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プロペラ（船の場合はスクリュー、航空機の場合はエアスクリューと呼ばれることが多い）は、回転するハブと、螺旋状の形状を形成するようにピッチが設定された放射状のブレードを備えた推進装置の一種で、回転すると水や空気などの作動流体に直線的な推力を加える。 [ 1 ]プロペラは、パイプやダクトを通して流体を送り出すため、またはボートを水中で、あるいは航空機を空中で 推進するための推力を発生させるために使用される。
ブレードは、流体中を回転する動きによって、ベルヌーイの原理によりブレードの2つの表面間に圧力差が生じ、流体に力が加わるように形状が付けられています。[ 2 ]ほとんどの船舶用プロペラは、ボスに固定されたらせん状のブレードを備えた固定ピッチスクリュープロペラで、ほぼ水平軸のプロペラシャフト上で回転します。[ a ]その他のタイプの船舶用プロペラには、可変ピッチ、可変ピッチ、セルフピッチング、垂直軸プロペラなどがあります。
スクリュープロペラの原理は、船尾漕ぎに由来する。船尾漕ぎでは、1枚のブレードを円弧状に左右に動かし、常にブレードが水面に対して適切な角度で接するようにする。スクリュープロペラの革新は、ブレードを回転軸に取り付けることで、その円弧を360°以上に拡張したことにある。プロペラは1枚のブレードを持つ場合もあるが、実際には、作用する力をバランスさせるために、ほぼ常に複数のブレードが用いられる。
スクリュープロペラの起源は、水ねじ、またはスクリューポンプの最初の記録が古代メソポタミアに遡ることから始まります。アッシリア王センナケリブ（紀元前704～681年）の楔形文字碑文には、青銅で水ねじを鋳造したことが記されています。これは、空中庭園がねじで水やりされていたと記述した古典作家ストラボンと一致しています。 [ 3 ] その後、アルキメデス（紀元前287年頃～紀元前212年頃）は、灌漑や船の排水のために水を汲み上げるのにねじを使用し、非常に有名になったため、アルキメデスのねじとして知られるようになりました。これはおそらく、空間における螺旋運動（螺旋はアルキメデスの特別な研究対象でした）を、エジプト人が何世紀にもわたって灌漑に使用していた中空の分割式水車に応用したものでしょう。その後、現代のプロペラ設計は通常、長いねじの先端を切り詰めることから始まりました。[ 4 ]
さらに、中国では紀元320年頃から、竹製のヘリコプターという飛行玩具が楽しまれていた。
1661年、トゥーグッドとヘイズは、プロペラとしてではなく、水ジェット推進にスクリューを使用することを提案した。[ 5 ] 1681年、ロバート・フックは水平水車を設計したが、これは約2世紀半後の1928年に設計されたキルステン・ボーイング垂直軸プロペラと驚くほど似ていた。2年後、フックはこの設計を改良し、船に水上推進力を与えるようにした。[ 6 ] 1693年、デュ・ケという名のフランス人がスクリュープロペラを発明し、1693年に試作したが、後に放棄した。[ 7 ] [ 8 ] 1752年、パリの科学アカデミーは、プロペラホイールの設計に対してバーネリに賞を与えた。ほぼ同時期に、フランスの数学者アレクシス・ジャン・ピエール・ポークトンは、アルキメデスのスクリューに基づく水推進システムを提案した。[ 6 ] 1771年、蒸気機関の発明家ジェームズ・ワットは私信の中で、ボートを推進するために「螺旋状のオール」を使うことを提案したが、彼はそれを自身の蒸気機関で使用したり、そのアイデアを実行に移したりすることはなかった。[ 9 ]
