|
2.3 ハイスキュープロペラ
ハイスキュープロペラは3・37図に示すようにスキュー角が大きいプロペラを言う。ハイスキュープロペラの形状にはバランススキュー型とバックワードスキュー型がある。
船の主機関の高出力化に伴って、船尾振動が増大し居住性の改善の対策の一環として、日本では昭和55年頃からハイスキュープロペラが採用された。ハイスキュープロペラは船尾振動の原因となるプロペラ起振力を軽減するのが主目的である。ハイスキュープロペラは船尾の不均一な流れに対して、プロペラの感度を弱め、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。ハイスキュープロペラは相当大きなスキューバックをもつ特異な形状をしたプロペラである。
プロペラの起振力は、船体に伝達される道順により二つの成分に分けることができる。一つは直接的にプロペラ軸を介して船尾管軸受から船体に伝わるベアリングフォースと呼ばれるもので、もう一つは間接的にプロペラの作動によって水圧変動の形で船体および舵の表面を通じて船体に伝わるサーフェイスフォースと呼ばれる成分である。
ハイスキュープロペラの特長として、サーフェイスフォースやベアリングフォースが軽減できる。また通常型プロペラに比較して推進性能は前進時において、スキュー角にはほとんど影響されないし、プロペラのキャビテーション性能にも優れているので、高速船のプロペラとしても向いている。
| （拡大画面：35KB） |
 |
3・37図 スキュー型プロペラと普通プロペラ
1）ハイスキュープロペラの羽根強度
ハイスキュープロペラの場合、羽根形状が通常型プロペラと大幅に異なるためプロペラ羽根には曲げによる力およびねじりによる力が複雑に作用する応力分布を呈する。通常型プロペラは、羽根根元部に最大応力が発生するが、ハイスキュープロペラの場合、最大応力の発生個所は、羽根根元だけではなく、羽根先端に近い後縁部にも発生する。3・38図に通常型プロペラの場合の応力分布を示す。また3・39図に可変ピッチプロペラのスキュー角度40度の場合の応力分布および3・40図に固定ピッチプロペラのスキュー角度40度の場合の応力分布の計算結果の一例を示す。
2）ハイスキュープロペラの特長
（1）普通翼プロペラと比較して、推進性能、操船性能を損なうことなく、船体振動を大幅に低減できる。
（2）ベアリングフォースやサーフェイスフォースが低減できる。それほど極端なスキューをつけなくとも、ベアリングフォースで、15〜20％、サーフェイスフォースで、30〜40％の減少効果が得られる。
（3）キャビテーション性能が優れている。
（4）プロペラから生ずるノイズが減少する。
（5）低回転・大直径プロペラの採用
船体振動軽減効果により、在来船での船体振動が許容できるならば、振動レベルが同じになるまで、プロペラチップクリアランスを小さくして、より低回転、大直径プロペラの採用が可能となり、プロペラ効率を上げることができる。
| （拡大画面：20KB） |
 |
3・38図 通常型プロペラの引張最大応力分布図
| （拡大画面：27KB） |
 |
3・39図 可変ピッチプロペラの応力分布
| （拡大画面：20KB） |
 |
3・40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
2.4 プロペラ材料
プロペラに用いられる材料には高力黄銅鋳物、アルミニウム青銅鋳物、ステンレス鋳鋼などがある。一般に高力黄銅鋳物とアルミニウム青銅鋳物が使用される。
高力黄銅鋳物（JIS記号CAC301、旧記号HBsC1）の化学成分は銅（Cu）が55〜60％と亜鉛（Zn）が33〜42％を主体としてそれにマンガン（Mn）、鉄（Fe）、錫（Sn）、アルミニウム（Al）などの多くの元素を加えた合金である。機械的性質は船舶機関規則などにより、引張強さ430N／mm2（44kg／mm2）以上、伸び20％以上と定められている。材料の比重は約8.3である。
