JP5513830B2 - 舶用推進プラント - Google Patents

Description

本発明は、ＬＮＧ船等の船舶に搭載される舶用推進プラントに関する。

ＬＮＧ船の推進プラントとして、所謂ボイルオフガスを燃料として有効活用する蒸気タービンが利用されている。蒸気タービンを利用した推進プラントは、主推進器を駆動するための主機タービンのほか、船内動力を発生する発電機、及び給水ポンプ等の補機を駆動するためのタービンを複数装備している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２２３３５８号公報

しかし、一般に従来の推進プラントには、発電機及び補機の機器一つ一つに専用の蒸気タービンが装備されている。よって、これら蒸気タービンが各所に点在することとなり、推進プラントを狭い機関室内に配置するのに苦慮することがある。

また、補機の駆動に蒸気タービンを適用する場合には機関室内でのスペースを出来るだけ確保するため、単段式や２段式といった小型のタービンが利用されているのが現状である。かかる低段数のタービンは、一般的に多段式の蒸気タービンと比べて効率が悪く、燃費がよくない。つまり、従来の推進プラントには、補機の個数に応じて効率が悪い蒸気タービンが複数装備されることとなるので、推進プラント全体の燃費を高めるのが難しくなっている。かかる状況が改善されなければ、舶用機関の分野でも近年高まってきている省エネルギー化の要請に応えることが難しい。

ここで、補機に対応する蒸気タービン自体の効率を高めようとする場合、１段当たりの圧力降下の大きい単段式や２段式といった蒸気タービンでは性能向上のために理想的な翼形状に近付けようとすると翼自体が強度的に厳しくなる。従って、現状のサイズを維持しつつ効率改善を図るのは難しい。

そこで本発明は、推進プラント全体の構成をコンパクト化するとともに推進プラント全体の効率を高めることを目的としている。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る舶用推進プラントは、ボイラが発生した蒸気により回転駆動される主機タービンを備え、前記主機タービンの回転動力に基づいて主推進器を駆動する舶用推進プラントであって、蒸気により回転駆動される多段式の補助タービンと、前記補助タービンの回転動力に基づいて同時駆動される複数の機器とからなる補助タービンユニットを備え、前記複数の機器が、船内動力を発生する発電機と、当該推進プラントに備えられた給水ポンプとを含むことを特徴とする。

前記構成によれば、発電機や補機等の機器一つ一つに専用に装備されていた蒸気タービンを削減可能になる。このため、推進プラント全体の構成をコンパクト化することができる。このときには、効率の良くない単段式や２段式といった蒸気タービンの削減が可能となるのに対し、本発明に係る補助タービンは多段式であって削減される蒸気タービンよりも効率がよい。このため、推進プラント全体の効率が向上する。特に、従来単段式や２段式といった効率の良くない小型の蒸気タービンで駆動されていた給水ポンプを補助タービンによって発電機とともに駆動するようにしたことで、効率の良くない蒸気タービンを削減することができ、効率が改善された推進プラントを実現可能となる。

前記ボイラが発生した蒸気を前記主機タービンに送るための蒸気ラインと、前記蒸気ラインから分岐された分岐ラインと、を備え、前記補助タービンには、前記分岐ラインが接続されていることが好ましい。

前記補助タービンユニットは、前記補助タービンの回転動力が入力される駆動要素、及び前記駆動要素の回転動力が減速されて伝達される従動要素を有した減速装置を備え、複数の機器のうちの一つが前記駆動要素に連結され、前記複数の機器のうちの他の一つが前記従動要素に連結されていてもよい。これにより、補助タービンにより駆動される機器間で、入力すべき回転動力の最適回転数が相違していても、各機器に対応して最適な回転数の回転動力を入力することができる。

前記補助タービンユニットは、前記補助タービンの回転動力が入力される駆動要素、及び前記駆動要素の回転動力が伝達される第１従動要素及び第２従動要素を有した減速装置を備え、前記第１従動要素の回転数は前記第２従動要素の回転数と異なっており、複数の機器のうちの一つが前記第１従動要素に連結され、前記複数の機器のうちの他の一つが前記第２従動要素に連結されていてもよい。かかる構成においても、上記同様にして、補助タービンにより駆動される機器間で、入力すべき回転動力の最適回転数が相違していても、各機器に対応して最適な回転数の回転動力を入力することができる。

