JP5324053B2 - 水上輸送用船舶のための推進および操舵ユニット - Google Patents

Description

本発明は、水上輸送用船舶のための推進および操舵ユニットに関し、実際には、ポッドの前部の外部のプロペラを含む第１の軸を中心にして回転することができるプロペラ軸を有する方位ポッドを備えるタイプの推進および操舵ユニットに関するが、これに限定されない。上記ポッドは、第１の軸に平行でない第２の軸を中心にして回転することができる。

本発明は、方位スラスタと呼ばれる水上輸送用船舶用の新しい牽引機構の形をしている推進および操舵ユニットに関する。推進ユニットは、方位のプロペラが船舶の推進方向に設置されていて、そのためプロペラが推進方向の対向方向を向いていた場合には、その状況に関連する牽引であると見なすべき牽引手段である。この最後の状況の場合、この手段は「押し」スラスタと呼ばれる。

方位スラスタを牽引スラスタであると見なした場合、いくつかの利点があることが分かっているが、欠点の１つは、押しスラスタに関連して操舵機のトルク要件がかなり厳しくなることである。このことは、船舶に搭載されているユニットの一部を物理的に大きくしなければならないことを意味していて、これによりコストが高くなる場合がある。

それ故、ある態様の場合には、本発明は、最小限度に低減するために、操舵機のトルクへの要件を軽減する推進および操舵ユニットを提供する。

第１の態様の場合には、本発明は、前端部および後端部を有するポッド・ハウジングと、プロペラおよびプロペラ軸とを備える水上輸送用船舶のための推進および操舵ユニットを提供する。上記プロペラは、ポッドの前部の外部に配置され、プロペラ軸の縦軸を中心にして回転することができ、上記プロペラ軸は、駆動手段に駆動可能に接続し、上記ユニットは、プロペラの縦軸に実質的に垂直な軸を中心にしてユニットを回転する操舵手段を備え、上記駆動手段は、駆動ピニオンおよび従動輪を備え、従動輪上の駆動ピニオンの位置は、使用中、駆動ピニオンの回転方向が、プロペラの回転および操舵手段によるユニットの回転により発生する最大流体力学的トルクを打ち消すように働くトルクを発生するような位置になっている。

好適には、従動輪上の駆動ピニオンの位置は、使用中、駆動ピニオンの回転方向が、操舵手段によるユニットの回転が発生する最小流体力学的トルクと一緒に作用するトルクを発生するような位置であることが好ましい。

好適には、駆動ピニオンの回転軸は、従動輪の前方に位置することが好ましい。

好適には、駆動ピニオンの回転軸は、プロペラの回転軸に実質的に垂直であることが好ましい。

好適には、推進および操舵ユニットは、ポッド・ハウジングの船尾領域から延びるフィン要素を備えることが好ましい。

本発明は、固定ピッチ・ブレード付きプロペラまたは交互制御可能なピッチ・プロペラを備えるスラスタを含むことができることを理解されたい。また、プロペラ上のブレードの数は変えることができ、プロペラは６つのブレードを有するプロペラであってもよい。

本発明の特定の実施形態およびその変形例を添付の図面を参照しながら説明するが、これは単に例示としてのものに過ぎない。

図１を参照すると、この図は、水上輸送用船舶のための推進および操舵ユニットの一部を示す。推進および操舵ユニットは、縦軸６を中心にして回転することができるプロペラ軸４の一方の端部に固定されているプロペラ２を備える方位スラスタ１の形をしている。プロペラ軸４の他方の端部には、面取りギアかさ歯車（ｂｅｖｅｌｅｄ ｇｅａｒ ｃｒｏｗｎ ｗｈｅｅｌ）８が固定されている。かさ歯車８は駆動ピニオン・ギア１０と係合していて、この特定の実施形態の場合には、かさ歯車８は、駆動ピニオン・ギア１０により方向７の方向に駆動される。駆動ピニオン・ギア１０は、船舶用の駆動手段（図示せず）に接続している垂直駆動軸１２上に装着されている。駆動ピニオン８が回転する駆動軸１２の縦軸１８は、プロペラ２が回転するプロペラ軸４の縦軸６に実質的に垂直になっている。

