JP6376679B2

JP6376679B2 - 船尾用ダクト、船尾用ダクトの設計方法、及び船尾用ダクトを装備した船舶

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Publication number: JP6376679B2
Application number: JP2013259664A
Authority: JP
Inventors: 信晶坂本; 雅裕岸本; 英幹川島; 健一久米; 純一藤沢; 康雄一ノ瀬; 杏実金子; 正太郎宇都; 宗彦日夏; 康剛川並
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: JP2015116850A

Description

本発明は、船体の船尾に装着する船尾用ダクト、船尾用ダクトの設計方法、及び船尾用ダクトを装備した船舶に関する。

省エネ装置の一つとして、船体の船尾に取り付けたプロペラの前方には船尾用ダクトが取り付けられる。
特許文献１では、円弧状のダクトを取り付けた船舶を提案している。この円弧状のダクトは、プロペラの前方であって船尾部に生じる船尾縦渦の中心位置よりも上方に配置されている。また、このダクトの両下端部と船尾部の側面との間をプロペラの半径方向に各々延出した主フィンを備え、主フィンは、船舶後方から前方へ向かって前上がりに傾斜させている（特に段落番号（００１４）〜（００１６））。
また、特許文献２では、円筒の上半部のみからなる半円弧形状の船尾ダクトを開示している（特に図１及び段落番号（００１８））。
また、特許文献３では、略円錐台形状の筒を中心軸を含む平面で略半分に切断した略半円錐台形状の外殻と、外殻を船尾部に固定する２枚の連結板とを備え、外殻の径の短い方をプロペラ側に向けるとともに外殻がプロペラの上半分の部分と相対するように外殻を配置したダクト装置を提案している（特に図１、図２及び段落番号（００２０））。
また、特許文献４では、第１板状体が円弧状に湾曲されており、第１板状体の端部に直線状の第２板状体が設けられている船舶用ダクトを開示している（特に段落番号（０００６））。

特開２０１１−１７８２２２号公報特開２００６−３４７２８５号公報特開２００８−１３７４６２号公報特開２００８−３０８０２３号公報

特許文献１における円弧状のダクトは、船体を後方から前方視した状態でプロペラの上下方向の中心線に対して対称を成すように取り付けられている。また、特許文献１において、半円形のダクトでは、推力は主に上側部分で発生し、側面部分では推力を発生していないという問題点、すなわち、半円形のダクトの側面部分では推力を得られず、半円形のダクトの側面部分が抵抗が増える原因となる問題点に着目し（段落番号（０００６））、この問題点を解決するために、主フィンを設け下降流から補助推力を得ている。なお、特許文献１の図面では、半円よりも短い円弧状のダクトを図示しているが、円弧の中心角については何ら述べられておらず、図示のダクトでは、約１４５度程度の中心角となっている。また、ダクトの表面に働く船体推進方向の流体力分布を考慮して中心角を決めているものでもない。
また、特許文献２における半円弧形状の船尾ダクトについても、船体を後方から前方視した状態でプロペラの上下方向の中心線に対して対称を成すように取り付けられている。また、特許文献２は、従来、船尾フィン、船尾ダクト、ラダーフィンをそれぞれ個別に設けていた場合に比して、動力の削減率を高め、更なる省エネルギー化を進めるもので、船尾フィン、船尾ダクト、及びラダーフィンの相互の関係が必要であり、船尾ダクトは、船尾フィンでせき止められた下降流がプロペラに流入する速度を減速させるために設けている（特に段落番号（００１６））。
また、特許文献３における略半円錐台形状の外殻についても、船体を後方から前方視した状態でプロペラの上下方向の中心線に対して対称を成すように取り付けられている。なお、特許文献３では、中心角が１８０度よりも小さい外殻を持つダクト装置を開示しているが、外殻の中心軸とプロペラの回転軸が一致しているという条件では、中心角が１５０度となることを開示しているに過ぎない（図７（Ａ）及び段落番号（００３７））。また、中心角もダクトの表面に働く船体推進方向の流体力分布を考慮して中心角を決めているものでもない。
また、特許文献４における円弧状に湾曲された第１板状体についても、船体を後方から前方視した状態でプロペラの上下方向の中心線に対して対称を成すように取り付けられている。なお、特許文献４では、円弧の中心角については具体的に記載されていないが、１８０度を越える中心角である（特に図２及び段落番号（００２６））。

