JPH04502138A - 非対象式水中翼推進法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非対象式水中翼推進法とその装置 関連出願についてのクロス・リファレンス本発明は、下記米国出願をさらに改良 したものである。

１　水陸両用水中翼装置と称する、１９８９年７月２１日付米国出願番号第０７ ／３６９．１７３号。

２一体化された水中翼付き推進装置と称する、１９８９年７月２１日付米国出願 番号第０７／３６９．１７２号。

３　水ジェツト推進装置と称する、１９８９年７月２１日付米国出願番号第ｆ１ ７／３６９．１７９号。

４　水上支持装置付き推進装置と称する、１９８９年７月２１日付米国出願番号 第０７／３６９．１７８号。

技術分野 本発明は、水上で支持された車両、より詳しく言えば、該車両の推進効率と、航 走速度とを高める非対象式水中翼推進法とその装置に用いられる、推進装置付き 揚力装置に関する。

背景技術 米国出願第３．４２０．２０４号では、無限軌道式水陸両用車両を、約１６　ｋ ｍ／ｈ（約１０　ＭＰＨ）の低速で推進させる、水ジエツト反動式推進装置が開 示しである。

発明の開示 本発明に係わる水陸両用車両あるいは、水陸両用ボートなどの船舶は、一対の非 対象式水中翼装置によって部公的に支持されている。各水中翼装置は、概ねＬ字 形に形成してあり、かつ原動機とプロペラとを具備している。

該原動機とプロペラとは、関連した水中翼の一端と、その反対端を該船舶に連結 させた支柱の一端とに連結しである。水中翼装置は、相互に隔置されることによ って、非対象式水中翼を形成している。被動プロペラは、支柱と、関連した水中 翼の間に介在されるアングル継手と整合するように配置しである。該プロペラは 、その上向きに移動する羽根が、該車両の下向きに移動する伴流と、関連した該 非対象式水中翼の後縁を通過する注流とを補集できる方向に駆動される。該プロ ペラに補集された下向き流れは、推進力と揚力とを大幅に増加させるので、上向 きに移動する羽根と接触することによって、該船舶の速度をかなり増加させるも のである。図面の簡単な説明 図１は、水上に浮かんだ水陸両用車両として形成された船舶において、本発明に 係わる２個の非対象式水中翼装置のプロペラ羽根を示す透視図、図２は、水上に 浮かんだ高速モーターボートとして形成された船舶において、翼端うずと、プロ ペラ羽根うずとを示す透視図、図３は、図１に示す水陸両用車両において、プロ ペラの回転方向を示す背面図、図４は、図２に示す高速モーターボートの一部分 において、プロペラの回転方向と、プロペラ羽根に働く水の運動方向とを示す背 面図、図５は、図４に相当するが、翼端うずと、羽根うずとを示し、さらに、該 ボートの発生した伴流によってプロペラに作用する注流とを示す平面図、図６は 、回転速度と、前進速度とを総合したプロペラ羽根の和を線図的に示す、上向き に移動するプロペラ羽根の部分ベクトル線図、図７は、羽根力の分力としてのス ラストと、トルクとを示すベクトル線図、図８は、プロペラに作用して効率を高 める注流を示すベクトル線図、ＩＩ！Ｊ９は、スラストを増加させる従来船の伴 流係数を示す先行技術についての略図、図１Ｏは、従来船の船尾において、プロ ペラが、船体の直ぐ後部で作用すると流速が増加し、船体の抗力が増大するので 、プロペラの有効スラストが減少することを示す先行技術についての略図、図１ １は、プロペラが、水中翼上の流速を増加させると、該水中翼の揚力き、効率と が増加することを示す、本発明に係わる水中翼と、プロペラとを示す線図、図１ ２は、一方の水中翼を通過する水の流れを示す線図、図１３は、一方の非対象式 水中翼装置において、本発明の改善結果を呈する。プロペラの一側だけに配置さ れた水中翼を示す線図、図１４は、支柱上に取着された複数個の流れ制御フィン と、一方の非対象式水中翼装置における管状原動機ハウジング上に取着された別 の流れ制御フィンとを示す透視図、図１５は、一方の非対象式水中翼装置の水流 パターンにおける揚力うず装置を示す透視図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明に係わる非対象式水中翼装置は、図１および図３に示す水陸両用水中翼車 両（２２）と、図２１図３および図５に示す高速モーターボート（２４）とを含 有する船舶（２０）を推進するものである。

