船舶工学
AZIPOD(Azimuthing Electric Propulsion Drive)と呼ばれるポッド内に電動機を備えてプロペラを駆動するもので、もともとは砕氷船用に開発され、その後、低騒音・低振動のため大型客船にも採用されている。2004年に建造された「はまなす」「あかしあ」の2隻の高速フェリーは通常位置のプロペラに加えて、その後部の本来なら舵がある位置に電動推進ポッドを持つことで、通常の航海時には向き合った2つのプロペラが二重反転プロペラとなり効率のよい推進器となり、港での細かな操船が必要な場合には、360度自由に向きを変える電動推進ポッドが活躍する。「はまなす」は「シップ・オブ・ザ・イヤー'04」を受賞した。
サイドスラスター、舵、これらが不要
電動機との相性がよく、電動機であれば以下の点も利点となる
エンジンからプロペラまでの推進軸が不要、これは同時に軸心見通し作業が不要となり、その他の船体建造作業も単純化できる
砕氷船や砕氷タンカーに電動機を内蔵するポッド型推進器が多く使用されるのは、通常の船が受けるこれらの利点だけではなく、通常航行時にはバルバス・バウを備えた船首を前にして進み、氷を割って進む時には船体を逆に使って通常の船尾を前にしてポッドの向きを180度変えて「後進」状態で氷を割ってゆく「Double Acting」という推進方法を用いるためである。
シュナイダー・プロペラは2つのローターより突き出たそれぞれ4-6枚のブレードの取り付け角を連続的に変えて任意の方向への推力を与えることが出来る推進器である。「フォイト・シュナイダー・プロペラ」「トロコイダル・プロペラ」「サイクロイダル・プロペラ」とも呼ばれる。従来はタグボートなどで使用されていたが、21世紀になってからはポッド推進の登場によって、幾分効率の悪いこの方式は減っている。舵は必要なく、その場での回転を含めて自由な操船が行なえる。
ウォータージェット推進は船底から水を取り込み、導入流路を絞り幾分加圧された環境下でプロペラによって高圧にして吐出ノズルから後方に噴き出すしくみである。ノズルを可変にすると舵の機能を持たせられ、前方へのリバースドア(後進バスケット)を備えれば逆進も可能になる。
通常のプロペラ推進ではキャビテーションの発生による高速回転域での制限があるが、この方式では流路を狭めることで40-50ノットでの高速航行時にも高回転・高圧力が維持できる。高速船での使用だけでなく、岩場でスクリューを傷めたり魚網を巻き込んだりしないため浅瀬や河川を航行する船にも使われる。沿岸警備において不審船や密漁船が故意にロープや漁網を絡ませ進行を妨害することを防止可能であることから採用されることもある。
大きな水車(外輪)を回転させて水をかいて進む。パドル式とも呼ばれる。スクリュー・プロペラの登場によって推進効率が低く破損しやすい外輪船(外車船)は時代遅れとなり、琵琶湖汽船の「ミシガン号」のような一部の観光用途を除いては使用されていない。外輪を船体の左右側面に備えるものと、船体後部に1つ備えるものの2つの形式がある。
1845年4月3日にイギリス海軍が当時登場したスクリュー・プロペラの能力を試すため、800トンで200馬力同士の外輪船「アレクト」とスクリュー船「ラトラー」に綱引きさせた実験が有名である。2.5ノットでスクリュー船が引き勝ったことや、外輪は大きく重く、また、敵の砲撃や強い波浪によって容易に破損するなど、多くの点でスクリュー・プロペラに劣っていたため、イギリス海軍は以降、スクリュー・プロペラを軍艦の推進器に採用した。(詳しくは蒸気船を参照。)
アルキメデスのねじの原理を応用した「アルキメディアン・スクリュー」は砕氷船のガリンコ号のような特殊な船で使われている。ガリンコ号では大きな4本のねじ型回転部が砕氷器と推進器を兼ねていて、流氷や氷上、雪上、柔泥地でもそのまま進むことができる。
船の主機関からプロペラまでの船の推進軸に関わる装置類はまとめて軸系装置と呼ばれる。
以下に主機関から順に列記する。
スラスト・ブロック(推力軸受)
軸封装置(シール装置)
推進器が通常のプロペラと異なり、ポッド推進器やウォータージェット推進、シュナイダープロペラ、外輪車の場合はこれらのいくつかや、多くが不要となり他の形式を必要とするものが多い。