以上のように本発明によれば、推進プラント全体の構成をコンパクト化することができるとともに、推進プラント全体の効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る舶用推進プラントの要部構成を示す系統図である。 図１に示す補助タービンユニットの平面図である。 図１に示す舶用推進プラントを平面視で示す模式図である。 図２に示す補助タービンユニットの変形例の平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示す推進プラント１は、ＬＮＧ船等の船舶に搭載されるものであり、給水を過熱して高圧の蒸気を発生するボイラ２と、ボイラ２が発生した蒸気によって駆動される主機タービン３とを備えている。ボイラ２には、不図示のポンプによりボイラ用燃料が圧送され、この燃料を利用してボイラ２は給水を過熱する。

主機タービン３は、推進プラント１の主動力機として利用され、高圧タービン４及び低圧タービン５を備える。ボイラ２と高圧タービン４との間は蒸気ライン７で接続され、これによりボイラ２からの蒸気が高圧タービン４の給気側に供給されて高圧タービン４が回転駆動される。高圧タービン４の排気側はクロスオーバーパイプ６を介して低圧タービン５との給気側と接続され、低圧タービン５は高圧タービン４から排出された蒸気によって回転駆動される。この低圧タービン５に供給される蒸気の圧力は、高圧タービン４に供給される蒸気の圧力よりも低くなる。蒸気ライン７上には操縦弁８が設けられており、この操縦弁８の前進用弁により高圧タービン４に供給される蒸気の圧力を調整可能である。

高圧タービン４及び低圧タービン５の出力軸９，１０は、減速機構１１を介して１本のプロペラシャフト１２に連結されている。減速機構１１は典型的には歯車列によって構成される。プロペラシャフト１２には主推進器１３としてのプロペラが取り付けられ、主機タービン３の回転動力が減速機構１１で減速された上でプロペラシャフトに伝達されると、プロペラシャフトと共に主推進器１３が回転駆動され、当該推進プラント１を搭載した船舶に前進方向の推力が付与される。なお、この主機タービン３においては、高圧タービン４と低圧タービン５との間に中圧タービンが追加されてもよく、このときには、高圧タービン４と中圧タービンとの間を繋ぐライン上に再加熱器が追加されてもよい。また、この推進プラント１には潤滑油を圧送するオイルポンプ１４が装備されており、このオイルポンプ１４からの潤滑油は主機タービン３に供給される。減速機構１１や後述する補助タービンユニット３０の動力伝達系に供給されてもよく、これら機構を安定的に動作させ得るようになっている。ここでは、便宜的にオイルポンプ１４が電動モータ１５によって駆動されるものとしている。

主機タービン３は更に、蒸気タービンからなる後進タービン１６を備えている。後進タービン１６は、高圧タービン４及び低圧タービン５と独立して回転駆動可能とされ、その回転動力は減速機構１１に入力され得る。このときには主推進器１１が上記前進時とは逆方向に回転して船舶に後進方向の推力が付与される。かかる作用を得るため、図１には操縦弁８の後進用弁を介して後進タービン１６に蒸気が供給される構成を示しているが、これは一例であってその他の構成によって同様の作用が実現されてもよい。

低圧タービン５及び後進タービン１６から排出される蒸気は主復水器１８に供給され、船外の海水等との熱交換によって凝縮される。主復水器１８で生成された復水は主復水ポンプ１９によって給水加熱器２０に送られる。なお、冷媒たる船外の海水等を主復水器１８に対して給排するに際しては、図示しない冷媒ポンプが用いられる。給水加熱器２０で加熱された復水は、給水ポンプ２１によってボイラ２に送られる。この推進プラント１では、通常運転時に稼動する通常用のポンプと、通常運転時には停止状態にある予備用のポンプとからなる２台の給水ポンプ２１が、給水加熱器２０とボイラ２との間に並列的に設けられている。

このように、この推進プラント１はその補機として、前述したものに限っても、オイルポンプ１４、主復水ポンプ１９、冷媒ポンプ（図示せず）、及び給水ポンプ２１を備えている。また、この推進プラント１は、当該推進プラント１を搭載した船舶内で必要とされる電力（船内動力）を発生する２台の発電機２４，２４を駆動するように構成されている。なお、この２台の発電機２４も、給水ポンプ２１と同様にして、通常運転時に稼動する通常用の発電機と、通常運転時には停止状態にある予備用の発電機とからなる。以下、この発電機２４及びその他の機器を駆動するための構成について詳細に説明する。

