■事業の内容
(1) SCプロペラの翼断面形状に関する研究
最適SCプロペラを設計レベルで可能とするためには、SCプロペラの翼素そのものの性能向上が評価できなければならない。そのために前年度開発したSC翼型性能計算法等により、翼断面形状が異なる約150mm×150mmの3個の2次元翼型(SRNE翼型、SRJN翼型及びSRJL翼型)を設計・製作し、翼型3分力計を用いてノンキャビテーション状態及びキャビテーション状態での揚力、抗力、モーメントを計測した。また、LDV計測補助装置を製作してノンキャビテーション状態及びキャビテーション状態における各翼型の後流速度分布を計測し、これより求めた抗力係数を三分力計による結果と比較・検討した。両状態とも揚抗比はSRNE>SRJN>SRJLの順であった。
これらのデータは、専用の実験データ解析装置により大量データ解析及び画像処理を行い、翼型性能の改良のための資料を得た。
(2) SCプロペラの性能解析法に関する研究
キャビテーション水槽中のように囲まれた壁の中で作動するプロペラの性能を準連続渦格子法を用いて説明することを試みた。その結果、キャビテーション水槽中のプロペラの推力とトルク増加を本方法と壁上の吹出し分布を使って説明することができた。
実験したSCプロペラについて、専用の計算用端末に記憶装置を追加してキャビテーションの発生状態が小規模なSCプロペラの性能計算を行う目的で渦格子法による計算プログラムを開発し、ノンキャビテーション状態及びキャビテーション状態においてプロペラ周りの流れを解き、力を求めた。また、従来より広くプロペラ性能やキャビテーション発生範囲等のべースとして用いられている既存プロペラ揚力面理論(核関数展開法)により3種のSCプロペラについて計算を行い、プロペラ単独性能試験結果と比較した。その結果、両者は比較的よく合っており、今後渦モデルの改良の必要はあるもののSCプロペラ設計の一助になると思われる。
揚力体理論によるSCプロペラの性能計算法(表面渦格子法)を用いて、単独性能及び設計点における翼面上の圧力分布を求めた。他の計算結果に比べて性能面ではやや低い値を示しており、圧力分布は昨年度の渦格子法の計算結果と傾向が一致している。
(3) SCプロペラの設計手法に関する研究
前年度実験したSCプロペラの結果をもとに、(1)項で設計した翼型断面を持つ3個のSCプロペラを、改良DTMB法、既存揚力面解析法による設計法、揚力面設計法を応用した設計法の3つの設計法により設計し、3個のSCプロペラを製作した。設計条件は、全推力300トン、船速50ノット、3翼、300〜500RPM、直径3.3ｍである。これら3個のSCプロペラを用いて、プロペラ単独試験を行うとともに、キャビテーション水槽において、ノンキャビテーション状態及びキャビテーション状態におけるスラスト、トルク等の性能を計測した。これらの結果を解析してSCプロペラの幾何形状、特に翼断面形状の影響を評価した。
(4) 現状調査
前年度実験したSCプロペラ1個につき、形状等の異なる4機関のキャビテーション水槽において、下記条件のもとに、流速、静圧、トルク、スラスト、回転数、キャビテーション等の性能に関する持ち回り試験を行い、側壁影響等の水槽影響の現状を把握した。
計測条件:均一流中、キャビテーション数5点、前進率0.8〜1.4、回転数は35回転を標準として他に1点、空気含有率は30%を標準として他に1点。
■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る状態にある。
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昨年度から着手した3年計画の2年目の研究である。
本年度の成果として、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改良を行い、翼型3種類について流れの中での揚力、抗力、モーメント等の性能計測を実施した。その結果、流速、迎角及びキャビテーション数の変化に応じた翼型性能が把握でき、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ができた。
SCプロペラの性能解析法としては、準連続渦格子法、渦格子法、核関数展開法、表面渦格子法の各手法によりSCプロペラの性能計算を行い、実験結果と比較したところ、両者は比較的よく合っており、今後モデルの改良の必要はあるもののSCプロペラ設計の一助になると思われる。
さらにSCプロペラの設計手法に関する研究としては、改良DTMB法により設計製作したSCプロペラは実験の結果、設計どおりの性能が得られているが、既存揚力面解析法による設計法によるものは設計どおりの性能が得られなかった。揚力面設計法を応用した設計法によるものは、設計条件どおりの効率が得られ、性能も3個の中で最良であり、かなり高性能なSCプロペラの開発に成功したと言える。
また現状調査では、前年度実験したSCプロペラ1個による持ち廻り試験の結果、形状等の異なる4機関のキャビテーション水槽の性能、特に側壁影響等の水槽影響の現状を把握することができた。この結果は、キャビテーション水槽の型式や計測方式の相違等による影響を無くすための修正法確立に役立つものである。
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