JP2006015972A

JP2006015972A - プロペラ、及び、プロペラ起振力の抑制方法

Info

Publication number: JP2006015972A
Application number: JP2004222590A
Authority: JP
Inventors: Chiharu Kawakita; 千春川北
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】プロペラ効率の低下を招かず起振力を抑制すること。
【解決手段】プロペラハブ（１１）の回転軸心線のまわりに配列されプロペラハブ（１１）に支持される複数のプロペラ翼（１２）の半径方向の任意の部位の半径方向距離がｒで表され、プロペラ翼の翼端の半径方向距離がＲで表され、ピッチ比はＰ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）で表される。ピッチ比Ｐ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）の最大値に対応するｒ／Ｒは、０．４５＜ｒ／Ｒ＜０．５５の範囲に存在する。ピッチ比を最大にするｒ／Ｒがそのような範囲にあるプロペラは、キャビテーション発生量を低減することにより起振力を抑制し、且つ、プロペラ効率の低下を有効に抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、プロペラ、及び、プロペラ起振力の抑制方法に関し、特に、船舶の推進プロペラのようにプロペラ効率の向上と起振力の低減が求められるプロペラ、及び、プロペラ起振力の抑制方法に関する。

商船、客船のような船舶には、プロペラ効率の向上と起振力の低減が求められる。起振力の大小は、キャビテーションの発生量の大小に対応する。起振力の低減のためには、プロペラの変動圧力を低く抑えることが重要である。キャビテーションは、主として翼端部位で発生する。翼端部位の回転方向に正面側の流線距離と翼端部位の回転方向に背面側の流線距離との相違により、その表裏面に沿う液体の流れにその表裏面間で流速に相違が生じる。表裏面の境界線である翼端縁でまわり込む流体に渦流が発生し、その翼端縁近傍でキャビテーションが発生する。

キャビテーションの低減は、プロペラ翼端部位の荷重低減に対応している。翼端部位荷重低減プロペラでは、図１０に示されるように、翼端部位（横軸の右側領域：後述されるｒ／Ｒが大きい領域）でピッチ比Ｐ（Ｐ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７））は小さく設計される。翼端部位荷重低減プロペラのプロペラ効率ｅｐは、図９に実線で示されるように、点線で示される最適効率プロペラのプロペラ効率より低い。このように、キャビテーションを低減させるための設計がプロペラ効率の低下を招くことは、経験則的に知られている。

ピッチ分布は、荷重と効率とに強く関係する因子である。プロペラ効率の向上と起振力の低減のために、プロペラ効率の低下を招かずに起振力を抑制するピッチ分布を発見することが求められる。

特許第２５０５６５６号特開平８−４０３７１号特開平８−２６１８６号特開平１１−４３０９６号

本発明の課題は、プロペラ効率の低下を招かず起振力を抑制するピッチ分布を有するプロペラ、及び、プロペラ起振力の抑制方法を提供することにある。

本発明によるプロペラは、プロペラハブ（１１）と、プロペラハブ（１１）の回転軸心線のまわりに配列されプロペラハブ（１１）に支持される複数のプロペラ翼（１２）とから構成されている。プロペラ翼（１２）の半径方向の任意の部位の半径方向距離がｒで表され、プロペラ翼の翼端の半径方向距離がＲで表され、ピッチ比はＰ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）で表される。ピッチ比Ｐ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）の最大値に対応するｒ／Ｒは、０．４５＜ｒ／Ｒ＜０．５５の範囲に存在する。ピッチ比を最大にするｒ／Ｒがそのような範囲にあるプロペラは、キャビテーション発生量を低減することにより起振力を抑制し、且つ、図４で実証されているように、プロペラ効率の低下を有効に抑制することができる。

このようなプロペラでは、Ｐ（１．０）／Ｐ（０．７）が０．６５以下である場合に、キャビテーション発生量の低減効果が顕著である。Ｐ（０．２）／Ｐ（０．７）が０．９以上である場合に、プロペラ効率の低下を有効に抑制することができる。

