JP4012969B2 - 帆装船の帆の最適設定角探索方法 - Google Patents

Description

本発明は、風の利用により船の推進力を増加させることを目的として船体上に複数の帆を設置し、風速、風向、船の推進状態を考慮した上で推進力が最大となるような帆の最適設定角を求めて、これにより船の燃料消費量を減少させようとするものである。

船体上に帆を設置して風により推進力を得るようにした船の運航手段は、古来より存在する形態である。また、船のエンジンを補助するために帆を船体上に設置し、推進力の一部として帆による推力を利用する方法は、既に実船において実現されている。その際に、帆の設定角は、単独帆や複数帆の如何に拘わらず経験により推進力が最大となるであろう状態にするか、または単独帆の性能より求められた最大推進力を発生する帆の設定状態としていた。
その際、複数帆の場合の帆どうしや帆と船体との干渉影響により複数の帆全体の推進力は単独帆により想定される力に比べて減少しているが、その推力減少を低減させる、または帆の干渉影響を利用して推力増加を図る指針は示されていない。
特開昭６０−１３９５９３号公報

本発明は、複数帆が船体上に存在し、帆どうしや船体との干渉影響により単独状態の帆性能と異なる場合に最大推進力を得るための帆装船の帆の最適設定角探索方法を提供することを課題とする。なお、帆が単独で船体上に存在する場合においても本方法により最大推進力を得ることが可能である。

本発明の帆装船の帆の最適設定角探索方法は、船上において船首側から船尾側へ所要の間隔で複数の帆を第１の帆，第２の帆，第３の帆，・・・として順次装備された帆装船の各帆の最適設定角を求めるのに際し、上記の第１の帆，第２の帆，第３の帆，・・・を船体に対する所定の風向において迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、まず第１の帆について最大の推力を得るための船体中心線に対する最適設定角を求め、ついで第１の帆をその船体中心線に対する最適設定角で停止させたまま第２の帆，第３の帆，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、第２の帆について最大の推力を得るための船体中心線に対する最適設定角を求め、以下順次同様の手順により第３の帆以後の帆についてそれぞれの帆が最大の推力を得るための最適設定角を求め、このようにして前記各帆を同方向の推力が得られる範囲内で回転させて各帆の最適設定角を求めることを特徴としている。

また、本発明の帆装船の帆の最適設定角探索方法は、上記複数の帆を備えた模型船を用いて、風洞等により上記模型船に風を当てて上記各帆の上記最適設定角を求めることを特徴としている。

さらに、本発明の帆装船の帆の最適設定角探索方法は、上記複数の帆を備えた実船を係留して、風による係留索の張力を計測することにより上記各帆の上記最適設定角を求めることを特徴としている。

また、本発明の帆装船の帆の最適設定角探索方法は、上記複数の帆を備えた実船の同帆と推進用主機関との併用状態での航走時に、船速を一定に保った際の上記主機関の燃料消費の減少量により上記各帆の上記最適設定角を求めることを特徴としている。

船上において船首側から船尾側へ所要の間隔で第１の帆，第２の帆，第３の帆，・・・として複数の帆が順次装備されていると、各帆の推力は船体との相対関係により変化するほか、帆どうしの相対関係によっても影響を受けるので、各帆を船体に対する所定の風向において迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、まず第１の帆について最大の推力を得るための最適設定角を求めると、その第１の帆についての最適設定角の選定が適切に行われるようになる。なお、上記推力の計測は、帆を支持するマストの根元部における曲げ荷重の計測などにより行うことができる。

ついで、第１の帆をその最適設定角で停止させたまま第２の帆，第３の帆，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、第２の帆について最大の推力を得るための最適設定角を求めることができ、以下同様の手順により第３の帆以降の各帆について最適設定角を順次求めてゆくことができる。

そして、船体に対する所定の風向も、例えば５度ずつ変化させるようにして、それぞれの所定風向における各帆の最適設定角を、最大の推力が得られるように系統的に求めることができる。

