(57)【要約】【課題】  高速航行時の造波抵抗の増大を抑え、推進馬力の低減を可能にする高速船の改造方法を提供する。【解決手段】  高速船の船型に基づいて容積が定められた没水体を、船首尾あるいは船首のみに取り付ける。【選択図】    図１
2005022630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速船を改造する方法であって、
高速船の船型に基づいて容積が定められた没水体を、船首尾あるいは船首のみに取り付けることを特徴とする高速船の改造方法。
【請求項２】
改造前の船体の長さ、喫水、幅、排水量、及び横切面積曲線を保持した条件下で、航海速力に応じた所定のフルード数における造波抵抗が極小値をとるように前記没水体の容積を定めることを特徴とする請求項１に記載の高速船の改造方法。
【請求項３】
前記所定のフルード数は、０．４以上であることを特徴とする請求項２に記載の高速船の改造方法。
【請求項４】
前記没水体の１つあたりの容積は、改造前の船体の容積の３％〜１０％であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の高速船の改造方法。
【請求項５】
前記没水体の最大横断面積は、改造前の船体の最大縦断面積の４０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の高速船の改造方法。
【請求項６】
改造前の船体の喫水及び長さに基づいて、前記没水体の形状を定めることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか一項に記載の高速船の改造方法。
【請求項７】
前記没水体の形状を、船長方向に主軸を持つ円形、略楕円形あるいは略流線形の縦断面形状を有し、かつ円形あるいは略楕円形の横断面形状を有するように定めることを特徴とする請求項６に記載の高速船の改造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の高速船の改造方法により改造されたことを特徴とする高速船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速船を改造する方法に関し、特に、フルード数Ｆｎが０．４以上の高速で航行する高速船に好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、船が航行すると、船体の様々な部分から波が発生し、それらが互いに干渉し合い、船体の後方に伝播する。船体が発生する波のエネルギーは、船体に作用する抵抗による仕事に相当し、これが造波抵抗となる。この場合、大きな波を発生する船体は造波抵抗も大きい。
【０００３】
また、船の速度が大きくなると、船体から発生する波の波長が長くなる。例えばフルード数が０．４以上となり、船首から発生する波の波長が船の長さ以上になると、船首から発生する波と船尾から発生する波とが顕著になり、これらの波が合成して船体後方に大きな波が伝播するようになる。
【０００４】
高速船としては、例えば、横揺れ時の復原力が大きく、航行中及び停止状態の双方において優れた安定性を有する双胴型高速船がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０５−２０８６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１０は、従来の高速船におけるフルード数と造波抵抗係数との関係を示すグラフ図である。図１０において、従来の高速船では、フルード数の増加とともに造波抵抗係数が波打ちしながら増大し、フルード数Ｆｎが約０．５で最大となり、いわゆるラスト・ハンプ（last hump）に到達する。さらにフルード数が増加すると、造波抵抗係数は減少する。
ここで、フルード数Ｆｎ＝Ｖ／（ｇＬ）１／２、
Ｖ：速力（m/sec）、ｇ：重力加速度（m/sec２ ）、Ｌ：船の長さ（ｍ）。
【０００６】
そのため、従来の高速船では、ラスト・ハンプが壁となり、フルード数Ｆｎ＝０．５に近い速力やこれを超える速力では推進馬力の増大を余儀なくされる。こうしたラスト・ハンプによる推進馬力（所要馬力）の増大は、４０ノット級の大型高速船の実用化の上で大きな障害となっている。