本発明によるプロペラ起振力の抑制方法は、既述のプロペラの起振力を抑制するプロペラ起振力の抑制方法であり、プロペラ翼（１２）の翼根部（２２）と同一方向で且つほぼ同一ピッチ角の複数の細長い切り込み溝（１３）をプロペラハブ（１１）に形成すること、プロペラ翼（１２）の翼後縁部から流出する流れを切り込み溝（１３）に案内すること、切り込み溝（１３）に案内されるその流れを切り込み溝（１３）に形成される端面（１５）に突き当てることにより、プロペラハブ（１１）の後縁（１６）から後方に向かうハブ渦の発生を抑止することとから構成されている。公知のこのような切り込み溝（１３）の利用することは、既述の起振力抑制を更に効果的にする。ハブ渦キャビテーションは、プロペラの後方に位置する舵のエロージョンの原因の一つである。切り込み溝（１３）は、そのハブ渦キャビテーションの発生量を低減する。ハブ渦キャビテーションの発生の抑止は、舵のエロージョンの発生を抑止するだけでなく、プロペラ変動圧力を抑止し、且つ、プロペラ効率の低下を抑制することができ、公知技術の利益が有効に保持される。

プロペラ翼（１２）の翼端（２１）の翼幅を既述のＲの１０〜３０％に形成すること、そのＲの８０％以上の位置から翼端（２１）の側で、そのＲの８０％の位置から翼根部（２２）の側に直近のプロペラ半径位置のレーキよりも後方向きにレーキを採ることとが更に追加される。公知のこのようなレーキの採用は、既述の起振力抑制を更に効果的にする。

翼根部（２２）の側で前方側にレーキを採り、且つ、翼端（２１）の側で後方側にレーキを採ること、そのレーキの変曲点をプロペラ半径の８０％以上の位置に形成することとによる公知のレーキの採用は、既述の起振力抑制を更に効果的にする。

翼端（２１）の翼幅をプロペラ半径Ｒの１０〜３０％に形成すること、翼根部（２２）の側から翼端（２１）の側にかけて後方側にレーキを採り、且つ、プロペラ半径の８０％以上の位置に変曲点（２３）を形成し、変曲点（２３）よりも翼端（２１）の側で、変曲点（２３）より翼根部（２２）の側の後方レーキよりも大きい後方レーキを採ることとによる公知のレーキの採用は、既述の起振力抑制を更に効果的にする。

このようなレーキの採用は、翼端の流れのまわりこみを防止することにより、プロペラの変動圧力を抑止し、且つ、プロペラ効率の低下を抑制し、公知技術の利益が有効に保持される。

本発明によるプロペラ、及び、プロペラ起振力の抑制方法は、規定されるピッチ比の分布を採用することにより、プロペラ効率の低下を招かずに起振力を抑制することができる。本発明のピッチ分布は、公知技術を利用し、その公知技術の利益を効果的に取り込むことができる。

本発明によるプロペラ、及び、プロペラ起振力の抑制方法の実現態は、図に対応して、詳細に記述される。ピッチＰの定義は、図１に示されるように与えられる。図１は、軸中心線Ｌ１を中心軸心線とする円筒面の半径を示している。そのような円筒面のうち翼１に外接する円筒面の半径は、Ｒで示されている。その半径は、１．０Ｒで表示されている。図１（ａ）は側面を示している。図１（ｃ）は、ｋＲ（０．２≦ｋ≦１．０）の半径を持つ円筒面と回転軸心線Ｌ２を通り中心軸心線Ｌ１に直交する平面との交点に位置的に対応して規定される定義点Ｐｒを示している。定義点Ｐｒの半径方向距離は、ｋＲである。図１（ｂ）の定義点Ｐｒの半径方向距離ｒとして、０．８Ｒ（ｋ＝０．８）が例示されている。図１（ｃ）は、定義点Ｐｒに位置的に対応する翼断面を示し、その翼断面は回転方向に展開される展開翼断面として表されている。

図２は、定義点Ｐｒの半径方向距離がｒ（＝ｋＲ）である１つの回転方向展開翼断面を示している。その断面は、背面と圧力面（正面ともいわれる）とで囲まれている。ピッチ角は、翼の前縁Ｆと後縁Ｒを結ぶピッチ規定線２と円周方向線３の間の角度として定義される。円周方向線３の長さは、２πｒ（＝２πｋＲ）である。円周方向線３の端点Ａを通り円周方向線３に直交しその断面に含まれる垂線４とピッチ規定線２の交点は、Ｂで示されている。ピッチＰは、点Ａと点Ｂの間の距離として定義される。
ピッチ角は、Ｐ／２πｒで表される。

