DE10352971A1

DE10352971A1 - Einrichtung und Verfahren zur Richtungs- und Fahrsteuerung von Schiffsantrieben

Info

Publication number: DE10352971A1
Application number: DE2003152971
Authority: DE
Inventors: Matthias Markert; Dirk Buechler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: DE10352971B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern, die auf Grund der Querkraftkomponenten der Propeller keine direkt auf die Fahrtrichtung wirkende Stelleinrichtung wie ein Ruderblatt verwendet. Die kominierte Steuereinrichtung bestimmt aus den Vorgaben für Richtung und Fahrt, entsprechend der gewählten Betriebsart, welche der Stellgrößen Steigung und Drehzahl beider Propeller verwendet werden, ermittelt die optimalen Stellgrößenwerte und stellt sie ein. Bei Ausfall eines Propellerantriebes oder eines Stellantriebes passt die Steuereinrichtung ihre Struktur im Sinne einer Notsteuereinrichtung automatisch an. Bei Ausfall eines Propellers wird dieser festgesetzt und seine getauchten Flügel als Ruderblatt für die Richtungssteuerung verwendet. Bei Ausfall eines Stellantriebes erfolgt die Steuerung von Richtung und Geschwindigkeit mit den verbleibenden Stellgrößen oder nur mit Drehzahl oder Steigung der Propeller.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Richtungs- und Fahrtsteuerung von Schiffsantrieben und wird bei Oberflächen-Verstell-Propellern angewendet, die zumindest 30% oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet sind.

Herkömmliche 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.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung zu schaffen, welche die Stellgrößen Drehzahl und Steigung beider Propeller, die der Fahrtsteuerung dienen, auch für die Richtungssteuerung zu nutzen. Stelleinrichtungen, wie Ruderblatt, Ruderdüse, Azipodpropeller, die ihre Ausrichtung in Bezug auf die Schiffslängsachse zum Zweck der Schiffssteuerung ändern, sollen nicht eingesetzt werden.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bis 8 angegebenen Lösungen für eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zur Steuerung von Schiffsantrieben mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern gelöst.

Die Steuereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtungsänderung allein durch die Einstellung der Sollwerte für die vier Stellgrößen Drehzahl/Drehrichtung und Steigung der beiden Propeller erfolgt. Dadurch ist es möglich, dass keine direkt auf die Richtungsänderung wirkende Stelleinrichtungen wie Ruderblatt, Ruderdüse, Azipodpropeller genutzt werden muss. Für die Sollwertvorgabe wird ein kombinierter analoger Sollwertgeber für Richtung und Fahrt oder je einer für Richtung (Handrad oder Pinne) und Fahrt (MT-Geber) verwendet. Entsprechend der Vorgaben der Bedienelemente für Richtung und Fahrt und entsprechend der gewählten Betriebsarten Marschfahrt (Freifahrt), Manövrieren, Drehen auf Position, Traversieren werden automatisch aus den zur Verfügung stehenden Stellgrößen Propellerdrehzahl/-drehrichtung und Propellersteigung die notwendigen Stellgrößen ausgewählt, deren optimalen Sollwerte ermittelt und eingestellt.

Bei Ausfall des Antriebsmotors eines Propellers wird dessen Welle in der momentanen oder einer definierten Stellung festgesetzt. Die Propellerflügel werden so verstellt, dass die getauchten Flügel die Funktion eines Ruderblattes übernehmen und damit die Richtungssteuerung erfolgt. Der noch aktive Propeller dient der Umsetzung der Vorgaben für die Fahrt und dient dem Vortrieb des Schiffes, wobei die Steuerungsstruktur automatisch entsprechend geändert wird. Die Flügel des ausgefallenen Propellers werden als Notruderblatt geschwindigkeitsabhängig in eine „Nulllage" gestellt, die der Geradeausfahrt entspricht.

Bei Ausfall eines Antriebsmotors stellen sich die Kennlinien für Steigung und Drehzahl des noch aktiven Propellers so ein, dass die Querkomponente klein im Verhältnis zur Längskomponente des Propellerschubes ist.

Bei Ausfall eines Stellantriebes für Drehzahl und Steigung der Propeller erfolgt die Steuerung von Richtung und Geschwindigkeit mit den noch zur Verfügung stehenden Stellgrößen oder nur mit Drehzahl oder Steigung der Propeller, wobei die Steuerungsstruktur automatisch entsprechend geändert wird.

