JP5620586B2 - マグヌスロータを備える船舶、とりわけ貨物船 - Google Patents

Description

本発明は、マグヌス（Magnus）ロータを備える船舶、とりわけ貨物船に関する。

マグヌスロータは、フレットナロータまたはシーゲルロータとも称される。

マグヌス効果は、横方向力の発生、すなわち軸および風の吹き込み方向に対して直交方向の力の発生を説明し、軸を中心に回転するシリンダにおいて、その軸に対して直交する方向に風が吹き込む。回転するシリンダを巡る流れは、均質な流れと本体周囲の渦との重ね合わせとして理解される。流れ全体の不均一な分布により、シリンダ周囲に非対称の圧力分布が生じる。したがって船舶には回転ないし回動するロータが設けられ、これらのロータは風の流れの中で、作用する風向、すなわち最高速度により補正された風向に対して直交方向の力を形成し、この力を帆船の場合のように船舶の推力に使用することができる。垂直に起立したシリンダがその軸を中心に回転し、側方（ないし横）から流れる空気を受けると、この空気は表面摩擦に基づいてシリンダを中心にする回転方向に優先して流れる。したがって前面では（空気の）流速が高くなり、静圧が低下し、これにより船舶は前進方向の力を獲得する。

この種の船舶はすでに非特許文献１から公知である。ここではフレットナロータとも称されるマグヌスロータを貨物船用の駆動部または補助駆動部として使用できるか否かが研究された。

特許文献１から、１つまたは複数のロータ帆を備え、従来のスクリュおよび舵装置を有する船舶用の駆動システムが公知である。ここでは推力が、従来の制御部により制御される従来の駆動機関と、ロータ帆によるマグヌス効果の利用により形成される。従来の駆動機関はロータ帆を駆動することができるが、このロータ帆は専用の駆動部によって駆動することももちろんできる。ロータ帆の制御は船橋に設けられた制御ユニットによって行われる。この制御ユニットは２つのレバーを備え、これらのレバーによりロータ帆の回転速度と回転方向を調整することができ、これによってマグヌス効果により引き起こされる推進力の方向が調整される。

特許文献２から多数のマグヌスロータを備える船舶が公知であり、ここでは多数のマグヌスロータの各々に個別に制御可能な電気モータがマグヌスロータの回転のために配設されている。各電気モータには、その回転数および／または回転方向を制御するためにインバータが配設されている。

米国特許第４６０２５８４号 ドイツ特許願第１０２００５０２８４４７号

"Die Segelmaschfne" von Claus Dieter Wagner, Ernst Kabel Verlag GmbH, Hamburg, 1991, S. 156

本発明の課題は、マグヌスロータにより駆動される船舶の経済的な駆動部を提供することである。

この課題は、第１の視点に記載の船舶および第２の視点に記載の方法によって解決される。
第１の視点によれば、多数のマグヌスロータを備える船舶、とりわけ貨物船が提供される。即ちこの目的において、多数のマグヌスロータのそれぞれには、個別に制御可能な電気モータが該マグヌスロータの回転のために配設されており、前記各電気モータには、当該電気モータの回転数および／または回転方向を制御するためにインバータが配設されており、中央制御ユニットを有し、該中央制御ユニットは、前記マグヌスロータの回転数および／または回転方向を、他のマグヌスロータからそれぞれ独立して制御するために個々のインバータの制御のために当該インバータと接続されており、前記船舶の主駆動部として電気モータを有し、前記電気モータには、当該電気モータの制御のためにインバータが配設されており、前記制御ユニットは、第１の動作モードで前記マグヌスロータを、最大の推力が得られるように制御し、ここで所望の推力と前記マグヌスロータの回転により得られる推力との差分は前記電気モータによって調達され、第２の動作モードで前記マグヌスロータを遮断し、所望の推力は前記電気モータによって調達される。（形態１）
第２の視点によれば、多数のマグヌスロータを備える船舶、とりわけ貨物船の駆動方法が提供される。即ち、この駆動方法において、多数のマグヌスロータのそれぞれには、個別に制御可能な電気モータが前記マグヌスロータ）の回転のために配設されており、前記各前記モータには、当該電気モータの回転数および／または回転方向を制御するためにインバー（が配設されており、中央制御ユニットを有し、該中央制御ユニットは、前記マグヌスロータの回転数および／または回転方向を、他のマグヌスロータからそれぞれ独立して制御するために、個々のインバータの制御のために当該インバータと接続されており、
当該船舶の主駆動部としての電気モータを有し、前記電気モータには、当該電気モータを制御するためにインバータが配設されており、当該方法は、第１の動作モードでは前記マグヌスロータの制御が、最大の推力が得られるように行われ、所望の推力と前記マグヌスロータの回転により得られる推力との差分は前記電気モータによって調達され、第２の動作モードでは前記マグヌスロータは遮断され、前記電気モータの制御は所望の推力が前記電気モータによって調達されるように行われる。
なお、特許請求の範囲に付記した図面参照番号は専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。
本発明において、さらに以下の形態が可能である。
（形態１） 第１の視点に記載のとおり。
（形態２） 前記制御ユニットは第３の動作モードで前記マグヌスロータを、当該マグヌスロータによってマグヌスロータの最大推力よりも小さい推力が得られるように制御し、所望の推力と前記マグヌスロータの回転により得られる推力との差分は前記電気モータによって調達されることが好ましい。
（形態３） さらに前記電気モータにより駆動されるプロペラと、電気エネルギーを形成するために発電機と結合された燃焼機関と、所望の推力を設定するための操作ユニットとを有し、前記第１の動作モードでは、所望の推力が船舶の絶対速度または相対速度であり、前記第２の動作モードでは、所望の推力が前記プロペラのピッチ勾配であり、前記第３の動作モードでは、所望の推力が前記電気モータの絶対出力または相対出力であることが好ましい。
（形態４） 前記制御ユニットは、風速、および／または風向、および／または船舶の所定の目的地、および／またはナビゲーションユニットのナビゲーション情報を受け取ることが好ましい。
（形態５） 前記制御ユニットは、前記マグヌスロータの回転数および／または回転方向を、風速、風向、所定の進路、および／または前記ナビゲーションユニットのナビゲーション情報に依存して制御することが好ましい。
（形態６） 前記制御ユニットは、前記マグヌスロータの回転数および／または回転方向の決定のために、当該制御ユニットに設けられている特性曲線を使用することが好ましい。
（形態７） 前記制御ユニットは、風速、風向、所定の目的地、および／またはナビゲーション情報に依存して、前記マグヌスロータの回転により得られる推力が最大である進路を決定することが好ましい。
（形態８） 前記制御ユニットは当該船舶を、前記マグヌスロータの回転により得られる推力が最大である所定の進路を取るために制御することが好ましい。
（形態９） 前記制御ユニットは、各動作モードごとに前記燃焼機関の燃料消費を計算し、当該消費を大きさに関して同等の他の船舶の消費と比較し、計算した消費と比較の結果を出力することが好ましい。
（形態１０） 多数の燃焼機関が設けられており、当該燃焼機関は電気エネルギーを形成するために多数の発電機のうちのそれぞれ１つの発電機と結合されており、前記制御ユニットは、所要の電気エネルギーを調達するために、前記多数の燃焼機関のうち、所要の電気エネルギーがそれぞれの発電機により少なくとも形成される数の燃焼機関（ＤＡ）を投入接続し、前記多数の燃焼機関のうち、当該燃焼機関による燃料の消費が最小になるよう所定数の燃焼機関を遮断することが好ましい。
（形態１１） 第２の視点に記載のとおり。

