(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォータジェットポンプ（４）を用いて船外から吸入した水を船体後方に噴出して推進するウォータジェット船であって、
ウォータジェットポンプ（４）の目標 回転数ｋを指示する操舵手段（Ｂ）と、
ウォータジェットポンプ（４）の実際のポンプ回転数ｂを検出する回転数センサ（２）と、
キャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊを前記ポンプ回転数ｂに対応して出力するキャビテーション限界回転数出力手段（３Ａ）と、
前記キャビテーション限界回転数ｊと目標回転数ｋとのうち何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして択一的に出力する最小値選択部（１３）と、
前記実用目標回転数ｍと実際のポンプ回転数ｂとに基づいて回転数操作量ｃを生成してウォータジェットポンプ（４）に出力する操作量生成手段（３Ｂ）と、
を具備し、
前記キャビテーション限界回転数出力手段（３Ａ）は、
ポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係を予め記憶し、前記回転数センサ（２）から入力された実際のポンプ回転数ｂに対応する推力ｄを選択的に出力する回転数対推力変換器（５）と、
前記推力ｄから船体抵抗ｅを減算して減算値ｆを算出する減算器（６）と、
前記減算値ｆを船体重量ｇによって除算することにより加速度ｈを算出する除算器（７）と、
前記船体重量ｇを記憶保持する船体重量記憶部（８）と、
前記加速度ｈを積分してウォータジェット船の船速ｉを算出する積分器（９）と、
前記船速ｉと船体抵抗ｅとの関係を予め記憶し、前記積分器（９）から入力された船速ｉに対応する船体抵抗ｅを選択的に出力する船速対船体抵抗変換器（１０）と、
前記船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係を予め記憶し、前記積分器（９）から入力された船速ｉに対応するキャビテーション限界回転数ｊを選択的に出力する船速対キャビテーション限界回転数変換器（１１）とからなるすることを特徴とするウォータジェット船。
【請求項２】
ウォータジェットポンプ（４）を用いて船外から吸入した水を船体後方に噴出して推進するウォータジェット船の推進制御方法であって、
ウォータジェットポンプ（４）の実際のポンプ回転数ｂに応じたキャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊを取得する工程と、
操舵手段（Ｂ）によって指示されたウォータジェットポンプ（４）の目標回転数ｋに対して、前記工程において取得されたキャビテーション限界回転数ｊとウォータジェットポンプ（４）の実際のポンプ回転数ｂとのうち何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして選択する工程と、
前記実用目標回転数ｍとウォータジェットポンプ（４）の実際のポンプ回転数ｂとに基づいて、ウォータジェットポンプ（４）に対する回転数操作量ｃを生成する工程と、からなり、
前記キャビテーション限界回転数ｊを取得する工程は、
予め取得されたポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係に基づいて実際のポンプ回転数ｂに対応する推力ｄを算出する工程と、
前記推力ｄから船体抵抗ｅを減算して減算値ｆを算出する工程と、
前記減算値ｆを予め取得された船体重量ｇによって除算することにより加速度ｈを算出する工程と、
前記加速度ｈを積分してウォータジェット船の船速ｉを算出する工程と、
予め取得された前記船速ｉと船体抵抗ｅとの関係に基づいて前記算出された船速ｉに対応する船体抵抗ｅを算出する工程と、
予め取得された前記船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係に基づいて前記算出された船速ｉに対応するキャビテーション限界回転数ｊを取得する工程と、
からなることを特徴とするウォータジェット船の推進制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォータジェット船及びその推進制御方法に係わり、特にウォータジェット推進時のキャビテーション現象の発生を抑える技術に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ウォータジェット船は、ウォータジェットポンプによって船殻の一部に設けられた吸入ダクトから水あるいは海水を吸入し、該水あるいは海水をジェット水流として船体後方に噴出することにより推進するものである。このようなウォータジェット船は、従来からあるプロペラによる船舶と比較して、エンジンに対する負荷、操船性及び振動（騒音）等の面で優れており、実用範囲が徐々に広がっている。
【０００３】
しかしながら、従来のウォータジェット船では、操船者の判断によってキャビテーション現象の発生を回避していた。すなわち、推進機関であるウォータジェットポンプの出力（すなわち回転数）を操船者の経験と勘に基づいて調節することにより、好ましくないキャビテーション現象の発生を回避していた。しかるに、このような操船環境は操船者に対して負担となるものであると共に、個々の操船者の経験の相違によってウォータジェット船の加速状態にバラツキがでるという問題点を含んでいる。
