WO2024057848A1 - 船舶のモニタリング方法および船舶のモニタリング方法を行う船舶のモニタリング装置 - Google Patents

船舶のモニタリング方法および船舶のモニタリング方法を行う船舶のモニタリング装置 Download PDF

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ship
monitoring
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propeller
strain sensor
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敏夫 山磨
貴哉 櫻井
俊之 井上
英晶 村山
Original Assignee
ナカシマプロペラ株式会社
国立大学法人 東京大学
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    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/26—Blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a ship that has a propeller that has a plurality of blades and drives the ship, and a monitoring device for a ship that performs the method for monitoring the ship.
  • propellers having multiple blades made of carbon fiber reinforced plastic have been put into practical use. Compared to conventional propellers with metal blades, it is approximately 40% lighter and requires 9% less horsepower, and its performance is attracting attention.
  • propellers with multiple blades made of CFRP are more susceptible to damage than propellers with metal blades.
  • causes of propeller damage include deterioration due to adhesion of marine organisms such as barnacles, slight damage to edges, and erosion due to cavitation caused by the damage.
  • CFRP propeller was damaged, it was difficult to determine the location of the damage during navigation. If the degree of damage to the propeller is slight or moderate, the propeller is lightweight and it is possible to sail without increasing vibration of the ship. However, navigation performance deteriorates, leading to increased fuel consumption and GHG emissions. On the other hand, if the propeller is severely damaged, vibrations of the ship will increase, making it difficult to maintain a constant speed of the ship, which may disrupt the ship's sailing schedule. In addition, there were cases in which comfort on board the ship could not be ensured. In the worst case scenario, there is a risk of the ship being stopped at sea, drifting, or running aground. Even if the damage is initially slight or moderate, there is a risk that the damage will progress to severe damage if the ship continues to be used without being aware of the damage because the hull vibrations do not increase.
  • a method for monitoring a ship includes a propeller for driving the ship, the propeller having a plurality of blades, a strain sensor being attached to each blade, and the strain sensor being attached to each blade.
  • the presence or absence of damage to each blade and a change in state are detected in real time from the detected value detected by the strain sensor attached to each blade.
  • a method for monitoring a ship comprising the steps of detecting the speed of the ship and detecting the rotation speed of the engine, wherein at least one of the speed of the ship and the rotation speed of the engine is set to a predetermined value. and determining whether the amount of change in strain of each blade exceeds a predetermined value.
  • the ship monitoring method of the third invention further comprising the step of comparing the amount of change in strain of each blade detected by the strain sensor to determine whether it is outside a predetermined value range. It is.
  • the strain sensor is attached to a location where a bending component of the propeller is dominant.
  • the strain sensor is attached to a location where a torsional component of the propeller is dominant.
  • the strain sensor is composed of a string sensor.
  • the ship monitoring method according to the first invention is capable of constantly monitoring changes in the state of the blades, and the cause of deterioration in navigation performance such as a decrease in the speed of the ship is a change in the state such as damage to each blade of the propeller. It is possible to determine whether or not the propeller performance has deteriorated even during navigation.
  • a method for monitoring a ship according to the second invention is a method for monitoring a ship when at least one of the speed of the ship and the rotational speed of the engine decreases below a predetermined value, and the cause is a change in condition such as damage to each blade of a propeller. It is possible to determine whether or not the propeller performance has deteriorated even during navigation.
  • the ship monitoring method according to the third invention is capable of determining in real time which blade has undergone a change in condition such as damage, so it is possible to constantly monitor the health of the propeller, and it is possible to monitor the health of the propeller at all times until it enters the dock.
  • the timing can be adjusted.
  • a method for monitoring a ship is to attach a strain sensor to a location where the torsional component of the blade is dominant, so as to intensively monitor the deformation behavior of the blade at the location where a high external bending force is applied. This makes it possible to constantly monitor the propeller's health more accurately and adjust the timing before docking.
  • the ship monitoring device of the sixth invention is composed of a string sensor that can detect expansion, contraction, bending, and twisting with a single string, so it outputs even if it is bent and arranged to follow the shape of the blade 5. can be obtained.
  • FIG. 1 is a front view showing the stern of a ship to which a marine propeller according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 1 is a schematic rear view showing a marine propeller according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a side cross-sectional view showing a marine propeller and a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph diagram showing voltage changes over time in a plurality of lengths of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph diagram showing the relationship between amplitude and voltage change in a plurality of lengths of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph diagram showing the relationship between maximum test load and output voltage in an actual blade test according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph diagram showing an integral signal of a marine propeller made of healthy CFRP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graphical diagram illustrating an integral signal of a marine propeller formed from damaged CFRP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph diagram showing an acceleration analysis of a marine propeller made of sound CFRP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graphical diagram illustrating a frequency analysis of a marine propeller made of healthy CFRP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a control device according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a flow diagram showing a method for monitoring a ship according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a flow diagram showing a method for evaluating a ship according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a perspective view showing an image evaluation device for a marine propeller according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a diagram illustrating an example of imaging by a marine propeller image evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a side view showing the stern of a ship to which a marine propeller according to some embodiments is applied.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a part of a marine propeller according to some embodiments, viewed from the bow side.
