JPWO2013014938A1 - 小型ダクト付きプロペラ及び船舶 - Google Patents

Abstract

本発明の小型ダクト付きプロペラは、船体１の船尾に取り付けるプロペラ１０と、プロペラ１０の前方に取り付けるダクト２０とを有し、ダクト２０の直径Ｄｄｉｎをプロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下とし、プロペラ１０のピッチＨを、プロペラの翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径Ｒ方向に減少する逓減ピッチとしたことを特徴とし、大型ダクトと中型ダクトとの両者の特徴を兼ね備えた省エネ装置として、プロペラ１０形状を工夫し、プロペラ１０の前方に近接して小型ダクト２０を配置することで、荷重度が増加する実海域において、キャビテーションを抑制した上で、効率を支配するプロペラ１０の半径Ｒ方向の負荷分布を小型ダクト２０との干渉を利用して最適化する。

Description

本発明は、船体の船尾に取り付けるプロペラと、プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラ、及び小型ダクト付きプロペラを備えた船舶に関する。

従来のプロペラ付近に設けるダクトには、プロペラを覆うタイプのプロペラよりも直径の大きい大型ダクトや、プロペラ直径よりやや小さく、プロペラ前方に配置した中型ダクトがある。
プロペラを覆うタイプの大型ダクトは、ダクトプロペラと呼ばれ、プロペラと一体で荷重度の高い場合に有効な推進器として扱われている。この理由は、プロペラとダクトとの干渉が大きく、この干渉を考慮した性能を推進器として扱う方が合理的だからである。
一方、プロペラ前方のプロペラ直径よりやや小さい中型ダクトは、省エネ装置として扱われ、推進器とは見なされていない。この理由は、ダクトとプロペラの干渉がそれほど大きくなく、むしろ船体とダクトの干渉が大きいからである。
したがって、中型ダクトの性能試験では、船体にダクトを装備したままで抵抗試験を実施する。これはダクトが船体の一部であるという認識に基づく。

大型ダクトは、プロペラとの干渉が大きいため、荷重度が増加する実海域において効率が上昇するが、プロペラとダクト間に発生するキャビテーションが問題となり、大型船においては、ほとんど採用されることがない。

中型ダクトについては、特許文献１から特許文献７に示す構成が既に提案されている。
特許文献１では、プロペラ直径よりも小さな直径のダクトが開示され、断面形状が内側に凸形状としたダクトが開示されている。
また、特許文献２では、プロペラ直径と同程度の直径のダクトで大型ダクトの概念にも近いものであり、横方向からみた形状が非軸対称形状のダクトであるが、ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、凸形状の突出度を、ダクトの上流側において大きくしたダクトが開示されている。
また、特許文献３では、側面視した形状が非軸対称形状のダクトであるが、ダクト後端部の直径がプロペラ直径の５０から８０％、ダクト後端面とプロペラ外周先端部との水平距離がプロペラ直径の１０から３０％とすることが開示されている。
また、特許文献４から特許文献７では、側面視した形状が非軸対称形状のダクトであるが、プロペラ直径よりも小さな直径のダクトが開示されている。
また、特許文献７では、プロペラの翼根部でのピッチをやや大きくし、中央部で減少させ、翼端部で再び増加させた推進装置が開示されている。

特開平９−１７５４８８号公報 実公昭５６−３２３９６号公報 実願平２−２０１８０号（実開平３−１７９９６号）の願書に添付した明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム（平成３年２月２１日特許庁発行） 特開２００８−１４３４８８号公報 特開２００７−３３１５４９号公報 特開２００２−２２００８９号公報 特開平１０−２６４８９０号公報

しかしながら、プロペラの前方に置かれた中型ダクトは、プロペラとの干渉が弱いため、波風によってプロペラの負荷が増加する実海域において先のダクトプロペラのような効果が、それほど期待できない。
また、各特許文献に開示された中型ダクトは、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布を小型のダクトとの干渉を利用して最適化するものではない。また、干渉の期待できる大型ダクトは、キャビテーションの問題があり、プロペラ径の大きい大型船には採用が困難である。
また、特許文献７は、プロペラの翼端部でのピッチを大きくしているため、プロペラの翼端部においてキャビテーションが増加してしまう。

そこで、本発明は、大型ダクトと中型ダクトとの両者の特徴を兼ね備えた省エネ装置として、プロペラ形状を工夫し、プロペラの前方に近接して小型のダクトを配置することで、荷重度が増加する実海域において、キャビテーションを抑制した上で、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布を小型のダクトとの干渉を利用して最適化することを目的とする。

請求項１記載に対応した小型ダクト付きプロペラにおいては、船体の船尾に取り付けるプロペラと、プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とし、プロペラのピッチを、プロペラの翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとしたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、ダクトを逓減ピッチのプロペラと組み合わせ、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とすることでキャビテーションを発生させずにダクトをプロペラに近づけることができ、プロペラのピッチを逓減ピッチとすることで、波風によってプロペラの荷重度が増加する実海域において、プロペラ中心部での吸い込み効果を高め、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布をダクトとの干渉を利用して最適化することができる。また、プロペラピッチを、プロペラの翼根部で最大値とし、翼端部で最小値とすることにより、プロペラ翼端部で発生するキャビテーションを抑制できる。また、請求項１に記載の本発明によれば、プロペラの直径の２０％以上５０％以下のダクトであるため、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができる。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ピッチの最大値を、ピッチの最小値に対して１２０％以上１６０％以下としたことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、プロペラ中心部での吸い込み効果を高めて最適な負荷分布とすることができる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの後端とプロペラの前縁との距離を、プロペラの直径の０．５％以上１０％未満と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、逓減ピッチのプロペラの吸い込み効果により剥離を生じることなくダクトをプロペラに近接させることができ、ダクトとプロペラとの干渉効果を高めることができる。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、凸形状の突出度を、ダクトの上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下と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、キャンバー比を６％以上１６％以下としても、プロペラ中心部での吸い込み効果により、剥離を生じさせることなく、分力として船体を前方に推進する揚力を増加させることができる。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトを、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとしたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、プロペラ中心部での吸い込み効果と、分力として船体を前方に推進する揚力とを更に高めることができる。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの中心をプロペラの軸心と一致させたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、非軸対称形のダクトやプロペラ軸とダクトの中心軸をずらしたり、傾斜角を持たせて設置するダクトと比較して、製作や設置が容易で安価に提供できる。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトが支柱を介して船体の船尾管又は船尾管を覆う船体端部に取り付けられたことを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、流れを前方の全面から取り込み、プロペラとの干渉を強めて効率向上を図れるとともに、ダクトの後付を容易に行うことができる。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの内面に、プロペラへの流れを対向流化する固定翼を有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、ダクトに流入した流れは固定翼によってプロペラに対向流として流入することにより、プロペラ効率の一層の向上が図れる。
請求項９記載の本発明は、請求項８に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、支柱が固定翼を兼ね、支柱がプロペラの回転方向と逆方向に捻られていることを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、支柱により回転流化することにより支柱が固定翼を兼ねることができ、構成が簡素化される。
請求項１０記載に対応した船舶においては、請求項１から請求項９のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラを装備したことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、荷重度が増加する実海域においてプロペラ効率の高い船舶を提供することができる。

