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

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K04518
• 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 – 2024-03-31
• 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。
そこで昨年度（令和3年度）に引き続き、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、昨年度に引き続き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昨年度よりも幅広く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新たに判明した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究開始時に立案した研究実施計画に従い、プロペラ設計支援ツールの改良を行った。さらに推進性能面で優れた舵に関する研究として、フィン付舵の舵抗力減少のメカニズムのみならずプロペラと舵系の効率向上のメカニズムについても新しい知見を得た。
よって本研究はおおむね順調に進展していると評価できる。

今後の研究の推進方策

令和3年度から4年度まででプロペラと舵系の効率という推進性能の観点から優れた舵に関する知見が得られたので、令和5年度はプロペラ設計支援ツールを応用し、プロペラ後流中でプロペラと舵系の効率が向上するようなフィンの平面形状、取り付け角、さらに舵翼断面形状まで含めて見出すこととする。さらに、実用面を考慮し舵の製造コスト増加を避けるため、フィンを取り付けない状態での舵翼断面形状のみの最適化も行う。
次に、操縦性能面からの検討を行う。回流水槽において何種類かのフィン付舵をプロペラ後流中で舵角を取った状態で設置し、操縦性能面で重要な舵の直圧力を計測し、舵抗力と舵直圧力の関係を確認する。さらに、模型船に小型の舵模型を組み合わせ、舵角をとった際に模型船に作用する流体力の計測も行う。
もし、舵抗力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、舵抗力と舵直圧力の両面において最適な舵のフィン形状および舵翼断面形状を求めることとする。

次年度使用額が生じた理由

舵の模型製作を業者に依頼する予定であったが、令和4年度は令和3年度よりもさらに多くの舵形状（実際にはフィン形状）の性能を水槽実験で確認することに重点を置いた。しかしながら、多数の模型製作を業者に依頼すると納品に時間を要することが懸念された。そこで、特に舵模型表面の滑らかさといった面で工作精度は多少劣るかもしれないが、手持ちの3Dプリンタで舵模型の製作を迅速に行った。このため当初の予定よりも経費が抑えられた。
最終年度である令和5年度は、候補を絞り込んだうえで舵模型の製作を業者に依頼する。プロペラと舵の相互干渉用の実験、すなわち、プロペラ後流中の舵模型だけではなく、模型船と組み合わせる小型舵の模型も製作する。3年間の研究期間を通して考えれば当初の計画に近くなるものと思われる。