JP7432877B2 - 船舶用プロペラガード、船舶、及び船舶用プロペラガードの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶用プロペラガード、船舶、及び船舶用プロペラガードの設計方法に関する。詳しくは、船舶の推進性能を低下させることなく、プロペラの破損を防止することができる船舶用プロペラガード、船舶、及び船舶用プロペラガードの設計方法に係るものである。

わが国の沿岸地域においては、主にアジ、サバ、イワシ等の捕獲のための漁法として、魚の群れを網で囲い込んで獲る「まき網漁業」が行われている。まき網漁業は、魚群を探す「探索船」、光で魚を集める「灯船」、網を投入する「網船」、漁獲物を運ぶ「運搬船」といったように、それぞれの船が役割をもって操業する船団方式で行われるのが一般的である。

ところで、まき網漁業においては、船団の船舶が漁場で作業をする際に、網の近傍で低速で移動したり、浮子を超えたりする場合がある。このとき、船舶のプロペラが網や浮子を巻き込むと、プロペラが破損して船舶の航行が不能となったり、或いは網が破損して操業が不能となったりすることにより、操業者の安全性や経済性に多大な損失を生じることになる。

そこで、まき網漁業を行う船舶が、プロペラとまき網や浮子との接触を避けるために、プロペラ後方と船尾の間に丸棒材により構成された防護柵で囲むことでプロペラを保護するプロペラガードの開発が行なわれている（特許文献１）。

前記した特許文献１に開示のプロペラガードによれば、まき網や浮子を巻き込むことによるプロペラの破損を防止することはできる。一方、前記した従来の丸棒材から構成されたプロペラガードは、走行時に流体の抵抗を受けやすくなるため、船舶の推進性能を低下させ、さらにはプロペラガードの後流に発生する乱流渦により、プロペラガードからの振動や騒音が発生するという課題がある。

このような課題について、例えば特許文献２には、プロペラガードの構造や船体の取り付け構造を工夫することで、プロペラガードに起因する振動騒音を低減することが可能なプロペラガードが開示されている。具体的には、船尾側からの正面視で略Ｕ字状からなるプロペラガードにおいて、プロペラガードと船体の接続部分に防振ゴム等からなる振動吸収部材を介装することで、プロペラガードから発生する振動騒音を低減する技術が開示されている。

実開昭５８－８９４９９号公報 特開２００８－１８８７７号公報

前記した特許文献２に開示のプロペラガードによれば、船体との取り付けには防振ゴムを介して取り付けられることから、係る防振ゴムにおいてある程度の振動が吸収されるため、船舶の航行に際してプロペラガードの周囲より発生する振動騒音の抑制効果は期待されるものと推測できる。

しかしながら、プロペラガードを構成する部材は、断面略矩形の板状体からなるものである。そのため、前記特許文献１に開示のプロペラガードの丸棒材と同じく、板状体の周囲には剥離渦が発生しやすく、係る剥離渦の影響により船舶の推進性能が悪化することが懸念される。そのため、特許文献２に係るプロペラガードでは、依然として推進性能が悪化するという課題に対して十分に解決できるものとはなっていなかった。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであって、船舶の推進性能を低下させることなく、プロペラの破損を防止することができる船舶用プロペラガード、船舶、及び船舶用プロペラガードの設計方法を提供することを目的とするものである。

前記の目的を達成するために、本発明の船舶用プロペラガードは、回転軌道の半径がＤと定義されるプロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に延在する第１の区画部と、プロペラの回転中心から回転軸方向視で略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、前記第１の区画部の端部を始端としてプロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略０．４Ｄ～１．０Ｄの高さ位置である終端まで、プロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在する第２の区画部と、該第２の区画部の終端を始端として、終端がプロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で船体と接続されるように鉛直上方に向けて延在する第３の区画部とを備える。

ここで、プロペラの鉛直下方に、水平軸方向に延在する第１の区画部を備えることにより、プロペラの下面が第１の区画部により保護されるため、プロペラの下面に水面浮遊物（例えばまき網漁業において使用する浮子）が接触してプロペラが破損することを防止することができる。

また、第１の区画部は、プロペラの回転軌道の半径をＤと定義した場合に、プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において水平軸方向に延在することにより、プロペラの外縁とプロペラガードとの距離が適切なものとなり、水流を船体からプロペラの回転中心に向けて誘導することができる。

即ち、船体からプロペラの回転中心に向かう水流により、第１の区画部におけるプロペラ側と船体外側の水流に流速差が生じ、プロペラ側に向けて大きな揚力を生じさせる。このとき、第１の区画部に生じた揚力により船体の船尾に鉛直方向上向きの力が作用し、船首喫水と船尾喫水の差（船体トリム）が小さくなるため、船体の推進性能を高めることができる。

さらにプロペラが回転することで、第１の区画部に作用する鉛直上向きの揚力のうち船体の推進方向成分により、船体を推進させる力が作用する。この推進力はプロペラの推進力を補助し、船体の推進性能を高めることができる。

