(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された水中翼装置であって、
前記水中翼装置の前縁端から後縁端方向に向けて、周囲圧力よりも高い圧力に曝される第１面および前記第１面における圧力よりも一般的に比較的に低い圧力に曝される第２面に沿って水流が形成されるように、前記水中翼装置の相互に反対側に位置する前記第１面および前記第２面と、
前記第１面上に面の不連続を提供し、前記水中翼装置の後縁端付近に具備してある突起であって、前記水中翼装置の上流方向に対する突起面を有していて、前記突起面は、前記水中翼装置の上流方向に対する前記突起の内角が実質的に９０度またはそれ以下の角度となるように配置してあり、使用に際しては、その第１面に沿う水の流れが前記突起により偏向して押し戻され、前記突起の上流に位置する前記第１面上の局所圧力を増大させ、前記水中翼装置により発生する揚力に実質的に貢献する突起とを有し、
前記突起が調節可能な障害物の手段で具備され、前記障害物が、前記内角を形成する移動可能表面を持っており、使用に際しては、前記第１面からの前記移動可能表面の突出量を変化させることができ、前記水中翼装置により発生する揚力の度合いを制御するようになっていて、さらに、
前記移動可能表面が前記第１面または前記第２面の何れかから突出可能に構成してあり、前記水中翼装置により発生する揚力の方向を変化させることができるように、前記障害物が配置してあることを特徴とする水中翼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水中翼装置であって、前記水中翼装置の後縁端付近に形成され、前記第１面および第２面に沿って流れる水により境界付けられる分離キャビティに通気を行うための通気手段をさらに有する水中翼装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水中翼装置であって、前記通気手段が、大気からの空気の流通路であり、使用に際しては、空気が前記キャビティ内に自然通気により引き込まれることを特徴とする水中翼装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の水中翼装置であって、前記調節可能な障害物が、前記水中翼装置の後縁端部分により形成され、前記後縁端部分が、１以上の回動板により前記水中翼装置の主体部分に対して回動自在に装着してあることを特徴とする水中翼装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水中翼装置であって、前記各回動板が、前記突起の最大深さまで外側に延在し、上流側にこの距離の少なくとも二倍で延在することを特徴とする水中翼装置。
【請求項６】
請求項５に記載の水中翼装置であって、前記各回動板が、回動ピンにより前記主体部分の内部に回動自在に連結してあることを特徴とする水中翼装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水中翼装置であって、前記回動板の一つが、水中翼装置の後縁端に位置し、水中翼装置の先端での圧力損失を防止するようになっていることを特徴とする水中翼装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の水中翼装置であって、前記調節可能な障害物が、前記水中翼装置の主体部分に対して固定されたガイド内にスライド移動自在に装着してある可動部分により構成してあり、前記水中翼装置の周囲の水の流れ方向に対して実質的に垂直な方向に移動可能にしてあることを特徴とする水中翼装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水中翼装置であって、前記ガイドが、前記水中翼装置の主体部分に対して固定されたガイド板により構成してあり、前記ガイド板が、前記第１面を介して局所的に高圧領域の圧力が低くなるのを最小限にしてあることを特徴とする水中翼装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか記載の水中翼装置であって、前記水中翼装置の前縁端の近くに具備してある第２突起をさらに有し、前記第２面上に面の不連続を形成するようになっており、使用に際しては、前記第２面上に結果的に形成される流れの剥離が、摩擦を低減し、前記第２面における安定した流れ状態に実質的に寄与することを特徴とする水中翼装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の水中翼装置であって、前記第２突起の背後にある前記第２面を通気する通気手段が具備してあり、剥離した流れの再付着を防止し、前記第２面上のキャビィテーションの可能性を禁止していることを特徴とする水中翼装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の水中翼装置であって、前記第２突起が、第１位置および第２位置との間で調節可能にしてあり、前記第１位置では、前記第２面上に前縁端表面の不連続が形成され、前記第２位置では、前記第１面に前縁端表面の不連続が形成されるようになっていることを特徴とする水中翼装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の水中翼装置であって、前記第２突起が、前記水中翼装置の前縁端部分により構成してあり、前記第１位置および第２位置との間で移動可能になっていることを特徴とする水中翼装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の水中翼装置であって、
前記水中翼装置の前縁端の近くにおける前記水中翼装置の形状と、前記水中翼装置の後縁端の近くにおける前記水中翼装置の形状とが、実質的に同じ形状を有していて、流入方向が逆になると揚力の発生方向も逆になることを特徴とする水中翼装置。
【請求項１５】
改良された水中翼装置であって、
