JPH10250686A - 内部駆動型羽ばたき式推進器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 有害な振動や雑音の原因となるプロペラ起振
力及びキャビテーションの発生を、根本的に低減し、ま
た推進器自身のキャビテーションによる損傷を防止した
内部駆動型羽ばたき式推進器を提供する。 【解決手段】 水中航走体や十分な喫水を持つ水上船舶
を推進する羽ばたき式推進器であって、船体２の両側に
設けられた推進翼１は、湾曲機能を有する駆動ユニット
を連結した駆動腕３を弾性翼部４内に設け、該駆動腕３
で該弾性翼部４を羽ばたかせる。推進翼１は非常にゆっ
くりとした羽ばたき運動により、船体２を推進するた
め、羽ばたきの周波数が非常に低く、船体を振動させる
ような周波数をもつ変動力は発生せず、また対水速度も
プロペラに比べて、大幅に小さくなるので、キャビテー
ションの発生も大幅に抑制される。そのため、振動及び
騒音の非常に抑制された船舶用推進器となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中において船舶
や水中航走体を静粛にかつ効率よく推進する事を目的と
した、内部駆動型羽ばたき式推進器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】水中航走船舶の従来の推進器は回転式の
スクリュープロペラ（以下、プロペラと言う）が主流で
ある。これは作動原理が簡単で、構造も簡単であり、ま
た通常の動力源が回転機械であることから、簡単な軸系
を介して容易に取り付けることができ、また推進効率も
優れている。推進効率向上の観点から、プロペラは通
常、船尾端に取り付けられる。これは船体や舵等の付加
物によって遅くなった流れ、すなわち船体伴流の中でプ
ロペラを作動させることにより、推進器に投入する動力
を節約しつつ所要の推力を発生させて、推進動力の経済
性を高める意図である。しかしその反面、船体伴流中で
は流れが不均一なことと、回転によるプロペラ翼の高速
の動きにより、プロペラ翼には大きな変動力が発生す
る。この変動力の周波数は船体を振動させるに十分な周
波数となる。またその周波数は音波として感知されるに
十分なものになる。このようなことから、従来のプロペ
ラは、好ましからぬ船体の振動及び騒音の最大の要因と
なっている。

【０００３】また、プロペラの回転はプロペラ翼の外端
の対水速度を大きくし、そのためしばしばキャビテーシ
ョンを生ずる。キャビテーションはまた伴流分布の不均
一に伴って変動的に発生消長しこれがまた船体の振動や
騒音を倍加する。

【０００４】以上のように従来の回転式プロペラは振動
及び騒音の観点からは優れた推進器とは言えないもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、水中を航走する
潜水艦等の船舶は船尾端にスクリュープロペラを持ち、
これを回転して推進しているが、プロペラが回転運動に
より作動しているために回転速度に一致した周波数の振
動力が発生する。また、プロペラの作動位置は船体や舵
の影響を受けた不均一な伴流中にあるため、プロペラの
１回転の間にプロペラ及びプロペラ軸に［翼数×伴流の
ピークの数］に相当する変動的な力が発生し、これが更
に強く船体振動を起こしたり音を発生する等して、船体
に有害な振動、雑音の発生をもたらしている。その結
果、水中音響機器を用いた作業が困難になる。

【０００６】また、従来のプロペラは回転運動による対
水速度が非常に大きくなるためプロペラ翼面上にキャビ
テーションが発生しやすい状況にある。キャビテーショ
ンの発生もまた船体の雑音発生の主要原因を成している
が、同時にプロペラの損傷をもたらす。

【０００７】本発明は、上記したような有害な振動や雑
音の原因となるプロペラ起振力及びキャビテーションの
発生を、根本的に低減し、また推進器自身のキャビテー
ションによる損傷を防止した内部駆動型羽ばたき式推進
器を提供することを目的とする。

