JP5923179B2 - 船舶の推進装置とそれを備えた船舶 - Google Patents

Description

本発明は、スクリュープロペラを使用する船舶の推進装置とそれを備えた船舶に関し、更に詳細には、スクリュープロペラのボスに取り付けるボスキャップにフィンを設けて、スクリュープロペラの推進性能を向上させる船舶の推進装置とそれを備えた船舶に関する。

船舶の多くはその推進器としてスクリュープロペラを使用しており、その推進器効率等のプロペラ特性を向上することは、燃費の向上に大きく貢献することになる。そのため、プロペラの翼数、翼の形状、展開面積、ピッチ角、スキュー角等、プロペラの翼に関する研究がなされてきており、様々な翼形状が開発されてきている。

このプロペラ特性の向上のために、例えば、日本出願の特公平７−１２１７１６号公報の記載されているように、図９〜図１２に示すような、プロペラボス２の近傍において、プロペラボスキャップ５の後流におけるハブ渦を減少させることによって推進器効率を高める整流フィン付ボスキャップ５が開発されている。

この整流フィン付ボスキャップ５では、ボスキャップ５に取り付けるフィン６の個数（図９では４個）を各プロペラブレード（プロペラ翼）３の個数（図９では４個）と等しくする。また、図１０に示すように、フィン６の取り付け角度αに関しては、プロペラブレード３の根部の幾何学的ピッチ角εに対して、（−２０°≦α−ε≦＋３０°）の関係を有している。フィン６の長さ方向に関しては、フィン６の前縁はプロペラブレード３の根部の後縁とプロペラ前後方向に等しいか又はこの後縁よりも後方とする（ｂ≧０）。また、隣接するプロペラブレード３の根部の隙間の位置に設ける（ａ＞０）。更に、図１１及び図１２に示すように、フィン６のボスキャップ５本体の軸線からの最大直径（２ｒ）はプロペラボス２のキャップ取付け端部２ａの直径Ｄｂａより大で、かつ、プロペラ直径（２Ｒ）の３３％以下としている。

この整流フィン付きボスキャップ５の作用効果については、整流フィン６はそれ自体では推力を発生せず、ボスキャップ５の後流におけるハブ渦の発生を減少する整流板の作用をし、この整流作用により、ボスキャップ５の後流のハブ渦が拡散されてプロペラブレード（プロペラ翼）３の翼面上の渦による誘導抗力が減少し、その結果、トルクを増大させることなく、プロペラ特性（推進器効率）の大幅な向上がもたれされるとされている。

また、例えば、日本出願の特許第３４９１８９０号公報に記載されているように、この整流フィン等の、プロペラハブからの渦を消去するハブ渦消去装置を有する船舶のプロペラにおいて、ハブ渦消却装置がその機能を十分に出し切るようにしてプロペラのトータル的な効率を高め、併せて強度面でも有利性を得ることを目的として、プロペラにおける翼根部のピッチ若しくはキャンバーを、プロペラの中間部のピッチ若しくはキャンバーに比べて大きくしたハブ渦消去装置を有する船舶のプロペラが提案されている。

また、例えば、日本出願の実開平５−７５９９号公報と日本出願の実公平７−３４７９５号公報に記載されているように、フィンをボスキャップに設けずに、プロペラボスのスクリュープロペラのブレードの下流で、ボスキャップを除くボス部の側周面に、ブレードと同数の複数枚の整流フィンを設けたフィン付きプロペラボスが提案されている。

一方、本発明者らは、整流フィン付ボスキャップを用いる船舶の推進装置は、フィンの形状によっては更に推進器効率の向上を図ることができるのではないかと考えて、様々な発想を基に工夫したフィンの数多くの形状を使用して水槽実験を行い、推進器効率を更に向上できる、次のようなスクリュープロペラを使用する船舶の推進装置とそれを備えた船舶を提案した。

この一つとして、日本出願の特開２０１０−２１５１８７号公報で、推進器効率を高めると共に、工作性を高め、また、軽量化するために、プロペラボスキャップの後端部を端面で形成するか、又は、後端部の形状を周縁部からプロペラボスキャップの全長の２０％の範囲内に収めると共に、全長をキャップ前端部の直径の０．２８倍〜０．７６倍とし、プロペラボスキャップの後端部の直径を、プロペラボスキャップの前縁部の直径の０．３５倍〜０．９５倍とすることを提案している。

