WO2010064483A1 - 可変ピッチプロペラの翼角制御方法および装置 - Google Patents

可変ピッチプロペラの翼角制御方法および装置 Download PDF

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WO2010064483A1
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WO
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propeller
blade angle
flow velocity
variable pitch
load
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PCT/JP2009/066686
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French (fr)
Inventor
健夫 小山
徹郎 柳田
Original Assignee
日本郵船株式会社
株式会社Mti
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/10—Propeller-blade pitch changing characterised by having pitch control conjoint with propulsion plant control

Definitions

  • the present invention relates to a propeller blade angle control technique for controlling the blade angle of a propeller provided with a variable blade angle on a propeller shaft.
  • Ship propellers include variable pitch propellers that allow the pitch to be freely changed by changing or changing the blade angle.
  • the variable pitch propeller has the function that the blade angle can be freely changed from forward to reverse of the ship, and the blade angle is controlled by a blade angle shift mechanism consisting of a hydraulic mechanism built into the propeller boss or shaft system.
  • the blade angle of the propeller is automatically set by an automatic load controller ALC (automatic load controller) in order to maintain the engine load at a set value corresponding to the rotational speed. I try to control it.
  • ALC automatic load controller
  • the wing angle of the propeller is set close to the target value by the wing angle setting device based on the operation of the steering handle, and the set engine speed due to the fluctuation of the load applied to the propeller shaft
  • the blade angle is corrected according to the deviation from the actual rotational speed.
  • the blade angle target value for the actual engine speed is fixed.
  • the wing angle cannot be changed with good responsiveness to changing voyage conditions.
  • An object of the present invention is to make it possible to control the blade angle so that the propeller efficiency becomes the maximum efficiency according to the flow field.
  • the wing angle control method of the variable pitch propeller of the present invention is a wing angle control method of a variable pitch propeller for controlling the wing angle of a propeller that is provided with a variably provided wing angle on a propeller shaft and gives propulsion to a ship, Based on the detected blade angle, the load, and the rotational speed, the detection step for detecting the blade angle and the rotational speed of the propeller and the load applied to the propeller shaft, and depending on the blade angle, the load, and the rotational speed based on the detected blade angle, the load, and the rotational speed The flow velocity calculation step for obtaining the flow velocity from the flow velocity data storage means storing the flow velocity data around the propeller, and the optimum pitch data of the optimum blade angle with respect to the flow velocity around the propeller are stored based on the detected blade angle.
  • the detecting step detects a torque value as a load applied to the propeller, and a propeller according to the blade angle, the torque value, and the rotational speed is stored in a flow velocity data storage means. Surrounding flow velocity data is stored. Further, in the blade angle control method for a variable pitch propeller according to the present invention, the detecting step detects a thrust value as a load applied to the propeller, and the flow velocity data storage means according to the blade angle, the rotation speed, and the thrust value. It stores the flow velocity data around the propeller. In the blade angle control method for a variable pitch propeller according to the present invention, the detected value of the load applied to the propeller shaft is averaged for each rotation period of the propeller shaft, and the flow velocity around the propeller is calculated using the average value.
  • a wing angle control device for a variable pitch propeller is a wing angle control device for a variable pitch propeller that controls a wing angle of a propeller that is provided on a propeller shaft so that the wing angle is variably provided to provide propulsion to a ship.
  • a blade angle transition mechanism that changes the blade angle of the propeller, a rotation speed detection means that detects the rotation speed of the propeller shaft, a blade angle detection means that detects the blade angle of the propeller, and a load applied to the propeller shaft Load detecting means, flow velocity data storage means for storing flow velocity data around the propeller according to the blade angle, the rotational speed and the load, and optimum pitch data for optimum blade angle with respect to the flow velocity around the propeller Calculating the flow velocity around the propeller from the flow velocity data based on the pitch data storage means, the rotation speed of the propeller shaft, the load, and the blade angle; An optimum blade angle is calculated from the optimum pitch data based on the flow velocity of the blade, and a blade angle correction signal is sent to the blade angle transition mechanism based on the blade angle detected by the blade angle detecting means and the optimum blade angle. And a control means.
  • the load detection means detects a torque value as a load applied to the propeller shaft, and the flow velocity data storage means according to the blade angle, the torque value, and the rotation speed. It stores the flow velocity data around the propeller.
  • the load detecting means detects a thrust value as a load applied to the propeller shaft, and the flow velocity data storage means detects the blade angle and the surroundings of the propeller according to the thrust value. It is characterized by storing flow velocity data.
  • the load detecting means averages a detection value of a load applied to the propeller for each rotation period of the propeller shaft, and calculates an average value.
  • the flow velocity of the flow field entering the propeller from the periphery of the propeller is measured by the load or force applied to the propeller shaft and the propeller blade angle and rotation speed, and the propeller blade angle is determined according to the flow velocity and rotation speed. Since the efficiency can be set at an angle at which the efficiency is optimum, the propeller efficiency can be increased and the ship can be navigated. Since the blade angle can be controlled according to the flow field, the characteristics of the variable pitch propeller can be maximized to increase the propeller efficiency.
  • the average value of the load is calculated for each rotation period of the propeller shaft, resulting in engine combustion shock and fluid fluctuations for each propeller
  • the flow velocity can be measured with high accuracy without being affected by the load fluctuation caused by the propeller vibration.
  • a propeller shaft 11 that is rotatably mounted on a ship is connected to a main machine 12 including an internal combustion engine at a base end portion and is driven to rotate by the main machine 12.
