プロペラ省エネ装置はどのように機能しますか?

プロペラ省エネ装置 (ESD) の取り組み 船のプロペラ周囲の流体力学的環境を最適化する プロペラ面の前、プロペラ面、またはプロペラ面の後ろのいずれかで、後流での回転エネルギー損失を削減し、流入の均一性を改善し、キャビテーションを抑制し、無駄になる回転運動エネルギーを回収します。その結果、燃料消費量が目に見えて減少し、通常は次のような範囲になります。 3%～10% 主エンジンや船体の形状を変更することなく、装置の種類、船舶のクラス、運転条件に応じて変更できます。

これらの装置は現代の船舶エネルギー効率戦略の基礎となっており、石油タンカー、ばら積み貨物船、コンテナ船、RORO 船などの大型商船に搭載されています。プロペラの仕組みを理解するには、プロペラの流体力学と、推進中にエネルギーがどこで失われるかを基本的に理解する必要があります。

従来の推進力でエネルギーが失われる場所

ESD がどのようにエネルギーを節約するかを理解するには、まず従来の推進でエネルギーが浪費される理由を理解することが役立ちます。船のプロペラは、水を後方に加速することによって軸出力を推力に変換します。このプロセスには、避けられないが削減可能なエネルギー損失の原因がいくつか含まれます。

• 軸方向の運動エネルギー損失: プロペラの後流内で後方に加速された水は、有用な推力に変換されない運動エネルギーを運びます。これが推進力の非効率性の最大の原因です。
• 回転（渦）エネルギー損失: プロペラは後流の水に回転成分を与えます。この角運動量は純粋なエネルギーの無駄を表しており、回転する水は前方への推力に何の寄与もしていません。
• 不均一な後流流入: 船体の後ろの伴流場は均一ではなく、速度は円周方向と半径方向に変化します。この不均一な流れを通過するプロペラブレードは負荷が変動し、効率が低下し、振動が発生します。
• キャビテーション: 高負荷または局所的な圧力が低い領域では、ブレード表面に蒸気泡が形成され、激しく崩壊して騒音、浸食、推力の低下を引き起こします。
• 船体とプロペラの相互作用による損失: 船尾後流と境界層は不規則な流れ環境を作り出し、プロペラはこの環境を非効率的に通過しなければなりません。

さまざまな ESD タイプが、これらの損失メカニズムの 1 つまたは複数を対象としています。単一のデバイスがそれらすべてに同時に対応することはありません。そのため、最大限の効果を得るために ESD が組み合わせて使用​​されることがよくあります。

プレスワールステーターの仕組み: 流入の調整

プレスワール ステーター (PSS) は、プロペラの前の船尾、通常はプロペラ シャフト ボスまたは船尾船体の近くに取り付けられた固定フィンまたはガイド ベーンです。これらは商業海運で最も広く採用されている ESD の 1 つです。

動作原理は、プロペラに向かって流れる水に逆回転の渦を意図的に導入することに基づいています。プロペラが回転すると、プロペラを通過する水に回転成分が与えられます。入ってくる水がすでに逆渦、つまりプロペラの回転方向と反対に回転している場合、プロペラ後流の正味の回転エネルギーは減少します。後流での回転エネルギーが少ないということは、 より多くのシャフトパワーが有効な軸方向推力に変換されます。 角運動量として無駄にされるのではなく。

デザインと形状

プレスワールステータは通常、次のもので構成されます。 3 ～ 7 枚の固定水中翼型ブレード シャフトの周りに非対称に配置され、正しい渦方向を与えるように角度が付けられています。非対称の配置により、船尾後流の不均一な速度場が補償されます。船体の高速側のブレードは、低速側のブレードとは異なる角度になっています。

適切に設計されたプリスワールステーターが達成できること 燃料を 4% ～ 8% 節約 タンカーやばら積み貨物船などのフルフォーム船では、ゆっくりとした厚い後流が渦巻き調整に好ましい環境を提供します。コンテナ船などのより微細な形状の船舶では、通常、節約額は次のとおりです。 2%～5% 範囲。

二次的なメリット

直接的な推力の向上を超えて、プレスワールステーターはプロペラ流入の円周方向の均一性も向上させます。これによりブレードの負荷変動が低減され、プロペラによる船体の振動や水中放射騒音が低減され、船舶の構造疲労寿命と旅客船の快適性の両方に有益です。

