舶用推進効率改善装置およびその施工方法
【課題】低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に好適な舶用推進効率改善装置の提供。
【解決手段】舶用推進効率改善装置２０は、推力を発生するプロペラ１１を含む船舶１０のボッシング１５に対してプロペラ１１よりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンＰ１〜Ｓ２を含む。ステータフィンＰ１〜Ｓ２は、ボッシング１５に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さｄｓがプロペラ１１の半径ｄｐの７０％以下となるように形成されると共に、ステータフィンＰ１〜Ｓ２のフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰ１〜Ｓ２のルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度を取付角ψとしたときに、取付角ψが２０°〜４０°となるようボッシング１５に配設される。
【解決手段】舶用推進効率改善装置２０は、推力を発生するプロペラ１１を含む船舶１０のボッシング１５に対してプロペラ１１よりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンＰ１〜Ｓ２を含む。ステータフィンＰ１〜Ｓ２は、ボッシング１５に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さｄｓがプロペラ１１の半径ｄｐの７０％以下となるように形成されると共に、ステータフィンＰ１〜Ｓ２のフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰ１〜Ｓ２のルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度を取付角ψとしたときに、取付角ψが２０°〜４０°となるようボッシング１５に配設される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推力を発生するプロペラを含む船舶に適用される舶用推進効率改善装置およびその施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の技術として、プロペラよりも船首側に位置するように配設された複数のフィンを備えたものが多数知られている（特許文献１から６参照）。これらの舶用推進効率改善装置のうち、特許文献１に記載の船舶推進性能向上装置では、プロペラが船舶を前進させる方向に回転するときにプロペラ翼が下降する側に配置されるフィンがプロペラ軸に対して後縁上りに設けられると共に、プロペラが船舶を前進させる方向に回転するときにプロペラ翼が上昇する側に配置されるフィンがプロペラ軸に対して後縁下りに設けられ、各フィンのプロペラ軸に対する取付角がフィン根元部から先端に向かって大きく設定されている。また、特許文献２に記載の船舶のリアクションフィンでは、フィンブレードの先端から渦が発生するのを抑制するために、各フィンブレードの先端部が他の部分に比べて流入する水の流れに対する迎角が小さくなるように捩れられている。更に、特許文献３に記載の船舶のリアクションフィンでは、同様にフィンブレードの先端から渦が発生するのを抑制するために、各フィンブレードの先端に当該フィンブレードと交叉するように平板部材が固定されている。また、特許文献４に記載の船舶のリアクションフィンでは、推進効率をより改善するために、プロペラが船舶を前進させる方向に回転するときにプロペラ翼が下降する側に配置されるフィンの厚みが上昇する側のフィンの厚みよりも薄くされている。更に、特許文献５に記載の船舶のリアクションフィンでは、同様に推進効率をより改善するために、プロペラ軸心から各フィンの翼端までの長さがプロペラの半径と概ね同一とされている。また、特許文献６に記載の船舶の振動低減装置は、プロペラの前方かつプロペラ軸心よりも上方の領域に位置するようにスタンフレームまたはボッシングに取り付けられた複数のフィンを有している。
【特許文献１】特公昭６２−０１６８７８号公報
【特許文献２】実開昭６１−１０９８９８号公報
【特許文献３】実開昭６１−０９８６９８号公報
【特許文献４】実開昭６０−１２７２９９号公報
【特許文献５】特開平０５−１８５９８６号公報
【特許文献６】登録実用新案第３０９３０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように、船体に固定された複数のフィン（以下「ステータフィン」という）からなる舶用推進効率改善装置によれば、ステータフィンによりプロペラに対する流体の流れをプロペラの回転方向と逆向きに変換して船舶の推進効率を改善することができる。ただし、上述のような舶用推進効率改善装置を比較的大型の船舶に対して適用するには、次のような課題が存在している。すなわち、推進効率を改善する上では、上記特許文献５に記載の技術のようにプロペラ軸心から各フィンの翼端までの長さがプロペラの半径と概ね同一になるようにステータフィンのスパン（ルート部からフィン翼端までの長さ）を大きくとることが好ましいが、大型船舶ではプロペラの外径が大きくなることから、ステータフィン自体およびその取付強度を充分に確保することが困難となる。この場合、強度を確保するために、複数のステータフィンを一体の鋳物として製造することも考えられるが、これでは、舶用推進効率改善装置の施工コストが極めて高額になってしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に好適な舶用推進効率改善装置の提供を主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による舶用推進効率改善装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採っている。
【０００６】
本発明による舶用推進効率改善装置は、
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置であって、
前記複数のステータフィンは、前記船体に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように形成されると共に、前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるよう前記船体に配設されることを要旨とする。
【０００７】
この舶用推進効率改善装置において、複数のステータフィンは、船体に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径の７０％以下となるように形成される。そして、複数のステータフィンは、ステータフィンのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角としたときに、取付角が２０°〜４０°となるよう船体に配設される。このように、船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径の７０％以下となるように複数のステータフィンを形成すれば、各ステータフィンのルート部から翼端までの長さが比較的短くなることから各ステータフィン自体の強度を充分に確保することが可能となる。また、各ステータフィンを溶接等により船体に固定しても各ステータフィンの船体に対する取付強度を充分に確保することができると共に、舶用推進効率改善装置を船舶に対して低コストかつ容易に施工することが可能となる。更に、ステータフィンのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角として、取付角が２０°〜４０°となるように複数のステータフィンを船体に配設すれば、各ステータフィンによりプロペラに対する流体の流れを良好にプロペラの回転方向と逆向きに変換して推進効率を向上させることが可能となる。この結果、この舶用推進効率改善装置は、低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に極めて好適なものとなる。
【０００８】
また、前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、３０°以下の捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られてもよい。これにより、流入する流体に対する各ステータフィンの迎え角をスパン方向（ルート部からフィン翼端までの間）において概ね一定としてプロペラの回転方向と逆向きの流れをより良好に発生させると共に揚抗比をより大きくすることが可能となる。そして、前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、該ステータフィンの取付角よりも小さい捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られてもよい。
【０００９】
