ボートプロペラにおけるキャビテーションの影響とは？

船舶用プロペラのキャビテーションは、効率と推力の低下を引き起こし、過度の騒音と振動を発生させます。プロペラブレードの浸食や損傷につながり、プロペラの構造的完全性を損なう可能性があります。さらに、キャビテーションは、不均衡な推力配分によりボートの操縦性に影響を与え、全体的な性能と寿命を低下させる可能性があります。

プロペラキャビテーションとは

キャビテーションは、過度のプロペラ速度または負荷によって引き起こされる気泡である。プロペラブレード背面の圧力が極端に低下するため、水が気化または沸騰する。多くのプロペラは、通常の運転中に部分的にキャビテーションを起こしますが、過度のキャビテーションは、ブレード上の微細な気泡の崩壊により、ボートプロペラのブレード表面に物理的な損傷を与える可能性があります。

プロペラキャビテーションの原因

高速：プロペラの回転速度が上がると、キャビテーションが発生する可能性も高くなる。高速回転では、プロペラ翼の低圧側と高圧側の圧力差が大きくなり、蒸気で満たされた空洞が形成される可能性がある。

不十分な水没：浅瀬での運転時や船舶の加速時など、プロペラが完全に水中に沈んでいない場合、プロペラブレード上部の水圧が低下する。この圧力低下はキャビテーションを誘発する可能性がある。

不適切なブレード設計：過度のキャンバーや厚みなど、プロペラのブレード設計が不適切な場合、キャビテーションの原因となることがある。不十分な設計のブレードは、水流をスムーズに処理できず、その結果、キャビテーションを助長する低圧の領域が局所的に発生する可能性がある。

荒れた水の状態：荒波や乱流は、プロペラの周囲に不規則な流れパターンを作り出し、キャビテーションの可能性を高める。水圧の急激な変化や流れの乱れは、蒸気で満たされたキャビティの形成を促進する可能性がある。

損傷や汚れ：プロペラブレードのへこみ、くぼみ、表面の凹凸などの損傷は、水のスムーズな流れを乱し、キャビテーションを引き起こす可能性がある。同様に、プロペラに海洋生物の繁殖や汚れがあると、水の流れが乱れ、キャビテーションが発生する可能性がある。

キャビテーションの種類

シートキャビテーション：

シートキャビテーションは、プロペラ翼の表面に沿って、大きく伸びたシートまたはキャビティの層が形成される場合に発生する。このタイプのキャビテーションは、通常、低迎角で発生し、滑らかで連続したシート状の構造が特徴である。シートキャビテーションは、プロペラの効率低下や騒音・振動の増加を引き起こす可能性がある。

クラウド・キャビテーション

クラウドキャビテーションは、スーパーキャビテーションとも呼ばれ、プロペラ翼の周囲に多数の小さな空洞または気泡が形成されることを特徴とする。これらの空洞はランダムに分布し、常に形成と崩壊を繰り返している。クラウドキャビテーションは、より高い迎角で発生する可能性があり、高速プロペラや不均一な流れ条件で作動するプロペラに関連することが多い。推力の低下、騒音の増加、プロペラ翼表面の侵食につながる可能性がある。

バブルキャビテーション：

気泡キャビテーションとは、プロペラ翼上に孤立した大きな空洞または気泡が形成されることを指す。これらの気泡は通常、高い迎角で形成され、クラウドキャビテーションと比較してより散発的である。気泡キャビテーションは、気泡の崩壊によりプロペラ翼に深刻な損傷を与え、孔食、浸食、表面疲労を引き起こす可能性がある。

ボルテックス・キャビテーション

渦キャビテーションは、プロペラ翼の前縁の周囲に渦が形成されることで発生する。これらの渦は、キャビテーションを形成させる圧力変動を引き起こす可能性がある。渦キャビテーションは、低流量で運転される高負荷プロペラや鋭い前縁を持つプロペラで一般的に観察される。これは、ブレードの侵食や騒音の発生につながる可能性がある。

