JP2010264867A - 推進装置及びそれを備えた船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンと蒸気タービンとによって得られる回転エネルギーの損失を小さくさせて推進力を得る推進装置及びそれを備えた船舶を提供する。
【解決手段】推進軸３を駆動するディーゼル機関５と、ディーゼル機関５から排出された排ガスによって蒸気を発生する蒸気発生装置６と、蒸気発生装置６により発生された蒸気によって駆動される蒸気タービン７と、ディーゼル機関５から排出された排ガスによって駆動されるガスタービン８と、を有する推進装置１において、蒸気タービン７及びガスタービン８の回転エネルギーは、クラッチ１２，１３と変速機１０，１１とを介して推進軸３に伝達されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、推進装置及びそれを備えた船舶に関し、特に、ガスタービンと蒸気タービンとによって得られた回転エネルギーが伝達される推進装置に関するものである。

船舶においては、省エネルギーを目的として、ディーゼル機関から排出される排ガスを排ガスエコノマイザに導いて蒸気を発生させて、その蒸気によって駆動される蒸気タービンとディーゼル機関から排出される排ガスによって駆動されるガスタービンとを同軸上に配し、その軸に接続された発電機によって発電するコンバインドサイクル発電方式が用いられている。また、コンバインドサイクル発電方式により得られた電気エネルギーが余剰の場合には、推進軸に設置されている軸発電機を電動機として用いることにより、電気エネルギーを回転エネルギーに変換して推進軸を加勢する推進装置が用いられている。

特許文献１には、蒸気タービンを駆動させることにより得られた回転エネルギーをクラッチと減速機とを介して推進軸に伝達させる推進装置が開示されている。
特許文献２には、ガスタービンを駆動させることにより得られた回転エネルギーをワンウェイクラッチと減速機とを介して推進軸に伝達させる推進装置が開示されている。

特公昭６２−３４５９８号公報 特開平２−２０７１３９号公報

しかしながら、コンバインドサイクルは、ガスタービンと蒸気タービンとを同軸上に設けて駆動されるため、両タービンの回転数を同期させる制御が必要となる。この回転数を同期させる制御として、特許文献１に開示されている発明では、速度ガバナを用いて制御が行なわれている。また、特許文献２に開示されている発明では、ワンウェイクラッチを用いて制御が行われている。
しかし、特許文献１の発明では、速度ガバナや調整弁といった制御装置が必要となるという問題があった。
特許文献２の発明では、回転数に応じてワンウェイクラッチを嵌脱することができないという問題があった。
さらに、従来の推進装置において、コンバインドサイクルによって得られた電気エネルギーは、電動機を介して回転エネルギーに変換されて推進軸を駆動させているため、エネルギー変換による損失が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガスタービンと蒸気タービンとによって得られる回転エネルギーの損失を小さくさせて推進力を得る推進装置及びそれを備えた船舶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の推進装置及びそれを備えた船舶は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる推進装置は、推進軸を駆動するディーゼル機関と、該ディーゼル機関から排出された排ガスによって蒸気を発生する蒸気発生装置と、該蒸気発生装置により発生された前記蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記ディーゼル機関から排出された前記排ガスによって駆動されるガスタービンと、を有する推進装置において、前記蒸気タービン及び前記ガスタービンの回転エネルギーは、クラッチと変速機とを介して前記推進軸に伝達されることを特徴とする。

クラッチと変速機とを介して、機械的に、蒸気タービン及びガスタービンが発生する回転エネルギーを推進軸に伝達する。そのため、蒸気タービン及びガスタービンが発生する回転エネルギーを電気エネルギーに変換しその電気エネルギーを用いて推進軸を駆動させることにより推進力を得る場合に比べて、小さなエネルギー損失によってガスタービン及び蒸気タービンとから推進力を得ることができる。

本発明にかかる推進装置の前記クラッチは、前記蒸気タービン及び前記ガスタービンと前記変速機との間に配置され、各前記タービンの回転数に応じて嵌脱することを特徴とする。

クラッチは、各タービンの回転数に応じて嵌脱が行われるので両タービンの回転数を同期させる必要がない。従って、推進装置の制御が容易になる。また、同期装置やそれに付随する設備が不要となるため設置コストを削減することができる。
なお、このクラッチには、例えば、自動嵌脱クラッチ（シンクロ・セルフシフティング・クラッチ又はＳＳＳクラッチとも呼ばれる）が好適に用いられる。
自動嵌脱クラッチとは、出力軸の回転数が入力軸の回転数に達した際に爪が噛み合い嵌合して出力軸と入力軸とを結合する。自動嵌脱クラッチが嵌合して回転している際に、出力軸の回転数が入力軸の回転数よりも低くなった場合には、嵌合が自動的に外れ出力軸と入力軸とを切り離す働きをする。