  • a marine propeller 3 and a rudder 7 are installed at the stern 2 of the ship body 1.
  • the ship 10 is a small ship such as a pleasure boat, and the hull 1 has a total length of approximately 10 m to 20 m, a total width of approximately 2 to 3 m, and a total depth of approximately 1.4 to 1.5 m. has been done.
  • the ship 10 is equipped with an engine 20 as a driving source.
  • the engine 20 is a drive source that rotates the marine propeller 3, and has, for example, 6 cylinders, 4 strokes, and a maximum output of 300 PS, and rotates the marine propeller through a reduction gear.
  • the marine propeller 3 of some embodiments includes a propeller boss 4 and a plurality of blades 5 extending radially outward from the propeller boss 4.
  • the number of blades 5 is, for example, three, but does not necessarily have to be three.
  • Each blade 5 is a CFRP blade made of carbon fiber and epoxy resin, and is formed by VaRTM (vacuum impregnation method). Note that in this embodiment, blades made of CFRP are used, but the monitoring method of the present invention is not limited to this, and for example, the monitoring method of the present invention can be applied to propellers having metal blades.
  • the rotation direction of the marine propeller 3 is counterclockwise as shown by arrow R.
  • a strain sensor 11 is arranged on each blade 5.
  • the strain sensor 11 is a string sensor including a piezoelectric element.
  • the string sensor is a sensor that can sense deformations such as expansion/contraction, bending, and twisting in a single string, and is formed of a coaxial, flexible tension sensor using polylactic acid.
  • each sensor detects the amount of expansion/contraction, the amount of bending, and the amount of twist.
  • the strain sensor 11 is not limited to being composed of a plurality of string sensors, and for example, it is also possible to arrange one string sensor by bending it so as to cover a large area within the blade.
  • the strain sensor 11 is connected to a transmitter 9 provided on a bearing 8 that supports the propeller boss 4.
  • the strain sensor 11 is a sensor that detects external bending force and torsional force on the blade 5.
  • the external bending force is an external force that continuously acts on the same location during the rotation of the marine propeller 3. If the location most susceptible to the external bending force is near the leading edge, the strain sensor 11 is placed near the leading edge. Place it along the neighborhood. Thereby, it is possible to monitor the behavior of the external bending force in the portions of the three blades 5 that are likely to be subjected to the external bending force.
  • the strain sensor 11 is placed along the vicinity of the trailing edge of the marine propeller 3. Thereby, it is possible to monitor the behavior of the torsional force in the portions of the three blades 5 where the torsional force is likely to be applied.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the length of the string sensor, which is the strain sensor 11, and the output comparison. As shown in FIG. 4, the longer the length of the strain sensor 11, the higher the output voltage. Further, FIG. 5 is a diagram showing a comparison of differences in output voltages at the same test amplitude speed. As shown in FIG. 5, it can be seen that the longer the length of the strain sensor 11, the larger the output voltage becomes, and the output voltage changes in proportion to the amplitude speed. In this way, the strain sensor 11 is a string sensor whose length can be changed, and the strain sensor 11 can be appropriately positioned by bending the string sensor. Further, by bending a plurality of string sensors or a single string sensor and arranging them over a wide area within the blade, it is possible to change the magnitude of the output voltage and adjust the sensitivity.
  • FIG. 6 shows the relationship between the test load and the output voltage by changing the degree of damage to each blade 5.
  • Example 1 there are two healthy blades 5 and one blade 5 with little damage.
  • Example 2 there are two blades 5 that are healthy and one blade 5 that is moderately damaged.
  • Example 3 there are two blades 5 that are healthy and one blade 5 that is severely damaged.
  • Example 4 there is one blade 5 with small damage, one blade 5 with moderate damage, and one blade 5 with large damage. Further, as a comparative example, a blade having three healthy blades 5 was prepared.
  • FIG. 9 shows the results of an acceleration analysis of the vibration frequency in each direction of the hull 1.
  • the vibration frequency in each direction of the hull 1 is hull vibration measured by an acceleration sensor provided in the hull 1.
  • FIG. 9 a comparison was made under the same conditions as Examples 1 to 3 and the comparative example in FIG.
  • the peak of engine vibration also appears at the frequency PE.
  • the peak of engine vibration By monitoring the power spectrum at the peak, it is also possible to secondarily sense the presence or absence of an abnormality in the engine.
