固定ピッチ プロペラと制御可能ピッチ プロペラの違いは何ですか?

A 固定ピッチプロペラ (FPP) ブレードはハブに対して単一の角度に永続的に設定されており、一度製造されると、動作中にピッチが変更されることはありません。あ 可変ピッチプロペラ (CPP) 対照的に、ハブ内の油圧または電気油圧機構を使用して各ブレードを独自の軸を中心に回転させ、シャフトが一定速度で回転し続けている間、ピッチ角を継続的に調整します。

実際的に言えば、FPP では、エンジン速度を変更することで推力を制御します。 CPP を使用すると、ブレード角度を変更することで推力を制御できます。推力の要求に関係なく、エンジンは最も効率的な RPM を維持できます。この基本的な違いが、2 つのテクノロジー間のあらゆるパフォーマンス、効率、コストの違いを生み出します。

各プロペラの種類の仕組み

固定ピッチ プロペラ: 設計によるシンプルさ

FPP は、一定の幾何学的ピッチで鍛造または鋳造されたブレードを備えた一体鋳造品 (通常は青銅、ステンレス鋼、またはニッケルアルミニウム青銅) です。ピッチ対直径の比は、特定の動作条件、通常は船舶の巡航速度での性能を最適化するために設計段階で選択されます。より多くの推力が必要な場合、エンジンの速度が上がります。必要なものが少なくなると、速度が低下します。推力を逆転するには、エンジン自体を停止して反対方向に再始動するか、逆転機能を備えた別のギアボックスを使用する必要があります。

ジオメトリは、単一の重要なパラメータによって定義されます。 メートルまたはピッチ対直径 (P/D) 比で表されるピッチ 、通常、商船の場合は 0.6 ～ 1.4 の範囲です。この比率が固定されると、プロペラは 1 つの速度に対して最適化され、他の速度では効率が低下します。

制御可能なピッチプロペラ: メカニズムによる精度

CPP は、固体ハブを複雑な機械アセンブリに置き換えます。各ブレードはトラニオン ベアリングに取り付けられ、クランク ピンとスライディング ブロック構造を介してハブ内の中央クロスヘッドに接続されています。船のオイル分配ボックスから中空のプロペラ シャフトを通って動く油圧サーボ ピストンがクロスヘッドを押したり引いたりし、同時にすべてのブレードを指令されたピッチ角まで回転させます。

ピッチ角は連続的に変化します。 全前方ピッチ (通常 30° ～ 35°) からゼロ ピッチまでの全後進ピッチ (通常 -25° ～ -30°) — シャフトが一定速度で回転している間ずっと。これは、スロットルに触れることなく、全前進推力、ゼロ推力 (フェザリング)、および全後進推力がすべて利用可能であることを意味します。ピッチコマンドの応答時間は通常、 前方から後方への完全な移行は 15 ～ 20 秒以内 従来のエンジン逆転シーケンスでは数分かかるのに対し、最新のシステムでは数分かかります。

主要なパラメータの並べて比較

燃料効率: CPP が最大の利点を発揮するところ

燃費は、特に幅広い速度と負荷条件で運航する船舶にとって、2 つのプロペラ タイプ間の商業的に最も重要な違いです。

ディーゼル エンジンの RPM 範囲は狭く、燃料油比消費量 (SFOC) が最低になります (通常は )。 定格速度の 5 ～ 10% 。 FPP 駆動エンジンは、動作速度が変化するたびに、この最適点から逸脱する必要があります。設計速度の 75% では、FPP 駆動エンジンは燃料を消費する可能性があります 効率が 15 ～ 20% 低下 単にプロペラがエンジンのトルク曲線と一致しなくなったためです。

CPP システムにより、ブレードが任意の速度に必要な負荷を正確に吸収しながら、エンジンを最低の SFOC RPM に保つことができます。部分負荷でかなりの時間を費やす船舶（固定港間のフェリー、蒸気船とトロール船を交互に運航するトロール船、錨を運ぶ船）の場合、総燃料節約量は以下に達します。 年間運用サイクル全体で 8 ～ 15% 同等の FPP インストールと比較します。

ただし、よく調和した FPP の単一設計点では、ハブが固体で流体力学的にクリーンであるため、固定ピッチ バリアントの方が通常わずかに高いピーク推進効率を達成できることに注意することが重要です。 CPP ハブはピッチ変更機構を収容する必要があるため、直径が大きくなり、若干の抗力が生じます。

