(57)【要約】【課題】  低速作業時における安定した曳引力の確保と、高速航行時におけるダクト外面の剥離渦を防止して推進効率を向上させることができるダクト付きスラスタを提供すること。【解決手段】  プロペラ４の周囲に備えた翼形断面のダクト５の断面形状を、高速航行時にダクト前端部の外面における圧力変化を抑制するように標準翼形から外方に円弧状断面で膨出する膨出部６を前端部外周に備え、このダクト５は、低速作業時に所定の曳引力を発揮するように前端方向が広がる開き角αを有しているようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラの周囲に翼形断面のダクトを備えたダクト付きスラスタであって、
前記ダクトの断面形状は、高速航行時にダクト前端部の外面における圧力変化を抑制するように標準翼形から外方に円弧状断面で膨出する膨出部を前端部外周に備え、
該ダクトは、低速作業時に所定の曳引力を発揮するように前縁方向が広がる開き角を有していることを特徴とするダクト付きスラスタ。
【請求項２】
前記膨出部は、前記ダクトの前縁から滑らかな曲線で外方に膨出し、最大膨出部分から滑らかな曲線でダクト外面に連なってダクトの後縁に向けて延びるように形成されている請求項１に記載のダクト付きスラスタ。
【請求項３】
前記膨出部は、ダクトの全長に対する比率で、最大膨出部分の軸方向位置がダクト前縁から後方に２．５％を超え３０％以下の範囲であり、且つ最大膨出部分の半径方向位置がダクト前縁から外方に２．８％を超え１０％以下の範囲となるように構成され、
前記ダクトの開き角は、前記ダクト前縁とダクト後縁とを結ぶノーズテールラインがダクト軸心に対して８°を超え１２°以下の範囲となるように構成されている請求項１又は請求項２に記載のダクト付きスラスタ。
【請求項４】
前記最大膨出部分の軸方向位置は、ダクトの全長に対する比率で、ダクト前縁から後方に１０％以上で２５％以下の範囲であり、且つ前記最大膨出部分の半径方向位置は、ダクト前縁から外方に４％以上で８％以下の範囲となるように構成され、
前記ダクトの開き角は、ノーズテールラインがダクト軸心に対して８°を超え１０°以下の範囲となるように構成されている請求項３に記載のダクト付きスラスタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のダクト付きスラスタを備え、該ダクト付きスラスタは、船体の後部に設けられていることを特徴とする船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶に備えられるダクト付きのスラスタと、それを備えた船舶に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、舶用スラスタとして、プロペラの周囲にダクトが設けられたダクト付きスラスタがある。このダクト付きスラスタは、例えば、船体船尾部の船内に設けられた原動機の出力を、船底から下方に向けて突設させたストラットの内部を通る縦回転軸から、ストラット下部に設けられたギアケース（ポッド）内のベベルギアを介して横回転軸に伝え、この横回転軸でプロペラを駆動するように構成されている。また、プロペラの周囲に翼形断面を持ったリング状のダクトを設けることにより、タグボートなどの大きな曳引力を必要とする船舶で、大きな推進力を発生させることが可能なようにしている。
【０００３】
さらに、このようなスラスタは、船体に設けられた旋回駆動用の原動機によってプロペラを縦軸周りに３６０°のいずれの方向にも旋回させることができるように構成され、推力の方向を調整することができるようになっている。なお、プロペラとしては、使用条件等によって、固定ピッチプロペラ、可変ピッチプロペラのいずれかが採用されている。
【０００４】
