JP3882036B2 - 船舶用プロペラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶の推進器として用いられる船舶用プロペラに関する。特には、より一層のルート・エロージョン（Root Erosion）防止効果を挙げることができる船舶用プロペラに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
船舶の推進器である船舶用プロペラには、多くの場合、キャビテーションに起因するエロージョン（Erosion；侵食、壊食）が発生する。船舶用プロペラのエロージョンのうち、主にプロペラのボスの付け根（Root；翼根）に発生するエロージョンは、ルート・エロージョン（Root Erosion）と呼ばれている。このルート・エロージョンは、斜流中で作動するプロペラ（プロペラ軸が船舶の進行方向に対して斜めになるプロペラ）に発生し易いとされている。その要因は、プロペラが斜流中で作動する場合、翼に流入する流れが１回転中に変動し、この変動幅（流れの迎え角の変化）が最も大きい翼根部において、雲状のキャビテーションが発生するためと考えられている。なお、船舶用プロペラのキャビテーションに関するより詳しい説明は、例えば『新版キャビテーション 基礎と最近の進歩』、加藤洋治編著、槇書店刊の“８．４ 船舶プロパルサ”に記載されている。
【０００３】
ルート・エロージョンの程度が激しい場合は、航走中に翼が折損する可能性がある。こうなると、遭難事故等を引き起こすおそれがあり、船舶の運航の安全性が損なわれる大問題となる。また、ルート・エロージョンは、２軸フェリーや警備艇等の高速艇に用いられている高速船用プロペラに多く見受けられており、近年の船舶の高速化と相俟って重要問題となりつつある。このため、従来より、ルート・エロージョンの及ぼす悪影響を回避するための様々な提案がなされている。
【０００４】
ルート・エロージョンの対処策としては、例えば以下の（１）及び（２）が知られている。
（１）翼表面にキャビテーション防止用の穴を形成する方法：
ところが、この方法は、穴の形成位置の特定が困難である、あるいは、穴開け加工が技術的に困難である、穴の形成によって翼の強度が低下する等の問題がある。
【０００５】
（２）特開平８−９１２９１号公報に開示された船舶用プロペラ：
この船舶用プロペラについて、図８及び図９を参照しつつ説明する。
図８は、特開平８−９１２９１号公報に開示された船舶用プロペラの斜視図である。
図９は、同公報に開示された船舶用プロペラの翼根部の断面図である。
【０００６】
図８に示すように、船舶用プロペラ１００は、円筒状のボス１０１と、このボス１０１の外周から半径方向に延びる複数の翼１０２（図８では５枚）を備えている。翼１０２の付け根１０２ａから翼端１０２ｂまでの長さ（Ｒ−ボス半径）を翼長という。前記公報においては、翼長の半分（図８の符号Ｒｒから内側の部分）以下の個所を翼根部と呼んでおり、この翼根部の断面形状を次のように設定している。すなわち、図９に示すように、翼根部の断面形状は、最大厚み位置（最大厚みＴ）から翼後端にかけて肉厚が緩やかに減少するとともに後端にも厚みｔを持たせ、翼後端面と翼側面間に丸み（アール状面）を付けたものである。さらに、後端の厚みｔを最大厚みＴの３０％〜６０％とし、翼表面にはナイロン樹脂をコーティングするのが好ましいとされている。
【０００７】
前記公報には、このような船舶用プロペラ１００を用いることで、キャビテーションを起こす範囲が従来型船舶用プロペラと比較して約３０％減少し、翼後側の表面粗さの進行が低減されたという結果が述べられている。しかしながら、最近は、さらにルート・エロージョンの防止効果に優れる船舶用プロペラが望まれている。
【０００８】
本発明は、このような要請に応えるためになされたものであって、より一層のルート・エロージョン防止効果を挙げることができる船舶用プロペラを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明の船舶用プロペラは、回転中心軸を有するボスの外周から半径方向に延びる翼を備える船舶用プロペラであって、 該翼の翼根の翼厚プロフィルにおいて、最大翼厚位置が翼弦長の中央よりも後端側にあるとともに、翼後端面の曲率半径が最大翼厚の３０％を超えて５０％以下であり、前記翼弦長Ｌの中央から前記最大翼厚位置までの後退寸法ΔＬが、０．１Ｌ≦ΔＬ≦０．４Ｌを満たすことを特徴とする。
【００１０】