また、上記複数の帆を備えた模型船を用いて、風洞実験により船体に対する種々の風向につき各帆の最適設定角を系統的に求めることができる。

さらに、上記複数の帆を備えた実船を岸壁などに係留して、風による係留索の張力を計測することにより各帆の最適設定角を求める場合は、船体の係留状態を変化させることによって船体に対する所定の風向を種々の設定状況に変化させることができるので、各帆の最適設定角について多様なデータを得ることができる。

また、上記複数の帆を備えた実船の同帆と推進用主機関との併用状態での航走時に、船速を一定に保った際の上記主機関の燃料消費の減少量は、上記各帆の推力に対応するので、上記減少量が最大となるときの各帆の設定角が最適のものとして容易に求められるようになる。

風洞内に水槽を設けて、同水槽内に、複数の帆を第１の帆，第２の帆，第３の帆，・・・として順次船首側から船尾側へ所要の間隔で装備された帆装船の模型を係留し、船体に対する所定の風向を複数の係留索の調整により実現することができる。
そして、上記複数の帆を上記所定の風向に対し迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直軸線のまわりに徐々に回転させながら、まず第１の帆について最大の推力を得るための最適設定角を求める。なお、上記推力の計測は、上記係留索の張力測定によって行われる。
ついで、第１の帆をその最適設定角で停止させたまま第２の帆，第３の帆，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、第２の帆について最大の推力を得るための最適設定角を求めることができ、以下順次同様の手順により各帆の最適設定角を求めることができる。
また、船体に対する所定の風向は、上記複数の係留索の調節により順次変更され、このようにして得られる多様なデータに従って、実船における帆の最適設定角への制御が行われる。

図１は本発明方法の実施例１を示す風洞内要部の平面図であって、一様流としての風Ｗの吹く風洞１の内部に水槽２が設置されており、同水槽２内の水面に模型船３が浮かべられて、固定部材４に係留索５，５ａ，５ｂで係留されている。

そして、模型船３の船長方向における係留索５には、張力計６が介装されている。
模型船３は、船上において船首側から船尾側へ所要の間隔で複数の帆を第１の帆６ａ，第２の帆６ｂ，第３の帆６ｃ，第４の帆６ｄの順に備えており、図示しない遠隔制御可能の駆動機構を介して鉛直線のまわりに各帆を同じ回転方向および同じ回転速度で旋回させたり個別に停止させたりできるように構成されている。

上述の設備を用いて、各帆６ａ〜６ｄの最適設定角は次のようにして探索される。
まず、各帆６ａ〜６ｄを船体に対する風Ｗの所定の風向において迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、張力計６を用いて、第１の帆６ａにつき最大の推力を得るための最適設定角（船体中心線に対する角度）αを求める。

ついで、第１の帆６ａを、その最適設定角αで停止させたまま第２の帆６ｂ，第３の帆６ｃ，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、張力計６を用いて第２の帆６ｂにつき最大の推力を得るための最適設定角βを求め、以下順次同様の手順により各帆の最適設定角を求める操作が行われる。

このような帆の最適設定角の探索は、風Ｗに対する模型船３の向きを係留索５ａ，５ｂの調節により順次所要の角度（例えば５度）ずつ変えながら行われ、このようにして得られた各帆６ａ〜６ｄについての多様なデータが実船における帆の制御系に用いられる。

上述の実施例１の帆装船の帆の最適設定角探索方法によれば、各帆６ａ〜６ｄについて、船体との相互干渉および帆どうしの相互干渉による影響を加えた状態で最適設定角を探索することが可能になり、しかも能率よく短時間で探索作業を行うことができる。
なお、この実施例１では模型船が風洞内に設置された水槽の水面に浮かべられているが、喫水線よりも上方の形状のみを有する模型船を風洞内のターンテーブル上に載置して、同模型船に複数の帆をそれぞれ鉛直線のまわりに旋回可能に立設し、上記のターンテーブルと模型船との間にロードセルを介設するようにしてもよい。このような構成の場合も、ターンテーブルの回動調節により模型船に対する相対的な風の向きを変えながら、各帆と船体との相互干渉および帆どうしの相互干渉に配慮した各帆の最適設定角を探索することができる。

図２は本発明方法の実施例２において実船11の岸壁12への係留状態を示す平面図である。この実施例２の場合も、帆装船としての実船11を係留する係留索13〜15のうち、船長方向の係留索15には張力計16が介装されている。

