JP6021678B2 - ダクト装置及びそれを用いた船舶 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の船尾部において、プロペラに流入する水流に変化を与えるダクト装置に関する。

船舶の推進効率を向上するためのデバイスとして、プロペラの前方にダクトを配置する技術が知られている。特許文献１は、そのような技術の一例を示す。

特開２００８−１３７４６２号公報

図１に、参考技術として、プロペラ前方に配置するダクトの一例を示す。船舶１０１の船尾部１０２に、プロペラ１０３及び舵１０４が配置される。プロペラ１０３の前方に、ダクト１０５が配置される。ダクト１０５は、概ねプロペラ１０３の回転軸を中心とする円環形状を有する。ダクト１０５の船首方向の端部は、船尾方向の端部よりも径が大きい。

図２は、図１の領域１０６におけるダクト１０５の拡大図である。ダクト１０５の周方向に垂直な断面は、翼形状を有する。翼の前縁が船首側、後縁が船尾側に配置される。ダクト１０５の内周側、すなわちプロペラの回転軸に近い側が負圧面１０７であり、外周側が正圧面１０８である。ダクト１０５は、翼弦線がプロペラ１０３の回転軸に対して角度θをなして船尾側に向かって内側に傾くように形成される。

図２において、プロペラ１０３の回転軸に対して角度Ψ＝α＋θで船尾部１０２における水流がダクト１０５に流入する。αは、翼断面形状を有するダクト１０５に対する水流の迎角である。この水流により、ダクト１０５が流れに垂直な揚力ｆ１０１と、流れに平行な抗力ｆ１０２とを発生する。揚力ｆ１０１と抗力ｆ１０２の合力ｆ１０３の船首方向の成分が、ダクト１０５に働く推進力となる。

このように、ダクト１０５は推進力を生み出すことができる。プロペラの前方にダクトを設ける技術において、更に推進効率を向上することが望まれる。

本発明の一実施形態において、ダクト装置は、船舶の船尾部においてプロペラの前方に配置される。ダクト装置は、ダクト本体を備える。ダクト本体は、船舶の後方側に位置し、プロペラの回転軸を内側とする弧を描く後縁と、船舶の前方側に位置し、回転軸を内側とする弧を描き、回転軸に垂直な方向の輪郭形状が後縁よりも大きい前縁とを有する。ダクト本体の回転軸を含む平面による断面は翼形状を有し、断面の翼弦線と、回転軸の延長方向とがなす角度は、回転軸を中心とする周方向の角度が鉛直線に近い位置ほど大きい。

本発明により、プロペラの前方にダクトを設ける技術において、更に推進効率を向上することが可能となる。

図１は、参考技術における船尾部の側面図である。 図２は、ダクトの断面形状を示す。 図３は、船尾部の側面図である。 図４は、ダクト本体の斜視図である。 図５は、ダクト本体の前面図である。 図６は、図５のＢ−Ｂ´断面におけるダクト本体と水流を示す。 図７は、図５のＣ−Ｃ´断面におけるダクト本体と水流を示す。 図８は、回転軸Ｃ１を中心とする周方向の角度φと流向角Ψとの関係を示す。 図９は、船尾側から見た流速分布を示す。 図１０は、ダクト本体の断面形状を示す。 図１１は、ダクト装置の前面図である。 図１２は、リアクションフィンの形状と取付角度を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の第１実施形態におけるダクト装置５を備えた船舶の船尾部を示す側面図である。船舶１の船尾部２にプロペラ３が設置され、その後側（船尾側）に舵４が設置される。プロペラ３は、周方向に並ぶ複数の翼を備え、概ね船首と船尾を結ぶ船長方向に延長する回転軸Ｃ１を中心に回転する。

船尾部２におけるプロペラ３の前方（船首側）に、ダクト装置５が取り付けられる。ダクト装置５は、回転軸Ｃ１を内側とする弧を描く前縁６と後縁７とを有する。回転軸Ｃ１に垂直な断面における後縁７の輪郭形状（回転軸Ｃ１に平行な方向への射影の形状）は、前縁６よりも小さい。

