(57)【要約】【課題】  十分高速の走航時でも円滑に水の吸入が行われてキャビテーションが発生しにくく、エンジンの加速、すなわち回転数の上昇にジェット推力の発生が完全に追従しない、またその追従性が確定しないという、いわゆる「息継ぎ」現象が生じにくいウォータージェット推進装置を提供する。【解決手段】  吸入ダクト１０から取り入れた水をポンプ２０で加圧し、噴射ノズル３０から噴流を押し出す反力で推進力を生ずるウォータージェット推進装置であって、前記吸入ダクト１０に翼断面を持つ導入翼４０が取り付けられ、前記導入翼４０に働く揚力の反力により、水平に進んでくる水を前記吸入ダクト１０内で垂直方向に曲げ、前記ポンプ２０に取り込むようにした。【選択図】      図６
2005059653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入ダクトから取り入れた水をポンプで加圧し、噴射ノズルから噴流を押し出す反力で推進力を生ずるウォータージェット推進装置であって、
前記吸入ダクトに翼断面を持つ導入翼が取り付けられたことを特徴とするウォータージェット推進装置。
【請求項２】
前記導入翼に働く揚力の反力により、水平に進んでくる水を前記吸入ダクト内で垂直方向に曲げ、前記ポンプに取り込むようにしたことを特徴とする請求項１記載のウォータージェット推進装置。
【請求項３】
前記ポンプはインぺラーを備える遠心ポンプであって、
前記インペラーは、エンジン出力軸と同一直線上にあり、かつキャリーボディーに軸支され、前記エンジン出力軸からの回転動力が伝達されて回転する請求項１記載のウォータージェット推進装置。
【請求項４】
前記導入翼の前縁は、前記吸入ダクトの吸入口端面から突出させたことを特徴とする請求項１記載のウォータージェット推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータージェット推進装置に関する。さらに詳しくは、小型高速艇に適したウォータージェット推進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、小型高速艇の推進装置にはプロペラ方式の船外機が広く使用されている。プロペラ方式の船外機はプロペラ（回転体）が露出しているため、転覆事故等で落水者がプロペラに巻き込まれ、重大な事故につながる危険性がある。競技等で使用される場合も例外ではなく、乗艇者の安全確保の面で大きな課題となっている。
【０００３】
このことから、プロペラ推進方式の船外機に比べより安全性の高いウォータージェット推進方式の船外機の開発及び競技用小型高速艇の開発が求められている。
【０００４】
ウォータージェット推進装置は、一般に船底に設けられた開口部を吸入口とした吸入ダクトあるいは船体まわりの適当な所に吸入口をもつダクトを通じて、船が航走する水域の水を取り込み、適当な（ポンプ）羽根車あるいはポンプ相当の機械装置でその水を加圧し、高速の噴流として船尾のノズルから噴出し、その反作用で船を推進させる装置である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらのウォータージェット装置の吸入口の形状は、ごく小型の軸流型インペラを除き、図１に示す例のようなものである。図１（Ａ）は遠心羽根車（遠心ポンプ）の場合の吸入口形状を示し、吸入口の形状は底面視で隅角部をＲとした長方形状をなし、図１（Ｂ）は軸流羽根車軸流ポンプの場合の吸入口形状を示し、吸入口の形状は底面視で上流側が半円形状をなし、下流側が隅角部をＲとした半長方形状をなす。また吸入ダクトは前者の場合、遠心ポンプの羽根車の回転軸が船底に垂直となるように配設されるので、Ｊカーブ形状の曲がり管をなし、後者の場合、軸流ポンプの羽根車の回転軸が船底に水平となるように配設されるので、略Ｓカーブ形状の曲がり管をなす。
