JP6674821B2 - 船底構造及び船舶 - Google Patents

Description

本発明は、空気潤滑システムを装備した船舶の船底構造及びそれを備えた船舶に関する。

航行時に、船首側から船尾側に向けて気泡流を発生させて、船底を気泡流で覆うことにより船体摩擦抵抗を低減する空気潤滑システムが知られている。空気潤滑システムを使用して船体摩擦抵抗（推進抵抗）を低減することにより、船舶の推進性能の向上、省エネルギー化を図ることができる。
空気潤滑システムは、主に、タンカーのような船体が肥えた船（肥大船）について適用されているが、フェリーや自動車運搬船のような痩せ型船についても適用が望まれている。
痩せ型船は、復原性の保持するために、船底に、中央から外側に向かって上方へ傾斜する傾斜部（ＲＯＦ：Rise Of Floor。以下、ＲＯＦ又は船底傾斜部ともいう）が設けられている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−０７６４８９号公報

空気潤滑システムを肥大船に適用する場合には、空気潤滑システムの効果が十分に発揮される。これは、肥大船はフラットな船底形状を有しているため、船底から気泡流が剥離しにくく摩擦抵抗を低減する効果が良好に得られるからである。
その一方、空気潤滑システムを痩せ型船に適用しようとすると、空気潤滑システムの効果が十分に発揮されないおそれがある。これは、痩せ型船は、上述したとおり復原性の保持するためにＲＯＦが設けられているので、肥大船に較べて、船底部分にフラットな部分が少なく、外側の傾斜が大きいため、気泡流がＲＯＦから外側へと流れて船底から剥離しやいためである。

本発明は、船底に船底傾斜部を備えた痩せ型船においても空気潤滑システムによる摩擦抵抗低減効果を良好に得ることができるようにした、船底構造及び船舶を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明の船底構造は、船体の船底に気泡を噴出する空気潤滑システムを装備すると共に、前記船底に、船体幅方向の中央に設けられ水平且つ平坦なキール部と、前記キール部の外側に連設され前記船体幅方向の中心側から外側に向かって上方に傾斜する船底傾斜部とを備えた船舶の前記船底の構造であって、前記船体の横断面が最大となる最大横断面位置における前記船底傾斜部の角度が、０度よりも大きく１５度よりも小さい範囲で設定されたことを特徴としている。

（２）前記最大横断面位置における前記船底傾斜部の形状が、直線形状であることが好ましい。

（３）前記最大横断面位置における前記船底傾斜部の形状が、前記船底と船舷とを滑らかに繋ぐスプラインカーブ状に形成され、前記最大横断面位置における前記船底傾斜部の角度が、前記船底傾斜部の特定位置における接線の角度として規定され、前記特定位置は、前記船体幅方向の中心から、前記船体の幅寸法に０．４を乗じて得られた所定長さだけ離れた位置であることが好ましい。

（４）上記の目的を達成するために、本発明の船舶は、船体の船底に気泡を噴出する空気潤滑システムと、（１）〜（３）の何れかに記載の船底構造とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、船底傾斜部の角度が、０度よりも大きく１５度よりも小さい範囲で設定されているので、船底傾斜部からの気泡流の剥離を抑制することができ、船底に船底傾斜部を備えた痩せ型船においても空気潤滑システムによる摩擦抵抗低減効果を良好に得ることができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態としての船舶の全体構成を示す模式な側面図であり、（ｂ）は船体前後方向の位置に関する横断面積の分布図である。 本発明の第１実施形態の船底の構造（形状）を示す模式的な横断面図であって、最大横断面位置における横断面図である。 横軸を平板傾斜角度θとし、縦軸をせん断力変化率ｒｆとしたグラフに試験結果をプロットした図である。 本発明の第２実施形態の船底の構造（形状）を示す模式的な横断面図であって、最大横断面位置における横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施の形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の各実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の各実施形態の構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
なお、以下の説明では、船舶１の船首１１側（進行方向）を前方とし、船尾１２側を後方とし、前方を基準に左右を定め、重力の方向を下方とし、その逆を上方として説明する。また、船体前後方向（以下「前後方向」ともいう）Ｘと直交する方向を船体幅方向（以下「幅方向」又は「船幅方向」ともいう）Ｙとし、船幅方向Ｙの中心線ＣＬに近づく側を内側とし、その逆に中心線ＣＬから離れる側を外側として説明する。
各実施形態では、本発明をフェリーに使用される痩せ型船に適用した例を説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
本発明の第１実施形態としての船舶の全体構成について、図１（ａ）を参照して説明する。
船舶１は、図１（ａ）に示すように、船舶１の本体である船体１０と、船舶１の各種制御が行われるコントロールルーム２０と、空気潤滑システム３０とを備える。

