JP5762262B2 - 船舶の発電装置及び推進装置 - Google Patents
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Description
この特許文献1には、エンジンの出力軸が電磁クラッチを介して油圧ポンプと接続し、油圧ポンプの作動油が供給されることによって作動する油圧モータの出力軸を、発電機に接続する構成が開示されており、さらに、該発電機の電力で作動させられる冷却水ポンプによって油路を循環する作動油を冷却するオイルクーラに冷却水が循環されることが示されている。
推進軸を加勢する推進装置として特公昭62−34598号公報(特許文献2)、特開2010−264867号公報(特許文献3)が知られている。
また、特許文献1においては、発電機によって発電される電圧、周波数はエンジンの出力軸の回転変動に伴って変動するため、電気機器への供給のためにコントローラによって一定電圧、一定周波数への変換のために整流器やインバータ等の部品が必要になり発電装置全体が複雑化、大型化する。
前記第1油圧ポンプの押しのけ容積と、第1油圧モータの押しのけ容積との比を調整することで増減速比が調整されて発電機の回転数を最適に制御できる。
該第3油圧ポンプと前記第1油圧モータとを連結する第3油圧回路と、
該第3油圧回路若しくは前記第3油圧ポンプの本体内に設けられ前記第3油圧ポンプの押しのけ容積を制御する第3油圧ポンプ制御器と、を備え、
前記発電機制御装置はさらに前記第3油圧ポンプ制御器を制御して前記第1油圧モータの回転数を制御するとよい。
すなわち、ディーゼルエンジンの出力軸ではなく、ディーゼルエンジンから排出される排ガスエネルギー、つまりディーゼルエンジンから排出される排ガスを排ガスエコノマイザに導いて蒸気を発生させて、その蒸気によって駆動される蒸気タービン、およびディーゼルエンジンから排出される排ガスによって駆動されるガスタービンの少なくとも一方によって駆動されるようになっている。
前記第3油圧ポンプ制御器および前記第2油圧モータ制御器を制御して前記主機の出力軸へアシスト力を付与する推進力制御装置と、を備えているとよい。
従って、船舶の持つエネルギー源を有効活用でき、船舶トータルとしての運転効率を向上できる。
これによって、船舶の持つエネルギー源を有効活用でき、船舶トータルとしての運転効率を向上できる。また、主機の推進力のアシスト力の付与として、電動機によってアシスト力を付与するものに比べて(電気エネルギーによるものに比べて)、油圧ポンプおよび油圧モータによって推進軸に駆動力を付与する方がエネルギー変換による損失を生じにくく、効率よいエネギーの有効活用ができる。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1に示すように、船舶の発電機装置1は、主として船舶の推進力を発生するディーゼルエンジン(主機)(以下エンジンという)3と、先端にプロペラ5が取り付けられたエンジン3の出力軸7と、該出力軸7に取り付けられた第1油圧ポンプ9と、発電機11に接続された第1油圧モータ13と、第1油圧ポンプ9と第1油圧モータ13とを接続して形成される第1油圧回路15とを備える。
その結果、増速比を調整して第1油圧モータ13を一定の回転数で回転させて、発電機11が常時一定電圧、一定周波数で発電可能になっている。この発電機11は、船舶内の電気機器への電力供給を行うものであり、公知の同期発電機又は誘導発電機を用いることができる
例えば、第1油圧ポンプ9の押しのけ容積V1と、該第1油圧ポンプ9の回転数N1との積V1N1が、吐出油量となり、第1油圧モータ13の押しのけ容積V2と、該第1油圧モータ13の回転数N2との積V2N2が、流入油量となり、V1N1=V2N2の関係より押しのけ容積比(V1、V2)を調整することで増減速比(N1、N2)を調整できる。
まず、第1油圧ポンプ9の構造について説明する。
図3に示すように、第1油圧ポンプ9は、シリンダ30及びピストン32により形成される複数の油圧室33と、ピストン32に係合するカム曲面を有するカム34と、各油圧室33に対して設けられる高圧弁36および低圧弁38とにより構成される。
なお図3には、ピストン32がピストン本体部32Aとピストンローラー32Bとからなる例を示したが、ピストンローラー32Bを介在させなくてもよい。