  • a plurality of, for example, four propellers 13 are mounted on the propeller labs provided at the tip of the propeller shaft 11, and the wing angles of the propellers 13 are adjusted with respect to the propeller bosses by the wing angle transition mechanism 14 (CPP). It can be swung freely.
  • the pitch of the propeller 13 can be freely changed from forward to reverse.
  • a main engine speed command signal S ⁇ b> 1 is sent from the control handle 15 to the governor 16, and an actual speed signal from a sensor that detects the speed of the main machine 12 is sent to the governor 16. It has become.
  • the governor 16 calculates a deviation between the actual rotational speed and the command signal, and based on this deviation, a predetermined amount of fuel is supplied to the main machine 12, and the main machine 12 rotates the propeller shaft 11 according to the commanded rotational speed.
  • a shaft horsepower meter 17 is arranged on the propeller shaft 11 in order to detect the load or force in the rotational direction applied to the propeller shaft 11 and the rotational speed.
  • the number of revolutions of the propeller shaft 11 is determined by irradiating light from the light emitting element provided in the shaft horsepower meter 17 to the reflecting member 18 provided in a spot manner on the propeller shaft 11 in the circumferential direction. Is detected by a light receiving element provided in the shaft horsepower meter 17.
  • the shaft horsepower meter 17 is provided with a light emitting element for irradiating light parallel to the propeller shaft 11 and a light receiving element for detecting light reception, and a shaft-like mechanism for shielding light or a hole-like mechanism for passing light through the light at a certain rotation angle.
  • It may be a device that detects the number of rotations by providing it around. Further, the rotational speed of the propeller shaft 11 may be detected by detecting the rotational speed of the crankshaft of the main machine 12. In order to detect the torque value of the propeller shaft 11 as a rotational load applied to the propeller shaft 11, a strain gauge 19 is provided on the propeller shaft 11, and a detection signal is transmitted from the strain gauge 19 by a shaft horsepower meter. 17 is transmitted. An optical shaft horsepower meter may be used to detect the torque value.
  • the shaft horsepower meter 17 sends to the controller 21 a signal S2 including a rotation speed signal from the light receiving element and a shaft torque signal corresponding to the torque value from the strain gauge 19 for each rotation of the propeller shaft 11.
  • the controller 21 has a filter unit 22 that averages the torque value for each rotation period using the rotation number signal as a trigger and cancels the peak value, and is averaged by the filter unit 22 every rotation of the propeller shaft 11.
  • the signal S3 including the torque value and the rotation speed signal is sent to the forward coefficient calculation unit 23 as the flow velocity calculation means.
  • a blade angle signal S4 from a blade angle detection sensor provided in the blade angle change mechanism 14 is sent to the forward coefficient calculation unit 23, and is based on the blade angle, torque value, and rotational speed of the propeller 13.
  • the forward coefficient corresponding to the flow velocity and the rotational speed of the flow field entering the propeller 13 from around the propeller is calculated.
  • the forward coefficient signal S5 calculated by the forward coefficient calculator 23 is sent to the blade angle calculator 24, and the blade angle calculator 24 receives a blade angle signal S6 from a blade angle detection sensor provided in the blade angle shift mechanism 14. Will be sent.
  • the blade angle calculation unit 24 calculates the optimum blade angle of the propeller 13 based on the forward coefficient signal S5, and generates a blade angle correction signal S7 based on the deviation from the current blade angle signal S6 sent from the blade angle sensor. It sends to the mechanism 14 and controls the blade angle of the propeller 13.
  • Figure 2 is a torque coefficient characteristic diagram showing the relationship between the torque value and the forward coefficients for blade angle
  • the vertical axis represents the torque coefficient K Q corresponding to the torque value applied to the propeller shaft 11
  • the horizontal axis represents the flow field
  • a forward coefficient J corresponding to the flow velocity and the rotation speed is shown.
  • the value corresponding to the blade angle is shown in FIG.
  • Q represents the torque value
  • ⁇ represents the viscosity of water
  • n represents the rotational speed of the propeller shaft 11
  • D represents the outer diameter of the propeller.
  • VA represents the flow rate of water in the flow field to the propeller.
  • H represents a pitch that is the distance of water in the flow field that travels in the axial direction by one rotation of the propeller, and the pitch H changes according to the blade angle.
  • the torque coefficient K Q corresponding to the torque value, the forward coefficient J corresponding to the flow velocity and the rotation speed, and the pitch ratio P corresponding to the blade angle are made dimensionless as described above.
  • the torque coefficient characteristic indicating the relationship between the torque value and the forward coefficient for various blade angles is configured by a memory in the controller 21 in advance as the relationship between the torque coefficient KQ and the forward coefficient J. It is stored in the forward coefficient data storage unit 25 as a flow velocity data storage means.
  • Pitch ratio P is 0.8, 1.0 in FIG. 2, and shows the relationship between the torque coefficient K Q and the forward coefficient J for the case of 1.2, all of the pitch ratio to be computed for the a forward coefficients J and torque coefficient K Q It is obtained in advance and is stored in the forward coefficient data storage unit 25 in the form of map data or an arithmetic expression corresponding to each torque coefficient characteristic diagram.
  • the flow velocity V A is determined by the dimensionless advance coefficient J which is the ratio of the product of the rotation speed n and the propeller outer diameter D to the propeller inflow velocity V A in the flow field.
  • the value of the flow velocity itself required for the blade angle, the rotation speed and the load is stored in the flow velocity data storage means, and the flow velocity data calculation is performed based on the detected rotation speed, blade angle and load.
