JP5544586B2 - 可変ピッチプロペラ制御船および可変ピッチプロペラ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変ピッチプロペラ制御船および可変ピッチプロペラ制御方法に関し、より詳しくは、各翼の翼角を個別制御可能な可変ピッチプロペラを備える可変ピッチプロペラ制御船、及び該可変ピッチプロペラの制御方法に関する。

従来、作動中に遠隔操作で翼の取り付け角度（以下、翼角という。）を変えることのできる可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ：Controllable Pitch Propeller、以下単に「プロペラ」ともいう。）を備える船が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この従来の可変ピッチプロペラは、それに含まれる複数枚の翼の翼角をすべて等しく変えるものである。

プロペラの翼角は通常、大きいほど、プロペラが一回転するうちに進む距離が大きくなり、より大きな推力が得られるが、翼角が過度に大きすぎる場合はキャビテーション現象を生じ、プロペラ表面に対する衝撃により振動・騒音や腐食の問題を生じる。

したがって、従来の可変ピッチプロペラはキャビテーションが起こらない範囲で可及的に大きくなるように制御される。

特表２００１−５１９２８９号公報

一般に、キャビテーションは、回転速度や推力を一定にした場合、水深が深いほど生じ難く、反対に水深が浅いほど生じやすい性質を有している。

大型船になれば、プロペラの直径が大きくなるため、プロペラの翼が水深のもっとも浅い部分を通るときと、水深のもっとも深い部分を通るときとでは、翼の水深が大きく異なり、キャビテーションが起こらない範囲の可及的に大きい翼角も大きく異なる。

しかし、従来の可変ピッチプロペラは、各翼の翼角が一律に制御され（全体ミニマム制御）、水深に応じてもっとも効率の良い角度に各翼の翼角を制御できないため、全体としてプロペラ効率を十分に改善できない、即ちプロペラ効率を犠牲にした使い方に甘んじるという問題があった
そこで、本発明が解決しようとする課題は、プロペラ効率を可及的に向上させることができる可変ピッチプロペラ制御船および可変ピッチプロペラ制御方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、可変ピッチプロペラと、前記可変ピッチプロペラのボス内に設けられ、前記可変ピッチプロペラの各翼に備えられ、前記翼の翼角を各翼独立に変化させる油圧ユニットと、前記翼の所定の水深における翼角目標値を出力する翼角指令部と、前記翼角指令部から前記翼角目標値を入力し、前記翼の翼角が前記翼角目標値になるように前記油圧ユニットを制御する油圧ユニット制御部と、を備え、前記翼角指令部は、前記水深における該翼の対水前進速度、並びに前記可変ピッチプロペラの回転数及び直径に基づいて、前記水深における前記翼の前進係数を算出し、前記前進係数、および前進係数から推力係数を求めるＫＴ−Ｊデータに基づいて、前記翼の所定のピッチにおける推力係数を求め、前記推力係数に基づいて、前記水深及び前記ピッチＰにおける推力を算出し、前記推力、および前記ピッチにおける翼の投影面積に基づいて、前記水深及び前記ピッチにおける推力負荷を算出し、前記推力負荷に基づいて、キャビテーションの発生限界に近い翼角を求め、求めた翼角を前記翼角目標値として出力する、ことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御船が提供される。

本発明の別態様によれば、可変ピッチプロペラの所定の翼が存在している水深（ｄ）を入力し、伴流分布データと船の巡航速度（Ｖ）から、前記水深（ｄ）における前記翼の対水前進速度（Ｖ_Ａ）を算出し、前記可変ピッチプロペラの回転数（ｎ）および直径（Ｄ）と、前記翼の対水前進速度（Ｖ_Ａ）とから、前記水深（ｄ）における翼の前進係数（Ｊ）を算出し、前進係数（Ｊ）から推力係数（Ｋ_Ｔ）を求めるＫ_Ｔ−Ｊデータと、前記前進係数（Ｊ）から、所定の範囲から選択されたピッチ（Ｐ）における推力係数（Ｋ_ＴＰ）を算出し、前記推力係数（Ｋ_ＴＰ）と、水の密度（ρ）と、前記可変ピッチプロペラの回転数（ｎ）及び直径（Ｄ）とを用いて、前記水深（ｄ）及び前記ピッチ（Ｐ）における推力（Ｔ_ｐ）を算出し、前記ピッチ（Ｐ）における前記翼の投影面積（Ａ_ｐ）と、前記推力（Ｔ_ｐ）とから、前記翼の推力負荷（Ｔ／Ａ_Ｐ）を算出し、前記翼の周速度（πＤＮ）を算出し、前記周速度（πＤＮ）と、前記推力負荷（Ｔ／Ａ_Ｐ）と、周速度に対する推力負荷の限界を水深ごとに示す許容限界データとを用いて、前記水深（ｄ）における前記ピッチ（Ｐ）の翼がキャビテーションを起こすか否かを判定し、前記所定の範囲における複数のピッチについて前記翼がキャビテーションを起こすか否かを判定することにより、許容限界に近いピッチ（Ｐ_０）を特定し、該ピッチ（Ｐ_０）を翼角に換算して翼角目標値（α_０）を求め、前記翼の翼角を前記翼角目標値に調整する、可変ピッチプロペラ制御方法が提供される。

