JP5836559B2 - 可変ピッチプロペラの駆動装置及びピッチ角制御方法、これを有する船舶 - Google Patents

Description

本発明は、プロペラ側に流入される流速に対応してブレードのピッチが可変される可変ピッチプロペラの駆動装置及びピッチ角制御方法、これを有する船舶に関する。

船舶における推進装置は運航のための推進力を発生する装置である。このような推進装置として、船舶の運行状態などを考慮して複数のブレード（ｂｌａｄｅ）のピッチ（ｐｉｔｃｈ）を可変させる可変ピッチプロペラ（ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ）がある。

しかしながら、従来の可変ピッチプロペラは、複数ブレードのすべてのピッチが同時に同一角に可変するので、推進効率を極大化することが困難であるとの問題点があった。

すなわち、船舶の船尾側に位置する可変ピッチプロペラの方に流入される流速は不均一であるものの、可変ピッチプロペラは、すべて平均流速に合わせて設定されたピッチが等しく適用されていて、流入流速と比べてブレードのピッチが大きい領域ではキャビテーション現象により船体振動及びラダー（ｒｕｄｄｅｒ）摩耗の主な原因となっていた。

本発明の実施形態は、可変ピッチプロペラの方に流入される流速変化に応じてブレードのピッチを安定的に可変させることができる可変ピッチプロペラの駆動装置及びピッチ角制御方法、これを有する船舶を提供する。

本発明の一側面による可変ピッチプロペラの駆動装置は、プロペラ軸の回転方向に沿ってピッチ角が連続的に変更されるブレードと、前記ピッチ角を調節するピッチ調節装置を有する可変ピッチプロペラの駆動装置において、前記ピッチ調節装置は、前記ブレードの下端部に連結された偏心突起と連結され、前記偏心突起を押したり引いたりすることができるように前記プロペラ軸の内側で直線往復移動が可能に配置されるブレード作動軸と、前記プロペラ軸の回転運動を前記ブレード作動軸の直線往復運動に変換する動力変換部とを含み、前記プロペラ軸内には、前記ブレード作動軸の安定的な移動のために前記ブレード作動軸が貫通してスライド可能に支持されるガイドプレートが設けられる。

また、前記動力変換部は、前記ブレード作動軸から延長され、前記プロペラ軸の外面に形成されたガイドスロットを介して突出されるガイドピンと、前記プロペラ軸の外側縁を囲み、内面に前記ガイドピンがスライド移動するピッチ決め溝が設けられたガイドリングとを含む。

また、前記ガイドスロットは、前記プロペラ軸の軸方向に沿って切開されて形成されることができる。

また、前記ガイドプレートは、内側に前記ブレード作動軸が貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔はテーパ状に設けられることができる。

また、前記ガイドスロットは、前記プロペラ軸の軸方向に沿って延長形成され、前記ガイドピンは、前記プロペラ軸と共に回転しながら前記ピッチ決め溝に沿ってスライド移動することによって前記ガイドスロットで前後に移動することができる。

また、前記ピッチ角は、前記ブレード前方から流入される流速に対応して可変するように設けられることができる。

また、前記プロペラ軸は、船体のスターンボスを貫通して延長されるように設けられ、前記プロペラ軸の最上端に位置する前記ブレードのピッチ角は前記プロペラ軸の最下端に位置するピッチ角よりも相対的に小さいことを特徴とする。

また、前記ブレードのピッチ角は、前記プロペラ軸の回転角度によって前記最上端から前記最下端に行くほど漸進的に大きくなるように設けられることができる。

また、前記ブレードは、複数個備えられて前記プロペラ軸の端部に結合されるハブの縁に沿って離隔配置され、前記ブレード作動軸は、前記複数個のブレードにそれぞれ連結されて前記複数個のブレードのピッチ角を個別的に調節するように複数個備えられ、前記複数個のブレード作動軸は、前記ピッチ決め溝に沿って移動する前記ガイドピンがそれぞれ設けられることができる。

また、前記ピッチ決め溝は、前記ガイドリングの円周方向に沿って陥没形成された閉ループ状を有して前記プロペラ軸の半径方向に対して所定角度に傾斜するように配置することができる。