水陸両用水中翼車両（２２）は、上記米国出願番号第［１７／３６９．１７３号 中に開示されたものと同一であるが、相違点は、該米国出願が水ジェツト推進装 置を用いているのに対し、原動機（２６）を、シャフト（３Ｇ）　（図６）を介 してプロペラ（２８）に連結させていることにある。したがって、該水陸両用水 中翼車両についての説明は、ここでは省略する。

同様に、高速モーターボート（２４）　（図２）は、上記米国出願番号第０７／ ３６９．１７８号中に開示されたものと同一であるが、相違点は、該米国出願が 、原動機とジェット推進装置を用いているのに対し、原動機（２６ａ）によって プロペラ（２８ａ）を駆動させていることにある。上記船舶の水中翼昇降装置の 説明は、ここでは省略する。

図１および図３を参照すると、一対の非対象式水中翼装置（３２）の各々が、原 動機（３４）を介して、水陸両用水中翼車両（２２）に枢着しである。該原動機 （３４）は、該水中翼装置を、図１および図３に実線で示される作動位置と、図 ３に二点鎖線で示される陸上での収納位置の間を移動させるのである。

各水中翼装置（３２）は、図１、図１１および図１２に最も良く示される翼形断 面を有する非対象式水中翼（３６）を有している。該水中翼（３６）は、水中で 前進させるとき、その下部翼面の圧力が、上部翼面の圧力よりも大きくなるので 、該車両を水中で持ち上げる揚力を発生させ、その結果、抗力を最小にするとと もに、該車両を水上に浮かんで高速で走行させるものである。

各水中翼装置（３２）は、水中翼（３６）に加えて、管状ハウジング（３８）と 、支柱（４０）とを具備していることに注目すべきである。該支柱は、関連した 水中翼（３６）を、水上で水平位置、または、僅かに上向きかつ外向き傾斜位置 に支持する角度で、垂直に延出している。また、各水中翼は、可動水中制御装置 （４１）を含有することができる。該水中制御装置（４１）は、低速時の揚力を 増加させるフラップとして、あるいは、該船舶が高速度旋回するのに役立つ補助 翼として形成されるのである。

水中翼間の非対象性は、左右両側の水中翼の間隔によって生じるものであり、該 間隔は、図１、図２および図３に示すように、これらの水中翼を備えた船舶の幅 を越えることが理解されよう。換言すれば、原動機（３４）とプロペラ（２８） とは、２個の水中翼の中点に配置されてない。したがって、図１５に示すように 、下向きの水流が発生する。図１５では、右側非対象式水中翼における揚力うず 装置を示している。

図１および図３に示されるように、左玄プロペラと右玄プロペラ（２８）とは、 矢印の方向に駆動されるので、これらのプロペラは、船尾から見て、それぞれ右 回りと左回りに回転する。図示の各プロペラは、三枚羽根（４６）（羽根の数は 、変更可能である）を有しており、また、外側羽根は、図１および図２に最も良 く示されるように、上向きに回転する。

作動原理について説明すると、プロペラ（２８）、船外プロペラ羽根を内向きか つ上向きに回転させる方向に駆動されて該車両を前進させるとき、水中翼（３６ ）は、その後縁（図１２および図１５）に注流を作るとともに、該水中翼の上部 と下部間の圧力差によって船体に回転うずをつくる。従って、各プロペラの上方 羽根が内向きに回転する。

