Load apparatus
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SOLUTION: A water brake 12 stores a fixed amount of water in a casing 15 housing a turbine 16 and transmits a braking force to the turbine 16 with the water in the casing 15. A rotor 21 of a motor/generator is mounted on the rotating shaft 13 installed with the turbine 16. A stator 22 fixed onto the casing 26 is disposed at the periphery of the rotor 21 to form an electric brake 12. The rotating shaft 13 is connected to the main shaft of a large-sized engine E, subjected to a power performance test, through a coupler 14. A braking force with a large long cycle (or constant) is transmitted by the water brake 11, while a braking force with a small short cycle is transmitted by the electric brake 12.
COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT，下面是Load apparatus专利的具体信息内容。
前記機関からの回転力が伝達される回転体を備えるとともに前記回転体に流体制動力を与える流体制動機と、
前記機関からの回転力が伝達される回転子を備えるとともに前記回転子に電磁制動力を与える電気制動機と を備えたことを特徴とする負荷装置。
本発明は、回転機関の性能試験を行うための負荷装置に関し、特に舶用機関等に用いられる大型機関の性能試験を行うための動力計に関する。
舶用機関などの大型機関の性能試験（動力試験）には、水制動機（水動力計）が一般に用いられる。 水制動機では、試験対象となる機関のシャフトがタービンに連結され、水による制動力をタービンに与えることで安定した大きな負荷が機関に与えられる。 制動トルクは、例えばタービンを収容するケーシング内に滞留される水量を調整することで制御され、水制動機で発生する制動トルクはケーシングに取り付けられたトルクレバーの一端に設けられたロードセルにより検出される（特許文献１）。
プラントや発電所、船舶等で用いられる大型機関は、比較的安定した一定の条件の下で使用されることが一般的である。 そのため、水制動機は、定常的負荷を与えることを前提に構成されている。 一方、今日では、燃費改善に向けた要請が更に高まっており、例えば大型舶用機関においても、波浪中のプロペラ負荷変動による影響も含めた燃費性能を考慮する必要が生じている。 しかし、水制動機の負荷応答性は、２０秒周期を越える負荷変動の再現には対応できるものの、荒天時における例えば１０秒周期よりも短い周期の負荷変動を再現することはできない。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、流体による制動力を用いた負荷装置において、流体力で再現できる負荷変動周期よりも短い周期の負荷変動を再現可能とすることを課題としている。
本発明の負荷装置は、回転機関に負荷を与えるための負荷装置であって、機関からの回転力が伝達される回転体を備えるとともに回転体に流体制動力を与える流体制動機と、機関からの回転力が伝達される回転子を備えるとともに回転子に電磁制動力を与える電気制動機とを備えたことを特徴とする。
流体制動機においては、相対的に長周期で大きい制動力が回転体に与えられ、電気制動機においては、相対的に短周期で小さい制動力が回転子に与えられる。 また流体制動力の最大値と電磁制動力の最大値との比は例えば約１０：１である。 これにより、流体制動機に不向きな短周期の変動を電動制動機により与え、電動制動機には不向きな、大きな制動力を流体制動機で与えることができるので、より詳細な動力性能試験を行うことが可能となる。
好ましくは、電気制動機はバッテリに接続されており、電気制動機により制動力が与えられるときに回生を行いバッテリを充電する。 また、電気制動機はバッテリからの電力により回転子に回転力を与えることが可能である。 これにより、動力性能試験におけるエネルギ消費を低減することができる。
流体動機および電気制動機は、回転体および回転子に与えられる制動負荷を検知するためのセンサを備えることが好ましい。 より簡易かつ低価格で大きな制動力を与える流体制動機を構成するには、流体制動機は例えば水制動機とすることが好ましく、回転体はタービンであることが好ましい。
本発明によれば、流体による制動力を用いた負荷装置において、流体力で再現できる負荷変動周期よりも短い周期の負荷変動を再現することができる。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である大型機関の性能試験に用いられる負荷装置の構成を示すブロック図である。
