JP4253636B2 - Marine vessel propulsion structure and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、請求項1のプリアンブルによる海洋船舶推進システムに関する。本発明は、請求項8のプリアンブルによる海洋船舶推進システムの動作方法にも関する。
The present invention relates to a marine vessel propulsion system according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for operating a marine vessel propulsion system according to the preamble of
海洋船舶の推進システムの設計の全般的なねらいは、いくつか挙げてみると、効率の良さ、信頼性及び耐久性の高さ、低速操船性能の良さである。特徴の重点は問題になっている用途に応じて決まる。 The overall goals of marine vessel propulsion system design are efficiency, reliability and durability, and good low-speed maneuvering performance, to name a few. The emphasis of features depends on the application in question.
たとえばROPAX船(RO−RO客船)と呼ばれる船において、巡航速度たとえば25ノットを超える速度で効率が良く、同時に、優れた港湾操船(harbour manoeuvring)性能をもたらす推進システムを提供する必要性がある。 There is a need to provide a propulsion system that is efficient at cruising speeds, for example, speeds exceeding 25 knots, and at the same time provides excellent harbor maneuvering performance, for example in ships called ROPAX ships (RO-RO passenger ships).
従来の機械的軸推進(mechanical shaft propulsion)に代わって、ポッド駆動装置と呼ばれるようなアジマス型推進駆動装置(azimuthing propulsion drives)の使用が提案されてきた。欧州特許公開第590867号を参照すると、そこでは船の推進モータとして働き駆動ユニットの端部にあるプロペラに連結されている電動機がその内部にある回転可能駆動ユニットからなる推進構造が示されている。ポッド駆動装置は、フレキシブルであって方位制御が可能であり主機関の位置の自由ももたらすという点で有利である。しかし、ポッド駆動装置はコストが高くつき、送電が著しい送電損失を引き起こす。 In place of conventional mechanical shaft propulsion, the use of azimuthing propulsion drives, called pod drives, has been proposed. Reference is made to European Patent Publication No. 590867, which shows a propulsion structure comprising a rotatable drive unit with an electric motor connected to a propeller at the end of the drive unit acting as a propulsion motor for a ship. . The pod drive is advantageous in that it is flexible and can be azimuth controlled and provides freedom in the position of the main engine. However, the pod drive device is expensive and power transmission causes significant power transmission loss.
機械的プロペラ駆動装置それ自体は、コストが安くシンプルであり動力伝達損失が実質上低いという明確な利点を有する。しかし、機械的プロペラは同様に欠点も有する。推進効率は望むほどではなく、可変ピッチ・プロペラが使用されるとき、特に低速状態において前進面におけるキャビテーションの危険がある。これは、プロペラを低ピッチ高回転速度条件で駆動させるとき発生し、それによって結果的にプロペラの羽根の表面における局部圧力が低下する。また実質的に操船性が劣っている。 The mechanical propeller drive itself has the distinct advantages of being cheap and simple and having substantially low power transmission losses. However, mechanical propellers have disadvantages as well. The propulsion efficiency is not as desirable and there is a risk of cavitation on the advancing surface when variable pitch propellers are used, especially at low speeds. This occurs when the propeller is driven at low pitch and high rotational speed conditions, thereby reducing the local pressure on the surface of the propeller blades. In addition, the ship maneuverability is substantially inferior.
Raimo Hamalainenによる資料「高速ropax船の流体力学(Hydrodynamics of fast ropax vessel)」において、全体レベルでのポッド駆動装置と機械的プロペラ駆動装置の組み合わせそれ自体が提案されてきた。提案の組み合わせは、いくつかの利点を有すると考えられている。しかし、この解決策は、特に低速/操船動作において、結果的に最適な解決策それ自体にならないことがわかっている。一般に、この提案は有望であるが依然として解決すべき実際的な問題がある。 A combination of pod drive and mechanical propeller drive at the whole level has been proposed in the document "Hydrodynamics of Fast Rope Vessel" by Raimo Hamalainen. The proposed combination is believed to have several advantages. However, it has been found that this solution does not result in an optimal solution per se, especially in low speed / steering operations. In general, this proposal is promising, but there are still practical problems to be solved.