前記水中翼装置の前縁端から後縁端方向に向けて、第１面および第２面に沿って水流が形成されるように、前記水中翼装置の相互に反対側に位置する第１面および第２面と、
前記第１面上に面の不連続を提供し、前記水中翼装置の後縁端付近に具備してある第１突起であって、前記水中翼装置の上流方向に対する前記第１突起の内角が９０度またはそれ以下の角度で前記第１突起が配置してあり、使用に際しては、その第１面に沿う流れが前記第１突起により偏向して押し戻され、前記第１突起の前方に位置する前記第１面上の局所圧力を増大させ、前記水中翼装置により発生する揚力に実質的に貢献する第１突起と、
前記第２面上に面の不連続を提供し、前記水中翼装置の前縁端付近に具備してある第２突起であって、使用に際しては、前記第２面上に結果的に形成される流れの剥離が、摩擦を低減し、前記第２面における安定した流れ状態に実質的に寄与する第２突起とを有する、
前記水中翼装置であって、
前記水中翼装置の前縁端の近くにおける前記水中翼装置の形状と、前記水中翼装置の後縁端の近くにおける前記水中翼装置の形状とが、実質的に同じ形状を有しているので、流入方向が逆になると揚力の発生方向が逆になって、水流状態を保つことを特徴とする水中翼装置。
【請求項１６】
船舶用推進機のための改良されたプロペラであって、
前記プロペラが、請求項１〜１５の何れかに記載の水中翼装置を複数有していて、使用に際しては、前記複数の水中翼装置の第１面に沿う流れが、前記複数の水中翼装置の各々の突起により偏向して押し戻され、前記各々の突起の前方に位置する前記第１面上の局所圧力の増大が、前記プロペラにより発生される推進力に実質的に貢献することを特徴とするプロペラ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のプロペラであって、各々の前記水中翼装置の突起が調節可能な障害物の手段で具備され、前記障害物が、前記水中翼装置の上流方向に対する内角を形成する移動可能表面を持ち、使用に際しては、前記第１面からの前記移動可能表面の突出量を変化させることができ、前記プロペラにより発生する推進力を制御するようになっていることを特徴とするプロペラ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプロペラであって、前記移動可能表面がスライド移動可能板上に形成され、前記スライド移動可能板が前記水中翼装置の主体部分の内部に形成されたガイド孔の内部に支持され、前記プロペラのハブからの前記スライド移動可能板の駆動方向が、前記水中翼装置の移動方向に対して直交することを特徴とするプロペラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由流れの局所圧または大気圧よりも高い局所的な圧力増加に基づいて揚力が発生する改良された水中翼装置に関する。また本発明は、特に限定されないが、水中翼、プロペラブレード、および、たとえば方向蛇や流体翼などの制御表面などの船舶用途などに用いられる改良された水中翼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書を通して用いられる「水中翼」の用語は、水中を通して通過する際に、揚力を発生させる物理的な構造物を示すように用いられ、また同様に、「空気翼」の用語は、空気中で使用される際の同様な構造物を示すものとして用いられる。水中翼は、翼のための動力学的支持、たとえば方向蛇のような制御表面、スクリュープロペラのための推進機、ポンプ内、および水タービン機械などに用いられる。しかしながら、水中翼の動作は、各用途において同様である。
【０００３】
空気翼のように、水中翼も表面周囲を流れる流体の速度を変化させることにより揚力を発生させる。水中翼の周囲にわたる速度分布の変化は、水中翼の表面にわたる圧力変化に関連している。この圧力分布を水中翼の全表面にわたり積分することで力が得られる。水中翼の全表面にわたる圧力の積分を流れに垂直に行うと水中翼の揚力となり、流れ方向に圧力を積分すると抗力となる。抗力に対する揚力の比が、水中翼の効率の指標となる。その揚力ベクトルは、用途に応じて如何なる方向にも調節しても良い。その方向は、上方、下方、水平方向、またはその他の方向でも良い。以下の説明の容易化のために、揚力ベクトルは、通常は上方であると仮定する。
【０００４】
一般の船舶用プロペラのために使用される従来の水中翼部分では、水中翼の周囲の流体の加速は、関連する圧力の低下を必然的に伴う。したがって、水中翼にわたる圧力の低下は、揚力に最も寄与する。このような装置の用途における高い流入速度に対する限界は、速度増加に基づく圧力低下の大きさに依存する。局所圧力が、水の蒸発圧力よりも低下したときには、水が蒸気化し、蒸気ポケットが形成される。このような蒸気ポケットの形成は、しばしばキャビィテーションと称される。水が蒸気化すると、さらに圧力を低減することができなくなり、したがって、このような状態は、圧力の下限を規定することになり、水中翼の能力の限界となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、揚力が局所圧力の増大により主として生成される改良された水中翼に関する。この手法は、揚力が主として圧力の低減または吸引により生成される従来の水中翼の設計からかなり離れていることを示している。本発明の目的は、その他の利点のなかでも特に、上述したキャビィテーションの発生により強いられる能力の限界を解消し、キャビィテーションが生じるような、またはキャビィテーションにより制限されていた高い流入速度での用途を可能とならしめることである。しかしながら、本発明の装置は、低減された流入速度においても、依然として効果的である。
【０００６】
流速の低減は圧力の増大を伴うことは一般に知られている。この現象は、航空機の分野で広く用いられ、たとえば翼表面にわたる流れを邪魔して速度を低下させ局所圧力を増大させるように使用されるスポイラーの形態で用いられる。しかしながら、このような装置の使用は、流れの剥離を伴い、装置の背後に低圧領域の形成を招く。この低圧領域に関連して圧力抗力となり、そのような装置の効率の低下を招いてしまう。
