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「小型高速艇の推進機構の性能向上に関する開発研究」の報告書

 事業名 小型高速艇の推進機構の性能向上に関する開発研究
 団体名 シップ・アンド・オーシャン財団  


■事業の内容

(1) 小型高速艇用可変ピッチプロペラの開発研究
[1] 可変ピッチプロペラ用プロペラ翼の開発
 本年度は、前年度までの実績を基にして翼角変更の効果を実現するために、「実用的操縦装置の開発」と「実用周回速度の確保」を目的とし、40ps/7800rpmエンジンに対応して、現在使用中の固定ピッチプロペラと同等のスラストを持ち、可変ピッチ効果の優れたプロペラを開発することを目指した。
プロペラ製作      3組(当初2組を製作しその試験結果により1組を改良製作及び試験した)
プロペラ単独性能試験  2組(当初製作の2組についてのみ実施した)
設計仕様及び目標性能は以下のとおり。
翼数                         2枚
羽根軸まわりに受ける最大モーメント  55kgf・cm(1翼あたり)
エンジン馬力/回転速度      40/7800 PS/rpm
プロペラシャフト最大トルク       5kgf・m
プロペラ翼角変更範囲          9度以内
プロペラ翼重量           約200g以下(1翼あたり)
プロペラ直径          150〜180mm
プロペラ最大回転数         6800rpm
翼角変更用コントロールケーブル
の所要入力×ストローク(操作量) 18kgf×約38mm以内
速力                 約80km/h
[2] 実用翼角変更機構の開発
40ps/7800rpmエンジンに対応する、小型で耐久性のある翼角変更機構を開発することとした。基本的機構は平成5年度の成果を踏襲し、翼角変更範囲を9°とした。
翼角変更機構製作  1ケース、3組(当初2組を製作しその試験結果に基づき1組を改良製作及び試験した)
[3] 操縦機構の開発
 小さな操作力及びシンプルな操作性を持つ実用的操縦機構の開発を行った。また、これと並行して翼角変更効果の確認のために、スロットルと連動して作動する操縦装置の開発を行った。
操縦機構製作  4ケース  各2組
[4] 係留試験
本年度製作した機構の作動の確認を行うために係留試験を実施した。
[5] 実走試験
a. 簡易計測方法の確立とプロペラたたきの効果の秤量を目的とした試験
 船載式簡易計測装置と高速度ビデオカメラを用いた計測方法の効果の確認と、昨年度の原型プロペラ翼を用いてプロペラたたきの効果を秤量するための実走試験を実施した。
実施場所:桐生競走場
実施日 :平成6年6月21日〜22日
b. 可変ピッチプロペラ用プロペラ翼の比較と翼角変更の有効性に関する試験
 翼角変更の効果を実現するために、製作した3種類のプロペラ翼を用いて航走試験を行い、目標速力(80km/hr、22.22m/sec)のクリアと現行並みの周回時間(1分50秒)への到達を目指した。
実施場所:桐生競走場
実施日 :(第1回)平成6年 9月20日〜21日
(第2回)平成6年11月 9日〜10日
(第3回)平成7年 2月15日〜16日
[6] とりまとめ
本年度開発研究の結果は、以下のとおりであった。
a. 速度の確保
 試験で得られた最高速力は22.33m/sec(80.4km/hr)で、目標速力に到達した。周回時間においても、電動式操縦機構で最高1分50秒74、手動式で最高1分49秒96が計測され、操縦者の不慣れも考慮すれば概ね現行の周回時間水準に達したと言える。また、可変ピッチプロペラ翼を固定して使用した場合に対して翼角を変更した場合は旋回を含む半周回で約1秒の時間短縮が記録され、翼角変更の効果が明らかになった。
b. 実用的操縦機構の開発
 本年度開始時点では翼角変更効果が明確には測定されていず、その原因のひとつが操作の複雑さにあった。電動式操縦機構はこの問題を解決して翼角変更操作のタイミングと効果を明らかにするのに役立った。現行スロットルボックスをべースとして昨年度のスライド式からスイング式に改良された手動式操縦機構は効果を体感した操縦者により使いこなされ、周回時間のチャンピオンデータが手動式操縦機構で実現されるまでに到達した。
c. 翼角変更機構の信頼性の向上
 メカニズムとしては昨年度に一応の完成をみたので、本年度はシール性の向上や分解調整の容易さなど完成度の向上に重点を置いた。結果として、延べ6日間の実走試験でメカ・トラブルが発生しない水準に到達した。

