JP7248231B2 - 舵装置及び船舶 - Google Patents

Description

本発明は、プロペラにより推進する船舶の舵装置及び船舶に関する。

従来、舵の前縁部をプロペラ軸心の上下で左右に捩り、プロペラの誘起する回転流を利用して舵翼断面が推進方向の力を発生させることで、プロペラと舵との干渉により推進効率を向上させる舵装置が開発されている。この従来例では、プロペラと舵のみの干渉に着目し、プロペラの回転流によるプロペラ軸上下で対象な流れを想定し、上下対称または、工作上の都合から上下片一方で舵の前縁部をねじっている（特許文献１）。
図７は、プロペラ面における船尾伴流の流速分布図であり、プロペラは上下対称の流れを実際には誘起していないことを示している。

なお、特許文献２には、舵板が上下に分割され、分割されたそれぞれの舵板をボルトによって連結することが開示されている。

また、特許文献３には、舵板にナットによって舵軸を取り付けること、このナットによる取付部に窓を形成すること、この窓を覆い板で閉鎖することが開示されている。

また、特許文献４には、舵板にプロペラの中心軸に沿ってラダーバルブを設けることが開示されている。

実願昭６０－１２２６２６号（実開昭６２－３１０００号）のマイクロフィルム 特開２０１６－５０８９２３号公報 実願昭４５－５１６３４号（実開昭５０－３３８３９号）のマイクロフィルム 特開２０１２－１６２１１０号公報

プロペラ及び舵は、船体の後方に位置し、船体の誘起する流れ（船尾伴流）の中で共に動作するため、図７に示すように、プロペラは上下対称の流れを実際には誘起せず、かつ舵の捩りも上下対称、又は上下いずれか一方の捩りでは、より高い推進効率が得られないという問題点がある。
特許文献１から特許文献４については、いずれもプロペラが上下対称の流れを実際には誘起しないことを考慮したものではない。

そこで本発明は、舵、プロペラ、及び船体の３つの流れの干渉を考慮して、より高い推進効率が得られる舵装置及び船舶を提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した舵装置においては、船舶のプロペラの後方に取り付けられる舵の舵板として、プロペラの中心軸よりも上方に位置する舵板上部に設けた上部捩り部と、プロペラの中心軸よりも下方に位置する舵板下部に設けた下部捩り部とを、プロペラの回転流に対向するように反対方向に捩るとともに、舵板の横断面を翼型に構成し、上部捩り部及び下部捩り部の捩り量を翼型のキャンバーの大小により設定し、流向角が大きく流速の速い流れを有効に利用可能なプロペラ位置に相当する舵高さ－０．３Ｒｐから０．２Ｒｐの範囲において（ここで、舵高さＲｐは、プロペラ軸中心を０．０とし、舵板上方をプラス、舵板下方をマイナスとし、舵高さをプロペラの直径で無次元化した値）、キャンバーを翼型のコード長で除したキャンバー比を、舵板下部においては－０．０４以上－０．００５以下の範囲に、舵板上部においては＋０．００５以上＋０．０３以下の範囲に設定し、かつ下部捩り部のキャンバー比の絶対値を上部捩り部のキャンバー比の絶対値よりも大きく設定した舵形状を備えたことを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、下部捩り部のキャンバー比の絶対値を上部捩り部のキャンバー比の絶対値よりも大きく設定することで、舵とプロペラだけでなく、船体の流れを考慮した高い推進効率を得ることができる。なお、上部捩り部は舵板上部全体に亘って、また下部捩り部は舵板下部全体に亘って形成することも可能である。また、キャンバーによって捩り量を設定することで設計を容易にすることができる。また、下部捩り量を上部捩り量よりも大きくし、かつキャンバー比をこれらの範囲に設定することで、大きな推力を発生させ、舵板の推進方向の推力を主とした省エネ効果を効率的に得ることができる。また、流向角が大きく流速の速い流れを有効に利用することができる。