【０００４】
本発明は、上述した問題点に鑑みて成されたものであり、操船者の経験や勘に頼ることなく、ウォータジェット船におけるキャビテーション現象の発生を回避することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ウォータジェット船に係わる第１の手段として、ウォータジェットポンプを用いて船外から吸入した水を船体後方に噴出して推進するウォータジェット船において、ウォータジェットポンプの目標回転数ｋを指示する操舵手段と、ウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂを検出する回転数センサと、キャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊを前記ポンプ回転数ｂに対応して出力するキャビテーション限界回転数出力手段と、前記キャビテーション限界回転数ｊと目標回転数ｋとのうち何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして択一的に出力する最小値選択部と、前記実用目標回転数ｍと実際のポンプ回転数ｂとに基づいて回転数操作量ｃを生成してウォータジェットポンプに出力する操作量生成手段とを具備する手段を採用する。
【０００６】
また、ウォータジェット船に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、キャビテーション限界回転数出力手段は、ポンプ回転数ｂとキャビテーション限界回転数ｊとの関係を予め記憶し、回転数センサから入力された実際のポンプ回転数ｂに対応するキャビテーション限界回転数ｊを選択的に出力するという手段を採用する。
【０００７】
ウォータジェット船に係わる第３の手段において、上記第１の手段において、キャビテーション限界回転数出力手段は、ポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係を予め記憶し、前記回転数センサから入力された実際のポンプ回転数ｂに対応する推力ｄを選択的に出力する回転数対推力変換器と、前記推力ｄから船体抵抗ｅを減算して減算値ｆを算出する減算器と、前記減算値ｆを船体重量ｇによって除算することにより加速度ｈを算出する除算器と、前記船体重量ｇを記憶保持する船体重量記憶部と、前記加速度ｈを積分してウォータジェット船の船速ｉを算出する積分器と、前記船速ｉと船体抵抗ｅとの関係を予め記憶し、前記積分器から入力された船速ｉに対応する船体抵抗ｅを選択的に出力する船速対船体抵抗変換器と、前記船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係を予め記憶し、前記積分器から入力された船速ｉに対応するキャビテーション限界回転数ｊを選択的に出力する船速対キャビテーション限界回転数変換器とからなるという手段を採用する。
【０００８】
一方、本発明では、ウォータジェット船の推進制御方法に係わる第１の手段として、ウォータジェットポンプを用いて船外から吸入した水を船体後方に噴出して推進するウォータジェット船の推進制御方法において、ウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂに応じたキャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊを取得する工程と、操舵手段によって指示されたウォータジェットポンプの目標回転数ｋに対して、前記工程において取得されたキャビテーション限界回転数ｊとウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂとのうち何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして選択する工程と、前記実用目標回転数ｍとウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂとに基づいてウォータジェットポンプに対する回転数操作量ｃを生成する工程とからなるという手段を採用する。
【０００９】
また、ウォータジェット船の推進制御方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、キャビテーション限界回転数ｊを取得する工程では、予め取得されたウォータジェットポンプのポンプ回転数ｂとキャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊとの関係に基づいて実際のポンプ回転数ｂに対応するキャビテーション限界回転数ｊを取得するという手段を採用する。
【００１０】
