TWI627102B - 升力產生體 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種升力產生體(10)，該升力產生體(10)係位於船(1)之推進式螺旋槳(3)的前方。升力產生體(10)係具有朝繞著推進式螺旋槳(3)之中心軸(C)之延長線(Ce)的周方向延伸之壁部(7)。壁部(7)係在內側形成朝延長線(Ce)之方向貫通之流路。在翼形中，形成壁部(7)之外周面(7a)的外側面係以形成凹陷之方式朝內側彎曲。在翼形中遍及從厚度成為最大之設定位置至後緣為止的全範圍，翼形係滿足|dt/dx|≦0.15。dx係翼形之翼弦方向之位置座標x的微小變化量，dt係厚度t相對於dx之微小變化量，|dt/dx|係dt/dx之大小。

Description

升力產生體

本發明係關於一種在船中之位於推進式螺旋槳之前方的升力產生體。

以往，有在船之船尾部的推進式螺旋槳之前方設置作為升力產生體之導管的情形。藉由推進式螺旋槳之旋轉，在升力產生體會產生從船之前方側往後方側之水流。升力產生體之剖面係成為翼形，因此，會藉由該水流在升力產生體產生升力。該升力係具有朝向船之前方之方向之成分(朝前成分)。結果，減低了用以使推進式螺旋槳旋轉之動力。該種升力產生體係例如作為導管記載在專利文獻1、2。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2011-42204號公報

專利文獻2：日本特許第4079742號

期待有一種可令用以使推進式螺旋槳旋轉之動力更進一步減低之升力產生體。

亦即，本發明之目的係在於提供一種升力產生體，其與習知之升力產生體(導管)相比較，在以相同之動力使推進式螺旋槳旋轉時，可更大幅地推進船。

為了達成上述目的，依據本發明提供一種升力產生體，該升力產生體係在具備推進式螺旋槳之船中，位於前述推進式螺旋槳之前方者，該升力產生體係具有朝繞著前述推進式螺旋槳之中心軸之延長線的周方向延伸之壁部，該壁部係在內側形成朝前述延長線之方向貫通之流路，在前述周方向之設定範圍內，藉由包含前述延長線之虛擬平面所形成之前述壁部之剖面的形狀為翼形，在前述翼形中，形成前述壁部之外周面的外側面係以形成凹陷之方式朝內側彎曲，前述翼形之厚度係隨著從該厚度成為最大之設定位置往後方移動而逐漸地變小，遍及從前述設定位置至翼形之後緣為止的全範圍，前述翼形係滿足|dt/dx|≦0.15，在該不等式中，dx係前述翼形之翼弦方向之位置座標x的微小變化量，dt係前述厚度t相對於dx之微小變化量，|dt/dx|係dt/dx之大小。

在本發明中，於前述翼形中，形成前述壁部之外周面的外側面係以形成凹陷之方式朝內側彎曲。藉 此，在翼形中，流動之循環會變大，結果，內側面之壓力會降低且升力會增大。由於該翼形之升力的增大，翼形之升力的朝前成分亦會變大(以下，將此作用稱為升力朝前成分之增加作用)。

再者，在本發明中，遍及從設定位置至後緣為止之全範圍，翼弦方向之位置x的微小變化量dx與該位置x之厚度t的微小變化量dt之比率dt/dx的大小為0.15以下(dx與dt之單位為相同)。藉此，即使形成上述凹陷，亦可將翼形之流體阻力抑制成較小(以下，將此作用稱為流體阻力之減低作用)。

依據本發明，上述之升力之朝前成分增加作用與上述之流體阻力的減低作用會一同作用，與習知之升力產生體相比較，可利用相同之動力而更大幅地使船推進(參照例如後述之比較例1、2)。

上述之升力產生體亦可如以下方式構成。

在前述翼形中，前述外側面與形成前述壁部之內周面的內側面係分別以整體朝前述流路之側彎曲。

如此，翼形之外側面與內側面之各者係以整體朝內側彎曲。藉此，由於流體會容易從翼形(特別是內側面)剝離，因此通過升力產生體之流體會被擾亂且其流速會下降。因此，流速下降之水流會流入至推進式螺旋槳。結果，推進式螺旋槳之效率會提升(以下，將此作用稱為螺旋槳效率之提升作用)。

因此，上述之升力朝前成分之增加作用、上 述之流體阻力的減低作用與上述之螺旋槳效率之提升作用會一同作用，與習知之升力產生體相比較，可利用相同之動力而更進一步大幅地使船推進。

