JP4401798B2 - 蒸気タービン船の主タービントルク制限装置 - Google Patents
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Description
本願発明は、蒸気タービン船における主タービンがオーバートルクの運転状態とならないようにトルクを制限する装置に関する。
従来より、蒸気タービン船の主タービンの操縦は、港内運転時等の操船モード（maneuvering zone）では回転数制御で行われ、大洋航海時等の航行モード（navigation zone）では操縦弁の開度一定制御によって行われている。この航行モードにおける操縦弁の開度一定制御は、主タービンに供給する蒸気量一定の運転制御であり、図６のグラフに示すように、横軸の操縦弁開度と縦軸の主タービン回転数との対応関係から、操縦弁の開度制御（リフト量制御）によって主タービンの回転数を制御し、主タービンを一定トルクで運転するようにした制御である。
また、このように操縦される主タービンは、通常、平水域での運転においては、主タービンが高トルクで運転することがないように設計されている。例えば、図７のグラフに示す蒸気タービン船における主タービン運転制限カーブのように、横軸に示す主タービンの軸回転数と縦軸に示す出力とが互いに１００％となる点 をデザインポイントとし、軸回転数は１０５％、出力は１０３％、そして運転時のトルクを１０５％までに制限した斜線で囲む範囲 内で運転するように設計されている。
しかし、大洋航行時には高波や強風が発生した荒天時等もあり、このような荒天時等には船体に作用する波や風の外力によって船体速度が落ち、プロペラを駆動する主タービンの回転数が落ちてタービン翼に作用する圧力が上昇して高トルクの運転状態となり、場合によってはオーバートルクの運転状態となる可能性がある。
そのため、このような荒天時等には、主タービンが高トルクの運転とならないように機関長等がその状況に応じて主タービンの回転数を制御する運転を行っている。
なお、この種の従来技術として、タービンフランジの内側と外側の温度を検出し、この温度に基いて指示回転数に対するそれらの将来の温度を予測し、フランジの内外温度差を一定にする増減速の時間を設定して、その時間に沿ったスケジュールで回転数を増減速させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭４９−５０３０２号公報（第３−９頁、図２）
ところで、通常、前記した荒天時等でオーバートルクとなる状況は航行モードの運転状態であるため、主タービンの運転制御は操縦弁の開度一定制御となる。そのため、負荷状況が大きく変化する荒天時等に操縦弁の開度制御によって主タービンの回転数をその状況に応じて制御するのは難しく、機関長等の経験や勘に頼って制御される場合が多い。
しかしながら、近年、熟練した機関長等が少なくなり、荒天時等の状況に応じて安定した運転制御を行うのが難しくなっている。その上、主タービンは負荷トルクに関係なく操縦弁開度制御によって制御されてオーバートルクに対し何ら制御がなされていないので、荒天時等の主タービン運転制御がオーバートルクの運転状態となる可能性がある。そのため、このようなオーバートルクの状態で運転を行うと、主タービンや減速機の損傷に至るおそれがある。特に、プロペラを駆動する減速機の歯車に大きな負荷が作用して損傷に至るおそれがある。
さらに、従来は主タービンや他の構成が出力に対して大きな余裕を持たせて設計されていたが、近年、製造費用の削減や小型化のために主タービンや各構成を船体に対して余裕の少ない設計がなされているため、この点からも荒天時等の運転がオーバートルクの運転状態となって、前記したように主タービンや減速機の損傷に至るおそれを生じる。
このようなことから、荒天時等のように負荷変動が大きな運転状況においても主タービンがオーバートルクの運転状態とならないように制限できる装置が切望されている。
なお、前記特許文献１は、タービンフランジの内外温度に基いて回転数を増減速させようとするものであり、主タービンがオーバートルクの運転状態とならないように制限できるものではない。
そこで、前記課題を解決するために、本願発明は、蒸気タービン船のプロペラを駆動する主タービンの航行モードにおける回転数制御を、ハンドル指令に基づく操縦弁の開度調整による主蒸気量で行う蒸気タービン船の主タービントルク制限装置であって、前記プロペラの実回転数を検出する回転数検出器と、該回転数検出器で検出した実回転数に適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実回転数テーブルとを設け、該実回転数テーブルから実回転数に対する指令回転数を出力し、該指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力して主タービンのトルクが設定値を超えないように前記操縦弁の開度を制御する制御装置を設けている。このようにすれば、実回転数に基いて主タービンのトルクが設定値を超えないように制限することができる。
