JP5116692B2 - 排水および半排水船の半浸漬プロペラ推進機関 - Google Patents

Description

本発明は、排水および半排水船の推進機関に関し、ここで、排水船とは、水線面に対して垂直な軸に沿って、浮力だけを受け、船の水中の運動により生成された揚力を受けない船を意味する。半排水船とは、前記揚力が前記浮力よりも低い影響を有し、速度の設計で、下部は浸漬されたままであるように意図される船を意味する。相当高いトン数の貨物を出荷するために利用されるそのような船は、中程または低い航行速度により特徴付けられる。

そのような船は、トリムが変えられる、すなわち、水中の運動によって生成される揚力によって著しく影響される船、および、下部が完全に持ち上がるまたは部分的にのみ浸漬している特に浮上性の船とは異なる。これらの船は、少なくとも一般に中‐高速の航行速度を示す。

現代の船の推進方式は、プロペラ、外車、または、ジェット・システムの使用を想定する。

航行において、水に浸漬された船体を有する船の最も普及したシステムは、通常、船尾に配置される完全に浸漬されたプロペラを利用する。それらは、駆動装置、すなわち軸および軸支持体のような船体付加部を支持するため、構造上および流体力学の性質の一連の複雑化を伴い、船体から出ている、少なくとも部分的に浸漬された軸線を想定する。この推進方式は、特に低速船において、一般に許容可能であるとみなされる、推進効率を有する船舶技術において数十年で確立された。

しかしながら、前記効率は、異なる推進機関の採用によって保たれ、もう本質的に改良できないように考えられる。

PCT出願公開番号WO-01/47770（フライズ）は、船の縦方向、すなわち運動の方向に並列した回転軸を有する船の推進のための外車の使用を記載する。

なお、外車は、全体の直径がブレードの延長部に関して、ハブおよびブレード支持ディスクの直径によってより多く覆われた回転装置を意味する。これに反して、プロペラは、全体の直径がハブ径によりもブレードの拡張部によって基本的に覆われた回転装置を意味する。

前記PCTの装置は、中速（40÷60ノット）船を対象にした推進方式であり、支持ディスクが基本的に持ち上がるような制限された拡張部の浸漬されたブレード頂部領域を有する。

固有の振動問題を欠点として持ち、複雑な調整機構を必要とするこの推進方式は、40ノットより遅い、特に低速（10÷30のノット）とみなされる巡航速度において適切でない。上記のものに類似した他の例は、下部に内蔵され、競技用の船のために適切な半分浸漬された外車の使用に関連して、米国特許第6,851,991号（エリクソン）に記載される。

その技術はまた、表面貫通型とも呼ばれるいわゆる半浸漬プロペラの使用を認識している。そのようなプロペラは、下半分がほぼ浸漬され、上半分は基本的に持ち上がって動作する。したがって、陰圧下のブレードの側面には基本的に空洞現象を防ぐ大気圧が作用し、これらのプロペラを、通常浮上し、高速または超高速の特性を表わす可変のトリムの船で典型的な特に超高速回転に適切にさせる。さらに、そのような運転モードにより、滑走速度で推進付加物（軸および支持体）持ち上がったままにする、すなわちトランサムに「おおわれる」のを可能にする。

この種のプロペラは、常に不可避的に低い推進効率を有する、したがって、中速で進行する船に全く不適当であるとみなされてきた。特に、駆動速度において浸漬された付加物をなくすことにより、そのような低い推進効率を有利に補うことは、ありふれている。したがって、これらのプロペラの適用範囲は、通常浮上するように高速または超高速によって常に特徴付けられる、常にヨットおよび競技用の船に、散発的ないくつかの実例においては貨物または軍事船に制限されてきた。それらの典型的な用途において、半浸漬プロペラは、船が動いている場合に部分的に水から出るのみであり、一方で、船が動いていない場合、それは完全に浸漬されたままである。

この種の用途の例は、広い直径ハブおよびそれらの間で間隔を置かれる短いブレードに合う、外車および表面貫通型プロペラの一種の混成物を記載する、イタリア特許第1,184,406号（レビ）、PCT公開番号WO-96/40550（アーネソン）および米国特許第6,332,818号（ダンカンその他）において見いだすことができる。