内側羽根は、水中翼の背後に取着されないで、非対象性の構成要素であることか ら、下向きに回転する。下方羽根は、「内回りプロペラ」と呼ばれる方向に回転 するとともに、上方羽根翼端の運動方向を指示している。従来技術は外回りであ る。

別の方法として、水流に対する翼の形状と、傾斜角の特定の組合わせによって、 水中翼の回りに流れの非対象性を生じると、該水中翼の上部と底部における流れ を流線として集合させるのに十分な循環流が、該水中翼の周囲に形成される。こ のことは、「フッタ状態を満足させるＪと定義されるもので、物理の法則に適合 する。この循環流は、水中翼の上部の上方における該水中翼の前進運動と、その 底部に沿って反対方向の流れとを総合した水流の方向である。循環流と、運動に よる流れの和によって、上部と下部の間に速度差が生じる。これによって、圧力 差が発生して揚力が得られる。このように、水中翼の付は根と翼端の間に圧力差 が生じると、流体の流れがこの圧力をバランスしようとするので、うずが生じる 。この渦も、循環流のうず（「境界うず」と呼ばれる）から由来し、流体に作用 して（「後縁うず」と呼ぶ）、反対方向の同一符号で示される「出発うず」によ って揚力が発生する段階に達するものと見なされる。この条件は、渦が空間で終 結しないという物理の法則による。

水中翼が水中を運動するとき、該水中翼の上部にベンチュリ効果が作用して低圧 が発生すると同時に、その底面に働く清水作用によって高圧が生じることが理解 されよう。この圧力差が揚力を提供する。水中翼の後縁に生じる注流と、該水中 翼の上部と下部における圧力差によって、図１に最も良く見られるように、各水 中翼（３６）の付は根と、翼端の周囲にうずが生じる。翼端うずは、矢印（４８ ］　（図１および図３）で示されており、水中翼（３６）の上面と下面の間の圧 力差を取り除くように働く。

各プロペラ羽根（４６）　（図６）も水中翼であり、該羽根は、船舶（２０）の 速度に加えて、該羽根（２８）の半径に該羽根の回転速度を乗じた積に相当する 速度で水中を移動する。該船舶の速度が、船首から船尾側に向けられているのに 対し、回転による該羽根の速度は、シャフト（３０）と直交するように指向して いる。また、該プロペラの回転作用によって、うずと他の効果が生じるので、該 プロペラからの流体の流れ（プロプウォッシ）に含有される回転エネルギーが該 車両に喪失し、その結果、効率が低下する。

図７に線図的に示されるように、プロペラ（２８）の羽根速度が、該プロペラの 水中速度と垂直に揚力を発生する。

羽根速度と反対方向に比較的小さい羽根抗力が生じる。

揚力と抗力をベクトル合成することによって、プロペラ羽根に作用する正味の力 が得られる。該シャフトの長さ方向の分力がスラストであるのに対して、該シャ フトに直交する分力がトルクであって、いずれも羽根力である。

図８に線図的に示されるように、各プロペラ（２８）に作用する水流が、プロペ ラ回転と反対方向に流れる場合、このケースでは、水流は、上向回転のプロペラ 羽根（４６）に対して多少下向きである。水中翼を非対象式に配置する、すなわ ち、水中翼をプロペラ中心線の一側に配置することによって、船の速度と羽根回 転とのベクトル和が、羽根を横切って働くので、該ベクトル和は、プロペラ速度 の増加と見なされるのである。

該プロペラに作用する水流が、本発明で見られるように、プロペラ回転と反対方 向にプロペラ羽根（４６）に働くとき、船の速度と羽根回転とのベクトル和が、 羽根（４６）に対して更に直交するので、事実上、プロペラ速度を増加させる役 目を果たす。その結果、揚力正味力のベクトル、すなわち揚力と抗力のベクトル 和（図８）が、該シャフト中心線と直交しないで、該シャフト中心線に沿って作 用する。従って、プロペラ（２８）の効率が向上するが、この効率改善は、羽根 うずの減少に伴う抗力減少に帰着させつる。従って、「注流がない場合の流れ」 ベクトルと、「有効羽根流れ」の間の角度が変化すると（図８）、スラストが増 大するとともにトルクが減少する。

