29ＯＴＥＣ
Vol. 25（2020），29 ～ 32

単索係留された相反転プロペラ式潮流発電ユニットの姿勢安定化
村上 天元*1，柳 品*1，金元 敏明*1
Posture Stabilization of Counter-rotating Propeller Type Tidal Stream Power Unit
Moored with One Cable
Tengen MURAKAMI*1, Pin LIU*1 and Toshiaki KANEMOTO*1
Institute of Ocean Energy, Saga University
1, Honjo, Saga-City, Saga, 840-8502, Japan*1

AbstractTidal current is expected as an attractive renewable energy source because the time change of flow direction and velocity
is predictable. Tidal current energy extraction devices can be categorized as a horizontal axis system and a vertical axis system.
The authors have developed a horizontal axis counter-rotating type power unit which is applied in the conversion of windenergy and tidal energy. A counter-rotating type tidal stream power unit is composed of tandem propellers driving double
rotational armatures, while the rotating torques are counter-balanced in the power unit. The power unit can be moored with acable and keep the posture stable without rolling motion in the tidal stream, in which the cable is hooked at the balancing pointof the moment among the buoyancy, gravity and drag. The posture, however, may lose balance by a dynamic disturbance. Inorder to keep the posture horizontal in every circumstance, the winglets are installed on each rear blade. In this research,effectiveness of winglets are verified by a circular water channel test. Besides, the numerical simulation was carried out toinvestigate the flow behavior around the propellers.
Key words : Tidal Stream, Power unit, Counter-rotating, Tandem Propellers, Posture

1. 緒言

潮流は，潮の干満によって規則的に起こる往復流であり，長期にわたって予測可能なため，比較的信頼性の高いエネルギー源と言える．本研究では，持続可能な循環型社会の構築に向けて，未開発の流動包蔵エネルギーを効率良く吸収する簡易発電ユニットの開発を目的としている．プロペラ形，ダリウス形などの従来タービンも高効率化を達成しつつあるが，ここでは，前後二段のプロペラが内外二重回転電機子をそれぞれ駆動する相反転方式（Kubo, et al., 2008）を採用する．相反転方式は，前後のプロペラ間および内外の回転電機子間で回転トルクが相殺され，発電ユニットにローリングが働かない優れた特徴を有しており，1 本の索だけで本発電ユニットを安定姿勢で係留できる可能性がある（Jung, et al., 2017）．その姿勢は浮力，重力，抗力がキーポイントとなり，発電ユニットを子午面上の回転モーメント中心で係留すると，抗力によってプロペラ回転面を流れに対面させることができる．
本研究では，流れ方向の変化によって発電ユニットの姿勢が傾いた場合に，瞬時に安定姿勢に戻すウイングレットの効果について回流水槽実験によって検証した．また，前後段プロペラ周りの流動様相を明らかにするための非定常数値シミュレーションを実施した．

原稿受付 2020 年 11 月 17 日
*1
佐賀大学海洋エネルギー研究センター（〒840-8502 佐賀県佐賀市本庄町 1）
E-mail of corresponding author: murakami@ioes.saga-u.ac.jp

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村上 天元，柳 品，金元 敏明

2. 実 験 装 置
Fig. 1 は後段プロペラにウイングレットを有する発電ユニット模型および座標系を示す．前段プロペラ枚数は 3 枚，後段プロペラ枚数は 5 枚であり，本模型に発電機は搭載していない．模型は，モーメント中心 Pをサポートプレートで支持し，ピッチング運動が可能な状態で，水深 0.7 m，幅 1.0 m の回流水槽に設置した．Fig. 1 の S に内蔵したモーションセンサにより，加速度および回転角速度を計測し，高速度カメラによFig. 1 Sketch of power unit with winglets.って水平方向からの傾斜角を計測した．

Posture angle (degree)

3. 実 験 結 果
Fig. 2 はウイングレットなしの場合（PUO）とウイン
グレット付きの場合（PUW） の傾斜角の時間変化を示
す．時刻 0 s における初期傾斜角は0 = 63 deg.であり，流速は 0.7 m/s である．Fig. 2 に示すように，ウイングレットなしの場合，初期傾斜角 63 deg.から傾斜角 10deg.に達するまでに 4.87 s 要したが，ウイングレット約 1/5 の時間で概ね水平姿勢に戻ることができた．す
流環境に適応し，水平姿勢および高出力を維持し得る

V =0.7m/s,  0=63o

20

4.87s
0.96s

051015Time (s)5ことが分かる．また，Fig. 3 はモーションセンサによっHorizontal posture:A ( m/s2 )て計測した加速度の時間変化を表し，Fig. 4 は回転角

び水平方向の加速度 Az は，ウイングレットなしの場

4020Fig. 2 Time changes in posture angle.

