JP6041440B2 - フィン装置及び船舶 - Google Patents

Description

本発明は、フィン装置及び船舶に関し、特に、船舶の省エネルギー化に適したフィン装置及び該フィン装置を備えた船舶に関する。

近年、原油価格高騰や二酸化炭素放出量削減等の環境問題の観点から、船舶に対する燃費改善の要求が高くなっており、より一層の省エネルギー化が求められている。ところで、船尾部では、一般にビルジ渦（剥離渦）が発生しており、このビルジ渦をプロペラで回収することにより、推進効率を向上させることができる。このビルジ渦を回収するための装置として、例えば、プロペラの直前に略円筒形状のダクトを配置したもの（特許文献１参照）や、船体の側面部にフィンを配置したもの（特許文献２，３参照）が既に提案されている。

特許文献１に記載されたダクト装置では、ビルジ渦を含む水流（伴流）をダクト内に取り込むことによって、水流の流れを軸方向に整流することができ、ビルジ渦を効率よく回収することができる。また、特許文献２に記載されたフィン装置では、前部フィンによってビルジ渦の発生を抑制し、後部フィンによってビルジ渦の拡散を抑制している。また、特許文献３に記載されたビルジ構造では、生成されたビルジ渦の流れ方向を船底側に変化させることによって、ビルジ渦をプロペラに導いている。

特許第５１３２１４０号公報 特許第３８０８７２６号公報 実用新案登録第３０９７６５３号公報

しかしながら、船尾部における伴流は複雑な流れを有しており、ビルジ渦以外にも速度が遅い帯域（以下、「遅速帯」と称する）を有している。したがって、上述した特許文献１〜３に記載されたような、ビルジ渦の発生を抑制したり、ビルジ渦の方向を整流したりする方法では、ビルジ渦以外の遅速帯による推進効率の低下を抑制することができないという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、ビルジ渦以外の遅速帯における推進効率を改善することにより、船舶の省エネルギー化を図ることができる、フィン装置及び船舶を提供することを目的とする。

本発明によれば、船側の船長方向に形成された平面状のサイドフラットを備えた船体に配置されるフィン装置であって、前記サイドフラットは、船尾部に向かって船底側から甲板側に上昇する外縁を構成する傾斜部を有し、該傾斜部が形成された範囲内で前記傾斜部よりも下方かつビルジ高さよりも上方の範囲内に前記船体から突出した単数のフィンを有し、前記フィンの取付角度は略水平方向に設定され、前記フィンの迎角は０°に設定され、前記フィンの配置高さは計画喫水に対して船底から１０〜５１％の範囲内に設定されており、前記船尾部に生じる遅速帯の領域を減少するようにした、ことを特徴とするフィン装置が提供される。

また、本発明によれば、船側の船長方向に形成された平面状のサイドフラットを備えた船体に配置されるフィン装置を有する船舶であって、前記フィン装置は、前記サイドフラットは、船尾部に向かって船底側から甲板側に上昇する外縁を構成する傾斜部を有し、該傾斜部が形成された範囲内で前記傾斜部よりも下方かつビルジ高さよりも上方の範囲内に前記船体から突出した単数のフィンを有し、前記フィンの取付角度は略水平方向に設定され、前記フィンの迎角は０°に設定され、前記フィンの配置高さは計画喫水に対して船底から１０〜５１％の範囲内に設定されており、前記船尾部に生じる遅速帯の領域を減少するようにした、ことを特徴とする船舶が提供される。

上述したフィン装置及び船舶において、前記フィンは、船幅を超えないように配置又は形成されていてもよい。また、前記フィンは、ビルジキールと連続するように一体に形成されていてもよい。

