JP6490595B2 - 船舶の推進装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の推進装置に関し、詳細には、ダクトに流入する流動特性に適したダクト断面を有し、かつ異なる大きさの羽根を用いてハブの周囲に誘起された渦を低減させることができる船舶の推進装置に関する。

船舶の操縦性能及び推進効率に対する関心が増大するにつれて、船舶に搭載された主推進装置及び補助推進装置に対する関心も増大しつつある。例えば、ドリルシップ（掘削船）などの船舶には、高速又は低速で航行する航海中に位置を精密に制御したり他の船舶を曳引したりするためにスラスト（推力）を発生させるアジマススラスタが備えられている。

アジマススラスタは、その用途に応じて、ダクトを有しない開放型スラスタ（例えばプロペラ）と、翼形状の断面（翼形断面）を有するダクトをプロペラの周囲に設けたダクト型スラスタが挙げられる。

これらのアジマススラスタは、船体内部に配置され水平方向に回転可能なギアを具備するため、あらゆる方位角、即ち、全方位に対してスラストを発生させることができる。また、ドリルシップが波漂流力、風による外力、潮流による外力などの環境荷重に対抗して掘削作業を行うためには、ダイナミックポジショニング（ＤＰ：自動船位保持）が不可欠である。

また、ドリルシップが掘削現場まで運航するために、補助推進装置としてアジマススラスタを用いることで、アジマススラスタの一般的な航行条件も非常に重要となり、航行中に大きな曳引力が必要になるとき、曳引条件に応じて大きな曳引力を発生させることも非常に重要となり得る。

特に、プロペラが回転するときにプロペラの後方中央に渦が集中して発生するが、これらの渦は、プロペラに流入する流体の圧力を低下させ、船体の抵抗方向に力を発生させることになるので、プロペラの推進効率が低減し得る。

これに関連して、『ダクト付きスラスタ及びそれを備えた船舶』（韓国公開特許第１０−２０１２−００９８９４１号公報）（特許文献１）を参考にすることができる。

特許文献１では、ダクトの断面形状は、高速航行時にダクト前端の外面における圧力変化を抑制するように標準翼形から外方に円弧状断面で膨出する膨出部を備え、該ダクトは、低速作業時に所定の曳引力を発揮するように前縁方向が広がる開き角を有していることを特徴としている。

しかし、特許文献１には、ダクト軸心（Ｘ軸又はプロペラの中心軸）に平行なダクト内面の平行部からノーズ及びテールまでの各距離が開示されておらず、プロペラの羽根の先端部が回転しながら描くスラスタ面（Ｙ−Ｚ平面：プロペラの回転面）の位置を基準にして平行部の前方領域及び後方領域がどの数値範囲内にあるかについての重要設計因子も開示されていない。そこで、そのような重要設計因子が全推力、プロペラトルク及びスラスタ全体の単独効率にどのような影響を及ぼすのか分からず、その上、特許文献１の内容だけでは、より高い推進効率を有しかつ高精度の位置調整性能及び高効率の曳引性能を発揮し得る推進装置を開発することができなかった。

また、特許文献１には、単に外方に膨出する膨出部と、前縁方向が広がる開き角とが開示されているだけで、プロペラによって発生する渦を低減させるための如何なる技術も開示されていない。よって、船舶又は海洋構造物がほぼ停止した状態でプロペラのみが定格ＲＰＭで回転するボラード状態でプロペラ後流の回転成分を吸収することは困難であり得る。

韓国公開特許第１０−２０１２−００９８９４１号公報

本発明は、船舶の運航性能、位置制御性能及び曳引性能を向上させ、かつボラード状態でハブの周囲に誘起された渦を低減させることができる船舶の推進装置を提供する。

本発明の一側面によれば、翼形状の断面を有しかつ該断面の前方頂点であるノーズ及び後方頂点であるテールを有するダクトを含み、ダクトは、断面視でダクトの前端から上方向に凸に形成された部分及びダクトの後端に向けて下方向に凹に形成された部分を有する外面と、断面視でダクトの前端から下方向に凸に形成されたダクト内面前方部分、ダクトの後端から下方向に凸に形成されたダクト内面後方部分、並びにダクト内面前方部分及びダクト内面後方部分を互いに結合する平行部を有する内面とを含み得る。

本発明の一側面によれば、動力を伝達する主軸上に配置されたハブと、ハブの外周面に設けられた主羽根と、主羽根から主軸の後方に離間して配置されかつハブの外周面から主軸の後方に傾設された副羽根と、主羽根の周縁に配置された、翼形状の断面を有するダクトとを含み得る。

