WO2018020749A1 - 船舶 - Google Patents

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WO2018020749A1
WO2018020749A1 PCT/JP2017/014525 JP2017014525W WO2018020749A1 WO 2018020749 A1 WO2018020749 A1 WO 2018020749A1 JP 2017014525 W JP2017014525 W JP 2017014525W WO 2018020749 A1 WO2018020749 A1 WO 2018020749A1
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WO
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propeller
duct
front edge
edge
hull
Prior art date
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PCT/JP2017/014525
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English (en)
French (fr)
Inventor
卓慶 山田
千春 川北
亮 西垣
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/16Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers characterised by being mounted in recesses; with stationary water-guiding elements; Means to prevent fouling of the propeller, e.g. guards, cages or screens

Definitions

  • the present invention relates to a ship capable of improving propeller efficiency.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-145345 for which it applied to Japan on July 25, 2016, and uses the content here.
  • a duct device is arranged on the bow side of a stern part provided with a propeller (for example, refer to Patent Documents 1 and 2).
  • the duct device improves the propulsion performance by efficiently collecting the energy generated inward in the radial direction of the duct device due to the influence of sucking the propeller and the flow of water flowing outside the stern.
  • the propeller and the duct device take into account not only the water flow velocity distribution at the duct placement position generated by the hull, but also the flow velocity and pressure field changes that change due to the operation of the propeller. It is important to fully consider the distance between the two.
  • Patent Document 1 discloses a cylindrical duct device having a wider shape as it goes from the propeller to the bow side.
  • the distance from the front edge of the propeller to the rear edge of the duct device is 15% or less of the diameter D, preferably 10% or less of the diameter D. It is disclosed that it is preferable to arrange the propeller and the duct device close to each other.
  • the present invention provides a ship capable of suppressing a decrease in propulsion performance by suppressing interference between a negative pressure region formed at the front edge of the propeller and the rear edge of the duct device.
  • the ship according to the first aspect of the present invention includes a hull, a propeller that is provided on a stern part of the hull, and rotates around an axis extending in a predetermined direction, and the propeller is more than the propeller.
  • a duct device provided at a portion of the hull located on the bow side and extending in the axial direction of the propeller, and when the diameter of the propeller is D, the rear of the duct device The edge is spaced apart from the front edge of the propeller by 0.2D or more in the axial direction.
  • the rear edge of the duct device is disposed at a distance of 0.2 D or more from the front edge of the propeller in the axial direction of the propeller, thereby being separated from the negative pressure region formed on the front edge side of the propeller. It becomes possible to arrange the trailing edge of the duct device. As a result, interference between the negative pressure region formed in front of the front edge of the propeller and the rear edge of the duct device is suppressed, and the duct device itself does not become a resistance. it can.
  • the front edge of the duct device may be disposed at a distance within 0.5D from the front edge of the propeller in the axial direction.
  • a hull whose outer lower portion is in contact with a liquid containing water, a propeller that is provided at a stern part of the hull and rotates about an axis extending in a predetermined direction;
  • the stern portion is provided in a portion located on the bow side of the hull with respect to the position where the propeller is disposed, extends in the axial direction of the propeller, and flows the liquid flowing in from the front edge to the rear edge.
  • the trailing edge of the propeller is disposed at a distance of D ⁇ (0.15 ⁇ Ct + 0.06) or more in the axial direction from the leading edge of the propeller.
  • Ct T / (rho ⁇ Ap ⁇ V 2 ) (1)
  • T the propeller thrust (N)
  • rho the density of the liquid (kg / m 3 )
  • Ap is the propeller area (m 2 ) obtained with 2 ⁇ r 2 where r is the radius of the propeller
  • the dimensionless value Ct of the degree of load of the propeller is taken into consideration by arranging the rear edge of the duct device at a distance of D ⁇ (0.15 ⁇ Ct + 0.06) or more in the axial direction from the front edge of the propeller.
  • the rear edge of the duct device can be arranged at a position away from the negative pressure region formed on the front edge side of the propeller.
  • the radius of the propeller is R
  • D ⁇ (0... 0 from the front edge of the propeller at the 0.7R position of the propeller toward the bow in the axial direction.
  • the leading edge of the duct may be arranged at a position less than 675 ⁇ Ct + 0.27).
  • the front edge of the duct device at the position of 0.7R of the propeller is less than D ⁇ (0.675 ⁇ Ct + 0.27) from the front edge of the propeller to the bow side in the axial direction.
  • a cross-sectional shape of the duct cut along a plane extending from a rear edge of the duct to a front edge of the duct is a wing shape having a convex inner surface. May be.
  • the lift generated in the duct device has a forward component, and the thrust generation effect by the duct device can be expected.
  • the present invention it is possible to suppress a decrease in propulsion performance by disposing the trailing edge of the guide device at a position separated from the negative pressure region formed at the front edge of the propeller and avoiding an increase in resistance of the guide device. .
  • It is a graph showing the relationship between L 2 / D ( distance L 2 / propeller diameter D) and the non-dimensional value Ct of the load of the propeller constituting the vessel according to the second embodiment. It is a figure which shows typically the simulation result of the positional relationship of the negative pressure area
  • FIG. 1 is an enlarged side view of a stern part of a ship according to a first embodiment of the present invention.
  • C is an axis of the propeller 13 (hereinafter referred to as “axis C”)
  • X is a predetermined direction in which the axis C extends (hereinafter “axis direction X”)
  • D is a diameter of the propeller 13 (hereinafter “ R is a radius of the propeller 13 (hereinafter referred to as “radius r”)
  • L 1 is a distance from the front edge 13A of the propeller 13 to the rear edge 15B of the duct device 15 (hereinafter referred to as “distance L 1 ”).
