JP6203349B1

JP6203349B1 - 船舶用舵

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Publication number: JP6203349B1
Application number: JP2016173669A
Authority: JP
Inventors: 洋新井; 智成西浦; 憲璽高岸
Original assignee: Japan Marine United Corp
Current assignee: Japan Marine United Corp
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2036-09-06
Also published as: CN107792330A; KR20180027301A; KR101877125B1; JP2018039322A

Abstract

【課題】方向舵が受ける舵力によるピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる船舶用舵を提供する。【解決手段】方向舵１３の舵中間部２０が、ラダーホーン１２にピントル１６を介して揺動可能に取り付けられている。舵中間部２０は、ピントル１６を方向舵１３に固定するピントル固定部２１、又は、方向舵１３の最短コード部２２である。船舶用舵１０はさらに、プロペラ８の軸心高さに位置しラダーホーン１２又は方向舵１３より法線方向に膨らんだ舵バルブ１４を備える。舵バルブ１４の少なくとも一部が、舵中間部２０と一体に構成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、船舶のプロペラ直後に設けられた船舶用舵に係り、さらに詳しくは、マリナー型の薄型舵に関する。

船舶の多くが水中に舵（以下、「船舶用舵」）を有し、舵によって水流の流れを変えて進行方向を変更又は調節する。船舶用舵は、船体後部の船底付近に取り付けられ、船体中心軸に対する角度を左右に変えることができる。プロペラを持つ船舶では舵の多くがプロペラ直後に位置し、前進回転中のプロペラが生み出す強い水流の向きを左右方向へと変えることで船体の向きを変える。

船舶用舵は、吊舵型、マリナー型、下部ピントル型など、様々がある。
このうち、マリナー型の舵は、方向舵を支えるラダーホーンを有しており、方向舵の頂部を支持するラダーストックとラダーホーンとをつなぐピントルにより回転する。

上述したマリナー型の舵は、例えば、特許文献１〜３に開示されている。

特開２００６−１９３０４１号公報特開２００５−２４７１２２号公報国際公開２０１３／１２２１１３号公報

マリナー型の舵は、方向舵の頂部のラダーストックとピントルを介しラダーホーンで支持され、方向舵が受ける舵力（水圧）による曲げモーメントは、ピントル周辺で最大となる。
そのため、ピントル周辺の方向舵に発生する曲げ応力を低減するために、ピントル周辺の舵厚を大きくすることで剛性を確保する必要があった。
また、ピントルを方向舵に固定するピントルナットを方向舵内に配置するためにも、ピントル周辺の舵厚を大きくする必要があった。

また、舵による推進抵抗（以下、「舵抵抗」）は、舵表面の凹凸（滑らかさ）に大きく影響される。そのため、従来は、船舶用舵の頂部（上端）から底部（下端）まで、船舶用舵の舵厚は、ピントル周辺の舵厚を基準とし、頂部（上端）から底部（下端）まで不連続点が生じないように舵厚が決定されていた。

船舶の運航において、前進の占める割合は大きく、前進時における舵抵抗は、舵厚に比例する。そのため、上述したマリナー型の舵は、船舶の前進時における舵抵抗が大きく、その舵抵抗を下げることが従来から要望されていた。

本発明はかかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、方向舵が受ける舵力によりピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、ピントルナットが配置可能、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる船舶用舵を提供することにある。

本発明によれば、船舶のプロペラ後方に配置されたラダーホーンと、
舵中間部が前記ラダーホーンにピントルを介して取り付けられ、前記ピントルの軸心を中心に揺動可能な方向舵と、
プロペラの軸心高さに位置し前記ラダーホーン又は前記方向舵より法線方向に膨らんだ舵バルブと、を備え、
前記舵バルブの少なくとも一部が、前記舵中間部と一体に構成され、
前記舵バルブを除く前記ラダーホーン及び前記方向舵は、前縁から前後方向同一位置において、前記舵バルブの最厚部分より舵厚が薄く、かつ前記舵バルブの外面に滑らかに取合う形状を有する、船舶用舵が提供される。

前記舵中間部は、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントル固定部、又は、前記方向舵の最短コード部である。

前記ラダーホーンは、前記ピントルを回転自在に支持するピントル軸受部を有し、
前記舵バルブは、前記ラダーホーンに設けられた固定バルブと、前記方向舵に設けられた揺動バルブと、からなり、
前記固定バルブは、前記ピントル軸受部を含み、
前記揺動バルブは、前記ピントル固定部又は前記最短コード部を含む。