アルミニウム青銅鋳物（JIS記号CAC703、旧記号A1BC3）の化学成分は銅が78〜85％とアルミニウムが8.5〜10.5％を主体にしてそれにマンガン（Mn）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni））などを添加した銅合金である。機械的性質は引張強さ590N／mm2（60kg／mm2）以上、伸び15％以上である。材料の比重は約7.6である。
船の航路、船種などにより高力黄銅鋳物が使用されることがあるが、最近ではほとんどのプロペラにアルミニウム青銅鋳物が使用されている。
2.5 プロペラに発生する現象
1）プロペラキャビテーション現象
プロペラキャビテーションはプロペラの回転数がある範囲を越えるとプロペラ羽根によって、水が加速され、水との相対速度の関係で羽根表面にある限界の圧力より低い部分が発生すると気泡が生ずる。この現象をキャビテーション現象あるいは単にキャビテーションと呼ぶ。日本語で空洞現象と呼ぶこともある。
キャビテーションが発生した状態でプロペラを回転させると、羽根表面に壊食（エロージョン）が発生し、初期の間は、わずかに羽根表面に凹凸が見られるだけであるが次第に表面に無数の小さな穴ができ、アバタ状になる。そしてついには羽根に穴が貫通したり、羽根先端がぼろぼろになったりまた羽根後縁側が曲ったりすることがある。
プロペラキャビテーションによって、プロペラ効率が低下したり、振動や騒音が発生することがある。このキャビテーションは物理的な現象である。
2）プロペラ腐食
プロペラは海水中では耐食性が良好な材料であるが、極度に汚染された海域または船体防食が不十分な場合、プロペラ材料は合金であるので、異った性質を持つ金属粒子間で一種の電気的作用が発生する。高力黄銅（マンガン黄銅）鋳物製プロペラの場合、亜鉛を約40％含んでいるので、亜鉛分が海水にとけ出しプロペラ表面が黒色または黒褐色に変色して、肌荒を生ずることがある。これは脱亜鉛現象と呼ばれるもので、化学的な現象の腐食（コロージョン）である。
3）プロペラ空気吸込み現象
プロペラの中心から水面までの距離が浅い場合、プロペラが回転した時、水面から空気を吸い込み、船速が急激に低下したり、プロペラ回転数が急激に上昇したりして、プロペラの効率が低下する現象である。
4）プロペラの鳴音
プロペラが水中で回転する時プロペラ羽根の後縁から規則正しい渦（カルマン渦）が発生し、この渦の発生周期とプロペラ羽根の固有振動数とが、同調するとキーン・キーンとかウオン・ウオンとかいう異様な金属音が発生する。この現象を鳴音といい、いつもきまった回転数のところで起きる。鳴音はプロペラ性能に直接影響は与えないが、不快感を伴う場合には、プロペラ羽根の後縁側を修正することによって、比較的簡単に解消できる。なお、鳴音は舵を転舵することによっても消えることがある。
5）プロペラが重いまたは軽い現象
プロペラが重いとか軽いとか一般にいわれるのは、プロペラの重量が重い、軽いを指すのではなく、主機関にかかる負荷の状態を表わしている。船は就航後の船体の汚損、主機関の汚損、プロペラの汚損などの経年変化によって3・41図に示すように主機関の同一出力に対して回転数が低下し、主機関の負荷（トルク）が過度になる現象をプロペラが重い（一般にトルクリッチと呼ばれる）といい、逆に主機関のトルクが非常に低くなる現象をプロペラが軽いという。
プロペラが重い場合はプロペラ直径またはピッチを修正することによって、主機関の負荷を適正にすることは可能であるが、プロペラが軽い場合は、プロペラピッチを大きくすることも考えられるが、一般には対策として良い方法はないので新たにプロペラを設計しなおして換装するより他に適当な方法はない。
3・41図 重いプロペラ、軽いプロペラ
2.6 プロペラの強度に関する規則
プロペラは船舶の主要部品であり、特にプロペラ強度に関してはプロペラの羽根の厚さ、プロペラボス強度およびプロペラ押込量が船舶機関規則によって規定されている。プロペラ羽根の厚さは、主機関の連続最大出力、回転数、プロペラ直径、ピッチ、羽根数などにより、プロペラ半径の25％および60％の位置における最大羽根厚さが規定されている。
プロペラの押込量については、キー付きプロペラおよびキーレスプロペラの場合について規定されている。特にキーレスプロペラの場合、通常型プロペラに比較して、プロペラ押込量が多いので、プロペラボスの強度について十分な考慮が必要である。
|
