JP4335835B2 - 水中航行船用可変ベクトル推進器 - Google Patents

Description

この発明は、水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器に係り、特に、各羽根輪郭をプロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成して、プロペラ効率を高める水中航行船用可変ベクトル推進器に関するものである。

可変ベクトル推進器は、プロペラボスの外周に羽根が等間隔で回転軸に対して放射状に取り付けられ、一回転の間に羽根のピッチ角を適切に変化させて、３次元方向の任意方向に推力を発生させることができる特徴を備えている。このように可変ベクトル推進器は、３次元方向の任意方向に推力を発生させることができるため、水中を航行して探索や保守点検するような特殊用途の水中航行船の推進器として一部使用されている。
船体の推進器としては一般にスクリュプロペラが使用され、又そのプロペラはプロペラ効率が高まるように、プロペラボスの外周に半径方向に対して特定形状に加工された羽根が特定のピッチで取り付けられている。
可変ベクトル推進器を備えた水中航行船は、水面上を航行する一般の船舶に比べて非常にゆっくりした速度で水中を航行するために、プロペラ効率については余り考慮されておらず、このため、可変する羽根の形状も製作が最も容易な矩形型が一般的であった。
一部においては、可変ベクトル推進器の可変する羽根の形状について研究され、羽根輪郭が矩形輪郭のように羽根先端で羽根幅が有限な輪郭な場合、設定したピッチ分布でピッチ角を取ると、羽根先端付近で発生推力が大きくなるとともに、トルクが増大し所要馬力上不利になると考えられ、羽根輪郭は矩形型よりも楕円型が優れているとの研究報告がなされている（川崎重工技法・１０１号（１９８８年１２月））。
実開昭６１−１０５３００ 川崎重工技法・１０１号（１９８８年１２月）「３次元推進器"バリベックプロペラ"の開発（第１報）」 西部造船会会報（西部造船会創立５０周年記念号 第９８号 平成１１年８月）「可変ベクトル推進器を用いた無索式海中ロボットの基本制御」

しかしながら、可変ベクトル推進器の可変する各羽根輪郭を楕円型にするのは、矩形型に比べてプロペラ効率が向上する利点がある反面、矩形型に比べて楕円型はその製作が難しくなり、また、その分製作コストも高くなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、プロペラボスの外周に取り付けられたピッチ角が可変する各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形にすることにより、従来の矩形型羽根に比べてプロペラ効率を高めると共に、楕円型羽根に比べて製作も容易になる水中航行船用可変ベクトル推進器を提供することにある。

以上の目的を達成するために、請求項１発明は、水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成する手段よりなるものである。

また、請求項２に係る発明は、水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた４枚の各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成すると共に、七角形の最大高さをボス半径の１．２５〜１．３０倍とし、七角形の最大幅を最大高さの０．９０〜０．９５倍とし、羽根先端の第１角から羽根先端寄りの第２角までの高さを最大高さの０．２５倍とし、第２角から羽根根元寄りの第３角までの高さを最大高さの０．３５倍とし、第３角から羽根根元側の第４角までの高さを最大高さの０．４０倍とし、羽根根元側幅を最大幅の０．３倍とした手段よりなるものである。

以上の記載より明らかなように、この発明に係る水中航行船用可変ベクトル推進器によれば、プロペラボスの外周に取り付けられたピッチ角が可変する各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成することにより、従来の矩形型羽根に比べて、七角形の羽根の場合には、プロペラ効率を約７％向上することができる。つまり、可変ベクトル推進器の羽根輪郭形状として従来の矩形型羽根を使用したときの水中航行船の水中速度が１ノットの場合、この発明に係る七角形羽根を使用した場合には水中速度を約２割アップ、つまり１．２ノット程度までスピードをアップすることができる。逆に水中での速度を従来と同じの１ノットに維持する場合には約７％程度の動力削減ができ、燃費の向上を図ることができる。
しかも、可変ベクトル推進器の羽根輪郭形状としてこの発明に係る七角形羽根は、この発明と同等のプロペラ効率を有する楕円型羽根に比べて、羽根の製作が容易となり、その分製造コストを安くすることができる等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。

以下、図面に記載の発明を実施するための最良の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１は水中航行船の構造図、図２は七角形の羽根の正面図、図３は可変ベクトル推進器の概略構造図、図４（Ａ）は可変ベクトル推進器の推力零の説明図、図４（Ｂ）は可変ベクトル推進器の推力が上昇方向の説明図、図５（Ａ）は可変ベクトル推進器の推力が前進方向の説明図、図５（Ｂ）は可変ベクトル推進器の推力が斜め上昇方向の説明図である。

図において、水中航行船１はその船尾に可変ベクトル推進器２が装備されている。船尾に装備されたこの可変ベクトル推進器２によって、水中航行船１は、水中を３次元方向の任意方向に自由にその推進方向を変えて航行することができ、１〜２ノットの低速で水中を航行して探索や保守点検するような特殊用途に使用される。

