13プロペラ後流中における魚型水平断面舵に働く流体力に関する研究
湯田 紀男＊・山下 敏久＊・岩崎 和志＊・木原 米文＊
伊藤 幸男＊・伊藤 嘉基＊・向井 利夫＊A Study on Hydrodynamic Forces Acting on the Rudder ofFish-Shape Section with End Plates in Propeller Slipstream
Norio Yuda＊, Tosihisa Yamasita＊, Kazusi Iwasaki＊, Yonefumi Kihara＊
and Yukio Itou＊, Yosiki Itou＊, Tosio Mukai＊
Abstract
Recently the ship equipped scilling rudder is on increase. Generally, the scilling rudder is the fishshape section with end-plates and provides high lift performance. The scilling rudder displays higher
handling performance than the normal one, especially in berthing controls. In the model experiment therudder of fish-shape section with end plates provide high-capacity lift. However, the mechanism bringing
strong lift force even in large rudder angle is not entirely studied yet. To know the above mechanism will
give useful suggestion and information to navigator, shipbuilder and marine engineer.
Until now, the authors tried to examine experimentally and computationally the relation between theshape of fishlike rudder section and hydrodynamic forces in uniform flow.
In this paper, the authors tries to examine experimentally the relation between the shape of fishlike
rudder section and hydrodynamic forces in propeller slipstream.
Keywords : schilling rudder, rudder,, fish-shape section
キーワード：シリング舵、舵、魚型断面

１．はじめに瀬戸内島嶼部，弓削島周辺の交通手段を考えると，生活において主要な交通手段は船舶である。渡船無しには島民の快適な生活を維持することは現状としては不可能である。そこで渡船にとって如何に乗りやすい船であるかということを考えてみると，それは必要以上の速さではなく，低速航行時における操縦性能が優れた船が望まれると考えられる。内航船
舶，特に航行距離が短く低速航行，離着岸の多い船舶に必要な高揚力を発生する舵について検討する事は，弓削島周辺の瀬戸内に隣接する地域（中小造船業を含む）に対する貢献にも繋がるものと考える。
近年シリング舵と呼ばれる舵を装備した船舶が増＊弓削商船高等専門学校

えてきている。シリング舵とは，上下端板や魚型断面を設けた高揚力を発生することのできる舵である。この舵は離着岸操船において通常舵と比べ性能の面で優れた舵であると言える。しかしながらこの舵が，大迎角時において如何に高揚力を発生させているかというメカニズムについては，詳しい研究検
（11）
（12）
（13）
討がされているとは言えない。湯田（10）らはこの舵の高揚力発生メカニズムを知るため研究を続けてきた。その第一歩として，一様流中において数種の上下端板付魚型断面を持つ舵に働く流体力を計測し，舵断面形状と流体力との関係を模型実験により調査している。その実験結果からも，大迎角時において通常舵型より魚型断面舵の方が高揚力を発生することが言える。加えて，数値計算によりこ
平成21年９月28日受理14弓削商船高等専門学校 紀要 第32号（平成22年）の舵の高揚力発生メカニズムについて検討を行っている。加えて，一様流中において高揚力を発生する最適舵型の調査研究が行われている。一つ目にはテイル長変化による舵に働く流体力への影響であり，テイル長変化による舵に働く流体力を計測し，高揚力を発生するテイル長を調査した。二つ目には翼端幅変化による舵に働く流体力への影響であり，翼端幅変化による舵に働く流体力を計測し，高揚力を発生する翼端幅を調査した。
本研究は，一様流中大迎角において一番高揚力を発生した通常舵型模型と魚型水平断面舵型模型を用いて，プロペラ後流中においても魚型水平断面を持つ舵型の方が，通常舵型より高揚力を発生するのかを確認するために，プロペラオープンボートを制作
し，プロペラ後流中における舵模型に働く流体力の計測を行った。
２．プロペラオープンボートの製作
本校には実験に使用可能なオープンボートがないため，オープンボードの制作を行った。制作したオープンボートとプロペラ，シャフトの寸法等をFig.
1に示す。オープンボートは幅1.6D，縦8D，喫水は3.6Dである。