ボイラ２からの蒸気を送る蒸気ライン７には、操縦弁８の上流側において分岐ライン２５が接続されており、ボイラ２からの蒸気がこの分岐ライン２５を介して２機の補助タービンユニット３０，３０に供給され得るようになっている。

各補助タービンユニット３０は、補助タービン３１と、当該補助タービン３１によって同時駆動される機器としての発電機２４及び給水ポンプ２１とを備えている。分岐ライン２５は二股に分かれており、このようにして設けられた２つのブランチライン２６，２６がそれぞれ補助タービン３１の給気側に接続されている。各ブランチライン２６には、蒸気止め弁２７と、圧力調整弁２８とが直列的に設けられている。蒸気止め弁２７は、ブランチライン２６を開閉するよう動作し、これにより補助タービン３１への蒸気を供給するか否かを選択することができるようになる。圧力調整弁２８は、ブランチライン２６を絞るように動作し、これにより補助タービン３１に蒸気を供給する場合においてその圧力を調整することができるようになる。また、補助タービン３１から排出される蒸気は主復水器１８に供給されるようになっている。

図１及び図２に示すように、補助タービンユニット３０の補助タービン３１は、多段式の蒸気タービンであり、ブランチライン２６（図１参照）からの蒸気によって回転駆動される。この回転駆動力に基づいて発電機２４と給水ポンプ２１とが同時駆動されるようになっている。なお、通常用の発電機と通常用のポンプとがユニット化されて補助タービンユニットが構成され、バックアップ用の発電機とバックアップ用のポンプとがユニット化されて１つの補助タービンユニットが構成されるようにしている。

補助タービン３１はタービン出力軸３３を有しており、蒸気により補助タービン３１のブレードが回転することによってその回転駆動力がタービン出力軸３３に出力される。タービン出力軸３３の回転駆動力は減速装置３２に入力された後に発電機２４及び給水ポンプ２１に分配されるようになっている。

減速装置３２はタービン出力軸３３からの回転駆動力が入力される駆動要素３４と、駆動要素３４の回転が減速して伝達される従動要素３５とを備えている。減速装置３２は、例えば駆動要素３４及び従動要素３５を平歯車とした歯車列によって実現され、従動要素３５には駆動要素３４よりも歯数の多い歯車が採用される。タービン出力軸３３は駆動要素３４の回転中心に連結され、従動要素３５の回転中心には減速装置出力軸３６が連結されている。タービン出力軸３３の回転駆動力は、減速装置３２の減速比に応じて減速されて変速装置出力軸３６に伝達される。

変速装置出力軸３６は、カップリング機構３７（図２参照）を介して発電機入力軸３８に連結されている。これにより従動要素３５の回転駆動力が発電機入力軸３８に伝達され、発電機２４が駆動される。他方、駆動要素３４の回転中心にはポンプ入力軸４０が連結されている。これにより、駆動要素３４の回転駆動力がポンプ入力軸４０に伝達され、給水ポンプ２１が駆動される。このとき、ポンプ入力軸４０は駆動要素３４と同じ回転数で回転し、発電機入力軸３８は従動要素３５と同じ回転数で回転し、駆動要素３４より低速で回転する。

このようにして、この補助タービンユニット３０によれば、１台の補助タービン３１の回転駆動力に基づいて、発電機２４及び給水ポンプ２１という２台の機器を同時駆動することができるようになる。このように、２台の機器を同時駆動するようなユニット化を行うことにより、その蒸気タービンを削減することができるようになるため、蒸気タービンが削減される。これにより、従前のように発電機や補機等の機器一つ一つに蒸気タービンや電動モータを個別に装備していた場合と比べ、蒸気タービンの削減自体と、それに接続される配管も併せて削減可能になることにより、推進プラント１の全体構成をコンパクト化することができる。

