(57)【要約】【課題】一対のプロペラを近接配置して推進効率を向上させながらも振動の発生を低減できる近接二軸船を提供する。【解決手段】近接二軸船は、互いに近接配置された推進用の第１プロペラ及び第２プロペラと、前記第１プロペラ及び前記第２プロペラを駆動する少なくとも１つの原動機と、前記第２プロペラの回転位相に対する前記第１プロペラの回転位相を設定する位相設定装置と、を備え、前記位相設定装置は、前記第１プロペラの回転位相を前記第２プロペラの回転位相に対して所定のズレ角αだけ異ならせる。【選択図】図１
2019098900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに近接配置された推進用の第１プロペラ及び第２プロペラと、
前記第１プロペラ及び前記第２プロペラを駆動する少なくとも１つの原動機と、
前記第２プロペラの回転位相に対する前記第１プロペラの回転位相を設定する位相設定装置と、を備え、
前記位相設定装置は、前記第１プロペラの回転位相を前記第２プロペラの回転位相に対して所定のズレ角だけ異ならせる、近接二軸船。
【請求項２】
前記第１プロペラの回転位相を検出可能な第１回転角センサと、前記第２プロペラの回転位相を検出可能な第２回転角センサと、を更に備え、
前記少なくとも１つの原動機は、前記第１プロペラを駆動する第１原動機と、前記第２プロペラを駆動する第２原動機とを含み、
前記位相設定装置は、前記第１原動機及び前記第２原動機を制御するコントローラであり、
前記コントローラは、前記第１回転角センサ及び前記第２回転角センサの各検出信号に基づいて前記第１原動機及び前記第２原動機を制御し、前記第１プロペラの回転位相を前記第２プロペラの回転位相に対して異ならせる、請求項１に記載の近接二軸船。
【請求項３】
前記第１プロペラ及び前記第２プロペラの各々は、軸部と、前記軸部から径方向に突出する複数の翼部とを有し、
前記ズレ角をαとし、前記第１プロペラ及び前記第２プロペラの各々の前記翼部の数をＮとし、３６０°／ＮをΔθとし、Δθ／２をθmとすると、
前記位相設定装置は、
θm−Δθ・０．３＜α＜θm＋Δθ・０．３
の関係を満たすように前記ズレ角αを設定する、請求項１又は２に記載の近接二軸船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推進用の一対のプロペラ軸を互いに近接配置してなる近接二軸船に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶の運用コストを低減するために、燃費を改善すべく船舶の推進効率を向上させるニーズがある。そこで、左右一対のプロペラを近接配置し、船幅方向中心の縦渦を効率良く回収することで推進効率を向上させる近接二軸船が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５５８２７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、一対のプロペラ間の距離が小さくなるほど、各プロペラが流体力学的に強い相互干渉を起こし、各プロペラの軸にかかる荷重やモーメントの変動により振動が発生し、ベアリングフォースの増大を招く可能性がある。このようにプロペラ軸に振動が生じると、当該軸を支持するベアリングの寿命が低下すると共に乗り心地にも影響する。
【０００５】
そこで本発明は、一対のプロペラを近接配置して推進効率を向上させながらも振動の発生を低減できる近接二軸船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】
【０００６】
本発明の一態様に係る近接二軸船は、互いに近接配置された推進用の第１プロペラ及び第２プロペラと、前記第１プロペラ及び前記第２プロペラを駆動する少なくとも１つの原動機と、前記第２プロペラの回転位相に対する前記第１プロペラの回転位相を設定する位相設定装置と、を備え、前記位相設定装置は、前記第１プロペラの回転位相を前記第２プロペラの回転位相に対して所定のズレ角αだけ異ならせる。
【０００７】
前記構成によれば、一対のプロペラの回転位相が互いにずれるため、一対のプロペラの翼端同士の距離が回転方向にずれ、一対のプロペラの翼端間の距離が増加する。そのため、各プロペラの流体力学的な相互干渉が低減され、各プロペラにかかる荷重やモーメントの変動が抑制される。よって、一対のプロペラを近接配置して推進効率を向上させながらも振動の発生を低減できる。
【０００８】
