JP2015508734A - 船舶における装置および方法 - Google Patents

Abstract

船舶は、船体（２００）と、推進機関（３０）、伝達手段（４０）、伝達手段（４０）を介して推進機関（３０）に結合された少なくとも１つのプロペラ（５０）を備える少なくとも１つの推進ユニット（１００）と、少なくとも１つのプロペラ（５０）のキャビテーションを感知するために、少なくとも１つのプロペラ（５０）の近くに設置された振動センサ（３００）と、を備える。装置は、推進機関（３０）を制御するための制御ユニット（４００）であり、前記振動センサ（３００）が制御ユニット（４００）に結合される、制御ユニット（４００）をさらに備え、これによって、キャビテーションの悪化が生じているかを検出し、キャビテーションの悪化が生じているときに、キャビテーションの悪化が生じていることを航海船橋の表示ユニット上で示し、および／または、推進機関（３０）の回転速度および／または出力を調節するために、振動センサ（３００）の出力信号が制御ユニット（４００）で解析される。【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前文による船舶における装置に関する。

本発明は、請求項１２の前文による船舶における方法にも関する。

装置および方法は、船体と、少なくとも１つの推進機関と、伝達手段と、伝達手段を介して少なくとも１つの推進機関に結合された少なくとも１つのプロペラと、船体に支持される上部、下部および前縁部を備える支持構造と、少なくとも１つの推進機関を制御するための制御ユニットとを備える船舶に用いられうる。

船舶は、船舶の船尾に設置された、１つのみの推進機関を有することも、２つ以上の推進機関を有することもできる。プロペラは、単一のプロペラを含むことも、２つの二重反転プロペラを含むこともできる。

装置は、例えば、クルーザー、石油もしくは液化天然ガス運搬用タンカー、車両運搬船、コンテナ船またはフェリー等、特に大型船舶に用いられるのに適している。

日本国の特開２００４−１８２０９６号公報は、船舶の船体に枢動可能に取り付けられる支持構造と、支持構造に取り付けられたチャンバとを備えるポッド型推進装置を開示している。チャンバは、シャフトの第１の端部に結合されるモータを備え、シャフトの反対側の第２の端部は、チャンバの前端部から突出し、プロペラに結合される。支持構造の回転角度は、船舶の速度が増加するときに、キャビテーションを防止するために制限される。

ロシア国特許第２００９９５７号明細書は、船舶のキャビテーションを低減するためのデバイスを開示している。船舶の船尾のプロペラは、シャフトを介して船舶の船体内のモータに結合される。プロペラのブレードには、振動ドライブを有する可撓性ケーシングが存在する。船舶の船体には、キャビテーションノイズセンサが位置する。可撓性ケーシング用の振動周波数制御ブロックは、ノイズセンサと連続して結合される。プロペラシャフトは、ブラシを有するコレクタに取り付けられる。センサは、音響反射に比例する信号を生成し、入力信号として振動周波数制御ブロックに供給する。振動周波数制御ブロックは、キャビテーションノイズを最小限に低減するために、可撓性振動ケーシング用のドライブに対する帰還信号を生成する。

日本国の特開平９−１３６６９４号公報は、船舶に用いられるウォータージェットポンプの自動速度制御を開示している。圧力センサは、船舶が移動するときにウォータージェットポンプの送出圧力を検出する。計算機は、水流中のキャビテーションの発生を避けるために、圧力検出器の出力信号に基づいて、ウォータージェットポンプに適用されうる回転数を計算する。信号セレクタは、計算された回転数と、舵取り制御ユニットによって示された回転数とを比較する。信号セレクタは、より小さい回転数を示す信号を選択することによって、ウォータージェットポンプの駆動モータに制御信号を出力する。

