舶用推進装置
【課題】コンパクトで船尾でのレイアウトの自由度が高く、優れた推進性能と高い舵効果が得られるタンデム型の二重反転システムの舶用推進装置を提供する。
【解決手段】舶用推進装置は、船尾の第1プロペラ4と、第2プロペラ6を有する旋回自在のポッド推進装置5を備える。第1プロペラと第2プロペラは二重反転プロペラを構成する。ポッド推進装置の第2プロペラは、筒型で断面形状が翼型のダクト20内にある。ダクト内での増速効果により二重反転による推進効果が向上し、直進時にはダクトの整流作用と推力により優れた推進性能を発揮する。旋回時には第1プロペラからの流れを受けたダクトによる舵機能と、第2プロペラ及びダクトによる推進力により、高い舵効果が得られる。
【解決手段】舶用推進装置は、船尾の第1プロペラ4と、第2プロペラ6を有する旋回自在のポッド推進装置5を備える。第1プロペラと第2プロペラは二重反転プロペラを構成する。ポッド推進装置の第2プロペラは、筒型で断面形状が翼型のダクト20内にある。ダクト内での増速効果により二重反転による推進効果が向上し、直進時にはダクトの整流作用と推力により優れた推進性能を発揮する。旋回時には第1プロペラからの流れを受けたダクトによる舵機能と、第2プロペラ及びダクトによる推進力により、高い舵効果が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、船体に取り付けられた第1のプロペラと、船体外に旋回自在に取り付けられて前記第1のプロペラと二重反転システムを構成する第2のプロペラを有するポッド推進装置とを有する舶用推進装置(タンデム型の二重反転システム)に関するものである。
【背景技術】
【0002】
最近では、船舶の推進効率を向上させるために、二重反転システムが電気推進船等に使用されている。図5(a)に示すように、シングルプロペラはプロペラ100の後方に回転流と軸方向流の両方が生じるが、推進に寄与するのは軸方向流だけであり、同図中に矢印Aで示す回転流のエネルギーは推進に寄与していない。しかし、図5(b)に示すように、二重反転プロペラは、前方プロペラ201と後方プロペラ202の回転方向が逆であり、前方プロペラ201の回転流のエネルギーを後方プロペラ202で回収して軸方向流に整流し、回転流によるエネルギー損失を無くして後方には軸方向流Bのみを残し、推進効率を向上させることができる。
【0003】
また、図6に示すように、舶用推進装置として、船体300の船尾に前方プロペラ301を設け、船体300の船尾の外側において前方プロペラ301の後方にポッド推進装置302をタンデム配置したタンデム型二重反転システムが知られている。ここで、前方プロペラ301は、船体300の内部にある図示しない駆動装置(エンジン又は電動モータ)に連結された駆動軸303に取り付けられている。また、ポッド推進装置302は、船体300の船尾の底部に設けられた台床305に垂直軸を中心として旋回自在に取り付けられたストラット306と、ストラット306の下端部に取り付けられたケーシング307と、ケーシング307の前端部に取り付けられて前方プロペラ301に対向して配置される後方プロペラ308を有している。この後方プロペラ308は、前記前方プロペラ301と二重反転プロペラを構成している。そして船体300の船尾の内部にはポッド推進装置302用の電動モータ309が配置され、駆動軸310及び台床305の上のギアボックス311を介して、さらにストラット306及びケーシング307の内部にある図示しない伝動機構を介して、後方プロペラ308を駆動できるように構成されている。
【0004】
図6に示すタンデム型の二重反転システムでは、後方のポッド推進装置302は当該船舶の舵としての役割も有しているため、船として必要な舵面積を確保しなければならないために舵面積の大きいラダー312を設ける等してポッド推進装置が大型化する傾向があるが、必要な舵面積をポッド推進装置だけで満足させるのが厳しい場合に対応するため、下記特許文献1又は2に記載のように、補助舵を設ける技術も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−182096号公報
【特許文献2】特開2006−219026号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
前述したように、図6に示すタンデム型の二重反転システムでは、後方のポッド推進装置302は当該船舶の舵としての役割も有しているため、図7に示すように、船として必要な舵面積を確保するためにストラット306等を大型化する必要に迫られる場合が多く、そのような場合には大型化に伴って強度向上が必要となり、コストが増大してしまう。
【0007】
また、図7に示すように舵面積を確保するためにポッド推進装置302を大型化すると、これを配置するためのスペースを船底の外部下方により広く確保しなければならないために船底の位置が上がって船内が狭くなり、また前方プロペラ301の位置から船尾の後端までの距離も長くなり、全体として当該船舶の船尾部の空間が狭小化してしまう。その結果として機器類のレイアウトの自由度が減少してしまう。
【0008】
上記特許文献に開示されているように、舵面積をポッド推進装置だけで満足するのが厳しい場合に補助舵を設けたとしても、その補助舵機構を設けるためのスペースも必要であるため、結局前記レイアウトの面で不自由になることに変わりはない。
【0009】
本発明は、上述した従来の問題点を解決することを目的としており、全体としてコンパクトな構成であり、船体の船尾に十分な空きスペースを確保できるためレイアウトの自由性が高く、その分荷積量も増やすことができ、直進時には優れた推進性能を発揮できるとともに旋回時には高い舵効果が得られ、特に低速域から運航速度まで安定した舵効果を発揮できるタンデム型の二重反転システムの舶用推進装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
請求項1に記載された舶用推進装置は、
船体の船尾に設けられた第1のプロペラと、
船体の船尾の外側で前記第1のプロペラに対向して配置されることにより前記第1のプロペラと二重反転プロペラを構成する第2のプロペラを備えて鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられたポッド推進装置と、
を有する舶用推進装置において、
前記ポッド推進装置は、前記第2のプロペラが内部に収納されて前後に開口を有する筒型であって、水流に平行な断面における断面形状が翼型であるダクトを有していることを特徴としている。
【0011】
