JPH07277280A - 水ジェット推進装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目 的】本発明は回転体を外部に露出しない密閉構造
にして水中の物体に対する信頼性や安全性を高める共に
小型軽量化を図り，キャビテーションの発生をなくして
効率や静粛性を高め，排気ガスで大気汚染されることの
ない電動機使用を可能にした渦巻き式水ジェット推進装
置を提供することを目的とする。 【構 成】厚板に渦巻き状溝のある固定渦巻き要素と端
板に渦巻き状突起のある可動渦巻き要素の互いの渦巻き
形状部を噛み合わせてポンプ部を形成し，渦巻き状溝の
外側に吸入口を内側に吐出口とそれに連通する方向舵を
内設したノズルを設け，自転防止機構により可動渦巻き
要素を旋回運動させ，偏心量可変機構やスラストシール
機構を各部に設けて密封性を高め，可動渦巻き要素に逃
がし弁機構を設けて液圧縮を防止し，これらをハウジン
グ等で被って密封構造として船尾に設置したことを特徴
とする渦巻き式水ジェット推進装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，液体に圧力または運動
エネルギーを与える水力機械としての容積式液体ポンプ
に係わり，特に水面及び水中で水力を利用して船舶を推
進する水ジェット推進装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の推進装置としてはプロペラを用い
た推進装置が最も一般的である。大半の船舶が船尾下部
の船外に設けたプロペラを回転させて推進していた。そ
の他の従来例として，船底と船尾を連通させて開口する
ダクトを設け，そのダクト内に設けたプロペラで水を後
方に噴出させて推進する水ジェット推進装置があった。
プロペラを船外に設けた推進装置の公知例として，特公
昭５９−３７２７８や特開平４−５００９６などが挙げ
られる。これらの公知例が示すように，船尾下部の船外
に露出させて設けられたプロペラを水中でエンジン等を
駆動源として軸と一体に回転させ，プロペラの翼に生じ
る水を押す力から得られる推進力により船を推進する。
船の進路変更は後流側となるプロペラの後に設けたおよ
そ矩形状をした翼により行なっていた。次にプロペラを
ダクト内に設けた水ジェット推進装置の公知例として，
特公平１−５０６３９や特開平４−５５１９２などが挙
げられる。これらの公知例が示すように，船底と舶尾に
開口した太くて長いダクトが船内後部に設けられ，その
ダクト内に噴流を発生させるプロペラとその流れを整流
するための固定翼が設置され，そしてダクト出口近傍に
は船の進路方向を操作する舵装置が設けられている。そ
して，船底のダクト開口部から水を導入し，船尾の開口
部から水を噴出そて船を推進していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】プロペラを船尾の船外
で水中に露出させて取り付け推進する装置の場合，付近
に浮遊している物体又は水の底にある物体が回転してい
るプロペラに接触して，その物体を破損させるか，プロ
ペラが破損して航行不能となることがあった。その物体
が人間のような生物の場合，その生物がプロペラの先端
に接触もしくは巻き込まれて大怪我ないしは死亡するこ
ともあり，極めて危険性が高い推進装置であった。一方
プロペラをダクト内に設け，水を導入して噴流を発生さ
せて推進する水ジェット推進装置の場合には，プロペラ
や整流用の固定翼などを収納し水を導入するための太く
て長いダクトが必要となる。この場合危険なプロペラが
露出しない替わりに多くの設置スペースか必要となると
ともに設置の自由度が大幅に制約されていた。プロペラ
を用いた推進装置共通の課題として，プロペラ外周での
周速が早くキャビテーションの発生やカルマン渦の発生
に伴う推進効率の大幅な低下や騒音振動の発生が問題と
なっていた。また，プロペラ式の推力は回転数の２乗に
比例して増加するとともにトルクも回転数の２乗に比例
して増加するので，高速運転時駆動源に大きな負担を強
いることになり，電動機による駆動を困難にしていた。
このため大半がエンジン駆動であり，排気ガスによる大
気汚染や大きな騒音が発生して問題となっていた。さら
に，プロペラ式では公知例に記載されているように，プ
ロペラ単独の損夫，船体との干渉による損夫，水の流れ
による損夫など多くの損失があり推進効率が大幅に低下
するなどの問題もあった。本発明が解決しようとしてい
る課題として，プロペラを外部に露出した危険な構造，
ダクト方式に係わる船体内の有効スペースの滅少と設置
自由度の大幅な制約及びキャビテーション発主に伴う推
進効率低下や騒音振動の増大などがある。加えて，排気
ガスによる大気汚染や騒音の問題が解消できる電動機を
いかにして駆動源に容易に使用するかなどがある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記従来例の課題を解決
するために船の推進装置として水または海水の噴流によ
るジェット推進力を利用した渦巻き式水ジェット推進装
置を用いる。これは容積式ポンプを用いており，回転体
を外部に露出させない密閉構造になっている。本発明の
水ジェット推進装置の容積式ポンプ部は厚板に渦巻き状
溝を設けた固定渦巻き要素と端板に渦巻き状溝を設けた
可動渦巻き要素の互いの渦巻き形状部を噛み合わせてポ
ンプ部を形成する渦巻き式を用いている。固定渦巻き要
素は船体に固定され、可動渦巻き要素は駆動軸の回転に
連動して旋回運動する仕組みになっている。回転体など
の可動部分は船体に固定されたハウジング等で被われて
露出しておらず，ポンプ内に水を導入する入口と噴出さ
せる出口は推進装置に直接設けられ，その大きさも比較
的小さく，ポンプ部を内設するような大きなダクトは必
要ない。本発明は，このように回転体が船外に露出しな
い密封構造でダクト用いないで船尾に設置でき，しかも
容積式ポンプの為にキャビテーションか発生しない渦巻
き式水ジェット推進装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【作 用】本発明の渦巻き式水ジェット推進装置のポン
プ部は前記の如く固定渦巻き要素に設けた渦巻き状溝に
外周から水を吸い込み可動渦巻き要素の渦巻き状突起と
の間に封じ込めて回転させ，強制的に中央へと移動させ
て固定渦巻き要素のほぼ中央に設けた吐出口からノズル
を通り後方に噴出させ，その噴流のジェット推進力によ
り船舶を推進させる。その推進力は次式で表される。 推進力＝水の密度×噴出流量×速度差×係数 ここで速度差とは水の噴出速度と船の速度の差を表し，
係数は効率と置き換えることができる。噴出流量は前記
渦巻き状溝と渦巻き状突起との間で形成される最大密閉
空間の大きさに軸回転数を掛けて求められる。回転体で
ある可動渦巻き要素の旋回速度はどの場所でも同じで，
駆動軸中心に対する旋回中心の偏心量に軸回転数を掛け
て求められる。その大きさはプロペラ先端の速度に比べ
ると極めて小さい。従って，キャビテーションの発生も
なく，高速回転時に摺動摩擦損失が大幅に増大すること
もない。軸トルクは効率により多少変動するが，ポンプ
内の最大密閉空間の大きさにほぼ比例するので，軸回転
数が増大しても軸トルクが大きく増すことはない。よっ
て，図１に示した軸回転数と軸トルクの関係図のよう
に，プロペラ式の軸トルクが軸回転数の２乗に比例して
急激に増加するのに比べて渦巻き式の場合はほとんど増
加しない。このように渦巻き式のトルクは電動機のトル
クに近い特性を示すので電動機駆動が容易となる。エン
ジン駆動の場合にはエンジンの小型化が図れる。さらに
回転体含めた可動部分は全て船体に固定されたハウジン
グ等の容器内に収納されており，水中の浮遊物が回転部
等に直接接触することはない。固定渦巻き要素のほぼ中
央に設けた吐出口後流側のノズル部に方向変換機構を設
けることにより噴流の方向を直接制御でき，船の機動性
が高まる。停止または後進する場合には可動渦巻き要素
の回転方向を逆転させて，噴流を逆噴射させることによ
り実現できる。船の速度を上げるには噴出速度を早くす
れば良い。噴出速度を早くする方法として，軸の回転速
度を高める方法と吐出孔の面積を可変とすることも考え
られる。

