JP7482346B2 - 船舶用のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム - Google Patents

Description

本発明は、船舶用のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム、および少なくとも１つのかかるサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムを備える船舶に関する。

技術分野
フォイトシュナイダー型の推進システムは、船舶の船体の下に配設され、モータによって主軸を中心に回転駆動される垂直軸を有するロータ、および各々が主軸から一定距離を置いてロータ上で移動可能であるように取り付けられている複数の垂直ブレードを備える。

各ブレードは、副軸を中心に回転して移動可能であり、垂直でもある。

推進システムはまた、機械システムを備え、一般的にロータの回転度合いの関数として各ブレードを変位させるように構成される接続ロッドからなる。各ブレードの変位は周期的なもので、ロータの位置に基づいており、各ブレードは、各回転で戻る特定の位置を取る。

垂直ブレード、およびブレードに連結された異なる位置センサを使用して推進システムを制御する制御ユニット有する推進システムを開示する文書ＵＳ－Ａ－２０１５／３２１７４０も知られているが、これらのセンサはいずれも少なくとも１つのブレードが受けた荷重を通知する荷重センサではない。

かかる推進システムは、満足のいく結果をもたらすが、ブレードの位置においてより大きな自由度を可能にする推進システムを見つけることが望ましい。

本発明の目的の１つは、少なくとも１つのブレードが受けた荷重に基づいてブレードを互いに独立してブレードを変位させるための手段を備えるサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムを提案することである。

この目的のために、流れ方向を示す水の中にある船舶用のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムが提案されており、当該サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムは、
－フレームと、
－流れ方向に対して直角に主軸を中心にフレーム上で回転して移動可能であるように取り付けられ、主軸に対して半径方向に延びる複数のアームを備える、ロータと、
－ロータリーコーダーが装備され、当該ロータを回転駆動する、メインモータと、
－各アーム用の、主軸に平行な副軸を中心にアーム上で回転して移動可能であるように取り付けられた、ブレードと、
－各ブレード用の、ロータリーコーダーが装備され、当該ブレードを回転駆動する、二次モータと、
－少なくとも１つのブレード用の、ブレードに加えられた荷重を評価することができるように配置された荷重センサと、
－各ロータリーコーダー、荷重センサ、および各モータに接続されて角度および速度の両方の観点から各モータの回転を制御する制御ユニットと、を備える。

かかるサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムは、荷重センサによって収集されたデータの関数として各ブレードの位置を調整することを可能にし、したがって推進システムの効率を最適化する。

有利なことに、荷重センサは、二次モータとブレードとの間のシャフト上に配設される。

有利なことに、サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムは、制御ユニットによって制御され、アームに沿ってブレードおよび関連付けられた二次モータを変位させるように意図された、変位システムを備える。

有利なことに、メインモータは発電機として動作する。

有利なことに、変位システムは、
－各アーム用の、当該アームに平行なロータに固定された、追加的アームと、
－二次モータに固定され、アームおよび追加的アーム上で摺動するように取り付けられた、ランナーと、
－アームに沿ってランナーを変位させるために制御ユニットによって接続および制御される、駆動システムと、を備える。

本発明はまた、船体と、フレームが船体に固定されて少なくともブレードが船体の外側にある、先行変形例のうちの１つに従うサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムと、を備える、船舶を提案する。

上記および他の本発明の特徴は、例示的な実施形態の以下の説明を読むとより明らかになり、当該説明は、添付の図面に関連して提供されている。
本発明に従うサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムの上面図である。 図１のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステムの線ＩＩ－ＩＩに沿った断面図である。

以下の説明では、船舶の船体の下の使用位置にあるフォイトシュナイダー型の推進システムを参照して位置に関する用語を取る。

図１は、その船体１０の一部によって表される船舶を示す。船舶は、水の中にある。船舶は、船舶の軸に平行な進行方向１２を有し、水面上または水中を航行する船舶であり得る。船舶はまた、潮流の中でその位置を維持しようとする、例えば、プラットフォームなどの船舶であり得る。他におけるような１つの事例では、船舶は、船舶の速度または水流に起因する船舶に対する流れ方向を示す水の中にある。船舶が前進方向１２を有する事例では、流れ方向は、前進方向１２の逆である。

