スクリュー‐プロペラ【screw propeller】
読み方：すくりゅーぷろぺら
⇒スクリュー1
スクリュー
スクリュー（英語: screw [skruː]、スクルー）は、流体中で回転することで回転軸方向に流体の流れを生む推進装置である。あるいは逆に、流体の流れを受けて回転するものもあり、より一般的には、流体の流れと回転とを相互変換する装置であると言える。
概要
「スクリュー」と似たように使われる語に「プロペラ」がある。語義としては「screw」は推進装置に限らず螺旋状のものをあらわす語であり、例えば、ネジのこともスクリューと言い、ねじ回しの「ドライバー」を「スクリュードライバー」などと言うような例がある。
「propel」は「推進する」ことを意味し、ロケットエンジンの推進剤などを指す「プロペラント」や、推進のための駆動力を伝達する「プロペラシャフト」といった語にも含まれる。一般に使われる語としては、航空機用がプロペラ、船舶用がスクリュー、という使い分けがあるが、「スーパーキャビテーション・プロペラ」などのように、船舶工学の専門用語や、海事などの業界用語ではもっぱら「プロペラ」と呼ばれることもかなり多く、一般的な使い分けが必ずしもいつも通用するわけではない。「スクリュープロペラ」という語もある。
「スクリュー」の語はブタの尻尾に由来し、英語では螺旋状の回転部品全般を表す言葉として螺子（ねじ）もこれに含まれる。古くからあるスクリューであるアルキメデスのスクリューは螺子と同様の螺旋型で、作動するのが流体中か固体中かという違いはあるが、力学的には螺子と似ている。現代のスクリュープロペラも、非常に短い螺旋であると言える。
螺旋型の流体機械としては他にスクリュー圧縮機のローターがあるが、これは螺子ともスクリューとも原理が異なるので、ここでは扱わない。
用途
回転から流れへ
流れから回転へ
舶用プロペラと飛行機用プロペラ
| 舶用 | 飛行機用 | |
|---|---|---|
| レイノルズ数 | 低レイノルズ数 | 高レイノルズ数 |
| 回転速度 | 低速 | 高速 |
| アスペクト比 | 幅広 | 幅狭 |
| 揚抗比 | 低揚抗比 | 高揚抗比 |
| 流体の相 | 主に液体 | 気体 |
| 流体の密度 | 高密度 | 低密度 |
| 流体の粘性 | 高粘性 | 低粘性 |
| 流体の流入元 | 周囲180° | まっすぐ前方 |
前述のように、「航空分野ではプロペラ、舶用ではスクリュー」という、一般にはよく使われている語の使い分けは、必ずしもいつも通用するものではない。専門的な議論であるので、ここの節タイトル等では専門用語的な用法に従った。
原理原則から考えるならば、対象とする流体と基本的な物理（力学）的な特性として、以下の要素があるものと考えられる。
- 圧縮流体（気体）か非圧縮流体（液体）か - 非圧縮流体の場合に特異な問題としてキャビテーション（cavitation、キャヴィテーション）がある。
- レイノルズ数 - 同じ形状のまま拡大縮小しても、レイノルズ数の違いにより現象は相似にならない。一方、違う物質などによる現象でも、レイノルズ数が近ければ相似した現象となる。
- 静止に近い流体に対して比較すると速い流れを作ろうとするものか、それなりに流れがあるものに対しわずかにそれを加速した流れを作るものか
プロペラが使われる対象・状況について以上の3点について可能な任意の組合せを取り得る。上の表は、空中のヴィークルと水上（水面）のヴィークルという2種類の類型の場合における組合せと、そこから効率等を基にした最適化よって導出されるいくつかの形態についてまとめたものと言える。また特に、レイノルズ数はスケールしないという性質があり、室内用模型飛行機等のように小さなものがゆっくり動いている場合にはレイノルズ数はかなり小さくなり、逆に風力発電用の大型風車の強風時のレイノルズ数などはかなり大きくなる。例えば模型飛行機は、実機大のものとは独立した研究対象となっている（「模型航空」の記事などを参照）。
舶用プロペラの揚抗比は航空機用プロペラに比べれば低いが、それでも現代の舶用プロペラは、揚抗比がかなり高く主に揚力を使う。一方、アルキメデスのスクリューは抗力が主となる形態であった。直接的に抗力を使う推進器として外輪船の外輪がある。一般に、揚力機械は抗力機械より効率がよく、舶用プロペラは低揚抗比から現在の高揚抗比へと進化してきた。
