ＪＳＥ交流会船舶の省エネルギーについて独立行政法人海上技術安全研究所流体部門推進性能研究グループ長佐々木紀幸氏１．船舶の省エネの原理と現状船の省エネ対策の基本には、ふたつの方法があります。ひとつは、船を推進させる際に捨てられるエネルギーをできるだけ小さくすること。もうひとつは、その捨てられたエネルギーを再び回収することです。本日は実際にどのような省エネの方法が取られているかをお話したいと思います。また、船舶の省エネルギー系統図海技研で取り組んでいる省エネプ推進器の改善ロジェクトについてもその一部を推進効率の改善ﾏｲｸﾛﾊﾞﾌﾞﾙ省エネ付加物耐航性の改善ご紹介したいと思います。船型現在、燃料油価格が数年前の約実海域適応船型船型の軽量化新形式船の開発３倍にもなっています、ある船主船舶そのものの技術機関効率の改善さんの話によれば、3％節約する機関スターリングエンジン機関の小型軽量化だけで一時期の営業利益に相当す新形式機関の開発電気推進大出力るようです。さらに今後もこの価輸送システム POD推進格はなかなか下がらないだろうと燃料電池運航方法運航に関わる技術言われています。メンテナンス省エネの方法を分類すると ①船舶そのもの、すなわち船型港湾設備船舶支援設備や機関を対象とするもの、②運航修理ドック方法を対象とするもの③支援設備 AFRAMAX TANKERのCO2排出量（25年間）になりますが、本日は①に絞ります。船のエネルギーの損失の主要な原因を挙げますと、先ず、船が起こす波による造波抵抗があります。これは主に船首に生じますが、バルバスバウと呼ぶ水面下の球状の膨らみによってある程度軽減されます。またエネルギー損失の模式図船は運航中に風の抵抗も受けます。これは居住区のある船尾部で大きくなります。抵抗のなかで、最も大きいのが流体の粘性による抵抗であり、ここに最も省エネの努力が払われています。 Energy Loss of a conventional ship これは船尾へ近づくにつれて大きくなります。 rudder resistance rotational loss 推進器が船体に影響して船体抵抗 viscous loss propulsion loss momentum loss が増加する現象もあります。また、 Thrust deduction Wake gain 舵によるエネルギー損失もあります。 total loss これらの抵抗をいかに減らすかが、 viscous resistance viscous resistance (2D boundary layer) 最初に述べた「船を推進する際に捨 wind resistance wave resistance てられるエネルギーをできるだけ小さくすること」に相当します。省エネ対策は個々の原因を視野に入れ、全体のエネルギー収支を考慮しながら進めることが重要です。このアプローチにより何を省エネの対象とするかが明確になり、改善目標が定量的になります。また、新しい発見につながる可能性もあります。実際のエネルギー損失の計算例を２つ示します。ひとつは 15 ノットで航走する 28 万 DWT、１万 8 千馬力のエンジン搭載した VLCC です。この船のエネルギー損失の 70％は粘性抵抗です。平水中の造波抵抗はたかだか 3％でしかありません。推力減少（プロペラにより生じる船体抵抗）は 14％、そのほかの推進関係で生じる損失が 12%です。一方、２５ノットで走る 4 万 KW エネルギー損失の計算例(平水中）の大型コンテナ船の場合、 28万トンVLCCの例（１５ｋｔｓ）大型コンテナ船の例（２５ｋｔｓ）スピードが速いために造波 Kw 抵抗は 19％を占めますが、 20000 全体 45000 40000 洗練された現在の船型では、 18000 粘性 16000 35000 72％省エネのねらいは、この造 14000 30000 12000 ５４％波抵抗よりもやはり 54％ 25000 10000 20000 の粘性抵抗です。また、あ 8000 推力減少推進 15000 造波 6000 とで述べますが、実海域の 14％１９％ 10000 4000 12％１４％１２％ 3％ 5000 性能を意識した省エネです。 2000 0 0 DHP Rv Rw ⊿T ⊿Prop DHP Rv Rw ⊿T ⊿Prop 水面下の船体抵抗は造波抵抗と粘性抵抗を足したものになります。