JP2007230510A - 船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】通常操船時の推進効率を落とさずに、比較的大きな推力が必要で、しかも、迅速な推力制御が必要となる離着桟時制御や位置保持制御等の特殊な操船時におけるプロペラの負荷に機関が対応できる推進システムを備えた船舶を提供する。
【解決手段】船舶１のエンジン１１の出力を固定ピッチプロペラ３０に伝達する回転軸に、スリッピングクラッチ１２を設けて、航行時には、前記スリッピングクラッチ１２を嵌合してエンジン１１の回転数Ｎｅの制御によりプロペラ回転数Ｎｐを制御し、特殊操船時には、エンジン１のアイドル回転数Ｎｅｉよりも大きな回転数Ｎｅで、かつ、前記特殊操船時に必要な出力以上の最大出力Ｐａが得られる所定の回転数Ｎｅａにエンジンの回転数Ｎｅを固定して、前記スリッピングクラッチ１２のスリップ量を制御することにより、プロペラ回転数Ｎｐを制御するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、通常航行時における推進効率を落とさずに、離着桟時や位置保持制御時等の特殊操船時におけるプロペラの負荷特性に機関が十分に対応できる推進システムを備えた船舶に関する。

内航船、フェリー船等の離着桟時や、調査船、測量船、観光船等の位置保持時等の特殊操船時では、航海速力よりも瞬時に推力の上げ下げを行う必要があったり、主機関の出力を有効に活用するため、可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ）を備えて、このプロペラのピッチを変更することにより、エンジンの回転数を変更することなく、プロペラの推力を変更することが行われている。

このような船舶として、可変ピッチプロペラと、スラスタと、舵と、船速検出器と、方位角検出器と、制御演算装置を備え、ジョイステックレバーや回頭ダイヤルやシステム操船ボタンを用いて、船舶の移動、回頭、船首方位の変更などを行う船舶が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この可変ピッチプロペラは、回転数を一定にしたままで、プロペラの発生推力を変化できるという特性があるため、エンジンの回転数を一定にしながら、すばやく推進力を制御できるという有益な面がある。その一方で、ピッチを可変にするための機構が複雑で、コストも高くなるという問題がある。また、プロペラボスも大型化となり、推進効率もやや落ちる。

一方、可変ピッチプロペラ以外の固定ピッチプロペラ（ＦＰＰ）や反転プロペラ（ＣＲＰ）等では、プロペラとディーゼルエンジンとを直結し、ディーゼルエンジンの回転数をクラッチで減速してプロペラに伝達する直結推進方式を用いて、エンジンの回転数を変化させることにより、プロペラ回転数を変化させてプロペラ推力を変化させている。

そして、エンジンの特性は、図２のエンジンの連続出力曲線Ａやエンジンの最大出力曲線Ｂに示すように、エンジン回転数（エンジンスピード）Ｎｅの減少と共に、エンジン出力Ｐも減少する。また、アイドル回転数Ｎｅｉ以下ではエンジンの運転が不可能となる。

自力で離着桟を行うフェリー船、内航船等や位置保持制御を行う調査船、測量船、観光船等では、離着桟時や位置保持制御時等の特殊操船時に必要なエンジン出力は、通常航行時に比べると小さいが、アイドル回転数にて出力可能なエンジン出力よりは大きく、また、プロペラ負荷の変動幅も大きい。この特殊操船時においては、比較的大きな推力と細やかな推力制御、即ち、比較的大きなプロペラ出力と迅速なプロペラ回転数制御が必要となる。

しかしながら、プロペラとエンジンとを直結した直結推進方式の船舶では、プロペラ推力の上下に伴う回転数の増減が、エンジンの調速機や過給機の性能等による制約を受け、図２のエンジン許容負荷曲線Ｃで示されるように、エンジン回転数Ｎｅによってエンジンが耐えられる負荷が決まってしまう。

特に、図１に示すようなアジマス機構付きのポッド（ＰＯＤ）推進機を使用している場合には、ポッド推進器を旋回して推力方向を変更すると、プロペラに流入する水の流速分布（伴流）が大きく変化するために、プロペラの負荷が大きく変化する。このプロペラ負荷は、例えば、図２のプロペラのボラード状態（船舶が停止している状態）でのプロペラ最大負荷曲線（負荷曲線）Ｄに示すようになり、それぞれのプロペラ回転数Ｎｐに対応するエンジン出力が必要となる。このプロペラ最大負荷曲線Ｄは、エンジンの許容負荷曲線Ｃよりも大きくなるため、直結推進方式では、エンジン回転数Ｎｅに対する負荷及び負荷変動が大きくなり過ぎて、エンジンが対応できずストールする可能性が生じる。

