JP5082093B2 - 船体用摩擦抵抗低減方法 - Google Patents

Description

本発明は、船体用摩擦抵抗低減方法に関し、詳しくは、航行時における船体の摩擦抵抗を低減する船体用摩擦抵抗低減方法に関する。

従来、この種の船体用摩擦抵抗低減装置としては、船体の航行に伴って船体の没水部外側に負圧を形成するために船体の没水部に翼などを取り付け、この翼などにより形成される負圧部に空気を導入することにより、船体の没水表面に気泡を放出して船体の摩擦抵抗を低減するものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。この装置では、負圧を形成して空気を導入し、船体の没水表面に気泡を放出することにより、ポンプやブロワなどによって加圧した気体を船体に取り付けられた複数の孔や多孔板から噴出することにより船体の没水表面に気泡を放出するものに比して、エネルギ消費を低減している。
特開２００２−０７９９８７号公報 特開２００２−０７９９８６号公報 特開２００２−００２５８３号公報 特開２００１−２７８１７８号公報

上述したように、船体の没水表面に気泡を放出することにより航行時の船体の摩擦抵抗を低減することが知られており、摩擦抵抗の低減効果は単位幅あたりの気泡量が大きくなるほど大きくなるが、上述の船体用摩擦抵抗低減装置では、負圧形成によって空気を吸引するため、気泡量を大きくすることができない。ポンプやブロワなどを用いて空気を加圧すれば空気吹き出し量を大きくすることができるが、たくさんの空気を孔や多孔板から吹き出すと、吹き出された空気が気膜を形成し、船体の摩擦抵抗を低減する効果を減少してしまう。

本発明の船体用摩擦抵抗低減方法は、航行時の船体の摩擦抵抗をより低減することを目的とする。

本発明の船体用摩擦抵抗低減方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の船体用摩擦抵抗低減方法は、
航行時における船体の摩擦抵抗を低減する船体用摩擦抵抗低減方法であって、
船体の没水表面に空気孔を形成すると共に前記空気孔に対して船体外側に所定距離をもって該空気孔を覆うように平坦な板材により形成された空気導出部を取り付け、前記空気孔から加圧空気が前記空気導出部に供給されるよう空気を前記空気孔に供給することにより、航行時における船体の摩擦抵抗を低減する、
ことを特徴とする。

この本発明の船体用摩擦抵抗低減方法では、船体の没水表面に形成した空気孔に加圧空気を供給すると、この空気孔に対して船体外側に所定距離をもって空気孔を覆うように取り付けられた平坦な板材の空気導出部により、所定距離の厚さをもった空気流が船体の後方側に導出される。このとき、空気流は水流によって乱されることにより気泡となり、船体の没水表面を水流と共に後方に流れる。これにより、航行時の船体の摩擦抵抗を低減することができる。しかも、負圧を形成すると共に形成した負圧部に空気を導入するものに比して大きな空気吹き出し量とすることができるから、航行時の船体の摩擦抵抗をより低減することができる。また、空気導出部により所定距離の厚さをもった空気流を船体の後方側に導出して水流のせん断力を用いて気泡を形成するから、単に多孔板から空気を吹き出すものに比して気膜の形成を抑制することができ、航行時の船体の摩擦抵抗をより低減することができる。

こうした本発明の船体用摩擦抵抗低減方法において、前記空気孔の空気の吹き出し幅Ｂａと前記空気孔からの空気流量Ｑａと船体に対する水の流速Ｕとに対して次式で表わされる空気相当厚さＴａと前記所定距離ｄとの比（Ｔａ／ｄ）が１．５以上となるよう調整することにより航行時における船体の摩擦抵抗を低減することを特徴とするものとすることもできる。こうすれば、船体の摩擦抵抗の低減効果を十分に発揮させることができる。この場合、前記空気相当厚さＴａが４ｍｍ以上となるよう調整することにより航行時における船体の摩擦抵抗を低減することを特徴とするものとすることもできる。こうすれば、航行時の船体の摩擦抵抗をより低減することができる。
Ｔａ＝Ｑａ／（Ｂａ・Ｕ）