【０００６】

【実施例】水面や海面に浮かび水力を用いて推進する船
舶の推進装置に適用した場合について説明する。特に本
発明の渦巻き式水ジェット推進装置は安全性が高くて騒
音が低いので，海岸近辺や河川または湖などを航行する
小型船舶の推進に適している。以下実施例を用いて具体
的に説明する。図２は本発明の渦巻き式水ジェット推進
装置のポンプ部の原理説明図であり，ポンプ中心部の横
断面をモデル的に示している。円形の４枚の図は軸回転
位置が異なる状態を示し，それぞれの図の下に記載した
（ａ）〜（ｄ）の順すなはち⇒印が示す順序で軸が９０
度づつ回転するに伴い作動状態が変化していることを示
している。このモデル図のように，ポンプ部は可動渦巻
き要素１と固定渦巻き要素２の２点で基本的に構成され
ている。（ａ）の図に示すように，可動渦巻き要素１に
は渦巻き状突起１ａがあり，固定渦巻き要素２は渦巻き
状溝２ａがある。固定渦巻き要素２のほぼ中央部には溝
加工の残りとして球根状突起２ｂが形成されている。そ
れら渦巻き状の突起と溝が互いに向かい合わせで組み合
わされポンプ部が形成される。固定渦巻き要素２は船体
に固定されて動かないが，可動渦巻き要素１はほば一定
の偏心量で自転のない旋回運動をする。可動渦巻き要素
１の渦巻き状突起１ａの厚さは，巻き始めと終わりを除
きほぼ均一に形成されている。固定渦巻き要素２の渦巻
き状溝２ａの幅も同様に均一である。これら渦巻き状突
起１ａの壁面形状及び渦巻き状溝２ａの壁面形状はイン
ボリュート曲線または円弧で形成されている。渦巻き状
溝２ａの溝幅は可動渦巻き要素１の公転直径と渦巻き状
突起１ａの厚さを加えた値にほぼ等しくなる。渦巻き状
突起１ａはおよそ１巻きで，渦巻き状溝２ａは１巻き強
となる。それら渦巻き状の突起と溝の互いの高さはほぼ
等しく形成されている。ポンプ内への水の取り入れは固
定渦巻き要素渦巻き状溝２ａの外側終端部に設けられた
吸入口２ｃから行い，ほぼ中央にある球根状突起２ｂに
設けられた円筒状の吐出口２ｄから外部へと噴出され
る。（ａ）の状態は可動渦巻き要素１の渦巻き状突起１
ａ巻き終り端外側壁面と固定渦巻き要素２の渦巻き状溝
２ａ外壁間の接点Ｍ，それより半周内側に入った渦巻き
状突起１ａ中央近傍内側壁面と固定渦巻き要素２の渦巻
き状溝２ａ内壁間の接点Ｌそしてさらに半周内側に入っ
た渦巻き状突起１ａ巻き始め端内側壁面と渦巻き状溝２
ａ外壁間の接点Ｋが共に接触ないしは隙間が最小となっ
ている状態を示している。この場合，渦巻き状溝２ａ内
が水で満たされるポンプ部空間は渦巻き状突起１ａによ
り３分割されている。渦巻き状突起１ａの内側で渦巻き
状溝２ａ外周側に形成されたポンプ部空間Ｒには渦巻き
状溝２ａの外側終端部に設けられた吸入口２ｃから水か
流入する。一方，渦巻き状突起１ａの外側で渦巻き状溝
２ａ外壁側に形成されたポンプ部空間Ｑは水が取り込ま
れて密封状態にある。最内部に形成されているポンプ部
空間Ｐは，固定渦巻き要素２ほぼ中央で球根状突起２ｂ
に設けられた円筒状の吐出口２ｄに連通している。この
（ａ）の状態から軸が右回りに９０度回転して可動渦巻
き要素１が９０度右回りに旋回した状態図を（ａ）の右
側に配置した（ｂ）に示す。軸の回転に対して，可動渦
巻き要素１は前の述べたように自転のない偏心量一定の
旋回運動をする。（ｂ）の場合，（ａ）における接点Ｍ
は渦巻き状溝２ａの外壁に沿ってほぼ９０度内側に移動
し，接点Ｌも渦巻き状溝２ａの内壁に沿って９０度内側
に移動している。但し，接点Ｋは渦巻き状突起１ａ巻き
始め端が渦巻き状溝２ａ壁面から離れて消えている。こ
のような接点の移動に伴いポンプ部空間Ｐは容積を小さ
くしなからさらに中に移動して水を吐出口２ｄに流入さ
せ，ポンプ部空間Ｑは密封状態から容積を小さくしなが
ら内部空間Ｐと連通して吐出口２ｄに水を送り込んでい
る。ポンプ部空間Ｒは容積を大きくしながら中に移動す
ることにより，吸入口２ｃからさらに水を取り入れてい
る。そして渦巻き状突起１ａ巻き終り側では渦巻き状溝
２ａ外壁との間で新たなポンプ部空間Ｓが形成されつつ
あり，この空間へも吸入口２ｃから水が流入している。
（ｂ）からさらに軸が９０度回転すると（ｂ）の下の状
態図（ｃ）になる（ｃ）の場合，接点Ｍは渦巻き状の壁
に沿ってさらに９０度内側に移動し，接点Ｌも渦巻き状
溝２ａ壁面に沿って中に移動して渦巻き状突起１ａ巻き
始め端に達している。そして，渦巻き状突起１ａ巻き終
り端では溝内壁との間で新に接点Ｎが生じている。この