他の相互作用による効果は、図９に示すように、伴流係数とスラスト減少とを含 有する。

この点で、従来船（５２）　（図９）が航走するときには、その周囲の水も該船 体に引っばられて、伴流（５０）と呼ばれる水流によって抗力が生じる。該伴流 中の水は、既に、船舶の速度に加速されているので、プロペラ（５４）は、伴流 水をプロプウォッシ速度の一部に加速だけに働き、それにより、効率の増加分と してのスラストを得ることになる。

従来船（５２）の船尾部分では、伴流（５０）の処理は、あたかも、プロペラ（ ５４）の水中での前進（「前進速度」と呼ばれる）が、船の速度よりも遅くなる ように行われる。

該前進速度は、（１−Ｗｔ）ｘ船の速度によって表わされる。ただし、Ｗｔは、 「伴流係数」、すなわち水流を遅くするパーセントである。これらの効果を総合 した効率の増加分は、容易に決定することができる。すなわち、該プロペラに作 用する力が、プロペラの効率とプロペラが発生するスラストと該前進速度との積 である。船体に作用する力は、スラストと船の速度との積である。船の速度が、 該前進速度よりも速い場合に、増加分が発生すしかし、上記増加分の発生は、代 償を伴うものである。

プロペラ（５４）が作用すると（図９および図１０）、流速増加によって、従来 船（５２）の船尾部分で吸引作用を生じ、その結果、船体の抗力を増加させ、図 １Ｏに示すように、プロペラ（５４）の有効スラストを減少させる。このような スラストの減少を、「スラスト減少」という。該船体に対する該プロペラの発生 する正味スラストは、ｔをスラスト減少係数とするとき、（Ｌ−ｔ）ｘ該船体が ない場合に、該プロペラが発生するスラストで表わされる。従来技術において、 抗力と増加分という、これら二つの効果は、通常、図１０に示されるように、互 いに相殺される。

図２、図４および図５は、高速モーターボー）−（２４）を含有する船舶（２０ ）において、該高速モーターボートの船尾付近に枢着された一対の非対象式水中 翼装置（３２ａ）を示している。しかし、これらの水中翼を、該車輌上に永続的 に表示できることを理解すべきである。

非対象式水中翼装置ｔ（３２ａ）は、本発明の第１実施例の水中翼装置と同様の ものであるので、第２実施例の構成部品には、第１実施例の照合番号の後にｒａ Ｊを付すようにする。

図示の水中翼（３６ｇ）は、水上に浮かんで作動可能状態にあるが、該水中翼（ ３６ａ）を、図３に二点鎖線で示されるように、該船舶（２４）の上部の収納位 置へ旋回させることができる。フラップまたは、補助翼などの水中制御装置（６ ０）　（図２２図４および図５）を配設して、低速時の初期浮揚力を付与したり 、高速で該船舶をバンクさせることができる。

４ｔの重量を有する、図１に示される型式の水陸両用車輌の１／２縮尺を用いて 、本発明の海上試験を行った。

該車両は、ピッチが約５０８ｍｍ　（１２インチ）のプロペラを１２０ＯＲＰＭ ’？’回転させたとき、約５４．４　ｋｍ／ｈ（３４ＭＰＨ）に達することが観 測された。この種のプロペラが、静止媒体中を、１回転で約５０８１１１ｍ　（ １２インチ）の距離を前進するとき、この状態における最大理論的速度（「プロ ペラ速度」）は、約１０　ｍ／ｓ　（３３，３Ｎ／ｓ）になる。約５４．４　ｋ ｍ／ｈ（３４ＭＰＨ）は、約１５　ｍ／ｓ　（５０ｆｔ／ｓ）に相当する。「見 掛はスリップＪ１すなわち、船の速度と理論プロペラ速度との差を、プロペラ速 度で割った商は、負の５０％である。