本発明の目的は、従来技術の欠点を最小限に抑えた海洋船舶推進システム及びその動作方法を提供することである。具体的に、本発明の目的は、結果的に全体の特に低速/操船動作の効率及び動作が優れ、推進振動(propulsion vibration)及び雑音レベルも低減される、海洋船舶ハイブリッド推進システムを提供し、海洋船舶推進システムの動作方法を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a marine vessel propulsion system and method of operation thereof that minimizes the disadvantages of the prior art. In particular, the object of the present invention is to provide a marine vessel hybrid propulsion system that results in excellent overall low speed / steering maneuvering efficiency and operation, as well as reduced propulsion vibration and noise levels, It is to provide a method for operating a marine vessel propulsion system.
本発明の目的は、実質的に、請求項1、8に記載され他の請求項により詳細に記載されているように実現される。
The object of the invention is realized substantially as described in
本発明の好ましい一実施例によれば、本発明の目的は、船尾部分に、推進力を発生させるエンジン・システム及びいくつかの推進手段を備える海洋船舶推進システムによって実現される。その推進手段は、少なくとも2つの操舵動作可能推進構造(propulsion arrangements capable of steering action)と、可変ピッチ・プロペラを有し実質上フェザリング状態に調整可能な少なくとも1つの軸駆動式プロペラ駆動装置との組み合わせを含む。 According to a preferred embodiment of the present invention, the object of the present invention is realized by a marine vessel propulsion system comprising an engine system and several propulsion means for generating a propulsive force at the stern part. The propulsion means includes at least two propulsion arrangements capable of steering action and at least one shaft-driven propeller drive having a variable pitch propeller and substantially adjustable in a feathering state. Includes combinations.
本発明の好ましい一実施例によれば、少なくとも2つの操舵可能推進構造は、可変ピッチ・プロペラ・システム又は一定ピッチ・プロペラ・システムを備えることができるアジマス型推進構造である。アジマス型推進構造には、好ましくは、ピストン・エンジン発電機セットによって電力が供給される電動機によって電力が供給される。軸駆動式プロペラ駆動装置は、歯車システムなどによってピストン・エンジンに機械的に連結される。場合によっては、操舵可能推進構造としてウォータ・ジェット推進システムを使用してもよい。 According to a preferred embodiment of the present invention, the at least two steerable propulsion structures are azimuth type propulsion structures that can comprise a variable pitch propeller system or a constant pitch propeller system. The azimuth type propulsion structure is preferably powered by an electric motor that is powered by a piston engine generator set. The shaft driven propeller drive is mechanically coupled to the piston engine, such as by a gear system. In some cases, a water jet propulsion system may be used as the steerable propulsion structure.
本発明による推進システムは、異なる動作モード、すなわち具体的には通常/巡航速度動作モード及び低速/港湾操船動作モードそれぞれで異なって駆動されるように構成されている。通常/巡航速度動作モードにおいては、船の航走のために少なくとも2つのアジマス型推進構造及び少なくとも1つの軸駆動式プロペラ駆動装置両方が少なくとも推力を生じさせるようになされる。低速/港湾操船動作モードにおいては、船の航走のために少なくとも2つのアジマス型推進構造のみが推力を生じさせるようになされる。このように、操船動作はより有利になる。船の操舵は、常に、少なくとも2つの操舵動作可能推進構造すなわちアジマス型推進構造によって行われる。 The propulsion system according to the present invention is configured to be driven differently in different operating modes, specifically in normal / cruising speed operating mode and low speed / harbor maneuvering operating mode. In the normal / cruise speed mode of operation, at least two azimuth type propulsion structures and at least one shaft driven propeller drive are adapted to produce at least thrust for ship navigation. In the low speed / harbor maneuvering mode of operation, only at least two azimuth type propulsion structures are adapted to produce thrust for ship navigation. In this way, the boat maneuvering operation becomes more advantageous. The ship is always steered by at least two steerable propulsion structures, ie azimuth type propulsion structures.
