JP5137258B2 - 推進性能向上装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶のプロペラ前方に設けられた推進性能向上装置に関するものである。

従来より、船舶の推進性能を向上させる目的で、プロペラの回転方向と逆向きの旋回流を生じさせるようにひねられたフィン（リアクションフィン）をプロペラ前方のボッシングに放射線状に設けることが知られている（例えば特許文献１）。
また、特許文献２のように、これを小型船舶に適用し、フィンをプロペラ軸の上方のみに設け、フィンの直径をプロペラ直径の５５％以上１１０％以内に限定したものも知られている。
なお、大型船、中型船においては、特許文献３の図１３に示すように、ボッシング製作時にルートフィンを鋳物で作製しておき、そのルートフィンにフィンを溶接する方法が採用され、小型船においては、フィンを直接ボッシングに溶接する方法が採用されている。

特開平０５−１８５９８６号公報 特開２００６−３４７５１９号公報 実登３０９３０９７号公報

ボッシングに放射状に取り付けられたフィンに対する船尾流れの向き（流向）は、フィンの半径方向に変化しているので、推進性能を向上させるためには、フィンのひねり角を半径方向に変える必要があるが、製作コストやフィン厚が厚くなり抗力が増す等のデメリットがあるため、フィンのひねり角は半径方向に一定である。ところが、推進性能向上装置を装着しようとするＣｂ（方形係数）が０．６以上の船舶においては、フィン及びプロペラが無い場合のプロペラ軸高さにおける船尾流れは、プロペラ半径の約５５％を超える位置では、船底からの上昇流が支配的であるのに対し、プロペラ半径の５５％以内の流向は下降流となっており、その流向が大きく異なる。したがって、プロペラ軸高さ幅方向に設けた先端がほぼプロペラ先端となる長さ（スパン）のフィンのひねり角を半径方向の平均流向に対して、適度な迎え角（約１０度〜３０度）を持たせて定めると、プロペラ半径の５５％以下の範囲の流れに対しては旋回流の回収はできず、かえって抵抗増加により推進性能が悪化する。また、船底からの上昇流の流速は下降流の流速より速く、この上昇流の範囲にフィンを設置することは抵抗増加の原因となる。
次に、プロペラ軸より上部のスターンフレーム直後の流れを整流するものとして、整流板があるが、従来のものは船体中心線上に取り付けられているので、プロペラに流入する流れをプロペラ回転方向と逆方向に偏向する作用が弱かった。
さらに、従来のリアクションフィンにおいては、フィン先端がプロペラ翼先端と同程度に突出しているため、水面上を流れてくる流木等の異物がプロペラ回転により水面下に巻き込まれて衝突したり、係留用ロープがフィンと接触したりし、特に、水平方向のフィンが損傷する虞があった。
また、小型船でボッシングに直接フィンを溶接するタイプのものでは、航行中、船体の上下揺れ、縦揺れにより、水平方向フィンにかかる流体力が大きくなる（その他に船体周りの流れによる流体力も働くが、この力は相対的に小さい。）ため、その流体力に耐えるためには、水平方向フィンの長さは最大１．６ｍ程度が限度であった。そして、上記特許文献２ではフィンの直径をプロペラ直径の５５〜１１０％（推進性能向上の見地からは１００〜１１０％、同文献図９参照）としているため、フィン設置の対象となる船舶のプロペラは最大４．２ｍ程度が限度であった。
そこで、本発明は、このような課題を解決し、製作コストが安く、推進性能の向上が図られ、異物衝突によるフィン損傷の危険が少なく、かつ設置できる船舶の対象が広い推進性能向上装置を提供するものである。

