(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記舵バルブは、前記方向舵に設けられており、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントルナットが、前記軸心高さ又はその近傍に位置する、請求項2に記載の船舶用舵。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
マリナー型の舵は、方向舵の頂部のラダーストックとピントルを介しラダーホーンで支持され、方向舵が受ける舵力(水圧)による曲げモーメントは、ピントル周辺で最大となる。
そのため、ピントル周辺の方向舵に発生する曲げ応力を低減するために、ピントル周辺の舵厚を大きくすることで剛性を確保する必要があった。
また、ピントルを方向舵に固定するピントルナットを方向舵内に配置するためにも、ピントル周辺の舵厚を大きくする必要があった。
【0007】
また、舵による推進抵抗(以下、「舵抵抗」)は、舵表面の凹凸(滑らかさ)に大きく影響される。そのため、従来は、船舶用舵の頂部(上端)から底部(下端)まで、船舶用舵の舵厚は、ピントル周辺の舵厚を基準とし、頂部(上端)から底部(下端)まで不連続点が生じないように舵厚が決定されていた。
【0008】
船舶の運航において、前進の占める割合は大きく、前進時における舵抵抗は、舵厚に比例する。そのため、上述したマリナー型の舵は、船舶の前進時における舵抵抗が大きく、その舵抵抗を下げることが従来から要望されていた。
【0009】
本発明はかかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、方向舵が受ける舵力によりピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、ピントルナットが配置可能、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる船舶用舵を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明によれば、船舶のプロペラ後方に配置されたラダーホーンと、
舵中間部が前記ラダーホーンにピントルを介して取り付けられ、前記ピントルの軸心を中心に揺動可能な方向舵と、
プロペラの軸心高さに位置し前記ラダーホーン又は前記方向舵より法線方向に膨らんだ舵バルブと、を備え、
前記舵バルブの少なくとも一部が、前記舵中間部と一体に構成され
、
前記舵バルブを除く前記ラダーホーン及び前記方向舵は、前縁から前後方向同一位置において、前記舵バルブの最厚部分より舵厚が薄く、かつ前記舵バルブの外面に滑らかに取合う形状を有する、船舶用舵が提供される。
【0011】
前記舵中間部は、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントル固定部、又は、前記方向舵の最短コード部である。
【0012】
前記ラダーホーンは、前記ピントルを回転自在に支持するピントル軸受部を有し、
前記舵バルブは、前記ラダーホーンに設けられた固定バルブと、前記方向舵に設けられた揺動バルブと、からなり、
前記固定バルブは、前記ピントル軸受部を含み、
前記揺動バルブは、前記ピントル固定部又は前記最短コード部を含む。
【0013】
前記ラダーホーンの下端が、前記軸心高さ又はその近傍に位置する。
【0014】
前記最短コード部は、前記軸心高さ又はその近傍に位置する。
【0015】
前記舵バルブは、前記方向舵に設けられており、前記ピントルを前記方向舵に固定するピントルナットが、前記軸心高さ又はその近傍に位置する。
【0016】
前記舵バルブの少なくとも一部が、前記ラダーホーンの下端部分に位置し後方に突出した下部連結部と一体に構成されている。
【0017】
前記舵バルブは、舵表面より船幅方向に水平に延びるフィンを有し、前記フィンは、前記船舶の進行方向成分を有する揚力を発生する。
【発明の効果】
【0018】
上記本発明の構成によれば、プロペラの軸心高さに位置しラダーホーン又は方向舵より法線方向に膨らんだ舵バルブを備えるので、プロペラの推進効率を向上させることができる。
【0019】
一方、舵中間部は、ピントルを介してラダーホーンで方向舵が支持されるため、この部分に舵力による最大曲げモーメントが発生するため、構造強度上、問題となることが多い。
しかし、本発明の構成によれば、舵バルブの少なくとも一部が、舵中間部と一体に構成されているので、最大曲げモーメント発生箇所へ舵バルブ位置を合せることで、断面剛性の確保が容易となり、発生応力を低減することができる。
【0020】
さらに、舵バルブを除く方向舵を、最大曲げモーメントが生じる部分の影響を受けずに設定できるので、舵バルブを除く舵全体の舵厚を従来よりも薄くできる。
【0021】