抵抗 Rt の船が速度 Vs で走るとすると Rt×Vs が船がする仕事つまり有効馬力です。一方、 T(プロペラの推力)×Va(プロペラ付近の流速)がプロペラのする仕事でスラスト馬力と呼びます。この有効馬力とスラスト馬力の比を船殻効率と言い、プロペラ付近の流速 Va が小さいほど船殻効率が高くなりますから、流れの遅い船尾付近にプロペラを配置するわけです。タンカーで、もしプロペラを船首に付けたら船尾につけたプロペラにくらべて、実に 30％近い省エネ効果が失われます。しかし船尾につけたとしても 2 軸船のように船体の外側に出すと船殻効率は下がってしまいます。次に船舶の抵抗の成分を説明します。まず始めは造波抵抗ですが、これはもちろん小さい方がいいに決まっています。タンカーのような低速肥大船船体抵抗から燃料消費までの場合は、船首部に破砕抵抗造波抵抗＋粘性抵抗＝船体抵抗 RT RW RV が加わるため、これにも対処する必要があります。高速船 Vs Ｒ ×Ｖs 有効馬力の場合は、船尾で波が盛り上船殻効率がり、それによる圧力回復（エ Vs T ×Ｖa スラスト馬力ネルギー回復）があります。プロペラ効率次に粘性抵抗ですが、高速 Vs ２πNQ 伝達馬力船の場合は一般に小さい方が伝達効率いいのですが、肥大船の場合 Vs ２πNQ 主機馬力は、必ずしも小さい方がいいわけではありません。この理燃料消費由を簡単に説明します。 B ηo （ｐroｐ.Effciency) ηo（propeller efficiency) 粘性抵抗は船の水面下の面積（浸水表面積）と同じ面積を持つ平板の抵抗を基本とします。同じ面積の平板の抵抗とくらべて何倍かという表現を使い、これを 3 次元影響と呼びます。3 次元影響は簡単に言えば渦の影響であり、これを減らすことが粘性抵抗の改善につながります。しかし、肥大船の場合は簡単ではありません。なぜなら、渦にも悪玉の渦と良玉の渦があり、良玉の渦が現われて来るからです。この良玉の渦は、流れと同じ方向、すなわち船体の縦方向にその軸を持っているので縦渦と呼ばれます。この流れと同じ方向の渦（縦渦）は水流を遅くすると同時に、周囲の流れと垂直な方向にその軸を持つ悪玉渦を巻き込みながら流れるという性格をしていますので、この縦渦をプロペラ付近に生じさせることで船殻効率が良くなります。よって、肥大船の場合は、この縦渦が適当にあった方が、言い換えると適度に粘性抵抗があった方が省エネになると思います。次に、プロペラ効率について説明します。プロペラ効率を低下させる原因はほとんど次の３つで説明できます。すなわち、①運動量損失②粘性損失③回転損失の３つです。運動量損失は、プロペラの宿命みたい 1.0000 なもので、プロペラが流体を蹴っ 0.9000 運動量て進む限り避けては通れない損失 0.8000 理想効率です。したがって、この損失だけを考慮した効率を理想効率と呼び、 0.7000 粘性･回転プロペラの効率は、決してこの理 0.6000 想効率を超えることはありません。 0.5000 右の図は、ここ４０年の間に建造された種々の船型 146 隻のプロペ 0.4000 CT ラ効率をプロペラのスラスト係数 0.3000 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 （Ct）に対してプロットしたものす。この中に理想効率を示すと、先に述べた 3 種類の損失が見えてきます。そして、理想効率と実際の効率の差が粘性損失と回転損失だと考えることができます。粘性の損失はプロペラが船体と同じように浸水面積を持っていることによって生じていて、大雑把に言えば翼の面積に比例します。回転損失は、プロペラが流体を回転させながら進んでいることによるもので、これは翼の捩れが大きいプロペラほど大きくなります。したがって、実際のプロペラ効率を次式で修正すると、かなり理想効率に近い値が得られます。（１） ηo(修正値) ＝ηo（実験値）+ 0.0641*EAR +0.0794*H/D +0.286*BR ・・・ここで、EAR は翼の展開面積比、H/D はピッチ比、BR はプロペラボス比と言われている 1.0000 係数です。 0.9000 このように、プロペラの効率というものは、非常に明快です。 0.8000 ηO(ideal) ときどき、この明快なプロペラ 0.7000 効率を無視するようなすばらし 0.6000 いプロペラ効率を出される方が 0.5000 いますが、原理原則を無視した (1)式で修正されたプロペラ効率 0.4000 発言のように感じます。 