【０００６】
ウォータージェット推進装置は、特殊な用途の船を除き、一般に高速船の推進装置として採用される。当然、船に対する水の相対速度は相当大きい。したがって船体から見た場合、水平方向に流れて来る水の運動慣性は相当大きい。そのため、図１に例示したような比較的短い吸入ダクトのみにより羽根車入口まで水を導く構造では滑らかに水を取り込むことが難しく、予想外の大きな水頭損失を生じる。その結果、羽根車入口付近で激しいキャビテーションが発生し、羽根車が機能せず、必要な推力を得るだけのヘッドを水に与えることができなくなる。
【０００７】
本発明は、このような従来のウォータージェット推進装置の問題点に鑑みてなされたものであり、十分高速の走航時でも円滑に水の吸入が行われてキャビテーションが発生しにくく、エンジンの加速、すなわち回転数の上昇にジェット推力の発生が完全に追従しない、またその追従性が確定しないという、いわゆる「息継ぎ」現象が生じにくいウォータージェット推進装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのため本発明のウォータージェット推進装置は、吸入ダクトから取り入れた水をポンプで加圧し、噴射ノズルから噴流を押し出す反力で推進力を生ずるウォータージェット推進装置であって、前記吸入ダクトに翼断面を持つ導入翼が取り付けられたことを特徴とする。
そして、前記導入翼に働く揚力の反力により、水平に進んでくる水を前記吸入ダクト内で垂直方向に曲げ、前記ポンプに取り込むようにしたことを特徴とする。
また、前記ポンプはインぺラーを備える遠心ポンプであって、前記インペラーは、エンジン出力軸と同一直線上にあり、かつキャリーボディーに軸支され、前記エンジン出力軸からの回転動力が伝達されて回転することが望ましい。
さらに、前記導入翼の前縁は、前記吸入ダクトの吸入口端面から突出させることがの望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のウォータージェット推進装置は、吸入ダクトから取り入れた水をポンプで加圧し、噴射ノズルから噴流を押し出す反力で推進力を生ずるウォータージェット推進装置であって、前記吸入ダクトに翼断面を持つ導入翼が取り付けられたことを特徴とするので、ポンプにおけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００１０】
さらに、前記導入翼に働く揚力の反力により、水平に進んでくる水を前記吸入ダクト内で垂直方向に曲げ、前記ポンプに取り込むようにしたので、水平に進んでくる水を垂直方向に曲げ、ポンプに取り込むという吸入ダクトの基本的な作用を導入翼に受け持たせることができるようになり、導入翼の形状や取り付け方によって、ウォータージェット推進装置の「息継ぎ」現象を制御することが可能になった。
【００１１】
また、前記導入翼の前縁は、前記吸入ダクトの吸入口端面から突出させたので、吸入口から吸入ダクトへの水の取り込みがきわめて効率的になり、キャビテーションの発生は激減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図２は吸入ダクトの吸入口の幾何学形状を示す斜視模式図、図３は本考案の実施の形態に係るウォータージェット推進装置の導入翼回りの流れを示す断面図、図４は吸入口における力学的関係図（２次元）、図５は導入翼に働く力とその反力を示す説明図、図６はウォータージェット推進装置の全体図、図７はウォータージェット推進装置の分解斜視図、図８(Ａ)は吸入ダクトの正面図、(Ｂ)は平面図である。
【００１３】