上述した船舶において、船尾部に配置されたプロペラの前方に配置され、該プロペラに流入する水流を整流する整流装置を有していてもよい。

上述した本発明に係るフィン装置及び船舶によれば、サイドフラットの傾斜部よりも下方かつビルジ高さよりも上方の範囲内にフィンを配置したことにより、船尾部におけるサイドフラット及び船底からの流れの集束を緩和して、船尾部に生じる遅速帯の領域を減少させると同時に、伴流をより船底側に誘導することができるため、ビルジ渦以外の遅速帯を利用して推進効率を改善し、ひいては船舶の省エネルギー化を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係るフィン装置を備えた船舶を示す概略構成図であり、（ａ）は船尾部を示す斜視図、（ｂ）はフィン装置の拡大図、を示している。 図１に示した船舶のプロファイル線図である。 船舶のプロペラ面における伴流分布を示す図であり、（ａ）は従来の船舶、（ｂ）は本実施形態に係る船舶、を示している。 フィンの配置高さに対する船体抵抗と省エネ効果の相関関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るフィン装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、（ｃ）は第四実施形態、（ｄ）は第五実施形態、（ｅ）は第六実施形態、を示している。 フィン装置とダクト装置との相乗効果を示す図であり、（ａ）は省エネ効果、（ｂ）は船体模型の船尾部、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るフィン装置を備えた船舶を示す概略構成図であり、（ａ）は船尾部を示す斜視図、（ｂ）はフィン装置の拡大図、を示している。図２は、図１に示した船舶のプロファイル線図である。

本発明の第一実施形態に係る船舶１は、図１（ａ）及び図２に示したように、船側の船長方向に形成された平面状のサイドフラット１１を備えた船体に配置されるフィン装置２を有し、サイドフラット１１は、船尾部１２に向かって船底１３側から甲板１４側に上昇する外縁を構成する傾斜部１１ａを有し、フィン装置２は、傾斜部１１ａよりも下方かつビルジ高さＨｂよりも上方の範囲内に船体から突出したフィン２１を有している。

図２に示したプロファイル線図は、船舶１の複数のプロファイル線図を一つの図に統合して記載したものである。ここでは、船体中心線Ｌを含む鉛直面における外形を示した船体中心プロファイル線図Ｐ１（実線）、サイドフラット１１の外縁を示したサイドフラットプロファイル線図Ｐ２（実線）、フィン２１を含む水平面における外形を示した水線面プロファイル線図Ｐ３（実線）、計画喫水線ＷＬを含む水平面における外形を示した喫水面プロファイル線図Ｐ４（破線）及び甲板を含む水平面における外形を示した甲板面プロファイル線図Ｐ５（二点鎖線）の５つのプロファイル線図を統合して図示している。

船体中心プロファイル線図Ｐ１における下端の直線部は船舶１の船底１３を示し、上端の直線部は船舶１の甲板１４を示している。船底１３から計画喫水線ＷＬまでの距離は計画喫水Ｄを示している。

サイドフラット１１は、船体の側面視略中央部に形成されており、船底１３と略平行な直線部１１ｂを有している。船底１３と直線部１１ｂとの差分（鉛直距離）は、ビルジ高さＨｂ（船底１３の側部における湾曲部分の高さ）を示している。また、サイドフラット１１は、船尾部１２側に略鉛直に形成された後端部１１ｃを有している。いま、直線部１１ｂの船尾部１２側の終点を点Ｑとし、後端部１１ｃの船底１３側の終点を点Ｒとすれば、点Ｑと点Ｒを結ぶプロファイルは、船尾部１２に向かって船底１３側から甲板１４側に上昇する傾斜部１１ａを構成する。なお、船型によっては、後端部１１ｃを有しない場合もあるが、この場合、点Ｒは甲板１４と傾斜部１１ａとの交点として表示される。

本実施形態におけるフィン２１は、傾斜部１１ａと直線部１１ｂの延長線と点Ｒを通る鉛直線とにより囲まれた領域（図中の灰色に塗り潰した領域）内に配置される。したがって、フィン２１は、傾斜部１１ａよりも下方かつビルジ高さＨｂよりも上方の範囲内に配置されることとなる。なお、フィン２１の配置高さ（船底１３からの距離）をＨｆと表示するものとする。

水線面プロファイル線図Ｐ３、喫水面プロファイル線図Ｐ４及び甲板面プロファイル線図Ｐ５は、船体中心線Ｌに対して半分の領域（ここでは左舷側）のみ図示している。これらのプロファイルに示したように、船舶１は、サイドフラット１１の部分で最大船幅を有することが多い。なお、図では最大船幅の半分の大きさを船幅Ｗｂとして図示している。

