JP7580323B2 - 船舶推進装置、船舶 - Google Patents

Description

本開示は、船舶を推進させる船舶推進装置に関する。

例えば、特許文献１～３には、ダクトと、ダクト内に回転可能に配置されるプロペラと、を備える船舶推進装置が開示されている。プロペラは、羽根と、羽根を取り囲むとともに羽根の翼端に固定されるリングと、を含んでおり、羽根の翼端における渦の発生を抑制するようになっている。

特開２０１３－１０００１３号公報 実開昭６０－０４４８９９号公報 特開昭５９－０９２２９６号公報

しかしながら、プロペラにリングが含まれると、船舶の推進中に発生する摩擦損失を増大させてしまう。

本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、羽根の翼端における渦の発生と船舶の推進中に発生する摩擦損失の増大とを抑制できる船舶推進装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る船舶推進装置は、船舶を推進させる船舶推進装置であって、前記船舶の船体の下方に設けられるダクトと、前記ダクトの内部に回転可能に配置されるプロペラと、を備え、前記プロペラは、羽根と、前記羽根を取り囲む筒状の筒状部材であって、前記羽根の翼端と固定される筒状部材と、を含み、前記ダクトの延在方向の断面視において、前記ダクトの前縁端と後縁端とを通過する仮想のラインを第１ラインとし、前記ダクトの内周面と外周面の両方に接する内接円の中心を前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端まで結んだラインを第２ラインとすると、前記第２ラインは前記第１ラインよりも前記ダクトの前記外周面側に位置する。

本開示の船舶推進装置によれば、羽根の翼端における渦の発生と船舶の推進中に発生する摩擦損失の増大とを抑制できる。

一実施形態に係る船舶推進装置を備える船舶の構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る船舶推進装置の構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係るダクトの構成を説明するための図である。 プロペラ効率とプロペラ荷重度との関係を示すグラフである。 別の一実施形態に係る船舶推進装置の構成を概略的に示す図である。

以下、本開示の実施の形態による船舶推進装置について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（船舶の構成）
図１は、一実施形態に係る船舶推進装置１を備える船舶１００の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、船舶１００は、船体１０２と、船体１０２に取り付けられ、船舶１００を推進させる船舶推進装置１と、を備える。

船体１０２は、船体１０２の前方に位置する部分である船首部１０４と、船体１０２の後方に位置する部分である船尾部１０６と、船底部１０８と、を有する。船首部１０４は、船体１０２が海水などの流体から受ける抵抗を低減する形状を有している。本開示では、船体１０２の前後方向Ｄのうち船尾部１０６から船首部１０４に向かう方向を前方向とし、船首部１０４から船尾部１０６に向かう方向を後方向としている。

船舶推進装置１は、船体１０２の船尾部１０６側に位置するように船底部１０８に取り付けられている。船舶１００は、船舶推進装置１が上下方向に沿って延びる軸線Ｌを中心として回転することで船体１０２の進行方向が調整されるように構成されている（いわゆる首振り型の船舶推進装置である）。幾つかの実施形態では、不図示であるが、船舶１００は、船体１０２の進行方向を調整するための舵を備える。

以下、一実施形態に係る船舶推進装置１の構成について具体的に説明する。

（船舶推進装置の構成）
図２は、一実施形態に係る船舶推進装置１の構成を概略的に示す図である。図２に示すように、船舶推進装置１は、船舶１００の船体１０２の下方に設けられるダクト２と、ダクト２の内部に回転可能に配置されるプロペラ４と、を備える。船舶推進装置１は、いわゆるダクトプロペラ型の船舶推進装置である。

ダクト２は、前後方向Ｄに沿って延びている。図２に例示する形態では、ダクト２は、船体１０２の船底部１０８から下方に延びるストラット１１０によって支持されている。ダクト２の具体的な構成については後述する。尚、図２に例示する形態では、ダクト２はストラット１１０によって支持されていたが、ダクト２が船体１０２の下方に設けられるのであれば、本開示はこの形態に限定されない。例えば、ダクト２は、回転軸５を回転させる軸（図２において、モータ１１２と回転軸５とを接続する軸）によって支持されてもよいし、船体１０２の船底部１０８に取り付けられてもよい。

