(57)【要約】      （修正有）【課題】コンパクトなダブルエンド型二重反転システムの推進装置により、直進時と旋回時とを問わず、低速で高荷重度の作動状態で高い推進器効率を得る船舶推進器を提供する。【解決手段】舶用推進装置１は、船体２に対して旋回自在なポッド４と、ポッドに設けられて二重反転プロペラを構成する前後のプロペラ５，６と、後方のプロペラ６を収納してポッドに取り付けられた筒型で断面翼型のダクト７とを有している。後方のプロペラの外径ＤＲを、前方のプロペラの外径ＤＦの８６％〜１００％とし、前後のプロペラの間隔ｄを前方のプロペラの外径ＤＦの４５％〜８０％の数値範囲に設定したので、ダクトの内外の流速差が大きくなり、それに起因する圧力差により前方へのスラスト力が増し、推進器効率が向上した。【選択図】図１
2012096767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体の船尾の外側において鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられたポッドと、
前記ポッドに設けられて二重反転プロペラを構成する前方のプロペラ及び後方のプロペラと、
前後に開口を有する筒型であって前記後方のプロペラを内部に収納して前記ポッドに取り付けられ、水流に平行な断面における断面形状が翼型であるダクトと、
を有することを特徴とする舶用推進装置。
【請求項２】
前記後方のプロペラのプロペラ径は、前記前方のプロペラのプロペラ径の８６％以上１００％以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の舶用推進装置。
【請求項３】
前記前方のプロペラと前記後方のプロペラの間隔が、前記前方のプロペラのプロペラ径の４５％以上８０％以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の舶用推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポッド型推進装置の船首側と船尾側の両方にプロペラを取り付けたダブルエンド型二重反転システムのアジマススラスターに係り、特に船尾側のプロペラにダクトを設けることによって、高荷重度の作動状態においても高い推進器効率を示すようにした舶用推進装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０に二重反転システムの原理図を示す。最近では、船舶の推進器効率を向上させるために、このような二重反転システムが例えば電気推進船等に使用されている。二重反転プロペラでは、前方プロペラ２０１と後方プロペラ２０２の回転方向が逆であり、前方プロペラ２０１の回転流のエネルギーを後方プロペラ２０２で回収して軸方向流に整流し、回転流によるエネルギー損失を無くして後方には軸方向流Ｂのみを残し、推進器効率を向上させることができる。これに対し、シングルプロペラの場合には、その後方に回転流と軸方向流の両方が生じるが、推進に寄与するのは軸方向流だけであり、回転流のエネルギーは推進に寄与しない。このように、二重反転システムとは、後方ペラの回転方向を前方ペラと逆回転させることで、前方ペラより発生した回転流のエネルギを後方ペラが回収し推進器効率を向上させるシステムである。
【０００３】
図１１にポッド型かつダブルエンド型の舶用推進装置であるアジマススラスターの構造例を示す。舶用推進装置におけるポッド型とは、図示のように船外にストラット１００で支えられた繭状のポッド１０１の中にプロペラを回す駆動装置を内臓し、それ自体が３６０度旋回することができ、推力方向を自由に変えられるアジマススラスターのことである。またダブルエンド型とは、ポッド型の舶用推進装置において船首側と船尾側にそれぞれプロペラ１０２、１０３を取り付けたものであって、プロペラが船首側と船尾側とで互いに逆回転して二重反転システムを構成しているものと、互いに同一方向に回転しているものとがある。
【０００４】
下記特許文献１には、以上説明したダブルエンド型二重反転システムのアジマススラスターの一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５４５５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者は、特願２０１０−７８２０３号（以下、先願と呼ぶ。）にて、タンデム型の二重反転システムに係る舶用推進装置の発明を提案した。この舶用推進装置は、船体に取り付けられた第１のプロペラと、船体外に旋回自在に取り付けられて前記第１のプロペラと二重反転システムを構成する第２のプロペラを備えたポッド推進装置を有するものであり、特に第２のプロペラの廻りにダクトを設けることにより、直進時には優れた推進性能を発揮できるとともに、旋回時には高い舵効果が得られ、特に低速域から運航速度まで安定した舵効果を期待できるものであった。
