JP4703244B2 - 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に関する。

従来、船舶の推進効率の向上、船首揺、上下揺および縦揺を抑制する目的で、プロペラの後方で該プロペラの軸心を挟んで左舷舵と右舷舵とを設け、左舷舵の右舷舵側（内側に同じ）と、右舷舵の左舷舵側（内側に同じ）と、にそれぞれフィン（小翼）を設置する船舶用高揚力二枚舵システムが開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−１９３１８７号公報（第３頁、図２）

しかしながら、特許文献１に開示された船舶用高揚力二枚舵システムは、一基のプロペラの後方に一対の高揚力舵を配設し、各舵ブレードの内舷側の面上でプロペラの軸心とほぼ同じ水準位置に前縁部から後方に向けて所定の翼弦長を有する舷フィンを設け、プロペラ翼が上昇方向に回転する舷側に対向する一方の舵ブレードのフィンは流れの上向き方向の成分を有するプロペラ後流によって発生する前進方向推力と抗力の比が最大となる迎え角をなす姿勢を有し、プロペラ翼が下降方向に回転する舷側に対向する他方の舵ブレードのフィンは流れの下向き方向の成分を有するプロペラ後流によって発生する前進方向推力と抗力の比が最大となる迎え角をなす姿勢を有するものである。

このため以下の問題があった。
（あ）プロペラの後流の回転エネルギのうち一対の高揚力舵に挟まれた範囲（内側）の回転エネルギは回収されるものの、一対の高揚力舵に挟まれていない範囲（外側）の回転エネルギは回収されない。
（い）一対の舵ブレードのフィンの迎え角は、それぞれ一方が俯角で他方が仰角になる一律の関係にあるため、プロペラの後流の形態によって推進力が得られない場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プロペラの後流の回転エネルギをより多く回収し、しかも、プロペラの後流の形態に応じて効率良く推進力を得ることができ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目的とする。

（１）本発明に係る舶用一軸二舵システムは、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両側面に水平面に対して所定の迎角を具備するフィンが設置され、
前記一対の舵のうちの一方の舵の両側面に水平面に対して所定の仰角を具備するフィンが設置され、
前記一対の舵のうちの他方の舵には、前記一方の舵に対向する側面に水平面に対して所定の俯角を具備するフィンが設置され、前記一方の舵とは反対の側面に水平面に対して所定の仰角を具備するフィンが設置されることを特徴とする。
（１−２）また、前記迎角が何れも仰角であることを特徴とする。

（２）また、前記フィンが、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。

（３）また、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、
前記前記一対の舵の外側面に設置されるフィンおよび前記一方の舵の内側面に設置されるフィンが、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フィンが、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。

（４）また、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、
前記前記一対の舵の外側面に設置されるフィンおよび前記一方の舵の内側面に設置されるフィンが、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。

（５）また、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、
前記前記一対の舵の外側面および内側面に設置されるフィンが、何れも前方が高くなる仰角を有することを特徴とする。

（６）本発明に係る一軸二舵船舶は、前記（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。

したがって、本発明に係る舶用一軸二舵システムは、一対の舵のそれぞれの両側面に水平面に対して所定の迎角を具備するフィン（合計４枚）が設置されるから、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、各フィンの迎角がプロペラの後流の形態によって調整されるから、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し、顕著な省エネを図ることができる。

［実施形態１］
（舶用一軸二舵システム：右回りプロペラ後流）
図１は本発明の実施形態１に係る舶用一軸二舵システムを模式的に示す背面図である。図１は船首に向かって船尾を見た図であって、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左舵２Ｌおよび右舵２Ｒと、左舵２Ｌの外側２２Ｌ（図中、左側に同じ）に設置される左外フィン３Ａと、左舵２Ｌの内側２４Ｌ（図中、右側に同じ）に設置される左内フィン３Ｂと、右舵２Ｒの内側２４Ｒ（図中、左側に同じ）に設置される右内フィン３Ｃと、右舵２Ｒの外側２２Ｒ（図中、右側に同じ）に設置される右外フィン３Ｄ（以下まとめて「フィン３」と称する場合がある）と、を有している。なお、破線の円１Ｂでプロペラ１のボス直径を、一点鎖線の円１Ｒでプロペラ１の直径を示している。