したがって多数のマグヌスロータ、中央制御ユニットおよび主駆動部としての電気モータを有する船舶、とりわけ貨物船が提案される。ここでマグヌスロータはそれぞれ中央制御ユニットにより個別に、第１の動作モードでは最大の推力が得られるように制御することができ、所望の推力とマグヌスロータの回転により得られる推力との差分は電気モータによって調達される。第２の動作モードではマグヌスロータは中央制御ユニットにより遮断され、所望の推力は電気モータによって調達される。

この２つの動作モードを区別するのが有利であるのは、本発明の船舶をその目下の使用に応じて、すなわち外海での航海であるか、入港または港での接岸であるかに応じて最適に駆動することができるからであり、これにより船舶の燃料消費を低減し、ひいては船舶の経済性を向上させることができる。したがって外海では、マグヌスロータによってできるだけ多く獲得され、できるだけ多くの主駆動部を省略することのできる推進力によって航海の目的地に達するために、船舶の進路を風向に応じて選択することができる。ここでは同時に、船舶の進路を風向に応じて選択できない状況でも船舶の推力が与えられることが保証される。なぜならこの場合は主駆動部が完全に使用され、マグヌスロータは遮断されるからである。

本発明の一つの側面では、制御ユニットが第３の動作モードではマグヌスロータを、このマグヌスロータによって当該マグヌスロータの最大推力よりも小さい推力が得られるように制御する。ここで所望の推力とマグヌスロータの回転により得られる推力との差分は電気モータによって調達（提供）される。この第３の動作モードにより本発明の船舶の経済性が向上される。なぜならマグヌスロータを使用できるが、船舶の進路をロータの効率に関して最適化できず、それでもなお船舶の推力をアシストすることができるという状況があるからであり、この場合風の流入方向を船舶の所与の進路と組み合わせると推進力が形成されるからである。このようにしてこの動作モードでは、主駆動部がマグヌスロータによりアシストされ、これによりここでも燃料を節約することができる。

本発明のさらに別の側面によればさらに本発明の船舶、とりわけ貨物船は、電気モータにより駆動されるプロペラ（ないしスクリュ）を有する。船舶は、電気エネルギを形成するために発電機と結合された燃焼（ないし内燃）機関を有することもできる。船舶はさらに、所望の推力を設定するための操作ユニットを有する。ここで所望の推力は、第１のモードでは船舶の絶対速度または相対速度であり、第２の動作モードではプロペラのピッチ勾配、第３の動作モードでは電気モータの絶対出力または相対出力である。

ここで有利には、本発明の船舶の操作快適性は操作ユニットを設けることにより向上させることができ、この操作ユニットでは船舶の動作モードに応じて推力を種々に設定することができる。これが有利であるのは、各動作モードでは推力の大きさが異なった尺度（ないし程度）で評価されるからである。例えば港内での操船過程では、前進運動および後進運動の大きさをプロペラのピッチ勾配により調整するのが有利である。なぜならこれにより前進運動および後進運動を非常に微細に小さな時間遅延のみをもって制御することができるからである。一方、外海では所望の速度を、絶対的または相対的に設定するのが船員にとって非常に分かりやすい。

本発明の一つの側面では、制御ユニットが風速、風向、船舶の所定の目的地および／またはナビゲーションユニットのナビゲーション情報を受け取る。これが有利であるのは、これにより船舶の進路を計算するために船舶の制御部が所要の情報を使用できるからである。

本発明のさらに別の側面によれば、制御ユニットはマグヌスロータの回転数および／または回転方向を、風速、風向、所定の進路および／またはナビゲーションユニットのナビゲーション情報に依存して、制御する。ここでは有利には、船舶の推力を形成するためにマグヌスロータの最適効率を達成することができ、これにより同時に船舶の燃料消費を低減することができる。

本発明の一つの側面によれば、制御ユニットはマグヌスロータの回転数および／または回転方向に決定するために、制御ユニットに設けられた特性曲線を使用する。各マグヌスロータに対して個別に設ける（ないし設定する）ことのできる特性曲線を使用することにより、推力を各個々のマグヌスロータごとに最適化することができる。なぜならマグヌスロータの正確な挙動（ないし特性）が、回転数および回転方向および風速に依存して推進力を形成する際に既知だからである。これらの特性曲線は、各マグヌスロータに対して、個別にまたは共通に、計算または測定によって決定することができる。

