推進性能と操縦性能の両性能を考慮したプロペラ・舵システムの最適化に関する研究

• 研究課題/領域番号: 21K04518
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分24020:船舶海洋工学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 安東 潤 九州大学, 工学研究院, 教授 (60211710)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: プロペラ / 舵 / 推進性能 / 操縦性能 / 流体力学的最適化

研究開始時の研究の概要

本研究では、プロペラと舵を一体のシステムとして捉え、プロペラ後流中で舵抗力が小さく、かつ、舵角を有する場合には操縦運動に必要な舵直圧を発生するような、推進性能と操縦性能の両性能を考慮したプロペラ・舵システムの最適化を目的とする。
研究の内容は、「プロペラ設計支援ツールの高度化」「プロペラ・舵システムの性能計算法の精度検証」「プロペラ後流中の舵の流体力学的最適化」「船体とプロペラ・舵システムを組み合わせた自航および舵角試験」である。

研究実績の概要

推進と操縦の両性能を考慮したプロペラ・舵システムの最適化ツールのベースとなるのは、既に開発済のプロペラ設計支援ツールである。プロペラ設計支援ツールとは、初期プロペラの性能が向上するように最適化手法を用いて自動的に改良を行うコンピュータプログラムであり、原型プロペラの幾何形状およびその他いくつかの設計パラメータを入力するだけでキャビテーション等の制約を考慮しつつプロペラ性能が最高となるようなプロペラ幾何形状を自動的に求めようとするものである。本ツールの信頼性を高めるための努力をこれまで継続して行ってきたが、本ツールで使用している最適化計算法では最適解の探索効率が必ずしも高くないことが判明したため、プロペラ設計支援ツールの改良を行った。具体的には、最適解の探索効率が最も優れている方法の一つと言われている差分進化法を導入するとともに独自の改良を加えた。
次に、推進性能面で優れた舵、特にプロペラと舵系の効率に着目した研究を実施した。プロペラの回転流を回収するために舵にフィンを取り付け、舵抗力の減少を図るという考えは広く受け入れられているが、その効果は明確に公表されていないのが現状である。そこで舵に取り付けるフィンの平面形状や取り付け角を種々変化させた回流水槽における実験および数値計算を実施した。その結果、ただ単に舵にフィンを取り付ければ舵抗力が減少するということはなく、逆に舵抗力が増加するような平面形状や取り付け角があることを再確認するとともに、プロペラと舵系の効率向上においては舵抗力の減少よりも舵の排除効果によるプロペラ推力の増加が支配的であることが判明した。
令和5年度は、プロペラを無限翼数理論に基づく簡易プロペラモデルで表し、舵を簡便なパネル法であるSQCMで表すようなプロペラと舵の相互干渉計算プログラムを作成した。なお、このプログラムは舵角も考慮可能である。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

研究実績の概要で述べたようなプロペラと舵の相互干渉計算プログラムを用いて、舵角ゼロの際はプロペラと舵系の効率が最大となり、舵角を有する場合は舵に働く直圧力が十分となるような舵の断面形状を見出す計画であったが、研究代表者の学内業務多忙により、補助事業期間延長承認の申請を行うに至った。
よって本研究は遅れていると評価できる。

今後の研究の推進方策

研究実績の概要で述べたようなプロペラと舵の相互干渉計算プログラムを用いて、舵角ゼロの際はプロペラと舵系の効率が最大となり、舵角を有する場合は舵に働く直圧力が十分となるような舵の断面形状を見出すこととする。
もし、プロペラと舵系の効率と舵直圧力の間にトレードオフの関係があることが判明した場合は、多目的最適化手法を用いて、プロペラと舵系の効率と舵直圧力の両方において最適な舵断面形状を見出すこととする。
計算上望ましい舵断面形状を見出した後、回流水槽において検証を行う。