JP2018172081A - ハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】ハブ渦が造る乱れた流れを整流・回収して推進性能を向上させるハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶を提供すること。【解決手段】船体１１の船尾に設けられるプロペラ２０と、プロペラ２０のさらに後方に設けられる舵３１と、舵３１のプロペラ２０の中心線Ｃが通る位置に設けた舵バルブ３２とを備え、舵バルブ３２がプロペラ２０の中心部に設けられるプロペラボス２１の後方に生じるハブ渦を内部に流入させる流入口３２Ａと後方に流出させる流出口３２Ｂを有した中空構造である。【選択図】図１

Description

本発明は、ハブ渦によって造られた運動エネルギーを制御することで推進性能を向上させるハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶に関する。

図４は、従来の船舶におけるプロペラ後方のハブ渦と旋回流を示す図であり、図４（ａ）は船舶の船尾を示す側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のプロペラハブと舵との間における水流の向き及び速度を示す図である。
船舶１００は、船体１０１の船尾に設けられたプロペラ１１０と、プロペラ１１０の後方に設けられた舵１２０とを備えている。
プロペラ１１０の造るハブ渦Ａは、プロペラボス１１１の後方から舵１２０に向かって伸びている。図４（ｂ）においては、矢印で半径及び接線方向の水流の向き及び速度を示し、色の濃淡でプロペラ軸方向の水流の速度を示している。ハブ渦の中心部はその周囲よりも流れが遅くなっていることが分かる。
プロペラ１１０によって誘起されるハブ渦Ａは、旋回流の運動エネルギーロスに繋がるため、ハブ渦Ａの抑制等を目的として、プロペラ１１０の後方に配置された舵１２０に舵バルブを設けることが従来から提案されている。
例えば、特許文献１には、ハブ渦を消去して推進効率を向上させることを目的として、舵ブレードの前縁部に最大径がプロペラボス径の約１．２０−１．３０倍のラダーバルブを設けた船舶用舵が開示されている。
また、特許文献２には、簡易な構成で船舶の推進効率を向上させることを目的として、舵板に設けられたバルブと、プロペラボスに設けられ、プロペラの後方に向かって拡径してバルブの前端面を覆うカバー部材とを備え、カバー部材が、バルブと共に略紡錘形状の表面を形成するようにドーム状に湾曲した推進装置が開示されている。
また、特許文献３には、ハブ渦を拡散できるとともに舵面上の整流を行うことを目的として、略円形の横断面の直径が舵前縁側から舵後縁側に向かって漸次減少するように形成されたバルブと、バルブを囲むように設けられたリング体とを備えた船舶用舵が開示されている。

特開２０１５−１３１６３２号公報 特開２０１５−７４４３４号公報 特開２０１５−１２７１８１号公報

しかし、特許文献１から特許文献３は、舵板に設けられた舵バルブによってハブ渦を拡散しようとするものであり、ハブ渦を舵バルブの内部に流入させ、ハブ渦が造る乱れた流れを整流・回収して船舶の推進性能向上を図るものではない。

そこで本発明は、ハブ渦が造る乱れた流れを整流・回収して推進性能を向上させるハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶を提供することを目的とする。

請求項１記載に対応したハブ渦制御装置においては、船体の船尾に設けられるプロペラと、プロペラのさらに後方に設けられる舵と、舵のプロペラの中心線が通る位置に設けた舵バルブとを備え、舵バルブがプロペラの中心部に設けられるプロペラボスの後方に生じるハブ渦を内部に流入させる流入口と後方に流出させる流出口を有した中空構造であることを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、舵バルブの内部にハブ渦を流入させ、ハブ渦が造る乱れた流れを整流し加速して後方に流出させることにより、船舶の推進性能を向上させることができる。

請求項２記載の本発明は、プロペラボスのプロペラボス外径に対する舵バルブの舵バルブ外径の外径比を、０．８以上２以下とすることを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、プロペラボスの後方に生じるハブ渦に対して、舵バルブを最適な大きさとして自航要素の改善や推進性能の向上などによる省エネ効果を大きくすることができる。

請求項３記載の本発明は、プロペラボスの後端と舵バルブの前端との距離が、プロペラ直径の０．１％以上１０％以下とすることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、舵バルブに設けた流入口がプロペラボスに近くなり、プロペラボスの後方に生じるハブ渦が逸れることなく舵バルブの内部に流入しやすくなる。

