JP6025630B2 - ウォータージェット推進器、及び、ウォータージェット推進船 - Google Patents

Description

本発明は、船舶に設けられるウォータージェット推進器、及び、これを備えたウォータージェット推進船に関するものである。

船舶は大量輸送に適しており、輸送コストも安く、さらに環境に対する負荷も小さいことから輸送手段としての価値が非常に高い。そして近年は時間的価値の高まりにともなって、船舶のさらなる高速化が望まれている。

ここで、従来から、船舶の推進装置としてウォータージェット推進器が知られている。このウォータージェット推進器は、船底から吸引した水を船舶の後方から噴出することで、スクリューと比較して大きな推進力を得ることができ、高速での航行可能である。さらに、浅瀬での航行も可能である。

ところで、ウォータージェット推進器においては、水を吸い込む吸込管路（インテークダクト）は、一般に推進系統の機器配置の関係上、中途位置で湾曲して形成されており、この湾曲する位置で水の流通方向が転向される。具体的には、特許文献１に開示されているように、吸込管路においては吸込管路が湾曲する側となる下側で流速が大きくなる一方で、上側では流速が小さくなり、吸込管路内で水の流速分布が生じることになる。そしてこのような不均一な流れによってキャビテーションが発生してしまうことや、このような不均一な流れがポンプの羽根車へそのまま流入することで、振動が発生するなどの問題がある。この結果、運転性能の低下につながり、十分な推進力を得られなくなってしまうおそれがある。これに対し、特許文献１では、吸込管路（インテークダクト）内に案内翼を設け、吸込管路内での水の流速分布を一様化することによって、キャビテーションや振動の発生抑制を図っている。

実開平７−２４６９８号公報

しかしながら、吸込管路内においては、羽根車の回転によって吸込管路の周方向にも流速分布が生じる。そして、船速に対する水の吸い込み速度の比を表すＩＶＲ（Ｉｎｔａｋｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｒａｔｉｏ）が小さい程、吸込管路内で周方向の流速分布の偏りが大きくなることが分かっている。具体的には、吸込管路が湾曲する側となる下側で、羽根車の回転方向の後方側、前方側ともに水の流速が大きくなり、特に、後方側での流速増大が顕著である。そして特許文献１に記載の案内翼では、このような周方向の流速分布について十分に均一化を図ることができない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、さらなる水の流れの均一化を図って、運転性能の向上が可能なウォータージェット推進器、及び、ウォータージェット推進船を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るウォータージェット推進器は、回転軸回りに回転するインペラと、船体の外面に開口し、前記回転軸の延びる方向に対して傾斜して延びて、延在方向が途中で変化する曲部を有して前記インペラに前記船体の外部から水を導入する吸込管路と、前記吸込管路内における前記軸線から前記曲がり中心方向に向かって延びる境界線から外れた位置に設けられた第一案内翼と、を備え、前記第一案内翼は、前記吸込管路の軸線に直交する断面において、該軸線よりも該吸込管路の前記曲部の曲がり中心方向側、かつ、前記境界線よりも前記インペラの回転方向後方側の領域のみに設けられており、かつ、前記曲がり中心方向側では前記軸線に沿って下流側に向かうに従って、前記第一案内翼と前記曲部の前記曲がり中心方向側における前記吸込管路の壁面との間で仕切られた第一流路における前記軸線に直交する断面積が増大するように設けられていることを特徴とする。

このようなウォータージェット推進器によると、第一案内翼を、曲部の曲がり中心方向側となる内側で、かつ境界線よりもインペラの回転方向後方側に設け、水の流路を内側と外側（曲がり中心方向側と反対側）に分割するとともに、内側の第一流路の断面積が増大することで、この回転方向後方側において、案内翼の内側の第一流路を流通する水の流速をディフューザ効果で低減させる。この一方で、第一案内翼の外側の流路の断面積は減少することになり、水の流速を増大させる。従って、吸込管路内で周方向の水の流速分布の均一化が可能となる。

さらに、前記第一案内翼は、前記軸線に直交する方向に沿う支持軸回りに回動可能に設けられていてもよい。

このように第一案内翼を回動可能に設けることで、運転状態によって異なる周方向の流速分布に応じて、第一案内翼よりも曲部の内側の第一流路を流通する水の流速と、曲部の外側の流路へ流入する水の流速とを調整することができる。このため、より効果的に吸込管路内の不均一流れを抑制することができ、さらなる運転性能向上につながる。