そこで、本発明は、ダクト本体を船体に付加しても船体の抵抗を増加させることなく船殻効率を改善することができる船尾用ダクト、船尾用ダクトの設計方法、及び船尾用ダクトを装備した船舶を提供することを目的とする。
また、本発明は、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる船尾用ダクト、船尾用ダクトの設計方法、及び船尾用ダクトを装備した船舶を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明に対応した船尾用ダクトにおいては、船体の船尾に取り付けたプロペラの前方に取り付けられる船尾用ダクトにおいて、ダクト本体を９０度から１４０度の角度範囲の略円弧状に形成し、船体を後方から前方視した状態でプロペラの上下方向の中心線に対してダクト本体が非対称を成すように、前記プロペラが時計回りの場合は右上象限においてプラス９０度までの範囲に、また前記プロペラが反時計回りの場合は左上象限においてマイナス９０度までの範囲に、前記ダクト本体の中心線を傾けて配置し、ダクト本体を支持手段にて船尾に取り付けたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、ダクト本体を９０度から１４０度の角度範囲の略円弧状に形成することで、ダクト本体を船体に付加しても船体の抵抗を増加させることなく船殻効率を改善することができる。また、プロペラの上下方向の中心線に対してダクト本体が非対称を成すように、前記プロペラが時計回りの場合は右上象限に、また前記プロペラが反時計回りの場合は左上象限に、前記ダクト本体の中心線を配置してダクト本体を取り付けることで、対称を成すように取り付ける場合と比較して、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。

請求項２記載の本発明は、ダクト本体の前後方向の断面を内側に凸の翼型に形成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、翼型により発生する揚力の推進方向成分（スラスト成分）を利用することで、推力減少率を高め、推進効率を上げることができる。

請求項３記載の本発明は、ダクト本体の後端に形成する後端円弧部の半径を、前端に形成する前端円弧部の半径よりも小さく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、ダクト本体より下流での流れを遅くすることにより有効伴流率を小さくでき、かつダクト本体の前端側でのスラスト成分を増加させて推進力を高めることができる。

請求項４記載の本発明は、ダクト本体の仮想中心軸をプロペラの回転中心軸と一致させたことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、設計や装備が容易である。

請求項５記載の本発明は、ダクト本体の仮想中心軸をプロペラの回転中心軸からずら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、例えばダクト本体を、船体やプロペラにより生ずる非対称な流れに対応しスラスト力が高められる位置にずらすことができる。

請求項６記載の本発明は、船体を側面視した状態で、ダクト本体の仮想中心軸をプロペラの回転中心軸に対して傾けたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、ダクト本体を、スラスト力を高めるように取り付けることができる。

請求項７記載の本発明は、ダクト本体を、支持手段としての支柱を介して船体の船尾管又は船尾管を覆う船尾の端部に取り付けたことを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、ダクト本体を、設置しやすく、特にプロペラに対して適正な位置に配置しやすい。

請求項８記載の本発明は、支柱の断面を、内側に凸の翼型に形成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、支柱においても翼型により発生する揚力の推進方向成分（スラスト成分）を利用することができる。

請求項９記載の本発明は、支柱を、捻った形状に形成することで、プロペラに向かう流れを、プロペラの回転方向に対して対向流化したことを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、推進力を高めることができる。

請求項１０記載の本発明に対応した船尾用ダクトの設計方法は、船体の船尾に取り付けたプロペラの前方に取り付けられる船尾用ダクトにおいて、ダクト本体を９０度から１４０度の角度範囲の略円弧状に形成し、船体を後方から前方視した状態でプロペラの上下方向の中心線に対してダクト本体が非対称を成すように、プロペラが時計回りの場合は右上象限に、またプロペラが反時計回りの場合は左上象限に、ダクト本体の中心線を傾けて配置し、ダクト本体を支持手段にて船尾に取り付ける船尾用ダクトの設計方法であって、船尾用ダクトを設計するに当たり、略円弧状のダクト本体と同一半径の全周ダクトを設定するステップと、全周ダクトを用いた船体の数値計算による抵抗・自航計算を行うステップと、抵抗・自航計算結果から全周ダクトの表面に働く船体推進方向の流体力分布を求めるステップと、流体力分布に基づいて全周ダクトから略円弧状のダクト本体の形状を決定するステップとを備えたことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、全周ダクトにおける表面に働く船体推進方向の流体力分布を基にした設計ができる。

請求項１１記載の本発明は、流体力分布は、スラスト分布と抵抗成分分布であることを特徴とする。請求項１１に記載の本発明によれば、ダクト形状の切り出しを容易に行うことができる。

請求項１２記載の本発明は、流体力分布に基づいて全周ダクトから略円弧状のダクト本体の形状を決定するステップの実行に当って、スラスト分布と抵抗成分分布の等高線図及び／又は周方向分布図を用いたことを特徴とする。請求項１２に記載の本発明によれば、ダクト形状の切り出しをさらに容易に行うことができる。

請求項１３記載の本発明に対応した船尾用ダクトを装備した船舶は、船尾用ダクトを船尾に装備したことを特徴とする。請求項１３に記載の本発明によれば、ダクト本体に加わる抵抗を低減し、省エネ効果の高い船舶を提供できる。