更に、前記複数のステータフィンは、ルート部の長さが前記プロペラの直径の１０〜２０％となると共に、フィン翼端の長さが前記プロペラの直径の５〜１０％となるように形成されてもよい。これにより、各ステータフィンの迎え角を大きくすると共に揚抗比を良好なものとすることができる。
【００１０】
また、前記複数のステータフィンは、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度が４５°〜７５°となるように形成されてもよい。これにより、ステータフィンの翼端付近における渦の発生を抑制して船舶の推進効率をより向上させることが可能となる。
【００１１】
そして、本発明による舶用推進効率改善装置が適用される船舶は、例えば方形係数（Ｃｂ）が値０．７５以上である肥大船に適用されると好ましい。
【００１２】
本発明による舶用推進効率改善装置の施工方法は、
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置の施工方法であって、
（ａ）前記船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように前記複数のステータフィンを形成するステップと、
（ｂ）前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるように前記複数のステータフィンを前記船体に固定するステップと、
を含むものである。
【００１３】
この方法のように、船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径の７０％以下となるように複数のステータフィンを形成すると共に、ステータフィンのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角としたときに、取付角が２０°〜４０°となるように複数のステータフィンを船体に固定すれば、比較的大型の船舶に好適な舶用推進効率改善装置を低コストかつ容易に施工することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、実施例を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例に係る舶用推進効率改善装置２０を備えた船舶１０を示す概略構成図であり、図２は、船舶１０の要部拡大斜視図である。これらの図面に示す船舶１０は、例えば、油槽船やバルクキャリアといった、いわゆる肥大船として構成されており、実施例では図２において時計回りに回転したときに前進方向の推力を発生する１体のプロペラ１１や、舵１２、プロペラ１１と連結される図示されない主機、それに関連する補機類等を備えるものである。また、舶用推進効率改善装置２０は、船舶１０のボッシング１５（船体）に対してプロペラ１１よりも船首側に位置するように放射状に溶接固定される複数のステータフィンＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｓ１およびＳ２からなる。ステータフィンＰ１〜Ｐ３は、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域、すなわちプロペラ１１が船尾側から見て時計回りに回転すると船舶１０が前進する場合、プロペラ軸心を含んで鉛直方向に延びる平面よりも左舷側の領域に配置されるものである。以下、プロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰ１〜Ｐ３を総称して「ステータフィンＰｎ」という。また、ステータフィンＳ１〜Ｓ２は、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が下降するプロペラ下降領域、すなわちプロペラ１１が船尾側から見て時計回りに回転すると船舶１０が前進する場合、プロペラ軸心を含んで鉛直方向に延びる平面よりも右舷側の領域に配置されるものである。以下、プロペラ下降領域に配置されるステータフィンＳ１，Ｓ２を総称して「ステータフィンＳｎ」という。実施例において、ステータフィンＰｎ，Ｓｎは、ボッシング１５に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端（先端部）までの長さｄｓがプロペラの半径ｄｐの７０％以下となるような寸法をもつものとして形成されている。ステータフィンＰｎ，Ｓｎの寸法の決定に際しては、舶用推進効率改善装置２０による推進効率の改善度合と、ステータフィンＰｎ，Ｓｎ自体の強度およびボッシング１５に対する取付強度との両面から検討した。
【００１６】
まず、プロペラの翼が無限個であると仮定すれば、当該プロペラを１枚の作動円板（actuator disk）であるとみなすことが可能である。そこで、この作動円板が角速度Ωで回転しながら一定速度ＶＡで無限に拡がった水の中を進行しているものとすると共に、作動円板の中心を原点とする円筒座標系を導入し、作動円板の半径ｒの位置における微少厚さｄｒの環状要素を通過する流線上の流速と圧力とを考えることにする。この場合、円板面（ｘ＝０）と、その遙か前方（ｘ＝ｘｆ＜０）と、その遙か後方（ｘ＝ｘａ＞０）という３つの断面に関して、ｘ方向における速度成分は円板面において連続であり、各断面ｘ＝０，ｘ＝ｘｆ，ｘ＝ｘａでのｘ方向における速度成分をそれぞれＶＡ，ＶＡ＋ｗａ１，Ｖａ＋ｗａとする。また、作動円板の回転方向における速度成分は、円板面において不連続となり、その前方では値０、その後方では一定速度−ｗｔ（＜０）となる。更に、作動円板の径方向における速度成分は小さいものとして無視することができる。これら３つの断面に関しては、質量保存則、運動量保存則、角運動保存則およびエネルギ保存則が適用可能であるから、上記環状要素に作用するＸ方向の力すなわち推力ｄＴと、上記環状要素に作用するモーメントすなわちトルクｄＱは、それぞれ次式（１）および（２）のように表すことが可能である。更に、式（１）および（２）を用いることにより、作動円板すなわちプロペラ全体に作用する推力ＴおよびトルクＱは、次式（３）および（４）のように表すことができる。ただし、式（１）および（２）において、Ｖａ＝２π・ｒ・ｄｒ，ａ＝ｗａ／（２・ＶＡ），ａ’＝ｗｔ／（２・Ω・ｒ）である。そして、これらの式（１）〜（４）の関係に対しては、あるプロペラの後方における流れの計測結果を当てはめることにより、当該プロペラに作用する推力やトルクを求めることができる。図３に、あるプロペラの後方における流れの計測結果と上記（１）〜（４）式とに基づいて当該プロペラの各半径方向位置に作用するトルクを導出した結果を示す。図３において、実線は、プロペラ後方の回転方向における速度成分−ｗｔすなわち式（２）における回転方向の速度成分ａ’を考慮したときのトルクを示し、破線は、作動円板後方の回転方向における速度成分−ｗｔすなわち式（２）における回転方向の速度成分ａ’を無視したときのトルクを示し、二点鎖線は、実線のトルクと破線のトルクとの差分すなわちプロペラ後方の回転成分の発生によるトルクの増加分を示す。図３の例では、プロペラ後方の回転成分の発生によるトルクの増加分は、全トルク（実線）のおよそ１２．５％を占めており、かかるプロペラ後方の回転成分を回収できれば、その分だけ船舶の推進効率を向上させることが可能である。
【００１７】
dT = 2・ρ・dA0・VA2・(1+a)・a …（１）
dQ = 2・ρ・dA0・(VA3/Ω)・(1+a)2・a/(1+a') …（２）
T = 2π・∫dT/dA0・r・dr …（３）
Q = 2π・∫dQ/dA0・r・dr …（４）
【００１８】
ここで、複数のステータフィンを含む舶用推進効率改善装置は、プロペラに対する流体の流れをプロペラの回転方向と逆向きに変換することにより、プロペラ後方における旋回流を弱めてプロペラによる推力を増加させるものである。従って、上述のようにプロペラ後方の回転成分をできるだけ多く回収するためには、本来、ステータフィンをボッシングに取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径と同程度になるようにすることが好ましい。ただし、図３からわかるように、プロペラの外周側、特に船体取付時におけるステータフィンの外径とプロペラ外径との比であるｒ／Ｒが０．８以上となる領域では、回転成分の発生によるトルクの増加分が極めて少なくなる。従って、回転成分の回収率が若干悪化することを許容すれば、プロペラ外周側における回転成分の回収を断念してステータフィン自体の強度および取付強度を確保するために各ステータフィンのスパンを小さくしてもよいと考えられる。
【００１９】
また、図４に所定のステータフィンについての曲げ応力の計算結果を示すと共に、図５に曲げ応力の計算を行ったステータフィンの諸元を示す。ここで、例示した曲げ応力の計算における安全率は値２であり、プロペラ翼数は値４であり、プロペラ回転数は１１３ｒｐｍであり、プロペラブレード振動数は４５２ｃｐｍである。図４に示す結果からわかるように、ステータフィンのスパンが１．５ｍ程度であれば、強度面ではまず問題ないことがわかる。そして、このようにステータフィンのスパンを１．５ｍ程度にした場合、一般的な油槽船やバルクキャリアといった肥大船のボッシングの寸法を考慮すれば、ボッシングへの取付時にプロペラ軸心からステータフィンのフィン翼端までの長さはプロペラの半径のおよそ７０％以下となる。
【００２０】
