JP5175281B2 - 船 - Google Patents

Description

本発明は、本願の請求項１の前置き部（preamble）に記載されている種類の船に関するものである。

この種の船は、例えば非特許文献１に開示されている。この特許文献１においては、本発明に係る船と同種の船は、ＡＸＥ ＢＯＷ構造（AXE BOW design）であると説明されている。高速船に特有のＡＸＥ ＢＯＷ構造の直立船首部（vertical bow）は、従来の構造によれば先鋭な船首部（sharp bow）を備えているが、これは、舷側部（side）が水を切る先鋭な船首端（sharp nose）とおおむね交差する（intersect）ことを意味する。

Ｊ．Ａ．コイニング（Keuning）、Ｓ．トクソポイス（Toxopeus）、Ｊ．ピンクスター（Pinkster）「高速単一船体の耐航性能に対する船首部の形状の効果（The effect of bow-shape on the seakeeping performance of a fast monohull）」、２００１年９月発行に発行されたＦＡＳＴ２００１会議の議事録、第１９７〜２０６頁、ＩＳＢＮ０９０３０５５７０８、王立造船学会（Royal Institute of Naval Architects）発行。

前記のような従来の船の構造の欠点は、ヨー角（yaw angle）が小さいときには、船首部の近傍に渦流（vortex shedding）が発生し、これが船の進路安定性に不利な効果を生じさせることである。

本発明は、上記従来の欠点を克服するために、請求項１に記載された船を提供する。高速航行用に設計・建造されたこの船の船首部（bow）にかなり大きい半径（considerable radius）を持たせることにより、船首部に沿う水の流れがより安定したものとなり、ヨー角が小さいときの進路安定性が改善される。

本発明の１つの実施態様によれば、請求項２に係る船が提供される。この船によれば、過剰なよどみ点抵抗（stagnation point resistance）及びしぶき（spray）の発生が防止される。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項３に係る船が提供される。この船によれば、船首部の部分（section）におけるフレア部の最小化（minimal flare）を容易に実現することができる。このため、喫水（draught）に対してほぼ直線的に、波の排水容積（displaced volume）が増加し、波に対する船の挙動がより良好となる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項４に係る船が提供される。この船によれば、フィン（fin）が、船の制御システムとは独立して船の進路安定性を改善する。また、推進手段（propulsion means）及び舵（rudder）の前にフィンを配置することにより、種々の状況下におけるフィンの空気混入（aeration）を防止することができる。また、船の後部に波があたることに起因する空気混入の結果、舵がそのグリップ（grip）を失うといった不具合が防止され、悪条件下（under adverse condition）における進路安定性が改善される。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項５に係る船が提供される。フィンに若干の角度（slight angle）をもたせることにより、該フィンに予め負荷がかかり（preloaded）、ヨー角が小さいときに直ちに該フィンが動作し、上記の有利な効果がさらに高められる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項６に係る船が提供される。この船によれば、船の負荷（load）又は質量（mass）の分布とは独立して、トリム位置（trim position）ないしはバランス位置に応じた速度で航行することができ、流体抵抗（drag）を低減して推進効率を改善することができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項７に係る船が提供される。ノズルから流出する水の流れ方向を調整することにより、上向き又は下向きの調整力を生成し、操舵する（steering）ことができ、かつその構造（design）をコンパクト化することができる。

本発明のさらなる実施態様によれば、請求項８に係る船が提供される。上向き又は下向きの力を生成するための水平フィンを固定フィン（stationary fin）と組み合わせることにより、船の構造をコンパクト化することができる。また、水平フィンが水面下の深いところに位置するので、水平フィンの空気混入が防止される。