本発明の小型ダクト付きプロペラによれば、ダクトを逓減ピッチのプロペラと組み合わせることによりダクトの小型化が図れ、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とすることでキャビテーションを発生させずにダクトをプロペラに近づけることができる。従って、プロペラのピッチを逓減ピッチとすることで、波風によってプロペラの荷重度が増加する実海域において、プロペラ中心部での吸い込み効果を高め、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布をダクトとの干渉を利用して最適化することができる。また、プロペラピッチをプロペラの翼根部で最大値とし翼端部で最小値とすることにより、プロペラ翼端部で発生するキャビテーションを抑制できる。
また、本発明の小型ダクト付きプロペラによれば、プロペラの直径の２０％以上５０％以下のダクトであるため、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができる。
また、ピッチの最大値を、ピッチの最小値に対して１２０％以上１６０％以下とした場合には、プロペラ中心部での吸い込み効果を高めて、最適な負荷分布とすることができる。
また、ダクトの後端とプロペラの前縁との距離を、プロペラの直径の０．５％以上１０％未満とした場合には、逓減ピッチのプロペラの吸い込み効果により剥離を生じることなくダクトをプロペラに近接させることができ、ダクトとプロペラとの干渉効果を高めることができる。
また、ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、凸形状の突出度を、ダクトの上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下とした場合には、キャンバー比を６％以上１６％以下としてもプロペラ中心部での吸い込み効果により、剥離を生じることなく、分力として船体を前方に推進する揚力を増加させることができる。
また、ダクトを、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとした場合には、プロペラ中心部での吸い込み効果と、分力として船体を前方に推進する揚力とを更に高めることができる。
また、ダクトの中心をプロペラの軸心と一致させた場合には、非軸対称形のダクトやプロペラ軸とダクトの中心軸をずらしたり、傾斜角を持たせて設置するダクトと比較して、製作や設置が容易で安価に提供できる。
また、ダクトが支柱を介して船体の船尾管又は船尾管を覆う船体端部に取り付けられた場合には、流れを前方の全面から取り込み、プロペラとの干渉を強めて効率向上を図れるとともに、ダクトの後付を容易に行うことができる。
また、ダクトの内面に、プロペラへの流れを対向流化する固定翼を有した場合には、ダクトに流入した流れは固定翼によってプロペラに対向流として流入することにより、プロペラ効率の一層の向上が図れる。
また、支柱が固定翼を兼ね、支柱がプロペラの回転方向と逆方向に捻られている場合には、支柱により回転流化することにより支柱が固定翼を兼ねることができ、構成が簡素化される。
本発明の船舶によれば、特に荷重度が増加する実海域においてプロペラ効率の高い船舶を提供することができる。

本発明の実施形態による小型ダクト付きプロペラを装備した船舶の概略構成図 同船舶に用いる小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面側面図及びＡ−Ａ断面図 同船舶に用いる他の小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面構成図 同逓減ピッチプロペラと通常プロペラのピッチ分布を示すグラフ 同逓減ピッチプロペラと通常プロペラの流速分布を示すグラフ 同小型ダクト付きプロペラにおけるダクトの後端とプロペラの前縁との距離による流速分布を示すグラフ 波浪中における船速低下を模擬した荷重度変更試験結果を示すグラフ 波浪中における船速低下を模擬した荷重度変更試験結果を示すグラフ

１ 船体
１ａ 船体端部
１０ プロペラ
１０ｂ 船尾管
１１ ボス
２０ ダクト
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 支柱（固定翼）
Ｄｐ プロペラの直径
Ｄｄｉｎ ダクトの前端の直径
Ｄｄｏｕｔ ダクトの後端の直径
Ｈ ピッチ
Ｌ ダクトの後端とプロペラの前縁との距離

以下に、本発明の実施形態による小型ダクト付きプロペラについて説明する。
図１は本発明の実施形態による小型ダクト付きプロペラを装備した船舶の概略構成図、図２（ａ）は同船舶に用いる小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面側面図、図２（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、図３は同船舶に用いる他の小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面構成図、図４は同逓減ピッチプロペラと通常プロペラのピッチ分布を示すグラフ、図５は同逓減ピッチプロペラと通常プロペラの流速分布を示すグラフ、図６は同小型ダクト付きプロペラにおけるダクトの後端とプロペラの前縁との距離による流速分布を示すグラフである。

図１に示すように、船舶は、船体１の船尾に取り付けるプロペラ１０と、プロペラ１０の前方に取り付けるダクト２０とを有している。

図２（ａ）に示すように、プロペラ１０は中心部にボス１１を有し、ダクト２０は、上流側となる前端２１の内直径よりも下流側となる後端２２の内直径が小さい加速型ダクトである。
ダクト２０は、その断面形状が内側に凸形状２３となっており、凸形状２３の突出度は、ダクト２０の上流側において大きくしている。最大キャンバー位置におけるキャンバー比は、６％以上１６％以下としている。一般にはキャンバー比が８％を越えるとダクト２０内で剥離を生じるが、本実施の形態で特定した小型のダクト２０をプロペラ１０の前方に近接させて設け、プロペラ１０のピッチを半径方向に減少する逓減ピッチとしているため、プロペラ１０中心部での吸い込み効果により８％を越えても剥離を生じることなく揚力を増加させることができる。このようにダクト２０を加速型ダクトとし、断面形状を内側に凸形状としてキャンバー比を高くすることにより、流れが加速でき、プロペラ１０との干渉を高めることができ,、分力として船体１を前方に推進する揚力も増すことができる。

プロペラ１０の直径をＤｐ、ダクト２０の前端２１の直径をＤｄｉｎ、ダクト２０の後端２２の直径をＤｄｏｕｔ、プロペラ１０の前縁とダクト２０の後端２２との距離をＬとすると、ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎをプロペラ１０の直径Ｄｐの５０％以下、ダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌをプロペラ１０の直径Ｄｐの１５％以下、更には１０％未満とすることが好ましい。ダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌは、可能な限り近接させることが好ましいが、ダクト２０とプロペラ１０との接触を避けるためには、プロペラ１０の直径Ｄｐの０．５％以上とすることが好ましい。

ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎ、及びダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔは、プロペラ１０の直径Ｄｐに対して２０％以上５０％以下とする。プロペラ１０の直径Ｄｐに対して２０％以上５０％以下の範囲において、ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎとダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔが等しい筒状であってもよい。ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎとダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔは、Ｄｄｉｎ＞Ｄｄｏｕｔとすることがより好ましい。また、ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎは、プロペラ１０の直径Ｄｐに対して３５％以上５０％以下、ダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔは、プロペラ１０の直径Ｄｐに対して２０％以上４０％未満とすることがより好ましい。
プロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下のダクト２０とすることで、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラ１０の効率を高めることができる。
また、ダクト２０の幅Ｗ（長さ）は、干渉効果を高め、また船尾部への当接や抵抗増加を避けるため、直径Ｄｐに対して２０%以上６０%以下であることが好ましい。特に、大型船を含めて広く一般の船舶に適用する上では、ダクト２０の幅Wは、直径Ｄｐに対して２５%以上５０%以下であることがより好ましい。

図２（ａ）に示すように、ダクト２０は軸対称形に形成され、プロペラ１０の駆動軸１０ａとダクト２０の中心軸を一致させて取り付けているため、非軸対称形のダクトやプロペラ軸とダクトの中心軸をずらしたり、傾斜角を持たせて設置するダクトと比較し、製作や設置が容易で安価に提供できるものとなっている。

図２（ｂ）に示すように、ダクト２０は支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄによって船尾管１０ｂを覆う船体端部１ａに取り付けられている。船尾管１０ｂはプロペラ１０の駆動軸１０ａ周りに設けられている。なお、船尾管１０ｂを露出している形式の船舶にあっては、ダクト２０は支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにより船尾管１０ｂに直接取り付けてもよい。また、船尾管10bを一部露出している船舶にあっては、ダクト２０は、支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにより、船尾管10bと船体端部1aの双方に取り付けてもよい。
ダクト２０を、支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを介して船体１の船尾管１０ｂ又は船尾管１０ｂを覆う船体端部１ａに取り付けることで、流れを前方の全面から取り込み、プロペラ１０との干渉を強めて効率向上を図れるとともに、ダクト２０の後付けを容易に行うことができる。これは既存船に後付でダクト20を取り付ける場合に利点が大きいが、新造船に取り付ける場合も、従来のように船体１の外板へ加工を要しないため利点を有している。

支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、ダクト２０の中心軸に対して放射状に配置し、特に支柱２０ａと支柱２０ｄとの間の角度を、支柱２０ｂと支柱２０ｃとの間の角度よりも小さくすることで、伴流分布を改善できる。
支柱は最低２本、最大５本とすることが好ましく、ダクト２０の外側に更に支柱を設けることも可能である。

また、ダクト２０の流路断面は、前端２１の直径Ｄｄｉｎより後端２２の直径Ｄｄｏｕｔが狭まるように構成している。ダクト２０の流路断面を、下流に向かって狭めることで伴流分布を改善できる。ダクト２０の下流側の流路断面を狭めるために、ダクト２０の内断面を小さくする他に、支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの断面積を下流側に向かって大きくしてもよい。伴流分布を改善することで、小型のダクト２０によるプロペラ効率をさらに向上できる。

図３に示すように、ダクト２０の内面に捻りを有した支柱２０ｅを設け、プロペラ１０への流れを対向流（カウンターフロー）化することもできる。この場合、その船体中心線に対する取り付け角度は、船体側θｓで５度から２５度、ダクト２０の内面側θｄで５度から１０度とすることが好ましい。ダクト２０に流入した流れは、上流側から下流側に向かって加速されるとともに、捻りを有した支柱２０ｅによりプロペラ１０の回転方向と逆向きに回転流化され、プロペラ１０に対向流として流入することにより、プロペラ効率の一層の向上が図れる。
なお、支柱２０ｅはダクト２０の外側に設け、ダクト２０の内面には流れを回転流化する固定翼を専用に設けてもよいが、支柱２０ｅにより回転流化することにより支柱２０ｅが固定翼を兼ねることができ、構成が簡素化される。

図４に同逓減ピッチプロペラと通常プロペラのピッチ分布を示す。
プロペラ１０は、ボス１１の半径をｒ１、翼根部を半径ｒ１から半径ｒ２とする。半径Ｒは１／２Ｄｐであり、Ｈはピッチである。翼根部は、プロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上４０％以下である。
本実施の形態によるプロペラ１０のピッチＨは、プロペラ１０の翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径Ｒ方向に減少する逓減ピッチとしている。図４に示す比較例は一定ピッチを示している。
本実施の形態によるプロペラ１０のピッチＨは、プロペラ１０の翼根部（ｒ１からｒ２）で最大値Ｈｍａｘとなり、最大値Ｈｍａｘを、ピッチＨの最小値Ｈｍｉｎに対して推進効率とキャビテーション発生抑制を考慮して１２０％以上１６０％以下としている。

図５は、図４に示す本実施の形態による逓減ピッチによるプロペラと、比較例としての通常プロペラとの流速分布を示している。
Ｖはプロペラ１０の流入側の流速、Ｖｘはプロペラ１０の流出側の流速で、Ｖ及びＶｘはいずれも軸方向の流速である。
図５に示すように、本実施の形態では比較例に対して、ｒ１／Ｒが０．２から０．６において流速分布が向上している。
すなわち図５では、プロペラ１０を逓減ピッチとすることにより、プロペラ１０の中心付近（翼根部）の流速分布が改善されるため、ダクト２０が直径Ｄｄｉｎの小さい小型のダクト２０であってもよいことを示唆している。ダクト２０を小型化できることにより、プロペラ１０の翼根部の流速を増加させ、翼根部におけるプロペラ１０のピッチの増加と相まって干渉を高めることができる。また、軽量で低コストでの製作が可能となり、表面積が小さいことから摩擦抵抗の低減にも繋がる。また、小型のダクト２０であることにより、相対的に速度の遅いプロペラ１０の翼根部の流速を高めるため、キャビテーションの発生を抑制でき、プロペラ１０の損傷や振動、騒音の発生が防止できる。さらに、プロペラ10のピッチが、翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる半径方向に減少する逓減ピッチであるため、
プロペラ１０の翼端部で発生するキャビテーションも抑制できる。

図６は、同小型ダクト付きプロペラにおけるダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌを変更した場合の流速分布を示している。
距離Ｌは、プロペラ１０の直径Ｄｐの１５％以下において、プロペラ１０とダクト２０との干渉が顕著に表れており、距離ＬをＤｐの１０％未満とすることで更にプロペラ１０の半径Ｒ方向の負荷分布に大きな影響を与えている。また、距離Ｌを長くしすぎると船体１に当接してしまう。距離ＬをＤｐの１０％未満とすることで、船体１に当接することを防止し、前方の全面から流れを取り込むことが困難になることを防止できる。

図７及び図８に波浪中における船速低下を模擬した荷重度変更試験結果を示す。
図７は、プロペラの前縁とダクトの後端との距離を変化させた場合とダクトを設けない場合の推進効率を示すグラフ、図８は、プロペラの前縁とダクトの後端との距離を変化させた場合の推力変化を示すグラフである。