プロペラ４は、ダクト２の延在方向（前後方向Ｄ）に沿って延びる棒状の回転軸５と、羽根６と、羽根６を取り囲む円筒状の筒状部材８（リング）と、を備える。

回転軸５は、例えば、船体１０２内に設けられるモータ１１２と接続されており、このモータ１１２が発生させる回転動力によって回転するようになっている。羽根６は、翼根６ｂが回転軸５に固定されるとともに、翼端６ａが筒状部材８の内周面８ａに固定されている。このため、羽根６及び筒状部材８は、回転軸５の回転に伴って回転軸５を中心として回転するように構成されている。尚、図２に例示する形態では、船舶推進装置１はモータ１１２から供給される駆動力によって駆動するように構成されているが、本開示はこの形態に限定されない。例えば、船舶推進装置１は、ディーゼルエンジンやガスタービンから供給される駆動力によって駆動してもよい。

筒状部材８は、ダクト２の内周面２ａに形成されている溝１２に収容されている。溝１２は、ダクト２の内周面２ａの全周に亘って連続している。筒状部材８は、溝１２に収容された状態で、回転軸５を中心として回転可能となっている。

ダクト２の具体的な構成について説明する。図３は、一実施形態に係るダクト２の構成（ダクト断面）を説明するための図である。ダクト２をダクト２の延在方向（前後方向Ｄ）に沿って切断すると、一方のダクト断面と回転軸５を挟んで一方のダクト断面とは反対側に位置する他方のダクト断面とのそれぞれが形成される。一実施形態では、一方のダクト断面および他方のダクト断面は、回転軸５について互いに線対称となっている。図３には、一方のダクト断面及び他方のダクト断面のうちの一方が示されている。尚、本開示は、一方のダクト断面および他方のダクト断面が回転軸５について互いに線対称であることに限定されるものではない。ダクト２は、一方のダクト断面及び他方のダクト断面が回転軸５に対して非対称であるように構成されてもよい。

図３に示すように、ダクト断面は、ダクト２の内周面２ａと外周面２ｂとによって形成されており、翼形状を有している。ダクト２の前縁端１７と後縁端１８とを通過する仮想の直線状のラインを第１ライン２０とする。また、ダクト２の内周面２ａと外周面２ｂとの両方に接する内接円Ｃの中心Ｏをダクト２の前縁端１７から後縁端１８まで結んだラインを第２ライン２２とする。つまり、第１ライン２０はタービン翼などの翼におけるコードラインに相当し、第２ライン２２は翼におけるキャンバーラインに相当する。

図３に示すように、第２ライン２２は第１ライン２０よりもダクト２の外周面２ｂ側に位置する。図３に例示する形態では、第１ライン２０は、ダクト２の前縁端１７から後縁端１８に向かうにつれてダクト２の内側に向かうように傾斜している。第２ライン２２は、ダクト２の前縁端１７から後縁端１８に亘って、第１ライン２０よりもダクト２の外周面２ｂ側に位置している。

図３に例示する形態では、第１ライン２０と直交する方向におけるダクト２の外周面２ｂと第１ライン２０との距離ｄが最大となる位置Ｐは、ダクト２の前縁端１７側に位置する。尚、前後方向Ｄにおいて、プロペラ４が配置される位置は特に限定されないが、例えば、プロペラ４が位置Ｐよりも後方に配置されることで、プロペラ４の筒状部材８の径の大きさを小さくし、筒状部材８による摩擦損失を低減することができる。

（船舶推進装置の作用・効果）
本開示の一実施形態に係る船舶推進装置１の作用・効果について説明する。一実施形態によれば、プロペラ４は、羽根６を取り囲むとともに、羽根６の翼端６ａと固定される筒状部材８を含む。このため、羽根６の翼端６ａにおける渦の発生を抑制することができる。