推進装置がプロペラを備えている、本発明の第１の実施形態に係る船の斜視図である。 本発明に係る船の船体の構造図面であり、船の種々の断面を示している。 本発明に係る船の船体の構造図面であり、船の側部を示している。 本発明に係る船の船体の構造図面であり、船の底部を示している。 図１に示す船の船尾部の模式的な背面図である。 図１に示す船の船尾部の模式的な側面図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る船の船尾部の模式的な背面図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る船の船尾部の模式的な側面図である。 本発明の実施形態に係る船の船尾部の模式的な下面図であり、とくに直立フィンの先端角を示している。 推進装置が水噴射装置を備えている、本発明のさらにもう１つの実施形態に係る船の船尾部の斜視図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、いくつかの典型的な実施形態により、本発明をより詳しく説明する。

図１は、図２ａ〜２ｃに示す構造図面（body plan）ないしは正面線図により建造された船１を示している。船１は、高速船として建造され、２つの舷側部１９を備えた長くかつ細い単一の船体（hull）ないしは船殻を有している。ここで、船体の長さは、梁（beam）の長さの少なくとも５倍であり、長い船では梁の長さの７ないし８倍である。比較的短い船の場合は、船体に推進手段を設けなければならないので、梁は比較的大きくなる。幅の広い梁は、十分な安定性を維持することを確実化する。船１は、１つ又は複数のプロペラ８（propeller）と、１つ又は複数の舵９（rudder）とを有している。船１を操縦するために、船首部３の近傍にバウスラスター（bow thruster）が設けられている。甲板には、従来の船と同様に、例えばホイールハウス２（wheel house）ないしは操舵室が配置されている。

図２ａ〜２ｃに示すように、船１の船体は、特別な設計構造（design）を有している。具体的には、この設計構造においては、船体の水面下の体積の瞬間的な変化を最小にすることにより、とくに船の前側部分（foreship）におけるフルードクリロフ力（Froude Kriloff force）の低減を実現することができ、また波又は船の運動に起因する水位に対する相対移動を大きくすることができる。したがって、直立舷側部１９（vertical side）を用いる設計構造がとくに好ましい。構造設計におけるさらなる手法（measure）は、とくに船の前側部分における部分（section）の水線梁（waterline beam）の変化を小さくする一方、前記のように相対移動を大きくすることである。これは、船首部３のフレア部が最小となり、船首部３はほぼ直立した輪郭線を有し、又は前方もしくは後方に５度未満の角度で傾斜して伸びるということを意味する。このような設計構造とすることにより、上記部分における付加質量（added mass）の変化が最小となり、船の前側部分における流体力学的揚力（hydrodynamic lift）の変化も最小となる。船の前側部分において船首部３に向かって甲板線１５をより高く（大きく）するとともに、乾舷を大きくすることにより、十分な予備浮力（reserve buoyancy）の確保を確実化することができる。

図２ａ〜２ｃ中の甲板線１５で示す、船の前側部分におけるシアー（shear）の増加量は、船のサイズ及び速度並びに関連する波候（wave climate）に依存する。船の前側部分に向かって下降傾斜している船１の中心線５（center line）は、船１の前側部分が一旦水面から離れて再び水中に入る、すなわちジャンプするのを防止する一方、船の水に対する相対移動を大きくする。中心線５は、水線１７ないしは水位線に対する相対的な最大喫水を示す点１６の近傍における船首部３の近傍で最も低くなっている。船底部２１における負の傾斜量（amount of negative slope）は、船のサイズ及び速度並びに関連する波候（wave climate）に依存する。船首部３から船尾部１０までの部分の船底勾配角は、励振力（exciting force）を最小にするとともに、最小の抵抗でもって十分な流体力学的揚力を維持するよう注意深く決定される。