プロペラの実用的かつ応用的な用途の最初の1つは、1775年にコネチカット州ニューヘイブンでイェール大学の学生で発明家のデイビッド・ブッシュネルが、ニューヘイブンの時計職人、彫刻家、真鍮鋳造職人のアイザック・ドゥーリトルの協力を得て設計したタートルと呼ばれる潜水艦でした。ブッシュネルの兄弟のエズラ・ブッシュネルと船大工兼時計職人のフィニアス・プラットが、コネチカット州セイブルックで船体を建造しました。[ 10 ] [ 11 ] 1776年9月6日の夜、エズラ・リー軍曹がタートルを操縦してニューヨーク港のHMSイーグルを攻撃しました。[ 12 ] [ 13 ]タートルは戦闘で使用された最初の潜水艦としても知られています。ブッシュネルは後に、1787年10月にトーマス・ジェファーソンに宛てた手紙の中でプロペラについて次のように述べている。「スクリューの原理に基づいて作られたオールが船の前部に固定され、その軸が船内に入り、一方向に回すと船を前進させ、反対方向に回すと船を後退させた。手または足で回すように作られていた。」[ 14 ]タートル号のすべての真鍮製部品や可動部品と同様に、真鍮製のプロペラもドゥーリトルによって製作された。[ 15 ]
1785年、イギリスのジョセフ・ブラマは、船の水中後方を通る棒に羽根付きプロペラを取り付けるというプロペラ方式を提案したが、実際に製作することはなかった。[ 16 ]
1800年2月、ロンドンのエドワード・ショーターは、水線より上の甲板から一時的に下向きに角度をつけて展開されたロッドに同様のプロペラを取り付け、水封を必要とせず、無風状態の帆船を補助することだけを目的とした提案を行った。彼は輸送船ドンカスター号でジブラルタルとマルタでこれをテストし、時速1.5マイル（2.4km /h）の速度を達成した。[ 17 ]
1802年、アメリカの弁護士で発明家のジョン・スティーブンスは、回転式蒸気機関と4枚羽根のプロペラを組み合わせた全長25フィート（7.6メートル）のボートを建造した。この船は時速4マイル（6.4キロメートル）の速度を達成したが、スティーブンスは高圧蒸気機関の使用に伴う危険性からプロペラの使用を断念した。その後の彼の船は外輪船だった。[ 17 ]
1827年までに、チェコの発明家ヨゼフ・レッセルは円錐形の基部に複数の羽根を持つスクリュープロペラを発明した。彼は1826年2月に手動操縦の船でそれをテストし、1829年には蒸気船でそれを成功裏に使用した。彼の48トンの船シヴェッタ号は6ノットに達した。これはアルキメデス式スクリュー推進船として初めて成功したものであった。蒸気機関の事故の後、彼の実験は警察によって禁止された。森林検査官であったレッセルは、このプロペラでオーストリア＝ハンガリー帝国の特許を取得していた。スクリュープロペラは、船の揺れや喫水の変化の影響を受けないため、外輪よりも改良されていた。[ 18 ]
ノバスコシア州ヤーマスの船乗り、ジョン・パッチは、1832年に2枚羽根の扇形プロペラを開発し、1833年にヤーマス港を横断する手漕ぎボートとニューブランズウィック州セントジョンの小型沿岸スクーナーを推進させることで、それを公開実証したが、彼がアメリカ市民ではなかったため、米国での特許申請は1849年まで却下された。[ 19 ]彼の効率的な設計はアメリカの科学界で賞賛されたが[ 20 ]、その頃には彼は複数の競争相手に直面していた。
1830年代以前にもスクリュー推進の実験は行われていたが、これらの発明のうち試験段階まで進んだものは少なく、また、何らかの理由で不十分であることが判明したものもあった。[ 21 ]
1835年、イギリスの発明家ジョン・エリクソンとフランシス・ペティット・スミスの2人が、それぞれ別々にこの問題に取り組み始めた。スミスは5月31日にスクリュープロペラの特許を最初に取得したが、当時イギリスで働いていたスウェーデン人技師エリクソンは6週間後に特許を出願した。[ 22 ]スミスはすぐに小型の模型ボートを作り、発明品をテストした。これはまずヘンドンにある彼の農場の池で実演され、その後ロンドンのロイヤル・アデレード実用科学ギャラリーで海軍長官のウィリアム・バロー卿の目に留まった。スミスは、ライトという名のロンドンの銀行家の後援を得て、全長30フィート（9.1メートル）、出力6馬力（4.5kW ） 、重量6トンの運河船「フランシス・スミス号」を建造し、自作の木製プロペラを取り付けて、 1836年11月から1837年9月までパディントン運河で実演した。1837年2月、航海中に2回転の木製プロペラが破損したが、スミスの驚いたことに、1回転になった壊れたプロペラによって船の速度が以前の時速約4マイルから8マイルに倍増した。[ 22 ]スミスはその後、この偶然の発見に基づいて改訂特許を申請した。