従って、本発明により、方向舵が受ける舵力によりピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、ピントルナットが配置可能、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0024】
初めに、従来例を説明する。
図1は、従来の船舶用舵1の全体構成図である。この図において、船舶用舵1は、マリナー型の舵であり、ラダーホーン2、方向舵3(舵板)、及び舵バルブ4を有する。
ラダーホーン2は、船体5の船尾船底から方向舵3のほぼ中央あたりまで配置される。ラダーホーン2は、方向舵3の頂部を支持するラダーストック6と方向舵3のほぼ中央部に設けたピントル7を支持する。
なお、この図で、5aはベースライン、8はプロペラ、8aはプロペラ8の中心線(プロペラ中心線)、9はピントル7を方向舵3に固定するピントルナットである。
【0025】
図2は、
図1の船舶用舵1の斜視図(A)と正面図(B)である。
この図に示すように、従来の船舶用舵1では、ラダーホーン2の厚さは、その頂部(上端)から底部(下端)まで、ピントル周辺の舵厚とほぼ同一に形成されていた。
また、ラダーホーン2の下端は、方向舵3の中央付近(全高の約1/2の高さ)であり、方向舵3の図心近傍に位置していた。この場合、ラダーホーン2の下端は、プロペラ中心線8aから上方に方向舵3の全高の約1/6〜1/4程度離れた高さに位置する船が多い。
【0026】
また、方向舵3の舵厚は、ラダーホーン2に接続される部分において、ラダーホーン2から凹凸のないようにラダーホーン2とほぼ等しく、ラダーホーン2の下端より下方において徐々に薄く形成されていた。
また、従来の船舶用舵1において、舵バルブ4は、通常、プロペラ8の軸心高さにおいて方向舵3に設けられ、方向舵3の外表面から法線方向に膨らんだ形状を有している。
なお、従来の船舶用舵1において、舵バルブ4は、必須ではなく、これを省略する場合も多い。
【0027】
図3は、船舶用舵1の計算モデル図であり、(A)は側面図、(B)はモデル図、(C)はせん断力図、(D)は曲げモーメント図である。この図において、Xは船舶用舵1の前後方向、Zは船舶用舵1の上下方向を示す。
【0028】
図3(A)において、ラダーストック6はA点とB点で支持されており、方向舵3は、さらにC点で支持されている。この図において、C点からD点までの長さ(高さ)をLとする。長さLは、従来例では、方向舵3の全高の約1/2以上であった。
【0029】
図3(B)のモデル図では、船舶用舵1とラダーストック6を、1本の梁ABCDとみなしている。梁ABCDは、A点(S1)とB点(S2)を変形のみを拘束した単純支持として、C点では弾性的に支持されている。また、方向舵3の上端からC点(S3)までと、C点から下端(D点)までに、それぞれ一定の舵力が作用する。C点から下端(D点)までの舵力をこの例では、Pとする。
【0030】
図3(C)のせん断力図から、梁ABCDに作用するせん断力は、C点において最大せん断力Qmaxとなることがわかる。
最大せん断力Qmaxは、単位幅当たり、Qmax=P・L・・・(1)で表すことができる。
また、
図3(D)の曲げモーメント図から、梁ABCDに作用する曲げモーメントは、C点において最大曲げモーメントMmaxとなることがわかる。
最大曲げモーメントMmaxは、単位幅当たり、Mmax=0.5P・L
2・・・(2)で表すことができる。
【0031】
船舶用舵1では、
図3(C)(D)から明らかなように、方向舵3が受ける舵力Pによるせん断力と曲げモーメントは、ピントル周辺で最大となる。
そのため、ピントル周辺に発生するせん断応力と曲げ応力を低減するために、
図1、
図2に示したように、ピントル周辺の舵厚を大きくする必要があった。
また、ピントル7を方向舵3に固定するピントルナット9を方向舵内に配置するためにも、ピントル周辺の舵厚を大きくする必要があった。
【0032】
また、舵による推進抵抗(以下、「舵抵抗」)は、舵表面の凹凸(滑らかさ)に大きく影響される。そのため、従来は、船舶用舵1の頂部(上端)から底部(下端)まで、舵厚をピントル周辺の舵厚とほぼ同一に形成されていた。
その結果、従来の船舶用舵1の舵厚が大きく、船舶の前進時における舵抵抗が大きかった。
【0033】
図4は、本発明による船舶用舵10の第1実施形態を示す側面図である。
この図において、本発明の船舶用舵10は、マリナー型の薄型舵であり、ラダーホーン12、方向舵13、及び舵バルブ14を備える。
【0034】
ラダーホーン12は、船舶のプロペラ後方に配置されている。
【0035】
方向舵13は、舵中間部20がラダーホーン12にピントル16を介して取り付けられ、ピントル16の軸心Z−Zを中心に揺動可能に構成されている。