請求項４記載の本発明は、流入口を舵バルブの前端部に有することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、舵バルブに設けた流入口の位置がプロペラボスの後方となり、ハブ渦が舵バルブの内部に直接流入しやすくなる。

請求項５記載の本発明は、流入口を舵の圧力分布の低い箇所に有することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、ハブ渦が舵バルブの内部に吸い込まれて流入しやすくなる。

請求項６記載の本発明は、流出口を舵バルブの後端部に有することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、舵バルブの内部に流入させた水を、より後方で流出させることができる。

請求項７記載の本発明は、流出口に対する流入口の口径比を１以上５以下とすることを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、流出口が流入口と同径かそれよりも小さいため、内部に流入させた水をさらに加速させて、ウォータージェット効果により推進力を増すことができる。

請求項８記載の本発明は、舵バルブを舵の前縁から後縁に亘って設けることを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、舵バルブが長くなるため、取り込んだハブ渦を舵バルブの内部でより整流・加速して流出させることができる。また、後方に流出されるハブ渦が舵の影響を受けることや、舵自身が流出されるハブ渦の影響を受けることを抑制できる。

請求項９記載の本発明は、舵バルブの前端が、舵の前縁と一致して設けられることを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、舵バルブの前端を舵の前縁よりも前方に突出して設ける場合と比べて、プロペラを後方に設置することができる。これによりプロペラの直径を大きくして、推進効率を向上させることができる。

請求項１０記載の本発明は、舵バルブの前端が、舵の前縁よりも前方に突出して設けられることを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、通常のプロペラ位置及びプロペラボス形状を変更することなく、舵バルブの前端とプロペラボスの後端を近接させることができる。

請求項１１記載の本発明は、舵バルブの前方に突出した部分にハブ渦に作用する外部回転体をさらに備えたことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、外部回転体の回転によって舵バルブの外側に逸れたハブ渦による旋回流を整流することができる。

請求項１２記載の本発明は、中空構造の中に内部に取り込んだハブ渦に作用する内部回転体をさらに備えたことを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、内部回転体の回転によって舵バルブの内部に流入したハブ渦による旋回流を一層整流することができる。

請求項１３記載の本発明は、流入口及び／又は流出口に蓋手段を備えたことを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、舵バルブの内部に不具合が生じた場合などには、蓋手段で流入口及び／又は流出口に蓋をすることで、舵バルブの内部へのハブ渦の流入を停止し、従来同様の舵バルブとして運用することができる。

請求項１４記載に対応したハブ渦制御舵においては、ハブ渦制御装置に用いられる舵と舵バルブとを備えたことを特徴とする。
請求項１４に記載の本発明によれば、省エネ効果に優れたハブ渦制御舵を提供できる。

請求項１５記載に対応した船舶においては、ハブ渦制御装置を船体に装備したことを特徴とする。
請求項１５に記載の本発明によれば、省エネ効果に優れた船舶を提供できる。

本発明のハブ渦制御装置によれば、舵バルブの内部にハブ渦を流入させることにより、ハブ渦が造る乱れた流れを整流し加速して後方に流出させることにより、船舶の推進性能を向上させることができる。

また、プロペラボスのプロペラボス外径に対する舵バルブの舵バルブ外径の外径比を、０．８以上２以下とする場合には、プロペラボスの後方に生じるハブ渦に対して、舵バルブを最適な大きさとして自航要素の改善や推進性能の向上などによる省エネ効果を大きくすることができる。

また、プロペラボスの後端と舵バルブの前端との距離が、プロペラ直径の０．１％以上１０％以下である場合には、舵バルブに設けた流入口がプロペラボスに近くなり、プロペラボスの後方に生じるハブ渦が逸れることなく舵バルブの内部に流入しやすくなる。

また、流入口を舵バルブの前端部に有する場合には、舵バルブに設けた流入口の位置がプロペラボスの後方となり、ハブ渦が舵バルブの内部に直接流入しやすくなる。

また、流入口を舵の圧力分布の低い箇所に有する場合には、ハブ渦が舵バルブの内部に吸い込まれて流入しやすくなる。

また、流出口を舵バルブの後端部に有する場合には、舵バルブの内部に流入させた水を、より後方で流出させることができる。

また、流出口に対する流入口の口径比を１以上５以下とする場合には、流出口が流入口と同径かそれよりも小さいため、内部に流入させた水をさらに加速させて、ウォータージェット効果により推進力を増すことができる。

