JP5936033B2 - 船尾構造および船舶 - Google Patents

Description

本発明は、推進効率の向上により省エネルギー化を実現することができる船尾構造および船舶に関する。

近年、船舶分野においても燃料代の高騰やエネルギー、環境問題の高まりから各種の省エネルギー化の実現方法が検討されている。船舶の運航方法や港湾等のインフラを除く船舶そのものを省エネルギー化する方法としては機関の効率アップや船型の改良がある。この船型の改良の一環として船尾構造を工夫したいくつかの先行技術が存在する。

特許文献１には、船体抵抗の増加をひきおこさないで推進効率を向上させることを目的として、船尾寄りの一方または両舷の側部にかつプロペラ軸心より下方位置に水流を導く導入経路を形成するノズル部材を取り付けた船体構造が開示されている。
また、特許文献２には、肥大船における船尾流を整流することを目的として、船尾流場に生じる伴流係数の大きい流れを集中整流した後拡散してプロペラ作動面に導く整流装置が開示されている。

特開平１０−７０８６号公報 実用新案公報 昭５６−３２３９６号公報

しかし、特許文献１に開示された船体構造は、推進効率を向上させるための手段として、プロペラの左右に形状の同じノズル部材を配している。このように、プロペラの左右に同じノズル部材を対称に設けた場合、対向流を助長する側において有益な作用を助長することができるものの、反対側では作用が減少するよりむしろ流れを乱すことによる抵抗の増大をもたらすことがある。このため、船舶の推進効率を向上させるためには必ずしも十分なものではない。
また、特許文献２に記載の整流装置は、特に肥大船における伴流分布の激しい変化を均一化してプロペラ作動面に導くことで、性能を向上させるものであり、対向流を用いてプロペラの推進効率を向上させるものではない。
そこで、本発明は、船舶の推進効率を向上させることにより省エネルギー化を実現できる船尾構造および船舶を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の船尾構造は、船体の船尾のプロペラに対する流れを制御する内部が中空のダクトを有した船尾構造であって、前記ダクトを前記船尾の左右に左右で異なる形状に形成して設け、かつ前記プロペラの回転方向側の前記ダクトを、前記船体を船側から側面視した状態で、前記プロぺラの軸に対し前記ダクトの中心軸が上下にわたるようにして前記プロペラの回転方向に対する対向流を強める形状に形成し、反回転方向側の前記ダクトを船尾側が水平または水平よりも下がる角度に取り付けて前記プロペラの回転方向に対する対向流を強める形状に形成したことを特徴とする。
船尾の左右にダクトを設けかつ左右でダクトの形状を異ならせる構成により、プロペラの回転方向に対する対向流による推進効率の向上と、ダクトによる推進抵抗の増加とを考慮した最適な形状とすることができる。ここで、「プロペラの回転方向に対する対向流を強める形状」とは、プロペラが１回転する間に受ける対向流を強めることができる形状をいう。このため、プロペラ翼が上方から下方へ弧を描きながら下降する回転方向側では対向流を強め、プロペラ翼が下方から上方へ弧を描きながら上昇する反回転方向側では対向流を強めない形状も「プロペラの回転方向に対する対向流を強める形状」に含まれる。
また、プロぺラの軸に対しプロペラの回転方向側のダクトの中心軸が上下にわたるように形成することにより、対向流をプロペラ面に確実に導くことができる。
また、反回転方向側のダクトを船尾側が水平または水平よりも下がる角度に取り付けることにより、反回転方向側においてプロペラに対する対向流を形成して、推進効率を向上させることができる。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の船尾構造において、前記反回転方向側の前記ダクトを、前記船体を船側から側面視した状態で、前記プロぺラの軸に対し前記ダクトの中心軸が上下にわたるように形成したことを特徴とする。
プロぺラの軸に対しダクトの中心軸が上下にわたるように形成することにより、対向流をプロペラ面に確実に導くことができる。