本発明のさらなる側面によれば、制御ユニットは風速、風向、所定の目的地および／またはナビゲーション情報に依存して、マグヌスロータの回転により得られる推力が最大となる進路を決定する。これにより、マグヌスロータにより形成される推力を最大にすることができる。なぜなら制御部は進路の決定の際に実質的に風の挙動ないし特性をベースにし、これを最適に利用するので、これにより本発明の船舶は可能である限り目的地に帆走し、ひいては主駆動部によって燃料を消費して形成される推力が最小にされる。

本発明の一つの側面によれば、制御ユニットは、マグヌスロータの回転により得られる推力が最大となる特定の進路を取るように船舶を制御する。このようにして制御部がマグヌスロータによる推進力を利用するのに最適の進路を決定し、実行もするという点に関して、進路の選択と実行を制御部に任せることができ、これにより変化する風の挙動、とりわけ風向の変化に常に直ちに反応することができ、これにより燃料消費が最適化される。

本発明のさらなる側面によれば、制御ユニットは各動作モードごとに燃焼機関の燃料消費を計算し、この消費を大きさの点で同等の他の船舶の消費と比較し、計算した消費と比較の結果を出力する。これにより船員によって、またはデータ伝送により例えば無線で船舶の外にある受信機に伝送される情報の他の受信者によっても、本発明の船舶の経済性をいつでも判断することができる。

本発明の一つの側面によれば、多数の燃焼機関が設けられており、それら燃焼機関は電気エネルギを生成するために多数の発電機のうちのそれぞれ１つの発電機と結合されている。さらに制御ユニットは所要の電気エネルギを調達するために、多数の燃焼機関のうち所要の電気エネルギがそれぞれの発電機により少なくとも生成される個数の燃焼機関を投入（切替）接続し、多数の燃焼機関のうち当該燃焼機関による燃料の消費が最小になるよう対応する個数の燃焼機関を遮断する。このようにしてただ１つの大型の燃焼機関の代わりに、複数の小型の燃焼機関を配設することができる。これが有利であるのは、ｈの大型の燃焼機関を運転する代わりに、要求される出力に応じて小型の燃焼機関を個別的に一時的に遮断することができ、これにより燃焼機関の摩耗に関して燃焼機関を大事に取り扱うことができるからである。さらに小型の燃焼機関の１つが損傷または故障しても、これにより残りの燃焼機関（複数）の運転が制限されることなしに、当該燃焼機関を遮断し、修理し、または交換することができる。

以下、本発明の実施例および利点を以下の図面を参照して詳細に説明する。

第１実施例による船舶の斜視図である。 図１の第１実施例による船舶の制御部のブロック回路図である。 電気エネルギを形成するシステムの概略図である。 別の電気エネルギを形成するシステムの概略図である。 図２の制御部の一部を有する第１実施例による船舶の斜視図である。 第１実施例による船舶の操作ユニットの外観図である。

図１は、第１実施例による船舶の斜視図である。ここで船舶は、水中領域１６と水上領域１５からなる胴体を有する。さらに船舶は４つのマグヌスロータ１０ないしフレットナロータ１０を有し、これらは胴体の４つの角に配置されており、好ましくは円筒状に構成されている。ここで４つのマグヌスロータ１０は、本発明の船舶のための風力駆動部である。船舶は船首に配置された、ブリッジ３０を備えるデッキハウス４０を有する。船舶は水中にスクリュ５０ないしプロペラ５０を有する。さらに操船性を改善するために、船舶は同様にサイドスラスタを有し、好ましくは１つのサイドスラスタが船尾に、１つまたは２つのサイドスラスタが船首に設けられている。好ましくはこれらのサイドスラスタは電気的に駆動される。宿泊所、キッチン、食料庫、食堂等はデッキハウス４０に配置されている。ここで上甲板１４より上方の、デッキハウス４０、船橋３０およびすべての構造物には、風の抵抗を低減するために空気力学的形状が付与されている。このことはとりわけ鋭利な角および尖った構造物を実質的に回避することにより達成される。風の抵抗を最小にし、空気力学的（適合）形状を付与するために、可能な限り少数の上甲板構造物しか設けられていない。

図２は、図１の第１実施例による船舶の制御部のブロック回路図である。４つのマグヌスロータ１０はそれぞれ固有のモータＭと別個のインバータＵを有する。インバータＵは中央制御ユニットＳＥと接続されている。ディーゼル駆動部ＤＡが、電気エネルギの生成のために発電機Ｇと連結されている。ここでは１つのディーゼル駆動部ＤＡの代わりに、複数の個々のディーゼル駆動部ＤＡを発電機Ｇないし対応する数の個々の発電機と接続したセットとすることもできる。これらの組合せセットはそれぞれ単一のユニットと見なされ、対応する１つの大型のディーゼル駆動部ＤＡないし発電機Ｇと同じ電力を外部に提供する。それぞれのインバータＵは発電機Ｇと接続されている。さらに電気モータＭと接続された主駆動部ＨＡが示されており、この電気モータはさらに個別の周波数変換器Ｕならびに制御ユニットＳＥにも発電機Ｇにも接続されている。ここで４つのマグヌスロータ１０は個別にも互いに独立しても制御することができる。