船舶１００の推進中に発生する摩擦損失のうち筒状部材８による摩擦損失の大きさは、筒状部材８の近傍を流通する流体の速度が支配的である。一実施形態によれば、第２ライン２２は第１ライン２０よりもダクト２の外周面２ｂ側に位置しているので、ダクト２の内周面２ａはダクト２に流入した海水などの流体の速度を遅くする形状を有する。つまり、ダクト２の内周面２ａは、翼における圧力面として機能する。このため、筒状部材８の近傍を流通する流体の速度を遅くすることができ、筒状部材８による摩擦損失の大きさを低減することができる。よって、船舶１００の推進中に発生する摩擦損失の増大を抑制できる。

図４は、プロペラ効率とプロペラ荷重度との関係を示すグラフである。図４において、横軸はプロペラ荷重度であり、縦軸はプロペラ効率を示している。図４において、プロペラ効率の理想値をＡ１、Ａ１から後方に放出する旋回流による損失を差し引いたプロペラ効率をＡ２、Ａ２から筒状部材８による摩擦損失を差し引いたプロペラ効率をＡ３、Ａ３から各種抵抗による損失を差し引いたプロペラ効率をＡ４、Ａ４から羽根６の最適設計からのずれによる損失を差し引いたプロペラ効率をＡ５で示している。尚、各種抵抗による損失とは、例えば、ダクト２内に設けられた回転軸５や羽根６が流体から受ける抵抗によって発生する損失や羽根６の表面に発生する流体摩擦などである。

プロペラが羽根を含むが筒状部材を含まないオープンプロペラである場合、羽根は翼端部（翼端及び翼端付近を含む）の荷重が小さくなるように設計される。羽根の翼端部の荷重を小さくすることで、羽根の翼端から発生する渦を小さくし、各種抵抗による損失を小さくすることができる。しかしながら、羽根はプロペラ効率を理想的な値にするための最適設計からずれた設計となり、最適設計からのずれによる損失が発生する。上述した一実施形態によれば、プロペラ４が筒状部材８を含むことで、羽根６の翼端６ａにおける渦の発生を抑制することができる。このため、羽根６の設計を最適設計に近づけることができる。つまり、図４におけるＡ４とＡ５との差を小さくし、実際のプロペラ効率をＡ１に近づけることができる。

また、上述した一実施形態によれば、ダクト２の内周面２ａは、翼における圧力面として機能するので、ダクト２の内周面２ａが翼における圧力面として機能しない場合と比較して、筒状部材８による摩擦損失の大きさを低減することができる。つまり、図４におけるＡ２とＡ３との差を小さくし、実際のプロペラ効率をＡ１に近づけることができる。

一実施形態によれば、第１ライン２０は、ダクト２の前縁端１７から後縁端１８に向かうにつれてダクト２の内側に向かうように傾斜している。このため、ダクト２の内周面２ａは、第１ライン２０がダクト２の前縁端１７から後縁端１８に向かうにつれてダクト２の外側に向かうように傾斜している場合と比較して、ダクト２に流入した流体の速度を効果的に遅くすることができる。

一実施形態によれば、ダクト断面は翼形状を有し、ダクト２の内周面２ａは、翼における圧力面として機能している。このため、筒状部材８の近傍を流通する流体の速度を遅くすることができ、筒状部材８による摩擦損失の大きさを低減することができる。

従来のダクトプロペラ型の船舶推進装置は、前方に向かうスラスト力を発生させるため、ダクト断面を翼形状とし、ダクトの内周面が翼における負圧面として機能するように構成されることが多い。しかしながら、プロペラが羽根と羽根を取り囲む筒状部材（リング）とを含む場合、ダクトの内周面が負圧面として機能することで、リングの近傍を流通する流体の速度が速くなり、筒状部材８による摩擦損失の大きさが大きくなる。これに対して、一実施形態に係る船舶推進装置１によれば、ダクト２の内周面２ａが圧力面として機能することで、スラスト力の発生は抑制されるものの、筒状部材８による摩擦損失の大きさを低減することができる。この結果、一実施形態に係る船舶推進装置１は、従来の船舶推進装置と比較して、プロペラ効率を高くすることができる。