本発明によれば、可変ピッチプロペラの翼角を各翼独立に変化させる油圧ユニットと、翼が存在している水深に応じて、キャビテーションの発生限界に近い翼角を翼角目標値として出力する翼角指令部と、各翼の翼角が前記翼角目標値になるように油圧ユニットを制御する油圧ユニット制御部と、を備えていることにより、可変ピッチプロペラの各翼の翼角がその存在している水深に応じてキャビテーションの発生限界に近い翼角をとることができ、プロペラ効率を可及的に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御船の構造を概略示す構造図である。 本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御船における、１つの翼に関する制御ブロック図である。 本発明の実施形態に係る翼角指令部のブロック図である。 （ａ）は軸深度Ｉの求め方を説明するための図であり、（ｂ）は翼の水深の求め方を説明するための図である。 伴流分布データ３１の一例を示す図である。 Ｋ_Ｔ−Ｊデータ３２の一例を示す図である。 許容限界データ３３の一例示す図である。 本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御方法を示すフローチャートである。 図８Ａに続く、本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御船の構造を概略示す構造図である。

図１に示すように、可変ピッチプロペラ１は、プロペラシャフト２を介して舶用推進機関３に接続され、舶用推進機関３によって回転駆動されるように構成されている。

可変ピッチプロペラ１は、本実施形態では４枚の翼１４を有し、各翼１４は中心のボス４に対して台座が回転可能なことにより、その翼角が変えられるように取り付けられている。なお、翼１４の数は４枚に限られない。ボス４の内部には、油圧ユニット１３が翼１４ごとに備えられ、各翼１４の翼角をそれぞれ独立に変化させられるように設けられている。たとえば、図１に示すように、翼１４の基端は回転可能な台座に取り付けられ、油圧ユニット１３はピストンにより翼角制御ギアを駆動することにより、翼１４を図示の方向Ｒに回転駆動することができるように構成することができる。

油圧ユニット１３は油圧ユニット制御部１２によって制御される。

油圧ユニット制御部１２は、翼角指令部１１から制御目標の翼角目標値を入力し、駆動電力とともに油圧ユニット１３に出力する。

油圧ユニット１３の駆動電力は、電源５から例えばスリップリング６を介して固定端子から回転端子に伝えられ、各油圧ユニット制御部１２に送られ、油圧ユニット１３に供給される。

翼角指令部１１と油圧ユニット制御部１２には無線装置が備えられ、翼角目標値は無線で油圧ユニット制御部１２に送信することができる。なお、翼角指令部１１と油圧ユニット制御部１２を有線で接続するようにしてもむろん良い。

図２は、本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御船における、１つの翼に関する制御ブロック図を示している。

図２に示すように、本実施形態に係る可変ピッチプロペラ船は、翼角指令部１１と、油圧ユニット制御部１２と、油圧ユニット１３と、翼１４と、を備える。可変ピッチプロペラ１（図示せず）は複数の翼１４を有しており、各翼１４について、油圧ユニット制御部１２および油圧ユニット１３が設けられている。

翼角指令部１１は、可変ピッチプロペラを制御するためのコンピュータ（ＣＰＰ制御コンピュータ）内に設けられる。この翼角指令部１１は、詳細は後述するが、キャビテーションを発生しない限界の翼角を翼１４の回転角（水深）に応じて算出し、算出された翼角を翼角目標値（α_０）として油圧ユニット制御部１２に出力する。

油圧ユニット制御部１２は、ＰＩＤ制御部１２ａ及びドライバ１２ｂを有し、翼１４の翼角が翼角指令部１１により入力された翼角目標値になるように、油圧ユニット１３を制御する。ＰＩＤ制御部１２ａは、翼角指令部１１により算出された翼角目標値（α_０）と、実際に計測された翼１４の翼角（実翼角値（α））とを用いて、実翼角値（α）が翼角目標値（α_０）に等しくなるように制御（例えばＰＩＤ制御）を行う。ドライバ１２ｂは、ＰＩＤ制御部１２ａの出力する翼角制御信号に基づき、油圧ユニット１３を制御する。

油圧ユニット１３は、可変ピッチプロペラのボス内に設けられており、翼１４の翼角制御ギアを駆動することによって、翼１４の翼角を変化させる。この油圧ユニット１３は翼ごとに設けられるため、プロペラの翼角を個別制御することが可能である。油圧ユニット１３として、例えば第一電気（株）製のＤＤＶＣ（Direct Drive Volume Control）油圧ユニットを用いることができる。このＤＤＶＣ油圧ユニットは、ギアポンプ（可逆転油圧ポンプ）と、このギアポンプを駆動するサーボモータと、ギアポンプの出入り口に直結された油圧シリンダーと、ギアポンプに油を供給する油タンクとを一体化したものである。油圧シリンダー内のピストンは、翼の翼角制御ギアと接続され、サーボモータの回転により所望の位置に制御される。ピストン動作が必要なときにのみギアポンプを運転すればよいため、消費電力が小さく、発熱も少ないという利点を有する。

さらに、このＤＤＶＣ油圧ユニットは小型で省スペースのため、プロペラのボス内に内蔵可能である。このため、従来のようにプロペラシャフトを通じて船内からボス内に送油する必要がなく、プロペラシャフトの構造を簡略化することができる。さらに、プロペラのボスを油漬することが可能であるため、ボスの耐圧性を向上させることもできる。

