Monohakobi Techno Forum 2017

多層型対水船速計を応用したプロペラ周辺流場の実船計測

広島会場: 2017年11月17日
東京会場: 2017年11月22日

株式会社MTI 船舶技術グループ
須藤 康広

1

© Copyright 2017
MTI Co., Ltd.

目次
1. 背景
2. 多層型対水船速計について
3. プロペラ周辺流場の実船計測••

流場計測
キャビテーション観測

4. おわりに2© Copyright 2017
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1. 背景背景(日本郵船㈱「NYKレポート2017」より)

環境対応船の技術ロードマップ
次世代船型を主軸に各種技術を統合
実海域データを環境対応船の開発に活かす
船会社(海運業)+αの取り組み
さらなる設計改良を追求
JMU

FURUNO

NYK/MTI

3

JMU

FURUNO

NYK/MTI

従来の所掌範囲を超えて協力を© Copyright 2017
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目次
1. 背景
2. 多層型対水船速計について
3. プロペラ周辺流場の実船計測••

流場計測
キャビテーション観測

4. おわりに4© Copyright 2017
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2. 多層型対水船速計について

ドップラー対水船速計（従来型）①超音波を送信②プランクトン等から反射した音波を受信③音波の波長を調べて相対流速がわかる

音波の広がり

静止中

①送信

航行中
②受信

船底下から、たとえば３～20mなど広い範囲を計測対象とすることが多い。

船の動きで波長変化

性能解析に用いるには、さらなる精度向上が必要

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2. 多層型対水船速計について

従来型対水船速計の誤差要因
自身が受ける潮流

対地船速

要因②
深さ毎に不均一な海流

要因①
船自身が作る流速分布
船型・喫水・船速で変化
解析値ズレの要因

計測層

知りたい真の対水船速対地船速予測不可・刻々と変化
ばらつきの要因

自身が受ける潮流＋

従来の計測方法≠ズレ

対地船速＋ばらつき＋

古野電気株式会社とMTIは2013年より共同研究を開始、これら2つの誤差要因を解決するため、多層型対水船速計の開発に着手した。

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2. 多層型対水船速計について対水船速計について（多層型）
複数のスペクトルピークを持つ広帯域の超音波を使用することで増やした情報を基に、より精緻に流速を得る古野電気の特許技術⇒ ・高解像度・多層・遠方で計測が可能に(ハードはDS-60, ソフトのみのUpdate)②受信各層の相対流速がわかる

7

Spectrum level①送信Frequency© Copyright 2017
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2. 多層型対水船速計について多層型対水船速計の商用化に向けた取り組み
機能①
多層計測

• 情報量の多い音波• 流速を多層計測

機能②
自己学習

• 喫水、船速ごとに流速分布を学習

機能③
補正表示

• 誤差影響をMinimize→ 対水船速の表示

対水船速

開発完了

対水船速

開発中

多層計測技術を確立、NYK運航６隻（PCC, Tanker, Container）で動作検証中

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2. 多層型対水船速計について多層型対水船速計の商用化に向けた取り組み
機能①
多層計測• 情報量の多い音波• 流速を多層計測機能②
自己学習• 喫水、船速ごとに流速分布を学習

機能③
補正表示
• 誤差影響をMinimize→ 対水船速の表示

対水船速

開発完了

対水船速

開発中

現在、流速分布の自己学習機能／補正表示機能を開発するフェーズ（特許出願中）

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2. 多層型対水船速計について(参考) 多層型対水船速計による学習結果 その１
一定期間収集したデータから、深さ毎に不均一な海流をキャンセルし船自身がつくる流速分布を取得した結果

PCC

無次元化された流速無次元化された流速
浅 ← 船底からの距離 m → 深

浅 ← 船底からの距離 m → 深10Tanker© Copyright 2017
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2. 多層型対水船速計について(参考) 多層型対水船速計による学習結果 その２
一定期間収集したデータから、深さ毎に不均一な海流をキャンセルし船自身がつくる流速分布を取得した結果

Tanker (満載状態)

Tanker (バラスト状態)

無次元化された流速

無次元化された流速
浅 ← 船底からの距離 m → 深

浅 ← 船底からの距離 m → 深⇒ この計測技術をプロペラ周辺流場の実船計測に応用！！

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目次
1. 背景
2. 多層型対水船速計について
3. プロペラ周辺流場の実船計測••

流場計測
キャビテーション観測

4. おわりに12© Copyright 2017
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3. プロペラ周辺流場の実船計測

実船計測の目的
本研究の目的は、プロペラ周辺流場の実船計測をおこない、設計情報としてフィードバックを行うこと、その手法を確立することである。
省エネのKeyとなるプロペラに着目

設計アイテム船型プロペラ省エネ付加物
主機・機器の効率化 etc.

 プロペラ効率を上げるためにはその流場を正確に把握することが必要
 船尾流場は模型と実船で異なることが知られているが、実際に計測されたケースは限定的
VISCOUS FLOW SIMULATION
Axial velocity field (Vx / Vs)

ZX

u:

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Y

1.1

水の流れ

エロージョン（損耗）にも強く関係

引用) http://www.geocities.jp/
hattori_laboratory/studyroom.html

13引用) http://www.marin.nl/web/JIPs-Networks/Archive-JIPs-public/Effort.htm© Copyright 2017
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3. プロペラ周辺流場の実船計測研究事例

ピトー管引用) 横尾 外:実船と模型船とにおける伴流分布の比較,日本造船学会論文集第130号(昭和46年)

引用) 並末 外:肥大船における実船と模型船の伴流分布,日本造船学会論文集第134号(昭和48年)■ピトー管★青雲丸 (1971, 佐世保重工)★龍光丸 (1973, 石川島播磨重工)■LDV (Laser-Doppler Velocimeter)★Sydney Express (1982)★青雲丸など (1990, 無振動船プロジェクト)★EFFORT (2006, EUプロジェクト)