図４は、ダクト装置５において水流を変化させる機能を有するダクト本体９の概略形状を示す。プロペラ３の回転軸Ｃ１を中心として、所定の点（ｘ＝ｘ０）を頂点とし、ｘ軸方向に中心線を有する仮想的な円錐形Ｃ２を描く。その円錐形Ｃ２について、頂点から第１の距離ｘ＝ｘ１におけるｙｚ断面を円Ｃ３として示し、第２の距離ｘ＝ｘ２（ｘ２＞ｘ１）におけるｙｚ断面を円Ｃ４として示す。

更に、ｘ＝ｘ２の平面において、回転軸Ｃ１を通る鉛直線Ｖから左右にそれぞれ角度φの範囲内において、円Ｃ４よりも上方に張り出す曲線が、ダクト本体９の前縁６として設定される。鉛直線Ｖからの角度が小さいほど、円Ｃ４から張り出した部分の長さは大きい。このような形状は、例えば前縁６を放物線に形成することによって実現できる。

円Ｃ３と、円Ｃ４と、円錐Ｃ２のうちＣ３とＣ４とを結ぶ表面によって、円錐台の形状が形成される。この円錐台のうち、回転軸Ｃ１を中心として、上方の鉛直線Ｖから左右それぞれ所定の角度φ以内の領域を切り取った箇所において、Ｃ４を前縁６で置き換えた形状が、ダクト本体９の概略形状を示す。ダクト本体９は、プロペラ３の回転軸Ｃ１を含む鉛直面を中心として左右対称である。

ダクト本体９の前縁６は、回転軸Ｃ１を中心として鉛直線Ｖから左右にそれぞれφの範囲の外周側に向かって凸の曲線を描く。φの値は特に限定されないが、プロペラ３の上半分に流入する水流の方がダクト装置５による推進力を得やすいため、φは９０度以下であることが望ましい。ダクト本体９の後縁７は円Ｃ３上の円弧を描く。図４の例では、その円弧の角度は、前縁６と同じであるが、前縁６と異なる角度でもよい。後縁７は、完全な円弧である必要は無く、例えば放物線など、円弧を変形した弧であってもよい。

本実施形態においては、ダクト本体９が、上方ほど傾きが大きい形状を有している。より正確に言うと、ダクト本体９の回転軸Ｃ１を含む平面Ｐによる断面Ｂは、内周側を負圧側とする翼形状を有する。その断面Ｂの翼弦線ＣＨと、回転軸Ｃ１の延長方向とがなす角度αは、回転軸Ｃ１を中心とする周方向の角度φが鉛直線Ｖに近い位置ほど大きい。このような形状により、船尾部２の流速分布に応じて、効率的な推進力を得ることができる。その理由を以下に説明する。

図５は、船首方向から見たダクト装置５を示す前面図である。図３に示すＡ−Ａ´断面において、ダクト本体９の内側を前方から覗き込んだ図である。ダクト装置５は支持部１０を備え、ダクト本体９は、支持部１０によって船尾部２の例えばボッシング８に固定される。

図６は、図５のＢ−Ｂ´断面におけるダクト本体９と水流を示す。図１２は、図１０のＣ−Ｃ´断面におけるダクト本体９と水流を示す。図１１に示すＢ−Ｂ´断面においては、ダクト本体９の傾き角（正確には、回転軸Ｃ１の延長方向（ｘ軸方向）に対する、回転軸Ｃ１を含む平面内の傾き角）θ１が大きい。この領域には、回転軸Ｃ１に対して真上付近の水流がダクト本体９の後縁７に流入する。この領域における水流は半径方向に大きい成分を有するため、ダクト本体９が大きい傾きを有することにより、ダクト本体９がより大きな推進力を発生することができる。

一方、図７に示すＣ−Ｃ´断面においては、ダクト本体９の傾き角（正確には、回転軸Ｃ１の延長方向に対する、回転軸Ｃ１を含む平面内の傾き角）θ２が小さい。この領域の水流は、Ｂ−Ｂ´断面に比べて回転軸Ｃ１方向の成分が大きい。そのため、ダクト本体９の回転軸Ｃ１方向に対する傾きが小さいことにより、α＜０とならず、ダクト本体９がより前進方向に推力を発生することができる。