ような接点の変化により，ポンプ部空間Ｐは消滅し，こ
れに入れ替わってポンプ部空間Ｑが容積を滅少させなが
ら吐出口２ｄに水を送り込む主たる役目を担っている。
一方，ポンプ部空間Ｒは接点ＬとＭに閉じ込められて密
封状態になっている。溝の外側に新たに形成されたポン
プ部空間Ｓは容積を増大させつつ水を取り込んでいる。
（ｃ）からさらに軸が９０度回転すると（ｃ）の左の状
態図（ｄ）になる。（ｄ）の場合，接点Ｌは渦巻き状突
起１ａが渦巻き状溝２ａ壁面から離れることにより消え
ている。接点Ｍは９０度さらに内側に移動し，接点Ｎも
９０度内側に移動して渦巻き状溝２ａのそれぞれ外壁，
内壁に接している。このような接点の変化により，ポン
プ部空間Ｑの容積は大きく縮小し，ポンプ部空間Ｒは密
封状態から容積を小さくしながら内部空間へ連通して吐
出口２ｄへ水を送り込んでいる。そして，ポンプ部空間
Ｓは容積を増大させながら吸入口２ｃから水を取り込ん
でいる。（ｃ）からさらに軸が９０度回転すると，再び
（ａ）の状態に戻り，同じサイクルを繰り返すことにな
る。このようにして，吸入口２ｃから水を連続してポン
プ内に取り込み，吐出口２ｄから水を連続的に流出させ
ることになる。この流出のエネルギーを利用して船を推
進させる。次に図３を用いて渦巻き状突起１ａと渦巻き
状溝２ａの平面形状について説明する。これらはいずれ
もインボリュート曲線で形成されており，図３に示すよ
うに基礎円半径をρ，巻き角度をλと置くと，基礎円と
Ｘ軸が交わる点Ｅより始まる外側のインボリュート曲線
上の座標（Ｘｏ，Ｙｏ）は次式で表される。 Ｘｏ＝ρ（ｃｏｓλ＋λｓｉｎλ） Ｙｏ＝ρ（ｓｉｎλ−λｃｏｓλ） 突起の厚さをＴとすると，そのインボリュート曲線の開
始点Ｆは点Ｅより巻き角にしてＴ／ρラジアンより進ん
だ位置にくる。その内側のインボリュート曲線の座標
（Ｘｉ，Ｙｉ）は次式で表される。 Ｘｉ：ρ（ｃｏｓλ＋（λ−Ｔ／ρ）ｓｉｎλ） Ｙｉ＝ρ（ｓｉｎλ−（λ−Ｔ／ρ）ｃｏｓλ） 図２の可動渦巻き要素の渦巻き状突起１ａの場合，巻き
角λは約６ラジアンから１２ラジアン前後までの曲線に
なっている。固定渦巻き要素の渦巻き状溝２ａはこの突
起形状の旋回運動に対する包絡線として求められる。図
２の動作原理を用いた本発明の渦巻き式水ジェット推進
装置３を船尾に装着した実施例を横から見た外観図を図
４に，後ろ正面から見た外観図を図５に示す。外観的に
は，水ジェット推進装置３は固定渦巻き要素２，ハウジ
ング４，方向舵５及び導入管６から構成され船尾に固定
されたハウジング台座７にボルト固定されている。この
推進装置には駆動軸８や継ぎ手を介して接続されたエン
ジンないしは電動機などの駆動源９から動力が伝達され
てる。推進装置が駆動されると導入管６からポンプ部に
水が取り込まれえ定渦巻き要素２に設けられたノズル２
ｅから噴出して船を推進する。船の進路を変更する手段
としてノズル２ｅ内に方向舵５が設けられている。尚，
導入管６内には金網や格子状の板などで構成された異物
進入防止構造が設けられる場合もある。次に水ジェット
推進装置３の内部構造について説明する。図５のＡ−Ａ
断面詳細図を第６図に示す。本発明の推進装置３は円板
上に渦巻き状突起１ａを一体成形した可動渦巻き要素
１，段付き厚肉円板に渦巻き状溝２ａを堀込むとともに
その渦巻き状溝２ａに連通する吸入口２ｃや吐出口２ｄ
を設けた固定渦巻き要素２，駆動源から動力を伝達して
可動渦巻き要素１を駆動する駆動軸８，固定渦巻き要素
２を固定する座面を有して可動渦巻き要素１や駆動軸８
を内側に抱え込んで支えるハウジング４さらには固定渦
巻き要素の吐出口２ｄの出口側にあるノズル２ｅの出口
に設けられた方向舵５などから概略構成されている。こ
れらを一体とした水ジェット推進装置３は船尾に固定さ
れたハウジング台座７にボルト固定されている。可動渦
巻き要素１の円板は固定渦巻き要素２とハウジング４内
側との間に微小隙間を設けて挟み込まれいる。可動渦巻
き要素１とハウジング４との間にはスラストシール機構
１５が設けられているので，駆動軸８側に水が流入する
ことはない。駆動軸８はハウジング４に設けた主軸受１
０で支えられている。図６のＡ−Ａ断面図を図７に示
す。固定渦巻き要素の渦巻き状溝２ａの巻き角度はおよ
そ２．３πで，巻き終わり側の壁面には固定渦巻き要素
２に固定された導入管６内の通路６ａに連通する吸入口
２ｃが開口し，巻き始め側の壁面には固定渦巻き要素２