本発明の実施形態に係る推進装置用ダクトは、ダクト周囲の流動を向上させることで性能を向上させるという効果を奏する。例えば、本発明の実施形態は、ダクト内面の平行部からノーズ又はテールまでの第１、第２の距離を最適化することで、一般的な航行条件、位置制御及び曳引の条件を何れも満たし、船舶の運航性能、位置制御及び曳引の性能を向上させることができる。

また、本発明の実施形態は、スラスタ面（Ｙ−Ｚ平面）の位置（プロペラ位置）を基準にして前方領域及び後方領域で限定された平行部を有するため、ボラード状態でのスラストを向上させることができる。更に、平行部は、アイスジャムのような停止状態をはじめ、スラスト発生性能、停止状態での位置調整性能、又は氷海に閉じ込められた他の船舶を曳引する曳引性能を極大化しつつ一般的な運航性能をも向上させることができる。

また、本発明の実施形態は、ハブに主羽根及び副羽根を設けてダクト及びプロペラ周囲の流動を向上させることで、プロペラによって発生する渦を低減させ、プロペラを回転させるのに必要なトルクを減少させ、その結果、推進効率を向上させることができる。

また、本発明の実施形態は、ボラード状態でのスラストを向上させることで、ハブの周囲に誘起される渦と共に主軸のトルクを効率良く低減させて、推進効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る推進装置のダクトを示す例示図である。 図１に示したダクトの２次元ＣＦＤ計算による流線分布を示す図である。 図１に示したダクトにおいて、プロペラ面位置を基準にして全長に対する平行部の前方領域及び後方領域の範囲による推進効率の変化の傾向を示すグラフである。 図１に示したダクトにおいて、全長に対する平行部とノーズとの間の第１の距離の範囲と、全長に対する平行部とテールとの間の第２の距離の範囲による推進効率変化傾向を示すグラフである。 図１に示したダクトと比較例のボラード性能曲線（Power-thrust）を示すグラフである。 図１に示したダクトと比較例の線速度及び必要馬力の相関関係曲線を示すグラフである。 図１に示したダクト及び比較例の性能を比較検証するために、水槽試験を通じて得られた推進性能特性曲線を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る船舶の推進装置を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る船舶の推進装置を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る船舶の推進装置を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る推進装置のダクトを示す例示図である。 本発明の第２の実施形態に係る副羽根の勾配比（Ｂ／Ｈ）による効率変化曲線を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る副羽根の半径比（Ａ／Ｃ）による効率変化曲線を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る副羽根の位置範囲（Ｅ／Ｃ）による効率変化曲線を示すグラフである。 第２の距離（Ｋ）の分布を比較するために、図８に示した推進装置と比較される比較例による船舶の推進装置を示す斜視図である。 図８に示した推進装置と図１５に示した推進装置のボラード性能曲線（Power-thrust）を示すグラフである。 図８に示した推進装置と図１５に示した推進装置の性能を比較検証するために、水槽試験を通じて得られた推進性能特性曲線を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る推進装置のダクトを示す例示図である。

以下に、本発明の実施形態について、添付された図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明を説明するにあたって、公知の構成又は機能に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にするおそれがあると判断された場合には、その詳細な説明を省略する。

また、本発明の一実施形態に対する比較例は標準翼形であって、ダクト型アジマススラスタのような種類のダクトに対する製作性が高いため一般的に採用されているマリン１９Ａ（marin 19A）翼形（以下、比較例と呼ぶ）である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る推進装置のダクトを示す例示図であり、図２は、図１に示したダクトの２次元ＣＦＤ（数値流体力学）計算による流線分布を示す図である。

図１を参照すると、第１の実施形態に係る推進装置は、船体側のギアケース及び回転シャフトから動力を伝達するハブ２００と、ハブ２００の外周面に沿って並ぶ複数枚の羽根からなるプロペラ３００と、プロペラ３００の周囲の環状のダクト１００とを含み得る。

ダクト１００の断面形状は、プロペラ３００の回転軸（Ｘ軸）を基準にしてダクト１００の全周囲に沿って同一の断面形状を有し得る。

例えば、ダクト１００の断面形状は、ドリルシップや海洋構造物のような船舶の運航特性、船舶の位置制御特性、又は氷海に閉じ込められた他の船舶を曳引する特性を全て考慮して、ダクト型推進装置の効率を向上させ得るように最適化された設計因子を有するダクト１００の外面Ｇ１及び内面Ｇ２を有することができる。

ダクト１００の断面形状は、ベルヌーイの定理に則して揚力を発生させるための翼形状の断面を有し、ダクト１００の翼形断面の前方頂点であるノーズ１０４及び後方頂点であるテール１０８と、ノーズ１０４とテール１０８とを結ぶ直線分である翼弦線（ノーズテールライン）１０５とを含み得る。