請求項２記載の本発明は、舵板の上部捩り部の上方と下部捩り部の下方をキャンバーを有さない対称翼型に構成し、舵板のキャンバーを有する上部捩り部を上方のキャンバーを有さない対称翼型になだらかに収束させ、キャンバーを有する下部捩り部を下方のキャンバーを有さない対称翼型になだらかに収束させたことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、スムーズな流れによって抵抗増加を防ぐことができる。

請求項３記載の本発明は、上部捩り部の少なくとも一部及び／又は下部捩り部の少なくとも一部を、舵板の前縁部で形成したことを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、前縁部の形状を変えるだけでも捩りを設定できる。

請求項４記載の本発明は、舵板の前縁端とプロペラの後縁端との距離を、プロペラの直径との比で０．０５以上０．５以下に設定したことを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、舵板をプロペラに近づけることで、省エネ効果を更に高めることができる。

請求項５記載の本発明は、舵板上部と舵板下部とを別々の上部ユニットと下部ユニットとで構成し、舵板を上部ユニットと下部ユニットとを組み合わせて構成することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、ユニット化によって組み合わせの自由度を高めることができる。

請求項６記載の本発明は、上部ユニットと下部ユニットが舵軸に装着され、下部ユニットに設けた開口部において固定手段により舵軸に下部ユニットが固定されていることを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、ユニット化した上部ユニット及び下部ユニットの取り付けを開口部によって容易にできる。

請求項７記載の本発明は、舵板に省エネルギー効果を得るための付加物を備えたことを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、付加物により、例えば、ハブ渦を低減し、舵板の流れを改善して推進効率を高めることができる。

請求項８記載の本発明は、開口部を付加物で覆う構成としたことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、開口部の流れの抵抗を低減する蓋を兼ねることができる。

請求項９記載の本発明は、これらの舵装置を備えた船舶であることを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、舵とプロペラだけでなく、船体の流れを考慮した高い推進効率を得ることができる船舶を提供することができる。

本発明の舵装置によれば、下部捩り部のキャンバー比の絶対値を上部捩り部のキャンバー比の絶対値よりも大きく設定することで、舵とプロペラだけでなく、船体の流れを考慮した高い推進効率を得ることができる。また、キャンバーによって捩り量を設定することで設計を容易にすることができる。また、下部捩り量を上部捩り量よりも大きくし、かつキャンバー比をこれらの範囲に設定することで、大きな推力を発生させ、舵板の推進方向の推力を主とした省エネ効果を効率的に得ることができる。また、流向角が大きく流速の速い流れを有効に利用することができる。

また、舵板の上部捩り部の上方と下部捩り部の下方をキャンバーを有さない対称翼型に構成し、舵板のキャンバーを有する上部捩り部を上方のキャンバーを有さない対称翼型になだらかに収束させ、キャンバーを有する下部捩り部を下方のキャンバーを有さない対称翼型になだらかに収束させた場合には、スムーズな流れによって抵抗増加を防ぐことができる。

また、上部捩り部の少なくとも一部及び／又は下部捩り部の少なくとも一部を、舵板の前縁部で形成した場合には、前縁部の形状を変えるだけでも捩りを設定できる。

また、舵板の前縁端とプロペラの後縁端との距離を、プロペラの直径との比で０．０５以上０．５以下に設定した場合には、舵板をプロペラに近づけることで、省エネ効果を更に高めることができる。

また、舵板上部と舵板下部とを別々の上部ユニットと下部ユニットとで構成し、舵板を上部ユニットと下部ユニットとを組み合わせて構成する場合には、ユニット化によって組み合わせの自由度を高めることができる。

また、上部ユニットと下部ユニットが舵軸に装着され、下部ユニットに設けた開口部において固定手段により舵軸に下部ユニットが固定されている場合には、ユニット化した上部ユニット及び下部ユニットの取り付けを開口部によって容易にできる。