  • damage to the entire marine propeller 3 can be determined by frequency analysis. For example, from the results of analyzing the acceleration of the vibration frequency in each direction of the hull 1 and analyzing the amplitude speed change and amplitude change of the blade 5, a comprehensive ship performance evaluation is performed, and the presence or absence of damage to the blade 5 and the deterioration of engine performance are performed. It is possible to judge whether there is a decrease in speed due to an increase in the vessel's propulsion resistance. Furthermore, by forming the strain sensor 11 with a string sensor and attaching it to each blade 5, it is possible to check whether or not there is a damaged blade 5. Furthermore, by measuring the change in acceleration at each order frequency of the strain sensor 11 attached to each blade 5, the magnitude of the damage can be confirmed.
  • strain sensor 11 is not limited to a piezoelectric element type.
  • FBG sensors and semiconductor strain gauges are also included.
  • the performance of the marine vessel 10 during navigation can be comprehensively evaluated.
  • examples of sensors connected to the control device 21 include an engine rotation speed sensor 22 and a ship speed sensor 23.
  • the ship speed sensor 22 is, for example, a GPS or GNSS that detects the ground speed of the ship 10, or a speed log that detects the water speed.
  • the engine rotation speed sensor 22 is a sensor that detects the rotation speed of the engine 20, which is an internal combustion engine. Further, the ship speed sensor 23 is a sensor that monitors the speed of the ship 10 in real time.
  • monitoring of the ship 10 includes a first step S10 in which strain is detected by the strain sensor 11, a step S20 in which the speed of the ship 10 is detected, and a step S30 in which the rotation speed of the engine 20 is detected.
  • Step S40 in which it is determined whether the amount of change in strain of each blade 5 exceeds a predetermined value when at least one of the ship speed and the rotation speed of the engine 20 falls below a predetermined value. Equipped with.
  • step S10 the strain sensor 11 measures the amplitude as described above and transmits it to the control device.
  • the control device 21 also performs frequency analysis, allowing real-time damage status and performance evaluation of the marine propeller 3 to be performed.
  • step S20 real-time performance evaluation of the engine 20 is performed by transmitting the engine rotation speed to the control device 21.
  • step S30 changes in ship speed are transmitted to the control device 21 in real time.
  • step S40 performance evaluation of the ship 10 is performed.
  • FIG. 13 shows an example of performance evaluation.
  • step S401 it is determined whether the ship speed is lower than a predetermined value v1 (step S401). In step S401, if the value is equal to or greater than the predetermined value v1, the process returns to the monitoring flow again.
  • step S401 if the boat speed is lower than the predetermined value v1, it is determined whether the engine rotation speed is greater than the predetermined value S1 (step S402). In step S402, if it is less than the predetermined value S1, it is assumed that some kind of abnormality has occurred in the engine 20, and the notifying means 31 notifies the boat operator (step S411). Moreover, in step S402, if the amplitude of the strain sensor 11 is larger than the predetermined value S1, it is determined whether there is a blade 5 whose amplitude is larger than the predetermined value (step S403). If there is a blade 5 for which the amplitude of the strain sensor 11 is larger than a predetermined value, the damaged blade 5 is identified from the result of the frequency analysis, and the notification means 31 notifies the boat operator (step S411).
  • a method may be adopted in which an image of the blade 5 is taken and the damage state is monitored.
  • an image sensor 31 is provided for image recognition of the damaged state of the blade 5 of the marine propeller 3.
  • the image sensor 31 is an imaging device that captures video data of the blade 5 during flight.
  • the image sensor 31 is stored inside the rotor of the bearing section 8, and is used to take a moving image of the back surface side wing surface of a predetermined blade 5 through a window 31a located at the rear of the bearing section 8.
  • a string 35 for visualizing the flow of water is attached to a leading edge portion of a predetermined blade 5.
  • An underwater wireless communication test was carried out using the image sensor 31 shown in Fig. 15. The test started with imaging from a stopped state, then the propeller rotation speed was increased to a specified rotation speed, and when it was stable, it was maintained for 30 seconds, and then the ship was stopped. Because the volume of data transmitted from the image sensor 31 was large, a storage device (not shown) for temporarily storing the acquired data was provided inside the bearing portion 8, and the data was temporarily stored in the storage device, and after the sailing test, data was acquired via underwater wireless communication at sea.
  • FIG. 16 shows a video captured by the image sensor 31 during the navigation test.
  • the central region of the blade 5 was clearly captured, and it was confirmed by the image sensor 31 that the string 35 installed for flow visualization was changing its position due to the rotation of the marine propeller 3.
  • This invention can be utilized for the monitoring method of a ship which has a propeller which drives a ship, and the monitoring apparatus of a ship which performs the monitoring method of a ship which has a plurality of blades.