【０００７】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、高速航行時の造波抵抗の増大を抑え、推進馬力の低減を可能にする高速船の改造方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る高速船の改造方法は、高速船の船型に基づいて容積が定められた没水体を、船首尾あるいは船首のみに取り付けることを特徴とする。
【０００９】
上記の高速船の改造方法では、高速船に没水体を取り付けることにより、高速船の造波抵抗の低減化を図る。すなわち、没水体から発生する波によって、船体の他の部分から発生する波を打ち消させ、これにより高速船の高速航行時の造波抵抗を低減させる。また、この高速船の改造方法では、高速船の船型に基づいて没水体の容積を定めることにより、造波抵抗の低減化にあたって、改造前の船体の形状を大きく変化させることがない。
【００１０】
この場合、例えば、改造前の船体の長さ、喫水、幅、排水量、及び横切面積曲線を保持した条件下で、航海速力に応じた所定のフルード数における造波抵抗が極小値をとるように前記没水体の容積を定めるとよい。
【００１１】
また、前記所定のフルード数は、例えば、０．４以上である。
【００１２】
また、前記没水体の１つあたりの容積は、例えば、改造前の船体の容積の３％〜１０％である。
【００１３】
また、前記没水体の最大横断面積は、改造前の船体の最大縦断面積の４０％以上である。
【００１４】
また、上記の高速船の改造方法において、改造前の船体の喫水及び長さに基づいて、前記没水体の形状を定めるのが好ましい。
【００１５】
この場合、前記没水体の形状を、船長方向に主軸を持つ円形、略楕円形あるいは略流線形の縦断面形状を有し、かつ円形あるいは略楕円形の横断面形状を有するように定めるとよい。
【００１６】
本発明の高速船は、上記の高速船の改造方法により改造されたことを特徴とする。また本発明は、単胴船型のみならず、双胴船型にも適用可能であり、双胴船型の場合には、左右の船体に対して上記の改造方法により改造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の高速船の改造方法によれば、高速船の船型に基づいて容積が定められた没水体を、船首尾あるいは船首のみに取り付けることにより、高速航行時の造波抵抗の増大を抑え、推進馬力を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の一例について説明する。図１は、本発明の高速船の改造方法の手順の一例を示すフローチャート図である。
【００１９】
高速船の改造に際し、本例では、高速船の船型に基づいて容積が定められる没水体を、船首尾（船首及び船尾の双方）あるいは船首のみに取り付ける。没水体の取り付けは、没水体から発生する波と改造前の船体から発生する波との干渉によって船体の造波抵抗を低減することを目的としている。没水体の容積の設計は、改造前の船体の長さ、喫水、幅、排水量、及び横切面積曲線を一定に保持した条件下で、所定のフルード数（Ｆｎ）における造波抵抗が極小値をとるようにして行う。
【００２０】
ここで、没水体の容積の設計は、次に説明する理論により裏付けされたものである。没水体の容積を算出する工程では、この理論から導かれる計算式を用いて行われる。以下、既存の高速船を対象として、船首尾あるいは船首のみに没水体を装着し造波抵抗を低減するための没水体の容積を計算する方法を述べる。ここでは単胴船についての理論を述べるが、既存の双胴船を対象とする場合でも原理は同じである。
【００２１】
静水面上の船体中心に座標の原点を取り、船尾方向にｘ軸、船幅方向にｙ軸、垂直上向きにｚ軸を取る。静止している船体にｘ軸方向に一様流Ｕが流れているものとする。流体は非粘性の理想流体とし、船体まわりの波と流れは速度ポテンシャルで定義されるものとする。また、船体のトリムは考えないことにする。
船長をＬ、喫水をｄ、没水体中の深さをＦとする。
【００２２】
線形造波抵抗理論によると、船首尾に没水体を装着する場合（CASE-1）、及び船首のみに没水体を装着する場合（CASE-2）のそれぞれについて、船体の造波抵抗Ｒｗは次式（１）〜（４）で表される。
［CASE-1］：船首尾に没水体を装着する場合
【００２３】
【数１】
2005022630.tif 000003
【００２４】
【数２】
2005022630.tif 000004
【００２５】
［CASE-2］：船首のみに没水体を装着する場合
【００２６】
【数３】
2005022630.tif 000005
【００２７】
【数４】