ここで、『翼の翼根の翼厚プロフィル』について説明する。図１０は翼根の翼厚プロフィルを説明するための図であって、プロペラの回転軸に垂直な断面図である。この図には、ボスの外周ライン（の一部）Ｂと１つの翼の表面ラインＷが示されている。翼表面ラインＷとボス外周ラインＢ間には、翼根部のアールＲＬが存在する。なお、図では、ボスやアールの大きさは誇張されている。このアールＲＬの翼側開始点ＳＰからボス外周ラインＢへと翼面を延長した直線（２直線）を点線で示す。そして、２直線とボス外周ラインＢとの交差点ｐ１、ｐ２を設定し、これら２点ｐ１、ｐ２間の部分をＰとする。翼根の翼厚プロフィルとは、この部分Ｐを展開した形状を意味する。
【００１１】
本発明によれば、翼の最大翼厚位置が翼弦長の中央よりも後端側にあるので、翼後縁近傍に低圧域が生じ易くなる。この低圧域で発生したルート・キャビテーションは、いわゆるスーパーキャビテーション（キャビテーションの後端が翼後端よりも後方になる）状態となる。したがって、キャビテーションの崩壊が翼後縁よりも後方で起きるようになり、エロージョンが発生しにくくなる。
【００１２】
さらに、翼後端面の曲率半径を最大翼厚の３０％を超えて５０％以下とすることにより、翼後縁での流体力学的岐点（Stagnation Point）が一層大きく変動する。そのため、翼に流入する角度の大きさに比例して、より効果的に迎え角が減少するような圧力変動が起こる。すなわち、キャビテーションの発生させる表面上で起きる圧力変動をより小さくできる。これにより、ルート・キャビテーションの発生を抑制でき、キャビテーションの崩壊圧力を減少させることができるので、エロージョンが発生しにくくなる。
【００１３】
本発明の船舶用プロペラにおいては、前記翼後端面の曲率半径が前記最大翼厚の５０％に近いことが好ましい。この場合、エロージョンの発生を一層抑制できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る船舶用プロペラの正面図である。
図２は、同船舶用プロペラの翼根における翼厚プロフィルを示す断面図である。
図３は、本発明の他の実施の形態（図１とは別の実施の形態）に係る船舶用プロペラの翼厚プロフィルを示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態に係る船舶用プロペラ１は、円筒状のボス２と、このボス２の外周から半径方向に延びる複数の翼３（図１では４枚）を備えている。船舶用プロペラとしてボス及び翼から構成される点は、従来のものと変わらない。翼３の付け根３ａから翼端３ｂまでの長さ（Ｒ−ボス半径）を翼長という。本発明では、この翼の付け根３ａから翼長の２０％以内の個所（図１の符号Ｒｒから内側の部分）において、以下に説明する翼厚プロフィルを有することが好ましい。
【００１６】
本実施の形態においては、翼３の翼根の断面形状が、次のように設定されている。すなわち、図２の翼根の翼厚プロフィルにおいて、最大翼厚位置Ｔｍａｘは、翼弦長Ｌの中央Ｃよりも後端側（図２の右側）にあり、且つ、翼弦長Ｌの中央Ｃから最大翼厚位置Ｔｍａｘまでの後退寸法ΔＬが０．１Ｌ≦ΔＬ≦０．４Ｌを満たすように設定されている。そして、翼後端面の曲率半径ｒは、最大翼厚Ｔの３０％を超えて５０％以下（より好ましくは最大翼厚Ｔの５０％近く）に設定されている。つまり、翼後端の肉厚は、最大翼厚Ｔの６０％〜１００％の範囲で形成されている。なお、翼３の推進性能が特に重要視される場合（多少のキャビテーションは許容される場合）には、翼後端面の曲率半径ｒを最大翼厚Ｔの３０％まで小さくすることもできる。
【００１７】
翼３の翼根の断面形状は、図３の翼厚プロフィルに示すように設定することもできる。すなわち、この翼３´は、最大翼厚位置Ｔｍａｘが翼後端にできる限り寄せて設定されているとともに、その位置Ｔｍａｘにおける最大翼厚Ｔを直径とする半円状の翼後端面が形成されている。つまり、図３の翼３´は、翼後端に大きな丸みをもち、翼前端に行くほど薄くなっている。
【００１８】
次に、本発明に係る船舶用プロペラと従来の船舶用プロペラとのルート・エロージョン防止性能の比較について説明する。
図４は、本発明に係る船舶用プロペラにおいて想定されるキャビテーション崩壊状態を概念的に示す図である。
図５は、特開平８−９１２９１号公報に開示された船舶用プロペラにおいて想定されるキャビテーション崩壊状態を概念的に示す図である。
図６は、従来の典型的な船舶用プロペラにおいて想定されるキャビテーション崩壊状態を概念的に示す図である。
図７は、図４〜図６の翼厚プロフィルを有する各船舶用プロペラにおいて想定される翼面の圧力分布を示すグラフである。
【００１９】
図４に示すプロペラ翼は、前述した図２の翼厚プロフィルで説明した本発明の実施の形態に係る船舶用プロペラである。
図５に示すプロペラ翼は、図９を用いて前述した特開平８−９１２９１号公報の船舶用プロペラである。
図６に示すプロペラ翼は、従来の典型的な船舶用プロペラ１０（以下、通常型プロペラという）である。