前記第１プロペラの回転位相を検出可能な第１回転角センサと、前記第２プロペラの回転位相を検出可能な第２回転角センサと、を更に備え、前記少なくとも１つの原動機は、前記第１プロペラを駆動する第１原動機と、前記第２プロペラを駆動する第２原動機とを含み、前記位相設定装置は、前記第１原動機及び前記第２原動機を制御する制御装置であり、前記コントローラは、前記第１回転角センサ及び前記第２回転角センサの各検出信号に基づいて前記第１原動機及び前記第２原動機を制御し、前記第１プロペラの回転位相を前記第２プロペラの回転位相に対して異ならせる構成としてもよい。
【０００９】
前記構成によれば、電子制御により一対のプロペラの回転位相をずらすので、一対のプロペラの相対位相を機械的に固定せずに済み、装置の自由度が向上する。
【００１０】
前記第１プロペラ及び前記第２プロペラの各々は、軸部と、前記軸部から径方向に突出する複数の翼部とを有し、前記第１プロペラ及び前記第２プロペラの各々の前記翼部の数をＮとし、３６０°／ＮをΔθとし、Δθ／２をθmとすると、前記位相設定装置は、θm−Δθ・０．３＜α＜θm＋Δθ・０．３の関係を満たすように前記ズレ角αを設定する。
【００１１】
前記構成によれば、一対のプロペラの回転位相を互いに一致させた場合に比べ、大幅に振動が低減される顕著な効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一対のプロペラを近接配置して推進効率を向上させながらも振動の発生を低減できる近接二軸船を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る近接二軸船の模式図である。
【図２】図１に示す第１プロペラ（第２プロペラ）の斜視図である。
【図３】図１に示す近接二軸船の制御系統を説明するブロック図である。
【図４】図１に示す第１プロペラ及び第２プロペラの正面図である。
【図５】（Ａ）は第１プロペラ及び第２プロペラの回転位相のズレ角αを０°とした場合の第１プロペラの軸部に掛かる力を示すグラフ、（Ｂ）は第１プロペラ及び第２プロペラの回転位相のズレ角αを４５°とした場合の第１プロペラの軸部に掛かる力を示すグラフである。
【図６】第１プロペラ及び第２プロペラの回転位相の各ズレ角αにおける第１プロペラの軸部に掛かる力の振動波のフーリエ解析で求めた一次成分の振幅値の、軸線方向の力の平均値に対する比率を示すグラフである。
【図７】第１プロペラ及び第２プロペラの回転位相の各ズレ角αにおける第１プロペラの軸部に掛かるモーメントの振動波のフーリエ解析で求めた一次成分の振幅値の、軸線周りのモーメントの平均値に対する比率を示すグラフである。
【図８】第１プロペラ及び第２プロペラの回転位相の各ズレ角αにおける第１プロペラの軸部に掛かる力及びモーメントの振動波のフーリエ解析で求めた一次成分の振幅値の、軸線方向の力及び軸線周りのモーメントの平均値に対する比率を示すグラフである。
【図９】第２実施形態に係る近接二軸船の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る近接二軸船１の模式図である。図１に示すように、近接二軸船１は、互いに近接配置された推進用の第１プロペラ２及び第２プロペラ５を備える。と、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の各々は、軸部３，６と、軸部３，６から径方向に突出する複数の翼部４，７とを有する。第１プロペラ２及び第２プロペラ５の各軸部３，６は、互いに平行に配置されている。第１プロペラ２及び第２プロペラ５の各軸部３，６は、それぞれ第１ベアリング８及び第２ベアリング９により回転自在に支持されている。
【００１６】
第１プロペラ２及び第２プロペラ５の軸部３，６は、原動機としての第１エンジン１０及び第２エンジン１１にそれぞれ接続されており、第１プロペラ２及び第２プロペラ５は、それぞれ第１エンジン１０及び第２エンジン１１により回転駆動される。第１エンジン１０及び第２エンジン１１は、コントローラ１４により制御される。コントローラ１４には、第１プロペラ５の回転位相を検出可能な第１回転角センサ１２と、第２プロペラ５の回転位相を検出可能な第２回転角センサ１３とが接続されている。
【００１７】
図２は、図１に示す第１プロペラ２の斜視図である。本実施形態では、第１プロペラ２と第２プロペラ５とは互いに左右対称形状であり、互いに逆回転する構成であるため、第１プロペラ２について代表して説明する。図２に示すように、第１プロペラ２は、４個の翼部４を有する四翼プロペラである。但し、プロペラは四翼に限られず、例えば、三翼や五翼でもよい。４個の翼部４は、軸部３周りの周方向に等間隔をあけて配置された状態で軸部３から径方向外方に突出している。