  • L 2 indicates a distance from the front edge 13A of the propeller 13 to the front edge 15A of the duct device 15 (hereinafter referred to as “distance L 2 ”).
  • the ship 10 includes a hull 11, a propeller 13, and a duct device 15.
  • the hull 11 comes into contact with a liquid containing water at the outer lower part.
  • the hull 11 includes a bow portion (not shown) constituting the bow of the hull 11 and a stern portion 17 constituting the stern of the hull 11.
  • the stern part 17 has the support part insertion part 18 arrange
  • the propeller 13 includes a rotation support portion 21 and a propeller blade 22.
  • the rotation support unit 21 supports the propeller blade 22.
  • the rotation support portion 21 is inserted into the support portion insertion portion 18 and is configured to be rotatable.
  • the propeller blade 22 is disposed outside the rotation support portion 21.
  • the radius r and the diameter D of the propeller 13 can be set as appropriate.
  • the propeller 13 configured as described above rotates about the axis C.
  • FIG. 2 is a perspective view of the duct shown in FIG. 2, the same components as those in the structure shown in FIG. E shown in FIG. 2 indicates a 0-degree dotted line and a line orthogonal to the 90-degree dotted line (hereinafter referred to as “reference line E”).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the duct shown in FIG. 2 in the F 1 -F 2 line direction.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the upper portion of the duct 24 cut by a plane (virtual plane) extending from the rear edge 24B of the duct 24 to the front edge 24A.
  • a plane virtual plane
  • FIG. 4 is a graph for explaining an example of the shape of the duct shown in FIG. 2 within the range of 0 to 90 degrees.
  • the distance from the reference line E to the front edge 24A and the rear edge 24B of the duct 24 is shown using the radius r of the propeller 13 shown in FIG.
  • the angle shown in FIG. 4 corresponds to the angle shown in FIG.
  • the duct device 15 includes a duct 24 and a pair of stays 26.
  • the duct 24 is provided in a portion of the stern portion 17 that is located closer to the bow portion of the hull 11 than the propeller 13.
  • the duct 24 extends in the axial direction X of the propeller 13.
  • the duct 24 has a curved shape in which a cylindrical member is divided in half.
  • the inner surface of the duct 24 faces the outer surface 17a of the stern portion 17.
  • the duct device 15 can sufficiently function, and the propeller efficiency can be improved.
  • the “negative pressure region” in the present invention refers to a pressure lower than the reference pressure when ⁇ ⁇ g ⁇ h ( ⁇ is the density of the fluid, g is the acceleration of gravity, and h is the depth) is the reference pressure. Refers to an area.
  • the duct device 15 takes in the influence of the suction of the propeller 13 by arranging the front edge 15A of the duct device 15 at a distance within 0.5D from the suction surface of the propeller 13 in the axial direction X of the propeller 13. It is possible to arrange the front edge 15A of the duct device 15 at a possible position. Thereby, since the thrust generated in the duct device 15 increases, the propulsion performance can be improved.
  • the shape of the duct 24 may be, for example, a shape in which the curves of the front edge 24A and the rear edge 24B of the duct 24 draw a parabola shown in FIG. Referring to FIG. 4, in the duct 24, the distance from the reference line E to the front edge 24A and the rear edge 24B of the duct 24 is less than r, and the outer shape of the front edge 24A of the duct 24 is the rear edge. It is configured to be larger than the shape of 24B.
  • the distance from the reference line E to the leading edge 24A located at 0 degrees of the duct 24 is smaller than the distance from the reference line E to the leading edge 24A located at 90 degrees of the duct 24.
  • the distance from the reference line E to the trailing edge 24B located at 0 degrees of the duct 24 is smaller than the distance from the reference line E to the trailing edge 24B located at 90 degrees of the duct 24.
  • the distance from the reference line E to the front edge 24A of the duct 24 located in the direction of 0 degrees is 0.76r
  • the distance from the reference line E to the rear edge 24B located in the direction of 0 degrees is 0.62r
  • the distance from the reference line E to the rear edge 24B of the duct 24 located in the direction of 45 degrees The distance from the reference line E to the leading edge 24A of the duct 24 located 90 degrees from the reference line E is 0.93r
  • the radial difference between the leading edge 24A and the trailing edge 24B is maximized at the 0 degree position, and the radial difference between the leading edge 24A and the trailing edge 24B is minimized at the 90 degree position.
  • the cross-sectional shape of the duct 24 cut in the direction from the rear edge 24B to the front edge 24A of the duct 24 may be, for example, a blade shape (see FIG. 3) having a convex inner surface.
  • the shape of the duct 24 shown in FIGS. 2 to 4 is an example, and is not limited to the shape of the duct 24 shown in FIGS.
  • the pair of stays 26 connect the duct 24 and the stern portion 17.
  • the pair of stays 26 are arranged in the horizontal direction inside the duct 24.
  • the cross-sectional shape of the stay 26 cut along a virtual plane from the rear edge 24B of the duct 24 toward the front edge 24A may be, for example, a wing shape.
  • the pair of stays 26 are arranged in the horizontal direction inside the duct 24 as an example.
  • the arrangement position of the stays 26 is limited to this. Not.
  • the rear edge 15B of the duct device 15 when the diameter of the propeller 13 is D, the rear edge 15B of the duct device 15 is placed at a position separated from the front edge 13A of the propeller 13 by 0.2D or more in the axial direction X.
