(57)【要約】【課題】航行時に風圧によって船舶に生じる抵抗を軽減できるようにした船舶を提供することにある。【解決手段】船体１Ｂを有し、この船体の側面形状は、  船体の側面が受ける風圧が船長の中央から船尾Ｒ側が船首Ｆ側よりも大きくなるよう側面の面積中心Ａ２の位置を設定することが可能な形状である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体を有し、この船体の側面形状は、
上記船体の側面が受ける風圧が船長の中央から船尾側が船首側よりも大きくなるよう上記側面の面積中心の位置を設定することが可能な形状であることを特徴とする船舶。
【請求項２】
上記面積中心は、船長の中心から船尾方向へ船長の１％以上後方にあることを特徴とする請求項１記載の船舶。
【請求項３】
上記船体の船長の中央部に段差部を設け、船尾側の側面の高さを船首側の高さよりも高くしたことを特徴とする請求項１記載の船舶。
【請求項４】
上記段差部の上面と下面とは直線若しくは曲線によってつながっていることを特徴とする請求項３記載の船舶。
【請求項５】
上記船体の側面形状は、喫水線から上の形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車専用船、コンテナ船等の貨物船、客船等の船舶に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１５に示すように、推進力Ｐで航走する船舶１が受ける抵抗は、水中抵抗Ｒ１と風圧抵抗Ｒ２に分けることができる。水中抵抗Ｒ１は全抵抗のうちの多くを占めている。このため、水中抵抗に関しては従来から研究され、その解析結果が現在の船舶の形状に反映されている。ところが、風圧抵抗Ｒ２に関しては軽視される傾向にあり、風圧抵抗Ｒ２を軽減するような形状の改良がなされていないのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、船舶１、とくに風圧を受け易い水面上形状を有する自動車専用船、コンテナ船、客船は、斜め前方から風を受けると、その風の直接的な影響によって船速が低下するばかりでなく、風に起因する船体の姿勢変化（斜航）により水中抵抗が増加して、運行性能に影響を及ぼすことがあった。
【０００４】
例えば、図１６に示すように、船舶１は、針路Ｆに対して左斜め前から風Ｗを受けた場合、船体１には時計方向の回転力を与えるヨーモーメントＭが発生する。風Ｗの力は、進路Ｆと逆方向のＸ成分と、船体１の船側に対して直交する方向のＹ方向の成分とに分解される。この場合、船体１はヨーモーメントＭに対抗して船首方位を針路Ｆの方向に維持するには当て舵４を取る必要がある。また、船体１は船体１自身のＸ方向の推力と、風ＷによるＸ方向の力とＹ方向の力を受け、Ｖ方向に斜めに進むことになる。
【０００５】
このように斜航することによって船体１に働く水中抵抗は増大する。このときの斜航角度βが大きいほど当て舵４の角度も大きくなり、船体１が水から受ける抵抗も大きくなる。その結果、使用燃料の増大を招き、運航コストの上昇を招くということになる。
【０００６】
この発明は、斜航角度を小さくして船体に働く抵抗を小さくすることで、燃料使用量を低減できるようにした船舶を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、船体を有し、この船体の側面形状は、
上記船体の側面が受ける風圧が船長の中央から船尾側が船首側よりも大きくなるよう上記側面の面積中心の位置を設定することが可能な形状であることを特徴とする船舶である。
【０００８】
上記面積中心は、船長の中心から船尾方向へ船長の１％以上後方にあることを特徴とする請求項１記載の船舶。