可変ベクトル推進器２は、プロペラボス３の外周に羽根４が等間隔例えば９０度の間隔で回転軸に対して放射状に取り付けられ、一回転の間に羽根４のピッチ角を適切に変化させて、３次元方向の任意方向に推力を発生させることができる特徴を備えている。

ところで、可変ベクトル推進器２の羽根の形状の研究が進まなかったのは、可変ベクトル推進器２の構造上によるところが大である。即ち、可変ベクトル推進器２は、各羽根４のピッチ角を可変させる構造であり、可変方向によってその最適な形状が随時変わり、複雑な流線型の形状はときには逆の抵抗として働き、羽根の形状を特定するのが困難と考えられていた。

加えて、可変ベクトル推進器２は、各羽根４のピッチ角を可変させる構造であるため、プロペラボス３の内部に各羽根４を可変させるための機構が組み込まれており、このため、通常のスクリュープロペラに比べて、プロペラボス３の直径が必然的に大きくなる欠点も有していた。

即ち、プロペラ効率は、ボスの直径をプロペラの直径で割ったボス比が小さい程、良いとされているが、可変ベクトル推進器２にあっては、各羽根４を可変させるための機構がプロペラボス３の内部に組み込まている関係上、通常のプロペラのようにボス比を小さくできないという構造上の問題がある。

このようなため、初めから可変ベクトル推進器２にあっては、通常のスクリュープロペラのようにプロペラ効率が期待されておらず、また、前記したように水中のような３次元方向に自由に推力を生じさせることが特徴であり、しかも水中での航行は非常に低速であり、水面上を速い速度で航行する船に比べるとプロペラ効率の問題は小さい。このような背景のため、可変ベクトル推進器２の羽根については、前記の〔非特許文献２〕の楕円型の羽根の研究以外については行われていなかったと考えられる。

本願発明は、可変ベクトル推進器２の羽根４の形状について研究した数少ない発明であり、プロペラボス３の外周に取り付けられた４枚の各羽根４はその輪郭が、プロペラ半径方向の基準線Ｌを中心に羽根４の前縁４１と後縁４２が対称な七角形に形成されている。

即ち、左右対称な七角形の羽根４は、矩形の先端側の中央に対してその両側を先端側中央に向かって山形になるように横長な三角形に切断し、矩形の根元側の両角側を縦長な三角形に切断することにより、成形加工することができ、矩形の羽根には劣るが楕円形状の羽根に比べると、遙かに成形加工が容易となる。

これまでのスクリュープロペラの羽根は、プロペラボスに対して固定して取り付けられ、プロペラ効率を高めるために、先端側が楕円状に形成され、又側面側も捻りなどが入られた複雑な流線型が一般的である。

そして、いつのまにかプロペラの羽根とはこのような複雑な流線型の形状であるとの固定概念に凝り固まっていたものを、本願発明にあってはこの固定概念から抜け出してこれまでに誰もが想像することも無かった七角形の形状の羽根４を生み出したのである。

前縁４１と後縁４２が対称な七角形の形状の羽根４の羽根輪郭は、プロペラ半径方向の基準線Ｌ上の七角形の最大高さＨをボス半径Ｒの１．２５〜１．３０倍とし、七角形の最大幅Ｃを最大高さＨの０．９０〜０．９５倍とし、羽根先端の第１角４Ａから羽根先端寄りの第２角４Ｂまでの高さｈ_１を最大高さＨの０．２５倍前後とし、第２角４Ｂから羽根根元寄りの第３角４Ｃまでの高さｈ_２を最大高さＨの０．３５倍前後とし、第３角４Ｃから羽根根元側の第４角４Ｄまでの高さｈ_３を最大高さＨの０．４０倍前後とし、羽根根元側幅Ｂを最大幅Ｃの０．３倍前後とする。

また、羽根４は、前縁４１の上端の第１角４Ａと後縁４２の上端の第１角４Ａとの間の幅は最大幅Ｃであり、前縁４１の下端の第２角４Ｂと後縁４２の下端の第２角４Ｂとの間の幅も略最大幅Ｃであり、左右の前縁４１と後縁４２とは左右で略平行に形成されている。又羽根４はそれぞれの角部、つまり第１角４Ａ及び、左右の第２角４Ｂ、第３角４Ｃ、第４角４Ｄは、少し丸みを帯びた形状に形成されている。

羽根４はその羽根輪郭が上記の関係を満たす範囲にある場合には、従来の矩形型羽根に比べて、水中航行船１の速度が１ノットのときにはプロペラ効率が約７％程向上することが解析結果より判明した。プロペラ効率を水中速度に置き換えてみると水中速度を約２割アップ、つまり１．２ノット程度までスピードをアップすることができる。また、プロペラ効率を燃費に置き換えてみると、水中での速度を従来と同じの１ノットに維持する場合には約７％程度の動力削減ができ、燃費の向上を図ることができる。

