JP4866990B2 - 船体摩擦抵抗低減装置 - Google Patents

Description

本発明は船体摩擦抵抗低減装置に係り、特に喫水線より下位の船体壁面に気泡もしくは空気層を介在させることにより、船体走行時の水抵抗を低減させるための装置に関する。

従来、船舶の走行時の水抵抗を低減するために、船体壁面に気泡や空気層を介在させる方法が種々提案されている。例えば、特許文献１には、船側部から吹き出させる加圧空気を船速よりも速い吹き出し速度として船体の斜め後方へ向けて吹き出させるようにするとともに、船側部で発生させる微小気泡を船底部で発生させる微小気泡よりも小さい直径にして境界層内に送り込む方法が開示されている。

しかし、上述したような方式では、微細な気泡を得ることは困難であるとともに実際上は気泡吹き出しによるエネルギ消費が大きくなって実用性がないという欠点があった。そこで、少ないエネルギ消費で摩擦抵抗を低減し、簡単に実施でき、かつ気泡混合率などを容易に調整できるようにして効果的な摩擦低減を実施できるように、境界層中に気泡水混合流体を斜め後方に向けて噴出させる技術が提案されている（特許文献２）。これは、直接空気を船体壁面から噴出させるのではなく、船体壁面から噴出する前に気泡を液中に噴出させて気泡水混合状態とし、その後に船体壁面から噴出するようにしたものである。水の運動エネルギを利用して境界層内の底層に送り込むようにしている。
特開平１１−２２７６７４号公報 特開平０７−１５６８５９号公報

ところが、上記従来の方法であっても、噴出する水のエネルギにより船首から吹き出した気泡が船体から離れてしまい、境界層への効果を失ってしまうことや、プロペラへ流入して効率を落としてしまう問題があった。特に気泡水混合流体は水のエネルギを主体としているため、これが逆に壁面摩擦抵抗を増大させてしまう可能性があった。

本発明は、上記従来の問題点に着目し、気水混相のマイクロバブルを船体表面から離れないように吹き出して、船体の摩擦抵抗を低減し、省エネ化を実現することができる船体摩擦抵抗低減方法および装置を提供することを目的としている。

本願発明は、船首側から船尾方向に向かう船体壁に沿って気水混相流体をノズルから吹き出すようにするとともに、船速によって規定される境界層の壁面速度勾配を基準にしてそれより小さくなるように前記気水混相流体の吹き出し流速を制御すればよいとの知見に基づいている。

前記気水混相流体は旋回渦流中心に気体を導入して中心気体流管を渦流により剪断させて生成したマイクロバブルを含むものであって、液中にマイクロバブルを分散した状態としてこれを一時的にタンクに収容してからあるいは直接的に前記ノズルに供給するようにすればよい。マイクロバブルは特開２０００−４４７号公報に記載された技術によって生成するようにすることが望ましい。

本発明に係る船体摩擦抵抗低減装置は、気水混相流体を貯留するタンクと、前記タンクからノズルに前記気水混相流体を送給するポンプと、当該ポンプにより送給される気水混相流体を船体壁に沿わせつつ船尾方向への吹き出すノズルとを有し、前記ポンプは船速信号を入力し現船速によって規定される境界層の壁面速度勾配を基準にしてそれより小さくなるようにノズルから吹き出す気水混相流体の流速を制御する制御手段を設けてなることを特徴とする。

前記タンクには、液体による旋回渦流中心に気体を導入して中心気体流管を渦流により剪断させてマイクロバブルを生成する気水混相流体生成手段が接続されていることが望ましい。

上記構成によれば、船速に応じてマイクロバブル吹き出し速度（量）を制御して、境界層を加速せず、安定して摩擦抵抗低減が起こり、省エネ効果が得られる。気水混相のマイクロバブル吹き出し方は、従来の空気吹き出し方式に比べて船体運動の影響を受けにくい、プロペラへの影響がない、密度が水と同様なので船底まで送り込むエネルギがほとんど不要であるなど、優位な点が多い。

以下に、本発明に係る船体摩擦抵抗低減装置の具体的実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
図１は実施形態に係る船体摩擦抵抗低減装置を搭載した船舶の概略説明図である。図１に示すように、船舶１０は推進機１２により自立航行可能とされており、艦橋に設置された推進制御装置（図示せず）により任意の航行速度Ｕで航走できるようになっている。このような船舶１０の特に喫水線より下位の船体外壁面には、液体中にマイクロバブルを混入した気水混相流体１４を船尾方向に向けて吹き出すノズルユニット１６が複数設置されている。一般的には船底面と船側面に船首側から間隔をおいて複数設置するようにすればよい。そして、このようなノズルユニット１６を含む船体摩擦抵抗低減装置１８の主要構成設備２０を図１に破線で囲んで示している。この主要構成設備２０は、気水混相流体を貯留するタンク２２と、前記タンク２２からノズルに前記気水混相流体を送給するポンプ２４を有し、当該ポンプ２４により送給される気水混相流体１４を上記ノズルユニット１６に送給して、各ノズルから船体壁面に沿わせつつ船尾方向へ吹き出させるようにしている。ノズルユニット１６は船体を横断する方向に配列された複数のスリット形のノズルを有しており（図示せず）、１ユニットから複数条の気水混相流体を吹き出す。このノズルユニット１６は船舶１０の横断方向に沿う船底面、船側面に並べて複数配置することが望ましい。またノズルユニット１６の船体長手方向の間隔は、マイクロバブルが消失しない間隔に設定することが望ましい。