また、前記吸込管路内で、前記曲部の曲がり中心方向側、かつ、前記境界線上に設けられた第三案内翼をさらに備え、前記第三案内翼は、前記曲部の前記曲がり中心方向側では前記軸線に沿って下流側に向かうに従って、該第三案内翼と前記曲部の前記曲がり中心方向側における前記吸込管路の壁面との間で仕切られた第三流路における前記軸線に直交する断面積が増大するように設けられていてもよい。

このような第三案内翼によって、ディフューザ効果で曲部の曲がり中心方向側となる内側の第三流路を流通する水の流速をさらに細かく調整可能となり、吸込管路内で周方向の流速分布をさらに均一化できる。

また、本発明に係るウォータージェット推進船は、船体と、前記船体の内部に設けられた上記のウォータージェット推進器と、を備えることを特徴とする。

このようなウォータージェット推進船では、ウォータージェット推進器を備えることで、第一案内翼、第二案内翼、及び第三案内翼によって、吸込管路内で周方向の流速分布を均一化し、不均一流れ発生を抑制することができる。

本発明のウォータージェット推進器、及び、ウォータージェット推進船によると、第一案内翼によって、吸込管路内の曲部の曲がり中心方向側で、回転方向後方側の水の流速増加を抑え、吸込管路の周方向にも水の流れのさらなる均一化を図ることができ、運転性能向上が可能である。

本発明の第一実施形態に係るウォータージェット推進器を備えたウォータージェット推進船の概略断面図である。 本発明の第一実施形態に係るウォータージェット推進器の概略断面図である。 本発明の第一実施形態に係るウォータージェット推進器に関し、吸込流路の軸線に直交する断面を示す図であって、図２のＡ−Ａ断面を示すものである。 ウォータージェット推進器に関し、仮に第一案内翼が設けられていない場合の水の流速分布を示す解析結果の図であり、色の濃い部分は流速が大きくなっている。 本発明の第一実施形態の変形例に係るウォータージェット推進器に関し、吸込流路の軸線に直交する断面を示す図であって、図２のＡ−Ａ断面と同じ位置を示すものである。 本発明の第二実施形態に係るウォータージェット推進器に関し、吸込流路の軸線に直交する断面を示す図であって、図２のＡ−Ａ断面と同じ位置を示すものである。 本発明の第三実施形態に係るウォータージェット推進器に関し、吸込流路の軸線に直交する断面を示す図であって、図２のＡ−Ａ断面と同じ位置を示すものである。 本発明の第三実施形態の他の例に係るウォータージェット推進器に関し、吸込流路の軸線に直交する断面を示す図であって、図２のＡ−Ａ断面と同じ位置を示すものである。 本発明の第一変形例に係るウォータージェット推進器の概略断面図である。 本発明の第二変形例に係るウォータージェット推進器の概略断面図である。 ウォータージェット推進器に関し、水の第一案内翼からの剥離発生の様子を示した概略断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係るウォータージェット推進器１について説明する。
ウォータージェット推進器１は、ウォータージェット推進船１１０の船体１００内部に設けられる推進装置であり、船体１００に水Ｗを取り込み、船体１００後方から吐出することでウォータージェット推進船１１０の推進力を得るものである。

図１及び図２に示すように、ウォータージェット推進器１は、船体１００の内部の船尾部１０３寄りの位置に設けられている。そして、船体１００の外面となる船底１０１に開口するとともに、船体１００の後方に向かって延びて船体１００外部から水Ｗを取り込む軸線Ｐ２を中心として形成された吸込管路２と、吸込管路２からの水Ｗが導入されるインペラ３と、吸込管路２内に設けられた第一案内翼５とを備えている。

吸込管路２は、ウォータージェット推進船１１０の進行方向Ｄに沿う方向（後述する回転軸３ａの軸線Ｐ１）に対して、船体１００の船首部１０２側から船尾部１０３側に向かって下方から上方に傾斜して形成された直線部１１と、直線部１１に連続して船底１０１と平行となるように湾曲して船尾部１０３側に向かって延びる曲部１２とを有している。

ここで、ウォータージェット推進器１には、吸込管路２の曲部１２に接続されて船底１０１と平行に船尾部１０３に向かって延びて、船尾部１０３で船体１００外面に開口する吐出流路４が設けられている。