のほぼ中央にある球根状突起２ｂに開けられた吐出口２
ｄに連通している。そして，その渦巻き状溝２ａ内には
巻き角度２π前後の可動渦巻き要素の渦巻き状突起１ａ
が収まっている。可動渦巻き要素１の自転を防止して固
定渦巻き要素２に対して旋回運動をさせるには自転防止
機構が必要となる。その構成を図６のＢ−Ｂ断面図であ
る図８に示す。その詳細な説明は後述するので，ここで
は簡単に触れる。自転防止機構１２は可動渦巻き要素の
端板１ｂとハウジング４固定座面４ａとの間に均等に８
ケ所設けられ，スプリング１３とそのスプリング１３の
端部を固定ないしは挿入する２つのピースから構成され
ている。固定座面４ａと端板１ｂとの間はスプリング１
３で弾性的に接合されている。スプリング１３の撓み量
は旋回運動する可動渦巻き要素１の位置により変化す
る。図６のＣ−Ｃ断面図を図９に示す。主軸受９に支え
られた駆動軸端部８ａの外側にはリング状のスラストシ
ール機構１５が設けられ，その内部には偏心量可変機構
１４が設けられている。この偏心量可変機構１４により
可動渦巻き要素１が駆動される。具体的な構成は後述す
る。図１０は固定渦巻き要素２と渦巻き状溝２ａ底部に
装着されたＦスラスト板１６及びその板の裏と渦巻き溝
底部との間に設けた複数のＦバネ１７の外観図である。
Ｆスラスト板１６は渦巻き状溝２ａに微小隙間を設けて
移動可能にして嵌め込まれ，その裏から複数のＦバネ１
７で押されている。図１１は可動渦巻き要素１と渦巻き
状突起１ａの挿入用の穴を設けて端板１ｂ上に装着する
Ｍスラスト板１８及びその板の裏と端板１ｂとの間に設
けた複数のＭバネ１９の外観図である。Ｍスラスト板１
８は渦巻き状突起１ａに微小隙間を設けて移動可能にし
て嵌め込まれ，その裏から複数のＭバネ１９で押されて
いる。渦巻き状突起１ａと反対側の端板１ｂに円柱状の
可動軸１ｃが一体固定されている。図１２には駆動軸端
部８ａに設けた偏心量可変機構１４の展開図を示す。偏
心量可変機構１４は偏心スライダー２０，押え２１及び
ボルト２２を駆動軸端部８ａ内に設けた偏心穴８ｂ，押
え穴８ｃ，ネジ穴８ｄにそれぞれ収めて構成される。角
柱状の偏心スライダー２０は微小隙間を設けて駆動軸受
端部の偏心穴８ｂに挿入され，押え穴８ｃと２０ｂに嵌
め込むようにして上から押え２１を置きさらにその上か
らボルト２２で押え２１を駆動軸端部８ｂ側に固定し
て，偏心スライダー２０が偏心穴８ｂから抜け出ないよ
うにしている。偏心スライダー２０と偏心穴８ｂとの側
壁間の隙間は矩形状の辺の短い側がミクロンオーダーと
小さく，辺の長い側すなはち押え穴２０ｂのある長手方
向はミリオーダーと大きく，その隙間内での移動を可能
にしている。偏心スライダー２０には駆動軸８に対し軸
心が並行で偏心している可動軸受２０ａが円筒状に貫通
して設けられている。この可動軸受２０ａに可動渦巻き
要素の可動軸１ｃが挿入されて駆動される。よって，こ
の駆動軸８軸心に対する可動軸受２０ａ軸心の偏心量が
可動渦巻き要素１の旋回半径となる。図１３は図６に示
したスラストシール機構１５の断面拡大図である。スラ
ストシール機構１５はリング径の異なる２本のＯリング
２４，２５とリング状の平板であるＳスラスト板２３を
ハウジング４に設けた段付リング溝４ｂに収納して構成
されている。Ｓスラスト板２３の外観図を図１４に示
す。Ｓスラスト板２３の裏側からＯリング２４，２５の
弾性力を利用して可動渦巻き要素の端板１ｂ裏面側に押
し付けてＳスラスト板の内径側空間と外径側空間とを仕
切ることによりシール機能を持たせている。図８で概略
説明した自転防止機構１２について，図１５から図１８
までを用いてさらに詳しく説明する。図１５は１セット
の自転防止機構１２の断面図を駆動軸の回転角により異
なる作動状態を９０度ピッチで（ａ）から（ｄ）の４枚
に表した図である。（ａ）から軸が９０度回転すると
（ｂ）の状態になる。さらに９０度回転すると（ｃ）に
なり，さらに（ｄ）になる。自転防止機構１２は可動渦
巻き要素の端板１ｂの外周に開けた取り付け穴１ｄにス
プリング座２６を挿入し，それに対面したハウジング４
固定座面４ａ内側壁面に設けた円弧溝４ｄに揺動ブッシ
ュ２７を回転自由にして挿入し，そのスプリング座２６
と揺動ブッシュ２７間をスプリング１３を用い弾性的に
結合して構成される。その自転防止機構１２を前記可動
渦巻き要素とハウジングとの間に円周上等間隔に複数設
ける。しかし，スプリング座２６は無くても取り付け穴
１ｄがあれば機能は達成する。スプリング座２６の外観