図２は図１に示す舶用一軸二舵システムの設置形態を模式的に示す側面図であって、（ａ）は左内フィン３Ｂ、（ｂ）は右内フィン３Ｃ（右舵２Ｒを透視している）である。
図２の（ａ）において、左内フィン３Ｂはプロペラ１の軸心１Ｃの高さに設置され、前縁３１Ｂ側が高く後縁３２Ｂ側が低くなるような迎角α（仰角）を有している。そして、左内フィン３Ｂは、非対称の翼形状であって、前縁から翼弦長の４０％の範囲に上向きに翼弦長の４％以上の高さのキャンバーを有している。

図２の（ｂ）は右舵２Ｒを透視したものであって、右内フィン３Ｃはプロペラ１の軸心１Ｃの高さに設置され、前縁３１Ｃ側が低く後縁３２Ｃ側が高くなるような迎角α（俯角）を有している。そして、右内フィン３Ｃは、非対称の翼形状であって、前縁から翼弦長の４０％の範囲に下向きに翼弦長の４％以上の高さのキャンバーを有している。
なお、左外フィン３Ａおよび右外フィン３Ｄは、左内フィン３Ｂに同様である。

図３は図１に示す舶用一軸二舵システムにおけるプロペラ後流の断面速度分布図である。図３は、左舵２Ｌの前縁２１Ｌおよび右舵２Ｒの前縁２１Ｒの位置におけるものであって、矢印で示したような「右回り（船尾から船首方向を見て時計回り）のプロペラ後流」が形成されている。すなわち、プロペラの軸心１Ｃと略同一高さにおいて、左舵２Ｌと右舵２Ｒとの挟まれた範囲の外側に上方向の流れ４Ａおよび４Ｄが、左舵２Ｌの内側面寄り（左舵２Ｌと右舵２Ｒとに挟まれた範囲の内側）に上方向の流れ４Ｂが形成されている。一方、右舵２Ｒの内側面寄り（左舵２Ｌと右舵２Ｒとに挟まれた範囲の内側）に下方向の流れ４Ｃが形成されている。
そして、上方向の流れ４Ａ、４Ｂおよび４Ｄのエネルギが、それぞれ左外フィン３Ａ、左内フィン３Ｂおよび右外フィン３Ｄによって推力として回収され、下方向の流れ４Ｃのエネルギが右内フィン３Ｃよって推力として回収される。

図４は図１に示す舶用一軸二舵システムにおけるフィンの作用を説明する模式図である。図４の（ａ）において、左内フィン３Ｂは、斜め後方上向きの流れ４Ｂ内に配置され、上向きの迎角α（仰角）と上向きのキャンバーを具備するから、図中、白抜き矢印で示す流入速度Ｖによって、揚力ＦＬが発生する。すなわち、揚力ＦＬの水平方向成分として推力ＦＤが得られる。なお、左外フィン３Ａおよび右外フィン３Ｄにおいても、左内フィン３Ｂと同様に推力が得られる。
一方、図４の（ｂ）において、右内フィン３Ｃは、斜め後方下向きの流れ４Ｃ内に配置され、下向きの迎角α（俯角）と下向きのキャンバーを具備するから、図中、白抜き矢印で示す流入速度Ｖによって、マイナスの揚力ＦＬが発生する。すなわち、マイナスの揚力ＦＬの水平方向成分として推力ＦＤが得られる。

以上より、本発明の舶用一軸二舵システム１０は、一対の舵の両側面において合計４枚のフィン３を有しているから、それぞれのフィン３においてプロペラ後流の回転エネルギを回収し、推力を獲得することができる。

［実施形態２］
（舶用一軸二舵システム：右回りプロペラ後流）
図５は本発明の実施形態２に係る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５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（＝ＡＴＡＮ（Ｖｚ／Ｖｘ）で示したものである。図５において、下向きの流れ４Ｃの流入角度が２０°を超えている。

図６は本発明の実施形態２に係る舶用一軸二舵システムの右内フィンを模式的に示す側面図であって、右舵２Ｒを透視している。図６において、舶用一軸二舵システム２０の右内フィン３Ｃはプロペラ１の軸心１Ｃの高さに設置され、前縁３１Ｃ側が高く後縁３２Ｃ側が低くなるような迎角α（仰角）を有している。なお、右内フィン３Ｃは非対称の翼形状であって、前縁から翼弦長の４０％の範囲に下向きに翼弦長の４％以上の高さのキャンバーを有している。なお、左外フィン３Ａ、左内フィン３Ｂおよび右外フィン３Ｄは、実施形態１（図２参照）に同じである。