その一方で、エリクソンは1837年に全長45フィート（14メートル）のスクリュー推進式蒸気船フランシス・B・オグデン号を建造し、テムズ川で海軍測量官ウィリアム・シモンズ卿をはじめとする英国海軍本部の高官たちにその船を披露した。この船は時速10マイルという、当時使われていた外輪船に匹敵する速度を達成したにもかかわらず、シモンズ卿とその一行は感銘を受けなかった。海軍本部はスクリュー推進は外洋航海には不向きだと主張し、シモンズ卿自身もスクリュー推進船は効率的に操縦できないと考えていた。[ b ] この拒否の後、エリクソンは2隻目のより大型のスクリュー推進船、ロバート・F・ストックトンを建造し、1839年に米国へ航海させた。そこで彼はまもなく、米国海軍初のスクリュー推進軍艦、USSプリンストンの設計者として名声を得ることになる。[ 23 ]
スクリュープロペラは航海には不向きであるという英国海軍の見解を認識していたスミスは、この想定が間違っていることを証明しようと決意した。1837年9月、彼は小型船（現在は単回転の鉄製プロペラを装備）で海に出て、ロンドンのブラックウォールからケント州ハイスまで航海し、ラムズゲート、ドーバー、フォークストンに立ち寄った。25日にロンドンに戻る途中、スミスの船が荒れた海を進んでいく様子を英国海軍の士官が目撃した。これにより海軍本部の関心が再び高まり、スミスは技術をより決定的に実証するために実物大の船を建造するよう奨励された。[ 24 ]
SSアルキメデス号は 、 1838年にロンドンのヘンリー・ウィムズハーストによって、スクリュープロペラで推進される世界初の蒸気船として建造されました。[ c ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
アルキメデス号は船舶開発に大きな影響を与え、商船への影響に加え、イギリス海軍によるスクリュー推進の採用を促した。スミスのアルキメデス号の試験により、1845年にHMSラトラー号とHMSアレクト号の間で綱引きが行われ、スクリュー駆動のラトラー号が外輪蒸気船アレクト号を2.5ノット（4.6 km/h）で後退させた。[ 29 ]
アルキメデスの原理は、1843年にイザムバード・キングダム・ブルネルが設計したSSグレート・ブリテン 号にも影響を与えた。グレート・ブリテン号は当時世界最大の船であり、1845年8月にはスクリュー推進式の蒸気船として初めて大西洋を横断した。
HMSテラー とHMSエレバスは 、いずれも大幅な改造を受け、蒸気機関とスクリュープロペラを搭載した最初のイギリス海軍艦艇となった。両艦はフランクリン探検隊の消息不明となった遠征に参加し、1845年7月にバフィン湾付近で最後に目撃された。
スクリュープロペラの設計は1880年代に安定した。
ライト兄弟は、現代の航空機プロペラのねじれた翼型形状を先駆的に開発しました。彼らは、プロペラが翼に似ていることに気づき、風洞実験でこれを検証しました。彼らは、迎角を一定に保つためにブレードにねじれを導入しました。彼らのブレードは、100年後に使用されたものよりもわずか5%効率が低いだけでした。[ 30 ]低速プロペラの空力学の理解は1920年代までに完了しましたが、出力の増加と直径の縮小により設計上の制約が加わりました。[ 31 ]
もう一人の初期のパイオニアであるアルベルト・サントス・デュモンは、飛行船での経験から得た知識を応用し、自身の複葉機14 bis用に鋼鉄製のシャフトとアルミニウム製のブレードを持つプロペラを製作した。彼の設計の中には、ブレードに曲げ加工したアルミニウム板を使用し、翼型形状を作り出したものもあった。これらのプロペラは大きく下向きに湾曲しており、さらに縦方向のねじれがなかったため、ライト兄弟のプロペラよりも効率が劣っていた。それでも、これはプロペラの製作にアルミニウムが使用された最初の例だったかもしれない。
19世紀には、プロペラに関するいくつかの理論が提唱された。運動量理論、あるいは円盤アクチュエータ理論と呼ばれる、理想的なプロペラの数学的モデルを記述する理論は、WJM Rankine（1865年）、AG Greenhill（1888年）、RE Froude（1889年）によって開発された。プロペラは無限に薄い円盤としてモデル化され、回転軸に沿って一定の速度を誘起し、プロペラの周囲に流れを生み出す。
