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Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung von Schiffen Die Erfindung
bezieht sich auf die Stabilisierung von Schiffen beim Schlingern und Stampfen, insbesondere
auf ein Verfahren zum Stabilisieren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Im Rahmen dieser Erfindung ist mit dem Wort »Schiff« jeder Körper
gemeint. der schwimmt oder aufgehängt oder getragen wird in der Weise, daß er -einmal
aus seiner stabilen Gleichgewichtslage gebracht -- diese Lage wieder einnimmt, wenn
er nicht durch äußere Kräfte weiter beeinflußt wird, indem er in mehr oder weniger
gedämpften Schwingungen von annähernd oder genau sinusförmigem Charakter auspendelt.
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Bei einem Schiff auf See mit seiner Schlinger- und Rollbewegung ist
es bereits bekannt, daß, sofern eine derartige Schwingung im wesentlichen sinusförmigen
Charakter aufweist, eine vom Rollwinkel abgeleitete Steuerfunktion in Gegenphase
zu derjenigen verläuft, die von der Beschleunigung abgeleitet ist, und daß auch
eine von der Rollgeschwindigkeit abgeleitete Steuerfunktion in Gegenphase zu der
von der Beschleunigungsänderung abgeleiteten Funktion verläuft. Ein bekanntes Verfahren
zum Stabilisieren von Schiffen beruht daher auf der Anwendung von Steuerfunktionen,
die von dem Rollwinkel und der Rollgeschwindigkeit abgeleitet sind.
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Bei einer sinusförmigen Bewegung des Schiffes erreicht die Bewegung
ihre Höchstgeschwindigkeit beim Durchgang des Schiffes durch seine Senkrechtstellung.
In dieser Stellung wird die Stabilisierung am besten vorgenommen. Infolgedessen
wird die Stabilisierung am wirksamsten durchgeführt, wenn ein von der Geschwindigkeit
abgeleitetes Steuersignal benutzt wird. Indessen tritt eine geringe zeitliche Verzögerung
ein, bis die Meßeinrichtungen ein Signal erzeugen können, und eine größere Verzögerung,
bis die schweren Stabilisierungsmittel in die geeignete Stellung gebracht sind,
um der Bewegung entgegenzuwirken.
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Bei der Durchführung des bereits erwähnten bekannten Verfahrens sind
Mittel vorgesehen, um entsprechend der Verzögerung den Zeitpunkt des Steuersignals
vorzuverlegen. Dieses Verfahren ist jedoch auf einer reinen sinusförmigen Schiffsbewegung
aufgebaut, während die Bewegung in der Praxis nicht immer ihren sinusförmigen Charakter
beibehält. Unter gewissen Wind- und Seebedingungen hat sie geringe Beziehungen zu
diesen.
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Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Erzeugung eines Signals,
das der Abweichung von der sinusförmigen Bewegung entspricht und das als weiteres
Steuersignal der Stabilisierungsanlage zugeführt werden soll. Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Stabilisierung von Schiffen, bei dem die Größe und Richtung des Steuerimpulses
der nach Ablauf eine vorbestimmten Zeitintervalls voraussichtlichen Lage des Schiffes
angepaßt und der Stabilisierungsanlage zugeführt werden, wobei ein augenblicklich
gemessener Wert der Größe oder Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des
Rollwinkels und der sinusförmige Verlauf der dem Meßpunkt entsprechenden Schiffsschwingung
zugrunde gelegt werden, ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, daß Abweichungen
der Schiffsschwingung von dem sinusförmigen Verlauf gemessen und als zusätzlicher
Steuerimpuls der Stabilisierungsanlage zugeführt werden. Abweichungen der Schiffsschwingung
von dem sinusförmigen Verlauf können dabei durch die Einrichtung und den Vergleich
entweder des Rollwinkels und dessen Beschleunigung oder der Rollwinkelgeschwindigkeit
mit der Winkelbeschleunigung nach der Zeit gemessen werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist gekennzeichnet durch ein an sich bekanntes Gerät zur Messung des Rollwinkels
und dessen WinkeIbeschleunigung und durch ein weiteres Gerät zum Vergleich dieser
beiden Meßwerte miteinander, wobei der zusätzliche, aus dem Vergleich dieser beiden
Itleßwerte resultierende Steuerimpuls gleich Null ist, wenn die Schwingung sinusförmig
ist, und ferner durch Mittel zum Zufuhren des zusätzlichen Steuerimpulses zur Stabi,lisierungsanlage.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen weiter beschrieben,
in denen einige Ausführungsbeispiele veranschaulicht sind. Es zeigt Fig. 1 graphische
Darstellungen des Rollwinkels und seiner Ableitungen,
Fig. 2 graphische
Darstellungen der Addition einer 10prozentigen Beschleunigungsfunktion, die sich
nicht vollständig ausgleicht, zum Zwecke der Voreilung, Fig. 3 eine schematische
Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 4 und 5 die Darstellung zweier
Ausführungsbeispiele, Fig. 6 die Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Fig. 7 das in Fig. 6 veranschaulichte Ausführungsbeispiel von links gesehen, und
Fig. 8 eine weitere Anordnung einer Einheit zum Addieren: der Funktionen.
