JP2006306304A - 推進装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボラード状態におけるスラストの向上と航走時における推進効率の向上を図ることができるノズルプロペラを提供することにある。
【解決手段】 スクリュープロペラと、該スクリュープロペラを囲んで配置され、かつ、翼形の断面形状を有するノズルとを備えた推進装置であって、前記ノズルの断面形状において、最大キャンバーの位置が、前縁からコード長の３０％〜６０％の間にあり、かつ、キャンバーの最大値が、コード長の３．０％〜９．０％の範囲内の値であり、かつ、最大厚さの位置が、前縁からコード長の２０％〜４０％の間にあり、かつ、厚みがコード長の１５％〜２４％の範囲内の値であるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、曳船、トロール船等の作業船で、推進器荷重が大きく、大きな推力を必要とする船舶に装備される推進装置及びその製造方法に関する。

曳船、トロール船等の作業船で、推進器荷重が大きく、大きな推力を必要とする船には、スクリュープロペラを囲んで、横断面が翼形の断面形状をしたノズルが設置され、そのノズルとスクリュープロペラが発生する推力を利用した推進装置が採用されている。このノズル付きの推進装置（ノズルプロペラ）は、特に低速域で大きな推進力を必要とされる船舶で使用されており、また、最近では、肥大船にも採用されており、満載時、バラスト時の両方で、約６％〜７％の推進効率の向上が得られている。

このノズルは翼形の断面形状をしていて揚力に基づく推力を発生する。この断面形状では、断面形状の最先端を「前縁」、最後端を「後縁」といい、この前縁と後縁を結ぶ線分を「コード（翼弦）」といい、また、その長さを「コード長（翼弦長）」という。断面形状の厚さ方向の中心を通る中心線を「キャンバーライン（矢高曲線）」といい、コードからキャンバーラインまでの高さを「キャンバー（そり）」という。また、コード又はキャンバーラインに垂直に測った厚さを「厚み」という。また、プロペラ中心軸方向と翼弦とがなす角度を「ノズル開き角」といい、ノズルに作用する流体力において、ノズルに当たる流体の流れ方向の成分を「抗力」、流れに垂直な方向の成分を「揚力」という。

そして、図１２に示すように、このノズル１２は、翼形の断面形状の背面（ｂａｃｋ）Ｆｂを内面に、圧力面（正面：ピッチ面：ｆａｃｅ）Ｆｐを外面にしたリング状体で形成され、スクリュープロペラ１１を囲んで配置される。そして、図１３に示すように、ノズル１２に流入する流れの方向（流速Ｖの方向）に対して、断面形状が最適な迎え角αを持つように形成して、この断面形状に起因してノズル１２が発生する揚力ＦＬの進行方向（スクリュープロペラの軸心方向）Ｘの成分ＦＬｘを、抗力ＦＤの進行方向成分ＦＤｘよりも大きくして、この差から推進力（Ｔ＝ＦＬｘ−ＦＤｘ）を得ている。

一方、従来のノズルプロペラの断面形状としては、図１に点線Ａで示すような、外面側（外周面側）に直線部分を持ち、工作性の面で優れているノズル１９Ａと呼ばれる断面形状が使用されている。このノズル１９Ａ断面形状では、図２に点線Ａで示すように、最大キャンバーの位置が、前縁からコード長の２５％の位置にあり、かつ、キャンバーの最大値が、コード長の５．５％の値であり、かつ、厚みがコード長の１６．７％の値であり、形状としては図１の点線Ａの形状に固定されている。従来、ノズルプロペラのノズル形状はほとんどこの形状が用いられていた。

このノズルに関しては、スクリュープロペラのある船尾部分の流場を考慮した様々な改良がなされてきており、推進力の向上に大きく寄与して来ている。

その一つとして、ノズルの前部内面をスクリュープロペラの軸中心線に対して軸対称に構成し、後部内面は、後方に昇傾斜した直線に軸対称に構成し、外面を前方へ降傾斜した直線に軸対称に構成し、スクリュープロペラ翼の先端が前部内面と後部内面との境界線よりも前方に位置させて、推進効率の向上と製作の簡易化を図った船舶推進用ノズル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ノズルの後端より後方に延びるフラップを、ノズルの全周に亘って、複数個並べて配置し、航行の状態に応じてフラップの角度を調整することにより、キャビテーションの発生を防止して推進性能の低下を抑える船舶用推進装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、発明者らは、ノズルにおけるこれらの改良も重要であるが、船が静止時に対象物を引く力であるボラードスラスト（陸岸曳引力）、航走時のノズル抵抗、航走時の推進効率等に関して、更なる向上を図るためには、ノズルが発生する推力を大きくするようノズルの断面形状自体を見直す必要があると考えた。