【０００９】
上記船体の船長の中央部に段差部を設け、船尾側の側面の高さを船首側の高さよりも高くすることが好ましい。
【００１０】
上記段差部の上面と下面とは直線若しくは曲線によってつながっていることが好ましい。
【００１１】
上記船体の側面形状は、喫水線から上の形状であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、船体の側面形状の面積中心を船体の中央よりも船尾側にするために、船体が風圧を受けたときのヨーモーメントが小さくなる船体形状となる。そのため、船体を所定方向に航行させるための当て舵角を小さくできるから、水中抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１乃至図４はそれぞれ側面形状の異なる自動車専用船を示している。図１は一般的な自動車専用船であって、この自動車専用船の船体１Ａ側面形状を第１のケース（オリジナルケース）とする。図２と図３はこの発明に適合する自動車専用船の側面形状であって、図２の自動車専用船の船体１Ｂの側面形状を第２のケース、図３の自動車専用船の船体１Ｃの側面形状を第３のケースとする。
【００１５】
図４は、図２と図３に示すこの発明の自動車専用船とは側面形状の異なる自動車専用船の船体１Ｄであって、この船体１Ｄの側面形状を第４のケースとする。
【００１６】
第１乃至第４のケースの船体１Ａ〜１Ｄの垂直間長Ｌは１９０ｍ（メートル）であって、空船時の船底から喫水線Ｗまでの高さＨ１は８．５５ｍである。ここで、垂直間長Ｌとは最大喫水線と交わる船首先端位置（垂直線）から、舵軸中心位置までの水平距離で測った船舶の長さを表す。
【００１７】
図１に示す第１のケースの船体１Ａの船首Ｆ側と船尾Ｒ側とを除く部分の高さＨ２は３０．８６ｍで，船首Ｆ部分と船尾Ｒ部分との高さＨ３はそれぞれ２７．８６ｍである。以上の条件で決定される船体１Ａの側面形状の面積中心Ａ１は船長Ｌの中心となっている。
【００１８】
図２と図３とに示すこの発明の第２のケースと第３のケースとの船体１Ｂ、１Ｃの側面形状は、船長の中央部にそれぞれ段差部１１，１２が形成されている。第２のケースの船体１Ｂの段差部１１の高さは約１６ｍ、第３のケースの船体１Ｃの段差部１２の高さは約８ｍに設定されている。したがって、第２、第３のケースの船体１Ｂ，１Ｃは船長の中央部から船尾Ｒ側が船首Ｆ側に比べて高くなる側面形状になっている。つまり、船長Ｌの中心Ｃよりも船尾Ｒ側の側面形状が船首Ｆ側の側面形状よりも大きくなる。
【００１９】
第２のケースの船体１Ｂの側面形状は、船首Ｆ側の高さＨ４が２２．６９ｍ、船尾Ｒ側の高さＨ５が３８．８６ｍに設定されている。以上の条件で決定される第２のケースの船体１Ｂの側面形状の面積中心Ａ２は、船長Ｌの中心Ｃから船尾Ｒ側に１３ｍ寄った位置になる。
【００２０】
第３のケースの船体１Ｃの側面形状は、船首Ｆ側の高さＨ６が２６．４６ｍ、船尾Ｒ側の高さＨ７が３４．３６ｍに設定されている。以上の条件で決定される第３のケースの船体１Ｃの側面形状の面積中心Ａ３は船長Ｌの中心Ｃから船尾Ｒ側に６．１７４ｍ寄った位置になる。
【００２１】
図４に示す第４のケースの船体１Ｄの側面形状は、第２、第３のケースと同様、船長Ｌの中央に約８ｍの高さの段差部１３が形成されているが、この段差部１３によって船首Ｆ側の高さＨ８が船尾Ｒ側の高さＨ９よりも高く形成されている。船首Ｆ側の高さＨ８は３４．３６ｍに設定され、船尾Ｒ側の高さＨ９は２６．４６ｍに設定されている。以上の条件で決定される第４のケースの船体１Ｄの側面形状の面積中心Ａ４は船長Ｌの中心Ｃから７．４２８ｍ船首Ｆ側に寄った位置になる。
