JP6621911B2 - 揚力発生体 - Google Patents

Description

本発明は、船において、推進プロペラの前方に位置する揚力発生体に関する。

従来、船の船尾部の推進プロペラの前方に、揚力発生体としてダクトが設けられる場合がある。推進プロペラの回転により、揚力発生体には船の前方側から後方側へ向かう水流が発生する。揚力発生体の断面は翼形になっているので、この水流により、揚力発生体に揚力が発生する。この揚力は、船の前方を向く方向の成分（前向き成分）を有する。その結果、推進プロペラを回転させるための動力が低減される。このような揚力発生体は、例えば特許文献１、２にダクトとして記載されている。

特開２０１１ー４２２０４号公報 特許第４０７９７４２号

推進プロペラを回転させるための動力をさらに低減可能にする揚力発生体が望まれる。
すなわち、本発明の目的は、従来の揚力発生体（ダクト）と比べて、同じ動力で推進プロペラを回転させる場合に、より大きく船を推進できるようにする揚力発生体を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明によると、推進プロペラを備える船において、前記推進プロペラの前方に位置する揚力発生体であって、
揚力発生体は、前記推進プロペラの中心軸の延長線を回る周方向に延びる壁部を有し、この壁部は、前記延長線の方向に貫通する流路を内側に形成し、
前記周方向の設定範囲において、前記延長線を含む仮想平面による前記壁部の断面の形状は、翼形であり、
前記翼形において、前記壁部の外周面を形成する外側面が窪みを形成するように内側に曲がっており、
前記翼形の厚みは、該厚みが最大となる設定位置から後方へ移行するにつれて次第に小さくなっており、
前記設定位置から翼形の後縁までの全範囲にわたって、前記翼形は、

｜ｄｔ／ｄｘ｜≦０．１５

を満たし、この不等式において、ｄｘは、前記翼形の翼弦方向における位置座標ｘの微小変化量であり、ｄｔは、ｄｘに対する前記厚みｔの微小変化量であり、｜ｄｔ／ｄｘ｜は、ｄｔ／ｄｘの大きさである、揚力発生体が提供される。

本発明では、前記翼形において、前記壁部の外周面を形成する外側面は、窪みを形成するように内側に曲がっている。これにより、翼形において、流れの循環が大きくなり、その結果、内側面の圧力が低下して揚力が増大する。このような翼形の揚力の増大により、翼形の揚力の前向き成分も大きくなる（以下において、この作用を、揚力前向き成分の増加作用という）。

また、本発明では、設定位置から後縁までの全範囲にわたって、翼弦方向の位置ｘの微小変化量ｄｘと当該位置ｘにおける厚みｔの微小変化量ｄｔとの比率ｄｔ／ｄｘの大きさが０．１５以下（ｄｘとｄｔの単位は同じ）である。これにより、上述の窪みを形成しても、翼形の流体抵抗を小さく抑えられる（以下において、この作用を、流体抵抗の低減作用という）。

本発明によると、上述した揚力の前向き成分増加作用と、上述した流体抵抗の低減作用とが相まって、従来の揚力発生体と比べて、同じ動力で、より大きく船を推進できるようになる（例えば、後述の比較例１、２との比較を参照）。

上述の揚力発生体は、以下のように構成されてよい。

前記翼形において、前記外側面と、前記壁部の内周面を形成する内側面は、それぞれ、全体として前記流路の側に湾曲している。

このように翼形の外側面と内側面の各々は、全体として内側に湾曲している。これにより、翼形（特に内側面）から流体が剥離しやすくなるので、揚力発生体を通過した流体は乱れてその流速が下がる。したがって、流速の下がった水流が推進プロペラに流入する。その結果、推進プロペラの効率が向上する（以下において、この作用を、プロペラ効率の向上作用という）。

したがって、上述した揚力前向き成分の増加作用と、上述した流体抵抗の低減作用と、上述したプロペラ効率の向上作用とが相まって、従来の揚力発生体と比べて、同じ動力で、一層大きく船を推進できるようになる。

前記壁部は、前記外周面が鉛直下方を向く下端部分を有し、
前記延長線の方向において、該下端部分の長さは、前記壁部の上端部分の長さよりも小さい。

壁部において、外周面が鉛直下方を向く下端部分には、抗力が発生しやすい。
これに対し、上記構成では、壁部において下端部分の長さを上端部分の長さよりも小さくしているので、下端部分での抗力が抑えられる。