  • the rear edge 15B of the duct device 15 can be disposed at a position away from the negative pressure region formed on the negative pressure surface of the propeller 13.
  • the dimensionless value Ct of the propeller load degree is simply described as “load degree Ct”.
  • the horizontal axis in FIG. 5 represents the combination of the three ships and the propeller applied to the simulation, that is, the simulation input.
  • the vertical axis in FIG. 5 represents the boundary of the negative pressure region obtained from the pressure field calculated in this simulation, that is, the output of the simulation.
  • FIG. 5 shows the relationship between the load degree Ct and the minimum L 1 / D from the three simulation results.
  • the dimensionless value Ct of the propeller load degree is simply described as “load degree Ct”.
  • the horizontal axis in FIG. 6 is a combination of two ships and a propeller applied to the simulation, that is, an input of the simulation.
  • the horizontal axis of FIG. 6 is a value calculated by reading a position where the difference in the flow velocity between propellers becomes small from the simulation.
  • FIG. 6 shows the relationship between the load degree Ct and the maximum L 2 / D from two simulation results.
  • the ship according to the second embodiment takes into account the dimensionless value Ct of the degree of load of the propeller 13 (hereinafter simply referred to as “the degree of load Ct of the propeller 13”), whereby the distances L 1 and L 2 shown in FIG. Except for the equation for obtaining the difference from the vessel 10 of the first embodiment, the configuration is the same as that of the vessel 10.
  • a method for calculating the distances L 1 and L 2 of the ship according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 1, FIG. 5, and FIG.
  • an approximate curve Q1 represented by the following formula (2) was obtained by the least square method.
  • Q1 0.15 ⁇ Ct + 0.06
  • the approximate curve Q1 is a coefficient in which the load degree Ct of the propeller 13 is taken into consideration.
  • the load degree Ct of the propeller 13 can be calculated by the following equation (3).
  • Ct T / (rho ⁇ Ap ⁇ V 2 ) (3)
  • T is the thrust (N) of the propeller 13
  • rho is the density (kg / m 3 ) of the liquid (water, seawater, etc.)
  • Ap is the propeller area obtained by 2 ⁇ r 2 when r is the radius of the propeller 13 ( m 2 )
  • V is the moving speed (m / s) of the hull 11.
  • the region above the approximate curve Q ⁇ b> 1 suppresses interference between the negative pressure region formed in front of the suction surface of the propeller 13 and the rear edge 15 ⁇ / b> B of the duct device 15.
  • the region below the approximate curve Q1 is a region where the negative pressure region formed in front of the suction surface of the propeller 13 and the rear edge 15B of the duct device 15 can be improved. It is an area where interference cannot be expected to improve the duct thrust effect of the duct device 15. That is, the rear edge 15B of the duct device 15 may be arranged so that the distance L 1 > D ⁇ Q1.
  • the load degree of the propeller 13 In consideration of Ct, interference between the negative pressure region formed in front of the suction surface of the propeller 13 and the rear edge 15B of the duct device 15 is suppressed, so that the duct thrust effect of the duct device 15 can be improved. it can.
  • the region below the approximate curve Q2 is a region where the influence of the suction of the propeller 13 can be taken in by the duct device 15, and the region above the approximate curve Q2 is This is an area where it is difficult to take in the influence of sucking the propeller by the duct device 15. That is, the front edge 15A of the duct device 15 may be arranged so that the distance L 2 ⁇ D ⁇ Q2.
  • the rear edge 15B of the duct device 15 is arranged in the axial direction X from the front edge 13A of the propeller 13 so that the distance L 2 > 0.675 ⁇ Ct + 0.27, so that the load degree of the propeller 13 is taken into consideration. Since the influence of the suction of the propeller 13 can be taken in by the duct device 15, the propeller efficiency can be improved.
  • the rear edge 15B of the duct device 15 is arranged in the axial direction X from the suction surface of the propeller 13 such that the distance L 1 > D ⁇ (0.15 ⁇ Ct + 0.06).
  • the case where the duct 24 having a half-shaped tubular member is used has been described as an example.
  • a duct having a tubular shape is used. It may be used. In this case as well, the same effect as the ship of the first and second embodiments can be obtained.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a simulation result of the position of the negative pressure region formed at the front edge of the propeller in the ship of the example and the change of the pressure distribution line at the upper part of the duct.
  • a 1 and A 2 are negative pressure regions (hereinafter referred to as “negative pressure regions A 1 and A 2 ”)
  • B 1 to B 3 are pressure distribution lines (hereinafter referred to as “pressure distribution lines B 1 to B”). 3 ").
  • a negative pressure region A 1 having a low pressure is formed in the vicinity of the front edge 13A of the propeller 13, and the negative pressure region A 1 is formed outside the negative pressure region A 1.
  • negative pressure region a 2 is formed of high pressure, it was confirmed that the is not formed a negative pressure region in 0.2D spaced locations in the axial direction X from the front edge 13A of the propeller 13.
  • each of the pressure distribution lines B 1 to B 3 moves to the bow side on the inner side of the duct 24 than the position on the outer side of the duct 24.
  • This simulation was for confirming the change in the flow rate of water due to the operation of the propeller 13, and was carried out without the duct 24 attached.
  • the distance X from the position of the propeller 13 increases, that is, as the distance from the propeller 13 increases, the influence of the propeller 13 decreases, and the difference between the presence and absence of the propeller 13 decreases.