本発明の根底にある技術的な問題は、技術の進化において確立された偏見を付随して乗り越える、公知の技術に関して言及される欠点を克服する推進機関を提供することである。

そのような問題は、運動の状態および船のトリムに関係なく、底下部ブレードが部分的に浸漬し、上部のブレードが持ち上がるように配置される1以上の半浸漬プロペラを含む、排水または半排水船の推進機関によって解決され、そこにおいて、前記半浸漬プロペラはトランサムに配置され、喫水線での直径の比率、または、船幅に対する半浸漬プロペラの直径の合計は0.50より大きい。

本発明による推進機関の主な利点は、より高い全体の推進効率を可能にすることである。さらに、明らかに構造上に単純化され、浸漬された付加物の不在による流体力学的な利点を有し、半浸漬プロペラの動力線（駆動系）は完全に水位より上にある。

図を参照すると、排水または部分的な排水船は、部分的かつ概略的に表され、1で示される。それは船1のトランサム2に配置される推進機関を組み込み、そこで、運動の状態または船の速度を変えることでその位置が有意な変化を受けない喫水線3が強調される。

異なる貨物載荷状態による船、したがってプロペラの浸漬の変化が推進機関の操作を偏らせないことを指摘するのは重要である。実際には、プロペラを正確に配置するため、最大の載荷状態の下での浸漬のみが考慮されるだけでなく、流動制御システムが考慮されてもよい。

本実施例において、推進機関は、トランサム2上で一対の半浸漬タイプのプロペラ4、要するに半浸漬プロペラを含む。

図1および2において、プロペラ4は二重反転である。トランサム2で船体内部に含まれるプロペラ4の動力線（駆動系）は、船の水線面より完全に上になる。したがって、遮水シールを備えたプロペラ軸の貫通孔の必然性はない；通常の密封シールで十分である。

図1を参照すると、プロペラ4は、直接トランサム2に載置され、基本的に喫水線3のすぐ上に配置された各々のハブ5を有する。トランサム2およびプロペラ4間に、船尾波、すなわち動いている船の船尾の下流の伴流の効果により生成された波を制御する制御手段が提供されてもよい。

そのような波は、プロペラ4を沈める可能性がある。このため、前記制御手段は、喫水線3を基本的に一定の位置に保つように、プロペラに接近した波を押さえつけて、任意に高さを調節することができるバランス・フラップ6を有する。

しかしながら、このフラップを載置する必要性またはその不必要性は、プロペラ4がトランサム2に固定される方法次第であると理解される。プロペラがアフト壁にほとんど接触していると、そのような方法は必要でない可能性がある。

図2および3を参照すると、第2の実施態様は、形成される伴流を案内するため、各々のプロペラ4上に配置されるシュラウド7の存在を提供する。さらに、船尾波の高さを制御するため、フラップ6を調整するためのアーム8を有する制御手段が強調される。

上記した実施態様の両方において、プロペラが、例えば、おそらく、高速でプロペラ・ブレードの弾性変形によってさえ生成されるスラスト・ベクトルの横の構成部分を補うため、垂直の軸に沿って回転することは可能である。

さらにプロペラは、例えば、水へのブレードの落下角度を変化させるため、運動の軸に垂直である水平な軸に沿ってさらに回転することができる。

最後に、プロペラのピッチは、それらを異なる動作状態に適応させるために変えることができる。

各々のプロペラ4および図4を参照すると、以下のパラメータが強調される可能性がある：
Np= 半浸漬プロペラの数
D= プロペラ4の直径
P= プロペラピッチ、すなわちプロペラの単一の回転によって生じる前進
Nb= ブレードの数
Lb= ハブへ連結から算出される各々のブレードの高さ
Ap= プロペラ領域
Ab= 全体のブレード領域
Ah= ハブ5の領域
Ai= 喫水線3の下に浸漬されるプロペラの領域
L= 喫水線の船幅

プロペラの数Npは、船の構造上の要件との適合性を有する限り、1からnまで変動してもよいと理解される。

この例で選択される数により、各々のプロペラ4によって生じるスラスト・ベクトルの横の構成部分が補われる、二重反転プロペラ4の採用は可能になる。

しかしながら、その数は変化する可能性があると理解される。特に、プロペラは、個々のプロペラの費用および船尾傾斜路を有する貨物出荷船尾のオプションに関する利点を有し、付随してブレードの適切な表面が浸漬されるのを保ち、個々のプロペラの直径を減少するために4つである可能性がある。この場合、4つのプロペラは、傾斜路の下に配置される。