ポストスワールデバイスの仕組み: プロペラ後の回転エネルギーの回収

プレスワール装置は水がプロペラに到達する前に水に作用しますが、ポストスワール装置は下流、つまりプロペラの後ろに設置され、プロペラがすでに後流に与えている回転運動エネルギーを捕捉します。

ラダーバルブとツイストラダー

船の舵はプロペラのすぐ後ろにあり、渦エネルギーを回収するのに理想的な位置にあります。あ ねじれた舵 は高さに沿って不均一な断面角度を持ち、プロペラ後流の螺旋速度場に一致する形状になっています。回転する伴流水がねじれた舵面を通過して流れると、正味の前進力成分が生成され、無駄になる回転エネルギーが追加の推力に効果的に変換されます。

A ラダーバルブ （ラダーボスとも呼ばれます）は、プロペラシャフトの中心線と位置合わせして、舵の前縁に取り付けられた流線形の魚雷型フェアリングです。これにより、ハブ渦（プロペラの後流の中心に形成され、抗力と騒音の原因となる低圧回転コア）が減少します。ラダーバルブは回復できる 1%～3% シャフトパワーを独立して制御し、ツイストラダーと組み合わせると、組み合わせたデバイスは通常、 3%～6% 節電。

ポストスワールステータ

一部の設計では、固定水中翼フィンを舵または別の下流ボスに取り付けて、後流の回転を前方コンポーネントによる揚力に変換します。これらのポストスワールステーターは、ジェット エンジンやタービンのステーター ベーンと同様に機能し、回転流を整え、その過程で有用な仕事を抽出します。

プロペラのボス キャップ フィンの仕組み: ハブの渦をなくす

プロペラ ボス キャップ フィン (PBCF) デバイスは、最もシンプルで世界中で最も広く導入されている ESD の 1 つです。これは、プロペラのハブ キャップ (プロペラの後部中央にある円錐形のフェアリング) に取り付けられた小さな水中翼型のフィンで構成されています。

プロペラが回転すると、ブレードの先端から渦が放出され、後流の中心に集中したハブ渦が形成されます。このハブ渦は、しっかりと巻かれた低圧のコアであり、急速に回転し、はるか下流にまで広がります。これは、無駄な運動エネルギーと、プロペラによる下流表面の浸食の原因の両方を表します。

PBCF の小さなフィンは、この渦に対して逆回転するように角度が付けられています。逆向きの角運動量をハブ渦コアに注入することで、 渦構造を消散させる ハブ付近の後流の回転エネルギー量を削減します。これにより、プロペラハブにかかる抵抗が直接軽減され、ブレードの根元にかかる圧力分散が改善されます。

PBCF 単独によるエネルギー節約はわずかですが一貫しています。通常、 1%～3% fuel reduction 幅広い種類の船舶に対応します。この装置はシンプルで軽量で、改造が容易で、プロペラやシャフトラインに変更を加える必要がないため、優れた投資収益率が得られます。 1～3年 中型の船舶でも。

ダクト型デバイスの仕組み: 流れの加速または減速

ダクト型 ESD は、プロペラの周囲またはその上流に設置されるリング状のノズルまたは部分的なダクトです。これらはフィンベースの装置とは根本的に異なる原理に基づいて動作します。つまり、渦巻きパターンを変更するのではなく、プロペラ ディスクに出入りする水の軸方向の速度を変更します。

加速ダクト（コルトノズル）

加速ダクト (典型的な例はコルト ノズル) は、入口が収束しているプロペラの周囲に配置されたリング状の水中翼です。ダクトは水のプロペラディスクへの流入を加速し、質量流量を増加させます。これによるメリット 重負荷のプロペラ 曳船、トロール船、手押しボートなど、船止めに近い状態でプロペラが作動する低速での操業。これらの用途では、ダクトはダクト自体のリフトから大幅な追加推力を生成し、次のようにしてボラードの総推力を増加させることができます。 20%～30% 同じ直径のオープンプロペラとの比較。