以上のような課題を解決するために、本発明は次のような推進性能向上装置を採用した。すなわち、請求項１記載の推進性能向上装置は、プロペラ前方に設けたひねり角を有する翼断面形状をもつフィンと船尾中心線近くに取り付けられた整流板とからなる推進性能向上装置であって、前記フィンはボッシングに幅方向やや下向き及び斜め上方向に左右各二つずつ放射線状に設けられており、斜め上方向のフィンは、その先端とプロペラ軸芯との距離（フィンの半径）がプロペラ半径の８５〜１１５％であり、幅方向やや下向きフィンは、その半径がプロペラ半径の３５〜５５％であり、前記整流板は、前端がプロペラ軸上部のスターンフレームに取り付けられ、プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置において、鉛直状の後端と、プロペラ翼前端との距離がプロペラ半径の１０〜３０％となるように、その高さ位置における整流板の長さ（Ｌ）が定められており、その高さ位置において前端から３０〜５０％の位置（折り曲げ位置）において、その後半部がプロペラ翼上昇舷側に鉛直状に折り曲げられた一枚の板であって、その前端の取付位置が、上記高さ位置において、船体中心線からスターンフレーム後端半径の２０〜４０％だけ、プロペラ翼下降舷側にずれた位置にあり、前記折り曲げ位置が船体中心面に位置するように取り付けられていて、折り曲げ位置より後半部が船体中心面に対し、１０〜２０度の角度（α）を有しており、前記フィン及び前記整流板によって、プロペラに流入する流れがプロペラ翼上昇舷側に流れやすく、かつプロペラ回転方向と逆方向の旋回流を発生させることを特徴とするものである。
なお、上記「幅方向やや下向き」とは「フィンの後縁の中心線と鉛直上方に向かう線とのなす角が９２〜１１０度の範囲内の向き」を意味し、以下、本明細書において全て同じ意味で用いる。
次に請求項２記載の推進性能向上装置は、請求項１記載の推進性能向上装置において、前記幅方向やや下向きフィンは、プロペラ翼上昇舷側におけるひねり角が反対舷側におけるひねり角より大きいことを特徴とするものである。
次に請求項３記載の推進性能向上装置は、請求項２記載の推進性能向上装置において、前記幅方向やや下向きフィンは、その先端に、長さがフィン先端翼長さと同一であり、かつフィン先端翼断面よりプロペラの回転方向と逆向き方向に張り出した翼端板を有し、その翼端板のフィン先端翼断面からの突出量の幅方向平均値がフィン先端翼断面の最大厚さの１〜２倍であることを特徴とするものである。

本発明に係る推進性能向上装置は、船尾の流れに即したフィン及び整流板を配置することによりプロペラ旋回流を減少させて推進性能の向上を図ると共に、幅方向やや下向きフィンの半径をプロペラ半径の３５〜５５％にすることによりフィンの製作コストの低減が図れる。また、幅方向やや下向きフィンの半径をプロペラ半径の３５〜５５％とすることにより従来のリアクリョンフィンの幅方向の突出量が減少するので、流木や係留ロープ等の異物がフィンに衝突してフィンが損傷するという危険を回避できる。
すなわち、従来、最も流れの速い箇所で且つプロペラ半径方向に流速変化の大きいところに置かれ、抵抗増加が大きかったフィンに替えて、流速の遅い範囲にフィンを配置することにより、フィンの抵抗増加を減少させると共に、より有効にプロペラ前方でプロペラ回転方向と逆向きの旋回流を発生させて、プロペラによる旋回流を減少させることにより、推進性能が向上する。
また、幅方向やや下向きフィンの先端に、プロペラ回転方向と逆向きに張り出した翼端板を取り付けることにより、フィン翼端を通過する流れを防止し、フィンによる流れの偏向効果が強まり、推進性能が向上する。
次に、本発明においては、鉛直線に沿ってプロペラ翼上昇舷側に折り曲げられた１枚の板を、プロペラ軸上部のスターンフレームに、船体中心線からプロペラ翼下降舷側にずらして設置した整流板を採用しており、この整流板により、より強いプロペラ旋回流と逆向きの偏向流れを発生させることができるので、推進性能が向上する。
次に、本発明に係る装置においては、幅方向やや下向きフィンの長さが従来のものと比べ半分程度となる。フィンは飛行機の翼と同じ厚みを持つ翼で、複板構造となっており、このフィンの長さが短くなると、材料費、加工費が低減され、製作コストが下がる。全てのフィンが同じ長さである従来例に比して、本発明に係る装置では、フィンがほぼ1本少なくなったのと同じだけ製作コストが低減する。さらに、ボッシングに直接フィンを溶接する方法によってフィンを取り付けた場合、船体の縦揺れ、上下揺れ等の流体力は、幅方向やや下向きフィンに最も強く作用し、そのフィンのボッシング取付部から先端までの長さは約１.６ｍが限度である。ところが、本発明においては、幅方向やや下向きフィンの半径をプロペラ半径の３５〜５５％としているため、小型船のみならず、プロペラ直径が約５ｍまでの中型船にも溶接構造で設置できる。