ダクト１００の断面形状は、翼弦線１０５の前端から上方向に凸に形成された前方部分１１３と、翼弦線１０５の後端から下方向に凹に形成された後方部分１１２とを有するダクト１００の外面Ｇ１を含み得る。

ここで、ダクト１００の外面Ｇ１の前方部分１１３は、翼弦線１０５がダクト１００の外面Ｇ１に接する点からノーズ１０４までの曲面を意味し得る。

また、ダクト１００の外面Ｇ１の後方部分１１２は、翼弦線１０５がダクト１００の外面Ｇ１に接する点からテール１０８までの曲面を意味し得る。

前方部分１１３及び後方部分１１２は、翼弦線１０５がダクト１００の外面Ｇ１に接する点において途切れなく互いに連結され得る。

上述の通り、ダクト１００の外面Ｇ１の前方部分１１３は、翼弦線１０５の前端から上方向に凸に形成されている。

図２を参照すると、ボラード状態において、前方外側領域における流動を表す図中の符号「Ｊ１」は、ダクトのノーズ側への流れのパターンを示している。よって、ダクトの外面の前方部分は翼弦線の上方向に凸に形成されているため、プロペラへの流速が加速されることを示している。このような加速効果によって、ダクトのスラストを向上させ、かつプロペラのトルクを減少させることができる。

一方、再び図１を参照すると、ダクト１００の外面Ｇ１の後方部分１１２は、翼弦線１０５の後端から下方向に凹に形成されている。

再び図２を参照すると、ボラード状態において、符号「Ｊ２」で示した後方外側領域における流動はダクトのテール側に滑らかに流れ、テールの周囲で渦を形成してダクトのスラストを向上させるという効果を奏する。

また、図１を参照すると、ダクト１００の断面形状は、プロペラ３００の回転軸（Ｘ軸）と翼弦線１０５とのなす角度である迎え角（α）を有し得る。ここで、ダクト１００の迎え角（α）は５〜２０°の範囲から選択された何れかの角度を有し得る。

また、ダクト１００の断面形状は、プロペラ３００の回転軸（Ｘ軸）に平行な平行部１１１と、平行部１１１からノーズ１０４までのＹ軸方向の第１の距離Ｆに対応する範囲内で平行部１１１の始端１０９からノーズ１０４まで徐々に突出した曲面をなすダクト内面前方部分１０６と、第１の距離Ｆよりも小さい平行部１１１からテール１０８までのＹ軸方向の第２の距離Ｋに対応する範囲内で平行部１１１の終端１１０からテール１０８まで徐々に突出した曲面をなすダクト内面後方部分１０７とを有するダクト１００の内面Ｇ２を含み得る。

また、平行部１１１は、プロペラ３００が回転しながら描く円形面であるプロペラ面（Ｙ−Ｚ平面）の位置１０３を基準にして前方領域Ｍ及び後方領域Ｎを有する。平行部１１１の前方領域Ｍ及び後方領域Ｎは、船舶の運航特性、位置制御特性及び曳引特性を全て考慮した重要なダクト設計因子であって、３次元ＣＦＤ計算によるスラスト性能を極大化するために全長Ｃに対する比率％の範囲（Ｍ／Ｃ，Ｎ／Ｃ）に限定され得る。

図３は、図１に示したダクトにおいて、プロペラ面の位置を基準にして全長に対する平行部の前方領域及び後方領域の比率の範囲による推進効率の変化の傾向を示すグラフである。

図１及び図３を参照すると、３次元ＣＦＤ計算を用いて、プロペラ３００が装着された船舶の位置制御特性及び曳引特性を確認することができるよう、ボラード状態におけるダクト１００の推進効率（η_０，Merit coefficient）（グラフの縦軸）、全長Ｃに対する平行部１１１の前方領域Ｍの範囲（Ｍ／Ｃ）（グラフの横軸）及び全長Ｃに対する平行部１１１の後方領域Ｎの範囲（Ｎ／Ｃ）（グラフ中の複数の曲線）が示されている。

ここで、推進効率（η_０）は、ダクト型プロペラ、アジマス型プロペラ等のように曳引又は位置制御の条件での性能を重要な設計条件として考慮して、次式１で求められることができる。

比較例として、特許文献１では、スラスタ全体の単独効率［＝ＫｔｔＪ／（２πＫｑ）］を求めたのに対して、本実施形態では、次式１によって求められ、プロペラスラスト、ダクトスラスト、プロペラトルク、プロペラ直径、プロペラ回転数及び流体密度（例えば、清水密度）のを変数とする曳引及び位置制御の条件が考慮される。

上式１において、η_０は推進効率、Ｔ_Ｐはプロペラスラスト、Ｔ_Ｄはダクトスラスト、Ｑはプロペラトルク、Ｄ_Ｐはプロペラ直径、ｎはプロペラ回転数、ρは流体密度（例えば、清水密度）である。

