NAOSITE: Nagasaki University's Academic Output SITE Title 最近のプロペラ鳴音の特徴とその防止法の研究 Author(s) 川添, 強; 中島, 徹; 錦戸, 慎吾; Leong, Lee Kim Citation 長崎大学工学部研究報告 Vol.28(50) p.15-19, 1998 Issue Date 1998-01 URL http://hdl.handle.net/10069/5014 Right This document is downloaded at: 2014-11-01T16:47:34Z http://naosite.lb.nagasaki-u.ac.jp 長崎大学工学部研究報告第2 8巻第5 0号平成1 0年 1月 1 5 最近のプロペラ鳴音の特徴とその防止法の研究川錦添戸慎強 * ･中島徹 ** Le eKi mLe o n g** ** 吾 ***･ So meCha r a c t e r i s t i c so fRe c e ntPr o pe l l e rSi ngi ng a ndI t sPr e ve nt i veMe a s ur e s by Ts u y o s h iKAWAZOE*,To u mNAKASHI MA**S h i n g oNI S HI KI DO*** a n dLe eKi nLEONG**** Sof a rac a us eofpr o pe l l e rs l ngi ngc oul dbee xpl ai ne dbyt her es ona nc ebe t we e nKa r ma nvor t e xs t r ee t 55 R∼0. 6 Ra ndt hena t ur a lf r e q ue nc yoft hebl a de.Ther e vi s i o no ft het r a i l i ng f r omt het r a i l i nge dgeo f0. e dgeme nt i one da bo vebygr i ndi ngc o ul da l mos ta 汀e S tt hes i ngl ng. Ho we ve rt he r ea r ema nyc as e swhe r er e c e ntpr o pe l l e rs i ng ingc a nno tbee xt i ngui s he dbyt heus ua l me as ur e. Ⅰ nt hi ss t udy, t hec ha r a c e r i s t i c so fr e c e nts i ngl nga ndi t spr e ve nt i veme as ur e sar ec o ns i de r e dus i ngFFTa na l ys i sofnoi s eoc c ur edi ns o mel a r ges hi ps .I nc o ns e que nc e,wede ve l o pe dane wa nt i S l ngl ng de s i gnwhi c hl e a dst ogoodr e s ul t so ns omea ppl i e ds hi ps . r i nePr o pe l l e r ,Si ngl ng,Ka r manVor t e x,Na t ur a lFr e que nc y,Bl adedes i gn Keyw ord:Ma 1.まえがきと呼ばれるのもこうした背景によるものである｡このプロペラがある回転数で作動しているとき,"ワ- ため,護衛艦･漁船･客船などの特殊な船舶のプロペン, ワ- ン"または "キーン,キーン" という金属音ラを除いては,特に取り除く必要はないと言われる｡を発することがある. この現象はプロペラ鳴音 ( Pr o- しかし,船室にまで響く鳴音は,居住性を低下させる pe l l e r,s i ngi ng)1)と呼ばれている｡この音は船尾か一因となるため除去する必要がある｡ら聞こえてくるため,たびたびプロペラ軸と軸受の金鳴音の発生原田は,巽の後縁から剥離し流れ出た水属接触よるものと懸念される｡