Das Verfahren zur Steuerung von Schiffsantrieben mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

– Die Steuerungsstruktur wird in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsart und den verfügbaren Stellgrößen ermittelt.
– Die Stellgrößen werden in Abhängigkeit von den momentanen Sollwerten und der angestrebten Sollwertänderung für Fahrt und Richtung bestimmt und die Sollwertänderungen der ermittelten Stellgrößen werden für Fahrt und Richtung berechnet.
– Die notwendigen Stellgrößen, die für die Umsetzung der jeweiligen Sollwertvorgaben für Richtung und Fahrt erforderlich sind, werden automatisch in Abhängig von der gewählten Betriebsart der Steuerung aus den zur Verfügung stehenden Stellgrößen Propellerdrehzahl/-drehrichtung und Propellersteigung ausgewählt und die optimalen Sollwerte werden ermittelt und eingestellt.

Die Besonderheit des oberflächenschneidenden Propellers ist, dass die getauchten Flügel neben der Längs- auch eine Querkraftkomponente erzeugen, 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. Die Ausrüstung eines solchen Schiffes mit einem Ruderblatt und dessen Stellantrieb oder einem anderen richtungsändernden Stellantrieb (für die Änderung der Richtungswirkung des Propellers) ist nicht erforderlich.

Mit der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung und dem Verfahren werden die Stellgrößen beider Propeller so eingesetzt, dass eine optimale Umsetzung der Vorgaben für eine Richtungs- und Fahrtänderung erfolgt und bei Ausfall eines Propellers die Steuerfähigkeit des Schiffes erhalten bleibt.

Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungen für die Steuereinrichtung näher erläutert. Es zeigen:
1: Struktur der Steuereinrichtung mit kombiniertem Sollwertgeber
2: Struktur der Steuereinrichtung bei Ausfall des Propellerantriebes Steuerbord
3: Struktur der Steuereinrichtung bei Ausfall eines Stellantriebes Propellerdrehzahl
4: Struktur der Steuereinrichtung bei Ausfall eines Stellantriebes Propellersteigung
5: Funktionsstruktur der Steuereinrichtung
Die Erfindung betrifft ein System für die Richtungs- und Fahrtsteuerung von Schiffen mit langsamlaufenden, oberflächenschneidenden (halbtauchenden) Doppel-Verstellpropellern. Die Oberflächen-Verstell-Propeller sind zumindest 30% oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet. Es wird keine direkt auf die Richtungsänderung wirkende Stelleinrichtung verwendet.
Die kombinierte Steuereinrichtung (1) ermittelt für die Vorgaben für Richtung (8) und Fahrt (7) die optimalen Sollwerte für die vier Stellgrößen Drehzahl/Drehrichtung (11) und Steigung (13) beider Propeller. Die Vorgaben können mit einem kombinierten Sollwertgeber (6), siehe auch 1, oder mit getrennten Sollwertgebern erfolgen.
Entsprechend der Funktionsstruktur der Steuereinrichtung (5) ermittelt diese in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsart (9) und den zur Verfügung stehenden Stellgrößen die optimale Steuerungsstruktur. 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 (10/14, 12/16) übergeben. Dazu ermittelt (berechnet) die kombinierte Steuereinrichtung (1) auf Basis einer Kombinatorkurve für die vorgegebenen Fahrt die Stellgrößen Drehzahl (11) und Steigung (13) 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-(Fahrt-)Verlust eine resultierende Querkraftkomponente beider Propeller (scheinbare Ruderwirkung) einstellt, welche die Richtungsvorgabe umgesetzt.
Bei Ausfall eines Propellerantriebes (15), siehe 2 (n = 0), ist die Einstellung einer resultierenden Querkraftkomponente zwischen beiden Propellern entsprechend der Vorgabe für die Richtung nicht möglich. In diesem Fall wird die Welle des ausgefallenen Propellers durch die Steuerung mit einer Feststelleinrichtung (16) in der momentanen oder einer definierten Stellung festgesetzt (Auslösung Feststelleinrichtung (17)) und die getauchten Flügel des Propellers (23) als Ruderblatt verwendet. Die Steuereinrichtung (2; 2 und 3) passt ihre Struktur bei Ausfall eines Propellerantriebes automatisch an und stellt die Flügel des ausgefallenen Propellers geschwindigkeitsabhängig in eine „Nulllage", die der Geradeausfahrt entspricht. Die Vorgabe für die Richtung wird durch die Steuereinrichtung (3) in einen Steigungswinkel (12, 16) umgesetzt, der die entsprechende Ruderwirkung erzeugt.
Der noch aktive Propeller (22) dient der Umsetzung der Vorgaben für die Fahrt. Durch die Steuereinrichtung (2) wird die optimale Kennlinie für Steigung und Drehzahl (Propeller Backbord) so eingestellt, dass die Querkraftkomponente klein im Verhältnis zur Längskraftkomponente des Propellerschubes ist.
Bei Ausfall eines Stellantriebes wird die Drehzahl (3) oder Steigung (4) des entsprechenden Propellers oder beider Propeller durch eine entsprechende Einrichtung (18, 19) oder manuell auf den Nennwert fest eingestellt. Die Steuereinrichtung (4, 5) passt ihre Struktur bei Ausfall eines Stellantriebes automatisch an und nutzt die verbleibenden Stellgrößen oder nur die Steigung (3) oder Drehzahl (4) beider Propeller für die Steuerung der Richtung und Fahrt. Die Betriebsarten Drehen auf Position und Traversieren sind für diesen Fall eingeschränkt.

