JP5901512B2 - ダクト装置及びそれを用いた船舶 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の船尾部において、プロペラに流入する水流に影響を与えるダクト装置に関する。

船舶の推進効率を向上するためのデバイスとして、プロペラの前方にダクトを配置する技術が知られている。特許文献１は、そのような技術の一例を示す。

特開２００８−１３７４６２号公報

図１に、参考技術として、プロペラ前方に配置するダクトの一例を示す。船舶１０１の船尾部１０２にプロペラ１０３が配置され、プロペラ１０３の後方に舵１０４が配置される。プロペラ１０３の前方（船首方向）に、ダクト１０５が配置される。ダクト１０５は、概ねプロペラ１０３の回転軸を中心とする円環形状を有する。ダクト１０５の船首方向の端部は、船尾方向の端部よりも径が大きい。

図２は、図１の領域１０６におけるダクト１０５の拡大図である。ダクト１０５の周方向に垂直な断面は、翼形状を有する。翼の前縁が船首側、後縁が船尾側に配置される。ダクト１０５の内周側、すなわちプロペラの回転軸に近い側が負圧面１０７であり、外周側が正圧面１０８である。ダクト１０５は、翼形状の前縁と後縁とを結ぶ翼弦線がプロペラ１０３の回転軸に対して角度θをなして船尾側に向かって内周側に傾くように形成される。

図２において、プロペラ１０３の回転軸に対して角度Ψ＝α＋θで船尾部１０２における水流がダクト１０５に流入する。αは、翼断面形状を有するダクト１０５に対する水流の迎角である。この水流により、ダクト１０５が流れに垂直な揚力ｆ１０１と、流れに平行な抗力ｆ１０２とを発生する。揚力ｆ１０１と抗力ｆ１０２の合力ｆ１０３の船首方向の成分が、ダクト１０５に働く推進力となる。

このようにダクト１０５は推進力を生み出すことができる。しかしながら、ダクト１０５はプロペラ１０３に流入する水流の向きを変え、見かけ上軸方向に加速する効果を持つ。プロペラ１０３は、水流の速度が遅い方が効率が高いため、ダクト１０５によってプロペラ１０３の軸方向に水流が加速されると、プロペラ１０３の効率が落ちる可能性がある。従って、ダクト１０５の追加によって、プロペラ１０３とダクト１０５とを合わせた全体の効率が有効に向上しない可能性がある。

プロペラの前方にダクトを設ける技術において、プロペラの推進効率の低下を避けることが望まれる。

本発明の一実施形態において、ダクト装置は、船舶の船尾部においてプロペラの前方に配置される。ダクト装置は、ダクト本体を備える。ダクト本体は、船舶の後方側に位置し、プロペラの軸を内側とする弧を描き、軸方向に見た輪郭形状がプロペラの半径をＲとして０．５Ｒ以下の領域に収まる後縁と、船舶の前方側に位置し、プロペラの軸を内側とする弧を描き、軸の方向に見た輪郭形状が前縁よりも大きい前縁とを有する。

本発明により、プロペラの前方にダクトを設ける技術において、プロペラの推進効率の低下を避けることが可能となる。

図１は、参考技術における船尾部の側面図である。 図２は、ダクトの断面形状を示す。 図３は、船尾部の側面図である。 図４は、ダクト本体の斜視図である。 図５は、船尾側から見た流速分布を示す。 図６は、プロペラ軸周りの周方向の角度と流向角の関係を示す。 図７は、ダクト装置の前面図である。 図８は、ダクト本体の断面形状を示す。 図９は、ダクト本体の斜視図である。 図１０は、ダクト本体の前面図である。 図１１は、図１０のＢ−Ｂ´断面におけるダクト本体と水流を示す。 図１２は、図１０のＣ−Ｃ´断面におけるダクト本体と水流を示す。 図１３は、ダクト装置の前面図である。 図１４は、リアクションフィンの形状と取付角度を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の第１実施形態におけるダクト装置を備えた船舶の船尾部を示す側面図である。船舶１の船尾部２にプロペラ３が設置され、その後側（船尾側）に舵４が設置される。プロペラ３は、周方向に並ぶ複数の翼を備え、概ね船首と船尾を結ぶ船長方向に延長する回転軸Ｃ１を中心に回転する。

船尾部２におけるプロペラ３の前方に、ダクト装置５が取り付けられる。ダクト装置５は、回転軸Ｃ１を内側とする弧を描く円弧状の前縁６と後縁７とを有する。回転軸Ｃ１に垂直な断面における後縁７の輪郭形状は、前縁６の半径よりも小さい。プロペラ３の回転面の半径をＲとすると、回転軸Ｃ１に垂直な断面における後縁６の輪郭形状は、０．２Ｒ以上０．５Ｒ以下の領域に収まる。