そのため、本発明者らは、次のアイデアに基づいて、新しい断面形状を持つノズルの開発を試みた。この開発の一環として、ノズル１９Ａ断面形状の従来技術のノズルにおいて、ノズル周りの流れをＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics ：計算流体力学) 計算や実験で可視化すると、図７に示すように、断面形状Ａの外面の前縁部分Ａａに性能の低下の一因となる剥離領域があることが分かった。また、図８と図９に示すようにプロペラ前方のノズル内面の負圧領域がノズルの推力を発生させていることも判明した。このため、ノズル外面での剥離領域が無くなるように、また、ノズル内面での負圧を大きくしその領域を大きくさせるよう、ノズルの断面形状の構成要素のキャンバー、前縁形状、後縁形状等とノズル開き角の最適化を図る。

また、航走時のノズルの抵抗が航走時の推進効率に大きく影響するので、航走時のノズルの抵抗を低減できるように、断面形状及びノズル開き角を最適化する。

更に、従来技術のノズル１９Ａ断面形状は直線部分が多く工作性の面で優れているので、その工作性を損なわないように、可能な限り直線部分を多くする。

これらのアイデアを基に、理論計算で概略の断面形状の絞り込みを行った後、ＣＦＤ計算で、流速分布や圧力分布を求め、推進力や抵抗を推定しつつ、前縁及び後縁の剥離部分が減少するように、断面形状及びノズル開き角の最適化を行った。また、この最適化の過程で、ノズルの模型を作製し、スクリュープロペラとノズルを用いた水槽試験を行って、ノズルの性能を検証することにより、新しい断面形状及びノズル開き角を持つノズルを備えた推進装置（ノズルプロペラ）の発明に至った。
特開昭５７−９９４号公報 特開昭６０−１２１１９２号公報

本発明の目的は、ボラードプルにおける推進力の向上と航走時における推進効率の向上を図ることができるノズルを備えた推進装置（ノズルプロペラ）を提供することにある。

また、本発明の推進装置を容易に製造できる推進装置の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の推進装置は、スクリュープロペラと、該スクリュープロペラを囲んで配置され、かつ、翼形の断面形状を有するノズルとを備えた推進装置であって、前記ノズルの断面形状において、最大キャンバーの位置が、前縁からコード長の３０％〜６０％の間、好ましくは３５％〜５５％の間にあり、かつ、キャンバーの最大値が、コード長の３．０％〜９．０％の範囲内の値、好ましくは４．０％〜８．０％の間であり、かつ、最大厚さの位置が、前縁からコード長の２０％〜４０％の間、好ましくは２５％〜３５％の間にあり、かつ、厚みがコード長の１５％〜２４％の範囲内の値、好ましくは１８％〜２１％の間であるように構成される。

この構成により、ノズルの内側となる面において、前縁近傍、特に、前縁からコード長の０％〜２０％の間が適度に大きく膨らむ形状となると同時に、ノズルの外側となる面において、前縁付近が適度に膨らむ形状となり、外側の直線部分と滑らかにつながる形状とすることができる。ノズル外側の前縁形状を滑らかにすることにより、この前縁外部近傍の剥離部分が減少してノズル抵抗が減少する。そして、ノズル内面の前縁形状を大きく膨らませることにより、スクリュープロペラより前方のノズル内面前縁付近の流速が速くなりそこでの圧力が低下し、この部分に面する断面形状の領域が大きいため、圧力分布に起因して発生する力の推進方向成分が大きくなるような形状とすることができる。

更に、外面、即ちノズルの外側となる面において、後縁部分に凹部を形成しない形状とすることができ、後縁近傍における剥離部分が減少する。それと共に凹部が無いので工作性も向上する。

そのため、断面形状全体として剥離部分が減少して抵抗が減少すると共に、圧力分布に起因して発生する力の推進方向成分を大きくすることができる。従って、この断面形状のノズルを備えた推進装置は、大きな推力を発生することができるようになり、ボラードスラストが向上すると共に、航走時の推進効率も向上する。