プロペラで発生した推進力を船体に伝える働きをするスラスト・ブロックは主機関や減速歯車に一体となって取り付けられる場合が多い。エンジン回転数が遅い場合は減速歯車は不要となる。
大きな船で推進軸が長い場合には1本またはそれ以上の中間軸とそれを保持する軸受けを備えるが、推進軸が短い場合には中間軸を持たずにプロペラが取り付けられるプロペラ軸だけを備える船がある。中間軸とプロペラ軸とは軸継ぎ手で接続される。基本的には、船舶での推進軸は自在継ぎ手によって途中の角度が変えられることはあまりなく、角度の変更が必要な場合には歯車が使用される。
船尾管は船体を貫くプロペラ軸を通すための管であり、軸封装置(シール装置)によって船体外部の水が内部に侵入しないようにしながら、プロペラ軸を保持して円滑な回転を助ける働きを持つ。
シャフトブラケットは多軸推進船に固有の部品であり、プロペラまで水中に長く突き出たプロペラ軸を保持する。1軸推進船ではシャフトブラケットは不要となる。
中間軸やプロペラ軸は、小型船では中まで詰った中実の軸が使われるが、大型船では内部がカラの中空軸が使われる。金属製の中間軸やプロペラ軸は電気を通さない潤滑油等で覆われているために、そのままでは海水と接する面で電気的な腐食が生じる。この腐蝕を防ぐために船体と軸を金属ブラシなどで電気的に接続して、電位を同一にすることで、腐蝕を船尾の防蝕アノードに限定するようになっている。
プロペラは推進軸によって機関室のエンジン、又は減速機と接続されており、このプロペラと推進軸が1組のものが1軸推進と呼ばれ、2組や3組のものが2軸推進、3軸推進と呼ばれる。2軸推進以上では水中での推進軸の露出部が長いために、シャフトブラケットと呼ばれる推進軸の支持構造を持つ船が多い。1軸推進では舵はプロペラ直後に1つだけ持つのが一般的であるが、2軸推進以上では、プロペラ直後に備える他にも船体中央に備える方法もある。
アルミは鋼鉄に比べて腐蝕を起こしにくいため、水に浸かり続ける船体には適した金属であるが、長い時間の経過と共に少しずつ腐蝕は進行するため、やはり塗装は必要となる。
鋼鉄の船体では塗装は必須であるが、特に異種金属腐蝕も問題となる。電解質溶液中にイオン化傾向の異なる金属をつなげて浸しておくと、一方の低電位の金属が激しく腐蝕を受ける現象である。
この現象はボルタ電池として利用されることもあるが、船ではほとんどのプロペラに銅合金が使われているため、陽極(+極)となる船尾の鋼鉄を激しく腐蝕する。このため、犠牲となって溶ける亜鉛などの「アノード」(Anode)と呼ばれる金属片をプロペラの周囲に貼り付けて、船体の腐蝕を防ぐ。この方法を「犠牲防蝕」と呼ぶ。
船客の船酔いを防ぎたい客船はもとより、貨物の荷崩れ防止のために多くの貨物船でも、何らかの減揺装置は備わっている。下記の装置のほかにも、四角ばった船体横断面形を採用するのは揺れを抑える工夫である。
小型船を除くほとんどの船では、ローリング(Rolling)を抑制して安定した航走の為に「ビルジキール」(Bilge Keel)と呼ばれるフィンが船体の2/3程の長さに渡って船底の両側面の角に取り付けられている。
フィン・スタビライザー
多くの大型船では、同様の理由で船体の動揺を減少するように電動で動く「フィン・スタビライザー」(Fin Stabilizer)と呼ばれる小さな金属製の翼、「フィン」が船底両側面に取り付けられていて、航海中の船の揺れをセンサーが感知して、フィンの角度を自動的にコントロールすることで、フィンの揚力によって揺れを抑える。速度が高いほど効果が表れ、横揺れ(ローリング)を減少させるが、船速が遅い場合は効果が低く、停船中は機能しない。水の流れがなくてもフィンを油圧によって上下に動かすことで減揺能力を発揮する「上下振動型フィン・スタビライザー」が考案されている。
アンチローリング・タンク
減揺水槽(アンチローリング・タンク)の水の移動によって左右の揺れ(ローリング)を抑制する。両舷の水タンクとそれらを結ぶかなり太いパイプにより構成される。簡単な装置の割には比較的有効に揺れを抑えられるが、必ずしも揺れに対応した最適な水の動きが生じる訳ではなく、このような受動型の減揺水槽では能力に限界がある。21世紀に入って水の移動に伴って動く空気の流れを電磁弁でコントロールすることで積極的に減揺特性を最適化させるアクティブ式の減揺水槽が一般化している。