前記下端部分の前記断面の形状は、翼形であるが前記窪みを有せず、または翼形でない。

上述のように抗力が発生する下端部分には、上記窪みや翼形の断面が不要である。これにより、下端部分の断面形状を単純にできる。

前記設定範囲は、前記壁部の外周面が斜め上方を向いている前記周方向の範囲の少なくとも一部を含む。

この範囲では、大きな揚力を翼形に発生させられる。

本発明によると、翼形の外側面は、窪みを形成するように内側に曲がっているので、翼形に発生する揚力が大きくなる。その結果、翼形の揚力の前向き成分も大きくなる。
また、設定位置から後縁までの全範囲にわたって、翼弦方向の位置ｘの微小変化量ｄｘと当該位置ｘにおける厚みｔの微小変化量ｄｔとの比率ｄｔ／ｄｘの大きさが０．１５以下である。これにより、上述の窪みを形成しても、翼形の流体抵抗を小さく抑えられる。
このような揚力の前向き成分増加と翼形の流体抵抗低減とが相俟って、従来の揚力発生体と比べて、同じ動力で、より大きく船を推進できるようになる。

本発明の実施形態による揚力発生体が適用された船の船尾部を示す。 図１ＡのＢ−Ｂ矢視図である。 図１ＢのＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１ＢのＩＩ−ＩＩ断面図であり、翼形の他の特徴を示す。 本発明の実施形態の具体例による翼形と、比較例１による翼形との比較を説明する図である。 具体例と比較例１との比較を説明する別の図である。 具体例と比較例１との比較を説明する別の図である。 本発明の実施形態の具体例による翼形と比較例２による翼形との比較を説明する図である。 具体例と比較例２との比較を説明する別の図である。 具体例による翼形と比較例２による翼形との形状の差を示す。 具体例と比較例２との形状の差を示す別のグラフである。 揚力発生体の変更例を示す。

本発明の好ましい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。

図１Ａは、本発明の実施形態による揚力発生体１０が適用された船１の船尾部１ａを示す側面図である。

船１は、海、湖または川を航行するものである。船１は、例えば船舶または艦艇である。船１は、船尾部１ａに推進プロペラ３を備える。推進プロペラ３は、スクリュープロペラであってよい。推進プロペラ３は、水中で回転駆動されて、船１の前進推力を発生させる。推進プロペラ３の回転により、船１の前方側から後方側へ向かう方向（以下、後ろ向きという）に推進プロペラ３へ向かう流れが生じる。なお、本願において、前方とは船１の前側（船首側）を意味し、後方とは船１の後側（船尾側）を意味する。

揚力発生体１０は推進プロペラ３の前方に設けられる。すなわち、揚力発生体１０（後述の翼形９）は、推進プロペラ３による後ろ向きの上記流れの中に配置される。図１Ａでは、揚力発生体１０は、推進プロペラ３の直前に位置する。

図１Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ矢視図である。揚力発生体１０は、推進プロペラ３の中心軸Ｃの延長線Ｃｅを回る周方向（以下、単に周方向という）に延びる壁部７を有する。この壁部７は、延長線Ｃｅの方向に貫通する流路５を内側に形成する。この流路５に延長線Ｃｅが位置する。なお、図１では、揚力発生体１０の壁部７における上端部分の周方向端面が船尾部１ａに結合され、かつ、揚力発生体１０は、結合部材６を介しても船尾部１ａに結合されている。ただし、揚力発生体１０は、他の手段により船尾部１ａに結合されてもよい。中心軸Ｃは、船１における船体の中心線の方向（図１Ａの左右方向）を向いていてもよいし、この中心線の方向から、船１の左右と上下の一方または両方に傾いていてもよい。

図２Ａは、図１ＢのＩＩ−ＩＩ断面図である。周方向の設定範囲（以下、単に設定範囲という）において、延長線Ｃｅを含む仮想平面による壁部７の断面の形状は翼形９である。この翼形９を図２に基づいて説明する。設定範囲におけるいずれの周方向位置での上記断面の形状も、以下で説明する翼形９と同じであってよい。

設定範囲は、少なくとも、壁部７の外周面７ａが斜め上方を向いている周方向の範囲θ１（図１Ｂを参照）を含む。本実施形態では、設定範囲は、壁部７が周方向に延びている全ての範囲である。この場合、図１Ｂでは、設定範囲は、範囲θ１と、壁部７の外周面７ａが水平または斜め下方を向いている周方向の範囲θ２（図１Ｂを参照）と、壁部７の外周面７ａが鉛直下方を向いている周方向の範囲θ３とからなる。