そして、最大キャンバーの位置が、前縁からコード長の３０％より前にあると、翼の膨らみ部分が翼の前縁側に寄り過ぎて、外面側の前縁近傍部分における剥離部分が大きくなり、揚力が低下し抵抗が大きくなる。また、６０％より後にあると、翼の膨らみ部分が翼の後縁側に寄り過ぎて、内面側の後縁近傍の剥離部分が大きくなり、揚力が低下し抵抗が大きくなる。また、外部側の後縁近傍に凹部が形成されるので、この部分における剥離が生じ、揚力が低下し抵抗が大きくなる。また、この凹部が形成されるとノズルプロペラの工作性が悪化する。

また、キャンバーの最大値が、コード長の３．０％より小さいと、ノズル前縁近傍の膨らみが不十分となり、内面側の前縁近傍部分の流速が速く圧力が低下する部分において、この圧力分布に起因して発生する力の推進方向成分を大きくすることができなくなり、９．０％より大きいと、外面に凹部が発生し、外面において剥離が発生し易くなり、揚力が低下し抵抗が大きくなると共に、工作性が悪化する。

また、最大厚さの位置が、前縁からコード長の２０％より小さいと、翼の膨らみ部分が翼の前縁側に寄り過ぎて、外面側の前縁近傍部分が盛り上がり、外部側の前縁近傍に凹部が形成されるので、この部分において流れの剥離が生じ、揚力が低下し抵抗が大きくなる。また、４０％より後にあると、前縁から４０％付近のノズル内面の形状はプロペラ軸方向と平行とすることで形状が決まってしまうため、ノズル外面側に凸部の膨らみ部分ができることになり、この部分で流れの剥離部分が大きくなり、揚力が低下し抵抗が大きくなる。また、外部側の中央近傍に凸部が形成されるので、ノズルプロペラの工作性が悪化する。

また、厚みがコード長の１５％より小さいと、ノズル前縁近傍の膨らみが不十分となり、内面側の前縁近傍部分の流速が速く圧力が低下する部分において、この圧力分布に起因して発生する力の推進方向成分を大きくすることができなくなり、それと共に、外面に凹部が発生し、外面において剥離が発生し易くなり、揚力が低下し抵抗が大きくなると共に、工作性が悪化する。また、２４％より大きいと、膨らみが大きくなり過ぎて、剥離が発生し易くなり、揚力が低下し抵抗が大きくなる。

そして、上記の推進装置において、前記ノズル断面形状の外面において、前縁からコード長の５％〜９８％の範囲、好ましくは５％〜９５％の範囲を含む範囲に直線部分を設けて構成する。この構成により、直線部分の製作は曲線部分の製作に比べて容易であるので、断面形状の外面（外側）を一つ乃至複数の線分で形成することでノズルの工作性が向上する。

直線部分の範囲が前縁からコード長の５％より少ない位置では、ノズル外面の湾曲形状と直線部分とのつながりが滑らかにならず、ノズル外面前縁付近での流れの剥離を大きくする。また、９８％より多いと、ノズル後縁部分の形状を滑らかにすることができなくなり、剥離を発生させる形状となり、抵抗が増加し推力が低下する。

上記の推進装置において、前記ノズルの断面形状の内面において、前縁からコード長の３０％〜７０％の範囲、好ましくは４０％〜６０％の範囲を含む範囲にプロペラ軸方向と平行な直線部分を設けて構成する。この構成により、直線部分の製作は曲線部分の製作に比べて容易であり、プロペラ軸方向、即ち、スクリュープロペラの回転軸方向と平行な直線とすることで単純な円筒形状とすることができノズルの工作性が向上する。

前縁からコード長の３０％より小さいと、ノズル前縁の湾曲部を大きくすることができず、推力の低下を招く。また、７０％より大きいとノズル内面後半部の形状が滑らかに拡径する形状とならず、スクリュープロペラ後流の流れをゆるやかに拡散できなくなり、ノズル後半部で流れの剥離を発生させる形状となり、抵抗が増加し推力が低下する。

