(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶用の折り畳み式プロペラであって、
前記船舶の駆動軸に取り付けるためのハブ（２）と、少なくとも３枚の翼（１）とを含み、
前記各翼は第１の本質的に折り畳まれた位置と第２の本質的に展開した位置との間で前記ハブ（２）に対して回動可能に配置され、
各翼（１）は、前記展開された位置において、前記ハブ（２）の中心であるプロペラ軸（９）を長く伸ばした線に垂直であり、かつ、それを中心として翼を折り畳むことのできる回動軸に垂直である線であって翼に固定された基準線（８）を有し、
前記各翼（１）は、翼（１）の投影図において、翼（１）の中央線である弦中央線（１０）が前記翼（１）の弦中央線（１０）と基準線との交点よりも半径方向内側部分で基準線よりも前縁側で、弦中央線（１０）と基準線との交点よりも半径方向外側部分で基準線よりも後縁側に位置するようにスキューした形状を有し、
これにより、各翼（１）が前記折り畳まれた位置にある場合には、ハブ（２）が前進用の回転をしたときに各翼（１）の半径方向外側部分よりも回転方向前側に位置する前記半径方向内側部分が水から大きな揚力を受け、前進時に各翼（１）の展開に従って増大する展開方向の流体力学上のピボットモーメントに対する前記半径方向内側部分の寄与は各翼（１）の先端領域の場合よりも大きく、逆進用の回転をしたときに各翼（１）の半径方向内側部分よりも回転方向前側に位置する前記各翼（１）の先端領域が水から大きな揚力を受け、逆進時に各翼（１）の展開に従って減少する展開方向の流体力学上のピボットモーメントに対する各翼（１）の先端領域の寄与は前記半径方向内側部分の場合よりも大きく、これによって前進時および逆進時のいずれにおいても初期展開時における各翼（１）に対する流体力学上のピボットモーメントが展開方向となることを特徴とする折り畳み式プロペラ。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記基準線（８）と、前記弦中央線（１０）の前縁を通って延びる直線との間に形成される第１の角度（β）は、１０°〜２５°の間である折り畳み式プロペラ。
【請求項３】
請求の範囲１または２に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記基準線（８）と、前記弦中央線（１０）の先端を通って延びる直線との間に形成される第２の角度（γ）は、２０°〜４０°の間である折り畳み式プロペラ。
【請求項４】
請求の範囲１〜３のいずれか１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
展開翼面積比は、翼１枚あたり１０％より大きい折り畳み式プロペラ。
【請求項５】
請求の範囲１〜４のいずれか１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記翼（１）は、折り畳み位置ではプロペラ軸に対して少なくともゼロ度まで回動するように回動可能に配置される折り畳み式プロペラ。
【請求項６】
請求の範囲１〜５のいずれか１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記翼（１）を弦中央線に対し直交する平面で切断した断面は、弦中央線を通る線に対して対称な厚み分布を有する折り畳み式プロペラ。
【請求項７】
請求の範囲６に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記厚み分布は楕円形状である折り畳み式プロペラ。
【請求項８】
請求の範囲１〜７のいずれか１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記翼（１）の先端および根元でのピッチ対直径比は、０．７半径でのピッチ対直径比に対して少なくとも１０％低い折り畳み式プロペラ。
【請求項９】
請求の範囲１〜８のいずれか１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
レーキが翼の根元と先端とを除いて負であり、円弧状である折り畳み式プロペラ。