フィン２１は、水線面プロファイル線図Ｐ３に示したように、最大船幅Ｗｂ（船幅Ｗｂ）を超えないように配置されている。フィン２１は、船幅Ｗｂを超えないように、配置位置をずらすようにしてもよいし、はみ出した部分をカットするようにしてもよい。

フィン２１は、図１（ｂ）に示したように、略矩形形状の平板により構成されており、角部は適宜Ｒが形成される。また、フィン２１の後端側は、水流の抵抗を減らすために、横幅を徐々に狭くなるように形成してもよい。フィン２１の船体に対する取付角度は、例えば、略水平に設定される。また、フィン２１の水流に対する迎角は、例えば、０°に設定される。

ここで、図１（ａ）に示した白線の点線は、本実施形態に係るフィン装置２を有しない従来の船舶における船体表面限界流線を示しており、図１（ａ）に示した白線の実線は、本実施形態に係るフィン装置２を有する船舶１における船体表面限界流線を示している。フィン２１を有しない従来の船舶１では、サイドフラット１１及び船底１３から船尾部１２流れ込む流れは、合流及び集束してプロペラ面の上方又は水面に向かう水流を形成しやすい。それに対して、フィン２１を有する船舶１では、サイドフラット１１及び船底１３から船尾部１２に流れ込む流れの合流又は集束を緩和すると同時に伴流を船底１３側に誘導することができ、プロペラ面内により多くの伴流を導くことができる。

ここで、図３は、船舶のプロペラ面における伴流分布を示す図であり、（ａ）は従来の船舶、（ｂ）は本実施形態に係る船舶、を示している。図３（ａ）及び（ｂ）において、破線は、船体形状を示すプロファイルである。また、中央線Ｍの左側は渦度の分布を示し、右側は船長方向速度の分布を示している。また、中央下部の円形の太線はプロペラ面１５を示している。なお、図３（ａ）及び（ｂ）に示した伴流分布は、フィン装置２（フィン２１）の有無を除いて、同じ条件でシミュレーションした結果を図示したものである。

渦度は、渦の強さを示しており、数値が大きくなるほど渦が強いことを意味している。例えば、図３（ａ）に示したように、プロペラ面１５′内において渦度は最大値を示しており、図の矢印方向（時計回り）に回転する強い渦が形成されている。この渦を一般にビルジ渦と称する。また、船長方向速度の数値は、船速に対してどれだけ遅いかを示すものであり、「船長方向速度／船速−１」により計算される。したがって、数値がマイナスの場合は船速よりも遅いことを意味し、数値の絶対値が大きいほど船速よりも遅い速度であることを意味している。

従来の船舶１′において、図３（ａ）に示したように、プロペラ面１５′に船長方向速度が遅い部分が集中している一方で、図中の破線で囲んだ領域Ｓにも船長方向速度が遅い部分（遅速帯）が形成されている。この部分の遅速帯は、プロペラに回収することができない部分であり、推進効率の低下を誘引している。なお、従来の船舶１は、本実施形態の船舶１と同様に、サイドフラット１１′、船尾部１２′船底１３′等を備え、フィン装置２（フィン２１）を有しない点においてのみ相違している。

本発明は、主として、上述した領域Ｓにおける遅速帯を利用して推進効率を改善し、船舶の省エネルギー化を図るものである。図３（ｂ）に示したように、本実施形態に係る船舶１では、渦度に関しては従来の船舶１′と実質的な差異はない一方で、領域Ｓにおける遅速帯が減少していることが理解できる。したがって、本実施形態における船舶１では、その分だけ推進効率を改善することができる。

次に、フィン２１の配置高さＨｆの条件について説明する。ここで、図４は、フィンの配置高さに対する船体抵抗と省エネ効果の相関関係を示す図である。図中の横軸は、船体抵抗を示し、縦軸は省エネ効果を示している。また、図中に書き記した数値は、計画喫水Ｄに対する配置高さＨｆの割合（Ｈｆ／Ｄ）を示している。

図１に示した船舶１において、フィン２１の配置高さＨｆを変更して、船体抵抗と省エネ効果をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図に表示すると、図４に示したように、上に凸な曲線を得ることができる。