本実験では、Ｌｐｐ（垂線間長さ）＝２２９m、Ｂ（船の幅）＝４２ｍ、Ｄ（船の深さ）＝１２．１９ｍのアフラマックスタンカーを試験対象船とし、Ｌｐｐ＝４．８６００m、Ｂ＝０．８９１４ｍ、Ｄ＝０．２５８７ｍのモデル船を用いた。
また、試験対象船のプロペラ１０は、Ｄｐ（プロペラ直径）＝７ｍ、Ｈ／Ｄ（０．７Ｒ）（ピッチ位置）＝０．６７、ＥＡＲ（展開面積比）＝０．４５、Ｒａｋｅ（翼傾斜）＝−２１６．７ｍｍ、Ｚ（翼数）＝４、Ｂｏｓｓ Ｒａｔｉｏ（ボス比）＝０．１５８６、Ｓｋｅｗ（翼の反り）＝２０ｄｅｇとし、Ｄｐ＝０．１４８５５９ｍ、Ｈ／Ｄ（０．７Ｒ）＝０．６７、ＥＡＲ＝０．４５、Ｒａｋｅ＝−4.6ｍｍ、Ｚ＝４、Ｂｏｓｓ Ｒａｔｉｏ＝０．１５８６、Ｓｋｅｗ＝２０ｄｅｇをモデルプロペラとして用いた。

ダクト２０は、Ｄｄｉｎ（前端２１の直径）がＤｐの４８％、Ｄｄｏｕｔ（後端２２の直径）がＤｐの４０％、ダクト２０の長さ（幅）ＷをＤｐの２４％、ダクト翼キャンバー比を８％とした。
本実験は、波浪中における船速低下を模擬するため、回転数一定のまま船速を低下させ、プロペラ荷重度を増加させた状態での自航試験を行った。

図７では、横軸を船速比、縦軸を推進効率とし、船速比を０．７５まで低下させた場合の推進効率を比較している。
実施例１としてプロペラ１０の前縁とダクト２０の後端２２との距離Ｌ＝Ｄｐ×６％、実施例２としてＬ＝Ｄｐ×３％、実施例３としてＬ＝Ｄｐ×１％を用い、ダクト２０を用いないものを比較例として示している。
実施例１から実施例３は、船速比０．７５から１までのいずれにおいても比較例よりも推進効率が上回っている。

図８では、横軸をプロペラ推力、縦軸をダクト抵抗（推力）とし、プロペラ推力を１．０５から１．３の間で変化させた場合の推力を比較している。
実施例２は実施例１よりも推力が増加し、実施例３は実施例２よりも推力が増加している。
図８に示すように、プロペラ１０の前縁とダクト２０の後端２２との距離Ｌは小さいほど推力が増加する。

本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、船体１の船尾に取り付けるプロペラ１０と、プロペラ１０の前方に取り付けるダクト２０とを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクト２０を逓減ピッチのプロペラ１０と組み合わせたことで、ダクト２０の小型化が可能となり、ダクト２０の直径Ｄｄｉｎをプロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下としキャビテーションを発生させずにダクト２０をプロペラ１０に近づけることができる。従って、プロペラ１０のピッチＨをプロペラ１０の翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとすることで、波風によってプロペラの荷重度が増加する実海域において、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を高め、効率を支配するプロペラ１０の半径Ｒ方向の負荷分布をダクト２０との干渉を利用して最適化することができる。また、プロペラ１０のピッチＨをプロペラ１０の翼根部で最大値とし翼端部で最小値とすることにより、プロペラ１０の翼端部で発生するキャビテーションを抑制できるため、推進効率の低下や騒音、振動の発生、またプロペラ１０の損傷を低減できる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、プロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下のダクト２０であるため、プロペラ１０の翼根部の流速を増加させ、翼根部におけるプロペラ１０のピッチの増加と相まって干渉を高めプロペラ１０の効率を高めることができる。また、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストのプロペラ１０を実現することができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ピッチＨの最大値Ｈｍａｘを、ピッチＨの最小値Ｈｍｉｎに対して１２０％以上１６０％以下としたことで、キャビテーションの発生を抑制した上で、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を高めて最適な負荷分布とし、推進効率を向上することができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌを、プロペラ１０の直径Ｄｐの０．５％以上１０％未満としたことで、ダクト前端２１が船尾部の船体１に触れることを防止しダクト２０の前方の全面から流れを取り込み、ダクト２０とプロペラ１０との干渉効果を高めることができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０を、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとしたことで流れが加速でき、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を更に高めることができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０の中心をプロペラ１０の軸心と一致させたことで、製作や設置が容易で安価に提供できる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０が支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを介して船体１の船尾管１０ｂ又は船尾管１０ｂを覆う船体端部１ａに取り付けられているため、流れを前方の全面から取り込み、プロペラ１０との干渉を強めて効率向上を図れるとともに、既存船を含めてダクト２０の後付を容易に行うことができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０の断面形状を内側に凸形状２３とし、凸形状２３の突出度を、ダクト２０の上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下としたことで平均速度の遅い上流側で流れが加速でき、抵抗増加を抑え、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を更に高めることができる。この場合、吸い込み効果によりキャンバー比を６％以上１６％以下と高くしても剥離を生じることなく、船体１を前方に推進する揚力を増加させることができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラを装備することで、荷重度が増加する実海域においてプロペラ効率の高い船舶を提供することができる。

本発明の小型ダクト付きプロペラによれば、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができ、大型船を含めて広く一般の船舶に適用できる。

本発明は、船体の船尾に取り付けるプロペラと、プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラ、及び小型ダクト付きプロペラを備えた船舶に関する。

従来のプロペラ付近に設けるダクトには、プロペラを覆うタイプのプロペラよりも直径の大きい大型ダクトや、プロペラ直径よりやや小さく、プロペラ前方に配置した中型ダクトがある。
プロペラを覆うタイプの大型ダクトは、ダクトプロペラと呼ばれ、プロペラと一体で荷重度の高い場合に有効な推進器として扱われている。この理由は、プロペラとダクトとの干渉が大きく、この干渉を考慮した性能を推進器として扱う方が合理的だからである。
一方、プロペラ前方のプロペラ直径よりやや小さい中型ダクトは、省エネ装置として扱われ、推進器とは見なされていない。この理由は、ダクトとプロペラの干渉がそれほど大きくなく、むしろ船体とダクトの干渉が大きいからである。
したがって、中型ダクトの性能試験では、船体にダクトを装備したままで抵抗試験を実施する。これはダクトが船体の一部であるという認識に基づく。