また、前記ピッチ決め溝は、前記ブレードが前記プロペラ軸の最上側に位置する際に前記ブレードの第１ピッチ角を定義する第１位置と、前記ブレードが前記プロペラ軸の最下側に位置する際に前記ブレードの第２ピッチ角を定義する第２位置とを備え、前記第１ピッチ角は最小ピッチ角を形成し、前記第２ピッチ角は最大ピッチ角を形成することができる。

また、前記ブレード作動軸は、前記偏心突起と連結される第１部分と前記ガイドプレートに支持される第２部分とを含み、前記第１部分と前記第２部分は回転ジョイントを介して互いに連結されることができる。

本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラのピッチ角制御方法は、上記可変ピッチプロペラの駆動装置に用いられ、前記プロペラ軸に結合されて推進力を発生する前記可変ピッチプロペラのピッチ角制御方法において、前記ブレードの方に流入される流体の流入流速を判断して最小流入流速の地点での前記ブレードの第１ピッチ角と最大流入流速の地点での前記ブレードの第２ピッチ角とを決定し、前記ブレードのピッチ角は、前記プロペラ軸の回転方向に沿って前記第１ピッチ角と前記第２ピッチ角との間で漸進的に大きくなったり小さくなったりすることができるように連続的に制御されることを特徴とする。

本実施形態の可変ピッチプロペラの駆動装置は、可変ピッチプロペラの方に流入される流速に対応してブレードのピッチが可変されるので、推進効率が向上される。

また、本実施形態の可変ピッチプロペラはピッチが可変される場合に安定的に制御することができる。

本発明の実施形態の可変ピッチプロペラが設けられた船体後尾を概略的に示す図である。 本発明の実施形態のピッチ調節装置が結合された可変ピッチプロペラを示す図である。 本発明の実施形態のピッチ調節装置の分解斜視図である。 本発明の実施形態のピッチ調節装置が結合されたプロペラ軸の内部を示す図である。 本発明の実施形態の可変ピッチプロペラの流入流速によるブレードのピッチ角を示す図である。 本発明の実施形態のブレードが最上端に位置する際の動作状態図である。 本発明の実施形態のブレードが最下端に位置する際の動作状態図である。 本発明の他の実施形態の可変ピッチプロペラの駆動装置を示す分解斜視図である。 本発明の他の実施形態の可変ピッチプロペラの動作状態図である。

以下では、本発明の好適な実施形態を、添付図面を参照しながら詳しく説明する。まず、本出願人は、大韓民国特許出願公開第１０−２０１０−００８８７１９号にプロペラの方に流入される流速を考慮してプロペラのピッチを調整する可変ピッチプロペラに関して出願した。これに関連して、本明細書では、上記出願書に開示された内容も含むことを明らかにする。

図１を参照すると、本実施形態に係る船舶の推進装置は、船体１０のスターンボス（ｓｔｅｒｎ ｂｏｓｓ）１１を貫通する中空のプロペラ軸２０端部分に設けられ、ブレード３１のピッチが可変されながら推進力を発生する可変ピッチプロペラ３０を含む。

このような可変ピッチプロペラ３０は、プロペラ軸２０が回転する際に、回転角度に対応して連続的にブレード３１のピッチ角が変更されるように調節するピッチ調節装置４０を備える。

ピッチ調節装置４０は、可変ピッチプロペラ３０のハブ３２の外面に、軸を中心に回転可能に結合された複数のブレード３１のピッチ角を個別的に調節することができるように設けられる。

複数のブレード３１は、それぞれのハブ３２外面で回転可能に結合されるディスク状の回転板３３を備え、回転板３３の下側には回転板３３の中心から偏向するように配置される偏心突起３５を備える。

回転板３３は、ハブ３２に水密状態を維持しながら円周方向に回転可能に設けられ、偏心突起３５は、ピッチ調節装置４０により押したり引いたりして回転板３３を回転させる。

図２は本実施形態のピッチ調節装置が結合された状態を示すものであり、図３は本実施形態のピッチ調節装置の分解斜視図であり、図４は本実施形態のピッチ調節装置が結合されたプロペラ軸の内部を示すものである。

図１ないし図４を参照すると、ピッチ調節装置４０は、プロペラ軸２０の内部に配置されてプロペラ軸２０の軸方向に沿って直線往復移動可能に設けられるブレード作動軸５０と、プロペラ軸２０の回転運動をブレード作動軸５０の直線往復運動に変換する動力変換部６０を含む。