中速から高速で航行する大型外航船では、ダクトの加速はあまり有益ではなく、抵抗を増大させる可能性さえあります。したがって、主に低速、高推力の作業船で使用されます。

プレダクトステータ（ハイブリッドダクトフィンデバイス）

より最近の開発は、一体化されたステータフィンを備えた部分的なプレダクトであり、ベーンホイールダクトまたはガイドベーンを備えた省エネダクトと呼ばれることもあります。これらの装置は、部分リング (プロペラ ディスクの下部または上部を覆う) と一体化された水中翼フィンを組み合わせ、同時に流れの方向を調整し、後流を部分的に加速または減速します。タンカーやばら積み貨物船などのフルフォームの船舶に適しており、通常は配送を行います。 3%～7% 節電。

二重反転プロペラの仕組み: 究極の渦巻き回復

二重反転プロペラ (CRP) は、機械的には最も複雑ですが、回転エネルギーを回収するための流体力学的に効率的なアプローチです。 2 つのプロペラが同心シャフトに同軸に取り付けられ、逆方向に回転します。前方のプロペラは推力を生成し、後流に渦を与えます。後部プロペラは逆方向に回転し、流れに独自の軸加速度を加えながら、その渦エネルギーを追加の推力に変換します。

後部プロペラは、前部プロペラによって失われたほぼすべての回転エネルギーを回収するため、この組み合わせシステムは、 理論的には回転エネルギー損失がほぼゼロ スリップストリームで。実際、CRP システムは推進効率の向上を達成します。 10%～15% 同等の単一プロペラ設置と比較して、あらゆる ESD カテゴリの中で最高です。

欠点は重大です。CRP システムは、特殊なギア システムまたはポッド ドライブ構成を備えた複雑な同心軸配置を必要とし、機械の複雑さ、重量、メンテナンス要件が大幅に増加します。これらは現在、効率の向上により追加の機械投資が正当化される高性能船舶、LNG 運搬船、最新のクルーズ船で最も一般的に使用されています。

後流均等化ダクトと船体フィンの仕組み: プロペラ流入品質の改善

あまり目立たないが重要な種類の ESD は、プロペラのすぐ近くではなく、プロペラ ディスクに到達する船体後流の質に焦点を当てています。船体後流は不均一であるという特徴があります。船尾の 3 次元形状により、プロペラ ディスクの上半分の水流速度は通常下半分よりも低く、船体の中心線近くの境界層は厚くて遅いです。

この不均一性により、プロペラブレードは回転時に広範囲に変化する迎え角で動作することになり、全体の効率が低下し、振動や騒音を発生させる周期的なブレード負荷が発生します。

後流均等化ダクト

後流等化ダクトは、プロペラの上流の船尾に取り付けられた部分的な非対称ダクトです。これは、後流の上部の低速領域の遅い水流を加速し、高速の下部領域には比較的影響を与えないように意図的に形作られています。その結果、プロペラ ディスク全体での速度分布がより均一になり、変動するブレード負荷が軽減され、プロペラが各回転を通じて設計効率点に近い状態で動作できるようになります。

ウェイクイコライジングダクトは特に効果的です。 フルブロック係数容器 (Cb > 0.75)、VLCC やスエズマックス タンカーなど、船体形状により著しく不均一な後流が発生する場合。の節約 3%～8% そのような船舶については文書化されています。

船尾フィン

プロペラの直前の船体に取り付けられた小さな固定フィンは、船体の境界層の一部をプロペラ ディスクの中心線から離れる方向に向けることができ、厚い緩水領域を減らし、全体的な後流の均一性を向上させます。数値流体力学 (CFD) を使用して慎重に最適化すると、これらのフィンは、 1%～4% さらなる効率の向上により、他の ESD を補完します。

主要な ESD タイプの比較: パフォーマンス、複雑さ、適用性

以下の表は、主要なプロペラ省エネ装置カテゴリの構造的な比較を示し、その動作原理、一般的な燃料節約、機械的複雑さ、最適な船舶のタイプをまとめています。

ESD開発におけるCFDとモデルテストの役割

最新の ESD 設計は以下に大きく依存しています。 数値流体力学 (CFD) 曳航タンクやキャビテーション トンネルでの分析とスケール モデルのテスト。これらのツールを使用すると、エンジニアは、物理的なハードウェアを製造する前に、船尾とプロペラの周囲の完全な 3 次元流れ場を視覚化し、特定の船体形状で支配的な特定の損失メカニズムを特定し、ESD 形状を最適化できます。