更に、本発明者らは、次の知見を得て、フィンの改良を提案した。つまり、従来技術のフィンが平面的に形成されているため、根部と先端側とで、プロペラ軸に対しての角度が同じになる。しかし、数値流体力学計算（ＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics)計算）により、フィン表面の流れを解析した結果、フィンに流れ込む流れの方向はフィンの根部と先端側では異なっており、この平面形状のフィンの外周後縁側は抵抗になっているとの知見を得た。

この知見を基にフィンの外周後縁側の部分をカットすることで推進器効率を向上させることができると考えて、日本出願の特開２０１０−２３４８６１号公報で、推進効率を高めると共に、工作性を高めて軽量化するために、プロペラボスキャップの前端部直径を基準直径として、フィンの後半部の形状を、前記フィンの根部の前端と後端の中央一においてフィンの直径を前記基準直径の２．０倍とし、前記フィンの最後端位置において直径を前記基準直径の１．５倍として形成することを提案している。

上記のことを踏まえて、本発明者らは更に研究を進めて、フィンに流れ込む流れの方向の変化を考慮してフィン形状を設定することにより、より積極的にフィンの先端側の揚力を増加できて、推進器効率の更なる向上を図ることができるフィン形状を得られると確信して本発明に至った。

日本出願の特公平７−１２１７１６号公報 日本出願の特許第３４９１８９０号公報 日本出願の実開平５−７５９９号公報 日本出願の実公平７−３４７９５号公報 日本出願の特開２０１０−２１５１８７号公報 日本出願の特開２０１０−２３４８６１号公報

本発明の目的は、フィン付きのプロペラボスキャップを使用したスクリュープロペラで形成される船舶の推進装置及びそれを備えた船舶において、従来技術のフィン形状のフィン付きのプロペラボスキャップを使用した船舶の推進装置とそれを備えた船舶よりも、推進器効率をより向上できる船舶の推進装置とそれを備えた船舶を提供することにある。

上記の目的を達成するための船舶の推進装置は、スクリュープロペラのプロペラボスの後側に取り付けるプロペラキャップに、フィンを設けると共に、このフィンをプロペラ翼の間の後方に配置した船舶の推進装置において、前記フィンの形状に関して、前記フィンの根部に対して前記フィンの先端側の前端部が後方側にかつ後縁部が前方側に移動するように、前記フィンに捩じりを設けて形成する。
あるいは、上記の目的を達成するための船舶の推進装置は、スクリュープロペラのプロペラボスの後側にプロペラキャップを取り付けて、前記プロペラボスのプロペラ翼の後方部分にフィンを設けると共に、このフィンをプロペラ翼の間の後方に配置した船舶の推進装置において、前記フィンの形状に関して、前記フィンの根部に対して前記フィンの先端側の前端部が後方側にかつ後縁部が前方側に移動するように、前記フィンに捩じりを設けて形成する。
これは、フィン効果は、プロペラ翼との位置関係によって決まるので、プロペラボスとプロペラボスキャップとの位置関係によっては、フィンをプロペラボスキャップではなく、プロペラボスに設ける場合もあるからである。

この構成によれば、フィンの先端側に流れ込む流れの方向を考慮して、フィンの根部に対して、フィンの先端側の前縁部が後方側に後縁部が前方側になるように、フィンに捩じりを設けているので、フィンの先端側が抵抗になるのを防止できると共に、フィンの先端側の揚力を増加することができるので、推進器効率の更なる向上を図ることができる。

上記の船舶の推進装置において、前記フィンの前記捩じりの根部に対する先端側の捩じり角度を０度を超えて且つ２０度以下の範囲内の角度とすると、比較的簡単な基準で殆どの船舶において、フィンの先端側が抵抗になるのを防止できると共に、フィンの先端側の揚力を増加することができる。

また、上記の目的を達成するための船舶は、上記の船舶の推進装置を備えて構成される。これにより、従来技術のフィン形状を使用したフィン付きのプロペラボスキャップを使用した船舶の推進装置を備えた船舶よりも、推進器効率を向上させた船舶を提供できる。

本発明の船舶の推進装置によれば、フィン付きプロペラボスキャップを使用したスクリュープロペラで形成される推進装置において、フィンに流れ込む流れの方向の変化を考慮して、フィンの根部に対して、フィンの先端側の前縁部が後方側に後縁部が前方側になるように、フィンに捩じりを設けることにより、フィンの先端側の揚力を増加することができ、推進器効率の更なる向上を図ることができる。