この例で、方向舵13は、ラダーホーン12の上部連結部18と下部連結部17に取り付けられている。下部連結部17は、ラダーホーン12の下端部分に位置し後方に突出した部分であり、ピントル軸受部分となる。下部連結部17は、ピントル16の上部を回転自在に支持する。
【0036】
また、ラダーホーン12の頂部は、ラダーストック15の上部軸受部分となる。
この例において、ラダーストック15はピントル16の軸心Z−Zを合わせて、船内に設けられた操舵装置まで延び、操舵装置により軸心Z−Zを中心に揺動可能に構成されている。
【0037】
舵バルブ14は、プロペラ8の軸心高さに位置し、ラダーホーン12又は方向舵13より法線方向に膨らんでいる。舵バルブ14の外面形状は、流線形でありプロペラ8の推進効率を向上させるように設定されている。
なお、この図で、19はピントル16を方向舵13に固定するためのピントルナットであり、方向舵13の内部に設けられた空間に位置する。この内部空間は、ピントル16にピントルナット19を取付け・取外しするための作業空間である。
【0038】
図4において、舵バルブ14の少なくとも一部が、舵中間部20と一体に構成されている。舵中間部20を破線の枠で示す。
【0039】
図5は、
図4の船舶用舵10の拡大図であり、
図6は、
図5の部分断面図である。
図6において、(A)(B)(C)(D)は、
図5のA−A断面図、B−B断面図、C−C断面図、D−D断面図である。
図5において、舵中間部20は、ピントル16の下部を方向舵13に固定するピントル固定部21、又は、方向舵13の最短コード部22である。すなわち、舵中間部20は、ピントル固定部21と最短コード部22の一方又は両方である。ピントル固定部21は、ピントルナット19の部分を含むことが好ましい。
【0040】
図5において、ラダーホーン12の下端12aは、プロペラ8の軸心高さ又はその近傍に位置する。
この構成により、
図3におけるC点からD点までの長さLを、方向舵3の全高の約1/3以下に設定することができ、ピントル周辺に作用する最大せん断力Qmaxと最大曲げモーメントMmaxを大幅に低減することができる。
【0041】
図5において、舵バルブ14は、固定バルブ14aと揺動バルブ14bとからなる。固定バルブ14aは、ラダーホーン12の下部に固定して設けられた、舵バルブ14の上部前方部分である。また、揺動バルブ14bは方向舵13の舵中間部20に固定して設けられた、舵バルブ14の下部前方部分と後方部分である。
【0042】
図6(C)において、ラダーホーン12の固定バルブ14aは、ピントル軸受部を含む下部連結部17と一体に構成されている。なお、この図において、ピントル16の摺動面を構成するブッシュやスリーブの表示は省略している。
【0043】
図5と
図6(C)において、方向舵13の揺動バルブ14bは、ピントル固定部21と最短コード部22の少なくとも一部を含み一体に構成されている。最短コード部22は、
図3における最大曲げモーメントMmaxが作用する部分である為、高い降伏応力を有する材料を用いることが好ましい。
【0044】
図5と
図6(C)において、ピントルナット19が配置可能、且つ揺動バルブ14bにおいて発生する最大せん断力Qmaxと最大曲げモーメントMmaxに対し、当該部に発生するせん断応力と曲げ応力が許容応力未満となるように、揺動バルブ14bの大きさ(膨らみ)が設定されている。
【0045】
なお、
図6(C)に太い破線bで示すように、揺動バルブ14bに発生するせん断応力と曲げ応力が許容応力未満となる限りで、合理的に軽量化してもよい。
【0046】
図6(A)において、方向舵13は、ラダーストック15の下端部を方向舵13に固定するラダーストック固定部23を有する。ラダーストック固定部23も、揺動バルブ14bと同様に高い降伏応力を有する材料を用いることが好ましい。
図3から明らかなように、ラダーストック固定部23(
図3のB点に相当する)におけるせん断力と曲げモーメントは、最短コード部22と比較して大幅に小さい。従って、
図6(A)における方向舵13の舵厚をピントル固定部21よりも大幅に薄くすることができる。
【0047】
図5のB−B断面及びD−D断面におけるせん断力と曲げモーメントは、最短コード部22と比較して大幅に小さい。従って、
図6(B)(D)における方向舵13の舵厚を舵中間部20、及びピントル固定部21よりも大幅に薄くすることができる。
【0048】
すなわち、この例において、舵バルブ14を除くラダーホーン12及び方向舵13は、前縁から前後方向同一位置において、舵バルブ14の最厚部分より舵厚が薄く、かつ舵バルブ14の外面に滑らかに取合う形状を有する。ここで「滑らかに取合う」とは「滑らかに接続する」ことを意味する。
従って、本発明により、方向舵13が受ける舵力によるピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる。
【0049】