図１及び図３を参照すると、本実施形態におけるダクト１００の断面形状は、プロペラ面の位置１０３から全長Ｃに対する−４．０％〜１４．０％の範囲（Ｍ／Ｃ）となる平行部１１１の前方領域Ｍと、プロペラ面の位置１０３から全長Ｃに対する−３０．０％〜−１０．０％の範囲（Ｎ／Ｃ）となる平行部１１１の後方領域Ｎとを含み得る。ここで、（−）値とは、Ｘ軸方向においてプロペラ面の位置１０３を原点としたときの（−）方向をいう。即ち、Ｍ／Ｃ値が−４．０％であることは、図１において、平行部の始端１０９がプロペラ面の位置１０３から右側に全長Ｃの４％だけ離れていることを意味する。つまり、Ｘ軸方向の（＋／−）の基準点はプロペラ面の位置１０３であるため、ダクトの形状が同一であってもダクト１００又はプロペラの設置位置が変われば基準点の位置も変わる。この結果、Ｍ／Ｃ及びＮ／Ｃの値が変わり、効率も変わる。

特に、ダクト１００において、プロペラ３００に隣接する平行部１１１を一定の長さに維持することで、効率を向上させることができる。よって、全長Ｃに対する平行部１１１の前方領域Ｍの比率であるＭ／Ｃ値が−４．０％未満であるか、または全長Ｃに対する平行部１１１の後方領域Ｎの比率であるＮ／Ｃ値が−１０．０％超である場合には、平行部１１１の長さが短く、効率の向上効果は僅かである。

また、図１を参照すると、平行部１１１からノーズ１０４までのＹ軸方向の第１の距離Ｆ及び、平行部１１１からテール１０８までのＹ軸方向の第２の距離Ｋは、船舶の運航特性だけでなく、位置制御特性及び曳引特性を全て考慮した重要なダクト設計因子であって、３次元ＣＦＤ計算によるスラストの性能を最大化するための全長に対する比率％の範囲（Ｆ／Ｃ，Ｋ／Ｃ）に限定され得る。

図４は、図１に示したダクトにおいて、全長に対する平行部からノーズまでの第１の距離の比率の範囲と、全長に対する平行部からテールまでの第２の距離の比率の範囲による推進効率の変化の傾向を示すグラフである。

図４のグラフの縦軸は、ボラード状態での推進効率（η_０）を示している。また、図４のグラフの横軸は、全長Ｃに対する第１の距離Ｆの比率％の範囲（Ｆ／Ｃ）を示している。更に、図４のグラフ中には、全長Ｃに対する第２の距離Ｋの比率％の範囲（Ｋ／Ｃ）が示されている。

図１及び図４を参照すると、本実施形態におけるダクト１００の断面形状は、全長Ｃに対する比率で、１８．０％〜３０．０％の範囲（Ｆ／Ｃ）となる平行部１１１からノーズ１０４までのＹ軸方向の第１の距離Ｆと、全長Ｃに対する比率で、４．０％〜１０．０％の範囲（Ｋ／Ｃ）となる平行部１１１からテール１０８までのＹ軸方向の第２の距離Ｋとを含み得る。

図５は、図１に示したダクトと比較例とのボラード状態での性能曲線（Power-thrust）を示すグラフである。

図５に示した結果を導出するために、上記したダクトの翼形断面を用い、ボラード状態での性能を比較するために比較例としてマリン１９Ａ翼形を用いた。また、本実施形態及び比較例による各翼形断面に対するボラード状態での性能曲線（Power-thrust）は、模型試験（水槽試験）を通じて得られる。

このようなボラード状態での性能曲線（Power-thrust）より、本実施形態によるダクトの翼形断面は、比較例に比べて約６．０％程度、ボラード状態でのスラスト向上が図れたことが分かる。

図６は、図１に示したダクト及び比較例の線速度及び必要馬力の相関関係曲線を示すグラフである。

図６に示した比較例及び本実施形態の翼形断面の線速度及び必要馬力の相関関係曲線から分かるように、一般的な航行条件でも約４．６％程度性能が改善された。

例えば、本実施形態では、同一の必要馬力（ＤＨＰ）において比較例よりも速い速度が得られるか、同一の速度において比較例よりも小さい必要馬力が要求されることから、性能が改善されたことが分かる。