【請求項１０】
請求の範囲１〜９のいずれか１に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記各翼（１）の最内端には、隣接する翼（１）上の相補ギヤにどの回動位置においても係合するようにされる少なくとも１つのギヤ部（５）が設けられる折り畳み式プロペラ。
【請求項１１】
請求の範囲１０に記載の折り畳み式プロペラにおいて、
前記各翼（１）には少なくとも１つのベベルギヤ（５）が設けられる折り畳み式プロペラ。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、添付の請求の範囲１の前文に記載される折り畳み式プロペラに関する。
発明の背景
帆船の分野では、いわゆる折り畳み式プロペラが従来より公知である。通常、かかるプロペラは船を前方または後方へ進める推進エンジンとともに使用するようになっている。
プロペラは、未使用時には帆船に一定の抗力をかける。このためプロペラを折り畳み式、つまりプロペラの翼が船の長手方向の位置まで（水中での船の移動によって）プロペラの駆動軸方向に折り畳まれるように、プロペラ翼をハブ上に回動可能に配置することができる。プロペラを使用する場合は、駆動軸の回転運動によって翼が広げられる。通常、プロペラ翼は、折り畳み時には抗力を減じるように流線型となるように設計される。
これまで多数の折り畳み式プロペラが公知である。一例として、ＷＯ９３／０１９７２は、展開位置と折り畳み位置との間で回動可能に取り付けられる少なくとも３枚の翼を含むプロペラを開示している。
公知の折り畳み式プロペラの重大な問題点は、航行中に大きな抗力をかけてしまうか、または前進もしくは逆進時に必要な推力を出せないことである。翼が折り畳まれたプロペラは流線型であるため、抗力が小さいのが普通である。しかし前進時、そして特に逆進時には、折り畳み式プロペラは推進能力がやや劣る。
公知の折り畳み式プロペラで特に問題となるのは、逆進時の推進力に関することである。通常、繋船または概繋船状態（つまりプロペラが船速ゼロまたはほぼゼロで動作する場合）では、翼先端に加重されるため高い逆推力が得られ、翼の回動軸を中心とした遠心モーメントが大きくなる。このため、翼の展開角は大きくなる。しかし翼先端の加重増大は、翼断面を分厚くしてキャビテーション特性が劣る問題や、翼断面を長くしてプロペラの前進時にプロペラ効率が下がりがちであるという問題が生じてしまう。
帆船用プロペラだけでなく、動作速度が一定でない分野の任意のプロペラに共通する他の問題は、プロペラが発生する騒音および振動である。プロペラは船のハル（船体）すなわち上部構造を激しく振動させる圧力パルスを発生し、望ましくない騒音を発生する。プロペラの駆動軸が高動力の推進手段に接続されている場合は、公知の折り畳み式プロペラでは、騒音レベルが高くなるおそれが非常に高い。この理由は、キャビテーションを回避するためにプロペラ翼の幅が通常は非常に狭くかつ丸くなっており、推力をなくすだけでなく騒音および振動の主原因となるためである。
先行技術には、翼の数を増やす等の騒音および振動を低減するための方法がいくつかある。翼数の多いプロペラは、プロペラのハブがインテグレータ（積分器）として機能する、すなわち各翼にかかる荷重がハブによって積み上げられ、船体のプロペラシャフトを介して伝達されるため、翼数の少ないプロペラより推進力にばらつきが少ない。
また、騒音および振動は、翼の先端または根元または両方のピッチを下げることによっても低減できる。これにより翼の局所的な荷重を下げ、船体上にかなりの圧力パルスを通常は誘発する、翼先端とハブの渦の強さを下げる。
さらに、キャビテーションをなくしたり、またはプロペラ翼を斜めに（スキュー）配置することでも、一般に騒音および振動を下げることができる。通常、キャビテーションはプロペラの翼面積を十分大きくすれば回避できる。また蒸気キャビティ中へ空気を注入することも、侵食行動および高周波数ノイズの発生の回避に有効な方法である。