なお、プロペラの回転中心から第１の区画部までの離間距離が略１．１Ｄ未満の場合には、第１の区画部のプロペラ側を流れる流速が速くなり過ぎることにより、プロペラ近傍の振動発生の要因となる。一方、プロペラの回転中心から第１の区画部までの離間距離が略１．３Ｄよりも大きい場合には、第１の区画部のプロペラ側を流れる流速が遅くなるためプロペラ側に向けて発生する揚力が小さくなる。従って、船体トリムが大きくなるとともに船体の推進抵抗も増加する。

また、第１の区画部は、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に延在することにより、第１の区画部の端部とプロペラの外縁の距離が適切なものとなり、船体が水面浮遊物を通過する際に、水面浮遊物がプロペラに接触することを防止することができる。

なお、第１の区画部が延在する範囲として、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．５Ｄ未満の場合には、第１の区画部の端部とプロペラの外縁の距離が短くなるため、船体が水面浮遊物を通過する際に、水面浮遊物がプロペラに接触する可能性が高まる。

一方、第１の区画部の延在する範囲として、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．８Ｄよりも大きい場合には、第１の区画部の端部とプロペラの回転中心との距離が長くなるため、第１の区画部のプロペラ側の水流の流速が遅くなることにより、プロペラ側に向けて発生する揚力が小さくなり、さらには揚力の船体の推進方向成分も小さくなる。従って、船体トリムが大きくなるとともに、船体の推進抵抗も増加する。

また、プロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在する第２の区画部を備えることにより、プロペラの側縁が第２の区画部により保護されるため、プロペラの側面に水面浮遊物が接触してプロペラが破損することを防止することができる。

また、第２の区画部は、プロペラの回転中心から回転軸方向視で略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、プロペラの回転中心から鉛直上方に回転軸方向視で略０．４Ｄ～１．０Ｄの高さ位置である終端までプロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在することにより、水流を船体外側からプロペラの回転中心に向けて誘導することがでる。

即ち、船体からプロペラの回転中心に向かう水流により、第２の区画部におけるプロペラ側と船体外側の水流に流速差が生じ、プロペラ側に向けて大きな揚力が生じる。このとき、第２の区画部に生じた揚力の船体の推進方向成分により、船体を推進させる力が作用する。この推進力はプロペラの回転によりさらに強くなるため、プロペラの推進力を補助し、船体の推進性能を高めることができる。

なお、プロペラの回転中心から第２の区画部までの離間距離が回転軸方向視で略１．１Ｄ未満の場合には、第２の区画部のプロペラ側を流れる流速が速くなり過ぎるため、プロペラ近傍の振動発生の要因となる。

一方、プロペラの回転中心から第２の区画部までの離間距離が回転軸方向視で略１．３Ｄよりも大きい場合には、第２の区画部のプロペラ側を流れる流速が遅くなるため推進性能を得ることができず、船体の推進抵抗が増加する。

また、第２の区画部の終端位置として、プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略０．４Ｄよりも低い場合には、第２の区画部の周囲流れとしてプロペラの回転による流れが支配的となるため船体外側からの流れを利用することができず、十分な揚力を得ることができない。

一方、第２の区画部の終端位置として、プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略Ｄよりも高い場合には、第２の区画部のプロペラ側の流れとして船体外側からの流れが支配的となるためプロペラの回転による流れを利用することができず、十分な揚力を得ることができない。従って、船体トリムが大きくなるとともに、船体の推進抵抗も増加する。

また、第２の区画部から船体に至るまで鉛直上方に向けて延在する第３の区画部を備えることにより、プロペラの側縁から上方にかけて第３の区画部により保護されるため、プロペラの側面に水面浮遊物が接触してプロペラが破損することを防止することができる。

また、第３の区画部は、第２の区画部の終端を始端として、終端がプロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で船体と接続されることにより、船体外側からの水流をプロペラの回転中心に向けて誘導することがでる。

即ち、船体からプロペラの回転中心に向かう水流により、第３の区画部におけるプロペラ側と船体外側の水流に流速差が生じ、プロペラ側に向けて大きな揚力が生じる。このとき、第３の区画部に生じた揚力の船体の推進方向成分により、船体を推進させる力が作用する。

なお、第３の区画部の船体との接続部分（第３の区画部の終端位置）が、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ未満の位置である場合には、第３の区画部がプロペラに近接することで、プロペラ側を流れる流速が速くなり過ぎるため、プロペラ近傍の振動発生の要因となる。

一方、第３の区画部の終端が、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略１．０Ｄよりも大きい位置である場合には、第３の区画部のプロペラ側を流れる流速が遅くなるため推進性能を得ることができず、船体の推進抵抗が増加する。