翼型９の翼弦Ｂｃ（すなわち図２Ａにおいて翼形９の前縁Ｐｆと後縁Ｐｒとを結ぶ直線）は推進プロペラ３の中心軸Ｃから傾いている。また、翼弦Ｂｃ上の点は、前方側に移行するにつれて中心軸Ｃの延長線Ｃｅから離れていく。すなわち、翼弦Ｂｃ上の点が前方側に移行するにつれて、この延長線Ｃｅと直交する方向（半径方向）における翼弦Ｂｃ上の当該点と延長線Ｃｅとの距離Ｄ１が大きくなっている。これにより、前向き成分を持つ揚力が翼形９に発生する。便宜上、図２Ａにおいて、延長線Ｃｅを、実際の位置から翼形９の近くに平行移動して図示している。

翼形９（すなわち翼形９の輪郭）において、壁部７の外周面７ａ（図１Ａと図１Ｂを参照）を形成する外側面９ａは、窪み１１を形成するように内側（流路５の側）に曲がっている。本実施形態では、翼形９において、外側面９ａと、壁部７の内周面７ｂを形成する内側面９ｂは、それぞれ、全体として内側に湾曲している。これについて、外側面９ａと内側面９ｂ（特に内側面９ｂ）での流体剥離による乱流が推進プロペラ３に流入するように、揚力発生体１０は推進プロペラ３に近接している。

翼形９の厚みｔは、翼弦方向における設定位置Ｐｓで最大になっている。翼弦方向とは、翼弦Ｂｃと平行な方向である。本実施形態では、設定位置Ｐｓは、翼弦Ｂｃの中央（すなわち翼弦Ｂｃを二等分する点）よりも前方側にある。ただし、設定位置Ｐｓは、翼弦Ｂｃの中央であってもよいし、翼弦Ｂｃの中央よりも後方側にあってもよい。

翼形９の厚みｔは、翼形９のキャンバーラインＬｃと直交する方向の厚みである。キャンバーラインＬｃは、前縁Ｐｆから後縁Ｐｒまで延びる線であって、翼形９の外側面９ａと内側面９ｂから等しい距離にある線（すなわち図２Ａの一点鎖線）である。なお、翼弦方向の位置座標ｘにおける翼９の厚みｔとは、翼弦方向の位置が当該座標ｘとなるキャンバーラインＬｃ上の点でキャンバーラインＬｃと直交し外側面９ａから内側面９ｂまで延びる線分の長さである。翼形９の厚みｔは、前縁Ｐｆから設定位置Ｐｓまで後方側へ移行するにつれて次第に大きくなり、設定位置Ｐｓから後縁Ｐｒまで後方側へ移行するにつれて次第に小さくなる。

図１Ａから分かるように、壁部７の断面の翼形９の翼弦長（または延長線Ｃｅの方向における翼形９の寸法）は、下方に移行するにつれて減っている。したがって、壁部７の下端部分（すなわち範囲θ３の部分）の翼弦長は、壁部７の上端部分の翼弦長よりも小さい。

本実施形態の揚力発生体１０は、以下の特徴Ａ〜Ｃを有する。

（特徴Ａ）
図２Ａにおいて、設定位置Ｐｓから後縁Ｐｒまでの全範囲にわたって、翼形９は次の不等式を満たす。

｜ｄｔ／ｄｘ｜≦０．１５

ここで、ｄｘは、翼形９の翼弦方向における位置座標ｘの微小変化量であり、ｄｔは、位置座標ｘにおけるｄｘに対する厚みｔの微小変化量であり、｜ｄｔ／ｄｘ｜はｄｔ／ｄｘの大きさ（絶対値）である。ｄｔ／ｄｘは、位置座標ｘによる厚みｔの微分であってよい。言い換えると、ｄｔ／ｄｘは微小変化量ｄｘに対するｄｔの比率である。位置座標ｘと厚みｔの単位は同じである。設定位置Ｐｓから後縁Ｐｒまでの全範囲で、｜ｄｔ／ｄｘ｜が０．１５以下であることにより、翼形９の流体抵抗が低く抑えられる。

（特徴Ｂ）
図２Ｂは、図１ＢのＩＩ−ＩＩ断面図であるが、翼形９の他の特徴を示す。翼弦Ｂｃの長さをＣとし、翼形９の厚みｔの最大値をｔｍとし、翼弦方向と直交する方向における翼弦Ｂｃと外側面９ａとの最大距離をＤｍとする。
ｔｍ／Ｃは、０．０５≦ｔｍ／Ｃ≦０．３を満たすことが好ましい。
Ｄｍ／ｔｍは、０．０６＜Ｄｍ／ｔｍ≦０．４、０．２＜Ｄｍ／ｔｍ≦０．４、または０．３＜Ｄｍ／ｔｍ≦０．４を満たすことが好ましい。