本発明にかかる推進性能向上装置の実施例１を示す側面図（右舷側）である。 図１のＡ−Ａ断面矢視図である。 図１のＢ−Ｂ断面矢視図である。 本発明にかかる推進性能向上装置の整流板をマリナースターン船に取り付けた場合の側面図（ａ）、及び同側面図のＢ−Ｂ断面矢視図（ｂ）である。 本発明にかかる推進性能向上装置の実施例１のフィンのひねり角及び翼端板を示す側面図（左舷側）である。 本発明にかかる推進性能向上装置の実施例１のフィンのひねり角及び翼端板を示す側面図（右舷側）である。 本発明にかかる推進性能向上装置の実施例１のフィンの翼端板を説明するための詳細図（フィンを斜め上方から見た図）である。 本発明にかかる推進性能向上装置の実施例１のフィンの翼端板を説明するための詳細図（フィンを斜め下方から見た図）である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を基に説明する。

実際の実施例として用いられた船舶は、プロペラが船尾から見て（前進時）左回転のものであったが、一般に船尾から見て右回転プロペラが多いので、以下では、右回転プロペラであると仮定して説明を行う。
図１は、本発明にかかる推進性能向上装置の実施例１を示す側面図（右舷側）である。船体１の船尾中心部にはスターンフレーム２が設けられており、プロペラ４の軸５を支持するためのボッシング３が取り付けられている。そのボッシング３にフィン７〜１０が取り付けられている（図１には左舷側に取り付けられたフィン７、８は図示されていない。）。また、ボッシング３より上のスターンフレーム２には整流板１１が取り付けられている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面矢視図であり、プロペラ旋回流を弱めるためにプロペラ４の前方に設けたひねり角を有するフィン７、８、９、１０の後縁の形状が示されている。鉛直上方と各フィン後縁の中心線とのなす角（取付角）はフィン７が９２度、フィン８が４５度、フィン９が３５度、フィン１０が９５度である。フィン７、１０が、「幅方向やや下向きフィン」であり、フィン位置における船尾の流れに対しほぼ直角に取り付けられる。そして、フィン８、９が「斜め上方フィン」であり、船尾の渦中心に向かって取り付けられる。
図２中１１は整流板であるが、これについては後述する。
斜め上方のフィン８、９は、その半径がプロペラ半径と同一である。斜め上方フィンにおいては、その半径は、プロペラ半径の８５〜１１５％が望ましい。
幅方向やや下向きフィン７、１０はその半径がプロペラ半径の５５％となっている。幅方向やや下向きフィンのスパン方向で先端から根本（基端）にかけて、流れが上向きから下向きに変わり、且つ先端での速い流れから基端に向って遅くなる。したがって、フィンの抵抗増加を抑え、且つ旋回流を発生させるためには、幅方向やや下向きフィンの半径は、プロペラ半径の３５〜５５％が望ましい。

