(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンと推進器とを連結する推進軸に接続された軸発電機を備える船舶に搭載される舶用推進システムであって、
前記蒸気タービンに蒸気を供給する供給配管に設けられ、蒸気の供給量を制御する制御弁と、
前記制御弁の操作量を決定する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記推進器の実回転数を推進器の回転数指令に一致させるための第１操作量を算出する第１演算手段と、
船内の負荷状況から決定される軸発電機出力指令値に基づいて、第２操作量を算出する第２演算手段と、
前記第１操作量及び前記第２操作量を加算して第３操作量を得る加算手段と
を備え、
前記第３操作量に基づいて前記制御弁を制御する舶用推進システム。
【請求項２】
前記第２演算手段は、
前記軸発電機出力指令から軸発電機へのタービン出力を推定する手段と、
軸発電機へのタービン出力と第２操作量とが関連付けられた情報を予め保有しており、推定された前記軸発電機へのタービン出力に対応する第２操作量を取得する手段と
を具備する請求項１に記載の舶用推進システム。
【請求項３】
前記第２演算手段は、
前回の前記第３操作量を用いて前回のタービン出力を推定する手段と、
前回の前記軸発電機出力指令を用いて、前回の軸発電機へのタービン出力を推定する手段と、
推定された前記前回のタービン出力から推定された前記前回の軸発電機へのタービン出力を減算することにより、前回の推進器へのタービン出力を算出する手段と、
今回の前記第１操作量に未知数の前記第２操作量を加えた第３操作量を用いて、今回のタービン出力を推定する手段と、
今回の前記軸発電機出力指令を用いて、今回の軸発電機へのタービン出力を推定する手段と、
推定された前記今回のタービン出力から推定された前記今回の軸発電機へのタービン出力を減算することにより、今回の推進器へのタービン出力を算出する手段と、
前記前回の推進器へのタービン出力と前記今回の推進器へのタービン出力との差分が船速に応じて決定される所定の値となるような前記未知数の第２操作量を算出する手段と
を具備する請求項１に記載の舶用推進システム。
【請求項４】
前記推進器の回転数指令が８０％以下の領域、または、前記軸発電機出力指令の変動幅をタービン出力で除算した値が０．０１よりも大きい場合において、前記第２演算手段は前記第２操作量を出力する請求項１から請求項３のいずれかに記載の舶用推進システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の舶用推進システムを備える船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舶用推進システム及びそれを備えた船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、主機とプロペラとを推進軸で連結し、推進軸に軸発電機を接続した舶用推進システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような舶用推進システムを備える船舶において、軸発電機による発電電力は、船内周波数に変換されて船内電源系統に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示される船舶では、軸発電機の負荷変動の影響を主機が受け、船速が変動し、乗り心地が悪化するという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、軸発電機の負荷変動による船速への影響を小さくすることのできる舶用推進システム及びそれを備えた船舶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、蒸気タービンと推進器とを連結する推進軸に接続された軸発電機を備える船舶に搭載される舶用推進システムであって、前記蒸気タービンに蒸気を供給する供給配管に設けられ、蒸気の供給量を制御する制御弁と、前記制御弁の操作量を決定する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記推進器の実回転数を推進器の回転数指令に一致させるための第１操作量を算出する第１演算手段と、船内の負荷状況から決定される軸発電機出力指令値に基づいて、第２操作量を算出する第２演算手段と、前記第１操作量及び前記第２操作量を加算して第３操作量を得る加算手段とを備え、前記第３操作量に基づいて前記制御弁を制御する舶用推進システムを提供する。
【０００７】
本発明によれば、船内の負荷状況から決定される軸発電機出力指令に基づいて第２操作量を求め、この第２操作量を制御弁の開度制御に加えるので、軸発電機の負荷変動に応じた蒸気量を船速変動に先行して蒸気タービンに供給することが可能となる。これにより、タービン出力を先行的に操作することができ、軸発電機の負荷変動に対して船速制御を速やかに追従させることができる。この結果、軸発電機の負荷が急激に変動した場合であってもそれによる船速の変動を抑制することができ、航行の安定性を向上させることができる。
【０００８】