固体の中を回転するスクリューには「滑り」は発生しませんが、プロペラのスクリューは流体（空気または水）の中で作動するため、損失が発生します。最も効率的なプロペラは、大型船などに搭載されているような、直径が大きく回転速度の遅いスクリューです。最も効率が悪いのは、直径が小さく回転速度の速いスクリュー（船外機などに搭載されているもの）です。ニュートンの運動法則を用いると、プロペラの推進力は、単位時間あたりに後方に送られる流体の質量と、プロペラがその質量に加える速度に比例する反作用であると考えると便利です。実際には、より重く、より低速なジェットを生成するよりも、高速ジェットを生成する方が損失が大きくなります。（航空機でも同様で、直径の大きいターボファンエンジンは、以前の直径の小さいターボファンエンジンや、より小型のターボジェットエンジンよりも効率が良い傾向があります。小型ターボジェットエンジンは、より高速で噴射される質量が少ないためです。）[ 32 ]
船舶用スクリュープロペラの形状は、らせん状の表面に基づいています。この表面がブレードの面を形成する場合もあれば、ブレードの面はこの表面からのオフセットによって表される場合もあります。ブレードの背面は、翼型が弦線からのオフセットによって表されるのと同様に、らせん状の表面からのオフセットによって表されます。ピッチ面は、真のらせん状である場合もあれば、ブレード上の後流速度に対する迎角の一致をより良くするために反りを持つ場合もあります。反りのあるらせん状は、半径方向の基準線の形状と半径方向の距離によるピッチ角を指定することによって表されます。従来のプロペラの図面は、4つの部分から構成されます。レーキ、ブレードの根元から先端までの厚みの変化を定義する側面図、ハブを通る縦断面図、および縦方向の中心線平面へのブレードの投影輪郭です。拡大ブレード図は、さまざまな半径での断面形状を示し、ピッチ面はベースラインに平行に、厚みは軸に平行に描かれています。セクションの先端と後端を結ぶ線で示される輪郭は、展開したブレードの輪郭を表しています。ピッチ図は、根元から先端までの半径に対するピッチの変化を示しています。横断面図は、ブレードの横方向の投影とブレードの展開した輪郭を示しています。[ 33 ]
ブレードは、プロペラが回転すると推力を発生させる翼型断面の板です。ハブはプロペラの中心部分で、ブレード同士を接続し、プロペラをシャフトに固定します。英国では ボスと呼ばれます。レーキは、シャフトに垂直な半径に対するブレードの角度です。 スキューは、最大厚み線と半径との接線方向のずれです。
プロペラの特性は一般的に無次元比として表されます: [ 33 ]
キャビテーションとは、回転するプロペラブレード付近の非常に低圧な領域で、水中に蒸気泡が発生する現象です。これは、スクリューを通して過剰な動力を伝達しようとした場合や、プロペラが非常に高速で回転している場合に発生する可能性があります。キャビテーションは動力の浪費、振動や摩耗の発生、プロペラの損傷につながる可能性があります。プロペラ上で発生するキャビテーションには様々な種類があります。最も一般的なプロペラキャビテーションの種類は、吸込側表面キャビテーションとチップ渦キャビテーションの2つです。
プロペラが高速回転時または高負荷時（ブレード揚力係数が高い場合）に、吸込面キャビテーションが発生します。ブレードの上流側表面（吸込面）の圧力が水の蒸気圧を下回ると、蒸気ポケットが形成されます。このような状況下では、ブレードの下流側表面（圧力面）と吸込面との圧力差は限定的であり、キャビテーションの進行に伴って徐々に小さくなります。ブレード表面の大部分がキャビテーションで覆われると、圧力面と吸込面との圧力差が著しく低下し、プロペラの推力も低下します。この状態を「推力低下」と呼びます。このような状態でプロペラを運転すると、エネルギーが浪費され、大きな騒音が発生するだけでなく、蒸気泡が崩壊する際に、ブレード表面に局所的な衝撃波が発生し、プロペラ表面が急速に侵食されます。