方位スラスタ１の頂部上には、牽引力のベクトルが、０〜３６０度から決めた方向、または両方向に３６０度の倍数から決定した方向に向くように、スラスタを回転する操舵機（図示せず）が位置する。通常、操舵機は、スラスタ上の垂直ステムに接続しているギアのリムに接続している油圧モータまたは電動モータからなる。プロペラを切り離した状態でスラスタ１が静水内で回転する場合には、スラスタは方向とは無関係な最小トルクにより容易に回転する。しかし、船舶がプロペラの力および後流の動特性で動く場合には、回転速度および船舶の速度により変化する可変トルク抵抗が発生する。この抵抗がトルクよりも大きいと、操舵機は回転することができ、スラスタは、操舵機からの圧力トルクに打ち勝って回転する。何故なら、油圧（または流れによる）貢献および軸１２の回転による垂直軸１２上に働くトルクがあるからである。

最初に考慮に入れなければならないものは、機械的なものであるトルク成分である。図１は、方位スラスタ１の通常の駆動ラインを示す。垂直方向を向いているピニオン１０は駆動手段に接続していて、この状態の場合、この平面図に示すように、ピニオン１０の回転方向４は時計方向になる。さらに、ピニオン１０の係合点は、（図１の平面図に示すように）反時計方向のプロペラ２の回転方向１６を与えるかさ歯車８の上部上に位置する。別の方法としては、ピニオン１０の係合点は、かさ歯車８の下部上に位置していてもよい。駆動ピニオンの回転縦軸１８は、かさ歯車８の前部に位置する。

ピニオン１０が所与の回転速度で、図１に示す方向１４に回転している場合には、スラスタ１は、摩擦力によりピニオン１０の方向１４と同じ方向１５に回転する。この「ピニオン・トルク」は、スラスタ１の操舵機システムにより吸収しなければならない。

プロペラ２の回転により、当業者が一般にジャイロ・トルクと呼んでいるピニオン１０の回転軸１８でのようにモーメントのトルクも発生する。慣性のモーメントおよび角速度により、スラスタ１は、ピニオン１０と同じ回転方向１４に回転する。それ故、ここで説明する駆動系のためのトルクの方向は、ピニオン・トルクに関しては上記方向と同じになることを理解することができるだろう。ジャイロ・トルクは、スラスタ１の操舵機で入手しなければならないトルクと比較すると比較的小さい。

水平面内に働き、スラスタ１の働きの大きさおよび方向について重要な流体力学的誘導トルクについて以下に説明する。これをよく理解してもらうためには、プロペラ後流速度および自由流速度の組合せにより与えられる牽引スラスタ１に対して誘導される力について説明しておく必要がある。

図２は、船舶の下に位置する外部ハウジング３０を含む方位スラスタ１を示す。外部ハウジング３０は、プロペラ軸４、かさ歯車８およびピニオン１０を含む。プロペラ２は、ハウジング３０の一方の端部の外に配置されている。図２は、自由流４０に対して０度の操舵角で位置しているスラスタ１を示す。方向１９のプロペラ２の回転により（この場合には、軸６を中心にして時計方向である）、プロペラ２の後流の回転が生じる。それ故、上部ギアボックスへの内流は、中心線軸６に対して迎え角を形成する。点線の矢印２０で示すスピードの速度は、断面の横軸に平行な成分により揚力を発生する。実線の矢印２４はこれらの力を示す。

本発明の一実施形態の場合には、スラスタ１は、ハウジング３０の下部船尾領域から下方に延びるフィン３２を備える。点線の矢印２２で示すスピードの対応する速度は、断面の横軸に平行な成分により揚力を生じる。実線の矢印２６で示すこれらの力は、スラスタ１の下面上の後部端部内のフィン３２により発生するが、水平方向のプロペラの中央面の下の結果として得られる後流ベクトルが面の上とは異なる方向を有しているので、各矢印２０、２４のもう１つの方向を有する。プロペラ上に働く横方向の力の成分は、回転方向および旋回縦距数（ａｄｖａｎｃｅ ｎｕｍｂｅｒ）に依存し、その大きさは、図２に示すように、中立操舵角においては比較的小さい。

図３ａおよび図３ｂは、左舷側（図３ａ）および右舷側（図３ｂ）に向きを変えた場合のスラスタ１上の力およびトルクを示す。

図３ａおよび図３ｂは、スラスタ１が自由流４０に対して右舷側および左舷側に向きを変えた場合の状況を示す。後流方向４０に対して左舷側に向きを変えることにより、その側面上に全矢印４４で示す成分を生じる点線の矢印４２が示す上部流れ本体により迎え角が形成される。同じことがフィン３２により起こるが、後流の流れが、プロペラの回転によりプロペラの下の横方向速度成分の方向が変化する。フィン３２上の成分の方向は、プロペラ軸上の流線型の部分の対向する方向（横方向に対向する方向）に向くようにそれに従って変化する。自由流４０に対して右舷の方向に向きが変わると（図３ｂ）、上部の流れ本体のところの力の図面は、他の場合の力の図面と実質的に等しくなるが、方向および大きさの両方が変わるプロペラからの力５２が発生する。この変化は、実効迎え角が時計方向に増大するためである。力の迎え点が比較的大きいのに加えて、これによりトルクが方向を変化させる。後流の方向４０に対して右舷側に向きを変えることにより、この側面上で全矢印５６で示す成分を生じる点線の矢印５３で示す上部流れ本体により迎え角が形成される。