上記舶用推進システムにおいて、前記第２演算手段は、前記軸発電機出力指令から軸発電機へのタービン出力を推定する手段と、軸発電機へのタービン出力と第２操作量とが関連付けられた情報を予め保有しており、推定された前記軸発電機へのタービン出力に対応する第２操作量を取得する手段とを具備していてもよい。
【０００９】
このような構成によれば、船内の負荷状況から決定される軸発電機出力指令に基づいて軸発電機へのタービン出力を推定し、この軸発電機へのタービン出力に相当する蒸気量を供給するための第２操作量を、予め保有している軸発電機へのタービン出力と第２操作量とが関連付けられた情報から取得する。したがって、第２操作量を容易に求めることができる。
【００１０】
上記舶用推進システムにおいて、前記第２演算手段は、前回の前記第３操作量を用いて前回のタービン出力を推定する手段と、前回の前記軸発電機出力指令を用いて、前回の軸発電機へのタービン出力を推定する手段と、推定された前記前回のタービン出力から推定された前記前回の軸発電機へのタービン出力を減算することにより、前回の推進器へのタービン出力を算出する手段と、今回の前記第１操作量に未知数の前記第２操作量を加えた第３操作量を用いて、今回のタービン出力を推定する手段と、今回の前記軸発電機出力指令を用いて、今回の軸発電機へのタービン出力を推定する手段と、推定された前記今回のタービン出力から推定された前記今回の軸発電機へのタービン出力を減算することにより、今回の推進器へのタービン出力を算出する手段と、前記前回の推進器へのタービン出力と前記今回の推進器へのタービン出力との差分が船速に応じて決定される所定の値となるような前記未知数の第２操作量を算出する手段とを備えていてもよい。
【００１１】
このような構成によれば、前回の推進器へのタービン出力を求めるとともに、第２操作量を未知数として今回の推進器へのタービン出力を求め、前回の推進器へのタービン出力と今回の推進器へのタービン出力との差分が船速に応じた所定の値になるような第２操作量を求める。このように、軸発電機へのタービン出力に相当する動力を得るための第２操作量を未知数として用いた方程式を解くことにより第２操作量を得るので、容易に第２操作量を得ることができる。
【００１２】
上記舶用推進システムにおいて、前記推進器の回転数指令が８０％以下の領域、または、前記軸発電機出力指令の変動幅をタービン出力で除算した値が０．０１よりも大きい場合において、前記第２演算手段は前記第２操作量を出力するようにしてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、推進器の回転数指令が８０％以下の領域、または、軸発電機出力指令の変動幅をタービン出力で除算した値が０．０１よりも大きい場合に限って、第２演算手段が第２操作量を出力するので、第２演算手段の処理負担を軽減することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記いずれかの舶用推進システムを備える船舶を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軸発電機の負荷変動による船速への影響を小さくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る舶用推進システムの概略構成を示した図である。
【図２】図１に示した制御装置の概略構成を示した制御ブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る舶用推進システムが備える制御装置の概略構成を示した制御ブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る舶用推進システムが備える制御装置の概略構成を示した制御ブロック図である。
【図５】図４に示した第２演算部の内部構成を示した図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る舶用推進システムが備える制御装置の概略構成を示した制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る舶用推進システム及びそれを備えた船舶の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る舶用推進システムの概略構成を示した図である。図１に示すように、舶用推進システム１０は、ボイラ１と、ボイラ１から供給される蒸気によって回転させられる蒸気タービン（主機）２と、ボイラ１から蒸気タービンに蒸気を供給する供給配管に設けられた制御弁３と、制御弁３の開度を操作する調速装置（ガバナ）４と、蒸気タービン２の回転動力によって駆動させられるプロペラ（推進器）５と、蒸気タービン２とプロペラ５とを連結する推進軸に接続された軸発電機６と、調速装置４を制御することにより蒸気タービン２に供給される蒸気量を調整し、蒸気タービン出力を制御する制御装置７とを主な構成として備えている。また、軸発電機６は、パワーマネジメントシステム８により制御される。
【００１９】