また、第２の区画部は、始端が第１の区画部と第１の屈曲部を介して連接された第１の直線部、及び第１の直線部の終端と第２の屈曲部を介して連接された第２の直線部から構成され、プロペラの回転中心と第１の屈曲部を結んだ第１の仮想直線、及びプロペラの回転中心と第２の屈曲部を結んだ第２の仮想直線のなす角度が略３５～４５度である場合には、船体からプロペラの回転中心に向かう水流により、第２の区画部におけるプロペラ側と船体外側の水流に流速差が生じ、プロペラ側に向けて大きな揚力が生じる。このとき、第２の区画部に生じた揚力の船体の推進方向成分により、船体を推進させる力が作用する。この推進力はプロペラの回転によりさらに強くなるため、プロペラの推進力補助し、船体の推進性能を最も高めることができる。

また、第３の区画部は、始端が第２の区画部と第３の屈曲部を介して連接された第３の直線部、及び第３の直線部の終端と第４の屈曲部を介して連接され終端が船体に接続された第４の直線部から構成され、プロペラの回転中心と第３の屈曲部を結んだ第３の仮想直線、及びプロペラの回転中心と第４の屈曲部を結んだ第４の仮想直線のなす角度が略３５～４５度である場合には、船体からプロペラの回転中心に向かう水流により、第３の区画部におけるプロペラ側と船体外側の水流に流速差が生じ、プロペラ側に向けて大きな揚力が生じる。このとき、第３の区画部に生じた揚力の船体の推進方向成分により、船体の推進性能を最も高めることができる。

また、第１の区画部、第２の区画部、及び第３の区画部の断面形状は膨出部と平坦部からなる非対称翼型であり、膨出部がプロペラ側を指向する場合には、プロペラ側に向かう揚力を発生させることができるため、船体の推進性能を高めることができる。

前記の目的を達成するために、本発明の船体は、船体と、回転軌道の半径がＤと定義され前記船体の船尾に配置されたプロペラと、該プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において前記プロペラの回転中心から水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に延在する第１の区画部、前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において前記第１の区画部の端部を始端として前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略０．４Ｄ～１．０Ｄの高さ位置である終端まで前記プロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在する第２の区画部、該第２の区画部の終端を始点として終端が前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で前記船体と接続されるように鉛直上方に向けて延在する第３の区画部を有するプロペラガードとを備える。

前記の構成により、プロペラに水面浮遊物が接触してプロペラが破損することを防止することができる。さらに、第１の区画部、及び第２の区画部とプロペラとの離間距離を適度なものとすることで、船体からの水流とプロペラの回転による水流を効率的に利用して船体の推進性能を高めることができる。さらに第３の区画部とプロペラとの離間距離が適度なものとなることで、船体からの水流を効率的に利用することで、船体の推進性能を高めることができる。

前記の目的を達成するために、本発明の船舶用プロペラガードの設計方法は、前記第３の区画部をモデル化するステップは、始端が前記第２の区画部の終端と第３の屈曲部を介して連接された第３の直線部をモデル化するステップと、前記第３の直線部の終端と第４の屈曲部を介して連接され終端が船体に接続された第４の直線部をモデル化するステップと、を有し、前記第３の直線部をモデル化するステップと、前記第４の直線部をモデル化するステップにおいて、プロペラの回転中心と前記第３の屈曲部を結んだ第３の仮想直線、及びプロペラの回転中心と前記第４の屈曲部を結んだ第４の仮想直線のなす角度が略３５～４５度となるようにモデル化するステップを含む。

以上の設計方法により設計された船舶用プロペラガードにより、プロペラに水面浮遊物が接触してプロペラが破損することを防止することができる。また、第１の区画部、及び第２の区画部とプロペラとの離間距離を適度なものとすることで、船体からの水流とプロペラの回転による水流を効率的に利用して船体の推進性能を高めることができる。さらに第３の区画部とプロペラとの離間距離が適度なものとなることで、船体からの水流を効率的に利用することで、船体の推進性能を高めることができる。

本発明に係る船舶用プロペラガード、船舶、及び船舶用プロペラガードの設計方法は、船舶の推進性能を低下させることなく、プロペラの破損を防止することができるものとなっている。

本発明の実施形態に係るプロペラガードであり、（a）は船尾側からみた正面図、（ｂ）は船体右側からみた側面図である。 本発明の実施形態に係るプロペラガードの断面図である。 本発明の実施形態に係るプロペラガードの設計方法の説明図ある。 本発明の実施形態に係るプロペラガードを装着した場合の、プロペラの回転数と船体に発生する抗力の関係を示すグラフである。 ＣＦＤ計算による解析結果を示す図であり、（ａ）はプロペラガード非装着、（ｂ）は本発明の実施形態に係るプロペラガードを装着、（ｃ）は（ｂ）においてプロペラを駆動した場合のそれぞれ圧力分布、及び流線を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参酌しながら説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において説明の便宜上、プロペラガードを船体に設置した状態において、上方に向かう方向を上方、上方の反対方向を下方、上方および下方により表される軸方向を鉛直方向、鉛直方向と垂直な船体の幅方向を水平方向とそれぞれ定義する。