従来型船舶では、通常、この速度範囲におけるスリップ値が、正の約５ないし１ ０％であった。この種の車両において、この速度に達するのに必要なスラストは 、各プロペラについて約３６２．８　ｋｇ　（約８００　ｌｂ）である。自由水 において約５４．４　ｋｍ／ｈ（３４ＭＰＨ）で航走するとき、本発明のプロペ ラは、＋７３５　ＲＰＭで約３６２．８　ｋｇ　（約８００　ｌｂ）のスラスト を発生するので、相互作用効果によって、プロペラＲＰＭが効果的に増加するこ とは明らかである。

近似計算によれば、このＲＰＭ増加値と関係する注流は、約２２５０　ｋｇ　（ 約５０００　ｌｂ　）の揚力を発生するのに十分なことを示している。該車両の 総重量が、約３６００ｋｇ　（８０００１ｂ）であること、またその一部分が、 船底上の滑水力と浮力によって支持されていることから、この効果に関する上記 説明が正しいことを示唆している。

図１３は、右玄非対象式水中翼装置（３２）であって、非対象式水中翼（３６） を１個だけ具備するものを示している。

同一サイズの別の水中翼を、管状原動機ハウジング（３８）の左側に追加すれば 、その結果として生じるものは、非対象式水中翼ではなく、対象式水中翼である 。

図１４は、左玄非対象式水中翼装置（３２）と、その支柱（４０）と、管状原動 機ハウジング（３８）とを示している。原動機ハウジング（３８）は、プロペラ （２８）を矢印の方向に駆動する原動機（図示省略）を収容するものである。複 数個の流れ制御フィン（６４）（２個のみ図示）が、それぞれ、支柱（４０）と 原動機ハウジング（３８）上に装着しである。これらのフィンは、乱流を最小限 に抑えて、水をプロペラ羽根の中に案内するものである。

図１５は、右玄水中翼装置（３２）に作用する揚力うず装置（６６）において、 該装置を水中で推進させる際に発生する幾つかのうずを示している。

上記の説明に鑑み、本発明に係わる非対象式水中翼推進方法とその装置とは、プ ロペラなどの推進装置によって駆動される非対象式水中翼を用いて、船舶を部分 的に支持し、該プロペラの羽根を上向きに移動して、非対象的に配置された水中 翼の後縁上に流れる注流に作用させることによって、該船舶の浮力と航走速度を 高めるものであることは明らかである。

前述したところが、本発明の装置の最も好ましい実施態様であること、多くの変 更および修正を本発明の精神と範囲とにそむくことなく実行できることは当業者 によって了承されよう。