典型的な翼形状を有するダクトにおいては、ダクト本体９に流入する水流の迎角αが０度〜２０度付近で大きな推進力が得られる。従って、ダクト本体９の形状は、以下のように設計される。（１）船尾部２のプロペラ３前方の水流の流速分布を求める。（２）その流速分布に基づいて、各周方向の角度における迎角（図１１のα１、図１２のα２）が０度〜２０度に近づくように、各周方向におけるダクト本体９の傾き（θ１、θ２）を設計する。図８は、回転軸Ｃ１を中心とする周方向の角度φと流向角Ψとの関係を示す。φが小さい領域においては、流向角Ψが大きいため、ダクト本体９の傾きθが大きくなるように設計される。

以上に説明した効果を得るために、図４のダクト本体９以外の形状も考えられる。例えば、前縁６の形状を円弧とし、後縁７の形状を、φが小さいほど後縁側円Ｃ３よりも高さが低い曲線（例えば放物線）とする変形例も考えられる。このような形状によっても、図８のようにφが小さい領域ほどダクト本体９の傾きが大きいため、流速分布に応じて、高い推進力を得ることができる。

次に、図４に示した角度φの好適な範囲について説明する。図９に、プロペラ３に流入する水流の流速分布を後方（船尾方向）から見た図を示す。この例で示されるように、上向きの鉛直線Ｖからの角度が４５度以上の領域１１においては、流速の半径方向の成分が小さい。それに対して、鉛直線Ｖからの角度が４５度以下の領域においては、流速の半径方向の成分が大きい。ダクト本体９は、流速の半径方向の成分が大きい領域において、より大きい推進力を生成する。図８に示すように、ダクト本体９の前縁６が鉛直線Ｖからの角度４５度を超える領域においては、流向角が１０°未満となる場合が多く、この流向角では得られる推力が小さい。従って、ダクト本体９は、その前縁６が、鉛直線Ｖからの角度４５度以内の領域における水流を補足するように形成することが望ましい。

よって、例えば前縁６がφ＝４５度の扇形、又は４５度の位置における水流を確実に補足するためにφ＝５０度の扇形を有するダクト本体９であれば、十分に推進力を発生することができる。従って、好ましい実施形態において、ダクト本体９は、プロペラ３の回転軸Ｃ１を通る鉛直線Ｖを中心とした周方向の角度が５０度以内に収まる。更に、φ＝５０度以内に設定されると、ダクト本体９が小さいため軽量であり、且つその外側の領域においてプロペラ３に流入する流れを妨げないため好ましい。

次に、ダクト本体９の半径方向のサイズについて説明する。回転軸Ｃ１に垂直な断面における後縁７の輪郭形状は、プロペラ３の回転面Ｃ５の半径をＲとしたとき０．２Ｒ以上０．５以下の領域に収まる。より具体的には、図５に示すように、後縁７の半径をｒ１としたとき、０．２Ｒ≦ｒ１≦０．５Ｒである。後縁７が完全な円弧でない場合は、後縁７の全体が回転軸Ｃ１を中心とする０．５Ｒ以下の円内に収まることが好ましい。以下に、このような半径ｒ１によって得られる利点を説明する。

図１０に、ダクト本体９の断面形状が示されている。ダクト本体９の周方向に垂直な断面は、周方向の任意の角度において翼形状を有する。ダクト本体９の内周側、すなわち回転軸Ｃ１に向く側が負圧面であり、外周側が正圧面である。

船舶１が前方に航行しているとき、船体に相対的に水流が発生する。船尾部２において、ダクト装置５の位置における水流が、ダクト本体９によって変化する。ダクト本体９の内側において、水流がダクト本体９によって回転軸Ｃ１の方向に加速され、軸方向の流速が速い水流ｆ１となる。一方、一般的には、プロペラ３の上側における水流は、軸方向の流速が遅い。ダクト本体９の外側には、このような軸方向の流速が遅い水流ｆ２が流入する。