直結推進方式のままでこの問題を回避しようとすると、図２の曲線Ｄに対応可能なエンジンが必要になり、エンジンが大型になりすぎるという問題が生じる。また、プロペラ回転数を迅速に変化させようとしても、エンジン側の回転数の変化が遅く対応できないという問題もある。

また、エンジンを低速負荷特性に強い推進電動機などに変える方法も考えられる。この方式では、許容負荷範囲を大きく取り易く、また、電動機とプロペラの間にクラッチを設ける必要が無いが、プラント全体の構成として、動力を電気変換する必要があるために総合効率が悪化し、航行時の推進効率を落としてしまうという問題がある。

一方、エンジンのアイドル回転数Ｎｅｉよりも低い回転数でプロペラを回転するために、半滑走艇等の小型船舶においては、アイドル回転数でエンジンを運転すると共に、エンジンの出力軸に、油圧クラッチ等のスリッピングクラッチを設けて、このクラッチをスリップさせることでプロペラ回転数を低回転にすると共に、スリップ比を変化させることにより、より低いプロペラ回転数を得て、トローリング時等の微速航行や超微速航行を可能にしているものがある。

しかしながら、特殊操船時に対しては、エンジンをアイドル回転数Ｎｅｉで一定回転させ、それ以下の回転数Ｎｐでプロペラ回転を行うのでは、プロペラ回転数及び出力も小さすぎるという問題がある。
特開平０８−２１６９８９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、航行時等の通常操船時の推進効率を落とさずに、離着桟時制御や位置保持制御等の比較的大きな推力が必要で、しかも、細やかな推力制御が必要となる特殊操船時におけるプロペラの負荷特性に機関が対応できる船舶を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の船舶は、船舶のエンジンの出力を固定ピッチプロペラに伝達する回転軸に、スリッピングクラッチを設けて、航行時には、前記スリッピングクラッチを嵌合してエンジンの回転数の制御によりプロペラ回転数を制御し、特殊操船時には、エンジンのアイドル回転数よりも大きな回転数で、かつ、前記特殊操船時に必要な出力以上の最大出力が得られる所定の回転数にエンジンの回転数を固定して、前記スリッピングクラッチのスリップ量を制御することにより、プロペラ回転数を制御するように構成される。

ここでいう航行時とは、プロペラの負荷が主機関の連続運転範囲を越えないような範囲にある通常の航行時のことをいう。また、特殊操船時とは、前記の航行時以外、即ち、プロペラの負荷が主機関の連続運転範囲を越えるような範囲にある離着桟時や位置保持（ダイナミックポジショニング）制御時で制御される特殊な制御時のことをいう。

このスリッピングクラッチとは、嵌合した場合には、入力軸（能動側）の回転数をそのまま出力軸（受動側）の回転数に伝達し、嵌合を外した場合には、入力軸側に対する出力軸側のスリップ比を変化させることにより、出力軸側の回転数、伝達トルクを変化させることができる装置である。このスリッピングクラッチとしては、湿式多板油圧クラッチ等を使用できる。また、この固定プロペラには反転プロペラも含む。

これらの構成によれば、エンジンとプロペラの間に、特殊操船時において要求される推力（負荷）に見合った大容量のスリッピングクラッチを設け、通常操船の航行時は効率を考えてクラッチは常時嵌合（すべらせずに直結）とし、船速、即ちプロペラの推力の上下（アップダウン）はエンジンの回転数変更によって行い、特殊操船時はエンジンの回転数をアイドル回転数よりも高い回転数で一定とし、スリッピングクラッチのスリップ（すべり）量、又はスリップ比でプロペラ回転を制御し、プロペラ推力を制御する。

そして、上記の船舶において、前記プロペラをアジマス機構付きポッド推進器のプロペラとした場合にもプロペラの負荷の変動にも、十分に対応でき、大きな効果を奏することができる。