  • the distance X 0 is the position of the propeller 13, and when the value of the distance X is positive, it means that the position is in the bow direction from the propeller 13.
  • the present invention is applicable to a ship equipped with a propeller.

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Abstract

船尾部(17)のうち、プロペラ(13)よりも船体(11)の船首部側に位置する部分に設けられ、プロペラ(13)のX方向に延在しており、前縁(15A)から流入する水を後縁(15B)からプロペラ(13)に排出するダクト装置(15)を備え、プロペラ(13)の直径を(D)としたときに、プロペラ(13)の前縁(13A)から軸線(C)方向に0.2D以上離間した位置にダクト装置(15)の後縁(15B)を配置させる。

Description

船舶
 本発明は、プロペラ効率を向上させることの可能な船舶に関する。
 本願は、2016年7月25日に、日本に出願された特願2016-145345号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 従来、船舶において、プロペラが設けられた船尾部の船首部側に、ダクト装置を配置することが行われている(例えば、特許文献1,2参照。)。
 ダクト装置は、プロペラの吸い込みの影響と船尾部外側を流れる水の流れにより、ダクト装置の半径方向内側向きに発生するエネルギーを効率良く回収して推進性能を向上させる。
 ダクト装置の効果を最大限に発揮させるためには、船体の生成するダクト配置位置の水の流速分布だけでなく、プロペラの作動によって変化する流速や圧力場の変化を加味し、プロペラとダクト装置との間の距離と、を十分に考慮することが重要となる。
 特許文献1には、プロペラから船首部側に向かうにつれて、幅広形状とされた筒状のダクト装置が開示されている。特許文献1には、プロペラの直径をDとした場合、プロペラの前縁からダクト装置の後縁までの距離を、直径Dの15%以下、好ましくは直径Dの10%以下となるように、プロペラとダクト装置とを近接配置させることが好ましいことが開示されている。
国際公開第2013/014938号 特開2015-127179号公報
 しかしながら、特許文献1のように、プロペラの直径Dを基準として、プロペラの前縁からダクト装置の後縁までの距離を決定し、プロペラとダクト装置とを近接させて配置させる場合、プロペラの前縁に形成される負圧領域にダクト装置の後縁が配置されてしまうため、ダクト装置自体が抵抗となり、推進性能の低下が懸念される。
 そこで、本発明は、プロペラの前縁に形成される負圧領域とダクト装置の後縁との干渉を抑制して、推進性能の低下を抑制可能な船舶を提供する。
 本発明の第1の態様に係る船舶は、船体と、前記船体の船尾部に設けられており、所定方向に延在する軸線回りに回転するプロペラと、前記船尾部のうち、前記プロペラよりも前記船体の船首部側に位置する部分に設けられ、前記プロペラの軸線方向に延在して配置されるダクト装置と、を備え、前記プロペラの直径をDとしたときに、前記ダクト装置の後縁は、前記プロペラの前縁から前記軸線方向に0.2D以上離間して配置させる。
 本発明によれば、ダクト装置の後縁をプロペラの前縁からプロペラの軸線方向に0.2D以上離間して配置させることで、プロペラの前縁側に形成される負圧領域から離間した位置にダクト装置の後縁を配置することが可能となる。これにより、プロペラの前縁の前方に形成される負圧領域とダクト装置の後縁との干渉が抑制され、ダクト装置自体が抵抗になることがなくなるため、ダクト装置により推進性能の低下を抑制できる。
 また、上記本発明の一態様に係る船舶において、前記ダクト装置の前縁は、前記プロペラの前縁から前記軸線方向に0.5D以内の距離に配置させてもよい。
 このように、ダクト装置の前縁をプロペラの前縁からプロペラの軸線方向に0.5D以内の距離で配置させることにより、ダクト装置によりプロペラの吸い込みの影響を取り込むことが可能となるので、ダクト装置の発生する推力が増加し、推進性能の向上が期待できる。
 また、上記本発明の一態様に係る船舶において、外側下部が水を含む液体と接触する船体と、前記船体の船尾部に設けられており、所定方向に延在する軸線回りに回転するプロペラと、前記船尾部のうち、前記プロペラの配設位置よりも前記船体の船首側に位置する部分に設けられ、前記プロペラの軸線方向に延在しており、前縁から流入する前記液体を後縁から前記プロペラに排出するダクト装置と、を備え、前記プロペラの直径をD(m)、下記(1)式で示される前記プロペラの荷重度の無次元値をCtとしたときに、前記ダクト装置の後縁は、前記プロペラの前縁から前記軸線方向にD・(0.15・Ct+0.06)以上離間させて配置する。
 Ct=T/(rho・Ap・V)・・・(1)
 但し、Tは前記プロペラの推力(N)、rhoは前記液体の密度(kg/m)、Apは前記プロペラの半径をrとしたときに2πrで得られるプロペラ面積(m)、Vは前記船体の移動速度(m/s)である。
 このように、ダクト装置の後縁をプロペラの前縁から前記軸線方向にD・(0.15・Ct+0.06)以上離間させて配置することで、プロペラの荷重度の無次元値Ctを考慮した上で、プロペラの前縁側に形成される負圧領域から離間した位置にダクト装置の後縁を配置することが可能となる。これにより、プロペラの前縁の前方に形成される負圧領域とダクト装置の後縁との干渉が抑制されて、ダクト装置自体が抵抗になることがなくなるため、推進性能の低下を抑制できる。