図を図１６に示す。その形状は段付き円筒であり，細径
側の端部はＲ形状にしてスプリング１３のこじりを無く
している。揺動ブッシュ２７の平面図を図１７に，図１
７のＡ−Ａ断面図を図１８示す。円筒の側面の一部を軸
心に並行に切り欠き，その切り欠いた面上にスプリング
１３を固定するネジ穴を設けている。スプリング１３の
一端は揺動ブッシュ２７に設けたネジ穴にネジ込まれ，
他端はスプリング座２６に挿入されている。（ａ）は可
動渦巻き要素の端板１ａがハウジングの固定座面４ａに
最も近接した状態を示し，（ｃ）が最も離れた状態を示
している。（ａ）ではスプリング１３が最も圧縮され，
そのバネ力で可動渦巻き要素１を押すが，可動渦巻き要
素１の回転に伴う遠心力が作用する逆方向に作用してお
り，前記バネ力で遠心力は軽減される。（ａ）の位置に
近いその他の自転防止機構で生じる圧縮バネ力も遠心力
を軽減することになる。（ｂ）と（ｄ）の場合はスプリ
ング１３が横に変位しており，真直になろうとする横方
向のバネ力が生じるが，このバネ力で可動渦巻き要素１
の自転が防止される。図１９は可動渦巻き要素１外側の
部分断面図である。渦巻き状突起１ｂの肉厚は先端側が
薄く，端板１ａ側である固定端側か厚くなっている。こ
れは，図１２で示した偏心量可変機構１４により可動渦
巻き要素１が遠心力で外側に移動した時，渦巻き状突起
１ｂ固定端側の側壁を固定渦巻き要素渦巻き状溝２ａの
側壁に当てるようにして，強度を確保して破損を防止す
る目的から段付きにしている。この目的を達成するには
渦巻き状突起の断面を先細のテーパないしは多段にして
も良い。本発明の渦巻き式水ジェット推進装置のポンプ
部は容積式であり，ポンプ内液封状態からさらに軸を回
転させると液圧縮により過大な圧力が生じて推進装置が
破損する。このような液圧縮を防止する目的から本発明
では図２０に示すようなポンプ内の液の逃がし弁機構２
８が可動渦巻き要素渦巻き状突起１ａの巻き始め部に設
けられている。逃がし弁機構２８は渦巻き状突起１ａの
巻き始め上部を削除した部分に設置された削除部と同じ
形状のプレート弁２９，そのプレート弁２９とその下部
にある渦巻き状突起との間を連結させる回転ピン３０そ
れにプレート弁２９と端板１ｂとの間を弾性的につなぐ
復元用バネ３１から構成されている。プレート弁２９は
回転ピン３０中心の回転が可能である。図２１は逃がし
弁機構２８の動作状態を表した４枚のポンプ部の断面図
である。図中に示した大きな２つの矢印は駆動軸の回転
に伴うポンプ部の作動により可動渦巻き要素１が旋回し
て（ａ）から（ｂ）に，または（ｃ）から（ｄ）へと作
動状態か変化したことを示している。（ａ）の空間Ｑは
密封状態にあり，プレート弁２９の先端は内側から渦巻
き溝２ａの外壁に押し付けられた状態になっている。こ
れより可動渦巻き要素１が僅か旋回した（ｂ）では空間
Ｑの容積が滅少して水が圧縮されて圧力が上昇して空間
Ｐ内の圧力以上に高まるとその差圧に押されてプレート
弁２９が空間Ｐ側に押し開けられるので，空間Ｑ内の水
は押し出されて圧力の異常上昇は無くなる。一方（ｃ）
では空間Ｒが密封状態にあり，プレート弁２９は球根状
突起２ｂ側に押し付けられ，可動渦巻き要素１が僅か旋
回した（ｄ）では空間Ｒの容積の滅少に伴う圧力上昇に
よりプレート弁２９が押し開けられて，中の水が押し出
されて圧力の異常上昇は無くなる。図２２は固定渦巻き
要素のノズル２ｅ部に設けた進路変更装置３２の拡大断
面図である。進路変更装置３２はノズル２ｅ出口に設け
た矩形状の方向舵５，この方向舵５を縦に貫通している
２本の舵棒１１ａ，１１ｂさらにはこれら舵棒に連結さ
れている舵取り機構１１から構成されている。方向舵５
の断面は図２２のＡ−Ａ断面である図２３に示すよう
に，ノズル２ｅ内側は細くして水の抵抗を滅らしてい
る。方向舵５は舵棒１１ａ中心の回転を可能にして取り
付けられ，その回転角は舵取り機構１１に連動する舵棒
１１ｂで制御される。図２４は図２２を上から見た平面
図である。舵取り機構１１はギヤ付き板などで構成され
ている。そして，方向舵５は舵棒１１ａ中心の回転を可
能にして取り付けられ，その回転角は舵取り機構１１に
連動する舵棒１１ｂで制御される。方向舵を回転させる
とノズル内の噴流が方向舵に衝突して噴流の方向が変わ
るに伴い船の進路も変わることになる。以上の如く構成
された渦巻き式水ジェット推進装置の働きについて以下
まとめて説明する。エンジン又は電動機を動力源として