また、舵板に省エネルギー効果を得るための付加物を備えた場合には、付加物により、例えば、ハブ渦を低減し、舵板の流れを改善して推進効率を高めることができる。

また、開口部を付加物で覆う構成とした場合には、開口部の流れの抵抗を低減する蓋を兼ねることができる。

また、本発明の船舶によれば、これらの舵装置を備えることで、舵とプロペラだけでなく、船体の流れを考慮した高い推進効率を得ることができる船舶を提供することができる。

本発明の一実施形態による舵装置を備えた船舶の要部構成図 本発明の他の実施形態による舵装置の上部捩り部及び下部捩り部を示す断面図 船体船尾で作動するプロペラが舵板に誘起する流れを数値シミュレーションした結果を示すグラフ 比較例１、実施例１、及び比較例２のキャンバー分布と前縁比とを示す図 比較例１、実施例１、及び比較例２の省エネ率の変化と推力減少係数の変化を示すグラフ 数値解析によるキャンバー比と前縁比による省エネ率に与える影響を示すグラフ プロペラ面における船尾伴流の流速分布図

以下に、本発明の実施形態による舵装置について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による舵装置を備えた船舶の要部構成図である。
本実施形態の舵装置は、船舶１のプロペラ２の後方に取り付けられる舵板１０として、プロペラ２の中心軸Ａよりも上方に位置する舵板上部１０ａに設けた上部捩り部２０ａと、プロペラ２の中心軸Ａよりも下方に位置する舵板下部１０ｄに設けた下部捩り部２０ｄとを、プロペラ２の回転流Ｂに対向するように反対方向に捩るとともに、下部捩り部２０ｄの捩り量を上部捩り部２０ａの捩り量よりも大きく設定した舵形状を備えている。

舵板１０の横断面は翼型に構成し、上部捩り部２０ａ及び下部捩り部２０ｄの捩り量は翼型のキャンバー２１ａ、２１ｄの大小により設定する。キャンバー２１ａ、２１ｄによって捩り量を設定することで設計を容易にすることができる。
舵板１０のキャンバー２１ａ、２１ｄを有さない部分３０は、対称翼型３１に構成し、キャンバー２１ａ、２１ｄを有する部分２０、すなわち上部捩り部２０ａ及び下部捩り部２０ｄをキャンバー２１ａ、２１ｄを有さない部分３０になだらかに収束させている。キャンバー２１ａ、２１ｄを有する部分２０をキャンバー２１ａ、２１ｄを有さない部分３０になだらかに収束させることで、スムーズな流れによって抵抗増加を防ぐことができる。

舵板１０の前縁端１０ｆとプロペラ２の後縁端２ｂとの距離Ｃは、プロペラ２の直径Ｄとの比で０．０５以上０．５以下に、より好ましくは０．０５以上０．３以下に設定する。Ｃ／Ｄを０．０５以上０．５以下に設定し、舵板１０をプロペラ２に近づけることで、省エネ効果を更に高めることができる。

舵板上部１０ａと舵板下部１０ｄとを別々の上部ユニット１０Ａと下部ユニット１０Ｄとで構成し、舵板１０を上部ユニット１０Ａと下部ユニット１０Ｄとを組み合わせて構成することができる。このように、ユニット化することによって組み合わせの自由度を高めることができる。
上部ユニット１０Ａと下部ユニット１０Ｄは舵軸４０に装着され、下部ユニット１０Ｄに設けた開口部５０において、ボルトやナットなどの固定手段６０により舵軸４０に下部ユニット１０Ｄが固定される。開口部５０で固定手段６０によって舵軸４０に下部ユニット１０Ｄを固定することで、ユニット化した上部ユニット１０Ａ及び下部ユニット１０Ｄの取り付けを開口部５０によって容易にできる。
また、開口部５０を付加物（図示せず）で覆う構成とした場合には、開口部の流れの抵抗を低減する蓋を兼ねることができる。