マグヌスロータ（複数）１０および主駆動部ＨＡの制御は制御ユニットＳＥによって行われる。制御ユニットは、目下の風測定（信号）（風速、風向）Ｅ１，Ｅ２から、ならびに目標航行速度と実際航行速度についての情報（信号）Ｅ３（オプションとしてナビゲーションユニットＮＥからのナビゲーション情報に基づいて）に基づいて、個々のマグヌスロータ１０に対する対応の回転数と回転方向および主駆動部ＨＡの回転数と回転方向を、所望の推進力を達成するために決定する。制御ユニットＳＥは、４つのマグヌスロータ１０の推進力および目下の実船舶速度と速度の目標値に依存して、必要である場合には主駆動装置ＨＡを無段階に減速制御する。したがって風エネルギ出力を直接かつ自動的に燃料節約に変換することができる。マグヌスロータ１０を独立して制御することにより、船舶を主駆動部ＨＡ無しでも制御することができる。とりわけそれぞれのマグヌスロータ１０を相応に制御することにより、波が高い場合（荒れた海路）でも船舶を安定させることができる。

さらに船舶の操船性を改善するために１つまたは複数のサイドスラスタＱＳＡを設けることができる。この際１つのサイドスラスタＱＳＡを船尾に、１つまたは２つのサイドスラスタＱＳＡを船首に設けることができる。各サイドスラスタＱＳＡには駆動のためのモータＭおよびインバータＵが割り当てられている。インバータＵはさらに中央制御ユニットＳＥおよび発電機Ｇと接続されている。したがってサイドスラスタ（図２には１つだけが図示されている）も同様に船舶の制御に使用することができる。なぜならサイドスラスタは中央制御ユニットＳＥと（インバータＵを介して）接続されているからである。サイドスラスタＱＳＡはそれぞれ個別にその回転数と回転方向を中央制御ユニットＳＥによって制御することができる。ここで制御は、上に説明したように行うことができる。

図３は、電気エネルギのための生成（発電）システムの概略図である。図３の生成システムは、図２の制御部に組み込むことができる。例として２つのディーゼル駆動部ないし燃焼機関ＤＡと後置接続された発電機Ｇ１，Ｇ２が図示されている。ディーゼル駆動部ＤＡの排気ガスは排気ガス管１１０に排出され、後燃焼ユニットＮＶに供給される。この後燃焼ユニットＮＶでは、ディーゼル駆動部ＤＡで未だ燃焼されなかった排気ガスの構成成分が燃焼され、後置接続された熱交換器ＷＴを介して燃焼熱および排気ガスの熱のかなりの部分がこの熱交換器に取り出され、さらなる発電機Ｇ３の駆動に使用され、この発電機Ｇ３はこの熱から付加的な電気エネルギを生成する。したがってディーゼル駆動部ＤＡは対応してさほど酷使されず、その燃料消費も対応して減少する。このように後処理された排気ガスは、引き続き煙突１１２を介して吐き出される。発電機Ｇ１からＧ３により生成された電気エネルギは、図２に示すように、主駆動部ＨＡのモータＭに例えば（船内）搭載電源網を介して供給することができる。加えてマグヌスロータ１０のインバータＵと電気モータＭには搭載電源網を介して電気エネルギを供給することができる。さらに搭載電源網は、船舶の電気エネルギ供給を保証するために使用することができる。

図４は、電気エネルギのための別の生成システムの概略図を示す。ここで電気エネルギのための生成システムの図示のエレメントとその参照符号は図３のものに対応する。この実施形態では、後燃焼ユニットＮＶと熱交換器ＷＴの代わりに蒸気タービンＤＴが設けられている。蒸気タービンはとりわけ、図３の後燃焼ユニットＮＶおよび熱交換器ＷＴとともに設けることもできる。ここでディーゼル駆動部ＤＡの排気ガスは排気ガス管１１０を通して蒸気タービンＤＴに供給される。蒸気タービンは熱い排気ガスを過熱蒸気の生成のために使用し、この過熱蒸気によりタービンが電気エネルギの生成のために駆動される。次に蒸気タービンＤＴで冷却された排気ガスは煙突１１２を介して吐き出される。次にこのようにして得られた電気エネルギは船舶の搭載電源網に供給され、主駆動部ＨＡ、サイドスラスタＱＳＡおよび／またはマグヌスロータ１０のモータＭのために、および搭載電源網のその他の負荷のために使用することができる。

図５は、図２の制御部の一部を有する第１実施例による船舶の斜視図である。図示されているのは、ディーゼル駆動部ＤＡおよび発電機Ｇを制御するための（中央）制御ユニットＳＥである。図２の制御部のその他の装置は、分かりやすくするため図示されていない。制御ユニットＳＥは操作ユニットＢＥと接続されており、この操作ユニットは例えば船舶の船橋に配置することができる。この操作ユニットＢＥを介して、船員による制御ユニットＳＥへの入力を実行することができる。操作ユニットＢＥは、キーボードまたはタッチスクリーンディスプレイのような入力手段を有することができる。同じように、押したり回転したりするためのボタン、キー、スイッチ、レバー等を入力手段として設けることができる。これらは物理的に成形（構成）されていても、および／またはタッチスクリーンディスプレイ上に仮想に表示されても良い。制御ユニットＳＥへの音声入力による入力を、例えばマイクロホンを介して実行することもできる。さらに操作ユニットＢＥによって制御ユニットＳＥの情報および通報を表示および出力することができ、これは例えばディスプレイまたはモニタのような表示エレメント上に光学的に、スピーカ等を介して信号音または警報音または音声通知として音響的に、またはプリンタもしくはプロッタによって紙への印刷として行うなどできる。

図６は、第１実施例による船舶の操作ユニットの外観図である。いわゆるテレグラフＴＧが図示されており、テレグラフは船舶で例えば船舶の速度、主駆動部の回転数を設定するために使用することができる。その右横にはキーフィールドが配置されており、このキーフィールドはモードを入力するための垂直列のキーＴ１を有し、このキーを押すことにより船舶はそのモードにセットされる。キーＴ１の垂直列の右横には平行に、表示部Ａ１の垂直列が配置されており、表示部はそれぞれキーＴ１に割り当てられていて、対応するキーＴ１が操作されたか、それにより対応するモードが選択されたか否かを表示する。そのさらに右にはキーＴ２の第２の垂直列が配置されており、それらの操作を介してモードのそれぞれの動作形式が選択される。ここでこれらの動作形式とは、モードのサブ機能または複数のモードを表す。キーＴ２を介する動作形式の選択は、キーＴ２に組み込まれた表示器により表示される。