折り畳み式プロペラにおいて特に問題となるのは、駆動軸の動力が高い場合にキャビテーションによる推力低減の可能性があることである。先行技術では、翼断面を長くする、翼数を多くする、またはこの両方によって、プロペラの翼領域を十分に広くすることで、この問題を解決している。しかし、翼面積を広くするとプロペラの効率を下げ、また翼の折り畳みを複雑化させてしまうため、翼面積をあまり広くすることはできない。
プロペラに関する一般的な課題は、どの速度においても高い前進推力または高いプロペラ効率を達成することである。この課題を解決するには、一般に、プロペラの直径を広くすると同時に、駆動軸の速度を下げればよい。また、プロペラの半径方向の荷重分布を最適化し、翼面積をキャビテーションを回避するのに十分広くしなければならない。さらに、翼にエアフォイル型の薄い反り断面をもたせなければならない。
折り畳み式プロペラの他の問題は、折り畳み機能に関する問題である。ピッチ対直径比が高い公知の折り畳み式プロペラは、展開時の特性が劣る場合がある。この理由は、プロペラの翼が互いに「影となる」、つまり折り畳み時に翼同士がほぼ完全に重なりあうことである。このため翼が完全に折り畳まれた場合に、翼の回動軸を中心にした流体力学モーメントが負となり、かつ非常に大きくなるため、プロペラの展開を開始するのに十分な大きさの正の遠心モーメントが得られない。この「影をおとす」問題の公知の解決方法は、翼を横方向に傾斜させることである。しかし、この傾斜の一番の問題は、翼を上手く折り畳めないことである。このため航海中により大きな抗力を与えてしまう。
折り畳み式プロペラに特に必要なことは、航行中に生じる抗力が小さいことである。これは一般には、折り畳み位置でプロペラが流線型になるようにすれば達成できる。抗力を小さくするための一般的な解決策は、プロペラのハブの直径を小さくし、船の前進中には折り畳まれる２枚のまっすぐな幅の狭い翼を設けることである。この種類の折り畳み式プロペラはＧＢ１４１６６１６に記載されている。
折り畳み式プロペラの他の問題は、時折、折り畳み機構が誤作動し、乗員の怪我および材料の損傷を引き起こす可能性があることである。
発明の概要
本発明の目的は、上記の問題、特にプロペラの逆推力の高さ、および低騒音・低振動に関する課題を解決する折り畳み式プロペラを提供することである。この目的は、添付の請求の範囲１に記載されるような特徴をもつ、本発明に従う折り畳み式プロペラによって達成される。
好適な実施形態では、プロペラは大きくスキューした翼を備える。つまり翼は半径方向内側部分および半径方向外側部分が翼の基準線の実質的に前縁側および後縁側にそれぞれ位置するような概湾曲形状をもつ。
好適には、３枚の翼を使用する場合、プロペラは約３５％を上回る展開翼面積比をもつ。つまり、展開翼面積は「翼１枚あたり」約１０％を上回るといえる。このため、非常に有効で信頼性のある折り畳み機能、低騒音低振動レベル、高軸動力でのキャビテーションの抑制、および翼の基準線を中心としたモーメントの低減が達成できる。本明細書中、「展開翼面積」とは、翼の一表面を「平らにした」場合の面積、つまり各翼部のピッチ角をゼロにしてその面積を測定したものと定義できる。
プロペラの設計は常に、必要条件群との最良の妥協点を発見する工程である。この工程では、いくつかの必要条件が他の必要条件よりも重要視される。公知の大半のプロペラでは、前進時の効率が高くキャビテーションがないことが、もっとも優先順位の高い２条件である。このことは公知の帆船用プロペラにもあてはまる。
しかし、本発明に従う折り畳み式プロペラの必要条件では、これと全く異なる優先順位すなわち重みがつけられる。本発明では、繋船または概繋船状態での高い逆推力がもっとも重要である。２番目に重要な条件は、低騒音および低振動である。３番目および４番目に重要な条件は、キャビテーションがないことと、高い前進推力である。このため、本発明に従う折り畳み式プロペラは、特に繋船または概繋船状態において逆推力が大きく、船上の騒音および振動が少ない。
通常、騒音および振動を避けるにはスキューした翼を使用する。これは従来のまっすぐな翼と異なり、乱流領域に徐々に入っていくため、翼に荷重をかける過程がよりスムーズになり、これにより翼上の荷重の振幅が低減される。しかし先行技術には、実質的にスキューした折り畳み式プロペラは存在しない。これは従来技術ではスキューしたプロペラは通常折り畳みにくいためである。