インペラ３は、この吐出流路４の内部に設けられ、吸込管路２からの水Ｗを昇圧して船尾部１０３側へ向かって導出する。
このインペラ３には進行方向Ｄに沿って延びる軸線Ｐ１を中心として回転する回転軸３ａが取り付けられ、この回転軸３ａが吸込管路２の壁面を貫通して設けられて吸込管路２の外部の不図示の駆動装置によって回転駆動されることで、インペラ３が回転可能となっている。また、本実施形態では、回転軸３ａは、吸込管路２の内部では、軸カバー３ｂによって覆われている。

第一案内翼５は、吸込管路２の内部において、直線部１１と曲部１２との接続部分の近傍に設けられ、軸線Ｐ２に直交する断面で、吸込管路２の軸線Ｐ２よりも曲部１２の内側（曲がり中心方向側）となる船体１００の外面側、即ち吸込管路２の軸線Ｐ２よりも下側に設けられている。

さらに、この第一案内翼５は、吸込管路２の軸線Ｐ２よりも下側であって、軸線Ｐ１から下方（曲がり中心方向）に向かって延びる境界線Ｌよりもインペラ３の回転方向Ｒの後方側となる位置（図３の紙面左側の位置）に寄って設けられている。また本実施形態では、図３に示すように、第一案内翼５は軸線Ｐ１に直交する船体１００の幅方向に延在して設けられており、吸込管路２の内外を貫通するように設けられた支持軸７によって吸込管路２内に支持されている。

また、この第一案内翼５は、吸込管路２の軸線Ｐ２よりも下側で、吐出流路４側となる下流側に向かうに従って、吸込管路２の下側壁面との間で仕切られた第一流路ＦＣ１における軸線Ｐ２に直交する断面の断面積が増大するように、軸線Ｐ２に対して傾斜して設けられている。ここで、吸込管路２の上側壁面と第一案内翼５との間で仕切られた領域が流路ＦＣとなっている。

このようなウォータージェット推進器１においては、船体１００の外面から取り込んだ水Ｗが吸込管路２の直線部１１を流通し、曲部１２へ到達する。
この際、図４の解析結果に示すように、仮に第一案内翼５が設けられていない場合には、曲部１２における下側で水Ｗの流速が大きくなる一方で、上側では水Ｗの流速は小さくなる。

具体的には、吸込管路２の内部の下側の位置では色が濃くなっている。さらに、図４によると、上記境界線Ｌよりも回転方向Ｒの後方側（図４の紙面左側）でより色が濃くなっている領域が大きいことから、この位置でさらに流速が大きくなっていることとなる。

さらに、図示はしないが、このような上下方向、軸線Ｐ１の周方向に不均一な流速分布は、船速に対する水Ｗの吸い込み速度の比を表すＩＶＲ（Ｉｎｔａｋｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｒａｔｉｏ）が小さい程、顕著となることがわかっている。

ここで、本実施形態では上述したように、第一案内翼５を吸込管路２の曲部１２の内側となる位置で、境界線Ｌよりもインペラ３の回転方向Ｒの後方側に設けたことで、この位置で吸込管路２を仕切り、水Ｗの流路を分割することができる。さらに、第一案内翼５は軸線Ｐ２に対して傾斜して設けられ、曲部１２の内側では、吸込管路２の第一流路ＦＣ１の上記断面積が下流側に向かって増大する。従って、第一案内翼５の内側の第一流路ＦＣ１を流通する水の流速をディフューザ効果で低減することができる。

一方で、曲部１２の外側では、流路ＦＣの断面積は下流側に向かって減少することになり、水の流速は増大する。よって、この曲部１２の外側の流路ＦＣを流通する水Ｗの流速を増大することが可能となる。

具体的には、図４に示す色が濃くなっている部分と、それ以外の部分との境界付近に第一案内翼５を設けることになり、この色が濃くなっている部分への水Ｗの流入を妨げ、効果的に水Ｗの流速分布の不均一さを低減することができる。

従って、吸込管路２内で、上下方向だけでなく、周方向の流速分布を低減し、不均一流れ発生を抑制することができ、吸込管路２への吸い込み性能の向上、振動低減が可能となる。

本実施形態のウォータージェット推進器１によると、第一案内翼５の設置により、吸込管路２の周方向にも水Ｗの流れの均一化を図ることができ、さらなる運転性能向上が可能である。

ここで、図５に示すように、第一案内翼５は、延在方向が幅方向に対して傾斜して設けられていてもよく、即ち、Ｐ２に直交する方向に延在するように設置すればよく、このような設置方向は、吸込管路２内での流速分布に応じて適宜選択可能である。