日本国の特開平９−１０９９９１号公報は、キャビテーション予防型の船舶用フィンスタビライザを開示している。スタビライザは、シャフトによって船体に枢動可能に支持されるフィンを含む。フィン駆動機構は、シャフトを回転させることによって、フィンの翼角度を調節する。フィンの後方下縁部の水排出ノズルは、巡航中にフィンのキャビテーション形成を制御する。水供給ポンプは、水を供給し、排出ノズルから水を放出する。フィンの後方に設置された水中マイクは、フィンのキャビテーションによって生じたノイズを検出する。水噴射コントローラは、マイクのノイズ検出信号に基づいて供給ポンプを制御することによって、排出ノズルからの水噴射を制御する。

キャビテーションは、局所的な高速度によって局所的な圧力が非常に低くなるある流れ領域で液体が気相に変化するときに生じる。水中で回転するプロペラに関連する少なくとも４つの異なるキャビテーションのタイプは、ａ）あるレベルを超えるまでは通常の運転とみなされる負圧側からの翼端渦、ｂ）負圧側のシートキャビテーション、ｃ）正圧側からの翼端渦、ｄ）バブルキャビテーションに区分される。

制御ブリッジは、船舶の船尾、すなわち、大型船舶の船尾側２００〜４００ｍ先にある。また、制御ブリッジは、海面上１５〜４０ｍにある。このことは、航海船橋に座っている船長または航海士が通常は船舶の船尾側でプロペラによって生じたキャビテーションを感じたり聞いたりしないことを意味する。したがって、キャビテーションの悪化（worse degree cavitation）が生じている状況を船長および／または航海士に気付かせる必要がある。そのような状況は、一般に、船舶が急に全出力で加速されたとき、または推進ユニットおよび／もしくは船舶が大きな回転角度で回転されたとき生じる。

特開２００４−１８２０９６号公報 ロシア国特許第２００９９５７号明細書 特開平９−１３６６９４号公報 特開平９−１０９９９１号公報

本発明の目的は、船舶でキャビテーションが生じる状況を管理するための装置および方法である。

船舶における本発明による装置は、請求項１の特徴部分の特徴によって特徴づけられる。

船舶における本発明による方法は、請求項１２の特徴部分の特徴によって特徴づけられる。

船舶における本発明による装置は、船体と、推進機関、伝達手段、伝達手段を介して推進機関に結合された少なくとも１つのプロペラを備える少なくとも１つの推進ユニットと、少なくとも１つのプロペラのキャビテーションによって生じた振動を感知するために、少なくとも１つのプロペラの近くに設置された振動センサと、を備える。装置は、少なくとも１つの推進機関を制御するための制御ユニットであり、前記振動センサが制御ユニットに結合される、制御ユニットをさらに備え、これによって、キャビテーションの悪化が生じているかを判定し、キャビテーションの悪化が生じているときに、キャビテーションの悪化が生じていることを航海船橋の表示ユニット上で示し、および／または、少なくとも１つの推進機関の回転速度および／または出力を調節するために、振動センサの出力信号が制御ユニットで解析される。

振動センサが現象の発生源の近く、すなわちプロペラの近くに設置されると、プロペラのキャビテーションを認識することが容易となる。推進ユニットが有害なキャビテーションの悪化を伴う望ましくない運転段階に入ろうとするときに、制御ユニットは、航海船橋の表示ユニットに警告を送り、および／または、推進機関の速度および／または出力を制御する。

プロペラのキャビテーションによって生じた振動を直接測定すると、システムの調整パラメータの量が最小限に制限される。調整パラメータは、プロペラのブレードの周波数感度、バーストのタイプおよび振幅のみである。生の測定値の信号処理も割と簡単であり、このことは、最悪の状態のキャビテーションのインジケーションが早くなることを意味する。推進ユニットの速度ランプは、通常、比較的低く、このことは、より酷いキャビテーションが生じる前に反応するための十分な時間が存在することを意味する。

第１のステージの翼端渦は、例えば、船舶が全速力で駆動する場合等、運転において通常である。第１のステージの翼端渦は、通常、流体力学設計でも考慮されており、プロペラの運転効率は、第１のステージの翼端流によって有害な影響を受けない。キャビテーションが悪化する場合、推進機関全体にとって有害となり、瞬間的または長期の損傷が生じる場合がある。キャビテーションの悪化は、プロペラ効率の急低下をもたらし、船舶の操作性を劇的に低下させる。