操縦性と応答性: CPP の決定的な強み

港湾操縦、曳航、ダイナミックポジショニング、砕氷、海上作業など、推力の迅速または正確な変化を必要とするあらゆる作業において、エンジン速度を変えずにピッチを変更できる CPP の機能は変革をもたらします。

前方から後方への移行

FPP では、全前進から全後進に移行するには、エンジンがアイドリングまで減速し、逆転機構を作動させるか、逆回転で再始動してから再び加速する必要があります。このプロセスには通常、次のような時間がかかります 2～5分 大型船舶では、その間は意味のある制動推力が得られません。 CPP は全前方から全東進までのピッチでスイープできます。 15～30秒 、ほぼ即座に最大の制動推力を提供します。これは、衝突回避シナリオにおいて重要な安全上の利点です。

ゼロスラスト (フェザー) 位置

CPP は、シャフトが回転し続けている間、ゼロピッチ (ブレードが水流と整列し、推力が発生しない状態) に設定できます。これは、一方のプロペラを羽状にしてシャフトをロックして抗力を軽減し、もう一方のプロペラで船を駆動できる二軸スクリュー船で特に役立ちます。また、フェザリングにより、推力を発生させずにエンジンを定格速度で動作させることができるため、ディーゼルと電気のハイブリッド構成での発電に役立ちます。

動的な位置決めと細かい操作

海洋補給船、ケーブル敷設船、掘削船は、海上の固定位置を維持するために動的測位 (DP) システムに依存しています。これらのシステムには、非常に細かく、迅速かつ再現可能な推力調整が必要です。 CPPはDPコマンドに応じて推力出力を連続的に調整できます 速度の変化によりエンジンの遅れや熱サイクルが発生し、応答性と信頼性が低下する FPP 配置よりもはるかに高い精度で位置を保持します。

キャビテーション、振動、騒音: 流体力学的違い

キャビテーション（プロペラブレード表面での蒸気泡の形成と崩壊）は、騒音、振動、ブレードの浸食、推進効率の損失の主な原因です。これは、ブレード表面の局所的な水圧が蒸気圧を下回るときに発生します。これは、プロペラが設計条件から外れて動作するときに最も発生しやすくなります。

FPP は 1 つの速度で最適化されます。低速ではブレードの迎え角が最適以下になり、局所的な低圧ゾーンが発生してキャビテーションが促進されます。商業海運では、船舶は燃料節約の理由から設計速度の 70 ～ 85% で運航することが多く、そのため FPP はキャビテーションのない設計範囲を大幅に逸脱する可能性があります。

CPP は、ピッチを調整することで、どの速度でもほぼ最適なブレード負荷を維持します。 あらゆる動作条件にわたってブレードの迎角を低キャビテーション動作ウィンドウ内に維持します。 。フェリーと海軍艦艇の推進システムに関する研究では、広帯域騒音レベルの低減が実証されています。 3～6dB FPP から CPP に切り替えると、ブレードの浸食率が大幅に低下し、船体の振動振幅が低下するため、ブレードの耐用年数が長くなり、乗客の快適性が向上します。

コストの比較: 初期投資と生涯の経済性

FPP と CPP のどちらを選択するかを決定する財務上の理由は、単に購入価格の問題ではなく、船舶の耐用年数にわたる総所有コストを評価する必要があります。

初期費用と設置費用

CPP のハブとブレードのアセンブリには通常、コストがかかります 同等の FPP の 2 ～ 4 倍 同じシャフトパワーの場合。オイル分配ボックス、サーボバルブアセンブリ、油圧ポンプ、ブリッジ制御ユニットを含む油圧制御システムにより、さらに資本コストが増加します。軸出力が 5,000 ～ 10,000 kW の中型船舶では、FPP に対する CPP 設置の合計プレミアムは次の範囲になります。 300,000米ドルから1,000,000米ドル以上 仕様によります。

保守および運用コスト

CPP ハブには、ブレード トラニオン ベアリング、クランク ピン、スライド ブロック、油圧シールなどの複数の精密機械コンポーネントが含まれており、これらはすべて回転する高圧オイル環境で動作します。これらのコンポーネントは定期的な検査と交換が必要です。