Ｄｍ／ｔｍは、窪み１１の大きさを示す指標になる。Ｄｍ／ｔｍの大きさを上記のように設定することにより、窪み１１がない場合と比べて、翼形９において流れの循環が大きくなる。その結果、内側面９ｂの圧力が低下して翼形９に発生する揚力が増大する。したがって、翼形９の揚力の前向き成分も大きくなる。

（特徴Ｃ）
図１Ａにおいて、壁部７の後端１３（すなわち周方向に延びる後端１３）の全体は、船１における船体の中心線の方向（この図の左右方向）から見た場合に、推進プロペラ３が回転して通過する領域Ｒ（以下、推進プロペラ３の通過領域Ｒという）内に位置している。この構成で、翼形９を通過して上述のように乱流となることにより流速が低下した流れの全てまたはほぼ全てが、推進プロペラ３の通過領域Ｒに流入するようになる。その結果、推進プロペラ３の効率がより確実に向上する。

ただし、本発明によると、船１における船体の中心線の方向から見たときに、壁部７の下端が、推進プロペラ３の通過領域Ｒに位置していればよい。この場合においても、好ましくは、推進プロペラ３の中心軸Ｃの延長線Ｃｅは流路５（すなわち壁部７の内側）に位置する。

次に、本実施形態による翼形９の具体例を、比較例１と比べて説明する。

図３Ａは、本実施形態による具体例の翼形９と、比較例１の翼形を示す。図３Ａにおいて、実線は具体例を示し、破線は比較例１を示す。比較例１の翼形９は、外側面において実質的に窪みを有しない。

図３Ｂに示すように、具体例と比較例１の翼形には同じ向きの揚力が発生するが、比較例１よりも具体例のほうが揚力は大きくなる。その結果、揚力の前向き成分は、具体例のほうが比較例１よりも大きくなる。

図３Ｃは、一定の推力を船に発生させる場合、推進プロペラ３を回転駆動するための動力の低減効果（以下、動力低減効果という）を、船１の流体抵抗低減量として示している。すなわち、図３Ｃは、推進プロペラ３の回転により得られる推力と、揚力発生体１０の流体抵抗および揚力とを総合した場合の動力低減効果を船１の流体抵抗低減量に換算した値を示す。図３Ｃの結果は、ＣＦＤ（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）によるシミュレーションで得られた。このシミュレーションにおいて、具体例と比較例１とでは、図３Ａのように翼形が異なっているとし他の条件を同じにした。

図３Ｃに示すように、比較例１の流体抵抗低減量を１００％とした場合に、具体例の流体抵抗低減量が１１０％強であった。したがって、具体例では、比較例１よりも１０％強も多く流体抵抗（動力）が低減される。

次に、本実施形態による翼形９の具体例を、比較例２と比べて説明する。

図４Ａは、本実施形態による具体例の翼形９と、比較例２の翼形を示す。図４Ａにおいて、実線は、具体例を示し図３Ａの場合と同じであり、破線は比較例２を示す。比較例２の翼形は、具体例と同程度の大きさの窪みを有するが、翼弦方向の位置座標ｘによる厚みｔの微分ｄｔ／ｄｘが具体例と異なる。

図５Ａは、翼弦方向の位置座標ｘと翼形９の厚みｔとの関係を示すグラフである。図５Ａにおいて、横軸は、前縁Ｐｆの座標ｘをゼロとし翼弦長を１とした場合の座標ｘを示す。図５Ａにおいて、縦軸は、翼形９の厚みｔを翼弦長で割った値（厚み／翼弦長）を示す。

図５Ｂは、翼弦方向の位置座標ｘと上述の微分ｄｔ／ｄｘとの関係を示すグラフである。図５Ｂにおいて、横軸は、前縁Ｐｆの座標ｘをゼロとし翼弦長を１とした場合の座標ｘを示す。図５Ｂにおいて、縦軸は微分ｄｔ／ｄｘの値を示す。

具体例も比較例２も、翼形９の厚みｔは、図５Ａのように座標ｘが０．３の設定位置Ｐｓで最大となっている。
具体例では、ｄｔ／ｄｘの大きさは、図５Ｂのように、設定位置Ｐｓから翼形９の後縁Ｐｒ（すなわち後端１３の位置）までの全範囲にわたって０．１５よりも小さくなっている。比較例２では、このようになっていない。すなわち、比較例２では、ｄｔ／ｄｘの大きさが、座標ｘが０．８６の位置から翼形の後端までの範囲にわたって０．１５以上になっている。