図２は、本発明の他の実施形態による舵装置の上部捩り部及び下部捩り部を示す断面図である。なお、他の構成は図１に示す構成と同一であるので説明を省略する。
図１に示す上部捩り部２０ａ及び下部捩り部２０ｄは、舵板１０の前縁端１０ｆから後縁端までの全体を捩ったキャンバー２１ａ、２１ｄで構成したが、図２では、上部捩り部２０ａ及び下部捩り部２０ｄを舵板１０の前縁部１１で形成している。
本実施形態による舵板１０は、前縁部１１を除く後縁部１２を対称翼型としている。上部前縁部１１ａと下部前縁部１１ｄとは、プロペラ２の回転流Ｂに対向するように反対方向に捩るとともに、下部前縁部１１ｄの捩り量を上部前縁部１１ａの捩り量よりも大きく設定している。このように、前縁部１１の形状を変えるだけでも捩りを設定できる。

なお、図１では、舵板１０の前縁端１０ｆから後縁端までの全体を捩ったキャンバー２１ａ、２１ｄで構成した場合を示し、図２では、舵板１０の前縁部１１だけを捩る場合を示したが、図１に示すキャンバー２１ａ、２１ｄの前縁部を図２に示す前縁部１１で更に捩った構成であってもよい。
このように、上部捩り部２０ａの少なくとも一部及び／又は下部捩り部２０ｄの少なくとも一部を、舵板１０の前縁部１１で形成することができる。

また、図示は省略するが、バルブやフィン、フィッシュテールのような、省エネルギー効果を得るための付加物を舵板１０に、例えば舵板１０の左右側面に更に備えてもよい。これらの付加物により、例えば、ハブ渦を低減し、舵板の流れを改善して推進効率を高めることができる。
図１及び図２で示すような舵装置を備えることで、舵板１０とプロペラ２だけでなく、船体の流れを考慮した高い推進効率を得ることができる船舶１を提供することができる。

なお、本実施形態による舵装置は、Ｖ型船型（例えば、肥大度０．８７、接線角度４０度）及びＵ型船型（例えば肥大度０．８７、接線角度７５度）のいずれにも適用できるが、Ｖ型船型の船舶に適している。ここで、Ｖ型船型とＵ型船型は、船尾垂線Ａ．Ｐ．から船長（垂線間長）Ｌ．Ｐ．Ｐ．の１０％前方の位置における船体のプロペラ軸（軸心）を通る水平な線と船体の接線との成す接線角度と、船体の肥大度とにより区分して定義され、接線角度θ１、θ２が、５７度を超える場合の船型がＵ型船型、５７度以下の場合の船型がＶ型船型と定義される。

図３に、船体船尾で作動するプロペラが舵板に誘起する流れを数値シミュレーションした結果を示す。
図３（ａ）は、船長方向の軸を基準としたときの流向角の舵板高さ方向の分布を示す図、図３（ｂ）はそのときの流速分布を示す図である。
図３の縦軸で示す舵板高さ方向は、プロペラ軸中心を０．０とし、舵板上方をプラス、舵板下方をマイナスとし、プロペラ２の直径Ｄで無次元化した値で、＋０．５はプロペラ２の上端位置、－０．５はプロペラ２の下端位置を表している。

図３（ａ）に示すように、プロペラ２の中心軸Ａよりも下方では、流向角は－０．３Ｒｐより中心側で大きく変化し、その値は最大で３０度である。また、プロペラ２の中心軸Ａよりも上方では、プロペラ２の中心軸Ａよりも下方と比較し、船尾伴流の影響で舵高さ方向の流向角の変化が小さい。
一方、図３（ｂ）に示すように、流速はプロペラ２の中心軸Ａよりも下方が速く、プロペラ２の中心軸Ａよりも上方では船体伴流の影響により０．１Ｒｐより急速に減速する。このことから、舵の推進方向の推力を主とした省エネ効果（推進性能の向上）を効率的に得るためには、－０．３Ｒｐ～０．２Ｒｐの範囲かつ特にプロペラ２の中心軸Ａよりも下方に大きな捩り量を持たせることで、大きな推力を発生させることができる。