前述壁部係具有前述外周面朝向鉛直下方的下端部分，在前述延長線之方向，該下端部分之長度係比前述壁部之上端部分的長度更小。

在壁部中，會在外周面朝向鉛直下方之下端部分容易產生阻力。

相對於此，在上述構成中，由於在壁部中使下端部分之長度比上端部分之長度更小，因此可抑制在下端部分之阻力。

前述下端部分之前述剖面的形狀雖為翼形但並未具有前述凹陷，或非為翼形。

如上所述，在產生阻力之下端部分，並不需要上述凹陷或翼形之剖面。因此，可使下端部分之剖面形狀變得單純。

前述設定範圍係包含前述壁部之外周面朝向斜上方之前述周方向的範圍之至少一部分。

在該範圍內，會使大的升力產生在翼形。

依據本發明，由於翼形之外側面係以形成凹陷之方式朝內側彎曲，所以產生在翼形之升力會變大。結果，翼形之升力之朝前成分亦會變大。

此外，遍及從設定位置至後緣為止之全範圍，翼弦方 向之位置x的微小變化量dx與該位置x之厚度t的微小變化量dt之比率dt/dx的大小為0.15以下。藉此，即使形成上述凹陷，亦可將翼形之流體阻力抑制成較小。

該升力之朝前成分增加與翼形之流體阻力減低係一同作用，與習知之升力產生體相比較，能以相同之動力更大幅地使船推進。

1‧‧‧船

1a‧‧‧船尾部

3‧‧‧推進式螺旋槳

5‧‧‧流路

6‧‧‧結合構件

7‧‧‧壁部

7a‧‧‧外周面

7b‧‧‧內周面

9‧‧‧翼形

9a‧‧‧外側面

9b‧‧‧內側面

10‧‧‧升力產生體

11‧‧‧凹陷

13‧‧‧後端

Bc‧‧‧翼弦

C‧‧‧中心軸

Ce‧‧‧中心軸之延長線

D1‧‧‧中心軸之延長線與翼弦上之點的距離

Lc‧‧‧弧線

Ps‧‧‧設定位置

Pf‧‧‧前緣

Pr‧‧‧後緣

R‧‧‧通過區域

t‧‧‧厚度

θ 1、θ 2、θ 3‧‧‧範圍

第1A圖係顯示適用本發明實施形態之升力產生體之船的船尾部。

第1B圖係第1A圖之B-B箭視圖。

第2A圖係第1B圖之II-II剖面圖。

第2B圖係第1B圖之II-II剖面圖，且顯示翼形之其他特徵。

第3A圖係說明本發明實施形態之具體例之翼形、及比較例1之翼形之比較的圖。

第3B圖係說明具體例與比較例1之比較的其他圖。

第3C圖係說明具體例與比較例1之比較的其他圖。

第4A圖係說明本發明實施形態之具體例的翼形與比較例2之翼形之比較的圖。

第4B圖係說明具體例與比較例2之比較之其他圖。

第5A圖係顯示具體例之翼形與比較例2之翼形之形狀的差。

第5B圖係顯示具體例與比較例2之形状之差的其他 圖表。

第6圖係顯示升力產生體之變更例。

依據圖式說明本發明之較佳實施形態。此外，對於在各圖中共通之部分賦予相同之符號，並省略重複之說明。

第1A圖係顯示適用本發明實施形態之升力產生體10之船1之船尾部1a的側面圖。

船1係航行在海、湖泊或河川者。船1係例如船舶或艦艇。船1係在船尾部1a具備推進式螺旋槳3。推進式螺旋槳3亦可為螺桿螺旋槳(screw propeller)。推進式螺旋槳3係在水中旋轉驅動，而產生船1之前進推力。藉由推進式螺旋槳3之旋轉，在從船1之前方側往後方側之方向(以下稱為往後方向)會產生朝向推進式螺旋槳3之流動。此外，在本案中，前方係指船1之前側(船首側)，後方係指船1之後側(船尾側)。

升力產生體10係設置在推進式螺旋槳3之前方。亦即，升力產生體10(後述之翼形9)係配置在推進式螺旋槳3之往後方向的上述流動中。在第1A圖中，升力產生體10係位在推進式螺旋槳3之正前。