また、蒸気タービン船のプロペラを駆動する主タービンの航行モードにおける回転数制御を、ハンドル指令に基づく操縦弁の開度調整による主蒸気量で行う蒸気タービン船の主タービントルク制限装置であって、前記プロペラの実トルクを検出するトルク検出器と、該トルク検出器で検出した実トルクに適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実トルクテーブルとを設け、該実トルクテーブルから実トルクに対する指令回転数を出力し、該指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力して主タービンのトルクが設定値を超えないように前記操縦弁の開度を制御する制御装置を設けてもよい。このようにすれば、実トルクに基いて主タービンのトルクが設定値を超えないように制限することができる。
さらに、蒸気タービン船のプロペラを駆動する主タービンの航行モードにおける回転数制御を、ハンドル指令に基づく操縦弁の開度調整による主蒸気量で行う蒸気タービン船の主タービントルク制限装置であって、前記プロペラの実回転数を検出する回転数検出器と該プロペラの実トルクを検出するトルク検出器とを設け、該回転数検出器で検出した実回転数に適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実回転数テーブルを設け、該実回転数テーブルから実回転数に対する指令回転数を出力し、該指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数を主指令回転数として出力するとともに、前記トルク検出器で検出した実トルクに適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実トルクテーブルを設け、該実トルクテーブルから実トルクに対する指令回転数を出力し、該指令回転数と前記主指令回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力して主タービンのトルクが設定値を超えないように前記操縦弁の開度を制御する制御装置を設ければ、実回転数と実トルクとに基いて、より安定して主タービンのトルクが設定値を超えないように制限することができる。
また、前記蒸気タービン船の主タービントルク制限装置において、前記実回転数に対する指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数を主指令回転数とし、該主指令回転数をタイムスケジューラによって所定時間で増減速させ、該増速又は減速させた主指令回転数と前記実トルクに対する指令回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力するようにすれば、最終的に操縦弁に出力されるハンドル指令回転数を実トルクで制限して、負荷上昇によるトルク上昇を安定して制限することができる。
本願発明は、以上説明したような手段により、実際の負荷に応じて変化する主タービントルクがオーバートルクとならないように制限することが可能となる。
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を示す蒸気タービン船における主タービントルク制限装置の構成図である。なお、この実施形態では、実回転数と実トルクとによって主タービンのトルクがオーバートルクとならないように制限する例を説明する。
図示するように、プロペラ１のプロペラ軸５を駆動する減速機２には、高圧の主タービン３と低圧タービン４とが設けられている。この実施形態では、低圧タービン４によって熱回収効率を上げているが、この低圧タービン４は無くてもよい。
前記主タービン３には、主蒸気を供給する供給管６が接続されており、この供給管６には主蒸気の供給量を制御する操縦弁７が設けられている。また、前記プロペラ軸５には、このプロペラ軸５の実回転数を検出する回転数検出器８と、このプロペラ軸５に作用する実トルクを検出するトルク検出器９とが設けられている。これら回転数検出器８とトルク検出器９とは、配線１１，１２によって制御装置１０と接続されている。
この制御装置１０と前記操縦弁７とは配線１３によって接続されており、制御装置１０からの信号に基いて開度調整がなされるように構成されている。この操縦弁７の開度調整によって主タービン３に供給される主蒸気量が制御される。蒸気タービン船が航行モードで運転されている時には、この操縦弁７の開度調整による主蒸気量によって主タービン３の回転数が決まる。このような主タービントルク制限装置５０の詳細を以下に説明する。
図２は図１に示す主タービントルク制限装置における実回転数に基づいて主タービンのトルクを制限するようにした機能を示すブロック図であり、図３は図２に示す実回転数に対する指令回転数を示すグラフである。図４は図１に示す主タービントルク制限装置における実トルクに基づいて主タービンのトルクを制限するようにした機能を示すブロック図であり、図５は図４に示す実トルクに対する指令回転数を示すグラフである。なお、これらの図において、「ハンドル指令」と「指令回転数」とは表現が異なるが、「ハンドル指令」は主タービンの回転数を指令する回転数信号のことで主タービンに対する「指令回転数」と同じであり、信号の位置で表現を異ならせたものである。