上記の推進装置において、前記コード長を前記スクリュープロペラのプロペラ直径の４０％〜６０％の範囲内、好ましくは４５％〜５５％の範囲内とする。この構成により、スクリュープロペラによって発生する流れ場に対してノズルプロペラの大きさが最適化される。また、流れ場に対応して周方向でそれぞれ異なり最適な長さを選ぶこともできる。

コード長が４０％より小さいと、スクリュープロペラによって発生する流れ場に対するノズルプロペラの大きさが小さ過ぎて、適切な推進力を得られない。また、６０％より大きいと、ノズルプロペラの大きさが大きく、抵抗も増加するので、適切な推進力を得られない。

上記の推進装置において、前記スクリュープロペラの軸心に対して、前記ノズルプロペラの各断面の断面形状におけるコードを、前縁が後縁よりも拡径する方向に傾斜させると共に、該傾斜角（図１３のθ）を、２°〜１０°の範囲内、好ましくは３°〜８°の範囲内の値とする。この構成により、ノズルプロペラにおける剥離部分を少なくしながら大きな推進力を得ることができるようになる。また、流れ場に対応して周方向でそれぞれ異なり最適な傾斜角を選ぶこともできる。

傾斜角が２°より小さいと、断面形状に対するノズル開き角が小さくなり過ぎて、推力の発生が少なくなり、ノズルの効果が小さ過ぎて、ノズルを設けるだけの効果が得られない。また、傾斜角が１０°より大きいと、断面形状に対するノズル開き角が大きくなり過ぎて、ノズル外面の剥離部分が大きくなり、失速して抵抗が大きくなる上に、適切な推進力を得られなくなる。

上記の、推進装置において、前記ノズルの断面形状の内面において、前縁からコード長の３０％〜９８％の間、好ましくは４０％〜９５％の間を、２つの線分を前縁からコード長の５５％〜８０％の間、好ましくは６０％〜７５％の間で連続させた形状にする。この構成により、外面（外側）のみならず、内面においても直線部分を設けることができるので、著しく工作性が向上する。

前縁からコード長の３０％より小さいと、ノズル前縁の湾曲部を大きくすることができず、推力の低下を招く。また、１つ目の線分は前縁からコード長の３０％〜７０％の間、好ましくは４０％〜６０％の間とし、この線分をプロペラ軸と平行な線分とすることで、ノズル内面に円筒部分を作ることができる。図１２のスクリュープロペラとノズルで形成される推進装置において、ノズル内面の円筒部分よりノズル内面とスクリュープロペラとの間隙を最小限にすることができる。ノズル内面とスクリュープロペラとの間隙が大きくなると、その間隙から流出する流れが多くなり推進装置の効率を低下させることになる。

２つ目の線分を、前縁からコード長さの５５％〜８０％の間、好ましくは６０％〜７５％の間で１つ目の線分と連続させた形状にし、この２つ目の線分の終わりを前縁から９８％までの間とする。前縁から９８％より後縁側になると、ノズルの後部分の形状を滑らかにすることができなくなり、剥離を発生させる形状となり、抵抗が増加し推力が低下する。

そして、上記の推進装置を備えた船舶は、ボラードスラストが大きく、航走時の推進効率もよいので、推進性能の高いタグボート等の作業船や肥大船等の船舶となる。なお、この推進装置は、船尾に配置される装置だけでなく、アジマススラスタとしても使用でき、船舶のサイドスラスタや水中ロボットの推進用の装置等としても使用できる。

また、本発明の推進装置の製造方法は、上記の推進装置を製造する方法であって、前記ノズルの断面形状の外面の一部又は内面の一部を、母線が線分となるコーン状（円錐台）又はリング状（円筒）にすると共に、この母線が線分となる部分を、板材を曲げて形成する工程を含むことを特徴とする方法である。この製造方法により、板材を曲げてコーン状又はリング状に巻くだけ、あるいは、周方向に曲げた板材を接合してコーン状又はリング状にするだけでノズルプロペラの一部を形成できるので、著しく製造し易くなり、工作性が向上する。

本発明の推進装置によれば、従来の１９Ａ翼形と異なる翼形を有するノズルプロペラを備えたので、ボラード状態におけるスラストの向上及び航走時の推進効率を向上できる。

また、本発明の推進装置の製造方法によれば、直線部分を多く設けたノズルプロペラの製造工程を著しく単純化できる。そのため、工期の短縮や製造コストの低下を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る推進装置及びその製造方法の実施の形態について説明する。