(2) 小型高速艇用ウォータージェット推進機構の開発研究
[1] ウォータージェットシステムの開発研究
a. 艇とウォータージェットシステムの相関検討
(a) RMS装置による航走試験
 RVS(リモートモニタリングシステム)装置を用いた航走試験により旋回時のウォータージェットシステムの特性が確認でき、性能劣化の原因を考察した。
(b) ポンプの選択
 競走用ウォータージェットシステムのポンプとして斜流型と遠心型のポンプについて航走試験を実施して比較検討し、遠心型ポンプを選択した。
(c) 吸入ダクト形状の改善
 吸入ダクトの形状改善、および案内翼形状、枚数の変更による性能確認を行った。
(d) ジェットデフレクタ機構および制動機構
 ジェットデフレクタ機構(ジェット流の方向変更機構)および制動機構(リバーサーシステム)と競走用ウォータージェットシステムのマッチングを航走試験で確認した。
(e) ウォータージェットシステムと船との間隙
 艇尾とウォータージェットのボリュートケーシングとの間隙による抵抗増加の解決法を検討した。
(f) スラスト位置(ノズル高さ)の違いによる影響
 新規にポンプを設計・制作し、艇との取り付け位置を下げて(スラスト位置を下げて)航走試験を実施して好結果を得た。
b. 実用化設計および主要目の決定
(a) 実用化タイプの競走用ウォータージェットシステムの設計
イ. 斜流新型ポンプの設計
 遠心型ポンプと同条件で試験し、比較検討するために斜流新型ポンプ渦巻室の形状を変更し、スラスト位置を下げてノズル高さを水面に近づけるよう設計した。
ロ. 競走用遠心型ウォータージェットシステムの設計
 競走用ウォータージェットシステムの対象となった遠心型ポンプに対して、ノズル位置を下げ、トラブル時の損害を最小限に押さえ、冷却水配管の信頼性を向上させ、低騒音化のための水中排気奉仕式を採用し、減速機構を付加するなどに留意した改良設計を行った。
(b) 吸入ダクト設計
 旋回時の水吸引特性を良くするために、断面円型吸入ダクトを設計した。
(c) ジェットデフレクタ機構および減速機構
イ. ジェットデフレクタ機構
 旋回性向上の目的でノズルより噴射されるジェット流の方向を変えるジェットデフレクタ機構を設計した。
ロ. 減速機構(リバーサーシステム)
 安全性向上のためにジェット流を逆噴射させ、短距離停止または後進できる減速機構の設計を行った。
(d) 吸入ダクト安定板形状
 艇尾とウォータージェットの間隙による抵抗増加を解消するため、吸入ダクト安定板形状の改良設計を行った。
c. 詳細実用化設計と制作
(a) 斜流新型ウォータージェットの詳細設計と制作
 実用化設計に基づき、斜流新型ウォータージェットシステム1種1機の詳細設計と制作を行った。
(b) 遠心現用型ウォータージェットの詳細設計と制作
 遠心現用型ウォータージェット用ジェットデフレタクタ機構および減速機構の詳細設計と制作を行った。
(c) 競走用遠心型ウォータージェットシステム、およびジェットデフレクタ機構と減速機構1種の詳細設計と3基の制作を行った。
d. 水槽試験
(a) エンジン動力試験(負荷試験)
イ. 現用型ウォータージェットシステムの動力試験
 斜流現用型と新型・遠心現用型共用ウォータージェットシステムにエンジンを取り付けて動力試験を実施し、40PSの出力を確認して航走試験上問題のないことを確認した。
ロ. 競走用遠心型ウォータージェットシステムの動力試験
 競走用遠心型ウォータージェットシステムにエンジンを取り付けて動力試験を実施し、40PS出力を確認した。
(b) 水槽試験
イ. 斜流新型ポンプ
斜流新型ポンプのポンプ性能を水槽試験で確認した。
ロ. 競走用遠心型ポンプ
競走用遠心型ポンプのポンプ性能を水槽試験で確認した。
e. 航走試験
(a) 第1回航走試験
 RMS(リモートモニタリングシステム)装置を用いて性能の確認を行い、艇とウォータージェットシステムの相関関係を検討することを目的として実施した。
実施場所 : 桐生競走場
実施日  : 平成6年4月10日〜12日
試験内容 : 速度試験、加速試験、減速試験、周回航走、舵角一定旋回試験
(b) 第2回予備航走試験
 ウォータージェット専用艇の設計・製作を行うためのパラメータを収集することを目的として実施した。
実施場所 : 住之江競走場
実施日  : 平成6年7月27日〜28日
試験内容 : 速度試験、加速試験、減速試験、周回航走
(c) 第2回航走試験
 ポンプを選定するためのデータ収集、およびジェットでふれくた機構・減速機構の性能確認を目的として実施した。
実施場所 : 住之江競走場
実施日  : 平成6年8月23日〜24日
試験内容 : 速度試験、加速試験、減速試験、周回航走
(d) 第3回航走試験
 競走用遠心型ウォータージェットシステム、吸入ダクト、制動装置、および新規に製作されたウォータージェット専用艇の性能を確認した。
実施場所 : 桐生競走場
実施日  : 平成7年3月1日〜2日
試験内容 : 速度試験、加速試験、周回航走
f. 総合的解析評価
 ウォータージェットシステムの最終的な性能に対して競技面からの総合的な評価を行った。
(a) RMS(リモートモニタリングシステム)データの解析と評価
 プロペラシステムと比較して、ウォータージェットシステムではターンマーク通過からの加速性能が劣っていたため、旋回時のスラストの減少が関係していると考察した。
(b) 旋回時における吸入
 旋回性能がプロペラシステムに劣る原因として、旋回時の吸入ダクト給水口の方向が水の流れ方向に完全に向いていないため吸入が不十分であることを指摘した。問題に対して数種の解決策を検討し、その一つとして旋回用吸収ダクトも有効であることがわかった。今後も競走用遠心型ウォータージェットシステムでこの種の解決策を検討していくこととした。