• ハブ オイル シールは通常、次の頻度で交換する必要があります。 5～8年 、動作条件によって異なります。
• ブレードベアリングのクリアランスは、乾ドックごとに (通常は 2.5 ～ 5 年ごとに) 検査する必要があります。
• 作動油システムには、濾過、汚染監視、定期的なフラッシングが必要です。
• サーボ バルブ アセンブリは繊細なコンポーネントであり、10 ～ 15 年の耐用年数にわたって交換または再調整が必要になる場合があります。

FPP は可動部品のない単一の固体鋳物であるため、ブレードの損傷、浸食の検査、および時折のバランス調整のみが必要であり、保守コストは CPP の数分の一で済みます。

燃料節約の回収期間

運航プロファイルが有利な船舶向け CPP — フェリー、タグボート、砕氷船、オフショア支援船 — 燃料の節約により、追加の資本コストを相殺できます。 3～7年 通常の燃料価格で。主に単一速度で運航する船舶 (ばら積み貨物船、VLCC) の場合、投資回収期間が大幅に延長され、投資が正当化されない可能性があります。

船舶の種類とそれぞれに最適なプロペラ

適切なプロペラのタイプは、船舶のミッション プロファイルによって決まります。 2 つのテクノロジーが一般的な船舶カテゴリにどのように対応しているかは次のとおりです。

エンジンの統合: プロペラの選択が推進システムをどのように形作るか

プロペラのタイプは、推進システム全体の設計と操作方法に広範囲に影響します。

FPPとダイレクトドライブディーゼル

大規模な FPP 設備には、通常、最高速度で作動する低速 2 ストローク ディーゼル エンジンが組み合わされます。 80 ～ 120 RPM 、ギアボックスなしでプロペラシャフトに直接結合されています。これは、利用可能な最も単純で機械的に最も信頼性の高い推進装置であり、世界中の大型外航商船の大部分を占めています。主な欠点は、エンジン自体に逆転機能を提供する必要があることです。より複雑な燃料噴射およびタイミング システムを備えた可逆回転エンジン、または別の逆転ギアボックスが必要です。

CPPと中速ディーゼル

CPP システムは、ほとんどの場合、最高速度で作動する中速 4 ストローク ディーゼル エンジンと組み合わせられます。 400 ～ 1000 RPM 減速ギアボックスを介して。 CPP はピッチ変更によって逆転を処理するため、エンジンを逆転させる必要がなく、これによりエンジン設計が簡素化され、過渡応答が高速化されます。ギアボックスには発電用のパワーテイクオフ (PTO) を組み込むこともでき、航行中にシャフト発電機が船舶の電気負荷を供給できるようになり、ホテル負荷の高い船舶では効率が大幅に向上します。

ディーゼル電気およびハイブリッド システム

ディーゼル電気推進では、電気モーターがプロペラ シャフトを駆動し、ディーゼル発電機が電力を供給します。この構成では FPP または CPP を使用できますが、ピッチによって推力を制御しながら電気モーターを一定速度で動作させる (モーター効率を最大化する) ことができるため、多くの場合 CPP が好まれます。バッテリーエネルギー貯蔵を備えたハイブリッドシステムでは、あらゆる電力レベルで正確な推力を提供する CPP の能力が、バッテリー放電管理の柔軟性を補完します。

構造と材質の違い

FPP と CPP は、機能的な違い以外にも、物理的な構造と材料要件が大きく異なります。

FPP は通常、一体成形品です。最も一般的な材料は、 ニッケルアルミニウム青銅 (NAB) 、海水中での優れた耐食性、高い引張強度 (約 640 MPa)、複雑なブレード形状に対する優れた鋳造特性により選ばれています。ステンレス鋼やマンガン青銅も特定の用途に使用されます。 FPP はモノブロック コンポーネントであるため、構造的に非常に堅牢です。ハブとブレードの接続には弱点や可動インターフェイスがありません。

CPP ハブは、圧力下でも防水性を維持しながら内部機構を収容する必要があります。ハブ本体は通常、同じ NAB 合金から鋳造されますが、ブレードはフランジ付きトラニオン接続を介して個別に取り付けられます。これが潜在的な弱点となり、組み立て中に精密な機械加工と慎重なトルク管理が必要になります。内部のスライド部品は以下から製造されています。 高強度ステンレス鋼または青銅合金 、腐食や摩耗を防ぐために、すべての内面は常に作動油に浸されています。