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Abstract

船舶航行中において低コストで各ブレードの状態を長期間・常時監視することができ、船舶の速度の低下などの航行性能の低下の原因をリアルタイムで判断することができる船舶のモニタリング方法を提供する。船舶１０を駆動する舶用プロペラ３を有し、舶用プロペラ３は、複数のブレード５を有する、船舶１０のモニタリング方法であって、各ブレード５に歪みセンサ１１を取り付け、歪みセンサ１１によって歪みを検出するステップＳ１０を備え、ステップＳ１０において、各ブレード５に取り付けられた歪みセンサ１１によって検出された検出値からリアルタイムで各ブレードの損傷の有無を検知するものである。

Description

船舶のモニタリング方法および船舶のモニタリング方法を行う船舶のモニタリング装置
　本発明は、複数のブレードを有し、船舶を駆動するプロペラを有する船舶のモニタリング方法および船舶のモニタリング方法を行う船舶のモニタリング装置に関する。
　近年、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の複数のブレードを有するプロペラによって駆動する船舶が実用化されている。従来の金属製のブレードを有するプロペラと比して約４０％の軽量化と、９％の必要馬力低下を実現することができ、その性能が注目されている。一方、ＣＦＲＰ製の複数のブレードを有するプロペラは金属製のブレードを有するプロペラと比して損傷を受けやすい。例えば、プロペラの損傷の原因は、フジツボなどの海生生物の付着による劣化、エッジの軽微な欠損や、当該欠損に起因するキャビテーションによるエロージョンがある。
　ＣＦＲＰ製プロペラが損傷した場合、その損傷個所を航行時に判断するのは困難であった。プロペラの損傷の程度が軽微または中度であれば、プロペラが軽量で船体の振動が増加することなく航行することが可能である。しかし航行性能が低下し、燃料消費量の増加、ＧＨＧ排出量の増加に繋がる。一方、プロペラの損傷が重度の場合には、船体の振動が増加し、船舶の速度を一定に保つことが困難となり、運航スケジュールに支障をきたす場合がある。また船内の快適性が確保できない場合があった。最悪の場合、洋上での航行停止、漂流、座礁のおそれがある。
　初期に軽微または中度の損傷であっても、船体振動が増加しないために損傷したことに気づかず、そのまま使用し続けると、重度の損傷に進行するリスクがある。
　プロペラが損傷した可能性がある場合には、水中のプロペラを潜水した状態で目視するか、アフロート状態でバラスト水を調整し船尾を上げてプロペラを露出させて確認する必要があった。
　そこで、上記のような確認を行うよりも簡易な方法としプロペラをモニタリングする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　上記のように、ブレードの損傷要因が多岐にわたるため、損傷の初期段階で発生に気づくことができるように、恒常的にブレードの状態変化をモニタリングすることができるプロペラを有する船舶が望まれていた。また、例えば、船舶の速度の低下等の航行性能の低下が発生した場合に、プロペラに起因する性能低下であるか、エンジンの機能低下に起因する性能低下であるか、または、船舶の推進抵抗の増加によるものかを航行中にリアルタイムで判断することができるモニタリング方法が望まれていた。
特開２００３－１６６８７５号公報
　そこで、本発明では、船舶航行中において低コストで各ブレードの状態変化を長期間・常時監視することができ、船舶の速度の低下などの航行性能の低下の原因をリアルタイムで判断することができる船舶のモニタリング方法を提供する。
　第一の発明の船舶のモニタリング方法において、船舶を駆動するプロペラを有し、前記プロペラは、複数のブレードを有する、船舶のモニタリング方法であって、前記各ブレードに歪みセンサを取り付け、前記歪みセンサによって歪みを検出するステップを備え、前記ステップにおいて、各ブレードに取り付けられた前記歪みセンサによって検出された検出値からリアルタイムで各ブレードの損傷の有無、状態変化を検知するものである。
　第二の発明の船舶のモニタリング方法において、前記船舶の速度を検出するステップと、前記エンジンの回転数を検出するステップと、を備え、前記船舶速度、およびエンジンの回転数の少なくとも一つが所定値よりも低下した場合に、前記各ブレードの歪みの変化量は、所定の値を超えているか否かを判断するステップと、を備えるものである。
　第三の発明の船舶のモニタリング方法において、歪みセンサによって検出された各ブレードの歪みの変化量を相互に比較して、所定の値の範囲外であるか否かを判断するステップをさらに備えるものである。
　第四の発明の船舶のモニタリング方法において、前記歪みセンサは、プロペラの曲げの成分が支配的な個所に取り付けられるものである。
　第五の発明の船舶のモニタリング方法において、前記歪みセンサは、プロペラの捩りの成分が支配的な個所に取り付けられるものである。
　第六の発明の船舶のモニタリング装置において、前記歪みセンサは、紐センサで構成されるものである。