図7は、本発明による船舶用舵10の第2実施形態を示す側面図である。また、
図8は、
図7の船舶用舵10の斜視図(A)と正面図(B)である。
【0050】
図7、
図8において、下部連結部17及び最短コード部22は、プロペラ8の軸心高さ又はその近傍に位置する。
この構成により、
図3におけるC点からD点までの長さLを、方向舵13の全高の約1/3以下に設定することができ、ピントル周辺に作用する最大せん断力Qmaxと最大曲げモーメントMmaxを第1実施形態よりも低減することができる。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。
【0051】
この例は、最短コード部22が舵バルブ14と同一高さ又はその近傍に位置するので、最短コード部22の構造的要求により、最大舵厚が決定する場合に特に適している。
【0052】
図9は、本発明による船舶用舵10の第3実施形態を示す側面図である。また、
図10は、
図9の船舶用舵10の斜視図(A)と正面図(B)である。
【0053】
図9、
図10において、舵バルブ14は、方向舵13に設けられており、ピントル16を方向舵13に固定するピントルナット19が、プロペラ8の軸心高さ又はその近傍に位置する。
この例は、舵バルブ14がピントルナット19の部分を含むので、ピントルナット19を方向舵内に収める物理的要求により、最大舵厚が決定する場合に特に適している。
【0054】
また、この例において、舵バルブ14は、舵表面より船幅方向に水平に延びるフィン24を有する。
フィン24は、船舶の進行方向成分を有する揚力を発生する。
【0055】
なお、フィン24は、この例に限定されず、第1、第2実施形態の固定バルブ14aと揺動バルブ14bの一方又は両方に設けてもよい。
【0056】
図11は、一般的な翼型形状における、翼厚と抵抗係数の関係を示した図である。
この図において、横軸はコード長に対する翼厚比率t/c(%)、縦軸は抵抗係数Cd(−)である。また、図中の白丸と破線は翼表面が粗い場合、黒丸と実線は翼表面が滑らかな場合である。
【0057】
この図から、例えば、翼表面が粗い場合において、翼厚比率t/cが22%から12%まで翼厚を低減すれば、翼単独の抵抗が約20%減少することがわかる。
なお、
図11は翼型の抵抗係数であり、舵の抵抗をそのまま示すものではない。
船体抵抗に対する舵抵抗は、船種によって異なるが、約1〜7%であることが知られている。
【0058】
上述したように、本発明の構成によれば、プロペラ8の軸心高さに位置しラダーホーン12又は方向舵13より法線方向に膨らんだ舵バルブ14を備えるので、プロペラ8の推進効率を向上させることができる。
【0059】
一方、舵中間部20は、ピントル16を介してラダーホーン12で方向舵13が支持されるため、この部分に舵力による最大曲げモーメントMmaxが作用する。
しかし、本発明の構成によれば、舵バルブ14の少なくとも一部が、舵中間部20と一体に構成されているので、最大曲げモーメント発生箇所へ舵バルブ位置を合せることで、断面剛性の確保が容易となり、発生応力を低減することができる。
【0060】
さらに、舵バルブ14を除く方向舵13を、最大曲げモーメントMmaxが生じる部分の影響を受けずに設定できるので、舵バルブ14を除く舵全体の舵厚を従来よりも薄くできる。
【0061】
従って、本発明により、方向舵13が受ける舵力によりピントル周辺に発生する曲げ応力を低減し、ピントルナット19が配置可能、かつ前進時における舵抵抗を低減することができる。
【0062】
なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【0063】
Mmax 最大曲げモーメント、Qmax 最大せん断力、Z−Z 軸心、
1 船舶用舵、2 ラダーホーン、3 方向舵(舵板)、4 舵バルブ、
5 船体、5a ベースライン、6 ラダーストック、7 ピントル、
8 プロペラ、8a プロペラ中心線、9 ピントルナット、10 船舶用舵、
12 ラダーホーン、12a ラダーホーンの下端、13 方向舵(舵板)、
14 舵バルブ、14a 固定バルブ、14b 揺動バルブ、15 ラダーストック、
16 ピントル、17 下部連結部、18 上部連結部、19 ピントルナット、
20 舵中間部、21 ピントル固定部、22 最短コード部、
23 ラダーストック固定部、24 フィン
【解決手段】方向舵13の舵中間部20が、ラダーホーン12にピントル16を介して揺動可能に取り付けられている。舵中間部20は、ピントル16を方向舵13に固定するピントル固定部21、又は、方向舵13の最短コード部22である。船舶用舵10はさらに、プロペラ8の軸心高さに位置しラダーホーン12又は方向舵13より法線方向に膨らんだ舵バルブ14を備える。舵バルブ14の少なくとも一部が、舵中間部20と一体に構成されている。