2.4 ハイスキュープロペラ
1)まえがき
近年、船の高馬力化の傾向があるなかで、居住性の改善が強く望まれ、船尾振動の原因となるプロペラ起振力を、できるだけ小さくするような方法の研究が数多くなされている。その1つの手段として、3・54図に示されるような、プロペラ翼を後方へ湾曲させたスキュー型プロペラが注目されるようになった。
プロペラの変動力を小さくするには、船尾の流れを均一化する事が最も効果的であり、この方法として、船尾バルブ、フロー・コントロール・フィン、ウォータジェットの吹出し等の採用が検討されている。これらは、プロペラの変動力をその原因から解決しようとするものであるがスキュー型プロペラは、流れの不均一性に対するプロペラ翼の感度を弱め、プロペラ自身でその発生する変動力を減少させようとするものである。
3・54図 スキュー型プロペラと普通型プロペラ
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スキュー型プロペラのアイデアは新しいものではなく固定ピッチプロペラでは約一世紀も前の1883年に、蒸気ランチに、直径約4.7mの2翼のスキュー型プロペラが採用され、好結果を得たという報告がある。最近になり、再び注目を集めてきたのは、プロペラの作用を理論的に取扱う手法が発達し、十分効果の期待できるスキュー型プロペラの設計法が開発されてきた事によるもので、すでにスキュー型プロペラの理論的研究や模型試験による検証について詳しく解説された数多くの報告が発表されている。
2)翼強度
3次元的な形状の変化が大きいスキュー翼では、従来の梁理論による近似的な方法では、流体力や遠心力による翼のねじりの影響が考慮できず不十分であった。従って流体力による荷重は揚力面理論計算(MFM)プログラム、遠心力による荷重はメッシュゼネレータプログラムにより計算し、これらを組合せた有限要素法(FEM)による翼応力解析システムにより最適強度設計を行っている。
なお、従来の揚力面理論計算法(MFM)ではノズル内のプロペラ、ハイスキュープロペラの解析は困難であったが、渦格子法による非線形揚力面理論(VLM)プログラムを活用することによって、現在では特異点の計算および後流の渦の変化も考慮することが可能になった。更に翼面圧力分布、単独性能を精度良く求めることによって、従来の水槽試験による設計資料の範囲を越えた特殊プロペラを設計する上で効果を発揮している。
プロペラ起振力の面から見れば、できるだけ大きなスキューを採用する方が、起振力のより大きな軽減効果が期待できるが、それを制限する要素として翼強度の問題がある。
スキュー翼はその形状の特殊性から、普通翼とはかなり異なった応力分布となっている。またスキュー翼については、従来の梁理論では正しい応力の分布を求めることができない。従って、有限要素法(FEM)を用いて翼強度の解析を行っている。
3・55図及び3・56図は、それぞれFEMにより求めた普通翼とスキュー翼の応力分布を示す。
3・56図で明らかなようにスキュー翼では、普通翼と違い応力の最大値が後縁側に移動しており、スキュー角を更に大きくした場合0.5R〜0.6R付近の後縁により高い応力が発生する。従って、スキュー角を決定する場合、翼強度と起振力低減効果等を総合的に判断し決定しなくてはならない。特に固定ピッチプロペラの場合での後進時の応力分布(3・56図)が、可変ピッチプロペラ(3・57図)と相違するので注意する必要がある。
3・55図 普通翼の引張最大応力分布図
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3・56図 固定ピッチプロペラスキュー角度40度引張最大応力分布図
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3・57図 可変ピッチプロペラの応力分布
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