  • the flow velocity may be calculated by means.
  • FIG. 3 is an optimum pitch characteristic diagram showing the relationship between the advance coefficient J and the optimum blade angle of the propeller 13.
  • the horizontal axis represents the advance coefficient J
  • the vertical axis represents the optimum pitch ratio P corresponding to the optimum blade angle.
  • the optimum pitch characteristics shown in FIG. 3 are stored in advance in an optimum pitch data storage unit 26 configured by a memory in the controller 21 with the optimum blade angle with respect to the forward coefficient as the optimum pitch data.
  • the optimum pitch data is stored in the optimum pitch data storage unit 26 in the form of map data or arithmetic expressions.
  • FIG. 4 is an efficiency characteristic diagram showing the relationship between the forward coefficient J and the propeller efficiency with respect to the pitch ratio.
  • the forward coefficient J that maximizes the propeller efficiency differs according to the pitch ratio corresponding to the blade angle.
  • the propeller 13 can be rotationally driven with maximum efficiency by changing the pitch ratio in accordance with the forward coefficient.
  • the optimum pitch characteristic shown in FIG. 3 is set based on the pitch ratio at which the propeller efficiency becomes the maximum efficiency according to the forward coefficient J as shown in FIG.
  • the controller 21 includes a microprocessor (CPU) that performs arithmetic processing based on signals from the blade angle detection sensor incorporated in the blade angle change mechanism 14 and the shaft horsepower meter 17, an arithmetic program, It has a memory (ROM) for storing map data and arithmetic expressions, a memory (RAM) for temporarily storing data, and the like.
  • the controller 21 includes a filter unit 22, a forward coefficient calculation unit 23, a blade angle calculation unit 24, a forward coefficient data storage unit 25, and an optimum pitch data storage unit 26, as shown in FIG. Yes.
  • the forward coefficient calculating unit 23 and the blade angle calculating unit 24 constitute control means for sending a blade angle correction signal to the blade angle changing mechanism 14 to control the blade angle of the propeller 13.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a blade angle control procedure by the blade angle control device of the variable pitch propeller shown in FIG.
  • a torque value Q is detected as a rotational speed n applied to the propeller shaft 11 and a load in the rotational direction applied to the propeller shaft 11 by the shaft horsepower meter 17 during navigation of the ship (step S1), and a signal corresponding to each is sent to the filter unit 22. .
  • the torque value Q signal is sent from the strain gauge 19 to the filter unit 22 at a cycle of, for example, 500 Hz, and the rotation speed n signal is sent every 0.5 seconds if the propeller shaft 11 rotates at 120 rpm, for example. Sent to.
  • the filter unit 22 calculates a torque value by averaging all the torque values sent from the shaft horsepower meter 17 by one rotation every rotation using a signal of the rotation speed n as a trigger (step S2).
  • a blade angle signal is sent to the controller 21 by a blade angle sensor (not shown) provided in the blade angle change mechanism 14, and the blade angle signal is read in step S3 to calculate a forward coefficient (step S4).
  • Forward coefficients by the rotational speed and torque coefficient K Q obtained by the torque value Q applied to the pitch ratio P and the propeller shaft 11 as determined by the blade angle as described above, the data stored in the forward coefficient data storage unit 25 flow rate data Calculated by reading.
  • the optimum blade angle that is, the optimum pitch ratio P corresponding to the forward coefficient is calculated in step S5.
  • the optimum pitch ratio P is calculated by reading the data stored in the optimum pitch data storage unit 26 as described above.
  • the deviation between the actual blade angle and the optimum blade angle is calculated in step S 6, and a blade angle correction signal is sent from the blade angle calculation unit 24 to the blade angle change mechanism 14. .
  • the propeller 13 is controlled to the optimal blade angle (step S7).
  • the torque value applied to the propeller shaft 11 and the blade angle of the propeller 13 are used as the velocimeters. Therefore, the forward coefficient, that is, the flow velocity of the flow field is measured momentarily to quickly.
  • the blade angle of the propeller 13 can be controlled to the maximum efficiency angle. Since the propeller 13 can always be set to the maximum efficiency angle and the ship can be navigated at all times, the fuel efficiency of the ship can be improved.
  • the wing angle is corrected and controlled using the hull acceleration as a parameter.
  • the hull swing does not have a correlation with the flow field around the propeller. Therefore, a large error occurs between the blade angle and the optimum blade angle for the flow field around the propeller.
  • the ship cannot be navigated with low fuel consumption.
  • the present invention by measuring the forward coefficient that has a large influence on the propeller efficiency, that is, the flow velocity around the propeller, the flow field can be obtained even when subjected to periodic load fluctuations caused by waves or the like. Optimum blade angle control can be performed accordingly, and the propulsion efficiency of the ship, that is, fuel efficiency can be greatly improved.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a blade angle control device for a variable pitch propeller according to another embodiment of the present invention.
  • a torque value is used as a load applied to the propeller shaft 11 in order to calculate a forward coefficient, that is, a flow velocity around the propeller, whereas in the case shown in FIG. 6, the propeller shaft is used. 11, the flow velocity is calculated using a load acting in the axial direction, that is, a thrust value.
  • a thrust sensor 31 made of a load cell or the like is provided at the abutting portion contacting the radial surface provided on the propeller shaft 11.
  • the detection signal is sent to the thrust meter 32.
  • a thrust signal S2 is sent from the thrust meter 32 to the filter unit 22, and a rotation speed signal S8 of the propeller shaft 11 is sent from the main machine 12.