チは0.104D，４枚翼である。オープンボートは回流水槽の中央に固定した。オープンボートは幅1.6D，縦8D，喫水は3.6Dである。プロペラについてはオープンボード後端から水平に5Dの位置に装着した。またプロペラシャフトの直径0.07D，水面からシャフト中心までの距離1.3D，さらにオープンボートの底からシャフト中心までの距離を1.25Dとした。
実験は，オープンボート上部にモーターを設置し，オープンボート内の自航動力計の歯車へベルトを介してプロペラに回転を伝えるようにした。プロペラの回転数については，240［rpm］一定で流速を変化させ実験を行った。プロペラ単独試験の結果をFig.2に示す。縦軸はスラストTを無次元化したK T ，トル
クQを無次元化したK Q，横軸は流速Vを無次元化した前進常数Jを示している。スラストT，トルクQの無次元化および前進常数Jは下記のような式で行った。

KT =VTQ
KQ = 2 5 J =
2 4nD
ρn D
ρn D（3-1）

ここでDはプロペラ直径，ρは流体の密度，ｎは平均回転数，Vは回流水槽内の一様流速である。
シャフトが長く，またシャフトの直径が細いために，シャフトが振動を起こし，多少のデータのばらつきはあるものの有効なデータが取得でき，内航船舶用の中速船用のプロペラと同等の性能を持つプロペラ模型であると考えられる。

KT10KQ0.4

KT10KQ

0.2
Propeller open boat
Experimental set

0３．プロペラ単独試験

-0.2

Fig.1

実験に使用するプロペラ模型の性能を知るために，プロペラ単独試験を行った。
実験装置は弓削商船高等専門学校の荒天航泊実験
室内の研究用回流水槽で行った。回流水槽は幅1.2［m］，水深0.8［m］，計測洞は3［m］である。実験状態をFig.1に示す。Fig.1は実験装置上部及び実験装置側面から見た実験状態となっている。今回実験に使用したプロペラはプロペラ直径D=0.1［ｍ］，ピッ00.2

0.4

0.60.81

Fig.2

Experimental results of KT and KQ1.2Jプロペラ後流中における魚型水平断面舵に働く流体力に関する研究（湯田・山下・岩崎・木原・伊藤幸・伊藤嘉・向井） 15

４．プロペラ後流中試験

でプロペラ後流は舵模型のラダーストック位置での平均流速0.4［m/s］，回流水槽の流速は0［m/s］，J=0４．１ 実験装置及び実験状態の状態で，舵模型の舵角Θ=0〜90［deg.］まで変化さ
実験は，弓削商船高等専門学校にある荒天航泊実せ全ての舵型に上下端板を付けた状態で舵模型に働
験室内の研究用回流水槽で行った。
く流体力を計測した。
実験装置はプロペラ単独試験に用いたオープンボ
流体力の計測は三分力計を用いた。計測した流体ートを使用した。ただしプロペラ単独試験において， 力は，プロペラシャフトに沿った方向（X方向）のプロペラシャフトが振動したために，プロペラをオ力（抗力），このX方向垂直な方向（Y方向）の力
ープンボード後端から0.5Dの位置に装着し実験を行 （揚力）とラダ−ストックに働く舵軸モーメントをった。またプロペラから舵軸までの距離を1.36D， 計測した。なお揚力，抗力の計測値は舵軸に働く流舵弦長は1.13Dとし，舵高さの1/2の位置が，プロペ体力を取り除き，それぞれの舵模型単独に働く流体ラボスの中心の位置になるように舵模型を設置し力の計測を行った。計測における座標をFig.4に示す。
た。実験で使用した舵模型及び端板をPhoto.1，Fig.3に示す。この舵模型については，これまでの一様流中において，一番高揚力を発生したF5（魚型水平断面を持つ舵模型）とW2（通常の翼型水平断面を持つ舵模型）である。実験状態はプロペラ後流中とし，プロペラの回転数については520［rpm］一定

Fig.4

Photo.1

Rudder section

Fig.3

Rudder section

Coordinate system

４．２ 計測結果及び考察
計測した流体力については，縦軸に無次元化した
揚力係数C L ，抗力係数C D および舵軸モーメント係数C M を示し，横軸に舵角を示した図を作成した。
揚力係数C Lと舵角の関係をFig.5に示す。抗力係数
C Dと舵角の関係をFig.6に示す。舵軸モーメント係数CMと舵角の関係をFig.7に示す。無次元化については，揚力及び抗力を1/2ρSV2で除し，舵軸モーメントを1/2ρSV2で除すことによって行った。ρは流体密度，Sは舵面積、Vはラダーストック位置での平均流速，Cは舵弦長を示す。
揚力についてはFig.5より，舵角が増すにつれ徐々に揚力が大きくなり，F5は舵角約32.5［deg.］付近，W2は舵角約30［deg.］付近で失速し，後に減少する傾向となった。F5の最大揚力がW2の最大揚力より約20％程度大きくなる結果となった。また，失速後の舵角においては，W2よりもF5の方が高い揚力を発生する結果となった。