図３は、図１のＢ−Ｂ断面矢視図であり、折れ曲がった板片１１ａ、１１ｂからなる整流板１１のスターフレーム２への取り付け状態を示している。整流板１１のスターンフレーム２への取り付け状態を説明する前に、整流板の長さ（Ｌ、図３に示す「Ｃ」点から「Ｅ」点までの船長方向長さ）について説明する。
整流板１１は、図１に示すようにスターンフレーム２とプロペラ４との間に設けられるが、プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置（図１のＢ−Ｂ線上）において、整流板１１の後端とプロペラ翼前端との距離（図３に示す「ｌ」）が、プロペラ直径の１０〜３０％となるように、その長さ（Ｌ）を定める。
次に、上下の取り付け範囲についてであるが、整流板の上端は、プロペラ上端位置から、それよりプロペラ半径の１０％だけ高い位置までの範囲にあること、下端は、ボス近傍が望ましい。また、応力集中を避けるために、上下の取付端部には図１に示すようにＲを付ける。
次に整流板１１を折り曲げる位置（図３に示す「Ｄ」点、以上「折り曲げ位置」）は、上記Ｂ−Ｂ線上で船体に近い板片１１ａの長さ（Ｌ1）を整流板の長さ（Ｌ）の３０〜５０％とする。
本実施例では、上記ｌは、プロペラ直径の２５％、板片１１ａの長さ（Ｌ1）は、Ｌの３１．８％である。
次に整流板１１のスターンフレーム２への取付方法及び曲げ角度は以下のとおりである。
すなわち、板片１１ａは、プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置において、船体中心線からスターンフレーム２の後端半径（ｒ）の２０〜４０％（本実施例では２５％）ほどプロペラ翼下降舷側（右舷側）にずれた位置（図３に示す「Ｃ」点）において、整流板１１の前端から３０〜５０％（本実施例では３１．８％）の長さ位置（図３に示す「Ｄ」点）が船体中心線上に位置するよう、やや斜めに取り付けられる。そして、図３に示すように、Ｄ点で、後半部１１ｂがプロペラ翼上昇舷側（左舷側）に折り曲げられている。
図３に示すように、折り曲げ位置後半部の板片１１ｂは船体中心線に対して１０〜２０度の角度α（本実施例では、１５度）を有する。
このように、一枚の板をプロペラ回転方向と逆方向に折り曲げると、板に反り（キャンバー）を持たせたことと同様に、プロペラに流入する流れをプロペラ回転方向と逆向きに偏向させることができ推進性能が向上する。また、船体中心よりプロペラ翼下降側にずらせて整流板を配置することにより、図３に示すように右舷側では船体表面に沿った流れの向きがさほど変化せずに整流板表面を流れるため、整流効果がある。また、他方、左舷側では、船体表面に沿った流れが、１１ａ、１１ｂによって順次方向を変えられるため、比較的スムーズに流向の変化が実現でき推進性能が向上する。

次に、プロペラ軸より上部のスターンフレームが前方に湾曲している船型（マリナースターン船）に整流板を設置した場合を図４に示す。図４の（ａ），（ｂ）に示すように、プロペラ軸より上部のスターンフレームが前方に湾曲しているため、整流板の前端は、スターンフレームの形状に合わせて前端部が曲線を描いている。したがって、整流板前端のスターンフレームへの取付位置は高さによって、船体中心線からのずれ量が異なる。しかし、上述したように、プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置における整流板の長さをＬとすれば、その高さ位置において、スターンフレームへの取付位置のずれ量が船体中心線よりスターンフレーム半径の２０〜４０％であること、及び上記高さ位置での折り曲げ位置が前端より３０〜５０％の位置にあること、折り曲げ位置は船体中心面に位置し、その後半部１１ｂの船体中心面となす角（α）が１０〜２０度であることは、前述したスターンフレームが鉛直状の場合と同様である。