制御装置７は、図２に示すように、プロペラの実回転数をプロペラ回転数指令に一致させるための第１操作量Ｖ１を算出する第１演算部１１と、船内の負荷状況から決定される軸発電機出力指令に基づいて、第２操作量Ｖ２を算出する第２演算部１２と、第１演算部１１から出力された第１操作量Ｖ１と第２演算部１２から出力された第２操作量Ｖ２を加算して第３操作量Ｖ３を得る加算器１３とを備えている。
【００２０】
第１演算部１１は、プロペラ回転数指令とプロペラの実回転数との差分を算出する減算器２１と、減算器２１の結果から第１操作量を得る制御器２２とを備えている。制御器２２は、例えば、ＰＩＤ制御器である。
【００２１】
第２演算部１２は、第１処理部２３と、第２処理部２４とを備えている。第１処理部２３は、軸発電機出力指令を軸発電機効率で除算することにより、軸発電機へのタービン出力Ｗｇを推定する。第２処理部２４は、軸発電機へのタービン出力Ｗｇと第２操作量Ｖ２とが関連付けられたテーブルを予め保有しており、第１処理部２３によって推定された軸発電機へのタービン出力Ｗｇに対応する第２操作量Ｖ２を取得する。ここで、テーブルは、タービン入口蒸気圧力Ｐｉｎに応じて複数設けられている。第２処理部２４は、タービン入口蒸気圧力Ｐｉｎ及び軸発電機へのタービン出力Ｗｇとが入力されると、入力されたタービン入口蒸気圧力Ｐｉｎに対応するマップから軸発電機へのタービン出力Ｗｇに対応する第２操作量Ｖ２を取得する。マップは、事前に、タービン入口蒸気圧力と調速装置４の操作量とタービン出力との関係をシミュレーションあるいは実際に調べ、この結果から作成される。なお、マップに代えて軸発電機へのタービン出力Ｗｇから第２操作量Ｖ２を算出する演算式をタービン入口蒸気圧力毎に設定しておき、この演算式を用いて第２操作量Ｖ２を得ることとしてもよい。
【００２２】
このような構成を備える舶用推進システム１０においては、実際のタービン出力からプロペラの実回転数が推定され、推定されたプロペラの実回転数とプロペラ回転数指令とが第１演算部１１に入力される。第１演算部１１では、実回転数とプロペラ回転数指令との差分が減算器２１にて算出され、この差分が制御器２２に入力されることにより第１操作量Ｖ１が得られる。
また、船内の電力を制御するパワーマネジメントシステム８から出力される軸発電機出力指令が第２演算部１２の第１処理部２３に入力され、この軸発電機出力指令から軸発電機へのタービン出力Ｗｇが推定される。推定された軸発電機へのタービン出力Ｗｇは、タービン入口蒸気圧力Ｐｉｎとともに第２処理部２４に入力され、これら入力情報とテーブルとから第２操作量Ｖ２が得られる。
【００２３】
第１演算部１１によって決定された第１操作量Ｖ１と、第２演算部１２によって決定された第２操作量Ｖ２とは加算器１３により加算され、第３操作量Ｖ３が得られる。第３操作量Ｖ３は図１の調速装置４に送られる。そして、調速装置４が第３操作量Ｖ３に基づいて作動することにより、制御弁３が所定の開度に制御され、この結果、蒸気タービン２に供給される蒸気量が調整されて、船速が制御される。
【００２４】
以上説明してきたように、本実施形態に係る舶用推進システム１０によれば、パワーマネジメントシステム８から与えられる軸発電機出力指令に基づいて軸発電機へのタービン出力Ｗｇを求め、この軸発電機へのタービン出力Ｗｇに相当する第２操作量Ｖ２を制御弁３の開度制御に加えるので、軸発電機の負荷状況が変動することによるタービン出力への影響を事前に把握し、予め蒸気供給量に反映させることができる。すなわち、船速制御の応答性は、軸発電機の制御の応答性に比べて遅いため、実発電機が変動することを軸発電機出力指令から事前に察知し、その変動分に相当する操作量を第２操作量Ｖ２として船速制御に先行して与えることにより、軸発電機の負荷変動に対して船速制御を速やかに追従させることができる。この結果、軸発電機の負荷が急激に変動した場合であってもそれによる船速の変動を抑制することができ、航行の安定性を向上させることができる。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る舶用推進システムについて説明する。本実施形態に係る舶用推進システムは、上述した第１の実施形態に係る舶用推進システム１０において、プロペラ回転数指令が低い領域（例えば、プロペラ回転数指令が８０％以下の領域）、または、軸発電機出力指令の変動幅が大きい領域（例えば、軸発電機出力指令の変動幅をタービン出力で除算した値が０．０１よりも大きい領域）において、第２演算部１２から第２操作量Ｖ２を出力し、それ以外の領域では、第２操作量Ｖ２を出力しない、換言すると、ゼロとする。
【００２６】
例えば、プロペラ回転数指令が高い領域（例えば、プロペラ回転数指令が８０％よりも大きい領域）では、軸発電機の負荷変動がタービン出力に与える影響は微小であることが予想され、航行の安定性にそれほど影響を与えない。また、同様に、軸発電機出力指令の変動幅が微小（例えば、軸発電機出力指令の変動幅をタービン出力で除算した値が０．０１以下の領域）であれば、軸発電機の負荷変動がタービン出力に与える影響は小さいと予想される。そこで、本実施形態では、軸発電機の負荷変動によるタービン出力への影響が小さいと考えられる領域においては、第２演算部１２から出力される第２操作量Ｖ２をゼロとする。
【００２７】