大型ダクトは、プロペラとの干渉が大きいため、荷重度が増加する実海域において効率が上昇するが、プロペラとダクト間に発生するキャビテーションが問題となり、大型船においては、ほとんど採用されることがない。

中型ダクトについては、特許文献１から特許文献７に示す構成が既に提案されている。
特許文献１では、プロペラ直径よりも小さな直径のダクトが開示され、断面形状が内側に凸形状としたダクトが開示されている。
また、特許文献２では、プロペラ直径と同程度の直径のダクトで大型ダクトの概念にも近いものであり、横方向からみた形状が非軸対称形状のダクトであるが、ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、凸形状の突出度を、ダクトの上流側において大きくしたダクトが開示されている。
また、特許文献３では、側面視した形状が非軸対称形状のダクトであるが、ダクト後端部の直径がプロペラ直径の５０から８０％、ダクト後端面とプロペラ外周先端部との水平距離がプロペラ直径の１０から３０％とすることが開示されている。
また、特許文献４から特許文献７では、側面視した形状が非軸対称形状のダクトであるが、プロペラ直径よりも小さな直径のダクトが開示されている。
また、特許文献７では、プロペラの翼根部でのピッチをやや大きくし、中央部で減少させ、翼端部で再び増加させた推進装置が開示されている。

特開平９−１７５４８８号公報 実公昭５６−３２３９６号公報 実願平２−２０１８０号（実開平３−１７９９６号）の願書に添付した明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム（平成３年２月２１日特許庁発行） 特開２００８−１４３４８８号公報 特開２００７−３３１５４９号公報 特開２００２−２２００８９号公報 特開平１０−２６４８９０号公報

しかしながら、プロペラの前方に置かれた中型ダクトは、プロペラとの干渉が弱いため、波風によってプロペラの負荷が増加する実海域において先のダクトプロペラのような効果が、それほど期待できない。
また、各特許文献に開示された中型ダクトは、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布を小型のダクトとの干渉を利用して最適化するものではない。また、干渉の期待できる大型ダクトは、キャビテーションの問題があり、プロペラ径の大きい大型船には採用が困難である。
また、特許文献７は、プロペラの翼端部でのピッチを大きくしているため、プロペラの翼端部においてキャビテーションが増加してしまう。

そこで、本発明は、大型ダクトと中型ダクトとの両者の特徴を兼ね備えた省エネ装置として、プロペラ形状を工夫し、プロペラの前方に近接して小型のダクトを配置することで、荷重度が増加する実海域において、キャビテーションを抑制した上で、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布を小型のダクトとの干渉を利用して最適化することを目的とする。

請求項１記載に対応した小型ダクト付きプロペラにおいては、船体の船尾に取り付けるプロペラと、プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とし、プロペラのピッチを、プロペラの翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとし、ピッチの前記最大値を、ピッチの最小値に対して１２０％以上１６０％以下としたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、ダクトを逓減ピッチのプロペラと組み合わせ、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とすることでキャビテーションを発生させずにダクトをプロペラに近づけることができ、プロペラのピッチを逓減ピッチとすることで、波風によってプロペラの荷重度が増加する実海域において、プロペラ中心部での吸い込み効果を高め、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布をダクトとの干渉を利用して最適化することができる。また、プロペラピッチを、プロペラの翼根部で最大値とし、翼端部で最小値とすることにより、プロペラ翼端部で発生するキャビテーションを抑制できる。また、請求項１に記載の本発明によれば、プロペラの直径の２０％以上５０％以下のダクトであるため、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができる。また、プロペラ中心部での吸い込み効果を高めて最適な負荷分布とすることができる。
請求項２記載に対応した小型ダクト付きプロペラにおいては、船体の船尾に取り付けるプロペラと、プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とし、プロペラのピッチを、プロペラの翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとし、ダクトの後端とプロペラの前縁との距離を、プロペラの直径の０．５％以上１０％未満としたことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、プロペラの直径の２０％以上５０％以下のダクトであるため、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができる。また、逓減ピッチのプロペラの吸い込み効果により剥離を生じることなくダクトをプロペラに近接させることができ、ダクトとプロペラとの干渉効果を高めることができる。
請求項３記載に対応した小型ダクト付きプロペラにおいては、船体の船尾に取り付けるプロペラと、プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とし、プロペラのピッチを、プロペラの翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとし、ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、凸形状の突出度を、ダクトの上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下と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、プロペラの直径の２０％以上５０％以下のダクトであるため、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができる。また、キャンバー比を６％以上１６％以下としても、プロペラ中心部での吸い込み効果により、剥離を生じさせることなく、分力として船体を前方に推進する揚力を増加させることができる。
請求項４記載の本発明は、請求項２又は請求項３に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ピッチの最大値を、ピッチの最小値に対して１２０％以上１６０％以下と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、プロペラ中心部での吸い込み効果を高めて最適な負荷分布とすることができる。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトを、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとしたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、プロペラ中心部での吸い込み効果と、分力として船体を前方に推進する揚力とを更に高めることができる。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの中心をプロペラの軸心と一致させたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、非軸対称形のダクトやプロペラ軸とダクトの中心軸をずらしたり、傾斜角を持たせて設置するダクトと比較して、製作や設置が容易で安価に提供できる。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトが支柱を介して船体の船尾管又は船尾管を覆う船体端部に取り付けられたことを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、流れを前方の全面から取り込み、プロペラとの干渉を強めて効率向上を図れるとともに、ダクトの後付を容易に行うことができる。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクトの内面に、プロペラへの流れを対向流化する固定翼を有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、ダクトに流入した流れは固定翼によってプロペラに対向流として流入することにより、プロペラ効率の一層の向上が図れる。
請求項９記載の本発明は、請求項８に記載の小型ダクト付きプロペラにおいて、支柱が固定翼を兼ね、支柱がプロペラの回転方向と逆方向に捻られていることを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、支柱により回転流化することにより支柱が固定翼を兼ねることができ、構成が簡素化される。
請求項１０記載に対応した船舶においては、請求項１から請求項９のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラを装備したことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、荷重度が増加する実海域においてプロペラ効率の高い船舶を提供することができる。