図１２に示すように、この推進装置１０は、スクリュープロペラ１１とその周囲を囲むノズル１２を有して構成される。

そして、本発明の実施の形態の推進装置１０においては、このノズル１２の断面形状は、図１に実線Ｂ１及びＣで例示するような形状で形成される。この断面形状は、図２に示すように、最大キャンバーの位置が、前縁からコード長の３０％〜６０％の間、好ましくは３５％〜５５％の間にあり、かつ、キャンバーの最大値が、コード長の３．０％〜９．０％の範囲内の値、好ましくは４．０％〜８．０％の間であり、かつ、図３に示すように、最大厚さの位置が、前縁からコード長の２０％〜４０％の間、好ましくは２５％〜３５％の間にあり、かつ、厚みがコード長の１５％〜２４％の範囲内の値、好ましくは１８％〜２１％の間であるように構成される。

この断面形状の構成により、ノズルの内側となる面において、前縁近傍、特に、前縁からコード長の０％〜２０％の間が適度に大きく膨らむ形状となると同時に、ノズルの外側となる面において、前縁付近が適度に膨らむ形状となり、外側の直線部分と滑らかにつながる形状とすることができる。ノズル外側の前縁形状を滑らかにすることにより、この外面前縁近傍の流れの剥離部分が減少してノズル抵抗が減少する。

そして、ノズル内面の前縁形状を大きく膨らませることにより、スクリュープロペラより前方のノズル内面前縁付近の流速が速くなり圧力が低下し、この部分に面する断面形状の領域が大きいため、圧力分布に起因して発生する力の推進方向成分が大きくなるような形状とすることができる。

そして、このノズルの断面形状の外面において、前縁からコード長の５％〜９８％の範囲、好ましくは５％〜９５％の範囲を含む範囲に直線部分を設けて構成する。この直線部分は、外面の形状を自動的に直線形状にして導かれるものであり、この構成により、直線部分の製作は曲線部分の製作に比べて容易であるので、断面形状の外面を一つ乃至複数の線分で形成することでノズルプロペラの工作性が向上する。

この断面形状でノズル１２を形成するが、そのコード長は、スクリュープロペラ１１のプロペラ直径の４０％〜６０％の範囲内、好ましくは４５％〜５５％の範囲内とする。この構成により、スクリュープロペラ１１によって発生する流れ場に対してノズル１２の大きさが最適化される。

また、ノズル１２は、この断面形状において、スクリュープロペラ１１の軸心に対して、ノズルプ１２の各断面の断面形状におけるコードを、前縁が後縁よりも拡径する方向に傾斜させると共に、この傾斜角（図１３のθ）を、２°〜１０°の範囲内、好ましくは３°〜８°の範囲内の値とする。この構成により、ノズル１２における剥離部分を少なくしながら大きな推進力を得ることができるようになる。

そして、このノズル１２にスクリュープロペラ１１を配置して、推進装置１０を構成する。この推進装置１０によれば、ノズル１２の抵抗が少なく、また、大きな推力を発生できるので、ノズル１９Ａ断面形状のノズル１２を備えた従来技術の推進装置に比べて、ボラード状態におけるスラストの向上及び航走時の推進効率を向上できる。

本発明において、ボラード状態におけるスラストの向上及び航走時の推進効率の向上を図る場合には、図１のＢ１の形状が好ましい。特に航走時の推進効率よりもボラード状態でのスラストを重視する場合には、図１のＣのように、ノズル内面の負圧領域を大きく膨らませることもできる。

そして、更に、図１の断面形状Ｂ２で示すように、このノズル１２の断面形状の内面において、前縁からコード長の３５％〜９８％の間、好ましくは４０％〜９０％の間を、２つの線分を前縁からコード長の５５％〜８０％の間、好ましくは６０％〜７５％の間で連続させた形状にしてもよい。なお、図１では、ｘ／Ｌ＝０．７（７０％）の位置で２つの線分を連続させている。この構成により、外面のみならず、内面においても直線部分を設けることができるので、著しく工作性を向上させることができる。

そして、このノズル１２の内部に配置されるスクリュープロペラ１１の回転軸方向の中心位置は、通常は、ノズル１２の前後方向（コード方向）の略中心（５０％コード長さ）に配置されるが、それ以外でもあってよい。この場合でも、４０％〜６０％コード長さの間に配置されることが好ましい。