本明細書中、「船（boat）」と「船舶（ship）」とは、小型船、大型船舶、といったようにそれぞれ異なる種類の船を表すか、または水中で使用する任意の乗り物を示す。また、本発明は帆のある船および帆のない船の両方に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。
図１は本発明に従う折り畳み式プロペラの端部図である。
図２は図１のプロペラの側面図である。
図３は本発明に従うプロペラを単純化した、プロペラのスキューを規定する図である。
図４は本発明に従うプロペラの厚み分布を示す図である。
図５は翼形状を説明するための表記を示す図である。
図６はプロペラのスキュー分布を示す図である。
図７はプロペラのピッチ分布を示す図である。
図８はプロペラ翼のレーキを示す図である。
図９は本発明に従うプロペラの折り畳み位置での図である。
図１０は翼の回動モーメントを示す図である。
図１１は流体力学上の回動モーメントに対するスキューの影響を示す図である。
好適な実施形態
図１は本発明に従う折り畳み式プロペラを示す。好適な実施形態では、プロペラは３枚の本質的に同一な翼１を含む。翼１はハブ２に回動可能に取り付けられ、ハブ２は従来の船舶エンジンの駆動軸（図示せず）上に配置されることになっている。各翼１はやや重い材料、例えば青銅、青銅アルミニウム（アルミニウム含有量約８〜１０％）、または鋼等から構成する。ハブ２は上記と同様の材料またはプラスチックファイバ複合材料から構成できる。各翼１はハブ２のくぼみ３に配置される。翼１は、翼１中の協働する穴を通って延びる、ハブ２中に設けた３本のシャフト４によって回動する。
各翼１の回動機構は、各翼ごとに２つのベベルギヤ（傘歯車）５を含む。すなわち各翼の最内端に左右ギヤセグメントが設けられ、これらのセグメントは隣接する翼１上の相補するギヤにどの回動位置においても係合するようになっている。こうして、ベベルギヤ５は翼１が同時に折り畳まれるように協働する。
各翼１には、プロペラの前進動作の場合、つまり図１に示すように反時計回りの場合には、前縁６および後縁７が規定される。逆進の場合は、この前縁６は「後縁」として、後縁７は「前縁」として作用する。本発明に従うプロペラは、前進の際に時計回りに回転するように設計してもよい。
図３は本発明のプロペラを単純化した図である。本図から明らかなように、翼１は大きくスキューしており、つまり曲線に沿って延びる。各翼１のスキュー量を求めるには、いわゆるプロペラの基準線を求める必要がある。基準線８はプロペラの設計に使用する基準線で、プロペラ軸９を長く延ばした線に垂直である。また、基準線８は、プロペラ軸９の中心を通って延びる。最後に、基準線８はそこを中心に翼１を折り畳むことのできる回動軸に垂直である。
また、各翼１は、翼の前縁および後縁から等距離の点の軌跡からなる線である弦中央線１０を与えるといえる。
本発明の重要な特徴は、各翼１がスキュー配分されているので、半径方向内側部分および半径方向外側部分の前縁が翼の基準線８の前縁側および後縁側にそれぞれ位置することである。
スキュー配分は、第１の角度βと第２の角度γとの和である傾斜角αを規定することで求められる。第１の角度βは、基準線８と、ハブ中心９から垂直に弦中央線１０の前縁１を通って延びる直線１１との間の角度である。第２の角度γは、基準線８と、ハブ中心９から垂直に延びて翼１の先端で弦中央線１０の終点を通る直線１２との間の角度である。
傾斜角α、すなわち第１の角度βと第２の角度γとの和は、好適には３０°〜６５°、もっとも好適には４５°〜５５°である。第１の角度βは好適には１０°〜２５°、もっとも好適には１５°〜２０°であり、一方、第２の角度γは好適には２０°〜４０°、もっとも好適には３０°〜３５°である。