まず、本発明の実施形態に係るプロペラガード３について図１乃至図３を用いて説明する。プロペラガード３は、船体１の船尾側であって、船体１の幅方向の略中心部が回転中心となるように船体１に取り付けられたプロペラ２の外周縁を囲むように、その一部が船体１に取り付けられている（なお、以下では、プロペラの回転中心を通過する鉛直直線を「船体中心線ｌ」という。）。

ここで、必ずしも、プロペラ２は、その回転中心が船体の幅方向の略中心部分に位置するように船体１に取り付けられている必要はない。例えば、船体中心線ｌを境界として、左右に鏡面対称となるように２個のプロペラを備えるタイプの船舶や、その他プロペラの配置については様々なタイプの船舶に対して本発明の実施形態に係るプロペラガード３を取り付けることができるものとする。

プロペラガード３は、船尾側からの正面視において船体中心線ｌを境界として船体の左右で対称形状をなし、主に第１の区画部３１、第２の区画部３２、及び第３の区画部３３から構成され、プロペラ２の外周縁の全体を覆い、また側面視においてプロペラ２の奥行全体を覆う大きさ、及び形状となっている。

プロペラガード３はその上方端が船体１の船尾に接続されるとともに、プロペラガード３の高さ方向の略中心位置付近からプロペラ２のボス２１に向かって延在する支持板３４により強固に固定されている。なお、プロペラガード３を構成する第１の区画部３１、第２の区画部３２、及び第３の区画部３３の位置や寸法等については後述する。

第１の区画部３１は、プロペラ２の外縁よりもやや鉛直下方であって、船体中心線ｌを境界として船体１の左右方向に均等な長さで、水平方向に所定の距離だけ延在している。この第１の区画部３１は、その中間部分で分割されており、分割された端部が船体１の舵４を支持するシューピース５に溶接等の公知の手段により接続されている。

ここで、必ずしも、第１の区画部３１は分割された構造である必要はなく、一体のものとして、その所定の位置がシューピース５に接続されていてもよい。

また、必ずしも、第１の区画部３１はシューピース５に接続されている必要はない。例えば、シューピース５以外の船体部品に接続されていてもよい。なお、第１の区画部３１がシューピース５に接続されていることにより、プロペラガード３の剛性が高まるため、航行中のプロペラガード３の破損等を未然に防止することができる。

第２の区画部３２は、第１の区画部３１の両端部からプロペラ２の所定の高さ位置までプロペラ２の外周端縁に沿って鉛直上方に延在する部材であり、第１の直線部３２１と第２の直線部３２２から構成されている。第１の直線部３２１は、内角が鈍角の所定の角度からなる第１の屈曲部３２３を介して始端が第１の区画部３１の端部に連接され、プロペラ２の外周端縁に沿って鉛直方向斜め上方に向けて延在する。第２の直線部３２２は、第１の直線部の終端に内角が鈍角の所定の角度からなる第２の屈曲部３２４を介して連接され、プロペラ２の外周端縁に沿って船体中心線ｌに略平行に鉛直方向上方に向けて延在する。

第３の区画部３３は、第２の区画部３２から船体１の船尾に至るまで鉛直上方に延在する部材であり、第３の直線部３３１と第４の直線部３３２から構成されている。第３の直線部３３１は、内角が鈍角の所定の角度からなる第３の屈曲部３３３を介して始端が第２の区画部３２の終端に連接され、プロペラ２の外周端縁に沿って鉛直方向斜め上方に向けて延在する。また、第４の直線部３３２は、第３の直線部の終端に優角の所定の角度からなる第４の屈曲部３３４を介して連接され、終端が船体１の船尾の所定の位置で接続されている。

プロペラガード３を構成する部材（第１の区画部３１、第２の区画部３２、及び第３の区画部３３）は、図２に示すように、一側が膨出部３５、他側が平坦部３６からなる非対称の翼型断面形状から構成され、膨出部３５がプロペラ側、平坦部３６が船体外側を向くように配置されている。なお、本発明の実施形態において使用した翼型の膨出部３５はＮＡＣＡ００１２の翼型を基準とするものである。

プロペラガード３の断面形状を前記した翼型とすることにより、プロペラガード３の周囲においては、図２に示すように、プロペラガード３からプロペラ２側に向けて大きな揚力Ｌを発生させることができる。このプロペラガード３からプロペラ２に向けて発生する揚力Ｌは、船体１の船尾を水面側に押し上げることができるため、船体トリムが小さくなり、直進性能、及び旋回性能が高まり、船体１の航行持の安定性を高めることができる。さらに、揚力Ｌの推進方向成分Ｌｘにより、プロペラ２の推進力を補助することができるため、船体１の推進性能も高めることができる。

ここで、必ずしも、プロペラガード３の断面形状は翼型である必要はない。但し、船体１の航行時における安定性、及び推進性を高めるという観点からは、プロペラガード３の断面形状を翼型とし、かつ膨出部３５をプロペラ側、平坦部３６を船体外側に向くようにすることが好ましい。