【０００８】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のために、
下記の事項について考察した。

【００１０】プロペラ起振力の低減 プロペラの振動力の発生要因は、(1)比較的高速で回転
運動すること、(2)作動位置の流れが不均一であるこ
と、に帰着される。

【００１１】(1)の要因を除去するためには回転運動に
因らない推進方法をとる事が効果的な解決策となる。そ
のような推進方法として考えられるのが水中動物の遊泳
法を模擬した揺動翼による推進方法である。それにはエ
イやペンギンの推進法のように体の側面で推進翼を羽ば
たかせるか、鯨類や鯵等の魚のように尾部で推進翼を動
かす方法を採用するのが良いと考えられる。このうち
(2)の要因に対しては、推進器を尾部に持たないエイや
ペンギンの羽ばたき式の推進方法が効果的である。

【００１２】キャビテーションの低減 羽ばたき型推進器は船体側面に沿って大きな面積を持た
せることが容易なので、比較的ゆるやかな動作により推
進力を得ることができる。このため、翼面の対水速度は
従来のプロペラに比べて大幅に減少し、キャビテーショ
ンの発生は極めて少ない。また、キャビテーションの発
生の防止の観点からは翼面上の何点かの位置に圧力セン
サーを設け、その信号をモニターすることによりキャビ
テーション発生を事前に察知し翼の動きを緩和させるこ
とも有効な解決策になるが、そのような制御もこのよう
な緩やかに作動する推進翼では可能である。

【００１３】船舶等の推進器としての適性の確保 一般に、動物の推進法を模倣した推進器は、その作動に
より船体の揺れを誘起する。特に鯨や鯵等の推進法を真
似た物では揺動翼が船体重心から離れた位置にあり、推
進翼の揺動のたびに船体が縦揺れを起こすため乗り心地
が悪くなり、船舶用推進器としては適当でないと考えら
れる。一方、羽ばたき型推進器では船体重心近くにある
ため、このような船体動揺が少ない。そのため上記問題
点を解決する手段としては、このような羽ばたき運動を
するメカニズムによる推進器が有効である。

【００１４】駆動機構の内蔵 また、このメカニズムを実現するにおいては、推進翼を
駆動する機構が外部に出ていると、この機構が流れを乱
し、新たな振動や変動力を発生するので上記問題点の解
決にならなくなる。従って、駆動機構は羽ばたき推進翼
の内部に収納する必要がある。

【００１５】そこで、上記目的を達成するために、本発
明に係る内部駆動型羽ばたき式推進器は、潜水船等の水
中航走体や十分な喫水を持つ水上船舶を推進する場合に
おいて、湾曲機能を有する駆動ユニットを複数個連結し
てなる駆動腕を弾性翼部内に設け、該駆動腕で該弾性翼
部を羽ばたかせることを特徴としている。

【００１６】また、前記駆動ユニットは骨格ユニットと
該骨格ユニット間に設けられる線形アクチュエータとを
具備する構成としてもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内部駆動型羽
ばたき式推進器の実施の形態を図面に従って説明する。

【００１８】まず、内部駆動型羽ばたき式推進器の推力
発生原理について図４で説明する。羽ばたき式推進器
は、図４（ａ）全体図に示すように、潜水船等の水中航
走体や十分な喫水を持つ水上船舶の船体２の両側に取り
付けられた推進翼１からなる。この推進翼の各部（図中
のスパン方向の任意の横位置ｙ）での翼断面を上下に動
かす（翼基準高さに対する上下位置ｚの増減）と共に、
翼断面の船体進行方向を基準とした俯仰角ψを刻々変化
させる。その結果、図４（ｂ）ｙの位置における推進力
の図のように翼の各部断面は船体の速度と翼の運動の合
成された流れを流入角αで受け、翼の各部分に揚力等の
流体力が働く。特に、翼の上昇時には、この合成された
流れが上面側から来るように俯仰角をつけ、また翼の下
降時には、合成された流れが下面側から来るように俯仰
角を付けるようにすると、この流体力は前進方向成分を
持ち、これが推進力となる。この翼の動きは正弦関数的
に周期的に与えられるので、この推進力も周期的に増減
するが、各部における翼断面の中心の上下位置ｚの運動
と流入角αの動きの位相差を適切な値（約π／２ラジア
ン）にすることにより、推進力を常に前向きに発生させ
る事ができる。従って、羽ばたき式推進器全体としては
前向きに推進力を発生することができ、船体を推進させ
ることができる。

