JP2012087750A

JP2012087750A - 船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置

Info

Publication number: JP2012087750A
Application number: JP2010237250A
Authority: JP
Inventors: Soya Uejima; 走也上島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-05-10

Abstract

【課題】回転速度の時定数が異なる複数の動力源を同期させ、主軸の回転速度を制御することが可能な船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置を提供する。
【解決手段】第１出力軸１５を有する第１動力源１３と、第２出力軸２５を有し、第１動力源１３よりも回転速度の時定数が小さい第２動力源２３と第１出力軸１５と第２出力軸２５と連係し、第１動力源１３と第２動力源２３の各出力を主軸の出力に変換する減速装置とを有するハイブリッド推進システム３を操縦する船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置１で、第１動力源１３の回転速度の時定数に合わせて、第２動力源２３の回転速度を変動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる種類の動力源を組合わせたハイブリッド推進システムを搭載する船舶を操縦する操縦装置に関するものである。

原動機と電気推進電動機とを組合わせたハイブリッド推進システムを搭載する船舶において、特許文献１に示すように、航行中の負荷が変化し、原動機の回転数が安定しない場合にも、原動機が駆動する発電機の電力周波数を安定させることが行なわれている。

特開２００７−２８４０１８号公報

ところで、複数の同種の原動機を同時に稼働し、主軸の回転速度を目標値に合わせる場合に、原動機は操縦装置からの指令信号を目標値として出力を上昇及び下降させることが行なわれている。このような方法は、出力やトルク、主軸の回転速度が変動する際の時定数が同程度の原動機を組合わせた場合には、回転速度や出力が同じように変化するため、特に問題は生じないが、ガスタービンと電動機のように、出力やトルク、回転速度の時定数（変速スピード）が大きく違う動力源を組合わせたハイブリッド推進システムでは、上記の操縦装置のように出力設定値だけを指令信号とした場合、ガスタービンと電動機の回転速度の各時定数が大きく異なるため、ガスタービンと電動機を同期させ、主軸の回転速度を制御することが非常に困難であった。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、回転速度の時定数が異なる複数の動力源を同期させ、主軸の回転速度を制御することが可能な船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置は、
第１出力軸を有する第１動力源と、
第２出力軸を有し、該第１動力源よりも回転速度の時定数が小さい第２動力源と
該第１出力軸と該第２出力軸と連係し、該第１動力源と該第２動力源の各出力を主軸の出力に変換する減速装置とを有するハイブリッド推進システムを操縦する船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置であって、
前記第１動力源の回転速度の時定数に合わせて、前記第２動力源の回転速度を変動させることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置によれば、第１動力源と第２動力源の出力設定値だけではなく、出力上昇及び下降の変速レートを操縦装置で算出及び指令信号として出力することで、回転速度の時定数が小さい第２動力源の動きを第１動力源に合わせるよう制御する。このように、出力の目標値だけではなく、目標値までどのくらいのスピードで上昇及び下降させるかを設定することによって、回転速度の時定数が異なる複数の動力源を同期させ、主軸の回転速度を制御することができる。

本発明の船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置では、回転速度の時定数が異なる複数の動力源を同期させ、主軸の回転速度を制御することができる。

本発明の一実施形態を示し、ハイブリッド推進システムの構成を表すブロック図である。本発明の一実施形態を示し、船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置の制御ブロック図である。（ａ）運転モードＡにおける主軸出力設定値に対するガスタービンと電動機の出力を示す出力特性図、（ｂ）運転モードＢにおける主軸出力設定値に対するガスタービンと電動機の出力を示す出力特性図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置１（Machinary Controll and Surveylance System。以下、操縦装置）によって運転されるハイブリッド推進システム３は、第１出力軸としてのタービン出力軸１５を有し、第１動力源としてのガスタービン１３と、第２出力軸としてのモータ出力軸２５を有し、第２動力源としての電動機２３と、タービン出力軸１５とモータ出力軸２５とを連係し、ガスタービン１３の出力と電動機２３の出力を主軸３３（プロペラ軸）に変換する減速装置３１とを備えている。

ガスタービン１３は、発電機（図示せず）を併設し、余剰出力で発電機を駆動して発電し、蓄電手段（図示せず）に蓄電し、蓄電した電力を用いて電動機２３を稼働する。また、後述する操縦装置１から出力される出力設定値と動作レートから、ローカルコントロールパネル１１が燃料流量値を算出し、この燃料流量値に従って、ガスタービン１３に燃料が供給され、出力が制御される。

電動機２３は、回転速度の時定数が、ガスタービン１３の回転速度の時定数よりも小さく、回転速度の速度変化に対する追従性に優れている。また、後述する操縦装置１から出力される出力設定値と動作レートから、インバータ２１が電流値を算出し、この電流値に従って、電動機２３に電力が供給され、出力が制御される。