このような推進効率の改善度合および強度に関連した検討結果に基づいて、実施例の舶用推進効率改善装置２０では、ボッシング１５に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さｄｓがプロペラ１１の半径ｄｐの７０％以下、より好ましくは３５％〜７０％となるスパンをもつようにステータフィンＰｎ，Ｓｎが形成される。更に、実施例の舶用推進効率改善装置２０では、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角を大きくすると共に揚抗比を良好なものとするために、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部の長さをプロペラ１１の直径の１０〜２０％とすると共に、フィン翼端の長さをプロペラ１１の直径の５〜１０％とした。なお、ステータフィンＰｎ，Ｓｎをボッシング１５に対して溶接固定するとすれば、ステータフィンＰｎ，Ｓｎに対する海水の流入速度の上限はおよそ６ｍ／ｓとなるが、このような条件下でも、１．５ｍ程度のスパンを有するステータフィンＰｎ，Ｓｎは、伴流係数（１−Ｗｓ）がおよそ０．７であると共に船速がおよそ１６〜１７ｋｎであって外径１０ｍ程度のプロペラを有する船舶に対しても適用され得る。
【００２１】
続いて、上述のステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角等について説明する。以下の説明において、図２に示すように、プロペラ軸心を含んで鉛直上方に延びる平面と、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とのなす角度をステータフィンＰｎ，Ｓｎの周方向における取付位置φｐ１，φＰ２，…，φＳ１，φＳ２、…（ｄｅｇ）という（以下、適宜、取付位置を単に「φ」と称する）。取付位置φは、図２に示すように、船舶１０の左舷側については鉛直上方に延びる軸から反時計回りを正とし、船舶１０の右舷側については鉛直上方に延びる軸から時計回りを正とする。また、図６に示すように、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部（ボッシング１５の表面）における断面上の翼弦（nose-tail線）とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψ（ｄｅｇ）という。取付角ψは、船舶１０の左舷側については船体を左舷側から見たときにプロペラ軸心を基準として時計回りを正とし、船舶１０の右舷側については船体を右舷舷側から見たときにプロペラ軸心を基準として時計回りを正とする。更に、図６に示すように、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψとステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン翼端における翼弦（nose-tail線）とフィン後縁とを含む平面とのなす角度ψｔとの差をステータフィンＰｎ，Ｓｎの捩り角γ（ｄｅｇ）という。そして、図７に示すように、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰｎ，Ｓｎの任意の径方向位置における断面上の翼弦（nose-tail線）とフィン後縁とを含む平面とのなす角度ψｒから当該径方向位置における流体（海水）の流入角βを差し引いた値を迎え角αという。なお、流入角βは、当該径方向位置における軸方向流速、円周方向流速および半径方向流速に基づいて算出することができる。
【００２２】
ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角を決定するにあたって、本発明者らは、肥大船のプロペラ周辺における流れの解析を行い、その結果、ステータフィンＰｎ，Ｓｎに対する流体の流入角βに着目するに至った。すなわち、ステータフィンＰｎ，Ｓｎが捩られていないとすれば、流入角βとステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αとの和がステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψとなることから、流入角βは、揚抗比と密接に関連するステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αや、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψを決定する重要なファクターとなる。そこで、本発明者らは、ステータフィンＰｎ，Ｓｎが存在しない状態における上述した取付位置φごとのボッシング１５の表面（ステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部）における流体の流入角βを解析により求めた。図８に、取付位置φと流入角βとの関係の解析結果を示す。なお、この解析は例１および２という２隻の船舶について行われ、例１の船舶の諸元は、Ｃｂ＝０．８５，Ｌ／Ｂ＝５．７６，Ｂ／ｄ＝２．８５，γＡ（船尾肥大度）＝０．６６であり、例２の船舶の諸元は、Ｃｂ＝０．７９，Ｌ／Ｂ＝５．９５，Ｂ／ｄ＝３．３２，γＡ（船尾肥大度）＝０．４９である。図８に示すように、例１の船舶では、流入角βはおよそ０°〜３０°の範囲内の値となり、例１の船舶に比べて痩せた船形を有する例２の船舶では、流入角βはおよそ０°〜２０°の範囲内の値となることが判明した。
【００２３】
ここで、一般的な翼理論を踏まえれば、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域（左舷側）に配置されるステータフィンＰｎについては、揚抗比をより大きくして循環をより大きくするために迎え角αをおよそ１０°程度とすることが好ましい。一方、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が下降するプロペラ下降領域（右舷側）については、本発明者らが実験・解析を行った結果、翼理論に基づいて揚抗比を重視するよりも伴流回収を重視し、ステータフィンＳｎによりプロペラ１１に対する流体の流れを良好にプロペラ１１の回転方向と逆向きに変換すると共にステータフィンＳｎの表面で剥離を生じさせてステータフィンＳｎ周りの流体の流速を低下させ、それにより伴流のエネルギを良好に回収することができるよう迎え角αを比較的大きくするとよいことが見い出された。そして、本発明者らの更なる実験・解析の結果、プロペラ下降領域において流れの方向を変化させると共にステータフィンＳｎの表面で剥離を生じさせるためには、ステータフィンＳｎの迎え角αをおよそ４５°〜６０°の範囲、より好ましくは５０°程度にすると実用上良好な結果が得られることが判明した。このような観点から、本発明の舶用推進効率改善装置２０では、解析により得られた流入角βと上述の好適な迎え角αとに基づいて、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψを定めると共に少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＳｎに対して捩り角γを付与することとした。すなわち、本発明では、プロペラ上昇領域のステータフィンＰｎについては、ルート部からフィン翼端までの間における迎え角αが平均して例えばおよそ１０°で概ね一定となるように取付角ψと捩り角γとを定めると共に、特に取付位置φの値が大きくなるプロペラ下降領域のステータフィンＳｎについては、ルート部からフィン翼端までの間における迎え角αが平均して例えば４５°〜６０°の範囲内の値（より好ましくは５０°）で概ね一定となるように取付角ψを設定することとした。そして、迎え角αをこのような好適な値とするために、取付角ψを２０°〜４０°の範囲内の値に設定した上で、捩り角γを３０°以下の値に設定することとした。また、プロペラ周辺の流れの解析結果より、本発明では、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの翼端付近における渦の発生を抑制して船舶１０の推進効率をより向上させるべく、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度θ（図２参照）が４５°〜７５°となるようにステータフィンＰｎ，Ｓｎを形成することとした。
【００２４】