図７は、図１に示したダクト及び比較例の性能を比較検証するために、水槽試験を通じて得られた各々の推進性能特性曲線を示すグラフである。

図７のグラフの横軸はスラスタ前進係数Ｊの変化傾向を示し、縦軸は、スラストＫｔ、トルク１０Ｋｑ、効率η_０を示している。

図７を参照すると、本実施形態のダクトは、全ての前進係数Ｊ領域において、トルク１０Ｋｑが比較例のマリン１９Ａ翼形よりも減少した。

特に、ボラード領域（Ｊ＝０）における１０Ｋｑ、Ｋｔ結果を同一のエンジン馬力の計算に用いたとき、約６％のスラストを更に発生させ（Ｋｑは約７％減少、Ｋｔは約１％減少）、前進係数Ｊが０．４以上の一般的な航行条件では、４．０％〜７．０％の単独効率（η_０）の向上が図れた。つまり、ダクトの吸引力の増加によりプロペラに流入する流速が増加し、これがプロペラのトルク１０Ｋｑを減少させて全ての前進係数Ｊ領域において効率の向上が図れたことが分かる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る船舶の推進装置を示す斜視図であり、図９は、本発明の第２の実施形態に係る船舶の推進装置を示す正面図であり、図１０は、本発明の第２の実施形態に係る船舶の推進装置を示す側面図であり、図１１は、本発明の第２の実施形態に係る推進装置のダクトを示す例示図である。

図８〜図１１を参照すると、第２の実施形態に係る推進装置は、船体の主軸（図示せず）から動力を伝達するハブ２００と、ハブ２００の外周面に設けられた主羽根３１０及び副羽根３２０を含むプロペラ３００と、プロペラ３００の周囲を囲むように設けられたダクト１００とを含み得る。

具体的には、ハブ２００は、主軸により回転可能であるように船体の主軸が組み込まれたギアケース１０に係合され、船体の主エンジン（図示せず）から動力を伝達され、主軸を介してプロペラ３００にスラストを与えることができる。

ハブ２００は、推進装置の後方に向かって半径が漸減するテーパ形状をなし、ハブ２００の後端部にはキャップ２１０を結合することができる。キャップ２１０は後方に向かってテーパ形状をなしているため、プロペラ３００を介してキャップの側面に沿って流体を滑らかに流動させることができる。

ハブ２００の外周面には、ハブ２００の周囲に誘起される渦Ｗを効率良く低減させるためのプロペラ３００を設けることができる。

プロペラ３００は、ハブ２００の外面上に主軸の軸方向（Ｘ軸方向）に沿って離間して配置された主羽根３１０及び副羽根３２０を含み得る。

主羽根３１０は、ハブ２００の前方側の外周面に放射状に離間して配置された複数枚の翼であり得る。この主羽根３１０は翼形状の断面を有することができ、主羽根３１０の形状及び枚数は、スラスタ効率（プロペラ効率）、荷重による空洞現象（キャビテーション）及び周辺環境などによって様々に変更することができる。

副羽根３２０は、主羽根３１０から主軸の後方に離間されたハブ２００の後方側の外周面に主羽根３１０と交互に配置されるように放射状に離間して配置された複数枚の翼であり得る。但し、副羽根３２０は、主羽根３１０から主軸の後方に離間された位置であれば、ハブ２００だけでなく、キャップ２１０、ハブ２００とキャップ２１０との間の空間など任意の場所に設置することができる。

副羽根３２０は、主羽根３１０よりも小さな翼からなり、主軸の後方に傾設され得る。ここで、後方に傾設されるとは、副羽根３２０の先端よりも後端が主軸の後方に配置されることをいう。

上述の副羽根３２０は、プロペラのみが定格ＲＰＭで回転するボラード状態と同様に、小さな前進係数で回転成分を吸収し得るため、ハブ２００の周囲に誘起される渦Ｗを効率良く低減させることができ、かつハブ２００のトルクを減少させることにより推進効率を向上させることができる。

例えば、副羽根３２０は、主軸に垂直な方向に対して後方に０．１〜２７°の範囲で傾斜する傾斜角（Ｂ）を有することができ、ハブ２００は、ハブ２００の外周面が、主軸の軸方向（−Ｘ軸方向）に対して１０〜１８°の範囲で傾斜する傾斜角（Ｈ）を有することができる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る副羽根の勾配比（Ｂ／Ｈ）による効率の変化曲線を示すグラフである。

特に、図１２を参照すると、副羽根３２０の勾配比（Ｂ／Ｈ）が０．２５〜１．５の範囲において、スラスタ効率を向上させることができる。例えば、副羽根３２０の勾配比（Ｂ／Ｈ）が０．２５未満であるか又は１．５を超過する場合には、ハブ２００の周囲に誘起される渦Ｗを効率良く低減させることが難しくなり、この結果、向上されたスラスタ効率の効果は僅かであり得る。

ここで、スラスタ効率（η_０，Merit coefficient）は、例えば、ダクト型プロペラ、アジマス型プロペラなどのように曳引や位置制御の条件での性能を重要な設計条件として考慮して、上式１により求めることができる。