本発明の船舶によれば、航行時には、スリッピングクラッチを嵌合してエンジン回転数の制御でプロペラの回転数を変更するので、通常の船舶と同様に推進効率を良好に維持しながら運転制御できる。また、航行時よりは小さいが、アイドル回転時に対しては比較的大きな推力を必要とする特殊操船時には、エンジンは回転数一定で負荷のみが上下する運転を行いながら、スリッピングクラッチのスリップ比を変化させることで、十分な出力で、固定ピッチプロペラの回転数及び推力の制御を迅速に行うことができる。また、プロペラ側の急激な負荷変動をエンジン側に直接伝達しないので、エンジンを過負荷から保護することもできる。

また、アジマス機構付きポッド推進器のプロペラでは、推力方向を変更するためにプロペラ軸方向を船体に対して変化させると、プロペラに流入する水の流速分布（伴流）が大きく変化するために、プロペラの負荷が大きく変化し、従来の推進システムの船舶では対応が困難であったが、本発明の船舶では、このプロペラの負荷の変動にも、十分に対応できるようになる。

従って、通常の航行時には効率が良く、かつ、離着桟時や位置保持制御時等の特殊操船時には十分な推力と迅速な推力の変化の速度を得ることができるので、幅広い操船を行うのに適した推進システムを備えた船舶とすることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る船舶の実施の形態について説明する。図１に示すように、この船舶１は、船尾において、主機関であるエンジン１１からの出力軸にスリッピングクラッチ１２を設け、中間軸１３を介して、アジマス機構付きのポッド推進器２０の上部装置２１の入力軸２１ａに接続される。図１の船舶１では、船体中心にスケグ１４を有し、その両側にポッド推進器２０を一対設けた２軸船となっている。

このスリッピングクラッチ１２には、湿式多板油圧クラッチ等を使用できる。このスリッピングクラッチ１２では、嵌合した場合には、エンジン１１の出力軸、即ち、スリッピングクラッチ１２の入力軸（能動側）の回転をそのままスリッピングクラッチ１２の出力軸（受動側）に伝達する。この場合には、出力側のプロペラの回転数Ｎｐは、エンジンの回転数Ｎｅと同じになる。また、スリッピングクラッチ１２で嵌合を外しスリップ制御する場合には、スリッピングクラッチ１２においてスリップ比を変化させることにより、入力軸側の回転数Ｎｅ、伝達トルクに対して、出力軸側の回転数Ｎｐ、伝達トルクを変化させる。

このアジマス機構付きのポッド推進器２０では、上部装置２１により、下方の旋回部２２を旋回できるように構成される。この旋回部２２は、支柱（ストラット）２２ａ、円筒部２２ｂ、補助翼２２ｃ、回転軸２２ｄ等で構成され、プロペラ３０が回転軸２２ｄに固定されている。

この旋回部２２を旋回することにより、船体に対するプロペラ３０の方向を変化して、このプロペラ推力の方向を船体に対して変化させることにより、舵無しでも、船舶１の方向転換を図ることができる。この場合に、支柱２２ａや下部の補助翼２２ｃが舵の機能を発揮するので、旋回部２２の旋回に必要な旋回トルクを発生させる装置との兼ね合いになるが、これらの形状を適切な形状にすることにより、船舶１の旋回性能を増加することができ、離着桟や位置保持制御に適した構成となる。

また、ポッド推進器２０では、上部装置２１で入力軸２１ａである回転軸の方向を９０度変換し、支柱（ストラット）２２の回転軸に回転を伝達し、更に、回転軸の方向を９０度変換し、筒部２３内のプロペラ３０が固定されている推進軸である回転軸２２ｄに回転を伝達するように構成されている。即ち、Ｚ型推進方式で構成する。

プロペラ３０は、固定ピッチプロペラ（ＦＰＰ）（実線で示す）、又は、反転プロペラ（ＣＲＰ）（実線と点線で示す）等のプロペラで、即ち、可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ）では無いプロペラとする。このプロペラ３０は、プロペラ回転数Ｎｐの変化によりプロペラ推力を変化させる。

そして、本発明では、このプロペラ３０の回転数Ｎｐの変化をエンジン１１の回転数Ｎｅの変化で制御する第１回転数制御と、スリッピングクラッチ１２のスリップによりプロペラ回転数Ｎｐを制御する第２回転数制御とを併用する。