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Die einfach harmonischen Kurven der Fig. 1 stellen - von oben nach
unten gelesen -- den Verlauf des Rollwinkelwertes 0, der Rollwinkelgeschwindigkeit
0', der Rollwinkelbeschleunigung 0" und der Änderung der Rollwinkelbeschleunigung
0"' für eine Amplitude von 10° und eine Schwingungsdauer von 10 Sekunden dar. Die
schattierten Flächen geben idealisierte Flossenbewegungen oder Stabilisierungsmomente
an, die der sinusförmigen Schwingung des Schiffes in jedem Falle entgegenwirken.
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Es geht aus Fig. 1 hervor, wie der Rollwinkel und dessen Beschleunigung
oder die Rollwinkelgeschwindigkeit und die Änderung der Winkelbeschleunigung für
die Zwecke der Erfindung herangezogen werden können, da sich dieselben bei einfach
harmonischer Schwingung aufheben..
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Aus Fig. 2 ist zu ersehen, wie ein überschießender 10%iger Beschleunigungswert
zu einem Voreilen der Geschwindigkeitswerte führt.
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Fig.3 zeigt eine diagrammartige Anordnung der Erfindung. Hierbei ist
1 die Meßeinrichtung für den Rollwinkel, 2 die Meßeinrichtung für die Winkelgeschwindigkeit
und 3 die Meßeinrichtung für die Winkelbeschleunigung. Diese Einrichtungen geben
ihre Werte an eine Einheit 4, in der dieselben addiert werden und die ihrerseits
einen Hilfsantrieb für die Stabilisierungseinrichtung betätigt.
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In dem Ausführungsbeispiel bzw. der Arbeitsmethode nach Fig. 4 wird
der Rollwinkel durch einen senkrecht gehaltenen oder pendelnd gelagerten Kreisel
s ermittelt. indem durch den Kreisel ein Potentiometer betätigt und eine Spannung
erzeugt wird die den Rollwinkel darstellt. Es ist ein weiterer Kreisel 6 vorgesehen,
der entsprechend der Rollwinkelgeschwindigkeit in bekannter Weise aus seiner Mittellage
ausschlägt. Die Ausschlaggeschwindigkeit dieses Kreisels entspricht der Änderung
der Winkelgeschwindigkeit, d. h. der Winkelbeschleunigung. Ein elektrischer Generator
7, der von der Ausschlagbewegung dieses Kreisels betätigt wird, liefert eine Spannung,
die das Maß der Winkelbeschleunigung darstellt. Die beiden Spannungen sind in Serie
geschaltet, und die durch einen Magnetverstärker 8 zweckmäßig verstärkte Differenz
ist z. B. an einen bekannten Drehmeldeanlagesender 9 gelegt, d. h. einen Sender
mit einer Wechselfeldwicklung und einer zusätzlichen rechtwinklig angeordneten Wicklung.
Der Verstärkerausgang speist die zusätzliche Wicklung, wodurch ein zusätzlicher
Wert an die mechanische Steuerung der elektrischen Drehmeldeanlage oder einer Synchroneinrichtung
gegeben wird, die von dem Kreisel 6 betätigt wird Der Ausgang dieser Drehmeldeanlage
steuert den Hilfsantrieb der Stabilisierungseinrichtung.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 wird die Funktion der Winkel
beschleunigung von dem die Rollwinkel geschwindigkeit messenden Kreisel 10 abgeleitet,
und zwar durch Befestigung eines drehbar gelagerten Hebels 11 und eines Bremszylinders
12 oder einer anderen geeigneten Bremse oder eines Wirbelstromeffektes mittels Federn
25, in denen die in der Bremse erzeugte Kraft proportional der Rollwinkelgeschwindigkeit
ist, so daß die Formänderung der Federn, die den Kreisel mit dem Hebel 11 verbinden,
ein Maß für die Geschwindigkeitsänderung, d. h. die Beschleunigung ist. Auf dem
Drehhebel 11 ist eine elektrische Drehmeldeanlage 13 oder eine andere geeignete
elektromagnetische Vorrichtung angeordnet, deren Arm 13a an seinem Ende mit einem
gegabelten Arm verbunden ist, der sich von dem Kreisel 10 aus erstreckt. Die Drehmeldeanlage
13 gibt somit einen Wert an, der im wesentlichen proportional der Rollwinkelbeschleunigung
ist. Die Differenz. wird wie vorstehend zur Steuerung benutzt. Auf gleiche Weise
speist die Geschwindigkeits-Drehmeldeanlage 14 die Drehmeldeanlage 13, die ihrerseits
die Drehmeldeanlage 15 speist, die mit dem Rollwinkelkreisel 16 zusammenarbeitet.