【０００７】
海洋環境への同様な装置の適用は、多状態流れ、すなわち液体と気体とが混在する流れの可能性によりさらに複雑なものとなる。装置の前方での圧力の上昇が可能である一方、装置の背後に形成される剥離領域が十分に低圧となり、キャビィテーションを引き起こしてしまう。
【０００８】
オーストラリア特許出願第ＡＵ４３６１６／９６、すなわちＰＣＴ／ＳＥ９５／０１５８２のオーストラリア国内移行出願は、浮上または半浮上船体(Planing or semi-planing ship hull)の浮上位置の動力学的釣り合いのための機構を開示してあり、操作に際してピッチングおよびローリング動作を相殺するようになっている。その機構は、水流に対して横切るように水中に沈められて装着され、船体の船尾の下端に突出する板を含み、板の前方に、上方および前方に向けられた速度成分を持つ渦を発生するようになっている。この渦は、船体の下方に水の容積を生成し、船体の底面に向けられた増大した圧力を持ち、所定の速度において、船の釣り合い位置に直接に影響を与えるようになっている。しかしながら、この機構は、横軸板の背面領域が通気されて圧力抗力を最小限にすることができる船尾板船舶（transom stern vessels）の用途に限定される。
【０００９】
本発明は、水中翼の表面における局所的な圧力増大の利点を利用することができ、しかも有害な圧力抗力の影響を減少させることができる手段を提供する観点から開発されたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この明細書を通して、「有する」の用語は、包括的な意味で用い、本発明に含まれるその他の特徴および／または工程を含んでも良く、その特徴または工程に特別に限定または特定して規定または理解されるものではないと言う意味で用いる。このようなその他の特徴および工程が含むものは、本明細書の全体から明らかとなる。
【００１１】
本発明の第１の観点では、改良された水中翼装置であって、
前記水中翼装置の前縁端から後縁端方向に向けて、第１面および第２面に沿って水流が形成されるように、前記水中翼装置の相互に反対側に位置する第１面および第２面と、
前記第１面上に面の不連続を提供し、前記水中翼装置の後縁端付近に具備してある突起であって、前記水中翼装置の上流方向に対する前記突起の内角が９０度またはそれ以下の角度で前記突起が配置してあり、使用に際しては、その第１面に沿う流れが前記突起により偏向して押し戻され、前記突起の前方に位置する前記第１面上の局所圧力を増大させ、前記水中翼装置により発生する揚力に実質的に貢献する突起とを有する、
水中翼装置が提供される。
【００１３】
好適には、前記突起が調節可能な障害物の手段で具備され、前記障害物が、前記内角を形成する移動可能表面を持ち、使用に際しては、前記第１面からの前記移動可能表面の突出量を変化させることができ、前記水中翼装置により発生する揚力の度合いを制御するようになっている。好ましくは、前記移動可能表面が前記第１面または前記第２面の何れかから突出可能に構成してあり、前記水中翼装置により発生する揚力の方向を変化させることができるようにしてある。
【００１４】
典型的には、前記水中翼装置は、前記水中翼装置の後縁端付近に形成され、前記第１面および第２面に沿って流れる水により境界付けられる分離キャビティに通気を行うための通気手段をさらに有する。好ましくは、前記通気手段が、大気からの空気の流通路であり、使用に際しては、空気が前記キャビティ内に自然通気により引き込まれる。
【００１５】
一実施形態では、前記調節可能な障害物が、前記水中翼装置の後縁端部分により形成され、前記後縁端部分が、１以上の回動板により前記水中翼装置の主体部分に対して回動自在に装着してある。好ましくは、前記各回動板が、前記突起の最大深さまで外側に延在し、上流側にこの距離の少なくとも二倍で延在する。典型的には、前記各回動板が、回動ピンにより前記主体部分の内部に回動自在に連結してある。好適には、前記回動板の一つが、水中翼装置の全長の一端に位置し、水中翼装置の先端での圧力損失を防止するようになっている。
【００１６】
他の実施形態では、前記調節可能な障害物が、ガイド内にスライド移動自在に装着してある可動部分により構成してあり、前記水中翼装置の周囲の水の流れ方向に対して実質的に垂直な方向に移動可能にしてある。好適には、前記ガイドが、前記水中翼装置の主体部分に対して固定されたガイド板により構成してあり、前記ガイド板が、前記第１面を介しての局所的な高圧領域の漏れを最小限にしてある。
【００１７】
本発明のその他の観点によれば、船舶用推進機のための改良されたプロペラであって、前記プロペラが、複数の水中翼ブレードを持ち、前記水中翼ブレードの内の少なくとも一つが、
前記ブレードの前縁端から後縁端方向に向けて、第１面および第２面に沿って水流が形成されるように、前記ブレードの相互に反対側に位置する第１面および第２面と、
前記第１面上に面の不連続を提供し、前記ブレードの後縁端付近に具備してある突起であって、前記ブレードの上流方向に対する前記突起の内角が９０度またはそれ以下の角度で前記突起が配置してあり、使用に際しては、その第１面に沿う流れが前記突起により偏向して押し戻され、前記突起の前方に位置する前記第１面上の局所圧力の増大が、前記プロペラにより発生される推進力に実質的に貢献する突起とを有する、
プロペラが提供される。
【００１８】
好ましくは、前記突起が調節可能な障害物の手段で具備され、前記障害物が、前記ブレードの上流方向に対する内角を形成する移動可能表面を持ち、使用に際しては、前記第１面からの前記移動可能表面の突出量を変化させることができ、前記プロペラにより発生する推進力を制御するようになっている。
【００１９】