プロペラの翼端渦を感知するための振動センサの最適な位置は、翼端渦の「ロープ」が支持構造に衝突する場所である、船舶の駆動方向においてプロペラの後方に設置された支持構造上である。支持構造は、通常の牽引式の推進ユニット（pulling type propulsion unit）、すなわち、プロペラがチャンバの前端部にある推進ユニットでは、プロペラの後方である。

プロペラのブレードが支持構造の正面を通過するときに、支持構造は、流体力学環境の密度差を形成する。翼端渦と支持構造は、影響を及ぼし合う。翼端渦と支持構造の相互作用は、翼端渦が悪化すると、プロペラブレードの周波数バーストを形成する。この時点は、より酷いキャビテーションを避けるために推進制御のアクションを開始するための境界である。

舵取りブリッジ上の別個の底部によってある条件において制御ユニットが無効となる可能性がある。

本発明は、有利には、例えば、クルーザー、石油もしくは液化天然ガス運搬用タンカー、車両運搬船、コンテナ船またはフェリー等の大型船舶に用いられうる。そのような大型船舶の推進ユニットの出力は、少なくとも１ＭＷ程度である。

以下では、添付図面を参照しながら、本発明の幾つかの具体的な実施形態が詳細に説明される。

ポッド推進ユニットを備える船舶における本発明による装置を示す図。 ラダーポッドユニットを備える船舶における本発明による装置を示す図。 従来の軸方向推進ユニットを備える船舶における本発明による装置を示す図。

図１は、ポッド推進ユニットを有する船舶における本発明による装置を示している。

装置は、船舶の船尾に設置された推進ユニット１００を備える。推進ユニット１００は、支持構造１０と、チャンバ２０と、第１の電動モータ３０、シャフト４０およびプロペラ５０を備える推進機関とを備える。支持構造１０は、上部１１と、下部１２と、前縁部１３と、後縁部１４を有する。中空の支持構造１０の上部１１は、船舶の船体２００に枢動可能に取り付けられる。チャンバ２０は、中空の支持構造１０の下部１２に固定して取り付けられる。シャフト４０は、第１の電動モータ３０に結合される第１の端部と、チャンバ２０の前端部２１から突出し、プロペラ５０に結合される第２の端部とを有する。したがって、プロペラ５０は、チャンバ２０の前端部２１に設置される。第１の電動モータ３０は、誘導電動モータまたは同期電動モータとすることができる。プロペラ５０は、単一のプロペラまたは２つの二重反転プロペラであることができる。船舶の駆動方向は、図に矢印Ｓ１で示される。

推進ユニット１００は、船舶の船体２００に対して回転軸Ｙ−Ｙの周りに推進ユニット１００を回転させるための回転機構６０をさらに備える。回転機構６０は、船舶の船体２００内に設置され、ギヤリム６１と第２の電動モータ６２を備える。第２の電動モータ６２のシャフト６３は、ピニオンギヤ６４に結合され、ピニオンギヤ６４は、ギヤリム６１の周縁部に結合される。支持構造１０の上部１１は、ギヤリム６１に結合される。したがって、第２の電動モータ６２は、ピニオンギヤ６３を回転させ、ピニオンギヤ６３は、ギヤリム６１を回転させ、ギヤリムは、支持構造１０を回転させ、これによって、推進機関１００を回転させる。第２の電動モータ６２は、誘導電動モータまたは同期電動モータとすることができる。もちろん、ギヤリム６１の周縁部の周りに設置された第２の電動モータ６２が２つ以上存在することができる。

装置は、少なくとも第１の電動モータ３０を制御するための、代わりに第２の電動モータ６２も制御するための制御ユニット４００も備える。制御ユニット４００は、航海船橋からの指令に基づいて第１の電動モータ３０および第２の電動モータ６２を制御する。電動モータ３０、６２の回転速度は、例えば周波数変換機によって、制御されうる。