前記ラダーホーンの下端が、前記軸心高さ又はその近傍に位置する。

前記最短コード部は、前記軸心高さ又はその近傍に位置する。

前記舵バルブは、前記方向舵に設けられており、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントルナットが、前記軸心高さ又はその近傍に位置する。

前記舵バルブの少なくとも一部が、前記ラダーホーンの下端部分に位置し後方に突出した下部連結部と一体に構成されている。

前記舵バルブは、舵表面より船幅方向に水平に延びるフィンを有し、前記フィンは、前記船舶の進行方向成分を有する揚力を発生する。

上記本発明の構成によれば、プロペラの軸心高さに位置しラダーホーン又は方向舵より法線方向に膨らんだ舵バルブを備えるので、プロペラの推進効率を向上させることができる。

一方、舵中間部は、ピントルを介してラダーホーンで方向舵が支持されるため、この部分に舵力による最大曲げモーメントが発生するため、構造強度上、問題となることが多い。
しかし、本発明の構成によれば、舵バルブの少なくとも一部が、舵中間部と一体に構成されているので、最大曲げモーメント発生箇所へ舵バルブ位置を合せることで、断面剛性の確保が容易となり、発生応力を低減することができる。

さらに、舵バルブを除く方向舵を、最大曲げモーメントが生じる部分の影響を受けずに設定できるので、舵バルブを除く舵全体の舵厚を従来よりも薄くできる。

従って、本発明により、方向舵が受ける舵力によりピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、ピントルナットが配置可能、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる。

従来の船舶用舵の全体構成図である。図１の船舶用舵の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。船舶用舵の計算モデル図である。本発明による船舶用舵の第１実施形態を示す側面図である。図４の船舶用舵の拡大図である。図５の部分断面図である。本発明による船舶用舵の第２実施形態を示す側面図である。図７の船舶用舵の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である本発明による船舶用舵の第３実施形態を示す側面図である。図９の船舶用舵の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。舵厚と推進抵抗の関係の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

初めに、従来例を説明する。
図１は、従来の船舶用舵１の全体構成図である。この図において、船舶用舵１は、マリナー型の舵であり、ラダーホーン２、方向舵３（舵板）、及び舵バルブ４を有する。
ラダーホーン２は、船体５の船尾船底から方向舵３のほぼ中央あたりまで配置される。ラダーホーン２は、方向舵３の頂部を支持するラダーストック６と方向舵３のほぼ中央部に設けたピントル７を支持する。
なお、この図で、５ａはベースライン、８はプロペラ、８ａはプロペラ８の中心線（プロペラ中心線）、９はピントル７を方向舵３に固定するピントルナットである。

図２は、図１の船舶用舵１の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。
この図に示すように、従来の船舶用舵１では、ラダーホーン２の厚さは、その頂部（上端）から底部（下端）まで、ピントル周辺の舵厚とほぼ同一に形成されていた。
また、ラダーホーン２の下端は、方向舵３の中央付近（全高の約１／２の高さ）であり、方向舵３の図心近傍に位置していた。この場合、ラダーホーン２の下端は、プロペラ中心線８ａから上方に方向舵３の全高の約１／６〜１／４程度離れた高さに位置する船が多い。

また、方向舵３の舵厚は、ラダーホーン２に接続される部分において、ラダーホーン２から凹凸のないようにラダーホーン２とほぼ等しく、ラダーホーン２の下端より下方において徐々に薄く形成されていた。
また、従来の船舶用舵１において、舵バルブ４は、通常、プロペラ８の軸心高さにおいて方向舵３に設けられ、方向舵３の外表面から法線方向に膨らんだ形状を有している。
なお、従来の船舶用舵１において、舵バルブ４は、必須ではなく、これを省略する場合も多い。

図３は、船舶用舵１の計算モデル図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はモデル図、（Ｃ）はせん断力図、（Ｄ）は曲げモーメント図である。この図において、Ｘは船舶用舵１の前後方向、Ｚは船舶用舵１の上下方向を示す。

図３（Ａ）において、ラダーストック６はＡ点とＢ点で支持されており、方向舵３は、さらにＣ点で支持されている。この図において、Ｃ点からＤ点までの長さ（高さ）をＬとする。長さＬは、従来例では、方向舵３の全高の約１／２以上であった。