なお、上記ＤＤＶＣ油圧ユニットを油圧ユニット１３として用いる場合、実翼角値は、油圧シリンダーのピストン位置から知ることができる（因みにＮＫ規則ではモニター用と制御用のセンサは分ける必要がある）。

また、油圧ユニット１３への電源供給は、前述したようにプロペラシャフトに設けられたスリップリングを介して行うことが可能である。

翼１４は、可変ピッチプロペラの有する複数の翼のうちの一つである。翼１４の回転角（θ）は、可変ピッチプロペラ１を正面から見て翼１４の長手方向軸線が垂直上方から傾斜した角度をいい、例えばマグネティックセンサで計測され、翼位置信号として翼角指令部１１（ＣＰＰ制御コンピュータ）に有線または無線で伝達される。翼１４の翼角は、油圧ユニット１３が翼１４の翼角制御ギアを駆動することにより調整される。

次に、翼角指令部１１の詳細について説明する。図３は、翼角指令部１１のブロック図を示している。

図３に示すように、翼角指令部１１は、軸深度入力手段２０と、翼水深算出手段２１と、水深別翼前進速度算出手段２２と、翼前進係数算出手段２３と、推力係数算出手段２４と、推力算出手段２５と、翼投影面積入力手段２６と、推力負荷算出手段２７と、周速度算出手段２８と、判定手段２９と、制御手段３０と、伴流分布データ３１と、Ｋ_Ｔ−Ｊデータ３２と、許容限界データ３３と、を備えている。

以下、翼角指令部１１の各構成要素について説明する。

軸深度入力手段２０は、可変ピッチプロペラの軸深度を翼水深算出手段２１に入力する手段である。ここで、軸深度は、水面から可変ピッチプロペラのボスの中心軸までの長さであり、図４（ａ）に示すように、喫水と、キール底面からプロペラ軸までの高さとを用いて、次式により求められる。

ここで、I：軸深度、ｄ_０：喫水、ｈ：キール底面からプロペラ軸までの高さである。

なお、軸深度入力手段２０は、可変ピッチプロペラの軸深度を入力できれば足り、上式の演算をすることなく、たとえば吃水と対応して記憶させた軸深度のテーブルから軸深度を入力してもむろん良い。

翼水深算出手段２１は、回転角θに応じて翼１４が存在している水深が変化するため、注目している翼１４の存在している水深を算出する手段である。

翼水深算出手段２１は、図４（ｂ）からわかるように、軸深度入力手段２０から入力された軸深度と、翼１４の回転角及び長さとを用いて、翼１４（制御対象翼）の水深を次式により算出する。

ここで、ｄ：翼の水深、Ｉ：軸深度、Ｌ：翼の長さ、θ：翼の回転角である。なお、キャビテーションは翼端から発生するので、翼の長さＬはプロペラ中心から翼端までの長さ（プロペラ半径）を取ればよい。

翼水深算出手段２１による翼の水深の算出は、上式の演算をする代わりに、たとえば翼の回転角に対応して記憶させた翼水深のテーブルから翼が存在している水深を得るようにしてもむろん良い。なお、テーブルから水深を取得することも広い意味で「算出」に含まれるものとする。このことは以下の本発明の他の手段の場合も同じである。

水深別翼前進速度算出手段２２は、翼が特定の水深に存在しているときの、翼の対水前進速度を算出する手段である。翼の対水前進速度を算出するのは、プロペラの周りには伴流が存在し、プロペラに関する位置によって実際の翼の対水前進速度が船の巡航速度Ｖと異なるからである。

水深別翼前進速度算出手段２２は、まず、翼水深算出手段２１が算出した翼１４の水深と、伴流分布データ３１とから伴流係数を求める。即ち、事前の試験で得られた伴流分布データ３１を参照して、翼１４の水深ｄにおける伴流係数ｗを求める。図５は、事前に実船を試験して得られた伴流分布データ３１の一例を示している。図５からわかるように、翼の水深ｄが図示する位置の場合、伴流係数ｗは０．５２５である。

次いで、水深別翼前進速度算出手段２２は、翼１４の水深ｄにおける伴流係数と、可変ピッチプロペラ船の巡航速度とを用いて、翼１４の水深ｄにおける前進速度を次式により算出する。

ここで、Ｖ_Ａ：前進速度、ｗ：伴流係数、Ｖ：船の巡航速度である。

なお、伴流分布データ３１をテーブル化し、翼の所定の回転角に対して、翼の対水前進速度を取得できるようにしてもよい。

翼前進係数算出手段２３は、翼の対水前進速度Ｖ_Ａと回転数ｎとプロペラ直径Ｄの関係を示す翼前進係数を算出する手段である。

翼前進係数算出手段２３は、可変ピッチプロペラの回転数ｎ及び直径Ｄと、水深別翼前進速度算出手段２２により算出された翼の対水前進速度Ｖ_Ａとを用いて、次式により翼１４の水深ｄにおける前進係数Ｊを算出する。

