JP5612959B2 - 船舶用の原動機システム - Google Patents

Description

本発明は、補助動力装置を備えた船舶用の原動機システムに関する。

大型船舶に搭載される推進駆動用の原動機には、一般的に低速ディーゼルエンジンが用いられている。この低速ディーゼルエンジンの出力軸であるクランク軸にはプロペラ軸が連結されているが、通常、クランク軸とプロペラ軸との間には減速機は設けられていない。これは、大型船舶用の原動機のような大きな設備の場合、クランク軸とプロペラ軸との間に減速機を介在させると、その減速機で多くのエネルギが失われてしまい、運転の効率が大幅に低下してしまうからである。そのため、大型船舶用の原動機では、プロペラの回転速度に合うように、クランク軸が１００ｒｐｍ程度の小さな回転速度で回転するように構成されている。

ところで、原動機から排出される排ガスや船内で発電された電力を有効に利用すべく、これらのエネルギによって駆動する補助動力装置を原動機に連結して、全体として原動機システムを構成しているものがある。この原動機システムによれば、補助動力装置が原動機の負荷の一部を負担するため、原動機の作動効率を向上させることができる。より具体的には、この原動機システムは、補助動力装置にパワータービン、電動モータ、油圧モータ（特許文献１参照）などが用いられ、この補助動力装置が生成する出力を減速機を介して原動機のクランク軸に供給するように構成されている。

特開２００６−２４２０５１号公報

ここで、補助動力装置として用いられるパワータービン、電動モータ、および油圧モータは、いずれも比較的大きな回転速度で回転する。例えば、船内に搭載するパワータービンは、３００００ｒｐｍ程度の回転速度で回転する。これに対し、大型船舶用の原動機（クランク軸）の回転速度は上述のように１００ｒｐｍ程度であるため、補助動力装置とクランク軸との間に介在する減速機は、減速比が大きくなければならず、その結果、補助動力装置を備えた従来の原動機システムでは減速機の大きさが大きくならざるを得なかった。当然ながら、大きな減速機を用いると、減速機でのエネルギの損失は大きくなってしまい、また、減速機を設置するための広い設置場所を確保する必要も生じる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、上述の補助動力装置と原動機の間に介在する減速機の大きさを小さく抑えることが可能な原動機システムを提供することを目的とする。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、本発明に係る原動機システムは、プロペラ軸を回転させる船舶用の原動機と、動力を生成し、生成した動力を前記原動機へ供給する補助動力装置と、前記原動機と前記補助動力装置との間に介在し、前記補助動力装置からの動力を減速して前記原動機へ伝える減速機と、を備え、前記原動機は、前記原動機で生成した動力を前記プロペラ軸へ伝えるクランク軸と、前記クランク軸よりも回転速度が大きい高速回転機器と、前記クランク軸と前記高速回転機器との間に介在し、前記クランク軸からの動力を増速して前記高速回転機器に伝える増速機構と、を有し、前記補助動力装置からの動力は、前記減速機および前記増速機構を介して、前記クランク軸及び前記高速回転機器へと伝達されるように構成されている。ここで、前記高速回転機器は、油圧駆動機器を制御するための作動油の圧力を上昇させる作動油昇圧用ポンプであってもよい。

かかる構成によれば、補助動力装置の動力は減速機を介して回転速度の小さいクランク軸に直接伝達するのではなく、比較的回転速度の大きい増速機構に伝達されるため、補助動力装置と原動機の間に介在する減速機の減速比を小さくすることができる。よって、上記の構成によれば、減速機の大きさを小さく抑えることができる。

また、上記の原動機システムにおいて、前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスが有するエネルギを利用して駆動されるように構成してもよい。かかる構成によれば、原動機の排ガスを有効に利用できるため、原動機を効率よく運転することができる。

また、上記の原動機システムにおいて、前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスによって回転駆動されるパワータービンからなるように構成してもよい。

また、上記の原動機システムにおいて、前記原動機に圧縮空気を供給する過給機をさらに備え、前記パワータービンは前記過給機から独立して設けられるように構成してもよい。かかる構成によれば、仮にパワータービンが故障した場合であっても、過給機には影響がないため、原動機の運転自体は問題なく行うことができる。

また、上記の原動機システムにおいて、前記補助動力装置は、前記原動機とは別に船内に設けられた発電機によって発電された電力により駆動される電動モータからなるように構成してもよい。かかる構成によれば、船内の効率化などで得られた余剰電力を有効に利用することができる。また、原動機の運転状況に影響されることはなく、補助動力装置から原動機へ動力を安定して供給することができる。

