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Die
Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für die Richtungs- und Fahrtsteuerung
von Schiffen mit oberflächenschneidenden
Verstell-Propellern, wobei keine direkt auf die Richtungsänderung
wirkende Stelleinrichtung verwendet wird.
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[Stand der Technik]
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Es
sind Schiffsantriebe, insbesondere für Schub- und Binnenschiffe,
mit fest auf dem Schiffskörper
oder unter dem Schiffsheck liegenden Antriebswellen und daran angeordneten
Propellern bekannt, durch die sowohl eine optimale Schubkraft für die Vorwärts- und
Rückwärtsfahrt
erreicht werden kann als auch die Steuerbewegungen des Schiffsobjektes
ausgeführt
werden können.
Diese Halbtauchenden oder auch oberflächenschneidenden Verstell-Propeller
sind mindestens 30% oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet. Es wird keine
direkt auf die Richtungsänderung
wirkende Stelleinrichtung, z. B. ein Ruder verwendet.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
19856305 A1 werden am Heck des Wasserfahrzeugs zwei im
wesentlichen nebeneinander liegende und bei normaler Marschfahrt
entgegengesetzt drehende Oberflächen-Verstell-Propeller
vorgesehen. Die Ausführung von
Steuermanövern
wird sowohl durch die Verstellung der Propellerflügel und/oder
der Drehzahl als auch durch das Umsteuern der Drehrichtung eines der
beiden Propeller erreicht, so dass dann der Schubvektor beider Oberflächen-Verstell-Propeller
in gleicher Richtung zur Wirkung gebracht wird.
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Die
Besonderheit des oberflächenschneidenden
Propellers ist, dass die getauchten Flügel neben der Längs- auch
eine Querkraftkomponente erzeugen.
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Durch
die paarweise Kombination von zwei Oberflächen-Verstell-Propellern wird
eine universelle Steuerung durch die in zwei Richtungen steuerbaren Kraftvektoren
Schub und Querkraft je Propeller erreicht, indem die Drehzahl/Richtung
mit einer Steigungsverstellung kombiniert wird.
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Bei
gegenläufiger
Drehung beider Propeller mit gleicher Drehzahl und Steigung heben
sich die Querkräfte
auf. Durch Veränderung
von Drehzahl/Drehrichtung und Steigung der einzelnen Propeller wird
die resultierende Querkraftkomponente zum Manövrieren des Schiffes genutzt,
durch Überlagerung
der Schubkraft- und der Querkraftkomponenten wird z. B. ein größerer Kraftvektor
in Bewegungsrichtung des Schiffes erreicht.
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In
der Veröffentlichung
DE 19856305 A1 werden
die Besonderheiten von Oberflächen-Verstell-Propellern
theoretisch erörtert,
ohne die praktische Umsetzung durch eine Steuereinheit näher zu betrachten.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
10352971 A1 ist bekannt, dass für die Sollwertvorgabe ein kombinierter
analoger Sollwertgeber für
Richtung und Fahrt oder je einer für Richtung (Handrad oder Pinne) und
Fahrt (MT-Geber) verwendet wird. Die kombinierte Steuereinrichtung
ermittelt für
die Vorgaben für Richtung
und Fahrt und entsprechend der gewählten Betriebsarten Marschfahrt
(Freifahrt), Manövrieren, Drehen
auf Position und Traversieren die optimalen Sollwerte für die vier
Stellgrößen Drehzahl/Drehrichtung
und Steigung beider Propeller.
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Innerhalb
der gewählten
Steuerungsstruktur werden ausgehend von den aktuellen Sollwerten
für Richtung
und Fahrt und deren Änderung
diejenigen aus den verfügbaren
Stellgrößen Drehzahl/Drehrichtung
und Steigung beider Propeller bestimmt, die zu deren optimaler Umsetzung
notwendig sind. Für
diese Stellgrößen werden
die optimalen Änderungen berechnet
und die Sollwerte an die Stellantriebe übergeben. Dazu berechnet die
kombinierte Steuereinrichtung auf Basis einer Kombinatorkurve für die vorgegebenen
Fahrt die Stellgrößen Drehzahl
und Steigung beider Propeller. Für
die Richtungsänderung
werden ausgehend von der aktuellen Drehzahl- und Steigungseinstellung
beider Propeller eine oder mehrere dieser Stellgrößen so verändert, dass
sich mit geringstem Geschwindigkeits-Verlust eine resultierende
Querkraftkomponente beider Propeller einstellt, welche die Richtungsvorgabe
umgesetzt.