請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載の船尾構造において、前記船体を側面視した状態で、前記プロペラの回転方向側の前記ダクトの取り付け角度を反回転方向側の前記ダクトの取り付け角度よりも船尾側が上方を向く角度に取り付けたことを特徴とする。
この構成により、プロペラの回転方向側で下方を向く流れに対する対向流を有効に形成することができる。

請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の船尾構造において、前記回転方向側の前記ダクトの取り付け角度を船尾側が水平よりも上がる角度に取り付けたことを特徴とする。
この構成により、回転方向側においてプロペラに対する対向流を形成して、推進効率を向上させることができる。

請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４のうちの１項に記載の船尾構造において、前記回転方向側の前記ダクトで流れを加速したことを特徴とする。
この構成により、回転方向側のプロペラへの対向流をさらに強くして、推進効率を向上させることができる。

請求項６に記載の本発明の船舶は、請求項１から請求項５のうちの１項に記載の船尾構造を前記船体に採用したことを特徴とする。
この構成により船舶の推進効率を向上させ省エネルギー化を実現できる。

請求項７に記載の本発明は、請求項６に記載の船舶において、前記船体が船尾双胴型であることを特徴とする。
船尾双胴型の船舶では、上述した船尾構造を採用することにより、船尾トンネル付近に生じる強い上昇流も利用して推進効率を向上させることができる。なお、船体が船尾双胴型である場合、スケグの左右が船尾の左右に相当する。例えば、プロペラが内回りの船尾双胴型である場合、スケグのトンネル側が回転方向側、外側が反回転方向側に相当する。

本発明の船尾構造によれば、船尾の左右のダクトの形状自体を異ならせることにより、プロペラの回転方向に対する対向流を強め推進効率の向上とダクトによる抵抗増加とを総合的に考慮することができ、省エネルギー化を実現できる。
また、プロぺラの軸に対しダクトの中心軸が上下にわたるように形成することにより、対向流をプロペラ面に確実に導いて推進効率の向上が図れる。
また、反回転方向側のダクトの取り付け角度を船尾側が水平または水平よりも下がる角度に、回転方向側のダクトの取り付け角度を船尾側が水平よりも上がる角度に取り付けることにより、反回転方向側、回転方向側においてプロペラに対する対向流を形成して、推進効率を向上させることができる。
また、プロペラの回転方向側のダクトの取り付け角度を反回転方向側のダクトの取り付け角度よりも船尾側が上方を向く取り付け角度とすることにより、プロペラの回転方向側の対向流を強めて推進効率を向上させることができる。
また、回転方向側のダクトで流れを加速することにより、回転方向側のプロペラへの対向流をさらに強くして、推進効率を向上させることができる。
また、ダクトを内部が中空のダクトで構成することにより、船尾形状や経済的な面等を考慮したダクトにより推進効率の向上が図れる。
船舶に左右のダクトの形状自体を異ならせた船尾構造を採用することにより、船舶の推進効率を向上させ省エネルギー化を実現できる。
また、船尾双胴型の船舶に左右のダクトの形状自体を異ならせた船尾構造を採用した場合、船尾トンネル付近に生じる強い上昇流も利用して推進効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態による船尾構造（例その１）を模式的に示す正面図 （ａ）図１の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図、（ｂ）図１の船尾構造をプロペラの反回転方向側から見た側面図 本発明の第１の実施形態による船尾構造（例その２）を模式的に示す正面図 （ａ）図３の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図、（ｂ）図３の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図 本発明の第１の実施形態による船尾構造（例その３）を模式的に示す正面図 （ａ）図５の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図、（ｂ）図５の船尾構造をプロペラの反回転方向側から見た側面図 本発明の第２の実施形態による船尾構造（例その１）を模式的に示す正面図 （ａ）図７の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図、（ｂ）図７の船尾構造をプロペラの反回転方向側から見た側面図 本発明の第２の実施形態による船尾構造（例その２）を模式的に示す正面図

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による船尾構造について図１〜図６に基づいて、以下に説明する。
図１は本実施形態による船尾構造（例その１）を模式的に示す正面図である。同図に示すように、船尾構造１０は、船体２０の船尾のプロペラ３０に対する流れを制御するダクト（付加物）４０およびダクト（付加物）５０を有している。