本発明の小型ダクト付きプロペラによれば、ダクトを逓減ピッチのプロペラと組み合わせることによりダクトの小型化が図れ、ダクトの直径をプロペラの直径の２０％以上５０％以下とすることでキャビテーションを発生させずにダクトをプロペラに近づけることができる。従って、プロペラのピッチを逓減ピッチとすることで、波風によってプロペラの荷重度が増加する実海域において、プロペラ中心部での吸い込み効果を高め、効率を支配するプロペラの半径方向の負荷分布をダクトとの干渉を利用して最適化することができる。また、プロペラピッチをプロペラの翼根部で最大値とし翼端部で最小値とすることにより、プロペラ翼端部で発生するキャビテーションを抑制できる。
また、本発明の小型ダクト付きプロペラによれば、プロペラの直径の２０％以上５０％以下のダクトであるため、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができる。
また、ピッチの最大値を、ピッチの最小値に対して１２０％以上１６０％以下とした場合には、プロペラ中心部での吸い込み効果を高めて、最適な負荷分布とすることができる。
また、ダクトの後端とプロペラの前縁との距離を、プロペラの直径の０．５％以上１０％未満とした場合には、逓減ピッチのプロペラの吸い込み効果により剥離を生じることなくダクトをプロペラに近接させることができ、ダクトとプロペラとの干渉効果を高めることができる。
また、ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、凸形状の突出度を、ダクトの上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下とした場合には、キャンバー比を６％以上１６％以下としてもプロペラ中心部での吸い込み効果により、剥離を生じることなく、分力として船体を前方に推進する揚力を増加させることができる。
また、ダクトを、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとした場合には、プロペラ中心部での吸い込み効果と、分力として船体を前方に推進する揚力とを更に高めることができる。
また、ダクトの中心をプロペラの軸心と一致させた場合には、非軸対称形のダクトやプロペラ軸とダクトの中心軸をずらしたり、傾斜角を持たせて設置するダクトと比較して、製作や設置が容易で安価に提供できる。
また、ダクトが支柱を介して船体の船尾管又は船尾管を覆う船体端部に取り付けられた場合には、流れを前方の全面から取り込み、プロペラとの干渉を強めて効率向上を図れるとともに、ダクトの後付を容易に行うことができる。
また、ダクトの内面に、プロペラへの流れを対向流化する固定翼を有した場合には、ダクトに流入した流れは固定翼によってプロペラに対向流として流入することにより、プロペラ効率の一層の向上が図れる。
また、支柱が固定翼を兼ね、支柱がプロペラの回転方向と逆方向に捻られている場合には、支柱により回転流化することにより支柱が固定翼を兼ねることができ、構成が簡素化される。
本発明の船舶によれば、特に荷重度が増加する実海域においてプロペラ効率の高い船舶を提供することができる。

本発明の実施形態による小型ダクト付きプロペラを装備した船舶の概略構成図 同船舶に用いる小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面側面図及びＡ−Ａ断面図 同船舶に用いる他の小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面構成図 同逓減ピッチプロペラと通常プロペラのピッチ分布を示すグラフ 同逓減ピッチプロペラと通常プロペラの流速分布を示すグラフ 同小型ダクト付きプロペラにおけるダクトの後端とプロペラの前縁との距離による流速分布を示すグラフ 波浪中における船速低下を模擬した荷重度変更試験結果を示すグラフ 波浪中における船速低下を模擬した荷重度変更試験結果を示すグラフ

１ 船体
１ａ 船体端部
１０ プロペラ
１０ｂ 船尾管
１１ ボス
２０ ダクト
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 支柱（固定翼）
Ｄｐ プロペラの直径
Ｄｄｉｎ ダクトの前端の直径
Ｄｄｏｕｔ ダクトの後端の直径
Ｈ ピッチ
Ｌ ダクトの後端とプロペラの前縁との距離

以下に、本発明の実施形態による小型ダクト付きプロペラについて説明する。
図１は本発明の実施形態による小型ダクト付きプロペラを装備した船舶の概略構成図、図２（ａ）は同船舶に用いる小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面側面図、図２（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、図３は同船舶に用いる他の小型ダクト付きプロペラの要部を示す一部断面構成図、図４は同逓減ピッチプロペラと通常プロペラのピッチ分布を示すグラフ、図５は同逓減ピッチプロペラと通常プロペラの流速分布を示すグラフ、図６は同小型ダクト付きプロペラにおけるダクトの後端とプロペラの前縁との距離による流速分布を示すグラフである。

図１に示すように、船舶は、船体１の船尾に取り付けるプロペラ１０と、プロペラ１０の前方に取り付けるダクト２０とを有している。

図２（ａ）に示すように、プロペラ１０は中心部にボス１１を有し、ダクト２０は、上流側となる前端２１の内直径よりも下流側となる後端２２の内直径が小さい加速型ダクトである。
ダクト２０は、その断面形状が内側に凸形状２３となっており、凸形状２３の突出度は、ダクト２０の上流側において大きくしている。最大キャンバー位置におけるキャンバー比は、６％以上１６％以下としている。一般にはキャンバー比が８％を越えるとダクト２０内で剥離を生じるが、本実施の形態で特定した小型のダクト２０をプロペラ１０の前方に近接させて設け、プロペラ１０のピッチを半径方向に減少する逓減ピッチとしているため、プロペラ１０中心部での吸い込み効果により８％を越えても剥離を生じることなく揚力を増加させることができる。このようにダクト２０を加速型ダクトとし、断面形状を内側に凸形状としてキャンバー比を高くすることにより、流れが加速でき、プロペラ１０との干渉を高めることができ、分力として船体１を前方に推進する揚力も増すことができる。

プロペラ１０の直径をＤｐ、ダクト２０の前端２１の直径をＤｄｉｎ、ダクト２０の後端２２の直径をＤｄｏｕｔ、プロペラ１０の前縁とダクト２０の後端２２との距離をＬとすると、ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎをプロペラ１０の直径Ｄｐの５０％以下、ダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌをプロペラ１０の直径Ｄｐの１５％以下、更には１０％未満とすることが好ましい。ダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌは、可能な限り近接させることが好ましいが、ダクト２０とプロペラ１０との接触を避けるためには、プロペラ１０の直径Ｄｐの０．５％以上とすることが好ましい。

ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎ、及びダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔは、プロペラ１０の直径Ｄｐに対して２０％以上５０％以下とする。プロペラ１０の直径Ｄｐに対して２０％以上５０％以下の範囲において、ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎとダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔが等しい筒状であってもよい。ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎとダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔは、Ｄｄｉｎ＞Ｄｄｏｕｔとすることがより好ましい。また、ダクト２０の前端２１の直径Ｄｄｉｎは、プロペラ１０の直径Ｄｐに対して３５％以上５０％以下、ダクト２０の後端２２の直径Ｄｄｏｕｔは、プロペラ１０の直径Ｄｐに対して２０％以上４０％未満とすることがより好ましい。
プロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下のダクト２０とすることで、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラ１０の効率を高めることができる。
また、ダクト２０の幅Ｗ（長さ）は、干渉効果を高め、また船尾部への当接や抵抗増加を避けるため、直径Ｄｐに対して２０%以上６０%以下であることが好ましい。特に、大型船を含めて広く一般の船舶に適用する上では、ダクト２０の幅Wは、直径Ｄｐに対して２５%以上５０%以下であることがより好ましい。