2005022630.tif 000006
【００２８】
ここで、
【００２９】
【表１】
2005022630.tif 000007
【００３０】
また、変数を次のように無次元化する。
【００３１】
【表２】
2005022630.tif 000008
【００３２】
造波抵抗の式を次式（５）のように無次元化する。
【００３３】
【数５】
2005022630.tif 000009
【００３４】
造波抵抗係数Ｃｗは次式（６）のように表される。
【００３５】
【数６】
2005022630.tif 000010
【００３６】
ここで、関数Ｆ、Ｇ、Ｈは、CASE-1、CASE-2に応じて次式（７）〜（１２）のように表される。
［CASE-1］：
【００３７】
【数７】
2005022630.tif 000011
【００３８】
【数８】
2005022630.tif 000012
【００３９】
【数９】
2005022630.tif 000013
【００４０】
［CASE-2］：
【００４１】
【数１０】
2005022630.tif 000014
【００４２】
【数１１】
2005022630.tif 000015
【００４３】
【数１２】
2005022630.tif 000016
【００４４】
ここで、
【００４５】
【数１３】
2005022630.tif 000017
【００４６】
【数１４】
2005022630.tif 000018
【００４７】
改造する既存船の長さ（Ｌ）、幅（Ｂ）、喫水（ｄ）、排水量、及び横切面積曲線ｆ(ｘ)が分かれば、関数Ｆ、Ｇ、Ｈを求めることができる。
既存船の船型、排水容積を変えずに計画Ｆｎで造波抵抗が極小となる Doublet の強さは次式（１５）、（１６）のように求められる。
【００４８】
【数１５】
2005022630.tif 000019
【００４９】
【数１６】
2005022630.tif 000020
【００５０】
Doublet 強さが得られれば１個あたりの没水体の容積は次式（１７）で求めることができる。
【００５１】
【数１７】
2005022630.tif 000021
【００５２】
没水体の容積が定まると、次に、没水体の形状を定める。没水体の形状は、改造前の船体の喫水及び長さに基づいて定める。すなわち、没水体を船首尾に取り付ける場合は、船体の喫水、長さ、及び推進器配置に関する条件を考慮して没水体の形状を設計し、没水体を船首のみに取り付ける場合は、船体の喫水、長さに関する条件を考慮して没水体の形状を設計する。また、没水体の形状は、後端側で水流が剥離しにくい形状、具体的には、船長方向に主軸を持つ円形、略楕円形あるいは略流線形の縦断面形状を有するように定めるのが好ましい。なお、上記理論では、必要とする没水体容積を維持することが要件であり、没水体の形状は機器の配置を満足しながら形状抵抗が大きくならないように設計することができる。
【００５３】
没水体の容積及び形状が定まると、没水体を既存船に装着する。なお、造波抵抗の低減効果は一般に、船尾に取り付けた没水体に比べて船首に取り付けた没水体のほうが高い。したがって、少なくとも船首に没水体を取り付け、船尾における推進器などによる構造上の制約と没水体による造波抵抗の低減効果とに基づいて、船尾への没水体の取り付けを判断するとよい。
【００５４】
上記の高速船の改造方法では、高速船に没水体を取り付けることにより、高速船の造波抵抗の低減化を図る。すなわち、没水体から発生する波によって、船体の他の部分から発生する波を打ち消させ、これにより、所定のフルード数における高速船の造波抵抗を低減させる。また、この高速船の改造方法では、高速船の船型に基づいて没水体の容積を定めることから、造波抵抗の低減化にあたって、改造前の船体の形状を大きく変化させることがない。そのため、改造コスト並びに改造に係る労力の軽減化が図られる。
【００５５】
次に、上記方法により改造された高速船について説明する。
図２は、上記方法により改造された高速船の船型の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は船底側から見た平面図、（ｃ）は船中央の横断面図である。図２において、高速船１０は、互いに並ぶ２つの主船体１１，１２を有する双胴型の船型からなり、各々の主船体１１，１２の船首及び船尾のそれぞれに１つずつ、合計４つの没水体１３，１４，１５，１６が配置されている。
【００５６】