ダクト４０およびダクト５０はいずれも、内部が半円状のダクトである。図１においては、太い線がダクト４０およびダクト５０の船尾側端の外殻を示しており、太い線の内側が開口を示している。このように、ダクト４０とダクト５０の形状を異ならせることにより、伴流分布の実態に合わせ、プロペラ３０の回転方向に対する対向流（カウンターフロー）を強める機能と、プロペラ３０に対する流れを整流する機能とを船尾の左右で分担させることができる。したがって、船舶の推進効率を向上させることができる。

以下では、主にプロペラ３０に対する対向流を強める作用をするダクト４０、およびプロペラ３０に対する流れを整流する作用をするダクト５０について、図２（ａ）、図２（ｂ）に基づいて説明する。
図２（ａ）は、図１の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図である。同図に示すように、プロペラ３０の回転方向側（プロペラ３０のプロペラ翼が上から下に向かって回転する側、図１にＡで示した側）に設けられたダクト４０は、船首側が低く船尾側が高くなるよう仰角をつけて上方を向く角度に取り付けられている。このため、プロペラの回転方向と対向する対向流を強めて推進効率を向上させることができる。
また、ダクト４０は、船体２０をプロペラ軸（プロペラ３０の回転軸）３１の高さで船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対してその中心軸Ｃが上下にわたり、かつ、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。したがって、ダクト４０によって、対向流をプロペラ面に確実に導いてプロペラ３０への対向流を強くすることができる。

ダクト４０は、相対的に水流の入口が広く出口が狭くなるように、すなわち、入口の断面積が出口の断面積よりも大きくなるように形成されている。このため、ダクト４０内を通過する際に水流が加速され、この加速された水流がプロペラ３０に対する対向流となり、対向流をさらに強くできる。したがって、プロペラ３０の推進効率が向上する。すなわち、プロペラ３０の回転と逆方向の流れを増大させることにより、プロペラ３０のプロペラ面の循環を増大させ、二重反転効果により推進効率が良くなる。
なお、循環とは、流れの中の閉曲線に沿った各点の接線方向のベクトルと線分の積を全周積分して求めるものである流体力学で言う循環だけでなく、プロペラが回転する円周に沿った流れのベクトルを使って循環的に求めるものをも含んだ概念をいう。

図２（ｂ）は、図１の船尾構造をプロペラの反回転方向側から見た側面図である。同図に示すように、プロペラ３０の反回転方向側（プロペラ３０のプロペラ翼が下から上に向かって回転する側、図１にＢで示した側）に設けられたダクト５０は、プロペラ軸３１と平行になるように略水平に取り付けられている。また、ダクト５０は、船体２０をプロペラ軸３１の高さにおいて船側から側面視した場合、その中心軸Ｃがプロペラ軸３１と略平行になるように、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。そして、ダクト５０の水流の入口と出口とが同じ大きさ（断面）となっている。このため、プロペラ３０の反回転方向側に設けられているダクト５０は、その内部を通過させて水流を整流する作用をする。
この反回転方向側で流れを整流することも、謂わば負に作用するものを零にするようなもので対向流を形成するものとも言える。

ただし、船首側が高く船尾側が低くなるようにダクト５０を取り付けても良い。この場合、ダクト５０は、船体２をプロペラ軸３１の高さにおいて船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対しその中心軸Ｃが上下にわたるように、プロペラ軸３１と重なる位置に形成される。この構成によれば、整流作用に加えて、下から上に向かって回転する反回転方向側のプロペラ３０に対して対向流を形成する作用をも奏することができる。ダクト５０に対向流を形成する作用を付与する場合、抵抗の増大による船舶の推進効率の低下という不利益より、対向流の増大による船舶の推進効率の増大により得られる利益の方が大きくなるようにする。