船の重心から離せば効果が増すため比較的高い位置に置かれることが多いがそれだけ重心が高くなる。船の排水量の2-3%程度の水による重量も増し、場所も占めるために客船以外で使用されることはあまりない。
可動質量型減揺装置では金属のかたまりのような重りをモーターの力で左右に動かすことでローリングを抑制する装置であり、減揺水槽での効果を最適にするようコントロールできるとされているが、まだ装備している船はない。
アンチピッチング・スタビライザー
揺れには横揺れ(ローリング)だけでなく縦揺れ(ピッチング、Pitching)や上下揺れ(ヒービング、Heaving)もある。縦揺れを抑制するために船首ビルジ部にフィン・スタビライザーを付けるアンチピッチング・スタビライザーが考えられているが、まだ装備している船はない。縦揺れと上下揺れは水から受けるエネルギーが横揺れに比べて大きく、有効な減揺装置の開発はなかなか困難であると考えられている。
大型船が港に入港する時には小回りが効かないためにタグボートで押したり曳いたりしてもらって接岸することがある。多くの大型船、特に大型客船では「サイドスラスター」と呼ばれる横方向に小さな推進力を備えた船が多い。サイドスラスターは水面下で船体を左右に貫くトンネルとその中で回転する電動スクリューにより構成される。
船首側にあるものは「バウスラスター」、船尾側にあるものは「スターンスラスター」と呼ばれる。
複数のサイドスラスターを持つ船も珍しくなく、大型客船では船首に3つ、船尾に3つ備える船も現れている。航行中に舵の代りに使おうとしても、前後方向の水流にじゃまされてスラスターの横推力が発揮できなくなり、5ノット程度を境に使用されない。推進器の方向が変えられるアジポッドなどを備える船は、それによって自由な操船が行なえるために、普通はサイドスラスターを持たない。
船体の強い振動は人間にとって不快であり、船体構造材の金属疲労の原因にもなるため、船舶工学にとって振動軽減は重要なテーマとなっている。
船舶で使用されるエンジンは多くが大きな騒音と振動を生み出すため、特に客船ではエンジンの基部をゴムを介して保持したり、客室がある上部船体をゴムによって浮かして保持するなどの工夫がある。騒音と振動の抑制が比較的簡単な高周波ノイズを主に生むタービン機関の採用も客船では多い。
プロペラの回転時に翼の1枚1枚が作る圧力波が船底部の外板を叩くために船体に強い振動が発生する。これを避けると同時に燃費を改善する方法として、ハイスキュード・プロペラの採用がある。
スキューによってプロペラが作る水中の圧力が連続的となり、振動が小さくなる。
大まかに言えばディーゼル・エンジンの出力はシリンダー内の体積に比例するが、低速で航海する船体が受ける抵抗は水と接する表面積に比例する。このため、3乗の出力効率と2乗の抵抗成分によって船の大型化が輸送効率という意味での燃費効率の向上につながる。
船舶用のディーゼル・エンジンは長ストローク化や低回転化、排気タービン過給器やインタークーラーの装備によって大きく燃費が向上した。また、ディーゼル・エンジンで電子制御システムを採用して、燃料噴射と排気弁の制御タイミングを最適化することで、燃費を向上しながらNOx排出量を抑制している。
プロペラは出来るだけ大きなものを1つだけ水中でゆっくりと回すのが効率が良くなる。多軸推進は経済性の面では不利となる。2重反転プロペラは回転エネルギーが効率よく推進力に変換できるので燃費向上には有利となる。
排水量型船体の高速化は造波抵抗と粘性圧力抵抗の急速な増大化を招き、摩擦抵抗も比例して増大するが、ウェーブ・ピアーサーのような船型によって大きな抵抗の増大が避けられ、高速を生かして1隻で2隻分の働きを行なえるなら人件費や燃料費、船体購入費やメンテナンス費などの総合的なコストを勘案すれば必ずしも割高とは限らないといえる。
ただ、東京⇔小笠原航路に就役予定で東京都が三井造船に求めた高速船「スーパーライナーオガサワラ」号の事例では、14,500総トンの船体で最高速度39knを実現したものの、定員740人で運べる貨物はたった210トンであり、しかも往復で700トン以上の燃料を消費することから、計画は白紙に戻されて完成した船体の使い道がなくなってしまう事態となった。
このように、高速船を長距離航路で運用することはコスト的に引き合わない可能性が高い。