図４は、ダクト装置５において水流を変化させる機能を有するダクト本体９の概略形状を示す。プロペラ３の回転軸Ｃ１を中心として、所定の点（ｘ＝ｘ０）を頂点とし、ｘ軸方向に中心線を有する仮想的な円錐形Ｃ２を描く。その円錐形Ｃ２について、頂点から第１の距離ｘ＝ｘ１におけるｙｚ断面を円Ｃ３として示し、第２の距離ｘ＝ｘ２（ｘ２＞ｘ１）におけるｙｚ断面を円Ｃ４として示す。

円Ｃ３と、円Ｃ４と、円錐Ｃ２のうちＣ３とＣ４とを結ぶ表面によって、円錐台の形状が形成される。この円錐台のうち、回転軸Ｃ１を中心として、鉛直線Ｖから左右それぞれ所定の角度φ以内の領域を切り取った箇所が、ダクト本体９の概略形状を示す。ダクト本体９は、プロペラ３の回転軸Ｃ１を含む鉛直面を中心として左右対称である。

ダクト本体９の前縁６は円Ｃ４上の円弧を描く。その角度は、回転軸Ｃ１を中心として鉛直線Ｖから左右にそれぞれφである。φの値は特に限定されないが、プロペラ３の上半分に流入する水流の方がダクト装置５による推進力を得やすいため、φは９０度以下であることが望ましい。ダクト本体９の後縁７は円Ｃ３上の円弧を描く。図４の例では、その円弧の角度は、前縁６と同じであるが、前縁６と異なる角度でもよい。前縁６と後縁７は、完全な円弧である必要は無く、例えば放物線など、円弧を変形した弧であってもよい。

図５に、プロペラ３に流入する水流の流速分布を後方（船尾方向）から見た図を示す。図６に、各周方向角度φ１における流向角Ψの分布を示す。この例で示されるように、回転軸Ｃ１より上側で鉛直線Ｖからの角度が４５度以上の領域１１においては、流速の半径方向の成分が小さい。それに対して、鉛直線Ｖからの角度が４５度以下の領域においては、流速の半径方向の成分が大きい。ダクト本体９は、流速の半径方向の成分が大きい領域において、より大きい推進力を生成する。従って、ダクト本体９は、その前縁６が、鉛直線Ｖからの角度４５度以内の領域における水流を補足するように形成することが望ましい。

よって、例えば前縁６がφ＝４５度の扇形、又は４５度の位置における水流を確実に補足するためにφ＝５０度の扇形を有するダクト本体９であれば、十分に推進力を発生することができる。従って、好ましい実施形態において、ダクト本体９は、プロペラ３の回転軸Ｃ１を通る鉛直線Ｖを中心とした周方向の角度が５０度以内に収まる。更に、φ＝５０度以内に設定されると、ダクト本体９が小さいため軽量であり、且つその外側の領域においてプロペラ３に流入する流れを妨げないため好ましい。

図７は、船首方向から見たダクト装置５を示す前面図である。図３に示すＡ−Ａ´断面において、ダクト本体９の内側を前方から覗き込んだ図である。ダクト装置５は支持部１０を備え、ダクト本体９は、支持部１０によって船尾部２の例えばボッシング８に固定される。

後縁７の半径をｒ１とし、プロペラ３の回転面Ｃ５の半径をＲとしたとき、０．２Ｒ≦ｒ１≦０．５Ｒである。後縁７が完全な円弧でない場合は、後縁７の全体が回転軸Ｃ１を中心とする０．５Ｒ以下の円内に収まることが好ましい。以下に、このような半径ｒ１によって得られる利点を説明する。

図８に、ダクト本体９の断面形状が示されている。ダクト本体９の周方向に垂直な断面は、周方向の任意の角度において翼形状を有する。ダクト本体９の内周側、すなわち回転軸Ｃ１に向く側が負圧面であり、外周側が正圧面である。

船舶１が前方に航行しているとき、船体に相対的に水流が発生する。船尾部２において、ダクト装置５の位置における水流が、ダクト本体９によって変化する。ダクト本体９の内側において、水流がダクト本体９によって回転軸Ｃ１の方向に曲げられ、軸方向の流速が速い水流ｆ１となる。一方、一般的には、プロペラ３の上側における水流は、軸方向の流速が遅い。ダクト本体９の外側には、このような軸方向の流速が遅い水流ｆ２が流入する。