図２に示すように、船橋１４（Wheel House）からのハンドル指令１５と、機関制御室１６（Engine Control Room）からのハンドル指令１７とが制御装置１０（図示する縦線の右側は制御装置内を示す。）に入力されており、これらの指令のいずれかがセレクション１８によって選択されるように構成されている。１９は、船橋１４および機関制御室１６から出力されたレバー傾転角を操縦弁開度パーセントのハンドル指令１５，１７に変換する変換テーブルである。
そして、セレクション１８によって選択された側のハンドル指令１５又は１７がハンドル指令テーブル２０によってハンドル指令回転数２１（ハンドル指令）に変換されて出力される。このハンドル指令回転数２１は、ハンドル指令テーブル２０によって前進（AHEAD）又は後進（ASTERN）、もしくは停止（STOP）位置でのハンドル指令１５又は１７（横軸）の大きさに応じて、主タービン３の最大回転数に対する割合の主指令回転数（縦軸）として出力される。
一方、プロペラ軸５（図１）から検出された実回転数２２が制御装置１０に入力されている。この入力された実回転数２２は、実回転数テーブル２３によって主タービンがオーバートルクとならないような第１指令回転数２４として出力される。
図３に示すように、この実施形態における実回転数テーブル２３は、横軸に実回転数の最大回転数に対する割合を示し、縦軸に指令回転数の最大回転数に対する割合を示している。また、この実施形態では、図の右側に示す前進側（AHEAD）、図の左側に示す後進側（ASTERN）共に、横軸に示す実回転数のほぼ５０％の範囲となる操船モードでは指令回転数２４を５０％の一定にして指令回転数を制限しないようにしている。そして、実回転数が５０％を超える航行モードでは、前進側および後進側共に、実回転数にほぼ比例するように指令回転数２４を増加させるような制限を与えている。
図２に示すように、この実回転数テーブル２３から出力された第１指令回転数２４は、第１低側選択手段２５（LOW SELECT）によって前記ハンドル指令テーブル２０から出力されたハンドル指令回転数２１と比較される。この低側選択手段２５は、ハンドル指令回転数２１と第１指令回転数２４とを比較して低い方を選択して出力する手段である。例えば、ハンドル指令回転数２１が第１指令回転数２４よりも高い場合には第１指令回転数２４が選択されて出力され、ハンドル指令回転数２１が第１指令回転数２４よりも低い場合はハンドル指令回転数２１が選択されて出力される。
つまり、航行モードにおいては、ハンドル指令１５又は１７に応じたハンドル指令回転数２１と、実回転数から主タービン３の運転に適した上限の指令回転数２４とが比較され、それらの低い方が低側選択手段２５で選択されて主指令回転数２６（後述する実トルクによる回転数制限がない場合は、ハンドル指令回転数となる。）として出力されるようにしている。
したがって、航行モードでは、プロペラ軸５の回転数に関係なく大きなハンドル指令１５又は１７を出したとしても、プロペラ軸５の実回転数が低い場合には実回転数テーブル２３からその実回転数に適した指令回転数２４が出力されるので、ハンドル指令15又は１７がこの指令回転数２４を超える場合でも低側選択手段２５によって指令回転数２４が選択されて実回転数に適した回転数以上の指令がでないように制限される。これにより、プロペラ軸５の回転数が負荷上昇等で低下した場合には主指令回転数２６が制限されるので、主タービン３のトルクが大きく上昇するのを制限することができる。
なお、この実施形態では主指令回転数２６（ハンドル指令回転数）として回転数を用いているため、ハンドル指令テーブル２０の後に低側選択手段２５を設けているが、実回転数から前記ハンドル指令１５又は１７と同一の信号を出力するように構成すれば、ハンドル指令テーブル２０の前に低側選択手段２５が設けられる。
一方、制御装置１０には、操縦弁７の弁開度２７が入力されている。この弁開度は弁開度変換テーブル２８によって回転数相当の信号２９に変換されている。この図では１つの弁開度変換テーブル２８によって変換されているが、複数の変換テーブルを設けるようにしてもよい。
この回転数相当の信号２９と前記主指令回転数２６とが、選択部３０によって選択され、図示する［Ａ］に出力される。
図４に示すように、前記図２の［Ａ］と図４の［Ａ］とは同一であり、選択部３０から入力された主指令回転数２６（又は回転数相当の信号２９）はタイムスケジューラ３１に入力されている。このタイムスケジューラ３１では、横軸に示す所定の時間で縦軸に示す前記主指令回転数２６（ハンドル指令回転数）まで徐々に回転数を上昇させるように制御される。タイムスケジューラ３１は、蒸気タービン船に応じて設定されている。このタイムスケジューラ３１から出力された主指令回転数２６がこの制御装置１０（図の両側部に示す縦線の内側）に取り込まれている回転数信号３２と比較部３３で比較され、タイムスケジューラ３１に基づく時間と回転数との関係を保つようにフィードバック制御されている。
一方、プロペラ軸５（図１）から検出された実トルク３４が制御装置１０に入力されている。この入力された実トルク３４は、実トルクテーブル３５によって主タービンがオーバートルクとならないような第２指令回転数３６として出力される。
