JP4515471B2 - 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、プロペラ軸高さを中心に、左右舷で高さ方向に段違いの位置に小翼を配置して、それぞれの翼が互いに干渉しない範囲においてそれぞれの小翼の面積を大きくとることにより、通常の配置による小翼の面積より大きな面積をもって、より大きな省エネルギー効果をもたらす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に水平面に対して所定の角度を具備する一対の左内フィンと右内フィンを、プロペラ軸中心高さ近傍において、それぞれプロペラ軸中心高さより所定の距離をもって上下方向段違いに配置し、且つ、対の舵の可動範囲に対しお互いに干渉を避ける平面形状により形成されており、さらに前記内フィンの平面形状が、１対の舵間の間隔Ａで配置された対の舵の一方の舵の可動範囲Ｂに対して、他方の舵に設けられた内フィンの外縁が干渉しない領域の最大円の円弧形状、または該円弧形状に内接する多角形状としたものである。
（２）上述の（１）において、前記一対の内フィンのそれぞれプロペラ軸中心高さより上下方向に段違いに配置される所定の距離を、小翼の最大翼厚さＴの１０％〜５００％の距離としたものであり、
（３）上述の（１）または（２）において、前記内フィンの平面形状において、前記最大円の円弧形状に内接する多角形状を台形形状としたものである。

さらに本発明における舶用一軸二舵システムは、
（４）上述の（１）〜（３）において、前記プロペラ軸中心に対する、左内フィンと右内フィンの段違いの上下偏倚方向および位置は、プロペラ後流の断面２次速度分布による上昇流及び下降流の小翼における揚力が略バランスする方向および位置として特定されるものであり、
（５）上述の（１）〜（４）において、前記プロペラ後流が、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ものであり、
（６）上述の（１）〜（５）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ものであり、
（７）上述の（６）において、前記仰角及び俯角を、各０〜１５度で失速角を超えない範囲の角度としたものである。

また、本発明の一軸二舵船舶は、
（８）上述の（１）〜（７）の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、本発明は前記対の内フィンを段違いに配置し、且つその平面形状を、対の舵との干渉を避けた最大限の半円形状円弧、または該半円形状に内接する多角形状、特には台形形状とし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、対の内フィンを段違いに配置し、且つその平面形状を、対の舵との干渉を避けた最大限の半円形状円弧、または該半円形状に内接する多角形状、特には台形形状として構成することにより、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）は本実施の形態１における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実施の形態１における内フィンの上面視平面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）は本実施の形態１における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は本実施の形態１のＰＯＲＴ側舵に設けられた内フィン、４Ｒは本実施の形態１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、本実施の形態１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。

本実施の形態１の内フィンの上面視平面形状は、対の舵に対し干渉しない範囲における最大半円形状に内接する多角形の内、特には台形形状を呈する場合である。
本実施の形態における台形形状の内フィンは、一般的に形状が単純で、設計、製造がし易く、且つ従来台形形状内フィンによる多くの実績を重視して選択され、さらに平面積をより大きくしたところに特徴がある。
すなわち、図２に示されるように、従来型の内フィンの上面視平面形状は略台形形状に対し 本実施の形態１においては、対の内フィンを段違いに配設し、且つ内フィンの形状を、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縁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して形成される最大の半円形円弧に内接する多角形、特には台形形状に形成したものである。

また、対の内フィンに与えられる段違い距離は、前記一対の内フィンのそれぞれプロペラ軸中心高さより上下方向に段違いに配置される所定の距離Δを、内フィンの最大翼厚さＴの１０％〜５００％の距離とし、舵を切った場合に互いに干渉しない量としたものである。
段違いに配置される所定の距離Δが最大翼厚さＴの１０％を割ると、対の内フィン同士の接触の可能性が生じ好ましくない。
また、段違いに配置される所定の距離Δが最大翼厚さＴの５００％を超すと、後述するプロペラ後流れによる推力が十分に利用できない。

本実施の形態１において、対の舵間の間隔を５．１ｍとし、一対の内フィンの断面を翼舷長４０％の位置における厚さとして翼舷長の１５％の最大厚さを有する非対称断面の翼とした場合、従来型の内フィンに対して、本実施の形態１の平面積は、約４５％も大きくなっていることがわかる。
また、図３に舵間隔を１０．２ｍとし、内フィンと舵との最小間隔を１００ｍｍとなるように設計した場合の従来型と本実施の形態１における、相互干渉状態を示している。これにより、大きな平面積を期待できることがわかる。

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。

図６は、本実施の形態１における、台形形状により形成される内フィンの外縁形状の設計手順を説明する図である。
また、図７は、本実施の形態１における、台形形状の形成に対し設計的にまた製造上より構成し易い内フィンの場合についての設計手順を示す説明図である。

図６により、本実施の形態１における内フィンの設計手順を以下説明する。
（ａ）対の舵間の間隔Ａに配置された２枚の舵の一方の舵の可動範囲Ｂに対して干渉しないような領域の最大円Ｃを描く。
（ｂ）舵前端Ｄと舵後端Ｅから円Ｃの内部で最大の面積を確保できるように内フィン外形状Ｆを描く。このとき舵の中心線と内フィンの前縁４０のなす角度Ｇを４０゜〜９０゜の範囲とし、また舵の中心線と内フィンの後縁４２のなす角度Ｈを４０゜〜９０゜の範囲とする。