また、本発明の船舶の推進装置を備えた船舶によれば、推進器効率の高い船舶の推進装置を使用するので推進効率の向上を図ることができる。この推進効率を少しでも向上させることができると、運航の期間が十数年以上にも及び、多量の燃料を消費する船舶においては、非常に大きな燃料の節約となる。

図１は、本発明の実施の形態における船舶の推進装置の構成を示す船舶の後方から見た図である。 図２は、図１の船舶の推進装置の側面図である。 図３は、フィンの捩じり状態と捩じり角度を示すプロペラボスキャップの側面図である。 図４は、フィンの捩じり状態と捩じり角度を示すプロペラボスキャップの部分斜視図である。 図５は、フィンのレーキ角度を示す後方から見た図３のＡ−Ａ断面図である。 図６は、捩じり角度が１０度の場合のフィンを示すプロペラボスキャップの部分斜視図である。 図７は、捩じり角度が０度の場合のフィンを示すプロペラボスキャップの部分斜視図である。 図８は、捩じり角度が−１０度の場合のフィンを示すプロペラボスキャップの部分斜視図である。 図９は、従来技術における船舶の推進装置の構成を示す船舶に後方から見た図である。 図１０は、図９の船舶の推進装置の側面図である。 図１１は、従来技術におけるプロペラボスキャップの形状を示す側面図である。 図１２は、従来技術におけるプロペラ翼とフィンの位置関係を示す側面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る船舶の推進装置とそれを備えた船舶の実施の形態について説明する。ここでは、プロペラ翼の後方に配置するフィンをプロペラボスキャップに配置した例で説明しているが、本発明は、フィンをプロペラボスのプロペラ翼の後方部分に設ける場合にも適用できる。 なお、図１〜図５及び図６〜図１２は分かり易いように、プロペラボス、プロペラ翼、プロペラボスキャップ、フィン等の形状や寸法を変えて示しており、これらの形状や寸法は実際のものとは異なる。また、図３、図５、図１０及び図１２では、見易くするためと、作図や説明の都合上で、見えて当然のプロペラ翼やフィンを省いて示してある。

図１〜図５に示すように、本発明の実施の形態の船舶の推進装置１は、プロペラボス（プロペラハブ）２とこのプロペラボス２に装着されたプロペラ翼３と、プロペラボス２の後端に接続されたプロペラボスキャップ（プロペラハブキャップ）５と、このプロペラボスキャップ５に設けたフィン６とからなるスクリュープロペラで構成される。

また、プロペラボスキャップ５はプロペラ回転軸Ｐｃを回転軸とする回転体で形成し、このプロペラボスキャップ５の後端部５ａを端面で形成する。この回転体は、回転の母線を滑らかな曲線又は直線で形成すると共に、後方に向かって先細りする形状で形成される。

ここで、図３に示すように、プロペラボスキャップ５の前端部直径Ｄｃｆを基準直径Ｄｓとして、それと共に、このプロペラボスキャップ５の全長Ｌｃを、好ましくは基準直径Ｄｓの０．２８倍〜０．７６倍とし、このプロペラボスキャップ５の後端部５ａの直径Ｄｃａを、好ましくは基準直径Ｄｓの０．３５倍〜０．９５倍とする。なお、この前端部５ｆの直径Ｄｃｆは、プロペラボスキャップ５のフランジ径に相当する。

また、図３に示すように、プロペラボスキャップ５の外周面５ｂを形成する回転体の母線を直線とする場合には、プロペラボスキャップ５の形状は円錐台となり、非常に製造し易くなる。また、図示しないが、母線を滑らかな曲線とする場合でも、前方から後方に向かって滑らかに先細りする形状とし、好ましくは、プロペラボスキャップ５の後端部５ａの形状をプロペラ回転軸Ｐｃに垂直な断面において、円錐台の形状からの偏差をプロペラボスキャップ５の全長Ｌｃの２０％以内とする。

また、プロペラボスキャップ５の前端部５ｆの端面は、プロペラボス２の後端面２ａに接合する関係から平面形状に形成される。一方、プロペラボスキャップ５の後端部５ａの端面は、図３に示すように、工作上の観点からが平面で形成することが好ましいが、平面に近い円錐又は回転体等で形成してもよい。この場合でも、後端部５ａの形状を周縁部と中心部との前後方向の距離を、プロペラボスキャップ５の全長Ｌｃの２０％の範囲内に収めるように構成する。