歴史
スクリュープロペラの原理は艪（ろ）による推進と同じである。なお艪は東洋では比較的多く使われていたが、ヨーロッパではヴェネツィアのゴンドラぐらいでしか見られない。ただしヴェネツィアのゴンドラの漕ぎ方は艪と櫂の中間である。例えば、カヌーを一本の櫂で漕ぐ場合の漕ぎ方も比較的近いが、同一ではない。中国での艪の使用は3世紀にまで遡る。
艪では、単一の板を弧を描くように操作し、水を効率よく押すようにする。スクリュープロペラはこれを改良し、羽根が360度回転し、常に効率的な角度で水を推すようにした。一枚羽根のスクリュープロペラも存在するが、一般に常に力が均等にかかるように複数枚の羽根を使う。
スクリュープロペラの起源はアルキメデスにまで遡る。アルキメデスは灌漑用に水を汲み上げたり、船底に溜まった水をくみ出すのにスクリューを使った。それが有名なアルキメディアン・スクリューである。アルキメデスは螺旋を研究しており、エジプトで何世紀も前から使われていた水車にヒントを得て、螺旋状の動きを応用したものと考えられる。レオナルド・ダ・ヴィンチは同じ動作原理を理論的なヘリコプターに使った。ダ・ヴィンチが描いたヘリコプターには、上部に巨大な布製のスクリューが付いている。
1776年、デヴィッド・ブッシュネルは自作のタートル潜水艇で人力駆動のスクリューを使用した。1784年、J. P. Paucton は、同様のスクリューを使ったジャイロコプター風の航空機を提案したが、そのスクリューは揚力と推力の両方を発生させることになっていた。同じころ、ジェームズ・ワットが船の推進にスクリューを提案しているが、自身が開発した蒸気機関にはスクリューを採用しなかった。なお、スクリューによる船の推進という考え方はワットの発明ではなく、1世紀前に Toogood と Hays が考案している。ただしワットのころにはそれも忘れ去られていた。
1827年、チェコ系オーストリア人の建築家ヨーゼフ・レッセルは、円錐状の中心軸に複数枚の羽根を装着したスクリューを発明した。オーストリア帝国の海軍の下で開発と試験が行われ、従来の方式よりも蒸気船を格段に高速化できることがわかった。しかしすぐ実用化されることはなく、1835年フランシス・ペティ・スミスが新たなスクリューの製造法を発見する。スミスのスクリューは当初は木製だったため、試験中にスクリューが半壊したが、うまい具合に残った形状が現代のスクリューのようになり、かえって船の速度が増したという[1]。同じ頃、フレデリック・ソヴァージュとジョン・エリクソンも似たような特許を申請しており、3人のうち真の発明者は誰かという問題には結論が出ていない。エリクソンはモニターというスクリュー推進の装甲艦を設計した。この艦は南北戦争中の1862年にアメリカ連合国海軍のヴァージニアと交戦したことで知られている。
イギリス海軍は外輪船よりもスクリュー船が優れていることを確認しようとした。まずスミスに試験的に初のスクリュー推進の蒸気船アレキサンダー号を建造させた（1839年）。次に排水量900t級・エンジン定格200hp級の外輪式スループ船アレクトー号（1839年）とほぼ同級のスクリュー式スループ船ラットラー号を1843年に建造、ラットラー号は既存外輪船と徹底的に比較された。特に有名なテストは、同クラス同出力のラットラーとアレクトーの両船で「綱引き」を試みた1845年3月の試験で、ラットラーがアレクトーを2.8ノットの速さで引きずり回し、スクリューの優位性が誰の目にも明らかとなった。なお、この件にはスクリュー駆動の鋼船グレート・ブリテン号（1843年）を建造したイザムバード・キングダム・ブルネルの働きかけが大きく影響している。
19世紀後半、スクリューに関する力学的研究が進んだ。ウィリアム・ランキン（1865年）らが理想的なスクリュープロペラの数理モデルを構築した。スクリューは厚さのない円盤にモデル化され、中心軸を一定の速度で回転させるものとした。すると円盤の周囲に流れが生じる。このようにして、回転力と推進力の関係が数式化された。さらにウィリアム・フルード（1878年）らがスクリュープロペラの数学的理論を確立していき、それによってスクリューの羽根の形状が進化していった。