請求項１４記載の本発明は、船体が二軸船尾双胴型の船体であることを特徴とする。請求項１４に記載の本発明によれば、ダクト本体に加わる抵抗を低減し、省エネ効果の高い二軸船尾双胴型の船舶を提供できる。

請求項１５記載の本発明は、船体が既存の船体であり、船尾用ダクトを船体に後付けしたことを特徴とする。請求項１５に記載の本発明によれば、既存の船体に対しても適用できる。

本発明の船尾用ダクトによれば、ダクト本体を９０度から１４０度の角度範囲の略円弧状に形成することで、ダクト本体を船体に付加しても船体の抵抗を増加させることなく船殻効率を改善することができる。また、プロペラの上下方向の中心線に対してダクト本体が非対称を成すように、前記プロペラが時計回りの場合は右上象限においてプラス９０度までの範囲に、また前記プロペラが反時計回りの場合は左上象限においてマイナス９０度までの範囲に、前記ダクト本体の中心線を傾けて配置してダクト本体を取り付けることで、対称を成すように取り付ける場合と比較して、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。

また、ダクト本体の前後方向の断面を内側に凸の翼型に形成した場合には、翼型により発生する揚力の推進方向性分（スラスト成分）を利用することで、推力減少率を高め、推進効率を上げることができる。

また、ダクト本体の後端に形成する後端円弧部の半径を、前端に形成する前端円弧部の半径よりも小さくした場合には、ダクト本体より下流での流れを遅くすることにより有効伴流率を小さくでき、かつダクト本体の前端側でのスラスト成分を増加させて推進力を高めることができる。

また、ダクト本体の仮想中心軸をプロペラの回転中心軸と一致させた場合には、設計や装備が容易である。

また、ダクト本体の仮想中心軸をプロペラの回転中心軸からずらした場合には、例えばダクト本体を、船体やプロペラにより生ずる非対称な流れに対応しスラスト力が高められる位置にずらすことができる。

また、船体を側面視した状態で、ダクト本体の仮想中心軸をプロペラの回転中心軸に対して傾けた場合には、ダクト本体を、スラスト力を高めるように取り付けることができる。

また、ダクト本体を、支持手段としての支柱を介して船体の船尾管又は船尾管を覆う船尾の端部に取り付けた場合には、ダクト本体を、設置しやすく、特にプロペラに対して適正な位置に配置しやすい。

また、支柱の断面を、内側に凸の翼型に形成した場合には、支柱においても翼型により発生する揚力の推進方向成分（スラスト成分）を利用することができる。

また、支柱を、捻った形状に形成することで、プロペラに向かう流れを、プロペラの回転方向に対して対向流化した場合には、推進力を高めることができる。

本発明の船尾用ダクトの設計方法によれば、全周ダクトにおける表面に働く船体推進方向の流体力分布を基にした設計ができる。

また、流体力分布のスラスト分布と抵抗成分分布を基に、全円ダクト形状からダクト形状の切り出しを容易に行うことができる。

また、流体力分布に基づいて全周ダクトから略円弧状のダクト本体の形状を決定するステップの実行に当って、スラスト分布と抵抗成分分布の等高線図及び／又は周方向分布図を用いた場合には、ダクト形状の切り出しをさらに容易に行うことができる。

本発明の船尾用ダクトを有した船舶によれば、ダクト本体に加わる抵抗を低減し、省エネ効果の高い船舶を提供できる。

また、船体が二軸船尾双胴型の船体である場合には、ダクト本体に加わる抵抗を低減し、省エネ効果の高い二軸船尾双胴型の船舶を提供できる。

また、船体が既存の船体であり、船尾用ダクトを船体に後付けした場合には、既存の船体に対しても適用できる。

本発明の一実施形態による船尾用ダクトを取り付けた状態を示す船舶の要部側面図同船舶を後方から前方視した状態を示す要部正面図同船舶を斜め後方から見た要部斜視図本実施形態による船尾用ダクトの斜視図同船尾用ダクトを示す説明図本発明の他の実施形態による船尾用ダクトの斜視図本発明の更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図本発明の更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図本発明の更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図本発明の更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図本実施形態に適用する船体の船体要目及び３次元形状側面図本実施形態による船尾用ダクトと同一半径の全周ダクトのダクト要目及び３次元形状を示す図本実施形態に使用するプロペラのプロペラ要目を示す図本実施形態に適用する船体に対するダクト及びプロペラの取り付け位置を示す図全周ダクトのスラスト成分および抵抗成分分布の周方向分布図全周ダクトの表面上のスラスト分布と抵抗成分分布の等高線図図１５に示すデータを基に、扇形の中心角（角度範囲）αを、α＝１８０°、α＝１４０°、α＝１２０°とした時のスラストの比を示す図中心角（角度範囲）αについての有効なスラストの得られるダクト形状の切り出し範囲を示す図ダクトの減速効果を示す図ダクト本体の傾き角θと自航要素の関係を示す特性図ダクト本体の傾き角θと馬力減少率の関係を示す特性図船尾用ダクトを装備した二軸船尾双胴型の船舶を後方から前方視した状態を示す要部正面図他の船尾用ダクトを装備した他の二軸船尾双胴型の船舶を後方から前方視した状態を示す要部正面図