船体１０には、その後部（船尾１２寄り）に船体１０を推進するプロペラ１６が設置され、さらにプロペラ１６の後方に、船体１０の進行方向を定める舵１７が設置されている。
空気潤滑システム３０は、船底１３から空気を噴出して船底１３と水面との境界に気泡１００の流れ（気泡流）を発生させ、この気泡１００により船底１３を覆う気泡層を形成する。これにより、航行する船体１の摩擦抵抗を低減することができる。
具体的には、空気潤滑システム３０は、図１（ａ）に示すように、例えばブロアやコンプレッサにより構成される空気供給源３１と、船底１３の船首１１寄りに設置された気泡噴出部３３と、空気供給源３１と気泡噴出部３３とを繋ぐ空気供給通路３２とを備えて構成され、空気供給源３１を作動させることで、気泡噴出部３３から船尾１２に向けて気泡１００が噴出される。

図１（ｂ）は、横軸を「船体前後方向Ｘに関する位置Ｐ」とし、縦軸を「船体１０の横断面積（船体前後方向Ｘに垂直に切断した断面の面積）」としたグラフに、船体１０の横断面積の分布をプロットした図である。横軸の位置は、図１（ａ）に示す船体１０の位置と対応している。
図１（ｂ）でもそうであるが、通常、船体１０の横断面積Ａは、前後方向Ｘの中央部で最大となる。以下、横断面積Ａが最大となる前後方向Ｘの位置を最大横断面位置Ｐｍａｘと呼び、最大の横断面積を最大横断面積Ａｍａｘと呼ぶ。

以下、図２を参照して船底１３の構造（形状）について説明する。
図２は、船底１３の構造（形状）を示す模式的な横断面図であって、最大横断面位置Ｐｍａｘ（図１参照）における横断面図である。
図２では、船幅方向Ｙの中心線ＣＬよりも右側つまり右舷（船舷）１４側のみ示すが、船体１０の形状は中心線ＣＬに対して対称の形状となっており、船底１３の形状も、右舷１４側の形状と左舷側の形状とは線対称の形状となっている。そこで、図２では右舷１４側（片側）だけを示し、右舷１４側の形状を代表として船底１３の形状について説明する。
船体１０には、船舶１が痩せ型船であることから、復原性を保持するために、船底１３に中央から外側に向かって上方へ傾斜する傾斜部（ＲＯＦ：Rise Of Floor。以下、ＲＯＦ又は船底傾斜部ともいう）１３ｂが設けられている。
船底１３は、中央の水平且つ平坦なキール部１３ａと、キール部１３ａの外側に連設される前記ＲＯＦ１３ｂと、ＲＯＦ１３ｂと右舷１４とを滑らかに繋ぐ湾曲部１３ｃとを備えて構成されている。