なお、カム34のカム取付台35への固定は、ボルト、キー、ピン等の任意の固定部材31を用いて行われる。
この高圧弁36及び低圧弁38によって、第1油圧ポンプ制御器17が構成されている。
これにより、メインシャフト8の回転に伴って第1油圧ポンプ9が駆動されると、高圧油流路15aと低圧油流路15bとの間に差圧が発生するようになっている。
第1油圧モータ13は、図4に示すように、シリンダ40及びピストン42により形成される複数の油圧室43と、ピストン42に係合するカム曲面を有するカム44と、各油圧室43に対して設けられた高圧弁46および低圧弁48とにより構成される。
なお図4には、ピストン42がピストン本体部42Aとピストンローラー42Bとからなる例を示したが、ピストンローラー42Bを介在させなくてもよい。
この高圧弁46及び低圧弁48によって、第1油圧モータ制御器19が構成されている。
これにより、モータ工程で油圧室43に流入した高圧油がピストン42を下死点に向けて押し下げると、カム44とともにクランクシャフト45が回転するようになっている。
発電機11は、第1油圧モータ13に接続されており、公知の同期発電機又は誘導発電機を用いることができる。発電機11は、前述のように第1油圧モータ13から略一定の回転数のトルクが入力され、略一定の周波数の交流電流を発生するようになっている。
次に、図5、6を参照して参考形態について説明する。参考形態は、第1実施形態にて説明した油圧ポンプおよび油圧モータの配置関係を逆にしたものであり、第2油圧ポンプ60を、発電機11を駆動する回転エネルギーによって駆動し、該第2油圧ポンプ60によって発生した作動油を利用してエンジン3の出力軸7に接続した第2油圧モータ62を作動してエンジン3の出力をアシストするものである。発電機11の回転を制御するとともにエンジン3の推進力を制御するものである。
この過給機76を通過後の排ガスは、ガスタービン68に導入されてガスタービン68を回転駆動する。そしてガスタービン68の回転は減速機(変速機)70と自動嵌脱クラッチ(クラッチ)71とを介して蒸気タービン66の回転軸79に連結されるようになっている。
そして、高圧汽水分離器82には高圧蒸気が貯留され、低圧汽水分離器84には低圧蒸気が貯留され、高圧蒸気および低圧蒸気がそれぞれ蒸気タービン66に導かれるようになっている。また、高圧汽水分離器82内の蒸気は、船舶内の蒸気使用機器86へと供給されて利用される。
なお、排ガスエコノマイザ80を通過後の排ガスは、排ガスエコノマイザ80をバイパスした排ガスとともに排出されるようになっている。
そして、第2油圧ポンプ60とエンジン3の出力軸7に接続した第2油圧モータ62とを、第2油圧回路94を介して接続して、油圧トランスミッション96を形成している。
また、図5に示すように、第2油圧ポンプ制御器61を制御する油圧ポンプ制御部98と、第2油圧モータ制御器63を制御する油圧モータ制御部100とを有した推進力制御装置102を備えている。該推進力制御装置102によって第2油圧ポンプ60および第2油圧モータ62それぞれの押しのけ容積が調整されて、発電機11の駆動軸92の駆動動力の一部がエンジン3側に伝達されてエンジン3の動力をアシストするようになっている。
第2油圧ポンプ60のメインシャフトは発電機11の駆動軸92となっており、常時蒸気タービン66から回転されて、常時発電機11による発電が行われている。
しかし発電負荷、すなわち船舶内の電気機器の使用量が低下して負荷が低下した際に、発電機11の駆動軸92を目標とする一定回転数に保持するように、第2油圧ポンプ60のポンプ機能を発揮させるようになっている。
また、第2油圧ポンプ60のポンプ機能の発揮は、図3において低圧弁38と高圧弁36との開閉タイミングを制御することで行う。
そして、ステップS16において、第2油圧ポンプ60の回転数と設定した第2油圧モータ62の回転数から増速比または減速機を算出して、その増速比または減速比に応じた押しのけ容積比になるように、油圧ポンプ制御部98が第2油圧ポンプ60の複数の油圧室33の作動状態と非作動状態または作動タイミングを制御し、さらに油圧モータ制御部100が第2油圧モータ62の複数の油圧室43の作動状態と非作動状態または作動タイミングを制御する。そして、ステップS17で第2油圧モータ62を作動させ。