図４Ｂは、図３Ｃの場合と同様に、動力低減効果を船の流体抵抗低減量に換算した値を示す。図４Ｂの結果は、ＣＦＤによるシミュレーションで得られた。このシミュレーションにおいて、具体例と比較例２とでは、図４Ａと図５Ａと図５Ｂのように翼形が異なっているとし他の条件を同じにした。

図４Ｂに示すように、比較例２の流体抵抗低減量を１００％とした場合に、具体例の流体抵抗低減量が１１５％弱であった。したがって、具体例では、比較例２よりも１５％弱も多く流体抵抗（動力）が低減される。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の変更例１〜３のいずれかを単独で採用してもよいし、変更例１〜３の２つ以上を任意に選択して採用してもよい。この場合、以下で説明しない点は、上述と同じであってよい。

（変更例１）
壁部７の断面の形状が上述した翼形９となっている上述の設定範囲は、上述に限定されない。例えば、この設定範囲は、図１Ｂに示す上記の範囲θ２と範囲θ３の一方または両方の一部または全部を含まなくてもよい。また、上記設定範囲は、上記の範囲θ１のうち一部のみを含んでいてもよい。この場合、上記設定範囲は、上記の範囲θ２と範囲θ３の一方または両方の一部または全部を含まなくてもよい。

（変更例２）
図６は、図１Ｂに相当するが、揚力発生体１０の変更例２を示す。図６のように、壁部７の内側の流路５は、鉛直下方（半径方向）に開口していてもよい。なお、流路５は、他の半径方向（すなわち延長線Ｃｅと直交する方向）に開口していてもよい。

（変更例３）
船尾部１ａに複数の推進プロペラ３が設けられる場合には、各推進プロペラ３の前方に揚力発生体１０が設けられてよい。

（変更例４）
壁部７における下端部分の上記断面の形状は、翼形であるが、上記窪み１１を有しなくてもよい。または、この下端部分の上記断面の形状は翼形でなくてもよい。

１ 船、１ａ 船尾部、３ 推進プロペラ、５ 流路、６ 結合部材、７ 壁部、７ａ 外周面、７ｂ 内周面、９ 翼形、９ａ 外側面、９ｂ 内側面、１０ 揚力発生体、１１ 窪み、１３ 後端、Ｂｃ 翼弦、Ｃ 中心軸、Ｃｅ 中心軸の延長線、Ｄ１ 中心軸の延長線と翼弦上の点との距離、Ｐｓ 設定位置、Ｐｆ 前縁、Ｐｒ 後縁

Claims (5)

1. 推進プロペラを備える船において、前記推進プロペラの前方に位置する揚力発生体であって、
   揚力発生体は、前記推進プロペラの中心軸の延長線を回る周方向に延びる壁部を有し、この壁部は、前記延長線の方向に貫通する流路を内側に形成し、
   前記周方向の設定範囲において、前記延長線を含む仮想平面による前記壁部の断面の形状は、前向き成分を有する揚力を発生させる翼形であり、
   前記翼形において、前記壁部の外周面を形成する外側面が窪みを形成するように内側に曲がっており、
   前記翼形の厚みは、該厚みが最大となる設定位置から後方へ移行するにつれて次第に小さくなっており、
   前記設定位置から翼形の後縁までの全範囲にわたって、前記翼形は、
   
   ｜ｄｔ／ｄｘ｜≦０．１５
   
   を満たし、この不等式において、ｄｘは、前記翼形の翼弦方向における位置座標ｘの微小変化量であり、ｄｔは、ｄｘに対する前記厚みｔの微小変化量であり、｜ｄｔ／ｄｘ｜は、ｄｔ／ｄｘの大きさである、揚力発生体。
2. 前記翼形において、前記外側面と、前記壁部の内周面を形成する内側面は、それぞれ、全体として前記流路の側に湾曲している、請求項１に記載の揚力発生体。
3. 前記壁部は、前記外周面が鉛直下方を向く下端部分を有し、
   前記延長線の方向において、該下端部分の長さは、前記壁部の上端部分の長さよりも小さい、請求項１または２に記載の揚力発生体。
4. 前記下端部分の前記断面の形状は、翼形であるが前記窪みを有せず、または翼形でない、請求項３に記載の揚力発生体。
5. 前記設定範囲は、前記壁部の外周面が斜め上方を向いている前記周方向の範囲の少なくとも一部を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の揚力発生体。
   

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