[2] 小型高速ウォータージェット艇の開発研究
a. 開設研究項目および基本設計
(a) RMS装置による航走試験
 RMS(リモートモニタリングシステム)装置を用いた航走試験により、艇体は旋回時には内側傾斜せず、そのままスライドすることが判明し、ダクトにおける水の吸入が不十分な為に、必要なスラストを発生できないことを確認した。
(b) ジェットデフレクタ機構とマウント機構
 デフレクタ機構を付加した遠心現用型ウォータージェットシステムをC級ボートに搭載して航走試験を行い、デフレクタ機構とマウント機構の検討を行った。総合判断の結果、デフレクタ機構を搭載しないウォータージェットシステムが左右に可動する現用方式を採択した。
(c) ウォータージェット専用艇の開発
イ. 船尾とウォータージェットポンプの隙間から水が掻き上げられ抵抗が発生するという問題を解決するため、吸入ダクト安定板の先端形状に合わせて船尾部の設計を行った。
ロ. 直進性能
 ウォータージェットシステム搭載の現用プロペラ艇は直進航走時にふらつきがあるので、艇のデッドライズ角を大きくして艇自体の直進性を向上させ、航走試験によってその性能を確認した。
ハ. 旋回性能
 旋回時の不安定を解消するために、艇体のシアーラインとチャインラインの間の幅をつめ、日異様によっては舷側に防波板を取り付けることとした。
ニ. 艇姿勢について
 ウォータージェットシステム搭載はスラスト位置が比較的高いため、航走中の艇姿勢が頭下げになり抵抗が増加するので、艇尾の滑走面を小さくして船尾の航走浮力を減少させてトリム角の改善を図った。
b. 詳細実用化設計と製作
ウォータージェット専用艇として、以下の8種9艇の詳細実用化設計と製作を行った。
(a) タイプI型
 C級ボートの艇底全てにFRP製部材を接着。ステップより後方はデッドライズ角を10度として直進性向上を計った。
(b) タイプ<2>型
 C級ボートの艇底全てにFRP製部材を接着。ステップより後方はデッドライズ角を7度として直進性向上を計った。
(c) タイプ<3>型
 C級ボートの艇尾を斜めにカットして、航走浮力の減少を計った。船底は無改造とした。
(d) タイプI´型
 タイプI型のステップより前方の船底のFRP製部材を取り外し、ステップより後方のみデットライズ角を10°とした。また艇尾を斜めにカットして、航走浮力の減少を計った。
(e) タイプ<2>´型
 タイプ<2>型のステップより前方の船底のFRP製部材を取り外し、ステップより後方のみデッドライズ角を7度とした。また艇尾を斜めにカットして、航走浮力の減少を計った。
(f) タイプ<4>型
 C級ボートの右舷側に防波板を取り付け、旋回時の安定製向上を計った。艇措底は無改造とした。
(g) タイプV型
 C級ボートのステップから後方の艇内の梁を切断し、デッドライズ角を10°とした。また艇尾を斜めにカットし、シアーラインとチャインラインの幅を縮小した。
(h) タイプ<6>型
 C級ボートを基本に新規に製作。ステップから後方のインナーチャインライン、およびデッドライズ角を4.5〜11.1度と変化させた。また船尾を斜めにカットし、シアーラインとチャインラインの幅を縮小した。
c. 航走試験
(a) タイプI型
前述の2.(5)における第2回予備航走試験にて航走を実施した。
(b) タイプ<2>型
前述の2.(5)における第2回予備航走試験にて航走を実施した。
(c) タイプ<3>型
前述の2.(5)における第2回予備航走試験にて航走を実施した。
(d) タイプI´型
前述の2.(5)における第2回航走試験にて航走を実施した。
(e) タイプ<2>´型
前述の2.(5)における第2回航走試験にて航走を実施した。
(f) タイプ<4>型
前述の2.(5)における第2回航走試験にて航走を実施した。
(g) タイプV型
前述の2.(5)における第3回航走試験にて航走を実施した。
(h) タイプ<6>型
前述の2.(5)における第3回航走試験にて航走を実施した。
d. 総合的解析
(a) 航走試験結果
イ. タイプV型
 無風状態にても飛び跳ねる傾向がみられたが、直進性は現用プロペラ艇より良好と推定され、デッドライズ角の増加がウォータージェットシステムの直進性改善にマッチした手法であると判断された。
ロ. タイプ<6>型
 競走用遠心型ウォータージェットシステムを搭載して最高速度85km/h、平均速度83km/hを記録。風速5〜6m/sの状態でも安定に航走した。よって直進性とトリム角が理想に近い状態で、競走用ウォータージェット専用艇の基本船型となることを確認した。旋回性も良好で右舷側の水流がスムーズになり操縦性が向上した。
(b) 直進性
 デッドライズ角の増加は直進性を向上させるのに有効であることを確認した。
(c) 旋回性
 シアーラインとチャインラインとの幅を縮小したため、旋回時右舷側の水流がスムーズになり操縦性か向上した。またタイプ<4>型では“すわり”が良くなり旋回時の飛び跳ねが解消し、吸入効率が向上し、周回タイムが改善された。
(d) 安定性
 チャインラインの改良で安定性が大幅に向上し、この改造方針の有効性を確認したが、改良の余地も認められたため、引続き開発研究を進めていくこととした。
(e) 防水対策
 制動装置による制動時に後部からの浸水発生を確認した。また集団旋回時に先行艇からのジェット流が後続艇運転席に流れ込むという問題などに対し全体的な防水対策が必要と考えられた。
■事業の成果