　第一の発明に係る船舶のモニタリング方法は、恒常的にブレードの状態変化をモニタリングすることができ、船舶の速度の低下等の航行性能の低下の原因がプロペラの各ブレードの損傷などの状態変化に起因するものであるか否かを判断することができ、航行中であっても、プロペラの性能低下の有無を判断することができる。
　第二の発明に係る船舶のモニタリング方法は、船舶速度、およびエンジンの回転数の少なくとも一つが所定値よりも低下した場合において、その原因がプロペラの各ブレードの損傷などの状態変化に起因するものであるか否かを判断することができ、航行中であっても、プロペラの性能低下の有無を判断することができる。
　第三の発明に係る船舶のモニタリング方法は、いずれのブレードに損傷などの状態変化が起きているかをリアルタイムで判断することができるので、プロペラのヘルスモニタリングを常時行うことができ、ドックに入るまでのタイミングを調整することができる。
　第四の発明に係る船舶のモニタリング方法は、ブレードの捩じりの成分が支配的な個所に歪みセンサを取り付けることで、高い曲げ外力がかかる部分におけるブレードの変形挙動を重点的にモニタリングすることができるため、より正確にプロペラのヘルスモニタリングを常時行うことができ、ドックに入るまでのタイミングを調整することができる。
　第五の発明に係る船舶のモニタリング方法は、ブレードの曲げの成分が支配的な個所に歪みセンサを取り付けることで、高い捩り外力がかかる部分におけるブレードの変形挙動を重点的にモニタリングすることができるため、より正確にプロペラのヘルスモニタリングを常時行うことができ、ドックに入るまでのタイミングを調整することができる。
　第六の発明の船舶のモニタリング装置は、一本の紐で伸縮、曲げ、捩りを感知することができる紐センサで構成されるため、ブレード５の形状に沿うように折り曲げて配置しても出力を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る舶用プロペラが適用される船舶の船尾部を示す正面図。 本発明の一実施形態に係る舶用プロペラを示す背面概略図。 本発明の一実施形態に係る舶用プロペラおよび歪みセンサを示す側面断面図。 本発明の一実施形態に係る歪みセンサの複数の長さにおける時間経過当たりの電圧変化を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る歪みセンサの複数の長さにおける振幅と電圧変化との関係を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る実機ブレード試験における最大試験荷重と出力電圧との関係を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る健全なＣＦＲＰで形成された舶用プロペラの積分信号を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る損傷したＣＦＲＰで形成された舶用プロペラの積分信号を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る健全なＣＦＲＰで形成された舶用プロペラの加速度分析を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る健全なＣＦＲＰで形成された舶用プロペラの周波数分析を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る損傷したＣＦＲＰで形成された舶用プロペラの周波数分析を示すグラフ図。 本発明の一実施形態に係る制御装置を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る船舶のモニタリング方法を示すフロー図。 本発明の一実施形態に係る船舶の評価方法を示すフロー図。 本発明の一実施形態に係る舶用プロペラの画像評価装置を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る舶用プロペラの画像評価装置による撮像例を示す図。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　なお、以下の本発明の実施形態の説明は、好適な実施形態の一例であり、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
　図１は、幾つかの実施形態に係る舶用プロペラが適用される船舶の船尾部を示す側面図である。図２は、幾つかの実施形態に係る舶用プロペラの一部を船首側から見た模式的な図である。幾つかの実施形態に係る船舶１０では、船体１の船尾２には、舶用プロペラ３と、舵７とが設置される。本実施形態では、船舶１０は、例えばプレジャーボート等の小型船であり、船体１は、全長が１０ｍ～２０ｍ程度、全幅が２～３ｍ程度、全深が１．４～１．５ｍ程度で構成されている。
　また、船舶１０には、駆動源としてエンジン２０が搭載されている。エンジン２０は舶用プロペラ３を回転させる駆動源であり、例えば６気筒４ストローク、最大出力３００ＰＳであり、減速機を介して舶用プロペラを回転駆動させる。