請求項2に記載された舶用推進装置は、請求項1に記載の舶用推進装置において、
前記ポッド推進装置は、船体の船尾の底部に前記旋回軸を中心として旋回自在となるように取り付けられたストラットと、前記ストラットの下端部に取り付けられて前記第2のプロペラが前端部に取り付けられたケーシングとを有し、
前記ストラットの後端部と前記ケーシングの底面の少なくとも一方に舵フィンを設けたことを特徴としている。
【0012】
請求項3に記載された舶用推進装置は、請求項1又は2に記載の舶用推進装置において、
前記第2のプロペラのプロペラ径が、前記第1のプロペラのプロペラ径の86%以上100%以下の範囲に設定されていることを特徴としている。
【0013】
請求項4に記載された舶用推進装置は、請求項1乃至3の何れか一つに記載の舶用推進装置において、
前記第1のプロペラと前記第2のプロペラの距離が、前記第1のプロペラのプロペラ径の45%以上80%以下の範囲に設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【0014】
請求項1に記載された舶用推進装置によれば、
ダクトを舵面積として利用できるため推進機自体がコンパクトになり、舶用推進装置を支持する船体の船尾の上部に十分な空きスペースを確保できるため、機器類のレイアウトの自由度が増し、その分荷積量も増やせる。また、ダクト内での増速効果により二重反転による推進効果がより向上し、直進時にはダクトの整流作用および推力によって優れた推進性能を発揮することができる。また旋回時には前方の第1のプロペラからの流れを受けたダクトによる舵機能と、後方の第2のプロペラおよびダクトによる推進力を併せて利用することで、高い舵効果が得られる。
【0015】
特に、低速域ではダクトに当たる水流が遅く舵機能は小さいが、ダクトの推力が大きいため、それを利用して舵としての効果が得られる。高速域ではダクト推力は小さいが、ダクトに当たる水流が十分に速いために舵機能を満足できる。つまりダクトに当たる水流を利用した舵機能とダクト推力が補完しあい、低速域から運航速度まで安定した舵効果を発揮できる。
【0016】
請求項2に記載された舶用推進装置によれば、請求項1に記載の舶用推進装置による効果において、さらに、ポッド推進装置のストラットの後端部に舵フィンを設ければ舵機能を向上させることができ、またこの構造によっても、舵面積を拡大しながら装置全体の構成をコンパクト化して船体の船尾に空きスペースを確保することができる。また、ポッド推進装置の底面に舵フィンを設ければ、舵機能を向上させることができるとともに、舵フィンはダクトを支える補強材にもなる。両方に舵フィンを設ければ、一方のみに舵フィンを設けた場合に比べ、舵機能をさらに一層向上させることができる。
【0017】
請求項3に記載された舶用推進装置によれば、請求項1又は2に記載の舶用推進装置による効果において、前方の第1のプロペラによる後流が直進時には全てダクト内に流れ込むため、ダクト内外の流速差が大きくなり、それに起因する圧力差により前方へのスラスト力が増大するため、推進器効率が高くなるという効果が得られる。
【0018】
請求項4に記載された舶用推進装置によれば、請求項1乃至3の何れか一つに記載の舶用推進装置における効果において、第1のプロペラと第2のプロペラの距離を、第1のプロペラのプロペラ径の45%以上80%以下の範囲で自由に設定できるため、装置各部のレイアウトが便利になり、設計の自由度が増大するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第1実施形態である舶用推進装置の正面図である。
【図2】本発明の第1実施形態の変形例の正面図である
【図3】本発明の第2実施形態である舶用推進装置の正面図である。
【図4】本発明の第3実施形態である舶用推進装置の正面図である。
【図5】(a)はシングルプロペラの回転流による推進のエネルギーを図示する斜視図であり、(b)は二重反転プロペラによる推進のエネルギーを図示する斜視図である。
【図6】従来のタンデム型二重反転システムの舶用推進装置の正面図である。
【図7】従来のタンデム型二重反転システムの舶用推進装置において舵面積の増大を図った場合の正面図である。
【図8】本発明の実施形態である舶用推進装置において舵を切った時の作用を説明する図である。
【図9】本発明の第5実施形態である舶用推進装置において、各部の寸法を示す符号とその設定条件を示す図である。
【図10】本発明の第5実施形態である舶用推進装置において、後プロペラ径に対する前プロペラ径の比率をパラメータとして、プロペラ荷重度と推進器効率の関係を調べた実験結果を示す図である。
【図11】本発明の第5実施形態である舶用推進装置において、前後プロペラの間隔に対する前のプロペラのプロペラ径の比率をパラメータとして、プロペラ荷重度と推進器効率の関係を調べた実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
1.第1実施形態(図1)
図1に示す本実施形態の舶用推進装置1は、船体2の船尾3に前方の第1のプロペラ4を配置し、この第1のプロペラ4の後方に、第2のプロペラ6を有するポッド推進装置5を配置し、前記第1及び第2の2つのプロペラ4,6で二重反転プロペラを構成してなるタンデム型の二重反転システムである。
【0021】
前方のプロペラである第1のプロペラ4は、船体2の内部にある図示しない駆動装置(エンジン又は電動モータ)に連結された駆動軸7に取り付けられている。また、ポッド推進装置5は、船体2の船尾3の底部に設けられた台床8に、垂直軸を中心として旋回自在となるように取り付けられて船尾3の下方の空間に突出して設けられたストラット9と、該ストラット9の下端部に取り付けられた筐体であるケーシング10と、ケーシング10の前端部に取り付けられて前方の第1のプロペラ4に対向して配置される後方の第2のプロペラ6を有している。そして船体2の船尾3の内部には、ポッド推進装置5用の図示しない電動モータが配置され、駆動軸11及び台床8の上のギアボックス12を介して、さらにストラット9及びケーシング10の内部にある図示しない伝動機構を介して、第2のプロペラ6を第1のプロペラ4と反対方向に駆動できるように構成されている。
【0022】
本実施形態では、前記ポッド推進装置5に第2のプロペラ6を収納するダクト20が設けられている。このダクト20は、前後に開口を有し、第2のプロペラ6が内部に収納された筒型であって、水流に平行な断面Sにおける断面形状が翼型とされている。直進時には、図8(a)に示すように第2のプロペラ6によるダクト20内の増速によってダクト20の内外に圧力差が生じ、ダクト20の外面に加わる相対的に高い圧力に起因する前向きの分力によってダクト20に推進力を発生させる。また、旋回時には、図8(b), (c)に示すようにダクト20が第1のプロペラ4からの水流を受けることで舵としての機能を発揮し、またポッド推進装置5自体の推力を併せて利用することで舵効果をさらに向上させるようになっている。