ウォータジェット船の推進制御方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、キャビテーション限界回転数ｊを取得する工程は、予め取得されたポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係に基づいて実際のポンプ回転数ｂに対応する推力ｄを算出する工程と、前記推力ｄから船体抵抗ｅを減算して減算値ｆを算出する工程と、前記減算値ｆを予め取得された船体重量ｇによって除算することにより加速度ｈを算出する工程と、前記加速度ｈを積分してウォータジェット船の船速ｉを算出する工程と、予め取得された前記船速ｉと船体抵抗ｅとの関係に基づいて前記算出された船速ｉに対応する船体抵抗ｅを算出する工程と、予め取得された前記船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係に基づいて前記算出された船速ｉに対応するキャビテーション限界回転数ｊを取得する工程とからなるという手段を採用する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わるウォータジェット船及びその推進制御方法の一実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係わるウォータジェット船の推進制御構成を示すブロック図である。この図において、符号１は操舵レバー、２は回転数センサ、３は推進制御装置、４はウォータジェットポンプである。また、推進制御装置３において、符号５は回転数対推力変換器、６は減算器、７は除算器、８は船体重量記憶部、９は積分器、１０は船速対船体抵抗変換器、１１は船速対キャビテーション限界回転数変換器、１２はレバー位置対回転数目標値変換器、１３は最小値選択部、１４は減算器、１５は比例器（増幅器）、１６は積分器、１７は微分器、１８は比例ゲイン記憶部、１９は積分ゲイン記憶部、２０は微分ゲイン記憶部、また２１は加算器である。
【００１３】
上記各構成要素のうち、操舵レバー１及びレバー位置対回転数目標値変換器１２は操舵手段Ｂを構成するものである。また、回転数対推力変換器５、減算器６、除算器７、船体重量記憶部８、積分器９、船速対船体抵抗変換器１０、船速対キャビテーション限界回転数変換器１１は、キャビテーション限界回転数出力手段３Ａを構成するものである。さらに、減算器１４、比例器１５、積分器１６、微分器１７、比例ゲイン記憶部１８、積分ゲイン記憶部１９、微分ゲイン記憶部２０及び加算器２１は、操作量生成手段３Ｂを構成するものである。
【００１４】
操舵レバー１は、当該ウォータジェット船の操舵室に備えられ、そのレバー操作位置ａを推進制御装置３に出力するものである。回転数センサ２は、ウォータジェットポンプのポンプ回転数ｂ（ｒｐｍ）を検出して回転数対推力変換器５及び減算器１４に出力するものである。推進制御装置３は、上記レバー操作位置ａとポンプ回転数ｂとを入力としてウォータジェットポンプ４の操作量つまり回転数設定値ｃを算出してウォータジェットポンプ４に出力するものである。
【００１５】
ウォータジェットポンプ４は、当該ウォータジェット船の推進機関であり、上記回転数操作量ｃに基づいて回転数が制御されるものである。すなわち、ウォータジェットポンプ４は、回転数操作量ｃを制御信号として吸入ダクトから水（あるいは海水）を吸入してジェット水流を生成するものである。
【００１６】
さらに、上記推進制御装置３における回転数対推力変換器５は、上記ポンプ回転数ｂを推力（ｋｇｆ）に変換するものである。回転数対推力変換器５は、より具体的には実験的あるいは論理的に予め取得された上記ポンプ回転数ｂと推力ｄ（ｋｇｆ）との関係を示すグラフをデータとして記憶し、ウォータジェットポンプ４の実際のポンプ回転数ｂが指定されると、当該ポンプ回転数ｂに基づいて変換テーブルを検索することにより、当該ポンプ回転数ｂに対応する推力ｄを選出して減算器６に出力する。
【００１７】
減算器６は、上記推力ｄから船速対船体抵抗変換器１０から入力される船体抵抗ｅを減算し、その減算値ｆを除算器７に出力するものである。除算器７は、減算値ｆを船体重量記憶部８に記憶された当該ウォータジェット船の船体重量ｇによって除算することにより当該ウォータジェット船の加速度ｈを算出して積分器９に出力するものである。船体重量記憶部８は、予め取得された当該ウォータジェット船の船体重量ｇを記憶保持するものである。
【００１８】
積分器９は、上記加速度ｈを積分してウォータジェット船の船速ｉを算出して船速対船体抵抗変換器１０及び船速対キャビテーション限界回転数変換器１１に出力するものである。船速対船体抵抗変換器１０は、上記船速ｉを船体抵抗ｅに変換するものであり、より具体的には実験的あるいは論理的に予め取得された上記船速ｉと船体抵抗ｅとの関係を示すグラフをデータとして記憶し、積分器９によって指示された船速ｉに基づいてデータを検索することにより当該船速ｉに対応する船体抵抗ｅを選出して減算器６に出力するものである。
【００１９】
船速対キャビテーション限界回転数変換器１１は、上記船速ｉをキャビテーション限界回転数ｊに変換するものであり、実験的あるいは論理的に予め取得された上記船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係を示すグラフをデータとして記憶し、積分器９によって指示された船速ｉに基づいてデータを検索することにより当該船速ｉに対応するキャビテーション限界回転数ｊを選出して最小値選択部１３に出力するものである。
【００２０】