　幾つかの実施形態の舶用プロペラ３は、プロペラボス４と、プロペラボス４から半径方向外側に延びる複数のブレード５と、を備える。幾つかの実施形態の舶用プロペラ３では、ブレード５の枚数は例えばそれぞれ３枚であるが、必ずしも３枚である必要はない。
　各ブレード５は、炭素繊維とエポキシ樹脂を材料としたＣＦＲＰ製のブレードであり、ＶａＲＴＭ（真空含浸工法）によって形成される。なお、本実施形態においてはＣＦＲＰ製のブレードを採用したが、これに限定するものではなく例えば、金属製のブレードを有するプロペラにも本発明のモニタリング方法は適用可能である。
　なお、図２において、舶用プロペラ３の回転方向は、矢印Ｒで示すように反時計方向である。
　各ブレード５には、それぞれ歪みセンサ１１が配置される。歪みセンサ１１は、圧電素子を備えた紐センサである。紐センサは、一本の紐で伸縮、曲げ、捩りなどの変形を感知することができるセンサであり、ポリ乳酸を用いた同軸線型のフレキシブルな張力センサで形成されている。本実施形態においては、複数本の紐センサを歪みセンサ１１として採用することにより、各センサが、伸縮量、曲げ量、捩り量を検知する構成としている。なお、歪みセンサ１１を、複数の紐センサで構成することに限定せず、例えば、一本の紐センサを折り曲げてブレード内の大きな面積をカバーするように配置することも可能である。
　図３に示すように、歪みセンサ１１は、プロペラボス４を支持する軸受部８に設けられた送信部９に接続される
　歪みセンサ１１は、ブレード５の曲げ外力および捩り外力を検出するセンサである。曲げ外力は、舶用プロペラ３の回転において継続的に同一の箇所に作用する外力であり、曲げ外力を最も受けやすい個所がリーディングエッジ（前縁）付近である場合には、歪みセンサ１１をリーディングエッジ近傍に沿わせるように配置する。これにより、３枚のブレード５の曲げ外力がかかりやすい部分における曲げ外力の挙動を監視することができる。
　また、捩り外力を最も受けやすい個所が舶用プロペラ３のトレーリングエッジ（後縁）付近である場合には、歪みセンサ１１を舶用プロペラ３のトレーリングエッジ近傍に沿わせるように配置する。これにより、３枚のブレード５の捩り外力がかかりやすい部分における捩り外力の挙動を監視することができる。
　次に、歪みセンサ１１における各ブレード５の外力と出力の関係について図４および図５に示す。図４は、歪みセンサ１１である紐センサの長さと出力比較の関係を示す図である。図４に示すように、歪みセンサ１１の長さが長いものほど出力電圧は大きくなる。また、図５は同一の試験振幅速度における出力電圧の差の比較を示す図である。図５に示すように、歪みセンサ１１の長さが長いものほど出力電圧は大きくなり、振幅速度に比例して出力電圧が変化することがわかる。
　このように、歪みセンサ１１は、長さを変更できる紐センサであり、紐センサを折り曲げて歪みセンサ１１の位置を適切に配置することができる。また、複数本の紐センサもしくは一本の紐センサを折り曲げてブレード内の広範囲に配置することにより、出力電圧の大きさを変えて感度を調整することが可能である。
　次に、各ブレード５の損傷具合を変更して、試験荷重と出力電圧の関係について図６に示す。
　実施例１は、健全なブレード５が２枚と、損傷が小さいブレード５が１枚、である。実施例２は、健全なブレード５が２枚と、損傷が中程度のブレード５が１枚、である。実施例３は、健全なブレード５が２枚と、損傷が大きいブレード５が１枚、である。実施例４は、損傷が小さいブレード５が１枚と、損傷が中程度のブレード５が１枚と、損傷が大きいブレード５が１枚、である。また比較例として、健全なブレード５が３枚のものを用意した。
　船舶１０の回転数とスラストに基づいて一点荷重に置き換えて、周波数、荷重を変更しながらプロペラボス４に各ブレード５を取り付けた状態で変動荷重を与えた。
　各条件で試験した結果、図６に示すように歪みセンサ１１の出力電圧に差が生じることが確認できた。すなわち、比較例の各最大試験荷重における出力電圧の値に対して、損傷したブレード５を有する実施例１～３の出力電圧の値は、相対的に小さいことがわかる。また、損傷の程度の大きいブレード５を有する実施例３の出力電圧の値は、損傷の程度の小さいブレード５を有する実施例１の出力電圧の値よりも相対的に小さいことがわかる。したがって、ブレード５の損傷の度合いと各最大試験荷重における出力電圧の値には線形的な関係が確認される。
　また、前記電圧に基づいて、中点則を用いて数値積分を行った。時間当たりの電圧の積分値の結果をそれぞれ図７、図８に示す。なお，線形トレンドについては除去した。
　健全なＣＦＲＰで形成された舶用プロペラ３においては、同ブレード５の前縁、後縁でほぼ同様の振動をしていることが認められる。また異なるブレード５においては、振幅や振動数は同じで、回転位置によって位相のみ異なることが認められる。
　一方損傷したブレード５を含むＣＦＲＰで形成された舶用プロペラにおいては、同ブレード５の前縁、後縁でほぼ同様の振動をしていることが認められるが、異なるブレード５においては、振幅が大きく異なることが認められる。健全なブレード５に対して損傷したブレード５は、振幅が最大２倍程度になっている。振幅の差は、損傷によるブレード５の曲げ剛性の低下に起因するものである。