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての船体用摩擦抵抗低減装置２０を複数搭載した船１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０は、図示するように、船１０の没水部における底部に取り付けられており、船１０の底板１２に形成された貫通孔としての空気孔２２と、船１０の底板１２と同一の材料（例えば、鋼板）により平坦な板材として形成され空気孔２２に対して船体表面に間隔ｄをもって空気孔２２を覆うように取り付けられた空気導出板２４と、空気孔２２に加圧空気を供給するポンプやブロワなどにより構成された空気加圧装置２６と、を備える。

こうして構成された実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０は、船１０が航行している最中に空気加圧装置２６から加圧空気を空気孔２２に供給すると、加圧された空気は空気導出板２４と航行による水流によって船体の下方側に間隔ｄの厚さの空気流が形成される。この空気流は、水流によって渦状に乱されて気泡となって底板１２外表面を下流側に流れる。実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０では、こうした没水表面に放出された気泡により航行時の船１０の摩擦抵抗が低減する。

次に、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０の性能について説明する。以下の実験例は、幅４５０ｍｍ，高さ４５０ｍｍ，長さ２２００ｍｍの船舶用キャビテーションタンネルを用いて無限流体中に近い状態で行なった。図２は、実験例１の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ａと実験例２の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｂとにおける空気孔２２Ａ，２２Ｂと空気導出板２４Ａ，２４Ｂとの関係を示す説明図である。実験例１は、空気孔２２Ａは船１０の進行方向に沿った長さが１００ｍｍで幅が８０ｍｍとなるよう形成されており、空気孔２２Ａが中央になるように且つ船底表面からの間隔ｄが２．４ｍｍとなるように長さ１６０ｍｍで幅が２００ｍｍの空気導出板２４Ａが取り付けられている。実験例２は、空気孔２２Ｂは船１０の進行方向に沿った長さが１００ｍｍで幅が１６０ｍｍとなるよう形成されており、実験例１と同様に空気孔２２Ｂが中央になるように且つ船底表面からの間隔ｄが２．４ｍｍとなるように長さ１６０ｍｍで幅が２００ｍｍの空気導出板２４Ｂが取り付けられている。こうした実験例１，２に加圧空気を供給したときの空気相当厚さＴａと摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を比較例と共に図３に示す。ここで、空気相当厚さＴａは、空気孔２２Ａ，２２Ｂの空気の吹き出し幅をＢａ，空気孔２２Ａ，２２Ｂからの空気流量をＱａ，船体に対する水の流速をＵとしたときに次式（１）で示され、空気相当厚さＴａが大きいほど空気孔２２Ａ，２２Ｂから吹き出す空気量が多いことを示す。摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０は、船体用摩擦抵抗低減装置２０Ａ，２０Ｂの下流におけるセンサの浸水面積をＳ，センサの位置の摩擦抵抗をＲ，流水の密度をρとしたときに式（２）で示される摩擦抵抗係数Ｃｆの空気を吹き出していないときの摩擦抵抗係数Ｃｆ０に対する比であり、定義から小さいほど摩擦抵抗の低減効果が大きいことを示す。なお、図３中の比較例は、実験例１の空気孔２２Ａと同一の寸法の空気孔だけを有し、空気導出板２４を備えないものである。図３に示すように、比較例は、空気相当厚さＴａが３．４ｍｍで摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０が極小となり、空気相当厚さＴａをそれ以上大きくしても摩擦抵抗を低減することができないのに比して、実験例１および実験例２は、空気相当厚さＴａが大きくなるほど摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０が小さくなり、空気相当厚さＴａの増加に応じて摩擦抵抗が小さくなる。このことから、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０では、空気相当厚さＴａが４ｍｍ以上となるよう空気量を調整することにより、比較例に比して、船１０の航行時の摩擦抵抗を低減することができるのが解る。また、実験例１と実験例２とを比較すると解るように、空気孔２２に対して空気導出板２４が大きい実験例１の方が同じ空気相当厚さＴａに対する摩擦抵抗の低減効果が大きい。これは、実験例２では空気導出板２４Ｂの側部から吹き出した空気が漏れていることが要因と考えられる。このことから、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０では、空気導出板２４の側部から吹き出した空気が漏れないようにすることにより、船１０の航行時の摩擦抵抗をより低減することができるのが解る。