0.3000 次に、エネルギー回収の方法 0.2000 に着目してみます。なんらかの 0.1000 方法で一度捨てられたエネルギ 0.0000 ーを回収する装置を一般に省エ 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 ネ装置または省エネ付加物と呼 CT (Thrust Coefficient) びます。省エネ装置は、大きくプロペラ前方搭載型、プロペラ後方搭載型、新型プロペラに分類できます。各々の省エネ装置は、そのメカニズムにしたがったエネルギー回収があり、これを一覧表にしてみました。エネルギー回収のメカニズムが異なると、模型試験で得られた結果と実船で得られる結果に違いが生じます。したがって、省エネ装置の評価は、この一覧表に示すような分類に従っていわゆる尺度影響を考慮すべきですが、残念ながら今はそのようにはなっていません。回収エネルギープロペラ舵船体分類粘性抵抗回転流粘性抵抗粘性抵抗推力プレスワール型 ○ ◎ × プロペラ前方搭載型フィン型 ○ ダクト型 ◎ ステータ型 ◎ プロペラ後方搭載型整流型 ○ 複合型 ◎ ○ 二重反転プロペラ ◎ × 新型プロペラハブ渦低減型 ○ △ 小直径小面積型 ○ ○ ダクト推力 ◎ 例えば、複数の省エネ装置を使った場合には、互いにその効果を相殺したり増幅したりする場合があります。それは、その省エネ装置のメカニズムを正確に把握し、全体のエネルギー収支を考慮するしか正しい方法はありません。例えば二重反転プロペラは、プロペラの回転損失を回収する最良のシステムですが、舵によって効果が減殺され、省エネ効果は最大で 7∼8％にしかならない場合も多く見られます。逆に、小面積小直径プロペラというものがありますが、これは従来よりも高ピッチになりプロペラ効率そのものは従来プロペラとあまりかわりませんが、舵が回収する回転損失が増え結果的に推進効率が増加します。２．今後の省エネの方向エネルギー収支から予測される省エネ装置の効果船体･舵抵抗改善今後の船舶の省エネの方向としては、単にひとつのエネルギー回収というものでなく、2 つ以上の回収メカニズムを持つ複合的な省エ将来のネ装置が主流になると思います。省エネ装置８％各省エネ対策、省エネ装置の原理７％をよく理解し、それぞれの効果が６％相殺されないよう、全体最適を図３％５％４％ることが重要です。右の図は、省２％エネ装置をそれらのメカニズムにしたがい分類したものですが、今後は複数の省エネメカニズムを利用した複合的な省エネ装置が高いプロペラ回転流損失の回収・ダクトの推力省エネ効果を持って現われるのではないかと考えます。省エネ装置と言えるかどうか分かりませんが、今後は実海域を視野に入れた船型を開発することも重要です。また平水中の模型試験によって確認された省エネ装置の効果が、実海域では発揮されないこともありえます。波のある実海域でも効果を上げることを目指すべきです。実海域適応型の船型例としては SEA ARROW（川崎造船）−バルブ上部を船体で埋めることで船首部分を鋭角にしたもので、中速船で効果がある。 AX BOW（ユニバーサル造船）−水面上の形状を鋭角にして波を切り、波のある海域で効果がある。 High DELTA BOW（住友重機械マリンエンジニア SEA Arrow リング） −砕波抵抗の大きい肥大船の船首を Delta Bow 傾斜させ抵抗の軽減を狙うもので、砕氷性能も良好。 SEA などがあり、それらの適用範囲（肥脊係数 Cb, 速長比 Fn）を図に示しました。すでに実船が何隻も建造されその効果が確認されています。今後、ますます、このような波の中で良い性能を示す船型が開発されていくと期待されます。 Fn Ax-Bow AX Bow High Cb ３．海技研が取り組んでいる３つのプロジェクトプロペラ翼面積比が推進効率に及ぼす影響(25kts コンテナ船の例）推進効率η＝船殻効率ηh＊プロペラ効率ηo＊伝達効率ηt ３．１．プロペラへの溶射皮膜適用に関する研究海技研は、プロペラの表面にセラミックを溶射し、エロージョン腐食を防止し、キャビテーション性能を向上させ（キャビテーションは発生する ηo が、振動が少ない設計にし、エロージョンにはつながらない）、粘性損失が約６％少ないプロペラを開発中です。