 また、上記本発明の一態様に係る船舶において、前記プロペラの半径をRとしたとき、前記プロペラの0.7Rの位置における前記プロペラの前縁から前記軸線方向の船首側にD・(0.675・Ct+0.27)未満の位置に、該ダクトの前縁を配置してもよい。
 このように、プロペラの半径をRとしたとき、プロペラの0.7Rの位置におけるダクト装置の前縁をプロペラの前縁から軸線方向の船首側にD・(0.675・Ct+0.27)未満の位置に配置することで、プロペラの荷重度の無次元値Ctを考慮した上で、ダクト装置の推力発生効果にプロペラの吸い込みの影響を取り込むことが可能となるため、推進性能を向上させることができる。
 また、上記本発明の一態様に係る船舶において、前記ダクトの後縁から前記ダクトの前縁に延在する平面で切断された前記ダクトの断面形状は、内側面が凸となる翼形状であってもよい。
 このように、ダクトの断面形状を翼形状とすることにより、ダクト装置に発生する揚力が前方成分を有し、ダクト装置による推力発生効果が期待できる。
 本発明によれば、プロペラの前縁に形成される負圧領域から離間した位置にガイド装置の後縁を配置して、ガイド装置の抵抗増加を回避することにより、推進性能の低下を抑制できる。
本発明の第1の実施形態に係る船舶の船尾部を拡大した側面図である。 図1に示すダクトの斜視図である。 図2に示すダクトのF-F線方向の断面図である。 図2に示すダクトの0度~90度の範囲内の形状の一例を説明するためのグラフである。 第2の実施形態に係る船舶を構成するL/D(=距離L/プロペラの直径D)とプロペラの荷重度の無次元値Ctとの関係を示すグラフである。 第2の実施形態に係る船舶を構成するL/D(=距離L/プロペラの直径D)とプロペラの荷重度の無次元値Ctとの関係を示すグラフである。 プロペラの前縁に形成される負圧領域とダクトとの位置関係のシミュレーション結果を模式的に示す図である。 プロペラが有る場合と無い場合において、プロペラからの距離X=0の場合における水の流速の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。 プロペラが有る場合と無い場合において、プロペラからの距離X=0.2Dの場合における水の流速の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。 プロペラが有る場合と無い場合において、プロペラからの距離X=0.5Dにおける水の流速の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。
 以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の船舶及びダクト装置の寸法関係とは異なる場合がある。
〔第1の実施形態〕
 図1は、本発明の第1の実施形態に係る船舶の船尾部を拡大した側面図である。図1において、Cはプロペラ13の軸線(以下、「軸線C」という)、Xは軸線Cが延在する所定方向(以下、「軸線方向X」)、Dはプロペラ13の直径(以下、「直径D」という)、rはプロペラ13の半径(以下、「半径r」という)、Lはプロペラ13の前縁13Aからダクト装置15の後縁15Bまでの距離(以下、「距離L」という)、Lはプロペラ13の前縁13Aからダクト装置15の前縁15Aまでの距離(以下、「距離L」という)をそれぞれ示している。
 図1を参照するに、第1の実施形態の船舶10は、船体11と、プロペラ13と、ダクト装置15と、を有する。
 船体11は、外側下部が水を含む液体と接触する。船体11は、船体11の船首を構成する船首部(図示せず)と、船体11の船尾を構成する船尾部17と、を含む。船尾部17は、後端に配置された支持部挿入部18を有する。
 プロペラ13は、回転支持部21と、プロペラ翼22と、を有する。回転支持部21は、プロペラ翼22を支持している。回転支持部21は、支持部挿入部18に挿入されており、回転可能な構成とされている。
 プロペラ翼22は、回転支持部21の外側に配置されている。プロペラ13の半径r、及び直径Dは、適宜設定することが可能である。上記構成とされたプロペラ13は、軸線C回りに回転する。
 図2は、図1に示すダクトの斜視図である。図2において、図1に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。図2に示すEは、0度の点線及び90度の点線と直交する線(以下、「基準線E」という)を示している。
 図3は、図2に示すダクトのF-F線方向の断面図である。図3は、ダクト24の後縁24Bから前縁24Aに延在する平面(仮想平面)で切断されたダクト24の上部の断面図である。図3において、図2に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
 図4は、図2に示すダクトの0度~90度の範囲内の形状の一例を説明するためのグラフである。図4に示すグラフでは、図1に示すプロペラ13の半径rを用いて、基準線Eからダクト24の前縁24A及び後縁24Bまでの距離を示している。図4に示す角度は、図2に示す角度に対応している。
 図1~図4を参照するに、ダクト装置15は、ダクト24と、一対のステー26と、を有する。
 ダクト24は、船尾部17のうち、プロペラの13よりも船体11の船首部側に位置する部分に設けられている。ダクト24は、プロペラ13の軸線方向Xに延在している。ダクト24は、筒状の部材を半割した湾曲形状とされている。ダクト24の内面は、船尾部17の外面17aと対向している。