好ましくは、前記移動可能表面がスライド移動可能板上に形成され、前記スライド移動可能板が前記ブレードの主体部分の内部に形成された傾斜ガイド孔の内部に支持され、前記プロペラのハブからの前記スライド移動可能板の駆動方向が、前記ブレードの移動方向に対して直交するようになっている。
【００２０】
好適には、前記ブレードの前縁端の近くに具備してある第２突起をさらに有し、前記第２面上に面の不連続を形成するようになっており、使用に際しては、前記第２面上に結果的に形成される流れの剥離が、摩擦を低減し、前記第２面における安定した流れ状態に実質的に寄与するようになっている。
【００２１】
好ましくは、前記第２突起の背後にある前記第２面を通気する通気手段が具備してあり、剥離した流れの再付着を防止し、前記第２面上のキャビィテーションの可能性を禁止している。
【００２２】
好ましくは、前記第２突起が、第１位置および第２位置との間で調節可能にしてあり、前記第１位置では、前記第２面上に前縁端表面の不連続が形成され、前記第２位置では、前記第１面に前縁端表面の不連続が形成されるようになっている。
【００２３】
典型的には、前記第２突起が、前記水中翼装置の前縁端部分により構成してあり、前記第１位置および第２位置との間で移動可能になっている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の特徴をより詳細に理解することを容易にするために、いくつかの実施形態に係る改良された水中翼装置を、単なる実施例の形態で、添付図面を参照として説明する。ここにおいて、
図１（ａ）および（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る水中翼装置を示す図、
図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本発明の第２実施形態に係る水中翼装置を示す図、
図３（ａ）および（ｂ）は図２の水中翼装置の変形例を示す図、
図４（ａ）および（ｂ）は図２および図３の水中翼装置のための調節可能な障害物体を提供するための機械的機構の一例を示す図、
図５（ａ）および（ｂ）は図２および図３の水中翼装置のための調節可能な障害物体を提供するための機械的機構のその他の一例を示す図、
図６（ａ）および（ｂ）はプロペラの水中翼ブレードのための調節可能な障害物体を提供するための機械的機構の一例を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、
図７（ａ）および（ｂ）は図１の水中翼装置の表面を分離して流れる状態を示す図、
図８（ａ）および（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る水中翼装置を示す図、
図９（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の第４実施例に係る水中翼装置を示す図、
図１０（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の第５実施例に係る水中翼装置を示す図、
図１１（ａ），（ｂ）および（ｃ）は図１０の水中翼装置の変形例を示す図、
図１２は本発明の第６実施例に係る水中翼装置を示す図である。
【００２５】
図１に示す本発明の第１実施形態に係る改良された水中翼装置１０は、一般に周囲圧力よりも高い圧力（静圧）に曝される第１面１２を有する。その水中翼装置の反対側には、第２面１４が具備してあり、装置１０の前縁端１６から後縁端１８に向けて、第１面および第２面に沿って水が流れる場合に、第２面は、第１面１２における圧力よりも一般的に比較的に低い圧力に曝されることになる。突起２０が後縁端１８の近くに具備してあり、第１面１２上に不連続表面を形成するようになっている。図１（ｂ）により明確に示すように、突起２０は、約９０度の水中翼の上流方向に対して内角θを以て配置してあり、第１面に沿う水流の流れが、突起自身により反射して押し戻されるようになっている。このことから、内角θは、９０度よりも僅かに小さいことが好ましく、突起２０の前方に循環流れ２２を生成するようになっている。その循環流れ２２は、流れを減速させ、第１面１２上の局所圧力を増大させるようになっている。その局所圧の増大は、揚力を発生させる点で有益である。
【００２６】
その第１面１２の近くにおいて、分離流れライン２４が存在し、その上部では流れが循環し、その下部では循環流れ２２により流れが偏向されるようになっている。流れが偏向されることにより、分離流れライン２４の下部の流れは、不連続に分離される。水中翼装置１０の末尾では、流れは、分離され続け、分離キャビティ２６を形成する。その分離キャビティ２６のために形成される空気供給源は、圧力抵抗を最小限にする。空気がない分離キャビティ２６は、大気圧力よりも低い圧力となることから、何らの外力無しに、空気はキャビティ内に引き込まれることになる。このことは、自然吸引現象として知られており、それは、大気から水中翼装置１０へと届く空気のための適切な通路に基づく。その自然吸引を補助するために、ベース通気（base vented）水中翼部分が採用された。ベース通気は、後縁端１８の非鋭利端面２８に基づき、空気の通路を常に維持するように通気を確保するようになっている。
【００２７】
下部面における突起２０の存在の結果、突起２０の前方における第１面の局所圧は、それがない場合よりも増大する。突起２０の前方における圧力に対する影響の大きさは、（なかでも）、その突起２０の高さの関数となる。第１面１２に対する突起の高さを変化させることにより、その影響の大きさを変化させることができる。図２は本発明の第２実施形態に係る水中翼装置を示し、突起の高さを変化させるための調節可能な障害物を有している。
【００２８】