【００２２】
つまり、第４のケースの船体１Ｄの側面形状は、第２、第３のケースに示す船体１Ｂ、１Ｃの側面形状に比べて船首Ｆ側と船尾Ｒ側の高さが逆になっていて、面積中心Ａ４の位置は船長Ｌの中心Ｃからに船首Ｆ側に７．４２８ｍ寄った位置にある。
【００２３】
なお、第２のケースと第３のケースの船体１Ｂ、１Ｃに形成される段差部１１，１２は、段差の上面と下面を直線（平面）でつないであるが、直線でなく曲線（曲面）でつないでもよい。その場合の曲面は、下面から凹曲面で立ち上げ、上面に凸曲面でつなげば、段差部１１，１２が受ける風圧抵抗を少なくすることができる。また、段差１１，１２の上面と下面を斜面でつないでもよい。
【００２４】
つぎに、第１乃至第４のケースの側面形状を有する各船体１Ａ〜１Ｄの風圧力特性及び航走時の各種特性の理論計算について説明する。  
図５は第１、第２のケースの船体１Ａ，１Ｂが受ける風向とＸ方向風圧力係数との関係、図６は風向とＹ方向風圧力係数との関係、図７は風向とＺ軸周り風圧モーメント係数（ヨーモーメント）との関係を示す。なお、横軸に示す風向０度は向かい風、９０度は横風、１８０度は追い風である。
【００２５】
第１のケースと第２のケースの船体１Ａ，１Ｂの場合、図５と図６から分かるように、Ｘ方向風圧力係数とＹ方向風圧力係数とはほとんど差が生じないが、Ｚ軸周り風圧モーメント係数は図７から分かるように第１のケースの船体１Ａに比べて第２のケースの船体１Ｂの方が小さくなった。つまり、Ｚ軸周り風圧モーメント係数は、面積中心Ａ２が船長Ｌの中心Ｃよりも船尾Ｒ側に位置する第２のケースの船体１Ｂの方が、面積中心Ａ１が船長Ｌの中心Ｃに位置する第１のケースの船体１Ａの場合よりも小さいことが分かる。
【００２６】
図８は第１のケースと第２のケースの船体１Ａ，１Ｂに対する風向を０〜１８０度の範囲で変えた場合の、無風状態からの船速低下率、横流れ角及び舵角（当て舵角）との関係を求めた。同図において、第１のケースの船速低下率をＶ１、横流れ角をβ１、舵角をδ１の曲線で示し、第２のケースの船速低下率をＶ２、横流れ角をβ２、舵角をδ２の曲線で示す。なお、計算条件は、初期船速２０ノット、プロペラ回転数９４．７回／分、絶対風速１５ｍ／ｓｅｃである。
【００２７】
たとえば、風向が４５度の場合の船速低下率Ｖ１とＶ２を比較すると、第１のケースの船体１Ａの場合の船速低下率Ｖ１は１５％であるのに対して第２のケースの船速低下率Ｖ２は１１％である。
【００２８】
横流れ角の場合には第２のケースの船体１Ｂ（β２）の方が第１のケースの場合（β１）よりも小さく、舵角の場合も第２のケースの船体１Ｂ（δ２）の方が第１のケースの場合（δ）よりも小さい。
【００２９】
つまり、面積中心Ａ１が船体１の中央Ｃにある第１のケースの側面形状の船体１Ａと、この第１のケースの船体１Ａに比べて側面形状の面積中心Ａ２が船尾Ｒ側に位置する第２のケースの船体１Ｂとを比較すると、船速低下率は風向１５〜１３５度の範囲で第２のケースの方が低く、横流れ角及び舵角も風向０〜１８０度のほとんどの範囲で第２のケースの方の小さくなる。つまり、第２のケースの船体１Ｂの方が第１のケースの船体１Ａよりも、風を受けたときに生じるヨーモーメントＭが小さいためにこのような結果が得られることになる。
【００３０】
図９は第１のケースと第２のケースの船体１Ａ，１Ｂに対する風向を０〜１８０度の範囲で変えた場合の馬力増加率を求めた。つまり、図９は風向の変化に対して船速を一定に保つために必要な馬力の、無風時の同一船速における必要馬力からの増加率を示しており、図中曲線Ｐ１は第１のケースであり、曲線Ｐ２は第２のケースである。同図から明らかなように第２のケースの側面形状の船体１Ｂの方が第１のケースの側面形状の船体１Ａに比べて２０〜１３５度の風向の範囲で馬力の増加率を低くすることができることが分かる。