一般的なプロペラ３が最も効率的に仕事を行うのは、半径方向の中心よりやや外側、例えば０．７Ｒ付近の領域である。本実施形態においては、この領域においては、軸方向の流速の遅い水流ｆ２が流入するため、プロペラ３が高い効率で推進力を生成する。

一方、ダクト本体９よりも内側の領域では、水流によってダクト本体９に推進力（揚力の船首方向の成分）が発生する。ダクト本体９によって、水流ｆ１の軸方向の流速が上昇するが、ｒ１≦０．５Ｒの領域におけるプロペラ３の推進効率はもともと比較的小さいため、プロペラ３の推進力低下は小さく抑えられる。ダクト本体９によって有効な推進力を得るためには、ｒ１≧０．２Ｒであることが望ましい。

以上説明したように、Ｃ１からの距離ｒが０．７Ｒ程度の領域ではダクト装置５が流れを妨げずにプロペラ３が高い推進力を発生し、プロペラ３の効率が小さいｒ≦０．５Ｒの領域ではダクト装置５によって推進力を発生することができる。そのため、プロペラ３とダクト装置５とを合わせて高い推進力を得ることができる。

図１１は、本発明の第２実施形態におけるダクト装置５の前面図である。本実施形態におけるダクト装置５ａは、第１実施形態と同じダクト本体９を備える。第２実施形態におけるダクト装置５ａは更に、少なくとも１枚のブレード（図１１の例では２枚のブレード）からなるリアクションフィン１２を備える。リアクションフィン１２は、船尾部２における流速分布に対して、プロペラ３の回転方向とは逆方向の変化を与えることによって、プロペラ３の効率を向上する。

リアクションフィン１２の輪郭形状、及び取付角度については、公知のリアクションフィンの設計を適用することができる。図１２は、その一例を示す。右回りの（船尾方向から見て時計回りに回転するときに船体１に前方向きの推進力を与える）プロペラ３において、船尾方向から見て右側に取り付けられるリアクションフィン１２の断面を示す。この位置において、リアクションフィン１２は船首方向に向かって下向きの傾き角θ_Ｒでプロペラ３の前方に取り付けられる。その負圧面１２ａは、正圧面１２ｂに対して、プロペラ３の回転方向、すなわち時計周りの回転の進行方向に配置される。このようなリアクションフィン１２により、プロペラ３の効率を向上することができる。

図１１においては、リアクションフィン１２が、その根元（回転軸Ｃ１に近い側）の端部において、ダクト本体９によって支持されている。その先端は、プロペラ３の回転面Ｃ５の半径をＲとして、例えば１．１Ｒまで延長する。

リアクションフィン１２は、プロペラ３の効率が高い半径０．７Ｒ付近で最も効果を発揮する。それに対して、半径０．５Ｒ以下の付近では効果が小さく、逆にプロペラ３の効率を下げる場合もある。本実施形態においては、ダクト本体９によって支持することによって、リアクションフィン１２をプロペラ３に近い根元付近には配置せず、効果が最も高い半径０．５以上の領域にのみ配置することが可能となる。

ボッシング等によって支持される公知のリアクションフィンにおいては、効果の低い根元付近においてフィンの角度に捩じりを加えて、水流への影響を低減するという構成も考えられる。しかしながら、本実施形態においては、根元付近にリアクションフィン１２を配置する必要が無いため、捩じりが無く加工が容易な形状の部材によってリアクションフィン１２を形成することができる。

１ 船体
２ 船尾部
３ プロペラ
４ 舵
５ ダクト装置
６ 前縁
７ 後縁
８ プロペラ軸
８ ボッシング
９ ダクト本体
１０ 支持部
１１ 領域
１２ リアクションフィン
１２ａ 負圧面
１２ｂ 正圧面
１０１ 船体
１０２ 船尾部
１０３ プロペラ
１０４ 舵
１０５ ダクト装置
１０６ 領域
１０７ 負圧面
１０８ 正圧面
Ｂ 断面
Ｃ１ 回転軸
Ｃ２ 円錐面
Ｃ３ 前縁側円
Ｃ４ 後縁側円
Ｃ５ 回転面
ＣＨ 翼弦線
ｆ１、ｆ２ 水流
ｆ１０１ 揚力
ｆ１０２ 抗力
ｆ１０３ 推進力
Ｐ 平面
Ｖ 鉛直線