電力負荷に対する発電機11の余剰電力に相当する動力分をエンジン3の推進力のアシスト力として付与するように制御することによって、船舶の持つエネルギー源を有効活用でき、船舶トータルとしての運転効率を向上できる。
また、エンジンへの推進力のアシスト力の付与として、電動機によって付与するものに比べて(電気エネルギーによるものに比べて)、油圧ポンプおよび油圧モータによって付与する方がエネルギー変換による損失を生じにくく、効率よい船舶のエネルギー活用ができる。
次に、図7、8を参照して第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態のシステムと参考形態のシステムを合わせたものである。
発電機11への動力を、エンジン3からの動力と、蒸気タービン側からの動力と、電力供給過剰状態に応じて使い分けるようするとともに、その電力供給過剰状態時には蒸気タービン側からの動力でエンジンの動力をアシストするようにしたものである。
図7に示すように、第2実施形態は、蒸気タービン66の回転軸79から変速機90を介して出力された駆動軸110に第3油圧ポンプ112が接続され、該第3油圧ポンプ112は第3油圧回路114を介して発電機11に取り付けられた第1油圧モータ13に接続されている。また、該第3油圧ポンプ112は第4油圧回路115を介してエンジン3に取り付けられた第2油圧モータ62に接続されている。
また、エンジン3の出力軸7には第1油圧ポンプ9と、第2油圧モータ62がそれぞれ取り付けられている。
これら第1油圧モータ13、第1油圧ポンプ9、第2油圧モータ62はそれぞれ前述した第1実施形態および参考形態で説明したもの同様である。
また、船舶内の電気機器126の発電負荷を発電負荷センサ130で検出して、発電機11が余裕状態か否かに応じて発電機駆動モードと、エンジンをアシストする推進力アシストモードとに切り替えて、それぞれのモードにおいて、油圧モータと油圧ポンプとの押しのけ容積が制御され増減速比が制御される。
ステップS21で、船内の電力負荷を電力負荷センサ130によって検出し、ステップS22で、検出した電力負荷に対して発電機11の発電能力(駆動トルク)に余裕があるか否かを判定する。余裕がある場合には、推進力アシストモードに切り替わり、余裕がない場合には、発電モードに切り替わる。
まず、ステップS23で、第1油圧ポンプ9を非作動状態とする。この非作動状態は、前述した高圧弁36、低圧弁38を開閉制御して非作動状態にすることができる。
次にステップS24で、第3油圧モータ112を作動状態とする。その後ステップS25で、第4油圧回路115を介してエンジン3に取り付けられた第2油圧モータ62に作動油が供給されて、第2油圧モータ62を駆動するとともに、エンジン3をアシストできる回転数に調整されて駆動される。
ステップS26では、第3油圧回路114を介して発電機11に取り付けられた第1油圧モータ13に作動油が供給されて、第1油圧モータ13を駆動して発電を行う。
ステップS27で、第3油圧ポンプ112および第2油圧モータ62をそれぞれ非作動状態とする。ステップS28で、エンジン3の駆動力(出力)が、十分か否か、つまり余裕がある状態か判定される。
余裕状状態であれば、ステップS29に進んで第1油圧ポンプ9と第1油圧モータ13とを作動状態として、発電機11をエンジン3の出力で発電機させる。余裕状態に無い場合には、ステップS30に進んで第1油圧ポンプ9と第1油圧モータ13とを非作動状態としてエンジン負荷を極力低減させるようにする。
さらに、油圧ポンプおよび油圧モータを第1実施形態で説明したような構造を有することによって、複数の油圧室の作動状態(作動油圧室の個数、または油圧室内の作動ストローク範囲)を高圧弁と低圧弁とで制御することで、絞りを入れることなく流量を調整できるため、低損失で応答性の高いかつ広範囲にわたる増減速比に調整できるため、発電機11へ効率よくエンジン3からの動力と蒸気タービン側からの動力の使い分けをするともに、エンジン3へのアシスト力を加えることが可能になり、船舶の持つエネルギー源を有効活用できる。
5 プロペラ
9 第1油圧ポンプ
11 発電機
13 第1油圧モータ
15 第1油圧回路
17 第1油圧ポンプ制御器
19 第1油圧モータ制御器
21 発電機制御装置