図８は、ダクトを断面で示す一般的なダクト付きスラスタ１００の側面図であり、ギアケース１０１の後部にプロペラ１０２が設けられ、このプロペラ１０２の周囲にリング状に形成された翼形断面のダクト１０３が設けられている。このダクト１０３の翼形断面としては、一般的に、図９に示すように、外面が直線的で、内面が膨らんだ形状となっており、後述するようにベルヌーイの定理によって揚力が生じるようになっている。また、ダクト１０３は、所定の角度で前部が開くように形成されている。この翼形断面のダクト１０３は、断面形状の最前端を「前縁１０４」、最後端を「後縁１０５」といい、前縁１０４を含む前端部分を「前端部」、後縁１０５を含む後端部分を「後端部」という。また、前縁１０４と後縁１０５とを結ぶ直線分を「ノーズテールライン１０６（翼弦線）」といい、断面形状の厚さ方向の中心を通る中心線を「キャンバーライン１０７（矢高曲線）」という。さらに、ダクト軸心Ｘ（プロペラ中心軸）とノーズテールラインとがなす角度を「ダクト開き角α」という（図では、ダクト軸心Ｘと平行な線で示す）。
【０００５】
この種のダクト付きスラスタに関する先行技術として、例えば、ダクト（ノズル）内のプロペラの形状改良と、ダクトに対するプロペラの配置とで推進効率の向上を図ろうとした船舶用推進装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、他の先行技術として、プロペラの周囲に配置されたノズルの断面形状を、内面に大きく膨らむ形状とすることで、ボラード状態におけるスラストの向上と航走時の推進効率向上とを図ろうとするノズルプロペラもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１２１２号公報
【特許文献２】特開２００６−３０６３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記ダクト付きスラスタが採用される一般的な船舶として上記タグボートがあるが、このタグボートには、大型船を狭い港内等で押したり引いたりして着岸させる低速作業を主に行うハーバータグと、大型タンカー等の前方を先導して安全を確保するエスコートタグ等がある。ハーバータグは、例えば、１３ノット程度以下の低速作業での運用を前提に設計されており、エスコートタグは、例えば、１５ノット以上の高速航行での運用を前提に設計されている。
【０００９】
そして、従来はこのようなハーバータグ、エスコートタグはそれぞれ適した性能を有するタグボートとして別々に存在したが、近年、このようなハーバータグとエスコートタグとに両用できるタグボートの要求がある。
【００１０】
一方、図１０に示すように、ハーバータグとして低速作業を行う時の上記ダクト付きスラスタ１００は、ほぼ停止した状態（ボラード状態）で推力を発生させるため、プロペラ１０２によって後方へ流される水流１１１と、ダクト１０３の外面から内面に沿って流れる水流１１０とがある。水流１１０は、ダクト１０３の外面後部におけるスタグネイションポイントＳＰからダクト１０３の前縁１０４を介してダクト１０３の内面へと流れる。そのため、このような低速作業を主に行うダクト付きスラスタ１００は、ダクト１０３のキャンバーライン１０７（図９）を適切にし、このダクト１０３の開き角αを水流１１１の流入方向に対して最適な角度とすることで、上記ベルヌーイの定理によってダクト１０３の内面前端部が負圧になり、このダクト１０３によって揚力Ｌが発生するようになっている。
【００１１】
そして、この揚力Ｌのダクト軸心Ｘ方向の成分Ｌｘと、プロペラ１０２の推力とによって大きな曳引力Ｔ（ボラード推力）を得るようにしている。
【００１２】
しかしながら、図１１に示すように、エスコートタグとして高速航行する時の上記ダクト付きスラスタ１００は、水流１１０のスタグネイションポイントＳＰがダクト１０３の前縁１０４となり、この水流の一部はこのスタグネイションポイントＳＰからダクト１０３の外面に沿って後方へと流れることになる。
【００１３】
そして、上記低速作業での運用を前提に設計されているハーバータグを、高速航行させて運用しようとすると、上記大きな曳引力Ｔが得られる翼形断面に設計されたダクト１０３では、上述した図８にも示すように、ダクト外面の流れが乱れて剥離渦１１２を生じ、ダクト１０３による抵抗が増加して推進効率が低下してしまう。
