窪入した曲線状となるコード長さとし、上半分と下半分の両曲線をなめらかに繋いで形成したものである。
【００１１】
また、本発明の請求項３に係る船舶の推進効率向上用ダクトは、上記の請求項１又は２の構成において、図１に示すｃの下端部の迎え角を、上端部とは逆の角度に形成したものである。
【００１２】
また、本発明の請求項４に係る船舶の推進効率向上用ダクトは、上記の請求項１又は２の構成において、ダクト断面の船長方向に対する迎え角を、図１に示すａ〜ｂ，ａ〜ｄの上半分では一定とし、ｂ〜ｃ，ｄ〜ｃの下半分では下方に向かって除々に小さく形成することに代えて、図１に示すａの上端部から、ｃの下端部に向かって除々に小さく形成したものである。
【００１３】
また、本発明の請求項４に係る船舶の推進効率向上用ダクトは、上記と共に、図１に示すｃの下端部の迎え角を、上端部とは逆の角度に形成したものである。
【００１４】
これら本発明は、本出願人が先に実開平３−１７９９６号で提案したダクト（以下、従来ダクトという）の周方向における流体力分布について本発明者らがさらに研究して得た成果に基づいて成されたものである。研究によれば、従来ダクトは、図７に破線で示すように、上半分で負の抵抗、つまり推力が発生し、一方下端近傍では、抵抗となっている部分があることが判明した。
【００１５】
よって、さらに船舶の推進性能を向上させるためには、（１）推力が発生している上半分でのさらなる発生推力の増加、（２）ダクト下端近傍に局所的に発生する抵抗を減少させる、の２点を考慮して設計すれば目的を達成することができる。
【００１６】
まず、ダクト断面のサイズを大きくすることで、ダクトに作用する流れに対して、ダクト断面で発生する力を大きくすることができる。つまり、推力が発生しているダクトの上半分でのコード長さを大きくすれば、上記（１）の対策となり、発生推力の増加が可能となる。
【００１７】
このとき、ダクトの上半分でのコード長さを極端に長くすることは、摩擦抵抗の増加を招くため、コード長さについては、予め設定したダクトの上端部のコード長さを最大として、それを超えないようにし、また、ダクト形状が歪んでいると渦や剥離の発生要因となり、推力発生の妨げとなるから、周方向のコード長さ変化はなめらかにしている。
【００１８】
次に、図２に示すように、ダクトＰ１右上面から流れが生じているとき、ダクトＰ１の迎え角を反転、つまり図２（ａ）の状態から図２（ｂ）のようにすることで、ダクトＰ１断面に発生する抗力を推力に変えることができる。
【００１９】
よって、上記（２）の対策として、ダクトＰ１の下端部の迎え角を上端部とは逆の角度にしたのである。こうすることにより、ダクトＰ１に作用する力の向きが変わり推力を得ることができる。ただし、周方向におけるダクトの迎え角の変化はなめらかにすることで全体としての効果は一層向上する。
【００２０】
このようにすることで、上記（１）（２）の目的を達成することができ、より一層効果が顕著となるダクトを得ることができた。
【００２１】
【実施例】
以下に、本発明のダクトの採用した実施例を説明すると共に従来ダクトと比較した効果について図３〜図１２を参照して説明する。本実施例におけるダクトＰ１の形状は図３及び図４に示すように構成している。
【００２２】
すなわち、本実施例のダクトＰ１は、船尾側から見たときの断面長さＬ（コード長さＬ）を、図３に示すように下方に向かって除々に小さくしつつも、上半分のコード長さＬの側面視形状を前方に向かって膨出した曲線状として上半分をほぼ一定とし、一方、下半分のコード長さＬの側面視形状が前方に向かって窪入した曲線状に形成している。
【００２３】
さらに、本実施例のダクトＰ１は、断面の船長方向に対する迎え角を、図４に示したように上半分では一定とし、下半分では下方に向かって除々に小さくし、下端部の迎え角を上端部とは逆の角度にした。なお、図４には、ダクトの周方向所定角度で破断したときの断面形状を示している。
【００２４】
一方、本出願人が先に実開平３−１７９９６号で提案したダクト（従来ダクトＰ）の形状は、側面視形状がほぼ逆三角形状となるようにしている。
【００２５】
形状を図５の本実施例ダクトＰ１と図６の従来ダクトＰとで対比すると、本実施例のＡ−Ａ線は従来のＤ−Ｄ線と同形状とし、本実施例のＡ−Ｂ間はほぼ一定のコード長さＬとし、Ｂ−Ｃ間はＣへ向かって順にコード長さＬを小さくしており、Ａ−Ｂ−Ｃ間でコード長さＬをなめらかに変化させているのに対して、従来のＤ−Ｅ−Ｆ間はＦへ向かって順にコード長さＬが小さくなっている。この形状の差によって本実施例のダクトでは発生推力を従来に較べて増加させることができる。
【００２６】