前記タンク２２に貯留されている気水混相流体１４は水と気泡の混相体であるが、気泡をマイクロバブル状態にして水に均一に分散させたものとすることで、船体壁面に沿って供給した場合でも気泡が簡単に消失することがなく、船外に吹き出した場合でも気泡が成長して船体壁面から離反することを防止できる。このようなマイクロバブルを生成する気水混相流体生成手段２６が設けられている。これは、液体による旋回渦流中心に気体を導入して中心気体流管を渦流により剪断させてマイクロバブルを生成するものであって、円錐ケーシング２８の接線方向に沿って内部に水を導入する水管３０を設け、円錐ケーシング２８の中心線に沿う空気注入管３１を設けたものである。水による渦流を円錐ケーシング２８内で生成し、中心部に空気流管を導入形成することにより、ケーシング出口で空気流管が渦流により剪断され、水にマイクロバブルが均一に分散した気水混相流体１４ができる。これをケーシング出口ポンプ３２によりタンク２２に送給して一時的に貯留する構成を採用している。

ここで、上述したように、タンク２２に貯留されている気水混相流体１４はポンプ２４によりノズルユニット１６に送られるが、このポンプ２４により供給される気水混相流体１４の吹き出し流速を次のように制御している。すなわち、ポンプ２４を流量制御できる可変制御タイプとし、これを制御部３４によって制御駆動するようにしている。制御部３４は船速信号を船速センサ３６から入力し、ポンプ２４を駆動制御し、ノズルユニット１６のノズルから吹き出す気水混相流体の流速が、船舶１０の現船速によって規定される境界層の壁面速度勾配を基準にしてそれより小さくなるように制御される。上記船速センサとしては、音響、光、磁気方式などを利用したものを適用できる。また、船速センサがなくとも、水槽試験やシミュレーション計算により境界層内速度分布を求めておき、船速や吹き出し位置に応じた最適の吹き出し流速を決めておくことが可能である。

船舶１０の航行中において、上記構成の船体摩擦抵抗低減装置１８を作動する。気水混相流体生成手段２６により、気水混相流体は旋回渦流中心に気体が導入されて中心気体流管が渦流により剪断されてマイクロバブルが生成され、水に均一分散した気水混相流体１４ができる。これがケーシング出口ポンプ３２によって送給され、一時的にタンク２２に収容される。制御部３４は船舶１０の船速信号を入力して、この船速信号から求められる境界層の壁面速度勾配を、現船速によって規定される境界層の壁面速度勾配を基準にしてそれより小さくなるようにポンプ２４を制御し、前記気水混相流体１４の吹き出し流速を調整して前記ノズルユニット１６の各ノズルから吹き出させるのである。

図２は船舶１０の船速に対するマイクロバブルを含む気水混相流体１４の吹き出し速度の影響を試験したグラフである。これは、水槽内速度Ｕ０（船速）とマイクロバブル吹き出し速度ｖをマトリックス的に変えて試験を行い、境界層内速度分布を計測したものである。

水槽内を一様な流速（Ｕ０＝３．０ｍ／ｓ）としておき、
（１）吹き出し速度ｖ＝０ｍ／ｓ（マイクロバブル無し）：黒〇
（２）吹き出し速度ｖ＝２ｍ／ｓ（マイクロバブル：４５Ｌ／ｍｉｎ）：黒△
（３）吹き出し速度ｖ＝４ｍ／ｓ（マイクロバブル：９２Ｌ／ｍｉｎ）：黒□
（４）吹き出し速度ｖ＝１ｍ／ｓ（マイクロバブル：２０Ｌ／ｍｉｎ）：菱形
の場合の境界層を計測した結果である。

これから、これは、ｖ＜Ｕ０の場合には壁面の壁面速度勾配が減少、ｖ＞Ｕ０の場合には壁面近傍の流れが加速されて壁面速度勾配が増加しており、ｖ＜Ｕ０の場合は全抵抗低減し、ｖ＞Ｕ０場合は全抵抗増加していることが解る。

したがって、マイクロバブル方式は気水混相流で、マスが大きいため、境界層を加速しないよう、つまり吹き出し速度（流量）が船速を超えないように制御する必要があることを示している。船首側から船尾方向に向かう船体壁に沿って気水混相流体をノズルから吹き出すようにするとともに、船速から求められる境界層の壁面速度勾配を現船速によって規定される境界層の壁面速度勾配を基準にしてそれより小さくなるように前記気水混相流体の吹き出し流速を制御することにより、マイクロバブルを含む気水混相流体１４を船体壁面から離反させることがなくなって、摩擦抵抗低減効果が大きくなる効果を得ることができる。

本願発明は、水上・水中の航行体としての船舶の走行抵抗低減技術に適用できる。

本発明に係る船体摩擦抵抗低減装置とこれを搭載した船舶の構成図である。 船舶の船速に対するマイクロバブルを含む気水混相流体の吹き出し速度の影響を試験したグラフである。

符号の説明

１０………船舶、１２………推進機、１４………気水混相流体、１６………ノズルユニット、１８………船体摩擦抵抗低減装置、２０………主要構成設備、２２………タンク、２４………ポンプ、２６………気水混相流体生成手段、２８………円錐ケーシング、３０………水管、３１………空気注入管、３２………ケーシング出口ポンプ、３４………制御部、３６………船速センサ。

Claims (1)

1. 気水混相流体を貯留するタンクと、前記タンクからノズルに前記気水混相流体を送給するポンプと、当該ポンプにより送給される気水混相流体を船体壁に沿わせつつ船尾方向への吹き出すノズルとを有し、船速信号を入力し現船速によって規定される境界層の壁面速度勾配を基準にしてそれより小さくなるようにノズルから吹き出す気水混相流体の流速を前記ポンプにより制御させる制御手段を設けてなることを特徴とする船体摩擦抵抗低減装置。

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