また、舵バルブを舵の前縁から後縁に亘って設ける場合には、舵バルブが長くなるため、取り込んだハブ渦を舵バルブの内部でより整流・加速して流出させることができる。また、後方に流出されるハブ渦が舵の影響を受けることや、舵自身が流出されるハブ渦の影響を受けることを抑制できる。

また、舵バルブの前端が、舵の前縁と一致して設けられる場合には、舵バルブの前端を舵の前縁よりも前方に突出して設ける場合と比べて、プロペラを後方に設置することができる。これによりプロペラの直径を大きくして、推進効率を向上させることができる。

また、舵バルブの前端が、舵の前縁よりも前方に突出して設けられる場合には、通常のプロペラ位置及びプロペラボス形状を変更することなく、舵バルブの前端とプロペラボスの後端を近接させることができる。

また、舵バルブの前方に突出した部分にハブ渦に作用する外部回転体をさらに備えた場合には、外部回転体の回転によって舵バルブの外側に逸れたハブ渦による旋回流を整流することができる。

また、中空構造の中に内部に取り込んだハブ渦に作用する内部回転体をさらに備えた場合には、内部回転体の回転によって舵バルブの内部に流入したハブ渦による旋回流を一層整流することができる。

また、流入口及び／又は流出口に蓋手段を備えた場合には、舵バルブの内部に不具合が生じたときなどには、蓋手段で流入口及び／又は流出口に蓋をすることで、舵バルブの内部へのハブ渦の流入を停止し、従来同様の舵バルブとして運用することができる。

本発明のハブ渦制御舵によれば、省エネ効果に優れたハブ渦制御舵を提供できる。

本発明の船舶によれば、省エネ効果に優れた船舶を提供できる。

本発明の実施形態による船舶の船尾を示す一部透視図 本発明の他の実施形態による船舶の船尾を示す一部透視側面図 本発明のさらに他の実施形態による船舶の船尾を示す側面図 プロペラ後方のハブ渦と旋回流を示す図

以下に、本発明の実施形態によるハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶について説明する。

図１は、本発明の実施形態による船舶の船尾を示す一部透視側面図である。
本実施形態によるハブ渦制御装置は、船舶１０の船体１１の船尾に設けられるプロペラ２０と、プロペラ２０のさらに後方に設けられるハブ渦制御舵３０とを備える。プロペラ２０の中心部には、プロペラボス２１が設けられている。
ハブ渦制御舵３０は、舵３１と、舵３１に配置された舵バルブ３２から成る。

舵バルブ３２は、舵３１の両側に左右対称に設けられており、前方から後方にかけて徐々に径が小さくなるテーパー型である。なお、舵バルブ３２を、前後方向に同一の直径を有する円筒型とすることもできる。
舵バルブ３２は、プロペラ２０の軸方向の中心線Ｃが通る位置に設けられており、前端部と後端部に開口を有している。舵バルブ３２は、内部が中空構造になっており、前端部の開口（流入口３２Ａ）と後端部の開口（流出口３２Ｂ）は連通している。これにより、流入口３２Ａから舵バルブ３２の内部に水を流入させ、流出口３２Ｂから流出させることができる。
ここで、プロペラ２０によって加速された流れが舵３１に至ると、舵角が付いていない（いわゆる通常航海時。当て舵影響は考慮しない）場合、舵バルブ３２の前端部や両舷の舵側面に負圧が生じる。舵バルブ３２の内部に水を吸い込みやすくするためには、流入口３２Ａをこの負圧部分に位置させることが好ましい。
従って本実施形態では、舵バルブ３２の前端部に流入口３２Ａが設けてあり、プロペラボス２１の後方に生じるハブ渦は、負圧の吸い込み効果によって流入口３２Ａから舵バルブ３２の内部に流入し、流出口３２Ｂから流出する。舵バルブ３２の内部にハブ渦を吸い込み、ハブ渦が造る乱れた流れを整流し加速して後方に流出させることにより、船舶１０の推進性能を向上させることができる。また、流入口３２Ａを舵バルブ３２の前端部に有することにより、舵バルブ３２に設けた流入口３２Ａの位置がプロペラボス２１の後方となり、ハブ渦を舵バルブ３２の内部に直接流入させやすくなる。