第1B圖係第1A圖之B-B箭視圖。升力產生體10係具有朝繞著推進式螺旋槳3之中心軸C之延長線Ce的周方向(以下簡稱為周方向)延伸的壁部7。該壁部7係在內側形成朝延長線Ce之方向貫通之流路5。延長線 Ce係位在該流路5。此外，在第1圖中，升力產生體10之壁部7中的上端部分之周方向端面係結合在船尾部1a，且升力產生體10還透過結合構件6亦結合在船尾部1a。然而，升力產生體10亦可藉由其他手段而結合在船尾部1a。中心軸C亦可朝向船1之船體之中心線的方向(第1A圖之左右方向)，亦可從該中心線之方向朝船1之左右與上下之一方或兩方傾斜。

第2A圖係第1B圖之II-II剖面圖。在周方向之設定範圍(以下簡稱為設定範圍)內，藉由包含延長線Ce之虛擬平面所形成之壁部7的剖面之形狀為翼形9。依據第2圖來說明該翼形9。在設定範圍內之任一個周方向位置之上述剖面的形狀亦可與以下說明之翼形9相同。

設定範圍係至少包含壁部7之外周面7a朝向斜上方之周方向的範圍θ 1(參照第1B圖)。在本實施形態中，設定範圍係壁部7朝周方向延伸之全部的範圍。此時，在第1B圖中，設定範圍係包含：範圍θ 1；壁部7之外周面7a朝向水平或傾斜下方之周方向的範圍θ 2(參照第1B圖)；以及壁部7之外周面7a朝向鉛直下方之周方向的範圍θ 3。

翼形9之翼弦Bc(亦即連結第2A圖中之翼形9的前緣Pf與後緣Pr之直線)係從推進式螺旋槳3之中心軸C傾斜。再者，翼弦Bc上之點係隨著朝前方側移動而逐漸從中心軸C之延長線Ce分離。亦即，隨著翼弦Bc上之點朝前方側移動，和該延長線Ce正交之方向(半徑方向) 之翼弦Bc上的該點與延長線Ce之距離D1會變大。藉此，具有朝前成分之升力會產生在翼形9。為了方便，在第2A圖中，係使延長線Ce從實際之位置朝翼形9之附近平行移動來圖示呈現。

在翼形9(亦即翼形9之輸廓)中，形成壁部7之外周面7a(參照第1A圖與第1B圖)之外側面9a係以形成凹陷11之方式朝內側(流路5之側)彎曲。在本實施形態中，在翼形9中，外側面9a與形成壁部7之內周面7b之內側面9b係分別以整體朝內側彎曲。對此，升力產生體10係接近於推進式螺旋槳3，以使因外側面9a與內側面9b(特別是內側面9b)之流體剝離所造成之亂流朝推進式螺旋槳3流入。

翼形9之厚度t係在翼弦方向之設定位置Ps成為最大。翼弦方向係指與翼弦Bc平行之方向。在本實施形態中，設定位置Ps係位於比翼弦Bc之中央(亦即將翼弦Bc予以二等分之點)更靠近前方側之處。然而，設定位置Ps亦可為翼弦Bc之中央，亦可為位於比翼弦Bc之中央更靠近後方側之處。

翼形9之厚度t係與翼形9之弧線(camber line)Lc正交之方向的厚度。弧線Lc係從前緣Pf延伸至後緣Pr之線，且為位於距離翼形9之外側面9a及內側面9b相等距離之處的線(亦即第2A圖之一點鏈線)。此外，翼弦方向之位置座標x上之翼形9的厚度t，係指在翼弦方向之位置成為該座標x之弧線Lc上的點與弧線Lc正交且從 外側面9a延伸至內側面9b之線段的長度。翼形9之厚度t係從前緣Pf至設定位置Ps為止隨著往後方側移動而逐漸地變大，且從設定位置Ps至後緣Pr為止隨著往後方側移動而逐漸地變小。

由第1A圖得知，壁部7之剖面的翼形9之翼弦長度(或延長線Ce之方向的翼形9之尺寸)係隨著朝下方移動而減少。因此，壁部7之下端部分(亦即範圍θ 3之部分)的翼弦長度，係比壁部7之上端部分的翼弦長度更小。

本實施形態之升力產生體10係具有以下之特徵A至C。

(特徵A)