【００３１】
図１０は第１のケースと第３のケースの船体１Ａ，１Ｃに対して風向を０〜１８０度の範囲で変えた場合の、船速低下率、横流れ角及び舵角との関係を求めた。図中第１のケースの船速低下率をＶ１、横流れ角をβ１、舵角をδ１の曲線で示し、第３のケースの船速低下率をＶ３、横流れ角をβ３、舵角をδ３の曲線で示す。計算条件は、初期船速２０ノット、プロペラ回転数９４．７回／分、絶対風速１５ｍ／ｓｅｃである。
【００３２】
第１のケースと第３のケースの船体１Ａ，１Ｃを比較すると、第１のケースと第２のケースの船体１Ａ，１Ｂの場合と同様、第３のケースの船体１Ｃの方が第１のケースの船体１Ａよりも風を受けたときに生じる船速低下率がほとんどの風向の範囲で低いとともに、横流れ角や舵角もほとんどの風向の範囲で小さくなる。つまり、第３のケースの船体１Ｃの方が第１のケースの船体１Ａよりも、風を受けたときに生じるヨーモーメントＭが小さいためにこのような結果が得られることになる。
【００３３】
図１１は第１のケースと第３のケースの船体１Ａ，１Ｃに対する風向を０〜１８０度の範囲で変えた場合の馬力増加率を求めた。つまり、図１１は風向の変化に対して船速を一定に保つために必要な馬力の増加率を示しており、図中曲線Ｐ１は第１のケースであり、曲線Ｐ３は第３のケースである。同図から明らかなように第３のケースの側面形状の船体１Ｃの方が第１のケースの側面形状の船体１Ａに比べて２０〜１３５度の風向の範囲で馬力の増加率を低くすることができることが分かる。
【００３４】
一方、第１のケースの船体１Ａと第２のケースの船体１Ｂとの比較及び第１のケースの船体１Ａと第３のケースの船体１Ｃとの比較から、第３のケースの船体１Ｃの面積中心Ａ３よりも面積中心Ａ２が船尾Ｒ側に位置する第２のケースの船体１Ｂの方の船速低下率が少ないばかりか、横流れ角と舵角も小さくなり、船速を一定に保つために必要な馬力の増加率も小さくてすむことが分かる。
【００３５】
図１２は第１のケースと第４のケースの船体１Ａ，１Ｄに対して風向を０〜１８０度の範囲で変えた場合の、船速低下率、横流れ角及び舵角との関係を求めた。図中第１のケースの船速低下率をＶ１、横流れ角をβ１、舵角をδ１の曲線で示し、第４のケースの船速低下率をＶ４、横流れ角をβ４、舵角をδ４の曲線で示す。計算条件は、初期船速２０ノット、プロペラ回転数９４．７回／分、絶対風速１５ｍ／ｓｅｃである。
【００３６】
第１のケースと第４のケースの船体１Ａ，１Ｄを比較すると、第４のケースの船体１Ｄの方が第１のケースの船体１Ａよりも風を受けたときに生じる船速低下率がほとんどの風向の範囲で大きいいとともに、横流れ角や舵角もほとんどの風向の範囲で大きくなる。つまり、第４のケースの船体１Ｄの方が第１のケースの船体１Ａよりも、風を受けたときに生じるヨーモーメントＭが大きくなるためにこのような結果が得られることになる。
【００３７】
図１３は第１のケースと第４のケースの船体１Ａ，１Ｄに対する風向を０〜１８０度の範囲で変えた場合の馬力増加率を求めている。つまり、図１３は風向の変化に対して船速を一定に保つために必要な馬力の増加率を示しており、図中曲線Ｐ１は第１のケースであり、曲線Ｐ４は第４のケースである。同図から明らかなように第４のケースの側面形状の船体１Ｄの方が第１のケースの側面形状の船体１Ａに比べて２０〜１３５度の風向の範囲で馬力の増加率が大きくなることが分かる。
【００３８】
図１２と図１３に示す結果から、第４のケースのように面積中心Ａ４が船体１Ｄの中心Ｃよりも船首Ｆ側にあると、第１のケースのように面積中心Ａ１が船体１Ａの中心Ｃにある場合に比べ、船速低下率、横流れ角、舵角及び馬力変化率の点で運航に不利な条件になることが分かる。