図３（Ｂ）のモデル図では、船舶用舵１とラダーストック６を、１本の梁ＡＢＣＤとみなしている。梁ＡＢＣＤは、Ａ点（Ｓ１）とＢ点（Ｓ２）を変形のみを拘束した単純支持として、Ｃ点では弾性的に支持されている。また、方向舵３の上端からＣ点（Ｓ３）までと、Ｃ点から下端（Ｄ点）までに、それぞれ一定の舵力が作用する。Ｃ点から下端（Ｄ点）までの舵力をこの例では、Ｐとする。

図３（Ｃ）のせん断力図から、梁ＡＢＣＤに作用するせん断力は、Ｃ点において最大せん断力Ｑｍａｘとなることがわかる。
最大せん断力Ｑｍａｘは、単位幅当たり、Ｑｍａｘ＝Ｐ・Ｌ・・・（１）で表すことができる。
また、図３（Ｄ）の曲げモーメント図から、梁ＡＢＣＤに作用する曲げモーメントは、Ｃ点において最大曲げモーメントＭｍａｘとなることがわかる。
最大曲げモーメントＭｍａｘは、単位幅当たり、Ｍｍａｘ＝０．５Ｐ・Ｌ^２・・・（２）で表すことができる。

船舶用舵１では、図３（Ｃ）（Ｄ）から明らかなように、方向舵３が受ける舵力Ｐによるせん断力と曲げモーメントは、ピントル周辺で最大となる。
そのため、ピントル周辺に発生するせん断応力と曲げ応力を低減するために、図１、図２に示したように、ピントル周辺の舵厚を大きくする必要があった。
また、ピントル７を方向舵３に固定するピントルナット９を方向舵内に配置するためにも、ピントル周辺の舵厚を大きくする必要があった。

また、舵による推進抵抗（以下、「舵抵抗」）は、舵表面の凹凸（滑らかさ）に大きく影響される。そのため、従来は、船舶用舵１の頂部（上端）から底部（下端）まで、舵厚をピントル周辺の舵厚とほぼ同一に形成されていた。
その結果、従来の船舶用舵１の舵厚が大きく、船舶の前進時における舵抵抗が大きかった。

図４は、本発明による船舶用舵１０の第１実施形態を示す側面図である。
この図において、本発明の船舶用舵１０は、マリナー型の薄型舵であり、ラダーホーン１２、方向舵１３、及び舵バルブ１４を備える。

ラダーホーン１２は、船舶のプロペラ後方に配置されている。

方向舵１３は、舵中間部２０がラダーホーン１２にピントル１６を介して取り付けられ、ピントル１６の軸心Ｚ−Ｚを中心に揺動可能に構成されている。
この例で、方向舵１３は、ラダーホーン１２の上部連結部１８と下部連結部１７に取り付けられている。下部連結部１７は、ラダーホーン１２の下端部分に位置し後方に突出した部分であり、ピントル軸受部分となる。下部連結部１７は、ピントル１６の上部を回転自在に支持する。

また、ラダーホーン１２の頂部は、ラダーストック１５の上部軸受部分となる。
この例において、ラダーストック１５はピントル１６の軸心Ｚ−Ｚを合わせて、船内に設けられた操舵装置まで延び、操舵装置により軸心Ｚ−Ｚを中心に揺動可能に構成されている。

舵バルブ１４は、プロペラ８の軸心高さに位置し、ラダーホーン１２又は方向舵１３より法線方向に膨らんでいる。舵バルブ１４の外面形状は、流線形でありプロペラ８の推進効率を向上させるように設定されている。
なお、この図で、１９はピントル１６を方向舵１３に固定するためのピントルナットであり、方向舵１３の内部に設けられた空間に位置する。この内部空間は、ピントル１６にピントルナット１９を取付け・取外しするための作業空間である。

図４において、舵バルブ１４の少なくとも一部が、舵中間部２０と一体に構成されている。舵中間部２０を破線の枠で示す。

図５は、図４の船舶用舵１０の拡大図であり、図６は、図５の部分断面図である。
図６において、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、図５のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図である。
図５において、舵中間部２０は、ピントル１６の下部を方向舵１３に固定するピントル固定部２１、又は、方向舵１３の最短コード部２２である。すなわち、舵中間部２０は、ピントル固定部２１と最短コード部２２の一方又は両方である。ピントル固定部２１は、ピントルナット１９の部分を含むことが好ましい。

図５において、ラダーホーン１２の下端１２ａは、プロペラ８の軸心高さ又はその近傍に位置する。
この構成により、図３におけるＣ点からＤ点までの長さＬを、方向舵３の全高の約１／３以下に設定することができ、ピントル周辺に作用する最大せん断力Ｑｍａｘと最大曲げモーメントＭｍａｘを大幅に低減することができる。