推進装置を作動させると，駆動軸端部８ａ内の偏心スラ
イダー２０が一体に回転し，その偏心スライダー２０に
挿入された可動軸受１ｃと其に一体固定された可動渦巻
き要素１が，自転防止機構１２の働きにより自転のない
公転のみの旋回運動をする。その旋回半径は駆動軸の軸
心に対する可動軸受の軸心の偏心量として与えられる。
可動渦巻き要素の旋回運動に伴い，その渦巻き状突起１
ａと固定渦巻き要素の渦巻き状溝２ａとで形成された幾
つかのポンプ部空間がその容積を変化させながら外側か
ら中心へ向けて移動する。そのポンプ部容槓の変化に応
じて吸入口２ｃから水かポンプ部空間内に流入し，ポン
プ部空間の中心への移動に伴い水も移動し固定渦巻き要
素の吐出口に流入しノズル２ｅから船外に噴出する。そ
の反動で船が推進される。ノズルの出口を水面上に開口
させれば抵抗が滅ってその力はより高まる。また，導入
管６入口には網状または格子状のカバーが設けられてお
り，液体以外の物体がポンプ内に進入するのを防止して
いる。ポンプ部空間の密封性は，可動と固定渦巻き要素
それぞれに設けたＭスラスト板１８とＦスラスト板１６
で互いのスラスト面からの漏れを防止し，偏心量可変機
構１４と可動渦巻き要素の遠心力を利用して渦巻き状突
起の側壁を固定渦巻き要素側に押し付けて側壁間の漏れ
を防止して密封性を高め，高効率を達成している。一方
ポンプ部空間は密封状態から軸が回転してその空間の一
部が吐出口側に開口しても，その開口面積は小さくその
ままでは液圧縮を起こして圧力の異常上昇をまねくが，
逃がし弁機構２８により圧力が異常上昇することなくス
ムーズに吐出口側に流出される。さらには，偏心量可変
機構により可動渦巻き要素の渦巻き状突起が固定渦巻き
要素渦巻き状溝の側壁に押し付けられるが，渦巻き状突
起の方は固定端近傍でありモーメントが少なくその発生
応力も低い。推進装置は水面下にあり，ポンプ内は水で
満たされている。しかし，可動渦巻き要素端板１ｂの背
面にスラストシール機構１５が設けられており，停止時
や運転中においても水が駆動軸８側の船体内に侵入する
ことはない。さらに，駆動軸８を支持する主軸受１０や
可動軸受１ｃ及びその周辺が水に浸されてサビや腐食等
により軸受が損傷する心配はなくて信頼性が高い。船の
進路を変更する場合は，固定渦巻き要素ノズル２ｅ部に
設けた方向舵５を舵取り機構１１で作動させ，ノズルか
らの噴流の向きを直接変え，効果的に進路を変える。船
を後進又は停止させる場合は，駆動軸を逆転させる。す
るとノズルから吐出口を経て水がポンプ内に流入し前向
きに開口した吸入口から水が噴出するので後進または制
動される。吸込口から流入した水は固定及び可動渦巻き
要素で形成されるポンプ部密閉空間に一瞬閉じ込まれて
後吐出口側に圧送され，その圧力エネルギーが運動エネ
ルギーに変換されてジェット噴流となるので，ポンプ内
の圧力は周囲より高くなる。その圧力に伴う流体力や回
転に伴う可動渦巻き要素の遠心力及び水の慣性力などが
可動渦巻き要素に作用する。それらの力関係を図２５に
示す。図２５には水の慣性力は表示されてないが，その
方向は可動渦巻き要素１の遠心力の方向に近似できるの
で遠心力で代表させる。水圧に伴う流体力の方向は三次
元的に作用するので，Ｆｒ，Ｆｔ，Ｆａの３方向に分解
して示している。Ｆｒは駆動軸８軸心に対して可動軸受
の偏心方向に直角でその偏心量の１／２の位置に作用す
る力を示し，軸トルクの主要な要因となる。Ｆｔはその
偏心方向であるが値はＦｒより小さい。Ｆａは軸心方向
に作用する力で，可動渦巻き要素１を固定渦巻き要素２
から離反させスラストシール機構１５側に押し付ける力
となる。しかし，この力はハウジング４に設けられたＳ
スラスト板により受け止められるので，駆動軸８には摩
擦トルクとして作用するが直接スラスト力として作用す
ることはない。Ｆｃは可動渦巻き要素１の遠心力を示
す。Ｆｃの大きさは可動渦巻き要素の質量と旋回半径の
積に比例し，駆動軸８の回転数の２乗に比例する。その
方向は可動軸受の偏心方向でＦｔの反対方向，Ｆｒの直
角方向に作用する。そしてＦｃは，図２５には図示して
ないが，図１５で示した自転防止機構のバネの圧縮力と
図１２で示した偏心量可変機構により渦巻き突起が渦巻
き溝側壁に押し付けて，その遠心力が支えられている。
従って，その遠心力は直接可動軸受に作用しない構造に
なっているので，軸受が焼き付いて破損するなどの心配
はなく，高速運転を可能にしている。