【００１４】
なお、上記特許文献１に記載の船舶用推進装置は、ダクト内方に配置されるプロペラの形状と配置の改良であるため、上記したように低速作業と高速航行とを行う船舶において十分な推進効率を得ることができるものではない。また、上記特許文献２に記載の推進装置では、ダクトの内面を大きく膨らませる形状とすることで推力向上を図っているが、高速航行時におけるダクト外面における剥離渦を抑止できるものではなく、推進効率が低下してしまう。
【００１５】
そこで、本発明は、低速作業時における安定した曳引力の確保と、高速航行時におけるダクト外面の剥離渦を抑止した推進効率の向上とを図ることができるダクト付きスラスタと、それを備えた船舶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明に係るダクト付きスラスタは、プロペラの周囲に翼形断面のダクトを備えたダクト付きスラスタであって、前記ダクトの断面形状は、高速航行時にダクト前端部の外面における圧力変化を抑制するように標準翼形から外方に円弧状断面で膨出する膨出部を前端部外周に備え、該ダクトは、低速作業時に所定の曳引力を発揮するように前縁方向が広がる開き角を有している。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「標準翼形」は、ダクト付きスラスタにおいて一般的に採用されている「１９Ａ翼形」をいう。
【００１７】
これにより、ダクトの前端部外周に備えられた膨出部により、高速航行時にダクト前縁から外面に沿う流れの急激な圧力変化を抑制することができるので、ダクト外面の前端部に剥離渦が発生するのを抑止することができ、推進効率の向上を図ることができる。しかも、ダクトの前縁方向が広がる開き角により、低速作業時における曳引力を確保することができる。
【００１８】
また、前記膨出部は、前記ダクトの前縁から滑らかな曲線で外方に膨出し、最大膨出部分から滑らかな曲線でダクト外面に連なってダクトの後縁に向けて延びるように形成されているのが好ましい。このようにすれば、ダクト外面の膨出部からダクト後縁に向けてスムーズな流線で水流を流すことができる。
【００１９】
さらに、前記膨出部は、ダクトの全長に対する比率で、最大膨出部分の軸方向位置がダクト前縁から後方に２．５％を超え３０％以下の範囲であり、且つ最大膨出部分の半径方向位置がダクト前縁から外方に２．８％を超え１０％以下の範囲となるように構成され、前記ダクトの開き角は、前記ダクト前縁とダクト後縁とを結ぶノーズテールラインがダクト軸心に対して８°を超え１２°以下の範囲となるように構成されているのが好ましい。このようにすれば、低速作業時により安定した曳引力を得るとともに、高速航行時により推進効率の向上を図ることができる。
【００２０】
また、前記最大膨出部分の軸方向位置は、ダクトの全長に対する比率で、ダクト前縁から後方に１０％以上で２５％以下の範囲であり、且つ前記最大膨出部分の半径方向位置は、ダクト前縁から外方に４％以上で８％以下の範囲となるように構成され、前記ダクトの開き角は、ノーズテールラインがダクト軸心に対して８°を超え１０°以下の範囲となるように構成されているのが更に好ましい。このようにすれば、更に安定した曳引力と、更に安定した推進効率の向上とを両立させることができるとともに、重量増加を抑えたダクト付きスラスタを構成することができる。
【００２１】
一方、本発明に係る船舶は、上記いずれかのダクト付きスラスタを備え、該ダクト付きスラスタは、船体の後部に設けられている。これにより、低速作業時には安定した曳引力を発揮できるとともに、高速航行時にはダクト外面の剥離渦の発生を抑止した推進効率の良い船舶を構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、低速作業時には曳引力を安定して発揮することができるとともに、高速航行時には高い推進効率で航行することができるので、低速作業と高速航行とに両用できるダクト付きスラスタを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るダクト付きスラスタを示す図面であり、ダクトを断面にして示す側面図である。