 ダクト24は、船首部側に配置され、ダクト装置15の前縁15Aとなる前縁24Aと、プロペラ13側に配置され、ダクト装置15の後縁15Bとなる後縁24Bと、を有する。ダクト装置15の後縁15Bは、軸線方向Xにおける距離Lが0.2D(=0.2×直径D)以上となる位置に配置されている。
 なお、軸線方向Xにおける距離Lにおいて、プロペラ13の前縁13Aの基準位置は、プロペラ13の半径をRとしたとき、プロペラ13の0.7Rの位置である。
 このように、プロペラ13の前縁13Aから軸線方向Xに0.2D以上離間させた位置にダクト装置15の後縁15Bを配置させることで、プロペラ13の負圧面側に形成される負圧領域から離間した位置にダクト装置15の後縁15Bを配置することが可能となる。
 これにより、プロペラ13の前縁13A側に形成される負圧領域とダクト装置15の後縁との干渉が抑制されるため、ダクト装置15が抵抗になることが抑制される。よって、ダクト装置15を十分に機能させることが可能となるので、プロペラ効率を向上できる。
 なお、本発明における「負圧領域」とは、ρ・g・h(ρは流体の密度、gは重力加速度、hは深度)を基準圧力とした場合において、該基準圧力よりも低い圧力の領域のことをいう。
 ダクト装置15の前縁15Aは、例えば、軸線方向Xの船首側における距離Lが0.5D(=0.5×直径D)以内となる位置に配置するとよい。言い換えれば、軸線方向Xにおける距離Lにおいて、プロペラ13の前縁13Aの基準位置は、プロペラ13の半径をRとしたとき、プロペラ13の0.7Rの位置にするとよい。
 このように、ダクト装置15の前縁15Aをプロペラ13の負圧面からプロペラ13の軸線方向Xに0.5D以内の距離に配置させることで、ダクト装置15がプロペラ13の吸い込みの影響を取り込むことの可能な位置にダクト装置15の前縁15Aを配置させることが可能となる。これにより、ダクト装置15に発生する推力が増加するため、推進性能を向上させることができる。
 ダクト24の形状は、例えば、ダクト24の前縁24A及び後縁24Bの曲線が図4に示す放物線を描く形状にしてもよい。図4を参照するに、ダクト24は、基準線Eからダクト24の前縁24A及び後縁24Bまでの距離がr未満とされており、かつダクト24の前縁24Aの外形の方が後縁24Bの形状よりも大きくなるように構成されている。
 基準線Eからダクト24の0度に位置する前縁24Aまでの距離は、基準線Eからダクト24の90度に位置する前縁24Aまでの距離よりも小さい。また、基準線Eからダクト24の0度に位置する後縁24Bまでの距離は、基準線Eからダクト24の90度に位置する後縁24Bまでの距離よりも小さい。
 図4では、一例として、基準線Eから0度の方向に位置するダクト24の前縁24Aまでの距離を0.76r、基準線Eから0度の方向に位置する後縁24Bまでの距離を0.62r、基準線Eから45度の方向に位置するダクト24の前縁24Aまでの距離を0.82r、基準線Eから45度の方向に位置するダクト24の後縁24Bまでの距離を0.74r、基準線Eから90度の方向に位置するダクト24の前縁24Aまでの距離を0.93r、基準線Eから90度の方向に位置するダクト24の後縁24Bまでの距離を0.88rとしている。
 このため、0度の位置において、前縁24A及び後縁24Bの半径方向の差が最大となり、90度の位置において、前縁24A及び後縁24Bの半径方向の差が最小となる。
 また、ダクト24の後縁24Bから前縁24Aに向かう方向で切断されたダクト24の断面形状は、例えば、内側面が凸となる翼形状(図3参照)であってもよい。このように、ダクト24の断面形状を内側面が凸となる翼形状とすることにより、液体と相互作用によって効率良く揚力を得ることができる。
 なお、図2~図4に示すダクト24の形状は、一例であって、図2~図4に示すダクト24の形状に限定されない。
 一対のステー26は、ダクト24と船尾部17とを連結している。一対のステー26は、ダクト24の内側において、水平方向に配置されている。ダクト24の後縁24Bから前縁24Aに向かう仮想平面で切断されたステー26の断面形状は、例えば、翼形状であってもよい。
 なお、第1の実施形態では、一例として、ダクト24の内側において、水平方向に一対のステー26を配置させた場合を例に挙げて説明したが、ステー26の配設位置は、これに限定されない。
 第1の実施形態の船舶10によれば、プロペラ13の直径をDとしたときに、プロペラ13の前縁13Aから軸線方向Xに0.2D以上離間した位置にダクト装置15の後縁15Bを配置させることで、プロペラ13の負圧面に形成される負圧領域から離間した位置にダクト装置15の後縁15Bを配置させることが可能となる。これにより、プロペラ13の負圧面の前方に形成される負圧領域とダクト装置15の後縁15Bとの干渉が抑制されるため、プロペラ効率を向上させることができる。
 〔第2の実施形態〕
 図5は、第2の実施形態に係る船舶を構成するL/D(=距離L/プロペラの直径D)とプロペラの荷重度の無次元値Ctとの関係を示すグラフである。なお、図5では、プロペラの荷重度の無次元値Ctを、単に「荷重度Ct」として記載する。また、図5の横軸は、シミュレーションに適用した3つの船とプロペラの組み合わせ、即ちシミュレーションのインプットである。また、図5の縦軸は、このシミュレーションで計算された圧力場からよみとって得られた負圧領域の境目、即ちシミュレーションのアウトプットを示している。図5では、3つのシミュレーション結果から、荷重度Ctと最小L/Dとの関係を示す。
 図6は、第2の実施形態に係る船舶を構成するL/D(=距離L/プロペラの直径D)とプロペラの荷重度の無次元値Ctとの関係を示すグラフである。なお、図6では、プロペラの荷重度の無次元値Ctを、単に「荷重度Ct」として記載する。また、図6の横軸は、シミュレーションに適用した2つの船とプロペラの組み合わせ、即ちシミュレーションのインプットである。図6の横軸は、流速のプロペラ有無間の差が小さくなる位置をシミュレーションから読み取り、算出した値である。図6では、2つのシミュレーション結果から荷重度Ctと最大L/Dとの関係を示している。
