(57)【要約】【課題】エンジンの励振により中間軸に生じるねじり振動がもたらす応力を制御できる中間軸を提供する。【解決手段】舶用推進システム、特に、中間軸（５）を介してプロペラ軸（６）に接続された大型２サイクル内燃機関（４）を有する舶用推進システムのための中間軸（５）を提供する。中間軸（５）の少なくとも一部は、中間軸の縦軸を中心に回転対称形状に配設され、且つ該縦軸と平行に伸びる複数の部材（１６）から形成される。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大型２サイクル内燃機関（４）を荷重（７）、特に、プロペラ軸（６）に接続する中間軸（５）であって、エンジン（４）と接続された一方の端（１０）から荷重（７）と接続された他方の端（１１）へ縦軸に沿って伸び、少なくとも長さの一部にわたって、中間軸（５）の縦軸を中心に回転対称に配設されて該縦軸と平行に伸びる複数の部材（１６）から構成されていることを特徴とする中間軸。
【請求項２】
前記複数の部材（１６）は円弧状の断面を有し、該円弧は、好適には該部材（１６）と縦軸（５）との間の距離に実質的に等しい半径を有することを特徴とする、請求項１に記載の中間軸。
【請求項３】
前記部材（１６）の円弧状の断面は、該部材を含む仮想円に実質的に沿って伸びており、部材（１６）同士は比較的狭いスリットによって分割されていることを特徴とする請求項１または２に記載の中間軸。
【請求項４】
応力レベルを低減させるために、中間軸（５）の直径をスリットの端部で増加させたことを特徴とする請求項３に記載の中間軸。
【請求項５】
応力レベルを低減させるために、軸材の半径方向の厚みをスリットの端部で増加させたことを特徴とする請求項３または４に記載の中間軸。
【請求項６】
応力レベルを低減させるために、スリットの端部の半径（１７）を大きくしたことを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の中間軸。
【請求項７】
中間軸は長さに沿って複数の部材（１６）から構成された個所を複数有し、該複数の部材から構成された個所の間には、支持ベアリングと係合するための管状または円筒状の部分（１３）を有することを特徴とする請求項１ないし６に記載の中間軸。
【請求項８】
中間軸の両端（１０，１１）は管状または円筒状で、複数の部材（１６）により形成された当該軸の部分より大きな直径を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の中間軸。
【請求項９】
部材間の空隙の少なくとも１部には、減衰材、好適には加硫人造ゴムまたは天然ゴムを充填したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の中間軸。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、舶用推進システムの中間駆動軸に関し、特に、中間軸を介してプロペラ軸に接続する大型２サイクル内燃機関を有する舶用推進システムの中間駆動軸に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明による中間軸は、エンジンによる励振によって中間軸に生じる共振ねじり振動がもたらす応力の制御を改善するために設計されたものである。一次的な励振は、燃焼圧、および回転質量と往復質量の慣性力から生じるモーメントによって生じるものである。これらの力はエンジンの特徴である。最近は、特定の燃料消費低減のために、平均指示圧力を高く、最大連続運転速度を小さくする傾向がある。これら傾向はすべて、励振モーメントの増大と、単一ノードのねじり共振速度の増大に繋がる。これら問題は、固定ピッチプロペラおよび可変ピッチプロペラ双方に発生する。
【０００３】
また別の傾向として、エンジンの位置を船尾に近づけることにより、中間軸の長さを短くすることが挙げられる。他のすべてのパラメータが同じであれば、これは共振速度をさらに増大させ、システム全体の減衰をさらに低下させることになる。
【０００４】
調整用ホイール、機械式ダンパ（ねじり振動ダンパ（Ｔ／Ｖダンパ））、臨界エンジン速度におけるエンジンとの相互作用（シリンダの減圧）、禁止回転数範囲の設定、および中間軸の長さを延ばすためのエンジンの前方移動など、ねじり共振の問題を制御する様々な方法が既知である。これらの解決法にはそれぞれ欠点があり、コスト高である、扱いづらい、およびエンジン設備の重量および容積が大きくなりすぎるといった問題を有している。ねじり共振の基本概念は、例えば、本出願人のウェブサイトｗｗｗ．ｍａｎｂｗ．ｃｏｍで参照することができる、本出願人による冊子、Ｌ．  ＢｒｙｎｄｕｍおよびＳ．  Ｂ．  Ｊａｃｏｂｓｅｎによる「２サイクル低速ディーゼルエンジンの振動特性」第２版、１９８８年（”Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ  Ｌｏｗ  Ｓｐｅｅｄ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅｓ”，  ２ｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，  １９８８，  ｂｙ  Ｌ．  Ｂｒｙｎｄｕｍ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｂ．  Ｊａｃｏｂｓｅｎ）に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段】