図３はまた、特定の翼１について規定できる半径方向内側部分および半径方向外側部分をそれぞれ示す。内側の半径ｒｉ1およびｒｉ2は、プロペラ軸９から、弦中央線１０が基準線８と交差する点の内側に位置する翼１沿いの点まで延びる半径の例である。これに対応して、外側の半径ｒｏ1およびｒｏ2は、プロペラ軸９から、弦中央線１０が基準線８に交差する点の外側に位置する翼沿いの点まで延びる。例えば内側半径ｒｉ1をもつ半径方向内側部分は、前縁１７（反時計回り方向の回転時）をもち、外側半径ｒｏ1をもつ半径方向外側部分は、前縁１８（反時計回りの回転時）をもつ。各翼１は、翼に沿った半径方向内側部分および半径方向外側部分の前縁が基準線８のほぼ前縁側および後縁側にそれぞれ位置するようなスキュー配分をもつ。
本発明に従うスキューの大きな翼１はまた、展開翼面積比を与える。翼面積比は、翼の展開面積を翼先端群で規定される円内の総面積で除算して得られる展開面積として定義できる。翼面積比は３５％を上回るのが好ましく、好適には３５％〜４５％である。これらの値は、プロペラが３枚の翼を備える場合に適用されることに注意されたい。このため「翼１枚あたりの」展開翼面積比は約１０％を上回らなければならないことを意味する。
図４は翼の厚み分布を示す。本発明では、翼の任意の断面は、本質的に対称な厚み分布をもち、すなわち厚み分布は弦中央線（図３も参照）によって定義される平面１３について対称である。これは、前進時の揚抗比と逆進時の揚抗比との差が、従来の翼断面を有するプロペラよりも小さいことを意味する。図４では厚み分布を曲線１５で示し、翼の前縁は最左縁であり、後縁は最右縁である。厚み分布がほぼ楕円形状の場合がもっとも有利である。
図４では、楕円１５は翼の曲率およびピッチのどちらを示すものでもなく、単に翼の厚み分布を示すことに注意されたい。
参考として、図４にはまた、非対称厚み分布を与える従来の羽根の断面を破線１４で示す。
厚み−弦比（つまり翼断面の最大厚みと長さとの関係、長さは前縁−後縁間の距離に等しい）が小さい場合、後縁が尖った断面のかわりに楕円形の断面を使用することによる揚抗比の損失は無視できる程度である。さらに、逆進時には、楕円形の厚み分布をもつ断面のキャビテーション特性は、後縁が尖った断面より優れている。最後に、楕円断面領域の剛率は、後縁が尖った断面よりも大幅に高く、すなわち同じ厚み−弦比では断面積が大きい。このように、断面が楕円形の翼は、揚抗比またはキャビテーション特性を損なうことなく、ピボットを中心により高い重量と遠心モーメントとを受けることができる。
図５は翼の形状を説明するための表記を示す図である。基準線８は図５平面と鉛直方向、すなわち本図を見ている人物に向かって延びる。翼１の断面は前縁６および後縁７とともに示される。弦中央線１０は各翼１の断面の弦中央点を通るように空中で湾曲する。ある特定の翼断面のスキューは、弦中央線１０から基準線８に垂直な平面までの距離ｄ1として定義できる。さらに、翼１の断面のレーキは、プロペラ軸と基準線とで規定される平面中の軸方向の変位ｄ2として定義できる。図５に示す例の場合、レーキはプロペラから船尾側へ向かう方向では正であり、翼断面の弦線１６が基準線８を通って延びる場合はゼロである。このため、弦線１６は、翼１の断面の前縁６および後縁７を通って延びる螺旋として定義できる。最後に、翼１のピッチ角は、翼１の断面の弦線とこの断面のプロペラ軸の突起部との間に形成される角度Ｐとして定義できる。
図６は、本発明に従うプロペラのスキュー分布を示す。距離ｄ1（図５参照）はプロペラの半径に従って変化し、プロペラのハブではほぼゼロであり、プロペラの中央部分では負の値、プロペラの先端部分では正の値となる。
さらに図６は、翼の内側の半径は、ゼロから弦中央線が基準線に交差する地点の値までの間隔ｒｉ内にあることを示す。従って翼の外側の半径は、弦中央線が基準線に交差する地点から翼の最大半径までのびる間隔ｒｏ内である。
図７は、プロペラ翼のピッチを示す図である。本図は特に、翼の半径Ｒに沿ったピッチ対直径比を示す。図から明らかなように、翼のピッチは翼の根元および先端で減少する。ピッチ対直径比は、翼の根元では、０．７Ｒに対応する点すなわち翼の直径の７０％地点（ピッチ対直径比が１００％の地点）の約７５％に下がり、翼先端では、約７０％に下がる。こうして先端とハブとの渦の強さが下がり、これはキャビテーションの開始を遅らせ、誘発された圧力パルスを減じる。このため、プロペラの騒音および振動特性が大幅に改善される。