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Direkt
auf die Stellantriebe wirkende Steuereinrichtungen werden nicht
erwähnt.
Die Steuerung erfolgt über
verschiedene analoge Sollwertgeber für Richtung und Fahrt, wie Handrad
oder Pinne und MT-Geber.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
2718831 A1 beschreibt eine Antriebs- und Steuereinrichtung
für Wasserfahrzeuge
mit mindestens einem Paar, um ihre vertikale Achse schwenkbare Ruderpropeller, die
durch eine gemeinsame Steuereinrichtung synchron aber gegenläufig schwenkbar
sind.
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Oberflächenschneidende
Verstellpropeller sind nicht schwenkbar angeordnet. Die Steuerung
erfolg ausschließlich über die
Stellgrößen Drehzahl/Drehrichtung
und Steigung beider Propeller. Daher kann diese Steuereinrichtung
nicht angewendet werden.
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In
der Schrift
FR 2677324 wird
eine Steuerung für
ein Boot beschrieben, welche ausschließlich durch die Propeller und
mit einem umlaufenden Steuerhebel erfolgt. Es handelt sich hierbei
um eine analoge Ansteuerung. Aus der Stellung des Steuerhebels werden
die Stellinformationen für
die beiden Antriebsmotore der Propeller abgeleitet.
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Auch
in der Veröffentlichung „Joystik-Steuerung.
Eine Einrichtung zur Verbesserung der Manövrierbarkeit" (Sonderdruck „Schiff
und Hafen" 7/1980) wird
mittels Joystick mit Analogwertgebern die Antriebsanlagen eines
Schiffes gesteuert. Die Größen der
Vorgaben werden mit dem Joystick analog (0 bis +/– 100%)
vorgegeben und in einem Prozessrechner verarbeitet.
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Die
herkömmlichen
Richtungssteuerungen nutzen Stelleinrichtungen, die direkt auf die
Richtungsänderung
wirken. Durch die fehlende richtungsändernde Komponente sind diese
Steuersysteme für das
Manövrieren
eines Schiffes mit oberflächenschneidenden
Verstell-Propellern nicht einsetzbar. Auf Grund der Neuartigkeit
des Schiffsantriebes ohne richtungsänderndes Stellorgan sind entsprechende, mit
nachstehender Erfindung vergleichbare Steuereinrichtungen nicht
verfügbar.
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[Aufgabe der Erfindung]
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine direkt auf die Stellantriebe wirkende,
digitale Steuereinrichtung für
die vier Stellgrößen Drehzahl
und Steigung beider Propeller durch Tiller zu schaffen, die eine
Schiffsbewegung erzeugt, die der Richtung der Tillerbewegung entspricht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Steuereinrichtung für
Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden
Verstell-Propellern, welche über
Joysticks erfolgt, gekennzeichnet ist durch das Betätigen von
ein oder mehreren Tiller mit Schaltkontakten einer direkt auf die
Stellantriebe wirkenden Steuereinrichtung. Die direkte Stellung
der vier Stellgrößen Drehzahl
und Steigung der Propeller wird einzeln oder gemeinsam ermöglicht.