図２の水中翼装置３０では、装置の後縁端部分３２が、可動面３４を持つ調節可能な障害物を形成する。その後縁端部分３２は、主体部分３６上に回動自在（枢軸移動自在）に装着してあり、可動面３４が第１面３８から突出する量が、図２（ａ）に示すように可変にしてある。可動面３４は、翼の上流方向に対して内角が僅かに９０度よりも小さくなるように形成してあり、そのことにより、循環流れを形成し、可動面３４の前方における第１面３８上の局所圧力を増大させている。水中翼部分の全面にわたる圧力の合計は、水中翼部分上に作用する正味の力を提供することになる。その力は、流れの方向に対する抗力と呼ばれる第１要素と、流れに対して直交する揚力と呼ばれる第２要素とに分解することができる。この実施形態では、上面および下面の双方から揚力に寄与するが、下面３８での圧力（静圧）による揚力への寄与が、上面におけるものよりも可成り大きい。調節可能な障害物３２により提供される下面３８での突起の高さ大きくなるほど、発生する揚力が大きくなる。
【００２９】
好適には、調節可能な障害物３２は、水中翼装置のいずれの側にも回動可能であり、水中翼のいずれの側にも突起を出せるようにすることが好ましい。図２（ｂ）は調節可能な障害物３２を構成する後縁端部分３２が中間位置にある状態を示し、図２（ｃ）は水中翼の上面に向けて調節可能な障害物３２を突出させた状態を示す。図２（ｃ）に示すように、水中翼装置３０の上面における局所圧の増大は、下方向に向けて作用する水中翼部分の正味の揚力に寄与する。この原理は、対称または非対称の翼部分の双方に対して適用されることになる。
【００３０】
限定された時間のみの間に高い揚力が必要とされる用途の場合、または低い流入速度で水中翼装置が所定時間で運転される場合には、本発明の装置機構は、従来の水中翼と組み合わされても良いし、図３（ａ）に示すように、非ベース通気翼（non-base vented foil）３９が用いられても良い。図３（ｂ）に示すベース通気翼（base vented foil）４１のように、空気供給源が、好ましくは用いられることが好適である。
【００３１】
調節可能な障害物の動きを実現するための如何なる適切な機構を用いても良い。重要なことは、不連続での内角が、その機構を介して圧力損失を生じさせないようにすることである。装置における後縁端部分３２の動きは、流体アクチュエータ、機械的なリンク機構、またはサーボ制御などにより達成されても良い。このような駆動装置は、適切なタイプの電気制御装置に操作可能に連結され、特定の用途に合わせて発生される揚力を調節するようにしても良い。このような制御により、不連続性の調節に基づく素早い揚力の変化が可能となる。低い必要動力と、素早い応答時間とにより、本発明の装置は、従来の水中翼装置の入射角制御に比較して、より効果的なものとなる。
【００３２】
調節可能な障害物の効果的な動きのための二つの可能性のある機械的機構を、図４および図５に示す。図４（ａ）では、調節可能な障害物は、後縁端部分４２により構成してあり、その部分４２は、回動板４６の手段により水中翼装置の主体部分４４に対して回動可能に装着してある。回動板４６は、回動ピン４８により主体部分４４の内部から回動可能になっている。典型的には、２以上の回動板４６が具備され、調節可能な障害物４２を支持するようになっている。回動板４６の存在は、水中翼の後縁端部分４２を支持するように機能するのみではなく、局所的な高圧領域を閉じこめ、そして、その領域が翼の表面を介して漏れることを防止するための手段を提供する。
【００３３】
好適には、回動板４６は、少なくとも突起の深さまで延び、上流側方向に、この距離（突起の距離）の少なくとも２倍のサイズである。回動板は、前縁端での圧力損失を抑制するように、水中翼装置の全長の後縁端に少なくとも位置すべきである。
【００３４】
図５はスライド移動機構を示し、その機構では、調節可能な障害物が、可動部分５０により構成してあり、その可動部分５０は、ギロチンのように、ガイドに沿ってスライド移動可能に装着してある。この実施形態では、ガイドは、水中翼装置の主体部分５４に対して固定してあるガイド板５２により構成してある。この機構もまた、ガイド板５２は、水中翼の表面を介して局所的高圧領域の漏れを最小限にすることを助ける。この案内板５２のサイズおよび位置に関しては、図４に示す回動板４６における説明と同様である。
【００３５】
本発明を、プロペラのブレードに適用する場合には、調節可能な障害物の動作は、プロペラのハブから通常は行われる。図６は、プロペラ動作のための適切な機構を示す。図６（ａ）は、プロペラのブレード５６を後縁側から見た図であり、ブレードの第１面６０から調節可能な障害物５８が突出可能になっている。前述した実施形態では、調節可能な障害物により提供される突起は、プロペラブレード５６の後縁端の近くに具備してあり、第１面６０上に面の不連続を形成している。使用に際しては、ブレードの第１面６０上における局所圧力の増大は、プロペラにより発生されるスラスト力（推進力）に実質的に貢献する。このことは、従来のプロペラ設計において、ほとんどの推力は、プロペラブレードの低圧側における吸引力により生成されることと著しい対比をなす。図６（ｂ）において、より明瞭に示すように、調節可能な障害物は、スライド移動可能板により構成してあり、そのスライド移動可能板は、ブレード５６の主体部分内に斜め方向に向けられたガイド孔６２内に支持され、スライド移動可能板５８がプロペラのハブから矢印Ｂ方向に駆動され、ブレードの移動方向に対して直角な方向に動作する。障害板５８は矢印Ｃ方向にスライド移動する。
【００３６】
図１〜６に示す水中翼装置の各実施例は、安定した流れの状態において特に適している。流れの不安定に基づき流速の変動が存在する場合には、図７に示すように、制御できない流れ状態の危険性がある。流速の変動のために、水中翼の上面（突起の反対側の面）に低圧領域が存在してしまうおそれがある。このような状態では、ベース通気空気キャビティが、図７（ｂ）に示すように、圧力の平衡を図るために、前方まで延びてしまう。キャビティの先端での剥離点（分離点）を規定することができなくなるので、不安定流れ状態となり、水中翼の上面に沿って剥離点６６が変化するにつれて、揚力が変動することになる。突起の前方における下面における局所的な高圧領域は、水中翼における下側面上に気泡の発生を抑制することになる。図７が一方向のみの揚力のための水中翼デザインにおける不安定状態を示すが、たとえば図２に示すように、双方の方向に揚力が生じるように設計された水中翼のいずれの面にも、同様な現象が生じる。波の中で動作する水中翼は、そのような振動を被ることがある。本発明の適用範囲を広め、振動する流れ状態においても良好に動作させるように、水中翼の上面に、さらなる不連続を具備させても良い。