プロペラ３０の反回転方向側では、回転方向側とは異なり、船尾付近においてプロペラ３０の回転方向と同じ方向の流れが形成されている。このため、ダクト５０により、ダクト４０同様にプロペラ３０の対向流を形成することは困難である。ダクト５０をダクト４０と同じ構成とした場合、プロペラ３０の推進効率の向上に寄与しないばかりか、むしろ、プロペラ３０付近の水流を乱して船舶の抵抗を増大させる結果となるおそれがある。

そこで、本実施形態の船尾構造１１では、船尾の左右にダクト４０とダクト５０とを設け、かつ両者を異なる形状としている。この構成により、ダクト４０およびダクト５０の総合的な作用として、プロペラ３０の回転方向に対する対向流を強めることによる推進効率の増大と、船体の抵抗増加による推進効率の低下とを調整して、船舶の推進効率を向上させるために最適な形状とすることが可能となる。船舶の推進効率を向上させることは、省エネルギー化の実現に繋がる。

プロペラ３０の回転方向側のダクト４０は、船体２０を側面視した状態で、反回転方向側のダクト５０よりも船尾側が上方を向く角度に取り付けられている。すなわち、ダクト４０は、水平Ｌに対する中心軸Ｃの取り付け角度α（図２（ａ）参照）がダクト５０よりも大きくなるように取り付けられている。この構成により、回転方向側の対向流を強めて、プロペラ３０の推進効率を向上させることができる。

また、プロペラ３０の回転方向側のダクト４０を船尾側が水平Ｌよりも上がるように、すなわち取り付け角度αが水平Ｌよりも上方に形成されるように取り付けると共に、プロペラ３０の反回転方向側のダクト５０を船尾側が水平Ｌよりも下がるように、すなわち取り付け角度αが水平Ｌよりも下方に形成されるように取り付けてもよい。この構成によれば、回転方向側と反回転方向側の双方においてプロペラ３に対する対向流を形成して、推進効率を向上させることができる。取り付け角度αは、上述したように、プロペラ３０に対する対向流の増大による利益と、抵抗の増大による不利益とを考慮して決定すればよい。なお、ダクト４０およびダクト５０は、内部が中空の付加物であるため、流れを的確に導き対向流を形成できる利点を有している。

図３は本実施形態による船尾構造（例その２）を模式的に示す正面図である。同図に示すように、船尾構造１１は、船体２０の船尾のプロペラ３０に対する流れを制御するフィン（付加物）４１およびフィン（付加物）５１として、複数個からなるフィン状の付加物を有している。なお、「フィン状」には、板状、翼状のものを含む。

図４（ａ）は、図３の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図である。同図に示すように、プロペラ３０の回転方向側Ａには、フィン４１Ａおよびフィン４１Ｂからなるフィン４１が取り付けられている。フィン４１は、船首側が低く船尾側が高くなるよう仰角をつけて取り付けられている。フィン４１は、船体２０をプロペラ軸３１の高さの船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対してその中心軸Ｃが上下にわたり、かつ、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。このため、ダクト４０同様、プロペラ３０の回転方向側の対向流を形成することができる。

フィン４１Ａとフィン４１Ｂは、水流の入口側（船首側）の間隔が相対的に広く、出口側（船尾側）の間隔が相対的に狭くなるように形成されている。このため、フィン４１内を通過する際に加速された水流がプロペラ３０に対する対向流となる。したがって、プロペラ３０の推進効率を向上させることができる。すなわち、プロペラ３０の回転と逆方向の流れである対向流を増大させることにより、プロペラ面の循環を増大させ、二重反転効果により推進効率が良くなる。

図４（ｂ）は、図３の船尾構造をプロペラの反回転方向側から見た側面図である。同図に示すように、プロペラ３０の反回転方向側Ｂには、フィン５１Ａとフィン５１Ｂとからなるフィン５１が取り付けられている。フィン５１は、プロペラ軸３１と略平行に（略水平に）取り付けられている。フィン５１は、船体２０をプロペラ軸３１の高さの船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対してその中心軸Ｃが略平行になるように、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。このため、フィン５１は、ダクト５０同様、フィン５１内を通過させることで整流した水流をプロペラ３０にあてる。
またフィン５１のフィン５１Ａとフィン５１Ｂは、水流の入口側（船首側）と出口側（船尾側）の間隔が同じになるように形成されている。このように、フィン５１とフィン４１とを異なる形状として船尾の左右において異なる作用をさせることにより、船舶の推進効率を向上させている。