【０００７】第２例 図２０に替わる逃がし弁機構のその他の発明を図２６と
図２７に示す。この逃がし弁機構は固定渦巻き要素３２
渦巻き溝３２ａ底部に，Ｆスラスト板３３を貫通し吐出
口３２ｂに連通する溝幅より若干小さなバイパス穴３４
を設け，その穴の中にＢスプリング３５に押された段付
き円筒状のディスク弁３６を装着している。このバイパ
ス穴３４と噴出口は横穴３７で連通している。ディスク
弁３６のＦスラスト板３３側の径の大きさをＦスラスト
板に設けた穴３３ａより大きくすることにより，ディス
ク弁をＦスラスト板面で支える構造なっている。バイパ
ス穴３４が開口するポンプ部空間３８の圧力が吐出口内
の圧力より，若干高くなるとディスク弁３６が持ち上げ
られで，ポンプ内の水が吐出口側に流出するので，ポン
プ内の圧力が異常上昇する心配がなくなる。

【０００８】

【発明の効果】以上の如く構成された船舶の推進に用い
られる渦巻き式水ジェット推進装置は回転体などの可動
部がハウジングなどの容器内に収められて外部に露出し
ていない。従って，可動部が水中にある物体に接触して
推進装置が破損するとか，近くにいる人間などに危害を
加える心配がなく安全性が極めて高い。また推進装置内
に水を導入して噴出させるにはポンプ部に直結した比較
的小さな通路を設ければ良いので，小型軽量化が図れて
設置の自由度も高い。さらには，シール機構を有した容
積式ポンプ機構であることと可動渦巻き要素は旋回運動
であるためにその摺動速度はかなり小さいので，キャビ
テーションが発生することもなく高効率が達成できると
同時に静粛性が確保できる効果がある。またその軸トル
クは軸回転数にはあまり依存しないので，電動機の使用
を容易にして，エンジン使用時の排気ガスの発生をなく
して公害防止などの効果がある。船の進路はノズル内に
設けた方向舵で噴流の向きを直接変えて行うので，機動
性が高い。また，船を停止，逆進させる場合には軸を逆
転させて水をノズル側から吸い込み導入口から噴出させ
ることにより達成できるなど機動性が高まる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 軸回転数と軸トルク関係図