【００３７】
図８は本発明の第３実施形態に係る水中翼装置７０を示す。図８の水中翼装置７０は、図１に示すものと同様であるが、装置の前縁端７４の近くに第２突起７２を有している点が異なる。装置７０は、装置の後縁端７８の近くに具備してある第１突起７６も有しており、図１の水中翼装置１０と同様に、第１面８０上に面の不連続を形成するようになっている。第２突起７２は、装置の第２面８２上に面の不連続を形成する。第２面８２上の不連続の機能は、広い範囲の流入角度にわたり、一定状態を維持する剥離点８４を規定することである。水中翼の第２面８２に沿って流れが移動するので、前縁端７４またはその近傍での不連続が流れを剥離させる。流れが剥離するところの角度θは、不連続での突起７２の表面における接線を選択することにより制御可能である。この点における接線の公正な選択により、図８（ｂ）に示すように、水中翼装置７０の後縁端をカバーするようにキャビティ形状が規定される。
【００３８】
第２突起７２により形成される不連続の後ろの領域では、空気供給源が、供給可能に形成されることが好ましく、第２面８２上の剥離流れの再付着を防止するようになっている。好ましくは、ベース通気後縁端７８のために形成された同様な空気供給源が使用される。流れを剥離させることで、第２面８２に沿う摩擦が低減され、キャビテーションの可能性が空気の入り込みと共に防止される。第２面８２での不連続の目的は、明確な流れの剥離と安定した流れ状態とを確保し、バフェッティング（不規則な振動や揺れ）を防止することである。
【００３９】
第２面８２上の不連続を付加する以前には、上面における局所圧は大気圧力よりも低い圧力になっていた。しかしながら、上面における不連続の付加により、上面が大気圧力で主として引き込まれることのために、発生する揚力が低減されることになる。この揚力の損失は、しかしながら、上面における摩擦力の低減と揚力の安定とにより相殺される。可成り高速の流れにおいても、上面の不連続はキャビィテーションおよび不安定を防止するために重要なものとなる。
【００４０】
従来の水中翼におけるこの機構の原則的な利点は、この部分における流速が、キャビィテーションの開始により拘束されないことである。剥離流れを確保するように、この部分を通しての十分な流速が維持されるべきである。この速度を超えても、空気の存在が、キャビィテーションを禁止し、安定流れ状態が実現される。
【００４１】
以前には、完全なキャビィテーション水中翼部分が高速用途に設計されていた。一般に、水中翼の全表面にわたり安定した蒸気キャビティを維持するためには、比較的に高い流入角度と高速流れとが要求される。このような高い流入角度は、水中翼の効率を低下させ、高い最低限速度の用途にしか適用できない。
【００４２】
不連続からの分離した領域を生成して空気の入り込みを許容することで、本発明は、流れに対する最小限の入射角度で比較的に薄い部分が使用されることを許容する。このことは、以前に設計されたキャビィテーション水中翼に比較して、本発明では、可成りの抗力の低減と、効率の向上とをもたらす。
【００４３】
しかしながら、本発明は、完全なキャビィテーション状態のために設計された水中翼部分にも適用することができる。
【００４４】
前縁端での不連続の利点は、図９に示すように、２方向に揚力を発生させるように設計された水中翼に対しても適用できることである。図９は本発明の第４実施形態に係る水中翼装置９０を示し、その装置では、第２突起９２が第１位置と第２位置との間で調節可能であり、第１位置では、装置の第２面９４において前縁端の表面に不連続を提供し、第２位置では、装置の第１面９６上において前縁端の表面に不連続が形成される。第２突起９２の第１位置および第２位置は、それぞれ図９（ａ）および図９（ｃ）に示される。この実施形態では、第２突起９２は、第２突起９２は、水中翼装置９０の前縁端部分により形成してあり、第１位置および第２位置の間を移動可能になっている。上部面不連続の前方に位置する水中翼の前縁端部分９２は、図９（ａ）および図９（ｃ）に示すように、水中翼の後縁端部分９８に対して反対方向に移動可能に配置してある。水中翼における前縁端部分９２の移動機構は、末尾部分９８の移動機構に用いられるものと同様である。水中翼装置９０における二つの移動部分は、機械的に連結してある。
【００４５】
この装置における一つの利点は、図９（ｂ）に示す中間移動位置にあり、その位置では、水中翼の双方の表面９４および９６が、空気キャビティによりもたらされる摩擦力の低減の利益を受ける。図８に関連して述べたように、剥離点における接線は、水中翼の末尾部分の全体を覆うキャビティを形成するように規定されるべきである。水中翼の主体部分に対する不連続の深さは、流れの振動に基づくキャビティの振動に打ち勝つように、さらなるキャビティ容積を提供するように増減しても良い。前縁端における不連続の配置は、前縁端の近くにおいて空気の供給が常に維持されることを確保する。この配置構成は、たとえば方向舵などの制御表面のために特に適している。
【００４６】
このような配置構成を採用するに際しては、一方向および他の方向に揚力を発生させる間に、水中翼の前縁端後角にキャビィテーションのポケットを誘発させないように注意すべきである。高速流れの用途では、付着流れの領域のために、ベース通気キャビティ内に含まれる空気供給源前縁端部分まで届くことができず、その付着流れの領域の前方にキャビィテーションのポケットが存在することが生じる。このような状況は、効率を落とすことには成るが、前縁端部分の近くで水中翼の両側において、絶えず不連続を維持し、水中翼の両側に通気されたキャビティを維持することにより解消することができる。水中翼の下側に著しい末尾摂動深さが提供される場合には、高圧領域が通気を抑制し、揚力を発生することになる。