本発明に係る船舶は、前記推進装置を備えることを特徴とする。

蒸気タービン及びガスタービンの回転エネルギーによって推進軸が加勢されるので、ディーゼル機関の出力を減少させて燃費を向上することができる。従って、省エネルギー効果が高い船舶とすることができる。

本発明によれば、蒸気タービン及びガスタービンが発生する回転エネルギーをクラッチと変速機とを介して機械的に推進装置に伝達するので、小さなエネルギーの損失によってガスタービン及び蒸気タービンとから推進力を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る推進装置の配置位置が示された船舶の縦断面図である。 本発明の一実施形態の推進装置に係る概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態に係る推進装置が設置された船舶の縦断面図が示されている。
同図において、右側が船首であり左側が船尾である。推進装置１は、船舶の甲板下の船尾付近に設けられた機関室２に設置されている。機関室２に設置されている推進装置１の推進軸３の一端は船外に突出し、その先端にはプロペラ４が固定されている。

次に、図１に示した推進装置１について、図２を用いて具体的に説明する。
推進装置１は、ディーゼル機関５と、ディーゼル機関５が排出する高温の排ガスによって蒸気を発生する蒸気発生装置６と、その蒸気によって駆動される蒸気タービン７と、ディーゼル機関５から排出される排ガスによって駆動されるガスタービン８と、減速機（変速機）１０，１１と、自動嵌脱クラッチ（クラッチ）１２，１３と、ディーゼル機関５によって駆動される推進軸３とを有している。

ディーゼル機関５は、過給器１４と排ガス管３０Ａとを有している。ディーゼル機関５は、推進軸３の一端に直結され、この推進軸３を回転駆動する。推進軸３の他端には、プロペラ４が固定されている。ディーゼル機関５に備えられている過給器１４は、同軸上に設けられたタービン１４Ａと圧縮機１４Ｂとを有している。タービン１４Ａは、ディーゼル機関５から排出された排ガスが導かれ回転駆動される。タービン１４Ａが駆動されると、同軸上に設けられた圧縮機１４Ｂが回転し空気を圧縮する。圧縮された空気は、ディーゼル機関５に供給される。
ディーゼル機関５とタービン１４Ａとの間からは、排ガス分岐管３０Ｄが分岐され、ガスタービン８に接続されている。タービン１４Ａの下流側は、排ガス管３０Ａによって後述する排ガスエコノマイザ１５に接続されている。

蒸気発生装置６は、排ガスエコノマイザ１５と汽水分離器１６とを備えている。
排ガスエコノマイザ１５は、その煙道内に過熱器１５Ａと蒸発器１５Ｂとを有している。過熱器１５Ａと蒸発器１５Ｂとは、排ガスエコノマイザ１５内を下から上に向かって順番に平行に据え付けられている。排ガスエコノマイザ１５の煙道内には、高温の排ガスが流れ、煙突（図示せず）を経て大気に放出される。過熱器１５Ａには、汽水分離器１６の上部から蒸気が導かれる。蒸発器１５Ｂには、汽水分離器１６の下部から水が導かれる。
汽水分離器１６内は、下部に水が上部には蒸気が分離して溜められている。汽水分離器１６には、ボイラ水循環管３３Ｃから水が供給される。汽水分離器１６内の水は、ボイラ水循環ポンプ１７によって排ガスエコノマイザ１５内の蒸発器１５Ｂに導かれる。汽水分離器１６には、排ガスエコノマイザ１５の蒸発器１５Ｂからの水分を含んだ蒸気が導かれ水と蒸気とに分離される。分離された蒸気は、排ガスエコノマイザ１５内の過熱器１５Ａに導かれる。

蒸気タービン７は、タービン７Ａと、軸７Ｂと、開閉弁２０Ａとを有している。タービン７Ａは、蒸気によって回転駆動され、タービン７Ａに接続されている軸７Ｂを回転させる。排ガスエコノマイザ１５と蒸気タービン７との間に設けられた開閉弁２０Ａは、排ガスエコノマイザ１５内の過熱器１５Ａから蒸気タービン７に供給される蒸気を断絶するものであり、開閉を除く制御が不要である。開閉弁２０Ａは、ディーゼル機関５の出力が５０％に達した際に「開」状態となる。