【0023】
ポッド推進装置5は、ストラット9と共に垂直な旋回軸を中心としていずれの方向についても360度旋回可能であり、所望の回転角度で固定することもでき、ダクト20内の第2のプロペラ6はダクト20によって整流された流れの中で安定したプロペラ回転ができる。
【0024】
本実施形態の舶用推進装置1によれば、次のような効果が得られる。
(1) 第2のプロペラ6を有するポッド推進装置5にダクト20を設けることにより、ダクト20を舵面積として利用できるため、従来の舵付きのポッド推進装置よりもコンパクトな構成となるので、舶用推進装置1は全体としてコンパクトな構成となる。直進時においては、図8(a)に示すようにダクト20の整流作用および推力によって優れた推進性能を発揮することができるし、また旋回時には、図8(b), (c)に示すように前方の第1のプロペラ4からの流れを受けるダクト20による舵機能と、後方の第2のプロペラ6およびダクト20自身による推進力を併せて利用することで、高い舵効果が発揮される。
【0025】
(2) 低速域(例えば8ノット以下)では、図8(b)に示すようにダクト20に当たる水流が遅く舵機能は小さいが、ダクト20の推力が大きいため、それを利用して舵として十分な効果が得られる。高速域(例えば14ノット以上)では、図8(c)に示すようにダクト20の推力は小さいが、ダクト20に当たる水流が十分に速いために十分な舵機能が得られる。即ち、ダクト20に当たる水流を利用した舵機能と、ダクト20自身の推力が補完し合い、低速域から運航速度まで安定した舵効果を発揮できる。
【0026】
(3) なお、船舶の運航速度や使用目的に応じて、水流に平行なダクト20の断面における翼型の断面Sの形状を変更することで、上記(1)(2)についてはより高い効果が得られる。
【0027】
(4) ダクト20内での増速効果により、二重反転による推進効果もより向上する。すなわち、前方の第1のプロペラ4の水流によってダクト20内に流入する水の流速が向上し、これによってノズルによる推力が向上するとともに、また前方の第1のプロペラ4による旋回流が後方の第2のプロペラ6による整流効果で整流されるため、推進効果が一層高められる。
【0028】
(5) ポッド推進装置5がコンパクトになったことから、舶用推進装置1を支持する船体2の船尾3の上部にスペースの余裕ができ、機器類等のレイアウト上の自由度が増し、その分荷積量も増やすことができる。
【0029】
以上説明したように、本例の舶用推進装置1によれば、必要な舵機能を満足しながら、整流作用とダクト20自身による推進力により推進性能をも満足できるコンパクトな舶用推進装置1を提供することができる。
【0030】
また、本例に係るタンデム型の二重反転システムの舶用推進装置1によれば、ダクト20付きのポッド推進装置5を利用しているため、特に低速域で推進力を必要とする船舶で使用することは有効であり、肥大船に採用すると高い効果が得られる。すなわち、ダクト20がある第2のプロペラ6と前方にある第1のプロペラ4によって大きな推力を発生させることができるので、タンカー、セメント船等に適している。もちろん、肥大船に適用した場合においても、低速域で十分な推力が得られるだけでなく、前述したように必要な舵機能を十分に満足することができる。
【0031】
さらに、前述したように、ダクト20が設けられたポッド推進装置5を利用した本例の舶用推進装置1はコンパクトであり、船舶の船尾3の空間に余裕が生じるため、図2に示す本例の変形例のように、船舶の船尾3内の空間に電動モータ21を縦型配置し、ポッド推進装置5のストラット9内の図示しない縦の駆動軸に電動モータの出力軸を軸芯を一致させた状態で連結することができるので、船内における機器類等のレイアウトの自由度が増し、その分荷積量を増やすことができる。
【0032】
2.第2実施形態(図3)
第1実施形態の構成において、ストラット9およびダクト20だけで舵機能が不足する場合は、図3に示すようにストラット9の後端部に、ストラット9と同一面内においてストラット9と平行となるように舵フィン22を取り付けることにより、舵として働く面積を拡大して舵機能をさらに一層高めることができる。また、このようにストラット9の後端部に舵フィン22を取り付けた構造においても、舶用推進装置1としてコンパクトな構成であることに変わりはなく、船体2の船尾3に十分な空きスペースを確保できることは第1実施形態と同様である。
【0033】
3.第3実施形態(図4)
第1実施形態の構成において、ストラット9およびダクト20だけで舵機能が不足する場合は、図4に示すようにポッド推進装置5のケーシングの底面に、ストラット9と同一面内においてストラット9と平行となるように舵フィン23を取り付けることにより、舵として働く面積を拡大して舵機能をさらに一層高めることができる。この場合には、下部の舵フィン23はダクト20とケーシング10の連結状態を補強するので、装置全体の剛性が増し、強度が向上する効果も得られる。
なお、第2実施形態(図3)の舵フィン22と、第3実施形態(図4)の舵フィン23の両方を設置して舵機能のさらなる向上を図っても良い。
【0034】
以上説明した第2及び第3実施形態の舵フィン22,23は図中略四角形であるが、形状においてはこの限りではなく、必要な舵機能を付与するために種々の形状とすることができる。
【0035】
4.第4実施形態
第2及び第3実施形態では、ポッド推進装置5に舵フィン22,23を固定したが、所望の必要な方向に揺動できる可動式の舵フィンをポッド推進装置5に設ければ、流場の状態に合わせ当該舵フィンを可動させることで推進時の整流効果が得られ、流場に対する舶用推進装置1の運転について微妙な調整をすることができるので、一層安定した推進性能を発揮することができる。
【0036】
5.第5実施形態
以上説明したように、本発明は、前方の第1のプロペラと、後方のポッド推進装置の第2のプロペラとで二重反転システムを構成した舶用推進装置において、第2のプロペラを所定形状のダクト内に収納したことを一つの特徴とするものである。本件発明者は、係る基本構成の本発明において推進器効率のさらなる向上を目指し、種々の実験を行ったが、その結果、以下に説明するように、本発明の構成に関連するより好ましい条件を見出すに至った。
【0037】