【００４７】
本発明をプロペラに適用することで、従来のプロペラに比較して著しい利点を得ることができる。従来の船舶用プロペラでは、流体にキャビィテーションを生じさせないようなブレードの局所速度に限定されている。ブレードの強度のための限界厚みを考慮すると、非キャビィテーションブレードの実際的な限界は、典型的には、２５〜３５メートル毎秒の範囲である。
【００４８】
局所的なブレード速度は、プロペラディスクの範囲への流入速度成分と、プロペラの回転による速度成分とから成る。プロペラディスクへの流入速度が増大するにつれて、プロペラ回転による速度成分は、ブレードの全長にわたりキャビィテーション無し流れを維持するために低減されなければならない。キャビィテーションを防止するためには、効果的に流入角度を低減するようにブレードのピッチを増大させることが必要となる。そのようにすると、水中翼の揚力は、船舶の推力を低減させることになり、プロペラのトルクを増大させ、結果として効率を落としてしまう。
【００４９】
本発明では、キャビィテーションの開始による制限を受けないので、プロペラの回転速度を可成り高い状態に維持することができ、要求される推力の方向に作用する揚力成分を増大させることができる。比較的に薄い翼部分と、プロペラの回転に近い配置とが、トルクを低減し、および／または、より大きな効率を提供する。また、さらに高い回転が、大きな動力を伝達するための機械的要素および軸機構の設計に必要とされる動力を低減させることができる。断続的なキャビィテーションの結果に基づく衝撃負荷も避けることができる。
【００５０】
プロペラの高速回転は、誘起される抗力を低減するようにも作用する。誘起される抗力は、揚力の形成に基づく抗力要素である。誘起される抗力のさらなる低減は、幾何学的に配置されたプロペラブレードのアスペクト比を効果的に増大させることにより、またはエンドプレートまたはウィングチィップの使用によっても達成することができる。
【００５１】
高回転速度は、通過する流体により生じる高いモーメント変換を許容し、そのために高いディスク負荷を許容し、あるいは、同じ動力に対して使用される小さいプロペラを許容する。このことは、高出力が伝達される場合、またはプロペラディスクの空間が限定されている場合などに特に有益である。
【００５２】
摂動高さを調節可能にすることで、完全なブレード入射角度制御に比較して、より少ない構造的な限界でもって、制御されたピッチプロペラの利点を達成することができる。これは、ブレードの大部分をハブに対して剛性的に固定できるからである。このハブには、本発明の効果的な作用のために、必要とな空気供給源を提供するために通気される必要がある。付加的な利点として、このような配置構成は、完全に濡れる従来のブレードのために使用されるものに比較して比較的に強いブレード部分形状の採用を許容することになる。このことは、キャビティの内部および下部摂動の末尾の双方において、形状がクリティカルなものではないことに基づく。さらに、このような配置構成を採用するために要求される表面平滑度は、キャビィテーションの近くで操作する従来のプロペラに比較して、それほど性能には影響しないと言う利点もある。
【００５３】
改良された水中翼のさらなる利点は、摂動により生成される過大圧力領域の後方位置と上面における安定な空気キャビティが、流入角度の変化と自由表面の影響に対する翼部分の揚力の感度を最小限にすることである。この現象により、自由表面の近くで動作する上昇用水中翼の用途、およびプロペラブレードの圧力表面が先行するブレードの通気キャビィテーションの近くで動作するプロペラの用途において、特に有益である。
【００５４】
水中翼の上面にわたる圧力の減少から揚力を基本的に発生させる従来の水中翼では、自由表面から低圧領域へと水中翼が空気を引き込み、結果として揚力の損失となるという危険性が存在する。改良された水中翼の上面は既に通気されているので、予期しない揚力損失の危険性がない。実際、この装置は、上面が水面より超えた状態（予想状態）でも、効果的に上方の揚力を発生させるように動作することができる。
【００５５】
従来の水中翼では、翼部分の前縁端野近くにおいて、上面における圧力の減少が最も重要である。波の軌道速度成分に基づく入射角度の小さい変化は、水中翼に対する流入角度の変化となり、予期しない大きな力の変動をもたらすかもしれない。本発明の改良された水中翼では、揚力中心を前縁端から末尾方向に偏らせることで、これらの影響を最小限にしている。
【００５６】
図１０は第５実施形態に係る改良された水中翼装置を示す。この実施形態では、水中翼部分の形状は、前縁端と後縁端とで同じ形状にしてあり、同じ水中翼を用いて、流れの方向に依存して上方および下方に揚力を発生させるようにしてある。図１０の水中翼装置１００に示すように、第１面１０４における第１突起１０２が第２面１０８における第２突起１０６と同様な形状に成形してある場合には、図１０（ｂ）および図１０ｃ）にそれぞれ示すように、流れが逆になった場合には、水中翼は下方の揚力を発生させるように使用することができる。このような配置構成は、プロペラの用途に用いて特に効果的である。従来では、現在まで、使用される水中翼部分は、一方向にのみ流れるように設計してあった。流れ方向が逆になる時には、プロペラの回転方向を逆にするが、従来のプロペラの性能は、著しく低下していた。プロペラのブレードに適用される改良された水中翼部分では、いずれの方向においてもプロペラの回転により同様な性能を発生させることができる。プロペラのブレードに適用された場合には、突起１０２および１０６は、プロペラの負荷を推進システムの負荷に細かく調和するように使用することができる。もしプロペラが、ブレードの下側における突起の高さを高くして製造される場合には、プロペラが推進システムに適合するまで、材料を漸次除去すればよい。