なお、フィン５１は、船首側が高く船尾側が低くなるよう仰角をつけて取り付けることとしても良い。この場合、フィン５１は、船体２０をプロペラ軸３１の高さの船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対しその中心軸Ｃが上下にわたるように、プロペラ軸３１と重なる位置に形成される。この構成によれば、プロペラ３０が下から上に向かって回転する反回転方向側のプロペラ３０に対しても対向流を形成することができる。なお、取り付け角度αは、ダクト５０同様、プロペラ３０に対する対向流の増大による利益と、抵抗の増大による不利益とを考慮して決定すればよい。フィン４１およびフィン５１は、側方が開放されているため多少、流れが逃げる面があるが構成が簡単で安価に提供できる利点を有している。

図５は本実施形態による船尾構造（例その３）を模式的に示す正面図である。同図に示すように、船尾構造１２は、船体２０の船尾のプロペラ３０に対する流れを制御する付加物４２および付加物５２として、表面に開口を有しない中空状の付加物を有している。

図６（ａ）は、図５の船尾構造をプロペラの回転方向側から見た側面図である。同図に示すように、プロペラ３０の回転方向側には、付加物４２が、船首側が低く船尾側が高くなるよう仰角をつけて取り付けられている。また、付加物４２は、船体２０をプロペラ軸３１の高さで船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対しその中心軸Ｃが上下にわたり、かつ、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。したがって、ダクト４０およびフィン４１同様、プロペラ３０への対向流を強くすることができる。

図６（ｂ）は、図５の船尾構造をプロペラの反回転方向側から見た側面図である。同図に示すように、プロペラ３０の反回転方向側には、付加物５２が、プロペラ３０の回転軸と平行になるように略水平に取り付けられている。また、付加物５２は、船体２０をプロペラ軸３１の高さにおいて船側から側面視した場合、その中心軸Ｃがプロペラ軸３１と略平行になるように、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。このため、付加物５２により整流した水流をプロペラ３０に当てることができる。

図５および図６に基づいて説明した付加物４２および付加物５２は、その内部に空間を有する中空状のもの、またはその内部に空間を有さない中実状のもののいずれの構成としてもよい。付加物４２および付加物５２は、表面に開口を有しない中空状あるいは中実状の付加物であるため、流れを案内する効果はダクト状の付加物と比較してやや劣るが、強度面で強くできる利点を有している。

図１〜図６に基づいて説明した船尾構造１０・１１・１２を採用した船舶として実施する場合、ダクト４０・５０、フィン４１・５１、付加物４２・５２を複数種、組み合わせて設ける構成としてもよい。また、ダクト４０・５０、フィン４１・５１、付加物４２・５２を船体２０に新造船として最初から形成しても、既存船に後付けして形成することとしてもよい。また、損傷した場合などに取り替えたり、取り外してメンテナンスした後に再度取り付けることもできる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による船尾双胴型船舶について図７〜図９に基づいて、以下に説明する。本実施形態の船尾双胴型船舶は、船尾双胴型である点において、第１の実施形態の船舶とは異なっている。なお、第１の実施形態において説明した部材については、同じ符号を付して、本実施形態では説明を省略する。
図７は本実施形態による船尾構造（例その１）を模式的に示す正面図である。同図に示すように、船尾構造１３は、船体２３の船尾のプロペラ３０に対する流れを制御するダクト４０およびダクト５０を有している。

図８（ａ）は、図７の船尾構造をプロペラの回転方向側（スケグの内側）から見た側面図である。同図に示すようにプロペラ３０の回転方向側Ａには、ダクト４０が、船体２０をプロペラ軸３１の高さで船側から側面視した場合、プロペラ軸３１に対してその中心軸Ｃが上下にわたり、かつ、プロペラ軸３１と重なる位置に形成されている。
図８（ｂ）は、図７の船尾構造をプロペラの反回転方向側（スケグの外側）から見た側面図である。同図に示すようにプロペラ３０の反回転方向側Ｂには、ダクト５０の中心軸Ｃがプロペラ軸３１と略平行になるように取り付けられている。