このような設計指針のもと、本発明者らは、ＣＦＤ（数値流体力学：Computational Fluid Dynamics）による解析や模型船を用いた水槽試験を行い、複数の舶用推進効率改善装置間における性能比較を行った。図９に複数の舶用推進効率改善装置の諸元および性能比較結果を示す。図９において、例１は、上記例１の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置であり、例２は、上記例２の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置である。なお、例１の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置は、プロペラ上昇領域（左舷側）とプロペラ下降領域（右舷側）とにそれぞれ３枚ずつのステータフィン（Ｐ１〜Ｐ３およびＳ１〜Ｓ３）を含むものである。また、例２の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置は、プロペラ上昇領域（左舷側）に２枚のステータフィン（Ｐ２およびＰ３）を含むと共にプロペラ下降領域（右舷側）に３枚のステータフィン（Ｓ１〜Ｓ３）を含むものである。また、図９に示す性能評価指標εＥＨＰは、所定条件下（一定船速、一定フルード数等）での舶用推進効率改善装置を備えた例１および例２の船舶（肥大船）における有効馬力（ＥＨＰ）の計算値を当該船舶から舶用推進効率改善装置を省略した場合の有効馬力の計算値で除した値である。更に、性能評価指標εＢＨＰは、上記所定条件下での舶用推進効率改善装置を備えた例１および例２の船舶における制動馬力（ＢＨＰ）の計算値を当該船舶から舶用推進効率改善装置を省略した場合の制動馬力の計算値で除した値である。図９の性能比較結果からわかるように、本発明による舶用推進効率改善装置を備えた例１および例２の船舶では、性能評価指標εＢＨＰが値１を下回っており、この点から、本発明による舶用推進効率改善装置は、船舶の推進効率を向上させる上で実用上有効なものであるといえる。また、図９の結果から、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψを２０°〜４０°の範囲内の値に設定すると共に、流入する流体に対するステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αをスパン方向において概ね一定とすべく、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎを３０°以下の捩り角γをもって流入する流体を整流するように捩ることは、実用上極めて有効であることがわかる。更に、図９の例１のように、船舶によっては、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎに対して、取付角ψよりも小さい捩り角γを付与すると実用上良好な結果が得られることも判明した。
【００２５】
以上説明したように、上述の舶用推進効率改善装置２０では、ボッシング１５に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラ１１の半径の７０％以下となるように複数のステータフィンＰｎ，Ｓｎが形成される。これにより、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの強度を充分に確保することが可能となり、ステータフィンＰｎ，Ｓｎを溶接によりボッシング１５に固定してもステータフィンＰｎ，Ｓｎのボッシング１５に対する取付強度を充分に確保することができる。また、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角ψとして、取付角ψが２０°〜４０°となるように複数のステータフィンＰｎ，Ｓｎをボッシング１５（船体）に配設すれば、プロペラ上昇領域では、揚抗比をより大きくして循環がより大きくなるようにステータフィンＰｎの迎え角αを設定すると共に、プロペラ下降領域では、ステータフィンＳｎによりプロペラ１１に対する流体の流れを良好にプロペラ１１の回転方向と逆向きに変換すると共にステータフィンＳｎの表面で剥離を生じさせてステータフィンＳｎ周りの流体の流速を低下させることができるようにステータフィンＳｎの迎え角αを設定することが可能となる。従って、舶用推進効率改善装置２０では、ステータフィンＰｎ，Ｓｎによりプロペラ１１に対する流体の流れを良好にプロペラ１１の回転方向と逆向きに変換して推進効率を向上させることが可能となる。この結果、舶用推進効率改善装置２０は、低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に極めて好適なものとなる。
【００２６】
更に、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎに対して、３０°以下の捩り角γを付与すれば、流入する流体に対するステータフィンＰｎの迎え角αをスパン方向において概ね一定としてプロペラ１１の回転方向と逆向きの流れをより良好に発生させると共に揚抗比をより大きくすることが可能となる。そして、船舶によっては、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎの捻り角γを取付角ψよりも小さくすると、実用上良好な結果を得ることができる。もちろん、すべてのステータフィンＰｎ，Ｓｎに対して捩り角γを付与してもよいことはいうまでもない。また、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部の長さをプロペラ１１の直径の１０〜２０％とすると共に、フィン翼端の長さをプロペラ１１の直径の５〜１０％とすれば、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αを大きくすると共に揚抗比を良好なものとすることができる。更に、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度が４５°〜７５°となるようにステータフィンＰｎ，Ｓｎを形成すれば、ブレードレット（翼端小翼）等を用いることなく、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの翼端付近における渦の発生を抑制して船舶１０の推進効率をより向上させることが可能となる。
【００２７】
以上、実施例を用いて本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更をなし得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、船舶の製造産業等において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例に係る舶用推進効率改善装置２０を備えた船舶１０を示す概略構成図である。
【図２】船舶１０の要部拡大斜視図である。
【図３】あるプロペラの後方における流れの計測結果等とに基づいて当該プロペラの各半径方向位置に作用するトルクを導出した結果を示す説明図である。
【図４】ステータフィンについての曲げ応力の計算結果を示す説明図である。
【図５】図４に関連した曲げ応力の計算を行ったステータフィンの諸元を示す説明図である。
【図６】船舶１０の要部拡大斜視図である。
【図７】船舶１０の要部拡大斜視図である。
【図８】取付位置φと流入角βとの関係についての解析結果を示す説明図である。
【図９】複数の舶用推進効率改善装置の諸元および性能比較結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 船舶、１１ プロペラ、１２ 舵、１５ ボッシング、２０ 舶用推進効率改善装置、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ ステータフィン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推力を発生するプロペラを含む船舶に適用される舶用推進効率改善装置およびその施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の技術として、プロペラよりも船首側に位置するように配設された複数のフィンを備えたものが多数知られている（特許文献１から６参照）。これらの舶用推進効率改善装置のうち、特許文献１に記載の船舶推進性能向上装置では、プロペラが船舶を前進させる方向に回転するときにプロペラ翼が下降する側に配置されるフィンがプロペラ軸に対して後縁上りに設けられると共に、プロペラが船舶を前進させる方向に回転するときにプロペラ翼が上昇する側に配置されるフィンがプロペラ軸に対して後縁下りに設けられ、各フィンのプロペラ軸に対する取付角がフィン根元部から先端に向かって大きく設定されている。また、特許文献２に記載の船舶のリアクションフィンでは、フィンブレードの先端から渦が発生するのを抑制するために、各フィンブレードの先端部が他の部分に比べて流入する水の流れに対する迎角が小さくなるように捩れられている。更に、特許文献３に記載の船舶のリアクションフィンでは、同様にフィンブレードの先端から渦が発生するのを抑制するために、各フィンブレードの先端に当該フィンブレードと交叉するように平板部材が固定されている。また、特許文献４に記載の船舶のリアクションフィンでは、推進効率をより改善するために、プロペラが船舶を前進させる方向に回転するときにプロペラ翼が下降する側に配置されるフィンの厚みが上昇する側のフィンの厚みよりも薄くされている。更に、特許文献５に記載の船舶のリアクションフィンでは、同様に推進効率をより改善するために、プロペラ軸心から各フィンの翼端までの長さがプロペラの半径と概ね同一とされている。また、特許文献６に記載の船舶の振動低減装置は、プロペラの前方かつプロペラ軸心よりも上方の領域に位置するようにスタンフレームまたはボッシングに取り付けられた複数のフィンを有している。