なお、プロペラガード３は、前記した支持板３４により船体１に強固に固定されるため、船体１の推進方向の力が作用した場合でも、プロペラガード３の破損を防止できる。係る支持板３４についても、その断面形状は非対称の翼型断面形状から構成されていることが好ましい。

次に、プロペラガード３の詳細な設計方法について、主に図３に基づいて説明する。なお、以下ではプロペラ２の回転軌道の半径をＤ、プロペラの回転中心をＯ（以下、「プロペラ回転中心Ｏ」という。）と定義し、前記した通り、プロペラガード３は船体中心線ｌを境界として左右両舷で対称形状をなすため、便宜上、船尾側からの正面視で左舷側のプロペラガード３について説明する。

［第１の区画部］
第１の区画部３１は、プロペラ２の回転軸方向視で、プロペラ２の鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、プロペラ回転中心Ｏから水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に延在するように、その大きさ、及び位置が設計される。

［第２の区画部］
第２の区画部３２は、プロペラ２の回転軸方向視で、プロペラ回転中心Ｏから略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、プロペラ回転中心Ｏから鉛直上方に略０．４Ｄ～１．０Ｄの高さ位置である終端までプロペラ２の外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在するように、その大きさ、及び位置が設計される。

まず、第２の区画部３２を構成する第１の直線部３２１の設計においては、第１の区画部３１の端部（Ａ点）を第１の直線部３２１の始端とする。そして、Ａ点とプロペラ回転中心Ｏを結んだ第１の仮想直線Ｖ１を基準に、角度θとして略３５度～４５度だけ鉛直上方向に向けて回転させた位置であって、かつ第１の仮想直線Ｖ１と等距離の地点を第１の直線部３２１の終端（Ｂ点）と規定する。このとき、Ａ点には、内角が鈍角の屈曲角が形成され、係る屈曲角からなる屈曲部を第１の屈曲部３２３と定義し、プロペラ回転中心ＯとＢ点を結んだ仮想直線を第２の仮想直線Ｖ２と定義する。

次に、第２の直線部３２２の設計においては、第１の直線部３２１の終端（Ｂ点）を第２の直線部３２２の始端とする。そして、Ｂ点とプロペラ回転中心Ｏを結んだ第２の仮想直線Ｖ２を基準に、角度θとして略３５度～４５度だけ鉛直上方向に向けて回転させた位置であって、かつ第２の仮想直線Ｖ２と等距離の地点を第２の直線部３２２の終端（Ｃ点）と規定する。このとき、第２の直線部３２２は船体中心線ｌと略平行となり、Ｂ点には内角が鈍角の屈曲角が形成される。係る屈曲角からなる屈曲部を第２の屈曲部３２４と定義し、プロペラ回転中心ＯとＣ点を結んだ仮想直線を第３の仮想直線Ｖ３と定義する。

［第３の区画部］
第３の区画部３３は、第２の区画部３２を構成する第２の直線部３２２の終端を始端として鉛直上方に延在し、終端がプロペラ２の回転軸方向視で、プロペラ回転中心Ｏから水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で船体１と接続されるように、その大きさ、及び位置が設計される。

まず、第３の区画部３３を構成する第３の直線部３３１の設計においては、第２の区画部３２を構成する第２の直線部の終端（Ｃ点）を第３の直線部３３１の始端とする。そして、Ｃ点とプロペラ回転中心Ｏを結んだ第３の仮想直線Ｖ３を基準に、角度θとして略３５度～４５度だけ鉛直上方向に向けて回転させた位置であって、かつ第２の仮想直線Ｖ２と等距離の地点を第３の直線部３３１の終端（Ｄ点）と規定する。このとき、Ｃ点には、内角が鈍角の屈曲角が形成され、係る屈曲角からなる屈曲部を第３の屈曲部３３３と定義し、プロペラ回転中心ＯとＣ点を結んだ仮想直線を第３の仮想直線Ｖ３と定義する。

次に、第４の直線部３３２の設計においては、第３の直線部３３１の終端（Ｄ点）を第４の直線部３３２の始端とする。そして、プロペラ回転中心Ｏから水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲内において船体１との接続点であるＥ点を規定する。係るＥ点が第４の直線部３３２の終点となる。

ここで、図３中の実線部分は、Ｅ点としてプロペラ回転中心Ｏから水平方向に下限である略０．６Ｄの距離とした場合、図３中の一点鎖線部分は、Ｅ点としてプロペラ回転中心Ｏから水平方向に上限である略１．０Ｄの距離とした場合のプロペラガード３をそれぞれ示す。

Ｅ点としてプロペラ回転中心Ｏからの水平距離を略０．６Ｄとした場合（図３中の実線部分）には、Ｄ点には内角が優角の屈曲角が形成される。係る屈曲角からなる屈曲部を第４の屈曲部３３４と定義し、プロペラ回転中心ＯとＤ点を結んだ仮想直線を第４の仮想直線Ｖ４と定義する。このとき、第３の仮想直線Ｖ３と第４の仮想直線Ｖ４は等距離となる。即ち、第１の仮想直線Ｖ１～第４の仮想直線Ｖ４は互いに等距離となる。