図６及び図７に示すようにウォータージェット推進装置は、吸入ダクト１０から取り入れた水を遠心ポンプ２０で加圧し、噴射ノズル３０から噴流を押し出す反力で推進力を生ずる。ウォータージェット推進装置は、前記吸入ダクト１０と、前記吸入ダクト１０の上方にボルトで固定された遠心ポンプ２０と、前記遠心ポンプ２０の吐出部に接続された噴射ノズル３０と、前記遠心ポンプ２０の上方にボルトで固定されたキャリーボディー５０とを備える。また前記吸入ダクト１０の噴射ノズル側にはラダーフィン６０が取り付けられる。
【００１４】
前記遠心ポンプ２０のインペラー２１は、エンジン出力軸５１と同一直線上にあり、かつ前記キャリーボディー５０に固定された軸受ユニット５２に軸支され、前記エンジン出力軸５１からの回転動力が伝達されて回転する。図７に示すように、エンジン（図示せず）で発生した回転動力は、アウターパイプ５３に内挿されたカップリング５４に伝達され、前記カップリングに連結された前記軸受ユニット５２を経由して前記インペラー２１に伝達される。
【００１５】
また、図６の矢印Ａの方向からほぼ水平に流入する水は、前記吸入ダクト１０により取り入れられ、前記吸入ダクト１０内で垂直に曲げられ、上方に位置する前記遠心ポンプ２０のインペラー２１に取り込まれ、回転するインペラー２１の作用により加圧されて遠心ポンプ２０のボリュートケーシング２２に送り込まれ、前記噴流ノズル３０から噴流として吐出される。
【００１６】
前記吸入ダクト１０には、図６に示すように（紙面と垂直方向に延びる）翼断面を持つ導入翼４０が、導入翼４０に形成された取付穴４１に挿通されたボルトにより吸入ダクト１０の内壁面に取り付けられる。そして、前記導入翼４０に働く揚力の反力により、水平に進んでくる水を前記吸入ダクト内で垂直方向に曲げ、前記ポンプに取り込まれる（図３参照）。なお、前記導入翼４０の前縁は、前記吸入ダクト１０の吸入口端面から突出させると良い。
【００１７】
前記吸入ダクト１０は、図８(Ｂ)に示すように平面視で流線形状をなし、丸みを帯びた台形状の吸入口１１の前部に舌形状をなす舌部１２が形成され、前記舌部に重なるように円筒部１３が形成される。前記導入翼４０の翼断面は図８(Ａ)に示すように吸入ダクト１０の曲がり方に沿うよう姿勢となるように吸入口側縁内壁１１ａに取り付けられる。
【００１８】
次に、本発明の他の実施の形態におけるウォータージェット推進装置について説明する。この実施の形態は、吸入ダクトの部分のみが最初の実施の形態と異なるので、図９及び図１０を参照して、吸入ダクト１１０についてのみ詳細に説明する。
【００１９】
図９（Ａ）は他の実施の形態における吸入ダクトの断面図、（Ｂ）はその底面図、図１０は図９の実施の形態における導入翼の取付位置を説明する図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は底面図である。図９に示すように導入翼１４０は単なる流れの案内と整流の目的で設置するものではなく、船底と平行に流れて来る水流に対して船底と直交する方向すなわち船内方向に向う十分な加速度を生ぜしめるだけの力を与えることのできるものでなければならない。
【００２０】
前記導入翼１４０は、翼列要素の翼と同じような翼型断面を持ち、水から大きな揚力を受ける。その導入翼１４０まわりを通過する流れは揚力の反力を受けて船内方向に大きな速度成分を持つに至る。
【００２１】
吸入ダクト１１０内の流れに生じる乱れを抑えるのを目的として整流板状の案内板１４５を流れ内に設置することがあるが、それらは吸入口付近に設ける必要はない。むしろ図９に示したように羽根車入口に十分近い吸入ダクト１１０内に、この紙面に含まれる形で平面形のものを設置すればよい。しかし、この種の案内板１４５では水の取り込みとキャビテーション抑制には全く効果が見られないことが実験で確かめられた。
【００２２】