図１〜図４に示すように、フィン６は、スクリュープロペラ１のプロペラボス２の後側に取り付けるプロペラボスキャップ５に設けられると共に、このフィン６はプロペラ翼３の間の後方に配置される。つまり、プロペラ軸Ｐｃの前方向から後方向に見たときに、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）の前端６ｂｆは、プロペラ翼３の根部の後端同士の間に配置される。また、側面から見たときには、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）の前端６ｂｆは、プロペラ翼３の根部の後端より後方に配置される。このフィン６は、正負のキャンバーを有して形成してもよいが、工作上の簡便性と製作コストの削減の面からは、平板形状が適している。また、このフィン６は、正負のレーキ角をもって取り付けられても良い。

なお、フィン６の長さに関しては、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）の前端６ｂｆと後端６ｂａがプロペラボスキャップ５に配置される必要があるので、プロペラボスキャップ５の回転中心線に対するフィン６の取り付け角度αとの関係から、おのずと制限を受ける。例えば、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）の前縁６ｂｆは、プロペラボス２の前後方向に関して、プロペラ翼３の根部の後縁と等しいか又はこの後縁よりも後方とする。

また、フィン６の取り付けの角度αに関しては、従来技術と同様に、図１０に示すように、プロペラ翼３の根部の幾何学的ピッチ角εに対して、（−２０°≦α−ε≦＋３０°）の関係を有して取り付ける。また、隣接するプロペラ翼３の根部の隙間の位置に設ける。フィン６の取り付け角度αとして、従来技術のフィン付きのプロペラボスキャップ５と同様に、図５に示すようなレーキ角γを付けても良い。この図５は、フィン６のレーキ角γが０で取り付けられた場合と正の角度（＋γ）あるいは負のレーキ角（−γ）で取り付けられた場合を示したものである。

また、フィン６の厚み方向に関しては、平板で均一厚みとする方が工作上容易となるが、少しでも性能向上を目指す場合には、翼形状にする。また、平板を曲げてキャンバーを設けたり、翼形状でキャンバーを設けたりすることもでき、このキャンバーを設ける場合には、プロペラボスキャップ５の形状との関係を考慮してフィン６の根部において、プロペラ翼３のキャンバーと異なる方向にキャンバーを設けて、プロペラ翼３が発生するトルクＱｐと逆方向のトルクＱｆが発生するようにすることが好ましい。

そして、本発明においては、フィン６は、図３及び図４に示すように、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）と先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）に流れ込む流れの方向を考慮して、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）に対してフィン６の先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）の前縁部６ｔｆが後方側に後縁部６ｔａが前方側になるように、フィン６に捩じり角δを持つ捩じりを設けて形成する。また、船尾の流れやプロペラ等にもよるが、通常の多くの場合は、フィン６の捩じり角度δを０度（ｄｅｇｒｅｅ）を超えて且つ２０度以下の範囲内の角度とすることが好ましい。０度以下であると捩じりによる揚力増加効果が少なく、２０度より大きいと抵抗が増加してしまうので、この範囲内とすることが好ましい。なお、この捩じり角度δの正負は、取り付け角αの正負と逆になっている。

この構成によれば、フィン６の先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）、特に先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）の後縁部６ｔａの近傍が抵抗になるのを防止できると共に、フィン６の先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）の揚力を増加することができる。

なお、先行技術である特開２０１０−２３４８６１号公報に記載した後縁カット型のフィンの一例に対して、捩じりを入れないフィン（捩じり角度δ＝０度）と本発明の捩じりを入れたフィン（捩じり角度δ＝１０度）の比較を、フィン高さ（横軸）を変更しながらシリーズ計算してみたが、捩じれを入れないフィンに比べて捩じりを入れたフィンの方が推進器効率ηがより向上しているとの結果が得られている。

なお、参考までに、図６に捩じり角度δ＝１０度の部分斜視図を、図７に捩じり角度δ＝０度の部分斜視図を、図８に捩じり角度α＝−１０度の部分斜視図を示す。なお、捩じり角度δの範囲から判るように、図７及び図８のフィンの構成は参考で有り、本発明の範囲外のフィンの構成である。