まず、本発明者等による第1の実験により、本発明に係る舶用推進装置の推進器効率は、前後2つのプロペラの各プロペラ径の間の寸法比率との間に、非線形的な相関関係があり、寸法比率をある限界以上にとると、寸法比率の変化に対する推進器効率の増大率が大きくなるが、当該限界以下の領域では寸法比率の変化に対する推進器効率の増大率が非常に小さく、高い推進器効率を得るために寸法比率をある限度以上にとることが有利であることが判明した。具体的には、図9に示すように、第2のプロペラ6のプロペラ径d’は、第1のプロペラ4のプロペラ径dの86%以上100%の範囲に設定されていることが、より高い推進器効率を得るために好ましい。
【0038】
本発明者等は、本発明に係る舶用推進装置において、第1のプロペラ4と第2のプロペラ6の一方のプロペラ径を固定し、他方のプロペラ径を適宜変更しながら、舶用推進装置を駆動する第1の実験を行い、プロペラ荷重度CT と推進器効率ηの関係を調べた。ここで、プロペラ荷重度CT と推進器効率ηは次式(1)及び(2)のように定義される。
CT =(8/π)×(KT /J2 )…(1)
η=(J・KT )/(2π・KQ )…(2)
ここで、KT はスラスト係数、Jは前進率、KQ はトルク係数である。
【0039】
図10に本発明者等による第1の実験結果のグラフを示す。
この実験では、第2のプロペラ6のプロペラ径d’の第1のプロペラ4のプロペラ径dに対する比率d’/dを変化させて、それぞれプロペラ荷重度CT と推進器効率ηの関係を調べた。その結果、上記比率を86%から100%に設定した第1の場合における推進器効率ηの値は、同比率を70%から82%に設定した第2の場合に比べ、実験したプロペラ荷重度CT の全範囲に亘って有意の高さを示した。なお、図10中には、第1のプロペラ単独での実験結果も示しているが、この場合には、プロペラ荷重度CT が小さい場合を除き、プロペラ荷重度CT のほぼ全範囲にわたり、本発明において前記比率を70%から82%に設定した場合に比べても推進器効率が低かった。
【0040】
このように、本実験結果から、第2のプロペラ6のプロペラ径d’を、第1のプロペラ4のプロペラ径dの少なくとも86%以上100%以下までの範囲に設定すれば、少なくとも82%未満に設定した場合に比べ、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘り、82%未満の領域での結果から予想される値よりも高い推進器効率ηが得られることが判明した。
【0041】
すなわち、d’=(0.86〜1.0)×dを満たせば、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘ってより高い推進器効率ηが得られる。
【0042】
次に、本発明者等による第2の実験により、第1及び第2のプロペラの軸方向の距離については、推進器効率を低下させずに済む所定の前後間隔の範囲が存在することが判明した。従来は、本発明のようなタンデム型の二重反転システムにおいては、前方のプロペラと後方のプロペラの距離が大きくなると、前方のプロペラの後流エネルギが散逸してしまうため、二重反転効果によるエネルギ回収効果は低くなると考えられており、この考え方が一般的な技術常識として定着していた。そのため、これが先入観となり、前後2つのプロペラはなるべく接近して配置することが常識化しており、そのために舶用推進装置における装置各部のレイアウトが不便になり、設計の自由度が低いという問題があった。
【0043】
図11に本発明者等による第2の実験結果のグラフを示す。
この実験では、第1及び第2のプロペラ4,6の間隔xを、第1のプロペラ6のプロペラ径dに対する比率x/dを変化させて、それぞれプロペラ荷重度CT と推進器効率ηの関係を調べた。その結果、上記比率を45%から80%の間で設定した場合には、推進器効率ηの値は殆ど変化しなかった。従来の常識から考えると、上記比率を45%から80%に上昇させていけば、前後2つのプロペラ間隔は離れていくのであるから、それにつれて推進器効率ηの低下していくはずであったが、実際にはそのような現象は観察されず、いずれの値に設定しても大差がないという従来の技術常識に反する結果が得られた。
【0044】
このように、本実験結果から、第1及び第2のプロペラ4,6の間隔xを、第1のプロペラ6のプロペラ径dに対する比率x/dで少なくとも0.45から0.8の範囲内に設定すれば、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘って一定の推進器効率ηが保証されることが判明した。
【0045】
すなわち、0.45×d≦x≦0.8×dを満たす範囲でxを定めれば、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘って推進器効率ηは実質的に一定であるから、この範囲で自由にxを定めることが可能となり、そのため舶用推進装置における装置各部のレイアウトを自由に行い、設計の自由度を向上させることができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【0046】
1…舶用推進装置
2…船体
3…船尾
4…第1のプロペラ
5…ポッド推進装置
6…第2のプロペラ
9…ストラット
10…ケーシング
20…ダクト
22,23…舵フィン
S…ダクトの断面
【技術分野】
【0001】
本発明は、船体に取り付けられた第1のプロペラと、船体外に旋回自在に取り付けられて前記第1のプロペラと二重反転システムを構成する第2のプロペラを有するポッド推進装置とを有する舶用推進装置(タンデム型の二重反転システム)に関するものである。
【背景技術】
【0002】
最近では、船舶の推進効率を向上させるために、二重反転システムが電気推進船等に使用されている。図5(a)に示すように、シングルプロペラはプロペラ100の後方に回転流と軸方向流の両方が生じるが、推進に寄与するのは軸方向流だけであり、同図中に矢印Aで示す回転流のエネルギーは推進に寄与していない。しかし、図5(b)に示すように、二重反転プロペラは、前方プロペラ201と後方プロペラ202の回転方向が逆であり、前方プロペラ201の回転流のエネルギーを後方プロペラ202で回収して軸方向流に整流し、回転流によるエネルギー損失を無くして後方には軸方向流Bのみを残し、推進効率を向上させることができる。
【0003】