【００１８】
本実施形態では、図２に示すように、プロペラ２の軸部３の軸線方向をＸ方向、Ｘ方向に垂直な水平方向をＹ方向、Ｘ方向に垂直な鉛直方向をＺ方向と定義する。また、プロペラ２に対してＸ方向に生じる力をＦX、プロペラ２に対してＹ方向に生じる力をＦY、プロペラ２に対してＺ方向に生じる力をＦZと定義する。また、プロペラ２に対してＸ方向周りに生じるモーメントをＭX、プロペラ２に対してＹ周りに生じるモーメントをＭY、プロペラ２に対してＺ方向周りに生じるモーメントをＭZと定義する。
【００１９】
図３は、図１に示す近接二軸船１の制御系統を説明するブロック図である。図４は、図１に示す第１プロペラ２及び第２プロペラ５の正面図である。図３に示すように、コントローラ１４には、第１回転角センサ１２及び第２回転角センサ１３の各検出信号が入力されると共に、ユーザが操作する入力装置１５からの入力信号が入力される。コントローラ１４からの制御信号は、第１エンジン１０及び第２エンジン１１にそれぞれ出力される。
コントローラ１４は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。コントローラ１４は、位相検出部１６、出力決定部１７及び制御部１８を有する。位相検出部１６、出力決定部１７及び制御部１８は、不揮発性メモリに保存されたプログラムに基づいてプロセッサが揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。
【００２０】
位相検出部１６は、第１回転角センサ１２の検出信号により第１プロペラ２の回転位相を検出すると共に、第２回転角センサ１３の検出信号により第２プロペラ５の回転位相を検出する。出力決定部１７は、入力装置１５からのユーザ入力（指令）に応じて第１エンジン１０及び第２エンジン１１の目標出力を決定する。制御部１８は、出力決定部１７で決定された目標出力に応じて第１エンジン１０及び第２エンジン１１の各々に対して目標回転数を指令すると共に、位相検出部１６で検出された第１プロペラ２の回転位相と第２プロペラ５の回転位相との差が所定のズレ角αとなるように第１エンジン１０及び第２エンジン１１に指令する。即ち、コントローラ１４は、第１プロペラ２の回転位相を第２プロペラ５の回転位相に対して所定のズレ角αだけ異ならせる位相設定装置の役目を果たす。
【００２１】
図４に示すように、第１プロペラ２と第２プロペラ５との間の距離、即ち、プロペラ間クリアランスＬがプロペラ径Ｄの３０％未満となるように、第１プロペラ２及び第２プロペラ５が近接配置されている。第１プロペラ２及び第２プロペラ５の各々の翼部４，７の数をＮ（本実施形態では４個）とし、翼間角度をΔθ（＝３６０°／Ｎ）とし、Δθ／２をθmとすると、制御部１８は、以下の数式１の関係を満たすようにズレ角αを設定するとよく、好ましくは以下の数式２の関係を満たすようにズレ角αを設定するとよく、より好ましくはα＝θmとするとよい。例えば、翼数が４個の場合には、α＝４５°とすると好適である
【００２２】
［数１］
θm−Δθ・０．３＜α＜θm＋Δθ・０．３
【００２３】
［数２］
θm−Δθ・０．１５＜α＜θm＋Δθ・０．１５
【００２４】
図５（Ａ）は第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相のズレ角αを０°とした場合の第１プロペラ２の軸部３に掛かる力Ｆy，Ｆzを示すグラフ、図４（Ｂ）は第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相のズレ角αを４５°とした場合の第１プロペラ２の軸部３に掛かる力Ｆy，Ｆzを示すグラフである。図５（Ａ）（Ｂ）の波形は、数値流体力学手法を用いた一様流中における数値解析により、プロペラに作用する流体力を推定計算して得られる振動波である。図５（Ａ）に示すように、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相をずらさない場合には、第１プロペラ２に生じる力Ｆy，Ｆzが大きく変動している。他方、図５（Ｂ）に示すように、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相のズレ角αを４５°とした場合には、第１プロペラ２に生じる力Ｆy，Ｆzの変動が抑制されている。即ち、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相をずらすことで、プロペラ間の相互干渉が低減されて振動が抑制されることになる。