船尾双胴型船舶２３は、船尾に２つのスケグ６０を備えており、スケグ６０の間のトンネル部に非常に強い上昇流が発生する。この上昇流を利用するため、２つのスケグ６０の船尾側に各々設けられているプロペラ３０は、トンネル内側において下方に回転するいわゆる内回りの回転で使用される。そこで、スケグ６０の内側にダクト４０を設けることにより、上昇流をプロペラ３０の対向流としてさらに有効利用することができるから、推進効率を一層向上させることが可能となる。また、スケグ６０の外側にダクト５０を設けることにより、水流を整えて推進効率を向上させることが可能となる。

上述したように、船尾双胴型船舶２３のプロペラ３０はトンネル内の上昇流を利用するため、通常、内回りの回転で使用される。しかし、例えば、網の巻き上げ防止などを目的として、外回りの回転で使用される場合もある。以下、図９に基づいて、外回りの回転で用いられる場合に好適な形態について説明する。

図９は本実施形態による船尾構造（その２）を模式的に示す正面図である。同図に示す船尾構造１４は、プロペラ３０が外回りである点において、図７に示した船尾構造１３と異なっている。このため、スケグ６０の外側が回転方向側となり、スケグ６０の内側が反回転方向となる点において内回りのものとは異なっている。しかし、船尾構造をプロペラの回転方向側、反回転方向側から見た側面図は図８（ａ）、図８（ｂ）と同じである。

このように、船尾双胴型船舶において、スケグの間のトンネル部の上昇流を利用することができない場合にも、スケグの左右に非対称な付加物を設けることにより、プロペラの推進効率を向上させることができる。
図７〜図９に基づいた上記説明では、ダクト状の付加物を設けた構成について説明したが、船尾双胴型船舶においても実施の形態１において説明した別の種類の付加物を単独でまたは併用して用いてもよい。

本発明は、種々の船舶に広く適用できるものである。また、本発明の船尾構造を船舶の建造時に設けることも、既存の船舶に後付で設けることも可能である。

１０、１１、１２、１３、１４ 船尾構造
２０、２３ 船体
３０ プロペラ
３１ プロペラ軸
４０、５０ ダクト（付加物）
４１、５１ フィン（付加物）
４２、５２ 付加物

Claims (7)

1. 船体の船尾のプロペラに対する流れを制御する内部が中空のダクトを有した船尾構造であって、前記ダクトを前記船尾の左右に左右で異なる形状に形成して設け、かつ前記プロペラの回転方向側の前記ダクトを、前記船体を船側から側面視した状態で、前記プロぺラの軸に対し前記ダクトの中心軸が上下にわたるようにして前記プロペラの回転方向に対する対向流を強める形状に形成し、反回転方向側の前記ダクトを船尾側が水平または水平よりも下がる角度に取り付けて前記プロペラの回転方向に対する対向流を強める形状に形成したことを特徴とする船尾構造。
2. 前記反回転方向側の前記ダクトを、前記船体を船側から側面視した状態で、前記プロぺラの軸に対し前記ダクトの中心軸が上下にわたるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の船尾構造。
3. 前記船体を側面視した状態で、前記プロペラの回転方向側の前記ダクトの取り付け角度を反回転方向側の前記ダクトの取り付け角度よりも船尾側が上方を向く角度に取り付けたことを特徴とする請求項１または２に記載の船尾構造。
4. 前記回転方向側の前記ダクトの取り付け角度を船尾側が水平よりも上がる角度に取り付けたことを特徴とする請求項３に記載の船尾構造。
5. 前記回転方向側の前記ダクトで流れを加速したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の船尾構造。
6. 請求項１から請求項５のうちの１項に記載の船尾構造を前記船体に採用したことを特徴とする船舶。
7. 前記船体が船尾双胴型であることを特徴とする請求項６に記載の船舶。