また、上記の原動機システムにおいて、前記電動モータは、前記原動機の排ガスが有するエネルギにより発電された電力によって駆動されるように構成してもよい。かかる構成によれば、船内の効率化などで得られた余剰電力を有効に利用することができる。また、原動機の排ガスを有効に利用できるため、原動機を効率よく運転することができる。

また、上記の原動機システムにおいて、前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスによって回転駆動されるパワータービンと、前記原動機とは別に船内に設けられた発電機によって発電された電力により駆動される電動モータとからなるように構成してもよい。かかる構成によれば、原動機の排ガスを有効に利用できるとともに、補助動力装置から原動機へ動力を安定して供給することができる。

本発明に係る原動機システムによれば、原動機と補助動力装置の間に介在する減速機の減速比を小さくすることができるため、当該減速機の大きさを小さく抑えることができる。

本発明の第１実施形態に係る原動機システムの概略図である。 本発明の第２実施形態に係る原動機システムの概略図である。 本発明の第３実施形態に係る原動機システムの概略図である。

以下、本発明に係る原動機システムの実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る原動機システム１００の構成について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る原動機システム１００は、原動機１０と、過給機２０と、補助動力装置３０と、減速機４０と、を備えている。さらに、原動機１０は、クランク軸５０と、作動油昇圧用ポンプ６０と、増速機構７０と、を有している。以下、これらの各構成要素について説明する。

原動機１０は、原動機システム１００の中心となる装置である。本実施形態に係る原動機１０は、本質的には、先端にプロペラ８０が取り付けられたプロペラ軸８１を回転させるためのものである。また、本実施形態に係る原動機１０は、いわゆる低速ディーゼルエンジンである。原動機１０の主な構成部材については、以下で説明するとおりである。

クランク軸５０は、原動機１０で生成した動力を外部に出力するための部材である。クランク軸５０は、複数のピストン１１に連結されており、シリンダ１２内での燃料の爆発に伴うピストン１１の往復運動によって駆動される。また、シリンダ１２内の排ガスは排気管１３に排出され、掃気管１４から掃気用の空気がシリンダ１２内に供給される。なお、排気管１３および掃気管１４は、いずれもタンク状に形成されている。本実施形態のクランク軸５０は、プロペラ軸８１に連結されており、クランク軸５０の回転速度がそのままプロペラ８０の回転速度となる。そのため、クランク軸５０はプロペラ８０の回転速度に合わせて、１００ｒｐｍ程度の小さな回転速度で回転するよう構成されている。

作動油昇圧用ポンプ６０は、例えば、原動機１０を制御する作動油の圧力を上昇させる装置である。上述したように、シリンダ１２内には、排ガスや掃気用の空気が出入りするが、これを制御する弁（図示せず）は作動油によって駆動される。また、シリンダ１２内に燃料を供給する燃料ポンプ（図示せず）もこの作動油によって駆動される。このように、大型船舶用の原動機１０の制御は、作動油を用いて行うのが増えてきており、この型の大型船舶用の原動機１０には、この作動油の圧力を上昇させる作動油昇圧用ポンプ６０は不可欠な装置となっている。なお、作動油昇圧用ポンプ６０によって昇圧された作動油は、原動機１０に設けられた燃料ポンプなどの油圧駆動機器に限らず、船内のポンプなど原動機１０に設けられていない油圧駆動機器の駆動に用いられる場合がある。

増速機構７０は、クランク軸５０の動力を作動油昇圧用ポンプ６０に伝達するための機構である。増速機構７０は、チェーン、スプロケット、シャフト、ギア等を組み合わせて構成されている。増速機構７０は、クランク軸５０と作動油昇圧用ポンプ６０との間に介在し、一端側がクランク軸５０に連結されており、他端側が作動油昇圧用ポンプ６０の入力軸６１に連結されている。そして、増速機構７０は、クランク軸５０から動力を受け取り、この動力の回転を増速しつつ作動油昇圧用ポンプ６０に伝え、作動油昇圧用ポンプ６０を回転駆動する。このように構成されているため、作動油昇圧用ポンプ６０は、クランク軸５０の回転速度よりも高い回転速度で駆動されることになる。本実施形態の増速機構７０は、クランク軸５０の回転速度が１００ｒｐｍのとき、作動油昇圧用ポンプ６０が１８００ｒｐｍで回転するように（１対１８の増速比）構成されている。

増速機構７０を構成するチェーン、スプロケット、シャフト、ギア等の組み合わせは特に限定されないが、本実施形態では、クランク軸５０にスプロケット７１が取り付けられており、このスプロケット７１にチェーン７２を掛けて、他方のスプロケット７３を回転するように構成されている。そして、回転させられたスプロケット７３はシャフト７４を介してその反対側に位置するギア７５を回転させ、必要によりさらに複数のギア（図示せず）を介して作動油昇圧用ポンプ６０の入力軸６１を駆動している。