【００２５】
図６は、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相の各ズレ角αにおける第１プロペラ２の軸部３に掛かる力Ｆx，Ｆy，Ｆzの振動波のフーリエ解析により求めた一次成分の振幅値の、力Ｆxの平均値に対する比率を示すグラフである。図７は、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相の各ズレ角αにおける第１プロペラ２の軸部３に掛かるモーメントＭx，Ｍy，Ｍz（軸トルク）の振動波のフーリエ解析により求めた一次成分の振幅値の、モーメントＭxの平均値に対する比率を示すグラフである。図８は、第１プロペラ２及び第２プロペラ５の回転位相の各ズレ角αにおける第１プロペラ２の軸部３に掛かる力Ｆx，Ｆy，Ｆz及びモーメントＭx，Ｍy，Ｍzのフーリエ解析により求めた一次成分の振幅値の、軸線方向の力Ｆx及び軸線周りのモーメントＭxの平均値に対する比率を示すグラフである。
【００２６】
図６及び８に示すように、力Ｆy，Ｆzに関し、第１プロペラ２と第２プロペラ５との間の回転位相のズレを生じさせることで（α＞０）、回転位相のズレを生じさせない場合（α＝０）に比べ、プロペラ２，５のＹ方向及びＺ方向の力の変動を抑制できることが分かる。特に、ズレ角αを１５°より大きくすることで、その振動を大きく抑制できることが分かる。また、図７及び８に示すように、モーメントＭy，Ｍzに関し、第１プロペラ２と第２プロペラ５との間の回転位相のズレを生じさせることで（α＞０）、回転位相のズレを生じさせない場合（α＝０）に比べ、プロペラ２，５のＹ方向及びＺ方向のモーメントの変動を抑制できることが分かる。特に、ズレ角αを１５°より大きくすることで、その振動を大きく抑制できることが分かる。
【００２７】
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係る近接二軸船１０１の模式図である。図９に示すように、第２実施形態の近接二軸船１０１では、第１プロペラ２と第２プロペラ５との回転位相のズレ角αが機械的構造により生成されている。具体的には、第１プロペラ２の軸部３と第２プロペラ５の軸部６とは、互いに所定のズレ角αを保つようにギヤ装置１２０により等速接続されている。即ち、ギヤ装置１２０が、第１プロペラ２の回転位相を第２プロペラ５の回転位相に対して所定のズレ角αだけ異ならせる位相設定装置の役目を果たす。
【００２８】
ギヤ装置１２０と第１エンジン１０との間には第１クラッチ１２１が介設され、ギヤ装置１２０と第２エンジン１１との間には第２クラッチ１２２が介設されている。コントローラ１１４は、エンジン１０，１１の起動時にはクラッチ１２１，１２２を切断し、各エンジン１０，１１の回転数が一致したことが検出されてからクラッチ１２１，１２２を接続する。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００２９】
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、前記実施形態では４翼のプロペラを例示したが、３翼や５翼でも同じ原理である。前記実施形態ではプロペラを駆動する原動機としてエンジンを例示したが、エンジンの代わりに電動モータ又はタービンが用いられてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１，１０１  近接二軸船
２  第１プロペラ
３，４  軸部
５  第２プロペラ
１０  第１エンジン（第１原動機）
１１  第２エンジン（第２原動機）
１２  第１回転角センサ
１３  第２回転角センサ
１４  コントローラ
１２０  ギヤ装置
【図１】
2019098900.tif 000003
【図２】
2019098900.tif 000004
【図３】
2019098900.tif 000005
【図４】
2019098900.tif 000006
【図５】
2019098900.tif 000007
【図６】
2019098900.tif 000008
【図７】
2019098900.tif 000009
【図８】
2019098900.tif 000010
【図９】
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