【図２】本発明に係るダクト付きスラスタにおいて、ダクト断面の外側膨出部分位置を軸方向と半径方向にパラメトリックに変化させたときの抵抗係数Ｃｄの変化傾向を示した図である。
【図３】図１に示すダクト付きスラスタの高速航行時における水流を示した側面図である。
【図４】比較例の２次元ＣＦＤ計算による高速航行時の流線分布を示す図である。
【図５】実施例の２次元ＣＦＤ計算による高速航行時の流線分布を示す図である。
【図６】図１に示すダクト付きスラスタと従来のダクト付きスラスタとの性能を比較検証するために、水槽試験によって得られたそれぞれの推進性能特性曲線を示す図である。
【図７】図１に示すダクト付きスラスタと従来のダクト付きスラスタとの性能を比較検証するために、船速と必要馬力の関係を示した図である。
【図８】従来のダクト付きスラスタの高速航行時における水流を示した側面図である。
【図９】図８に示すダクト付きスラスタのダクト断面図である。
【図１０】ダクト付きスラスタの低速作業時におけるダクトに作用する水流の説明図である。
【図１１】ダクト付きスラスタの高速航行時におけるダクトに作用する水流の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態における「標準翼形」は、この種のダクトにおいて工作性が優れていることで一般的に採用されている「１９Ａ翼形」である。
【００２５】
図１に示すように、ダクト付きスラスタ１は、ギアケース２から突出された横回転軸３にプロペラ４が設けられ、このプロペラ４の周囲にリング状のダクト５が設けられている。このダクト５は、翼形断面（図は断面であり、ハッチングを省略）に形成されており、ダクト軸心Ｘ（プロペラ４の軸心）に対して全周で同一の断面形状となっている。
【００２６】
そして、上記ダクト５の前端部における外周に、標準翼形から外方に円弧状断面で膨出する膨出部６が備えられている。この膨出部６は、ダクト５の前縁７から滑らかな曲線で外方に膨出し、最大膨出部分８から滑らかな曲線でダクト外面９に連なってダクトの後縁１０に向けて延びるように形成されている。
【００２７】
上記膨出部６は、最大膨出部分８の軸方向位置Ａが、上記ダクト５の全長Ｌｄに対する比率で、ダクト前縁７から後方に２．５％を超え３０％以下の範囲で、且つ半径方向位置Ｂがダクト前縁７から外周方向に２．８％を超え１０％以下の範囲となるように構成される。
【００２８】
この最大膨出部分８の軸方向位置Ａが、ダクト全長Ｌｄに対する比率で前縁７から後方に２．５％を超えていないと、ダクト外面の前縁部が外面に向かって尖った形状となって、前方から流入してくる水流が最大膨出部分８の箇所から流れの剥離を起して剥離渦を発生し、抵抗となる。この軸方向位置Ａが３０％を超えると、最大膨出部分８から後縁部へのダクト外面の傾斜が急傾斜となり、剥離渦を発生し、抵抗となる。しかも、ダクトの重量増加をまねくおそれがある。
【００２９】
また、最大膨出部分８の半径方向位置Ｂが、ダクト全長Ｌｄに対する比率で前縁７から外周方向に２．８％を超えていないと、ダクト前縁部付近が尖った形状となり、前縁部付近の圧力分布が外面に向って急激に変化し、流れの剥離が生じ、抵抗となる。この半径方向位置Ｂが１０％を超えると、ダクト外面の突出量が大きくなるとともに、ダクト後縁に向かって急傾斜となり、前方から流入してくる水流が最大膨出部分８の箇所から流れの剥離を起して剥離渦を発生し、抵抗となる。
【００３０】
さらに、上記最大膨出部分８は、軸方向位置Ａがダクト前縁７から後方に１０％以上で２５％以下の範囲で、且つ半径方向位置Ｂがダクト前縁７から外周方向に４％以上で８％以下の範囲とするのがより好ましい。この範囲とすることで、より抵抗係数Ｃｄが小さくなるとともに、ダクト付きスラスタ１の重量増加を抑えて、原動機の大型化や船体の変更等、大幅なコストアップを抑制することができる。
【００３１】