レバー位置対回転数目標値変換器１２は、上記操舵レバー１のレバー操作位置ａを目標回転数ｋに変換するものであり、実験的あるいは論理的に予め取得されたレバー操作位置ａと目標回転数ｋとの関係を示すグラフをデータとして記憶し、操舵レバー１によって指示されたレバー操作位置ａに基づいてデータを検索することにより当該レバー操作位置ａに対応する目標回転数ｋを選出して最小値選択部１３に出力するものである。
【００２１】
最小値選択部１３は、上記キャビテーション限界回転数ｊと目標回転数ｋとのうち、何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして二者択一的に減算器１４に選択出力するものである。減算器１４は、この実用目標回転数ｍから上記回転数センサ２から入力されるポンプ回転数ｂを減算して回転誤差ｎとして比例器１５、積分器１６及び微分器１７に出力するものである。比例器１５は、この回転誤差ｎを比例ゲイン記憶部１８によって設定された比例ゲインｏに基づいて増幅し比例操作量ｐとして加算器２１に出力するものである。
【００２２】
積分器１６は、上記回転誤差ｎを積分し、この積分値に積分ゲイン記憶部１９によって設定された積分ゲインｑを乗算して、積分操作量ｒとして加算器２１に出力するものである。微分器１７は、上記回転誤差ｎを微分し、この微分値に微分ゲイン記憶部２０によって設定された微分ゲインｓを乗算して、微分操作量ｔとして加算器２１に出力するものである。比例ゲイン記憶部１８は、上記比例ゲインｏをデータとして記憶するものである。積分ゲイン記憶部１９は、積分ゲインｑをデータとして記憶するものである。微分ゲイン記憶部２０は、上記微分ゲインｓをデータとして記憶するものである。
【００２３】
加算器２１は、比例操作量ｐ、積分操作量ｒ及び微分操作量ｔを加算することにより回転数操作量ｃを生成し、ウォータジェットポンプ４に出力するものである。なお、上記減算器１４、比例器１５、積分器１６、微分器１７、比例ゲイン記憶部１８、積分ゲイン記憶部１９、微分ゲイン記憶部２０及び加算器２１から構成される操作量生成手段３Ｂは、周知のＰＩＤコントローラを構成するものである。
【００２４】
次に、本ウォータジェット船の動作についてさらに詳しく説明する。
【００２５】
まず、本ウォータジェット船の推進制御では、最小値選択部１３は、キャビテーション限界回転数出力手段３Ａによって取得されたキャビテーション限界回転数ｊと操舵手段Ｂによって取得された操舵レバー１のレバー操作位置ａに基づく目標回転数ｋのうち何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして選択して操作量生成手段３Ｂに出力する。そして、操作量生成手段３Ｂは、この実用目標回転数ｍと回転数センサ２から得られたウォータジェットポンプ４の実際のポンプ回転数ｂとの差分に基づいて回転数操作量ｃを生成する。
【００２６】
例えば、操舵レバー１（つまり操船者）によって目標回転数ｋがキャビテーション限界回転数ｊを越える回転数として指示された場合、最小値選択部１３は、目標回転数ｋではなくキャビテーション限界回転数ｊを選択して操作量生成手段３Ｂに出力する。すなわち、回転数操作量ｃの生成に供される実用目標回転数ｍは、最小値選択部１３の作用に起因してキャビテーション限界回転数ｊを越えることがなく、回転数操作量ｃはキャビテーション現象が生じない操作量に設定される。したがって、本ウォータジェット船では、キャビテーション現象の発生が回避され、よって操船者はキャビテーション現象の発生を懸念することなく本ウォータジェット船を操船することができる。
【００２７】
一方、目標回転数ｋがキャビテーション限界回転数ｊを越えない場合には、キャビテーション現象の発生は起こり得ないので、最小値選択部１３は操舵レバー１つまり本ウォータジェット船の操船者によって指示された目標回転数ｋを操作量生成手段３Ｂに出力する。この結果、当該目標回転数ｋに基づいて回転数操作量ｃが生成されてウォータジェットポンプ４の回転が制御される。
【００２８】
また、本実施形態では、上記キャビテーション限界回転数ｊを以下のように取得する。すなわち、キャビテーション限界回転数出力手段３Ａを用いることにより回転数センサ２によって検出されたウォータジェットポンプ４の実際のポンプ回転数ｂに対応したキャビテーション限界回転数ｊを取得するようにしている。しかし、本実施形態では、ポンプ回転数ｂとキャビテーション限界回転数ｊとの直接の関係を記憶するのではなく、回転数対推力変換器５にポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係を示すグラフを、船体重量記憶部８にウォータジェット船の船体重量ｇを、船速対船体抵抗変換器１０に船速ｉと船体抵抗ｅとの関係を示すグラフを、船速対キャビテーション限界回転数変換器１１に船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係を示すグラフをそれぞれデータとして記憶させ、これらデータと減算器６、除算器７及び積分器９による演算処理によってキャビテーション限界回転数ｊを取得する。
【００２９】