船体の形態を総括的に説明すれば、以下のとおりである。すなわち、船体は長くかつ細い形状であり、船首部３の部分（section）にはフレア部は存在せず、船首部３では舷側部１９がほぼ直立している。船首部３の近傍において、２つの舷側部１９は、水平面（平面図）でみれば、互いに４０度より小さい角度αをなしている。中心線５に対して前向きに下降傾斜する増加シアー（increased sheer）が存在し、水線２０の入口部ないしは前部は湾曲している。水と接する表面を低減するために、船首部３は、少なくとも０．１ｍの半径Ｒで湾曲している。船１の梁の形態に応じて、上記半径は、梁の少なくとも１％であるのが好ましい。この半径Ｒのさらなる利点は、船１の舷側部１９に沿う渦流（vortex shedding）を、前記したように回避することができることである。この設計構造では、この渦流は、船首部３が普通の高速船として先鋭すぎる場合は、ヨー角が小さい状態で発生する。この渦流は、船１の進路の不安定性を生じさせるので回避しなければならない。湾曲した船首部３が、あまりにも多いよどみ点抵抗を生成し、及び／又は、あまりにも多いしぶきを生成するのを防止するために、半径Ｒは梁の４％未満に設定されている。

この新規な船体の形態を用いる場合、適正なヨー又は進路保持安定性を維持して、船を制御する上での望ましくない問題、とくに船によって発生する波、又は船尾から斜め後方へ伸びる波を防止するためのさらなる手段ないしは方策を用いなければならない。船体自体が不安定なヨーを生成するとともに、これらの不安定性を生じさせる揺力（sway force）及び揺れモーメント（sway moment）を生成する。船体の船尾端に、船１の安定化のための固定式の直立フィン６（又はスケグ）を設けることにより、これらの不安定性は回避される。直立フィン６は、好ましく、船体のヨー及び揺れにおける不安定化効果を妨げる適切な揚力を生成するために、合理的なアスペクト比を有するとともに、翼形の形状を有している。これらの直立フィン６は、とくに抵抗の増加を最小にしつつ、ヨー安定性を最適化するように構成されている。直立フィン６は、船１の中心線５から離れて配置され、好ましくは舷側部１９の近傍に配置されている。すなわち、直立フィン６は、水の乱流領域から離間するよう配置されている。この水の乱流領域は、船尾部１０に比べて水深が大幅に深い船首部３の最大喫水１６により生じる。直立フィン６は、好ましく舵９及び推進手段の前方に配置されている。このため、直立フィン６は、船１の後四半部（stern quarter）から到来する波に起因して舵９に空気が混入したときでも、流れている水とのグリップを維持する。

縦揺れにおける（in pitch）船体の復元モーメントは同種の船に比べて比較的小さい。これはまた、ある程度は、上下揺れにおける（in heave）復元力にも当てはまる。上下揺れ運動、とくには縦揺れ運動は、船尾部１０に配置された１つ又は複数の駆動式ないしは可動式の水平フィン７を設けることにより非常に効果的に低減することができる。これらの水平フィン７は、正又は負の揚力を生成することができるとともに、手動操作で調整することができ、トリム制御（trim control）のみに用いられる場合は、（船上の）センサ及び制御アルゴリズムによって制御することができる。図１に示す実施形態では、２つの水平フィン７が設けられている。これらの水平フィン７は、互いに協働して、船１の縦揺れ運動及び／又は上下揺れ運動を抑制する力を船尾部１０に作用させ、船尾部１０を最適なトリム（trim）すなわちバランス状態にすることができる。もう１つの実施形態では、２つの水平フィン７は、下記のような手法で制御することができる。すなわち、水平フィン７は、互いに逆方向に作用する上向き及び下向きの２つの力を生成して、船１にその長手方向のトルクを生成する。このトルクは、船１のローリングを抑制し、これにより適切な制御の下で、船１の安定性を改善することができる。

水面下に位置し、その両側が水と接している水平フィン７は、翼（foil）に共通な吸い込み側及び高圧力側の両側での揚力の生成に寄与する。そして、水平フィン７は、好ましく、水面下で十分に深い位置に配置され、水平フィン７に沿った吸引側のキャビテーション（cavitation）又は空気の混入（ventilation）を防止する。とくに、水平フィン７は、穏やかな水中では、船１を最適な姿勢にするために、船１の速度に応じてトリム角（trim angle）の動動的制御（active control）に用いることができ、自動操舵装置（auto pilot）及び制御アルゴリズムにより、縦揺れ運動及び上下揺れ運動の能動的な制御に用いることができる。さらに、左舷及び右舷の水平フィンの差動操縦（differential steering）を行うことにより、船１のローリング運動を制御することができる。