そして、上記の推進装置１０を船舶に備えることにより、ボラードスラストが大きく、航走時の推進効率もよい船舶を提供でき、この船舶は、推進性能の高いタグボート等の作業船や肥大船等の船舶となる。なお、この推進装置は、船尾に配置される装置だけでなく、アジマススラスタとしても使用でき、船舶のサイドスラスタや水中ロボットの推進用の装置等としても使用できる。

次に、本発明の推進装置の製造方法について説明する。

この推進装置を製造する方法は、ノズル１２の製造において、図１０に示すノズル１２の断面形状の外面の一部又は内面の一部を、特に、図１０に示すＣの部分を、図１１に示すノズル１２のように、母線が線分となるコーン状（円錐台）又はリング状（円筒）にして、この部分を板材を円錐台の外周方向又は円周方向に曲げて形成する。

この製造方法では、板材を曲げてコーン状又はリング状に巻くだけ、あるいは、円周方向に曲げた板材を接合してコーン状又はリング状にするだけで、ノズル１２の一部を形成できる。そのため、ノズル１２の製造が著しく容易となり、工作性を向上させることができる。

実施例として、本発明の断面形状の代表例（図１のＢ１とＣ）を選択し、この断面形状を持ち傾斜角（図１３のθ）が４．０°のノズルを持つ推進装置を製造した。このノズルは、内径が２４２．４ｍｍ、長さが１２０．０ｍｍ、表面積が０．２０１４３ｍ² であり、図１の実線Ｂ１とＣで示す断面形状とした。また、比較例として、内径が２４２．４ｍｍ、長さが１２０．０ｍｍ、表面積が０．１９６８６ｍ² の図１の点線Ａで示すノズル１９Ａ断面形状のノズルを製造した。なお、実験に用いたスクリュープロペラは同じものを使用した。

ノズルの内部に配置するスクリュープロペラとして、プロペラ直径Ｄが２４０ｍｍ、ピッチ比が１．２５１、展開面積比が０．７００、ボス比が０．２５９７、レーキ角が０．０°、スキュー角が２５．０°の４翼の固定ピッチプロペラを用いた。スクリュープロペラの回転方向は右回転、即ち、ノズル下流から見て時計回りである。

また、試験水槽は、長さが１００ｍ、幅が５．０ｍ、深さが２．１５ｍの試験水槽で、ボス抵抗（ノズル有り）計測、ノズル抵抗計測、ノズルプロペラ単独試験、ストラット抵抗計測を行った。この時の、プロペラ回転数ｎはレイノルズ数Ｒｎ（＝ｎＤ² ／ν）で６．０×１０⁵ 、プロペラ前進速度Ｖａは前進係数Ｊ（＝Ｖａ／（ｎＤ））で０．１ピッチに０．０〜１．１となる速度とした。ここでνは清水動粘性係数である。

この実験結果について、図４にノズルプロペラ単独試験結果を示す。実施例は実線Ｂ１と一点鎖線Ｃで、比較例は点線Ａで示す。また、図４のＪはプロペラ前進係数、Ｋ_TPはプロペラスラスト係数（＝Ｔ_P ／（ρｎ² Ｄ⁴ ））、Ｋ_Q はプロペラトルク係数（＝Ｋ_Q ／（ρｎ² Ｄ⁵ ））、Ｋ_TNはノズルスラスト係数（＝Ｔ_N ／（ρｎ² Ｄ⁴ ））、Ｋ_TTはトータルのスラスト係数（＝Ｔ_T ／（ρｎ² Ｄ⁴ ））、η₀ はノズルプロペラの単独効率（＝Ｋ_TTＪ／（２πＫ_Q ））を示す。ここでρは清水密度で、Ｔ_P はプロペラスラスト、Ｑはプロペラトルク、Ｔ_N はノズルスラスト、Ｔ_T はトータルスラストである。

この実験の結果、実施例Ｂ１とＣは図４に示すようにプロペラ前進係数Ｊが０．６以下ではほとんどその特性は同じであるが、Ｊが０．６以上になるとＣの効率が悪化している。実施例Ｂ１とＣは比較例Ａに対して、図４に示すように、プロペラ前進係数Ｊが０（ゼロ）に対応するボラードスラストが約３％程度向上し、また、実施例Ｂ１ではノズルプロペラの航走時の推進効率η₀ もプロペラ前進係数Ｊが０．７以上で約３％程度向上した。実施例Ｂ１と比較例Ａについてはノズル単体の抵抗を計測した。図５にノズル抵抗試験結果を示すが、実施例Ｂ１のノズルの単体抵抗は実施例Ａのノズル抵抗と比べ、各流速とも半分以下となり、ノズルの抵抗Ｒ_N が大幅に低減した。