Die Steuerung der Stellantriebe erfolgt in der Art, dass die Bewegungsrichtung
der Tiller der zu erzielenden Schiffsbewegung entspricht. Bei gemeinsamer
Ansteuerung erfolgt durch eine zusätzliche Einrichtung die Synchronisation
der Stellantriebe. Somit werden
- – mit den
Schaltkontakten direkt die Stellantriebe(-einrichtungen), wie Magnetventile
für hydraulische
Stelleinrichtungen oder Frequenzumrichter oder andere Servostelleinrichtungen
für Elektromotore
angesteuert;
- – mit
den Schaltkontakten folgende Stellbefehle für jeden Propeller erzeugt:
• Steigung
erhöhen,
• Steigung
verringern,
• Drehzahl
erhöhen,
• Drehzahl
verringern;
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Die
Ansteuerung erfolgt in Form einer Zeitsteuerung (NFU, Non Follow
Up), das bedeutet, die angesteuerte Stellgröße wird so lange erhöht bzw. verringert,
wie der entsprechende Kontakt betätigt wird.
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Die
Betätigung
der Schaltkontakte erfolgt durch Tiller mit vier Betätigungsrichtungen.
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Da
alle Stellgrößen sowohl
auf die Fahrt wie auch die Richtung des Schiffes wirken, wird erfindungsgemäß eine Anordnung
der Schaltkontakte in Verbindung mit dem Bedienelement Tiller realisiert, wobei
die Ansteuerung mit einzelnen Tillern für jeden Stellantrieb oder je
einen gemeinsam für
die Drehzahl- und Steigungsstellantriebe zusammen oder je einen
für die
Drehzahlstellantriebe und für
die Steigungsstellantriebe oder für alle Stellantriebe zusammen
erfolgt und Bewegungsrichtung der Bewegung des Schiffes entspricht.
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Vorteil
der Erfindung ist es, dass die kombinierte Steuereinrichtung für Richtung
und Fahrt die Bedienung der Tiller für die direkte Ansteuerung der Stellantriebe
(NFU-Steuerung) für
die Steigung und die Drehzahl beider Propeller einzeln oder gemeinsam
ermöglicht
so, dass die Bewegungsrichtung der Tillerbedienung der zu erzielenden
Schiffsbewegung entspricht. Eine zusätzliche Einrichtung ermöglicht die
Synchronisation der Stellantriebe bei gemeinsamer Ansteuerung mit
einem Tiller.
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[Beispiele]
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Nachstehend
wird die Erfindung an Ausführungen
für die
Steuereinrichtung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
Anordnung der Schaltkontakte für
vier Tiller einer Zweipropelleranlage
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2:
Anordnung der Schaltkontakte für
vier Tiller einer Vierpropelleranlage mit Möglichkeit der Korrektur der
Synchronisation der Stellgrößen
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3:
Anordnung der Schaltkontakte für zwei
Tiller mit zwei Schaltebenen einer Zweipropelleranlage mit Möglichkeit
der Korrektur der Synchronisation der Stellgrößen
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4:
Anordnung der Schaltkontakte für
einen Tiller mit vier Schaltebenen einer Zweipropelleranlage mit
Möglichkeit
der Korrektur der Synchronisation der Stellgrößen
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5:
Anordnung der Schaltkontakte für zwei
Tiller mit vier Schaltebenen einer Vierpropelleranlage mit Möglichkeit
der Korrektur der Synchronisation der Stellgrößen
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5a:
Anordnung Backbord einer Vierpropelleranlage nach 5
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5b:
Anordnung Steuerbord einer Vierpropelleranlage nach 5
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In 1 wird
jedem Stellantrieb für
Steigung und Drehzahl ein einzelner Tiller zur Ansteuerung zugeordnet.
Damit wird jeder Stellantrieb einzeln gesteuert.
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2 zeigt
die Ausführung,
dass beiden gleichartigen Stellantrieben einer Schiffsseite ein
gemeinsamer Tiller mit zwei Schaltebenen zugeordnet wird. Damit
werden Drehzahl bzw. Steigung einer Antriebsseite mit einem Tiller
gemeinsam gesteuert. Mit Tastschaltern können die einzelnen Stellantriebe
abgeschaltet und damit synchronisiert werden.
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In 3 wird
beiden Stellantrieben jedes Propellers ein gemeinsamer Tiller mit
zwei Schaltebenen zugeordnet. Damit werden Drehzahl und Steigung
eines Propellers mit einem Tiller gemeinsam gesteuert. Mit Tastschaltern
können
die einzelnen Stellantriebe abgeschaltet und damit synchronisiert werden.