ブレード作動軸５０は、一方の端部分が偏心突起３５に連結され、他方の端部分はプロペラ軸２０の内部に固定されたガイドプレート７０にスライド可能に支持される。

ガイドプレート７０には、ブレード作動軸５０が貫通する貫通孔７１が形成され、ガイドプレート７０の外縁はプロペラ軸２０の内周面に支持されてプロペラ軸２０と一緒に一体となって回転することができる。

貫通孔７１は、ブレード作動軸５０がスライド移動する際にプロペラ軸２０の半径方向の方で所定の遊撃が可能となるようにその直径が行くほど大きくなる形態（テーパ状）に設けられることができる。これはブレード作動軸５０が軸方向に沿って直線往復移動する際にプロペラ軸２０の半径方向の位置変化を吸収するためである。

動力変換部６０は、プロペラ軸２０の回転運動をブレード作動軸５０の直線運動に変換するためのものであって、ブレード作動軸５０の一側から半径方向外側に延長形成されるガイドピン６２と、ガイドピン６２のスライド移動を案内するピッチ決め溝６３が設けられたガイドリング６１とを含む。

ガイドピン６２は、プロペラ軸２０の外面で軸方向に沿って切開されたガイドスロット６４を介してプロペラ軸２０の外側に突出されてピッチ決め溝６３と接触するように配置される。

ガイドリング６１は、ガイドピン６２が突出されるプロペラ軸２０の外側縁を囲むように設けられて船体１０のスターンボス１１の方に固定された状態に設けられることができる。

ガイドリング６１は中空の管状に設けられ、ピッチ決め溝６３はガイドリング６１の内周面に沿って凹んだ環状の閉ループ（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ）状を有する。

ピッチ決め溝６３は、プロペラ軸２０の軸方向ｘと直交するｙｚ平面に対して１軸または２軸の傾斜角度を有するように配置されることができる。すなわち、ピッチ決め溝６３は、ｙｚ平面に対して所定角度傾斜された楕円状の閉ループで形成するか、または螺旋状溝の閉ループで形成することができる。

このようなピッチ決め溝６３は、ブレード作動軸５０が軸方向ｘに沿って往復移動する距離を決定し、ブレード作動軸５０が移動する間にブレード作動軸５０に連結された偏心突起３５を押したり引いたりすることで、ブレード３１のピッチ角を制御することができる。

一方、本実施形態の船舶後尾に設けられた可変ピッチプロペラ３０側に流入される流体の流入流速は船体構造の影響によって相対的に可変ピッチプロペラ３０の上半部よりも下半部の方が早くなる。

すなわち、図５に示すように、流体の流入流速は、プロペラ軸２０の最上端２１で最も遅く、最下端２２で最も早くなっている。

これを基準に、プロペラ軸２０の回転方向に沿って流入流速は漸進的に早くなる部分２３と、漸進的に遅くなる部分２４とで区分される。

図４及び図５を参照すると、このような流体の流入流速分布を考慮してピッチ決め溝６３は、ブレード３１がプロペラ軸２０の最上端２１に位置する際に第１ピッチ角を定義する第１位置６３ａと、プロペラ軸２０の最下端２２に位置する際に第２ピッチ角を定義する第２位置６３ｂとを備え、プロペラ軸２０の回転方向に沿って流入流速が漸進的に早くなる部分２３、すなわち、第１位置６３ａから第２位置６３ｂに行くほどブレード３１のピッチ角が漸進的に大きくなる方向にブレード作動軸５０を移動させるように形成され、流入流速が漸進的に遅くなる部分２４、すなわち、第２位置６３ｂから第１位置６３ａに行くほどブレード３１のピッチ角が漸進的に小さくなる方向にブレード作動軸５０を移動させるように形成される。

以下では、本発明の実施形態に係る可変ピッチプロペラの作動について説明する。図６は、本実施形態のブレードが最上端に位置する場合の動作状態図であり、図７は本実施形態のブレードが最下端に位置する場合の動作状態図である。

まず、プロペラ軸２０が回転すると、ガイドスロット６４を介して外部に突出されたガイドピン６２は、スターンボス１１の方に固定されたガイドリング６１の内周面に形成されたピッチ決め溝６３に沿ってスライド移動しながらブレード作動軸５０を軸方向ｘに沿って前後に移動させ、ブレード作動軸５０はブレード３１の下端部に連結された偏心突起３５を押したり引いたりすることでブレード３１のピッチ角を変更する。