本発明の一実施形態による船尾用ダクトについて図を用いて説明する。
図１は同船尾用ダクトを取り付けた状態を示す船舶の要部側面図、図２は同船舶を後方から前方視した状態を示す要部正面図、図３は同船舶を斜め後方から見た要部斜視図である。
図１に示すように、本実施形態による船尾用ダクト１０は、船体１の船尾２に取り付けたプロペラ３の前方に取り付けられる。図１では、船尾用ダクト１０は、船尾管を覆う船尾２の端部に取り付けているが、船体１の船尾管に取り付けてもよい。
図１から図３に示すように、船尾用ダクト１０は、ダクト本体１１と支持手段１２とで構成されている。ダクト本体１１は支持手段１２にて船尾２に取り付けられる。
ダクト本体１１は、略円弧状に形成され、プロペラ３の回転中心軸Ｘｐよりも上部に配置される。

図４は本実施形態による船尾用ダクトの斜視図、図５は同船尾用ダクトを示す説明図である。
ダクト本体１１は、中心角（角度範囲）αが９０度から１８０度の略円弧状、より好ましくは９０度から１４０度の略円弧状に形成している。ダクト本体１１をこのような中心角αの略円弧状に形成することで、ダクト本体１１による全抵抗係数を増加させることなく船殻効率を改善することができる。
ダクト本体１１の後端に形成する後端円弧部１１ｒの半径Ｒｒを、前端に形成する前端円弧部１１ｆの半径Ｒｆよりも小さくしている。このように、後端円弧部１１ｒの半径Ｒｒを、前端円弧部１１ｆの半径Ｒｆよりも小さくすることで、ダクト本体１１より下流での流れを遅くできるとともに、ダクト本体１１の前端側でのスラスト成分を増加させて推進力を高めることができる。

図４に示すように、支持手段１２は、ダクト本体１１の両側に接続される支柱１２ａと、この支柱１２ａを船尾２に取り付ける取付部１２ｂとから構成される。支柱１２ａは、断面を内側に凸の翼型に形成している。このように支柱１２ａの断面を翼型とすることで、支柱においても翼型により発生する揚力の推進方向成分（スラスト成分）を利用することができる。

図５に示すように、ダクト本体１１の前後方向の断面１１ｓは、内側に凸の翼型に形成している。このように、断面１１ｓを内側に凸の翼型に形成することで、船体１の推進方向への揚力を発生させることで推進効率を上げることができる。
また、図５に示すように、ダクト本体１１は、ダクト本体１１の円弧の中心を結ぶ仮想中心軸Ｘｄをプロペラ３の回転中心軸Ｘｐと一致させている。仮想中心軸Ｘｄと回転中心軸Ｘｐとを一致させることで、設計や装備が容易となる。
なお、仮想中心軸Ｘｄは、ダクト本体１１の全ての円弧面における中心に必ずしも対応している必要はない。例えば、中心部と両側部とで半径が若干異なる場合や、前端円弧部１１ｆの中心角αと後端円弧部１１ｒの中心角αが異なる場合があり、ダクト本体１１は、完全な円弧である必要はなく、略円弧状に形成されていればよい。

図６は、他の実施形態による船尾用ダクトの斜視図である。
本実施形態による船尾用ダクト１０は、支柱１２ａに代えて捻った形状とした支柱１２ｃを用い、プロペラ３に向かう流れを対向流化している。すなわち、支柱１２ｃは、プロペラ３の回転と反対方向に捻った形状としている。このように、捻った形状とした支柱１２ｃを用いて、プロペラ３に向かう流れを、プロペラ３の回転方向に対して対向流化することで、推進力を高めることができる。
なお、支持手段１２は支柱１２ａや支柱１２ｃと船尾用ダクト１０を船体１に取り付ける構造を組み合わせたり、支柱１２ａを用いずに直接船体１に取り付ける構造を採用することもできる。

図７は、更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図である。
図７では、ダクト本体１１の仮想中心軸Ｘｄを、プロペラ３の回転中心軸Ｘｐからずらしている。このように、仮想中心軸Ｘｄを回転中心軸Ｘｐからずらすことで、船体１や船尾２、またプロペラ３により生ずる非対称な流れに対応し、スラスト力が高められる位置に船尾用ダクト１０を設けることができる。