特開平８−９１２９１号公報の船舶用プロペラ及び通常型プロペラ１０の最大厚み位置Ｔｍａｘは、翼弦方向の中央より少し（０％Ｌ〜２０％Ｌ）前にある。通常型プロペラ１０の断面は、最大厚み位置Ｔｍａｘから後縁にかけてなだらかに肉厚が減少され、翼後端では肉厚のほとんどない鋭利な形状となっている。
【００２０】
図７を参照して、各船舶用プロペラの翼面の圧力分布の比較について説明する。
図７のグラフの縦軸の−Ｃｐは翼面の水の圧力を表し、横軸のＣは翼弦長方向の位置を表す。なお、圧力が−Ｃｐと表示されている理由は、流入速度が速いと圧力はマイナスとなるため、これを上方として表示するためである。
グラフ中において、Ｃｐ＝−σのラインは、ラインより上側はキャビテーションが発生し易く、下側はキャビテーションが崩壊し始める境界線を表す。
【００２１】
図７のグラフ中、実線で示す曲線αが図４の本発明に係るプロペラの圧力分布を表し、一点鎖線で示す曲線βが図５の特開平８−９１２９１号公報のプロペラの圧力分布を表し、点線で示す曲線γが図６の通常型プロペラの圧力分布を表す。通常型プロペラは、翼後縁が鋭利で肉厚がほとんどないため、圧力分布曲線γは翼前縁で低い圧力を示し、翼後縁で高い圧力を示している。一方、本発明のプロペラは翼後縁が厚くなっているため、翼後縁近くまで低い圧力を示している。さらに、特開平８−９１２９１号公報のプロペラについては、圧力分布曲線βはαとγのほぼ中間の値をとっている。
【００２２】
この圧力分布から、次のことがわかる。すなわち、特開平８−９１２９１号公報のプロペラや通常型プロペラにおいては、図５や図６に示すようにキャビティが翼面上で崩壊し易いため、特に翼後縁でルート・エロージョンが発生し易い。これに対して、本発明に係るプロペラは翼後縁の後側に低圧域が生じ、低圧域で発生したルート・キャビテーションはいわゆるスーパーキャビテーション状態となるため、図４に示すようにキャビティの崩壊が実質的に翼後縁よりも後方で起きる。これにより、本発明のプロペラは、図５や図６のプロペラに比べてエロージョンが生じにくくなる。
【００２３】
このように、本実施例のプロペラは、翼後縁近傍に低圧域が生じ易く、発生したルート・キャビテーションがいわゆるスーパーキャビテーションとなって、キャビテーションの崩壊が実質的に翼後縁よりも後方で起きる。これにより、翼面上で起こるキャビテーションの崩壊を著しく減少させることができるので、ルート・エロージョンの発生を抑制することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、キャビテーションの発生をより効果的に抑え、ルート・エロージョン防止効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る船舶用プロペラの正面図である。
【図２】同船舶用プロペラの翼根における翼厚プロフィルを示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る船舶用プロペラの翼厚プロフィルを示す断面図である。
【図４】本発明に係る船舶用プロペラにおいて想定されるキャビテーション崩壊状態を概念的に示す図である。
【図５】特開平８−９１２９１号公報に開示された船舶用プロペラにおいて想定されるキャビテーション崩壊状態を概念的に示す図である。
【図６】従来の典型的な船舶用プロペラにおいて想定されるキャビテーション崩壊状態を概念的に示す図である。
【図７】図４〜図６の翼厚プロフィルを有する各船舶用プロペラにおいて想定される翼面の圧力分布を示すグラフである。
【図８】特開平８−９１２９１号公報に開示された船舶用プロペラの斜視図である。
【図９】同公報に開示された船舶用プロペラの翼根部の断面図である。
【図１０】翼根の翼厚プロフィルを説明するための図であって、プロペラの回転軸に垂直な断面図である。
【符号の説明】
１ 船舶用プロペラ
２ ボス ３、３´ 翼
３ａ 翼の付け根 ３ｂ 翼の翼端

Claims (3)

1. 回転中心軸を有するボスの外周から半径方向に延びる翼を備える船舶用プロペラであって、
   該翼の翼根の翼厚プロフィルにおいて、最大翼厚位置が翼弦長の中央よりも後端側にあるとともに、翼後端面の曲率半径が最大翼厚の３０％を超えて５０％以下であり、
   前記翼弦長Ｌの中央から前記最大翼厚位置までの後退寸法ΔＬが、
   ０．１Ｌ≦ΔＬ≦０．４Ｌを満たすことを特徴とする船舶用プロペラ。
2. 前記翼の周辺で発生するキャビテーションの崩壊が、実質的に翼後縁よりも後方で起きることを特徴とする請求項１記載の船舶用プロペラ。
3. 前記翼後端面の曲率半径が前記最大翼厚の５０％に近いことを特徴とする請求項１又は２記載の船舶用プロペラ。

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