CPP ハブの直径は、同等の出力の FPP よりも必然的に大きくなります。通常、 直径が 15 ～ 25% 大きくなる - これにより、より大きなハブ渦が発生し、流体力学的効率がわずかに低下します。最新の CPP ハブにはボス キャップ フィン (BCF) が組み込まれており、ハブの渦を抑制することでこの効率損失の一部を回復し、流体力学的ペナルティを部分的に相殺します。

安全性、信頼性、および故障モードの考慮事項

どちらのタイプのプロペラも商用サービスにおいて十分に確立された安全性記録を持っていますが、故障モードは大きく異なります。

FPP の障害モード

FPP の破損は、ほとんどの場合、目に見える機械的なものです。破片の衝突によるブレードの損傷、ブレードの根元からの疲労亀裂の伝播、または深刻なキャビテーションによる侵食です。これらの故障は比較的ゆっくりと進行し、定期検査中に検出可能であり、壊滅的な突然の故障を引き起こすことはほとんどありません。 FPP には油圧システムも内部可動部品もありません そのため、海上での作動油の損失、サーボバルブの故障、ピッチ制御システムの故障のリスクがありません。

CPP 障害モード

CPP では、油圧システム (ポンプの故障、オイルの汚染、シールの故障、サーボ バルブの詰まり) または機械的なピッチ変更機構 (ピンの摩耗、ベアリングの焼き付き、クロスヘッドの詰まり) で故障が発生する可能性があります。油圧システムに障害が発生した場合、ほとんどの CPP 設計には、ブレードを最後に指示されたピッチで保持する機械的ロック システムが組み込まれています。これにより、航海の残りの間、CPP が効果的に FPP に変換され、船舶が安全に港に向かうことができます。 ただし、ブレードが好ましくないピッチでロックすると、操縦能力が著しく損なわれる可能性があります。

最新の CPP システムには、冗長油圧回路、油圧とピッチ フィードバックの継続的な状態監視、および発生中の故障を故障になる前に検出するように設計された警報システムが含まれています。階級社会の規則では、たとえ 1 つの油圧回路が故障した場合でも、CPP システムが定義された最小ピッチ範囲を示すことが求められています。

環境規制と排出削減における CPP の役割

国際的な海事規制が推進力の決定に影響を与えるようになっています。 2023 年に発効した IMO の炭素強度指標 (CII) フレームワークとエネルギー効率既存船指数 (EEXI) 要件により、運航会社には艦隊全体で燃料消費量と CO2 排出量を削減するよう圧力がかかっています。

CII 目標を達成するために速度を下げる必要がある船舶にとって、FPP は重大な負担となります。速度を落として運転すると、プロペラが設計点から遠ざかり、効率の向上が最も必要なときに正確に燃料消費量が増加します。 CPP は、速度に関係なく最適な SFOC 点付近でエンジン動作を維持するため、本質的に、次のような排出ガスコンプライアンス戦略によって要求される動作の柔軟性により適しています。 低速蒸気運転、速度の最適化、および可変負荷シャフト発電機の動作 .

LNG 燃料船やメタノール燃料船の場合、エネルギー単位当たりの燃料自体がより高価であるため、CPP の運航燃料効率の利点は経済的にさらに大きな重みを持ち、環境規制された航路の新造仕様における CPP の経済的根拠がさらに強化されます。

概要: FPP と CPP のどちらを選択するか

この決定は最終的にはミッションプロファイルの問題になります。このフレームワークを使用して選択をガイドします。

• FPPを選択してください 船舶が単一の一貫した速度で航行している場合。シンプルで安定したルートを持っています。資本コストとメンテナンスコストが低いことを優先します。急速な推力反転や細かい操作は必要ありません。
• CPPを選択してください 船舶が広い速度範囲で航行する場合。迅速かつ正確な推力変化が必要です。限定水域または動的測位で動作します。または、厳しい燃料効率と排出削減目標を達成する必要があります。

数字で表すと: FPP は、設計時点でのシンプルさとピーク効率で優れています。 CPP は、運用の柔軟性、設計外の効率、操縦性、騒音低減において優れています。 。動作環境が変化し、排出規制が強化されている最新の高性能推進システムにとって、制御可能なピッチ プロペラは、ますます必要性が高まる魅力的な投資となります。