他の変形例によると、一対の二重反転プロペラが、単一の軸に載置されてもよい。

本実施態様において５つのブレード・プロペラが表され、そのうえ、ブレードの数Nbは構造必要性に照らして自由に選ばれてもよい。しかしながら、4以上のブレードの数Nbによって、ブレード領域Abによるより大きなプロペラ領域Apの被覆を容易に達成するのが可能になる。

個々のブレードの形状は本発明の目的でなく、設計の必要性によって選ばれてもよい。

AiからApの比率は、半浸漬プロペラ4の正しい操作を保証するため、0.30から0.55まで変動してもよい。実際には、プロペラの持ち上げられた部分は、水の自由表面の下でかなりの量の空気を引き、陰圧下で浸漬されたブレードの側面が大気圧で動作するのを可能にし、空洞現象を防ぐ。

理想的には、各々のプロペラ4のハブ5は、喫水線3のすぐ上に配置される。好ましくは、AiからApの比率は、0.35から0.45まで変動する。

AhからApの比率は、プロペラ4の全体の寸法に関して十分な長さの拡張部をブレードが有するため、0.30より低い。好ましくは、前記比率は、0.10から0.20まで変動してもよい。

AbからApの比率は、推進力の必要性のために適切な水量を移動させるために十分なブレード表面を有するため、0.60より大きい。好ましくは、前記比率は、0.60から0.80まで変動してもよい。

全体としてプロペラが船幅に関して適切な幅の流動を移動させることができるような直径D、または半浸漬プロペラの直径NpxDの合計の、喫水線での船幅Lとの比率は、0.50より大きい。好都合にも、前記比率は、0.70から0.95まで変動することができる。

Lに対する量2xNpxLbの比率は、常に適切な幅のスラスト流動を保証するため、好ましくは0.50以上である。好ましくは、前記比率は、0.70から0.85まで変動してもよい。

DからPの比率は、議論される推進機関に提供される速度で最高の操作状態を達成するため0.80から1.20まで変動してもよい。好ましくは、前記比率は、0.9から1.1まで変動する。

排水船のスケールモデルは、喫水線が基本的にハブの底端に接する、一対の二重反転のおよび半浸漬プロペラに適合する曳航水槽において検査された。

操作状態は、以下の通りである：
Np = 2
Nb = 5
Ai/Ap = 0.40
Ah/Ap = 0.1786 −280mmのプロペラ直径および50mmのハブ径
Ab/Ap = 0.70
2xNpxLb/L = 0.75
NpxD/L = 0.913

このモデルについて、試験が実行され、その結果は図5から7のグラフにおいて表される。

図5のグラフにおいて、最大限に浸漬され作動する意図を有する伝統的なプロペラ（破線）の正味効率は、ノットで表される操作の速度によって試験（実線）において使用されるプロペラと比較される（1ノット= 0.514m/s）。明らかであるように、伝統的なプロペラの性能は原則として、半浸漬プロペラによって達成できるものよりも優れている。この場合、伝統的なプロペラは、同じモデルに適切であるプロペラに基づいて選ばれた。

図5のグラフをプロットするために使用された同じ伝統的なプロペラを参照として使用し、シミュレーションは、提供された速度で船モデルを駆動するために必要とされる動力を得るために実行された。

図6のグラフから明らかであるように、半浸漬プロペラは、15ノットより高速で都合が良い性能を提供する（特定の速度を得るために必要とされる動力が低い）しかし、このプロットは、半浸されたプロペラの対を支持する複雑な支持体に影響される動力の未処理値を考慮する。

この推進機関の使用がそれらなしでの新規な船尾設計を示すので、前記支持体の寄与を取り除いて、新たに先行するグラフをプロットする場合、より現実的なシミュレーションが達成される。

そのようなシミュレーションは図7のグラフを生じ、そこで、半浸されたプロペラの推力効率は、10ノットより低速の伝統的なプロペラのものと比較して明らかに改善される。

そのような結果は、上記の推進機関の使用の好都合を確実にする。前記シミュレーションに基づいて、例えば中程度または高いトン数のコンテナ船上での燃料の節減を計算することは可能である：そのような節減は10%近くである。

上記の記載された推進機関に関して、さらなる偶発的な必要性を満たすため、当業者は、添付の請求の範囲に記載の本発明の保護的範囲において含まれるものにさらなる修正および変形を生じさせてもよい。