一般的なプロペラ３が最も効率的に仕事を行うのは、半径方向の中心よりやや外側、例えば０．７Ｒ付近の領域である。本実施形態においては、この領域においては、軸方向の流速の遅い水流ｆ２が流入するため、プロペラ３が高い効率で推進力を生成する。

一方、ダクト本体９よりも内側の領域では、水流によってダクト本体９に推進力（揚力と抗力の合力の船首方向の成分）が発生する。ダクト本体９によって、水流ｆ１の軸方向の流速が上昇するが、ｒ1≦０．５Ｒの領域におけるプロペラ３の推進効率はもともと比較的小さいため、プロペラ３の推進力低下は小さく抑えられる。ダクト本体９によって有効な推進力を得るためには、ｒ１≧０．２Ｒであることが望ましい。

以上に説明したように、本実施形態においては、軸からの半径方向の距離をｒとした場合、ｒ＝０.７Ｒ程度の領域ではダクト装置５が流れを妨げずにプロペラ３が高い推進力を発生し、プロペラ３の効率が小さいＲ≦０．５の領域ではダクト装置５によって推進力を発生することができる。そのため、プロペラ３とダクト装置５とを合わせて高い推進力を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図９、図１０は、本実施形態におけるダクト本体９ａの概略形状を示す斜視図と前面図である。第１実施形態におけるダクト本体９が円錐面の一部を形成していたのに対して、本実施形態においては、ダクト本体９ａが、上方ほど傾きが大きい形状を有している。以下に説明するように、このような形状により、船尾部２の流速分布に応じて、効率的な推進力を得ることができる。

本実施形態におけるダクト本体９ａの形状についてより詳細に説明すると、ダクト本体９の回転軸Ｃ１を含む平面Ｐによる断面Ｂは、図８に示したダクト本体９の断面と同様の翼形状を有する。その断面の翼弦線ＣＨと、回転軸Ｃ１の延長方向（ｘ軸方向）とがなす角度θは、回転軸Ｃ１を中心とする周方向の角度φ１が鉛直線Ｖに近い位置ほど大きい。

図９、図１０においては、ダクト本体９ａは、第１実施形態におけるダクト本体９と同様に、前縁側円Ｃ３の一部を形成する前縁７ａを有する。一方、ダクト本体９ａの後縁６ａは、後縁側円Ｃ４からずれた輪郭を有する。すなわち、角度φ１が小さいほど、後縁側円Ｃ４よりもより大きく上方に張り出した形状を有する。このような形状は、例えば後縁６ａを放物線に形成することによって実現できる。

図１１は、図１０のＢ−Ｂ´断面におけるダクト本体９ａと水流を示す。図１２は、図１０のＣ−Ｃ´断面におけるダクト本体９ａと水流を示す。図１１に示すＢ−Ｂ´断面においては、ダクト本体９ａの傾き角（正確には、回転軸Ｃ１の延長方向（ｘ軸方向）に対する、回転軸Ｃ１を含む平面内の傾き角）θ１が大きい。この領域には、回転軸Ｃ１に対して真上付近の水流がダクト本体９ａの後縁６ａに流入する。この領域における水流は半径方向に大きい成分を有するため、ダクト本体９ａが大きい傾きを有することにより、ダクト本体９ａがより大きな推進力を発生することができる。

一方、図１２に示すＣ−Ｃ´断面においては、ダクト本体９ａの傾き角（正確には、回転軸Ｃ１の延長方向に対する、回転軸Ｃ１を含む平面内における傾き角）θ２が小さい。この領域の水流は、Ｂ−Ｂ´断面に比べて回転軸Ｃ１方向の成分が大きい。そのため、ダクト本体９ａの回転軸Ｃ１方向に対する傾きが小さいことにより、ダクト本体９ａがより大きな推進力を発生することができる。

典型的な翼形状を有するダクトにおいては、ダクト本体９ａに流入する水流の迎角αが０度〜２０度付近で大きな推進力が得られる。従って、ダクト本体９ａの形状は、以下のように設計される。（１）船尾部２のプロペラ３前方の水流の流速分布を求める。（２）その流速分布に基づいて、各周方向の角度における迎角（図１１のα１、図１２のα２）が０度〜２０度に近づくように、各周方向におけるダクト本体９ａの傾き（θ１、θ２）を設計する。

本実施形態においては、図９のダクト本体９ａ以外の形状も考えられる。例えば、前縁６ａの形状を円弧とし、後縁７ａの形状を、φ１が小さいほど後縁側円Ｃ３よりも高さが低い曲線（例えば放物線）とする変形例も考えられる。このような形状によっても、φ１が小さい領域ほどダクト本体９ａの傾きが大きいため、流速分布に応じて、高い推進力を得ることができる。