【００３９】
図１４は第１乃至第４のケースの船体１Ａ〜１Ｄが各風向で１５ｍ／ｓｅｃの風を受けた場合の馬力増加を求め、それらを全ての風向で平均した結果から船速（ノット）と馬力（ｋｗ）の関係を求めたものである。同図中曲線Ｚ１は第１のケース、曲線Ｚ２は第２のケース、曲線Ｚ３は第３のケース、曲線Ｚ４は第４のケースである。なお、同図中曲線Ｚ０は風圧を受けない場合を示していて、この場合は第１乃至第４のケースのいずれの船体であっても水面下の形状は同一であるので差は生じない。
【００４０】
たとえば、同図から１８．８ノットの船速を維持するために必要な馬力の増加率を第１のケース、第２のケース及び第３、第４のケースで比較してみると、第１のケースはＰ１、第２のケースはＰ２、第３のケースはＰ３、第４のケースはＰ４となり、これらの大きさの関係はＰ４＞Ｐ１＞Ｐ３＞Ｐ２となる。
【００４１】
つまり、第２のケースの船体１Ｂのように面積中心Ａ２を船長Ｌの中心Ｃよりも船尾Ｒ側に位置させることで馬力を最も少なくすることができ、第３のケース、ついで船体１Ａの中心Ｃに面積中心Ａ１を位置させた第１のケース、中心Ｃより船尾Ｒ側に面積中心Ａ４を位置させた第４のケースの順になる。
【００４２】
このことからしても、面積中心が船長Ｌの中心Ｃよりも船尾Ｒ側に位置する船体１Ｂ、１Ｃの方が運航時に受ける風圧に対し、発生する抵抗が少なくなることが分かる。
【００４３】
なお、船体の側面の面積中心の位置を、船長の中心から船尾方向に、船長の１％後方の位置とすることで、約１％の馬力低減効果が得られることが計算で求められた。したがって、従来の船舶に比べて１％以上の馬力低減効果が得られれば実用上有効であるから、上記面積中心は船長の中心から１％以上後方であればよく、たとえば２％、３％或いはそれ以上であってもよく、要は上記面積中心が船長の中心よりも後方であればある程、馬力低減効果を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１のケースの船体を示す側面図。
【図２】第２のケース船体を示す側面図。
【図３】第３のケースの船体を示す側面図。
【図４】第４のケースの船体を示す側面図。
【図５】風向とＸ方向の影響係数との関係を示す図。
【図６】風向とＹ方向の影響係数との関係を示す図。
【図７】風向とＺ軸周り風圧モーメント係数との関係を示す図
【図８】第１のケースの船体と第２のケースの船体との風向と船速低下率、横流れ角及び舵角の関係を示す図。
【図９】第１のケースの船体と第２のケースの船体との風向と馬力増加率との関係を示す図。
【図１０】第１のケースの船体と第３のケースの船体との風向と船速低下率、横流れ角及び舵角の関係を示す図。
【図１１】第１のケースの船体と第３のケースの船体との風向と馬力増加率との関係を示す図。
【図１２】第１のケースの船体と第４のケースの船体との風向と船速低下率、横流れ角及び舵角の関係を示す図。
【図１３】第１のケースの船体と第４のケースの船体との風向と馬力増加率との関係を示す図。
【図１４】第１乃至第４のケースの船体の速度とその速度を維持するための馬力との関係を示す図。
【図１５】船体に作用する抵抗を説明するための図。
【図１６】船体に発生する抵抗力を説明するための図。
【符号の説明】
【００４５】
１Ａ〜１Ｄ…船体、Ｆ…船首、Ｒ…船尾、面積中心…Ａ１〜Ａ４。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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