また、後述するように、第一案内翼５は上下方向に互いに離間して複数が設けられていてもよい。（図１０参照）。なお、ここでいう上下方向に離間とは、図示はしないが、例えば図３、図５における第一案内翼５に平行に延在するように、曲部１２の外側又は内側、即ち、軸線Ｐ１に近接する側又は軸線Ｐ１から離れる側に離間していることを意味する。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係るウォータージェット推進器１Ａについて説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、第一実施形態を基本構成として、第二案内翼５Ａをさらに備えている。

図６に示すように、第二案内翼５Ａは、第一案内翼５と同様の部材であり、吸込管路２内において第一案内翼５よりも回転方向Ｒの前方側に設けられている。また、吸込管路２の軸線Ｐ２よりも下側で、吐出流路４側となる下流側に向かうに従って、吸込管路２の下側壁面との間で仕切られた第二流路ＦＣ２における軸線Ｐ２に直交する断面の面積が増大するように、軸線Ｐ２に対して傾斜して設けられている。即ち、第二案内翼５Ａは支持軸７によって支持されて、第一案内翼５と船体１００の幅方向に並んで設けられている。

ここで、第一実施形態で説明したように、吸込管路２の曲部１２の内側では、第一案内翼５が設けられた境界線Ｌよりも回転方向Ｒの後方側の領域だけでなく、回転方向Ｒの前方側でも、曲部１２の外側に比べて水Ｗの流速が大きくなっている（図４参照）。
従って、本実施形態のウォータージェット推進器１Ａによると、第一案内翼５に加えて第二案内翼５Ａを設けることで、曲部１２の内側の第二流路ＦＣ２を流通する水Ｗの流速をディフューザ効果によって小さくすることが可能となるため、吸込管路２の内部での水Ｗの周方向の流速分布をさらに低減できる。これにより、さらなる吸込管路２への吸い込み性能の向上、振動低減が可能となり、さらに運転性能向上が可能である。

なお、第二案内翼５Ａは、必ずしも第一案内翼５と並んで設けられていなくともよく、上述した第一案内翼５と同様に、上下方向に対して傾斜して設けられていてもよい。即ち、設置方向は吸込管路２の内部での流速分布に応じて適宜選択可能である。

また、後述するように、第二案内翼５Ａは上下方向に互いに離間して複数が設けられていてもよい。（図１０参照）。なお、ここでいう上下方向に離間とは、図示はしないが、例えば図６における第二案内翼５Ａに平行に延在するように、曲部１２の外側又は内側、即ち、軸線Ｐ１に近接する側又は軸線Ｐ１から離れる側に離間していることを意味する。

〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態に係るウォータージェット推進器１Ｂについて説明する。
なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、第二実施形態のウォータージェット推進器１Ａを基本構成として、第三案内翼５Ｂをさらに備えている。

図７に示すように、第三案内翼５Ｂは、第一案内翼５、第二案内翼５Ａと同様の部材であり、吸込管路２内において第一案内翼５よりも回転方向Ｒの前方側であって、第二案内翼５Ａよりも回転方向Ｒの後方側で、境界線Ｌ上に設けられている。

また、第三案内翼５Ｂは、吸込管路２の軸線Ｐ２よりも下側で、吐出流路４側となる下流側に向かうに従って、吸込管路２の下側壁面との間で仕切られた第三流路ＦＣ３における軸線Ｐ２に直交する断面積が増大するように、軸線Ｐ２に対して傾斜して設けられている。即ち、第三案内翼５Ｂは支持軸７によって支持されて、第一案内翼５、第二案内翼５Ａと船体１００の幅方向に並んで設けられている。

本実施形態のウォータージェット推進器１Ｂによると、第三案内翼によって、ディフューザ効果で曲部１２の内側を流通する水Ｗの流速をさらに細かく調整可能となり、吸込管路２内で周方向の流速分布をさらに均一化でき、さらなる運転性能向上が可能である。

なお、図８に示すように、延在方向が幅方向に対して傾斜して設けられた図５に示す第一案内翼５に、第三案内翼５Ｂを組み合わせてもよい。また、図示は省略するが、図３に示す第一案内翼５に、第三案内翼５Ｂを組み合わせてもよく、必ずしも第二案内翼５Ａは設けられていなくともよい。