【０００７】
しかしながら、前記先願に係る発明によれば、旋回時には、第２のプロペラを備えたポッド推進装置が旋回するため、第１のプロペラと第２のプロペラが同軸にならず、先方にある第１のプロペラの水流の全てが必ずしも後方のダクトに入らず、推進器効率が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで本願発明者は、このような先願に係る発明のさらなる改良を目指し、前述した従来のダブルエンド型二重反転システムのアジマススラスターについても検討したが、このようなダブルエンド型二重反転システムには比較的出力が小さいコンパクトな構成のものが多く、そのままでは、低速で高荷重の船、例えば曳船や高積載の内航船等に使用することは困難であることが判明した。
【０００９】
本発明は、以上のような状況に鑑みて成されたものであり、ダブルエンド型二重反転システムのアジマススラスターを取り扱いに便利なコンパクトな構成で性能を改善し、直進時と旋回時とを問わず、特に低速で高荷重度の作動状態において高い推進器効率が得られる舶用推進装置として提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載された舶用推進装置は、
船体の船尾の外側において鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられたポッドと、
前記ポッドに設けられて二重反転プロペラを構成する前方のプロペラ及び後方のプロペラと、
前後に開口を有する筒型であって前記後方のプロペラを内部に収納して前記ポッドに取り付けられ、水流に平行な断面における断面形状が翼型であるダクトと、
を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載された舶用推進装置は、請求項１に記載の舶用推進装置において、
前記後方のプロペラのプロペラ径は、前記前方のプロペラのプロペラ径の８６％以上１００％以下の範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載された舶用推進装置は、請求項１又は２に記載の舶用推進装置において、
前記前方のプロペラと前記後方のプロペラの間隔が、前記前方のプロペラのプロペラ径の４５％以上８０％以下の範囲に設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
ダブルエンド型二重反転システムのアジマススラスターにおいて、後方のプロペラを翼断面を持ったダクトで覆うことにより、ダクト内に流体の流入があれば、ダクトの翼断面形状が断面前方に負圧領域を発生して揚力を生じさせ、生じさせた揚力の前方方向成分がダクトに推力を生じさせる。また翼断面前方に発生する負圧領域が、前方の水流を吸い込み、ダクト内側の後方のプロペラ回転させている力（トルク）を低減させる効果がある。このような効果をダクト効果という。このダクト効果は特に低速域で発揮され、高速域ではダクトの抵抗がダクトの推力成分より大きくなり、かえって効率が悪くなってしまう。そのため、本発明によれば、低速で高荷重の船、例えば曳船や高積載の内航船等において有用である。
【００１４】
また、本発明によれば、前方のプロペラと後方のプロペラが同一のポッドにおいて同軸上に取り付けられているので、ポッドを回動させて行なう船舶の旋回時においても前後のプロペラは常に同軸上に位置しているため、先方にある第１のプロペラの水流の殆ど全てが後方のダクトに流入するため、旋回時の推進器効率が直進時よりも低下するという不都合は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態である舶用推進装置の正面図、（ｂ）は同側面図、（ｃ）は同背面図である。
【図２】実施形態の舶用推進装置における二重反転機構の一例を示す図である。
【図３】実施形態の舶用推進装置における二重反転機構の他の例を示す図である。
【図４】実施形態の舶用推進装置において、前後のプロペラの各プロペラ径の比率をパラメータとして、プロペラ荷重度と推進器効率の関係を調べた実験結果を示す図である。
【図５】実施形態の舶用推進装置において、前後プロペラの間隔に対する前のプロペラのプロペラ径の比率をパラメータとして、プロペラ荷重度と推進器効率の関係を調べた実験結果を示す図である。
【図６】（ａ）は実施形態の舶用推進装置の直進状態を示す図、（ｂ）は同旋回状態を示す図である。
【図７】舶用推進装置が一機である実施形態の変形例を示す図である。
【図８】舶用推進装置が三機である実施形態の変形例を示す図である。