　次に、船体１の各方向の振動周波数に対する加速度解析を行った結果を、図９に示す。船体１の各方向の振動周波数は、船体１に設けられた加速度センサによって計測した船体振動である。図９においては、図６における実施例１から実施例３、および比較例と同様の条件について比較を行った。
　図９に示すように、ブレード５の損傷の程度により、各次数における船体１の各方向の振動周波数で加速度の変化が見られた。詳細には、比較例の各ピークにおける加速度の値に対して、損傷したブレード５を有する実施例１～３の加速度の値は、相対的に大きいことがわかる。また、損傷の程度の大きいブレード５を有する実施例３の加速度の値は、損傷の程度の小さいブレード５を有する実施例１の加速度の値よりも相対的に大きいことがわかる。したがって、損傷の程度が大きくなるにつれて加速度の値が増加する傾向が見られた。また、振動の方向についても、損傷の状態に差があり、船体１の前後方向よりも舶用プロペラ３の円周方向成分の左右方向でより明確な差が見られた。
　また、図１０および図１１に示すように、損傷の度合いによって、プロペラ回転数の二倍にあたる周波数においてパワーに変化が認められる。具体的には、損傷が激しい舶用プロペラ３ほど、プロペラ回転数の二倍にあたる周波数Ｐ２におけるパワースペクトルは大きくなる。したがって、当該プロペラ回転数の二倍にあたる周波数Ｐ２におけるパワースペクトルをモニタリングすることにより、舶用プロペラ３のいずれのブレードが損傷したかを識別することができる。
　また、図１０及び図１１に示すように、舶用プロペラ３の周波数分析において、エンジン振動のピークについても周波数ＰＥに現れる。当該ピークにおけるパワースペクトルをモニタリングすることにより、エンジンの異常の有無を副次的に感知することもできる。
　したがって、周波数解析によって、舶用プロペラ３全体の損傷を把握することができる。たとえば、船体１の各方向の振動周波数に対する加速度解析および、ブレード５の振幅速度変化および振幅変化を解析した結果から、総合的な船舶性能評価を行い、ブレード５の損傷の有無、エンジンの性能低下の有無、船舶の推進抵抗の増加による速度低下の有無を判断することができる。
　また、歪みセンサ１１を紐センサで構成し、各ブレード５に取り付けることにより損傷したブレード５の有無を確認することができる。また、各ブレード５に取り付けられた歪みセンサ１１の各次数における周波数での加速度の変化を計測することにより、損傷の大きさを確認することができる。
　また、歪みセンサ１１を複数配置することにより、ブレード５の損傷個所が特定できるようになる。たとえば、曲げ外力がかかりやすい部分における曲げ外力の挙動を監視することができる。また、捩り外力がかかりやすい部分における捩り外力の挙動を監視することができる。
　また、歪みセンサ１１で各ブレード５の荷重状態を把握することも可能である。このように構成することにより、舶用プロペラ３の性能推定が可能となる。
　また、歪みセンサ１１は、圧電素子タイプのものに限定されるものではない。例えば、ＦＢＧセンサや、半導体ひずみゲージ、も含まれる。
　また、船舶１０のエンジン２０の回転数および船舶１０の速度と併せて、舶用プロペラ３の周波数をリアルタイムで検知することにより、航行時における船舶１０の性能を複合的に評価することができる。
　例えば、図１１に示すように、制御装置２１に接続されるセンサとして、エンジン回転数センサ２２、船舶速度センサ２３が挙げられる。船舶速度センサ２２は、例えば船舶１０の対地速度を検出するＧＰＳまたはＧＮＳＳであり、また、対水速度を検出するスピードログである。
　エンジン回転数センサ２２は、内燃機関であるエンジン２０の回転数を検出するセンサである。また、船舶速度センサ２３はリアルタイムで船舶１０の速度をモニタリングするセンサである。
　図１２に示すように船舶１０のモニタリングにおいては、歪みセンサ１１によって歪みを検出する第一のステップＳ１０と、船舶１０の速度を検出するステップＳ２０と、エンジン２０の回転数を検出するステップＳ３０と、を備え、船舶速度、およびエンジン２０の回転数の少なくとも一つが所定値よりも低下した場合に、各ブレード５の歪みの変化量は、所定の値を超えているか否かを判断するステップＳ４０とを備える。
　ステップＳ１０においては、歪みセンサ１１によって、上記のように振幅を計測し制御装置に送信する。制御装置２１において周波数分析もおこなわれることにより、舶用プロペラ３のリアルタイムの損傷状態や性能評価が行われる。
　ステップＳ２０においては、エンジン回転数が制御装置２１に送信されることによりエンジン２０のリアルタイムの性能評価が行われる。ステップＳ３０においては、船舶速度の変化が制御装置２１にリアルタイムに送信される。
　そしてステップＳ４０において、船舶１０の性能評価が行われる。図１３において、性能評価の一例を示す。
　まず、船舶速度が所定値ｖ１よりも低いか否かについて判断する（ステップＳ４０１）。ステップＳ４０１において、所定値ｖ１以上である場合には再びモニタリングフローに戻る。