  • the rotational speed of the propeller shaft 11 may be detected by the thrust meter 32 in the same manner as the shaft horsepower meter 17 shown in FIG.
  • a thrust meter is provided by a light emitting element that provides a reflecting member on the propeller shaft 11 and irradiates the reflecting member with light, and a light receiving element that receives reflected light from the reflecting member. 32.
  • a rotational speed measuring device is provided that includes a device that emits light from the light emitting element in the same direction as the propeller shaft 11 and detects the received light, and blocks the light beam in a spot at a certain rotation angle or passes light. May be used.
  • the thrust value T and the forward coefficient have the same relationship as the correspondence relationship between the torque value and the forward coefficient shown in FIG. 2 with respect to the blade angle and the rotational speed.
  • Forward coefficients J and the thrust coefficient K T is in accordance with the vane angle, and has a similar relationship to the relationship between the torque coefficient K Q and the forward coefficient J shown in FIG. Accordingly, the correlation between the thrust coefficient KT and the forward coefficient J is obtained in advance according to the pitch ratio P, and map data or an arithmetic expression corresponding to the thrust coefficient characteristic diagram is stored in the forward coefficient data storage unit 25.
  • the forward coefficient that is, the flow velocity around the propeller can be detected based on the thrust signal sent from the thrust meter 32 and the rotation speed signal S2.
  • the filter unit 22 cancels the peak value by averaging the thrust value T for each rotation period by using the one rotation speed signal from the main machine 12 as a trigger.
  • the forward coefficient calculating unit 23 is supplied with a signal S3 including a thrust value and a rotation speed signal that are averaged every rotation of the propeller shaft 11 by the filter unit 22.
  • the optimum pitch data storage unit 26 shown in FIG. 6 stores optimum pitch data similar to that shown in FIG. Accordingly, the blade angle calculation unit 24 calculates the optimum pitch ratio P in the same manner as shown in FIG. 1, and the blade angle change mechanism 14 is operated with respect to the blade angle change mechanism 14 according to the deviation between the actual blade angle and the optimum blade angle. A correction signal is sent.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
  • the torque value and the thrust value are averaged every rotation cycle of the propeller shaft 11, but if every rotation cycle, they are averaged every integer rotation cycle such as every 2 rotations. May be.
  • the present invention is applied to control the blade angle of a marine propeller.

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Abstract