LDV
いずれも・大規模な計測装置・計測範囲が限定的■PIV (Particle Image Velocimetry)★Amandine (2014, 独Rostock大など)★i-Shipping（design）推進のためのCFD高度化検討委員会（2016～）
PIV引用) Kleinwächter A., Ebert E.,
Kostbade R., Hellwig-Rieck K., Heinke
H.-J., and Damaschke N. 2015. PIV asa Novel Full-Scale Measurement
Technique in Cavitation Research. 3rd
International Symposium on Marine
Propulsors Austin, Texas

14引用) Kux, J. et al., 1985, "Correlation of Wake
Measurements at Model and Full Scale Ship", 15thSymposium on Naval Hydrodynamics, Washington
D.C., USA© Copyright 2017
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3. プロペラ周辺流場の実船計測

本PJで採用した装置

SGR
送受信部

AP
VOID

計測用PC

高速度カメラ内視鏡
ゲートバルブAP VOID
記録用PC

送受波器(センサー)+ ゲートバルブ■ 流場計測：多層型対水船速計(古野電気製DS-60)を採用

利点：装置が小規模／工事や認証がシンプル／本船運航への影響リスクなし
課題：プロペラノイズへの耐性■ キャビテーション観測：内視鏡により小型化した装置を採用
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3. プロペラ周辺流場の実船計測

送受波器の設置位置• プロペラより前方、やや左舷側に配置• 60度ピッチで6本のビームを送受信☆ 傘型状に、各方向の相対流速を取得☆ ビーム１，２，３ および ４，５，６にはそれぞれ同時に計測

横からのイメージ図

16後からのイメージ図© Copyright 2017
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3. プロペラ周辺流場の実船計測

流場計測の結果• 送受波器から６mの範囲ではプロペラノイズによる影響も限定的で正常に計測可能
 一つのビームがプロペラ or 船体にあたると、その他のビームで計測NG
 該当ビームをOFFにすることで、計測範囲を広く取れる可能性有• 船体近傍の計測された範囲では、事前のFull-scale CFD予測値とよく一致
ビーム方向流速 ／ 船速
01

船底からの距離 m

2345678910ビーム1ビーム2ビーム3ビーム4ビーム5ビーム6
ビーム1 CFD
ビーム2 CFD
ビーム3 CFD
ビーム4 CFD
ビーム5 CFD
ビーム6 CFD

黒：CFD
青：計測

６mより先ではビーム2がプロペラに、ビーム6が船体にあたる

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キャビテーション観測

3. プロペラ周辺流場の実船計測

キャビテーション水槽
模型流場＋
CFD/経験式↓
実船流場を推定・模擬

実船観測

実船プロペラのキャビテーションを撮影
キャビテーションの発生範囲が同程度であることを確認

ワイヤーメッシュ

一様流

模擬伴流

回転が進むにつれ範囲が狭まり、先端で消滅していく様子が一致

キャビ発生状況は大略想定通り ⇒ 流場も概ね想定通りであると推察
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3. プロペラ周辺流場の実船計測

今後の予定
計測可能距離/計測成分を改善し、同型船にて追加試験を実施する
 特定ビームOFF機能の追加による計測範囲・距離の拡張
 複数台装備による多方向成分の取得
キャビテーション
 さらに各種計測も組み合わせた包括的計測を実施

変動圧
船尾流場
スラスト・トルク※来年春就航船

他手法との実績比較
計測距離

計測成分

LDV
(レーザードップラー)

～8m

2成分

PIV
（画像解析）～abt.4m

多層型
対水船速計

~6m

(10mを目標に拡張予定)

2成分
1成分

（複数台装備により2成分、3成分に拡張予定）

計測装置
工事規模

本船運航への影響

・装置自体・専用区画

大規模撤去しない場合のリスク有

小規模リスクなし※ 過去に公開されている実績事例による調査

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3. プロペラ周辺流場の実船計測

まとめ
多層型対水船速計によるプロペラ周辺流場の実船計測を行い、以下のことが明らかになった。
•

プロペラノイズの影響は限定的であり、いずれかのビームがプロペラ・船体にあたるまでは、高解像度・高品質の音波で計測可能であること。

•

計測された範囲においては、Full-scale CFDの流場とよく一致していること。

•キャビテーション観測結果も実船流場が概ね想定通りであったことを示しており、多層型対水船速計の計測結果を裏付けていること。

以上により、多層型対水船速計が船尾流場計測の有力な手法となる可能性を確認した。また多層型対水船速計、キャビテーション観測、Full-scale CFD の3つを組み合わせて実施することで相互に情報を補い、より確かに実船流場の把握、設計改良への活用が進むものと提案する。

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目次
1. 背景
2. 多層型対水船速計について
3. プロペラ周辺流場の実船計測••

流場計測
キャビテーション観測

4. おわりに21© Copyright 2017
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4. おわりにおわりにメーカー・造船会社・船社の連携による開発事例を紹介した。
☆ノウハウ、ツール、設備を持ち寄り、新たな価値を創出☆メリット享受の形はそれぞれ異なるが、Win-Winになることが大切古野電気
・多層計測システム開発
・ソフトの改修
・計測信号の解析

JMU・実船流場の予測・評価
・キャビ観測ノウハウ
・設計への活用方法
・設計フィードバック

多層型対水船速計
NYK/MTI・実船計測の環境・運航データの提供
・多層データの利用アイデア

22・新用途提案

プロペラ周辺流場
実船計測

・納得感ある省エネ技術の採用
・環境対応船への推進© Copyright 2017
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ご清聴ありがとうございました

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