そして、実船11上には船首側から船尾側へ所要の間隔で複数の帆を第１の帆16ａ，第２の帆16ｂ，第３の帆16ｃ，第４の帆16ｄの順に備えており、図示しない遠隔制御可能の駆動機構を介して鉛直線のまわりに各帆を同じ回転方向および同じ回転速度で旋回させたり個別に停止させたりできるように構成されている。

このような構成により、この実施例２における帆装船の帆の最適設定角の探索は、風Ｗを受けて各帆16ａ〜16ｄで発生する推力による船長方向の係留索15の張力を、張力計16にて計測することにより行われる。

まず、各帆16ａ〜16ｄを船体に対する風Ｗの所定の風向において迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、張力計16を用いて、第１の帆16ａにつき最大の推力を得るための最適設定角（船体中心線に対する角度）αを求める。

ついで、第１の帆16ａを、その最適設定角αで停止させたまま第２の帆16ｂ，第３の帆16ｃ，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、張力計16を用いて第２の帆16ｂにつき最大の推力を得るための最適設定角βを求め、以下順次同様の手順により各帆の最適設定角γ，δを求める操作が行われる。

このような帆16ａ〜16ｄの最適設定角α〜δの探索は、風Ｗに対する実船11の向きを係留索13〜15の調節により順次所要の角度（例えば５度）ずつ変えながら行われ、このようにして得られた各帆16ａ〜16ｄについての多様なデータが実船11における帆の制御系に用いられる。

上述のごとく、実施例２における帆装船の帆の最適設定角探索方法の場合も、各帆16ａ〜16ｄについて、船体との相互干渉および帆どうしの相互干渉による影響を加えた状態で最適設定角を探索することが可能になり、しかも能率よく短時間で探索作業を行うことができる。

図３は本発明方法の実施例３において実船21の航走状態を示す船体側面図であり、図４はその船体平面図である。
本実施例では、スクリュープロペラＳを駆動する推進用主機関Ｅを備えた実船21に、船首側から船尾側へ所要の間隔で第１の帆26ａ，第２の帆26ｂ，第３の帆26ｃおよび第４の帆26ｄが立設されており、これらの帆26ａ〜26ｄは図示しない遠隔制御可能の駆動機構を介して鉛直線のまわりに同じ回転方向および同じ回転速度で一斉に旋回させたり個別に停止させたりできるように構成されている。

そして、各帆26ａ〜26ｄと推進用主機関Ｅとの併用状態での航走時に、船速を一定に保った際の主機関Ｅの燃料消費量の減少が燃料消費計27で計測されるようになっており、その減少量は航走状態の実船21に対する相対的な風Ｗを受けて各帆26ａ〜26ｄが推力を発生することによるものであるから、これにより各帆26ａ〜26ｄの最適設定角α，β，γ，δが次のようにして求められる。

すなわち、実船21の航走状態で、各帆26ａ〜26ｄを船体に対する相対的な風Ｗの風向に対し迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させる操作が行われる。そして、燃料消費計27の計測により、まず、第１の帆26ａにつき最大の推力を得るための最適設定角（船体中心線に対する角度α）を求める。

ついで、第１の帆26ａを、その最適設定角αで停止させたまま第２の帆26ｂ，第３の帆26ｃ，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、燃料消費計27を用いて第２の帆26ｂにつき最大の推力を得るための最適設定角βを求め、以下順次同様の手順により各帆26ｃ，26ｄの最適設定角γ，δを求める操作が行われる。

図５は、横軸に船の前進速度を考慮した相対的な風Ｗの向きをとり、縦軸に複数の帆による全推進力をとって、本発明により得られた帆の最適設定角を用いる場合の効果を実験により求めたグラフである。すなわち、船上の各帆について帆どうしの相互干渉にも配慮して本発明により求めた最適設定角を用いる場合の性能曲線Ａの方が、各帆について単独に求めた最適設定角を用いる場合の性能曲線Ｂよりも優れていることが明らかである。
なお、図５において、原点０は船体に対する向かい風状態を示し、横軸のＰ点は船体に対する追い風状態を示している。