CFD シミュレーションでは通常、回転基準座標系法を備えたレイノルズ平均ナビエ ストークス (RANS) ソルバーを使用して、プロペラの回転をモデル化します。船体、ESD、プロペラ、舵を含む完全な船尾シミュレーションには、 計算時間は 24 ～ 72 時間 マルチコア サーバー クラスター上で動作しますが、動作範囲全体にわたる圧力分布、渦構造、速度勾配、キャビテーション リスクに関する詳細なデータを提供します。

スケール モデル テスト (通常は 1:20 ～ 1:30 スケール) は、CFD 予測の実験的検証を提供し、エネルギー効率設計指数 (EEDI) やエネルギー効率既存船指数 (EEXI) などの公式船舶文書で使用されるエネルギー節約主張のために船級協会によって要求されます。

船体後流、ESD、およびプロペラ間の相互作用は非常に非線形であり、船舶固有です。ある船体形状に最適化された ESD は、実際には別の船舶では効率を低下させる可能性があります。これが理由です 汎用の既製 ESD は、カスタム最適化された設計と比較して常にパフォーマンスが劣ります 特定の船舶の後流領域とプロペラの形状に合わせて調整されています。

複数の ESD の組み合わせ: 相乗効果とスタッキング戦略

違うから ESD タイプはさまざまなエネルギー損失メカニズムを対象としているため、多くの場合、それらを組み合わせて合計の節約量を増やすことができます。ただし、相互作用効果により、組み合わせた効果は一般に個々の節約量の算術合計よりも小さくなります。

大型タンカーとばら積み貨物船で一般的に使用される組み合わせには、次のものが含まれます。

1. A ガイドベーン付きプレダクト 流入を調整し、後流の均一性を向上させる
2. A プロペラボスキャップフィン ハブ渦をなくすために
3. A ねじれた舵 with rudder bulb 残りの後流回転を回復する

この 3 つのデバイスの組み合わせにより、総合的な燃料節約効果が実証されています。 7%～12% フルフォーム容器では、単一のデバイス単独よりも大幅に多くなりますが、下流の各デバイスで利用できる残りの損失が減少するため、個々の節約の合計よりも少なくなります。

ESD を積層する際の重要な考慮事項は、上流のデバイスが下流のデバイスのフロー環境を変更することです。たとえば、後流の回転を 60% 低減するプレスワール ステータは、下流のラダー バルブが回復するために残される回転エネルギーを少なくします。したがって、ESD の組み合わせは、独立してではなく、システムとして共同設計および最適化する必要があります。

規制の背景: ESD と国際的なエネルギー効率要件

プロペラ ESD の採用は、国際的な海事規制の枠組みによって大幅に加速されています。国際海事機関（IMO）は、 エネルギー効率設計指数 (EEDI) 2013 年の新造船向けに、段階的に強化される必須の最低エネルギー効率レベルを設定 — 2025 年以降に適用されるフェーズ 3 要件では、以下の効率改善が必要です。 30％以上 ほとんどの船舶タイプで 2008 年の基準ベースラインを上回っています。

既存の船舶の場合、 エネルギー効率既存船指数 (EEXI) および炭素強度指標 (CII) 評価システムは、省エネ技術の改修を求める財務的および規制上の圧力を生み出します。 ESD は、計画された乾ドック中に大幅な構造変更をせずに設置できるため、すでに就航している船舶にとって EEXI 準拠への最も費用対効果の高い手段の 1 つです。

IMOが達成したい目標 2050 年頃までに国際海運による温室効果ガス排出量を実質ゼロにする ESD による効率の向上は、それだけでは十分ではありませんが、特に代替燃料への移行時の橋渡し技術として、業界の脱炭素化ツールキットの重要な部分を形成していることを意味します。

経済分析: ESD 改修の投資収益率

船主の観点から見ると、ESD の設置の決定は基本的に投資分析となります。重要な変数は、設置コスト、予想される燃料節約量、燃料価格、船舶の運航プロファイルです。

中型ばら積み貨物船の実際の例は、典型的な経済性を示しています。

• 主機関出力：8,500kW
• 運行速度での 1 日あたりの燃料消費量: 1 日あたり約 28 トン
• 年間航海日数: 250
• 燃料価格: USD 600/トン (VLSFO)
• 年間燃料費：約 420万ドル
• ESDパッケージ（プレダクトPBCFツイストラダー）：設置費用約 300,000～500,000米ドル
• 予想される総合燃料節約量: 7%
• 年間節約量: 約 294,000ドル
• 単純な回収期間: 1.0～1.7年