一方、Ｅ点としてプロペラ回転中心Ｏからの水平距離を略１．０Ｄとした場合には、Ｅ点のみを船体外側に向けて移動させるのではなく、第４の屈曲部３３４であるＤ点の位置も含めて船体外側に向けて移動させる。これにより、Ｄ点の屈曲角（第３の直線部３３１と第４の直線部３３２のなす角度）は略１８０度となり、第３の直線部３３１と第４の直線部３３２は直線状を形成することになる。

ここで、必ずしも、Ｅ点の位置を船体外側に向け移動させる場合（図３中の一点鎖線部分）に、Ｄ点の位置も同時に船体外側に向けて移動させる必要はない。但し、その場合、第３の直線部３３１と第４の直線部３３２により形成される内角が大きくなり、水流の抵抗となる可能性がある。そのため、船体側からの流れを効率的にプロペラガード３へ誘導して船体の推進性能を高めるという観点からも、Ｄ点についても同時に船体外側に移動させることが好ましい。

以上のように第１の区画部３１、第２の区画部３２、及び第３の区画部３３を設計することにより、第１の区画部３１、及び第２の区画部３２の領域においてはプロペラ２の回転による水流を利用して、プロペラガード３にプロペラ側への揚力を発生させ、第３の区画部３３においては船体１側からの水流を利用してプロペラ側への揚力を発生させることができるため、船体トリムを小さくして船体の安定性、及び推進性能を高めることができるプロペラガード３を設計することができる。

さらにプロペラ２が回転することで、第１の区画部３１に作用する鉛直上向きの揚力Ｌのうち船体の推進方向成分Ｌｘにより、船体１を推進させる力が作用する。この推進力はプロペラ２の推進力を補助し、船体１の推進性能を高めることができる。

なお、プロペラ回転中心Ｏから第１の区画部３１までの離間距離が略１．１Ｄ未満の場合には、第１の区画部３１のプロペラ側を流れる流速が速くなり過ぎることにより、プロペラ２近傍の振動発生の要因となる。一方、プロペラ回転中心Ｏから第１の区画部３１までの離間距離が略１．３Ｄよりも大きい場合には、第１の区画部３１のプロペラ側を流れる流速が遅くなるため、プロペラ側に向けて発生する揚力Ｌが小さくなる。従って船体トリムが大きくなり、船体１の安定性が悪化するとともに船体１の推進抵抗も増加する。

また、第１の区画部３１は、プロペラ回転中心Ｏから水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に延在することにより、第１の区画部３１の端部とプロペラ２の外縁の距離を十分に確保することができる。従って、船体１が水面浮遊物を通過する際に、水面浮遊物がプロペラ２に接触することを防止することができる。

なお、第１の区画部３１が延在する範囲として、プロペラ回転中心Ｏから水平方向に略０．５Ｄ未満の場合には、第１の区画部３１の端部とプロペラ２の外縁の距離が短くなるため、船体１が水面浮遊物を通過する際に、水面浮遊物がプロペラ２に接触する可能性が高まる。一方、第１の区画部３１の延在する範囲として、プロペラ回転中心Ｏから水平方向に略０．８Ｄよりも大きい場合には、第１の区画部３１の端部とプロペラ回転中心Ｏとの距離が長くなるため、第１の区画部３１のプロペラ側の水流の流速が遅くなることにより、プロペラ側に向けて発生する揚力Ｌが小さくなる。従って、船体トリムが大きくなるとともに、船体１の推進抵抗も増加する。

即ち、船体１からプロペラ回転中心Ｏに向かう水流により、第２の区画部３２におけるプロペラ側と船体外側の水流に流速差が生じ、プロペラ側に向けて大きな揚力Ｌが生じる。このとき、第２の区画部３２に生じた揚力Ｌの船体の推進方向成分Ｌｘにより、船体１を推進させる力が作用する。この推進力はプロペラの回転によりさらに強くなるため、プロペラの推進力を補助し、船体の推進性能を高めることができる。

さらにプロペラ２が回転することで、第１の区画部３１に作用する鉛直上向きの揚力Ｌのうち船体の推進方向成分Ｌｘにより、船体１を推進させる力が作用する。この推進力はプロペラ２の推進力を補助し、船体１の推進性能を高めることができる。

なお、プロペラ回転中心Ｏから第２の区画部３２までの離間距離が略１．１Ｄ未満の場合には、第２の区画部のプロペラ側を流れる流速が速くなり過ぎるため、プロペラ２近傍の振動発生の要因となる。一方、プロペラ回転中心Ｏから第２の区画部３２までの離間距離が略１．３Ｄよりも大きい場合には、第２の区画部３２のプロペラ側を流れる流速が遅くなるため、プロペラ側に向けて発生する揚力Ｌが小さくなる。従って船体トリムが大きくなり、船体１の安定性が悪化するとともに船体１の推進抵抗も増加する。