本実施の形態の導入翼１４０は図１０に示すように吸入ダクト１１０の吸入口付近に取付ける。吸入口が流れ方向に相当長い場合（Ｌ／Ｂ＞２）には導入翼１４０を２枚設ける（この場合は、実線で描かれた導入翼１４０が主翼となり、破線で描かれ主翼の上流側に取り付けられた導入翼１４６が副翼となる）のがより有効と考えられるが通常は主翼が１枚で十分である。導入翼の形状として通常、翼列の翼として用いられるような翼断面形状でキャンバーが十分あり、取付けが容易なように翼厚もある程度必要である。
【００２３】
今までの実験の結果では弦長はｌ／Ｂ＝0.6〜0.8、取付は翼前縁を吸入口端面よりδ／Ｌ＝（1／20）〜（1／10）だけ流れに突出させ、前縁位置はＳ／Ｌ＝0.4とするのがもっとも効果的であった。
ここで、
Ｌ：吸入口の流れ方向の最大長さ
Ｂ：吸入口の流れ方向に対する最大幅
ｌ：導入翼の弦長
δ：導入翼の翼前縁の吸入口端面からの突出量
Ｓ：吸入口下流端−導入翼の前縁間の距離
Ｓ１：主翼と副翼の翼前縁間の距離
である（図１０参照）。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態における吸入ダクトに関する実験結果及びその解析について以下に説明する。
まず計算に先立ち必要な数値を以下の通りにとる。
・ポンプ吐出流量                        ｑ０＝0.040m３／s
・吐出速度                              40m／s
・艇速                                  Ｕ∞＝80km／h＝22m／s
・ポンプ吸込み側（目玉）径              ｄ０＝75mm
・ポンプ吸込み側（目玉）面積            4418mm２
・ポンプ吸込速度                        Ｕ０＝9.05m／s
【００２５】
（１）図２に示すように無限遠の流れＵの方向に対する吸入口の実投影面積
Ａ∞＝ＣＡ・ｂ・ｌ
を求める。ＣＡは開口部の隅肉の影響を考慮した係数で、実測の結果 ＣＡ＝0.94程度であった。
・取込口流れ方向投影面積（14.5°）         0.94×(80×35)＝2630mm２
・取込口流れ方向投影面積（21.5°）         0.94×(80×46)＝3460mm２
各吸入口の投影面積への流入量、これらの投影面積へ流速Ｕ∞で水が流入するとしたときの流量をｑ＊する。
14.5°吸入口         22m／s×(2630mm２／10６)＝0.058m３／s
21.5°吸入口         22m／s×(3460mm２／10６)＝0.076m３／s
【００２６】
これに対し吸入ダクト後端でポンプ吸入口ｄ０＝75mmに流入していると考えられる流量は、すなわちジェット吐出口からの流量をｑ＊とする。このｑ＊と先に求めたｑ０の値との比Ｒをそれぞれの吸入口について計算すると、
14.5°吸入口         Ｒ＝0.058／0.040＝1.45
21.5°吸入口         Ｒ＝0.076／0.040＝1.90
であった。この結果並びに、実験時の考察から、このような形状の吸入ダクトではＲ＝1.4〜1.8が適切な値と考えられる。
【００２７】
（２）開口部のＵ０方向に対する傾斜角、すなわち吸入口迎え角はθ＝14°〜20°が適切である。
【００２８】
（３）導入翼はどうしても必要であり、これが機能する形に取付けられていない場合には、吸込み口としての性能が格段に低下する。導入翼が有効に作用している時の流線の図を想像すると、おそらく図３のようなものとなる。図は全くの想像であるが単純な整流ではなく、かなり翼としての機能を持ち得るものであり、翼として十分に機能する場合こそ、良好な吸入が得られると考えられる。（図のような大きな死水域が常に存在するかどうかは不明）そして翼としてはかなり大きなキャンバー（反りが大きい）を持ち、前縁（Leading edge）に十分の丸みを持たせた翼断面を持つものが有効であると判断された。