操作ユニットＢＥを介してとりわけ船舶の進路または舵の位置のような入力、テレグラフＴＧを介する船舶の速度、スクリュ（プロペラ）５０の回転数、またはサイドスラスタＱＳＡの使用のような入力、キーＴ１および／またはキーＴ２を介するディーゼル駆動部ＤＡのオンオフ等を制御することができる。この種の入力は船員による手動モードでは手動設定として行うことができ、または制御の種々の自動モードでの制御の自動化シーケンス（複数）の構成要素であっても良い。

本発明の船舶の可能性を経済的な運転のために利用し尽くすためには、電気エネルギの種々の生成手段および電気エネルギを船舶の推進力に変換するための手段を最適に十分利用する制御部が必要である。ここでは図２から４に示された電気エネルギを生成する装置と、電気エネルギを消費して船舶の推進力を生成する装置とが以下のように統合される。

−電気エネルギを生成する装置：
・発電機Ｇを有するディーゼル駆動部ＤＡ、および
・ディーゼル駆動部ＤＡの排気ガス用の後燃焼ユニットＮＶおよび熱交換器ＷＴまたは蒸気タービンＤＴ。

−電気エネルギを消費して船舶の推進力を生成する装置：
・主駆動部ＨＡ、すなわちモータＭとインバータＵを備えるプロペラ５０；
・モータＭとインバータＵを備えるマグヌスロータ１０。

モータＭとインバータＵを備えるサイドスラスタＱＳＡも同様に電気エネルギを消費するが、それにより船舶の進行方向に対して横向きの力を生成する。この横力は船舶の推力には向けられず、サイドスラスタＱＳＡはこのリストでは考慮されないままである。

本発明の船舶の可能性を経済的な運転のために利用し尽くしために、船舶を種々の自動化モードで駆動する。各モードは、船舶運転の特定の形式のために設けられている。これら自動化モード間を船員は操作ユニットＢＥを用いて切り替えることができ、同様に手動モードと自動化モードの間も切り替えられる。この際障害発生の場合には、自動化モードを制御部によって自動遮断することもでき、したがってこの場合は手動モードで船舶を船員がコントロールして安全にさらに運転することができる。すべてのモードで制御部には対応する経過が自動化されたシーケンスとして記憶されている。

第１のモードとして接岸モード（ハーバーモード）を設けることができ、このモードでは例えば貨物の積み卸しのために船舶が港内で埠頭に接岸されている。この接岸モードでは船舶は航行しない。すなわち主駆動部ＨＡおよびプロペラ５０とサイドスラスタＱＳＡは遮断されている。同様にマグヌスロータ１０のモータも遮断されている。なぜなら推進力は必要なく、もしくは生成してはならないからである。したがって接岸モードは、船舶が推進力を有していないことにより規定される。制御ユニットＳＥによってディーゼル駆動部ＤＡは、例えばこの制御ユニットＳＥ自体、操作ユニットＢＥおよび船舶の客室およびキッチン、船舶固有のクレーンまたはその他の積み込み装置、積載室のフラップ、照明装置等のための搭載電源網に電気エネルギを供給するために駆動される。ここでは船舶に備わっているただ１つのディーゼル駆動部ＤＡを相応の小さな出力で駆動するか、または多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちの複数を遮断することができ、一方で、多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちの１つまたは複数のディーゼル駆動部ＤＡが投入接続される。

第２のモードは操船モードとすることができる。この操船モードは、港内、水門内、ドック内、狭い河川または運河等内で操船するために使用することができる。すなわち船舶を埠頭または水門壁から離岸するか、またはこれらに接岸するために、または障害物に対して近距離で船舶を移動させるために使用することができる。このために主駆動部ＨＡまたはプロペラ５０の他に、サイドスラスタＱＳＡをこれが船舶に設けられている場合には使用することができる。したがってこの操船モードでも同様に少なくとも１つのディーゼル駆動部ＤＡを駆動することができる。または複数のディーゼル駆動部ＤＡが操船モードで必要な電気エネルギを共通に提供するために設けられている場合には、多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちの複数のディーゼル駆動部ＤＡを駆動することができる。さらに操船モードでは、接岸モードでも設けられているすべての装置に搭載電源網を介して給電することができる。

第３のモードとして河川モードを設けることができる。この河川モードは、広い運河のような広い河川、例えば北海−東海運河、すでに良好に航行可能な河川、または沿岸の海洋および主要航路で適用することができる。この状況では横方向の操船は行われないから、サイドスラスタＱＳＡは遮断される。さらに河川モードでは船舶の進路および速度を比較的長時間維持できることを前提にすることができ、操船行為が短時間であることを特徴とする操船モードとは異なる。したがって河川モードでは、所要の推進力の一部を、マグヌスロータ１０を介して獲得し、主駆動部ＨＡまたはプロペラ５０を対応して減速して運転するためにマグヌスロータ１０を駆動することができる。しかしここではマグヌスロータ１０の使用は制限される。したがってマグヌスロータ１０によって形成される推進力は、主駆動部ＨＡにより形成される推進力に対して所定の比を上回らない。これは例えば、マグヌスロータ１０の回転数を制限することにより行うことができる。