過給機２０は、原動機１０に圧縮空気を供給するための装置である。過給機２０は、タービン部２１と、コンプレッサ部２２と、シャフト部２３と、を有している。タービン部２１には排気管１３から排気ライン１５を介して排ガスが供給され、排ガスの速度エネルギによりタービン部２１は回転する。タービン部２１とコンプレッサ部２２はシャフト部２３により連結されており、タービン部２１が回転することによりコンプレッサ部２２も回転する。コンプレッサ部２２が回転すると、外部から取り込んだ空気が圧縮され、圧縮された空気は給気ライン１６を介して掃気管１４に供給される。そして、掃気管１４内の圧縮空気は、シリンダ１２内へと供給される。このように、シリンダ１２内へ大量の空気を供給することで、燃料を多く投入することができるようになり、その結果、原動機１０の出力を上げることができる。そのため、過給機２０は原動機１０を運転するうえで非常に重要な装置となっている。例えば、過給機２０が破損した場合には、原動機１０の効率は著しく低下し、常用の運転が不可能となる。

補助動力装置３０は、原動機１０の負荷の一部を負担して、原動機１０の負荷を軽減するための装置である。本実施形態に係る補助動力装置３０は、いわゆるパワータービンであり、３００００ｒｐｍ程度の回転速度で回転する。補助動力装置３０は、タービン部３１と出力軸３２とを有している。タービン部３１には、原動機１０の排気管１３から排気ライン１７を介して排ガスが供給され、排ガスの速度エネルギによりタービン部３１は回転駆動する。出力軸３２はタービン部３１の回転に伴って回転し、タービン部３１で生成された動力を減速機４０に出力する。

なお、上記の構成とは異なり、過給機２０から出力を取り出すなどして、過給機２０自体を補助動力装置としてもよい。ただし、過給機２０とは別にパワータービンを設け、これを補助動力装置３０とするのが望ましい。過給機２０から独立して補助動力装置３０を設ければ、補助動力装置の不具合により過給機を停止させるリスクを軽減することができるからである。例えば、本実施形態に係る原動機１０は、過給機２０が正常に稼働しないと常用の運転が不可能であるが、補助動力装置３０を過給機から独立させることで、仮に補助動力装置３０が故障したとしても、原動機１０の運転自体は維持することができる。

減速機４０は、所定の減速比により減速して出力する装置である。本実施形態に係る減速機４０は、補助動力装置３０の出力軸３２が連結されており、補助動力装置３０で生成された動力が入力される。また、減速機４０は増速機構７０、特に作動油昇圧用ポンプ６０に近い部分（ギア７５）に連結されており、補助動力装置３０からの動力を減速して増速機構７０に供給する。なお、本実施形態の減速機４０は、補助動力装置３０で３００００ｒｐｍ程度であった回転数を増速機構７０に至るまでに１８００ｒｐｍ程度に減速すればよい。これに対し、仮に補助動力装置３０の動力が減速機４０から直接クランク軸５０に供給するのであれば、補助動力装置３０で３００００ｒｐｍ程度であった回転数をクランク軸５０に至るまでに１００ｒｐｍ程度に減速する必要がある。つまり、単純に計算すれば、本実施形態では、補助動力装置３０の動力が減速機４０から直接クランク軸５０に供給される場合に比べ、減速機４０の減速比を１８分の１に抑えることができる。

以上が本実施形態に係る原動機システム１００の構成である。以上のように、本実施形態に係る原動機システム１００では、従来のように、補助動力装置３０が減速機を介してそのままクランク軸５０に連結されるのではなく、補助動力装置３０が減速機４０を介し、さらに増速機構７０を介してクランク軸５０に連結されているため、減速機４０の減速比を小さくすることができ、ひいては減速機４０の大きさを小さく抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、図２を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る原動機システム２００について説明する。本実施形態に係る原動機システム２００は、補助動力装置２３０が電動モータである点で、第１実施形態に係る原動機システム１００と構成が異なる。その他の点については、第１実施形態に係る原動機システム１００の構成と基本的に同じである。より具体的には次の通りである。