この膨出部６の最大膨出部分８を上記軸方向位置Ａと半径方向位置Ｂとの範囲とする根拠は、図２に示すように、上記位置範囲内でダクトの抵抗係数Ｃｄがほぼ最小となる傾向があることに基づくものである。図２は、図１のダクト断面形状と類似の２次元翼に対する２次元境界層理論計算プログラムを使って抵抗係数Ｃｄを推定計算したものであり、流入迎角を一定として、膨出部６の最大膨出部分８の軸方向位置Ａと半径方向位置Ｂをパラメトリックに変更した時の抵抗係数Ｃｄの変化を示したものである。図中にて破線は、半径方向位置Ｂをある位置に固定した各抵抗係数Ｃｄ曲線の包絡線を示しており、この例では、最大膨出部分８の位置を、半径方向位置Ｂをダクト全長Ｌｄに対する比率で前縁７から外方に５％の位置とした場合、軸方向位置Ａがダクト全長Ｌｄに対する比率で前縁７から後方に１５％の位置とすることで抵抗係数Ｃｄを最も小さくでき、この図から上記最大膨出部分８の軸方向位置Ａと半径方向位置Ｂの最適な組合せ範囲の傾向がわかる。
【００３２】
一方、このようにダクト５の前端部外面に膨出部６を備えさせることで外周面を膨らせた場合、ダクト断面のキャンバーライン１１が変化して最大キャンバー比が減少することでキャンバーが小さくなり、ダクト内面による揚力が減少する。そこで、ダクト前縁７とダクト後縁１０とを結ぶノーズテールライン１２のダクト軸心Ｘに対する迎角、すなわちダクト５の開き角αを大きくすることで、その揚力の減少分を補うように増加させている。つまり、キャンバーの減少分を補うように開き角αを大きくすることで曳引力を増加させて、最大キャンバー比の減少による曳引力の減少分を補うようにしている。
【００３３】
このダクト５の開き角αとしては、ノーズテールライン１２がダクト軸心Ｘに対して８°を超え１２°以下の範囲となるようにしている。ダクト５の開き角αが８°を超えないと、低速時にて大きな曳引力が得られない。また、逆に開き角αが１２°を超えると、高速航行時にてダクト５が失速現象を起して大きな抵抗となる。このように、ダクト５の開き角αとしては、高速航行時の膨出部６によるダクト５の前縁部外面における圧力および流速変化の抑制と、低速作業時のダクト５による曳引力の発揮とを両立させることが可能な角度に設定される。
【００３４】
そして、上記したようにダクト５の外周に膨出部６を設けるとともにダクト５の開き角αを設定することにより、図３に示すように、高速航行時においてダクト５の前端部外面付近において剥離渦が発生するのを抑止してダクト５の抵抗低減による推進効率の向上を図りつつ、低速作業時における曳引力を安定して発揮することができる。
【００３５】
従って、上記ダクト付きスラスタ１によれば、低速作業時における曳引力の確保と、高速航行時における推進効率の向上とを両立させることが可能となり、例えば、ハーバータグとして使用できるとともに、エスコートタグとしても使用できる船舶の推進機として利用することができる。
【００３６】
また、上記膨出部６の位置及び大きさ（膨出量）と、ダクト５の開き角αとは、旋回抵抗の増加、重量増加による旋回動力の増加、製造コスト等を考慮して決定すればよく、これにより生産コストの増加等を抑止するようにすればよい。
【００３７】
さらに、以上のようなダクト付きスラスタ１によれば、例えば、従来の標準翼形断面のダクト付きスラスタと比較すると、以下に説明するように約４％程度の推進効率向上を図ることができる。
【実施例】
【００３８】
実施例として、ダクト５とダクト１０３の断面形状の差異による影響をＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）計算により比較検証した結果を以下に示す。計算条件としては、２次元計算で、高速航行時の実船状態を模擬した。図４にダクト１０３の流線分布を示し、図５にダクト５の流線分布を示す。これらの図で、流れは右から左に流れている。図４では、ダクト前縁部外面付近で、流線が過度に集中し、流れの剥離が起こる可能性を示している。一方、図５では、同じような箇所で流線の集中が緩和され流れが滑らかとなり、流れの剥離が起こりにくいことを示している。