ここで、Ｊ：前進定数（前進係数）、Ｖ_Ａ：前進速度、ｎ：プロペラの回転数、Ｄ：プロペラの直径である。なお、回転数ｎは１秒あたりの回転数である。

推力係数算出手段２４は、プロペラの推力Ｔと水の密度ρと回転数ｎとプロペラ直径Ｄの関係を示す推力係数Ｋ_Ｔを算出する手段である。

推力係数算出手段２４は、推力係数がピッチＰ（翼角）またはピッチ比ｐ（＝Ｐ／Ｄ）によって変化するため、ピッチＰまたはピッチ比ｐをパラメータとして前進係数Ｊと推力係数Ｋ_Ｔの関係を示すＫ_Ｔ−Ｊデータ３２を参照し、翼前進係数算出手段２３により算出された前進係数に対応する、所定のピッチＰにおける推力係数を求める。

なお、所定のピッチＰとして、所定の範囲内のピッチが選択される。この所定の範囲は、船種に応じて適宜選択される。

図６は、事前の試験で得られたＫ_Ｔ−Ｊデータ３２の一例を示している。図６からわかるように、例えばピッチ比ｐとして１．６を選択した場合、翼前進係数算出手段２３により算出された前進係数Ｊが０．９であるとき、この前進係数に対応する推力係数Ｋ_ＴＰは０．４である。

推力算出手段２５は、翼の推力Ｔを算出する手段である。

推力算出手段２５は、推力係数Ｋ_ＴＰ、水の密度ρ、及び可変ピッチプロペラの回転数ｎと直径Ｄを用いて、次式により、翼１４の所定のピッチＰにおける推力Ｔ_Ｐを算出する。

ここで、Ｔ_Ｐ：所定のピッチにおける翼１４の推力、Ｋ_ＴＰ：所定のピッチにおける翼１４の推力係数、ｎ：プロペラの回転数、Ｄ：プロペラの直径である。

翼投影面積入力手段２６は、翼角に応じて変化する翼の投影面積を算出する手段である。

翼投影面積入力手段２６は、所定のピッチＰにおける翼１４の投影面積（Ａ_ｐ）を推力負荷算出手段２７に入力する。この翼投影面積入力手段２６は、例えば、事前の試験で得られたピッチと翼の投影面積との関係を示すデータ（テーブル）を参照して、所定のピッチＰにおける翼の投影面積を求める。

推力負荷算出手段２７は、翼の投影面積あたりの推力を求める手段である。

推力負荷算出手段２７は、推力算出手段２５が算出した翼１４の所定のピッチＰにおける推力と、翼投影面積入力手段２６が入力した所定のピッチＰにおける翼１４の投影面積とから、翼１４の所定のピッチＰにおける推力負荷を次式により算出する。

ここで、ＴＬ：所定のピッチにおける推力負荷、Ｔ_Ｐ：所定のピッチにおける翼１４の推力、Ａ_ｐ：所定のピッチにおける翼１４の投影面積である。

周速度算出手段２８は、可変ピッチプロペラの回転数と直径を用いて、翼１４の周速度を次式により算出する。

ここで、ＶＣ：周速度、Ｄ：プロペラの直径、Ｎ：１分あたりのプロペラの回転数（＝６０ｎ）である。

むろん、翼の周速度も回転数に応じてテーブル化しておくことができる。

判定手段２９は、所定の翼角が所定の水深においてキャビテーションを生じるか否かを判断する手段である。

判定手段２９は、周速度に対する推力負荷の限界を水深ごとに示す許容限界データ３３と、推力負荷算出手段２７が算出した所定のピッチＰにおける推力負荷と、周速度算出手段２８が算出した翼１４の周速度とを用いて、所定のピッチＰの翼１４が水深ｄにおいてキャビテーションを起こすか否かを判定する。

図７は、事前の試験で得られた許容限界データ３３の一例を示している。周速度に対応する推力負荷が許容限界データ３３の示す限界値より大きい場合にキャビテーションが発生する。よって、図７からわかるように、例えば翼１４の水深が７［ｍ］、周速度が３０００［ｍ／分］の場合、推力負荷（Ｔ_Ｐ／Ａ_ｐ）が１．３より大きければキャビテーションが起こると判定する。

制御手段３０は、推力係数算出手段２４、推力算出手段２５、推力負荷算出手段２７及び判定手段２９を制御し、所定の範囲における複数のピッチの中から水深ｄにおける許容限界に近いピッチＰ_０（キャビテーションの発生限界に近いピッチ）を特定する。好ましくは、キャビテーションの発生限界に最も近いピッチを特定する。そして、制御手段３０は、特定されたピッチを翼角に換算し、その翼角を翼角目標値（α_０）として出力する。なお、特定されたピッチの翼角への換算は次式により行う。

ここで、α_０：翼角（翼角目標値）、Ｐ_０：特定されたピッチ、ｒ：プロペラ半径である。

上述の構成により、翼角指令部１１は、制御対象翼である翼１４の水深（位置）に応じて、キャビテーションの発生限界に近い翼角を翼角目標値として、油圧ユニット制御部１２に出力する。そして、翼１４の翼角は、油圧ユニット制御部１２および油圧ユニット１３によって翼角目標値に調整される。