図３ａは、直立フィン６を備えた、図１に示す船１の背面図である。図３ａに示すように、船１の中心線５の両側に、それぞれ、２つずつ直立フィン６が配置されている。また、両側でそれぞれ、２つの直立フィン６の間に１つの水平フィン７が取り付けられている。図３ｂは、図１に示す船１の側面図である。なお、図３ｂでは、図面を簡明にするため、プロペラ８及び舵９の記載は省略されている。図１から明らかなとおり、プロペラ８及び舵９は、直立フィン６及び水平フィン７の後方に配置されている。船１の推進手段としては、種々の構造のものを用いることができることは明らかである。例えば、図１に示すような３つのプロペラを備えた推進手段のほかに、２つのプロペラを備えた推進手段、１つの水噴射装置（waterjet）と２つのプロペラとを備えた推進手段、２つの水噴射装置と１つのプロペラとを備えた推進手段、あるいは図６に示すような２つ又は３つ以上の水噴射装置を備えた推進装置（後で説明する）などを用いることができる。

図４ａ及び図４ｂは、直立フィン６及び水平フィン７のさらなる実施形態を示す図３ａ及び図３ｂと同様の図である。この実施形態では、水平フィン７は、直立フィン６の両側から水平方向に伸びている。直立フィン６は、舷側部１９から内側へやや離間して配置されている。このため、水平フィン７は、船１の梁の外側へは伸びていない。直立フィン６の両側から伸びている２つの水平フィン７は、共通の軸を有するとともに単一の駆動部に接続され、一体的にないしは同時に移動ないしは変位するようになっている。図４ａ及び図４ｂに示す実施形態では、右舷の水平フィン７は、前向きに移動している船１に上向きの力を作用させ、左舷の水平フィン７は下向きの力を作用させる。これらの２つの力は、船１に対して、反時計回り方向のトルクを生成する。このトルクは、例えば波により発生する力を抑制する力として用いることができる。

直立フィン６の前縁部（front edge）は、おおむね（more or less）直立している。このため、直立フィン６のブレードのまわりの水の流れは、船１の安定化のための力を生成するのに最も効果的である。直立フィン６が例えば船１の下面と垂直である場合、直立フィン６の前縁部が該直立フィン６に対する相対的な水の流れとほぼ垂直である限り、同様の状態となることは明らかである。直立フィン６の前縁部は、やや後退翼形状（swept back）となっていてもよい。この場合、前縁部のまわりの折れ曲がった材料（folded material）は、直立フィン６の端部に向かって案内され、直立フィン６とは離間する。図４ａ及び図４ｂに示す実施形態では、直立フィン６は水平フィン７と結合されている（combined）。しかし、これは、直立フィン６のブレードを適切に機能させるために必要なことではないことは明らかである。図５に示す実施形態では、直立フィン６は、船１の中心線５に対して小さい角度βをなしている。このため、船１が前方に向かって直線的に移動するときに、流れ方向にみて直立フィン６の長手方向において、直立フィン６のまわりに安定した流れ状態が生じる。そして、船尾部１０に波があたって、直立フィン６に向かう流れの方向と直立フィン６のまわりの流の状態を変化させたときには、直ちにこれを是正する力が作用する。直立フィン６の角度βの値は、船１の下側部分の形状や、局所的な流の状態等に依存する。実用的には、角度βの値は、１度ないし３度の間であるか、又は１．５度である。

図５に示す実施形態では、水平フィン７のブレードは、水平方向に伸びる回転軸を有し、これにより水平フィン７の長手方向に沿って空気の混入状態が生じるのを防止する。これは個々の状態に依存するので、回転軸は常に必須というわけではない。例えば、通常の状態の下で流れ抵抗を低減するために、船１の下側部分と平行で、船１の長手方向と垂直な方向に伸びる水平フィン７を設けるのが有利である。船１のローリングを抑制する必要がない状況においては、単一の駆動部を有し、船１の全幅にわたって伸びる１つの水平フィン７を設ければ十分である。この１つの水平フィン７は、船１の適切なトリムないしはバランス性を確実化するためだけに用いられる。船１を安定化するために、この１つの水平フィン７は、船１の中心線５の位置で支持することができる。