図１３は、本発明の第２の実施形態に係る副羽根の半径比（Ａ／Ｃ）による効率の変化曲線を示すグラフである。

図１３を参照すると、模型試験及びＣＦＤ計算を用いて、副羽根３２０の半径変化によるボラード状態でのスラスタ効率を考察した結果、副羽根３２０の半径比（Ａ／Ｃ）が０．３からグラフは上昇曲線を描き、０．５でスラスタ効率が最大となり、０．７を超えると急激に低下することを確認できる。

例えば、副羽根３２０の半径比（Ａ／Ｃ）は、０．３〜０．７の範囲において最適化されたスラスタ効率の向上効果を発揮することができる。ここで、図１１を参照すると、Ａは副羽根３２０の半径長さ、Ｃはダクト１００の全長と定義することができる。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係る副羽根の位置（Ｅ／Ｃ）の範囲による効率の変化曲線を示すグラフである。

図１４を参照すると、ダクト１００の前方頂点から主羽根３１０の位置までの軸方向（−Ｘ軸方向）の距離をＥＰと定義した場合、副羽根３２０の位置（Ｅ）が、主羽根３１０の位置ＥＰから主軸の後方に０．５Ｃ（ダクト全長の半分）以内の範囲（ＥＰ〜ＥＰ＋０．５Ｃ）に位置する場合に優れた性能を示すことが確認できる。つまり、副羽根３２０の軸方向（−Ｘ軸方向）の位置（Ｅ）が主羽根の位置（ＥＰ）から主軸の後方へＥＰ＋０．５Ｃの位置まではグラフは緩やかな下降曲線を描き、それ以降は急激な下降曲線を描く。ここで、Ｅは副羽根３２０のＸ軸方向の位置、ＥＰは主羽根３２０のＸ軸方向の位置、Ｃはダクト１００の全長と定義され得る。

図１５は、第２の距離Ｋの分布を比較するために、図８に示した推進装置との比較を行うための比較例による船舶の推進装置を示す斜視図であり、図１６は、図８の推進装置及び図１５の推進装置のボラード状態での性能曲線（Power-thrust）を示すグラフであり、図１７は、図８の推進装置及び図１５の推進装置の性能を比較検証するために、水槽試験を通じて得られた各々の推進性能特性曲線を示すグラフである。

図１５〜図１７を参照すると、ボラード状態での性能を比較するために、比較例としてダクト型アジマストラスタと同種のダクト１００であるマリン１９Ａ翼形が用いられた。また、本実施形態及び比較例における各翼形断面に対するボラード状態での性能曲線（Power-thrust）は、模型試験（水槽試験）によって得ることができる。

図１５に示したように、比較例に係る推進装置においてＣＦＤ計算によるボラード状態でプロペラ３００及びハブ２００の周囲に誘起される渦Ｗを考察してみると、本実施形態の図８に示した推進装置よりも、比較例のプロペラ３００及びハブ２００の周囲に誘起される渦Ｗが更に増加したことを確認することができる。

図１６に示したように、ボラード状態での性能曲線（Power-thrust）を考察してみると、副羽根３２０を設けた本実施形態は、副羽根３２０を設けなかった比較例に比べて、ボラード状態でのスラストが約４．０％程度向上したことを確認することができる。

また、本実施形態のように副羽根３２０を設けた場合、スラスタの全推力を維持したまま、プロペラ３００のトルクが全ての前進係数にわたって減少することを確認することができる。

図１７に示したように、本実施形態のダクト１００は、比較例の１９Ａ翼形に比べて全ての前進係数（Ｊ）の領域においてトルクＫｑが減少した。

特に、本実施形態の推進装置は、ボラード領域（Ｊ＝０）におけるＫｑ結果を用いて同一のエンジン馬力で計算した場合に更に約２．５％のスラストを発生させ、一般的な航行条件である前進係数（Ｊ）０．４以上の領域では、効率（η_０）を５．０％向上させることができた。つまり、副羽根３２０及びダクト１００の吸引力の増加により、プロペラ３００に流入する流速が増加し、この結果、プロペラ３００のトルクＫｑを減少させて全ての前進係数（Ｊ）の領域にわたって効率が向上したことが分かる。

上述の通り、本発明は、プロペラによって発生する渦を低減させ、かつプロペラを回転させるのに必要なトルクを減少させるために、ハブに主羽根及び副羽根を設けてダクト及びプロペラの周囲の流動を改善することにより、推進効率を向上させることができる。また、ボラード状態でのスラストを向上させることにより、ハブの周囲に誘起される渦を効率良く低減させるとともに、主軸のトルク減少によって推進効率を向上させることができる。