ここで注意すべきことは、この河川モードでは船舶の操船性が、河川、運河もしくは主要航路の隘路により、または岸、浅瀬もしくは他の海上交通物に近いことにより格段に制限されることである。したがって船舶の進路を任意に選択することはできず、マグヌス効果を最適化するための風向に向けることはできない。したがって風の吹き込み方向が有利な場合、推進力の一部をマグヌスロータ１０によって獲得することができるが、船舶の進路は風向にわずかしか適合できない。したがって主駆動部ＨＡまたはプロペラ５０の負荷を軽減する推進力を部分的にだけマグヌスロータ１０によって達成することができ、これによりディーゼル駆動部ＤＡの必要エネルギを低減できる。推進力の一部がマグヌスロータ１０から獲得できる場合には、ただ１つのディーゼル駆動部ＤＡを対応して小さな出力で駆動することができる。または多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちのいくつかのディーゼル駆動部ＤＡを遮断し、多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちのいくつかのディーゼル駆動部ＤＡを、小さな共通出力の提供のために駆動することができる。

さらにこの第３の河川モードでは、後燃焼ユニット（アフターバーナ）ＮＶと熱交換器ＷＴまたは蒸気タービンＤＴを、ディーゼル駆動部ＤＡの排気ガスを利用するために使用することができる。なぜならディーゼル駆動部ＤＡが連続的に運転される場合に初めて、すなわち定常運転状態で初めて、後燃焼ユニットＮＶと熱交換器ＷＴまたは蒸気タービンＤＴの起動と運転に労力を費やすことに意味があり、起動および運転自体に必要であるよりも多くの電気エネルギを形成するからである。

第４のモードは海洋モードと称される。この海洋モードは外海での航海のために設けられている。すなわち回航すべき障害物のない自由な航海とされる。この第４の海洋モードでは、マグヌスロータ１０による推進力の形成を最適に利用し尽くすことができる。なぜなら船舶の進路を風の吹き込み方向（流入方向）に向けることができるからである。すなわち船舶の進路を選択することにより、マグヌスロータ１０からの推進力を最適化するために風の吹き込み方向を船舶の長手方向に対して横切る方向（ないし交叉する方向）にすることができる。マグヌスロータ１０により引き起こされる最適の推進力を生じさせるために、この第４の航海モードではマグヌスロータ１０がその最大回転数で駆動される。さらに定常的な駆動特性であるから、後燃焼ユニットＮＶと熱交換器ＷＴまたは蒸気タービンＤＴを、ディーゼル駆動部ＤＡの排気ガスを利用するためにその全出力能力をもって駆動することができる。これによりこの第４の航海モードでは、対応して風関係が適切な場合にはディーゼル駆動部ＤＡの出力を落とすことができ、または多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちの対応する数のディーゼル駆動部ＤＡを遮断し、これにより燃料を、所望の推進力がマグヌスロータ１０から得ることができる程度に節約することができる。さらに１つまたは複数のディーゼル駆動部ＤＡの残った出力から、電気エネルギを後燃焼ユニットＮＶと熱交換器ＷＴまたは蒸気タービンＤＴを用いて獲得することができる。サイドスラスタＱＳＡはこのモードでは遮断されている。

この第４の海洋モードでは、進路を実質的に自由に決定することができる。ここではもちろん他の海上交通物に注意しなければならない。しかしこの他の交通対象物を早期に識別し、その海洋領域を知っている場合には早期に進路を計画すれば、衝突を確実に排除することができ、それでもなお、予報される風特性（挙動）に対応した進路を非常に早期に選択することができる。したがってこのほぼ自由に選択可能な進路を、種々の観点で駆動特性の最適化のために使用することができる。

−時間短縮を最適化するために運転形式（タイムセーフモード）
この場合、目的港に最短で到達できることが進路選択の際にもっとも優先される。したがって目的港へのできるだけ直接の経路が選択され、所望の速度は主に主駆動部ＨＡまたはプロペラ５０によって達成される。推進力は、進路が所定の場合に風向きにより推進力が得られればマグヌスロータ１０によって支援される。しかしマグヌスロータ１０により推進力を達成するために進路を調整することは決して行われない。言い替えると海洋モードのこの動作形式では、従来の船舶と同じように最短区間にしたがって進路が決定され、マグヌスロータ１０による推進力の支援は、風向きと船舶の所定の進路とが偶然重なって推進力が生じる場合にのみ達成される。

−コストを最適化するための運転形式（コストセーフモード）
この動作形式では進路の向きと計算が、運転コストと期限コストとを比較して行われる。運転コストには、とりわけディーゼル駆動部ＤＡの燃料消費が含まれる。進路は、例えば期限を確実に守ることができるように、すなわち目的港に予定どおりに到着するように設定されるが、しかし同時に残りの時間は、速度を適合することにより、またはマグヌスロータ１０による推進力の利用を最適化することにより利用し尽くされる。言い替えると、燃料消費を低下させるために必要以上に速くは航行せず、それでも目的地には遅延罰金等を回避するために予定どおりに到達する。

−燃料消費を最適化するための動作形式（燃料セーフモード）
海洋モードのこの動作形式では、推進力ができるだけマグヌスロータ１０によって形成され、ディーゼル駆動部ＤＡを十分に減速して運転することができるような制御によって進路が最適化される。これにより可能な限り最大の燃料節約を達成することができる。したがってこの動作形式では、目的港、海洋地域および船舶交通が許す限り、常に風の吹き込み方向を船舶の長手方向に対して横（ないし交叉）方向にして、マグヌス効果を最大にするため進路が風向に調整される。言い替えるとこの動作形式で船舶は、できるだけ横向きの風によるマグヌスロータ１０によって、できるだけたくさん目標港へ向かって帆走する。

できるだけ速く目的港に到達する特別の必要性がないことを前提にすることができるから、燃料消費の低減に関して船舶の動作形式を最適化するのに迷う場合、第４の海洋モードが選択されると直ちにこの第４の海洋モードでは燃料消費を最適化するための動作形式（燃料セーフモード）を標準（デフォルト）調整として設定することができる。

