■事業の内容
(1) SCプロペラの翼断面形状に関する研究
3種類のSC翼型(Waid翼型、NR翼型、Johnson翼型)及び翼型3分力計を設計・製作した。本実験に先立ち、既存のNACA 0012翼型を用いて実験し、翼の揚・抗力、モーメントに対する翼端隙間の影響を調査するとともに、LDV計測の予備試験を行った。
その後、Waid翼型、Newton-Rader翼型、Johnson 5項翼型の3つの翼型の実験を行い、流速、迎角及びキャビテーション数の変化による影響を調べ、さらにLDV計測結果から3分力計の精度検証を行った。
(担当場所:東京大学、船舶技術研究所)
(2) SCプロペラの性能解析法に関する研究
渦パネル法に基づく計算プログラムを用い、厳密解のある特別なケース(キャビティ長さが無限大)につき計算を行った。また、渦パネル法に基づく計算プログラムを、キャビティ長さが有限の場合にも適用できるように拡張した。
また、簡便法である線形理論の範囲内で既存理論を調査し、より高精度な解法について検討し、計算プログラムを作成しWaid翼型の閉鎖型模型と開放型模型について計算し、Waidらの実験結果と比較した。また、キャビティが翼前縁から発生しない場合の翼型についても線形理論による定式化を行い、試計算プログラムを作成した。さらに計算プログラムを改良し、より汎用性を持たせる形にした。計算結果に簡単な粘性修正を施して、実験データの一部と比較したところ、ほぼ一致していた。
キャビテーション水槽中におけるプロペラ性能の変化を、簡易プロペラ理論と鏡像原理または境界要素法によって求めるための理論式の展開を行い、簡易プロペラ理論を用いて、単独プロペラの性能を求める計算プログラムを作成し、実験値とほぼ同じ結果を得ることができた。また鏡像法を用いて、プロペラ性能を求めるプログラムを作成し、数値計算を行い、従来の実験結果を説明できることを確かめた。
プロペラ揚力面理論によるプロペラのノンキャビテーション状態における理論計算の結果が、キャビテーション状態の性能の予測にどの程度利用できるかという問題について、文献資料によって調査を行った。また、SCプロペラの揚力面理論による性能解析の計算法について検討したところ、キャビテーション状態における有効性は、翼型周りの圧力分布が重要であることが分った。さらに、渦格子法により、SCプロペラ(Newton-Rader,DTMB、及びSSPA翼型)のノンキャビテーション状態における性能計算を行い、単独性能については模型実験結果と良く合う結果を得、圧力分布についても妥当な結果を得た。
(担当場所:船舶技術研究所、東京大学、九州大学、横浜国立大学)
(3) SCプロペラの設計手法に関する研究
既存のSCプロペラ設計法3種(Newton-Rader法、SSPA法及びDTMB法)を用いて、今後需要が期待される高速客船及び貨物船を対象に軽量高出力エンジンの要目に合う3種のSCプロペラを設計・製作した。3個のプロペラについて、詳細なプロペラ単独性能試験を行った。SSPA型は設計点近傍で安定したスーパー・キャビテーションが発生し粘性影響は少なく、N-R型は前進率が低下すると振動が発生するが設計値より優れた実験結果を示し、DTMB型はスーパー・キャビテーション状態で効率が増す等のそれぞれの特徴が把握できた。
(担当場所:船舶技術研究所、三井造船昭島研究所)
(4) 現状調査
135の関係機関(国内119、海外16)に対するアンケート調査により、SCプロペラの実績及びニーズ調査を行い、41機関からの回答を得た。
文献調査では、実験・理論・設計の各分野について重要な文献を選定し、合計37編の文献抄訳を作成して貴重な知見を得た。
(担当場所:川崎重工業、日立造船、日本鋼管、住友重機械工業、石川島播磨重工業、三菱重工業)
■事業の成果
最近の船舶高速化の需要増加に伴い、高速性能に優れたスーパー・キャビテーション・プロペラ(以下略称をSCプロペラとする)への期待が高まっている。しかしSCプロペラは、従来商船用としては小型のレジャー・ボートに用いられる程度で、大きなニーズがなかった。このため、SCプロペラの設計に関しては、旧式なシリーズ試験結果に基づく設計チャートがあるのみで、理論的な解明も遅れており、試行錯誤的な手法で設計が行われていた状態にある。
本研究はSCプロペラの設計法確立に資するため、その性能解析法と性能評価法を確立させ、さらに信頼のおける設計データを整えることを目的として本年度から着手したものである。
第1年度の成果として、先ず基本的なSCプロペラの翼要素の流力特性の評価が可能となるよう、翼断面形状に関する研究を行い、従来の代表的な翼型3種類について流れ中での揚力、抗力及びモーメントの計測を実施した。実験の結果、流速、迎角及びキャビテーション数の変化に応じたそれぞれの翼型の性能が把握でき、さらにLDV計測により抗力等の計測精度の検証を行うこともできた。翼型の種類により、翼の捩じれに起因すると思われる性能の変化、振動の発生状況等が一応明らかとなった。
SCプロペラの性能解析法としては、渦パネル法、線形理論をはじめ各種のプロペラ理論を用いた試計算、理論の展開と拡張等を試み、プログラムの作成と改良を図った。最も適した理論への絞り込みは今後の課題であるが、初年度においても、部分的には実験結果とよく合致し、キャビテーション状態を説明できるものも見出されている。
さらにSCプロペラの設計手法に関する研究としては、先ず既存の代表的なSCプロペラ系列による模型プロペラについて、基本的なキャビテーションの状態、スラスト及びトルクの値が明らかになり、プロペラ効率の優劣や振動発生による使用限界等について多くの知見が得られた。
また現状調査の結果、SCプロペラとその研究に対する期待が大変大きいことが明らかとなり、文献の調査整理により研究の方向づけに対する示唆も得られ、今後の研究の実施に役立つものと思料される。
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