また、後述するように、第三案内翼５Ｂは上下方向に互いに離間して複数が設けられていてもよい。（図１０参照）。なお、ここでいう上下方向に離間とは、図示はしないが、例えば図７、図８における第三案内翼５Ｂに平行に延在するように、曲部１２の外側又は内側、即ち、軸線Ｐ１に近接する側又は軸線Ｐ１から離れる側に離間していることを意味する。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、図９に示すように、第一案内翼５は、支持軸７を中心として上下に回動可能となっていてもよい。例えば、不図示の駆動装置によって、支持軸７を延在方向を回転軸線として回転させることで第一案内翼５を回動させ、運転状態によって異なる水Ｗの周方向の流速分布に応じて、第一案内翼５よりも曲部１２の内側へ流入する水Ｗの流速を調整できる。このため、より効果的に吸込管路２内の不均一流れを抑制することができ、さらなる運転性能向上につながる。

第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂについても同様に、支持軸７回りに回動可能としてもよく、また、第一案内翼５、第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂを独立して動作するようにしてもよい。

さらに、図１０に示すように、上下に互いに離間して複数（図１０では二つ）の第一案内翼５が設けられていてもよい。また、第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂも同様に上下に複数設けられていてもよい。
ここで、図１１に示すように、仮に第一案内翼５（第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂ）の設置角度が回転軸３ａの軸線Ｐ１の方向に対して大きくなっている場合には、上述したＩＶＲの状態によっては第一案内翼５（第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂ）から水Ｗの流れが剥離することで流れが乱れ、吸込性能を低下させてしまうおそれがある。この点、本発明では、上下に離間して複数の第一案内翼５（第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂ）を設けることで、水Ｗの流れを整流化して第一案内翼５（第二案内翼５Ａ、第三案内翼５Ｂ）からの水Ｗの流れの剥離を抑制し、吸込性能の低下を抑制することができる。

さらに、第一案内翼５、第二案内翼５Ａ、及び第三案内翼５Ｂの断面形状は、矩形状であってもよいし、翼形状であってもよい。そして翼形状とした場合には、水Ｗの流通抵抗を低減できるため、流れを乱すことがなく、吸込性能の向上につながる。

１、１Ａ、１Ｂ…ウォータージェット推進器 ２…吸込管路 ３…インペラ ３ａ…回転軸 ３ｂ…軸カバー ４…ジェット流路 ５…第一案内翼 ５Ａ…第二案内翼 ５Ｂ…第三案内翼 ７…支持軸 １１…直線部 １２…曲部 Ｐ１…軸線 Ｐ２…軸線 Ｗ…水 Ｒ…回転方向 Ｄ…進行方向 Ｌ…境界線 ＦＣ…流路 ＦＣ１…第一流路 ＦＣ２…第二流路 ＦＣ３…第三流路 １００…船体 １０１…船底 １０２…船首部 １０３…船尾部 １１０…ウォータージェット推進船

Claims (4)

1. 回転軸回りに回転するインペラと、
   船体の外面に開口し、前記回転軸の延びる方向に対して傾斜して延びて、延在方向が途中で変化する曲部を有して前記インペラに前記船体の外部から水を導入する吸込管路と、
   前記吸込管路内における前記軸線から前記曲がり中心方向に向かって延びる境界線から外れた位置に設けられた第一案内翼と、
   を備え、
   前記第一案内翼は、前記吸込管路の軸線に直交する断面において、該軸線よりも該吸込管路の前記曲部の曲がり中心方向側、かつ、前記境界線よりも前記インペラの回転方向後方側の領域のみに設けられており、かつ、前記曲がり中心方向側では前記軸線に沿って下流側に向かうに従って、前記第一案内翼と前記曲部の前記曲がり中心方向側における前記吸込管路の壁面との間で仕切られた第一流路における前記軸線に直交する断面積が増大するように設けられていることを特徴とするウォータージェット推進器。
2. 前記第一案内翼は、前記軸線に直交する方向に沿う支持軸回りに回動可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進器。
3. 前記吸込管路内で、前記曲部の曲がり中心方向側、かつ、前記境界線上に設けられた第三案内翼をさらに備え、
   前記第三案内翼は、前記曲部の前記曲がり中心方向側では前記軸線に沿って下流側に向かうに従って、該第三案内翼と前記曲部の前記曲がり中心方向側における前記吸込管路の壁面との間で仕切られた第三流路における前記軸線に直交する断面積が増大するように設けられていていることを特徴とする請求項１又は２に記載のウォータージェット推進器。
4. 船体と、
   前記船体の内部に設けられた請求項１から３のいずれか一項に記載のウォータージェット推進器と、
   を備えることを特徴とするウォータージェット推進船。

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