鳴音現象はプロペラ巽 Ka r ma nvo r t e xs t r e e t )ができ, 流にカルマン渦列 ( にキャビテーションが発生している場合 ,キャビテーこのカルマン渦列の周波数と翼の固有振動数とが一致ション音によってかき消され易い｡従って,喫水が深するためとされる｡従って, いつも一定のプロペラ回くキャビテーションが発生しにくい条件下で,船尾か転数で鳴音が発生する｡従来の鳴音は , プロペラのら聞こえてくる周期的な金属音は,プロペラ鳴音と考 0. 5 5 R∼0. 6 R( 注 :1 . ORが翼の先端を示す)の翼後縁えてよい｡から生じるカルマン渦の発生周期と,巽の固有振動周一般に,プロペラ鳴音は,プロペラ性能にほとんど期の同調による共振現象と見なされ,この対策として, 影響を与えず,むしろキャビテーションが発生していこの部分の巽後縁の補正加工により鳴音をほぼ打ち消ないことを示すもので, " Noi s e"ではなく " Si ngi ng' ' すことができた｡ところが ,最近の鳴音は必ずしも平成 8年 1 0月2 8日受理 *機械システム工学科 ( De pa r t me nto fMe c ha ni c a lSys t e msEng ine e r i ng) ** ( 秩)大島造船所 ( Os hi maShi pbui l di ngCO. , LTD) ***三菱重工業 ( 秩) ( Mi t s ubi s hiHe a vyI ndus t r i e s,LTD) ****大学院修士課程機械システム学専政 ( Gr a dua t eSt ude nt ,De pa r t me nto fMe c ha ni c a lSys t e msEngi ne e r i ng) 1 6 川添強･中島徹･錦戸上記の巽後縁位置での発生ではなく,従来の後縁補正加工では消音できない例が多くなってきている｡本研究では実際の大型船舶で発生した数例のプロペラ鳴音を FFTで解析し,最近の鳴音の特徴とその防止法について検討した｡また,防止法の一つである耐鳴音設計法を実船に適用し,鳴音を打ち消す研究成果慎吾･Le eKi mLe o n g I-SK 富 /va 2+ 2打n r 2 fl-Sn hl f2-S n Va 2+ 27 r nr2 h2 ここで, を得たので報告する｡ S n:St r o uh a l数 2.鳴音の一般的な特徴 h: 流体中の物体の厚さ図1に示すようにプロペラ鳴音は巽後縁から出るカ U:流入速度る共振現象である｡その一般的な特徴は,次のように Va:プロペラ前進速度 n: プロペラ回転数なる｡ r : 巽の任意半径 ( 1 ) プロペラ回転数に対応した異音で,金属音に近い hl,h2:巽の後縁部の厚さ ( 図1 ) ルマン渦の発生周波数と羽根の固有振動数の一致によ音であるため軸受接触音と混同し易い｡ ( 2) プロペラ回転数に対応したうなり音が発生する場一方,カルマン渦と共振する側の巽の固有振動数の推定については ,Ba ke rの横振動一次 fb の概算式( 4 ) 合が多い｡異聞の仕上げ形状にばらつきがあると, 式があるが,ハンマリング法による実測値との間にまうなりが発生すると言われる｡2) だ開きがある｡最近では FEM による巽の固有振動数 ( 3) 舵機室等での音が最も大きくで,ひどい時はデッの解析が進歩してきたが,プロペラが水中にあるため空気中に比べ fb が 1 0-2 0%低下するなど推定精度にキ上でも聞こえる｡ ( 4 ) Ba u a s tLo a dでは発生しにくく,Ful lLo a dで発生し易い｡Ba l l a s tLo a dでは巽後進面側にキャビ問題が残る｡3) テーションが発生し, このため巽後縁からのカル ^ b 葦マン渦の発生が抑制される｡また,鳴音がキャビここで, テーション音にかき消される｡ k :曲げ一次振動数の係数 ( 5 ) 舵を取ると異音が消滅する場合がある｡ ( 4 ) 原 h｡:巽の先端厚さ E :ヤング率剥離点 Ⅰ :断面 2次モーメント A: 巽断面積 3.従来の鳴音防止法プロペラ鳴音の原因,即ちカルマン渦と巽の共振現 5 5 Rないし0. 6 Rにおいて生じる例象は,従来,葉のO. が多いとされる｡