図８は、更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図である。
図８では、船体１を側面視した状態で、ダクト本体１１の仮想中心軸Ｘｄをプロペラ３の回転中心軸Ｘｐに対して傾けている。このように、仮想中心軸Ｘｄを回転中心軸Ｘｐに対して傾けることで、船尾２の流れに対応しスラスト力を高めるように船尾用ダクト１０を取り付けることができる。

図９及び図１０は、更に他の実施形態による船尾用ダクトを示す説明図である。
本実施形態による船尾用ダクト１０は、船体１を後方から前方視した状態でプロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１が非対称を成すように、ダクト本体１１を支持手段１２にて船尾２に取り付けたものである。
図９では、船体１を後方から前方視した状態で、プロペラ３が時計回りＡの場合を示している。このように、プロペラ３が時計回りＡの場合には、右上象限にダクト本体１１を配置することで、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。
なお、図９では、ダクト本体１１の中心角αを１２０度とし、ダクト本体１１を、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対して対称を成す位置から、右舷側に４０度回転させて取り付けた場合を示している。図１５で示すように、全周ダクトを後ろから見て１２時の位置をθ(傾き角)＝０とし、時計回りＡの方向をプラスとすると、プロペラ３が時計回りＡの場合には、ダクト本体１１は、θ＝マイナス３０度（左舷側に３０度）からθ＝プラス９０度（右舷側に９０度）までの範囲に傾けて、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１が非対称を成すように船尾用ダクト１０を取り付けることで、右上象限にダクト本体１１が配置され、馬力減少率を高くすることができる。
ここで、図９にも示すように、ダクト本体１１の中心角αが特に９０度を越える場合には、ダクト本体１１は右上象限以外の象限にも必ず位置することになるが、ダクト本体１１の一部でも右上象限に配置することで、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。

図１０では、船体１を後方から前方視した状態で、プロペラ３が反時計回りＢの場合を示している。このように、プロペラ３が反時計回りＢの場合には、左上象限にダクト本体１１を配置することで、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。
なお、図１０では、ダクト本体１１の中心角αを９０度とし、ダクト本体１１を、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対して対称を成す位置から、右舷側に４５度回転させて取り付けた場合を示している。プロペラ３が反時計回りＢの場合には、図１５で示すデータとプラスマイナスが逆になるため、ダクト本体１１は、θ＝マイナス３０度（右舷側に３０度）からθ＝プラス９０度（左舷側に９０度）までの範囲で傾けて、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１が非対称を成すように船尾用ダクト１０を取り付けることで、左上象限にダクト本体１１が配置され、馬力減少率を高くすることができる。
ここで、図１０にも示すように、ダクト本体１１の中心角αが９０度である場合でも、ダクト本体１１は左上象限以外の象限にも位置することがあるが、ダクト本体１１の一部でも左上象限に配置することで、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。

次に本実施形態による船尾用ダクトの設計方法について以下に説明する。
本実施形態では、パナマックスサイズ・バルクキャリア（ＰｘＢＣ）の、船尾肥大度を高くした形状の船体を用いた。

図１１は、適用する船体について、船体要目及び３次元形状側面図を示している。

図１２は、本実施形態による船尾用ダクトと同一半径の全周ダクトについて、ダクト要目及び３次元形状を示している。
本実施形態による船尾用ダクト１０を設計するに当たり、まず、略円弧状のダクト本体１１と同一半径の全周ダクトを設定する。
ここでは、全周ダクトとして、所謂ＷｅａｔｈｅｒＡｄａｐｔｅｄＤｕｃｔ（ＷＡＤ）を基本形状としたダクトを用いている。
図１２において、Ｄ_Ｔ．Ｅ．はダクト後端直径、Ｄ_ｐはプロペラ直径、Ｌ_ｄはダクト翼断面コード長、βは翼断面が持つ開き角である。

図１３は、使用するプロペラについて、プロペラ要目を示している。
図１３において、Ｈ／Ｄ_ｐはピッチ比、ａＥは展開面積比、Ｚは翼数を表わす。

図１４は、船体に対するダクト及びプロペラの取り付け位置を示している。
座標原点を船体の船首垂線（ＦＰ）に取り、ＦＰから船尾垂線（ＡＰ）の方向をｘ軸正、左舷から右舷の方向をｙ軸正、竜骨（ｋｅｅｌ）から甲板（ｄｅｃｋ）の方向をｚ軸正の向きとしている。また、船長を１としている（つまりｘ＝０．０がＦＰ、ｘ＝１．０がＡＰ）。
図１４から導かれるように端的にいうと、ダクト後端はプロペラ前縁と約５%Ｄ_ｐのクリアランスを持ち、ダクト中心はシャフトセンターラインに一致させている。