Ｔａ＝Ｑａ／（Ｂａ・Ｕ） （１）
Ｃｆ＝２Ｒ／（ρ・Ｕ²・Ｓ） （２）

図４は、実験例３の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｃと実験例４の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｄとにおける空気孔２２Ｃ，２２Ｄと空気導出板２４Ｃ，２４Ｄとの関係を示す説明図である。実験例３，４は、共に実験例１と同一の寸法の空気孔２２Ｃ，２２Ｄおよび空気導出板２４Ｃ，２４Ｄを用い、実験例３では空気導出板２４Ｃを実験例１と同一の間隔ｄ（２．４ｍｍ）でその側部が閉口するように底板１２に取り付け、実験例４では空気導出板２４Ｄを実験例１と同一の間隔ｄ（２．４ｍｍ）でその側部と上流側（船体における前方側）が閉口するように底板１２に取り付けられている。図４では、閉口されている箇所を太実線として示した。こうした実験例１，３，４に加圧空気を供給したときの空気相当厚さＴａと摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を比較例と共に図５に示す。図示するように、実験例１，３，４はいずれも空気相当厚さＴａが大きくなるほど摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０が小さくなり、比較例に比して摩擦低減の効果が高い。このことと上述した図３の結果から、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０では、空気孔２２に対して空気導出板２４の被覆余剰面積が小さい場合には空気導出板２４の側部や上流側を閉口することにより、船１０の航行時の摩擦抵抗をより低減することができ、空気孔２２に対して空気導出板２４の被覆余剰面積が大きい場合には空気導出板２４の側部や上流側を閉口しなくても船１０の航行時の摩擦抵抗を低減することができるのが解る。

図６に４ｍｍの空気相当厚さＴａに対して間隔ｄ（空気導出板２４と底板１２の表面との間隔）を変化させたときの空気間隔比（Ｔａ／ｄ）と摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を示す。ここで、空気間隔比（Ｔａ／ｄ）は、流水の速度に対する空気の速度の比に相当するものと考えることができる。図６では、空気間隔比（Ｔａ／ｄ）は１．５以上であれば、摩擦抵抗を低減する効果が大きい。このことから、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０では、空気間隔比（Ｔａ／ｄ）を１．５以上とすることにより、船１０の航行時の摩擦抵抗をより低減することができるのが解る。なお、４ｍｍの空気相当厚さＴａに対して間隔ｄを変化させたのは、比較例では空気相当厚さＴａが３．４ｍｍに至るまでは摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０が低下するが、それ以上では摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０が低下しないことから、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０の効果を十分期待できる空気相当厚さＴａの範囲として４ｍｍ以上と考えられるからである。

図７は、変形例の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｅの構成の概略を示す構成図である。変形例の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｅは、実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０と同様の空気孔２２と空気導出板２４と空気加圧装置２６とを備える他に空気孔２２の下端に複数の孔が形成された吹き出し板２３が取り付けられて構成されている。図８に、実験例１と変形例の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｅとにおける空気相当厚さＴａと摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を示す。変形例の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｅとしては、吹き出し板２３として直径数ミリ程度の孔を配列して形成してなる孔配列板を用いた変形例１と、吹き出し板２３として多孔質板を用いた変形例２とを示した。図示するように、吹き出し板２３を用いても用いなくても摩擦低減効果はあまり変わらない。このことから、空気孔２２の強度が必要な場合には、吹き出し板２３を取り付けるものとしてもよいことが解る。

以上説明した実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０によれば、船１０の底板１２に空気孔２２を形成すると共にこの空気孔２２に対して船体表面に間隔ｄをもって空気孔２２を覆うように平坦な板材により形成された空気導出板２４を取り付け、空気孔２２に加圧空気を供給するだけで、船１０の航行時の摩擦抵抗を低減することができる。特に、空気相当厚さＴａが４ｍｍ以上となるよう空気量を調整することにより、船１０の航行時の摩擦抵抗をより低減することができる。さらに、空気相当厚さＴａが４ｍｍ以上の領域で空気間隔比（Ｔａ／ｄ）が１．５以上となるよう空気量と間隔ｄを調整することにより、船１０の航行時の摩擦抵抗をより低減することができる。