図５に示すように、この実施形態における実トルクテーブル３５は、横軸に実トルクの最大トルクに対する割合を示し、縦軸に指令回転数の最大回転数に対する割合を示している。また、この実施形態では、横軸に示す実トルクのほぼ３０％の範囲となる操船モードでは指令回転数３６を約６８％の一定にして指令回転数を制限しないようにしている。そして、実トルクがほぼ３０％を超える航行モードでは、実トルクの上昇に伴って徐々に指令回転数３６の上昇率が小さくなるような制限を与えている。
この実トルクテーブル３５から出力された第２指令回転数３６は、第２低側選択手段３７（LOW SELECT）によって前記タイムスケジューラからの主指令回転数２６と比較される。この第２低側選択手段３７は、主指令回転数２６と第２指令回転数３６とを比較して低い方を選択する手段である。例えば、主指令回転数２６が第２指令回転数３６よりも高い場合には第２指令回転数３６が選択されて出力され、主指令回転数２６が第２指令回転数３６よりも引く場合は主指令回転数２６が選択されて出力される。
つまり、航行モードにおいては、主指令回転数２６と、実トルクから主タービン３の運転に適した上限の指令回転数３６とが比較され、それらの低い方が低側選択手段３７で選択されてハンドル指令回転数３８として出力されるようにしている。
したがって、航行モードでは、プロペラ軸５に作用するトルクがオーバートルクとなるような大きな主指令回転数２６がタイムスケジューラ３１から出力されたとしても、プロペラ軸５の実トルク３４が高い場合には実トルクテーブル３５によってその実トルク３４に適した指令回転数３６がハンドル指令回転数３８として出力されるので、主指令回転数２６がこの指令回転数３６を超える場合には低側選択手段３７によって指令回転数３６が選択されて実トルク３４に適した回転数以上の指令がでないように制限される。
この低側選択手段３７から出力されるハンドル指令回転数３８は、自動運転信号３９との選択部４０を介して弁開度変換テーブル４１によって操縦弁７（図１）を操作する電気信号に変換され、操縦弁７の開度を操作する信号として制御装置１０から操縦弁７に出力される。なお、この弁開度変換テーブル４１では、回転数信号を操縦弁７の弁リフト量を制御する信号に変換しているが、装置構成に応じた変換テーブルを設けて変換するようにすればよい。
これにより、主タービン３の回転数信号として出力されたハンドル指令回転数３８に対応するように、操縦弁７によって主タービン３に供給される主蒸気の量、すなわち、操縦弁７の弁リフト量が制御される。
しかも、この実施形態では、上述した図２に示すように、ハンドル指令１５又は１７を実回転数２２に応じた指令回転数２４で制限するとともに、この指令回転数２４で制限した主指令回転数２６を、図４に示すように実トルク３４に応じた指令回転数３６で制限するようにしているので、実回転数と実トルクとに基いて主タービンのトルクがオーバートルクとならないような設定値を超えないように制限することが安定して行える。
すなわち、この実施形態によれば、航行モードでは、プロペラ軸５の回転数に関係なく大きなハンドル指令１５，１７を出したとしても、プロペラ軸５の実回転数が低い場合には実回転数テーブル２３からその実回転数に適した指令回転数２４が出力されて、ハンドル指令１５，１７がこの指令回転数２４を超える場合には低側選択手段２５によって指令回転数２４が選択されて主指令回転数２６として出力され、そして、この主指令回転数２６が、プロペラ軸５の実トルクに適した回転数として実トルクテーブル３５から出力された指令回転数３６と比較され、主指令回転数２６がこの指令回転数３６を超える場合には低側選択手段３７によって指令回転数３６が選択されて実トルクに適した回転数以上の指令回転数がでないようにハンドル指令回転数３８が制限されるので、実回転数および実トルクの両方から制限された回転数以上の回転数となる量の主蒸気が主タービン３に供給されないように操縦弁７の弁開度を制御することができる。
したがって、操船者等の運転操作にかかわらず、主タービン３がオーバートルクの状態で運転されることはなく、荒天時等で外力が作用した場合でも主タービン３を設計範囲内で安定して運転することが可能となる。
上述した実施形態においては、実回転数テーブル２３と実トルクテーブル３５とから出力された第１指令回転数２４と第２指令回転数３６とによって主タービン３への主蒸気量を制限するようにしているが、実回転数又は実トルクのいずれか一方のみでも主タービン３への主蒸気量を制限することはできる。この主蒸気量が制限された場合、操縦者等が確認できるように警報を出してもよい。
なお、上述した実施形態における実回転数テーブル２３や実トルクテーブル３５における指令回転数２４，３６の制限カーブは一例であり、船体の大きさや主タービン３の特性、その他、使用条件に応じて設定すればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。