【００２９】
以上の実験結果を踏まえて図４のように二次元の流れとして考察をする。
一点鎖線の検査面で囲んだ領域について運動量の釣合を考える。座標軸は、図のように結ぶ。ＡＢ面について、流出運動量Ｍ０、この面における圧力の流線をＰ０とする。
ここで、
Ｍ０＝ρ・ｑ０・Ｕ０      Ｐ０＝（４／π）・ｄ０２・p０
【００３０】
また、
ｑ０： ポンプ流量m３／s
Ｕ０： ポンプ流量速度m／s
ｐ∞： ここでは大気圧とするＰａ
Δh： 水面からポンプ入り口までの高さm
ｇ ： 重力加速度9.8m／s２
p０ ： ポンプ入り口圧力Ｐａ
である。
【００３１】
ＣＤ面から流出する運動量ΔＭは、
ΔＭ＝ΔＭｘ＋ΔＭｙ・ｊ          （１）
この面に働く圧力の総和は、Ｐ∞ｘは、
Ｐ∞ｘ＝ｐ∞・ＳＣＤ                 （２）
ただし、ＳＣＤは面ＣＤの面積である。
【００３２】
以上の値を用いてｘ方向の運動量の釣合を考える。
吸入ダクトの中を通過する間に流体が受ける力を
Ｆ＝Ｆｘ・ｉ＋Ｆｙ・ｊ
とすると、
Ｍｏ＋ΔＭｘ＝Ｆｘ＋Ｐ∞−Ｐ０       （３）
Ｍｏ＋Ｐ０＝Ｆｘ−ΔＭｘ＋Ｐ∞ｘ      （３’）
となる。又、ｙ方向の釣合は、
ΔＭｙ−Ｍ∞＝Ｆｙ                 （４）
である。
【００３３】
上の式でＦｘ，Ｆｙは、ダクト壁面並びに導入翼によって流体に及ぼされる力の合力である。
ここで式（３’）を考えるに、ΔＭｘは他の量に比べて十分に小さいとみなして省くと、
Ｍｏ＋Ｐ０≒Ｆｘ＋Ｐ∞ｙ
Ｍｏ＋（Ｐ０−Ｐ∞ｙ）≒Ｆｘ         （３''）
【００３４】
この式において、
Ｍｏ＝ρ・ｑ０・Ｕ０＝1000kgf／m３×0.040m３／s×9.05m／s＝362Ｎ＝37kgf
であり。
p０についてはまず Bernoulli 式においてＤＥ面からＡＢ面までの流れの損失ヘッドをΔｈＬとして
p０＋（ρ／２）・Ｕ０２＋ρ・ｇ・Δｈ＋ρ・ｇ・ΔｈＬ＝ｐ∞＋（ρ／２）・Ｕ∞２                                                            （５）
（p０−ｐ∞）＝（ρ／２）・（Ｕ∞２−Ｕ０２）−ρ・ｇ・（ΔｈＬ＋Δｈ）                                                                  （５’）
から、仮にΔｈＬ＝０とすると
（p０−ｐ∞）＝（ρ／２）・（Ｕ∞２−Ｕ２）−ρ・ｇ・Δｈ      （６）
【００３５】
これに
ρ＝1000kgf／m３、ｇ＝9.8m／s２、Δｈ＝0.1m
Ｕ∞＝22.2m／s、Ｕ＝9.05m／s
を代入計算すれば
（p０−ｐ∞）＝（1000／２）×（22.2２−9.05２）−1000×9.8×0.1
＝204488Ｎ／m２
＝204.5kPa
＝2.085kgf／m２
すなわち艇が走ることによるせき止圧が働き、ポンプ吸込み口の静圧ｐ０はかなりの値となる。もちろんこれはΔｈＬ＝０という、ありえない条件のもとでの話である。
さらに式（３''）において
Ｐ０−Ｐ∞ｙ≒（ｐ０−ｐ∞）・π／４・ｄ０２
と仮定すると
Ｐ０−Ｐ∞ｙ＝（ｐ０−ｐ∞）×（π／4）×75２×10−６＝903Ｎ＝92kgf
となる。
Ｍ０＋（Ｐ０−Ｐ∞ｙ）＝362＋903＝1265Ｎ＝129kgf
水は吸入ダクト内で
Ｍ０＋（Ｐ０−Ｐ∞ｙ）＝Ｆｘ
実にＦｘ≒130kgfの力を受けていなければならないことになる。
【００３６】
現実にｐ０＜＜ｐ∞であり、Cavitation 発生時にはｐ０≒０である。
しかし、Cavitation 発生を想定して設計するわけには行かない。