すなわち、この双胴型高速船１０は、改造前の各主船体１１，１２の船首及び船尾に没水体１３〜１６を取り付ける改造を施したものであり、２つの主船体１１，１２と４つの没水体１３〜１６との合計６つの排水物体が複合された複合型双胴船型からなる。そして、没水体１３〜１６の容積と前記２つの主船体の容積とを加えた容積により必要な排水量が確保されている。
【００５７】
図３は、上記没水体１３〜１６の形態の一例を示しており、（ａ）は船首側、（ｂ）は船尾側を示している。図３において、没水体１３〜１６は、船長方向に主軸を持つ円形、略楕円形あるいは略流線形の縦断面形状を有するように形成されている。さらに、没水体１３〜１６は、後端側で水流が剥離しにくい形状に形成されている。具体的には、没水体１３〜１６は、前端側（上流側）を丸く、後端側（下流側）を尖らせた形状に形成されている。没水体の横断面形状は、吃水の制限により円形あるいは略楕円形を有するように形成する。また、船尾に配置される没水体１４，１６は、推進器の配置を考慮した形状に形成されている。
【００５８】
また、没水体は、所定のフルード数（例えば０．４あるいはそれ以上）において、主船体から発生する波と没水体から発生する波とが互いに打ち消し合い、改造後の船体の造波抵抗が極小値をとるように定められた容積を有するように形成されている。本例では、没水体の１つあたりの容積は、上述した２つの主船体の合計容積の３％〜１０％である。また、没水体の最大横断面積は、２つの船体の中央位置の縦断面積の４０％以上である。なお、没水体に必要な容積は、船の喫水に応じて変化する。
【００５９】
図４は、没水体の容積と喫水との関係を示している。
没水体の容積を一定とした場合、没水体による波は没水体の没水深度が大きくなるほど小さくなる。したがって、図４に示すように、主船体からの波を打ち消すのに必要な没水体の容積と排水量との比は、没水体の没水深度、すなわち船の喫水が深くなるにしたがって、喫水にほぼ比例して大きくなる。
【００６０】
図５は、没水体の容積とフルード数との関係を示している。
主船体の船尾からの波と船尾からの波が合成されて、船体後方に最も大きな波が発生するラスト・ハンプの速力において、船首尾から発生する波を打ち消すために、没水体からの波を大きくする必要がある。したがって、図５に示すように、主船体からの波を打ち消すのに必要な没水体の容積と排水量との比は、ラスト・ハンプが想定されるフルード数が約０．５の付近で最大としている。
【００６１】
図６は、改造後の上記双胴型高速船１０の造波抵抗係数を示している。また、図６には、比較のために、改造前の船体（既存船）、並びに船首のみに没水体を取り付けた船体のそれぞれの造波抵抗係数についても示している。
【００６２】
図６において、上記改造後の高速船１０の造波抵抗は、ラストハンプとなるフルード数において、改造前の高速船の造波抵抗と比べて大幅に減少していることが分かる。また、高速船１０の造波抵抗は、フルード数０．５付近においても低減されており、船首のみに没水体を取り付けた船体よりも小さい。すなわち、改造前の船型に基づいて容積が定められた没水体を船首及び船尾に取り付けることにより、フルード数０．５付近の高速域での造波抵抗の低減が達成できる。
【００６３】
ここで、フルード数が約０．５の造波抵抗のラスト・ハンプでは、船体の全抵抗に占める造波抵抗の割合が５０％以上となることが多い。この場合、残りは粘性抵抗成分である。上記改造後の双胴型高速船では、上述したように、造波抵抗を大幅に低減できることから、全抵抗、さらにはエンジンの推進馬力（最大馬力）を低減し、燃費を節減できる。同時に、大気汚染等の海洋環境の保全に貢献できる。あるいは、エンジンの最大馬力を変えないとすると、従来の高速船に比べて、高速化が可能となり、海上物流の効率化に貢献できる。
【００６４】
また、一般に、船体が波浪中を航行すると船体は動揺し、これにより、船体抵抗は平水中より増大する。そのため、波浪中でも平水中を航行する速力を維持するには、見かけ上より高い出力のエンジンが必要となる。この出力の増加率をシーマージンと呼ぶ。シーマージンには種々の要因があるが、波浪中での抵抗増加が主要因である。また、波浪中の抵抗増加の主な要因は、船体のピッチング（縦揺れ）であることが知られている。本発明の双胴型高速船では、船首尾に大きな没水体が配置されていることから、船体がピッチング運動をしようとする際に、大きな没水体がピッチング運動を妨げるように働き、従来の高速船に比べてピッチング運動が減少する。そのため、波浪中の抵抗増加とシーマージンの低減が期待できる。この場合、波浪中でも速力低下が少なくなり、運行の定時性の確保に寄与することが可能である。