上記ポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係、船速ｉと船体抵抗ｅとの関係、船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係は直接的な関係として得られるので、本実施形態ではこれら各関係とウォータジェット船の船体重量ｇに上記演算処理を組み合わせることにより、最終的に必要とするキャビテーション限界回転数ｊを取得するようにしている。なお、このキャビテーション限界回転数ｊの取得方法は、上記方法に限定されるものではなく、例えばポンプ回転数ｂとキャビテーション限界回転数ｊとの直接の関係を予め求めて記憶しておくことにより、回転数センサ２から得られたウォータジェットポンプ４の実際のポンプ回転数ｂに該当するキャビテーション限界回転数ｊを取得するようにしても良い。
【００３０】
なお、操作量生成手段３Ｂは、上述したように周知のＰＩＤコントローラであり、その詳細動作については説明を省略するが、当該操作量生成手段３Ｂの特性を規定する比例ゲインｏ、比例操作量ｐ及び積分ゲインｑについてはウォータジェットポンプ４の制御特性が良好となるように適宜設定される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わるウォータジェット船及びその推進制御方法によれば、以下のような効果を奏する。
（１）第１及び第４の発明によれば、ウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂに応じたキャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊを取得し、操舵手段によって指示されたウォータジェットポンプの目標回転数ｋに対して上記取得されたキャビテーション限界回転数ｊとウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂとのうち何れか小さい方を実用目標回転数ｍとして選択し、該実用目標回転数ｍとウォータジェットポンプの実際のポンプ回転数ｂとに基づいてウォータジェットポンプに対する回転数操作量ｃを生成するので、ウォータジェットポンプの回転数はキャビテーション限界回転数ｊを越えることがない。したがって、操船者の経験や勘に頼ることなくキャビテーション現象の発生を回避することが可能であり、操船者はキャビテーション現象の発生を懸念することなく操船することができる。
【００３２】
（２）第２及び第５の発明によれば、予め取得されたウォータジェットポンプのポンプ回転数ｂとキャビテーション現象の発生限界を示すキャビテーション限界回転数ｊとの関係に基づいて実際のポンプ回転数ｂに対応するキャビテーション限界回転数ｊを取得するので、上記関係に実際のポンプ回転数ｂを照らし合わせることによって実際のポンプ回転数ｂに対応するキャビテーション限界回転数ｊを容易に取得することができる。
【００３３】
（３）第３及び第６の発明によれば、予め取得されたポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係に基づいて実際のポンプ回転数ｂに対応する推力ｄを算出し、上記推力ｄから船体抵抗ｅを減算して減算値ｆを算出し、上記減算値ｆを予め取得された船体重量ｇによって除算することにより加速度ｈを算出し、上記加速度ｈを積分してウォータジェット船の船速ｉを算出し、予め取得された前記船速ｉと船体抵抗ｅとの関係に基づいて上記算出された船速ｉに対応する船体抵抗ｅを算出し、予め取得された上記船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係に基づいて上記算出された船速ｉに対応するキャビテーション限界回転数ｊを取得するので、直接的な関係として得られるポンプ回転数ｂと推力ｄとの関係、船速ｉと船体抵抗ｅとの関係及び船速ｉとキャビテーション限界回転数ｊとの関係並びに予め取得された船体重量ｇに上記各種演算処理を組み合わせることによりキャビテーション限界回転数ｊを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係わるウォータジェット船の推進制御構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１……操舵レバー
２……回転数センサ
３……推進制御装置
３Ａ……キャビテーション限界回転数出力手段
３Ｂ……操作量生成手段
４……ウォータジェットポンプ
５……回転数対推力変換器
６……減算器
７……除算器
８……船体重量記憶部
９……積分器
１０……船速対船体抵抗変換器
１１……船速対キャビテーション限界回転数変換器
１２……レバー位置対回転数変換器
１３……最小値選択部
１４……減算器
１５……比例器
１６……積分器
１７……微分器
１８……比例ゲイン記憶部
１９……積分ゲイン記憶部
２０……微分ゲイン記憶部
２１……加算器
Ｂ……操舵手段
ａ……レバー操作位置
ｂ……ポンプ回転数
ｃ……回転数操作量
ｄ……推力
ｅ……船体抵抗
ｆ……減算値
ｇ……船体重量
ｉ……船速
ｊ……キャビテーション限界回転数
ｋ……目標回転数
ｍ……実用目標回転数
ｎ……回転誤差
ｏ……比例ゲイン
ｐ……比例操作量
ｑ……積分ゲイン
ｒ……積分操作量
ｓ……微分ゲイン
ｔ……微分操作量
【図１】
0004320918.tif 000002