1: kombinierte Steuereinrichtung
2: Steuereinrichtung für die Stellgrößen Drehzahl und
: Steigung Propeller Backbord
3: Steuereinrichtung für die Propellersteigung steuerbord
: zur Richtungssteuerung
4: Steuereinrichtung für die Steigung beider Propeller
5: Steuereinrichtung für die Drehzahl beider Propeller
6: Kombinierter Sollwertgeber
7: Vorgabe Fahrt
8: Vorgabe Richtung
9: Aktuelle Betriebsarten
10: Drehzahlregler
11: Solldrehzahl
12: Steigungsregler
13: Sollsteigung
14: Stellantrieb Propellerdrehzahl
15: Ausfall Propellerantrieb (n = 0)
16: Feststelleinrichtung Propeller
17: Auslösung Feststelleinrichtung
18: Festeinstellung Nenndrehzahl
19: Festeinstellung Nennsteigung
20: Stellsignal
21: Istwert
22: Oberflächenschneidender Propeller
23: Festgesetzter Oberflächenschneidender Propeller

Claims

Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtungsänderung allein durch die Einstellung der Sollwerte für die vier Stellgrößen Drehzahl/Drehrichtung und Steigung der beiden Propeller erfolgt und keine direkt auf die Richtungsänderung wirkende Stelleinrichtungen wie Ruderblatt, Ruderdüse, Azipodpropeller genutzt werden.
Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für die Sollwertvorgabe ein kombinierter analoger Sollwertgeber für Richtung und Fahrt oder je einer für Richtung und Fahrt verwendet wird.
Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall des Antriebsmotors eines Propellers dessen Welle in der momentanen oder einer definierten Stellung festgesetzt wird und die Propellerflügel so verstellt werden, dass die getauchten Flügel die Funktion eines Ruderblattes übernehmen und damit die Richtungssteuerung erfolgt und der noch aktive Propeller der Umsetzung der Vorgaben für die Fahrt dient, wobei die Steuerungsstruktur automatisch entsprechend geändert wird.
Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel des ausgefallenen Propellers als Notruderblatt geschwindigkeitsabhängig in eine „Nulllage" gestellt werden, die der Geradeausfahrt entspricht.
Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Antriebsmotors die Kennlinien für Steigung und Drehzahl des noch aktiven Propellers sich so einstellen, dass die Querkomponente klein im Verhältnis zur Längskomponente des Propellerschubes ist.
Steuereinrichtung für Schiffsantriebe mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Stellantriebes für Drehzahl und Steigung der Propeller die Steuerung von Richtung und Geschwindigkeit mit den verbleibenden Stellgrößen oder nur mit Drehzahl oder Steigung der Propeller erfolgt, wobei die Steuerungsstruktur automatisch entsprechend geändert wird.
Verfahren zur Steuerung von Schiffsantrieben mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsstruktur in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsart und den verfügbaren Stellgrößen ermittelt wird, die Stellgrößen in Abhängigkeit von den momentanen Sollwerten und der angestrebten Sollwertänderung für Fahrt und Richtung bestimmt werden und die Sollwertänderungen der ermittelten Stellgrößen für Fahrt und Richtung berechnet werden.
Verfahren zur Steuerung von Schiffsantrieben mit oberflächenschneidenden Doppel-Verstellpropellern nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass automatisch in Abhängig von der gewählten Betriebsart der Steuerung aus den zur Verfügung stehenden Stellgrößen Propellerdrehzahl/-drehrichtung und Propellersteigung eine oder mehrere notwendige Stellgrößen ausgewählt werden, die für die Umsetzung der jeweiligen Sollwertvorgaben für Richtung und Fahrt erforderlich sind, und die optimalen Sollwerte ermittelt und eingestellt werden.