本事業は、小型高速性の推進機構の性能向上に関し、現在最も有効な手段として考えられる操縦性に優れた可変ピッチプロペラおよびウォータージェットの利用について開発研究を行い、安全・高性能な推進機構を開発することを目的に実施した。
 小型高速艇用可変ピッチプロペラの開発研究においては、手動式操縦装置の改良により周回時間のチャンピオンデータを出すとともに、実用的な電動式操縦機構の開発によって操作性が改善された。実走試験では目標80km/h突破を達成した。翼角変更による効果も明らかにされ、現行固定ピッチプロペラに比べてブレーキや小回りが効くこともわかった。また本年度はシール性の向上や分解調整の容易さ等を配慮して完成度を高め、耐久性能を上げることができた。これまで競走艇等の小型高速艇では実現していなかった主機関の回転を変えずにプロペラの推進能力を変更できる実際的な小型高速艇用可変ピッチプロペラを開発したことは、新技術の知見を与え、小型高速艇の可能性を広げることに資するものであった。
 小型高速艇用ウォータージェット推進機構及び小型高速ウォータージェット艇の開発研究に本年度はウォータージェットシステムと艇体とのベストマッチングに主眼をおいて、競走艇の航走試験から得られる知見を基に、より一層の直線性能、旋回性能などの向上を目的とした開発、設計、試作を実施し、ウォータージェットシステム及び艇体の改良を行った。その中で、特にウォータージェットシステムについては旋回時の加速性能向上に吸入ダクトの改善が有効であること、艇体についてはデッドライズ角の増加が直進性能に有効であることなどが明確になり、本年度開発された競走用遠心型ウォータージェットシステムとタイプ<6>型の艇体を組み合わせて最高遠度85km/h、平均速度83km/hを記録するとともに、旋回性能、安定性能などを大幅に向上させることができ、競走用ウォータージェット専用艇の基本型を見出したことは大きな成果となった。なお、集団旋回時の防水対策や安定性改善などにはまだ改良余地を残しており、今後の開発研究課題となった。
 以上、本開発研究の実施により、小型高遠艇の推進機構及び艇体についてこれまでにない多くの技術的な成果を収めることがてでき、造船関係産業の発展に大きく寄与するものと思料される。





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更新日: 2020年4月4日

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