また、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：計算流体力学、汎用熱流体解析ソフトせあるＳＴＡＲ−ＣＤ（登録商標）) 計算を用いてノズルプロペラの断面形状の二次元計算を行い、断面形状の影響を数値計算により比較検証した。計算条件に関しては、数値解法はＳＩＭＰＬＥ法（定常計算）を、離散化スキームはＭＡＲＳ法（空間２次精度）を、乱流モデルは標準ｋ−ε２方程式モデル（高レイノルズ数型、壁関数）を使用した。また、計算メッシュとしては、メッシュタイプは非構造格子を使用し、メッシュ数は２６，９００セルとした。ノズル単体抵抗の計算値は定性的にノズルプロペラの断面形状の差を良く表した結果が得られた。

この計算結果の一例として、図１の実施例と比較例について、レイノルズ数Ｒｎ＝１×１０⁷ の場合の流速分布と圧力分布を図６〜図９に示す。図６と図７は流速分布を等速流速線で示し、図８と図９は圧力分布を等圧力線で示す。また、図６と図８は実施例Ｂ１を示し、図７と図９は比較例Ａを示す。

ノズルの断面形状を示す図である。 ノズルの断面形状のキャンバーを示す図である。 ノズルの断面形状の翼厚を示す図である。 ノズルとスクリュープロペラを備えた推進装置の試験結果を示す図である。 ノズルの抵抗を示す図である。 実施例の流速分布の計算結果を示す図である。 比較例の流速分布の計算結果を示す図である。 実施例の圧力分布の計算結果を示す図である。 比較例の圧力分布の計算結果を示す図である。 ノズルの製造が難しい部分を示す図である。 直線型ノズル形状を示す図である。 スクリュープロペラとノズルを備えた推進装置を示す図である。 ノズルの断面に作用する流れと力を示す図である。

符号の説明

１０ 推進装置
１１ スクリュープロペラ
１２ ノズル
Ｌ コード長
α 流れの流入迎角
θ ノズル開き角
ＦＬ 揚力
ＦＤ 抗力
Ｔ ノズルの推力

Claims (8)

1. スクリュープロペラと、該スクリュープロペラを囲んで配置され、かつ、翼形の断面形状を有するノズルとを備えた推進装置であって、前記ノズルの断面形状において、
   最大キャンバーの位置が、前縁からコード長の３０％〜６０％の間にあり、
   かつ、キャンバーの最大値が、コード長の３．０％〜９．０％の範囲内の値であり、 かつ、最大厚さの位置が、前縁からコード長の２０％〜４０％の間にあり、
   かつ、厚みがコード長の１５％〜２４％の範囲内の値である
   ことを特徴とする推進装置。
2. 前記ノズル断面形状の外面において、前縁からコード長の５％〜９８％の範囲を含む範囲に直線部分を設けたことを特徴とする請求項１記載の推進装置。
3. 前記ノズル断面形状の内面において、前縁からコード長の３０％〜７０％の範囲を含む範囲にプロペラ軸方向と平行な直線部分を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の推進装置。
4. 前記コード長を前記スクリュープロペラのプロペラ直径の４０％〜６０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の推進装置。
5. 前記スクリュープロペラの軸心に対して、前記ノズルの各断面形状を、前縁が後縁よりも拡径する方向に傾斜させると共に、該傾斜角を、２°〜１０°の範囲内の値とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の推進装置。
6. 前記ノズルの断面形状の内面において、前縁からコード長の３０％〜９８％の間を、２つの線分を前縁からコード長の６０％〜７５％の間で連続させた形状にすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の推進装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の推進装置を備えた船舶。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の推進装置を製造する方法であって、前記ノズルの断面形状の外面の一部又は内面の一部を、母線が線分となるコーン状又はリング状にすると共に、この母線が線分となる部分を、板材を曲げて形成する工程を含むことを特徴とする推進装置の製造方法。
   

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