【００３９】
次に、性能検証実施例として、ダクト付きスラスタの単独性能水槽試験を実施した結果を図６に示す。水槽試験は、長さ２００ｍ、幅１３ｍ、深さ６．５ｍの試験水槽にて、実機の約１／８．５のスケール比のダクト付きスラスタと同様な模型を制作し、ダクトを５と１０３に変えた以外は、プロペラ、ストラット等を共通にした。水槽試験での計測項目は、前進速度Ｖａ、スラスタ全体のスラストＴｔ、プロペラトルクＱ、プロペラ回転数ｎである。
【００４０】
図６に示す実線がダクト５のものであり、破線がダクト１０３のものである。また、図６の横軸Ｊはプロペラ前進係数（＝Ｖａ／（ｎＤ））、縦軸のＫｔｔは全体スラスト係数（Ｔｔ／（ρｎ２Ｄ４））、Ｋｑはプロペラトルク係数（＝Ｑ／（ρｎ２Ｄ５））、ηｏはスラスタ全体の単独効率（＝ＫｔｔＪ／（２πＫｑ））を示す。但し、ρは清水密度、Ｄはプロペラ直径である。
【００４１】
図６より、プロペラ前進係数Ｊが約０．５以下では、両ダクトの特性はほぼ同じであるが、高速航行時と等価であるプロペラ前進係数Ｊが約０．５を超えると、ダクト５を備えたスラスタの方の全体スラスト係数Ｋｔｔがダクト１０３を備えたスラスタのものより上回っている。すなわち、ダクトの抵抗が減少したために、結果として単独効率ηｏは、ダクト５を備えたスラスタの方がダクト１０３を備えたスラスタのものより上回ることがわかる。つまり、ダクト５を備えたスラスタは高速航行時に、より高い推進効率を有することがわかる。
【００４２】
次に、図６の推進性能特性曲線を用いて、同一船体で同一航行条件にて、実船の推進必要馬力を推定し、比較検証した結果を図７に示す。横軸は船速Ｖｓ、縦軸は必要馬力Ｐｄである。実線が本発明の実施例であるダクト５を備えたスラスタによるものであり、破線が比較として従来の一般的なダクト１０３を備えたスラスタによるものである。
【００４３】
図示するように、ダクト５を備えたスラスタは、同じ船速を出すための必要馬力が、ダクト１０３を備えたスラスタと比較して、約４％〜５％程度減少しており、約４％〜５％程度の推進効率向上が図れているといえる。
【００４４】
このような結果から、ダクト前端部分における外周に膨出部６を備えさせることにより、高速航行時における推進効率の向上を図ることができ、膨出部６を設けたことによるキャンバーの減少を補うようにダクト５の開き角αを設定することで、低速作業時における曳引力の安定した確保との両立を図ることができているといえる。
【００４５】
なお、上記実施形態における標準翼形は一例であり、一般的な翼形断面であれば同様の作用効果を奏することができ、翼形断面は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
また、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るダクト付きスラスタは、低速作業時に安定した曳引力を得たいハーバータグ等としての使用と、高速航行時に推進効率向上を図りたいエスコートタグ等としての使用とを両立させたい船舶に利用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  ダクト付きスラスタ
４  プロペラ
５  ダクト
６  膨出部
７  前縁
８  最大膨出部分
９  ダクト外面
１０  後縁
１１  キャンバーライン
１２  ノーズテールライン
１５，１６  水流
Ｘ  ダクト軸心
α  開き角
Ａ  軸方向位置
Ｂ  半径方向位置
【図１】
2011168075.tif 000003
【図２】
2011168075.tif 000004
【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】
2011168075.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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