25、98、122 油圧ポンプ制御部
27、100、124 油圧モータ制御部
60 第2油圧ポンプ
61 第2油圧ポンプ制御器
62 第2油圧モータ
63 第2油圧モータ制御器
64 蒸気発生装置
66 蒸気タービン
68 ガスタービン
76 過給機
80 排ガスエコノマイザ
94 第2油圧回路
102 推進力制御装置
112 第3油圧ポンプ
114 第3油圧回路
115 第4油圧回路
Claims (7)
- 船舶の主機によって駆動される可変容量型の第1油圧ポンプと、
発電機に接続される可変容量型の第1油圧モータと、
前記第1油圧ポンプと第1油圧モータとを連結する第1油圧回路と、を備え、
前記発電機は、該発電機に接続された前記第1油圧モータの駆動力のみによって発電されるように構成され、
さらに、前記第1油圧回路若しくは第1油圧ポンプの本体内に設けられ前記第1油圧ポンプの押しのけ容積を制御する第1油圧ポンプ制御器と、
前記第1油圧回路若しくは第1油圧モータの本体内に設けられ前記第1油圧モータの押しのけ容積を制御する第1油圧モータ制御器と、
前記第1油圧ポンプ制御器および前記第1油圧モータ制御器を制御して、前記第1油圧ポンプに対する前記第1油圧モータの増減速比を制御し、前記主機の回転変動および前記発電機の発電負荷の変動に対して前記第1油圧モータを一定の回転数で回転するように制御する発電機制御装置と、を備えたことを特徴とする船舶の発電装置。 - 前記主機を構成するエンジンから排出される排ガスエネルギーを用いて駆動される可変容量型の第3油圧ポンプと、
該第3油圧ポンプと前記第1油圧モータとを連結する第3油圧回路と、
該第3油圧回路若しくは前記第3油圧ポンプの本体内に設けられ前記第3油圧ポンプの押しのけ容積を制御する第3油圧ポンプ制御器と、を備え、
前記発電機制御装置はさらに前記第3油圧ポンプ制御器を制御して前記第1油圧モータの回転数を制御することを特徴とする請求項1記載の船舶の発電装置。 - 前記主機に接続される可変容量型の第2油圧モータと、
該第2油圧モータと前記第3油圧ポンプとを連結する第4油圧回路と、
該第4油圧回路若しくは前記第2油圧モータの本体内に設けられ第2油圧モータの押しのけ容積を制御する第2油圧モータ制御器と、
前記第3油圧ポンプ制御器および前記第2油圧モータ制御器を制御して前記主機の出力軸へアシスト力を付与する推進力制御装置と、を備えていることを特徴とする請求項2記載の船舶の発電装置。 - 前記各油圧ポンプは、シリンダと、該シリンダ内を摺動するピストンにより囲まれる複数の油圧室と、前記ピストンに係合するカム曲面を有するカムと、各油圧室に接続する前記各油圧回路の高圧油流路を開閉する高圧弁と、各油圧室に接続する前記各油圧回路の低圧油流路を開閉する低圧弁とを有し、前記高圧弁および低圧弁の開閉を前記各油圧ポンプ制御器で制御するように構成されるとともに、前記シリンダは油圧ポンプの回転軸の周りに環状に複数連続して配設され、前記カムは複数の凹凸が交互に並んだ波状のカム曲面を有する環状のリングカムからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の船舶の発電装置。
- 前記各油圧モータは、シリンダと、該シリンダ内を摺動するピストンにより囲まれる複数の油圧室と、前記ピストンに係合するカム曲面を有するカムと、各油圧室に接続する前記各油圧回路の高圧油流路を開閉する高圧弁と、各油圧室に接続する前記各油圧回路の低圧油流路を開閉する低圧弁とを有し、前記高圧弁および低圧弁の開閉を前記油圧モータ制御器で制御するように構成されるとともに、前記シリンダは油圧モータの回転軸の周りに環状に複数連続して配設され、前記カムはモータ回転軸中心から偏心して設けられる偏心カムからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の船舶の発電装置。
- 前記請求項1〜5の何れか1項における発電装置に備えられる前記主機の出力軸によって船舶の推進力が発生されることを特徴とする船舶の推進装置。
- 前記発電装置の前記発電機の余剰電力に相当する動力を前記主機の出力軸へアシスト力として付与するように制御することを特徴とする請求項6記載の船舶の推進装置。
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