このように、舵高さ－０．３Ｒｐ～０．２Ｒｐ、特にプロペラ２の中心軸Ａよりも下方のキャンバー比０．００～０．０４の範囲で可能な限り大きなキャンバー比をとると大きな推力が得られる。また、舵板上部１０ａでは、船体伴流の影響により流速が０．１Ｒｐより極端に遅くなるため、翼断面に変化を付けることは、省エネの観点からも舵軸４０が舵内部に入るため、構造上の観点からも好ましくない。

図４及び図５を用いて模型船を用いた水槽試験による舵装置の省エネ効果について説明する。
図４は、比較例１、実施例１、及び比較例２のキャンバー分布と前縁比とを示しており、図４（ａ）は比較例１のキャンバー分布、図４（ｂ）は実施例１のキャンバー分布、図４（ｃ）は比較例２のキャンバー分布、図４（ｄ）は比較例１の前縁比、図４（ｅ）は実施例１の前縁比、図４（ｆ）は比較例２の前縁比である。図４における縦軸は、舵板高さである。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）における横軸は、キャンバー２１ａ、２１ｄを翼型のコード長で除したキャンバー比、図４（ｄ）（ｅ）（ｆ）における横軸は、前縁部１１の前端の変化量を翼型のコード長で除した前縁比である。

比較例１は、標準舵を実用的範囲としたもの、実施例１は舵板高さが－０．３Ｒｐ～＋０．２Ｒｐの範囲において、上下非対称にキャンバー比と前縁部１１の変化を加えたもの、比較例２は実施例１のリアクション量を舵板１０上下で対称な変化としたものである。

図５は、比較例１、実施例１、及び比較例２の省エネ率の変化と推力減少係数の変化を示すグラフである。
図５（ａ）に示すように、模型船を用いた水槽試験による燃料削減効果は、比較例１に対して比較例２は省エネ率が向上しているが、実施例１は比較例２に対して高い省エネ率を示している。
また図５（ｂ）に示すように、スラスト力の寄与率を示す推力減少係数においても、実施例１は、比較例１及び比較例２に対して高い効果を示している。

図６は、数値解析によるキャンバー比と前縁比による省エネ率に与える影響を示すグラフであり、縦軸は省エネ率の推定値である。図６（ａ）は横軸がキャンバー比、それぞれの折れ線が前縁比、図６（ｂ）は横軸が前縁比、それぞれの折れ線がキャンバー比を示している。
図６（ａ）に示すように、キャンバー比は０．００５以上０．０４以下で省エネ効果が高いが、０．００５以上０．０３以下、更には０．０１以上０．０２以下がより好ましい。
また、図６（ｂ）に示すように、前縁比は、０．１以上で省エネ効果が高いが、０．１以上０．２以下がより好ましい。

図３に示す数値シミュレーションの結果、図４及び図５に示す模型船を用いた水槽試験による舵装置の省エネ効果、図６に示す数値解析によるキャンバー比と前縁比による省エネ率に与える影響から、キャンバー２１ａ、２１ｄを翼型のコード長で除したキャンバー比を、舵板下部１０ｄにおいては－０．０４以上－０．００５以下の範囲に、舵板上部１０ａにおいては＋０．００５以上＋０．０３以下の範囲に設定することが好ましい。下部捩り量を上部捩り量よりも大きくし、かつキャンバー比をこれらの範囲に設定することで、大きな推力を発生させ、舵板１０の推進方向の推力を主とした省エネ効果を効率的に得ることができる。
また、キャンバー２１ａ、２１ｄは、舵板下部１０ｄにおいては舵板下部１０ｄの上下方向の－０．５以上０．０以下の範囲に、舵板上部１０ａにおいては舵板上部１０ａの上下方向の０．０以上＋０．４以下の範囲に形成することが好ましく、流向角が大きく流速の速い流れを有効に利用することができる。