７Ｆ”Ｉ［Ｅ　１４ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　船舶を水中で推進する際の効率を高める装置であって、 後縁を有し、非対象的に配置された水中翼によって、上記船舶の対向側部を部分 的に支持する装置であって、上記水中翼が、水中で推進される際に、上記後縁上 に下向きの水流を作るように構成してある装置と、動力で駆動される推進装置を 、上記船舶の所定の位置に支持する装置であって、駆動されるプロペラの羽根を 上向きに移動して、上記非対象式水中翼からの洗流に作用させることによって、 上記船舶の速度、揚力および効率を高めるようにする装置とを含有する、船舶を 水中で推進する際の効率を高める装置。 ２　非対象的に配置された各水中翼の上記後縁が、関係するプロペラの回転軸線 と交差する、請求項１記載の装置。 ３　上記水中翼の低速時の揚力を高めるために、非対象的に配置された各水中翼 の上記後縁の一部分に、可動水中制御フラップを作動する装置を含有する、請求 項１記載の装置。 ４　上記船舶が高速で旋回するのを補助するために、非対象的に配置された各水 中翼の上記後縁の一部分に、可動水中制御補助翼を作動する装置を含有する、請 求項１記載の装置。 ５　船舶を水上で部分的に支持するとともに、推進する装置であって、 その各々が後縁を具備した、一対の非対象的に配置された水中翼を画成する装置 と、 上記非対象的に配置された水中翼を上記船舶に連結させる、一対の水中翼支柱を 形成する装置と、その各々が複数個の羽根を有する、一対の動力で駆動されるプ ロペラを画成する装置であって、上記各プロペラを、上記非対象的に配置された 水中翼のうちの関係するものに作動的に連結し、また、上記一対のプロペラを相 互に反対方向に駆動して、上記プロペラ羽根を、上向きに移動して洗流に作用さ せることによって、洗流を補集させるようにし、もって、上記プロペラと非対象 的に配置された水中翼とが発生する速度と揚力とを高めるようにする、一対の動 力で駆動されるプロペラを画成する装置とを含有する、船舶を水上で部分的に支 持するとともに、推進する装置。 ６　上記洗流の少なくとも一部分が、上記非対象的に配置された水中翼の後縁上 で下向きに流れる、請求項５記載の船舶を水上で部分的に支持するとともに、推 進する装置。 ７　上記船舶が水陸両用車両である、請求項５記載の船舶を水上で部分的に支持 するとともに、推進する装置。 ８　上記船舶がボートである、請求項５記載の船舶を水上で部分的に支持すると ともに、推進する装置。 ９　低速時の水中翼の揚力を高めるために、非対象的に配置された各水中翼内に 配置された可動水中制御フラップを含有する、請求項５記載の船舶を水上で部分 的に支持するとともに、推進する装置。 １０　上記車両が高速で旋回するのを補助するために、非対象的に配置された各 水中翼内に配設された可動水中制御補助翼を含有する、請求項５記載の船舶を水 上で部分的に支持するとともに、推進する装置。 １１　上記動力で駆動されるプロペラが、右玄プロペラと、左玄プロペラとを含 有するとともに、上記左玄プロペラが右回りであるのに対し、上記右玄プロペラ が左回りである、請求項５記載の船舶を水上で部分的に支持するとともに、推進 する装置。 １２　上記船舶が軍用の水陸両用車両である、請求項５記載の船舶を水上で部分 的に支持するとともに、推進する装置。 １３　上記船舶が高速モーターボートである、請求項５記載の船舶を水上で部分 的に支持するとともに、推進する装置。 １４　流れを改善するとともに、振動を防止するために、各プロペラの前方に装 着された複数個の小形水流デフレクタ装置を含有する、請求項５記載の船舶を水 上で部分的に支持するとともに、推進する装置。 １５　上記複数個のフラップが、上記動力で駆動されるプロペラに対して乱流が 流入するのを最小にするように、上記船舶の所定位置に装着してある、請求項１ ４記載の船舶を水上で部分的に支持するとともに、推進する装置。 １６　船舶を水中で推進する際の効率を高める方法であって、 後縁を有し、非対象的に配置された水中翼によって、上記船舶の対向側部を部分 的に支持し、上記水中翼が、水中で推進される際に、上記後縁上に下向きの水流 を作るようにする工程と、 動力で駆動される推進装置を、上記船舶の所定の位置に支持し、上記駆動される プロペラの羽根を上向きに移動して、上記非対象的に駆動される水中翼からの洗 流に作用させることによって、上記船舶の速度、揚力および効率を高めるように する工程とを含有する、船舶を水中で推進する際の効率を高める方法。 １７　非対象的に配置された各水中翼の後縁が、上記プロペラの回転軸線と交差 する、請求項１６記載の船舶を水中で推進する際の効率を高める方法。 １８　上記非対象的に配置された水中翼の低速時の揚力を増加するために、非対 象的に配置された各水中翼の上記後縁の一部分に、可動水中制御フラップを作動 する工程を含有する、請求項１６記載の船舶を水中で推進する際の効率を高める 方法。 １９　上記船舶が高速で旋回するのを補助するために、非対象的に配置された各 水中翼の上記後縁の一部分に、可動水中制御補助翼を作動する工程を含有する、 請求項１６記載の船舶を水中で推進する際の効率を高める方法。