上に述べたマグヌスロータ１０が駆動されるすべてのモードにおいて風向と風速が制御部によって検出され、回転方向と回転速度の決定に関するマグヌスロータ１０の駆動のために図２で説明したように利用される。さらに船員による操作ユニットＢＥによって、モードに応じて主駆動部の出力または船舶の所望の速度が設定され、この出力または速度が制御部によってマグヌスロータ１０の回転方向と回転速度の決定の際に利用（参照）される。複数のマグヌスロータ１０に対してはそれぞれ出力曲線が制御ユニットＳＥで設定されている。これらの出力曲線は、測定された風向および風速ならびに所望の出力および速度に依存する回転速度の検出の際に使用される。このために理論的に計算された出力曲線（複数）を、例えば特別の試験航行での測定によって求められた出力曲線（複数）と同様に使用することができる。

これら４つのモード間の切り替えは操作ユニットＢＥを介して行われる。この操作ユニットＢＥを介して船員により、選択されたモードに応じて異なって中止することのできる設定を実行することができる。いわゆる走行レバーまたは機関テレグラフを介して、例えば第１の接岸モードでは、船舶を主駆動部ＨＡによって操船するためにプロペラ５０のピッチ角を直接調整することができる。

第２の操船モードでは、走行レバーを介してプロペラ５０の勾配を設定することができる。これにより主駆動部ＨＡが一定の回転数と回転方向で回転する場合には、ピッチ勾配を変化することにより船舶の推進力ならびに走行方向、すなわち前進または後進を操作ユニットＢＥを介して直接設定することができる。

第３の河川モードでは、操作ユニットＢＥの走行レバーを介して、制御部により維持すべき主駆動部ＨＡまたはプロペラ５０の出力を直接設定することができる。ここではこの出力にどのように達するかを制御部に任せたままにすることができる。すなわち、どの程度の出力をマグヌスロータ１０によって達成することができ、どの程度の残りの出力をディーゼル駆動部ＤＡまたは複数のディーゼル駆動部ＤＡによって追加でもたらさなければならないかの制御を任せることができる。例えば主駆動部ＨＡまたはプロペラ５０の出力を２，０００ｋＷに設定することができる。

第４の海洋モードでは操作ユニットＢＥの走行レバーを介して船舶の速度を絶対値として、または当該船舶の最大速度に対して相対的に設定することができる。制御部は船舶の進路およびマグヌスロータ１０の回転方向と回転速度を、ディーゼル駆動部ＤＡをできるだけ使用しないで、または多数のディーゼル駆動部ＤＡのうちのできるだけ少数のディーゼル駆動部によって所定の速度が達成されるように最適化することができる。入力として例えば７５％の速度を設定することができる。これは１６ノットの絶対速度に対応する。

操作ユニットＢＥによりモードに応じて、種々の情報を船員に提供することができる。したがってどのような入力に基づいて、制御部がモードまたは動作形式を現在の所、選択しているか、またはどのようなモードまたはどのような動作形式が船員によって調整されているかを常に出力することができる。例えば測定値として、図２で測定値Ｅ１とＥ２として制御ユニットＳＥに入力される風向または風速、または目標速度と実際速度Ｅ３、およびオプションとしてナビゲーションユニットＮＥのナビゲーション情報も表示することができる。

船舶の運転（運航）の経済性を評価するために、例えば毎日００．００ｈに過去の数日または他の設定されたもしくは調整された期間の燃料消費を自動的に計算することができる。この際本発明の船舶の燃費を同等の船舶と比較して、例えば制御部にファイルされた当該船舶の平均燃料消費値の基準テーブルを用いて評価することができ、これにより従来の同等の大きさの船舶との比較で本発明の船舶により過去数日または他の期間で節約された燃料を得ることができる。

本発明の技術思想は、マグヌスロータ１０およびプロペラ５０または主駆動部ＨＡを組み合わせて使用することに関するものであり、主駆動部ＨＡは風が十分でない場合には、マグヌスロータ１０から送出することのできない出力の差分を調達しなければならない。船舶は基本的にマグヌスロータ１０によって駆動され、プロペラ５０または主駆動部ＨＡは風の条件が不十分な場合に補充のためにだけ使用される。ここでマグヌスロータは、その駆動によってプロペラによるのと同じ出力（約６０００ｋＷ）が達成されるように構成されている。したがって風が十分な場合には、船舶の駆動は完全にマグヌスロータ１０により行われる。これは例えば風速が１２から１４ｍ／ｓの場合に達成され、したがってプロペラ５０または主駆動部ＨＡは、船舶の推力にはもはや必要ないのでこれを遮断することができる。

したがって主駆動部ＨＡの制御は、マグヌスロータ１０が最大の出力または近似的に最大の出力を形成するように行われる。したがってマグヌスロータの出力の上昇は燃料の節約に直接つながる。なぜなら電気駆動のために、主駆動部ＨＡによって付加的なエネルギを形成する必要がないからである。したがって燃焼機関により駆動されるプロペラ５０または主駆動部ＨＡとマグヌスロータ１０の制御とを適合する必要なしに、燃料の節約が得られる。

Claims (9)