具体的には、省エネ効果は、フィン２１の配置高さＨｆが３６％（Ｈｆ／Ｄ＝０．３６）の付近で最大値を示し、配置高さＨｆが高くなるほど省エネ効果は低減し、配置高さＨｆが低くなるほど省エネ効果は低減する。また、船体抵抗は、フィン２１の配置高さＨｆが３０％（Ｈｆ／Ｄ＝０．３０）の付近で最大値を示し、配置高さＨｆが高くなるほど船体抵抗は小さくなり、配置高さＨｆが低くなるほど船体抵抗は小さくなる。

そして、フィン２１を配置した場合の省エネ効果を基準に配置高さＨｆを設定するとすれば、省エネ効果が低い基準値αを満たす条件は、０．１０≦Ｈｆ／Ｄ≦０．５１である。また、省エネ効果が中程度の基準値βを満たす条件は、０．２５≦Ｈｆ／Ｄ≦０．４６である。また、省エネ効果が高い基準値αを満たす条件は、０．３０≦Ｈｆ／Ｄ≦０．４０である。すなわち、フィン２１の配置高さＨｆは、計画喫水Ｄに対して船底から１０〜５１％の範囲内に設定されていてもよいし、２５〜４６％の範囲内に設定されていてもよいし、３０〜４０％の範囲内に設定されていてもよい。

フィン２１の配置高さＨｆは、船舶１の種類や船型によって、上述した数値の範囲内で任意に設定することができる。なお、フィン２１の船長方向長さは、船体抵抗とのバランスによって任意に設定することができるし、フィン２１の横幅（突出量）は、例えば、５００〜１０００ｍｍの範囲内で任意に設定することができる。

次に、本発明の他の実施形態に係るフィン装置２について、図５を参照しつつ説明する。ここで、図５は、本発明の他の実施形態に係るフィン装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、（ｃ）は第四実施形態、（ｄ）は第五実施形態、（ｅ）は第六実施形態、を示している。

図５（ａ）に示した第二実施形態に係るフィン装置２は、フィン２１を翼形状に形成したものである。ここでは、フィン２１の翼断面積が、根元側で大きく、先端側で小さくなるように形成しているが、かかる形状に限定されるものではない。フィン２１は、一様の翼断面積を有する翼形状により形成されていてもよい。フィン２１を形成する翼形状は、少なくとも上面側が上に凸となる曲面を有しており、フィン２１の表面を流れる水流を翼形状に沿わせることによって、伴流を船底側に誘導させやすくすることができる。

図５（ｂ）に示した第三実施形態に係るフィン装置２は、平板状のフィン２１を上に凸となるように湾曲させたものである。かかる構成によっても、伴流を船底側に誘導させやすくすることができる。なお、フィン２１の配置位置や大きさによっては、下に凸となるようにフィン２１を湾曲させるようにしてもよい。

図５（ｃ）に示した第四実施形態に係るフィン装置２は、平板状に形成されたフィン２１の迎角θを変更したものである。フィン２１の迎角θは、図示したように、例えば、±３０°の範囲内に設定される。ここでは、迎角θ＝＋３０°の場合を実線で図示し、第一実施形態（θ＝０°）を破線で図示している。フィン２１の迎角θを適宜調整することによって、船体形状に適したフィン装置２を形成することができる。

図５（ｄ）に示した第五実施形態に係るフィン装置２は、平板状に形成されたフィン２１の取付角度φを変更したものである。フィン２１の取付角度φは、図示したように、例えば、略鉛直方向（φ＝９０°）から略水平方向（φ＝０°）の範囲内に設定される。ここでは、取付角度φ＝４５°の場合を実線で図示し、第一実施形態（φ＝０°）を破線で図示している。フィン２１の取付角度φを適宜調整することによって、船体形状に適したフィン装置２を形成することができる。

図５（ｅ）に示した第六実施形態に係るフィン装置２は、フィン２１をビルジキール２２と連続するように一体に形成したものである。一般に、船舶のビルジ部（船底の湾曲部）には約４５°の角度で突出したフィン形状のビルジキール２２が設けられている。本実施形態では、このビルジキール２２の後端部と上述したフィン２１の先端部とを連結して一枚のフィン装置２を形成している。かかる構成によれば、一枚の平板部材を船体に接続するだけで、フィン２１及びビルジキール２２の両方の機能を兼ね備えることができる。