在第2A圖中，遍及從設定位置Ps至後緣Pr為止的全範圍，翼形9係滿足以下的不等式：|dt/dx|≦0.15

其中，dx係翼形9之翼弦方向之位置座標x的微小變化量，dt係厚度t相對於位置座標x之dx的微小變化量，|dt/dx|係dt/dx之大小(絕對值)。dt/dx亦可為取決於位置座標x之厚度t的微分。換言之，dt/dx係dt相對於微小變化量dx之比率。位置座標x與厚度t之單位係相同。在從設定位置Ps至後緣Pr為止之全範圍，由於|dt/dx|為0.15以下，因此翼形9之流體阻力可抑制成較低。

(特徵B)

第2B圖係第1B圖之II-II剖面圖，並顯示翼形9之其他特徵。將翼弦Bc之長度設為C，將翼形9之厚度t的最大值設為tm，將與翼弦方向正交之方向的翼弦Bc與外側面9a之最大距離設為Dm。

tm/C較佳為滿足0.05≦tm/C≦0.3。

Dm/tm較佳為滿足0.06<Dm/tm≦0.4、0.2<Dm/tm≦0.4、或0.3<Dm/tm≦0.4。

Dm/tm係成為顯示凹陷11之大小的指標。藉由如上所述設定Dm/tm之大小，與未具有凹陷11之情形相比較，在翼形9中的流動之循環會變大。結果，內側面9b之壓力會降低而且產生在翼形9之升力會增大。因此，翼形9之升力的朝前成分亦會變大。

(特徵C)

在第1A圖中，壁部7之後端13(亦即朝周方向延伸之後端13)的整體，係在從船1之船體的中心線之方向(該圖之左右方向)觀看時，位在推進式螺旋槳3旋轉而通過之區域R(以下，稱為推進式螺旋槳3之通過區域R)內。在該構成中，由於通過翼形9而如上所述成為亂流，因此流速降低之流動的全部或大致全部會流入至推進式螺旋槳3之通過區域R。結果，推進式螺旋槳3之效率會更為確實地提升。

然而，依據本實施形態，從船1之船體的中 心線之方向觀看時，壁部7之下端只要位在推進式螺旋槳3之通過區域R即可。在此情形下，較佳為推進式螺旋槳3之中心軸C的延長線Ce位在流路5(亦即壁部7之內側)。

接著，與比較例1相比較來說明本實施形態之翼形9的具體例。

第3A圖係顯示本實施形態之具體例之翼形9、及比較例1之翼形。在第3A圖中，實線係顯示具體例，虛線係顯示比較例1。比較例1之翼形9係在外側面實質上未具有凹陷。

如第3B圖所示，在具體例與比較例1之翼形雖產生相同方向之升力，但具體例之升力係較比較例1之升力大。結果，升力之朝前成分係具體例較比較例1大。

第3C圖係在使一定之推力產生在船時，將用以旋轉驅動推進式螺旋槳3之動力的減低效果(以下稱為動力減低效果)作為船1之流體阻力減低量予以顯示。亦即，第3C圖係顯示：將由推進式螺旋槳3之旋轉所得之推力、升力產生體10之流體阻力及升力予以合計時之動力減低效果換算成船1之流體阻力減低量的數值。第3C圖之結果係在由CFD(計算流體力學，computational fluid dynamics)進行之模擬中所得者。在該模擬中，係在具體例與比較例1中，如第3A圖所示將翼形設為不同，而將其他條件設為相同。

如第3C圖所示，在將比較例1之流體阻力減低量設為100%時，具體例之流體阻力減低量略高於 110%。因此，在具體例中，流體阻力(動力)係相較於比較例1減低多達10%之多。

接著，將本實施形態之翼形9的具體例與比較例2相比較並進行說明。

第4A圖係顯示本實施形態之具體例的翼形9、及比較例2之翼形。在第4A圖中，實線係顯示具體例且與第3A圖之情形相同，破線係顯示比較例2。比較例2之翼形係具有與具體例相同程度之大小的凹陷，但取決於翼弦方向之位置座標x之厚度t的微分dt/dx係與具體例不同。

第5A圖係顯示翼弦方向之位置座標x與翼形9之厚度t之關係的圖表。在第5A圖中，橫軸係顯示將前緣Pf之座標x設為0並將翼弦長度設為1時之座標x。在第5A圖中，縱軸係顯示將翼形9之厚度除以翼弦長度所得之值(厚度/翼弦長度)。

第5B圖係顯示翼弦方向之位置座標x與上述微分dt/dx之關係的圖表。在第5B圖中，橫軸係顯示將前緣Pf之座標x設為0並將翼弦長度設為1時之座標x。在第5B圖中，縱軸係顯示微分dt/dx之值。