一実施形態によれば、位置Ｐがダクト２の前縁端１７側に位置するので、ダクト２の前縁端１７側でダクト２に流入した流体の速度を遅くし、ダクト２の延在方向の長さを抑制することができる。

ところで、図２に例示して説明した一実施形態では、船舶推進装置１は、回転軸５の回転に伴って羽根６及び筒状部材８が回転する軸駆動型のプロペラ４を備えていたが、本開示はこの形態に限定されない。図５は、別の一実施形態に係る船舶推進装置１の構成を概略的に示す図である。

図５に示すように、別の一実施形態では、船舶推進装置１は、ダクト２に内蔵され、プロペラ４を回転させるための内蔵モータ２１を備える。具体的には、内蔵モータ２１から供給される回転動力によって筒状部材８が回転するように構成されている。そして、羽根６は、この筒状部材８の回転に伴って回転する。このような構成によれば、ダクト２内に回転軸５を配置しなくて済むので、ダクト２内に配置される構造物が流体から受ける抵抗によって発生する損失を低減することができる。

図５に例示する形態では、船舶推進装置１は、ダクト２の内部に配置される反転プロペラ２３と、ダクト２に内蔵され、反転プロペラ２３をプロペラ４の回転方向と逆方向に回転させるための内蔵モータ２８と、を備える。反転プロペラ２３は、内蔵モータ２１から供給される回転力によって回転可能に構成される筒状の筒状部材２６と、筒状部材２６に取り囲まれ、翼端が筒状部材２６の内周面に固定される羽根２４と、を含む。このような構成によれば、反転プロペラ２３がプロペラ４の逆転流を発生させ、二重反転効果によって船舶推進装置１の推進効率を向上させることができる。尚、幾つかの実施形態では、反転プロペラ２３は、回転軸５の回転によって、羽根２４と筒状部材２６とが回転するように構成されてもよい。つまり、反転プロペラ２３は軸駆動型に構成されてもよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］本開示に係る船舶推進装置（１）は、
船舶（１００）を推進させる船舶推進装置であって、
前記船舶の船体（１０２）の下方に設けられるダクト（２）と、
前記ダクトの内部に回転可能に配置されるプロペラ（４）と、を備え、
前記プロペラは、
羽根（６）と、
前記羽根を取り囲む筒状の筒状部材であって、前記羽根の翼端（６ａ）と固定される筒状部材（８）と、を含み、
前記ダクトの延在方向の断面視において、前記ダクトの前縁端（１７）と後縁端（１８）とを通過する仮想のラインを第１ライン（２０）とし、前記ダクトの内周面（２ａ）と外周面（２ｂ）の両方に接する内接円（Ｃ）の中心（Ｏ）を前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端まで結んだラインを第２ライン（２２）とすると、前記第２ラインは前記第１ラインよりも前記ダクトの前記外周面側に位置する。

上記[１]に記載の構成によれば、プロペラは羽根を取り囲むとともに、羽根の翼端と固定される筒状部材を含むので、翼端における渦の発生を抑制することができる。

また、上記[１]に記載の構成によれば、内接円の中心をダクトの前縁端から後縁端まで結んだ第２ラインは、ダクトの前縁端と後縁端とを通過する第１ラインよりもダクトの外周面側に位置している。つまり、ダクトの内周面はダクトに流入した流体の速度を遅くする形状（いわゆる圧力面）を有する。このため、筒状部材の近傍を流通する流体の速度を遅くし、筒状部材による摩擦損失を低減することができる。よって、船舶の推進中に発生する摩擦損失の増大を抑制できる。

［２］幾つかの実施形態では、上記[１]に記載の構成において、
前記第１ラインは、前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端に向かうにつれて前記ダクトの内側に向かうように傾斜している。

上記[２]に記載の構成によれば、ダクトの内周面は、第１ラインがダクトの前縁端から後縁端に向かうにつれてダクトの外側に向かうように傾斜している場合と比較して、ダクトに流入した流体の速度を効果的に遅くすることができる。

［３］幾つかの実施形態では、上記[１]又は[２]に記載の構成において、
前記第２ラインは、前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端に亘って、前記第１ラインよりも前記ダクトの前記外周面側に位置する。