Claims (8)

1. 船舶の船尾部においてプロペラの前方に配置されるダクト装置であって、
   前記ダクト装置は、ダクト本体を具備し、
   前記ダクト本体は、
   前記船舶の後方側に位置し、前記プロペラの回転軸を内側とする弧を描く後縁と、
   前記船舶の前方側に位置し、前記回転軸を内側とする弧を描き、前記回転軸に垂直な方向の輪郭形状が前記後縁よりも大きい前縁とを有し、
   前記ダクト本体の前記回転軸を含む平面による断面は翼形状を有し、前記断面の翼弦線と、前記回転軸の延長方向とがなす角度は、前記回転軸を中心とする周方向の角度が鉛直線に近い位置ほど大きく、
   前記前縁の前記回転軸に垂直な断面における形状は、前記回転軸を通る鉛直線から左右にそれぞれ所定の角度の範囲内において、前記回転軸上の点を中心とする仮想的な円よりも上方に張り出す曲線形状であり、
   前記曲線形状は、前記鉛直線からの角度が小さいほど、前記仮想的な円からの張り出し長さが大きい
   ダクト装置。
2. 前記回転軸を含む平面における前記ダクト本体の断面は、前記回転軸の側を負圧面とする翼形状を有する
   請求項１に記載のダクト装置。
3. 前記後縁は、前記回転軸に垂直な方向の輪郭形状が前記プロペラの半径をＲとして０．５Ｒより小さい領域に収まる
   請求項１又は２に記載のダクト装置。
4. 船舶の船尾部においてプロペラの前方に配置されるダクト装置であって、
   前記ダクト装置は、ダクト本体を具備し、
   前記ダクト本体は、
   前記船舶の後方側に位置し、前記プロペラの回転軸を内側とする弧を描く後縁と、
   前記船舶の前方側に位置し、前記回転軸を内側とする弧を描き、前記回転軸に垂直な方向の輪郭形状が前記後縁よりも大きい前縁とを有し、
   前記ダクト本体の前記回転軸を含む平面による断面は翼形状を有し、前記断面の翼弦線と、前記回転軸の延長方向とがなす角度は、前記回転軸を中心とする周方向の角度が鉛直線に近い位置ほど大きく、
   前記ダクト本体は、上向きの鉛直線からの前記回転軸の周方向の角度が５０度以内に収まる
   ダクト装置。
5. 更に、前記ダクト本体に支持され、前記ダクト本体から半径方向外側に向かって延長する少なくとも１枚のリアクションフィンを具備する
   請求項１から４のいずれかに記載のダクト装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のダクト装置を具備する船舶。
7. 前記前縁は、前記回転軸に垂直な面内にある
   請求項１から５のいずれかに記載のダクト装置。
8. 船舶の船尾部においてプロペラの前方に配置されるダクト装置であって、
   前記ダクト装置は、ダクト本体を具備し、
   前記ダクト本体は、
   前記船舶の後方側に位置し、前記プロペラの回転軸を内側とする弧を描く後縁と、
   前記船舶の前方側に位置し、前記回転軸を内側とする弧を描き、前記回転軸に垂直な方向の輪郭形状が前記後縁よりも大きい前縁とを有し、
   前記ダクト本体の前記回転軸を含む平面による断面は翼形状を有し、前記断面の翼弦線と、前記回転軸の延長方向とがなす角度は、前記回転軸を中心とする周方向の角度が鉛直線に近い位置ほど大きく、
   前記前縁を船首方向から前記回転軸に沿って見た時、前記前縁の形状は、前記回転軸上の点を中心とする仮想的な円と前記回転軸よりも上方の２箇所において交わる曲線形状であって、前記仮想的な円よりも上方に張り出した部分を含む曲線形状を有し、
   前記張り出した部分は、前記鉛直線からの角度が小さいほど、前記仮想的な円からの張り出し長さが大きい
   ダクト装置。
   

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