上述したように、本実施形態の補助動力装置２３０は電動モータであり、電動モータ本体２３１と出力軸２３２とを有している。電動モータ本体２３１は電力により駆動するが、電動モータ本体２３１の電源は、上記の原動機１０とは別に船内に設けられた発電機によって発電されたものであってもよく、原動機１０の排ガスのエネルギを利用して発電されたものであってもよく、または、これらを合わせたものであってもよい。このうち、排ガスのエネルギを利用して発電する場合は、排気管１３から直接排ガスを取り出し、排ガスの運動エネルギにより発電用のタービンを回転して発電してもよく、又は過給機２０から取り出した排ガスの熱エネルギで蒸気を生成し、発電用の蒸気タービンを回転して発電するようにしてもよい。また、過給機２０から動力を取り出して発電機を駆動することで発電してもよい。なお、出力軸２３２は、電動モータ本体２３１の回転に伴って回転し、電動モータ本体２３１で生成された動力を減速機４０に出力する。

本実施形態に係る原動機システム２００のように、補助動力装置２３０に電動モータを用いた場合であっても、補助動力装置２３０からの動力が減速機４０および増速機構７０を介して、クランク軸５０へと伝達すれば、減速機４０の減速比を小さくすることができ、ひいては減速機４０の大きさを小さく抑えることができる。さらに、電動モータ本体２３１を駆動する電力が、船内に備えられた発電機によって発電されたものであれば、得られた余剰電力を有効に利用することができる。また、原動機１０の運転状況にかかわらず、補助動力装置２３０からの動力を安定して原動機１０に供給することができる。また、電動モータ本体２３１を駆動する電力が、排ガスのエネルギを利用して発電されたものであれば、原動機１０の排ガスを有効に利用できるため、原動機１０を効率よく運転することができる。

（第３実施形態）
次に、図３を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る原動機システム３００について説明する。本実施形態に係る原動機システム３００は、補助動力装置３３０としてパワータービンと電動モータから構成されている点で、第1実施形態に係る原動機システム１００や第２実施形態に係る原動機システム２００と構成が異なる。その他の点については、第1実施形態に係る原動機システム１００や第２実施形態に係る原動機システム２００の構成と基本的に同じである。より具体的には次の通りである。

上述したように、本実施形態の補助動力装置３３０は、パワータービンと電動モータから構成されている。補助動力装置３３０は、タービン部３３１、タービン部３３１に連結する出力軸３３２、電動モータ本体３３３、および電動モータ本体３３３に連結する出力軸３３４を有しており、それぞれ第１実施形態や第２実施形態で説明したタービン部３１、出力軸３２、電動モータ本体２３１、および出力軸２３２と同じものである。パワータービン側の出力軸３３２はタービン部３３１の回転に伴って回転し、タービン部３３１で生成された動力を減速機３４０に出力する。また、電動モータ側の出力軸３３４は、電動モータ本体３３３の回転に伴って回転し、電動モータ本体３３３で生成された動力を減速機３４０に出力する。

本実施形態では、タービン部３３１には、原動機１０の排気管１３から排気ライン１７を介して排ガスが供給され、排ガスの速度エネルギによりタービン部３３１は回転駆動される。また、電動モータ本体３３３には、原動機１０とは別に船内に設けられた発電機によって発電された電力が供給され、この電力により電動モータ本体３３３は回転駆動される。

本実施形態に係る原動機システム３００のように、補助動力装置３３０がパワータービンと電動モータから構成されている場合であっても、補助動力装置３３０からの動力が減速機３４０および増速機構７０を介して、クランク軸５０へと伝達すれば、減速機３４０の減速比を小さくすることができ、ひいては減速機３４０の大きさを小さく抑えることができる。さらに、本実施形態に係る原動機システム３００によれば、タービン部３３１は排ガスを利用して駆動されることで原動機１０は効率のよい運転をすることができ、かつ、電動モータ本体３３３は船内の発電機が発電した電力により駆動されることで得られた余剰電力を有効活用できるとともに、原動機１０の状況にかかわらず補助動力装置３３０から安定した動力を減速機３４０に供給することができるという２つの利益を同時に得ることができる。

以上、本発明に係る第１〜３実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、以上では補助動力装置として、パワータービンを用いたもの、電動モータを用いたもの、およびこれらを併用したものについて説明したが、補助動力装置はこれらに限定されない。例えば、油圧モータを補助動力装置として用いるなど、上述した以外の装置を補助動力装置として用いたものも本発明に含まれる。

また、以上の実施形態では、補助動力装置３０が、減速機４０を介して、作動油昇圧用ポンプ６０用の増速機構７０に連結されている場合について説明したが、本発明の増速機構は作動油昇圧用ポンプ６０用の増速機構に限定されることはなく、他の高速回転機器用の増速機構であってもよい。つまり、実施形態における作動油昇圧用ポンプ６０に替えて、他の高速回転機器を用いたとしても本発明に含まれる。