この問題解決の先駆的役割を果たし 2) 式および( 3) 式を流用して後縁の厚さた鬼東 4)は ,( を次式のように限定した｡図 1 プロペラ巽後縁のカルマン渦従って,軸受接触音との混同を避けるには,上記の h120･ 0 0 2汀 N i fZ h2<0･ 0 02 wN i Q ( 4) および( 5) に注目する必要がある｡カルマン渦の周波ここで, 数 fの推定式は( 1 ) 式で示されるが, これをプロペラに hl :図 1の0. 5 5 R∼0. 6 Rにおける巽後縁厚さ ( c m) 適用すると,渦の剥離点が翼断面上の 2点と考えられ h2: 図 1の0. 5 5 R∼0. 6 Rにおける巽後縁端厚さ ( c m) るため翼厚 hl 部から剥離する渦の周波数 fl( 2) 式と後 Nl: プロペラの最大回転数 3 ) 式に分けられ縁端 h2から剥離する渦の周波数 f2( N2: プロペラの最微速回転数 ( r pm) る｡ D: プロペラ直径 ( c m) ( r pm) 1 7 最近のプロペラ鳴音の特徴とその防止法の研究ベラのキャビテーション性能が著しく改善され, これまでの巽先端部におけるキャビテーションが深い喫水では特に発生しなくなった｡このため , 巽先端部においてもカルマン渦の規則的な発生を乱す要因がなくなった｡ ( 2 ) 高効率化を目指した最近の低回転大直径プロペラにおいては,( 1 ) 式および( 2 ) 式中の " N･ D" の値は従来とほとんど変わらないが,後縁端厚さ h2 が直径に比例して増加する傾向にあるため,後縁端から図 2 鬼頭による鳴音防止法発生するカルマン渦の周波数 f 2が下がってくる傾 f l : 巽の最小固有振動数 ( Hz) 向にある｡ ( 図 4) f 2 : 騒音と感知しない最大周波数 ( Hz) ( 3 ) プロペラの低回転大直径化により,展開面積比がまた,図 2中の Rは,翼厚が hlと h2 との間を, 減少することで翼断面が比較的厚くなり, このためそれより前縁側の背面の形状とスムーズに接するよう後縁厚さ hlのポイントにおいてカルマン渦の発生選ばれる｡しかし,実際は hlの厚さを大きくできな点を固定できず,後縁端までのいずれかの厚さの点いことが多く, h2 だけを採用しながら巽後縁の圧力に対応するカルマン渦が発生することになる｡この面と背面の形状をできるだけ非対称にするといった工ため,下側の可聴域に対するカルマン渦周波数 fl 夫が折り込まれている｡この鬼頭の方法は, これまでが上昇する傾向にある｡ ( 図 4) かなりの成果をあげている｡実際のプロペラ後縁部の図 5には,最近発生した鳴音の例を示すが, これか設計においては,発生させたくないカルマン渦の周波ら次のこと分かる｡致範囲,すなわち,flから f2の範囲を人間の可聴域 ( 1 ) 最近の鳴音は,鬼頭の言う " 0. 5 5 Rないし0. 6 Rに外とすることで,鳴音発生の実害をなくすよう配慮し 'だけとはおける hlまたは h2 に対応する周波数 ' ている. なお,可聴域としては ,3 0 0から1 0 00 Hzの範言いがたい｡f 2で0. 4 R付近からのカルマン渦との囲を考慮している｡共振も考えられる｡図 3には後縁部形状とカルマン渦強さの関係を示す ( 2 ) 渦の剥離点が hlから h2 の間にも存在する｡ r ywe a k の形状を採用してが,鳴音防止のために ve 従って,その鳴音防止法としては図 6に示すようにいる｡その他の鳴音防止法として,巽後縁の後進面側次のことが考えられる｡にハの字形の溝を加工したり,￠1 0×1 0H程度の円柱 ( 1 ) ナックルポイントにおける剥離角度 ( 巽背面と傾を千鳥状に溶接して, カルマン渦の規則的な発生を乱斜面の角度) を従来よりも大きくとって ,El点です工夫が実施され効果をあげている｡確実に流れを剥離させるo ( 2 ) 後縁端の丸みを小さくする｡ = == 二 Moder a t e ＼ M｡d- t ･ =二二 > WeJk ) st r ｡叩 r ｢ ) st r ｡npr = 二二ゝ Vtr y VJ Hk S. , ｡叩 S t == = ゝ Ver y WH k M｡d･r ･ t ･二二二> Ve r y Wc▲k 図 3 巽後縁部形状とカルマン渦強さの関係 4.