次に、本発明の実施形態に係るプロペラガード３の船体１の推進性能に与える影響について三次元ＣＦＤ（ＣＯｍｐｕｔａｔｉＯｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により検証した。なお、乱流の計算方法には、時間平均モデルであるＲＡＮＳ（ＲｅｙｎＯｌｄｓ Ａｖｅｒａｇｅｄ Ｎａｖｉｅｒ－ＳｔＯｋｅｓ）を採用し、渦粘性係数を求める乱流モデルには標準ｋ－ε方程式を用いた。

表１は、船体速度（Ｖｓ）を１５ノット相当としたときの船体、舵、及びプロペラガードに働く圧力抵抗、摩擦抵抗、及びそれらの合力である全抵抗をプロペラ荷重（回転数）の有無に応じてＣＦＤ計算により求めた結果を示す（表１中の「ＰＧ無し」とはプロペラガードが装着されていない計算結果、「ＰＧ有り」とは本発明の実施形態に係るプロペラガードを装着した場合の計算結果である。）。なお、圧力抵抗は進行方向成分、摩擦抵抗は表面上の接線力の抵抗成分であり、これらを合わせ力が全抵抗となる。

［表１］

表１中、抵抗試験（プロペラ非作動）の結果から、プロペラガードの装着有無の抵抗を比較すると、プロペラガードを装着することにより圧力抵抗、摩擦抵抗ともに増加するものの、圧力抵抗をみると、プロペラガードは負圧となっていることがわかる。このプロペラガードの負圧は推力となるため、船体の推進効率を高めることができる。

図４はプロペラ荷重（回転数）の影響を示す。回転数の増加とともに、船体、及び舵の抵抗は増加する。プロペラガードに作用する圧力抵抗も回転数とともに増加するが、１４ｒｐｓを超えると徐々に平滑化され、プロペラガードによる推力は増加し、摩擦抵抗は減少する。即ち、プロペラガードによる全抵抗の増加は抑制される傾向となる。

次に、プロペラガードの装着の有無による船尾周囲の流れを、ＣＦＤ計算を用いて可視化した結果を図５に示す。図５（ａ）はプロペラガードを装着しない場合、図５（ｂ）はプロペラガードを装着した場合の流線、及び圧力分布を示す図である。なお、いずれもプロペラ２は作動しない状態である。

図５（ｂ）に示すように、プロペラガードを装着することにより、船体の負圧が強くなることがわかる。また、プロペラガードの外側が正圧、内側（プロペラ側）が負圧となっており、船体の外側からプロペラガードの内側に向けて水流が流れ込んでいることがわかる。

図５（ｃ）は、プロペラガードを装着した状態で、プロペラを作動させたときの圧力分布と流線を示す計算結果である。図５（ｂ）と比較すると、プロペラの作動の影響が現れ、プロペラガードの外側の正圧が強くなり、かつその範囲が広がり、またプロペラガード内側の負圧も強くなることがわかる。これにより、プロペラの作動によりプロペラガードの揚力、及び推力が増加することが推察される。

以上により、プロペラガードの内側には揚力が発生し、その船体の前後方向成分は、前記した通り船首向きとなり推力を発生していることがわかる。また、流線はプロペラガードにより船体外側から船体中央に集められ、プロペラに向かって加速された流れが流入していることが認められる。

次に、プロペラガードの形状による影響を検証するために、本発明の実施形態に係るプロペラガード（ＰＧ１）と、従来型の略円筒形からなるプロペラガード（ＰＧ２）を装着した場合の計算結果を表２に示す。なお、表２中の「ＰＧ無し」はプロペラガード非装着の場合の結果を示している。

［表２］

全抵抗として、抵抗値はＰＧ１とＰＧ２でそれほど大きな差は見られないものの、推進性能に必要なプロペラの推力、及びトルクは、ＰＧ１はＰＧ２に対して約２％程度向上することが確認できる。即ち、プロペラが回転することにより、ＰＧ１はＰＧ２に対してプロペラガード内面の流速がより高まることで、推力が向上することが推察される。

以上、本発明に係るプロペラガード、船舶、及び船舶用プロペラガードの設計方法は、船舶の推進性能を低下させることなく、プロペラの破損を防止することができるものとなっている。

１ 船体
２ プロペラ
２１ ボス
３ プロペラガード
３１ 第１の区画部
３２ 第２の区画部
３２１ 第１の直線部
３２２ 第２の直線部
３２３ 第１の屈曲部
３２４ 第２の屈曲部
３３ 第３の区画部
３３１ 第３の直線部
３３２ 第４の直線部
３３３ 第３の屈曲部
３３４ 第４の屈曲部
３４ 支持板
３５ 膨出部
３６ 平坦部
４ 舵
５ シューピース
Ｏ プロペラ回転中心
Ｖ１ 第１の仮想直線
Ｖ２ 第２の仮想直線
Ｖ３ 第３の仮想直線
Ｖ４ 第４の仮想直線