図３は推進プラント１を平面視で示す模式図である。図３に示すように、船舶の機関室内には大型の主機タービン３が配置されている。そして、２機の補助タービンユニットを配置するためのスペースが確保される。図３では主機タービン３から見て主推進器１３が配置されている側とは反対側にスペースを確保した場合を例示している。他方、本実施形態においては、給水ポンプとこれを駆動するための蒸気タービンとからなるユニット５１，５１を２つ省略することができる。よって、これら２つのユニット５１，５１を配置するために確保していたスペース５０分だけコンパクトになる。

また、本実施形態では、２台の機器を同時駆動するための補助タービンユニット３０を構成するに際し、比較的小さな出力（例えば１０００ｋＷ）で動作する機器である補機（ここでは給水ポンプ２１）と、発電機２４（例えば２０００ｋＷ〜４０００ｋＷ）とを同時駆動するようにしている。このため、補助タービン３１の定格出力は、従前の発電機駆動用の蒸気タービンに対して殊更高く設定する必要はない。同時に推進プラント１からは、従前の補機に対し個別に装備されていた単段式又は２段式の蒸気タービンを省略可能になる。その上で、本実施形態の補助タービン３１を多段式としているため、推進プラント１の効率が向上する。

ここで、本実施形態では、同時駆動される機器に主推進器が含まれておらず、補助タービンは主機タービンの動作とは無関係に蒸気に基づいて駆動するようになっている。これに対し、例えば主機タービンによって主推進器と発電機とを同時駆動するようなユニットを構成した場合、主推進器の負荷変動のため発電機をある一定の範囲内の回転数で駆動させることが困難となり、例えば１００％負荷のような設計点となっている状況のみにおいて発電機がある一定の範囲内の回転数で駆動し得る。しかも、特にＬＮＧ船は世界中の様々な基地に所望される時に到着する必要があるため、要求される運転範囲が広いという運航特性があり、この特性上、フレキシブルな負荷での運転が求められる。よって、上記の主推進器と発電機とを同時駆動するユニットは、発電機のある一定の範囲内の回転数での駆動が困難であって、特にＬＮＧ船には適さないものとなるおそれがある。かかるユニット構成を改善するには、設計点を外れた場合に、クラッチによって主機タービンと発電機との間を切り離し、バックアップタービンによって発電機を駆動することとなる。このように、クラッチやバックアップタービンを装備する必要があることから、推進プラントの運転制御が煩雑なものとなるし、全体構成の大型化や複雑化を招くこととなる。

本実施形態では、この主機タービン３の主機軸とは切り離した多段式の補助タービン３１を設け、この補助タービン３１をボイラ２が発生した蒸気によって回転駆動するようにしているとともに、補助タービン３１によって発電機２４と補機の一つである給水ポンプ２１とを同時駆動するようにしている。これにより、主推進器１３の負荷変動があってもある一定の範囲内の回転数で発電機及び給水ポンプ２１を駆動することができるようになり、また、推進プラント１の運転制御を簡略化することができる。

また、発電機２４の回転数は６０Ｈｚ±１０％で安定させる必要があるため、補助タービン３１の回転数もガバナにより略一定とされるようになっている。このため、発電機入力軸は約１８００ｒｐｍで回転される。他方、典型的には、給水ポンプ２１は発電機と比べて入力すべき回転動力の最適な回転数が高く、その最適回転数は例えば８０００〜９０００ｒｐｍ程度となっている。本実施形態では、２台の機器の入力軸を変速装置の駆動要素と従動要素にそれぞれ連結している。このため、これら２台の機器の駆動に最適な回転数が異なっていても、各機器の入力軸にその最適な回転数の回転動力を入力することができるようになる。したがって、これら２台の機器の両方を効率的に可動させることができるようになる。なお、このガバナにより補助タービン３１の回転数を略一定とする場合には、給水ポンプ２１の要求負荷の変動に対応するため、給水ポンプ２１とボイラ２との間を接続するライン上に三方弁等からなる給水制御弁（図示せず）を設け、給水を循環させることが好ましい。

そして、減速装置３２を平歯車の歯車列とし、径方向に並ぶ歯車のうち駆動要素３４にポンプ入力軸４０を連結し、従動要素３５に発電機入力軸３８を連結している。このため、給水ポンプ２１と発電機２４とを平歯車の径方向に並べたコンパクトなユニット構造を実現することができる。