実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０では、空気導出板２４を平坦な板材により形成するものとしたが、空気導出板２４は完全に平坦な板材で形成しなくてもよいし、空気導出板２４を板材により形成しないものとしても構わない。

実施例では、複数の船体用摩擦抵抗低減装置２０を船１０に取り付けるものとして説明したが、複数の船体用摩擦抵抗低減装置２０に対して単一の空気加圧装置２６を共用するものとしても構わない。また、一つの船体用摩擦抵抗低減装置２０だけを船１０に取り付けるものとしても構わない。

実施例では、複数の船体用摩擦抵抗低減装置２０を船１０の底板１２に取り付けるものとしたが、船１０の没水部であれば底板１２以外の部位（例えば側部）に取り付けるものとしても構わない。

以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０やこれを複数取り付けた船１０として説明したが、船体用の摩擦抵抗低減方法の形態としてもよいのは勿論である。

ここで、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、船１０の底板１２に形成された貫通孔としての空気孔２２が「空気孔」に相当し、船１０の底板１２と同一の材料により平坦な板材として形成され空気孔２２に対して船体表面に間隔ｄをもって空気孔２２を覆うように取り付けられた空気導出板２４が「空気導出部」に相当し、空気孔２２に加圧空気を供給するポンプやブロワなどにより構成された空気加圧装置２６が「加圧空気供給部」に相当する。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、船体用摩擦抵抗低減装置や船の製造産業などに利用可能である。

本発明の一実施例としての船体用摩擦抵抗低減装置２０を複数搭載した船１０の構成の概略を示す構成図である。 実験例１の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ａと実験例２の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｂとにおける空気孔２２Ａ，２２Ｂと空気導出板２４Ａ，２４Ｂとの関係を示す説明図である。 実験例１，２に加圧空気を供給したときの空気相当厚さＴａと摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を比較例と共に示す説明図である。 実験例３の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｃと実験例４の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｄとにおける空気孔２２Ｃ，２２Ｄと空気導出板２４Ｃ，２４Ｄとの関係を示す説明図である。 実験例１，３，４に加圧空気を供給したときの空気相当厚さＴａと摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を比較例と共に示す説明図である。 ４ｍｍの空気相当厚さＴａに対して間隔ｄ（空気導出板２４と底板１２の表面との間隔）を変化させたときの空気間隔比（Ｔａ／ｄ）と摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を示す説明図である。 変形例の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｅの構成の概略を示す構成図である。 実施例の船体用摩擦抵抗低減装置２０と変形例の船体用摩擦抵抗低減装置２０Ｅとにおける空気相当厚さＴａと摩擦抵抗係数比Ｃｆ／Ｃｆ０との関係を示す説明図である。

１０ 船、１２ 底板、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 船体用摩擦抵抗低減装置、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ 空気孔、２３ 吹き出し板、２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ 空気導出板、２６ 空気加圧装置。

Claims (2)

1. 航行時における船体の摩擦抵抗を低減する船体用摩擦抵抗低減方法であって、
   船体の没水表面に空気孔を形成すると共に前記空気孔に対して船体外側に所定距離をもって該空気孔を覆うように平坦な板材により形成された空気導出部を取り付け、前記空気孔から加圧空気が前記空気導出部に供給されるよう空気を前記空気孔に供給するとともに、前記空気孔の空気の吹き出し幅Ｂａと前記空気孔からの空気流量Ｑａと船体に対する水の流速Ｕとに対して次式で表わされる空気相当厚さＴａと前記所定距離ｄとの比（Ｔａ／ｄ）が１．５以上となるよう調整することにより、航行時における船体の摩擦抵抗を低減することを特徴とする船体用摩擦抵抗低減方法。
   Ｔａ＝Ｑａ／（Ｂａ・Ｕ）
2. 前記空気相当厚さＴａが４ｍｍ以上となるよう調整することにより航行時における船体の摩擦抵抗を低減することを特徴とする請求項１記載の船体用摩擦抵抗低減方法。

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