軸駆動式プロペラ駆動装置のプロペラの羽根のピッチ角は、軸駆動式プロペラ駆動装置の軸の垂線に対して±80°〜100°になるように調整可能である。実際、これは、プロペラの羽根が船舶の長手軸に実質上平行になるまでどちらかの方向に回転されることを意味する。回転方向は、流れ抵抗を最低限に抑えるように羽根の形に応じて選択することができる。好ましくは、エンジン・システムは、歯車、及びプロペラ駆動軸をエンジンに連結する非係合(disengaged)位置にシフト可能な結合手段を備える。これによって、プロペラがフェザリング状態になる前及びその間、駆動軸への動力の伝達が止められるという利点がもたらされる。結合手段を備えるプロペラ駆動装置により、動力の伝達が切られている間、エンジンがかけたままにされることも可能になる。しかし、たとえば不必要な排出を低減するために、エンジンを止めることは有利である。 The pitch angle of the propeller blades of the shaft drive type propeller drive device can be adjusted to be ± 80 ° to 100 ° with respect to the axis perpendicular to the shaft drive type propeller drive device. In practice, this means that the propeller blades are rotated in either direction until they are substantially parallel to the longitudinal axis of the ship. The direction of rotation can be selected according to the shape of the blade so as to minimize flow resistance. Preferably, the engine system comprises gears and coupling means shiftable to a disengaged position that couples the propeller drive shaft to the engine. This provides the advantage that transmission of power to the drive shaft is stopped before and during the propeller is in the feathering state. The propeller drive with the coupling means also allows the engine to remain running while power transmission is cut off. However, it is advantageous to stop the engine, for example to reduce unnecessary emissions.
船尾部分に少なくとも2つの操舵動作可能推進構造及び可変ピッチ・プロペラを有する少なくとも1つの軸駆動式プロペラ駆動装置を備える海洋船舶推進システムの動作方法によれば、通常/巡航速度において、推進力は、軸駆動式プロペラ駆動装置及び操舵動作可能推進構造によってもたらされる。操舵推力(steering thrust)は、操舵動作可能推進構造によってもたらされる。軸駆動式プロペラ駆動装置の推力は、主に、プロペラのピッチ角を調整することによって調整する。さらに、低速及び/又は港湾操船動作においては、軸駆動式プロペラ駆動装置をフェザリングになるように調整し、プロペラへの動力の伝達を止める。軸駆動式プロペラのピッチ角を調整することによってこれを行う。 According to the method of operation of a marine vessel propulsion system comprising at least two steerable propulsion structures at the stern and at least one shaft-driven propeller drive having a variable pitch propeller, at normal / cruising speed, the propulsive force is Provided by the shaft driven propeller drive and steering propulsion structure. Steering thrust is provided by a steerable propulsion structure. The thrust of the shaft-driven propeller drive device is adjusted mainly by adjusting the pitch angle of the propeller. Further, in low speed and / or harbor maneuvering operation, the shaft-driven propeller drive device is adjusted to be feathered to stop transmission of power to the propeller. This is done by adjusting the pitch angle of the shaft driven propeller.
エンジン・システムからプロペラ駆動装置への動力の供給が止められている間、少なくとも2つの操舵動作可能推進構造は動作したままで維持される。軸駆動式プロペラ駆動装置への動力の伝達は、軸駆動式プロペラ駆動装置の軸からエンジンを係合解除することによって、又は歯車システムがない単一のエンジンの場合、プロペラをフェザリングに調整する前にエンジンを止めることによって止める。 While the power supply from the engine system to the propeller drive is turned off, at least two steerable propulsion structures are maintained operating. Transmission of power to the shaft-driven propeller drive adjusts the propeller to feathering by disengaging the engine from the shaft of the shaft-driven propeller drive or in the case of a single engine without a gear system Stop by stopping the engine before.