【図２】 水ジェット推進装置の原理図

【図３】 渦巻きの幾何学形状説明図

【図４】 水ジェット推進装置の船舶取り付け外観図

【図５】 図３の後ろ正面図

【図６】 水ジェット推進装置の縦断面詳細図

【図７】 図６のＡ−Ａ断面図

【図８】 図６のＢ−Ｂ断面図

【図９】 図６のＣ−Ｃ断面図

【図１０】 固定渦巻き要素の外観図

【図１１】 可動渦巻き要素の外観図

【図１２】 偏心量可変装置の分解図

【図１３】 スラストシール機構断面図

【図１４】 Ｓスラスト板外観図

【図１５】 自転防止機構の作動説明図

【図１６】 スプリング座外観図

【図１７】 揺動ブッシュ平面図

【図１８】 図１７のＡ−Ａ断面図

【図１９】 可動渦巻き要素の部分断面図

【図２０】 逃がし弁機構の外観図

【図２１】 逃がし弁機構の作動説明図

【図２２】 進路変更装置の断面詳細図

【図２３】 図２２のＡ−Ａ断面図

【図２４】 舵取り機構の平面図

【図２５】 可動渦巻き要素に作用する力関係図

【図２６】 その他発明の逃がし弁機構用バイパス穴取
り付け図

【図２７】 その他発明の逃がし弁機構断面詳細図

【符号の説明】

１は可動渦巻き要素 １ａは渦巻き状突起 １ｂは
端板 ２は固定渦巻き要素 ２ａは渦巻き状溝 ２ｂは球
根状突起 ２ｃは吸入口 ２ｄは吐出口 ２ｅはノズル３ は水ジェット推進装置 ４はハウジング ５は方
向舵 ６は導入管 ７はハウジング台座 ８は駆動軸
９は駆動源 １０は主軸受 １１は舵取り機構 １２は自転防止
機構 １３はスプリング １４は偏心量可変機構１５ はスラストシール機構 １６はＦスラスト板
１７はＦバネ １８はＭスラスト板 １９はＭバネ ２０は偏心ス
ライダー ２１は押え ２２はボルト ２３はＳスラスト板 ２４と２５はＯリング ２６はスプリング座 ２７
は揺動ブッシュ２８ は逃がし弁機構 ２９はプレート弁 ３０は回
転ピン ３１は復帰用バネ ３２は進路変更装置 ３３は固
定渦巻き要素 ３４はバイパス穴 ３５はＢスプリング ３６はデ
ィスク弁 ３７は横穴 ３８はポンプ部空間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水力を利用した船舶の推進装置において， （１） 厚板に渦巻き状溝のある固定渦巻き要素２と端
   板に渦巻き状突起のある可動渦巻き要素１を互いの渦巻
   き形状部を噛み合わせて形成する容積式ポンプ部３を設
   ける。 （２） 容積式ポンプ部３や可動渦巻き要素１の駆動糸
   などの可動部を固定渦巻き要素２とハウジング４で覆っ
   た密閉構造を設ける。 （３） 水の流路として，固定渦巻き要素２の渦巻き状
   溝に連通させて外側に吸入口，内側に吐出口とそれに連
   なるノズルを設ける。 （４） 可動渦巻き要素１端板の外周に開けた取り付け
   穴にスプリング座を挿入し，それに対面したハウジング
   内側壁面に設けた円弧溝に揺動ブッシュを回転自由にし
   て挿入し，そのスプリング座と揺動ブッシュ間をスプリ
   ングを用い弾性的に結合し構成した自転防止機構を，前
   記可動渦巻き要素とハウジングとの間に円周上等間隔に
   複数設ける。 （５） 可動渦巻き要素１端板の可動軸側で駆動軸端部
   より外側に，Ｓスラスト板とＯリングで構成されるスラ
   ストシール機構をハウジングのリング形状をした段付き
   溝内に設ける。 （６） 固定渦巻き要素２のノズル内に設けた方向舵と
   方向舵の回転角を操作する長細い舵棒やギヤ付き部材な
   どから構成された進路変更装置を設ける。 以上の如く構成されたことを特徴とする渦巻き式水ジェ
   ット推進装置。
2. 【請求項２】固定渦巻き要素２渦巻き状溝内にＦスラス
   ト板を，そして可動渦巻き要素１端板上に渦巻き状の穴
   を設けてＭスラスト板を嵌め込み，それぞれのスラスト
   板を裏から押す複数のバネで構成したポンプ部の密封機
   構を設けたことを特徴とする請求項１の渦巻き式水ジェ
   ット推進装置。
3. 【請求項３】可動渦巻き要素１の可動軸を挿入する可動
   軸受を設けた偏心スライダーとこの偏心スライダーの飛
   び出しを防止する押えとボルトを駆動軸端部内に収納し
   て構成した偏心量可変機構を設けたことを特徴とする請
   求項１の渦巻き式水ジェット推進装置。
4. 【請求項４】可動渦巻き要素１の渦巻き状突起内側巻き
   始めの一部を削除して設けた，削除部と同一形状のプレ
   ート弁とこの弁の動きを規制する回転ピンに復元用バネ
   で構成された逃がし弁機構を設けたことを特徴とする請
   求項１の渦巻き式水ジエット推進装置。
5. 【請求項５】固定渦巻き要素２渦巻き溝底部に設けたス
   ラスト板を貫通する孔と固定渦巻き要素２球根状突起内
   に設けた吐出口とを連通するバイパス孔を設け，そのバ
   イパス孔内に背後からスプリングでスラスト板面側に押
   し付けた段付き円筒状のディスク弁を装着して構成され
   た逃がし弁機構を設けたことを特徴とする請求項２の渦
   巻き式水ジェット推進装置。