船舶はその船体１０の下にサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００が装備されており、これは、船体１０に固定されたフレーム、流れ方向に直角である主軸１０４を中心にフレーム上で回転して移動可能であるように取り付けられたロータ１０２を備える。したがって、主軸１０４は、流れ方向に対して横断方向である。

したがって、水面上にある船舶に関して、主軸１０４は、垂直であるか、または垂直に対して小さな角度を付けたものである。水中にある船舶に関して、主軸１０４は、流れ方向に対して直角に平面内で別の方位を取ることができる。したがって、水中船舶の事例では、流れ方向に直角な平面内で互いに１２０°で角度分布する３つのサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００が存在し得る。

図２は、サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００の一部を示す。事例に応じて、サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００は、船舶を前進させるか、またはその位置に保持することを可能にする。

ロータ１０２は、メインモータ１０６の角度位置を知ることを可能にするロータリーコーダーが装備されたメインモータ１０６によって回転駆動される。

ロータ１０２には、複数のアーム１０８、ここでは、３本が装備されている。各アームは、主軸１０４に対して半径方向に延びている。

各アーム１０８はブレード１１０を搭載しており、これは、主軸１０４に平行な副軸１１２を中心にアーム１０８上で回転して移動可能に、つまり、ここでは垂直に取り付けられている。副軸１１２および主軸１０４は一致しておらず、つまり、各副軸１１２は、主軸１０４から一定距離を置いている。ブレード１１０は、船体１０の外側に位置し、特に、船体１０の下に位置する。

各ブレード１１０は、二次モータ１１４の角度位置を知ることを可能にするロータリーコーダーが装備された二次モータ１１４によって回転駆動される。

サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００はまた、制御ユニット１５０を備え、これはロータリーコーダーから情報を受信し、角度および速度の両方の観点から各モータ１０６、１１４の回転を制御する。

水とブレード１１０との間の相互作用を可能にするために、少なくともブレード１１０は、船体１０の外側にある。サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００のレイアウトに応じて、他の要素は完全にまたは部分的に水中または水上のフェアリング内にあり得る。

制御ユニット１５０は、通信バスによって従来式に連結されているプロセッサまたはＣＰＵ（中央処理ユニット）、ランダムアクセスメモリＲＡＭ、読み取り専用メモリＲＯＭ、ハードディスクまたは記憶媒体リーダなどの記憶ユニット、少なくとも１つの通信インターフェースを備え、以下に説明されるように、制御ユニット１５０がロータリーコーダー、モータ１０６、１１４、および少なくとも１つの荷重センサ２０２と通信することを可能にする。

プロセッサは、ＲＯＭから、外部メモリ（図示せず）から、記憶媒体（ＳＤカードなど）から、または通信ネットワークからＲＡＭにロードされた命令を実行することができる。サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００の電源が入ると、プロセッサは、ＲＡＭから命令を読み取り、それらの命令を実行することができる。これらの命令は、以下に説明するアルゴリズムおよびステップのすべてまたは一部をプロセッサによって実装させるコンピュータプログラムを形成する。

以下に説明するアルゴリズムおよびステップのすべてまたは一部は、プログラム可能なマシン、例えば、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）またはマイクロコントローラによる命令のセットの実行によってソフトウェア形式で実装され得るか、もしくはマシンまたは専用構成部品、例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ（アプリケーション固有の集積回路）によってハードウェア形式で実装され得る。

したがって、制御ユニット１５０は、メインモータ１０６のロータリーコーダーによって通知されるロータ１０２の位置の関数として、および機械システムの使用より単純に、各ブレード１１０の位置を互いに独立して制御することができる。ロータ１０２の位置に基づいて、各ブレード１１０は、したがってロータ１０２の回転によって変化する特定の位置を取る。