【００１９】図１は内部駆動型羽ばたき式推進器の全体
構成を、図２は駆動腕の断面を、図３は駆動腕の構成単
位である駆動ユニットをそれぞれ示している。

【００２０】これらの図に示すように、内部駆動型羽ば
たき式推進器は、内部に複数条設けられた駆動腕３と、
それを包む弾性翼部４とを有する一対の推進翼１を船体
２の両側に具備するものである。各駆動腕３は推進翼１
のスパン方向（船体２の幅方向）に伸び、推進翼１の付
け根において船体２の構造部材に連結されている。駆動
腕３の断面構造は図２に示すように、多数の骨格ユニッ
ト５と動力により伸縮する線形アクチュエータ６の集合
体となっている。各骨格ユニット５は互いに、自由に回
転できる関節７によって連結されると同時に、上下２層
に配置された線形アクチュエータ６によっても相互に結
合されている。図３にこの骨格ユニット５とアクチュエ
ータ６による駆動ユニットを示す。すなわち駆動腕３は
このような駆動ユニットの連結された集合体として構成
される。骨格ユニット５及び線形アクチュエータ６の寸
法は、駆動腕３の太さやそのスパン方向の位置によって
大小さまざまなものとなる。

【００２１】図３において、多数のアクチュエータ６が
それぞれ伸縮すると、上下に対に並んでいるアクチュエ
ータ６の伸縮量の差によって駆動腕は湾曲する。このた
め推進翼は上下に湾曲する自由な波動的運動を行うこと
ができる。

【００２２】各駆動腕３はそれぞれ前後の駆動腕と弾性
翼部４でつながっている。それゆえに、前後数条の駆動
腕が少しずつ異なった位相で波動的に揺動すると、推進
翼１は上下に湾曲し、同時に各部の翼断面はその前後の
駆動腕の上下位置の違いにより俯仰角を形成し、その俯
仰角はやはり正弦波的に変化することになる。この動き
を考慮に入れて、個々の線形アクチュエータを所定の動
きになるように正確に周期的に動かすと、推進翼は所定
の上下運動と翼のひねり運動を実現することができる。
その結果、図４で説明したような原理で推進力が発生
し、船体２が前進させられる。このアクチュエータは電
気的或いは電磁気的又は油圧等の圧力によって作動する
ものとし、その駆動エネルギーは翼内部に配置された動
力管によって、電気、又は油圧の形態で船体より供給さ
れる。また、各線形アクチュエータの動きは電線又は光
ファイバーにより船体の制御中枢から電気信号または光
信号によって制御される。

【００２３】図２及び図３に示すように、弾性翼部４の
表面は平滑な翼面を形成するために、弾性に富んだ丈夫
で滑らかな表皮膜８で覆われ、その内面は骨格ユニット
５と接合される。また、前後の駆動腕３の骨格ユニット
５は、図１に示すように互いに弾性に富んだ多数の肋骨
材９で結合され、各部で得られた推力を翼全体及び船体
に伝える役割を持つ。この表皮膜８の内部の空間１０に
は油等の液体を充填し、その圧力は翼外面にかかる水圧
とほぼ同じ値に調節しておく。こうすることにより、深
海において推進翼が水圧に潰されるのを防ぐことがで
き、翼形状を常に健全な状態に保つ。

【００２４】

【実施例】図５乃至図７に本発明に係る内部駆動型羽ば
たき式推進器の潜水船に適用した場合の実施例を示す。
但し、図５は実施例の側面図、図６は平面図及び図７は
正面図である。この例においては翼中心の動きと俯仰角
の動きを次式のように制御して駆動する。