図３は、本実施形態に係る舶用推進システムが備える制御装置の概略構成を示した制御ブロック図である。図３に示した舶用推進システムの制御装置では、第２演算部１２と加算器１３とをつなぐ信号線に切替手段５０を設け、プロペラ回転数指令及び軸発電機出力指令に基づいて切替手段５０をオンオフさせる構成としている。
また、図３では、切替手段５０を設けて、第２演算部１２からの出力信号を機械的にオンオフさせているが、例えば、プロペラ回転数指令が低い領域、または、軸発電機出力指令の変動幅が大きい領域において、第２演算部１２が第２操作量Ｖ２の値をゼロとして出力するようにしてもよい。この場合には、上記条件に合致する場合において、第２演算部１２は第２操作量Ｖ２を算出しなくてもよいため、第２演算部１２の処理負担を軽減させることが可能となる。
【００２８】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る舶用推進システムについて説明する。本実施形態に係る舶用推進システムは、上述した第１の実施形態に係る舶用推進システム１０とほぼ構成を同じくするが、第２演算部１２の構成が異なる。以下、第１の実施形態と異なる部分について主に説明する。
【００２９】
図４は、本実施形態に係る舶用推進システムが備える制御装置の概略構成を示した制御ブロック図、図５は図４に示された第２演算部１２−１の内部構成を示した図である。図４、図５に示すように、第２演算部１２−１は、前回の第３操作量Ｖ３（ｎ−１）を用いて前回のタービン出力Ｗ（ｎ−１）を推定する第３処理部３１と、前回の軸発電機出力指令を用いて、前回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ−１）を推定する第４処理部３２と、推定された前回のタービン出力Ｗ（ｎ−１）から推定された前回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ−１）を減算することにより、前回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ−１）を算出する第５処理部３３と、今回の第１操作量Ｖ１（ｎ）に未知数の第２操作量Ｘを加えた第３操作量Ｖ１（ｎ）＋Ｘを用いて、今回のタービン出力Ｗ（ｎ）を推定する第６処理部３４と、今回の軸発電機出力指令を用いて、今回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ）を推定する第７処理部３５と、推定された今回のタービン出力Ｗ（ｎ）から推定された今回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ）を減算することにより、今回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ）を算出する第８処理部３６と、前回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ−１）と今回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ）との差分が船速に応じて決定される所定の値になるような未知数の第２操作量Ｘを算出する第９処理部３７とを備えている。
【００３０】
より具体的には、図５に示されるように、第３処理部３１は、前回の第３操作量Ｖ３（ｎ−１）と前回のタービン入口蒸気圧力Ｐｉｎ（ｎ−１）とから蒸気流量を推定し、推定した蒸気流量、タービン入口蒸気温度Ｔｉｎ（ｎ−１）、タービン出口蒸気圧力Ｐｏｕｔ（ｎ−１）、タービン出口蒸気温度Ｔｏｕｔ（ｎ−１）、及びタービン効率Ｄｔ（ｎ−１）を入力情報として得、これら入力情報を予め保有している所定の演算式に代入することにより、前回のタービン出力Ｗ（ｎ−１）を算出する。
第４処理部３２は、前回の軸発電機出力指令を軸発電機効率で除算することにより、前回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ−１）を算出する。
第５処理部３３は、第３処理部３１で得られた前回のタービン出力Ｗ（ｎ−１）から第４処理部で得られた前回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ−１）を減算することにより、前回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ−１）を得る。
【００３１】
また、第６処理部３４は、今回の第１操作量Ｖ１（ｎ）に未知数の第２操作量Ｘを加えた今回の第３操作量Ｖ１（ｎ）＋Ｘとタービン入口蒸気圧力Ｐｉｎ（ｎ）とから蒸気流量を推定し、推定した蒸気流量、タービン入口蒸気温度Ｔｉｎ（ｎ）、タービン出口蒸気圧力Ｐｏｕｔ（ｎ）、タービン出口蒸気温度Ｔｏｕｔ（ｎ）、及びタービン効率Ｄｔ（ｎ）を入力情報として得、これら入力情報を予め保有している所定の演算式に代入することにより、今回のタービン出力Ｗ（ｎ）を算出する。
【００３２】
第７処理部３５は、今回の軸発電機出力指令を軸発電機効率で除算することにより、今回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ）を算出する。