図１８は、本発明の第３の実施形態に係る推進装置のダクトを示す例示図である。

図１８を参照すると、第３の実施形態に係るダクト１００は主軸の軸方向に配列され、主軸の軸方向（Ｘ軸方向）を基準にハブ２００を囲むように設けられ、ダクト１００の全周囲に沿って同一の断面形状を有し得る。

ダクト１００は、例えば、ドリルシップや海洋構造物のような船舶の運航特性、船舶の位置制御特性、又は氷海に閉じ込められた他の船舶を曳引する特性を全て考慮して、ダクト型推進装置の効率を向上させ得るように最適化された設計因子を有するダクト１００の外面Ｇ１及び内面Ｇ２を有することができる。

特に、ダクト１００の断面形状は、翼形断面の前方頂点であるノーズ１０４及び後方頂点であるテールと、ノーズ１０４とテール１０８とを結ぶ直線分である翼弦線１０５とを含み得る。また、ダクト１００の断面形状は、翼弦線１０５の前端から上方向に凸に形成された前方部分１１３と、翼弦線１０５の後端から下方向に凹に形成された後方部分１１２とを有するダクト１００の外面Ｇ１を含み得る。

ここで、ダクト１００の外面Ｇ１の前方部分１１３は、翼弦線１０がダクト１００の外面Ｇ１に接する点からノーズ１０４までの曲線を意味し得る。また、ダクト１００の外面Ｇ１の後方部分１１２は、翼弦線１０５がダクト１００の外面Ｇ１に会う点からテール１０８までの曲面を意味し得る。

前方部分１１３及び後方部分１１２は、翼弦線１０５がダクト１００の外面Ｇ１に接する点において途切れなく互いに連結され得る。このように、ダクト１００の外面Ｇ１の前方部分１１３は、翼弦線１０５の前端から上方向に凸に形成されている。

上述の通り、ダクト１００の外面の前方部分が翼弦線から上方向に凸に形成されるため、プロペラ３００に流入する流体の流れを加速させることができる。かかる加速効果によって、ダクト１００のスラストを向上させ、かつプロペラ３００のトルクを減少させることができる。また、ダクト１００の外面Ｇ１の後方部分１１２が翼弦線１０５の後端から下方向に凹に形成されているため、後方の外側領域で流体がダクト１００のテール方向に滑らかに流れ込んで、テールの周囲で渦を形成してダクト１００のスラストを向上させることができる。

また、ダクト１００の断面形状は、主軸の軸方向（Ｘ軸方向）に平行な平行部１１１と、平行部１１１からノーズ１０４までのＹ軸方向の第１の距離Ｆに対応する範囲内で平行部１１１の始端１０９からノーズ１０４まで徐々に凸に形成された曲面をなすダクト１００の内面前方部分１０６と、第１の距離Ｆよりも小さい平行部１１１からテール１０８までのＹ軸方向の第２の距離Ｋに対応する範囲内で平行部１１１の終端１１０からテール１０８まで徐々に凸に形成された曲面をなすダクト１００の内面後方部分１０７とからなる内面Ｇ２を含み得る。

更に、本実施形態のダクト１００の断面形状は、上述した第１の実施形態のダクト断面形状と同一の形状を有し得る。

本実施形態のダクト１００の断面形状は、プロペラ面の位置１０３から全長Ｃに対して−４．０％〜１４．０％の範囲（Ｍ／Ｃ）となる平行部１１の前方領域Ｍと、プロペラ面の位置１０３から全長Ｃに対して−３０．０％〜−１０．０％の範囲Ｎ／Ｃとなる平行部１１１の後方領域Ｎとを含み得る。

ダクト１００においてプロペラ３００に隣接する平行部１１１が一定の長さを維持すれば、効率を向上させることができる。全長Ｃに対する平行部１１１の前方領域Ｍの比率であるＭ／Ｃ値が−４．０％未満であるか、または全長Ｃに対する平行部１１１の後方領域Ｎの比率であるＮ／Ｃ値が−１０．０％超である場合には、平行部１１１の長さが短く、効率の向上は僅かである。

また、本実施形態のダクト１００の断面形状は、全長Ｃに対して１８．０％〜３０．０％の範囲（Ｆ／Ｃ）となる平行部１１１からノーズ１０４までのＹ軸方向の第１の距離Ｆと、全長Ｃに対して４．０％〜１０．０％の範囲（Ｋ／Ｃ）となる平行部１１１からテール１０８までの第２の距離（Ｋ）とを含み得る。