ガスタービン８は、タービン８Ａと、軸８Ｂと、開閉弁２０Ｂとを有している。タービン８Ａは、高温の排ガスによって回転駆動され、タービン８Ａに接続されている軸８Ｂを回転させる。開閉弁２０Ｂは、ディーゼル機関５とガスタービン８とを接続する排ガス分岐管３０Ｄ上に設けられている。開閉弁２０Ｂは、ディーゼル機関５からガスタービン８に供給される排ガスの断絶を行うものであり、開閉を除く制御が不要である。通常、開閉弁２０Ｂは「開」状態となっている。ガスタービン８の出口側には、排ガス分岐管３０Ｅが接続されている。排ガス分岐管３０Ｅは、過給器１４の出口に接続されている排ガス管３０Ａと合流し排ガスエコノマイザ１５に接続されている。

減速機１０，１１は、蒸気タービン側減速機１０とガスタービン側減速機１１との２台が備えられる。
蒸気タービン側減速機１０は、後述する２つの自動嵌脱クラッチ１２，１３と推進軸３との間を接続している。蒸気タービン側減速機１０は、第１段小歯車１０Ａ、第１段大歯車１０Ｂ、第２段大歯車１０Ｃとから構成され、この順に歯数が増加する。第２段大歯車１０Ｃは、推進軸３上に設けられている。第１段小歯車１０Ａは、蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２の出力軸１２Ａとガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３の出力軸１３Ａとを両端に有している。中間歯車である第１段大歯車１０Ｂは、第１段小歯車１０Ａと第２段大歯車１０Ｃとの間を接続している。
ガスタービン側減速機１１は、ガスタービン８とガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３との間を接続している。ガスタービン側減速機１１は、小歯車１１Ａと大歯車１１Ｂとから構成されている。小歯車１１Ａは、ガスタービン８によって駆動される軸８Ｂ上に設けられている。大歯車１１Ｂは、ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３の入力軸１３Ｂ上に設けられている。

自動嵌脱クラッチ１２，１３は、蒸気タービン７側とガスタービン８側とに２つ備えられている。
自動嵌脱クラッチ１２，１３とは、シンクロ・セルフシフティング・クラッチ又はＳＳＳクラッチとも呼ばれ、出力軸１２Ａ，１３Ａの回転数が入力軸７Ｂ，１３Ｂの回転数に達した際に爪が噛み合い嵌合して出力軸１２Ａ，１３Ａと入力軸７Ｂ，１３Ｂとを結合する。自動嵌脱クラッチ１２，１３が嵌合して回転している際に、出力軸１２Ａ，１３Ａの回転数が入力軸７Ｂ，１３Ｂの回転数よりも低くなった場合には、嵌合が自動的に外れ出力軸１２Ａ，１３Ａと入力軸７Ｂ，１３Ｂとを切り離す働きをする。
蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２は、蒸気タービン７と蒸気タービン側減速機１０との間に設置されている。蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２は、出力軸１２Ａと蒸気タービン７に駆動される入力軸７Ｂとを有している。
ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３は、蒸気タービン側減速機１０とガスタービン側減速機１１との間に設置されている。ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３は、出力軸１３Ａと、ガスタービン側減速機１１に接続されている入力軸１３Ｂとを有している。

次に、図２に示した推進装置１の運転要領について説明する。
ディーゼル機関５が運転を開始すると、ディーゼル機関５に直接接続されている推進軸３と、プロペラ４と、推進軸３上に設けられている蒸気タービン側減速機１０とが回転する。
ディーゼル機関５から排出された排ガスは、排ガス管３０Ａを経て排ガスエコノマイザ１５に導かれる。排ガスは、排ガスエコマイザ１５内を通過する際に過熱器１５Ａ及び蒸発器１５Ｂと熱交換をする。蒸発器１５Ｂ内の水は、排ガスと熱交換することによって蒸気となる。この蒸気は、汽水分離器１６に導かれて水分が分離された後、排ガスエコノマイザ１５の過熱器１５Ａに導かれる。過熱器１５Ａ内の蒸気は、排ガスと熱交換することによって過熱蒸気となる。
過熱蒸気は、過熱蒸気管３０Ｂに導かれる。過熱蒸気管３０Ｂに導かれた過熱蒸気は、開閉弁２０Ａを経て蒸気タービン７の入口側に供給される。蒸気タービン７は、導かれた蒸気によって回転駆動される。蒸気タービン７が回転することによって入力軸７Ｂが回転する。
蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２は、ディーゼル機関５によって駆動される蒸気タービン側減速機１０の出力軸１２Ａが、蒸気タービン７によって駆動される入力軸７Ｂと同じ回転数になった際に自動的に嵌合される。これによって、蒸気タービン７の回転エネルギーが蒸気タービン側減速機１０を介して推進軸３に伝達される。