【特許文献１】特公昭６２−０１６８７８号公報
【特許文献２】実開昭６１−１０９８９８号公報
【特許文献３】実開昭６１−０９８６９８号公報
【特許文献４】実開昭６０−１２７２９９号公報
【特許文献５】特開平０５−１８５９８６号公報
【特許文献６】登録実用新案第３０９３０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように、船体に固定された複数のフィン（以下「ステータフィン」という）からなる舶用推進効率改善装置によれば、ステータフィンによりプロペラに対する流体の流れをプロペラの回転方向と逆向きに変換して船舶の推進効率を改善することができる。ただし、上述のような舶用推進効率改善装置を比較的大型の船舶に対して適用するには、次のような課題が存在している。すなわち、推進効率を改善する上では、上記特許文献５に記載の技術のようにプロペラ軸心から各フィンの翼端までの長さがプロペラの半径と概ね同一になるようにステータフィンのスパン（ルート部からフィン翼端までの長さ）を大きくとることが好ましいが、大型船舶ではプロペラの外径が大きくなることから、ステータフィン自体およびその取付強度を充分に確保することが困難となる。この場合、強度を確保するために、複数のステータフィンを一体の鋳物として製造することも考えられるが、これでは、舶用推進効率改善装置の施工コストが極めて高額になってしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に好適な舶用推進効率改善装置の提供を主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による舶用推進効率改善装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採っている。
【０００６】
本発明による舶用推進効率改善装置は、
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置であって、
前記複数のステータフィンは、前記船体に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように形成されると共に、前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるよう前記船体に配設されることを要旨とする。
【０００７】
この舶用推進効率改善装置において、複数のステータフィンは、船体に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径の７０％以下となるように形成される。そして、複数のステータフィンは、ステータフィンのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角としたときに、取付角が２０°〜４０°となるよう船体に配設される。このように、船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径の７０％以下となるように複数のステータフィンを形成すれば、各ステータフィンのルート部から翼端までの長さが比較的短くなることから各ステータフィン自体の強度を充分に確保することが可能となる。また、各ステータフィンを溶接等により船体に固定しても各ステータフィンの船体に対する取付強度を充分に確保することができると共に、舶用推進効率改善装置を船舶に対して低コストかつ容易に施工することが可能となる。更に、ステータフィンのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角として、取付角が２０°〜４０°となるように複数のステータフィンを船体に配設すれば、各ステータフィンによりプロペラに対する流体の流れを良好にプロペラの回転方向と逆向きに変換して推進効率を向上させることが可能となる。この結果、この舶用推進効率改善装置は、低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に極めて好適なものとなる。
【０００８】
また、前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、３０°以下の捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られてもよい。これにより、流入する流体に対する各ステータフィンの迎え角をスパン方向（ルート部からフィン翼端までの間）において概ね一定としてプロペラの回転方向と逆向きの流れをより良好に発生させると共に揚抗比をより大きくすることが可能となる。そして、前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、該ステータフィンの取付角よりも小さい捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られてもよい。
【０００９】
更に、前記複数のステータフィンは、ルート部の長さが前記プロペラの直径の１０〜２０％となると共に、フィン翼端の長さが前記プロペラの直径の５〜１０％となるように形成されてもよい。これにより、各ステータフィンの迎え角を大きくすると共に揚抗比を良好なものとすることができる。
【００１０】
また、前記複数のステータフィンは、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度が４５°〜７５°となるように形成されてもよい。これにより、ステータフィンの翼端付近における渦の発生を抑制して船舶の推進効率をより向上させることが可能となる。
【００１１】
そして、本発明による舶用推進効率改善装置が適用される船舶は、例えば方形係数（Ｃｂ）が値０．７５以上である肥大船に適用されると好ましい。
【００１２】
本発明による舶用推進効率改善装置の施工方法は、
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置の施工方法であって、
（ａ）前記船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように前記複数のステータフィンを形成するステップと、
（ｂ）前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるように前記複数のステータフィンを前記船体に固定するステップと、
を含むものである。
【００１３】
この方法のように、船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径の７０％以下となるように複数のステータフィンを形成すると共に、ステータフィンのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角としたときに、取付角が２０°〜４０°となるように複数のステータフィンを船体に固定すれば、比較的大型の船舶に好適な舶用推進効率改善装置を低コストかつ容易に施工することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、実施例を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例に係る舶用推進効率改善装置２０を備えた船舶１０を示す概略構成図であり、図２は、船舶１０の要部拡大斜視図である。これらの図面に示す船舶１０は、例えば、油槽船やバルクキャリアといった、いわゆる肥大船として構成されており、実施例では図２において時計回りに回転したときに前進方向の推力を発生する１体のプロペラ１１や、舵１２、プロペラ１１と連結される図示されない主機、それに関連する補機類等を備えるものである。また、舶用推進効率改善装置２０は、船舶１０のボッシング１５（船体）に対してプロペラ１１よりも船首側に位置するように放射状に溶接固定される複数のステータフィンＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｓ１およびＳ２からなる。ステータフィンＰ１〜Ｐ３は、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域、すなわちプロペラ１１が船尾側から見て時計回りに回転すると船舶１０が前進する場合、プロペラ軸心を含んで鉛直方向に延びる平面よりも左舷側の領域に配置されるものである。以下、プロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰ１〜Ｐ３を総称して「ステータフィンＰｎ」という。また、ステータフィンＳ１〜Ｓ２は、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が下降するプロペラ下降領域、すなわちプロペラ１１が船尾側から見て時計回りに回転すると船舶１０が前進する場合、プロペラ軸心を含んで鉛直方向に延びる平面よりも右舷側の領域に配置されるものである。以下、プロペラ下降領域に配置されるステータフィンＳ１，Ｓ２を総称して「ステータフィンＳｎ」という。実施例において、ステータフィンＰｎ，Ｓｎは、ボッシング１５に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端（先端部）までの長さｄｓがプロペラの半径ｄｐの７０％以下となるような寸法をもつものとして形成されている。ステータフィンＰｎ，Ｓｎの寸法の決定に際しては、舶用推進効率改善装置２０による推進効率の改善度合と、ステータフィンＰｎ，Ｓｎ自体の強度およびボッシング１５に対する取付強度との両面から検討した。