　主機１２により駆動されるプロペラ軸１１にはプロペラ１３が翼角可変自在に設けられている。プロペラ１３の翼角は翼角変節機構１４の翼角検出手段により検出され、プロペラ軸１１に加わるトルクは軸馬力計１７により検出される。前進係数データ格納部２５には翼角と負荷と回転数に応じた前進係数データが格納され、検出された翼角と負荷とに基づいて前進係数、いわばプロペラ周りの流速が求められる。最適ピッチデータ格納部２６に格納された最適翼角のピッチデータと、検出された翼角に基づいて前進係数に対する最適翼角が求められ、最適翼角に基づいてプロペラ１３の翼角が制御される。これにより、流場に応じてプロペラ効率が最大効率となるように翼角を制御して船舶を航行させることができる。

Description

可変ピッチプロペラの翼角制御方法および装置
　本発明はプロペラ軸に翼角が可変自在に設けられたプロペラの翼角を制御するプロペラの翼角制御技術に関する。
　船舶用のプロペラには、翼角を変化つまり変節させることによりピッチを自由に変化させるようにした可変ピッチプロペラがある。可変ピッチプロペラは船舶の前進から後進まで翼角を自由に変化させることができるという機能があり、プロペラボス内や軸系内に組み込まれた油圧機構からなる翼角変節機構によって翼角が制御される。
　船舶用の可変ピッチプロペラＣＰＰ（controllable pitch propeller）においては、機関の負荷を回転数に応じた設定値に保持するためにプロペラの翼角を自動負荷制御装置ＡＬＣ（automatic load controller）により自動的に制御するようにしている。通常の自動負荷制御装置においては、プロペラの翼角を操縦ハンドルの操作に基づいて翼角設定器により目標値付近に設定しておき、プロペラ軸に加わる負荷の変動に起因した機関の設定回転数と実回転数との偏差に応じて翼角を補正するようにしている。このように、負荷変動によって機関の実回転数が変化したときに翼角を補正するようにしたのでは、実回転数に対する翼角目標値が固定的であるので、船舶の積載量や海象によって変わる航海条件に対しては翼角を応答性良く変化させることができない。
　そこで、船体の揺動運動の変化と機関の負荷変動との間には相関関係があることから、船体の揺動運動の変化を検出して予め負荷変動を予測し、翼角を制御するようにした翼角制御装置が開発されている（特許文献１）。
特公平１－５６０３３号公報
　このように、従来、機関の負荷変動の原因となる外力の変化を船体の揺動運動から予め検出することにより事前に負荷変動を予測し、翼角を予測値に基づいてフィードフォワード制御する技術が開発されている。しかしながら、このような制御方式では、船体運動と負荷変動との相関関係を予め規定しているので、予測される負荷変動はその時点での実際の機関負荷状況を捉えたものではなく、推定誤差の発生が不可避である。
　本発明の目的は、流場に応じてプロペラ効率が最大効率となるように翼角を制御し得るようにすることにある。
　本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御方法は、プロペラ軸に翼角が可変自在に設けられ船舶に推進力を与えるプロペラの翼角を制御する可変ピッチプロペラの翼角制御方法であって、前記プロペラの翼角と回転数および前記プロペラ軸に加わる負荷を検出する検出工程と、検出された前記翼角と前記負荷と前記回転数に基づいて、前記翼角と前記負荷と前記回転数に応じたプロペラ周りの流速データが格納された流速データ格納手段から流速を求める流速演算工程と、検出された前記翼角に基づいて、前記プロペラ周りの流速に対する最適翼角の最適ピッチデータが格納された最適ピッチデータから最適翼角を演算する最適翼角演算工程と、前記翼角と前記最適翼角との偏差に基づいて、前記プロペラの翼角を変化させる翼角変節機構に翼角補正信号を送るプロペラ翼角制御工程とを有することを特徴とする。
　本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御方法において、前記検出工程は前記プロペラに加わる負荷としてトルク値を検出し、流速データ格納手段に前記翼角と前記トルク値と前記回転数とに応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする。また、本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御方法において、前記検出工程は前記プロペラに加わる負荷としてスラスト値を検出し、前記流速データ格納手段に前記翼角と前記回転数と前記スラスト値に応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする。本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御方法において、前記プロペラ軸に加わる負荷の検出値を前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化し、当該平均値を用いて前記プロペラ周りの流速を演算することを特徴とする。
　本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御装置は、プロペラ軸に翼角が可変自在に設けられ船舶に推進力を与えるプロペラの翼角を制御する可変ピッチプロペラの翼角制御装置であって、前記プロペラの翼角を変化させる翼角変節機構と、前記プロペラ軸の回転数を検出する回転数検出手段と、前記プロペラの翼角を検出する翼角検出手段と、前記プロペラ軸に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、前記翼角と前記回転数と前記負荷に応じたプロペラ周りの流速データを格納する流速データ格納手段と、前記プロペラ周りの流速に対する最適翼角の最適ピッチデータを格納する最適ピッチデータ格納手段と、前記プロペラ軸の回転数と前記負荷と前記翼角に基づいて前記流速データにより前記プロペラ周りの流速を演算し、前記プロペラ周りの流速に基づいて前記最適ピッチデータにより最適翼角を演算し、前記翼角検出手段により検出された前記翼角と前記最適翼角とに基づいて前記翼角変節機構に翼角補正信号を送る制御手段とを有することを特徴とする。