Die Drehmeldeanlage 15 ist an den Hilfsantrieb für die Stabilisierungseinrichtung
angeschlossen. Die so beschriebene Addition kann durch unmittelbare Addition der
Spannungen bewirkt werden, oder es können aufeinanderfolgende elektrische Drehmeldeanlagen
oder Differential-Synchroneinrichtungen verwandt werden und die Ausschlagwinkel
jeder Einheit in bekannter Weise unmittelbar in die Steuer-Drehmeldeanlagen- oder
Synchronkette aufgegeben werden.
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Die Voreilung des vorgesehenen zusätzlichen Steuerimpulses kann durch
Einstellung des Verstärkungsgrades reguliert werden, wie z. B. nach Fig. 4 oder
bei den anderen Anordnungen durch Einstellung der Federkräfte oder Hebelverhältnisse,
wodurch ein Steuersvstem mit Funktionen des Rollwinkels, der Rollgeschwindigkeit
und der Rollbeschleunigung in jedem gewünschten Verhältnis zueinander vorgesehen
werden. kann. In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 und 7 ist die Funktion
der Rollwinkelbeschleunigung unmittelbar von einer Doppelkreiselanordnung abgeleitet,
die die Winkelbeschleunigung unmittelbar in bekannter Weise mißt. Die beiden Kreisel
18 und 19 sind mit ihren senkrechten Achsen in einem Ring 20 kardanisch zusammen
mit der Drehmeldeanlage 21 für die Rollwinkelgeschwindigkeit aufgehängt; die ihren
Steuerwinkel von einem der Kreisel erhält, wobei die Ringachse koaxial zu der Rollachse
verläuft, während die Drehmeldeanlage 22 der Rollwinkelbeschleunigung auf dem Rahmen
23 der Maschine angebracht ist. Um die Kardanaufhängungen in mittlerer Lage zu halten,
sind zentralisierende Federn 24 vorgesehen. Die Drehmeldeanlagen werden durch die
dargestellten Schwinghebel betätigt. Die beiden Kreisel rotieren in entgegengesetztem
Drehinn.
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Die Steuervorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß die Winkelbeschleunigung
durch eine Masse oder ein Beharrungsvermögen ermittelt wird oder. durch eine Anzahl
von derartigen Massen, die so aufgehängt oder angebracht sind, daß sie gegenüber
der Beschleunigung der Rollbewegung des Schiffes ansprechen In jeder der vorbeschriebenen
Vorrichtungen werden geeignete .elektrische Drehmeldeanlagen oder Synchroneinrichtungen
verwendet" die jeweils von @ler entsprechenden @lle@einrichtul?g betätigt werden,
W*-bei die Werte des Rollwinkels, der Rollwinkelgewiudigkeit, der Winkelbeschleunigung
oder der Anderung der Winkelbeschleunigung in bekannter Weise addiert werden.
Auch
können die Meßeinrichtungen gemäß Fig.8 an Übertrager 17 angeschlossen sein, wobei
die Werte entsprechend den Zwecken der Steuerung der Stabilisierungseinrichtung
vereinigt werden, d. h. durch die dargestellte Widerstandsanordnung, in der Eingangswiderstände
R1 etwa 20- bis 1000mal größer sind als der Ausgangswiderstand R2.
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Es können auch verstellbare mechanische Schwingungen, magnetische
oder elektronische Verstärker mit veränderlichem Schwächungswiderstand oder andere
einstellbare Mittel benutzt werden, um die abgeleiteten Funktionen in jedem gewünschten
Verhältnis zueinander vergleichen zu können, wenn annähernd eine einfache harmonische
Schwingung vorliegt.