図５は、プロペラ翼上昇舷側（左舷側）からフィン７を見た図であり、２はスターンフレーム、３はボッシングである。フィン７は図５に示すように断面が翼型形状をしている。そして、プロペラ軸芯とフィン７の後縁中心線を含む放射線状の平面（以下、フィン７の基準面）から、ひねり角（θ７＝上向き３０度）を有して取り付けられており、フィン７の基端部から先端部までひねり角は一定である。そして、基端部から先端部にかけて、前縁が後退する後退翼となっている。
また、フィン７先端部には、翼端板１２が取り付けられている。すなわち、翼端板は図５及び図７ａ，ｂに示すように、フィン先端のプロペラ翼が回転により向かってくる側（左舷側では下側）に突出して取り付けられる。図５に示すように、フィン７の翼断面形状は、流れが当たる下側面（正面）の膨らみは小さく、背面の膨らみが大きいため、翼端板がないと、正面の圧力が背面の圧力より大きく、フィン先端付近では、正面から背面への流れが生じ、フィンの整流効果が妨げられるが、翼端板を先端翼の下側（正面側）に突出させて設けることにより、流れがフィンの先端を横切って反対側の面（背面）側に流れこむことを防止しており、あたかもフィンの長さ（スパン）が長くなったのと同一な効果がある。
以上のような効果を得るためには、翼端板の長さはフィン先端の断面の長さと同一で、その平均突出幅（フィン先端から幅方向に突出している翼端板の幅の平均値）はフィン先端断面の最大厚さの１〜２倍が良い。

図６は、プロペラ翼下降舷側（右舷側）からフィン１０を見た図であり、２はスターンフレーム、３はボッシングである。フィン１０は図６に示すように断面が翼型形状をしている。そして、プロペラ軸芯とフィン１０の後縁中心線を含む放射線状の平面（以下、フィン１０の基準面）から、ひねり角（θ１０＝下向き１０度）を有して取り付けられており、フィン１０の基端部から先端部までひねり角は一定である。そして、基端部から先端部にかけて、前縁が後退する後退翼となっている。
また、フィン１０先端部には、翼端板１２が取り付けられている。すなわち、翼端板は図６及び図７ａ，ｂに示すように、フィン先端のプロペラ翼が回転により向かってくる側（右舷側では上側）に突出して取り付けられる。翼端板１２の作用効果については、フィン７について既に説明したとおりである。但し、フィン１０の場合は、流れがフィンの上側（膨らみが小さい正面側）に当たるため、フィン７の場合とは上下の関係が逆である。
そして、翼端板の長さはフィン先端の断面の長さと同一で、その平均突出幅はフィン先端断面の最大厚さの１〜２倍が良いことはフィン７と同様である。

図７ａ，図７ｂは、翼端板１２の取り付け状況の詳細を示す図である。前述したようにフィン７及び１０の先端には翼端板１２が取り付けられているが、その形状は図７ａに示すように、フィン先端翼断面の背面側では背面形状と一致し、正面側では幅方向に突出している。すなわち、翼端板はプロペラ翼が回転により向かってくる側（右舷側では上方、左舷側では下方）に突出して設置されている。
図７ｂに示すように、翼端板１２は、フィン７、１０の先端部に溶接により固着される。

本発明にかかる推進性能向上装置は、プロペラ直径が５ｍ程度以下の中小型船舶の推進性能向上装置として有用である。同装置は、プロペラ前方のボッシング周りに設けられた、斜め上方左右舷にそれぞれ１本、幅方向やや下向き左右舷にそれぞれ１本のフィンと、スターンフレーム後端のプロペラ軸より上部に設けられた整流板とからなり、これらは溶接構造により取り付けられる。
斜め上方向のフィンは、その半径がプロペラ半径の８５〜１１５％であり、幅方向やや下向きフィンは、その半径がプロペラ半径の３５〜５５％であり、前記整流板は、鉛直状の折れ曲がった一枚の板からなり、その取付位置はプロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置において、船体中心線からスターンフレーム後端半径の２０〜４０％、プロペラ翼下降舷側にずれていて、その折れ曲がった後半部が船体中心面に対して１０〜１５度の角度を有しており、上記フィン及び整流板により、プロペラ翼上昇舷側に流れやすく、かつプロペラ回転方向と逆方向の旋回流を発生させることを特徴としている。
同装置は、新造船では建造課程の最後の段階である塗装直前に取り付けることが可能であり、既存船でも比較的簡単に装着可能である。また、幅方向やや下向きフィンの半径が短く、船体中心面から測ったフィンの範囲はプロペラ半径の３５〜５５％であり、頻繁に係留ロープが使われる特に小型内航船などの推進性能向上装置として利用されやすい。
また、幅方向やや下向きフィンの半径がプロペラ半径の３５〜５５％であるので、船体の上下運動によるフィンに働く流体力が小さくなり、フィンの強度的な安全性が増す。