仮に（Ｐ０−Ｐ∞）≒０と考えて、この圧力項（Ｐ０−Ｐ∞ｙ）を除いて考えることにすると少なくともＭ０＝362Ｎ（37kgf）に対応する力を吸入ダクトの壁面あるいは導入翼から受けねばならないことになる。
【００３７】
吸入ダクトで水を吸込んでポンプに流入させるには相当の圧力損失を伴うようである。Cavitation が発生するような場合には当然
（ｐ０−ｐ∞）≒（ｐ０−ｐａｔｍ）＜０
という状態であり（Ｐ０−Ｐ∞）＜０となり、従って
Ｆｘ＝Ｍ０＋（Ｐ０−Ｐ∞ｙ）
の値はかなり小さなものとなるが Cavitation の発生は望ましいものではない。なるべく損失が少なく Cavitation の発生がないことが望ましい、従ってＦｘを水に与えるものとして導入翼が期待される。事実、この実験において導入翼の形状や取付方によって水の吸入、すなわちＦｘの働きがかなり変化し、吸入ダクトのもっとも基本的な作用部分を導入翼が受け持つことが認められた。
【００３８】
ここでＦｘが、導入翼に働く揚力Ｌの反力Ｌによってまかなわれているとして、これについて計算する。
翼に対する平均流れとして
Ｗ∞＝１／２（Ｕ∞＋Ｕ０）
を考え、
Ｌ＝ＣＬ・（ρ／２）・Ｗ∞２・b・l
Ｄ＝ＣＤ・（ρ／２）・Ｗ∞２・b・l
としよう。Ｄ＜＜ＬとしてＤを省いて考える。
翼幅b＝70、弦長l＝50としてＣＬを求めてみる。
Ｗ∞＝√22.2２＋√9.05２／２＝12.0m／s
arctanＵ０／Ｕ∞＝arcα＝arc9.05／22.2＝22.18°
ρ／２・Ｗ∞２・b・l＝（1000／2）×12２×3500×10−６＝250Ｎ
Ｆｘ＝300Ｎとすると、必要な揚力係数は
ＣＬ≒Ｆｘ／（ρ／２・Ｗ∞２・b・l・cosα）≒1.3
となり、一応 Reasonable な値と考えられる。この値からも導入翼が水平に進んでくる水をそれと垂直の方向に曲げ、ポンプに取り込む作用を大きく支配していると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（Ａ）は遠心羽根車（遠心ポンプ）の場合の吸入口形状を示す断面図及び底面図、（Ｂ）は軸流羽根車（軸流ポンプ）の場合の吸入口形状を示す断面図及び底面図である。
【図２】吸入ダクトの吸入口の幾何学形状を示す斜視模式図である。
【図３】本考案の実施の形態に係るウォータージェット推進装置の導入翼回りの流れを示す断面図である。
【図４】吸入口における力学的関係図（２次元）である。
【図５】導入翼に働く力とその反力を示す説明図である。
【図６】ウォータージェット推進装置の全体図である。
【図７】ウォータージェット推進装置の分解斜視図である。
【図８】（Ａ）は吸入ダクトの正面図、（Ｂ）は平面図である。
【図９】（Ａ）は他の実施の形態における吸入ダクトの断面図、（Ｂ）はその底面図である。
【図１０】図９の実施の形態における導入翼の取付位置を説明する図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は底面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  吸入ダクト                ２０  ポンプ
３０  噴射ノズル                ４０  導入翼
【図１】
2005059653.tif 000003
【図２】
2005059653.tif 000004
【図３】
2005059653.tif 000005
【図４】
2005059653.tif 000006
【図５】
2005059653.tif 000007
【図６】
2005059653.tif 000008
【図７】
2005059653.tif 000009
【図８】
2005059653.tif 000010
【図９】
2005059653.tif 000011
【図１０】
2005059653.tif 000012