軸駆動式プロペラ駆動装置のプロペラのピッチ角は、有利には、+80°〜100°又は−80°〜100°になるように調整する。少なくとも2つの操舵動作可能推進構造には、好ましくは、1つ又は複数のピストン・エンジン発電機セットによって電力が供給される電動機によって電力が供給される。低速及び/又は港湾操船動作の間、ピストン・エンジン発電機セットのピストン・エンジンは、アイドリング速度よりも速い速度、実質的に、最も効率の良い一定速度で、好ましくは前記推進構造の消費電力とは実質上独立して動作される。このように、エンジンは、電力需要及び船舶の現行速度に関係なく最適環境で動作されることができる。 The pitch angle of the propeller of the shaft-driven propeller drive device is advantageously adjusted to be + 80 ° to 100 ° or −80 ° to 100 °. The at least two steerable propulsion structures are preferably powered by an electric motor powered by one or more piston engine generator sets. During low speed and / or port maneuvering operations, the piston engine of the piston engine generator set is faster than the idling speed, substantially at the most efficient constant speed, preferably with the power consumption of the propulsion structure. Are operated substantially independently. In this way, the engine can be operated in an optimal environment regardless of the power demand and the current speed of the ship.
本発明は従来技術よりいくつかの利点をもたらす。まず、本推進システムにより、従来のディーゼル‐電気式推進システムと比べて投資コストがより低くなる。優れた操船特性並びに高速船についての優れた推進効率ももたらされる。本発明の場合、低速/操船動作において、エンジンは最適状態で動作することができ、軸駆動式プロペラ駆動装置のキャビテーションの危険がない。また、本発明の利点の1つは、ネットワークに連結されるディーゼル発電機の数を、負荷要求(load demand)に従って変える、すなわちエンジンをスタートさせる又は止めることができることである。このように、エンジン負荷をより最適に近づけて保持することができる。 The present invention provides several advantages over the prior art. First, the propulsion system lowers the investment cost compared to conventional diesel-electric propulsion systems. Excellent marine maneuvering characteristics as well as excellent propulsion efficiency for high speed vessels is also provided. In the case of the present invention, in the low speed / steering operation, the engine can operate in an optimum state, and there is no risk of cavitation of the shaft driven propeller drive device. Also, one advantage of the present invention is that the number of diesel generators connected to the network can be changed according to load demand, i.e. the engine can be started or stopped. In this way, the engine load can be held closer to the optimum.
本発明を添付の図面を参照して一例として以下に述べる。 The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
図において、参照番号1の船舶の船こく(hull)を参照して、その船尾部分だけが示されている。船舶は、多数のピストン・エンジン発電機セット2.1及び軸駆動式機械的プロペラ駆動装置3に機械的に連結される多数のピストン・エンジン2.2を有する、エンジン・システム2を備える。軸駆動式プロペラ駆動装置3は歯車及びクラッチ4を備え、それを介してエンジン2.2がプロペラ駆動装置3の駆動軸5に連結される。駆動軸5の外端にはプロペラ6が連結されている。軸駆動式プロペラ・システム駆動装置3は、可変ピッチ・プロペラ6及びそのピッチ角Aを調整する構造7を備える。図では、構造7は非常に簡略化してある。ピッチ角調整構造7は、そういうものとして知られている油圧式又は機械式の市販のシステムであってよい。しかし、ピッチ角調整構造7は、プロペラのピッチを実質上のフェザリング状態に調整可能であるようなものである。実際、これはプロペラ羽根を回転させる機構により羽根が通常のピッチ調整よりも大きな角度に回転されるようなることを意味する。このことは、図2を参照して以下にさらに詳細なかたちで述べる。