翼端渦キャビテーションは、翼端渦の中心部で発生する極めて低い圧力によって引き起こされます。翼端渦は、プロペラの先端を流体が巻き込むことで発生します。つまり、圧力側から吸引側へと流体が流れ込むのです。この動画では、翼端渦キャビテーションの様子をご覧いただけます。翼端渦キャビテーションは通常、吸引側表面キャビテーションよりも先に発生し、翼面へのダメージは比較的軽微です。なぜなら、このタイプのキャビテーションは翼面上で崩壊するのではなく、下流の一定距離で発生するからです。
最も一般的な推進器の種類。上記のように、固定ピッチスクリュープロペラは19世紀に改良され、機械動力船を推進する最も効果的な手段となった。プロペラのブレード数は任意だが、船舶用途では3枚、4枚、5枚が最も一般的である。騒音低減設計ではブレード数が多いことが多い。プロペラの向きを考慮すると、船尾から見たときにプロペラが時計回りに回転して前進推力を発生させる場合、右巻きであると言われる。逆に、反時計回りに回転して前進推力を発生させる場合、左巻きであると言われる。[ 34 ]
可変ピッチプロペラ（CPP）は、船の軸に垂直な軸を中心に回転できるブレードを備えています。ピッチはさまざまな条件に合わせて変更でき、機械を一定速度で運転することで、運転条件の範囲全体にわたって最大出力を得ることができます。CPPは、船の機械が、発生している出力に適した回転数でプロペラを回転させるのに十分なトルクを発生させることができない状態である「機械のロックアップ」を回避するために使用できます。一時期、固定ブレードではこのようなマッチングが常に可能だったわけではありません。[ 35 ]
ブレードは、シャフトとボス内部のリンク機構とコネクティングロッドによる機械的駆動、油圧駆動、または両者の組み合わせによって駆動される。最新のCPPシステムは、応答性、効率性に優れ、逆転ギアボックスや主機関の逆転カムが不要となる。
CPPとは異なり、可変ピッチプロペラではピッチは半径に応じて変化しますが、ブレードは固定されたままです。セルフピッチングプロペラは、シャフトに対してほぼ直角の軸を中心に360 °自由に回転できるブレードを備えており、ヨットやモーターセーリングで人気があります。ブレードが取る角度、つまりピッチは、作用する流体力と遠心力によって決まります。 [ 36 ]可変ピッチおよびセルフピッチングタイプは、固定ピッチタイプに比べて次のような利点があります。
アメリカ海軍のパーミット級、スタージョン級、ロサンゼルス級などの原子力潜水艦や、ドイツの212型潜水艦で使用されているスクリューの一種に、スキューバックプロペラと呼ばれるものがあります。一部の航空機で使用されている三日月形のブレードと同様に、スキューバックプロペラのブレード先端は回転方向とは逆方向に後退しています。さらに、ブレードは縦軸に沿って後方に傾いており、プロペラ全体がカップ状の外観になっています。この設計により、推力効率を維持しながらキャビテーションを低減し、静かでステルス性の高い設計を実現しています。[ 37 ] [ 38 ]しかし、21世紀までに、スキューバックスクリューはポンプジェット推進装置にほぼ置き換えられました。ポンプジェットは、受動シグネチャが低く、キャビテーションが発生する前の速度が高く、高速での操縦性が高く、浅水域での運用能力が高く、出力密度が高いなど、優れたステルス特性を備えているためです。
少数の船舶では、一部の航空機の翼に似たウィングレット付きのプロペラを使用しており、翼端渦を減らして効率を向上させている。 [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
モジュラープロペラは、ボートの性能をより細かく制御できます。ピッチや損傷したブレードのみを交換できる場合、プロペラ全体を交換する必要はありません。ピッチを調整できることで、ボート乗りはさまざまな高度、ウォータースポーツ、またはクルージング中に優れた性能を得ることができます。[ 44 ]
フォイト・シュナイダー・プロペラ（VSP）は、フォイト・グループが製造するサイクロローター設計に基づく特殊な船舶推進システム（MPS）です。ほぼ瞬時に推力の方向を変えることができるため、非常に高い操縦性を備えています。タグボートやフェリーで広く使用されています。フォイト・シュナイダー・ドライブはエルンスト・シュナイダーによって発明されました。 1926年以来、ハイデンハイム・アン・デア・ブレンツとザンクト・ペルテンにあるフォイト社で開発・製造されています。