ディーゼル機関５から排出された排ガスは、過給器１４に入る前に一部が抽出されて排ガス分岐管３０Ｄに導かれる。排ガス分岐管３０Ｄに導かれた排ガスは、「開」状態の開閉弁２０Ｂを経てガスタービン８の入口側に供給される。ガスタービン８は、供給された排ガスによって回転駆動される。ガスタービン８が回転することによって軸８Ｂを介してガスタービン側減速機１１が回転される。ガスタービン側減速機１１が回転することによって、ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３との間に設けられている入力軸１３Ｂが回転する。
蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２が嵌合した後、ディーゼル機関５に駆動される蒸気タービン側減速機１０の出力軸１３Ａが、ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３とガスタービン側減速機１１との間に接続されている入力軸１３Ｂと同じ回転数になった際に、ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３が自動的に嵌合される。ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３が嵌合することによって、蒸気タービン７、排ガスタービン８及び推進軸３の間が機械的に結合される。

なお、蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２は、出力軸１２Ａの回転数が入力軸７Ｂの回転数よりも低くなった際には、嵌合が自動的に外れて、蒸気タービン側減速機１１と蒸気タービン７との間が非連結状態となり、蒸気タービン７の回転エネルギーは、推進軸３に伝達されなくなる。
同様にガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３は、出力軸１３Ａの回転数が入力軸１３Ｂの回転数よりも低くなった際には、嵌合が自動的に外れて、蒸気タービン側減速機１０とガスタービン側減速機１１を介したガスタービン８との間が非連結状態となり、ガスタービン８の回転エネルギーは、推進軸３に伝達されなくなる。

以上の通り、本実施形態の推進装置によれば、以下の効果を奏する。
蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２と、ガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３と、蒸気タービン側減速機１０と、ガスタービン側減速機１１とを介して機械的に蒸気タービン７及びガスタービン８とが発生する回転エネルギーを推進軸３に伝達する。そのため、蒸気タービン７及びガスタービン８が発生する回転エネルギーを電気エネルギーに変換しその電気エネルギーを用いて推進軸３を駆動して推進力を得る場合に比べて、小さなエネルギーの損失によってガスタービン８及び蒸気タービン７から推進力を得ることができる。

蒸気タービン側自動嵌脱クラッチ１２とガスタービン側自動嵌脱クラッチ１３とは、各タービン７，８の回転数に応じて嵌脱が行われるので両タービン７，８の回転数を同期させる必要がない。従って、推進装置１の制御が容易になる。また、同期装置やそれに付随する設備が不要となるため設置コストを削減することができる。

また、蒸気タービン７及びガスタービン８との回転エネルギーによって推進軸３が加勢されるので、ディーゼル機関５の出力を減少させて燃費を向上することができる。従って、省エネルギー効果が高い船舶とすることができる。

なお、本実施形態では、独立の汽水分離器１６を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ボイラの蒸気ドラムと兼用としても良い。
また、本実施形態では、ディーゼル機関５の出力が５０％に達した際に蒸気タービン７側の開閉弁２０Ａを「開」状態にする制御として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、船舶の運用状況に応じて、より低出力時に「開」状態としても良い。
さらに、本実施形態では、蒸気タービン側減速機１０は、２段歯車機構を備える減速機として、またガスタービン側減速機１１は、１段歯車機構を備える減速機として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、減速機であれば良い。

１ 推進装置
３ 推進軸
５ ディーゼル機関
６ 蒸気発生装置
７ 蒸気タービン
８ ガスタービン
１０，１１ 変速機
１２，１３ クラッチ

Claims (3)

1. 推進軸を駆動するディーゼル機関と、
   該ディーゼル機関から排出された排ガスによって蒸気を発生する蒸気発生装置と、
   該蒸気発生装置により発生された前記蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記ディーゼル機関から排出された前記排ガスによって駆動されるガスタービンと、
   を有する推進装置において、
   前記蒸気タービン及び前記ガスタービンの回転エネルギーは、クラッチと変速機とを介して前記推進軸に伝達されることを特徴とする推進装置。
2. 前記クラッチは、前記蒸気タービン及び前記ガスタービンと前記変速機との間に配置され、各前記タービンの回転数に応じて嵌脱することを特徴とする請求項１に記載の推進装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の推進装置を備えた船舶。
   

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