可変ピッチプロペラの各翼の翼角は、それぞれの翼に対応する翼角指令部により求められた翼角目標値に個別制御される。これにより、本実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御船は、プロペラ効率を改善することができ、従来に比べ省エネ運転することが可能となる。

なお、上記説明では、翼ごとに設けられた複数の翼角指令部が並列動作して各翼の翼角目標値を出力したが、本実施形態はこれに限らない。即ち、翼角指令部が１つだけ設けられ、その翼角指令部がプロペラの全ての翼について翼角目標値を求めるようにしてもよい。その場合、翼角指令部は、各翼の翼角目標値を、並列処理により同時に求めてもよいし、シリアル処理により順次に求めてもよい。

また、上記の説明において、翼角指令部１１が伴流分布データ３１、Ｋ_Ｔ−Ｊデータ３２及び許容限界データ３３を有していたが、本実施形態はこれに限らない。すなわち、これらのデータを翼角指令部１１がアクセス可能な外部の記憶装置（メモリなど）に格納しておき、翼角指令部１１が外部記憶装置に格納されたデータを適宜参照するようにしてもよい。

また、上記の各種データ（伴流分布データ３１、Ｋ_Ｔ−Ｊデータ３２、許容限界データ３３）の形態は、データ点列でもよいし、若しくは、データ点列を多項式近似することにより得られた多項式でもよい。前者の場合、データ参照法を用いて所望の値を求める。後者の場合、例えば推力係数Ｋ_Ｔを求めるとき、多項式近似で得られた多項式（例えば下記の式（９））をＫ_Ｔ−Ｊデータ３２とし、所定のピッチＰ及び前進係数Ｊに対する推力係数Ｋ_Ｔを求めるようにしてもよい。

ここで、Ｋ_Ｔ：推力係数、ａ，ｂ，ｃ：定数、Ｊ：前進係数、ｐ：ピッチ比である。

次に、本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御方法について、図８Ａ及び図８Ｂのフローチャートに沿って説明する。

まず、可変ピッチプロペラの軸深度Ｉ、翼の回転角θ、及び翼の長さＬを用いて、翼の水深ｄを算出する（ステップＳ１０１）。

具体的には、前述の式（２）を用いて翼の水深を算出する。翼の回転角（位置）は、マグネティックセンサなどで計測された値を用いる。また、軸深度Ｉは、例えば前述の式（１）を用いて算出された値を用いる。

次に、翼の水深と伴流分布データから、ステップＳ１０１で算出した水深における伴流係数ｗを求める（ステップＳ１０２）。

具体的には、例えば図５に示すような伴流分布データを参照して、ステップＳ１０１で算出した水深における伴流係数を求める。

次に、ステップＳ１０２で求められた伴流係数ｗと、船の巡航速度Ｖから、ステップＳ１０１で算出した水深における翼の前進速度Ｖ_Ａを算出する（ステップＳ１０３）。

具体的には、前述の式（３）を用いて前進速度Ｖ_Ａを求める。

次に、可変ピッチプロペラの回転数ｎおよび直径Ｄと、ステップＳ１０３で算出された前進速度Ｖ_Ａとから、ステップＳ１０１で算出した水深における前進係数Ｊを算出する（ステップＳ１０４）。

具体的には、前述の式（４）を用いて前進係数Ｊを求める。

次に、ピッチ（ピッチ比）をパラメータとして前進係数Ｊと推力係数Ｋ_Ｔの関係を示すデータ（Ｋ_Ｔ−Ｊデータ）、及びステップＳ１０４で算出した前進係数Ｊから、所定の範囲から選択されたピッチＰにおける推力係数Ｋ_ＴＰを算出する（ステップＳ１０５）。

具体的には、図６を用いて説明したように、所定の範囲から所定のピッチＰを選択し、そのピッチＰについての前進定数と推力係数の関係を用いて、ピッチＰにおける推力係数を算出する。なお、ピッチが選択される範囲（所定の範囲）は、船種に応じて適宜選択される。

次に、ステップＳ１０５で算出された推力係数Ｋ_ＴＰ、水の密度ρ、プロペラの回転数ｎ及びプロペラの直径Ｄを用いて、所定のピッチＰにおける推力Ｔ_ｐを算出する（ステップＳ１０６）。

具体的には、前述の式（５）を用いて、ステップＳ１０１で算出した水深ｄおよび所定のピッチＰにおける推力Ｔ_ｐを算出する。

次に、所定のピッチＰにおける翼の投影面積Ａ_ｐ、及びステップＳ１０６で算出した推力Ｔ_ｐから、翼の推力負荷Ｔ／Ａ_Ｐを算出する（ステップＳ１０７）。具体的には、前述の式（６）により推力負荷Ｔ／Ａ_Ｐを算出する。

次に、翼の周速度πＤＮを算出する（ステップＳ１０８）。具体的には、前述の式（７）により翼の周速度πＤＮを算出する。

次に、ステップＳ１０７で算出した推力負荷と、ステップＳ１０８で算出した周速度と、周速度に対する推力負荷の限界を水深ごとに示す許容限界データとを用いて、ステップＳ１０１で算出した水深における、ステップＳ１０５で選択したピッチＰの翼が、キャビテーションを起こすか否かを判定する（ステップＳ１０９）。