前縁４１と後縁４２が対称な七角形の形状の各羽根４は、羽根根元側幅Ｂの真ん中、つまりプロペラ半径方向の基準線Ｌ上には回転軸４３の先端がそれぞれ連結されている。回転軸４３は羽根４を正逆回転させて可変させるもので、回転軸４３の基端側はプロペラボス３の内部に挿入されている。

プロペラボス３の内部には、非回転傾動円形板５１と回転傾動円形板５２とが非連結状態で前後に隣設して配置され、これらの非回転傾動円形板５１と回転傾動円形板５２の中心をプロペラ主軸５が貫通している。非回転傾動円形板５１と回転傾動円形板５２は、プロペラ主軸５に対して前後への移動と上下左右に自在に傾動できる状態で取り付けられている。

非回転傾動円形板５１はプロペラ主軸５に対して遊転状態つまりプロペラ主軸５が回転しても回転しないように取り付けられている。非回転傾動円形板５１は回転する回転傾動円形板５２の回転を妨げないように、回転傾動円形板５２と背中合わせになる側にはベアリングなどが取り付けられている。

非回転傾動円形板５１より船首側となる水中航行船１の内部には、メインモータ６、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３が配置されている。メインモータ６はプロペラ主軸５を回転させるモーターで、プロペラ主軸５と連動連結されており、プロペラ主軸５を同一方向回りに回転させる。

非回転傾動円形板５１の円周側には１２０度の等間隔で、３本の連結棒６１ａ、６２ａ、６３ａのそれぞれの一端が揺動自在に連結されている。連結棒６１ａの他端はエレベータサーボ６１に揺動自在に連結され、連結棒６２ａの他端はピッチサーボ６２に揺動自在に連結され、又連結棒６３ａの他端はエルロンサーボ６３に揺動自在に連結されている。

これらエレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２及びエルロンサーボ６３の直流サーボは、モーターの回転角度により非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２の傾斜や位置を制御する機能を果たす。これらの役割としてエレベータサーボ６１は前後、ピッチサーボ６２は上下、エルロンサーボ６３は左右方向を制御している。

船尾寄り側に位置する回転傾動円形板５２はプロペラ主軸５の回転に連動して回転するもので、回転傾動円形板５２の円周側には９０度の等間隔で、４本の連結棒５２ａのそれぞれの一端が回転自在に連結されている。４本の各連結棒５２ａの他端はそれぞれの楕円片４３ａの一端側に回転自在に連結されており、各楕円片４３ａの他端側は各回転軸４３の端部に固設されている。

回転傾動円形板５２、４本の連結棒５２ａ及び４枚の羽根４は、一緒に回転しており、回転中の羽根４の各回転軸４３はそれぞれの連結棒５２ａが非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２が傾動することにより前後方向に移動することで正回転又は逆回転して羽根４のピッチ角を可変する構造になっている。

水中航行船１の内部には、上記のメインモータ６、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３を制御するための制御機構７、例えばセンサ制御部７１、プロペラ制御部７２、ＰＷＭ回路７３の各種機器が組み込まれ、又センサ制御部７１へ各種の情報を送る指令受信部７４、電子コンパス７５、ＧＰＳレシーバ７６、ソナー回路７７、なども組み込まれている。

また、プロペラボス３の外周に取り付けた羽根４が回転するその外周側には、羽根４を保護するための安全ネットカバー体８がリング状に取り付けられている。さらに、水中航行船１の外部の上部には、その前部に前方の衝突防止ソナー８１が取り付けられ、又ハイドロホン８２や深度センサ８３が取り付けられている。水中航行船１の外部の下部には、保護用アルミ板８４、下方の衝突防止ソナー８５、左右の衝突防止ソナー８６、又後部側にはバラスト投下装置８７などが取り付けられている。

次に、上記発明を実施するための最良の形態の構成に基づく水中航行船の航行時における可変ベクトル推進器２の作動について以下説明する。
各種の航行条件を入力し、水中航行船１を航行させるために各種の航行条件を入力してスタートさせると、制御機構７のプロペラ制御部７２からＰＷＭ回路７３を通じてメインモータ６、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３を制御にすることにより、水中航行船１は水中を航行する。

この場合において、図のように、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３を制御して、前記の非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２を中立位置にすると、各羽根４はピッチ角がゼロとなって所謂空転状態となり、推力が発生せず、水中航行船１は水中で停止状態となる。

