こちら - セーリングヨット研究会ホームページ

大型帆船の展帆基準について
阿部真二郎((財)伏木富山港・海王丸財団 海事課長)
雨宮 伊作(独立行政法人航海訓練所 海王丸船長)
風圧モーメント
図1
GZ 曲線
傾斜角 (°)
a
b
帆船の風圧モーメント及び復原力曲線図
展帆状態における,風圧モーメントと復原力の
釣合いから,その時の定常風による傾斜角a(静
的復原力による傾斜角。以下「静的傾斜角」とい
う)を求めることができるので,定常帆走状態で
はこれを基準に安全性を判断すればよい。
一方,突風を受けて船体が急に傾斜するような
場合には,風圧モーメントによる仕事量と船の復
GZ Lever(M)
動的傾斜角
O
静的傾斜角
A
B
WLO
GZ Lever (M)
2.1 動的・静的傾斜角
図 1 に帆船の風圧モーメント及び復原力曲線図
を示す。
GZ Curve
Derived
Heel
Angle
θd
0
>15
GZf
2. 復原性と風圧モーメント
2.2 復原性基準
海王丸の復原性基準は,わが国の船舶復原性規
則が適用されるが,帆船についての特別な定めは
ない。そこで建造時に旅客船の復原性基準を適用
し,
絞帆及び展帆の 2 状態について計算している。
つまり帆船は,絞帆状態では一般船舶と同じで
あるので,風圧モーメントは一定として扱ってい
るが,展帆状態では,傾斜角θにより受風投影面
積や風圧中心高さが減少することから,風圧モー
メントは cos2θに比例することとしている。
一方,英国の現代帆船の復原性基準である大型
商 用ヨッ トコ ード( Large Commercial Yacht
Code)7)では,WLO(船体を海水流入角θf 若
しくは 60 度まで傾斜させる力をもつ巨大な風に
よる傾斜てこ WLO=GZf/Cos1.3θf)から求めた
dwhl(derived wind heeling lever dwhl=0.5
×WLO×cos1.3θ)と復原てこ(GZ)の釣り合い角
(Derived Heel Angle θd)が 15 度より大きく
なるよう求めている。(図2)
〃
大型帆船の帆走航海中において,荒天や強風を
予期した場合には,船上での生活や操帆などが安
全に遂行できるように,船体傾斜を抑えるため,
帆の面積を減じて調整しなければならない。
従来,この減帆量については,風力階級に応じ
た経験的な目安が設定されている 1)が,船体傾斜
角は真風速ではなく,視風向,視風速や船体排水
量等によって変化する。
そこで,展帆及び畳帆の基準を作成するため,
模型による風洞実験等により得た諸係数 2)∼6)を
用いて,海王丸の船体傾斜角を計算するプログラ
ムを作成し,実船による検証を行った。
原力による仕事量の釣合い(面積Aと面積Bが等
しくなるとき)から,傾斜角b(動的復原力によ
る傾斜角。以下「動的傾斜角」という)まで船体
はいったん傾斜することになる。
〃
1. はじめに
dwhl
○
θf
Heel Angle(°) 90
図 2 Large Commercial Sailing Vessel Code (UK)
この規則を海王丸に当てはめて計算を行ったが
θdは 15 度以上となった。
2.3 風圧モーメント
展帆状態で直立時に働く水線面上船体中心線ま
わりの横傾斜モーメントは,次式により求められ
る。
動的傾斜角は,面積Aと面積Bを比較するため,
まず,風圧モーメント曲線及び復原力曲線の下側
の面積を 0.5 度毎に細分して,台形の面積を求め,
それぞれの面積の総和を引いた値が 0 になる点を
計算して傾斜角bとした。
K=0.5×ρA×CK×S×UA2×d
3. 展帆基準計算プログラム
但し,ρA
CK
S
UA
d
:空気密度(0.125kgf・sec2/m4)
:帆の傾斜モーメント係数
:帆面積(m2)
:風速(m/s)
:Draft(6.2m)
展帆基準計算プログラムの作成には,Microsoft
Excel 2003 を 使 用 し , マ ク ロ の 作 成 に は ,
Microsoft Visual Basic 6.0 を使用した。
風洞試験結果から得られた視風向(γA)と傾斜
モーメント係数(CK)を図 3 に示す。
図 4 海王丸展帆基準計算プログラム
図 3 フルセール時の傾斜モーメント係数
2.4 基準傾斜角の設定と傾斜角計算
基準傾斜角として,以下の 3 つの限界傾斜角を
設定した。
(1) 生活限界傾斜角
船内生活全般や給食作業に支障を来す生活限界
傾斜角は,経験的に判断して 10 度とした。
(2) 操帆限界傾斜角
操帆作業に支障を来す操帆限界傾斜角は,経験
的に判断して 15 度とした。
(3) 舷端水没角
展帆時の各積付状態(満載∼4/4 消費)におけ
る舷端水没角の平均値が 30.38 度であるので,30
度を舷端水没角とした。
これを踏まえ,静的傾斜角は,復原てこと傾斜
てこの釣合いから,次式により求めた。
GZ・W=K×cos2θ
但し,W:排水量(kg)
計算シートは,7 つの Sheet で構成されており,
最初の Sheet である「入力シート」の「展帆基準
入力セル」にデータを入力すると,
「展帆基準出力
結果」に出力される。
入力するのは黄色のセルで,船首方位(deg.),
船速(kn),現在傾斜角(deg.),視風向(deg.),視風
速(m/s),ヤード角(point),積付状態(5 種)の