第１回転数制御は、航行時のプロペラ負荷がエンジン１１の連続運転範囲を越えないような範囲、言い換えれば、プロペラ回転数Ｎｐ及びプロペラ負荷が大きい範囲で使用され、スリッピングクラッチ１２の嵌合により、エンジン１１の出力を直接そのままプロペラ回転に伝達する。この第１回転数制御では、効率よくプロペラを回転できる。この第１回転数制御では、航行速度を変更する時は、エンジン１１の回転数Ｎｅを変化して、プロペラ回転数Ｎｐを変化させ、プロペラ推力を変化させる。なお、この第１回転数制御を用いる航行時においては、ポッド推進器２０の方向を変える角度範囲が小さく、ポッド推進器２０を急激に方向の変化させることや、プロペラ回転数Ｎｐを急激に変化させることは少ないので、プロペラ負荷が急変動することは殆ど無い。従って、エンジン１１の回転数Ｎｅの変化により、プロペラの回転数変動、及び、負荷変動に十分に対応できる。

一方、第２回転数制御は、プロペラ負荷がエンジン１１の連続運転範囲を越えるような範囲となる離着桟時や位置保持制御時等の特殊制御時に使用され、図２に示すように、エンジン回転数Ｎｅを所定の回転数Ｎｅａに固定して、一定回転数で運転すると共に、スリッピングクラッチ１２のスリップ量、あるいは、スリップ比を変化させることにより、プロペラ回転数Ｎｐを変化させる。なお、図２の曲線Ａは、エンジン１１の連続運転出力（ＣＳＲ）を、曲線Ｂは、エンジン１１の最大出力（ＭＳＲ）を、曲線Ｃは、エンジン１１の許容負荷を示す。また、曲線Ｄは、ボラード状態（船舶が停止している状態）でのプロペラ最大負荷を示す。

この所定の回転数Ｎｅａは、エンジン１１のアイドル回転数（例えば、４００ｒｐｍ）Ｎｅｉよりも大きく、この所定の回転数Ｎｅａの運転で得られるエンジン１１の最大出力Ｐａを、エンジン１１の最大回転数（例えば、１０００ｒｐｍ）Ｎｅｍａｘで得られる最大出力Ｐｍａｘの２０％以上６０％以下の場合に効果が大きく、更に、３０％以上５０％以下の範囲内ではより効果が大きい。あるいは、この所定の回転数Ｎｅａの運転で得られるエンジン１１の最大出力Ｐａを、エンジン１１のアイドル回転数Ｎｅｉで得られる最大出力Ｐｉの１．５倍以上４．０倍以下の場合に効果が大きく、更に、２．０倍以上３．５倍以下の範囲内ではより効果が大きい。

あるいは、所定の回転数Ｎｅａをエンジン１１の定格最大回転数Ｎｅｍａｘの２０％以上６０％以下の場合に効果が大きく、更に、３０％以上５０％以下の範囲ではより効果が大きい。また、アイドル回転数Ｎｅｉの１．５倍以上４．０倍以下の場合に効果が大きく、更に、２．０倍以上３．５以下の範囲内ではより効果が大きい。図２では、最大回転数（例えば、１０００ｒｐｍ）Ｎｅｍａｘの６０％の回転数（例えば、６００ｒｐｍ）にしている。

この第２回転数制御では、エンジン１１の最大出力は、図２のＰａで示す出力となるので、ボラード状態におけるプロペラ最大負荷曲線Ｄの一点鎖線Ｅよりも下のＤｄの部分よりも下においては、それぞれのプロペラ回転数Ｎｐで必要とする出力を出すことができる。

また、プロペラ３０に伝達できるエンジン１１の最大出力は、伝達損失などを無視するとＰａであるので、曲線Ｄの一点鎖線Ｅよりも上のＤｕの部分とＰａで示す出力との差の部分（Ｄｕ−Ｐａ）では、エンジン出力が不足することになるが、Ｐａまでは出力可能な上に、特殊操船時では船速が発生する場合が多く、ボラード状態よりもプロペラの負荷は軽くなるので、殆ど問題なくプロペラ制御ができる。