具体的には、図７を用いて前述したように、ステップＳ１０１で算出した水深における許容限界データを参照し、ステップＳ１０８で算出した周速度に対する推力負荷の限界値（限界推力負荷）を求める。そして、その限界推力負荷と、ステップＳ１０７で算出した推力負荷とを比較する。ステップＳ１０７で算出した推力負荷が限界推力負荷よりも大きければキャビテーションが発生すると判定する。一方、推力負荷が限界推力負荷以下であればキャビテーションが発生しないと判定する。

次に、所定の範囲のピッチの中で許容限界に近いピッチＰ_０を特定したか否かを確認する。好ましくは、所定の範囲のピッチの中で許容限界に最も近いピッチを特定したか否かを確認する。もしピッチを特定済みであればステップＳ１１１に進み、一方、特定未であればステップＳ１０５に戻り、所定の範囲内の他のピッチを選択してステップＳ１０５〜Ｓ１０９の処理を行う（ステップＳ１１０）。

次に、特定されたピッチＰ_０を翼角に換算して翼角目標値α_０を求め、翼の翼角を翼角目標値α_０に調整する（ステップＳ１１１）。なお、ピッチから翼角への換算は、前述の式（８）により行う。

上述の可変ピッチプロペラの制御方法によれば、翼の水深（位置）に応じて、キャビテーションの発生限界に最も近い翼角に制御される。可変ピッチプロペラの各翼を上記の方法で制御することにより、プロペラ効率を改善することができ、従来に比べ省エネ運転することが可能となる。

例えば、翼が最も水面に近い位置（θ＝０°）にあるときの翼角と、翼が最も水面から遠い位置（θ＝１８０°）にあるときの翼角との差は、３°〜８°（好ましくは６°）である。翼角差が６°の場合、プロペラ効率を約１０％改善することができる。

なお、最適な翼角の計算を省力化するため、以下の方法を採用しても良い。

すなわち、可変ピッチプロペラの有する複数の翼の各々について、上記の方法により翼角目標値を求めてもよいし、特定の翼についてのみ上記の方法によって翼角目標値を求め、その他の翼については特定の翼からの位相差を用いて、翼角目標値を求めてもよい。例えば、プロペラが４つの翼（翼Ａ、翼Ｂ、翼Ｃ及び翼Ｄ）を有する場合、翼Ａについてのみ上述のようにして翼角目標値を求め、その他の翼については、次式により翼角目標値を求めてもよい。

ここで、α_Ａ、α_Ｂ、α_Ｃ及びα_Ｄは、それぞれ翼Ａ、翼Ｂ、翼Ｃ及び翼Ｄの翼角目標値である。

また、全ての回転角について許容限界に最も近いピッチ（翼角）を算出する代わりに、所定の回転角についてのみ許容限界に最も近いピッチを算出し、他の回転角については所定の回転角のピッチから求めるようにしてもよい。

例えば、プロペラの翼が水面に最も近い位置にあるとき（θ＝０°）、および翼が水面から最も遠い位置にあるとき（θ＝１８０°）については、上述の方法によって翼角目標値を算出し、翼がその他の位置にあるときは次式を用いて翼角目標値を算出するようにしてもよい。

ここで、α_１：θ＝０°における翼角目標値、α_２：θ＝１８０°における翼角目標値である。

また、可変ピッチプロペラの仕様から予め翼角の最小値を知ることができる場合には、その値をθ＝０°における翼角目標値として用いてもよい。この場合、翼がθ＝０°、１８０°以外の位置にあるときは次式を用いて翼角目標値を算出する。

ここで、α_min：翼角の最小値、α_２：θ＝１８０°における翼角目標値である。

以上説明したように、本発明によれば、可変ピッチプロペラの各翼を、翼の水深（位置、回転角）に応じて許容限界に最も近いピッチに個別制御する。これにより、翼毎ミニマム制御となるため、従来の全体ミニマム制御に比べてプロペラ効率を改善し、省エネ運転を行うことが可能となる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１ 可変ピッチプロペラ
２ プロペラシャフト
３ 舶用推進機関
４ ボス
５ 電源
６ スリップリング
１１ 翼角指令部
１２ 油圧ユニット制御部
１２ａ ＰＩＤ制御部
１２ｂ ドライバ
１３ 油圧ユニット
１４ 翼
２０ 軸深度入力手段
２１ 翼水深算出手段
２２ 水深別翼前進速度算出手段
２３ 翼前進係数算出手段
２４ 推力係数算出手段
２５ 推力算出手段
２６ 翼投影面積入力手段
２７ 推力負荷算出手段
２８ 周速度算出手段
２９ 判定手段
３０ 制御手段
３１ 伴流分布データ
３２ Ｋ_Ｔ−Ｊデータ
３３ 許容限界データ

Claims (14)