キャビテーション回避の手段

1.プロペラの直径を調整することによって、プロペラのブレードと降下角度の角度を達成することができます減らす

2.プロペラの刃のローディングの表面の裏側が余りに高いことを防ぐためには、より均一圧力インターフェイスの形を使用することができる

3.プロペラ前部の過度のピークを避けるために、キャンバー角と空気吸入口の形状を適切に調整することができる。

4.プロペラの回転数を調整する。速度を適切に調整することにより、キャビテーションを減少させることができるが、速度の損失も減少させることができる。

船外機のプロペラは、背面全体がシート状のキャビテーションで覆われている場合、完全にキャビテーションしていると言われる。この現象はスーパーキャビテーションとも呼ばれる。プロペラの背面が完全に水滴で覆われた後、毎分回転数を増加させても、キャビテーションを減少させることはできません。

そのため、背面から追加の揚力を発生させることはできない。しかしフェース面では、キャビテーションが始まる前よりも遅い速度ではあるが、圧力は回転数が上がるにつれて上昇し続け、総推力も上昇する。

キャビテーションが性能に及ぼす影響

キャビテーションが性能に及ぼす影響は大きい。キャビテーションは通常ブレードの先端から始まり、プロペラの負荷が増加するにつれて徐々にブレード全体に広がっていく。キャビテーションが半径約0.75まで拡大した場合、スラストの大幅な損失が検出され、次いでトルクの減少が検出される。スラストの破断はトルクの変化よりも速く起こるため、これは効率の大幅な低下につながります。 

ボートのプロペラにおけるキャビテーションの影響についての結論

キャビテーションは、ボートのプロペラに大きな影響を与え、その性能と寿命に影響を与えます。キャビテーションは、プロペラブレードの周囲に低圧が形成されると発生し、蒸気バブルの形成につながり、その後崩壊して損傷を引き起こす。この現象は、推力の低下、騒音の増加、振動、プロペラ表面の侵食をもたらします。

キャビテーションの悪影響を軽減するために、適切なブレード形状、材料選択、効果的な流体力学的最適化など、さまざまな設計変更や技術を採用することができる。さらに、キャビテーションの有害な影響を最小限に抑え、船舶推進システムの最適な性能を確保するためには、プロペラの点検や修理を含む定期的なメンテナンスが極めて重要である。

ボートプロペラにおけるキャビテーションの影響に関するFAQ

Q: ボートのプロペラにキャビテーションが発生する原因は何ですか？
A: ボート用プロペラのキャビテーションは、主に高速回転や非効率的な設計により、ブレード周辺に低圧領域が形成されることで発生します。

Q: キャビテーションは可逆的ですか、それともプロペラに永久的な影響を与えますか？
A: キャビテーションには、可逆的な影響と永久的な影響の両方があります。可逆的な影響には性能の低下が含まれ、永続的な影響にはプロペラ表面の侵食や損傷が含まれます。

Q: キャビテーションがボートに振動を与えることはありますか？
A: はい、キャビテーションは気泡の崩壊やキャビテーションによる推力分布の不均一さから、ボートに振動を引き起こす可能性があります。

Q: ボートのプロペラにキャビテーションを示す警告サインはありますか？
A: はい、キャビテーションの兆候には、騒音の増加、速度や推力の低下、振動、プロペラブレードの目に見える浸食や孔があります。

Q: プロペラのキャビテーションがエンジンの損傷につながることはありますか？
A: プロペラのキャビテーション自体はエンジンに直接ダメージを与えるものではありませんが、プロペラの効率や全体的な性能を低下させることにより、間接的にエンジンに影響を与える可能性があります。

Q: キャビテーションで損傷したプロペラを修理することは可能ですか？
A: 多くの場合、プロペラのキャビテーション損傷は、損傷の程度にもよりますが、溶接、充填、再調整などの様々な技術によって修理することができます。

Q: ボートの使用条件を変えることで、キャビテーションを防ぐことはできますか？
A: トリムの調整、スピードの低減、重量配分の変更など、ボートの使用条件を変更することで、キャビテーションの影響を最小限に抑えることができる場合もありますが、問題を完全に取り除くことはできません。