これらの数字は、ESD 改修が船主にとって最も財務的に魅力的なエネルギー効率投資の一つである理由を浮き彫りにしています。通常、船舶の運航や貨物容量に変更を加える必要がなく、船体のコーティングのアップグレード、主エンジンのディレーティング、シャフト発電機の設置よりも早い回収が可能です。

燃料価格が上昇すると（供給途絶中の海洋留出物は 1 トンあたり 900 ～ 1,000 米ドルに達する）、回収期間はさらに短縮され、ESD はさらに魅力的になります。船舶の残りの耐用年数にわたって 10年から20年 、適切に選択された ESD パッケージによる累積燃料節約額は、船舶あたり数百万米ドルに達する可能性があります。

ESD を選択する際の制限と考慮事項

ESD は明らかな利点にもかかわらず、普遍的に適用できるわけではなく、常に効果があるわけでもありません。いくつかの重要な制限と選択に関する考慮事項が適用されます。

血管の特異性

上で述べたように、ESD 性能は船体の特定の後流フィールドに大きく依存します。あるタンカー設計で 7% 節約できる ESD は、船尾形状が異なる別の船舶ではわずか 2% しか節約できず、さらには効率が低下する可能性があります。 特定の船舶の詳細な後流測定または CFD 解析が不可欠です ESD 投資に取り組む前に。

動作速度と負荷変動

ほとんどの ESD は、特定の設計速度とプロペラ負荷条件に合わせて最適化されています。広範囲の速度で運航する船舶や頻繁にバラスト状態で運航する船舶では、平均節約額が設計時点で予測されたものよりも低くなる可能性があります。現在の海運市場で一般的な減速プログラム（徐航）も、ESD 周囲の流れの状態を変化させ、その有効性を低下させる可能性があります。

構造とキャビテーションのリスク

不適切に設計されたり、不適切に取り付けられたりした ESD は、それ自体が振動、キャビテーション、または船尾への構造的負荷の原因となる可能性があります。たとえば、プレスワールステータフィンは、それ自体の表面にキャビテーションを誘発する迎え角で動作しないように慎重に設計する必要があります。船体またはシャフトボスへのフィン取り付け部の疲労解析は、特に高出力船舶の場合に不可欠です。

メンテナンスと汚れ

フィンタイプの ESD は、乾ドック間隔の間に海洋付着物が蓄積する可能性があり、これにより流体力学的有効性が低下します。 ESD 表面に防汚コーティングを施し、それを船体の検査とメンテナンスのスケジュールに組み込むことは、長期的な省エネ性能を維持するために重要です。

将来の方向性: スマートで適応性のある省エネデバイス

次世代の推進エネルギー節約装置は、固定受動部品を超えて、 適応型でアクティブに制御されるシステム 変化する海況、船舶の速度、積載状態にリアルタイムで対応できます。

研究プログラムでは、コンピュータ制御下でピッチ角を調整できる可変幾何学ステータベーンを検討しており、これにより、プレスワールの大きさを、1 つの設計点で固定するのではなく、全動作速度範囲にわたって継続的に最適化することができます。初期の計算研究では、適応型固定子が追加のエネルギーを回復できることが示唆されています。 1%～3% スワール入力を実際の動作条件に一致させるだけで、固定最適化ステータが達成できる以上の燃料を供給できます。

ESD パフォーマンス監視の船舶エネルギー管理システムへの統合も進んでいます。船尾の周りに取り付けられたシャフトパワーメーターと流量センサーは、推進効率に関するリアルタイムのデータを提供できるため、オペレーターはESDの汚れや損傷を早期に検出し、重大な効率損失が蓄積する前に是正措置を講じることができます。

海運業界がアンモニア、メタノール、水素などの代替燃料（これらはすべて従来のバンカーに比べて大幅なコスト割増を伴う）の利用に向けて移行するにつれ、ESDのようなデバイスを通じて推進効率を最大化することの重要性は高まるばかりだ。 流体力学的最適化によって節約された燃料のすべてのパーセントポイントは、燃料コストの負担を直接削減します。 エネルギー転換を促進し、持続可能な海運の経済性を改善します。