【図９】舶用推進装置が四機である実施形態の変形例を示す図である。
【図１０】二重反転プロペラによる推進のエネルギーを図示する斜視図である。
【図１１】ダブルエンド型アジマススラスターを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者は、二重反転型のダブルエンド型アジマススラスターにおいて、後方のプロペラにダクトを設ける発想を得た。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る舶用推進装置１は、船体２の船尾の外側において、鉛直方向に平行な図示しない旋回軸を中心として旋回自在となるようにストラット３を介して船体２に取り付けられたポッド４を備えている。ポッド４は例えば繭型等の容器乃至筐体であって、後述するように、前記ストラット３とともにプロペラ５，６の駆動機構を内蔵している。
【００１７】
図１に示すように、前記ポッド４には、その前部と後部に、二重反転プロペラを構成する前方のプロペラ５及び後方のプロペラ６がそれぞれ取り付けられている。そして、ポッド４の後部には、前後に開口を有する筒型であって、後方のプロペラ６を内部に収納するダクト７が取り付けられている。このダクト７は、同図（ｂ）の一部を破断して示すように、水流に平行な断面における断面形状が翼型である。
【００１８】
直進時には、後方のプロペラ６によるダクト７内での増速によってダクト７の内外に圧力差が生じ、ダクト７の外面に加わる相対的に高い圧力に起因する前向きの分力によってダクト７に推進力が発生する。また、旋回時には、前方のプロペラ５と後方のプロペラ６が同軸状態を保持したままで旋回するので、高い舵効果を発揮することができる。
【００１９】
本実施形態のようなダブルエンド型二重反転システムのアジマススラスターにおける二重反転機構としては、例えば図２及び図３に示したような構造例が利用可能である。
図２の構造によれば、船舶の船体２内にある駆動源によって駆動される垂直な軸８に対して、ストラット３内では３個のギア９，１０，１１を介して２本の垂直な駆動軸１２，１３が連動するようになっている。これら２本の駆動軸１２，１３は、それぞれベベルギア１４，１５を介して前方のプロペラ５を駆動する前軸１６と後方のプロペラ６を駆動する後軸１７を互いに反対向きに回動させるようになっている。
【００２０】
図３の構造によれば、船舶の船体２内にある駆動源によって駆動される垂直な駆動軸１８の下端には径の異なる２個のベベルギア１９，２０が設けられている。ポッド４内では、前方のプロペラ５を駆動する前軸２１と、後方のプロペラ６を駆動する後軸２２が、互いに径の異なる２個のベベルギア２３，２４を介して駆動軸１８の前記各ベベルギア１９，２０に噛み合って互いに反対向きに回動されるようになっている。
【００２１】
次に、本発明者が種々行なった試験研究の結果によれば、二重反転型のダブルエンド型アジマススラスターにおいて、後方のプロペラ６にダクト７を設けるとともに、さらに２つのプロペラ５，６の間隔や外径の大小関係、さらにダクト７の寸法等を適宜最適な数値範囲に設定することにより、そうでない場合に比べて、前述した課題をより完全な形で解決することができることが判明した。
【００２２】
図４は模型水槽試験の結果から得られたデータであり、ここに示すように、後方のプロペラ６の外径ＤＲを、前方のプロペラ５の外径ＤＦの８６〜１００％の範囲として構成した二重反転プロペラは、プロペラ荷重度（ＣＴ）の広い範囲にわたってより高い推進器効率ηが得られることが判明した。少なくとも８２％未満に設定した場合に比べて、プロペラ荷重度（ＣＴ）の広い範囲にわたり、８２％未満の領域での結果から予想される値よりも高い推進器効率ηが得られることが判明した。よって後方のプロペラ６の外径ＤＲは、前方のプロペラ５の外径ＤＦの８６％〜１００％の範囲とすることが好ましい。すなわち、ＤＲ＝（０．８６〜１．０）ＤＦが好ましい。
なお、図４では、比較例として、単発のプロペラの場合も示したが、この場合には、プロペラ荷重度（ＣＴ）が小さい場合を除き、プロペラ荷重度（ＣＴ）のほぼ全範囲にわたり、本発明において前記７０％から１００％に設定した場合に比べても推進器効率が低かった。
【００２３】
ここで、プロペラ荷重度ＣＴと推進器効率ηは次式（１）及び（２）のように定義される。
CT＝（8/π）×（KT/J2 ）・・・（１）                                            η＝（J ・KT）/ （2 π・KQ）・・・（２）                                        ここで、KTはスラスト係数、J は前進率、KQはトルク係数である。                    
【００２４】