本プロジェクトは、溶射技術を持つトーカロと製造技術を担当するナカシマプロペラの 2 社との共同研究でもあります。試算では、 6000TEU、7 万馬力のコンテナ船に適用すると年間で C 重油が 1 億円ほど節約できると期待されます。 5.8% 翼面積比 65% 80% 28万トンVLCCの例（１５ｋｔｓ）要目最適化システム３．２．要目最適化システムの開発船の設計の上流段階で要目が実海域に適した船型を作るシステム開発です。本システムを利用すると、エネルギー収支が手に取るように見えてきます。どこを狙えば最も費用対効果が得られるか一目瞭然です。これはコスト評価も織り交ぜながら操縦性、耐航性、推進性能を同時に満たす設計のシステムで、来年 3 月には NAPA ともリンクさせたシステムとします。次年度には省エネ装置の評価も組み入れる予定です。右の図は、波高３ｍの中を進む VLCC のエネルギー損失を示しています。馬力のアップは１ 25000 １８％増加 20000 15000 10000 5000 0 DHP Rv Rw ⊿T ⊿Prop Hw=3m ８％になっていますが、その原因が造波抵抗だけではないことが見えてきます。このシステムを用いると、船主側だけでなく建造側にもメリットが出ます。例えばケミカルタンカーでは、プロペラ、舵の形状の最適化による省エネを実施した結果、１日当たり 2 トンの燃料油、年間で約 2 千万円燃料の節約としたばかりでなく、プロペラ重量を 80％、舵の重量を 70％に軽減し、コスト削減にも貢献した例があります。３.３海のテンモードプロジェクト実海域における経済性の指標「海のテンモード」を検討しています。実海域での波浪の影響を実験と計算によるハイブリッドな推定法で求めると同時に、船型や省エネ装置の経済性をも評：開発項目全体スキーム価するシステムの開発です。波船社/造船所からの申請浪の抵抗、回頭中のあて舵、出性能評価性能評価ユーザー支援ツール開発 (造船所・試験評価機関) (造船所・試験評価機関) 力減少等を実験と計算を併用し試験プログラム水槽試験解析(手法) て実海域での性能評価を図りま計算手法ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ計算評価(手法) す。現状では、実海域での性能本船検証フィードバック性能評価の認証を正確に求めようとすると、そ性能評価の認証 (認証機関(NK等)) (認証機関(NK等)) の実験費用に莫大な投資が必要となります。開発要素（その２）シミュレーション計算＊省エネ装置評価システム平水中の推進性能水槽試験法規則波中船体運動 •省エネ装置の原理に即した試験法の開発平水中抵抗規則波中抵抗増加風圧抵抗波スペクトラム •ＧＥＯＳＩＭ模型による方法の確立不規則波中抵抗増加回頭運動・あて舵有効馬力波浪中推力減少率風浪中所要推力 •荷重度変更試験を利用した解析法の確立解析法プロペラ荷重度波浪中プロペラ特性 •大型モデルによる方法の確立速力変更速力変更風浪中全抵抗回転数（Ｎ）一定所定回転数Ｎプロペラ作動点・効率 •乱流促進法の開発 •省エネ装置の原理に即した解析法の開発 No Ｎ（ｗａｖｅ）≒Ｎ •ＧＥＯＳＩＭ模型試験の解析法波浪中プロペラ効率比 Yes wSTD = wMOM +wVOR + wRudder 船こく効率 t = t f +t p + t Rudder + t app 推進効率 •理論計算・ＣＦＤの利用法伝達馬力軸受け損失トルク（Ｑ）一定軸馬力軸馬力ＳＨＰ一定速力変更ＳＨＰ（ｗａｖｅ）≒ＳＨＰ •大型模型単独試験結果の解析法 No トルクＱＱ（ｗａｖｅ）≒Ｑ Yes 試運転実施解析要領 •省エネ装置の効果確認のための試運転要領 •試運転実施要領 •加減速試験の実施要領 Yes 速力低下 •上記試験の解析要領そこを、国内で培われてきた高い技術力と今後開発していく省エネ装置評価システムやハイブリッドな波浪中性能評価システムを用いてコストミニマムで実現するところが最大の特徴です。国内には、LCV などに代表される波浪影響の評価技術がすでに存在します。本システムは、それらをも含めた、よりグローバルなシステムでこのシステムが完成すれば、実海域で最適化された船型にインセンティブを与えることが可能となり、いまよりもより省エネが進んだ船型が数多く建造されるとともに、韓国や中国の船型との差別化にも貢献できると期待されています。