減速装置３１は、タービン出力軸１５の回転数を減速しつつ、モータ出力軸２５の回転数を減速し、連結手段であるＳＳＳ（Synchro-Self-Shifting）クラッチ（図示せず）を介してガスタービン１３の出力と電動機２３の出力を合成し、１本の主軸３３に出力する。

操縦装置１は、図２に示すように、大きく３つのブロック（主軸算出部１０１、ガスタービン算出部１１１、電動機算出部１２１）で構成されており、主軸算出部１０１で、操縦者の意図する主軸出力を算出し、様々な条件を考慮しつつ、算出した主軸出力をガスタービン１３と電動機２３に振分けている。

主軸算出部１０１は、主にＮＳ補正ブロック１０３とＰＤ設定ブロック１０５とで構成されている。ＮＳ補正ブロック１０３は、主軸３３の回転速度ＮＳとプロペラ翼角ＣＰＰとをモニターし、現状の出力を算出する。ＰＤ設定ブロック１０５は、操縦者の指令（出力馬力、主軸回転速度等）に基づいて、ガスタービン１３と電動機２３のそれぞれの出力設定値ＰＤを算出する。
ガスタービン算出部１１１と電動機算出部１２１は、それぞれ最低回転速度補償ブロック１１３，１２３と負荷移行ブロック１１５，１２５と動作レート設定ブロック１１７，１２７とで、主に構成されている。

最低回転速度補償ブロック１１３，１２３は、主軸３３の回転速度が最低回転速度に設定された状態で、軸トルクを変更する場合に機能する。主軸３３は運用時の最低回転速度が規定されており、最低回転速度で運用中に軸トルクを変更する場合には、プロペラ翼角を変更する。最低回転速度補償ブロック１１３，１２３では、負荷に対して、主軸の回転速度を変えずにプロペラ翼角の変更分に相当するガスタービン算出部１１１、あるいは電動機算出部１２１の動作レート補償値を算出する。

負荷移行ブロック１１５，１２５は、予め設定されている複数の運転モードの１つから別の運転モードへ切換える際に機能する。運転モードを切換える際に、主軸３３の回転速度や出力馬力が急激に変化すると、ハイブリッド推進システム３全体に過大な負荷が掛かってしまう。そこで、負荷移行ブロック１１５，１２５では、主軸３３の回転速度や出力馬力を変えることなく、ガスタービン１３と電動機２３の出力を設定された出力割合に変更するため、モード移行途中の状態を段階的に算出する。このとき、負荷移行ブロック１１５，１２５は、運転モード切替中、Ｍ無負荷(推進電動機にかかる負荷がゼロかどうか)、ＧＴ無負荷（ガスタービンにかかる負荷がゼロかどうか）、ＭＳＳＳクラッチかん（推進電動機の出力軸がＳＳＳクラッチに嵌合している状態かどうか）、ＧＴＳＳＳクラッチかん（ガスタービンの出力軸がＳＳＳクラッチに嵌合している状態かどうか）などを示すセンサ(図示せず)からの信号に基づいてモード移行途中の状態を算出する。

動作レート設定ブロック１１７，１２７は、ガスタービン１３と電動機２３を同期させて運転している状態で、運転状態が変化する際に機能する。主軸３３の回転速度が増減する場合には、回転速度が変化する途中で段階的にガスタービン１３の動作レートを算出し、ガスタービン１３の回転速度の変化に同期するように、電動機２３の動作レートを算出する。

上記構成の操縦装置１によって、以下の３パターンでハイブリッド推進システム３の運転状態を変えることができる。（１）運転モードは変えずに回転速度を増減して出力を変える。（２）主軸の回転速度は一定で軸トルクを変える。（３）異なる運転モードに切換える。

（１）運転モードは変えずに回転速度を増減して出力を変える。

本実施形態のハイブリッド推進システム３では、ガスタービン１３と電動機２３の回転速度の時定数が大きく異なるため、ガスタービン１３と電動機２３のそれぞれの出力設定値を単純に変更しただけでは、ガスタービン１３と電動機２３を同期させつつ出力を変えることができない。そこで、ガスタービン１３と電動機２３を同期させつつ、軸出力を設定された出力設定値に変えるために、操縦装置１のＮＳ補正ブロック１０３とＰＤ設定ブロック１０５で算出された各出力設定値に対して、動作レート設定ブロック１１７，１２７で動作レートを算出し、出力設定値と動作レートを指令信号として、ガスタービン１３側のローカルコントロールパネル１１と、電動機２３側のインバータ２１へ出力する。