次に、船型・ダクト・プロペラを設定して、全周ダクトを用いた船体の数値計算による抵抗・自航計算を行う。
図１１から図１４に示す船型・ダクト・プロペラを用いてＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）解析を行った。
ＣＦＤ解析の結果、ダクト無の船型に比べ、ダクト有の船型は抵抗を増加させることが無く、船殻効率を約３．２%改善した。ダクトが付いているにも関わらず、全抵抗係数が殆ど増加しない理由は、ダクト自身が推力を出しているからであると考えられる。

次に、抵抗・自航計算結果から全周ダクトの内表面の流体力分布を求める。
図１５は、全周ダクトのスラスト成分および抵抗成分分布の周方向分布を示している。
図１５において、傾き角θは、全周ダクトを後ろから見て１２時の位置を０度とし、１２時の位置から時計回り方向を正としている。また、図１５において、縦軸Ｃｔｘは、ｘ方向流体力であり、正の値（０ラインより上）では抵抗となり、負の値（０ラインより下）では、推進力となる。
図１５に示すように、プロペラ３が作動していない時（図中点線）には、ｘ方向流体力（Ｃｔｘｌｄｕｃｔ）は、全周に渡り正の値、つまり抵抗（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）となっている。
しかし、プロペラが作動すると、Ｃｔｘｌｄｕｃｔは０度＜θ＜４５度、２８８度＜θ＜３６０度付近で負の値、つまりスラスト（ｔｈｒｕｓｔ）として作用する。このスラスト成分が、プロペラ３の作動時には、ダクトを取り付けている時でも全抵抗係数を増加させない要因となっていると考えられる。

図１６は、全周ダクトの表面上のスラスト分布と抵抗成分分布の等高線図であり、図１５に示す抵抗／スラスト成分が、ダクト表面上にどのように分布しているかを３次元的に示している。
図１５に見られるダクトのスラスト成分は、図１６では主にダクト上面内側で発生していることが分かる（図中、矢印で示す領域Ｚ）。
すなわち、スラスト成分が発生する領域Ｚは、扇形の中心角をαとすると、０度＜α＜１８０度の範囲で囲まれた扇形部分となっている。スラスト自体は、ダクト側面内側付近にも発生しているが、当該部分のダクト外側にはこのスラストよりも大きな抵抗が働いていることから、ダクトコード方向に積分した全体の流体力としては図１５に示す傾き角θが９０度付近に示すように、抵抗となっている。

このように、抵抗・自航計算結果から全周ダクトの内表面の流体力分布を求めた後に、流体力分布に基づいて全周ダクトから略円弧状のダクト本体１１の形状を決定する。ここで、流体力分布は、スラスト分布と抵抗成分分布である。
流体力分布に基づいて全周ダクトから略円弧状のダクト本体１１の形状を決定するに当っては、スラスト分布と抵抗成分分布の等高線図（図１６）及び／又は周方向分布図（図１５）を用いることで、ダクト本体１１の形状の切り出しを容易に行うことができる。

次に、ダクト本体１１の形状の切り出し範囲について説明する。
図１７は、図１５に示すデータを基に、扇形の中心角（角度範囲）αを、α＝１８０°、α＝１４０°、α＝１２０°とした時のスラスト比を示している。
また、図１８は、中心角(角度範囲)αについての有効なスラストの得られるダクト形状の切り出し範囲を示している。
扇形の中心角αは、図１５に示すデータを用いてα＝１８０°とした時のスラストを１とする場合、α＝１４０°とした時ではスラスト比が１．１０、α＝１２０°とした時では１．３９となる。
すなわち、α＝１８０°に比べ、α＝１４０°、α＝１２０°の時、スラストはそれぞれ約１０%、４０%増加する。
従って、扇形の中心角（角度範囲）αは、図１８中に（ａ）の範囲で示すように１８０度を上限として、９０度から１８０度の略円弧状に形成することが好ましい。また、扇形の中心角（角度範囲）αは、図１８中に（ｂ）の範囲で示すように１４０度を上限として、９０度から１４０度の略円弧状に形成することがより好ましく、図１８中に（ｃ）の範囲で示すように１２０度を上限として、９０度から１２０度の略円弧状に形成することが最も好ましい。

また、前述のようにｘ方向流体力が負の値となり推進力となる範囲は、０度＜θ＜４５度、２８８度＜θ＜３６０度付近であり、これらの中心位置は３４６．５度付近にあり、扇形の中心角αを２分する中心線は象限で表現すると左上象限に存在していることになる。従って、ダクト本体１１は少なくとも左上象限に存在することが好ましく、ダクト本体１１の主要部が左上象限に存在することがより好ましい。またこの場合、結果的にプロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１が非対称を成すよう配置されることになる。
なお、ｘ方向流体力が負の値となり推進力となる範囲は、前述のプロペラ３の回転方向のほか、船体１や船尾２の構造、プロペラ３の特性により変わってくる。