キャビテーションインジケーションのための装置は、支持構造１０の前縁部１３に設置される振動センサ３００も備える。振動センサ３００は、プロペラ５０のブレードの先端が回転運動中に支持構造１０の前縁部１３の正面を通過するときの状況におけるプロペラ５０のブレードの先端の位置に対応する高さで、支持構造１０の前縁部１３に設置される。振動センサ３００は、制御ユニット４００に結合される。振動センサ３００のこの位置は、回転するプロペラ５０によって形成される特に翼端渦を感知する点から見て最適である。

図２は、ラダーポッドユニットを備える船舶における本発明による装置を示している。

装置は、船舶の船尾に設置された推進ユニット１００を備える。推進ユニット１００は、支持構造１０と、チャンバ２０と、第１の電動モータ３０、シャフト４０、プロペラ５０およびラダー７０を備える推進機関とを備える。この装置は、ラダー７０と、支持構造１０が船舶の船体２００に固定して支持されたラダーポッドにある点とを除いて、図１のポッド装置に対応する。ラダー７０は、回転軸線Ｙ−Ｙの周りに枢動可能に支持される。

図３は、従来の軸方向推進ユニットを備える船舶における本発明による装置を示している。この装置は、船舶の船体２００の外側にポッド装置を有していない。推進ユニット１００は、船舶の船体２００内の推進機関３０と、推進機関３０に結合された第１の端部、および船体２００の後端部の開口から延び、船体２００の外側に設置されたプロペラ５０に結合される第２の端部を有するシャフト４０とを備える。推進機関３０は、例えば、ディーゼル機関または電動モータとすることができる。ラダー７０は、船舶の駆動方向Ｓ１においてプロペラ５０の後方に設置される。ラダー７０も、回転軸線Ｙ−Ｙの周りに枢動可能に支持される。

振動センサ３００は、支持構造７０すなわちラダー７０の前縁部７１に、プロペラ５０のブレードの先端が回転運動中にラダー７０の前縁部７１の正面を通過するときの状況におけるプロペラ５０のブレードの先端の位置に対応する高さで設置される。振動センサ３００Ａは、代わりに、図にも示すように、船舶の船体２００の底部に取り付けることができる。そのような場合、船体２００上の振動センサ３００Ａの位置は、放射方向においてプロペラ５０のブレードの先端の上方となる。

船舶の駆動方向においてプロペラ５０の後方に設置される支持構造に取り付けられた振動センサ３００を有することが有利である。振動センサ３００は、そのような位置で、プロペラ５０の特に翼端渦を効果的に感知する。振動センサ３００を取り付けるのに適した支持構造は、例えば、ポッドまたはラダー用の支持構造であるが、船舶の駆動方向Ｓ１においてプロペラ５０の後方に設置された任意の支持構造とすることができる。チャンバ２０の後端部にプロペラ５０を有するポッドユニットの場合、振動センサ３００のためにポッドの後方に別個の支持構造が必要である。

プロペラ５０は、単一のプロペラまたは２つの二重反転プロペラの形をとることができる。

振動センサ３００、３００Ａは、例えば、圧力センサ、音響センサまたは加速度センサとすることができる。

振動センサ３００が船舶の駆動方向Ｓ１においてプロペラ５０の後方で支持構造１０、７０に設置されるときに、最適な位置は、ブレードの先端が最上部位置にあるときのプロペラ５０のブレードの先端の高さに対応する基準高さ位置である。基準高さ位置からの許容される垂直偏差Ｖ１は、プロペラ５０の直径Ｄ１の±２５％以下である。プロペラ５０の後方で支持構造１０、７０に設置された振動センサ３００は、プロペラ５０から後方に伝搬するキャビテーションを測定する。

振動センサ３００Ａが放射方向においてプロペラ５０の上方で船体２００に設置されるときに、基準長手方向位置は、ブレードの先端が最上部位置にあるときのプロペラ５０のブレードの先端の直上方である。基準長手方向位置の許容される水平偏差Ｈ１は、プロペラ５０の直径Ｄ１の５０％以下である。プロペラ５０の上方で放射方向位置に設置された振動センサ３００Ａは、プロペラ５０から放射方向に伝搬するキャビテーションを測定する。