本実施形態では、ＲＯＦ１３ｂは、図２に示すように、最大横断面位置Ｐｍａｘにおける横断面において、キール部１３ａの外端と湾曲部１３ｃの内端とを直線的に接続する直線形状となっている。ＲＯＦ１３ｂの傾斜角度（以下「ＲＯＦ角度」ともいう）φは、航行時の安定状態において水平姿勢となるキール部１３ａに対するＲＯＦの角度として規定される。
この最大横断面位置ＰｍａｘにおけるＲＯＦ角度φが１５［degree］よりも小さいと（φ＜１５）、気泡１００の剥離が抑制され、図２に示すようにＲＯＦ１３ｂに気泡１００の層が形成されることが試験結果から判明している。

この試験結果について図３を参照して説明する。
図３は、横軸を平板傾斜角度θとし、縦軸をせん断力変化率ｒｆとしたグラフに試験結果をプロットした図である。
この試験は、水の流れの中に平板を水没させ、この平板の傾斜角度（平板傾斜角度）θのせん断力変化率ｒｆを計測したものである。平板傾斜角度θは水平を基準とした角度であり、ＲＯＦ角度φに相当する。
また、せん断力変化率ｒｆとは、「空気潤滑システムの非作動時に平板が前記の水の流れから受けるせん断力ｆ_off」に対する「空気潤滑システムの作動時に平板が前記の水の流れから受けるせん断力ｆ_oｎ」の比である（ｒｆ＝ｆ_oｎ／ｆ_off）である。したがって、せん断力変化率ｒｆが１よりも低ければ、空気潤滑システムの効果が得られ、また、せん断力変化率ｒｆが低いほど空気潤滑システムの効果が高かったと判定できる。換言すれば、せん断力変化率ｒｆが１よりも低ければ、せん断力として平板に作用する摩擦を低減できる量の気泡が、平板に付着していたと判定でき、また、せん断力変化率ｒｆが低いほど平板に付着していた気泡が多かったと判定できる。

図３に示す試験結果より、平板傾斜角度θが１５［degree］よりも小さければ（θ＜１５）、せん断力変化率を０．８以下にできることが分かる。したがって、船体１０においても、平板傾斜角度θに対応するＲＯＦ角度φを１５［degree］よりも小さくすることで、船底傾斜部１３ｂからの気泡１００の剥離を十分効果的に抑制できる。

ここで、最大横断面位置ＰｍａｘにおいてＲＯＦ角度φを規定しているのは、一般的に、船体の形状は、航行時に船体が受ける抵抗を抑制するために、最大横断面位置Ｐｍａｘよりも前方又は後方になるにしたがってＲＯＦ角度φが大きくなるので、平坦化しても航行時の抵抗に影響の少ない最大横断面位置Ｐｍａｘにおいて、ＲＯＦ角度φの上限を規定するようにしているからである。また、図１（ｂ）に示すように、船体の横断面積の分布は、最大横断面位置Ｐｍａｘ付近で他の位置に比較して平坦な分布となる為、最大横断面積Ａｍａｘから一定の範囲の横断面積Ａを有する個所が広い範囲に亘り、最大横断面位置Ｐｍａｘを代表位置とするのが好ましいためである。

なお、図３からも明らかなように、平板傾斜角度θを小さくするほど、せん断力変化率ｒｆを小さくすることができるので、ＲＯＦ角度φも小さくすることが好ましいが、ＲＯＦ角度φを０にしてしまうとＲＯＦ１３ｂ自体がなくなってしまうので、当然ながらＲＯＦ角度φは０［degree］よりも大きい（φ＞０）。

［１−２．効果］
本発明の第１実施形態によれば、ＲＯＦ角度φが、０［degree］よりも大きく１５［degree］よりも小さい範囲に設定されているので、ＲＯＦ１３ｂからの気泡１００の剥離を抑制することができ、船底１３にＲＯＦ１３ｂを備えた痩せ型船においても空気潤滑システム３０による摩擦抵抗の低減効果を良好に得ることができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
本発明の第２実施形態の船舶について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の第２実施形態の船底の構造（形状）を示す模式的な横断面図であって、最大横断面位置Ｐｍａｘ（図１参照）における横断面図である。なお、第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態の船舶は、第１実施形態に対しＲＯＦの構成が異なる。具体的には、図４に示すように、本実施形態の船体１０Ａの船底１３Ａは、中央の水平且つ平坦なキール部１３ａと、キール部１３ａの外側に連設されるＲＯＦ１３ｂ′とを備えて構成され、ＲＯＦ１３ｂ′は、右舷１４とを滑らかに繋ぐ湾曲形状（スプラインカーブ状）とされている。