【００１６】
まず、プロペラの翼が無限個であると仮定すれば、当該プロペラを１枚の作動円板（actuator disk）であるとみなすことが可能である。そこで、この作動円板が角速度Ωで回転しながら一定速度ＶＡで無限に拡がった水の中を進行しているものとすると共に、作動円板の中心を原点とする円筒座標系を導入し、作動円板の半径ｒの位置における微少厚さｄｒの環状要素を通過する流線上の流速と圧力とを考えることにする。この場合、円板面（ｘ＝０）と、その遙か前方（ｘ＝ｘｆ＜０）と、その遙か後方（ｘ＝ｘａ＞０）という３つの断面に関して、ｘ方向における速度成分は円板面において連続であり、各断面ｘ＝０，ｘ＝ｘｆ，ｘ＝ｘａでのｘ方向における速度成分をそれぞれＶＡ，ＶＡ＋ｗａ１，Ｖａ＋ｗａとする。また、作動円板の回転方向における速度成分は、円板面において不連続となり、その前方では値０、その後方では一定速度−ｗｔ（＜０）となる。更に、作動円板の径方向における速度成分は小さいものとして無視することができる。これら３つの断面に関しては、質量保存則、運動量保存則、角運動保存則およびエネルギ保存則が適用可能であるから、上記環状要素に作用するＸ方向の力すなわち推力ｄＴと、上記環状要素に作用するモーメントすなわちトルクｄＱは、それぞれ次式（１）および（２）のように表すことが可能である。更に、式（１）および（２）を用いることにより、作動円板すなわちプロペラ全体に作用する推力ＴおよびトルクＱは、次式（３）および（４）のように表すことができる。ただし、式（１）および（２）において、Ｖａ＝２π・ｒ・ｄｒ，ａ＝ｗａ／（２・ＶＡ），ａ’＝ｗｔ／（２・Ω・ｒ）である。そして、これらの式（１）〜（４）の関係に対しては、あるプロペラの後方における流れの計測結果を当てはめることにより、当該プロペラに作用する推力やトルクを求めることができる。図３に、あるプロペラの後方における流れの計測結果と上記（１）〜（４）式とに基づいて当該プロペラの各半径方向位置に作用するトルクを導出した結果を示す。図３において、実線は、プロペラ後方の回転方向における速度成分−ｗｔすなわち式（２）における回転方向の速度成分ａ’を考慮したときのトルクを示し、破線は、作動円板後方の回転方向における速度成分−ｗｔすなわち式（２）における回転方向の速度成分ａ’を無視したときのトルクを示し、二点鎖線は、実線のトルクと破線のトルクとの差分すなわちプロペラ後方の回転成分の発生によるトルクの増加分を示す。図３の例では、プロペラ後方の回転成分の発生によるトルクの増加分は、全トルク（実線）のおよそ１２．５％を占めており、かかるプロペラ後方の回転成分を回収できれば、その分だけ船舶の推進効率を向上させることが可能である。
【００１７】
dT = 2・ρ・dA0・VA2・(1+a)・a …（１）
dQ = 2・ρ・dA0・(VA3/Ω)・(1+a)2・a/(1+a') …（２）
T = 2π・∫dT/dA0・r・dr …（３）
Q = 2π・∫dQ/dA0・r・dr …（４）
【００１８】
ここで、複数のステータフィンを含む舶用推進効率改善装置は、プロペラに対する流体の流れをプロペラの回転方向と逆向きに変換することにより、プロペラ後方における旋回流を弱めてプロペラによる推力を増加させるものである。従って、上述のようにプロペラ後方の回転成分をできるだけ多く回収するためには、本来、ステータフィンをボッシングに取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラの半径と同程度になるようにすることが好ましい。ただし、図３からわかるように、プロペラの外周側、特に船体取付時におけるステータフィンの外径とプロペラ外径との比であるｒ／Ｒが０．８以上となる領域では、回転成分の発生によるトルクの増加分が極めて少なくなる。従って、回転成分の回収率が若干悪化することを許容すれば、プロペラ外周側における回転成分の回収を断念してステータフィン自体の強度および取付強度を確保するために各ステータフィンのスパンを小さくしてもよいと考えられる。
【００１９】
また、図４に所定のステータフィンについての曲げ応力の計算結果を示すと共に、図５に曲げ応力の計算を行ったステータフィンの諸元を示す。ここで、例示した曲げ応力の計算における安全率は値２であり、プロペラ翼数は値４であり、プロペラ回転数は１１３ｒｐｍであり、プロペラブレード振動数は４５２ｃｐｍである。図４に示す結果からわかるように、ステータフィンのスパンが１．５ｍ程度であれば、強度面ではまず問題ないことがわかる。そして、このようにステータフィンのスパンを１．５ｍ程度にした場合、一般的な油槽船やバルクキャリアといった肥大船のボッシングの寸法を考慮すれば、ボッシングへの取付時にプロペラ軸心からステータフィンのフィン翼端までの長さはプロペラの半径のおよそ７０％以下となる。
【００２０】
このような推進効率の改善度合および強度に関連した検討結果に基づいて、実施例の舶用推進効率改善装置２０では、ボッシング１５に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さｄｓがプロペラ１１の半径ｄｐの７０％以下、より好ましくは３５％〜７０％となるスパンをもつようにステータフィンＰｎ，Ｓｎが形成される。更に、実施例の舶用推進効率改善装置２０では、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角を大きくすると共に揚抗比を良好なものとするために、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部の長さをプロペラ１１の直径の１０〜２０％とすると共に、フィン翼端の長さをプロペラ１１の直径の５〜１０％とした。なお、ステータフィンＰｎ，Ｓｎをボッシング１５に対して溶接固定するとすれば、ステータフィンＰｎ，Ｓｎに対する海水の流入速度の上限はおよそ６ｍ／ｓとなるが、このような条件下でも、１．５ｍ程度のスパンを有するステータフィンＰｎ，Ｓｎは、伴流係数（１−Ｗｓ）がおよそ０．７であると共に船速がおよそ１６〜１７ｋｎであって外径１０ｍ程度のプロペラを有する船舶に対しても適用され得る。
【００２１】
続いて、上述のステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角等について説明する。以下の説明において、図２に示すように、プロペラ軸心を含んで鉛直上方に延びる平面と、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とのなす角度をステータフィンＰｎ，Ｓｎの周方向における取付位置φｐ１，φＰ２，…，φＳ１，φＳ２、…（ｄｅｇ）という（以下、適宜、取付位置を単に「φ」と称する）。取付位置φは、図２に示すように、船舶１０の左舷側については鉛直上方に延びる軸から反時計回りを正とし、船舶１０の右舷側については鉛直上方に延びる軸から時計回りを正とする。また、図６に示すように、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部（ボッシング１５の表面）における断面上の翼弦（nose-tail線）とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψ（ｄｅｇ）という。取付角ψは、船舶１０の左舷側については船体を左舷側から見たときにプロペラ軸心を基準として時計回りを正とし、船舶１０の右舷側については船体を右舷舷側から見たときにプロペラ軸心を基準として時計回りを正とする。更に、図６に示すように、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψとステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン翼端における翼弦（nose-tail線）とフィン後縁とを含む平面とのなす角度ψｔとの差をステータフィンＰｎ，Ｓｎの捩り角γ（ｄｅｇ）という。そして、図７に示すように、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰｎ，Ｓｎの任意の径方向位置における断面上の翼弦（nose-tail線）とフィン後縁とを含む平面とのなす角度ψｒから当該径方向位置における流体（海水）の流入角βを差し引いた値を迎え角αという。なお、流入角βは、当該径方向位置における軸方向流速、円周方向流速および半径方向流速に基づいて算出することができる。
【００２２】
ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角を決定するにあたって、本発明者らは、肥大船のプロペラ周辺における流れの解析を行い、その結果、ステータフィンＰｎ，Ｓｎに対する流体の流入角βに着目するに至った。すなわち、ステータフィンＰｎ，Ｓｎが捩られていないとすれば、流入角βとステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αとの和がステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψとなることから、流入角βは、揚抗比と密接に関連するステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αや、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψを決定する重要なファクターとなる。そこで、本発明者らは、ステータフィンＰｎ，Ｓｎが存在しない状態における上述した取付位置φごとのボッシング１５の表面（ステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部）における流体の流入角βを解析により求めた。図８に、取付位置φと流入角βとの関係の解析結果を示す。なお、この解析は例１および２という２隻の船舶について行われ、例１の船舶の諸元は、Ｃｂ＝０．８５，Ｌ／Ｂ＝５．７６，Ｂ／ｄ＝２．８５，γＡ（船尾肥大度）＝０．６６であり、例２の船舶の諸元は、Ｃｂ＝０．７９，Ｌ／Ｂ＝５．９５，Ｂ／ｄ＝３．３２，γＡ（船尾肥大度）＝０．４９である。図８に示すように、例１の船舶では、流入角βはおよそ０°〜３０°の範囲内の値となり、例１の船舶に比べて痩せた船形を有する例２の船舶では、流入角βはおよそ０°〜２０°の範囲内の値となることが判明した。
【００２３】
ここで、一般的な翼理論を踏まえれば、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域（左舷側）に配置されるステータフィンＰｎについては、揚抗比をより大きくして循環をより大きくするために迎え角αをおよそ１０°程度とすることが好ましい。一方、プロペラ１１の正転時にプロペラ翼端が下降するプロペラ下降領域（右舷側）については、本発明者らが実験・解析を行った結果、翼理論に基づいて揚抗比を重視するよりも伴流回収を重視し、ステータフィンＳｎによりプロペラ１１に対する流体の流れを良好にプロペラ１１の回転方向と逆向きに変換すると共にステータフィンＳｎの表面で剥離を生じさせてステータフィンＳｎ周りの流体の流速を低下させ、それにより伴流のエネルギを良好に回収することができるよう迎え角αを比較的大きくするとよいことが見い出された。そして、本発明者らの更なる実験・解析の結果、プロペラ下降領域において流れの方向を変化させると共にステータフィンＳｎの表面で剥離を生じさせるためには、ステータフィンＳｎの迎え角αをおよそ４５°〜６０°の範囲、より好ましくは５０°程度にすると実用上良好な結果が得られることが判明した。このような観点から、本発明の舶用推進効率改善装置２０では、解析により得られた流入角βと上述の好適な迎え角αとに基づいて、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψを定めると共に少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＳｎに対して捩り角γを付与することとした。すなわち、本発明では、プロペラ上昇領域のステータフィンＰｎについては、ルート部からフィン翼端までの間における迎え角αが平均して例えばおよそ１０°で概ね一定となるように取付角ψと捩り角γとを定めると共に、特に取付位置φの値が大きくなるプロペラ下降領域のステータフィンＳｎについては、ルート部からフィン翼端までの間における迎え角αが平均して例えば４５°〜６０°の範囲内の値（より好ましくは５０°）で概ね一定となるように取付角ψを設定することとした。そして、迎え角αをこのような好適な値とするために、取付角ψを２０°〜４０°の範囲内の値に設定した上で、捩り角γを３０°以下の値に設定することとした。また、プロペラ周辺の流れの解析結果より、本発明では、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの翼端付近における渦の発生を抑制して船舶１０の推進効率をより向上させるべく、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度θ（図２参照）が４５°〜７５°となるようにステータフィンＰｎ，Ｓｎを形成することとした。
【００２４】
このような設計指針のもと、本発明者らは、ＣＦＤ（数値流体力学：Computational Fluid Dynamics）による解析や模型船を用いた水槽試験を行い、複数の舶用推進効率改善装置間における性能比較を行った。図９に複数の舶用推進効率改善装置の諸元および性能比較結果を示す。図９において、例１は、上記例１の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置であり、例２は、上記例２の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置である。なお、例１の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置は、プロペラ上昇領域（左舷側）とプロペラ下降領域（右舷側）とにそれぞれ３枚ずつのステータフィン（Ｐ１〜Ｐ３およびＳ１〜Ｓ３）を含むものである。また、例２の船舶への適用を前提とした舶用推進効率改善装置は、プロペラ上昇領域（左舷側）に２枚のステータフィン（Ｐ２およびＰ３）を含むと共にプロペラ下降領域（右舷側）に３枚のステータフィン（Ｓ１〜Ｓ３）を含むものである。また、図９に示す性能評価指標εＥＨＰは、所定条件下（一定船速、一定フルード数等）での舶用推進効率改善装置を備えた例１および例２の船舶（肥大船）における有効馬力（ＥＨＰ）の計算値を当該船舶から舶用推進効率改善装置を省略した場合の有効馬力の計算値で除した値である。更に、性能評価指標εＢＨＰは、上記所定条件下での舶用推進効率改善装置を備えた例１および例２の船舶における制動馬力（ＢＨＰ）の計算値を当該船舶から舶用推進効率改善装置を省略した場合の制動馬力の計算値で除した値である。図９の性能比較結果からわかるように、本発明による舶用推進効率改善装置を備えた例１および例２の船舶では、性能評価指標εＢＨＰが値１を下回っており、この点から、本発明による舶用推進効率改善装置は、船舶の推進効率を向上させる上で実用上有効なものであるといえる。また、図９の結果から、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの取付角ψを２０°〜４０°の範囲内の値に設定すると共に、流入する流体に対するステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αをスパン方向において概ね一定とすべく、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎを３０°以下の捩り角γをもって流入する流体を整流するように捩ることは、実用上極めて有効であることがわかる。更に、図９の例１のように、船舶によっては、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎに対して、取付角ψよりも小さい捩り角γを付与すると実用上良好な結果が得られることも判明した。
【００２５】
以上説明したように、上述の舶用推進効率改善装置２０では、ボッシング１５に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さがプロペラ１１の半径の７０％以下となるように複数のステータフィンＰｎ，Ｓｎが形成される。これにより、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの強度を充分に確保することが可能となり、ステータフィンＰｎ，Ｓｎを溶接によりボッシング１５に固定してもステータフィンＰｎ，Ｓｎのボッシング１５に対する取付強度を充分に確保することができる。また、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのフィン後縁とプロペラ軸心とを含む平面とステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部における断面上の翼弦とフィン後縁とを含む平面とのなす角度をステータフィンの取付角ψとして、取付角ψが２０°〜４０°となるように複数のステータフィンＰｎ，Ｓｎをボッシング１５（船体）に配設すれば、プロペラ上昇領域では、揚抗比をより大きくして循環がより大きくなるようにステータフィンＰｎの迎え角αを設定すると共に、プロペラ下降領域では、ステータフィンＳｎによりプロペラ１１に対する流体の流れを良好にプロペラ１１の回転方向と逆向きに変換すると共にステータフィンＳｎの表面で剥離を生じさせてステータフィンＳｎ周りの流体の流速を低下させることができるようにステータフィンＳｎの迎え角αを設定することが可能となる。従って、舶用推進効率改善装置２０では、ステータフィンＰｎ，Ｓｎによりプロペラ１１に対する流体の流れを良好にプロペラ１１の回転方向と逆向きに変換して推進効率を向上させることが可能となる。この結果、舶用推進効率改善装置２０は、低コストかつ容易に施工可能であると共に比較的大型の船舶に極めて好適なものとなる。
【００２６】