1. 可変ピッチプロペラと、
   前記可変ピッチプロペラのボス内に設けられ、前記可変ピッチプロペラの各翼に備えられ、前記翼の翼角を各翼独立に変化させる油圧ユニットと、
   前記翼の所定の水深における翼角目標値を出力する翼角指令部と、
   前記翼角指令部から前記翼角目標値を入力し、前記翼の翼角が前記翼角目標値になるように前記油圧ユニットを制御する油圧ユニット制御部と、
   を備え、
   前記翼角指令部は、
   前記水深における該翼の対水前進速度、並びに前記可変ピッチプロペラの回転数及び直径に基づいて、前記水深における前記翼の前進係数を算出し、
   前記前進係数、および前進係数から推力係数を求めるＫＴ−Ｊデータに基づいて、前記翼の所定のピッチにおける推力係数を求め、
   前記推力係数に基づいて、前記水深及び前記ピッチにおける推力を算出し、
   前記推力、および前記ピッチにおける翼の投影面積に基づいて、前記水深及び前記ピッチにおける推力負荷を算出し、
   前記推力負荷に基づいて、キャビテーションの発生限界に近い翼角を求め、求めた翼角を前記翼角目標値として出力する、
   ことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御船。
2. 可変ピッチプロペラと、
   前記可変ピッチプロペラのボス内に設けられ、前記可変ピッチプロペラの各翼に備えられ、前記翼の翼角を各翼独立に変化させる油圧ユニットと、
   翼が存在している水深に応じて、キャビテーションの発生限界に近い翼角を求め、その翼角を該翼の翼角目標値として出力する翼角指令部と、
   前記翼角指令部から前記翼角目標値を入力し、前記翼の翼角が前記翼角目標値になるように前記油圧ユニットを制御する油圧ユニット制御部と、
   を備え、
   前記翼角指令部は、
   前記可変ピッチプロペラの軸深度Ｉを入力する軸深度入力手段と、
   前記軸深度入力手段から前記可変ピッチプロペラの軸深度Ｉを入力し、前記翼の回転角θ及び長さＬを入力し、前記翼が存在している水深ｄを算出する翼水深算出手段と、
   前記翼水深算出手段が算出した前記翼の水深ｄと、船の巡航速度Ｖとを入力し、伴流分布データを参照して、前記翼が存在している水深ｄにおける該翼の対水前進速度ＶＡを算出する水深別翼前進速度算出手段と、
   前記可変ピッチプロペラの回転数ｎ及び直径Ｄと、前記水深別翼前進速度算出手段が算出した前記翼が存在している水深における該翼の対水前進速度ＶＡとを入力し、下式（１）により前記水深における前記翼の前進係数Ｊを算出する翼前進係数算出手段と、
   

   

   ここで、Ｊ：前進係数
   ＶＡ：翼の水深別の前進速度
   ｎ：可変ピッチプロペラの回転数
   Ｄ：可変ピッチプロペラの直径
   前記翼前進係数算出手段が算出した前記翼が存在している水深における該翼の前進係数Ｊを入力し、前進係数Ｊから推力係数ＫＴを求めるＫＴ−Ｊデータを参照して、所定の範囲から選択されたピッチＰにおける推力係数ＫＴＰを求める推力係数算出手段と、 前記推力係数算出手段から前記ピッチＰにおける推力係数ＫＴＰを入力し、水の密度ρと、前記可変ピッチプロペラの回転数ｎ及び直径Ｄとを入力し、下式（２）により前記翼が存在している水深及び前記ピッチＰにおける推力ＴＰを算出する推力算出手段と、
   

   

   ここで、ＴＰ：翼の所定のピッチにおける推力
   ＫＴＰ：翼の所定のピッチにおける推力係数
   ｎ：可変ピッチプロペラの回転数
   Ｄ：可変ピッチプロペラの直径
   前記ピッチＰにおける前記翼の投影面積ＡＰを入力する翼投影面積入力手段と、 前記推力算出手段が算出した前記翼が存在している水深及び前記ピッチＰにおける推力ＴＰと、前記翼投影面積入力手段が入力した前記ピッチにおける翼の投影面積ＡＰを入力し、前記翼が存在している水深及び前記ピッチＰにおける推力負荷Ｔ／ＡＰを算出する推力負荷算出手段と、
   前記可変ピッチプロペラの回転数ｎと直径Ｄを入力し、前記翼の周速度πＤＮを算出する周速度算出手段と、
   前記推力負荷算出手段が算出した推力負荷Ｔ／ＡＰと、前記周速度算出手段が算出した前記翼の周速度πＤＮとを入力し、周速度に対する推力負荷の限界を水深ｄごとに示す許容限界データを参照して、前記ピッチＰのときの前記翼がその存在している水深ｄにおいてキャビテーションを起こすか否かを判定する判定手段と、
   前記推力係数算出手段、前記推力算出手段、推力負荷算出手段、及び判定手段を制御し、前記所定の範囲における複数のピッチの中から水深ｄにおける許容限界に近いピッチＰ０を特定し、該ピッチＰ０を翼角に換算し、該翼角を前記翼の水深ｄにおける翼角目標値α０とする制御手段と、
   を有することを特徴とする可変ピッチプロペラ制御船。
3. 前記翼角指令部は、
   前記可変ピッチプロペラの注目している翼が水面に最も近い位置にあるとき（θ＝０°）、および前記翼が水面から最も遠い位置にあるとき（θ＝１８０°）は請求項２に記載の計算によって翼角目標値を算出し、前記翼がその他の位置にあるときは下式（３）を用いて翼角目標値を算出することを特徴とする請求項２記載の可変ピッチプロペラ制御船。
   

   