図５において、舵バルブ１４は、固定バルブ１４ａと揺動バルブ１４ｂとからなる。固定バルブ１４ａは、ラダーホーン１２の下部に固定して設けられた、舵バルブ１４の上部前方部分である。また、揺動バルブ１４ｂは方向舵１３の舵中間部２０に固定して設けられた、舵バルブ１４の下部前方部分と後方部分である。

図６（Ｃ）において、ラダーホーン１２の固定バルブ１４ａは、ピントル軸受部を含む下部連結部１７と一体に構成されている。なお、この図において、ピントル１６の摺動面を構成するブッシュやスリーブの表示は省略している。

図５と図６（Ｃ）において、方向舵１３の揺動バルブ１４ｂは、ピントル固定部２１と最短コード部２２の少なくとも一部を含み一体に構成されている。最短コード部２２は、図３における最大曲げモーメントＭｍａｘが作用する部分である為、高い降伏応力を有する材料を用いることが好ましい。

図５と図６（Ｃ）において、ピントルナット１９が配置可能、且つ揺動バルブ１４ｂにおいて発生する最大せん断力Ｑｍａｘと最大曲げモーメントＭｍａｘに対し、当該部に発生するせん断応力と曲げ応力が許容応力未満となるように、揺動バルブ１４ｂの大きさ（膨らみ）が設定されている。

なお、図６（Ｃ）に太い破線ｂで示すように、揺動バルブ１４ｂに発生するせん断応力と曲げ応力が許容応力未満となる限りで、合理的に軽量化してもよい。

図６（Ａ）において、方向舵１３は、ラダーストック１５の下端部を方向舵１３に固定するラダーストック固定部２３を有する。ラダーストック固定部２３も、揺動バルブ１４ｂと同様に高い降伏応力を有する材料を用いることが好ましい。
図３から明らかなように、ラダーストック固定部２３（図３のＢ点に相当する）におけるせん断力と曲げモーメントは、最短コード部２２と比較して大幅に小さい。従って、図６（Ａ）における方向舵１３の舵厚をピントル固定部２１よりも大幅に薄くすることができる。

図５のＢ−Ｂ断面及びＤ−Ｄ断面におけるせん断力と曲げモーメントは、最短コード部２２と比較して大幅に小さい。従って、図６（Ｂ）（Ｄ）における方向舵１３の舵厚を舵中間部２０、及びピントル固定部２１よりも大幅に薄くすることができる。

すなわち、この例において、舵バルブ１４を除くラダーホーン１２及び方向舵１３は、前縁から前後方向同一位置において、舵バルブ１４の最厚部分より舵厚が薄く、かつ舵バルブ１４の外面に滑らかに取合う形状を有する。ここで「滑らかに取合う」とは「滑らかに接続する」ことを意味する。
従って、本発明により、方向舵１３が受ける舵力によるピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる。

図７は、本発明による船舶用舵１０の第２実施形態を示す側面図である。また、図８は、図７の船舶用舵１０の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。

図７、図８において、下部連結部１７及び最短コード部２２は、プロペラ８の軸心高さ又はその近傍に位置する。
この構成により、図３におけるＣ点からＤ点までの長さＬを、方向舵１３の全高の約１／３以下に設定することができ、ピントル周辺に作用する最大せん断力Ｑｍａｘと最大曲げモーメントＭｍａｘを第１実施形態よりも低減することができる。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

この例は、最短コード部２２が舵バルブ１４と同一高さ又はその近傍に位置するので、最短コード部２２の構造的要求により、最大舵厚が決定する場合に特に適している。

図９は、本発明による船舶用舵１０の第３実施形態を示す側面図である。また、図１０は、図９の船舶用舵１０の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。

図９、図１０において、舵バルブ１４は、方向舵１３に設けられており、ピントル１６を方向舵１３に固定するピントルナット１９が、プロペラ８の軸心高さ又はその近傍に位置する。
この例は、舵バルブ１４がピントルナット１９の部分を含むので、ピントルナット１９を方向舵内に収める物理的要求により、最大舵厚が決定する場合に特に適している。

また、この例において、舵バルブ１４は、舵表面より船幅方向に水平に延びるフィン２４を有する。
フィン２４は、船舶の進行方向成分を有する揚力を発生する。

なお、フィン２４は、この例に限定されず、第１、第２実施形態の固定バルブ１４ａと揺動バルブ１４ｂの一方又は両方に設けてもよい。

図１１は、一般的な翼型形状における、翼厚と抵抗係数の関係を示した図である。
この図において、横軸はコード長に対する翼厚比率ｔ／ｃ（％）、縦軸は抵抗係数Ｃｄ（−）である。また、図中の白丸と破線は翼表面が粗い場合、黒丸と実線は翼表面が滑らかな場合である。