（２）主軸の回転速度は一定で軸トルクを変える。

回転速度の時定数に大差のない複数の動力源を有する推進システムの場合、主軸の軸トルクを変える際には、動力源の出力変化に合わせて、プロペラの翼角を変化させることで可能である。しかし、本実施形態のハイブリッド推進システム３では、ガスタービン１３と電動機２３の回転速度の時定数が大きく異なるため、ガスタービン１３の出力変化に合わせて電動機２３の出力を変化させつつ、プロペラ翼角を変えなければならない。そこで、操縦装置１のＮＳ補正ブロック１０３とＰＤ設定ブロック１０５で算出された各出力設定値に対して、最低回転速度補償ブロック１１３，１２３で動作レート補償値を算出し、出力設定値と動作レート補償値を指令信号として、ガスタービン１３側のローカルコントロールパネル１１と、電動機２３側のインバータ２１へ出力する。

（３）異なる運転モードに切換える。

本実施形態のハイブリッド推進システム３では、ガスタービン１３と電動機２３を組合わせているため、燃料消費率を優先した低燃費モード、より高い出力を求める高出力モード、巡航中に充電を行なう充電モードというように様々な運転モードを設定することが可能である。本実施形態のハイブリッド推進システム３では、図３に示すモードＡと、図４に示すモードＢとが設定されている。モードＡは、定格出力の５０％までは電動機２３のみを使用し、５０％以上では５０％までの分を電動機２３が出力し、残りをガスタービン１３を出力するように設定されている。モードＢは、定格出力の１０％までは電動機２３のみを使用し、１０％以上では電動機２３とガスタービン１３を所定の割合で併用するように設定されている。

ここで、定格出力が１００馬力のハイブリッド推進システム３が、モードＡで定格出力の６０％（６０馬力）で運転中にモードＢに移行する場合を説明する。まず、モードＡでは電動機出力が５０馬力、ガスタービン出力は１０馬力、モードＢでは電動機出力が２０馬力、ガスタービン出力は４０馬力である。モードＡからモードＢに移行する際には、ガスタービン１３の出力を１０馬力から４０馬力に増大させつつ、電動機２３の出力を５０馬力から２０馬力へ減少させなければならない。

そこで、操縦装置１のＮＳ補正ブロック１０３とＰＤ設定ブロック１０５で算出された各出力設定値に対して、ガスタービン１３と電動機２３の運転状態をモニターしつつ、負荷移行ブロック１１５，１２５でモード移行途中の出力設定値を段階的に算出し、動作レート設定ブロック１１７，１２７で動作レートを算出し、出力設定値と動作レートを指令信号として、ガスタービン１３側のローカルコントロールパネル１１と、電動機２３側のインバータ２１へ出力する。

以上に説明した動作が各部において行われることで、本実施形態の船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置１によれば、ガスタービン１３と電動機２３の出力設定値だけではなく、運転状況の変化に応じて、出力上昇及び下降の変速レートを操縦装置１で算出し、指令信号として出力することで、回転速度の時定数が小さい電動機２３の動きをガスタービン１３に合わせるよう制御できる。このように、出力の目標値だけではなく、目標値までどのくらいのスピードで上昇及び下降させるかを設定し、制御することによって、回転速度の時定数が異なる複数の動力源を同期させ、主軸の回転速度を制御することができる。

なお、上述した実施形態では、ガスタービン１３と電動機２３を組合わせたハイブリッド推進システム３を例に取って説明したが、回転速度の時定数が異なる動力源を組合わせたハイブリッド推進システム全般に広く適用可能である。

１…船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置
３…ハイブリッド推進システム
１１…ローカルコントロールパネル
１３…ガスタービン（第１動力源）
１５…タービン出力軸（第１出力軸）
２１…インバータ
２３…電動機（第２動力源）
２５…モータ出力軸（第２出力軸）
３１…減速装置
３３…主軸
１０１…主軸算出部
１０３…ＮＳ補正ブロック
１０５…ＰＤ設定ブロック
１１１…ガスタービン算出部
１１３…最低回転速度補償ブロック
１１５…負荷移行ブロック
１１７…動作レート設定ブロック
１２１…電動機算出部
１２３…最低回転速度補償ブロック
１２５…負荷移行ブロック
１２７…動作レート設定ブロック

Claims

第１出力軸を有する第１動力源と、
第２出力軸を有し、該第１動力源よりも回転速度の時定数が小さい第２動力源と
該第１出力軸と該第２出力軸と連係し、該第１動力源と該第２動力源の各出力を主軸の出力に変換する減速装置とを有するハイブリッド推進システムを操縦する船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置であって、
前記第１動力源の回転速度の時定数に合わせて、前記第２動力源の回転速度を変動させることを特徴とする船舶用ハイブリッド推進システム操縦装置。