上記の船舶の推進装置１によれば、フィン６の形状を、フィン６の先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）に流れ込む流れの方向を考慮して、フィン６の根部（６ｂｆ〜６ｂａ）に対して、フィン６の先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）の前縁部６ｔｆが後方側に後縁部６ｔａが前方側になるように、フィン６に捩じりを設けてフィン６の先端側（６ｔｆ〜６ｔａ）の揚力を増加することができるので、船舶の推進装置１の推進器効率の更なる向上を図ることができる。

また、本発明は、フィン６をプロペラボス５のプロペラ翼３の後方部分に設ける場合にも適用できる。このプロペラ翼３の後方部分に設ける場合には、基準直径をプロペラボスにおけるプロペラ翼３の後端の根部の直径とする。フィン６をボスキャップ５に取り付ける場合は、ボスキャップ５はプロペラ翼３の後方に設置されるという物理的制限から、フィン６の前縁はプロペラ翼３の根部の後縁とプロペラ前後方向に等しいか又はこの後縁より後方とされる（ｂ≧０）が、フィン６をプロペラボス２のプロペラ翼３の後方に設ける場合は、フィン６の前端はプロペラ翼間に配置されても良い。この場合は、ｂはマイナスでも良く、好ましくは−０．５×Ｄｃｆ＜ｂ＜０であれば良い。このようにすることにより、プロペラボス５の長さを少しでも短くして軽量化を図ることができる。

本発明の船舶の推進装置を備えた船舶は、上記の船舶の推進装置１を備えて構成される。この船舶によれば、上記の船舶の推進装置１を使用するので推進効率の向上を図ることができる。

本発明の船舶の推進装置は、フィン付きプロペラボスキャップを使用したスクリュープロペラで形成される推進装置において、フィンに流れ込む流れの方向の変化を考慮して、フィンの根部に対して、フィンの先端側の前縁部が後方側に後縁部が前方側になるように、フィンに捩じりを設けて、フィンの先端側の揚力を増加することにより、推進器効率の更なる向上を図ることができるので、船舶の推進装置として利用できる。

また、本発明の船舶の推進装置を備えた船舶は、推進効率の向上を図ることができて燃費の節約ができると共に、推進装置の軽量化による推進軸及び推進軸の支持構造の軽量化ができるので、数多くの船舶として利用できる。

１、１Ｘ 船舶の推進器
２ プロペラボス
２ａ プロペラボスの後端面
３ プロペラ翼
５ プロペラボスキャップ
５ａ プロペラボスキャップの後端部
５ｂ プロペラボスキャップの外周面
５ｆ プロペラボスキャップの前端部
６ フィン
６ｂａ フィンの根部の後端
６ｂｆ フィンの根部の前端
６ｔａ フィンの先端側の後端
６ｔｆ フィンの先端側の前端
ａ フィン前端のプロペラブレードとの回転方向距離
ｂ プロペラブレード後端とフィン前端のプロペラ前後方向距離
Ｄｃａ プロペラボスキャップの後端部の直径
Ｄｃｆ プロペラボスキャップの前端部の直径
Ｄｓ 基準直径
Ｌｃ プロペラボスキャップの長さ
Ｐｃ プロペラ回転軸
α フィンの取り付け角度
ε プロペラブレードの根部の幾何学的ピッチ角
γ フィンの取り付けレーキ角度
δ フィンの捩じり角度

Claims (4)

1. スクリュープロペラのプロペラボスの後側に取り付けるプロペラキャップに、フィンを設けると共に、このフィンをプロペラ翼の間の後方に配置した船舶の推進装置において、前記フィンの形状に関して、前記フィンの根部に対して前記フィンの先端側の前端部が後方側にかつ後縁部が前方側に移動するように、前記フィンに捩じりを設けて形成したことを特徴とする船舶の推進装置。
2. スクリュープロペラのプロペラボスの後側にプロペラキャップを取り付けて、前記プロペラボスのプロペラ翼の後方部分にフィンを設けると共に、このフィンをプロペラ翼の間の後方に配置した船舶の推進装置において、前記フィンの形状に関して、前記フィンの根部に対して前記フィンの先端側の前端部が後方側にかつ後縁部が前方側に移動するように、前記フィンに捩じりを設けて形成したことを特徴とする船舶の推進装置。
3. 前記フィンの前記捩じりの根部に対する先端側の捩じり角度を０度を超えて且つ２０度以下の範囲内の角度としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶の推進装置。
4. 請求項１、２、又は、３記載の船舶の推進装置を備えたことを特徴とする船舶。

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