第８処理部３６は、第６処理部３４で得られた今回のタービン出力Ｗ（ｎ）から第７処理部３５で得られた今回の軸発電機へのタービン出力Ｗｇ（ｎ）を減算することにより、今回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ）を得る。
【００３３】
第９処理部３７は、第５処理部３３で得られた前回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ−１）と第８処理部３６で得られた今回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ）との差分が船速に基づく所定の値となるような第２操作量Ｘを求める。例えば、船速変化がない場合には、前回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ−１）と今回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ）とが一致するような第２操作量Ｘを求める。また、船速が増加または減少している場合には、前回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ−１）と今回のプロペラへのタービン出力Ｗｐ（ｎ）との差分が船速の増加分または減少分に基づいて設定される所定の値となるような第２操作量Ｘを求める。
【００３４】
第９処理部３７によって求められた第２操作量Ｘは、図４に示すように、加算器１３に出力され、今回の第１操作量Ｖ１（ｎ）に加算されることにより、今回の第３操作量Ｖ３（ｎ）が得られる。第３操作量Ｖ３（ｎ）は、図１の調速装置４に送られる。そして、調速装置４が第３操作量Ｖ３（ｎ）に基づいて作動することにより、制御弁３が所定の開度に制御され、この結果、蒸気タービン２に供給される蒸気量が調整されて、船速が制御される。
【００３５】
以上説明してきたように、本実施形態に係る舶用推進システムによれば、前回のプロペラのタービン出力を求めるとともに、第２操作量を未知数として今回のプロペラのタービン出力を求め、前回のプロペラへのタービン出力と今回のプロペラへのタービン出力との差分が船速に応じた所定の値になるような第２操作量を求める。このように、軸発電機へのタービン出力に相当する動力を得るための第２操作量Ｖ２（ｎ）を未知数として用いた方程式を解くことにより、第２操作量Ｖ２（ｎ）を得るので、容易に第２操作量Ｖ２（ｎ）を得ることができる。
【００３６】
なお、本実施形態において、前回の蒸気流量は入口蒸気圧力と第３操作量Ｖ３とに基づいて推定したが、蒸気の供給配管に流量計が設けられている場合には、流量計によって測定された値を用いることとしてもよい。
【００３７】
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態に係る舶用推進システムについて説明する。本実施形態に係る舶用推進システムは、上述した第３の実施形態に係る舶用推進システムにおいて、プロペラ回転数指令が低い領域（例えば、プロペラ回転数指令が８０％以下の領域）、または、軸発電機出力指令の変動幅が大きい領域（例えば、軸発電機出力指令の変動幅をタービン出力で除算した値が０．０１よりも大きい領域）において、第２演算部１２−１から第２操作量Ｖ２（ｎ）を出力し、それ以外の領域では、第２操作量Ｖ２（ｎ）を出力しない、換言すると、ゼロとする。
【００３８】
図６は、本実施形態に係る舶用推進システムが備える制御装置の概略構成を示した制御ブロック図である。図６に示した舶用推進システムでは、第２演算部１２−１と加算器１３とをつなぐ信号線に切替手段を設け、プロペラ回転数指令及び軸発電機出力指令に基づいて切替手段をオンオフさせる構成としている。
また、図６では、切替手段５０を設けて、第２演算部１２−１からの出力信号を機械的にオンオフさせているが、例えば、プロペラ回転数指令が低い領域、または、軸発電機出力指令の変動幅が大きい領域において、第２演算部１２−１が第２操作量Ｖ２（ｎ）の値をゼロとして出力するようにしてもよい。この場合には、上記条件に合致する場合において、第２演算部１２−１は第２操作量Ｖ２（ｎ）を算出しなくてもよいため、第２演算部１２−１の処理負担を軽減させることが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１  ボイラ
２  蒸気タービン
３  制御弁
４  調速装置
５  プロペラ
６  軸発電機
７  制御装置
１０  舶用推進システム
１１  第１演算部
１２、１２−１  第２演算部
１３  加算器
２３  第１処理部
２４  第２処理部
３１  第３処理部
３２  第４処理部
３３  第５処理部
３４  第６処理部
３５  第７処理部
３６  第８処理部
３７  第９処理部
５０  切替手段
【図１】
0005433539.tif 000002
【図２】
0005433539.tif 000003
【図３】
0005433539.tif 000004
【図４】
0005433539.tif 000005
【図５】
0005433539.tif 000006
【図６】
0005433539.tif 000007