【００６５】
図７は、双胴型高速船の推進器の様子を示す側面図である。
この双胴型高速船では、推進器２０は、船尾側の没水体１４，１６のそれぞれに設置されている。すなわち、推進器２０は、船尾側の没水体１４，１６の直後に配置されるプロペラ２１と、このプロペラ２１に動力を与えるための不図示の動力部とを備える。
【００６６】
図８は、船尾の没水体に直後にプロペラを配置した場合における、プロペラ位置での垂直断面内の流速分布を示す。船尾没水体の直後の流れは、船速より遅く、かつ船尾没水体中心線を中心とする同心円状の流速分布が形成される。そのため、船尾の没水体の直後にプロペラを配置することにより、上記流れの特性（流速分布）によりプロペラの推進効率が向上する。
【００６７】
さらに、この場合、プロペラには同心円状の流速分布を持つ流れが流入することにより、プロペラが一回転する間のスラスト変動と、このスラスト変動によって船体に伝わる振動と騒音とが軽減される。同様の理由から、プロペラ翼に発生するキャビテーションが抑制される。そのため、キャビテーションによるプロペラの損傷がなくなり、かつ船体に伝わる振動と騒音とが軽減される。
【００６８】
図９は、船尾没水体１４，１６にウォータージェット推進器２５を配置した構成例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この例では、船尾没水体１４，１６に、ウォータージェット用の流路２６が形成され、この流路２６内には不図示の駆動部に接続された不図示のインペラ等が配置される。また、流路２６は、１つの開口からなるウォータージェット取水口２７と、１つないし２つの開口からなるウォータージェット噴出口２８とを有する。
【００６９】
大型の高速船の場合、上述したプロペラを用いた推進器では、主機馬力の吸収に限界があり、ウォータージェット推進器を用いる場合がある。本例では、船尾に大きい没水体が配置されていることから、改造前のウォータージェット推進器の取水口と噴出口の配置を保持して船尾形状を設計することが容易である。なお、図９（ｂ）に示すように、没水体１４，１６の横断面形状を楕円形とすることにより、船底の取水口及び船尾端の噴射口の配置が容易となる。
【００７０】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の高速船の改造方法の手順の一例を示すフローチャート図である。
【図２】本発明の高速船の実施の形態に係る船型を模式的に示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は船底側から見た平面図、（ｃ）は船中央の横断面図である。
【図３】没水体の形態の一例を示しており、（ａ）は船首側、（ｂ）は船尾側を示している。
【図４】没水体の容積と喫水との関係を示すグラフ図である。
【図５】没水体の容積とフルード数との関係を示すグラフ図である。
【図６】双胴型高速船の造波抵抗係数を示す図である。
【図７】双胴型高速船の推進器の様子を示す側面図である。
【図８】船尾の没水体に直後にプロペラを配置した場合における、プロペラ位置での垂直断面内の流速分布を示す図である。
【図９】船尾没水体にウォータージェット推進器を配置した構成例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。
【図１０】通常の高速船の造波抵抗曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１１，１２…主船体
１３，１４，１５，１６…没水体
１０…双胴型高速船
２０…推進器
２１…プロペラ
２５…ウォータージェット推進器
【図１】
2005022630.tif 000022
【図２】
2005022630.tif 000023
【図３】
2005022630.tif 000024
【図４】
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【図５】
2005022630.tif 000026
【図６】
2005022630.tif 000027
【図７】
2005022630.tif 000028
【図８】
2005022630.tif 000029
【図９】
2005022630.tif 000030
【図１０】
2005022630.tif 000031