図７においては、さらにより単純で設計、製造し易い台形形状の場合として、舵間隔ａにおいて舵長さｂの２枚の舵２Ｌ、２Ｒを配置し、互いの舵の可動範囲（図３においては内側角度６０゜、外側角度９０゜）に干渉しない半径の円ｃを描く。次に、舵２Ｒの中心線と８０゜の角度をなす内フィンの前縁４０を舵２Ｒ前端から描き、また舵２Ｒの中心線と６０゜の角度をなす内フィンの後縁４２を舵２Ｒの後端から描く。内フィン前縁４０と可動範囲円ｃの交点からプロペラ軸心に平行にフィン端４１の線を描き、内フィン後縁４２との交点をきめる。
このようにして、図２における本実施の形態１の内フィンの台形形状が求められる。
前述のごとく、舵間隔を１０．２ｍとし、内フィンと舵との最小間隔を１００ｍｍとなるように設計した場合には、従来型に対して本実施の形態１における内フィンの平面積は約４５％の増加が期待できる。

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、本実施の形態１の内フィンを設けたものは、従来型のものに較べ、満載状態で約１．０％アップ、軽荷状態においても約３．５％アップの省エネルギー効果が認められる。

なお、前記プロペラ軸中心に対する、左内フィンと右内フィンの段違いの上下偏倚方向および位置は、図１においては左内フィン４Ｌは右内フィン４Ｒの上方に位置するように配設および位置されている場合を示しているが、プロペラ後流の断面２次速度分布による上昇流及び下降流の左右内フィンによる揚力が、略バランスする方向および位置として特定されるのが好ましい。通常は船型との流体的相互干渉を考慮し、水槽試験結果より左右内フィンのいずれを上にするかが決定される。
また、本実施の形態１では内フィン断面は非対称形の翼形状としたが、対称形の翼形状としてもよい。この場合には、前述のプロペラ後流による揚力について十分考慮されなければならない。

また、内フィンの平面形状については、本実施の形態１においては標準的な台形形状の場合につき述べたが、内フィン外縁が干渉しない領域の最大円の円弧形状、または該円弧形状に内接する任意の多角形状でもよく、また左右内フィンの平面形状が必ずしも同一平面形状でなくてもよい。この場合、前述のプロペラ後流による揚力への考慮ばかりでなく、設計、製造、メンテナンス等のし易さやコストの観点を十分に考慮される必要がある。

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）本実施の形態１の内フィンを付した場合の図。 従来型の内フィンと本実施の形態１の内フィンの上面視平面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）本実施の形態１の内フィンの場合の図。 本実施の形態１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。 本実施の形態１の内フィンの設計手順を示す説明図。 本実施の形態１の特定された内フィンの設計手順を示す説明図。

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 本実施の形態１のＰＯＲＴ側舵に設けられた内フィン、
４Ｒ 本実施の形態１のＳｔａｒｂｏａｒｄ側舵に設けられた内フィン、
４Ａ 本実施の形態１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 本実施の形態１の内フィンの前縁ライン、
４１ 本実施の形態１の内フィンの側縁ライン、
４２ 本実施の形態１の内フィンの後縁ライン。

Claims (8)

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角度を具備する一対の左内フィンと右内フィンを、プロペラ軸中心高さ近傍において、それぞれプロペラ軸中心高さより所定の距離をもって上下方向段違いに配置し、且つ、対の舵の可動範囲に対しお互いに干渉を避ける平面形状により形成されており、さらに前記内フィンの平面形状が、１対の舵間の間隔Ａで配置された対の舵の一方の舵の可動範囲Ｂに対して、他方の舵に設けられた内フィンの外縁が干渉しない領域の最大円の円弧形状、または該円弧形状に内接する多角形状であることを特徴とする舶用一軸二舵システム。
2. 前記一対の内フィンのそれぞれプロペラ軸中心高さより上下方向に段違いに配置される所定の距離が、小翼の最大翼厚さＴの１０％〜５００％の距離であることを特徴とする請求項１に記載の舶用一軸二舵システム。
3. 前記内フィンの平面形状において、前記最大円の円弧形状に内接する多角形状が台形形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の舶用一軸二舵システム。
4. 前記プロペラ軸中心に対する、左内フィンと右内フィンの段違いの上下偏倚方向および位置は、プロペラ後流の断面２次速度分布による上昇流及び下降流の小翼における揚力が略バランスする方向および位置として特定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の舶用一軸二舵システム。
5. 前記プロペラ後流が、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乃至４のいずれか１項に記載の舶用一軸二舵システム。
6. 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５のいずれか１項に記載の舶用一軸二舵システム。
7. 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６に記載の舶用一軸二舵システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の舶用一軸二舵システムを備えたことを特徴とする一軸二舵船舶。

Images