図６は、船体が図１に示す船と同様の手法で設計・建造されたさらにもう１つの実施形態に係る船の船尾部１０を示している。この実施形態に係る船１の推進手段は水噴射装置ないしはウォータージェットを備えている。進路の安定化のため、直立フィン１２が設けられている。これらの直立フィン１２は、前記の直立フィン６とほぼ同一であるが、水平フィン７が付設されていない点で異なる。船１の下側部分には、水噴射装置に向かって流れる水を取り入れるための水取入部１１が設けられている。そして、水は、水噴射装置の中心線１３の伸びる方向に、ノズル１４から流出する。操舵のために、水噴射装置の中心線１３は、水平面内で既知の手法により移動ないしは変位させることができる。船尾部１０に上向き及び下向きの力を生成するために、中心線１３を鉛直面内で水平軸のまわりに同様の手法で移動させることができる。中心線１３の向きないしは方向の制御は、水平フィン７の制御の場合と同様の手法で行われる。そして、この制御は、好ましく、船１の位置及び航行を決定するために用いることが可能なセンサ及び制御アルゴリズムを有する能動的な制御のための自動操舵装置（auto pilot）に接続されている。

１ 船、２ ホイールハウス（操舵室）、３ 船首部、４ バウスラスター、５ 中心線、６ 直立フィン（スケグ）、７ 水平フィン、８ プロペラ、９ 舵、１０ 船尾部、１５ デッキ線、１６ 最大喫水、１７ 水線、１９ 舷側部、２１ 船底部。

Claims (7)

1. 梁とほぼ直立した船首部（３）とを有する船体を備えていて、上記梁が上記船体の幅方向に伸びている、荒れた海において高速で使用するように構成された船であって、
   上記船体の前半部が、ほぼ直立した舷側部（１９）と、上記船首部に形成された最小のフレア部と、船体の中心線（５）の位置において上記船首部（３）に向かって増加する喫水と、上記喫水の増加とほぼ同様に増加する乾舷とを有し、
   上記船体の船尾部（１０）が、１つ又は複数のプロペラ（８）及び／又は水噴射装置（１４）を有する推進手段を備えている平坦又はややＶ字形の船底部を有していて、
   上記船首部（３）が、上記梁の少なくとも１％でありかつ上記梁の４％未満であるフィレット半径（Ｒ）を有することを特徴とする船。
2. 上記船首部（３）の近傍において、左右の舷側部（１９）が、４０度未満の先鋭な角（α）を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の船。
3. 各舷側部（１９）の近傍であり、かつ、舵及び上記推進手段の前方である位置において、上記船体の船尾部（１０）に、少なくとも１つのほぼ直立した固定フィン（６、１２）が取り付けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の船。
4. 上記固定フィン（６、１２）が、上記船首部（３）に向かって、上記中心線（５）に対して１〜３度の角度（β）をなすように配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の船。
5. 上記船体が、該船体の船尾部（１０）に、上向き及び／又は下向きの力を生成するための調整力生成手段（７、１４）を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の船。
6. 上記調整力生成手段（７、１４）が、水噴射装置（１４）のノズルによって形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の船。
7. 各舷側部（１９）の近傍であり、かつ、上記推進手段及び上記舵の前方である位置において、上記船体の船尾部（１０）に、少なくとも１つのほぼ直立した固定フィン（６、１２）が取り付けられるとともに、
   上記調整力生成手段（７、１４）が、その最大深さ部の近傍において上記固定フィン（６、１２）に取り付けられた、上記中心線（５）と垂直な方向に伸びる少なくとも１つのほぼ水平な水平フィン（７）を備えていて、
   上記水平フィン（７）が、該水平フィンの縦軸のまわりに回転することが可能となっていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の船。

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