図３は、本発明によるプロペラの実現態を示している。本発明の翼形状は、後述されるピッチ比で規定される。図３の横軸はｒ／Ｒ（＝ｋ）を示し、図３の縦軸はピッチ比を示している。無次元表現距離ｋの範囲は、０と１の間である。ピッチＰは、無次元表現距離ｒ／Ｒの関数として表される。
Ｐ＝Ｐ（ｒ／Ｒ）＝Ｐ（ｋ）
ここで、ピッチ比が定義される。
ピッチ比＝Ｐ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（ｒ’／Ｒ）
＝Ｐ（ｋ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）
＝Ｐ（ｋ）／Ｐ（０．７）・・・（１）
ここで、ｒ’＝０．７・Ｒである。

本発明の翼形状は、図３に実線で示されている。ｋとして０．７が選択される理由は、表現の簡便のためである。比較対象の翼端荷重低減プロペラの点線表示の比較対象ピッチ比曲線５と実線表示の本発明ピッチ曲線６が概ね重合する曲線領域の短距離側（ｋが小さい側）端点Ｔの特徴としてｋ＝０．７が現れている。このような特徴点Ｔの利用による定義表現は、本発明の数値規定をより簡素に且つより明確にすることができ、表現の標準化のために有効である。

ピッチ比は、無次元距離ｋが１より僅かに小さい値（例示：０．９５）のところで０．６５に急に近づき、０．９５を越えて更に急に減少する。ピッチ比の最大値に対応するｋの範囲は、下記式で規定される。
０．４５＜ｋ＜０．５５
その最大値は、１より大きい。翼根部（ｋ＝０．２）の位置のピッチ比は、０．９より大きいことが好ましい。翼端荷重低減プロペラでは、ピッチ比の最大値に対応する無次元距離ｋは０．５５より大きく特徴点の０．７に近く、翼根部の位置のピッチ比は０．９より小さい。

図４は、プロペラ効率ｅｐを示している。図４の横軸は、プロペラ荷重度を示す。プロペラ荷重度は、次式で示される。

Ｋｔ：推力係数
Ｊ：前進率
実線で示される本発明のプロペラ効率は、点線で表される最適効率に全範囲で概ね等しい。

翼端のピッチ比を０．６５以下とし、ピッチ比の最大値に対応する無次元距離ｋを０．４５と０．５５の間の値とすることにより、キャビテーション発生量を低減させることができ、且つ、翼根部のピッチ比を０．９以上にすることにより、最大効率を保持することができる。

図５，６，７は、本発明の既述のピッチ比プロペラに付加される改善点を示している。その改善点は、特許２５０５６５６号により公知である。図５，６，７に示されるプロペラは、プロペラハブ１１から半径方向に突出した複数のプロペラ翼１２を形成し、プロペラハブ１１の後方におけるハブ渦の発生を抑制することができるように、プロペラハブ１１の表面部上に、プロペラ翼１２の翼根部と同一方向で且つほぼ同一ピッチ角の複数の細長い切り込み溝１３が形成され、切り込み溝１３が、プロペラハブ１１の表面部上の流れを誘導して切り込み溝１３内に入り込ませるように切り込み溝１３の一側のプロペラハブ１１表面から緩やかに低下し傾斜した案内面１４と、切り込み溝１３内に導入された流れをせき止めるように切り込み溝１３の他側に案内面１４からプロペラハブ１１の表面へ向かって立設する端面１５とを形成している。

プロペラ翼１２の翼後縁部から流出した流れは、切り込み溝１３の案内面１４に誘導されて切り込み溝１３に入り込み、端面１５に突き当たる。プロペラ翼後縁部から流出する流れの回転が切り込み溝１３により止められ、プロペラハブ後縁１６から後方に向かうハブ渦の発生が防止される。翼端のキャビテーション発生抑止は、翼根部のキャビテーション発生に影響するが、本発明では、翼根部と翼端の両方側でキャビテーションを抑止し、キャビテーション発生抑止効果は相乗的である。

図８は、本発明の既述のピッチ比プロペラに付加される他の改善点を示している。その改善点は、特開平１１−４３０９６号により公知である。図８に示されるプロペラは、翼端２１の翼幅がプロペラ半径Ｒの１０〜３０％であり、プロペラ翼１２のレーキ分布の変化が連続的であり、プロペラ半径Ｒの８０％以上の位置から翼端２１の側で、その８０％の位置から翼根部２２の側に直近のプロペラ半径位置のレーキよりも後方向きにレーキを採っていることである。又は、その改善点は、翼端２１の翼幅がプロペラ半径Ｒの１０〜３０％であり、プロペラ翼１２のレーキ分布の変化が連続的であり、翼根部２２の側で前方側にレーキを採り、翼端２１の側で後方側にレーキを採り、その変曲点がプロペラ半径の８０％以上の位置にあることである。更には、その改善点は、翼端２１の翼幅がプロペラ半径Ｒの１０〜３０％であり、プロペラ翼１２のレーキ分布の変化が連続的であり、翼根部２２の側から翼端２１の側にかけて後方側にレーキを採り、プロペラ半径の８０％以上の位置に変曲点２３を有し、変曲点２３よりも翼端２１の側で、変曲点２３より翼根部２２の側の後方レーキよりも大きい後方レーキを採っていることである。