また、図6に示すように、舶用推進装置として、船体300の船尾に前方プロペラ301を設け、船体300の船尾の外側において前方プロペラ301の後方にポッド推進装置302をタンデム配置したタンデム型二重反転システムが知られている。ここで、前方プロペラ301は、船体300の内部にある図示しない駆動装置(エンジン又は電動モータ)に連結された駆動軸303に取り付けられている。また、ポッド推進装置302は、船体300の船尾の底部に設けられた台床305に垂直軸を中心として旋回自在に取り付けられたストラット306と、ストラット306の下端部に取り付けられたケーシング307と、ケーシング307の前端部に取り付けられて前方プロペラ301に対向して配置される後方プロペラ308を有している。この後方プロペラ308は、前記前方プロペラ301と二重反転プロペラを構成している。そして船体300の船尾の内部にはポッド推進装置302用の電動モータ309が配置され、駆動軸310及び台床305の上のギアボックス311を介して、さらにストラット306及びケーシング307の内部にある図示しない伝動機構を介して、後方プロペラ308を駆動できるように構成されている。
【0004】
図6に示すタンデム型の二重反転システムでは、後方のポッド推進装置302は当該船舶の舵としての役割も有しているため、船として必要な舵面積を確保しなければならないために舵面積の大きいラダー312を設ける等してポッド推進装置が大型化する傾向があるが、必要な舵面積をポッド推進装置だけで満足させるのが厳しい場合に対応するため、下記特許文献1又は2に記載のように、補助舵を設ける技術も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−182096号公報
【特許文献2】特開2006−219026号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
前述したように、図6に示すタンデム型の二重反転システムでは、後方のポッド推進装置302は当該船舶の舵としての役割も有しているため、図7に示すように、船として必要な舵面積を確保するためにストラット306等を大型化する必要に迫られる場合が多く、そのような場合には大型化に伴って強度向上が必要となり、コストが増大してしまう。
【0007】
また、図7に示すように舵面積を確保するためにポッド推進装置302を大型化すると、これを配置するためのスペースを船底の外部下方により広く確保しなければならないために船底の位置が上がって船内が狭くなり、また前方プロペラ301の位置から船尾の後端までの距離も長くなり、全体として当該船舶の船尾部の空間が狭小化してしまう。その結果として機器類のレイアウトの自由度が減少してしまう。
【0008】
上記特許文献に開示されているように、舵面積をポッド推進装置だけで満足するのが厳しい場合に補助舵を設けたとしても、その補助舵機構を設けるためのスペースも必要であるため、結局前記レイアウトの面で不自由になることに変わりはない。
【0009】
本発明は、上述した従来の問題点を解決することを目的としており、全体としてコンパクトな構成であり、船体の船尾に十分な空きスペースを確保できるためレイアウトの自由性が高く、その分荷積量も増やすことができ、直進時には優れた推進性能を発揮できるとともに旋回時には高い舵効果が得られ、特に低速域から運航速度まで安定した舵効果を発揮できるタンデム型の二重反転システムの舶用推進装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
請求項1に記載された舶用推進装置は、
船体の船尾に設けられた第1のプロペラと、
船体の船尾の外側で前記第1のプロペラに対向して配置されることにより前記第1のプロペラと二重反転プロペラを構成する第2のプロペラを備えて鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられたポッド推進装置と、
を有する舶用推進装置において、
前記ポッド推進装置は、前記第2のプロペラが内部に収納されて前後に開口を有する筒型であって、水流に平行な断面における断面形状が翼型であるダクトを有していることを特徴としている。
【0011】
請求項2に記載された舶用推進装置は、請求項1に記載の舶用推進装置において、
前記ポッド推進装置は、船体の船尾の底部に前記旋回軸を中心として旋回自在となるように取り付けられたストラットと、前記ストラットの下端部に取り付けられて前記第2のプロペラが前端部に取り付けられたケーシングとを有し、
前記ストラットの後端部と前記ケーシングの底面の少なくとも一方に舵フィンを設けたことを特徴としている。
【0012】
請求項3に記載された舶用推進装置は、請求項1又は2に記載の舶用推進装置において、
前記第2のプロペラのプロペラ径が、前記第1のプロペラのプロペラ径の86%以上100%以下の範囲に設定されていることを特徴としている。
【0013】
請求項4に記載された舶用推進装置は、請求項1乃至3の何れか一つに記載の舶用推進装置において、
前記第1のプロペラと前記第2のプロペラの距離が、前記第1のプロペラのプロペラ径の45%以上80%以下の範囲に設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【0014】
請求項1に記載された舶用推進装置によれば、
ダクトを舵面積として利用できるため推進機自体がコンパクトになり、舶用推進装置を支持する船体の船尾の上部に十分な空きスペースを確保できるため、機器類のレイアウトの自由度が増し、その分荷積量も増やせる。また、ダクト内での増速効果により二重反転による推進効果がより向上し、直進時にはダクトの整流作用および推力によって優れた推進性能を発揮することができる。また旋回時には前方の第1のプロペラからの流れを受けたダクトによる舵機能と、後方の第2のプロペラおよびダクトによる推進力を併せて利用することで、高い舵効果が得られる。
【0015】
特に、低速域ではダクトに当たる水流が遅く舵機能は小さいが、ダクトの推力が大きいため、それを利用して舵としての効果が得られる。高速域ではダクト推力は小さいが、ダクトに当たる水流が十分に速いために舵機能を満足できる。つまりダクトに当たる水流を利用した舵機能とダクト推力が補完しあい、低速域から運航速度まで安定した舵効果を発揮できる。
【0016】
請求項2に記載された舶用推進装置によれば、請求項1に記載の舶用推進装置による効果において、さらに、ポッド推進装置のストラットの後端部に舵フィンを設ければ舵機能を向上させることができ、またこの構造によっても、舵面積を拡大しながら装置全体の構成をコンパクト化して船体の船尾に空きスペースを確保することができる。また、ポッド推進装置の底面に舵フィンを設ければ、舵機能を向上させることができるとともに、舵フィンはダクトを支える補強材にもなる。両方に舵フィンを設ければ、一方のみに舵フィンを設けた場合に比べ、舵機能をさらに一層向上させることができる。