次に、前方のプロペラ５と後方のプロペラ６の間隔ｄが大きくなると、一般にプロペラ後流のエネルギーが散逸するために二重反転効果によるエネルギー回収効果は低くなると考えられるが、本発明者が行なった模型試験による結果である図５に示すように、前方のプロペラ５と後方のプロペラ６の距離ｄを、前方のプロペラ５の外径ＤＦの４５〜８０％の範囲とすれば、推進器効率に大きな変化が見られないことが確認された。すなわち、ｄ＝（０．４５〜０．８０）ＤＦとするのが好ましい。
なお、図５では、比較例として、単発のプロペラの場合も示したが、この場合には、プロペラ荷重度（ＣＴ）が小さい場合を除き、プロペラ荷重度（ＣＴ）のほぼ全範囲にわたり、本発明において前記８２％から１００％に設定した場合に比べても推進器効率が低かった。
【００２５】
図６（ａ）は、実施形態の舶用推進装置１を２機備えた船舶の直進状態を示す図であり、同図（ｂ）は同旋回状態を示す図である。これらの図から分かるように、直進状態であると旋回状態であるとを問わず、前後の２つのプロペラ５，６は同軸状の配置であるため、各舶用推進装置１の前方のプロペラ５によって加速された流れは、矢印で示すようにほとんどがダクト７内に流入し、後方のプロペラ６でさらに加速されて後方に排出される。
【００２６】
このように、前方のプロペラ５で発生した流体の流れは、ほとんど全てがダクト７内に流入するので無駄がなく、旋回時の推進器効率が直進時よりも低下することはない。また、翼断面形状のダクト７は断面前方に負圧領域を発生して効果的に揚力を生じさせ、生じさせた揚力の前方方向成分がダクト７に大きな推力を生じさせることができる。さらにまた、翼断面前方に発生する負圧領域が、前方のプロペラ５による水流を効果的に吸い込むので、ダクト７内の後方のプロペラ６が回転する力（トルク）を低減させるダクト効果にも優れている。このダクト効果は特に低速域で発揮されるため、低速で高荷重の船、例えば曳船や高積載の内航船等において本実施形態の推進装置は有用である。さらに、タンカー、セメント船等や肥大船に適用した場合においても、低速域で十分な推力が得られるだけでなく、前述したように必要な舵機能を十分に満足することができる。
【００２７】
図６で説明したように、本実施形態の舶用推進装置１は船体２の後尾に２機を並べて配置することができるが、その機数及び配置は図６の例に限定されない。例えば、図７に示すように、船体２の船尾側に１機の舶用推進装置１を配置してもよい。また、図８に示すように、船体２の船首側に１機の舶用推進装置１を配置し、船尾側に２機の舶用推進装置１を並べて配置してもよい。さらに、図９に示すように、船体２の船首側に２機の舶用推進装置１を並べて配置し、船尾側に２機の舶用推進装置１を並べて配置してもよい。
【００２８】
本実施形態によれば次のような効果が得られる。
１）後方のプロペラ６の外径ＤＲを、前方のプロペラ５の外径ＤＦの８６％〜１００％の数値範囲に設定し、また前後のプロペラ５，６の間隔ｄを、前方のプロペラ５の外径ＤＦの４５％〜８０％の数値範囲にすることで、ダクト７の内外の流速差が大きくなり、それに起因する圧力差により前方へのスラスト力を増すため、推進器効率が高くなった。これに対し、模型試験による検証では、後方のプロペラ６の外径ＤＲが前方のプロペラ５の外径ＤＦに対して８６％未満の場合には、同８６％〜１００％の場合に比べて推進器効率が低かった。
【００２９】
２）船の運航速度や使用目的に応じてダクト７の翼断面形状を変更することで、上記１）の効果をより向上させることが可能である。また、ストラットポッド形状をより流線形にすることで推進器効率向上に寄与することができる。
【００３０】
３）前方のプロペラ５と後方のプロペラ６の推力を出す方向が一致しているので、常に後方のダクト７内に前方のプロペラ５の加速流が入り、前記ダクト効果をより強めることができる。よって旋回時にも直進時と同等の推進器効率を得ることが出来る。
【００３１】
４）前方のプロペラ５と後方のプロペラ６の推力の方向が一致しているので、常に後方のダクト７内に前方のプロペラ５の加速流が入るため、本願の前記先願に係る発明のようなダクト付きタンデム式二重反転プロペラよりも旋回時に起きる振動やキャビテーションの発生を抑えることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１…舶用推進装置
２…船体
４…ポッド
５…前方のプロペラ
６…後方のプロペラ
７…ダクト
ＤＦ…前方のプロペラの外径
ＤＲ…後方のプロペラの外径
ｄ…前方のプロペラと前方のプロペラの間隔
Ｂ…流体の流れ方向についてのダクトの幅
【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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