負荷装置１０は、主に流体制動機１１と電気制動機１２とから構成される。 流体制動機１１および電気制動機１２は、共通の回転シャフト１３を備え、回転シャフト１３は、性能試験が行なわれる機関（エンジン）Ｅの主軸（クランクシャフト）に連結器１４を介して連結される。
本実施形態において、流体制動機１１は制動力を与える流体として水を用いる水制動機である。 本実施形態の水制動機１１は、ケーシング１５と回転シャフト１３に取り付けられたタービン（回転体）１６から主に構成され、タービン１６は、ケーシング１５内に収容される。 ケーシング１５には、水をケーシング１５内に供給する給水口１７と、ケーシング１５内から水を排出する排水口１８が設けられる。
水制動機１１は、一定量の水をケーシング１５内に滞留させ、機関Ｅにより回転シャフト１３とともに回転されるタービン１６は、ケーシング１５内の水から流体力を受け制動力（流体制動力）を与えられる。 機関Ｅから与えられた回転エネルギは、最終的にケーシング１５内の水温を上昇させ、熱エネルギへと変換される。
ケーシング１５内の水温が漸次上昇することから、ケーシング１５内の水は漸次排水口１８を通してケーシング１５外へと排出され、排出された分は給水口１７から補給される。 すなわち、給水量、排水量を制御することによりケーシング１５内に滞留される水の量と温度は一定に維持される。 なお、本実施形態では、ケーシング１５からの水の排出量が、排水口１８に設けられた周知の排水量制御機構１９によって制御され、排水量制御機構１９は、コントロールシステム２０によって制御される。
一方、電気制動機１２は、例えばモータ／ジェネレータからなり、回転シャフト１３には回転子２１が取り付けられ、回転子２１の周囲にはケーシング２６に固定された固定子２２が配置される。 モータ／ジェネレータは、インバータ／コントローラ２３に接続され、インバータ／コントローラ２３を介してバッテリ２４および電源２５に接続される。
インバータ／コントローラ２３は、コントロールシステム２０によって制御され、電気制動機１２がジェネレータとして機能して回転シャフト１３に制動力（電磁制動力）を与える場合には、電気制動機１２で生成された回生エネルギがバッテリ２４に充電される。 また、電気制動機１２はモータとして利用することも可能であり、この場合、インバータ／コントローラ２３は、バッテリ２４または電源２５から電力を電気制動機１２に供給し回転シャフト１３に回転トルクを与え制動力（電磁制動力）とすることもできる。
また、水制動機１２および電気制動機１３のケーシング１５、２６には、それぞれ回転シャフト１３周りのケーシング１５、２６の回転力を検知するためのトルクレバーが設けられ、その一端にはロードセルなどとセンサ２７、２８が設けられる。 すなわち、タービン１６や回転子２１に与えられた制動力は、反作用としてケーシング１５、２６に回転力を与えるので、これをトルクレバーを介してセンサ２７、２８で検知する。 なお、検知信号はコントロールシステム２０に送られる。
次に図２を参照して、本実施形態の負荷装置における制動力の制御処理について説明する。 図２は、水制動機１１によって回転シャフト１３に与えられる制動力（トルク）、電気制動機１２によって回転シャフト１３に与えられる制動力（トルク）、および両者の合計制動力（トルク）の時系列変化を示すグラフである。
図２において、水制動機１１によって与えられるトルクが一点鎖線Ｔ１で示され、電気制動機１２によって与えられるトルクが破線Ｔ２で示される。 また実線Ｔ３は、水制動機１１および電気制動機１２によって回転シャフト１３に与えられる合計のトルクＴ１＋Ｔ２である。
水制動機１１では、一定のトルクあるいは例えば２０秒以上の周期で変動するトルクが与えられ、これは例えばケーシング１５内に滞留される水量で制御される。 また、電気制動機１２では、２０秒以下、例えば舶用機関の性能試験においては、荒天時の波浪によるプロペラ負荷変動に対応する１０秒以下の周期で変動するトルクが与えられる。
また、水制動機１１で与えられるトルクは、電気制動機１２で与えられるトルクよりも大きく、例えば最大負荷の比にあっては、約１０：１の関係で与えられる。
以上のように本実施形態によれば、大きな負荷を与えるのには有利ではあるが、応答性において不利な水制動機（流体制動機）と、大きな負荷を与えるのには不利であるが、応答性において優れた電動制動機とを用いることで、流体力で再現できる負荷変動周期よりも短い周期の負荷変動を再現可能とすることができる。 これにより大型機関の動力性能試験においても、短い周期で負荷全体の数十％の負荷変動を与えることが可能となり、より詳細な性能試験を行うことが可能となる。 例えば、舶用機関の性能試験においては、荒天時の機関の動力特性を知ることができるので、荒天時の燃費改善に役立てることが可能となる。
なお、本実施形態では、流体として水を利用したが、他の流体を利用することもできる。 また、本実施形態では、回転シャフトに流体制動を与える回転体としてタービンを用いたが、円板や他の構成でもよく、制動力の制御方法も、ケーシング内の滞留水量の調整に限定されるものではなく、周知の如何なる方法を用いてもよい。 また、本実施形態の電気制動機においては、モータ／ジェネレータを用いて回生制動を行ったが、単なるジェネレータを用い、発電制動のみで負荷を与える構成としてもよい。
１０ 負荷装置 １１ 水制動機（流体制動機）
１２ 電気制動機 １３ 回転シャフト １４ 連結器 １５ ケーシング １６ タービン（回転体）
２０ コントロールシステム ２１ 回転子 ２２ 固定子 ２３ インバータ／コントローラ ２４ バッテリ ２６ ケーシング ２７、２８ ロードセル（センサ）
Ｅ 機関（エンジン）
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