また、本実施例のＣ−Ｃ線は、従来のＦ−Ｆ線と逆の迎え角とすることで、推力を生じるようにしている。さらに、本実施例のＡ−Ａ線と従来のＤ−Ｄ線では、コード長さ（ＬＡ１とＬＤ０）は等しく、本実施例のＢ−Ｂ線と従来のＥ−Ｅ線では、コード長さ（ＬＢ１とＬＥ０）は、ＬＢ１＞ＬＥ０となっており、かつＬＢ１はＬＡ１を超えないようにされている。よって本実施例のＢ−Ｂ線が、従来のＥ−Ｅ線よりコード長さＬが長いことから従来よりも発生推力が大きくすることができる。
【００２７】
さらに、迎え角については、本実施例のＣ−Ｃ線は、従来のＦ−Ｆ線（本実施例のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線）に対して反対とされている。このようにする際にも、本実施例ダクトＰ１は、この迎え角についてもＡ−Ｂ−Ｃ間でなめらかに繋がるように各断面を変化させている。
【００２８】
上記したように形状が異なる本実施例ダクトＰ１と従来ダクトＰとを同条件で船舶に採用した結果、まず、ダクトにおける下端部周方向における局所的な流体力分布は、図７に実線で示すように、同図で破線で示す従来ダクトＰに較べて低減させることができた。なお、図７は横軸にダクトの周角度を、縦軸に抵抗を示す。
【００２９】
本実施例ダクトＰ１は、下端部付近の抵抗も負となり（つまり推力を発生して）、従来ダクトＰで負の抵抗であった（つまり推力を発生していた）２００°〜３６０°，０°〜１３０°部分はさらに推力が大きくなることが判明した。
【００３０】
そして、上記の結果を周方向に積分したものが、図８に示すダクト全体の抗力となるが、本実施例ダクトＰ１は、従来ダクトＰに較べて増加することとなり、よって、本実施例ダクトＰ１が従来ダクトＰに較べて効果が顕著となることが判明した。
【００３１】
また、本実施例ダクトＰ１について、図９に示すような条件のとき、ダクトＰ１の後端部の直径ＤＮが船舶のプロペラ直径ＤＰに対して５０〜８０％の大きさとなるように規定すると共に、ダクトＰ１の後端面とプロペラ外周先端部との水平距離Ｌ０がプロペラ直径ＤＰに対して１０〜３０％となるように規定すれば、先に提案した実開平３−１７９９６号の作用効果をも得ることができる。
【００３２】
ここで、ダクトＰ１の後端部の直径ＤＮをプロペラの直径ＤＰの５０〜８０％とした理由について説明する。図１０には、ダクトＰ１の後端部で計測したプロペラ作動時の、プロペラ半径方向位置ｒにおける流速分布（１−ｗ）ｒを示している。
【００３３】
ダクトＰ１は、流体の速度をダクトＰ１内部で加速させ、外部では減速する作用を有するため、プロペラの直径ＤＰより大きいダクトＰ１では、加速された流体がプロペラ全面に亘り、流体が加速してプロペラ面の平均流速（１−ｗ）ｗ１は、ダクトＰ１がない場合の平均流速（１−ｗ）ｗ０より大きくなり、よって船殻効率を低下させる。
【００３４】
図１０及び図１１に示す計測例では、ＤＮ／ＤＰ＞０．８の場合、図１０（ｃ）に示すようにダクトＰ１による減速作用を受ける流れはプロペラ先端部に限定され、全体としては平均流速（１−ｗ）ｗが大きくなる。また、ＤＮ／ＤＰ＜０．５の場合図１０（ａ）に示すようにプロペラ先端部の流れは減速作用を受けなくなり、全体としてダクトＰ１がない場合の平均流速値と同程度となる。
【００３５】
従って、プロペラ面に流入する平均流速から見た効率は、図１１に示すように、ＤＮ／ＤＰが０．５〜０．８の間で最大となることから、上記のように規定したのである。なお、図１０（ｂ）はＤＮ／ＤＰが０．５〜０．８の間の最適値を示し、また、Ｗ１（実線）はダクトＰ１を有した場合、Ｗ０（破線）はダクトＰ１が無い場合を意味する。
【００３６】
また、船殻効率ηｈは（１−ｔ）／（１−ｗ）で表され、（１−ｔ）に及ぼすダクトＰ１直径の影響はプロペラの発生スラストが一定であれば小さく、平均流速（１−ｗ）が小さいほど船殻効率が良くなり、平均流速（１−ｗ）の低下に伴うプロペラ効率の低下を上回る推進効率の向上を図ることができる。
【００３７】
次に、ダクトＰ１の後端面とプロペラの外周先端部との距離Ｌ０をプロペラ直径ＤＰの１０〜３０％とした理由について説明する。図９に示すように、ダクトＰ１後端面とプロペラ外周先端部との距離Ｌ０が小さいほど、循環流の強さΓが大きくなるため、推進効率への寄与は大きくなる。
【００３８】
これは、ダクトＰ１が無いときの所要動力をＰＳ０、ダクトＰ１が有るときの所要動力をＰＳＮとすると、図１２に示す傾向を示す。ただし、距離Ｌ０がプロペラ直径ＤＰの３０％より大きくなると、循環による減速効果が減少すると共に、減速された流れのプロペラに流入する割合が減るため、ダクトＰ１の摩擦抵抗がこれらの効果に対して顕著となり、所要動力ＰＳＮはむしろ大きくなる。このため、Ｌ０／ＤＰは０．３より小さくする必要がある。