一方、ダクトは、ダクト後方の流れを減速させることによって、プロペラ３は軸方向のゲインを得ることができる。
図１９は、ダクトの減速効果を示す図である。
図１９（ａ）はダクト無、図１９（ｂ）はダクト有を示している。
図１９（ｂ）において、矢印Ｙで示す領域が、ダクトの減速効果が見られる領域であり、ダクトを後ろから見て１２時の位置を中心とし、左右舷にそれぞれ約６０度程度の領域で得られていることが分かる。
以上より、ダクトがスラストを出す領域及び減速効果を生む領域は、概ね一致しており、ダクトを後ろから見て１２時の位置を中心とし、中心角αが約１２０°の扇形で囲まれた領域であることが分かる。
従って、図１９に示すダクトの減速効果からも、約１２０°の近接領域を含め９０度から１４０度の領域にダクト本体１１を臨ませることが好ましく、９０度から１２０度の領域に臨ませることがより好ましい。
なお、コスト面や装備の容易化の面から、プロペラ３の回転中心軸よりも上部の特に推進方向成分（スラスト成分）が大きく得られる位置に、角度範囲αの小さい９０度から１４０度のダクト本体１１を臨ませる場合には、このダクトの減速効果からいっても好ましい配置となる。

以上のように、本実施形態による船尾用ダクト１０の設計方法は、船尾用ダクト１０を設計するに当たり、略円弧状のダクト本体１１と同一半径の全周ダクトを設定するステップと、全周ダクトを用いた船体１の数値計算による抵抗・自航計算を行うステップと、抵抗・自航計算結果から全周ダクトの内表面の流体力分布を求めるステップと、流体力分布に基づいて全周ダクトから略円弧状のダクト本体１１の形状を決定するステップとで行うことで、全周ダクトにおける従来の設計方法を基にして、略円弧状のダクト本体１１を設計できる。

次に、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１を非対称に設けることによる効果を説明する。
図２０はダクト本体の傾き角と自航要素の関係を示す特性図、図２１はダクト本体の傾き角と馬力減少率の関係を示す特性図である。
図２０及び図２１において、角度０は、船体１を後方から前方視した状態でプロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１を対称に設けた場合であり、プラスの傾き角は右舷側に傾け、マイナスの傾き角は左舷側に傾けている。プロペラ３は時計回りＡに回している。また、縦軸は、ダクト無を基準としている。
図２０では、自航要素として、推力減少率（１−ｔ）、有効伴流率（１−ｗ）、推進器効率比（ｅｔａＲ）を示している。
図２０及び図２１において、好ましい傾き角の位置を円で示している。
図２０及び図２１に示すように、プロペラ３が時計回りＡの場合には、ダクト本体１１は、マイナス３０度（左舷側に３０度）からプラス９０度（右舷側に９０度）までの範囲で傾けて、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１が非対称を成すように船尾用ダクト１０を取り付けることで、馬力減少率を高くすることができる。なお、プロペラ３が反時計回りＢの場合には、ダクト本体１１は、右舷側に３０度から左舷側に９０度までの範囲で傾けて、プロペラ３の上下方向の中心線Ｘｖに対してダクト本体１１が非対称を成すように船尾用ダクト１０を取り付けることで、馬力減少率を高くすることができる。
なお、図２０、図２１のデータを取得した船体要目やプロペラ要目等は、図１５の数値計算結果を得たときの図１１の船体要目や図１３のプロペラ要目とは異なっている。

図２２及び図２３は、船尾用ダクトを装備した二軸船尾双胴型の船舶を後方から前方視した状態を示す要部正面図である。
図２２及び図２３において、船体１には、右舷側スケグの船尾管２Ｒには右舷側プロペラ３Ｒ、左舷側スケグの船尾管２Ｌには左舷側プロペラ３Ｌを設けている。

図２２では、右舷側プロペラ３Ｒは反時計回りＢ、左舷側プロペラ３Ｌは時計回りＡであり、内回りの回転であることを示している。
このように内回りの回転による二軸船尾双胴型の船舶にあっては、右舷側プロペラ３Ｒに対応する右舷側船尾用ダクト１０Ｒは左上象限にダクト本体１１Ｒを配置し、左舷側プロペラ３Ｌに対応する左舷側船尾用ダクト１０Ｌは右上象限にダクト本体１１Ｌを配置することで、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。

図２３では、右舷側プロペラ３Ｒは時計回りＡ、左舷側プロペラ３Ｌは反時計回りＢであり、外回りの回転であることを示している。
このように外回りの回転による二軸船尾双胴型の船舶にあっては、右舷側プロペラ３Ｒに対応する右舷側船尾用ダクト１０Ｒは右上象限にダクト本体１１Ｒを配置し、左舷側プロペラ３Ｌに対応する左舷側船尾用ダクト１０Ｌは左上象限にダクト本体１１Ｌを配置することで、推力減少率又は推進器効率比を高め、有効伴流率を小さくすることができる。