ガイドピン６２が、図６に示すように、ピッチ決め溝６３の第１位置６３ａにある場合には、ブレード３１はプロペラ軸２０の最上端２１に位置することになり、最上端２１に位置するブレード３１は最も小さいピッチ角を有する。その後、プロペラ軸２０が回転されると、ガイドピン６２はピッチ決め溝６３に沿って移動しながら漸進的にブレード作動軸５０を後進させ、ブレード作動軸５０は偏心突起３５を連続的に引くことによりプロペラ軸２０の回転方向によって漸進的にブレード３１のピッチ角を増加させる。

そして、図７に示すように、ガイドピン６２がピッチ決め溝６３の第２位置６３ｂに位置するようになると、プロペラ軸２０の最下端２２に位置したブレード３１は最大のピッチ角を有することになり、続いて、プロペラ軸２０が回転するようになると、ブレード３１のピッチ角は漸進的に小さくなって図６の状態に帰ることになる。

すなわち、ブレード３１のピッチ角は、プロペラ軸２０の１回転周期と同一周期でプロペラ軸２０の回転角度によりブレード３１の方に流入される流体の流速に対応して連続的に増加及び減少することになる。

このような構成から、油圧によりブレードのピッチ角を連続的に変更する場合には流体力とブレードのトークとが相互作用して現われるブレードの揚力と抵抗が安定（ｓｔｅａｄｙ）しないので、ブレードのピッチ角は一定に制御されなく、引き続き不規則に変化する可能性があるが、本実施形態は機構的な構成により連続的にブレードのピッチ角を変更することができてプロペラ軸の回転角度に対応するブレードのピッチ角を安定的に可変させることができる。また、ブレードのピッチ角を変更するための別途の油圧制御のためのシステムが要らないので、プロペラボス内部及び軸系の構造が簡単になると共に重量が減少される。

また、プロペラの方に流入された流速に対応して最適のブレードピッチ角を調節するので、これによるプロペラの推進効率が向上される。

以下では、本発明の他の実施形態に係る可変ピッチプロペラの駆動装置について説明する。以下では、同一機能を有する構成要素に対しては同一図面番号を付与し、詳細な説明は省略する。

図８は、本発明の他の実施形態に係る可変ピッチプロペラの駆動装置を示す分解斜視図であり、図９は、図８の動作状態図である。

図８に示す可変ピッチプロペラの駆動装置は、ブレード３１の偏心突起３５と連結されるブレード作動軸８０の構造だけが相違し、上述の可変ピッチプロペラの駆動装置と同一な構成要素を有する。

ブレード作動軸８０は、偏心突起３５を押したり引いたりすることができるように偏心突起３５と連結され、ガイドピン６２が形成された第１部分８１と、ガイドプレート７０の貫通孔７３に挿入されてスライド可能に支持される第２部分８２とを備え、第１部分８１と第２部分８２は回転ジョイント９０を介して互いに回転可能に結合されることができる。

回転ジョイント９０は、ブレード作動軸８０が軸方向ｘに沿って直線往復移動する場合、軸方向ｘに垂直である半径方向ｙの位置変化を吸収する機能を行う。一方、本実施形態の回転ジョイント９０は、ヒンジピン９１で互いに結合する構造を有するように形成されたが、これは一例に過ぎず、ブレード３１のピッチ変化による半径方向ｙの位置変化を吸収できるように、回転される構造（ボールタイプなど）であれば、いかなる形態でも適用される。

一方、第２部分８２が挿入されてスライド移動する貫通孔７３は、テーパ状をなす代わりに安定的に直線移動が誘導できるように貫通孔７３の直径は一定に維持される。

このような構造から、ブレード作動軸８０が軸方向ｘに沿って直線往復移動する場合、図９に示すように、ブレード作動軸８０の第２部分８２は、貫通孔７３に挿入された状態で安定的に直線移動を行うことができ、ブレード作動軸８０の第１部分８１は軸方向ｘに沿って移動すると共に回転ジョイント９０によって回転しながらブレード３１のピッチ変化によるブレード作動軸８０の半径方向ｙの位置変化の自由度を確保することができる。

以上では、特定の実施形態を参照して説明した。しかし、上記の実施形態だけに限定されず、発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、以下の請求範囲に記載した発明の技術的思想の要旨を逸脱することなく、いくらでも多様に変更実施することができる。

Claims (14)