   ここで、α１：θ＝０°における翼角目標値、α２：θ＝１８０°における翼角目標値である。
4. 前記翼角指令部は、
   前記可変ピッチプロペラの注目している翼が水面に最も近い位置にあるとき（θ＝０°）は翼角目標値として前記可変ピッチプロペラの仕様から決定される翼角の最小値を用い、前記可変ピッチプロペラの前記翼が水面から最も遠い位置にあるとき（θ＝１８０°）は請求項２に記載の計算によって翼角目標値を算出し、前記翼がその他の位置にあるときは下式（４）を用いて翼角目標値を算出することを特徴とする請求項２記載の可変ピッチプロペラ制御船。
   

   

   ここで、αmin：翼角の最小値、α２：θ＝１８０°における翼角目標値である。
5. 前記軸深度入力手段は、下式（５）により、前記軸深度を求めることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ制御船。
   

   

   ここで、I：軸深度、ｄ０：喫水、ｈ：キール底面からプロペラ軸までの高さである。
6. 前記翼水深算出手段は、下式（６）により、前記翼が存在している水深を算出することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ制御船。
   

   

   ここで、ｄ：翼が存在している水深、Ｉ：軸深度、Ｌ：翼の長さ、θ：翼の回転角である。
7. 前記水深別翼前進速度算出手段は、下式（７）により、前記翼の水深における前記前進速度を算出することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ制御船。
   

   

   ここで、ＶＡ：前進速度、ｗ：伴流係数、Ｖ：船の巡航速度である。
8. 前記伴流分布データ、前記ＫＴ−Ｊデータ及び前記許容限界データのうち少なくともいずれか一つは、多項式近似された多項式であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ制御船。
9. 前記油圧ユニットは、ＤＤＶＣ油圧ユニットであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ制御船。
10. 前記可変ピッチプロペラのボスは油漬されていることを特徴とする請求項９に記載の可変ピッチプロペラ制御船。
11. 可変ピッチプロペラの所定の翼が存在している水深（ｄ）を入力し、伴流分布データと船の巡航速度（Ｖ）から、前記水深（ｄ）における前記翼の対水前進速度（ＶＡ）を算出し、
    前記可変ピッチプロペラの回転数（ｎ）および直径（Ｄ）と、前記翼の対水前進速度（ＶＡ）とから、前記水深（ｄ）における翼の前進係数（Ｊ）を算出し、
    前進係数（Ｊ）から推力係数（ＫＴ）を求めるＫＴ−Ｊデータと、前記前進係数（Ｊ）から、所定の範囲から選択されたピッチ（Ｐ）における推力係数（ＫＴＰ）を算出し、 前記推力係数（ＫＴＰ）と、水の密度（ρ）と、前記可変ピッチプロペラの回転数（ｎ）及び直径（Ｄ）とを用いて、前記水深（ｄ）及び前記ピッチ（Ｐ）における推力（Ｔｐ）を算出し、
    前記ピッチ（Ｐ）における前記翼の投影面積（Ａｐ）と、前記推力（Ｔｐ）とから、前記翼の推力負荷（Ｔ／ＡＰ）を算出し、
    前記翼の周速度（πＤＮ）を算出し、
    前記周速度（πＤＮ）と、前記推力負荷（Ｔ／ＡＰ）と、周速度に対する推力負荷の限界を水深ごとに示す許容限界データとを用いて、前記水深（ｄ）における前記ピッチ（Ｐ）の翼がキャビテーションを起こすか否かを判定し、
    前記所定の範囲における複数のピッチについて前記翼がキャビテーションを起こすか否かを判定することにより、許容限界に近いピッチ（Ｐ０）を特定し、該ピッチ（Ｐ０）を翼角に換算して翼角目標値（α０）を求め、前記翼の翼角を前記翼角目標値に調整する、 ことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御方法。
12. 前記可変ピッチプロペラの注目している翼が水面に最も近い位置にあるとき（θ＝０°）、および前記翼が水面から最も遠い位置にあるとき（θ＝１８０°）は請求項１１に記載の可変ピッチプロペラ制御方法によって翼角目標値を算出し、前記翼がその他の位置にあるときは下式（８）を用いて翼角目標値を算出することを特徴とする可変ピッチプロペラ制御方法。
    

    

    ここで、α１：θ＝０°における翼角目標値、α２：θ＝１８０°における翼角目標値である。
13. 前記可変ピッチプロペラの注目している翼が水面に最も近い位置にあるとき（θ＝０°）は翼角目標値として前記可変ピッチプロペラの仕様から決定される翼角の最小値を用い、前記可変ピッチプロペラの前記翼が水面から最も遠い位置にあるとき（θ＝１８０°）は請求項１１に記載の可変ピッチプロペラ制御方法によって翼角目標値を算出し、前記翼がその他の位置にあるときは下式（９）を用いて翼角目標値を算出することを特徴とする可変ピッチプロペラ制御方法。
    

    

    ここで、αmin：翼角の最小値、α２：θ＝１８０°における翼角目標値である。
14. 前記可変ピッチプロペラの有する複数の翼のうち、特定の翼については請求項１１乃至１３のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ制御方法により算出された翼角目標値に翼角を調整し、その他の翼については前記特定の翼からの位相差を用いて得られる翼角目標値に翼角を調整することを特徴とする可変ピッチプロペラ制御方法。

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