次に、上述したフィン装置２とダクト装置との相乗効果について説明する。ここで、図６は、フィン装置とダクト装置との相乗効果を示す図であり、（ａ）は省エネ効果、（ｂ）は船体模型の船尾部、を示している。

図６（ｂ）に示したような、船舶１の船体模型（船尾部のみを図示）を用いて省エネ効果を計測する水槽試験を行った。ダクト装置３は、船尾部１２に配置されたプロペラ４の前方に配置され、プロペラ４に流入する水流を整流する整流装置である。具体的には、プロペラ４の直前に、略円筒形状又は略半円筒形状のダクト３１が配置される。ダクト装置３は、例えば、特公平０３−０６６１９７や特許第５１３２１４０号等に記載された既知のものを任意に適用することができ、ここでは詳細な説明を省略する。

図６（ｂ）に示したようなフィン装置２及びダクト装置３の両方を有する船舶１、フィン装置２のみを有する船舶、ダクト装置３のみを有する船舶について、それぞれ同じ条件で推進性能試験を行い、その試験結果から燃料消費量を計算することによって、削減できた燃料消費量から省エネ効果を確認することができる。

図６（ａ）に示したように、ダクト装置３のみを有する船舶（ダクト装置単体）の省エネ効果と、フィン装置２のみを有する船舶（フィン装置単体）の省エネ効果と、を合算した数値よりも、フィン装置２及びダクト装置３の両方を有する船舶１の方がΔＥだけ省エネ効果に優れることを確認することができた。

本発明は、フィン装置２のみでも船舶１の省エネルギー化を図ることができるが、ダクト装置３と組み合わせることにより、優れた相乗効果を発揮し、船舶１の省エネルギー化を大幅に向上させることができる。この相乗効果は、本発明のフィン装置２によって伴流を船底側に誘導することができることから、従来の船舶ではダクト装置３で回収できなかった遅速帯の伴流を回収することができるようになったことに起因している。

上述した本実施形態に係る船舶１は、タンカー、バルクキャリアー、ＬＮＧ船、ＬＰＧ船、フェリー等の肥大船に限定されるものではなく、ＰＣＣ（自動車運搬船）、一般貨物船、コンテナ船等の瘠形船にも適用することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、第一実施形態〜第五実施形態に係るフィン装置２を適宜組み合わせるようにしてもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 船舶
２ フィン装置
３ ダクト装置
４ プロペラ
１１ サイドフラット
１１ａ 傾斜部
１１ｂ 直線部
１１ｃ 後端部
１２ 船尾部
１３ 船底
１４ 甲板
１５ プロペラ面
２１ フィン
３１ ダクト

Claims (5)

1. 船側の船長方向に形成された平面状のサイドフラットを備えた船体に配置されるフィン装置であって、
   前記サイドフラットは、船尾部に向かって船底側から甲板側に上昇する外縁を構成する傾斜部を有し、
   該傾斜部が形成された範囲内で前記傾斜部よりも下方かつビルジ高さよりも上方の範囲内に前記船体から突出した単数のフィンを有し、
   前記フィンの取付角度は略水平方向に設定され、前記フィンの迎角は０°に設定され、前記フィンの配置高さは計画喫水に対して船底から１０〜５１％の範囲内に設定されており、
   前記船尾部に生じる遅速帯の領域を減少するようにした、
   ことを特徴とするフィン装置。
2. 前記フィンは、船幅を超えないように配置又は形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のフィン装置。
3. 前記フィンは、ビルジキールと連続するように一体に形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフィン装置。
4. 船側の船長方向に形成された平面状のサイドフラットを備えた船体に配置されるフィン装置を有する船舶であって、
   前記フィン装置は、請求項１〜３の何れか一項に記載されたフィン装置である、ことを特徴とする船舶。
5. 船尾部に配置されたプロペラの前方に配置され、該プロペラに流入する水流を整流する整流装置を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の船舶。