In the figure, with reference to the hull of the reference number 1, only its stern portion is shown. The ship comprises an engine system 2 having a number of piston engine generators 2.1 and a number of piston engines 2.2 mechanically coupled to a shaft driven
ピストン・エンジン発電機セット2.1により電力が発生され、それがネットワーク8に供給される。電力は、ネットワーク8を介して、ポッド駆動ユニット9のような操舵動作可能推進構造に送られることができる。ポッド駆動ユニット9は、図に矢印で示されているように、その垂直軸まわりに回転可能である。本発明において、この特徴が利用され、したがってポッド・ユニット9は操舵装置として動作し、軸駆動式プロペラ駆動装置3はいかなる舵システムも有さない。
Electric power is generated by the piston engine generator set 2.1 and supplied to the
軸駆動式プロペラ駆動装置3は、船こくの中心線のところに位置決めされている。軸駆動式プロペラ駆動がいくつかある場合、船こく1の中心線に対して対称にそれらを位置決めすることが望ましい。図において、2つの操舵動作可能推進構造すなわちポッド駆動装置9は、軸駆動式プロペラ駆動装置3の両側に、軸駆動式プロペラ駆動装置3のプロペラ6と実質上同じ長手方向位置に位置決めされている。
The shaft-driven
通常巡航速度状態においては、軸駆動式プロペラ駆動装置3及びポッド駆動装置9が、船の航走のための推進力を発生させるために使用される。ポッド駆動装置9は、可変速度プロペラ・システムを備え、ポッド駆動装置9の推進力は、それらのプロペラの回転速度を制御することによって調整する。可変ピッチ・プロペラを備える場合、推進力は、プロペラのピッチ角を制御することによって制御することもできる。軸駆動式プロペラ駆動装置3の推進力は、主に、プロペラのピッチ角を調整することによって調整する。もちろん、エンジン回転数を調整することによって回転速度を調整することも可能である。
In the normal cruise speed state, the shaft-driven
より良い操船性(manoeuvrability)が望まれる速度が遅い動作においては、ポッド駆動装置9だけが推進に使用される。この動作モードにおいて、軸駆動式プロペラ駆動装置のピッチ角は、その流れ抵抗が実質上低減されるように調整される。この状態は図2に示されている。このようにして、全体的な効率が増大され得る。好ましくは、軸駆動式プロペラ駆動装置3のピッチ角(A)は、プロペラがフェザリングするように調整される。本明細書において、フェザリング又はフェザリング状態という用語は、弦である羽根の前縁と後縁の間の直線が水流線又は船舶の長手軸にほぼ平行になるように、羽根角(A)が位置決めされることを意味する。羽根角(A)とは、駆動軸の垂線と羽根の前縁及び後縁を結ぶ直線の平均方向との間の角を意味する。
In low speed operations where better maneuverability is desired, only the pod drive 9 is used for propulsion. In this mode of operation, the pitch angle of the shaft driven propeller drive is adjusted so that its flow resistance is substantially reduced. This state is shown in FIG. In this way, overall efficiency can be increased. Preferably, the pitch angle (A) of the shaft-driven
低速/港湾操船動作に切り替えるとき、まず、軸駆動式プロペラ駆動装置3への動力の供給を止める。非係合位置にクラッチ4をシフトすることによってこれを行うことができる。動力の伝達を止めた後、駆動装置3のプロペラを、フェザリング状態に調整する。このように、低速/操船動作についての本推進システムの有利な特徴を得ることが可能である。ポッド駆動装置9は、動作中、ピストン・エンジン発電機セット2.1のピストン・エンジンがアイドリング速度よりも速い速度、実質的に、最も効率の良い一定速度で、前記推進構造9の消費電力とは実質上独立して動作されるかたちで維持される。これは、全電力発生量がポッド駆動装置9の実際の電力需要量よりも大きくなることがあることを意味する。エンジン・システム2.2をシャット・ダウンすることも有利である。本発明によれば、この動作モードにおいて、エンジン・システム2は、結果的に排出及び船こく構造の振動を低く抑える最も有利なかたちで動作される。
When switching to the low speed / harbor maneuvering operation, first, the power supply to the shaft drive type
本発明は、図示の実施例に限定されないが、本発明の様々な修正形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内で可能である。 While the invention is not limited to the illustrated embodiments, various modifications of the invention are possible within the scope of the appended claims.
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