以上のように、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、当業者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施できるということを理解できるであろう。例えば、当業者は、各構成要素の材質、大きさなどを適用分野に応じて変更し、あるいは複数の実施形態を組合せまたは置換するなどして本発明の実施形態に明確に開示されていない形態で実施することができるが、これもまた本発明の範囲から逸脱するものではない。したがって、上述した実施形態は、全ての面において例示的なものに過ぎず、限定的なものではないと理解されるべきであり、このような変形実施形態は、本発明の特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれているものであるといえる。

１００ ダクト
１０４ ノーズ
１０５ 翼弦線（ノーズテールライン）
１０６ ダクト内面前方部分
１０７ ダクト内面後方部分
１０８ テール
１１１ 平行部
１１２ ダクト外面の後方部分
１１３ ダクト外面の前方部分
２００ ハブ
３００ プロペラ
３１０ 主羽根
３２０ 副羽根

Claims (10)

1. 船舶の推進装置であって、
   動力を伝達する主軸上に配列されたハブと、
   前記ハブの外周面に設けられた主羽根と、
   前記主羽根から前記主軸の後方に離間して配置されかつ前記主軸の後方に傾設された副羽根と、
   前記主羽根の周囲に設けられた、翼形状の主軸方向断面を有しかつ該断面の前方頂点であるノーズ及び後方頂点であるテールを有するダクトとを含み、
   前記ダクトが、
   断面視で前記ダクトの前端から前記ダクトの直径方向外向きに凸に形成された部分及び前記ダクトの後端に向けて前記ダクトの直径方向内向きに凹に形成された部分を有する外面と、
   断面視で前記ダクトの前端から前記ダクトの直径方向内向きに凸に形成されたダクト内面前方部分、前記ダクトの後端から前記ダクトの直径方向内向きに凸に形成されたダクト内面後方部分、並びに前記ダクト内面前方部分及びダクト内面後方部分を互いに結合する平行部を有する内面とを含み、
   前記副羽根が、前記主羽根の位置から前記主軸の後方に、前記ダクトの全長に対して長さ０．５以内の範囲に位置することを特徴とする船舶の推進装置。
2. 前記外面が、
   前記ノーズと前記テールとを結ぶ直線分である翼弦線の前端から前記ダクトの直径方向外向きに凸に形成された前方部分と、
   前記翼弦線の後端に向けて前記ダクトの直径方向内向きに凹に形成された後方部分とを含むことを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。
3. 前記ダクト内面前方部分が、前記平行部から前記ノーズまでのＹ軸方向の第１の距離に対応する範囲内において、前記平行部の始端から前記ノーズまで曲面をなし、
   前記ダクト内面後方部分が、前記第１の距離よりも小さい前記平行部から前記テールまでのＹ軸方向の第２の距離に対応する範囲内において、前記平行部の終端から前記テールまで曲面をなしていることを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。
4. 前記平行部が、前方領域及び後方領域を含み、
   前記前方領域が、前記ダクトの全長に対する比率で、プロペラが回転しながら描く円形面であるプロペラ面の位置から−４．０％〜１４．０％の範囲となり、
   前記後方領域が、前記ダクトの前記全長に対する比率で、前記プロペラ面の位置から−３０．０％〜−１０．０％の範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。
5. 前記ダクトの断面形状において、
   前記平行部から前記ノーズまでの前記第１の距離が、前記ダクトの全長に対する比率で、１８．０％〜３０．０％の範囲となり、
   前記平行部から前記テールまでの前記第２の距離が、前記ダクトの前記全長に対する比率で、４．０％〜１０．０％の範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の船舶の推進装置。
6. 前記ダクトが、次式により求められるスラスタ効率を有することを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。
   

   

   ここで、η_０はスラスタ効率であり、Ｔ_Ｐはプロペラスラストであり、Ｔ_Ｄはダクトスラストであり、Ｑはプロペラトルクであり、Ｄ_Ｐはプロペラ直径であり、ｎはプロペラ回転数であり、ρは流体密度である。
7. 前記主羽根が、複数枚の主羽根で構成され、かつ各々が前記ハブの外周面に沿って互いから離間して配置されており、
   前記副羽根が、複数枚の副羽根で構成され、かつ前記主羽根と交互に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。
8. 前記副羽根が、前記主軸に垂直な方向から後方に０．１〜２７°の範囲内で傾斜する傾斜角（Ｂ）を有することを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。
9. 前記主軸に垂直な方向（Ｙ軸方向）に対する前記副羽根の傾斜角Ｂと、前記主軸の軸方向に対する前記ハブの前記外周面の傾斜角Ｈとにより表される前記副羽根の勾配比（Ｂ／Ｈ）が、０．２５〜１．５の範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の船舶の推進装置。
10. 前記副羽根の半径長さＡと、前記ダクトの全長Ｃとにより表される前記副羽根の半径比（Ａ／Ｃ）が、０．３〜０．７の範囲となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶の推進装置。

Images