図６は、帆装実船において、本発明の方法により探索された帆の最適設定角を適用するための制御系を示している。すなわち、船上の制御器30には、第１の帆36ａおよび第２の帆36ｂについて本発明の方法により予め得られた種々の相対風向に対する最適設定角についてのデータが、データ入力器35から入力されており、制御器30へ風速計31，風向計32および船速計33から時々刻々に入力される計測値に応じて、同制御器30から帆旋回機構34ａ，34ｂおよび主機関37ならびに操舵系38へ所望の船速を保持するための制御信号が送られるようになる。

推進用主機関を備えた帆装船について航海計画をたてる場合は、帆の有効利用が前提となるので、船体に対する種々の相対的風向について本発明により各帆の最適設定角を求めておくことが重要である。このようにして帆の有効利用により主機関の燃料消費量が減少すれば、ＣＯ₂の排出量が減少し、環境負荷の軽減に寄与することができる。

本発明方法の実施例１を示す風洞内要部の平面図である。 本発明方法の実施例２を示す帆装実船の岸壁への係留状態の平面図である。 本発明方法の実施例３を示す帆装実船を示す側面図である。 図３の帆装実船の平面図である。 本発明の方法により得られた帆の最適設定角を用いる場合の効果を従来の場合と比較して示すグラフである。 本発明の方法により得られた帆の最適設定角を用いて帆の制御を行う場合の制御系を示すブロック図である。

符号の説明

１ 風洞
２ 水槽
３ 模型船
４ 固定部材
５ 船長方向係留索
５ａ，５ｂ 係留索
６ 張力計
６ａ 第１の帆
６ｂ 第２の帆
６ｃ 第３の帆
６ｄ 第４の帆
11 実船
12 岸壁
13，14 係留索
15 船長方向係留索
16 張力計
16ａ 第１の帆
16ｂ 第２の帆
16ｃ 第３の帆
16ｄ 第４の帆
21 実船
26ａ 第１の帆
26ｂ 第２の帆
26ｃ 第３の帆
26ｄ 第４の帆
27 燃料消費計
30 制御器
31 風速計
32 風向計
33 船速計
34ａ，34ｂ 帆旋回機構
35 データ入力器
36ａ 第１の帆
36ｂ 第２の帆
37 主機関
38 操舵系
Ｅ 推進用主機関
Ｓ スクリュープロペラ
Ｗ 風

Claims (4)

1. 船上において船首側から船尾側へ所要の間隔で複数の帆を第１の帆，第２の帆，第３の帆，・・・として順次装備された帆装船の各帆の最適設定角を求めるのに際し、上記の第１の帆，第２の帆，第３の帆，・・・を船体に対する所定の風向において迎角ゼロとした初期状態から一斉に同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、まず第１の帆について最大の推力を得るための船体中心線に対する最適設定角を求め、ついで第１の帆をその船体中心線に対する最適設定角で停止させたまま第２の帆，第３の帆，・・・をさらに同じ回転方向および同じ回転速度で鉛直線のまわりに徐々に旋回させながら、第２の帆について最大の推力を得るための船体中心線に対する最適設定角を求め、以下順次同様の手順により第３の帆以後の帆についてそれぞれの帆が最大の推力を得るための最適設定角を求め、このようにして前記各帆を同方向の推力が得られる範囲内で回転させて各帆の最適設定角を求めることを特徴とする、帆装船の帆の最適設定角探索方法。
2. 上記複数の帆を備えた模型船を用いて、風洞等により上記模型船に風を当てて上記各帆の上記最適設定角を求めることを特徴とする、請求項１に記載の帆装船の帆の最適設定角探索方法。
3. 上記複数の帆を備えた実船を係留して、風による係留索の張力を計測することにより上記各帆の上記最適設定角を求めることを特徴とする、請求項１に記載の帆装船の帆の最適設定角探索方法。
4. 上記複数の帆を備えた実船の同帆と推進用主機関との併用状態での航走時に、船速を一定に保った際の上記主機関の燃料消費の減少量により上記各帆の上記最適設定角を求めることを特徴とする、請求項１に記載の帆装船の帆の最適設定角探索方法。

Images