ライト兄弟を先駆者として、スクリュープロペラは飛行機の推進用のプロペラに応用されるようになっていった。
内燃機関でスクリューを駆動する方式を最初に採用したのは、フレデリック・ランチェスターが製作した小型ボートだった。オックスフォードで1904年、試験航行が行われた。
脚注・出典
- ^ “History and Design of Propellers: Part 1”. the boatbuilding.community (2004年2月7日). 2007年8月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年9月3日閲覧。 “Francis Petit Smith accidentally discovered the advantages of a "shortened" Archimedean screw. Originally, his wooden propeller design had two complete turns (what we might call "double-pitch"). Nevertheless, following an accident in a canal, his boat immediately gained speed after half of his blade broke away.”
スクリュープロペラ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/09/29 02:19 UTC 版)
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スクリュープロペラ (screw propeller) は、船などに装備され水中で動作する、推進機の種類である。スクリュープロペラの回転翼が水をかくことによって、回転軸方向に揚力を作り、推進する力を得る。
単にプロペラ、水面下に隠れて見えない事から外輪に対し暗車とも呼ばれる。巻き込まれると危険であるため船尾【艫（トモ）】に注意を促す記述が書かれていることがある（たとえば横浜にある氷川丸を後方から見ると「双暗車注意」と書いてある）。
概要
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舶用のスクリュープロペラは、海事従事者の間では略して一般にプロペラと呼ばれることが多く、スクリューと略されることは少ない。ペラと略す業界もある。現代船では金属で作られ、回転軸であるボス部分と2枚以上のブレードまたはプロペラ翼と呼ばれる翼面部分から構成される。金属材料としては銅系が多用されており、電蝕により船体の材料である鋼がダメージを受けるため、近傍に「ジンク」と呼ばれる亜鉛材による「身代わりとして犠牲になる」部品を配置する。近年は代替材料の研究開発も進められている。形状が楕円、あるいは扇形に近く、飛行機のプロペラに比べて翼が短く広い。ブレードは小型船では枚数が少なく、大型船では多い傾向にある。
一般に船尾部に付けられ、プロペラの直後に舵がある。この配置により、スクリュープロペラが発生する流れの向きを変えることで舵が効くというメカニズムであるため、（一般の商船などでは）後退時には前進時と対称に舵が効くわけではない。このことは危険回避などの緊急時に「前進のまま転舵により回避する」か「後退により回避する」か、どちらかを選ばねばならないというジレンマの原因になっている。
エンジンとスクリュープロペラを結ぶ回転軸（駆動軸）をプロペラシャフトという。構造上、駆動側とプロペラ側の軸を一致させられないこともあり、途中に自在継手を入れ、軸が斜め、あるいは少しずれていることもある[1]。
曳船やトロール船など曳航力を必要とする船ではスクリュープロペラの周囲に円筒形のコルトノズルを設けているものもある[2]。
歴史
船舶の動力推進機構は、蒸気船の時代までさかのぼる。それ以前の船舶は、帆走および櫂、艪、水流にまかせるなどの自然力、人力に依存していた。スクリュープロペラが普及したのは蒸気機関が船舶の動力源として用いられるようになって、しばらくしてからのことである。