さらに、図８に示すように、プロペラ翼のレーキ分布（実線で示す）は負の非直線である。特定的には、レーキ分布は好適には曲線である。レーキ分布が負であることは、翼の形状がわずかに湾曲して船首側へ延びることを示す。これに対して、従来のレーキ分布は、通常、正であるため（図８中、点線で示す）、プロペラ翼は船尾側へ延びる。本発明に従うレーキ分布の利点は、スキューの大きい翼の強度を大きくし、翼先端のキャビテーション（完全になくすことができない場合）を安定化させ、侵食性および騒音を少なくできることである。
本発明に従うプロペラは、プロペラを効果的で信頼性のある方法で折り畳み可能なように設計される。図９は折り畳み位置でのプロペラを示す。翼は、基準線がプロペラ軸とほぼ平行になるように折り畳むことができる。このため、プロペラは折り畳み位置では流線型となる。
次に、翼の折り畳み原理について説明する。遠心モーメントはシャフト速度の２乗に比例するため、各翼のピボット軸を中心にした遠心モーメントの符合はプロペラの回転方向に関係ない。しかし、遠心モーメントは翼の折り畳み角度によって大きく異なる。このため折り畳み角度は、各翼がハブの長手方向の延長線との間に規定される角度と定義できる。所与のシャフト速度においては、展開過程の遠心モーメントは通常、図１０に示すように変化する。遠心モーメントは、翼が完全に折り畳まれた場合は正であるが、プロペラが完全に開いた場合はほぼゼロである。
初期展開時および逆進時は、翼の先端領域は特別な翼のスキューのため、衝撃の角度が大きく、その結果高い相対速度を受ける。従って揚力は翼先端では高く、流体力学上のピボットモーメントへの寄与は大きくかつ正である。一方、翼の半径方向内側部分の断面の受ける衝撃の角度は小さく、相対速度は低く、流体力学上のピボットモーメントへの寄与は小さい。
前進時は、初期展開時の流体力学上のピボットモーメントはやはり正である。この理由は、翼のスキューのため半径方向内側部分が流体力学上のピボットモーメントに大きな正の寄与を生じる一方で、先端からの寄与は小さいためである。
上記を総合すると、本発明に従うプロペラの初期展開時には、得られるピボットモーメント、すなわち遠心モーメントと流体力学モーメントとの和は常に大きく正である。本発明は、初期展開時に非常に好ましいピボットモーメント特性をもつ形状の翼を提供する。
図１１は、流体力学上のピボットモーメントに対するスキューの効果を示す。展開過程が開始されると、翼は、エンドストップ（前進時）に当たるか、または折り畳み角度が、遠心ピボットモーメントと流体力学モーメントとが大きさは同じだが方向が反対となるような角度になる時に発生する平衡状態（逆進時）を見つけるまで、回動を続ける。
図１１に示すように、逆進時には、新しいスキュー分布をもつ翼の流体力学ピボットモーメントは、対応するスキューゼロの翼よりも大きい。このため、スキューした翼の平衡時の折り畳み角度は大きく、つまりプロペラの展開にともなって逆推力が大幅に高くなっていく。従ってここでもやはり、特別な翼スキュー分布は、楕円形の翼断面とともに、本発明に従うプロペラの推力改善、特に逆進時の推力改善の主要因である。
折り畳み時に、翼は最低ゼロ度まで回動できるように配置してもよい（図１および図２も参照）ことに注意されたい。
本発明は上記の実施形態に限定するものではなく、添付の請求の範囲内で変形可能である。例えば、プロペラは２枚以上の翼を含んでもよい。しかし、３枚翼のプロペラは２枚翼のプロペラよりもバランスをとるのが簡単であり、つまり各翼ごとに必要なバランスは所与の最大プロペラ不均衡に対してあまり厳密にしなくてもよい。このため、バランスをとるコストが安い。
最後に、すべての翼１は同一であるから、翼の製造を大幅に簡易化できることに注意されたい。最新のフライス盤を使用すれば効率的に製造可能なベベルギヤは、複製をつくるのが困難なため、有利である。
【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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