【0017】
請求項3に記載された舶用推進装置によれば、請求項1又は2に記載の舶用推進装置による効果において、前方の第1のプロペラによる後流が直進時には全てダクト内に流れ込むため、ダクト内外の流速差が大きくなり、それに起因する圧力差により前方へのスラスト力が増大するため、推進器効率が高くなるという効果が得られる。
【0018】
請求項4に記載された舶用推進装置によれば、請求項1乃至3の何れか一つに記載の舶用推進装置における効果において、第1のプロペラと第2のプロペラの距離を、第1のプロペラのプロペラ径の45%以上80%以下の範囲で自由に設定できるため、装置各部のレイアウトが便利になり、設計の自由度が増大するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第1実施形態である舶用推進装置の正面図である。
【図2】本発明の第1実施形態の変形例の正面図である
【図3】本発明の第2実施形態である舶用推進装置の正面図である。
【図4】本発明の第3実施形態である舶用推進装置の正面図である。
【図5】(a)はシングルプロペラの回転流による推進のエネルギーを図示する斜視図であり、(b)は二重反転プロペラによる推進のエネルギーを図示する斜視図である。
【図6】従来のタンデム型二重反転システムの舶用推進装置の正面図である。
【図7】従来のタンデム型二重反転システムの舶用推進装置において舵面積の増大を図った場合の正面図である。
【図8】本発明の実施形態である舶用推進装置において舵を切った時の作用を説明する図である。
【図9】本発明の第5実施形態である舶用推進装置において、各部の寸法を示す符号とその設定条件を示す図である。
【図10】本発明の第5実施形態である舶用推進装置において、後プロペラ径に対する前プロペラ径の比率をパラメータとして、プロペラ荷重度と推進器効率の関係を調べた実験結果を示す図である。
【図11】本発明の第5実施形態である舶用推進装置において、前後プロペラの間隔に対する前のプロペラのプロペラ径の比率をパラメータとして、プロペラ荷重度と推進器効率の関係を調べた実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
1.第1実施形態(図1)
図1に示す本実施形態の舶用推進装置1は、船体2の船尾3に前方の第1のプロペラ4を配置し、この第1のプロペラ4の後方に、第2のプロペラ6を有するポッド推進装置5を配置し、前記第1及び第2の2つのプロペラ4,6で二重反転プロペラを構成してなるタンデム型の二重反転システムである。
【0021】
前方のプロペラである第1のプロペラ4は、船体2の内部にある図示しない駆動装置(エンジン又は電動モータ)に連結された駆動軸7に取り付けられている。また、ポッド推進装置5は、船体2の船尾3の底部に設けられた台床8に、垂直軸を中心として旋回自在となるように取り付けられて船尾3の下方の空間に突出して設けられたストラット9と、該ストラット9の下端部に取り付けられた筐体であるケーシング10と、ケーシング10の前端部に取り付けられて前方の第1のプロペラ4に対向して配置される後方の第2のプロペラ6を有している。そして船体2の船尾3の内部には、ポッド推進装置5用の図示しない電動モータが配置され、駆動軸11及び台床8の上のギアボックス12を介して、さらにストラット9及びケーシング10の内部にある図示しない伝動機構を介して、第2のプロペラ6を第1のプロペラ4と反対方向に駆動できるように構成されている。
【0022】
本実施形態では、前記ポッド推進装置5に第2のプロペラ6を収納するダクト20が設けられている。このダクト20は、前後に開口を有し、第2のプロペラ6が内部に収納された筒型であって、水流に平行な断面Sにおける断面形状が翼型とされている。直進時には、図8(a)に示すように第2のプロペラ6によるダクト20内の増速によってダクト20の内外に圧力差が生じ、ダクト20の外面に加わる相対的に高い圧力に起因する前向きの分力によってダクト20に推進力を発生させる。また、旋回時には、図8(b), (c)に示すようにダクト20が第1のプロペラ4からの水流を受けることで舵としての機能を発揮し、またポッド推進装置5自体の推力を併せて利用することで舵効果をさらに向上させるようになっている。
【0023】
ポッド推進装置5は、ストラット9と共に垂直な旋回軸を中心としていずれの方向についても360度旋回可能であり、所望の回転角度で固定することもでき、ダクト20内の第2のプロペラ6はダクト20によって整流された流れの中で安定したプロペラ回転ができる。
【0024】
本実施形態の舶用推進装置1によれば、次のような効果が得られる。
(1) 第2のプロペラ6を有するポッド推進装置5にダクト20を設けることにより、ダクト20を舵面積として利用できるため、従来の舵付きのポッド推進装置よりもコンパクトな構成となるので、舶用推進装置1は全体としてコンパクトな構成となる。直進時においては、図8(a)に示すようにダクト20の整流作用および推力によって優れた推進性能を発揮することができるし、また旋回時には、図8(b), (c)に示すように前方の第1のプロペラ4からの流れを受けるダクト20による舵機能と、後方の第2のプロペラ6およびダクト20自身による推進力を併せて利用することで、高い舵効果が発揮される。
【0025】
(2) 低速域(例えば8ノット以下)では、図8(b)に示すようにダクト20に当たる水流が遅く舵機能は小さいが、ダクト20の推力が大きいため、それを利用して舵として十分な効果が得られる。高速域(例えば14ノット以上)では、図8(c)に示すようにダクト20の推力は小さいが、ダクト20に当たる水流が十分に速いために十分な舵機能が得られる。即ち、ダクト20に当たる水流を利用した舵機能と、ダクト20自身の推力が補完し合い、低速域から運航速度まで安定した舵効果を発揮できる。
【0026】
(3) なお、船舶の運航速度や使用目的に応じて、水流に平行なダクト20の断面における翼型の断面Sの形状を変更することで、上記(1)(2)についてはより高い効果が得られる。
【0027】
(4) ダクト20内での増速効果により、二重反転による推進効果もより向上する。すなわち、前方の第1のプロペラ4の水流によってダクト20内に流入する水の流速が向上し、これによってノズルによる推力が向上するとともに、また前方の第1のプロペラ4による旋回流が後方の第2のプロペラ6による整流効果で整流されるため、推進効果が一層高められる。
【0028】
(5) ポッド推進装置5がコンパクトになったことから、舶用推進装置1を支持する船体2の船尾3の上部にスペースの余裕ができ、機器類等のレイアウト上の自由度が増し、その分荷積量も増やすことができる。