舵バルブ３２の中空構造の中には、内部回転体４０が配置されている。内部回転体４０は例えばインペラーであり、この内部回転体４０によって、舵バルブ３２の内部に流入したハブ渦による旋回流がさらに整流され、省エネ効果を生ずる。
内部回転体４０は、駆動機構（図示無し）によって回転させることもできるが、水流によって回転する方式としたほうが、構成の容易性及びコスト面から有利である。

なお、上述のように両舷の舵側面にも負圧が生じるため、流入口３２Ａを舵バルブ３２の両側面の負圧部分に設けてもよい。なお、この場合であっても、開口を大きくしやすい舵バルブ３２の前端部にも流入口３２Ａを設けることが好ましい。流入口３２Ａを舵バルブ３２の前端部及び側面に設けることにより、舵バルブ３２の内部への流入量を増加させることができる。

また、流出口３２Ｂは、負圧が生じない部分に設けることが好ましい。流出口３２Ｂは、舵バルブ３２の後端部寄りの側面に設けてもよいが、本実施形態のように後端部に設けた場合には、舵バルブ３２の内部に取り込んだ水を、より後方で流出させることができる。

また、プロペラボス２１の外径（最大直径）に対する舵バルブ３２の外径（最大直径）の比は、プロペラボス２１の後方に生じるハブ渦に対して、舵バルブ３２を最適な大きさとして自航要素の改善や推進性能の向上などによる省エネ効果を大きくする観点から、０．８以上２以下とすることが好ましく、１．０以上１．９以下として、舵バルブ３２の大きさをプロペラボス２１の大きさと同等か少し大きい程度とすることがより好ましい。

また、プロペラボス２１の後端と舵バルブ３２の前端との距離は、プロペラ２０の直径Ｄｐの０．１％以上１０％以下とすることが好ましく、１％以上７％以下とすることがより好ましい。プロペラボス２１の後端と舵バルブ３２の前端を近接させることによって、流入口３２Ａがプロペラボス２１に近くなり、プロペラボス２１の後方に生じるハブ渦が逸れることなく舵バルブ３２の内部に流入しやすくなる。

また、流出口３２Ｂを流入口３２Ａと同径かそれよりも小さくすることで、流出口３２Ｂから流出する流れが加速流となり、ウォータージェット効果により推進力を発生させることができる。流出口３２Ｂに対する流入口３２Ａの口径比は、１以上５以下とすることが好ましく、２以上５以下とすることがより好ましい。

また、本実施形態のように、舵バルブ３２は、舵３１の前縁３１ａから後縁３１ｂに亘って設けることが好ましい。これにより舵バルブ３２が長くなり、取り込んだハブ渦を舵バルブ３２の内部でより整流・加速して流出させることができる。また、後方に流出されるハブ渦が舵３１の影響を受けることや、舵３１自身が流出されるハブ渦の影響を受けることを抑制できる。

また、本実施形態のように、舵バルブ３２の前端を、舵３１の前縁３１ａと一致して設けた場合には、舵バルブ３２の前端を舵３１の前縁３１ａよりも前方に突出して設ける場合と比べて、プロペラ２０を後方に設置することができる。これによりプロペラ２０の直径Ｄｐを大きくして、推進効率を向上させることができる。

また、流入口３２Ａと流出口３２Ｂの少なくとも一方には、開口を塞ぐ蓋手段（図示無し）を備えることが好ましい。内部回転体４０などに不具合が生じた場合は、蓋手段で開口に蓋をすることで、舵バルブ３２の内部への水の流入を止め、不具合が解消するまでは、舵バルブ３２を従来同様の舵バルブとして運用することができる。

次に、本発明の他の実施形態によるハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶について、図２を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。

図２は、本実施形態による船舶の船尾を示す一部透視側面図である。
本実施形態は、舵バルブ３２の前端が舵３１の前縁３１ａよりも前方に突出して設けられている点において上記実施形態と異なる。
本実施形態のように、前端が舵３１の前縁３１ａよりも前方に位置するように舵バルブ３２を設けることで、通常のプロペラ位置及びプロペラボス形状を変更することなく、舵バルブ３２の前端とプロペラボス２１の後端を近接させることができる。
また、本実施形態では、舵バルブ３２を、後方にかけて次第に膨らみ、最大直径を有する部分から後方にかけて次第に収縮する紡錘状とし、流入口３２Ａの口径を、上記実施形態（図１）の場合よりも小さくしている。なお、流入口３２Ａは舵バルブ３２の後方にかけて次第に膨らむ部分に設けてもよく、また舵バルブ３２の前端部に設けた流入口３２Ａと次第に膨らむ部分に設けた流入口３２Ａを併設してもよい。