振動センサ３００、３００Ａは、プロペラ５０から生じるキャビテーションを感知できるように配置される必要がある。

制御ユニット４００は、別個のユニットとすることができ、船舶の他の制御ユニット内に組み込むことができる。

本発明は、２つ以上の推進ユニットを有する船舶でも実施することができる。例えば、船舶の船尾側に２つの推進ユニットが設けられた船舶は、各プロペラ用の振動センサと、各推進モータ用の制御回路とを必要とする。

上述した本発明の実施形態の例は、本発明の範囲をこれらの実施形態のみに限定することを意図するものではない。請求項の範囲内で幾つかの修正を本発明に施すことができる。

Claims (12)

1. 船体（２００）と、
   推進機関（３０）、伝達手段（４０）、前記伝達手段（４０）を介して前記推進機関（３０）に結合された少なくとも１つのプロペラ（５０）を備える、少なくとも１つの推進ユニット（１００）と、
   前記少なくとも１つのプロペラ（５０）のキャビテーションによって生じた振動を感知するために、前記少なくとも１つのプロペラ（５０）の近くに設置された振動センサ（３００）と、を備える船舶における装置であって、
   前記少なくとも１つの推進機関（３０）を制御するための制御ユニット（４００）であり、前記振動センサ（３００）が前記制御ユニット（４００）に結合される、制御ユニット（４００）をさらに備え、
   これによって、キャビテーションの悪化が生じているかを判定し、キャビテーションの悪化が生じているときに、キャビテーションの悪化が生じていることを航海船橋の表示ユニット上で示し、および／または、前記少なくとも１つの推進機関（３０）の回転速度および／または出力を調節するために、前記振動センサ（３００）の出力信号が前記制御ユニット（４００）で解析されることを特徴とする装置。
2. 前記振動センサ（３００）が、前記船体（２００）から下向きに突出する支持構造（１０、７０）の前縁部（１４、７１）に取り付けられ、前記支持構造（１０、７０）が、前記船舶の駆動方向（Ｓ１）において前記プロペラ（５０）の後方に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記振動センサ（３００）が、前記少なくとも１つのプロペラ（５０）のブレードの先端が最上部位置にあるときのブレードの先端の高さに対応する基準高さ位置で、前記支持構造（１０、７０）の前記前縁部（１４，７１）に設置されており、前記プロペラ（５０）の直径（Ｄ１）の±２５％以下である、前記基準高さ位置からの垂直偏差（Ｖ１）が許容されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記振動センサ（３３０Ａ）が、前記プロペラ（５０）の上方の位置で前記船体（２００）の底部に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記振動センサ（３００Ａ）が、前記プロペラ（５０）のブレードの先端が最上部位置にあるときのブレードの先端の直上方の基準長手方向位置で、放射方向において前記プロペラ（５０）の上方に設置されており、前記プロペラ（５０）の直径（Ｄ１）の５０％以下である、前記基準長手方向位置からの前記基準長手方向位置の水平偏差（Ｈ１）が許容されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 回転軸線（Ｙ−Ｙ）の周りで枢動可能に前記船体（２００）に支持され、中空本体を備える支持構造（１０）と、
   前記支持構造（１０）を回転させ、これによって、前記船舶を旋回させるために前記船舶の前記船体（２００）に関してチャンバ（２０）を回転させるための少なくとも１つの第２の電動モータ（６２）を備える回転機構（６０）と、をさらに備え、
   前記少なくとも１つの推進機関（３０）が、前端部（２１）と後端部（２２）を有する前記チャンバ（２０）に設置された第１の電動モータ（３０）を備え、前記チャンバ（２０）が、前記支持構造（１０）の下部（１２）に固定して取り付けられ、
   前記伝達手段（４０）が、第１の端部と第２の端部を有するシャフト（４０）を備え、前記シャフト（４０）の前記第１の端部が前記第１の電動モータ（３０）に結合され、前記シャフト（４０）の前記第２の端部が、前記チャンバ（２０）の前記前端部（２１）から突出し、前記少なくとも１つのプロペラ（５０）に結合され、