図４は、本発明によるスラスタによるモデル試験の結果を示す。この場合、流体力学的操舵トルクは、旋回縦距係数（Ｊ_Ａ）の関数として示される。

Ｊ_Ａ＝Ｖ_Ａ／Ｎ・Ｄ
ここで、
Ｖ_Ａ＝プロペラの前進速度（ｍ／ｓ）
Ｎ＝プロペラの回転速度（回転数／ｓ）
Ｄ＝プロペラの直径（ｍ）。

実際には、所与のプロペラの直径に対して回転数が一定に維持された場合には、旋回縦距係数は、水を通してのプロペラの速度に比例すると見なすことができる。これらのものは、フィンを備えた状態で、またはフィンを備えていない状態で、右舷側または左舷側に１５度および３５度向きを変えることにより測定される。これらの測定から２つの実質的な傾向を観察することができる。どの方向に操舵したのかに依存する（次元を持たない図３の参照番号５０に対応するＫＭＺである）測定した無次元操舵機トルクにはかなりの違いがあることが分かる。１５度の場合も３５度の場合も、左舷側に向きを変えた場合の値６０は、右舷に向きを変えた場合の値７０よりかなり大きく、それ故、上記推論と一致する。さらに、フィン３２を備えていない場合に得られた値６４、７４と比較した場合、フィン３２を備えている場合に、スラスタを駆動した場合に得られる値６２、７２は大きく低減していることが分かる。

上記説明を読めば、当業者であれば、ピニオン１０の回転方向は、全操舵機のトルクの大きさにとって、それ故また操舵機を選択する際の基礎となるべき次元の力およびトルクにとって非常に重要なものであることを理解することができるだろう。これを達成するためには、流体力学的トルクが最大の場合に、回転方向が、向きを変えることにより流体力学的トルクを打ち消すように働くように、ピニオン１０の回転方向を選択し、流体力学的トルクが最も小さい場合に、回転方向が、方向を変えることにより流体力学的トルクと一緒に作用するように、ピニオン１０の回転方向を選択する必要がある。

図５はこの原理を示す。この図は、フィンを備えている場合、備えていない場合の流体力学的操舵モーメントの無次元モデルの試験結果が全スケールに外挿される場合、およびフィンを備えているバージョンを、本発明によるピニオン・トルクと結合した場合のもう１つの結果を示す。

図５を参照すると、点線の８０は、フィン３２を備えていないスラスタ１の流体力学的操舵機のトルク（ＭＨｚ、フィンなし）を示す。この点線８０をフィン３２を備えているスラスタ１の状況の流体力学的操舵機のトルクを示す点線８１と比較した場合、結果は、トルク値８０と８１との間に、特に両方向に向きを変える際の１５度より大きい値の場合にかなりの違いがあることをはっきりと示している。正の方向への舵の変化（左舷側への方向の変化）の場合には、約１００ｋＮｍのトルクが生じ、一方、負の方向への舵の変化（右舷側への向きの変化）の場合には、４０ｋＮｍより大きいトルクが生じる。これは上記非対称の表れである。さらに、また、フィン３２を備えているおよび備えていないスラスタ１の場合に、特に１５度以上の操舵角の場合に、操舵機のトルクの有意の違いがある。＋／−１５度の操舵角の場合には（通常の操舵の場合に最も使用される間隔である）、フィンを備えているスラスタに有利に、必要な操舵機トルクが４０〜５０％低減する。

操舵機の大きさを選択する場合、もちろん最大発生トルクを考慮に入れる必要があり、実際の全スケールの場合には（図５参照）、最大流体力学的貢献は約１００ｋＮｍである。

これに関連して、ピニオン１０の軸１２の回転方向が重要になる。図３を参照すると、ピニオンのトルクが、流体力学的トルクが最大である点における流体力学的トルクを打ち消すように働くように回転方向が選択され（左舷側への方向の変化）、ピニオンのトルクが、流体力学的トルクが最も小さい点で流体力学的トルクと一緒に働くように回転方向が選択される（右舷側への方向の変化）。図５の曲線８２がこれを示す。この図は、また操舵機のトルクの最大絶対値が、約２０ｋＮｍ減少して約８０ｋＮｍになることを示す。これにより、配置およびコストの点ではっきりとした利点を有するもっと小さい操舵機を意味する次元トルク８０ｋＮｍである。