【0029】
以上説明したように、本例の舶用推進装置1によれば、必要な舵機能を満足しながら、整流作用とダクト20自身による推進力により推進性能をも満足できるコンパクトな舶用推進装置1を提供することができる。
【0030】
また、本例に係るタンデム型の二重反転システムの舶用推進装置1によれば、ダクト20付きのポッド推進装置5を利用しているため、特に低速域で推進力を必要とする船舶で使用することは有効であり、肥大船に採用すると高い効果が得られる。すなわち、ダクト20がある第2のプロペラ6と前方にある第1のプロペラ4によって大きな推力を発生させることができるので、タンカー、セメント船等に適している。もちろん、肥大船に適用した場合においても、低速域で十分な推力が得られるだけでなく、前述したように必要な舵機能を十分に満足することができる。
【0031】
さらに、前述したように、ダクト20が設けられたポッド推進装置5を利用した本例の舶用推進装置1はコンパクトであり、船舶の船尾3の空間に余裕が生じるため、図2に示す本例の変形例のように、船舶の船尾3内の空間に電動モータ21を縦型配置し、ポッド推進装置5のストラット9内の図示しない縦の駆動軸に電動モータの出力軸を軸芯を一致させた状態で連結することができるので、船内における機器類等のレイアウトの自由度が増し、その分荷積量を増やすことができる。
【0032】
2.第2実施形態(図3)
第1実施形態の構成において、ストラット9およびダクト20だけで舵機能が不足する場合は、図3に示すようにストラット9の後端部に、ストラット9と同一面内においてストラット9と平行となるように舵フィン22を取り付けることにより、舵として働く面積を拡大して舵機能をさらに一層高めることができる。また、このようにストラット9の後端部に舵フィン22を取り付けた構造においても、舶用推進装置1としてコンパクトな構成であることに変わりはなく、船体2の船尾3に十分な空きスペースを確保できることは第1実施形態と同様である。
【0033】
3.第3実施形態(図4)
第1実施形態の構成において、ストラット9およびダクト20だけで舵機能が不足する場合は、図4に示すようにポッド推進装置5のケーシングの底面に、ストラット9と同一面内においてストラット9と平行となるように舵フィン23を取り付けることにより、舵として働く面積を拡大して舵機能をさらに一層高めることができる。この場合には、下部の舵フィン23はダクト20とケーシング10の連結状態を補強するので、装置全体の剛性が増し、強度が向上する効果も得られる。
なお、第2実施形態(図3)の舵フィン22と、第3実施形態(図4)の舵フィン23の両方を設置して舵機能のさらなる向上を図っても良い。
【0034】
以上説明した第2及び第3実施形態の舵フィン22,23は図中略四角形であるが、形状においてはこの限りではなく、必要な舵機能を付与するために種々の形状とすることができる。
【0035】
4.第4実施形態
第2及び第3実施形態では、ポッド推進装置5に舵フィン22,23を固定したが、所望の必要な方向に揺動できる可動式の舵フィンをポッド推進装置5に設ければ、流場の状態に合わせ当該舵フィンを可動させることで推進時の整流効果が得られ、流場に対する舶用推進装置1の運転について微妙な調整をすることができるので、一層安定した推進性能を発揮することができる。
【0036】
5.第5実施形態
以上説明したように、本発明は、前方の第1のプロペラと、後方のポッド推進装置の第2のプロペラとで二重反転システムを構成した舶用推進装置において、第2のプロペラを所定形状のダクト内に収納したことを一つの特徴とするものである。本件発明者は、係る基本構成の本発明において推進器効率のさらなる向上を目指し、種々の実験を行ったが、その結果、以下に説明するように、本発明の構成に関連するより好ましい条件を見出すに至った。
【0037】
まず、本発明者等による第1の実験により、本発明に係る舶用推進装置の推進器効率は、前後2つのプロペラの各プロペラ径の間の寸法比率との間に、非線形的な相関関係があり、寸法比率をある限界以上にとると、寸法比率の変化に対する推進器効率の増大率が大きくなるが、当該限界以下の領域では寸法比率の変化に対する推進器効率の増大率が非常に小さく、高い推進器効率を得るために寸法比率をある限度以上にとることが有利であることが判明した。具体的には、図9に示すように、第2のプロペラ6のプロペラ径d’は、第1のプロペラ4のプロペラ径dの86%以上100%の範囲に設定されていることが、より高い推進器効率を得るために好ましい。
【0038】
本発明者等は、本発明に係る舶用推進装置において、第1のプロペラ4と第2のプロペラ6の一方のプロペラ径を固定し、他方のプロペラ径を適宜変更しながら、舶用推進装置を駆動する第1の実験を行い、プロペラ荷重度CT と推進器効率ηの関係を調べた。ここで、プロペラ荷重度CT と推進器効率ηは次式(1)及び(2)のように定義される。
CT =(8/π)×(KT /J2 )…(1)
η=(J・KT )/(2π・KQ )…(2)
ここで、KT はスラスト係数、Jは前進率、KQ はトルク係数である。
【0039】
図10に本発明者等による第1の実験結果のグラフを示す。
この実験では、第2のプロペラ6のプロペラ径d’の第1のプロペラ4のプロペラ径dに対する比率d’/dを変化させて、それぞれプロペラ荷重度CT と推進器効率ηの関係を調べた。その結果、上記比率を86%から100%に設定した第1の場合における推進器効率ηの値は、同比率を70%から82%に設定した第2の場合に比べ、実験したプロペラ荷重度CT の全範囲に亘って有意の高さを示した。なお、図10中には、第1のプロペラ単独での実験結果も示しているが、この場合には、プロペラ荷重度CT が小さい場合を除き、プロペラ荷重度CT のほぼ全範囲にわたり、本発明において前記比率を70%から82%に設定した場合に比べても推進器効率が低かった。
【0040】
このように、本実験結果から、第2のプロペラ6のプロペラ径d’を、第1のプロペラ4のプロペラ径dの少なくとも86%以上100%以下までの範囲に設定すれば、少なくとも82%未満に設定した場合に比べ、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘り、82%未満の領域での結果から予想される値よりも高い推進器効率ηが得られることが判明した。
【0041】
すなわち、d’=(0.86〜1.0)×dを満たせば、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘ってより高い推進器効率ηが得られる。