【００２５】 上下の運動； ｚ＝（１／２）ｚ_omax{１−cos(２πｙ／ｓ)}sinωｔ 俯仰角運動； ψ＝ tan^-1{(ｖ／Ｕ)cosωｔ}＋α （ラジアン） 流入角変化； α＝（１／２）α_omax{１−cos(２πｙ／ｓ)}sin(ωｔ−θ) （ラジアン）

【００２６】ここに、ｙ、ｚは図４に示した位置座標
で、ｔは時間を示し、Ｕは船速、ωは推進翼の上下運動
の角周波数であり、ｖは翼断面の上下速度即ちｚの時間
微分値である。また、ｓは片側の推進器のスパンの２倍
の値、ｚ_omaxは推進翼の翼端の上下動の片振幅、α_omax
は翼端の流入角の片振幅であり、θはｚに対するαの位
相遅れを示す。

【００２７】具体的な例として推進翼の形状を楕円形と
し、各部の寸法を図５乃至図７中の数値（単位ｍ）の如
く設定するとともに、推進翼の制御の数値を以下の様に
設定した場合、図示のような船体に対して、毎秒約５ｍ
程度の船速で航走することが可能であると見込まれる。

【００２８】ｚ_omax＝２.２５ｍ、 α_omax＝０.１５７
１（ラジアン）、θ＝π／２（ラジアン）、ω＝０.６
（ラジアン／秒）

【００２９】翼の揺動の振動数は約０.１Ｈｚと非常に
ゆっくりとしたものになり、船体に振動を起こすような
周波数域の力は推進器には発生しないと見込まれ、また
キャビテーションも極めて発生しにくいと考えられる。

【００３０】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。

【００３１】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る内部
駆動型羽ばたき式推進器を用いた船舶は、従来のプロペ
ラにより推進する船舶に比べ、次の利点を持つ。

【００３２】(1) 推進器の発生する変動力が非常に低
周波数であり、推進器による船体の振動が極めて少な
い。

【００３３】(2) 推進翼は非常に緩やかに動くので、
キャビテーションの発生が極めて少ない。

【００３４】(3) 上記(1)、(2)により、推進器による
水中雑音が極めて少なくなり、水中音響機器を使用する
諸作業が容易に行える。

【００３５】(4) 船側に推進器を持つので、船尾に可
動物がなくなり、被曳航機器の曳航が船尾において安全
かつ容易に行える。

【００３６】(5) 骨格ユニットに線形アクチュエータ
を組み合わせてなる駆動ユニットを複数個連結した駆動
腕を弾性翼部内に設けることで、内部駆動により弾性翼
部を湾曲させて羽ばたき可能となる。

【００３７】なお、潜水船の場合、この推進器の翼を横
に広げたまま固定すると、船は水中グライダーとなり、
船体の浮力を減じて船体を下降させた場合、グライダー
の原理で下降に伴って無動力で長距離を航走する事が出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内部駆動型羽ばたき式推進器の実
施の形態の全体構成図である。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視部分断面図である。

【図３】実施の形態における駆動ユニットの断面図であ
る。

【図４】本発明に係る内部駆動型羽ばたき式推進器の作
動原理を示す説明図である。

【図５】本発明を潜水船に適用した場合の実施例の側面
図である。

【図６】同平面図である。

【図７】同正面図である。

【符号の説明】

１ 推進翼 ２ 船体 ３ 駆動腕 ４ 弾性翼部 ５ 骨格ユニット ６ 線形アクチュエータ ７ 関節 ８ 表皮膜 １０ 内部空間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 潜水船等の水中航走体や十分な喫水を持
   つ水上船舶を推進する羽ばたき式推進器であって、湾曲
   機能を有する駆動ユニットを複数個連結してなる駆動腕
   を弾性翼部内に設け、該駆動腕で該弾性翼部を羽ばたか
   せることを特徴とする内部駆動型羽ばたき式推進器。
2. 【請求項２】 前記駆動ユニットは骨格ユニットと該骨
   格ユニット間に設けられる線形アクチュエータとを具備
   する請求項１記載の内部駆動型羽ばたき式推進器。