 第2の実施形態に係る船舶は、プロペラ13の荷重度の無次元値Ct(以下、単に「プロペラ13の荷重度Ct」という)を考慮することで、図1に示す距離L,Lを求める式が第1の実施形態の船舶10と異なる以外は、船舶10と同様な構成とされている。そこで、図1、図5、及び図6を参照して、第2の実施形態の船舶の距離L,Lの算出方法について説明する。
 上記3つの点P~Pの値を用いて、最小二乗法により下記式(2)で示される近似曲線Q1を得た。
 Q1=0.15・Ct+0.06 ・・・(2)
 この近似曲線Q1は、プロペラ13の荷重度Ctが考慮された係数となる。
 また、プロペラ13の荷重度Ctは、下記(3)式により算出することが可能である。
 Ct=T/(rho・Ap・V)・・・(3)
 但し、Tはプロペラ13の推力(N)、rhoは液体(水や海水等)の密度(kg/m)、Apはプロペラ13の半径をrとしたときに2πrで得られるプロペラ面積(m)、Vは船体11の移動速度(m/s)である。
 図5に示すグラフにおいて、上記近似曲線Q1よりも上側の領域が、プロペラ13の負圧面の前方に形成される負圧領域とダクト装置15の後縁15Bとの干渉が抑制され、ダクト装置15のダクト推力効果を向上させることができる領域であり、上記近似曲線Q1よりも下側の領域が、プロペラ13の負圧面の前方に形成される負圧領域とダクト装置15の後縁15Bとが干渉して、ダクト装置15のダクト推力効果の向上が望めない領域である。つまり、距離L>D・Q1となるように、ダクト装置15の後縁15Bを配置させるとよい。
 したがって、ダクト装置15の後縁15Bをプロペラ13の負圧面から軸線方向Xに、距離L>D・(0.15・Ct+0.06)となるように配置することで、プロペラ13の荷重度Ctを考慮した上で、プロペラ13の負圧面の前方に形成される負圧領域とダクト装置15の後縁15Bとの干渉が抑制されるため、ダクト装置15のダクト推力効果を向上させることができる。
 その後、上記2つの点P,Pを用いて、最小二乗法により下記式(4)で示される近似曲線Q2を得た。
 Q2=0.675・Ct+0.27 ・・・(4)
 この近似曲線Q2は、プロペラ13の荷重度Ctが考慮された係数となる。
 図6に示すグラフにおいて、上記近似曲線Q2よりも下側の領域が、ダクト装置15によりプロペラ13の吸い込みの影響を取り込むことが可能な領域であり、上記近似曲線Q2よりも上側の領域が、ダクト装置15によりプロペラの吸い込みの影響を取り込むことが困難な領域である。つまり、距離L<D・Q2となるように、ダクト装置15の前縁15Aを配置させるとよい。
 したがって、ダクト装置15の後縁15Bをプロペラ13の前縁13Aから軸線方向Xに、距離L>0.675・Ct+0.27となるように配置することで、プロペラ13の荷重度を考慮した上で、ダクト装置15によりプロペラ13の吸い込みの影響を取り込むことが可能となるので、プロペラ効率を向上させることができる。
 第2の実施形態の船舶によれば、ダクト装置15の後縁15Bをプロペラ13の負圧面から軸線方向Xに、距離L>D・(0.15・Ct+0.06)となるように配置することで、プロペラ13の荷重度Ctを考慮した上で、プロペラ13の前縁13Aの前方に形成される負圧領域とダクト装置15の後縁15Bとの干渉が抑制されるため、ダクト装置15によりダクト推力効果を向上させることができる。
 以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
 例えば、第1及び第2の実施形態では、筒状部材を半割した形状とされたダクト24を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに替えて、筒形状とされたダクトを用いてもよい。この場合も第1及び第2の実施形態の船舶と同様な効果を得ることができる。
 以下、実施例及び実験例について説明する。本発明は、下記実施例及び実験例に限定されない。
 (実施例)
 実施例では、図1に示す船舶10において、距離L1を0.2Dとし、距離L2を0.5Dとした場合において、プロペラ13の前縁13Aに形成される負圧領域の位置、及びダクト24の上部における圧力分布線の変化について、シミュレーションした。この結果を図9に模式的に図示する。
 図7は、実施例の船舶におけるプロペラの前縁に形成される負圧領域の位置、及びダクトの上部における圧力分布線の変化のシミュレーション結果を模式的に示す図である。図7において、図1に示す船舶10と同一構成部分には、同一符号を付す。図7では、説明の便宜上、ステー26の図示を省略するとともに、ダクト24を断面で図示する。図7において、A,Aは負圧領域(以下、「負圧領域A,A」という)、B~Bは、圧力分布線(以下、「圧力分布線B~B」という)をそれぞれ示している。
 上記シミュレーションは、Ansys Fluent ver.14.5にて非定常CFD解析を用いて実施した。
 図7に示すように、上記条件を用いて、シミュレーションを行った結果、プロペラ13の前縁13Aの近傍に圧力の低い負圧領域Aが形成され、その外側に負圧領域Aよりも圧力の高い負圧領域Aが形成され、プロペラ13の前縁13Aから軸線方向Xに0.2D離間した位置では負圧領域が形成されないことが確認できた。
 このことから、プロペラ13の前縁13Aから軸線方向Xに0.2D離間した位置にダクト装置15の後縁15Bを配置することで、負圧領域A,Aとダクト24との干渉を抑制可能なことが確認できた。