　本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御装置において、前記負荷検出手段は前記プロペラ軸に加わる負荷としてトルク値を検出し、前記流速データ格納手段に前記翼角と前記トルク値と前記回転数に応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする。本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御装置において、前記負荷検出手段は前記プロペラ軸に加わる負荷としてスラスト値を検出し、前記流速データ格納手段に前記翼角と前記スラスト値に応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする。本発明の可変ピッチプロペラの翼角制御装置において、前記負荷検出手段は前記プロペラに加わる負荷の検出値を前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化して平均値を演算することを特徴とする。
　本発明によれば、プロペラ軸に加わる負荷ないし力とプロペラの翼角および回転数とによりプロペラ周囲からプロペラに入り込む流場の流速を測定し、流速と回転数に応じてプロペラの翼角をプロペラ効率が最適な効率となる角度に設定することができるので、プロペラ効率を高めて船舶を航行させることができる。流場に応じて翼角を制御することができるので、可変ピッチプロペラの特性を最大限発揮させてプロペラ効率を高めることができる。
　船舶航行時の波浪等に起因して周期的な負荷変動が発生しても、流場に応じて最適な翼角制御が可能となる。プロペラを言わば流速計として活用して流速を直接測定するので、プロペラの翼角制御を応答性良く行うことができる。
　プロペラ軸に加わるトルク値やスラスト値などの負荷を演算する際に、プロペラ軸の１回転周期毎に負荷の平均値を演算するようにしたので、機関の燃焼衝撃やプロペラ毎の流体変動に起因したプロペラ振動による負荷変動による影響を無くして高精度で流速を測定することができる。
本発明の一実施の形態である可変ピッチプロペラの翼角制御装置を示すブロック図である。 翼角に対するトルク値と前進係数との関係を示すトルク係数特性線図である。 前進係数とプロペラの最適翼角との関係を示す最適ピッチ特性線図である。 ピッチ比に対する前進係数とプロペラ効率との関係を示す効率特性線図である。 図１に示した可変ピッチプロペラの翼角制御装置による翼角制御手順を示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態である可変ピッチプロペラの翼角制御装置を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるように、船舶に回転自在に装着されるプロペラ軸１１は、内燃機関からなる主機１２に基端部で連結されて主機１２により回転駆動される。プロペラ軸１１の先端部に設けられたプロペラボスには複数枚、例えば４枚のプロペラ１３が装着されており、それぞれのプロペラ１３の翼角は翼角変節機構１４（ＣＰＰ）によりプロペラボスに対して揺動自在となって装着されている。この翼角変節機構１４によってプロペラ１３の翼角を変化つまり変節させことによりプロペラ１３のピッチを、船舶の前進から後進まで自由に変化させることができる。
　乗員が操縦ハンドル１５を操作すると、操縦ハンドル１５からガバナ１６に主機回転数指令信号Ｓ１が送られるとともに、主機１２の回転数を検出するセンサからの実回転数の信号がガバナ１６に送られるようになっている。ガバナ１６は実回転数と指令信号との偏差を演算し、この偏差に基づいて主機１２には所定量の燃料が供給され、主機１２は指令回転数通りにプロペラ軸１１を回転駆動する。
　プロペラ軸１１に加わる回転方向の負荷ないし力と回転数を検出するために、プロペラ軸１１には軸馬力計１７が配置されている。プロペラ軸１１の回転数は、プロペラ軸１１に円周方向にスポット的に１つ設けられた反射部材１８に対して軸馬力計１７に設けられた発光素子から光を照射し、反射部材１８からの反射光を軸馬力計１７に設けられた受光素子により検出することによって検出される。ただし、軸馬力計１７にプロペラ軸１１と平行に光を照射する発光素子と受光を検出する受光素子を備え、その光線をある回転角度において遮る遮光突起あるいは、光を通す穴状の機構を軸周りに設けることにより回転数を検出するようにした装置でもよい。また、主機１２のクランク軸の回転数を検出することによってプロペラ軸１１の回転数を検出するようにしても良い。プロペラ軸１１に加わる回転方向の負荷としてプロペラ軸１１のトルク値を検出するために、プロペラ軸１１には歪みゲージ１９が設けられており、この歪みゲージ１９からは無線によって検出信号が軸馬力計１７に送信されるようになっている。なお、トルク値を検出するために光学式軸馬力計を用いてもよい。
　軸馬力計１７からはプロペラ軸１１の１回転毎に受光素子からの回転数信号と歪みゲージ１９からのトルク値に対応した軸トルク信号とを含む信号Ｓ２がコントローラ２１に送られる。コントローラ２１は、回転数信号をトリガーとして１回転周期毎にトルク値を平均化してピーク値をキャンセルするフィルタ部２２を有しており、フィルタ部２２によりプロペラ軸１１の１回転毎に平均化されたトルク値と回転数信号を含む信号Ｓ３が流速演算手段としての前進係数演算部２３に送られる。この前進係数演算部２３には、翼角変節機構１４に設けられた翼角検出センサからの翼角信号Ｓ４が送られるようになっており、プロペラ１３の翼角とトルク値と回転数に基づいてプロペラ周りからプロペラ１３に入り込む流場の流速と回転数に対応する前進係数が演算される。
　前進係数演算部２３により演算された前進係数信号Ｓ５は、翼角演算部２４に送られるとともに翼角演算部２４には翼角変節機構１４に設けられた翼角検出センサからの翼角信号Ｓ６が送られる。翼角演算部２４は前進係数信号Ｓ５に基づいてプロペラ１３の最適翼角を演算するとともに、翼角センサから送られた現時点の翼角信号Ｓ６との偏差により翼角補正信号Ｓ７を翼角変節機構１４に送り、プロペラ１３の翼角を制御する。
　図２は翼角に対するトルク値と前進係数との関係を示すトルク係数特性線図であり、縦軸はプロペラ軸１１に加わるトルク値に対応したトルク係数ＫＱを示し、横軸は流場の流速と回転数に対応した前進係数Ｊを示す。翼角に対応する値はピッチ比Ｐとして図２に示されている。
　トルク係数ＫＱは、ＫＱ＝Ｑ／（ρｎ2Ｄ5）で示される。この式において、Ｑはトルク値を示し、ρは水の粘度を示し、ｎはプロペラ軸１１の回転数を示し、Ｄはプロペラの外径を示す。前進係数Ｊは、Ｊ＝ＶＡ／ｎＤで示される。この式において、ＶＡはプロペラへの流場の水の流入速度を示す。ピッチ比Ｐ＝Ｈ／Ｄで示される。この式において、Ｈはプロペラの１回転により軸方向に進む流場の水の距離であるピッチを示し、翼角に応じてピッチＨは変化する。トルク値に対応するトルク係数ＫＱ、流速と回転数とに対応する前進係数Ｊ、および翼角に対応するピッチ比Ｐは、上述のように無次元化されている。