Claims (8)

1. 回転軌道の半径がＤと定義されるプロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に所定の距離だけ延在し、膨出部がプロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第１の区画部と、
   プロペラの回転中心から回転軸方向視で略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、前記第１の区画部の端部を始端としてプロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略０．４Ｄ～Ｄの高さ位置である終端まで、プロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在し、始端が前記第１の区画部の端部と第１の屈曲部を介して連接された第１の直線部、該第１の直線部の終端と第２の屈曲部を介して連接された第２の直線部から構成され、膨出部がプロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第２の区画部と、
   該第２の区画部の終端を始端として、終端がプロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で船体と接続されるように鉛直上方に向けて延在し、始端が前記第２の区画部の終端と第３の屈曲部を介して連接された第３の直線部、該第３の直線部の終端と第４の屈曲部を介して連接され終端が船体に接続された第４の直線部から構成され、膨出部がプロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第３の区画部と、を備える
   船舶用プロペラガード。
2. 前記第２の区画部は、プロペラの回転中心と前記第１の屈曲部を結んだ第１の仮想直線、及びプロペラの回転中心と前記第２の屈曲部を結んだ第２の仮想直線のなす角度が略３５～４５度である
   請求項１に記載の船舶用プロペラガード。
3. 前記第３の区画部は、プロペラの回転中心と前記第３の屈曲部を結んだ第３の仮想直線、及びプロペラの回転中心と前記第４の屈曲部を結んだ第４の仮想直線のなす角度が略３５～４５度である
   請求項１または請求項２に記載の船舶用プロペラガード。
4. 前記第１の区画部は、プロペラの回転軸に直交して回転中心を通過する鉛直軸線上に位置する船体に付属する舵を支持するシューピースに接続されている
   請求項１または請求項２に記載の船舶用プロペラガード。
5. 船体と、
   回転軌道の半径がＤと定義され前記船体の船尾に配置されたプロペラと、
   該プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に所定の距離だけ延在し膨出部が前記プロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第１の区画部、前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において前記第１の区画部の端部を始端として前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略０．４Ｄ～１．０Ｄの高さ位置である終端まで前記プロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在し始端が前記第１の区画部の端部と第１の屈曲部を介して連接された第１の直線部及び該第１の直線部の終端と第２の屈曲部を介して連接された第２の直線部から構成され膨出部が前記プロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第２の区画部、該第２の区画部の終端を始点として終端が前記プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で前記船体と接続されるように鉛直上方に向けて延在し始端が前記第２の区画部の終端と第３の屈曲部を介して連接された第３の直線部及び該第３の直線部の終端と第４の屈曲部を介して連接され終端が船体に接続された第４の直線部から構成され膨出部が前記プロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第３の区画部を有するプロペラガードと、を備える
   船舶。
6. 回転軌道の半径がＤと定義されるプロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直下方に略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、プロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．５Ｄ～０．８Ｄの範囲で水平軸方向に所定の距離だけ延在し、膨出部がプロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第１の区画部をモデル化するステップと、
   プロペラの回転中心から回転軸方向視で略１．１Ｄ～１．３Ｄだけ離間した位置において、前記第１の区画部の端部を始端としてプロペラの回転中心から回転軸方向視で鉛直上方に略０．４Ｄ～１．０Ｄの高さ位置である終端まで、プロペラの外周端縁に沿って鉛直上方に向けて延在し、始端が前記第１の区画部の端部と第１の屈曲部を介して連接された第１の直線部、該第１の直線部の終端と第２の屈曲部を介して連接された第２の直線部から構成され、膨出部がプロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第２の区画部をモデル化するステップと、
   該第２の区画部の終端を始点として、終端がプロペラの回転中心から回転軸方向視で水平方向に略０．６Ｄ～１．０Ｄの範囲で船体と接続されるように鉛直上方に向けて延在し、始端が前記第２の区画部の終端と第３の屈曲部を介して連接された第３の直線部、及び該第３の直線部の終端と第４の屈曲部を介して連接され終端が船体に接続された第４の直線部から構成され、膨出部がプロペラ側を指向する非対称翼型断面形状の第３の区画部をモデル化するステップと、を備える
   船舶用プロペラガードの設計方法。
7. 前記第２の区画部をモデル化するステップは、プロペラの回転中心と前記第１の屈曲部を結んだ第１の仮想直線、及びプロペラの回転中心と前記第２の屈曲部を結んだ第２の仮想直線のなす角度が略３５～４５度となるようにモデル化するステップを含む
   請求項６に記載の船舶用プロペラガードの設計方法。
8. 前記第３の区画部をモデル化するステップは、プロペラの回転中心と前記第３の屈曲部を結んだ第３の仮想直線、及びプロペラの回転中心と前記第４の屈曲部を結んだ第４の仮想直線のなす角度が略３５～４５度となるようにモデル化するステップを含む
   請求項６または請求項７に記載の船舶用プロペラガードの設計方法。

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