次に、本発明のさらに他の実施形態によるハブ渦制御装置、ハブ渦制御舵、及び船舶について、図３を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。

図３は、本実施形態による船舶の船尾を示す側面図である。
本実施形態は、舵バルブ３２の前端が舵３１の前縁３１ａよりも前方に突出して設けられており、その突出した部分に外部回転体５０が設けられている点において上記実施形態と異なる。なお、舵バルブ３２は、後方にかけて次第に膨らみ、最大直径を有する部分から後方にかけて次第に収縮する紡錘状としている。
外部回転体５０は、ベアリングを介することなどにより舵バルブ３２の前端部に遊転可能に取り付けられている。外部回転体５０の外周には羽根状のフィン５１が後ろ下がりに所定間隔で複数設けられている。外部回転体５０は、駆動機構（図示無し）によって回転させることもできるが、水流によって回転する方式としたほうが、構成の容易性及びコスト面から有利である。
外部回転体５０の回転によって、舵バルブ３２の外側に逸れたハブ渦による旋回運動エネルギーが回収されるため、旋回流が整流される。また、外部回転体５０の外周に羽根状のフィン５１を設けることによって、プロペラ回転方向の流れによりスラスト力を発生させることができる。また、舵バルブ３２の中空構造の中に内部回転体４０が配置されている場合には、内部回転体４０と外部回転体５０とをシャフト等で連結し、外部回転体５０の回転によって内部回転体４０を回転させることができる。

本発明は、船舶に適用することで優れた省エネ効果をもたらすことができる。

１０ 船舶
１１ 船体
２０ プロペラ
２１ プロペラボス
３０ ハブ渦制御舵
３１ 舵
３２ 舵バルブ
３２Ａ 流入口
３２Ｂ 流出口
４０ 内部回転体
５０ 外部回転体
Ｃ 中心線

Claims (15)

1. 船体の船尾に設けられるプロペラと、前記プロペラのさらに後方に設けられる舵と、前記舵の前記プロペラの中心線が通る位置に設けた舵バルブとを備え、前記舵バルブが前記プロペラの中心部に設けられるプロペラボスの後方に生じるハブ渦を内部に流入させる流入口と後方に流出させる流出口を有した中空構造であることを特徴とするハブ渦制御装置。
2. 前記プロペラボスのプロペラボス外径に対する前記舵バルブの舵バルブ外径の外径比を、０．８以上２以下とすることを特徴とする請求項１に記載のハブ渦制御装置。
3. 前記プロペラボスの後端と前記舵バルブの前端との距離が、プロペラ直径の０．１％以上１０％以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハブ渦制御装置。
4. 前記流入口を前記舵バルブの前端部に有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
5. 前記流入口を前記舵の圧力分布の低い箇所に有することを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
6. 前記流出口を前記舵バルブの後端部に有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
7. 前記流出口に対する前記流入口の口径比を１以上５以下とすることを特徴とする請求項１から請求項６のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
8. 前記舵バルブを前記舵の前縁から後縁に亘って設けることを特徴とする請求項１から請求項７のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
9. 前記舵バルブの前端が、前記舵の前縁と一致して設けられることを特徴とする請求項１から請求項８のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
10. 前記舵バルブの前端が、前記舵の前縁よりも前方に突出して設けられることを特徴とする請求項１から請求項８のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
11. 前記舵バルブの前方に突出した部分に前記ハブ渦に作用する外部回転体をさらに備えたことを特徴とする請求項１０に記載のハブ渦制御装置。
12. 前記中空構造の中に内部に取り込んだ前記ハブ渦に作用する内部回転体をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
13. 前記流入口及び／又は前記流出口に蓋手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１２のうちの１項に記載のハブ渦制御装置。
14. 請求項１から請求項１３のうちの１項に記載のハブ渦制御装置に用いられるハブ渦制御舵であって、前記舵と前記舵バルブとを備えたことを特徴とするハブ渦制御舵。
15. 請求項１から請求項１３のうちの１項に記載のハブ渦制御装置を前記船体に装備したことを特徴とする船舶。