更に、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎに対して、３０°以下の捩り角γを付与すれば、流入する流体に対するステータフィンＰｎの迎え角αをスパン方向において概ね一定としてプロペラ１１の回転方向と逆向きの流れをより良好に発生させると共に揚抗比をより大きくすることが可能となる。そして、船舶によっては、少なくともプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンＰｎの捻り角γを取付角ψよりも小さくすると、実用上良好な結果を得ることができる。もちろん、すべてのステータフィンＰｎ，Ｓｎに対して捩り角γを付与してもよいことはいうまでもない。また、ステータフィンＰｎ，Ｓｎのルート部の長さをプロペラ１１の直径の１０〜２０％とすると共に、フィン翼端の長さをプロペラ１１の直径の５〜１０％とすれば、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの迎え角αを大きくすると共に揚抗比を良好なものとすることができる。更に、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度が４５°〜７５°となるようにステータフィンＰｎ，Ｓｎを形成すれば、ブレードレット（翼端小翼）等を用いることなく、ステータフィンＰｎ，Ｓｎの翼端付近における渦の発生を抑制して船舶１０の推進効率をより向上させることが可能となる。
【００２７】
以上、実施例を用いて本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更をなし得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、船舶の製造産業等において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例に係る舶用推進効率改善装置２０を備えた船舶１０を示す概略構成図である。
【図２】船舶１０の要部拡大斜視図である。
【図３】あるプロペラの後方における流れの計測結果等とに基づいて当該プロペラの各半径方向位置に作用するトルクを導出した結果を示す説明図である。
【図４】ステータフィンについての曲げ応力の計算結果を示す説明図である。
【図５】図４に関連した曲げ応力の計算を行ったステータフィンの諸元を示す説明図である。
【図６】船舶１０の要部拡大斜視図である。
【図７】船舶１０の要部拡大斜視図である。
【図８】取付位置φと流入角βとの関係についての解析結果を示す説明図である。
【図９】複数の舶用推進効率改善装置の諸元および性能比較結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 船舶、１１ プロペラ、１２ 舵、１５ ボッシング、２０ 舶用推進効率改善装置、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ ステータフィン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置であって、
前記複数のステータフィンは、前記船体に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように形成されると共に、前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるよう前記船体に配設される舶用推進効率改善装置。
【請求項２】
請求項１に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、３０°以下の捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られている舶用推進効率改善装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、該ステータフィンの取付角よりも小さい捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られている舶用推進効率改善装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンは、ルート部の長さが前記プロペラの直径の１０〜２０％となると共に、フィン翼端の長さが前記プロペラの直径の５〜１０％となるように形成される舶用推進効率改善装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンは、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度が４５°〜７５°となるように形成される舶用推進効率改善装置。
【請求項６】
前記船舶は、肥大船である請求項１から５の何れか一項に記載の舶用推進効率改善装置。
【請求項７】
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置の施工方法であって、
（ａ）前記船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように前記複数のステータフィンを形成するステップと、
（ｂ）前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるように前記複数のステータフィンを前記船体に固定するステップと、
を含む舶用推進効率改善装置の施工方法。
【請求項１】
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置であって、
前記複数のステータフィンは、前記船体に取り付けられたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように形成されると共に、前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるよう前記船体に配設される舶用推進効率改善装置。
【請求項２】
請求項１に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、３０°以下の捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られている舶用推進効率改善装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンのうち、少なくとも前記プロペラの正転時にプロペラ翼端が上昇するプロペラ上昇領域に配置されるステータフィンは、該ステータフィンの取付角よりも小さい捩り角をもって流入する流体を整流するように捩られている舶用推進効率改善装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンは、ルート部の長さが前記プロペラの直径の１０〜２０％となると共に、フィン翼端の長さが前記プロペラの直径の５〜１０％となるように形成される舶用推進効率改善装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の舶用推進効率改善装置において、
前記複数のステータフィンは、フィン前縁とフィン翼端とのなす角度が４５°〜７５°となるように形成される舶用推進効率改善装置。
【請求項６】
前記船舶は、肥大船である請求項１から５の何れか一項に記載の舶用推進効率改善装置。
【請求項７】
推力を発生するプロペラを含む船舶の船体に対して前記プロペラよりも船首側に位置するように放射状に配設される複数のステータフィンからなる舶用推進効率改善装置の施工方法であって、
（ａ）前記船体に取り付けたときにプロペラ軸心からフィン翼端までの長さが前記プロペラの半径の７０％以下となるように前記複数のステータフィンを形成するステップと、
（ｂ）前記ステータフィンのフィン後縁と前記プロペラ軸心とを含む平面と前記ステータフィンのルート部における断面上の翼弦と前記フィン後縁とを含む平面とのなす角度を前記ステータフィンの取付角としたときに、前記取付角が２０°〜４０°となるように前記複数のステータフィンを前記船体に固定するステップと、
を含む舶用推進効率改善装置の施工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−５６９８９（Ｐ２００９−５６９８９Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２７３７９（Ｐ２００７−２２７３７９）
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（０００２３２８１８）日本郵船株式会社 (61)
【出願人】（３０４０３５９７５）株式会社ＭＴＩ (46)
【出願人】（５９１０８３１１８）ツネイシホールディングス株式会社 (18)
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（０００２３２８１８）日本郵船株式会社 (61)
【出願人】（３０４０３５９７５）株式会社ＭＴＩ (46)
【出願人】（５９１０８３１１８）ツネイシホールディングス株式会社 (18)
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