図１３は、本発明の第３実施形態におけるダクト装置５ａの前面図である。本実施形態におけるダクト装置５ａは、第２実施形態と同じダクト本体９ａを備える。これに替えて、第１実施形態と同じダクト本体９を用いてもよい。第３実施形態におけるダクト装置５ａは更に、少なくとも１枚のブレード（図１３の例では２枚のブレード）からなるリアクションフィン１２を備える。リアクションフィン１２は、船尾部２における流速分布に対して、プロペラ３の回転方向とは逆方向の変化を与えることによって、プロペラ３の効率を向上する。

リアクションフィン１２の輪郭形状、及び取付角度については、公知のリアクションフィンの設計を適用することができる。図１４は、その一例を示す。右回りの（船尾方向から見て時計回りに回転するときに船体１に前方向きの推進力を与える）プロペラ３において、船尾方向から見て右側に取り付けられるリアクションフィン１２の断面を示す。この位置において、リアクションフィン１２は船首方向に向かって下向きの傾き角θ_Ｒでプロペラ３の前方に取り付けられる。その負圧面１２ａは、正圧面１２ｂに対して、プロペラ３の回転方向、すなわち時計周りの回転の進行方向に配置される。このようなリアクションフィン１２により、プロペラ３の効率を向上することができる。

図１３においては、リアクションフィン１２が、その根元（回転軸Ｃ１に近い側）の端部において、ダクト本体９ａによって支持されている。その先端は、プロペラ３の回転面Ｃ５の半径をＲとして、例えば１．１Ｒまで延長する。

リアクションフィン１２は、プロペラ３の効率が高い半径０．７Ｒ付近で最も効果を発揮する。それに対して、半径０．５Ｒ以下の付近では効果が小さく、逆にプロペラ３の効率を下げる場合もある。本実施形態においては、ダクト本体９ａによって支持することによって、リアクションフィン１２をプロペラ３に近い根元付近には配置せず、効果が最も高い半径０．５以上の領域にのみ配置することが可能となる。

ボッシング等によって支持される公知のリアクションフィンにおいては、効果の低い根元付近においてフィンの角度に捩じりを加えて、水流への影響を低減するという構成も考えられる。しかしながら、本実施形態においては、根元付近にリアクションフィン１２を配置する必要が無いため、捩じりが無く加工が容易な形状の部材によってリアクションフィン１２を形成することができる。

１ 船体
２ 船尾部
３ プロペラ
４ 舵
５、５ａ ダクト装置
６、６ａ 前縁
７、７ａ 後縁
８ ボッシング
９、９ａ ダクト本体
１０ 支持部
１１ 領域
１２ リアクションフィン
１２ａ 負圧面
１２ｂ 正圧面
１０１ 船体
１０２ 船尾部
１０３ プロペラ
１０４ 舵
１０５ ダクト装置
１０６ 領域
１０７ 負圧面
１０８ 正圧面
Ｃ１ 回転軸
Ｃ２ 円錐面
Ｃ３ 前縁側円
Ｃ４ 後縁側円
Ｃ５ 回転面
ｆ１、ｆ２ 水流
ｆ１０１ 揚力
ｆ１０２ 抗力
ｆ１０３ 推進力
Ｖ 鉛直線

Claims (5)

1. 船舶の船尾部においてプロペラの前方に配置されるダクト装置であって、
   前記ダクト装置は、ダクト本体を具備し、
   前記ダクト本体は、
   前記船舶の後方側に位置し、前記プロペラの回転軸を内側とする弧を描き、前記回転軸に垂直な方向の輪郭形状が前記プロペラの半径をＲとして０．５Ｒ以下の領域に収まる後縁と、
   前記船舶の前方側に位置し、前記回転軸を内側とする弧を描き、前記回転軸に垂直な方向の輪郭形状が前記後縁よりも大きい前縁とを有し、
   前記ダクト本体は、上向きの鉛直線からの前記回転軸の周方向の角度が５０度以内に収まる
   ダクト装置。
2. 前記回転軸を含む平面における前記ダクト本体の断面は、前記回転軸の側を負圧面とする翼形状を有する
   請求項１に記載のダクト装置。
3. 前記ダクト本体の前記回転軸を含む平面による断面は翼形状を有し、前記断面の翼弦線と、前記回転軸の延長方向とがなす角度は、前記回転軸を中心とする周方向の角度が鉛直線に近い位置ほど大きい
   請求項１又は２に記載のダクト装置。
4. 更に、前記ダクト本体に支持され、前記ダクト本体から半径方向外側に向かって延長する少なくとも１枚のリアクションフィンを具備する
   請求項１から３のいずれか一項に記載のダクト装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のダクト装置を具備する船舶。
   

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