このような背景に鑑み、本発明は、上述の問題を解決するか、少なくとも緩和する中間軸を提供することを目的とする。この目的は、請求項１に従って、大型２サイクル内燃機関を荷重、特に、プロペラ軸に接続する中間軸を提供することにより達成されるが、当該中間軸は、エンジンと接続する一方の端から荷重と接続する他方の端へ縦軸に沿って伸びており、両端の間の少なくとも一部は、中間軸の縦軸を中心に回転対称に配設されると共に該縦軸と平行に伸びる複数の部材から構成される。
【０００６】
複数の部材からなる部分はモーメントに対する剛性が低く、そのため中間軸の総ねじり変形性は増大する。ねじり変形性が小さい程、システムの総減衰率が増大し、共振が起こるエンジン回転数が低下する。どちらの特性も、共振ねじり振動により生じる応力の制御にとっては有利に働く。
【０００７】
本発明によるねじりに対する柔軟性を有する中間軸により、軸の長さを伸ばすためにエンジンを前方に移動させることなく、例えば、高価なＴ／Ｖダンパを必要としない、および／または、禁止回転数範囲をより利便性の高いエンジン回転数範囲へ移すことができる、または完全に排除することができるなど、他の方法では実現不可能ないくつかの設計が可能になる。これら効果は互いに密接に関連しているので、組み合わせることも可能である。
【０００８】
従来型の中間軸は、エンジンが稼動している間に加わる静的および動的モーメントに対処できるような大きさの、塊状の鋼材からなる。しかしながら、軸の直径を低減して高品質の鋼に切り換えることでねじり変形性を増大させる一方、必要な強度を維持することは、複数の船級団体が軸材に課している最大許容応力を考えると実現可能な解決法ではない。（船級：船体の全ての主要部分および付属部分の構造的強度と、推進システムおよびカジ取りシステム、ならびに船内の基本状態を確立し、維持するために船内に備えられたその他機能および補助システムの安全性と信頼性を定める規則であり、船に保険を掛ける際に満たしていなければならない基準。）
【０００９】
中間軸はまた、プロペラが発生する非常に大きな推力に曝されるので、直径を小さくした中実の中間軸は振れ回り（ｗｈｉｒｌｉｎｇ）を生じるという問題が発生する。
【００１０】
前記複数の部材は円弧状の断面を有してもよく、そのような円弧は部材と中間軸の縦軸との距離にほぼ等しい半径を有するのが好ましい。これにより、管状材料を機械加工により開口することで軸を形成することが可能になる。閉じた管状形状に機械加工で開口を設けることにより、中間軸のねじり変形性が大きく向上する。当該部材の円弧状の断面は、該部材を含む仮想円に実質的に沿って伸びるので、部材同士は比較的狭いスリットによって分割されているだけであるのが好ましい。こうすることによって、管状の部材に比較的狭いスリットを機械加工することにで軸を製造することができる。
【００１１】
応力レベルを低減するために、スリットの端部で中間軸の直径を増加させることができる。スリット端部における応力レベルは、軸材の半径方向の厚みを部分的に増加させることによりさらに低減させることができる。さらに応力レベルを低減するために、スリット端部に半径を増大させた丸みを与えることができる。
【００１２】
中間軸は、長さに沿って複数の部材から構成された個所を複数有し、該複数の部材から構成された個所の間は、管状または円筒状であってもよい。管状または円筒状の部分には支持ベアリングと係合する機能を有し、これにより、振れ回りを防ぐために、中間軸の全長の中に付加的にベアリングを設けることができる。
【００１３】
中間軸の両端は、管状または円筒状で、複数の部材により構成された当該軸の部分より大きな直径を有するのが好ましい。
【００１４】
本発明による中間軸の他の目的、機能、利点および特徴を明らかにするため、以下に詳細な説明を行う。
【００１５】
本明細書の以下の詳述部分では、添付図に示す例示的実施例を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
図１は、貨物室２および機関室３を有する従来型の船舶の船体１を示している。クロスヘッド式の大型５シリンダ２サイクルエンジン４が、機関室３を貨物室２から隔てる壁のすぐ後ろに設置されている。
【００１７】