7 つのデータを必要としている。
真風向・真風速は,視風向・視風速と船速に加
え,傾斜等による影響について風洞実験結果 4)か
ら修正を行った上で計算している。
積付状態は,基本的な標準積付状態 5 種(満載
状態,1/4 消費状態,2/4 消費状態,3/4 消費状態,
4/4 消費状態)から選択することができる。
畳帆するセイルについては,Sail Combinations
にあるセイルを直接クリックすることにより選択
することができる。また,風力 6 から 9 までのボ
タンを設け,それぞれ選択すると帆船操典に記載
された経験的基準である減帆の目安に基づいて,
減帆するセイルを一度に畳帆入力することができ
る。但し,セイルを直接クリックして展帆入力す
ることはできない。展帆については,
「Full Sails」
ボタンにより全てのセイルを一度に展帆入力でき
る。この畳帆による傾斜モーメントの減少につい
ては,個々のセイルの帆面積及び風圧中心高さに
より減少量を導き,総帆の傾斜モーメントからマ
イナスすることで調整している。計算に用いる基
本データとして,帆面積及び風圧中心計算のデー
タについては,海王丸建造の記録から,復原性デ
ータについては,復原性基準計算書の図及び数値
表から,CK∼γA 特性のデータについては,風洞
実験結果 2)から引用し,それぞれ Sheet にデータ
ベースを作成した。出力結果として,静的傾斜角
及び動的傾斜角を得ることができる。また,静的
傾斜角の角度に応じて基準傾斜角についての警告
(「通常生活可能」
「生活限界超過」
「操帆限界超過」
「舷端水没角超過」
)が表示される。また,復原力
曲線と風圧モーメント曲線については,グラフで
表示され,静的傾斜角と基準傾斜角の関係が視覚
的に確認できるようになっている。
なお,復原性基準計算書の図表は,KG′=
5.00m のG′Zを示しているので,各積付状態のK
G0から次式により修正した。
G0Z=G′Z−G0G′sinθ
4. 実船による検証結果
海王丸では,船体トリム及び傾斜計の出力を航
海記録プログラムに取り込むインターフェース及
び表示プログラムを開発作成した。あわせて,よ
り高感度のデジタル傾斜計を船長室内に設置し,
この出力についてもコンピュータに記録可能とし
ている。これらを用いて 2008 年 1 月からの海王
丸遠洋航海において,今回説明した展帆基準プロ
グラムの検証を行った。
図 7 計測値と計算値の相関
計測値と計算値の誤差の平均は,2.3 度であっ
た。特に,1月の往航のみでは,誤差の平均が 1.0
度であった。このことから,ある積付状態下で帆
走中に,任意の風向・風速,展帆状態での,船体
横傾斜角が,
計算可能なことを示すことができた。
ただし,復航の2月の傾斜データはフルセール,
微風のものであるが,3度程度の定誤差が生じて
いる。原因としては,タンクコンディション等か
らイニシャルヒールが生じているか,フルセール
の計算がうまくできていないかのどちらかだと思
われる。これについては,もう少し多くのデータ
について検証を行う必要がある。
一方,運航上の問題点としては,今回このプロ
グラムを使用して,風速 25m/s の荒天下において
も定常傾斜角が 10 度以下になるように制御する
ことができた。ところが,そこを中心に片舷 20
度を超える動揺に遭遇した。すなわち傾斜角を制
御するだけでなく,荒天下では動揺を制御するこ
とも必要であることがわった。また,風は息をす
ることから,動的傾斜角の存在についてももっと
視野に入れる必要があると感じている。さらに突
風率(いわゆるガストファクター)や波浪が船体
傾斜に及ぼす影響なども考慮しながらこのプログ
ラムを利用する必要があると考える。
5. おわりに
図 6 海王丸遠洋航海航跡図
海王丸の安全で効率的な訓練航海を遂行する
ために,その帆走性能をいかんなく発揮すること
を目的として各種の試みを行っている。
本研究もその一端であるが,今後は,これらを
用いて,今までに収集し解析された帆船に関する
データが実際の航海で有用かつ容易に使用できる
ように,推力や横力等の船体運動についても解析
し,あらゆる条件下において帆船の運動を計算で
きるようにしたい。
参考文献
1)帆船操典: 独立行政法人航海訓練所,平成 18
年9月
2)雨宮伊作,大杉 勇:練習帆船日本丸の帆走性
能実験について,日本航海学会論文集第 79 号,
昭和 63 年 4 月
3)多田納久義:練習帆船日本丸模型の風洞試験結
果について,平成 2 年 3 月
4)雨宮伊作ほか:練習帆船日本丸の帆の空力特性
について,日本航海学会第 83 回講演会,平成 2
年 10 月
5)芳村康男ほか:大型練習帆船の帆走性能の推定,
日本航海学会論文集第 84 号,平成 3 年 3 月
6)雨宮伊作ほか:練習帆船日本丸の帆の空力特性
について−Ⅱ,日本航海学会第 86 回講演会,
平成 4 年 5 月
7) Jan C. Miles ほか:SNAME’s Stability Letter
Improvement Project (SLIP) for Passenger
Sailing Vessels,Chesapeake Sailing Yacht
Symposium,2007 年 3 月
8)増山 豊:Excel で解く機械系の運動力学―振動
問題からフライトシミュレーションまで,共立
出版,2002 年 9 月