すなわち、右内フィン３Ｃは下方向の流れの大小に応じて、迎角αを変更（俯角から仰角に変更）したものである。たとえば、図５に示すような右舵２Ｒの前縁２１Ｒにおける流入鉛直方向角度が２０°を超えるようなときは、右内フィン３Ｃに対する相対迎角が２０°を超えないように、右内フィン３Ｃ自体の取り付け迎角αを小さくしている。
なお、流入鉛直方向角度はプロペラ作動時の流速方向であり、水槽実験結果による計測、もしくは、ＣＦＤ計算によるシミュレーション結果により決定する。

［実施形態３］
（舶用一軸二舵システム：左回りプロペラ後流）
図７および図８は、本発明の実施形態３に係る舶用一軸二舵システムを模式的に示す背面図および該舶用一軸二舵システムにおけるプロペラ後流の断面速度分布図である。
図７は船尾から船首に向かって見た図であって、舶用一軸二舵システム３０は、左舵２Ｌの外側２２Ｌ（図中、左側に同じ）に設置される左外フィン５Ａと、左舵２Ｌの内側２４Ｌ（図中、右側に同じ）に設置される左内フィン５Ｂと、右舵２Ｒの内側２４Ｒ（図中、左側に同じ）に設置される右内フィン５Ｃと、右舵２Ｒの外側２２Ｒ（図中、右側に同じ）に設置される右外フィン５Ｄ（以下まとめて「フィン５」と称する場合がある）と、を有している。なお、実施の形態１（図１〜図４）と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

図８において、舶用一軸二舵システム３０におけるプロペラ後流矢印で示したような「左回り（船尾から船首方向を見て反時計回り）のプロペラ後流」が形成されている。すなわち、図３に示す右回りのプロペラ後流に面対称の形態を呈し、プロペラの軸心１Ｃと略同一高さにおいて、左舵２Ｌと右舵２Ｒとの挟まれた範囲の外側に上方向の流れ６Ａおよび６Ｄが、右舵２Ｒの内側面寄りに上方向の流れ６Ｃが形成されている。一方、左舵２Ｒの内側面寄りに下方向の流れ６Ｂが形成されている。

そして、上方向の流れ６Ａ、６Ｃおよび６Ｄのエネルギが、それぞれ左外フィン５Ａ、右内フィン５Ｃおよび右外フィン５Ｄによって推力として回収され、下方向の流れ６Ｂのエネルギが左内フィン５Ｂよって推力として回収される。
このとき、実施形態３の左外フィン５Ａ、左内フィン５Ｂ、右内フィン５Ｃおよび右外フィン５Ｄは、それぞれ実施形態１の右外フィン３Ｄ、右内フィン３Ｃ、左内フィン３Ｂおよび左外フィン３Ａと同様の形状であって同様の姿勢に設置されるものであるから、舶用一軸二舵システム３０は舶用一軸二舵システム１０同様の作用効果を奏する。

さらに、実施形態２に説明した舶用一軸二舵システム２０（全てのフィンの前縁側が高く後縁側が低くなるような迎角α（仰角）を有している）は、左回りプロペラ後流においても、右回りプロペラ後流におけるものと同様の作用効果を奏するものである。

［実施形態４］
（一軸二舵船舶）
図９は本発明の実施形態３に係る一軸二舵船舶を模式的に示す背面図である。
図９は船首に向かって船尾を見た図であって、右回りプロペラ後流を形成する船体１００（たとえば、大型肥大船型）に舶用一軸二舵システム１０が設置されている。
したがって、一軸二舵船舶３０は、舶用一軸二舵システム１０が推力を獲得するから、推進のための消費動力が低減し、顕著な省エネ効果を奏する。また、舶用一軸二舵システム２０を設置しても同様の効果が得られるものである。また、左回りプロペラ後流を形成する船体の場合には、舶用一軸二舵システム３０または２０を設置すれば、同様の効果が得られるものである。