なわち，ウイングレットを設けることで，あらゆる潮，深さ方向の加速度 Ax およ
レット付きの場合（PUW）

PUO
PUW

0付きの場合は 0.96 s と，ウイングレットなしの場合の速度の時間変化を表す．Fig. 3 に示すように，ウイング

60

0V=0.7 m/s, =63o-5

PU O-Ax
PU O-Ay
PU O-Az

合よりも短い時間で，概ね 0 m/s2 となっている．さらに，Fig. 4 に示すように，ウイングレット付きの場合，-10

時刻 0 s～1.0 s までの時間，ピッチ方向の回転角速度

NF=300 rpm, NR=214 rpm (PU O)
NF=283 rpm, NR=203 rpm (PU W)

0は高く，この結果は Fig. 2 および Fig. 3 の結果と対応

24Time (s)PU W-Ax
PU W-Ay
PU W-Az

6810Fig. 3 Time changes in acceleration.

している．
Fig. 5 は流速を 0.5 m/s，0.7 m/s，1.0 m/s の 3 通り変150化させたウイングレット付きの場合の傾斜角の時間変化を示している．流速 0.5 m/s，0.7 m/s，1.0 m/s の場に達するまでの時間は，それぞれ 1.76 s，0.96 s，0.73 sであり，流速が速いほど水平姿勢に短時間で戻ることができる．

100G ( o /s)

合における，初期傾斜角0 = 63 deg.から傾斜角 10 deg.

数値シミュレーションには 3 次元粘性数値解析コー
ド ANSYS-CFX ver.19.0 を使用し，乱流モデルには SSTを採用した．Fig. 6 はウイングレットなしの場合におV=0.7 m/s, =63o
PU O-Gx
PU O-Gy
PU O-Gz

500-504. 数 値 計 算

Horizontal posture: NF=300 rpm, NR=214 rpm (PU O)
NF=283 rpm, NR=203 rpm (PU W)

024Time (s)PU W-Gx
PU W-Gy
PU W-Gz

68Fig. 4 Time changes in angular velocity.

10

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単索係留された相反転プロペラ式潮流発電ユニットの姿勢安定化

なしの場合の計算格子数は 10,672,096，ウイングレッ
ト付きの場合の計算格子数は 10,906,317 である．入口
流速は 1.0 m/s であり，プロペラ回転速度は実験結果と対応している．
Fig. 7 は後段プロペラ後縁近傍に設けた断面における軸方向渦度分布を示す．渦度の正の値は時計回り，Posture angle (degree)ける計算領域および計算格子を示す．ウイングレット

負の値は反時計回りの渦度を表している．ウイングレV =0.5m/s
V =0.7m/s
V =1.0m/s
0 =63o (PUW)

402000ットなしの場合，後段プロペラの翼端近傍に時計回りと反時計回りの高い渦度の領域が存在するが，ウイン60246Time (s)810Fig. 5 Variation of posture angle due to flow velocity.

グレットを設けることで時計回りの高い渦度の領域は縮小された．
次に，Fig. 8 は後段プロペラの翼端近傍に設けた子午面断面における周方向渦度分布を示す．周方向渦度の正の値は反時計回り，負の値は時計回りの渦を表す．ウイングレットなしの場合と比較してウイングレット付きの場合は，時計回りの高い渦度の領域が顕著に縮小されており，ウイングレットを設けることで翼端渦の発生に基づく発電ユニットの振動を低減し得ることが分かる．
5. 結言

本研究では，相反転プロペラ式潮流発電ユニットの後段プロペラにウイングレットを設けて，姿勢安定化に及ぼす効果を実験検証し，ウイングレットを設けることであらゆる潮流環境に適応し，高出力を維持し得ることが明らかとなり，また，翼端渦の発生に基づく発電ユニットの振動を低減し得ることが明らかとなった．

謝辞Fig. 6 Simulation domain and grids.

本研究は，科学技術振興機構事業研究成果最適展開支援プログラム A-STEP 機能検証フェーズの支援を受けて実施された．
文献

Kubo, K., Kanemoto, T., Development of intelligent wind turbine unit with tandem wind rotors and double rotational armatures(2nd report, characteristics of tandem wind rotors), Journal of Fluid Science and Technology, Vol.3, Issue 3 (2008),
pp.370–378.
Jung, H., Kanemoto, T., Liu, P., A numerical prediction of tip vortices from tandem propellers in the counter-rotating type tidal
stream power unit, Journal of Power and Energy Engineering, Vol.5, No.12 (2017), pp.66-74.

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村上 天元，柳 品，金元 敏明

Fig. 7 Axial vorticity.

Fig. 8 Tangential vorticity.