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弓削商船高等専門学校 紀要 第32号（平成22年）

1.5
CLW2F510.50020Fig.5406080[deg.]

Lift coefficients

F5の最大揚力がW2の最大揚力より約20％程度大きくなる理由としては，一様流の流れに比べてプロペラ後流の螺旋流の流れ方が，F5の後縁付近でせき止められる状態となり，後縁部の圧力が上昇し，F5の方が高揚力を発生したのではないかと考えられる。また，舵角60［deg.］を超える範囲においては，F5の方がW2より高い揚力を発生するのは，螺旋流の影響により，大迎角時においてF5の上流側面の上部にあるくぼみ部と端板の間の流れがせき止められ高圧となり，それが影響をもたらしているのではないかと考えられる。
抗力については，Fig.6より，舵角50［deg.］付近
までは，W2，F5共に同様に抗力は大きくなるが，舵角50［deg.］を超える範囲においては，F5の方が抗力が大きくなる結果となった。
舵角60［deg.］を超える範囲においてF5の方がW2より抗力が大きくなる傾向となった理由としては，揚力の考察と同様に，螺旋流の影響によりF5の上流側面のくぼみ部と端板により，流れがせき止められ高圧となり，その影響によりF5の方が抗力が大きくなったものと考えられる。
舵軸モーメントについてはFig.7より，W2においては，一様流中では失速後の舵軸モーメントの急激な跳躍があったものが，プロペラ後流中ではなく，舵角の回転回りに舵軸モーメントが働いた後，逆回りに舵軸モーメントが働く結果となった。F5については，舵角の小さい30［deg.］までの範囲においては値の変化が微小となる傾向となった。さらに，舵角30［deg.］〜55［deg.］の範囲においても，舵軸モーメントがほぼ変化しない結果となった。
W2において失速による急激な舵軸モーメントが生じないのは，螺旋流の場合において，負圧面に流れが入り込んでいるために，一様流中程に舵側面の圧力中心の移動がないためではないかと考えられる。
F5において，舵角30［deg.］付近まで舵軸モーメン
トにあまり変化を生じないのは，この舵角の範囲においても舵後縁のくぼみおよび端板の影響が大きく，前縁の正圧と後縁の正圧がつり合い，圧力中心の位置が変化しないのではないかと考えられる。また舵角30［deg.］〜55［deg.］の範囲において，舵軸モーメントの変化が微小であるのは，失速後に一様流

2.5CD
21.5

10.5W2F50020Fig.6406080[deg.]

Drag coefficients

CM0.040.020-0.02
W2F5-0.04
020Fig.74060

Moment coefficients

80[deg.]

プロペラ後流中における魚型水平断面舵に働く流体力に関する研究（湯田・山下・岩崎・木原・伊藤幸・伊藤嘉・向井） 17中においては，舵軸モーメントが大きくなるが，プロペラ後流の場合，舵角約40［deg.］付近で舵後縁がプロペラ後流域より離脱するために，後縁部の上流側面の圧力が減少し，圧力中心の移動が微小になったためではないかと考えられる。
５．まとめ
プロペラ後流中における舵に働く流体力を計測するため，プロペラオープンボートを制作した。
プロペラ模型の性能を知るためにプロペラ単独試験を行った。
一様流中と同様にプロペラ後流中において，大迎角時に通常舵型より魚型水平断面舵型の方が高揚力を発生する事を実験により確認することができた。
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舵に働く流体力に関する研究−模型実験による検討−，第112号，pp361-365，2005（11）湯田紀男，山下真史，栗本裕和，山下利久：二枚舵に働く流体力に関する一考察−一様流中模型実験による検討−，弓削商船高等専門学校紀

要第29号，pp7-12，2007（12）湯田紀男，栗本裕和，山下真史，山下利久：上下端板付魚型水平断面舵に働く流体力に関する一考察−数値計算による検討−，弓削商船高等専門学校紀要第29号，pp1-6，2007（13）木村安宏，山下真史，湯田紀男：上下端板付魚型水平断面舵に働く流体力に関する研究−Ⅱ−
テイル長と翼端幅の影響−，日本航海学会論文集，第119号，pp119-127，2008

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