図１０は図９に示す一軸二舵船舶の省エネ効果を示す馬力曲線図であって、右回りプロペラ後流を形成する一軸二舵船舶の模型船（一対の舵の両側面にフィン（合計４枚）が設置されている）による水槽試験の実施結果である。なお、比較船として特許文献１に記載された船舶の模型船（一対の舵の内側面にのみフィン（合計２枚）が設置されている）の実施結果を記載している。
図１０から明らかなように、本発明の一軸二舵船舶３０の模型船は比較船の模型船に対して、全速度域において２〜５％程度の省エネ効果が達成されている。

本発明は以上の構成であるから、プロペラ後流の回転エネルギを効率良く回収して推力に変換することができるから、省エネ効果に優れた各種船形の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。

本発明の実施形態１に係る舶用一軸二舵システムを模式的に示す背面図。 図１に示す舶用一軸二舵システムの設置形態を模式的に示す側面図。 図１に示す舶用一軸二舵システムにおけるプロペラ後流の断面速度分布図。 図１に示す舶用一軸二舵システムにおけるフィンの作用を説明する模式図。 本発明の実施形態２に係る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。 本発明の実施形態２に係る舶用一軸二舵システムの右内フィンを模式的に示す側面図。 本発明の実施形態３に係る舶用一軸二舵システムを模式的に示す背面図。 図７に示す舶用一軸二舵システムにおけるプロペラ後流の断面速度分布図。 本発明の実施形態３に係る一軸二舵船舶を模式的に示す背面図。 図７に示す一軸二舵船舶の省エネ効果を示す馬力曲線図。

符号の説明

１ プロペラ
１Ｂ ボス直径（プロペラ）
１Ｃ 軸心（プロペラ）
１Ｄ プロペラ直径
２Ｌ 左舵
２Ｒ 右舵
３Ａ 左外フィン(右回りプロペラ後流)
３Ｂ 左内フィン(右回りプロペラ後流)
３Ｃ 右内フィン(右回りプロペラ後流)
３Ｄ 右外フィン(右回りプロペラ後流)
４Ａ プロペラ後流(右回り)
４Ｂ プロペラ後流(右回り)
４Ｃ プロペラ後流(右回り)
４Ｄ プロペラ後流(右回り)
５Ａ 左外フィン(左回りプロペラ後流)
５Ｂ 左内フィン(左回りプロペラ後流)
５Ｃ 右内フィン(左回りプロペラ後流)
５Ｄ 右外フィン(左回りプロペラ後流)
６Ａ プロペラ後流(左回り)
６Ｂ プロペラ後流(左回り)
６Ｃ プロペラ後流(左回り)
６Ｄ プロペラ後流(左回り)
１０ 舶用一軸二舵システム（実施形態１、右回りプロペラ後流)
２０ 舶用一軸二舵システム（実施形態２、右回りプロペラ後流)
３０ 舶用一軸二舵システム（実施形態３、左回りプロペラ後流)
２１Ｒ 前縁（右舵）
２２Ｌ 外側（左舵）
２２Ｒ 外側（右舵）
２４Ｌ 内側（左舵）
２４Ｒ 内側（右舵）
３１Ｂ 前縁（右内フィン）
３１Ｃ 前縁（左内フィン）
３２Ｂ 後縁（右内フィン）
３２Ｃ 後縁（左内フィン）
１００ 一軸二舵船舶（実施形態４）
α 迎角
β 角度
ＦＤ 推力
ＦＬ 揚力
Ｖ 流入速度

Claims (7)

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両側面に水平面に対して所定の迎角を具備するフィンが設置され、
   前記一対の舵のうちの一方の舵の両側面に水平面に対して所定の仰角を具備するフィンが設置され、
   前記一対の舵のうちの他方の舵には、前記一方の舵に対向する側面に水平面に対して所定の俯角を具備するフィンが設置され、前記一方の舵とは反対の側面に水平面に対して所定の仰角を具備するフィンが設置されることを特徴とする舶用一軸二舵システム。
2. 前記迎角が何れも仰角であ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、
   前記前記一対の舵の外側面に設置されるフィンおよび前記一方の舵の内側面に設置されるフィンが、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フィンが、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３の何れかに記載の舶用一軸二舵システム。
5. 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、
   前記前記一対の舵の外側面に設置されるフィンおよび前記一方の舵の内側面に設置されるフィンが、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４の何れか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、
   前記前記一対の舵の外側面および内側面に設置されるフィンが、何れも前方が高くなる仰角を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の舶用一軸二舵システム。
7. 請求項１乃至６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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