蒸気船が登場したころ、推進機構はスクリュー式ではなく外輪を利用する外輪船がさかんに用いられていた。スクリュー式推進機構の優位性が認められるようになったのは19世紀中ごろのことである。当時外輪式に代わる推進機構を公募していたイギリス海軍省は、スクリュープロペラの発明を見い出したが、当時の軍首脳らは船底に穴を開けるというイメージをマイナス要因ととらえたため、なかなか採用されなかった。最終的に外輪式との優劣を決定するための公開実験を数回行い、同じ重量、エンジン出力を持つスクリュー船と外輪船を文字通り「綱引き」させ、スクリュー船の優位性を決定づけた。以後スクリュープロペラは船舶の推進機構として不動の地位を得て現在に至っている。
近代には、設計理論の進展、加工技術の進歩により、スクリュープロペラは様々な用途の船舶に向け、要求を満たすべくより特殊化された形状を持つようになったものもある。いくつか例を挙げると、潜水艦用として、静粛性を向上させるためにブレードを細長く、後退角を大きくとった「ハイスキュー・プロペラ」や、商船や客船用に、推進効率を向上させて燃費を抑える「二重反転プロペラ」、従来マイナス要素であったキャビテーション現象を逆に利用した超高速艇用「スーパーキャビテーション・プロペラ」などがある。また、一般的なスクリュープロペラからはかけ離れた外見を持つ「シュナイダープロペラ」や「ウォータージェット推進」などといった方式もある。
特殊なスクリュープロペラ
- 二重反転プロペラ
- 燃費を重視する船では、二重反転プロペラが使われている。二重反転プロペラは推進軸が同軸2軸構造となり、反転ギヤも必要となるので構造が複雑となるが、後述のキャビテーションや旋回流の問題、静粛性の問題も改善する効果がある。ポッド推進器が船舶に使われるようになると、ポッド推進器の前後にスクリューを取り付けたものや、通常のスクリュープロペラの後部にポッド推進器を備えて二重反転プロペラにするものも製造されている。
- 可変ピッチプロペラ
- 後進時には、通常、推進軸を逆回転させるが、タービンを使用した推進機関のようにギヤや逆回転用の装置を備える事を避けたい場合は、可変ピッチプロペラを採用し、プロペラピッチの変更で対応する事がある。
- ポッド推進
- スクリュープロペラの取り付け角を回転させる事で、舵を不用とし、後進も迅速に行えるポッド推進がある。
- ハイスキュー・プロペラ
- 水中速力30ノット超の原子力潜水艦などではブレード枚数が7枚と多く、個々の翼は細長くて面積が小さく翼の後退角が大きいスキュード・プロペラと呼ばれるプロペラが採用されている。ハイ・スキューと呼ばれるプロペラでは後退角が連続変化する複雑な曲線で構成されており、静粛性の向上が図られている。
- ポンプ・ジェット
- スクリュープロペラの周りをダクトで覆うポンプ・ジェットと呼ばれる推進方式がある。水中翼船など、より高速を得ようとする船舶ではウォータージェット推進が用いられる。
- サーフェスプロペラ
- プロペラの上半分程度を水面上に露出させた半没水型プロペラで、水中速力40ノット以上の高速船に使用される。中には50ノットに迫るものもある。
スクリュープロペラの数
大型船舶や高出力機関を搭載する船舶では、スクリュープロペラの本数は最高で4基に達する。
過去には3基のスクリュープロペラを駆動する貨物船船もあったが[3]、オイルショック以降は航行時の燃費が重視されるようになり、スクリュープロペラ数の削減、スクリュープロペラの大径化、スクリュープロペラ回転数の低減が求められた[3]。
21世紀になってからは、タンカーや貨物船はかなりの大型船であっても通常1基のスクリュープロペラで済ませるケースが多く、回転数も毎分60回以下まで下がっている[3]。一方で製造できるスクリュープロペラのサイズにも限度があり、喫水の制約もあるので、船幅50mを越える場合はスクリュープロペラを2基装備することもある[3]。
課題
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キャビテーション
スクリュープロペラの推進力を高めるために 回転数を高めたりピッチを強めたりすれば、ブレード面が作る負圧が水圧より大きくなって細かい気泡が生じるキャビテーションという現象が起きて推進効率が悪化するだけでなく、ブレード面が損傷（壊蝕=エロージョン）したり、大きな雑音を生じる。さらに船体に不快な振動を起こし船体強度にも影響するため見過ごすことができない。20世紀末からは、大型船のスクリュープロペラではこういった問題の発生を避けるため、大直径のスクリュープロペラを低回転で使用することで高い効率を得ている[3]。