湾曲形状のＲＯＦ１３ｂ′の傾斜角度（「ＲＯＦ角度」ともいう）φ´は、その特定位置Ｗ１における接線Ｌ１のキール部１３ａに対する角度として規定される。
特定位置Ｗ１は、船体１０Ａの幅方向Ｙの寸法（以下「幅寸法」という）をＢとし、船体１０Ａの右舷半分の幅寸法を（Ｂ／２）としたときに、０．８×（Ｂ／２）すなわち０．４×Ｂだけ、中心線ＣＬから幅方向Ｙに離れた位置をいう。
ＲＯＦ角度φ′は、湾曲形状のＲＯＦ１３ｂ′の代表傾斜角度であり、ＲＯＦ角度φ′を、第１実施形態と同様に０［degree］より大きく１５［degree］よりも小さい範囲（０＜φ′＜１５）に設定することにより気泡１００の剥離を抑制できる。

［２−２．効果］
本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、ＲＯＦ角度φ′が、０［degree］よりも大きく１５［degree］よりも小さい範囲で設定されているので、ＲＯＦ１３ｂ′からの気泡１００の剥離を抑制することができ、船底１３ＡにＲＯＦ１３ｂ′を備えた痩せ型船においても空気潤滑システムによる摩擦抵抗低減効果を良好に得ることができる。

［４．変形例］
上記各実施形態では、本発明をフェリーに適用した例を説明したが、本発明はＲＯＦを有する痩せ型船であればフェリーに限定されることなく適用しうるものであり、例えば自動車運搬船にも適用できる。

１ 船舶
１０，１０Ａ 船体
１３ 船底
１３ａ キール部
１３ｂ，１３ｂ′ 船底傾斜部，ＲＯＦ
１４ 右舷（船舷）
ＣＬ 船幅方向Ｙの中心線
３０ 空気潤滑システム
３３ 気泡噴出部
Ｗ１ 船底傾斜部１３ｂ′の特定位置
Ｌ１ 特定位置Ｗにおける接線
ＣＬ 船幅方向Ｙの中心線
φ 船底傾斜部１３ｂの傾斜角度（ＲＯＦ角度）
φ′ 船底傾斜部１３ｂ′の傾斜角度（ＲＯＦ角度）

Claims (4)

1. 船体の船底に気泡を噴出する空気潤滑システムを装備すると共に、前記船底に、船体幅方向の中央に設けられ水平且つ平坦なキール部と、前記キール部の外側に連設され前記船体幅方向の中心側から外側に向かって上方に傾斜する船底傾斜部とを備えた船舶の前記船底の構造であって、
   前記船体の横断面が最大となる最大横断面位置における前記船底傾斜部の角度が、０度よりも大きく１５度よりも小さい範囲で設定された
   ことを特徴とする、船底構造。
2. 前記最大横断面位置における前記船底傾斜部の形状が、直線形状である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の船底構造。
3. 前記最大横断面位置における前記船底傾斜部の形状が、前記船底と船舷とを滑らかに繋ぐスプラインカーブ状に形成され、
   前記最大横断面位置における前記船底傾斜部の角度が、前記船底傾斜部の特定位置における接線の角度として規定され、
   前記特定位置は、前記船体幅方向の中心から、前記船体の幅寸法に０．４を乗じて得られた所定長さだけ離れた位置である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の船底構造。
4. 船体の船底に気泡を噴出する空気潤滑システムと、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の船底構造とを備えた
   ことを特徴とする、船舶。

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