本発明の舵装置によれば、船体の流れを考慮した高い推進効率を得ることができ、Ｖ型船型及びＵ型船型のいずれの船舶にも適用できる。

１ 船舶
２ プロペラ
２ｂ 後縁端
１０ 舵板
１０ａ 舵板上部
１０ｄ 舵板下部
１０ｆ 前縁端
１０Ａ 上部ユニット
１０Ｄ 下部ユニット
１１ 前縁部
１１ａ 上部前縁部
１１ｂ 下部前縁部
１２ 後縁部
２０ キャンバー有する部分
２０ａ 上部捩り部
２０ｄ 下部捩り部
２１ａ、２１ｄ キャンバー
３０ キャンバー有さない部分
３１ 対象翼型
４０ 舵軸
５０ 開口部
６０ 固定手段
Ａ 中心軸
Ｂ 回転流
Ｃ 距離
Ｄ 直径

Claims (9)

1. 船舶のプロペラの後方に取り付けられる舵の舵板として、前記プロペラの中心軸よりも上方に位置する舵板上部に設けた上部捩り部と、前記プロペラの中心軸よりも下方に位置する舵板下部に設けた下部捩り部とを、前記プロペラの回転流に対向するように反対方向に捩るとともに、前記舵板の横断面を翼型に構成し、前記上部捩り部及び前記下部捩り部の前記捩り量を前記翼型のキャンバーの大小により設定し、流向角が大きく流速の速い流れを有効に利用可能なプロペラ位置に相当する舵高さ－０．３Ｒｐから０．２Ｒｐの範囲において（ここで、舵高さＲｐは、プロペラ軸中心を０．０とし、舵板上方をプラス、舵板下方をマイナスとし、舵高さをプロペラの直径で無次元化した値）、前記キャンバーを前記翼型のコード長で除したキャンバー比を、前記舵板下部においては－０．０４以上－０．００５以下の範囲に、前記舵板上部においては＋０．００５以上＋０．０３以下の範囲に設定し、かつ前記下部捩り部のキャンバー比の絶対値を前記上部捩り部のキャンバー比の絶対値よりも大きく設定した舵形状を備えたことを特徴とする舵装置。
2. 前記舵板の前記上部捩り部の上方と前記下部捩り部の下方を前記キャンバーを有さない対称翼型に構成し、前記舵板の前記キャンバーを有する前記上部捩り部を上方の前記キャンバーを有さない前記対称翼型になだらかに収束させ、前記キャンバーを有する前記下部捩り部を下方の前記キャンバーを有さない前記対称翼型になだらかに収束させたことを特徴とする請求項１に記載の舵装置。
3. 前記上部捩り部の少なくとも一部及び／又は前記下部捩り部の少なくとも一部を、前記舵板の前縁部で形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の舵装置。
4. 前記舵板の前縁端と前記プロペラの後縁端との距離を、前記プロペラの直径との比で０．０５以上０．５以下に設定したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の舵装置。
5. 前記舵板上部と前記舵板下部とを別々の上部ユニットと下部ユニットとで構成し、前記舵板を前記上部ユニットと前記下部ユニットとを組み合わせて構成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の舵装置。
6. 前記上部ユニットと前記下部ユニットが舵軸に装着され、前記下部ユニットに設けた開口部において固定手段により前記舵軸に前記下部ユニットが固定されていることを特徴とする請求項５に記載の舵装置。
7. 前記舵板に省エネルギー効果を得るための付加物を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の舵装置。
8. 前記開口部を前記付加物で覆う構成としたことを特徴とする請求項６を引用する請求項７に記載の舵装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の舵装置を備えた船舶であることを特徴とする船舶。

Images