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Die
Anordnung der Schaltkontakte in 4 zeigt
einen Tiller mit vier Schaltebenen einer Zweipropelleranlage mit
der Möglichkeit
der Korrektur der Synchronisation der Stellgrößen. Alle Stellantriebe beider
Propeller werden mit einem Tiller mit vier Schaltebenen gemeinsam
gesteuert. Mit Tastschaltern können
jeweils drei Stellantriebe abgeschaltet und damit der verbleibende
synchronisiert werden.
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Das
Ausführungsbeispiel
in den 5, 5a und 5b zeigt
die Anordnung der Schaltkontakte für zwei Tiller mit vier Schaltebenen
einer Vierpropelleranlage mit der Möglichkeit der Korrektur der
Synchronisation der Stellgrößen. Alle
Stellantriebe beider Propeller einer Antriebsseite werden mit einem
Tiller mit vier Schaltebenen gemeinsam gesteuert. Mit Tastschaltern
können
jeweils drei Stellantriebe abgeschaltet und damit der verbleibende
synchronisiert werden.
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Auch
weitere Kombinationsmöglichkeiten der
Zuordnung der Schaltkontakte der Tiller zu den Stellgrößen sind
vorstellbar.
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Entsprechend 1 bis 5 werden
die Schaltkontakte der Tiller so angeordnet, dass die Betätigungsrichtung
der Schiffsbewegung entspricht:
- – für die an
Backbord angeordneten Antriebe werden die Schaltkontakte für die Betätigung des
Tillers nach vorn und nach rechts parallel geschaltet und der Erhöhung der
Stellgröße Steigung
oder Drehzahl zugeordnet;
- – für die an
Backbord angeordneten Antriebe werden die Schaltkontakte für die Betätigung des
Tillers nach hinten und nach links parallel geschaltet und der Verringerung
der Stellgröße Steigung oder
Drehzahl zugeordnet;
- – für die an
Steuerbord angeordneten Antriebe werden die Schaltkontakte für die Betätigung des Tillers
nach vorn und nach links parallel geschaltet und der Erhöhung der
Stellgröße Steigung
oder Drehzahl zugeordnet;
- – für die an
Steuerbord angeordneten Antriebe werden die Schaltkontakte für die Betätigung des Tillers
nach hinten und nach rechts parallel geschaltet und der Verringerung
der Stellgröße Steigung
oder Drehzahl zugeordnet;
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Bei
einer gemeinsamen Betätigung
der Tiller für
die gleichen Stellgrößen beider
Antriebsseiten nach vorn wird die Steigung und/oder Drehzahl und damit
die Fahrt erhöht,
bei Betätigung
nach hinten verringert bzw. umgekehrt.
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Bei
einer Betätigung
eines oder mehrerer Tiller nach rechts werden entsprechend des betätigten Tillers
die Drehzahl und/oder Steigung des Steuerbord-Antriebes verringert
und des Backbord-Antriebes erhöht
und das Schiff dreht nach Steuerbord.
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Bei
einer Betätigung
eines oder mehrerer Tiller nach links werden entsprechend des betätigten Tillers
die Drehzahl und/oder Steigung des Backbord-Antriebes verringert
und des Steuerbordbord-Antriebes erhöht und das Schiff dreht nach Backbord.
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Entsprechend
der 2–5 werden
zur Vereinfachung der Betätigung
die Schaltkontakte für die
einzelnen Stellantriebe in mehreren Schaltebenen eines Tillers angeordnet.
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Da
bei zeitabhängiger
Betätigung
von mehreren Stellantrieben durch ein Bedienelement die Synchronisation
zwischen ihnen verloren gehen kann, werden Tastschalter angeordnet,
die bei Betätigung
durch Abschalten der nicht ausgewählten Schaltebenen die Korrektur
einzelner Stellantriebe durch den gemeinsamen Tiller ermöglichen (2–5).