中実で、比較的長い中間軸５が、エンジン４のアウトプットシャフトと、プロペラ７を駆動するプロペラ軸６を接続している。中間軸はその長さが大きいために比較的大きなねじり変形性を有する。ねじり共振により中間軸に過剰な応力が加わることは、この形式の舶用駆動部ではまれである。
【００１８】
図２は、本発明の実施例による、貨物室２および機関室３を有する船舶の船体１を示している。機関室３は図１の例よりもはるかに短いので、他のパラメータがすべて同一とすると、貨物室２を広く取ることができる。
【００１９】
クロスヘッド式の大型５シリンダ２サイクルエンジン４が、機関室３を貨物室２から隔てる壁のすぐ後ろに設置されている。本発明の好適な実施例による比較的短い中間軸５が、機関室のアウトプットシャフトと、プロペラ７を駆動するプロペラ軸６を接続している。シリンダの数が少ないために、エンジン出力によるねじり励振が比較的大きくなる。この影響はしかし、中間軸５のねじり変形性が比較的大きいために相殺される。
【００２０】
図３ないし５には、当該中間軸をさらに詳細に示した。中空の中間軸は、エンジン４と接続された一方の端１０と、プロペラ軸６と接続された他方の端１１の間に伸びている。本実施例による中間軸５は、中間軸の中央で接続された２つの同一の部分１２を備えている。各部分１２は、外径が大きな２つの端部１３、外径が小さな中央部１４、および端部と中央部の間の２つのテーパ部１５を備える。テーパ部の外形は一方の端では端部の外径と合致し、他方の端では中央部の外径と合致する。中間軸５は単一部材からなる管状材料を機械加工して製造するのが好ましい。一方の端１０および他方の端１１の端部１３は、エンジン４またはプロペラ軸６に接続するのに適している。軸の中央に位置する端部１３は、中間軸５の振れ回りを防ぐための支持ベアリング（図示しない）と係合するのに適している。
【００２１】
各部分１２には、機械加工により縦に伸びる４つのスリット９が設けられる。スリット９は、それぞれの部分１２において、１つの端部１３からテーパ部１５と中央部１４を通って反対側の端部１３に伸びる。したがって、端部１３は、円弧状の断面を有する回転対称形状の４つの部材１６により効果的に接続されている。
【００２２】
スリット９は閉じた管状形状を開口させ、ねじれに対するたわみ性を向上させて、中間軸５の応力に対するたわみの比率を増大させる。
【００２３】
中間軸が直線状の管状材料にスリットを設けた構造を有していると、ねじれ付加がかかると中間軸５の変形に伴うスリット端部の応力レベルが高くなる。この応力レベルを低減するために３つの手段が講じられている。第一に、スリット９の端部、つまり端部１３における中間軸５の直径を広げ、スリット９の端部の応力を小さくする。第二に、スリット９の端部、つまり端部１３における材料の厚みを増加させる。第三に、図４に最もよく示すように、スリット９端部の半径１７を広げ、且つ非対称にすることにより、軸材の応力レベルを低減する。半径１７は、静的トルクと動的トルク両方を考慮して非対称にされている。
【００２４】
本実施例による中間軸５のねじり変形性は、同じ長さの中実ロッドからなる従来型の中間軸と比較して、同一の最大応力レベルについて比較すると、２から３倍大きい。
【００２５】
別の好適な実施例によると、製造を容易にして製造コストを削減するために、中間軸の内径は軸の全長にわたってほぼ一定である（図示しない）。
【００２６】
さらに別の実施例（図示しない）によると、ねじり振動に対する中間軸の減衰能力を増大させるためにスリットに加硫ゴムを詰める。
【００２７】
本発明による中間軸を複数の異なるエンジンプラント設計例で使用した場合を、図６ないし９に示す。
【００２８】
各エンジンプラントの設計は、下記に挙げるような互いに関連し合う多数の要素を考慮して個体ごとに設計されている。
−  禁止回転数範囲は許容できるものか？
−  高価なＴ／Ｖダンパの費用は賄えるか？
−  重量および容積制限他。
【００２９】
図６ないし１０は、それぞれ対応するエンジンプラント設計について、コンピュータシミュレーションによりエンジン回転数に対する中間軸の最大ねじり応力レベルを計算した結果をグラフに示したものである。グラフは、船級団体「デット  ノルスケ  ベリタス（Ｄｅｔ  Ｎｏｒｓｋｅ  Ｖｅｒｉｔａｓ）」の定義による、連続最大出力（ＭＣＲ）と回転数に依存する２つの応力限界を示すものである。第一の限界２５は、短期間のみ、つまり禁止回転数範囲を通過するときのみ超えることが許される限界である。第二の限界２６は、決して超えてはならない限界である。
【００３０】
第一の例では、エンジンプラントは、回転数が１０５ＲＰＭ、ＭＣＲが１０，２００ｋＷである、内径６００ｍｍおよび工程２，２９２ｍｍの５シリンダエンジンを具備する。当該エンジンはＴ／Ｖダンパを備え、従来型の中間軸（すなわち中実の中間軸）を介して１０，２００ｋＷのプロペラに接続している。
【００３１】