一方、図のように、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３を制御して、前記の非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２を中立位置で上部を前方に傾けると、上側にくる羽根４のピッチ角と下側にくる羽根４のピッチ角は逆向きになり、上向きの推力が発生して、水中航行船１は水中を上方に向けて移動する。これに対して、前記の非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２を中立位置で下部を前方に傾けると、上下に来る各羽根４は上記と反対向きのピッチ角となって下向きの推力が発生して、水中航行船１は水中を下方向けて移動する。

また、図のように、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３を制御して、前記の非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２を中立位置から船尾側に平行に移動させると、各羽根４は同一のピッチ角となって前進の推力が発生して、水中航行船１は水中を前進する。これに対して、前記の非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２を中立位置から船首側に平行に移動させると、各羽根４は上記と反対向きの同一のピッチ角となって後進の推力が発生して、水中航行船１は水中を後進する。

さらに、図のように、エレベータサーボ６１、ピッチサーボ６２、エルロンサーボ６３を制御して、前記の非回転傾動円形板５１及び回転傾動円形板５２を中立位置より前方に移動させ、しかもその上部を前方に傾けると、上側にくる羽根４のピッチ角が大きく、下側にくる羽根４のピッチ角が小さくなるため、斜め上向きの推力が発生して、水中航行船１は水中を斜め上向きに移動する。

４枚羽根について従来翼（矩形型羽根）と本願発明の七角形の羽根との効率の比較をコンピュータを使って行った。なお、プロペラ直径は２４８mm、ボス直径は１０８mm、ボス比は０．４４の条件下でおこなった。そのときの、効率比較を図に示す。
図からも明らかなように、水中航行船１の実際の運航が行われると考えられる前進係数が０．２〜０．３の範囲では、本願発明の七角形の羽根が矩形型の羽根に比べてプロペラ効率が高いことがわかった。

また、本願発明の七角形の羽根と、楕円型の羽根のプロペラ効率の比較を表１に示す。表１から明らかなよう、プロペラ効率は略同一といえる。

なお、この発明は上記発明を実施するための最良の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。

この発明を実施するための最良の形態を示す水中航行船の構造図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す七角形の羽根の正面図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の概略構造図である。 （Ａ）はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力零の説明図である。 （Ｂ）はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力が上昇方向の説明図である。 （Ａ）はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力が前進方向の説明図である。 （Ｂ）はこの発明を実施するための最良の形態を示す可変ベクトル推進器の推力が斜め上昇方向の説明図である。 この発明の実施例の矩形羽根と七角形羽根のプロペラ効率比較を示す図である。

符号の説明

１ 水中航行船
２ 可変ベクトル推進器
３ プロペラボス
４ 羽根
４１ 前縁
４２ 後縁
４３ 回転軸
４３ａ 楕円片
５ プロペラ主軸
５１ 非回転傾動円形板
５２ 回転傾動円形板
５２ａ 連結棒
６ メインモータ
６１ エレベータサーボ
６１ａ 連結棒
６２ ピッチサーボ
６２ａ 連結棒
６３ エルロンサーボ
６３ａ 連結棒
７ 制御機構
７１ センサ制御部
７２ プロペラ制御部
７３ ＰＷＭ回路
７４ 指令受信部
７５ 電子コンパス
７６ ＧＰＳレシーバ
７７ ソナー回路
８ 安全ネットカバー体
８１ 前方の衝突防止ソナー８１
８２ ハイドロホン
８３ 深度センサ
８４ 保護用アルミ板
８５ 下方の衝突防止ソナー
８６ 左右の衝突防止ソナー
８７ バラスト投下装置
４Ａ 七角形の第１角
４Ｂ 七角形の第２角
４Ｃ 七角形の第３角
４Ｄ 七角形の第４角
Ｂ 七角形の羽根根元側幅
Ｃ 七角形の最大幅
Ｈ 七角形の最大高さ
Ｌ プロペラ半径方向の基準線

Claims (2)

1. 水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成することを特徴とする水中航行船用可変ベクトル推進器。
2. 水中を航行し、推進器が可変ベクトルプロペラから構成され、プロペラボスの外周にピッチ角が可変する羽根が等間隔で取り付けられた水中航行船用可変ベクトル推進器において、プロペラボスの外周に取り付けられた４枚の各羽根輪郭を、プロペラ半径方向の基準線を中心に羽根の前縁後縁が対称な七角形に形成すると共に、七角形の最大高さをボス半径の１．２５〜１．３０倍とし、七角形の最大幅を最大高さの０．９０〜０．９５倍とし、羽根先端の第１角から羽根先端寄りの第２角までの高さを最大高さの０．２５倍とし、第２角から羽根根元寄りの第３角までの高さを最大高さの０．３５倍とし、第３角から羽根根元側の第４角までの高さを最大高さの０．４０倍とし、羽根根元側幅を最大幅の０．３倍としたことを特徴とする水中航行船用可変ベクトル推進器。

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