【0042】
次に、本発明者等による第2の実験により、第1及び第2のプロペラの軸方向の距離については、推進器効率を低下させずに済む所定の前後間隔の範囲が存在することが判明した。従来は、本発明のようなタンデム型の二重反転システムにおいては、前方のプロペラと後方のプロペラの距離が大きくなると、前方のプロペラの後流エネルギが散逸してしまうため、二重反転効果によるエネルギ回収効果は低くなると考えられており、この考え方が一般的な技術常識として定着していた。そのため、これが先入観となり、前後2つのプロペラはなるべく接近して配置することが常識化しており、そのために舶用推進装置における装置各部のレイアウトが不便になり、設計の自由度が低いという問題があった。
【0043】
図11に本発明者等による第2の実験結果のグラフを示す。
この実験では、第1及び第2のプロペラ4,6の間隔xを、第1のプロペラ6のプロペラ径dに対する比率x/dを変化させて、それぞれプロペラ荷重度CT と推進器効率ηの関係を調べた。その結果、上記比率を45%から80%の間で設定した場合には、推進器効率ηの値は殆ど変化しなかった。従来の常識から考えると、上記比率を45%から80%に上昇させていけば、前後2つのプロペラ間隔は離れていくのであるから、それにつれて推進器効率ηの低下していくはずであったが、実際にはそのような現象は観察されず、いずれの値に設定しても大差がないという従来の技術常識に反する結果が得られた。
【0044】
このように、本実験結果から、第1及び第2のプロペラ4,6の間隔xを、第1のプロペラ6のプロペラ径dに対する比率x/dで少なくとも0.45から0.8の範囲内に設定すれば、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘って一定の推進器効率ηが保証されることが判明した。
【0045】
すなわち、0.45×d≦x≦0.8×dを満たす範囲でxを定めれば、プロペラ荷重度CT の広い範囲に亘って推進器効率ηは実質的に一定であるから、この範囲で自由にxを定めることが可能となり、そのため舶用推進装置における装置各部のレイアウトを自由に行い、設計の自由度を向上させることができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【0046】
1…舶用推進装置
2…船体
3…船尾
4…第1のプロペラ
5…ポッド推進装置
6…第2のプロペラ
9…ストラット
10…ケーシング
20…ダクト
22,23…舵フィン
S…ダクトの断面
【特許請求の範囲】
【請求項1】
船体の船尾に設けられた第1のプロペラと、
船体の船尾の外側で前記第1のプロペラに対向して配置されることにより前記第1のプロペラと二重反転プロペラを構成する第2のプロペラを備えて鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられたポッド推進装置と、
を有する舶用推進装置において、
前記ポッド推進装置は、前記第2のプロペラが内部に収納されて前後に開口を有する筒型であって、水流に平行な断面における断面形状が翼型であるダクトを有していることを特徴とする舶用推進装置。
【請求項2】
前記ポッド推進装置は、船体の船尾の底部に前記旋回軸を中心として旋回自在となるように取り付けられたストラットと、前記ストラットの下端部に取り付けられて前記第2のプロペラが前端部に取り付けられたケーシングとを有し、
前記ストラットの後端部と前記ケーシングの底面の少なくとも一方に舵フィンを設けたことを特徴とする請求項1に記載の舶用推進装置。
【請求項3】
前記第2のプロペラのプロペラ径は、前記第1のプロペラのプロペラ径の86%以上100%以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の舶用推進装置。
【請求項4】
前記第1のプロペラと前記第2のプロペラの距離は、前記第1のプロペラのプロペラ径の45%以上80%以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一つに記載の舶用推進装置。
【請求項1】
船体の船尾に設けられた第1のプロペラと、
船体の船尾の外側で前記第1のプロペラに対向して配置されることにより前記第1のプロペラと二重反転プロペラを構成する第2のプロペラを備えて鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられたポッド推進装置と、
を有する舶用推進装置において、
前記ポッド推進装置は、前記第2のプロペラが内部に収納されて前後に開口を有する筒型であって、水流に平行な断面における断面形状が翼型であるダクトを有していることを特徴とする舶用推進装置。
【請求項2】
前記ポッド推進装置は、船体の船尾の底部に前記旋回軸を中心として旋回自在となるように取り付けられたストラットと、前記ストラットの下端部に取り付けられて前記第2のプロペラが前端部に取り付けられたケーシングとを有し、
前記ストラットの後端部と前記ケーシングの底面の少なくとも一方に舵フィンを設けたことを特徴とする請求項1に記載の舶用推進装置。
【請求項3】
前記第2のプロペラのプロペラ径は、前記第1のプロペラのプロペラ径の86%以上100%以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の舶用推進装置。
【請求項4】
前記第1のプロペラと前記第2のプロペラの距離は、前記第1のプロペラのプロペラ径の45%以上80%以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一つに記載の舶用推進装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2010−254293(P2010−254293A)
【公開日】平成22年11月11日(2010.11.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−78203(P2010−78203)
【出願日】平成22年3月30日(2010.3.30)
【出願人】(503116899)新潟原動機株式会社 (61)
【公開日】平成22年11月11日(2010.11.11)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年3月30日(2010.3.30)
【出願人】(503116899)新潟原動機株式会社 (61)
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