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実海域での船速低下と燃料消費の直接評価-主機特性模擬自航装置の開発と応用-
こんな研究やってます~やさしい解説~
 波の有る中を走る船は波の無い中を走るときに比べて船速が低下します。原因は複数ありますが主な原因としては、船に作用する波に因る抵抗の増加成分、船のエンジンの負荷増大による影響で発生するプロペラ回転速度低下に伴う推力の減少、が挙げられます。想定する波の中の船速を求めたい場合、波による抵抗増加成分は一般的には理論計算で予測します。その計算方法に関する理論研究は過去から現在に至るまで進められており、良い精度で予測できるようになりましたが、計算法自体が複雑であったり、海が荒れた状況であればやはり予測は困難な状況です。一方、水槽試験において同じ船速で航走している状況を考えると、波の無い中の抵抗成分は“(1)補助推力装置の開発”にもある通り実船と直接同じではありませんが、波による抵抗増加成分は基本的には実船と同じと見なすことができます。つまり、水槽試験においても、エンジンの回転速度の変化が推力に与える影響を考慮して、補助推力装置で見かけの抵抗を実船と同じにして試験を行えば、波の中に於ける“模型船”の船速低下の計測値が同じ波の中を航走する“実船”の船速低下の値としてそのまま取り扱うことが可能となります。
 そこで、海技研では水槽模型試験だけで実船の船速低下を含む船舶推進性能を計測できる試験法の理論整備・開発を行いました。試験法に必要な要素は大きく分けて三つで、①実船エンジンの負荷に対する回転速度の変動を再現してプロペラ回転速度を制御する模型船用モーター(主機特性自航装置)の使用、②補助推力装置を用いて船の波が無い中の抵抗を実船と見掛け上同じにすること、③主機特性自航装置の制御のための入力値を実船と同じにするための補正方法の適用、となっています。(図1は概要図です)

 

図1 実船の船速低下を直接計測する水槽試験法の概要

 この試験法を用いて海技研の実海域再現水槽で波浪中の速力試験を行いました。速力試験とは設定したエンジンの回転速度で船舶がどれほどの船速に到達するかを確認する試験で実船の海上試運転でも用いられています。
 図2は規則的に発生させた向い波の中を航走した時に取得したデータを10秒間抜き出した結果です。緑の線は開発した試験法による結果で、赤の線はプロペラ回転速度に一定として行った従来の方法による結果を示していて、上から順に船速・プロペラ回転速度・プロペラの回転抵抗・プロペラ推力・燃料消費量(1が実船における最大値)、です。まず、プロペラ回転速度が回転抵抗に応じて変動しているのがわかり、実際のエンジンが負荷の変動に応じて回転速度を変化させている様子が再現されています。また開発試験法による回転抵抗と推力の変動は回転速度が一定の結果よりやや低くなっていて、より実際の減少に近いデータが取得できていると言えます。そして、回転抵抗の変動に応じた燃料消費量の複雑は振る舞いを確認することも可能となりました。このように開発した試験法は従来法では評価することが難しい現象を計測することができます。

 






図2 開発試験法と従来法の結果比較(時間的な変動の様子)

 図3は同じ波の中の試験結果について平均値を分析した結果です。図の横軸は規則的に発生させた波の長さと模型船の長さの比で、縦軸は順に波の有る中と無い中の船速の比・プロペラ回転速度・燃料消費量です。なお、緑の点は開発した試験法による結果で、赤はプロペラ回転速度を一定として補助推力装置で船の見かけの抵抗を実船と同じにした結果、青は補助推力装置を使用せずプロペラ回転数を一定とした結果です。どの色も波の無い中を航走した時に同じ船速となるようにプロペラ回転速度を設定しています。緑の結果に注目すると、横軸の値が0.9付近の時に他の結果より船速が大きく低下しています。また同じ状況で燃料消費量は最大値の1となり、回転速度は他の状況より低下しています。これは、プロペラ回転抵抗の増加に伴い燃料消費量が既に最大に達しているため回転速度を保つことができず、回転速度が低下したことによりプロペラ推力が減少して船速が大きく減少したことを説明しています。

 




図3 規則波向波中の結果(試験中の平均値)

 このように、エンジン特性を考慮した試験法を適応することにより従来法よりも有用なデータが得られるようになり、水槽模型試験のみで実船の船速や燃料消費量を評価することが可能になったと言えます。また、今後はこの試験法を応用し、エンジンの設計へのアプローチ、波の条件を考慮したエンジン稼働の安全性評価、等の研究を展開していく計画となっています。
(2014.12.)