近年は、意図的にキャビテーションを発生させ利用するスーパーキャビテーションの技術を利用した、スーパーキャビテーション・プロペラといったものもある。
旋回流の問題
1基のスクリュープロペラだけを使用する場合には、駆動軸のエネルギーの約1/3は、スクリュープロペラの後方の旋回流の発生に使われ推進力に寄与しない。これを改善する手法として、二重反転プロペラの他にはエンジン冷却に使用した冷却水をスクリュー前方の船体より噴出させたり、スクリュー前方や後方にフィンなどの付加的な装置を設置して推進効率を改善する手法も存在する[4]。
製造の問題
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複雑な形状ゆえに高度な設計、製造技術、技能を必要とする。高速、高効率を追求する現代の商用船舶向けプロペラはほとんどすべて曲面で構成され、誤差は100分の1ミリと、極めて要求が高い。機械研磨の限界が0.8ミリ程度であるため、後の工程はすべて熟練工に頼るしかない。とりわけ大型船に用いられる直径9メートル前後の大型プロペラは特注品であり、機械化が進んだとはいえ鋳型製作から仕上げまで人手を離れることはなく、汎用品、量産品などは存在しない。特に高度な設計と製造技術を要するハイスキュー・プロペラの場合、製造に用いる工作機械の輸出でさえ国防上の重要事項にかかわることになる。
特殊な技術や加工工具が必要であるため製造できるメーカーは限られている。
設置部の問題
スクリュープロペラは水中に露出して設置されるために、鋭利な翼端部が海生生物(ジュゴンやイルカなど）、ダイバー、水難者を危険にさらす。初期の水上オートバイではこの点が非常に大きな問題となり、ウォータージェット推進の製品に取って代わられている。
水生生物の付着
スクリュープロペラに貝類などの水生生物が付着すると、表面の平滑性が損なわれ推進効率が低下する。これを防ぐために大型船舶では停泊中であっても主エンジンとは別動力でスクリュープロペラを微速回転させ対応することがある[5]。
注記
- ^ プロペラを駆動するわけではないが自動車における同等の部品もプロペラシャフトと呼ばれる。これは英単語propellerが広義には「推進させるもの」を意味するからである（ただし英米で異なり、米では「ドライブシャフト」で総称する）。
- ^ 池田勝, 「古今(こきん)用語撰」『らん：纜』 17巻 1992年 p.43-46, doi:10.14856/ran.17.0_43、2020年6月19日閲覧。
- ^ a b c d e 世界の艦船 2012年11月号
- ^ プロペラ噴流発生装置 特開2006-347285号公報特開2004-9944号公報
- ^ 船舶用プロペラ汚損防止装置及び船舶用プロペラ汚損防止方法 特開2004-337457号公報特開平9-30490号公報
外部リンク
| 典拠管理データベース: 国立図書館 |
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スクリュープロペラ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/05/03 05:51 UTC 版)
大和・武蔵はマンガン青銅鋳物、直径5m、重量21.7t、三枚翼のものを4基装備していた。出力最大時には一分間に230回転（毎秒4回転）する。一般的な船舶同様、大和型戦艦でも右舷プロペラは右回り、左舷プロペラは左回りである。信濃以降については直径5.1mに拡大されピッチも変更された。
※この「スクリュープロペラ」の解説は、「大和型戦艦」の解説の一部です。
「スクリュープロペラ」を含む「大和型戦艦」の記事については、「大和型戦艦」の概要を参照ください。
「スクリュープロペラ」の例文・使い方・用例・文例
スクリュー･プロペラと同じ種類の言葉
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