本発明は、一例として提供され、以下の例および添付の図面にて制限的な目的を有さないその好ましいいくつかの用途とともに、好ましい実施態様によって以下に記載される。そこにおいて：
は、本発明の推進機関の第1の実施態様を組み込む船の概略斜視図を示す； は、本発明の推進機関の第2の実施態様を組み込む船の概略斜視図を示す； は、図2の船尾の側立面図を示す； は、その関連したいくつかの量を図示するため、図1の船のトランサムの概略立面図を示す 例示的な推進機関の性能を図示するグラフを示す。 は例示的な推進機関の性能を図示するグラフを示す。 は例示的な推進機関の性能を図示するグラフを示す。

Claims (16)

1. 運動状態および船のトリムに関係なく、底下部ブレードが部分的に浸漬され、上部ブレードが持ち上がって配置された、半浸漬タイプの１以上のプロペラを含む排水または半排水船の推進機関であって、該半浸漬プロペラはトランサムに配置され、直径（Ｄ）、または、半浸漬プロペラの直径（Ｎｐ×Ｄ）の合計の喫水線（３）での船幅（Ｌ）に対する比率が０．５０より大きく、
   プロペラ領域（Ａｐ）に対するブレード領域（Ａｂ）全体の比率が０．６０より大きく、
   プロペラ領域（Ａｐ）に対する前記喫水線（３）下で浸漬される前記プロペラの領域（Ａｉ）の比率が０．３０から０．５０まで変動する推進機関。
2. ブレード領域（Ａｂ）全体およびプロペラ領域（Ａｐ）間の前記比率が０．６０から０．８０まで変動する、請求項１記載の推進機関。
3. 一対の二重反転の半浸されたプロペラ（４）を使用する、請求項１または２に記載の推進機関。
4. 前記半浸漬プロペラが４以上の多くのブレード（Ｎｂ）を有する、請求項１から３のいずれかに記載の推進機関。
5. 各々のプロペラ（４）の前記ハブ（５）が前記喫水線（３）のすぐ上に配置される、請求項４記載の推進機関。
6. 前記喫水線（３）下で浸漬される前記プロペラの領域（Ａｉ）およびプロペラ領域（Ａｐ）の比率が０．３５から０．４５まで変動する、請求項４または５に記載の推進機関。
7. プロペラ領域（Ａｐ）に対するハブ領域（Ａｈ）の比率が０．３０より低い、請求項１から６のいずれかに記載の推進機関。
8. プロペラ領域（Ａｐ）に対するハブ領域（Ａｈ）の前記比率が０．１０から０．２０まで変動する、請求項７記載の推進機関。
9. Ｎｐが前記半浸漬プロペラ（４）の数であり、Ｌｂが前記ハブ（５）上への連結から算出される各々のブレードの高さとした時に、前記喫水線（３）の船幅（Ｌ）に対する量２×Ｎｐ×Ｌｂの比率が０．５０以上である、請求項１から８のいずれかに記載の推進機関。
10. Ｎｐが前記半浸漬プロペラ（４）の数であり、Ｌｂが前記ハブ（５）上への連結から算出される各々のブレードの高さとした時に、前記喫水線（３）の船幅（Ｌ）に対する量２×Ｎｐ×Ｌｂの比率が０．７０から０．８５まで変動する、請求項９記載の推進機関。
11. プロペラ直径（Ｄ）からプロペラピッチ（Ｐ）の比率が０．８０から１．２０まで変動する、請求項１から１０のいずれかに記載の推進機関。
12. プロペラ直径（Ｄ）からプロペラピッチ（Ｐ）の比率が１．００ から１．１０まで変動する、請求項１から１０のいずれかに記載の推進機関。
13. 直径（Ｄ）、または半浸漬プロペラの直径（Ｎｐ×Ｄ）の合計の、喫水線（３）での船幅（Ｌ）に対する比率が０．７０から０．９５まで変動する、請求項１から１２のいずれかに記載の推進機関。
14. 船尾波の高さを制御するための制御手段を含む、請求項１から１３のいずれかに記載の推進機関。
15. 前記船尾波の高さを制御する手段が前記半浸漬プロペラ（４）およびアフト壁の間で配置されるバランス・フラップ（６）を含む、請求項１から１４のいずれかに記載の推進機関。
16. 前記半浸漬プロペラ（４）の各々がシュラウド（７）により上方向に入れられる、請求項１から１５のいずれかに記載の推進機関。

Images