図４には図２に示した補助タービンユニットの変形例を示している。ここでは、図２に示したものに対する相違点のみを説明し、同一の構成については同一の符号を付して重複説明を省略する。

図４に示すように、この補助タービンユニット１３０の減速装置１３２は、タービン出力軸が連結される駆動要素１４１と、この駆動要素１４１の回転が伝達される第１従動要素１４２及び第２従動要素１４３とを備えており、第１従動要素１４２と第２従動要素１４３とは駆動要素１４１を挟むようにして設けられている。この減速装置１３２も歯車列によって実現される。歯車列を採用したときには、第１従動要素１４２の歯数は第２従動要素の歯数よりも多く、第１従動要素１４２の回転速度は第２従動要素の回転速度よりも低速となる。

この第１従動要素１４２の回転中心には減速機構出力軸３６が連結されており、減速機構出力軸３６にはカップリング機構３７を介して発電機入力軸３８が連結されている。第２従動要素１４３の回転中心にはポンプ入力軸４０が連結されている。

この構成においても、１台の補助タービン３１によって発電機２４及び給水ポンプ２１という２台の機器を異なる回転数で同時駆動することができ、前述したものと同様の作用効果を奏する。

また、この変形例においては、発電機入力軸３８と同軸上にある第１従動要素１４２と、ポンプ入力軸４０と同軸上にある第２従動要素１４３との間に駆動要素１４１が介在する構成となっている。この駆動要素１４１を配置したスペース分だけ、発電機２４と給水ポンプ２１とを並べて配置するためのスペースを確保することができ、発電機２４及び給水ポンプ２１を無理なく並べることができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内において適宜変更することができる。例えば補助タービンユニット３０の補助タービン３１によって駆動される補機は給水ポンプ２１に限られず、前述列挙した補機のうち他のものであってもよい。また、推進プラント１に設置される補助タービンユニットの台数も特に限定されない。

以上説明したように、本発明は舶用の推進プラント全体の構成をコンパクト化することができるとともに推進プラント全体の効率を向上させることができるという作用効果を奏し、例えばＬＮＧ船に搭載すると有益である。

１ 推進プラント
２ ボイラ
３ 主機タービン
７ 蒸気ライン
１３ 主推進器
１４ オイルポンプ
１９ 主復水ポンプ
２１ 給水ポンプ
２４ 発電機
２５ 分岐ライン
２６ ブランチライン
２７ 蒸気止め弁
２８ 圧力調整弁
３０ 補助タービンユニット
３１ 補助タービン
３２ 減速装置
３４ 駆動要素
３５ 従動要素
１３０ 補助タービンユニット
１３２ 減速装置
１４１ 駆動要素
１４２ 第１従動要素
１４３ 第２従動要素

Claims (4)

1. ボイラが発生した蒸気により回転駆動される主機タービンを備え、前記主機タービンの回転動力に基づいて主推進器を駆動する舶用推進プラントであって、
   蒸気により回転駆動される多段式の補助タービンと、前記補助タービンの回転動力に基づいて同時駆動される複数の機器とからなる補助タービンユニットを備え、前記複数の機器が、船内動力を発生する発電機と、前記ボイラに給水するための給水ポンプとを含むことを特徴とする舶用推進プラント。
2. 前記ボイラが発生した蒸気を前記主機タービンに送るための蒸気ラインと、
   前記蒸気ラインから分岐された分岐ラインと、を備え、
   前記補助タービンには、前記分岐ラインが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の舶用推進プラント。
3. 前記補助タービンユニットは、前記補助タービンの回転動力が入力される駆動要素、及び前記駆動要素の回転動力が減速されて伝達される従動要素を有した減速装置を備え、
   複数の機器のうちの一つが前記駆動要素に連結され、前記複数の機器のうちの他の一つが前記従動要素に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の舶用推進プラント。
4. 前記補助タービンユニットは、前記補助タービンの回転動力が入力される駆動要素、及び前記駆動要素の回転動力が伝達される第１従動要素及び第２従動要素を有した減速装置を備え、
   前記第１従動要素の回転数は前記第２従動要素の回転数と異なっており、
   複数の機器のうちの一つが前記第１従動要素に連結され、前記複数の機器のうちの他の一つが前記第２従動要素に連結されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の舶用推進プラント。

Images