既述のピッチ比を有しプロペラ効率の低下を抑止し、且つ、キャビテーション発生を抑制するプロペラは、既述のレーキ分布により、翼端２１の流れのまわり込みが更に相乗的に抑止され、翼端渦としてのキャビテーション発生を更に有効に抑制することができる。既述のハブ渦低減効果の追加は更に有効である。

図１は、本発明の適用対象のプロペラの特性を示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は回転方向平面図を示し、同図（ｃ）は回転方向展開断面図である。図２は、ピッチ角を定義する幾何学図である。図３は、本発明によるプロペラのピッチ比の実現態を示すグラフである。図４は、プロペラ効率を示すグラフである。図５は、本発明によるプロペラの他の実現態を示す斜軸投影図である。図６は、図５の一部を示す斜軸投影図である。図７は、図６の断面を示す断面図である。図８は、本発明が利用する公知のプロペラのレーキ分布を示す断面図である。図９は、公知のプロペラ効率を示すグラフである。図１０は、公知のピッチ比を示すグラフである。

符号の説明

１１…プロペラハブ
１２…プロペラ翼
１３…切り込み溝
１６…後縁
２１…翼端
２２…翼根部

Claims

プロペラハブと、
前記プロペラハブの回転軸心線のまわりに配列され前記プロペラハブに支持される複数のプロペラ翼とを具え、
前記プロペラ翼の半径方向の任意の部位の半径方向距離がｒで表され、前記プロペラ翼の翼端の半径方向距離がＲで表され、ピッチ比はＰ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）で表され、
ピッチ比Ｐ（ｒ／Ｒ）／Ｐ（０．７Ｒ／Ｒ）の最大値に対応するｒ／Ｒは、
０．４５＜ｒ／Ｒ＜０．５５
の範囲に存在する
プロペラ。
Ｐ（１．０）／Ｐ（０．７）は０．６５以下である
請求項１のプロペラ。
Ｐ（０．２）／Ｐ（０．７）は０．９以上である
請求項２のプロペラ。
請求項１〜３から選択される１請求項のプロペラの起振力を抑制するプロペラ起振力の抑制方法であり、
翼根部と同一方向で且つほぼ同一ピッチ角の複数の細長い切り込み溝を前記プロペラハブに形成すること、
翼後縁部から流出する流れを前記切り込み溝に案内すること、
前記切り込み溝に案内される前記流れを前記切り込み溝に形成される端面に突き当てることにより、前記プロペラハブの後縁から後方に向かうハブ渦の発生を抑止すること
とを具えるプロペラ起振力の抑制方法。
前記翼端の翼幅を前記Ｒの１０〜３０％に形成すること、
前記Ｒの８０％以上の位置から翼端の側で、前記Ｒの８０％の位置から翼根部の側に直近のプロペラ半径位置のレーキよりも後方向きにレーキを採ること
とを更に具える請求項４のプロペラ起振力の抑制方法。
前記翼端の翼幅を前記Ｒの１０〜３０％に形成すること、
翼根部の側で前方側にレーキを採り、且つ、翼端の側で後方側にレーキを採ること、
前記レーキの変曲点をプロペラ半径の８０％以上の位置に形成すること
とを更に具える請求項４のプロペラ起振力の抑制方法。
翼根部の側で前方側にレーキを採り、且つ、翼端の側で後方側にレーキを採ること、
前記レーキの変曲点をプロペラ半径の８０％以上の位置に形成すること
とを更に具える請求項４のプロペラ起振力の抑制方法。
翼端の翼幅を前記Ｒの１０〜３０％に形成すること、
翼根部の側から翼端の側にかけて後方側にレーキを採り、且つ、前記Ｒの８０％以上の位置に変曲点を成すること、
前記変曲点よりも翼端の側で、前記変曲点より翼根部の側の後方レーキよりも大きい後方レーキを採ること
とを更に具える請求項４のプロペラ起振力の抑制方法。