この図から、例えば、翼表面が粗い場合において、翼厚比率ｔ／ｃが２２％から１２％まで翼厚を低減すれば、翼単独の抵抗が約２０％減少することがわかる。
なお、図１１は翼型の抵抗係数であり、舵の抵抗をそのまま示すものではない。
船体抵抗に対する舵抵抗は、船種によって異なるが、約１〜７％であることが知られている。

上述したように、本発明の構成によれば、プロペラ８の軸心高さに位置しラダーホーン１２又は方向舵１３より法線方向に膨らんだ舵バルブ１４を備えるので、プロペラ８の推進効率を向上させることができる。

一方、舵中間部２０は、ピントル１６を介してラダーホーン１２で方向舵１３が支持されるため、この部分に舵力による最大曲げモーメントＭｍａｘが作用する。
しかし、本発明の構成によれば、舵バルブ１４の少なくとも一部が、舵中間部２０と一体に構成されているので、最大曲げモーメント発生箇所へ舵バルブ位置を合せることで、断面剛性の確保が容易となり、発生応力を低減することができる。

さらに、舵バルブ１４を除く方向舵１３を、最大曲げモーメントＭｍａｘが生じる部分の影響を受けずに設定できるので、舵バルブ１４を除く舵全体の舵厚を従来よりも薄くできる。

従って、本発明により、方向舵１３が受ける舵力によりピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、ピントルナット１９が配置可能、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる。

なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｍｍａｘ最大曲げモーメント、Ｑｍａｘ最大せん断力、Ｚ−Ｚ軸心、
１船舶用舵、２ラダーホーン、３方向舵（舵板）、４舵バルブ、
５船体、５ａベースライン、６ラダーストック、７ピントル、
８プロペラ、８ａプロペラ中心線、９ピントルナット、１０船舶用舵、
１２ラダーホーン、１２ａラダーホーンの下端、１３方向舵（舵板）、
１４舵バルブ、１４ａ固定バルブ、１４ｂ揺動バルブ、１５ラダーストック、
１６ピントル、１７下部連結部、１８上部連結部、１９ピントルナット、
２０舵中間部、２１ピントル固定部、２２最短コード部、
２３ラダーストック固定部、２４フィン

Claims

船舶のプロペラ後方に配置されたラダーホーンと、
舵中間部が前記ラダーホーンにピントルを介して取り付けられ、前記ピントルの軸心を中心に揺動可能な方向舵と、
プロペラの軸心高さに位置し前記ラダーホーン又は前記方向舵より法線方向に膨らんだ舵バルブと、を備え、
前記舵バルブの少なくとも一部が、前記舵中間部と一体に構成され、
前記舵バルブを除く前記ラダーホーン及び前記方向舵は、前縁から前後方向同一位置において、前記舵バルブの最厚部分より舵厚が薄く、かつ前記舵バルブの外面に滑らかに取合う形状を有する、船舶用舵。
前記舵中間部は、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントル固定部、又は、前記方向舵の最短コード部である、請求項１に記載の船舶用舵。
前記ラダーホーンは、前記ピントルを回転自在に支持するピントル軸受部を有し、
前記舵バルブは、前記ラダーホーンに設けられた固定バルブと、前記方向舵に設けられた揺動バルブと、からなり、
前記固定バルブは、前記ピントル軸受部を含み、
前記揺動バルブは、前記ピントル固定部又は前記最短コード部を含む、請求項２に記載の船舶用舵。
前記ラダーホーンの下端が、前記軸心高さ又はその近傍に位置する、請求項２に記載の船舶用舵。
前記最短コード部は、前記軸心高さ又はその近傍に位置する、請求項２に記載の船舶用舵。
前記舵バルブは、前記方向舵に設けられており、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントルナットが、前記軸心高さ又はその近傍に位置する、請求項２に記載の船舶用舵。
前記舵バルブの少なくとも一部が、前記ラダーホーンの下端部分に位置し後方に突出した下部連結部と一体に構成されている、請求項１に記載の船舶用舵。
前記舵バルブは、舵表面より船幅方向に水平に延びるフィンを有し、前記フィンは、前記船舶の進行方向成分を有する揚力を発生する、請求項１に記載の船舶用舵。