１ 船体
２ スターンフレーム
３ ボッシング
４ プロペラ
５ プロペラ軸
６ 舵
７ 左舷側幅方向やや下向きフィン
８ 左舷側斜め上方フィン
９ 右舷側斜め上方フィン
１０ 右舷側幅方向やや下向きフィン
１１ 整流板
１１ａ 整流板の折り曲げ位置より前半部
１１ｂ 整流板の折り曲げ位置より後半部
１２ 翼端板
ＤＰ プロペラ直径
ＲＰ プロペラ半径
α 整流板の板片１１ｂが船体中心面となす角度
θ 幅方向やや下向きフィンのひねり角
ｌ プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置におけるプロペラ前縁と整流板後端との距離
Ｌ プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置における整流板１１の長さ
Ｌ１ プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置における整流板前端から折り曲げ位置までの長さ

Claims (3)

1. プロペラ前方に設けたひねり角を有する翼断面形状をもつフィンと船尾中心線近くに取り付けられた整流板とからなる推進性能向上装置であって、前記フィンはボッシングに幅方向やや下向き（「幅方向やや下向き」とはフィンの後縁の中心線と鉛直上方に向かう線とのなす角が９２〜１１０度の範囲内にあることである。）及び斜め上方向に左右各二つずつ放射線状に設けられており、斜め上方向のフィンは、その先端とプロペラ軸芯との距離であるフィンの半径がプロペラ直径の８５〜１１５％であり、幅方向やや下向きフィンは、その半径がプロペラ半径の３５〜５５％であり、前記整流板は、前端がプロペラ軸上部のスターンフレームに取り付けられ、プロペラ軸芯よりプロペラ半径の７０％だけ上の高さ位置において、鉛直状の後端と、プロペラ翼前端との距離がプロペラ半径の１０〜３０％となるように、その高さ位置における整流板の長さ（Ｌ）が定められており、その高さ位置において前端から３０〜５０％の位置である折り曲げ位置において、その後半部がプロペラ翼上昇舷側に鉛直状に折り曲げられた一枚の板であって、その前端の取付位置が、上記高さ位置において、船体中心線からスターンフレーム後端半径の２０〜４０％だけ、プロペラ翼下降舷側にずれた位置にあり、前記折り曲げ位置が船体中心面に位置するように取り付けられていて、折り曲げ位置より後半部が船体中心面に対し、１０〜２０度の角度（α）を有しており、前記フィン及び前記整流板によって、プロペラに流入する流れがプロペラ翼上昇舷側に流れやすく、かつプロペラ回転方向と逆方向の旋回流を発生させることを特徴とする推進性能向上装置。
2. 前記幅方向やや下向きフィンは、プロペラ翼上昇舷側におけるひねり角が反対舷側におけるひねり角より大きいことを特徴とする請求項１記載の推進性能向上装置。
3. 前記幅方向やや下向きフィンは、その先端に、長さがフィン先端翼長さと同一であり、かつフィン先端翼断面よりプロペラの回転方向と逆向き方向に張り出した翼端板を有し、その翼端板のフィン先端翼断面からの突出量の幅方向平均値がフィン先端翼断面の最大厚さの１〜２倍であることを特徴とする請求項２記載の推進性能向上装置。