1. 多数のマグヌスロータを備える船舶であって、
   多数のマグヌスロータ（１０）のそれぞれには、個別に制御可能な電気モータ（Ｍ）が該マグヌスロータ（１０）の回転のために配設されており、
   前記各電気モータ（Ｍ）には、当該電気モータ（Ｍ）の回転数および／または回転方向を制御するためにインバータ（Ｕ）が配設されており、
   中央制御ユニット（ＳＥ）を有し、該中央制御ユニットは、前記マグヌスロータ（１０）の回転数および／または回転方向を、他のマグヌスロータ（１０）からそれぞれ独立して制御するために個々のインバータ（Ｕ）の制御のために当該インバータ（Ｕ）と接続されており、
   前記船舶の主駆動部として電気モータ（ＨＡ）を有し、前記電気モータ（ＨＡ）には、当該電気モータ（ＨＡ）の制御のためにインバータ（Ｕ）が配設されており、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、第１の動作モードで前記マグヌスロータ（１０）を、最大の推力が得られるように制御し、ここで所望の推力と前記マグヌスロータ（１０）の回転により得られる推力との差分は前記電気モータ（ＨＡ）によって調達され、
   第２の動作モードで前記マグヌスロータ（１０）を遮断し、所望の推力は前記電気モータ（ＨＡ）によって調達され、
   第３の動作モードで前記マグヌスロータ（１０）を、当該マグヌスロータ（１０）によってマグヌスロータ（１０）の最大推力よりも小さい推力が得られるように制御し、所望の推力と前記マグヌスロータ（１０）の回転により得られる推力との差分は前記電気モータ（ＨＡ）によって調達され、
   さらに前記電気モータ（ＨＡ）により駆動され可調節のピッチ角を有するプロペラ（５０）と、電気エネルギーを形成するために発電機（Ｇ１，Ｇ２）と結合された燃焼機関（ＤＡ）と、所望の推力を設定するための操作ユニット（ＢＥ）とを有し、
   前記第１の動作モードでは、所望の推力が船舶の絶対速度または相対速度であり、
   前記第２の動作モードでは、所望の推力が前記プロペラ（５０）のピッチ勾配のピッチ角により調整可能であり、
   前記第３の動作モードでは、所望の推力が前記電気モータ（ＨＡ）の絶対出力または相対出力である、船舶。
2. 請求項１に記載の船舶であって、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、
   風速（Ｅ１）、および／または
   風向（Ｅ２）、および／または
   船舶の所定の目的地、および／または
   ナビゲーションユニット（ＮＥ）のナビゲーション情報を受け取る、船舶。
3. 請求項２に記載の船舶であって、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、前記マグヌスロータ（１０）の回転数および／または回転方向を、風速（Ｅ１）、風向（Ｅ２）、所定の進路、および／または前記ナビゲーションユニット（ＮＥ）のナビゲーション情報に依存して制御する、船舶。
4. 請求項３に記載の船舶であって、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、前記マグヌスロータ（１０）の回転数および／または回転方向の決定のために、当該制御ユニット（ＳＥ）に設けられている特性曲線を使用する、船舶。
5. 請求項２から４までのいずれか一項に記載の船舶であって
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、風速（Ｅ１）、風向（Ｅ２）、所定の目的地、および／またはナビゲーション情報に依存して、前記マグヌスロータ（１０）の回転により得られる推力が最大である進路を決定する、船舶。
6. 請求項５に記載の船舶であって、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は当該船舶を、前記マグヌスロータ（１０）の回転により得られる推力が最大である所定の進路を取るために制御する、船舶。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の船舶であって、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、各動作モードごとに前記燃焼機関（ＤＡ）の燃料消費を計算し、当該消費を大きさに関して同等の他の船舶の消費と比較し、計算した消費と比較の結果を出力する、船舶。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の船舶であって、
   多数の燃焼機関（ＤＡ）が設けられており、当該燃焼機関は電気エネルギーを形成するために多数の発電機（Ｇ）のうちのそれぞれ１つの発電機と結合されており、
   前記制御ユニット（ＳＥ）は、所要の電気エネルギーを調達するために、前記多数の燃焼機関（ＤＡ）のうち、所要の電気エネルギーがそれぞれの発電機（Ｇ）により少なくとも形成される数の燃焼機関（ＤＡ）を投入接続し、前記多数の燃焼機関（ＤＡ）のうち、当該燃焼機関（ＤＡ）による燃料の消費が最小になるよう所定数の燃焼機関（ＤＡ）を遮断する、船舶。
9. 多数のマグヌスロータを備える船舶の駆動方法であって、
   多数のマグヌスロータ（１０）のそれぞれには、個別に制御可能な電気モータ（Ｍ）が前記マグヌスロータ（１０）の回転のために配設されており、
   前記各電気モータ（Ｍ）には、当該電気モータ（Ｍ）の回転数および／または回転方向を制御するためにインバータ（Ｕ）が配設されており、
   中央制御ユニット（ＳＥ）を有し、該中央制御ユニットは、前記マグヌスロータ（１０）の回転数および／または回転方向を、他のマグヌスロータ（１０）からそれぞれ独立して制御するために、個々のインバータ（Ｕ）の制御のために当該インバータ（Ｕ）と接続されており、
   当該船舶の主駆動部としての電気モータ（ＨＡ）を有し、
   前記電気モータ（ＨＡ）には、当該電気モータ（ＨＡ）を制御するためにインバータ（Ｕ）が配設されており、
   当該方法は、
   第１の動作モードでは前記マグヌスロータ（１０）の制御が、最大の推力が得られるように行われ、所望の推力と前記マグヌスロータ（１０）の回転により得られる推力との差分は前記電気モータ（ＨＡ）によって調達され、
   第２の動作モードでは前記マグヌスロータ（１０）は遮断され、前記電気モータ（ＨＡ）の制御は所望の推力が前記電気モータ（１０）によって調達されるように行われ、
   第３の動作モードで前記マグヌスロータ（１０）を、当該マグヌスロータ（１０）によってマグヌスロータ（１０）の最大推力よりも小さい推力が得られるように制御し、所望の推力と前記マグヌスロータ（１０）の回転により得られる推力との差分は前記電気モータ（ＨＡ）によって調達され、
   前記船舶は、さらに前記電気モータ（ＨＡ）により駆動されるプロペラ（５０）と、電気エネルギーを形成するために発電機（Ｇ１，Ｇ２）と結合された燃焼機関（ＤＡ）と、所望の推力を設定するための操作ユニット（ＢＥ）とを有し、
   前記第１の動作モードでは、所望の推力が船舶の絶対速度または相対速度であり、
   前記第２の動作モードでは、所望の推力が前記プロペラ（５０）のピッチ勾配のピッチ角により調整可能であり、
   前記第３の動作モードでは、所望の推力が前記電気モータ（ＨＡ）の絶対出力または相対出力である、船舶の駆動方法。

Images