　ステップＳ４０１において、船舶速度が所定値ｖ１よりも低い場合には、エンジン回転数が所定値Ｓ１よりも大きいか否かについて判断する（ステップＳ４０２）。ステップＳ４０２において、所定値Ｓ１以下である場合には、エンジン２０に何らかの異常が発生しているものとして、報知手段３１によって操船者に報知する（ステップＳ４１１）。
　また、ステップＳ４０２において、所定値Ｓ１よりも大きい場合には、歪みセンサ１１の振幅が所定値よりも大きいブレード５があるか否かについて判断する（ステップＳ４０３）。歪みセンサ１１の振幅が所定値よりも大きいブレード５がある場合には、周波数分析の結果から、損傷したブレード５を特定し、報知手段３１によって操船者に報知する（ステップＳ４１１）。
　また、上記船舶１０の性能評価において、さらに、ブレード５の画像を撮像して損傷状態をモニタリングする方法を採用してもよい。
　例えば、図１５に示すように、舶用プロペラ３のブレード５の損傷状態を画像認識するイメージセンサ３１を設ける。イメージセンサ３１は、航走中のブレード５の動画データを撮像する撮像装置である。イメージセンサ３１は、軸受部８のロータ内部に格納されており、軸受部８後方にあるウィンドウ３１ａを通して所定のブレード５のバック面側翼面の動画撮影を行うものである。所定のブレード５のバック面側翼面の表面には撮影位置を把握するための升目状のラインと番号が示されている。また、所定のブレード５には、水の流れを可視化するための紐３５が前縁エッジ部分に取り付けられている。
　図１５に示されるイメージセンサ３１を用いて、水中無線通信試験を実施した。試験は停止状態から撮影を開始し、プロペラ回転数を規定回転数まで上げ、安定したところで３０秒間保持し、その後停船させた。
　イメージセンサ３１から送信されるデータ容量は大きいため、軸受部８の内部に取得データを一時保存する図示せぬ保存装置を設け、保存装置内にデータを一時格納して、航走試験後に海上で水中無線通信によるデータ取得を実施した。
　図１６に航走試験中にイメージセンサ３１で撮影した動画のキャプチャを示す。ブレード５の中央の領域を明瞭に捉えており、流れ可視化のため設置した紐３５が舶用プロペラ３の回転により位置が変動していることをイメージセンサ３１により確認することができた。
　このように構成することにより、船舶速度、およびエンジン２０の回転数の少なくとも一つが所定値よりも低下した場合において、その原因が舶用プロペラ３の各ブレード５の損傷に起因するものであるか否かを判断することができ、航行中であっても、舶用プロペラ３の性能低下の有無を判断することができる。
　本発明は、複数のブレードを有し、船舶を駆動するプロペラを有する船舶のモニタリング方法および船舶のモニタリング方法を行う船舶のモニタリング装置に利用可能である。
　１　　船体
　２　　船尾
　３　　舶用プロペラ
　５　　ブレード
　１１　　歪みセンサ
　２１　　制御装置
　２２　　エンジン回転数センサ
　２３　　船舶速度センサ?

Claims (6)

  1. 　船舶を駆動するプロペラを有し、
    　前記プロペラは、複数のブレードを有する、
    　船舶のモニタリング方法であって、
    　前記各ブレードに歪みセンサを取り付け、
    　前記歪みセンサによって歪みを検出するステップを備え、
    　前記ステップにおいて、各ブレードに取り付けられた前記歪みセンサによって検出された検出値からリアルタイムで各ブレードの損傷の有無を検知する、
    　船舶のモニタリング方法。
  2. 　前記船舶の速度を検出するステップと、
    　前記エンジンの回転数を検出するステップと、をさらに備え、
    　前記船舶速度、およびエンジンの回転数の少なくとも一つが所定値よりも低下した場合に、
    　前記各ブレードの歪みの変化量は、所定の値を超えているか否かを判断するステップと、を備える、
    　請求項１に記載の船舶のモニタリング方法。
  3. 　歪みセンサによって検出された各ブレードの歪みの変化量を相互に比較して、所定の値の範囲外であるか否かを判断するステップをさらに備える、
    　請求項１または２に記載の船舶のモニタリング方法。
  4. 　前記歪みセンサは、プロペラの曲げの成分が支配的な個所に取り付けられる、
    　請求項１または２に記載の船舶のモニタリング方法。
  5. 　前記歪みセンサは、プロペラの捩りの成分が支配的な個所に取り付けられる、
    　請求項１または２に記載の船舶のモニタリング方法。
  6. 　請求項１または２に記載の船舶のモニタリング方法を行う船舶のモニタリング装置であって、
    　前記歪みセンサは、紐センサで構成される、
    　船舶のモニタリング装置。
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US20090048726A1 (en) * 2007-08-14 2009-02-19 Lofall Marine Systems, Llc Vessel performance monitoring system and method
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