図２（ａ）に示すように、ダクト２０は軸対称形に形成され、プロペラ１０の駆動軸１０ａとダクト２０の中心軸を一致させて取り付けているため、非軸対称形のダクトやプロペラ軸とダクトの中心軸をずらしたり、傾斜角を持たせて設置するダクトと比較し、製作や設置が容易で安価に提供できるものとなっている。

図２（ｂ）に示すように、ダクト２０は支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄによって船尾管１０ｂを覆う船体端部１ａに取り付けられている。船尾管１０ｂはプロペラ１０の駆動軸１０ａ周りに設けられている。なお、船尾管１０ｂを露出している形式の船舶にあっては、ダクト２０は支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにより船尾管１０ｂに直接取り付けてもよい。また、船尾管10bを一部露出している船舶にあっては、ダクト２０は、支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにより、船尾管10bと船体端部1aの双方に取り付けてもよい。
ダクト２０を、支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを介して船体１の船尾管１０ｂ又は船尾管１０ｂを覆う船体端部１ａに取り付けることで、流れを前方の全面から取り込み、プロペラ１０との干渉を強めて効率向上を図れるとともに、ダクト２０の後付けを容易に行うことができる。これは既存船に後付でダクト20を取り付ける場合に利点が大きいが、新造船に取り付ける場合も、従来のように船体１の外板へ加工を要しないため利点を有している。

支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、ダクト２０の中心軸に対して放射状に配置し、特に支柱２０ａと支柱２０ｄとの間の角度を、支柱２０ｂと支柱２０ｃとの間の角度よりも小さくすることで、伴流分布を改善できる。
支柱は最低２本、最大５本とすることが好ましく、ダクト２０の外側に更に支柱を設けることも可能である。

また、ダクト２０の流路断面は、前端２１の直径Ｄｄｉｎより後端２２の直径Ｄｄｏｕｔが狭まるように構成している。ダクト２０の流路断面を、下流に向かって狭めることで伴流分布を改善できる。ダクト２０の下流側の流路断面を狭めるために、ダクト２０の内断面を小さくする他に、支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの断面積を下流側に向かって大きくしてもよい。伴流分布を改善することで、小型のダクト２０によるプロペラ効率をさらに向上できる。

図３に示すように、ダクト２０の内面に捻りを有した支柱２０ｅを設け、プロペラ１０への流れを対向流（カウンターフロー）化することもできる。この場合、その船体中心線に対する取り付け角度は、船体側θｓで５度から２５度、ダクト２０の内面側θｄで５度から１０度とすることが好ましい。ダクト２０に流入した流れは、上流側から下流側に向かって加速されるとともに、捻りを有した支柱２０ｅによりプロペラ１０の回転方向と逆向きに回転流化され、プロペラ１０に対向流として流入することにより、プロペラ効率の一層の向上が図れる。
なお、支柱２０ｅはダクト２０の外側に設け、ダクト２０の内面には流れを回転流化する固定翼を専用に設けてもよいが、支柱２０ｅにより回転流化することにより支柱２０ｅが固定翼を兼ねることができ、構成が簡素化される。

図４に同逓減ピッチプロペラと通常プロペラのピッチ分布を示す。
プロペラ１０は、ボス１１の半径をｒ１、翼根部を半径ｒ１から半径ｒ２とする。半径Ｒは１／２Ｄｐであり、Ｈはピッチである。翼根部は、プロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上４０％以下である。
本実施の形態によるプロペラ１０のピッチＨは、プロペラ１０の翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径Ｒ方向に減少する逓減ピッチとしている。図４に示す比較例は一定ピッチを示している。
本実施の形態によるプロペラ１０のピッチＨは、プロペラ１０の翼根部（ｒ１からｒ２）で最大値Ｈｍａｘとなり、最大値Ｈｍａｘを、ピッチＨの最小値Ｈｍｉｎに対して推進効率とキャビテーション発生抑制を考慮して１２０％以上１６０％以下としている。

図５は、図４に示す本実施の形態による逓減ピッチによるプロペラと、比較例としての通常プロペラとの流速分布を示している。
Ｖはプロペラ１０の流入側の流速、Ｖｘはプロペラ１０の流出側の流速で、Ｖ及びＶｘはいずれも軸方向の流速である。
図５に示すように、本実施の形態では比較例に対して、ｒ１／Ｒが０．２から０．６において流速分布が向上している。
すなわち図５では、プロペラ１０を逓減ピッチとすることにより、プロペラ１０の中心付近（翼根部）の流速分布が改善されるため、ダクト２０が直径Ｄｄｉｎの小さい小型のダクト２０であってもよいことを示唆している。ダクト２０を小型化できることにより、プロペラ１０の翼根部の流速を増加させ、翼根部におけるプロペラ１０のピッチの増加と相まって干渉を高めることができる。また、軽量で低コストでの製作が可能となり、表面積が小さいことから摩擦抵抗の低減にも繋がる。また、小型のダクト２０であることにより、相対的に速度の遅いプロペラ１０の翼根部の流速を高めるため、キャビテーションの発生を抑制でき、プロペラ１０の損傷や振動、騒音の発生が防止できる。さらに、プロペラ10のピッチが、翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる半径方向に減少する逓減ピッチであるため、
プロペラ１０の翼端部で発生するキャビテーションも抑制できる。

図６は、同小型ダクト付きプロペラにおけるダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌを変更した場合の流速分布を示している。
距離Ｌは、プロペラ１０の直径Ｄｐの１５％以下において、プロペラ１０とダクト２０との干渉が顕著に表れており、距離ＬをＤｐの１０％未満とすることで更にプロペラ１０の半径Ｒ方向の負荷分布に大きな影響を与えている。また、距離Ｌを長くしすぎると船体１に当接してしまう。距離ＬをＤｐの１０％未満とすることで、船体１に当接することを防止し、前方の全面から流れを取り込むことが困難になることを防止できる。

図７及び図８に波浪中における船速低下を模擬した荷重度変更試験結果を示す。
図７は、プロペラの前縁とダクトの後端との距離を変化させた場合とダクトを設けない場合の推進効率を示すグラフ、図８は、プロペラの前縁とダクトの後端との距離を変化させた場合の推力変化を示すグラフである。

本実験では、Ｌｐｐ（垂線間長さ）＝２２９m、Ｂ（船の幅）＝４２ｍ、Ｄ（船の深さ）＝１２．１９ｍのアフラマックスタンカーを試験対象船とし、Ｌｐｐ＝４．８６００m、Ｂ＝０．８９１４ｍ、Ｄ＝０．２５８７ｍのモデル船を用いた。
また、試験対象船のプロペラ１０は、Ｄｐ（プロペラ直径）＝７ｍ、Ｈ／Ｄ（０．７Ｒ）（ピッチ位置）＝０．６７、ＥＡＲ（展開面積比）＝０．４５、Ｒａｋｅ（翼傾斜）＝−２１６．７ｍｍ、Ｚ（翼数）＝４、Ｂｏｓｓ Ｒａｔｉｏ（ボス比）＝０．１５８６、Ｓｋｅｗ（翼の反り）＝２０ｄｅｇとし、Ｄｐ＝０．１４８５５９ｍ、Ｈ／Ｄ（０．７Ｒ）＝０．６７、ＥＡＲ＝０．４５、Ｒａｋｅ＝−4.6ｍｍ、Ｚ＝４、Ｂｏｓｓ Ｒａｔｉｏ＝０．１５８６、Ｓｋｅｗ＝２０ｄｅｇをモデルプロペラとして用いた。