このように、本実施形態による船尾用ダクト１０は、二軸船尾双胴型の船体１にも適用でき、ダクト本体１１に加わる抵抗を低減し、省エネ効果の高い二軸船尾双胴型の船舶を提供できる。
また、本実施形態による船尾用ダクト１０は、既存の船体１に対して後付けで取り付けることができる。

本発明は、特に低速肥大船の船尾に装着する船尾用ダクトに適用でき、ダクト本体を付加しても、船体の抵抗を増加させることなく船殻効率を改善することで省エネ効果がある。

１船体
２船尾
３プロペラ
１０船尾用ダクト
１１ダクト本体
１１s 断面
１２支持手段
Ｘｐ回転中心軸
Ｘｖ上下方向の中心線
α 中心角(角度範囲)

Claims

船体の船尾に取り付けたプロペラの前方に取り付けられる船尾用ダクトにおいて、ダクト本体を９０度から１４０度の角度範囲の略円弧状に形成し、前記船体を後方から前方視した状態で前記プロペラの上下方向の中心線に対して前記ダクト本体が非対称を成すように、前記プロペラが時計回りの場合は右上象限においてプラス９０度までの範囲に、また前記プロペラが反時計回りの場合は左上象限においてマイナス９０度までの範囲に、前記ダクト本体の中心線を傾けて配置し、前記ダクト本体を支持手段にて前記船尾に取り付けたことを特徴とする船尾用ダクト。
前記ダクト本体の前後方向の断面を内側に凸の翼型に形成したことを特徴とする請求項１に記載の船尾用ダクト。
前記ダクト本体の後端に形成する後端円弧部の半径を、前端に形成する前端円弧部の半径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の船尾用ダクト。
前記ダクト本体の仮想中心軸を前記プロペラの回転中心軸と一致させたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の船尾用ダクト。
前記ダクト本体の仮想中心軸を前記プロペラの回転中心軸からずらしたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の船尾用ダクト。
前記船体を側面視した状態で、前記ダクト本体の仮想中心軸を前記プロペラの回転中心軸に対して傾けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の船尾用ダクト。
前記ダクト本体を、前記支持手段としての支柱を介して前記船体の船尾管又は前記船尾管を覆う前記船尾の端部に取り付けたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの１項に記載の船尾用ダクト。
前記支柱の断面を、内側に凸の翼型に形成したことを特徴とする請求項７に記載の船尾用ダクト。
前記支柱を、捻った形状に形成することで、前記プロペラに向かう流れを、前記プロペラの回転方向に対して対向流化したことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の船尾用ダクト。
船体の船尾に取り付けたプロペラの前方に取り付けられる船尾用ダクトにおいて、ダクト本体を９０度から１４０度の角度範囲の略円弧状に形成し、前記船体を後方から前方視した状態で前記プロペラの上下方向の中心線に対して前記ダクト本体が非対称を成すように、前記プロペラが時計回りの場合は右上象限に、また前記プロペラが反時計回りの場合は左上象限に、前記ダクト本体の中心線を傾けて配置し、前記ダクト本体を支持手段にて前記船尾に取り付ける船尾用ダクトの設計方法であって、前記船尾用ダクトを設計するに当たり、略円弧状の前記ダクト本体と同一半径の全周ダクトを設定するステップと、前記全周ダクトを用いた前記船体の数値計算による抵抗・自航計算を行うステップと、抵抗・自航計算結果から前記全周ダクトの表面に働く船体推進方向の流体力分布を求めるステップと、前記流体力分布に基づいて前記全周ダクトから略円弧状の前記ダクト本体の形状を決定するステップと、を備えたことを特徴とする船尾用ダクトの設計方法。
前記流体力分布は、スラスト分布と抵抗成分分布であることを特徴とする請求項１０に記載の船尾用ダクトの設計方法。
前記流体力分布に基づいて前記全周ダクトから略円弧状の前記ダクト本体の前記形状を決定する前記ステップの実行に当って、前記スラスト分布と前記抵抗成分分布の等高線図及び／又は周方向分布図を用いたことを特徴とする請求項１１に記載の船尾用ダクトの設計方法。
請求項１から請求項９のうちの１項に記載の船尾用ダクトを前記船尾に装備したことを特徴とする船尾用ダクトを装備した船舶。
前記船体が二軸船尾双胴型の船体であることを特徴とする請求項１３に記載の船尾用ダクトを装備した船舶。
前記船体が既存の船体であり、前記船尾用ダクトを前記船体に後付けしたことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の船尾用ダクトを装備した船舶。