【００５７】
図１０の改良された水中翼は、二つの可能な流入方向で二つの方向に揚力を発生するように配置することもできる。図１１の実施形態では、二つの端部分１１０，１１２が、水中翼部分の主体部分１１４の各端部に回動自在に装着してある。各端部分１１０，１１２は、上方または下方の面のいずれかに対して突き出るように偏向されることができる。また、何れかの方向に発生する揚力は、その突出高さを変化させることにより制御することができる。図９に示す２方向揚力水中翼と同様に、双方の前縁端不連続に対して空気供給が可能となることを確保するようにすることが重要である。前縁端の不連続における表面の接線点は、翼の後端部分である水中翼の可動部分をキャビティが包み込むことを確保するように規定されるべきである。
【００５８】
本発明の関連する用途は、図１２に示すように、翼部分のベース上に調節可能な摂動体１１８を持つベース通気部分１１６の使用に関する。この実施形態では、前縁端の近くでの不連続は省略され、翼部分の両側に正圧の勾配を維持するように発散部分が用いられ、キャビィテーションおよび通気（ventilation）の双方が防止されている。空気供給源は翼部分の後端部で供給され、後端摂動体１１８が、揚力が発生する翼部分の側と、その揚力の大きさとの双方を変化させるように、使用されている。
【００５９】
このような翼部分は、本発明の基本的な形態を採用する要素に連結される支柱であって、水面の上または近くの構造と共に水面下で動作するものの使用に用いて好適であることが理解される。このような支柱部分は、揚力発生表面を支持するために必要とされる増大した翼部分の強度特性から利益がある。また、大きなベース通気キャビティは、水面下要素への適切な空気供給を提供するように作用する。このような用途の１例としては、方向舵と空気供給通路と構造的支持との機能を組み合わせた支柱を持つ水中下の通気水中翼部分のための表面貫通支柱がある。同様な配置構成は、プロペラブレードのために本発明が用いられるところのＺ軸駆動推進の用途にも用いることができる。
【００６０】
本発明に係る改良された水中翼装置のいくつかの実施形態が詳細に説明されたので、本発明の装置は、従来の水中翼に比較して、優れた利点を持つことが明らかである。特に、力の発生の重要度を、水中翼の低圧側から高圧側に移すことで、本発明は、従来の非キャビィテーションおよび完全キャビィテーション水中翼における幾多の制約に打ち勝つことができる。本発明の改良された水中翼装置は、動力の発生、動的支持のための装置、推進力の発生、方向制御、または、従来の水中翼またはキャビィテーション水中翼が使用されるその他の用途に広く用いることができる。このような用途としては、ポンプ、水流タービン、方向舵、制御用フィンおよび流体媒体中で動作する推力発生器なども含む。この本発明の装置は、キャビィテーションが性能を制限し、広範囲な流入速度が予想されるような用途に対して特に適している。
【００６１】
本発明の基本的な概念から逸脱することなく、上述した実施形態に加えて、この分野における当業者にとっては、種々の改変と変更が可能である。たとえば上記実施形態の各々では、水中翼部分は、同様な形状である。しかしながら、本発明に係る改良された水中翼装置は、対応する用途に基づき、如何なる形状であっても良い。このような全ての改変と変更とは、本発明の範囲内と見なされ、本発明の特質は、先行する説明と添付する請求項とから明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）および（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る水中翼装置を示す図である。
【図２】  図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本発明の第２実施形態に係る水中翼装置を示す図である。
【図３】  図３（ａ）および（ｂ）は図２の水中翼装置の変形例を示す図である。
【図４】  図４（ａ）および（ｂ）は図２および図３の水中翼装置のための調節可能な障害物体を提供するための機械的機構の一例を示す図である。
【図５】  図５（ａ）および（ｂ）は図２および図３の水中翼装置のための調節可能な障害物体を提供するための機械的機構のその他の一例を示す図である。
【図６】  図６（ａ）および（ｂ）はプロペラの水中翼ブレードのための調節可能な障害物体を提供するための機械的機構の一例を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図７】  図７（ａ）および（ｂ）は図１の水中翼装置の表面を分離して流れる状態を示す図である。
【図８】  図８（ａ）および（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る水中翼装置を示す図である。
【図９】  図９（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の第４実施例に係る水中翼装置を示す図である。
【図１０】  図１０（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の第５実施例に係る水中翼装置を示す図である。
【図１１】  図１１（ａ），（ｂ）および（ｃ）は図１０の水中翼装置の変形例を示す図である。
【図１２】  図１２は本発明の第６実施例に係る水中翼装置を示す図である。
【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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【図１２】
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