上記[３]に記載の構成によれば、ダクトの内周面を、タービン翼などの翼における圧力面として機能させることができる。このため、筒状部材の近傍を流通する流体の速度を遅くし、筒状部材による摩擦損失を低減することができる。

[４]幾つかの実施形態では、上記[１]から[３]の何れか１つに記載の構成において、
前記第１ラインと直交する方向における前記ダクトの前記外周面と前記第１ラインとの距離（ｄ）が最大となる位置（Ｐ）は、前記ダクトの前記前縁端側に位置する。

上記[４]に記載の構成によれば、ダクトの前縁端側でダクトに流入した流体の速度を遅くし、ダクトの延在方向の長さを抑制することができる。

[５]幾つかの実施形態では、上記[１]から[４]の何れか１つに記載の構成において、
前記ダクトに内蔵され、前記プロペラを回転させるための内蔵モータ（２１）をさらに備える。

上記[５]に記載の構成によれば、内蔵モータは、ダクト内に配置されず、ダクトに内蔵されているので、内蔵モータが抵抗となることを抑制できる。

[６]幾つかの実施形態では、上記[１]から[５]の何れか１つに記載の構成において、
前記ダクトの内部に前記プロペラの回転方向と逆方向に回転可能に配置される反転プロペラ（２３）をさらに備える。

上記[６]に記載の構成によれば、反転プロペラがプロペラの逆転流を発生させ、二重反転効果によって船舶推進装置の推進効率を向上させることができる。

[７]幾つかの実施形態に係る船舶は、上記[１]から[６]の何れか１つに記載の船舶推進装置を備える。

上記[７]に記載の構成によれば、上記[１]から[６]の何れか１つに記載の船舶推進装置を備える船舶を提供することができる。

１ 船舶推進装置
２ ダクト
２ａ ダクトの内周面
２ｂ ダクトの外周面
４ プロペラ
６ 羽根
６ａ 羽根の翼端
８ 筒状部材
８ａ 筒状部材の内周面
１２ 溝
１７ ダクトの前縁端
１８ ダクトの後縁端
２０ 第１ライン
２１ 内蔵モータ
２２ 第２ライン
２３ 反転プロペラ
１００ 船舶
１０２ 船体
Ｃ 内接円
Ｏ 内接円の中心
Ｐ 位置

Claims (5)

1. 船舶を推進させる船舶推進装置であって、
   前記船舶の船体の下方に設けられるとともに、前記船体の前後方向に沿って延在するダクトと、
   前記ダクトの内部に回転可能に配置されるプロペラと、を備え、
   前記プロペラは、
   羽根と、
   前記羽根を取り囲む筒状の筒状部材であって、前記羽根の翼端と固定される筒状部材と、を含み、
   前記ダクトの延在方向の断面視において、前記ダクトの前縁端と後縁端とを通過する仮想のラインを第１ラインとし、前記ダクトの内周面と外周面の両方に接する内接円の中心を前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端まで結んだラインを第２ラインとすると、前記第２ラインは前記第１ラインよりも前記ダクトの前記外周面側に位置し、
   前記第１ラインと直交する方向における前記ダクトの前記外周面と前記第１ラインとの距離が最大となる位置は、前記ダクトの前記前縁端側に位置するとともに、前記前後方向において前記羽根の前記翼端の最前方端よりも前方に位置するとともに、
   前記ダクトに内蔵され、前記プロペラを回転させるための内蔵モータをさらに備える、
   船舶推進装置。
2. 前記第１ラインは、前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端に向かうにつれて前記ダクトの内側に向かうように傾斜している、
   請求項１に記載の船舶推進装置。
3. 前記第２ラインは、前記ダクトの前記前縁端から前記後縁端に亘って、前記第１ラインよりも前記ダクトの前記外周面側に位置する、
   請求項１又は２に記載の船舶推進装置。
4. 前記ダクトの内部に前記プロペラの回転方向と逆方向に回転可能に配置される反転プロペラをさらに備える、
   請求項１から３の何れか一項に記載の船舶推進装置。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の船舶推進装置を備える船舶。

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