在具體例及比較例2中，翼形9之厚度t皆如第5A圖所示，在座標x為0.3之設定位置Ps成為最大。

在具體例中，dt/dx之大小係如第5B圖所示，遍及從設定位置Ps至翼形9之後緣Pr(亦即後端13之位置)為止的全範圍比0.15更小。在比較例2中，並未成為如此之情 形。亦即，在比較例2中，dt/dx之大小係遍及從座標x為0.86之位置至翼形之後端為止之範圍成為0.15以上。

第4B圖係與第3C圖之情形同様地，將動力減低效果換算成船之流體阻力減低量所得之值。第4B圖之結果係在由CFD進行之模擬中所得者。在該模擬中，係在具體例與比較例2中，如第4A圖、第5A圖及第5B圖所示將翼形設為不同並將其他條件設為相同。

如第4B圖所示，將比較例2之流體阻力減低量設為100%時，具體例之流體阻力減低量略低於115%。因此，在具體例中，流體阻力(動力)係相較於比較例減低多達將近15%左右。

本發明並不限定於上述之實施形態，當然可在本發明之技術思想的範圍內施加各種變更。例如，可單獨採用以下之變更例1至3之任一者，亦可任意地選擇採用變更例1至3之2個以上。此時，在以下並未說明之點係可與上述相同。

(變更例1)

壁部7之剖面的形狀成為上述之翼形9的上述設定範圍並不限定於以上所述者。例如，該設定範圍亦可不包含第1B圖所示之上述之範圍θ 2與範圍θ 3之一方或兩方的一部分或全部。再者，上述設定範圍亦可僅包含上述範圍θ 1中之一部分。此時，上述設定範圍亦可不包含上述之範圍θ 2與範圍θ 3之一方或兩方的一部分或全部。

(變更例2)

第6圖係相當於第1B圖，顯示升力產生體10之變更例2。如第6圖所示，壁部7之內側的流路5亦可朝鉛直下方(半徑方向)開口。此外，流路5亦可朝其他之半徑方向(亦即與延長線Ce正交之方向)開口。

(變更例3)

在船尾部1a設置有複數個推進式螺旋槳3時，亦可在各推進式螺旋槳3之前方設置有升力產生體10。

(變更例4)

壁部7中之下端部分的上述剖面之形狀可為翼形但未具有上述凹陷11。或該下端部分之上述剖面的形狀亦可非為翼形。

Claims (7)

1. 一種升力產生體，係在具備推進式螺旋槳之船中，位於前述推進式螺旋槳之前方者，該升力產生體係具有朝繞著前述推進式螺旋槳之中心軸之延長線的周方向延伸之壁部，該壁部係在內側形成朝前述延長線之方向貫通之流路，在前述周方向之設定範圍內，藉由包含前述延長線之虛擬平面所形成之前述壁部之剖面的形狀為翼形，在前述翼形中，形成前述壁部之外周面的外側面係以形成凹陷之方式朝內側彎曲，前述翼形之厚度係隨著從該厚度成為最大之設定位置往後方移動而逐漸地變小，遍及從前述設定位置至翼形之後緣為止的全範圍，前述翼形係滿足|dt/dx|≦0.15，在該不等式中，dx係前述翼形之翼弦方向之位置座標x的微小變化量，dt係前述厚度t相對於dx之微小變化量，|dt/dx|係dt/dx之大小。
2. 如申請專利範圍第1項所述之升力產生體，其中，在前述翼形中，前述外側面與形成前述壁部之內周面的內側面係分別以整體朝前述流路之側彎曲。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之升力產生體，其中，前述壁部係具有前述外周面朝向鉛直下方的下端部分，在前述延長線之方向，該下端部分之長度係比前述壁部之上端部分的長度更小。
4. 如申請專利範圍第3項所述之升力產生體，其中，前述下端部分之前述剖面的形狀為翼形但並未具有前述凹陷，或並非為翼形。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之升力產生體，其中，前述設定範圍係包含前述壁部之外周面朝向斜上方之前述周方向的範圍之至少一部分。
6. 如申請專利範圍第3項所述之升力產生體，其中，前述設定範圍係包含前述壁部之外周面朝向斜上方之前述周方向的範圍之至少一部分。
7. 如申請專利範圍第4項所述之升力產生體，其中，前述設定範圍係包含前述壁部之外周面朝向斜上方之前述周方向的範圍之至少一部分。