そして、ポッド推進器２０の旋回などにより、万一、曲線ＤｕとＰａとの間のプロペラ負荷が生じた場合でも、スリッピングクラッチ１２でスリップを発生させることにより、エンジン１１へ過負荷が加わるのを回避でき、エンジン１１を保護できる。これにより、過負荷によるエンジン１１のストールやエンジンダメージを防止できる。

その上、スリップ制御によるプロペラ３０の回転数Ｎｐの制御は、エンジンの回転数Ｎｅの制御よりも迅速に行うことができるので、より細やかな推力制御が必要となる特殊制御時に適した制御を行うことができる。なお、スリッピングクラッチ１２のスリップで生じるエネルギーのロス分は熱エネルギーに変換されるため、この熱エネルギーを処理するために、冷却装置（図示しない）を設ける。

上記の構成の船舶１によれば、航行時には、スリッピングクラッチ１２を嵌合してエンジン回転数Ｎｅの制御でプロペラ回転数Ｎｐを制御するので、通常の船舶と同様に推進効率を良好に維持しながら制御できる。また、航行時よりは小さいが、比較的大きな推力を必要とする特殊操船時には、エンジン１１は、回転数一定で、負荷のみが上下する運転を行い、スリッピングクラッチ１２のスリップ比の変更により、プロペラ回転数を制御するため、エンジン１１は調速機や過給機の性能等の影響をあまり受けずに運転でき、また、スリッピングクラッチ１２のスリップ比の変更はエンジン１１の回転数Ｎｅの変更よりも迅速に行うことができるので、プロペラの回転数Ｎｐ及び推力の変化を迅速に行うことができるようになる。また、そのプロペラ回転数Ｎｐにおける負荷を監視し、負荷量に応じてスリップ量を調整することにより、エンジン１１を過負荷から保護することもできる。

従って、本発明の船舶１は、通常の航行時には効率が良く、かつ、離着桟時や位置保持制御時等の特殊操船時には十分な推力と十分な推力の変化速度を得ることができるので、幅広い操船を行うのに適した推進システムを備えた船舶とすることができる。

また、航行時には固定プロペラと電気推進の組み合わせに対して高効率となり、また、特殊操船時には固定プロペラと電気推進の組み合わせ並のフレキシビリティや迅速な推力の制御を行うことができる。

特に、システム制御を採用している場合では、ジョイステックなど簡易な操縦装置により、複数の推進器を制御し、その推力に合力によって、船の複雑な操船をすることができるが、その複数の推進器の中で最も出力を発生できる後部の主推進器をスリッピングクラッチのスリップ率を変化させるという簡易な信号でコントロールできるようになる。そのため、横移動などの推力を迅速に、かつ、大きい推力で取り出せる。

本発明の実施の形態の船舶を示す船体後部の模式的な側面断面図である。 エンジン回転数とエンジン出力等との関係、及び、プロペラ回転数とプロペラ最大負荷との関係を示す図である。

符号の説明

１ 船舶
１１ エンジン
１２ スリッピングクラッチ
１３ 中間軸
２０ ポッド推進器
２１ 上部装置
２１ａ 入力軸
２２ 旋回部
２２ａ 支柱
２２ｂ 円筒部
２２ｃ 補助翼
２２ｄ 回転軸
３０ プロペラ
Ｎｅ エンジン回転数
Ｎｅａ 所定の回転数
Ｎｅｉ アイドル回転数
Ｎｅｍａｘ 最大回転数
Ｎｐ プロペラ回転数
Ｐａ 所定の回転数時の最大出力
Ｐｉ アイドル回転時の最大出力
Ｐｍａｘ 最大出力

Claims (2)

1. 船舶のエンジンの出力を固定ピッチプロペラに伝達する回転軸に、スリッピングクラッチを設けて、航行時には、前記スリッピングクラッチを嵌合してエンジンの回転数の制御によりプロペラ回転数を制御し、特殊操船時には、エンジンのアイドル回転数よりも大きな回転数で、かつ、前記特殊操船時に必要な出力以上の最大出力が得られる所定の回転数にエンジンの回転数を固定して、前記スリッピングクラッチのスリップ量を制御することにより、プロペラ回転数を制御することを特徴とする船舶。
2. 前記プロペラをアジマス機構付きポッド推進器のプロペラとすることを特徴とする請求項１に記載の船舶。

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