リム駆動スラスタは、ダクト付きプロペラに電気モーターを組み込んだものです。円筒形のダクトがステータとして機能し、ブレードの先端がローターとして機能します。通常、高トルクで低回転数で動作するため、騒音も少なくなります。このシステムはシャフトを必要としないため、重量が軽減されます。ユニットは船体のさまざまな場所に配置し、独立して動作させることができ、たとえば操縦を補助することができます。シャフトがないため、船体後部の設計を変更できます。[ 45 ]
120年以上前に初めて発明されたねじれトロイド（リング状）プロペラは、ブレードを円形のリングに置き換えたものです。空気と水の両方の用途において、従来のプロペラよりも大幅に静かで（特に可聴周波数帯で）、効率も優れています。この設計では、プロペラによって発生する渦が形状全体に分散されるため、大気中でより速く消散します。[ 46 ] [ 47 ]
船外機のような小型エンジンでは、プロペラが重い物体と衝突する危険性があるため、過負荷時に破損するように設計された装置がプロペラに組み込まれていることがよくあります。この装置、あるいはプロペラ全体が犠牲になることで、より高価なトランスミッションやエンジンが損傷するのを防ぎます。
通常、小型（ 10 hp または 7.5 kW未満）で古いエンジンでは、ドライブ シャフトとプロペラ ハブを通る細いせん断ピンが、通常の負荷時にエンジンの動力を伝達します。このピンは、プロペラにエンジンを損傷する可能性のある負荷がかかるとせん断されるように設計されています。ピンがせん断されると、新しいせん断ピンが取り付けられるまで、エンジンはボートに推進力を与えることができなくなります。[ 48 ]
より大型で近代的なエンジンでは、ゴムブッシュがドライブシャフトのトルクをプロペラのハブに伝達します。損傷を与える負荷がかかると、ハブ内のブッシュの摩擦が克服され、回転するプロペラがシャフト上で滑り、エンジンのコンポーネントの過負荷を防ぎます。 [ 49 ]このような事象の後、ゴムブッシュが損傷する可能性があります。その場合、低回転では低下した動力を伝達し続ける可能性がありますが、摩擦の低下により、高回転では動力を伝達しない可能性があります。また、ゴムブッシュは時間の経過とともに劣化し、設計上の破壊荷重以下の負荷で破損する可能性があります。
現代のプロペラの中には、ゴム製ブッシングの代わりにドライブスリーブと呼ばれる硬質ポリマー製のインサートが使われているものがあります。シャフトとプロペラハブの間に挿入されたスリーブのスプライン状またはその他の非円形断面が、摩擦ではなくエンジンのトルクをプロペラに伝達します。ポリマーはプロペラやエンジンの部品よりも強度が低いため、プロペラに過負荷がかかると、それらの部品よりも先に破損します。[ 50 ]過負荷がかかると完全に破損しますが、簡単に交換できます。
大型船のプロペラは深水に浸かっており、障害物や漂流物がないのに対し、ヨット、はしけ、河川船では、海藻、ロープ、ケーブル、網、プラスチックなどの破片によるプロペラの汚れが頻繁に発生します。英国のナローボートには必ずプロペラの上に海藻ハッチがあり、ナローボートが静止するとハッチを開けてプロペラにアクセスし、破片を取り除くことができます。ヨットや河川船には海藻ハッチはほとんどなく、代わりにプロペラシャフトに取り付けられ、プロペラと一緒に回転するロープカッターが取り付けられている場合があります。これらのカッターは破片を取り除き、ダイバーが手作業で汚れに対処する必要がなくなります。ロープカッターにはいくつかの種類があります。[ 51 ]
クリーバー型プロペラは、特にボートレースで使用されるプロペラの一種です。前縁は丸みを帯び、後縁は直線状にカットされています。船首揚力が少ないため、船首揚力をあまり必要としないボート、例えば、もともと十分な船首揚力を持つハイドロプレーンなどに使用できます。船首揚力の不足を補うために、下部ユニットに水中翼を取り付けることができます。水中翼は船首揚力を低減し、ボートがホールから抜け出してプレーニング状態に入るのを助けます。