　図２に示すように、種々の翼角に対するトルク値と前進係数との関係を示すトルク係数特性は、トルク係数ＫＱと前進係数Ｊとの関係として、予めコントローラ２１内のメモリにより構成される流速データ格納手段としての前進係数データ格納部２５に格納されている。図２においてはピッチ比Ｐが0.8、1.0、および1.2の場合についてトルク係数ＫＱと前進係数Ｊとの関係を示すが、演算すべき全てのピッチ比についてトルク係数ＫＱと前進係数Ｊとが予め求められており、それぞれのトルク係数特性線図に対応するマップデータまたは演算式の形態で前進係数データ格納部２５に格納されている。
　上述のように、流場におけるプロペラへの流入速度ＶＡに対する回転数ｎとプロペラ外径Ｄとの積の比である無次元化された前進係数Ｊによって流速ＶＡを求めるようにしたのは、演算の便宜のためであり、翼角と回転数と負荷に求められる流速自体の値を流速データ格納手段に格納するようにし、検出された回転数、翼角および負荷に基づいて流速データ演算手段により流速を演算するようにしてもよい。
　図３は前進係数Ｊとプロペラ１３の最適翼角との関係を示す最適ピッチ特性線図であり、横軸は前進係数Ｊを示し、縦軸は最適翼角に対応した最適ピッチ比Ｐを示す。図３に示す最適ピッチ特性は、前進係数に対する最適翼角を最適ピッチデータとして、予めコントローラ２１内のメモリにより構成される最適ピッチデータ格納部２６に格納されている。最適ピッチデータとしては、マップデータまたは演算式の形態で最適ピッチデータ格納部２６に格納されている。
　図４はピッチ比に対する前進係数Ｊとプロペラ効率との関係を示す効率特性線図である。図４に示すように、翼角に対応するピッチ比に応じてプロペラ効率が最大となる前進係数Ｊが相違している。このように、前進係数に応じてピッチ比を変化させることによりプロペラ１３を最大効率によって回転駆動することができる。図３に示す最適ピッチ特性は、図４に示すように前進係数Ｊに応じてプロペラ効率が最大効率となるピッチ比に基づいて設定されている。
　コントローラ２１は、図１に示すように、翼角変節機構１４に組み込まれた翼角検出センサと軸馬力計１７とからの信号に基づいて演算処理を行うマイクロプロセッサ(CPU)と、演算プログラム、マップデータおよび演算式等を格納するメモリ(ROM)と、一時的にデータを格納するメモリ(RAM)等を有している。コントローラ２１はその機能構成として捉えると、図１に示すように、フィルタ部２２、前進係数演算部２３、翼角演算部２４、前進係数データ格納部２５および最適ピッチデータ格納部２６を有している。前進係数演算部２３と翼角演算部２４とにより翼角変節機構１４に対して翼角補正信号を送ってプロペラ１３の翼角を制御するための制御手段が構成されている。
　図５は図１に示した可変ピッチプロペラの翼角制御装置による翼角制御手順を示すフローチャートである。
　船舶の航行時に軸馬力計１７によりプロペラ軸１１の回転数ｎとプロペラ軸１１に加わる回転方向の負荷としてトルク値Ｑが検出され（ステップＳ１）、それぞれに対応した信号がフィルタ部２２に送られる。トルク値Ｑの信号は歪みゲージ１９から、例えば５００Hzの周期でフィルタ部２２に送られ、回転数ｎの信号は、例えばプロペラ軸１１が１２０rpmで回転していれば、0.5秒毎にフィルタ部２２に送られる。フィルタ部２２は回転数ｎの信号をトリガーとして１回転毎に、１回転するまでに軸馬力計１７から送られた全てのトルク値を平均化してトルク値を算出する（ステップＳ２）。主機１２としての内燃機関はピストン毎の燃焼時の衝撃やプロペラ毎の流体変動によりプロペラ軸１１が振動するので、トルク値はプロペラ軸１１が１回転する間に変動することになるが、これらに起因したピーク値をプロペラ軸１１の１回転周期毎のトルク値を平均化することよってキャンセルすることができる。これにより、波浪等を原因とする周期で迅速に流場変動を捉えることができる。
　翼角変節機構１４に設けられた図示しない翼角センサによりコントローラ２１には翼角信号が送られており、ステップＳ３において翼角信号を読み込んで、前進係数を演算する（ステップＳ４）。前進係数は、上述のように翼角によって求められるピッチ比Ｐとプロペラ軸１１に加わるトルク値Ｑによって求められるトルク係数ＫＱと回転数により、前進係数データ格納部２５に格納された流速データを読み出すことによって演算される。
　前進係数が求められると、ステップＳ５において前進係数に応じた最適な翼角つまり最適ピッチ比Ｐが演算される。最適ピッチ比Ｐは、上述のように最適ピッチデータ格納部２６に格納されたデータを読み出すことにより演算される。最適ピッチ比Ｐが演算されると、実際の翼角と最適翼角との偏差がステップＳ６において演算され、翼角演算部２４からは翼角変節機構１４に対して翼角補正信号が送られる。これにより、プロペラ１３は最適翼角に制御される（ステップＳ７）。
　このように、本発明においては、プロペラ軸１１に加わるトルク値とプロペラ１３の翼角とを流速計として利用するようにしたので、前進係数つまりは流場の流速を時々刻々と計測して迅速にプロペラ１３の翼角を最大効率角度に制御することができる。プロペラ１３を常時最大効率角度に設定して常に船舶を航行させることができるので、船舶の燃費を向上させることができる。
　従来のように、機関の負荷変動の原因となる外力の変化を船体の揺動運動から予め検出することにより事前に負荷変動を予測することによって、船体加速度をパラメータとして翼角を補正制御するようにしたのでは、船体揺動はプロペラ周りの流場と一義的には相関関係を持たないので、翼角とプロペラ周り流場に対する最適翼角との間には大きな誤差が生じることになり、船舶を低燃費で航行させることができない。これに対して、本発明においてはプロペラ効率に大きな影響を与える前進係数、いわばプロペラ周りの流速を測定することにより、波浪等に起因する周期的な負荷変動を受けた場合にも、流場に応じた最適な翼角制御が可能となり、船舶の推進効率つまり燃費を大幅に向上させることができる。
　図６は本発明の他の実施の形態である可変ピッチプロペラの翼角制御装置を示すブロック図である。図１に示した翼角制御装置においては前進係数すなわちプロペラ周りの流速を演算するために、プロペラ軸１１に加わる負荷としてトルク値を用いているのに対し、図６に示す場合にはプロペラ軸１１に軸方向に作用する負荷つまりスラスト値を用いて流速を演算するようにしている。
　プロペラ軸１１に加わるスラスト値Ｔを検出するために、プロペラ軸１１に設けられた径方向面に接触する突き当て部にはロードセル等からなるスラストセンサ３１が設けられており、このスラストセンサ３１の検出信号はスラスト計３２に送られる。フィルタ部２２にはスラスト計３２からスラスト信号Ｓ２が送られるとともに、主機１２からプロペラ軸１１の回転数信号Ｓ８が送られるようになっている。ただし、図１に示した軸馬力計１７と同様にスラスト計３２によりプロペラ軸１１の回転数を検出するようにしても良い。その場合には、上述した場合と同様に、プロペラ軸１１に反射部材を設けてその反射部材に対して光を照射する発光素子と、反射部材からの反射光を受光する受光素子とをスラスト計３２に設けることになる。ただし、上述したようにプロペラ軸１１と同じ方向に発光素子より発光し、受光検出する装置を備え、その光線上をある回転角度においてスポット的に遮るか、あるいは光を通す機構による回転数計測装置を用いるようにしてもよい。