 また、図7に示すように、各圧力分布線B~Bの位置は、ダクト24の内側において、ダクト24の外側の位置よりも船首部側に移動する。
 (実験例)
 実験例では、図1に示す船舶10のプロペラ13が有る場合と無い場合において、プロペラ13からの距離Xが0(m)、0.2D(m)、0.5D(m)のときに、水の流速の変化をシミュレーションした。
 このシミュレーションは、プロペラ13の作動による水の流速の変化を確認するためのものであり、ダクト24を取り付けていない状態で実施した。このシミュレーションでは、プロペラ13の位置からの距離Xが大きいほど、すなわちプロペラ13から離れるほどプロペラ13の影響が小さくなり、プロペラ13の有無での差異が小さくなる。なお、距離X=0がプロペラ13の位置となり、距離Xの値が正の場合には、プロペラ13から船首方向の位置であることを意味している。
 このとき、シミュレーションソフト及びシミュレーション条件は、上述した実施例と同じソフト及び同じ条件を用いた。上記シミュレーションの結果を図8~図10に示す。
 図8は、プロペラが有る場合と無い場合において、プロペラからの距離X=0の場合における水の流速の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。図9は、プロペラが有る場合と無い場合において、プロペラからの距離X=0.2Dの場合における水の流速の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。図10は、プロペラが有る場合と無い場合において、プロペラからの距離X=0.5Dにおける水の流速の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。図8~図10において、横軸は、プロペラ位置からの前方方向の距離を示しており、縦軸は、水の流速を示している。また、横軸に記載した角度は、図2に示す角度に対応している。
 図8及び図9を参照するに、距離Lが0または0.2Dのときには、プロペラ13が有る場合の方が、プロペラ13が無い場合よりも全体的に水の流速が速いことが分かった。この結果から、距離Lが0~0.2Dの範囲内では、プロペラ13の吸い込みの影響が大きいことが分かった。
 一方、図10を参照するに、距離Lが0.5Dのときには、角度が15度以下の範囲内においては、プロペラ13の有無による水の流速の差がほとんどないことが分かった。
 上述した実施例及び実験例の結果から、プロペラ13の負圧面からダクト24の後縁24Bまでの距離Lは、0.2D以上にすると、プロペラ13の負圧面に形成された負圧領域A,Aとダクト24の後縁24Bとの干渉が抑制されるため、ダクト推力効果を高めることが可能であることが確認できた。
 また、上記結果から、ダクト24の後縁24B(ダクト装置15の後縁15B)は、距離Lが0.2D以上となる位置に配置することが好ましいことが確認できた。
 本発明は、プロペラを備えた船舶に適用可能である。
 10  船舶
 11  船体
 13  プロペラ
 13A,15A,24A  前縁
 15  ダクト装置
 15B,24B  後縁
 17  船尾部
 17a  外面
 18  支持部挿入部
 21  回転支持部
 22  プロペラ翼
 24  ダクト
 26  ステー
 A,A  負圧領域
 B~B  圧力分布線
 C  軸線
 D  直径
 E  基準線
 L,L  距離、
 P~P  点
 Q1,Q2  近似曲線
 X  軸線方向

Claims (5)

  1.  船体と、
     前記船体の船尾部に設けられており、所定方向に延在する軸線回りに回転するプロペラと、
     前記船尾部のうち、前記プロペラよりも前記船体の船首部側に位置する部分に設けられ、前記プロペラの軸線方向に延在して配置されるダクト装置と、
     を備え、
     前記プロペラの直径をDとしたときに、前記ダクト装置の後縁は、前記プロペラの前縁から前記軸線方向に0.2D以上離間して配置させることを特徴とする船舶。
  2.  前記ダクト装置の前縁は、前記プロペラの前縁から前記軸線方向に0.5D以内の距離に配置させることを特徴とする請求項1記載の船舶。
  3.  外側下部が水を含む液体と接触する船体と、
     前記船体の船尾部に設けられており、所定方向に延在する軸線回りに回転するプロペラと、
     前記船尾部のうち、前記プロペラの配設位置よりも前記船体の船首側に位置する部分に設けられ、前記プロペラの軸線方向に延在しており、前縁から流入する前記液体を後縁から前記プロペラに排出するダクト装置と、
     を備え、
     前記プロペラの直径をD(m)、下記(1)式で示される前記プロペラの荷重度の無次元値をCtとしたときに、前記ダクト装置の後縁は、前記プロペラの前縁から前記軸線方向にD・(0.15・Ct+0.06)以上離間させて配置することを特徴とする船舶。
     Ct=T/(rho・Ap・V)・・・(1)
     但し、Tは前記プロペラの推力(N)、rhoは前記液体の密度(kg/m)、Apは前記プロペラの半径をrとしたときに2πrで得られるプロペラ面積(m)、Vは前記船体の移動速度(m/s)である。
  4.  前記プロペラの半径をRとしたとき、前記プロペラの0.7Rの位置における前記プロペラの前縁から前記軸線方向の船首側にD・(0.675・Ct+0.27)未満の位置に、該ダクトの前縁を配置することを特徴とする請求項3記載の船舶。
  5.  前記ダクトの後縁から前記ダクトの前縁に延在する平面で切断された前記ダクトの断面形状は、翼形状であることを特徴とする請求項1ないし4のうち、いずれか1項記載の船舶。
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