【００３９】
一方、プロペラ面内の前方にこのような流れを変化させるダクトＰ１を配置すると、プロペラ・キャビテーションや変動圧力に影響を及ぼすことがある。この変動圧力をキャビテーション・タンクで計測した結果も図１２にて説明する。
【００４０】
図１２によれば、ダクトＰ１が無いときのプロペラ直上での変動圧力をΔＰ０、ダクトＰ１が有るときの変動圧力をΔＰＮとすれば、Ｌ０／ＤＰが０．１より小さくなると、ダクトＰ１の影響が悪く作用するが、それより大きくなるに従い、ダクトＰ１により変動圧力の大きさが減少することが明らかとなった。従って、Ｌ０／ＤＰを０．１〜０．３の範囲とし、上記のように規定したのである。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の船舶の推進効率向上用ダクトは、下端での迎え角の変更により、抵抗となっていた力を推力に変更することができ、上半分でのコード長さを長くすることで発生推力を増加させることができ、また、下端部分においても部分的な発生推力を増加させることができる。さらに、ダクトのコード長さの最大値を極端に変更しないから、摩擦抵抗の増加が抑制され、また、コード長さの変化やダクトの迎え角を周方向になめらかに変化させることにより、ダクト周辺の流れの急激な変化（剥離や渦の発生）が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトを船尾側から見た状態を示す図である。
【図２】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトの下端部において迎え角を変化させたときの力の状態を示す図である。
【図３】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトを側面から見た状態を示す図である。
【図４】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトを周方向所定角度で破断したときの断面形状を示す図である。
【図５】本発明の効果を説明するために用いた本実施例における船舶の推進効率向上用ダクトを示す図である。
【図６】本発明の効果を説明するために用いた従来のダクトを示す図である。
【図７】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトと従来のダクトとを比較した流体力分布状態を示す図である。
【図８】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトと従来のダクトとを比較した発生抗力状態を示す図である。
【図９】本発明の船舶の推進効率向上用ダクトの変形例において用いる条件を説明するための図である。
【図１０】プロペラ半径方向位置と流速変化との関係を示す図である。
【図１１】プロペラ直径に対するダクト後端部直径比と流速比との関係を示す図である。
【図１２】プロペラ直径に対するノズル後端面とプロペラ外周先端部との水平距離の比と変動圧力比及び所要動力比との関係を示す図である。
【符号の説明】
Ｐ１（船舶の推進効率向上用）ダクト

Claims

船舶の船尾部とプロペラとの間に設けられるダクトにおいて、断面長さ（コード長さ）を、上半分ではほぼ一定とし、下半分では下方に向かって除々に小さく形成し、さらに、ダクト断面の船長方向に対する迎え角を、上半分では一定とし、下半分では下方に向かって除々に小さく形成したことを特徴とする船舶の推進効率向上用ダクト。
上半分のコード長さについて、ほぼ一定とすることに代えて、上方から下方に順に向かって小さくなるように形成し、かつ側面視形状の、上半分は前方に向かって膨出する曲線状で、下半分は前方に向かって窪入した曲線状となし、これら両曲線をなめらかに繋いで形成したことを特徴とする請求項１記載の船舶の推進効率向上用ダクト。
ダクト断面の船長方向に対する下端部の迎え角を上端部とは逆の角度にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の船舶の推進効率向上用ダクト。
ダクト断面の船長方向に対する迎え角を、上半分では一定とし、下半分では下方に向かって除々に小さく形成することに代えて、上端部から下端部に向かって除々に小さく形成し、さらに、ダクト断面の船長方向に対する下端部の迎え角を上端部とは逆の角度にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の船舶の推進効率向上用ダクト。