   前記振動センサ（３００）が、前記船舶の駆動方向（Ｓ１）において前記少なくとも１つのプロペラ（５０）の後方で前記支持構造（１１）の前記前縁部（１１）に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記船体（２００）に固定して取り付けられ、中空本体を備える支持構造（１０）と、
   前記船舶の駆動方向（Ｓ１）において前記支持構造（１０）とチャンバ（２０）の後方に設置され、回転軸線（Ｙ−Ｙ）の周りで枢動可能に前記船体（２００）に支持される、ラダー（７０）と、をさらに備え、
   前記推進機関（３０）が、前端部（２１）と後端部（２２）を有するチャンバ（２０）に設置された第１の電動モータ（３０）を備え、前記チャンバ（２０）が、前記支持構造（１０）の下部（１２）に固定して取り付けられ、
   前記伝達手段（４０）が、第１の端部と第２の端部を有するシャフト（４０）を備え、前記シャフト（４０）の前記第１の端部が前記第１の電動モータ（３０）に結合され、前記シャフト（４０）の前記第２の端部が、前記チャンバ（２０）の前記前端部（２１）から突出し、前記プロペラ（５０）に結合され、
   前記振動センサ（３００）が、前記船舶の駆動方向（Ｓ１）において前記少なくとも１つのプロペラ（５０）の後方で前記支持構造（１１）の前記前縁部（１１）に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 回転軸線（Ｙ−Ｙ）の周りで枢動可能に前記船体（２００）に支持され、前記船舶の駆動方向（Ｓ１）において前記プロペラ（５０）の後方に設置されるラダー（７０）と、
   前記船舶の前記船体（２００）内に設置された第１の電動モータまたはディーゼル機関（３０）を備える前記推進機関（３０）と、
   第１の端部と第２の端部を有するシャフト（４０）を備え、前記シャフト（４０）の前記第１の端部が前記推進機関（３０）に結合され、前記シャフト（４０）の前記第２の端部が、前記船体（２００）の後端部から突出し、前記プロペラ（５０）に結合される、前記伝達手段（４０）と、
   前記振動センサ（３００）が、前記船舶の駆動方向（Ｓ１）において前記少なくとも１つのプロペラ（５０）の後方で前記ラダー（７０）の前縁部（１１）に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
9. 前記振動センサ（３００）が、前記少なくとも１つのプロペラ（５０）のブレードの先端が最上部位置にあるときのブレードの先端の高さに対応する基準高さ位置で、前記ラダー（７０）の前記前縁部（７１）に設置されており、前記プロペラ（５０）の直径（Ｄ１）の±２５％以下である、前記基準高さ位置からの垂直偏差（Ｖ１）が許容されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記船舶が、クルーザー、石油もしくは液化天然ガス運搬用タンカー、車両運搬船、コンテナ船またはフェリーであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの推進ユニット（１００）の出力が少なくとも１ＭＷであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 船体（２００）と、
    推進機関（３０）、伝達手段（４０）、前記伝達手段（４０）を介して前記推進機関（３０）に結合された少なくとも１つのプロペラ（５０）を備える、少なくとも１つの推進ユニット（１００）と、
    前記少なくとも１つのプロペラ（５０）のキャビテーションによって生じた振動を感知するために、前記少なくとも１つのプロペラ（５０）の近くに設置された振動センサ（３００）と、を備える船舶における方法であって、
    前記振動センサ（３００）で前記少なくとも１つのプロペラ（５０）のキャビテーションを測定するステップと、
    前記振動センサ（３００）の出力信号を制御ユニット（４００）に供給するステップと、
    前記少なくとも１つのプロペラ（５０）のキャビテーションを検出し、キャビテーションの悪化が生じているかを判定するために、前記制御ユニット（４００）で前記振動センサ（３００）の前記出力信号を解析するステップと、
    キャビテーションの悪化が生じているときに、キャビテーションの悪化が生じていることを航海船橋の表示ユニット上で示し、および／または、前記推進機関（３０）の回転速度および／または出力を調節するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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