図６に示すように、第一例では、中間軸のねじり応力は５０から６１ＲＰＭの間で第一の応力限界２５を超える。（高価な）Ｔ／Ｖダンパを備えているにもかかわらず、このエンジンプラント設計が船級団体の承認を得られるのは、５０から６１ＲＰＭの回転数範囲が禁止されている場合のみである。
【００３２】
第二例では、同一のエンジンおよびプロペラを使用するが、中間軸を従来型のものから本発明による中間軸に替えてＴ／Ｖダンパを削除している。
【００３３】
図７に示すように、第二例では、中間軸のねじり応力は３４から４２ＲＰＭの間で第一の応力限界２５を超える。このエンジンプラント設計が船級団体の承認を得られるのは、３４から４２ＲＰＭの回転数範囲が禁止されている場合のみである。しかしながら、禁止回転数範囲が低いＲＰＭレベルに設定できることは望ましいと考えられる。よって、本発明による中間軸を、それよりもずっと高価なＴ／Ｖダンパの替わりに使用することにより、より望ましくコストの低いエンジンプラント設計を達成することができる。
【００３４】
第三例でも、同一のエンジンおよびプロペラを使用するが、本発明による中間軸のスリットに加硫ゴムを詰めている。ゴムの変形によりねじり振動エネルギーの一部が逸散する。図８に示すように、第三例では、中間軸のねじり応力は第一の限界２５を超えない。このエンジンプラント設計は、禁止回転数範囲なしで船級団体の承認を受けることができる。
【００３５】
第四の例では、エンジンプラントは、回転数が９１ＲＰＭ、ＭＣＲが１４，０５０ｋＷである、内径７００ｍｍおよび工程２，６７４ｍｍの５シリンダエンジンを具備する。当該エンジンは調整用のホイールを備え、従来型の中間軸（すなわち中実の中間軸）を介して１４，０５０ｋＷのプロペラに接続している。
【００３６】
図９に示すように、第四例では、中間軸のねじり応力は３８．５から４６．６ＲＰＭの間で第一の応力限界２５を超える。調整用ホイールがあるにもかかわらず、このエンジンプラント設計が船級団体の承認を得られるのは、３８．５から４６．６ＲＰＭの回転数範囲が禁止されている場合のみである。
【００３７】
第五例では、第四例と同一のエンジンおよびプロペラを使用するが、中間軸を従来型のものから本発明による中間軸に替えて調整用ホイールを削除している。
【００３８】
図１０に示すように、中間軸のねじり応力は第一の限界２５を超えない。このエンジンプラント設計は、禁止回転数範囲なしで船級団体の承認を受けることができる。よって、本発明による中間軸を、重量の大きい調整用ホイールの替わりに使用することにより、より望ましく重量の小さいエンジンプラント設計を達成することができる。
【００３９】
上述では本発明を例示の目的で詳述したが、そのような詳細は例示を目的とするのみであり、本発明の範囲を逸脱することなく当業者が変形を加えることは可能であることを理解されたい。
【００４０】
例えば、中間軸のねじり変形性を有する部分は、必ずしも管状材料にスリットを設けることにより製造する必要はない。例えば、互いに平行に伸びて端部で相互に接続される鋼材からなる複数のストリップから形成することができる。
【００４１】
このように、本発明による装置および方法の好適な実施例を複数の設計状況に関連して説明したが、それらは本発明の理念の例示にすぎない。請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施例および構成を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の中間軸を備える先行技術による舶用駆動システムを示す。
【図２】本発明による中間軸を備える舶用駆動システムを示す。
【図３】本発明の好適な実施例による中間軸の拡大図である。
【図４】図３の中間軸の１部分の全長に亘る断面図である。
【図５】図３の中間軸の断面図である。
【図６】従来型の中間軸とＴ／Ｖダンパを用いた舶用駆動システムにおける、エンジン回転数に対するねじり応力を示すグラフである。
【図７】本発明による中間軸を用いた舶用駆動システムにおける、エンジン回転数に対するねじり応力を示すグラフである。
【図８】スリットに加硫ゴムを詰めた本発明による中間軸を用いた舶用駆動システムにおける、エンジン回転数に対するねじり応力を示すグラフである。
【図９】従来型の中間軸と調整用ホイールを用いた舶用駆動における、エンジン回転数に対するねじり応力を示すグラフである。
【図１０】本発明による中間軸を用いた舶用駆動システムにおける、エンジン回転数に対するねじり応力を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004251313.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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