図６〜図９を参照しながら、流れが誘導する操舵トルクが、右舷の方位回転および左舷の方位回転に関して非対称である理由についてさらに説明する。同じ後流パターンおよび誘導力が、左側の回転プロペラ（ＬＨ、図８参照）、および同じであるが対向方向の方位角に移動する右側の回転プロペラ（ＲＨ、図７参照）に作用する。

左側の回転プロペラ（図９参照）は、右舷側に移動した場合、左舷側に移動した同じ方位角とは異なる後流パターンを形成する。それ故、方位角の関数としての操舵モーメントは、右舷および左舷への方位の動きに関して非対称になる。左側のプロペラが右舷側に移動すると、フィンは左舷への同じ動きと比較した場合、もっと低い方位角で後流から消える。それ故、自由流によるフィン３２上の対向する力は、低い方位角度での操舵トルクの低減に貢献する。

駆動ピニオンおよび従動輪の配置を示す推進および操舵ユニットの一部の平面図である。 図１の推進および操舵ユニットの平面図であり、ユニットが受ける力および速度を示す図である。 左舷側に向きを変えた場合の図１の推進および操舵ユニットの平面図であり、ユニットが受ける力および速度を示す図である。 右舷側に向きを変えた場合の図１の推進および操舵ユニットの平面図であり、ユニットが受ける力および速度を示す図である。 流体力学的に誘導された操舵トルクをフィンを備えているおよびフィンを備えていない操舵ユニットについて比較した場合の試験結果のグラフであり、同様に、無次元である旋回縦距数（Ｊ_Ａ）に対して描いた無次元操舵トルク（ＫＭＺ）を示す図である。 モデル試験の結果が全スケール用途およびサンプル全スケールの場合に対する流体力学的操舵トルクに変換され、全エンジン・トルク（ピニオン・トルクを含む）を方位回転角に対して描いたグラフである。 推進および操舵ユニットの側面図である。 右側の回転推進および操舵ユニットの平面図であり、動作する後流パターン誘導力を示す図である。 左側の回転推進および操舵ユニットの平面図であり、ユニットが図７に示す方向の対向方向に操舵された場合の、動作する後流パターン誘導力を示す図である。 左側の回転推進および操舵ユニットの平面図であり、ユニットが図７に示す方向と同じ方向に操舵された場合の、動作する後流パターン誘導力を示す図である。

Claims (4)

1. 水上輸送用船舶のための推進および操舵ユニットであって、
   前記推進および操舵ユニットが、前端部および後端部を有するポッド（１）、前記ポッド（１）から下方へ延びるフィン要素（３２）、プロペラ（２）およびプロペラ軸（４）を備え、前記プロペラ（２）が、前記ポッド（１）の前部の外部に配置され、前記プロペラ軸（４）の縦軸（６）を中心にして回転することができ、前記プロペラ軸（４）が、駆動手段に駆動可能に接続し、前記駆動手段が、駆動ピニオンギア（１０）及び従動輪（８）を備え、前記ユニットが、さらに、前記プロペラ（２）の縦軸（６）に実質的に垂直な駆動軸（１２）の回転軸（１８）を中心にして前記ユニットを回転する操舵手段を備え、
   前記フィン要素（３２）は、駆動軸（１２）および駆動軸（１２）の回転軸（１８）の後方に配置され、さらに、駆動軸（１２）の回転軸（１８）は従動輪（８）の前方に位置し、
   前記従動輪（８）上の前記駆動ピニオンギア（１０）の位置が、前記操舵手段が前記ユニットを回転するように使用される状態で、前記駆動ピニオンギア（１０）の回転方向が前記プロペラ（２）の回転および前記操舵手段による前記ユニットの回転により発生する最大流体力学的トルクを打ち消すように働くトルクを生み出すようになっていることを特徴とする推進および操舵ユニット。
2. 前記従動輪（８）の縦軸回転軸が、前記駆動ピニオンギア（１０）の下に位置することを特徴とする請求項１に記載の推進および操舵ユニット。
3. 前記駆動軸（１２）の回転軸（１８）が、前記プロペラ（２）の回転軸（６）に実質的に垂直であることを特徴とする前記請求項１に記載の推進および操舵ユニット。
4. 前記プロペラ（２）は、制御可能なピッチ・プロペラであることを特徴とする前記請求項１に記載の推進および操舵ユニット。

Images