また、上述した実施形態では、プロペラ軸５から実回転数と実トルクとを検出するように構成しているが、減速機２や主タービン３からこれらを検出するようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態は最良の実施形態の一例を示しており、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
本願発明に係る蒸気タービン船の主タービントルク制限装置は、様々な海象状況において蒸気タービン船の主タービンがオーバートルクとならないように運転するために有用である。
１…プロペラ
２…減速機
３…主タービン
４…低圧タービン
５…プロペラ軸
６…供給管
７…操縦弁
８…回転数検出器
９…トルク検出器
１０…制御装置
１１，１２，１３…配線
１４…船橋
１５…ハンドル指令
１６…機関制御室
１７…ハンドル指令
１８…セレクション
１９…変換テーブル
２０…ハンドル指令テーブル
２１…ハンドル指令回転数
２２…実回転数
２３…実回転数テーブル
２４…第１指令回転数
２５…第１低側選択手段
２６…主指令回転数（ハンドル指令回転数）
２７…弁開度
２８…弁開度変換テーブル
２９…回転数相当の信号
３０…選択部
３１…タイムスケジューラ
３２…回転数信号
３３…比較部
３４…実トルク
３５…実トルクテーブル
３６…第２指令回転数
３７…第２低側選択手段
３８…ハンドル指令回転数
３９…自動運転信号
４０…選択部
４１…弁開度変換テーブル
５０…主タービントルク制限装置
２…減速機
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４…低圧タービン
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４０…選択部
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５０…主タービントルク制限装置
Claims (4)
- 蒸気タービン船のプロペラを駆動する主タービンの航行モードにおける回転数制御を、ハンドル指令に基づく操縦弁の開度調整による主蒸気量で行う蒸気タービン船の主タービントルク制限装置であって、
前記プロペラの実回転数を検出する回転数検出器と、該回転数検出器で検出した実回転数に適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実回転数テーブルとを設け、該実回転数テーブルから実回転数に対する指令回転数を出力し、該指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力して主タービンのトルクが設定値を超えないように前記操縦弁の開度を制御する制御装置を設けた蒸気タービン船の主タービントルク制限装置。 - 蒸気タービン船のプロペラを駆動する主タービンの航行モードにおける回転数制御を、ハンドル指令に基づく操縦弁の開度調整による主蒸気量で行う蒸気タービン船の主タービントルク制限装置であって、
前記プロペラの実トルクを検出するトルク検出器と、該トルク検出器で検出した実トルクに適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実トルクテーブルとを設け、該実トルクテーブルから実トルクに対する指令回転数を出力し、該指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力して主タービンのトルクが設定値を超えないように前記操縦弁の開度を制御する制御装置を設けた蒸気タービン船の主タービントルク制限装置。 - 蒸気タービン船のプロペラを駆動する主タービンの航行モードにおける回転数制御を、ハンドル指令に基づく操縦弁の開度調整による主蒸気量で行う蒸気タービン船の主タービントルク制限装置であって、
前記プロペラの実回転数を検出する回転数検出器と該プロペラの実トルクを検出するトルク検出器とを設け、該回転数検出器で検出した実回転数に適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実回転数テーブルを設け、該実回転数テーブルから実回転数に対する指令回転数を出力し、該指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数を主指令回転数として出力するとともに、前記トルク検出器で検出した実トルクに適した軸トルクとなる指令回転数を設定した実トルクテーブルを設け、該実トルクテーブルから実トルクに対する指令回転数を出力し、該指令回転数と前記主指令回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力して主タービンのトルクが設定値を超えないように前記操縦弁の開度を制御する制御装置を設けた蒸気タービン船の主タービントルク制限装置。 - 前記実回転数に対する指令回転数とハンドル指令の回転数とを比較して低い回転数を主指令回転数とし、該主指令回転数をタイムスケジューラによって所定時間で増減速させ、該増速又は減速させた主指令回転数と前記実トルクに対する指令回転数とを比較して低い回転数をハンドル指令回転数として出力するようにした請求項３記載の蒸気タービン船の主タービントルク制限装置。
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