最近の鳴音の特徴とその防止法最近のプロペラにおける鳴音の特徴としては,次のような点が挙げられる｡ 0 0 5 _ > > 一､＼ WeJk (Z H ) + 点繋軍胡猷雫･ < i qrq: 二 _ st r onl コ 0 0 0 1 二二: = 50 100 ( 1 ) スキュードプロペラ 5) などに用いられてる新しプロペラ回転数 N (ドpm) い翼断面 ( 例 ;NACA 異型 )の採用により, プロ図 4 最近のカルマン渦発生周波数の傾向 1 8 川添強･中島慎吾･LeeKi m Leo ng 徹･錦戸小さくする｡ ( 3) ナックルポイントから後縁端まで翼縁ゲージで精 000 1 上記( 1 ) , ( 2 ) , ( 3 ) を後縁側0. 4R∼0. 95R まで適用した結果,図 7の対策後に示すように共振点がずれて鳴音は完全に消滅した｡蓑 1 プロペラ等主要目 500 禁･ <i (Z H) +糸賀軍制軟査しながらスムーズなストレート仕上げとする｡ q qr 1 0 0 5 0 プロペラ直径 72 00 mm プロペラ実数 5巽プロペラ没水深度 ( Ful lLoad) 9. 72 m プロペラ投水深度 ( Bal l a s tLo ad) 4. 25 m プロペラ回転数 N (r pm) 図 5 最近発生したプロペラ鳴音の例 A 高レベル鳴音一一一一対策前 x低レベル鳴音一 -チ -- ( 3 ) ナックルポイントから後縁端までは,直線的にスムーズに仕上げる｡ 6 図 6 ナックルボンイトでの流れの剥離固定法 8 妄…= I - ー義男璽朝粥雫八 L q(只二二 00 000 0000 2 r l m ■ 1 (N 〓 ) 二対策後 400 200 5.鳴音防止法の実船適用例最近,73 000 t onBul kCar r i e rの同型船 3隻に鳴音が発生した｡プロペラ等の主要目を表 1に示す｡この鳴 0 音は,喫水が浅い海上試運転時には検出されなかったが,Ful lLoad での航行時にエンジンルームで金属音 20 40 60 80 一oo プロペラ回転数 N (ドpm) 図7 7 3 kt onバルクキャリアの鳴音周波数のノイズとなって現われた｡図 7には,FFT 解析による鳴音の周波数とプロペラ回転数の関係を示す｡この図より鳴音防止対策前には( 1 ) 鳴音が主機の NOR 回転数に近い73-78r pm で発生していること,( 2 ) 高周 6.まとめ筆者等は鳴音に対する経験から｢その防止法はむず 3R∼0. 35Rの巽後縁端から剥離するカル波数域は0. かしい｡｣とする実感をもっている｡実際に1 -2回のマン渦の発生周波数に一致,( 3 ) 低周波数域は0. 7 R∼0. 巽後縁加工で鳴音が消えず 3回目の対策により消音し 95Rの後縁 R起点のカルマン渦の発生周波数に一致た例もある｡本報告では,最近のプロペラ鳴音とそのすることが認められる｡防止法について述べてきたが,防止法のポイントは巽この防止法として下記の対策を実施した｡ ( 1 ) 現状 100程度のナックルポイントの剥離角度を大きくする｡ 5から1. 0mm へ ( 2 ) 後縁端の丸みに相当する h2を1. からh2まで鋭く後縁端 ( h2) を極力小さくして,hl 直線的に加工し,流れを hl 部で確実に剥離させて, 発生するカルマン渦を低周波数域に抑え込むことである｡最近の新たなプロペラ鳴音の問題は,推進効率の 1 9 最近のプロペラ鳴音の特徴とその防止法の研究向上を目指した翼型の改善や低回転大直径化に起因す参考文献るところが大きい｡従って,鳴音を 2次的な問題とし 1)H. E. Sa nde r s ,SNAMEγol . 2( 1 95 7),1 4 0 て捉えず,水中における巽の固有振動数の推定精度向 . 5 8 2( 1 977), 1 2)鬼頭 , 日本造船学会誌 ,γol 上も含めて問題解決に取り組むことが重要であると考 3) 川添 , 錦戸 , 長崎大学工学部研究報告 ,27- える｡ 4 8( 1 9 97),3 7 -8( 1 97 4),1 4)鬼頭 , 日本舶用機関学会誌 ,9 5)T. Sas a j i ma,T. Ka wa z oe,Te c hni c a lRe vi e w of MHI ,2 5 -3( 1 98 8),1