さらに、エピサイクロイド動作からトロコイド動作に単純かつ迅速に切り替えることが可能である。

サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００はまた、少なくとも１つのブレード１１０用の制御ユニット１５０に接続された荷重センサ２０２を備える。荷重センサ２０２は、ブレード１１０に加えられた荷重を評価することができるように配置されている。図２に提示された本発明の実施形態では、荷重センサ２０２は、二次モータ１１４およびブレード１１０内のシャフト２０４上に配設される。ここで、シャフト２０４は、二次モータ１１４のモータシャフトであり、ブレード１１０はこのシャフト２０４に固定されている。

本事例では、荷重センサ２０２は、シャフト２０４が受ける荷重を測定し、これはブレード１１０に加えられている荷重を表し、したがってブレード１１０が水によって受ける荷重、特に、ブレード１１０が受ける引張荷重および／または圧縮荷重および／または屈曲荷重を表す。

特定の実施形態によれば、荷重センサ２０２は、少なくとも１つのひずみゲージを備えるセンサであり、特定の実施形態によれば、センサは、ホイートストーンブリッジ構成に取り付けられたひずみゲージに基づいており、つまり、ホイートストーンブリッジ構成で取り付けられた少なくとも４つのゲージがあるが、いくつかのホイートストーンブリッジ、すなわち４つのゲージの何倍も存在し得る。明らかに、例えば、ピエゾセンサなどの任意の他の技術が想定され得る。

例えば、「バランス」と呼ばれる荷重センサ２０２が使用され（ここでは、２つの構成部品を有するバランス）、荷重の印加点とは独立してブレード１１０に対して垂直かつ接線的な荷重へのアクセスを可能にする。

内部的に、この荷重センサ２０２は、流体力学的荷重による変位（非常に小さく、数十マイクロメートル）を測定するいくつかのひずみゲージブリッジ、およびこれらの測定を伴う特定のマトリックスコンピュテーションを備え、必要な荷重を解決することが可能である。バランスの事前較正により、使用されるマトリックスが構築されることを可能にする。較正は水の外で行われ、既知で、ブレード１１０の異なる点で課される荷重のためのゲージブリッジの出力を測定することからなる。

各ブレード１１０の変形は、ロータ１０２の角度位置およびブレード１１０の角度位置について同一であると見なされることから、単一の荷重センサ２０２のみが所定の位置に配置される必要がある。明らかに、各ブレード１１０に対して１つの荷重センサ２０２を有することが可能である。

したがって、制御ユニット１５０は、荷重センサ２０２によって記録されたデータから、ロータ１０２の角度位置の関数として、ロータ１０２の回転速度および各ブレード１１０の位置を管理する。例えば、各ブレード１１０は、船舶の前進方向で荷重を最大化するように位置付けられ得る。

したがって、ブレード１１０のピッチは、ロータ１０２の回転速度に従って、かつ荷重センサ２０２からのデータの関数として適合され得る。したがって、ブレード１１０上の強力な荷重変動の検出は、このブレード１１０の周りの境界層の滑りの兆候であり得、次いで、ロータ１０２の各角度位置におけるこの滑りを回避するために、ブレード１１０の位置を修正することが可能である。

図１および２に提示された本発明の実施形態では、各ブレード１１０は、主軸１０４と副軸１１２との間の中心距離を修正するために、関連付けられたアーム１０８に沿って並進して移動可能である。

この実施形態は、メインモータ１０６が発電機として動作することができる場合に特に有利である。ブレード１１０の中心距離を変更することによって、中心距離を延ばすことが可能となり、したがって、水流が主軸１０４を中心にブレード１１０を回転させると、発電機として動作するメインモータ１０６は、船舶または蓄電池に電気を送達するために電流を生成する。

この目的のために、サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム１００は、各ブレード１１０用の、変位システム１７０を備え、これは制御ユニット１５０によって制御され、ブレード１１０および関連付けられた二次モータ１１４をアーム１０８に沿って変位させるように配置された電動スライドシステムである。