1. プロペラ軸の回転方向に沿ってピッチ角が変更されるブレードと、前記ピッチ角を調節するピッチ調節装置を有する可変ピッチプロペラの駆動装置において、
   前記ピッチ調節装置は、
   前記ブレードの下端部に連結された偏心突起と連結され、前記偏心突起を押したり引いたりすることができるように、前記プロペラ軸の内側で直線往復移動可能に配置されるブレード作動軸と、
   前記プロペラ軸の回転運動を前記ブレード作動軸の直線往復運動に変換する動力変換部と、を含み、
   前記プロペラ軸内には、前記ブレード作動軸の安定的な移動のために前記ブレード作動軸が貫通してスライド可能に支持されるガイドプレートが設けられることを特徴とする可変ピッチプロペラの駆動装置。
2. 前記動力変換部は、
   前記ブレード作動軸から延長され、前記プロペラ軸の外面に形成されたガイドスロットを介して突出されるガイドピンと、
   前記プロペラ軸の外側縁を囲み、内面に前記ガイドピンがスライド移動するピッチ決め溝が設けられたガイドリングと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
3. 前記ガイドスロットは、前記プロペラ軸の軸方向に沿って切開されて形成されることを特徴とする請求項２に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
4. 前記ガイドプレートは、内側に前記ブレード作動軸が貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔はテーパ状に設けられることを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
5. 前記ガイドスロットは、前記プロペラ軸の軸方向に沿って延長形成され、
   前記ガイドピンは、前記プロペラ軸と共に、回転しながら前記ピッチ決め溝に沿ってスライド移動するにより前記ガイドスロットで前後に移動することを特徴とする請求項２に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
6. 前記ピッチ角は、前記ブレード前方から流入される流速に対応して可変するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
7. 前記プロペラ軸は、船体のスターンボスを貫通して延長されるように設けられ、
   前記プロペラ軸の最上端に位置する前記ブレードのピッチ角は、前記プロペラ軸の最下端に位置するピッチ角よりも相対的に小さいことを特徴とする請求項６に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
8. 前記ブレードのピッチ角は、前記プロペラ軸の回転角度によって前記最上端から前記最下端に行くほど漸進的に大きくなるように設けられることを特徴とする請求項７に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
9. 前記ブレードは、複数個備えられて前記プロペラ軸の端部に結合されるハブの縁に沿って離隔配置され、前記ブレード作動軸は、前記複数個のブレードにそれぞれ連結されて前記複数個のブレードのピッチ角を個別的に調節するように複数個備えられ、前記複数個のブレード作動軸は、前記ピッチ決め溝に沿って移動する前記ガイドピンがそれぞれ設けられることを特徴とする請求項２に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
10. 前記ピッチ決め溝は、前記ガイドリングの円周方向に沿って陥没形成された閉ループ状を有し、前記プロペラ軸の半径方向に対して所定角度に傾斜されるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
11. 前記ピッチ決め溝は、
    前記ブレードが前記プロペラ軸の最上側に位置する際に前記ブレードの第１ピッチ角を定義する第１位置と、
    前記ブレードが前記プロペラ軸の最下側に位置する際に前記ブレードの第２ピッチ角を定義する第２位置と、を備え、
    前記第１ピッチ角は最小ピッチ角を形成し、前記第２ピッチ角は最大ピッチ角を形成することを特徴とする請求項１０に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
12. 前記ブレード作動軸は、前記偏心突起と連結される第１部分と、前記ガイドプレートに支持される第２部分と、を含み、
    前記第１部分と前記第２部分は、回転ジョイントを介して互いに連結されることを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の可変ピッチプロペラの駆動装置を有することを特徴とする船舶。
14. 請求項１に記載する可変ピッチプロペラの駆動装置に用いられ、前記プロペラ軸に結合されて推進力を発生する前記可変ピッチプロペラのピッチ角制御方法において、
    前記ブレードの方に流入される流体の流入流速を判断して最小流入流速の地点での前記ブレードの第１ピッチ角と最大流入流速の地点での前記ブレードの第２ピッチ角とを決定し、
    前記ブレードのピッチ角は、前記プロペラ軸の回転方向に沿って前記第１ピッチ角と前記第２ピッチ角との間で漸進的に大きくなったり小さくなったりすることができるように制御されることを特徴とする可変ピッチプロペラのピッチ角制御方法。
    

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