ダクト２０は、Ｄｄｉｎ（前端２１の直径）がＤｐの４８％、Ｄｄｏｕｔ（後端２２の直径）がＤｐの４０％、ダクト２０の長さ（幅）ＷをＤｐの２４％、ダクト翼キャンバー比を８％とした。
本実験は、波浪中における船速低下を模擬するため、回転数一定のまま船速を低下させ、プロペラ荷重度を増加させた状態での自航試験を行った。

図７では、横軸を船速比、縦軸を推進効率とし、船速比を０．７５まで低下させた場合の推進効率を比較している。
実施例１としてプロペラ１０の前縁とダクト２０の後端２２との距離Ｌ＝Ｄｐ×６％、実施例２としてＬ＝Ｄｐ×３％、実施例３としてＬ＝Ｄｐ×１％を用い、ダクト２０を用いないものを比較例として示している。
実施例１から実施例３は、船速比０．７５から１までのいずれにおいても比較例よりも推進効率が上回っている。

図８では、横軸をプロペラ推力、縦軸をダクト抵抗（推力）とし、プロペラ推力を１．０５から１．３の間で変化させた場合の推力を比較している。
実施例２は実施例１よりも推力が増加し、実施例３は実施例２よりも推力が増加している。
図８に示すように、プロペラ１０の前縁とダクト２０の後端２２との距離Ｌは小さいほど推力が増加する。

本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、船体１の船尾に取り付けるプロペラ１０と、プロペラ１０の前方に取り付けるダクト２０とを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、ダクト２０を逓減ピッチのプロペラ１０と組み合わせたことで、ダクト２０の小型化が可能となり、ダクト２０の直径Ｄｄｉｎをプロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下としキャビテーションを発生させずにダクト２０をプロペラ１０に近づけることができる。従って、プロペラ１０のピッチＨをプロペラ１０の翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとすることで、波風によってプロペラの荷重度が増加する実海域において、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を高め、効率を支配するプロペラ１０の半径Ｒ方向の負荷分布をダクト２０との干渉を利用して最適化することができる。また、プロペラ１０のピッチＨをプロペラ１０の翼根部で最大値とし翼端部で最小値とすることにより、プロペラ１０の翼端部で発生するキャビテーションを抑制できるため、推進効率の低下や騒音、振動の発生、またプロペラ１０の損傷を低減できる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、プロペラ１０の直径Ｄｐの２０％以上５０％以下のダクト２０であるため、プロペラ１０の翼根部の流速を増加させ、翼根部におけるプロペラ１０のピッチの増加と相まって干渉を高めプロペラ１０の効率を高めることができる。また、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストのプロペラ１０を実現することができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ピッチＨの最大値Ｈｍａｘを、ピッチＨの最小値Ｈｍｉｎに対して１２０％以上１６０％以下としたことで、キャビテーションの発生を抑制した上で、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を高めて最適な負荷分布とし、推進効率を向上することができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０の後端２２とプロペラ１０の前縁との距離Ｌを、プロペラ１０の直径Ｄｐの０．５％以上１０％未満としたことで、ダクト前端２１が船尾部の船体１に触れることを防止しダクト２０の前方の全面から流れを取り込み、ダクト２０とプロペラ１０との干渉効果を高めることができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０を、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとしたことで流れが加速でき、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を更に高めることができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０の中心をプロペラ１０の軸心と一致させたことで、製作や設置が容易で安価に提供できる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０が支柱２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを介して船体１の船尾管１０ｂ又は船尾管１０ｂを覆う船体端部１ａに取り付けられているため、流れを前方の全面から取り込み、プロペラ１０との干渉を強めて効率向上を図れるとともに、既存船を含めてダクト２０の後付を容易に行うことができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラによれば、ダクト２０の断面形状を内側に凸形状２３とし、凸形状２３の突出度を、ダクト２０の上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下としたことで平均速度の遅い上流側で流れが加速でき、抵抗増加を抑え、プロペラ１０中心部での吸い込み効果を更に高めることができる。この場合、吸い込み効果によりキャンバー比を６％以上１６％以下と高くしても剥離を生じることなく、船体１を前方に推進する揚力を増加させることができる。

また、本実施の形態による小型ダクト付きプロペラを装備することで、荷重度が増加する実海域においてプロペラ効率の高い船舶を提供することができる。

本発明の小型ダクト付きプロペラによれば、小型軽量で摩擦抵抗が小さく、低振動、低騒音、低コストでプロペラの効率を高めることができ、大型船を含めて広く一般の船舶に適用できる。

Claims (10)

1. 船体の船尾に取り付けるプロペラと、前記プロペラの前方に取り付けるダクトとを有する小型ダクト付きプロペラにおいて、
   前記ダクトの直径を前記プロペラの直径の２０％以上５０％以下とし、
   前記プロペラのピッチを、前記プロペラの翼根部で最大値となり翼端部で最小値となる、半径方向に減少する逓減ピッチとしたことを特徴とする小型ダクト付きプロペラ。
2. 前記ピッチの前記最大値を、前記ピッチの最小値に対して１２０％以上１６０％以下としたことを特徴とする請求項１に記載の小型ダクト付きプロペラ。
3. 前記ダクトの後端と前記プロペラの前縁との距離を、前記プロペラの直径の０．５％以上１０％未満としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の小型ダクト付きプロペラ。
4. 前記ダクトの断面形状を内側に凸形状とし、前記凸形状の突出度を、前記ダクトの上流側において大きくしてキャンバー比を６％以上１６％以下としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラ。
5. 前記ダクトを、上流側の内直径よりも下流側の内直径が小さい加速型ダクトとしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラ。
6. 前記ダクトの中心を前記プロペラの軸心と一致させたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラ。
7. 前記ダクトが支柱を介して前記船体の船尾管又は前記船尾管を覆う船体端部に取り付けられたことを特徴とする請求項1から請求項６のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラ。
8. 前記ダクトの内面に、前記プロペラへの流れを対向流化する固定翼を有したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラ。
9. 前記支柱が前記固定翼を兼ね、前記支柱が前記プロペラの回転方向と逆方向に捻られていることを特徴とする請求項８に記載の小型ダクト付きプロペラ。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の小型ダクト付きプロペラを装備したことを特徴とする船舶。