本発明に係る原動機システムによれば、原動機と補助動力装置の間に介在する減速機の大きさを小さく抑えることができるため、補助動力装置を備えた原動機システムの技術分野において有益である。

１０ 原動機
２０ 過給機
３０、２３０、３３０ 補助動力装置
３１、３３１ タービン部
２３１、３３３ 電動モータ本体
４０、３４０ 減速機
５０ クランク軸
６０ 作動油昇圧用ポンプ（高速回転機器）
７０ 増速機構
８１ プロペラ軸
１００、２００、３００ 原動機システム

Claims (7)

1. プロペラ軸を回転させる船舶用の原動機と、
   動力を生成し、生成した動力を前記原動機へ供給する補助動力装置と、
   前記原動機と前記補助動力装置との間に介在し、前記補助動力装置からの動力を減速して前記原動機へ伝える減速機と、を備え、
   前記原動機は、
   前記原動機で生成した動力を前記プロペラ軸へ伝えるクランク軸と、
   前記クランク軸よりも回転速度が大きい高速回転機器と、
   前記クランク軸と前記高速回転機器との間に介在し、前記クランク軸からの動力を増速して前記高速回転機器に伝える増速機構と、を有し、
   前記補助動力装置からの動力は、前記減速機および前記増速機構を介して、前記クランク軸及び前記高速回転機器へと伝達され、
   前記高速回転機器は、油圧駆動機器を制御するための作動油の圧力を上昇させる作動油昇圧用ポンプである、原動機システム。
2. 前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスが有するエネルギを利用して駆動される、請求項１に記載の原動機システム。
3. 前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスによって回転駆動されるパワータービンからなる、請求項１に記載の原動機システム。
4. 前記原動機に圧縮空気を供給する過給機をさらに備え、
   前記パワータービンは前記過給機から独立して設けられている、請求項３に記載の原動機システム。
5. プロペラ軸を回転させる船舶用の原動機と、
   動力を生成し、生成した動力を前記原動機へ供給する補助動力装置と、
   前記原動機と前記補助動力装置との間に介在し、前記補助動力装置からの動力を減速して前記原動機へ伝える減速機と、を備え、
   前記原動機は、
   前記原動機で生成した動力を前記プロペラ軸へ伝えるクランク軸と、
   前記クランク軸よりも回転速度が大きい高速回転機器と、
   前記クランク軸と前記高速回転機器との間に介在し、前記クランク軸からの動力を増速して前記高速回転機器に伝える増速機構と、を有し、
   前記補助動力装置からの動力は、前記減速機および前記増速機構を介して、前記クランク軸及び前記高速回転機器へと伝達され、
   前記補助動力装置は、前記原動機とは別に船内に設けられた発電機によって発電された電力により駆動される電動モータからなる、原動機システム。
6. プロペラ軸を回転させる船舶用の原動機と、
   動力を生成し、生成した動力を前記原動機へ供給する補助動力装置と、
   前記原動機と前記補助動力装置との間に介在し、前記補助動力装置からの動力を減速して前記原動機へ伝える減速機と、を備え、
   前記原動機は、
   前記原動機で生成した動力を前記プロペラ軸へ伝えるクランク軸と、
   前記クランク軸よりも回転速度が大きい高速回転機器と、
   前記クランク軸と前記高速回転機器との間に介在し、前記クランク軸からの動力を増速して前記高速回転機器に伝える増速機構と、を有し、
   前記補助動力装置からの動力は、前記減速機および前記増速機構を介して、前記クランク軸及び前記高速回転機器へと伝達され、
   前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスが有するエネルギにより発電された電力によって駆動される電動モータからなる、原動機システム。
7. プロペラ軸を回転させる船舶用の原動機と、
   動力を生成し、生成した動力を前記原動機へ供給する補助動力装置と、
   前記原動機と前記補助動力装置との間に介在し、前記補助動力装置からの動力を減速して前記原動機へ伝える減速機と、を備え、
   前記原動機は、
   前記原動機で生成した動力を前記プロペラ軸へ伝えるクランク軸と、
   前記クランク軸よりも回転速度が大きい高速回転機器と、
   前記クランク軸と前記高速回転機器との間に介在し、前記クランク軸からの動力を増速して前記高速回転機器に伝える増速機構と、を有し、
   前記補助動力装置からの動力は、前記減速機および前記増速機構を介して、前記クランク軸及び前記高速回転機器へと伝達され、
   前記補助動力装置は、前記原動機の排ガスによって回転駆動されるパワータービンと、前記原動機とは別に船内に設けられた発電機によって発電された電力により駆動される電動モータからなる、原動機システム。

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