ここに提示された本発明の実施形態では、変位システム１７０は、各アーム１０８用の、当該アーム１０８に平行にロータ１０２に固定され、ここでは当該アーム１０８の下に配設される追加的アーム２０８を備える。

変位システム１７０はまた、アーム１０８および追加的アーム２０８上で摺動するように取り付けられたランナー１７２を備える。

ランナー１７２は、二次モータ１１４に固定されている。

図２に提示された本発明の実施形態では、ランナー１７２はまた、シャフト２０４が取り付けられるベアリング１７４に固定されている。

変位システム１７０は、アーム１０８および２０８に沿ってランナー１７２を変位させるために制御ユニット１５０によって接続および制御される駆動システムを備える。

駆動システムは、例えば、シリンダであり得、例えば、油圧式であり得る。

ここでの駆動システムは、ワームスクリューシステムを形成するようにランナー１７２のナット１８０と噛み合うねじ付きロッド１７８を支える変位モータ１７６を備え、一方向でのねじ付きロッド１７８の回転は、一方向でランナー１７２、したがって、ブレート１１０を変位させ、反対方向でのねじ付きロッド１７８の回転は、反対方向でランナー１７２、したがってブレード１１０を変位させる。

変位モータ１７６は、制御ユニット１５０によって接続および制御される。

Claims (5)

1. 流れ方向を示す水の中にある船舶用のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム（１００）であって、
   －フレームと、
   －前記流れ方向に対して直角に主軸（１０４）を中心に前記フレーム上で回転して移動可能であるように取り付けられ、前記主軸（１０４）に対して半径方向に延びる複数のアーム（１０８）を備える、ロータ（１０２）と、
   －ロータリーコーダーが装備され、前記ロータ（１０２）を回転駆動する、メインモータ（１０６）と、
   －各アーム（１０８）用の、前記主軸（１０４）に平行な副軸（１１２）を中心に前記アーム（１０８）上で回転して移動可能であるように取り付けられた、ブレード（１１０）と、
   －各ブレード（１１０）用の、ロータリーコーダーが装備され、前記ブレード（１１０）を回転駆動する、二次モータ（１１４）と、
   －少なくとも１つのブレード（１１０）用の、前記ブレード（１１０）に加えられた荷重を評価することができるように配置された、荷重センサ（２０２）と、
   －各ロータリーコーダー、前記荷重センサ（２０２）および各モータ（１０６、１１４）に接続され、角度および速度の両方の観点から各モータ（１０６、１１４）の回転を制御する、制御ユニット（１５０）と、
   前記制御ユニット（１５０）によって制御され、前記アーム（１０８）に沿って前記ブレード（１１０）および関連付けられた二次モータ（１１４）を変位させるように意図された、変位システム（１７０）と、を備える、サイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム（１００）。
2. 前記荷重センサ（２０２）が、前記二次モータ（１１４）と前記ブレード（１１０）との間のシャフト（１０４）上に配設される、請求項１に記載のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム（１００）。
3. 前記メインモータ（１０６）が、発電機として動作する、請求項１に記載のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム（１００）。
4. 前記変位システム（１７０）が、
   －各アーム（１０８）用の、前記アーム（１０８）に平行に前記ロータ（１０２）に固定された、追加的アーム（２０８）と、
   －前記二次モータ（１１４）に固定され、前記アーム（１０８）および前記追加的アーム（２０８）上で摺動するように取り付けられた、ランナー（１７２）と、
   －前記アーム（１０８、２０８）に沿って前記ランナー（１７２）を変位させるために、前記制御ユニット（１５０）によって接続および制御される、駆動システムと、を備える、請求項１または３に記載のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム（１００）。
5. 船体（１０）と、請求項１～４のいずれか一項に記載のサイクロイド式ダイナミック推進またはポジショニングシステム（１００）と、を備え、前記フレームが前記船体（１０）に固定され、少なくとも前記ブレード（１１０）が前記船体（１０）の外側にある、船舶。