　スラスト値Ｔと前進係数とには翼角と回転数に対して、図２に示したトルク値と前進係数との対応関係と同様な関係がある。スラスト値をＴとすると、スラスト係数ＫＴは、ＫＴ＝Ｔ／（ρｎ2Ｄ4）で表される。前進係数Ｊとスラスト係数ＫＴは翼角に応じて、図２に示したトルク係数ＫＱと前進係数Ｊとの関係と同様の関係を有している。したがって、ピッチ比Ｐに応じてスラスト係数ＫＴと前進係数Ｊとの相関関係を予め求めて、スラスト係数特性線図に対応するマップデータまたは演算式を前進係数データ格納部２５に格納しておくことにより、スラスト計３２から送られるスラスト信号と回転数信号Ｓ２に基づいて前進係数つまりプロペラ周りの流速を検出することができる。
　この場合にも、フィルタ部２２において主機１２からの１回転数信号をトリガーとして回転周期毎にスラスト値Ｔを平均化してピーク値をキャンセルする。これにより、前進係数演算部２３には、フィルタ部２２によりプロペラ軸１１の１回転毎に平均化されたスラスト値と回転数信号を含む信号Ｓ３が送られる。図６に示す最適ピッチデータ格納部２６には、図１に示した場合と同様の最適ピッチデータが格納されている。したがって、翼角演算部２４は、図１に示した場合と同様に最適ピッチ比Ｐを演算し、実際の翼角と最適翼角との偏差に応じて翼角変節機構１４に対して翼角補正信号が送られる。
　本発明は前記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、フィルタ部２２においてはプロペラ軸１１の１回転周期毎にトルク値やスラスト値を平均化しているが、回転周期毎であれば、２回転毎等の整数回転周期毎に平均化するようにしても良い。
　本発明は船舶用のプロペラの翼角を制御するために適用される。

Claims (8)

  1. 　プロペラ軸に翼角が可変自在に設けられ船舶に推進力を与えるプロペラの翼角を制御する可変ピッチプロペラの翼角制御方法であって、
    　前記プロペラの翼角と回転数および前記プロペラ軸に加わる負荷を検出する検出工程と、
    　検出された前記翼角と前記負荷と前記回転数に基づいて、前記翼角と前記負荷と前記回転数に応じたプロペラ周りの流速データが格納された流速データ格納手段から流速を求める流速演算工程と、
    　検出された前記翼角に基づいて、前記プロペラ周りの流速に対する最適翼角の最適ピッチデータが格納された最適ピッチデータから最適翼角を演算する最適翼角演算工程と、
    　前記翼角と前記最適翼角との偏差に基づいて、前記プロペラの翼角を変化させる翼角変節機構に翼角補正信号を送るプロペラ翼角制御工程とを有することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御方法。
  2. 　請求項１記載の可変ピッチプロペラの翼角制御方法において、前記検出工程は前記プロペラに加わる負荷としてトルク値を検出し、流速データ格納手段に前記翼角と前記トルク値と前記回転数とに応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御方法。
  3. 　請求項１記載の可変ピッチプロペラの翼角制御方法において、前記検出工程は前記プロペラに加わる負荷としてスラスト値を検出し、前記流速データ格納手段に前記翼角と前記回転数と前記スラスト値に応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御方法。
  4. 　請求項１記載の可変ピッチプロペラの翼角制御方法において、前記プロペラ軸に加わる負荷の検出値を前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化し、当該平均値を用いて前記プロペラ周りの流速を演算することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御方法。
  5. 　プロペラ軸に翼角が可変自在に設けられ船舶に推進力を与えるプロペラの翼角を制御する可変ピッチプロペラの翼角制御装置であって、
    　前記プロペラの翼角を変化させる翼角変節機構と、
    　前記プロペラ軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
    　前記プロペラの翼角を検出する翼角検出手段と、
    　前記プロペラ軸に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、
    　前記翼角と前記回転数と前記負荷に応じたプロペラ周りの流速データを格納する流速データ格納手段と、
    　前記プロペラ周りの流速に対する最適翼角の最適ピッチデータを格納する最適ピッチデータ格納手段と、
    　前記プロペラ軸の回転数と前記負荷と前記翼角に基づいて前記流速データにより前記プロペラ周りの流速を演算し、前記プロペラ周りの流速に基づいて前記最適ピッチデータにより最適翼角を演算し、前記翼角検出手段により検出された前記翼角と前記最適翼角とに基づいて前記翼角変節機構に翼角補正信号を送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の翼角制御装置。
  6. 　請求項５記載の可変ピッチプロペラの翼角制御装置において、前記負荷検出手段は前記プロペラ軸に加わる負荷としてトルク値を検出し、前記流速データ格納手段に前記翼角と前記トルク値と前記回転数に応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御装置。
  7. 　請求項５記載の可変ピッチプロペラの翼角制御装置において、前記負荷検出手段は前記プロペラ軸に加わる負荷としてスラスト値を検出し、前記流速データ格納手段に前記翼角と前記スラスト値に応じたプロペラ周りの流速データを格納することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御装置。
  8. 　請求項５記載の可変ピッチプロペラの翼角制御装置において、前記負荷検出手段は前記プロペラに加わる負荷の検出値を前記プロペラ軸の回転周期毎に平均化して平均値を演算することを特徴とする可変ピッチプロペラの翼角制御装置。
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