-
Vorrichtung zur Erzeugung wechselnder Impulse auf einen Körper Die
den Gegenstand der Erfindung bildende Vorrichtung zur Erzeugung wechselnder Impulse
auf einen Körper ist insbesondere bestimmt zur Bekämpfung von Schwingungen eines
Körpers, mit dem sie verbunden ist, und ganz besonders zur Bekämpfung des Rollens
und Stampfens von Schiffen.
-
Bekannt ist eine Vorrichtung zur Erzeugung wechselnder Impulse auf
einen Körper zur Bekämpfung seiner Schwingungen um eine Achse, insbesondere zur
Bekämpfung der Rollbewegung eines Schiffes, bestehend aus zwei sich in geschlossenen,
mit dem Körper verbundenen Kreisläufen in zueinander entgegengesetzter Richtung
bewegenden Flüssigkeitsmengen, die gemeinsam eine konstante Menge bilden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad dieses
bekannten Gerätes zu verbessern, d. h. mit einem geringeren Aufwand an Leistung
gleich große Wirkungen zu erzielen.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, und die Erfindung besteht, ausgehend
von der bekannten, vorstehend beschriebenen Vorrichtung, darin, daß die beiden Kreisläufe
in zur Schwingungsachse senkrechten Ebenen liegen, daß Steuerorgane die Kreisläufe
miteinander verbinden und nach Wunsch die Überführung der Flüssigkeit vom ersten
Kreislauf in den zweiten Kreislauf, und umgekehrt, gestatten und daß in verschiedenen
Punkten der beiden Kreisläufe Organe angeordnet sind, die die Geschwindigkeit der
Flüssigkeit unter Ausgleich der Verluste im wesentlichen konstant halten.
-
Ist, wie bei der bekannten Vorrichtung, ein Stabilisierungssteuergerät
vorgesehen, so erfolgt, von ihm ausgehend, über Servoäntriebe, insbesondere Servomotoren,
der Antrieb der Steuerorgane.
-
Im nachfolgenden soll zur Erleichterung der Schilderung der Fall der
Anwendung der Erfindung auf die Dämpfung des Rollens eines Schiffes betrachtet werden.
-
Es wird davon ausgegangen, daß bei der Vorrichtung eine Symmetrieachse
vorliegt, die annähernd parallel zur Mittelachse der Rollbewegung verläuft. Diese
Achse wird »Hauptachse« der Vorrichtung genannt.
-
Unter diesen Bedingungen erscheint es, wenn eine gewisse Flüssigkeitsmasse
m gegeben ist, die in einer mit dem Schiffsrumpf fest verbundenen Leitung mit einer
Geschwindigkeit V und mit einer Entfernung R von der Hauptachse umläuft, nützlich,
an die folgenden Tatsachen zu erinnern: a) Die Bewegungsgröße der Masse m ist das
Produkt m V.
-
b) Das Moment dieser Bewegungsgröße in bezug auf die Hauptachse der
Vorrichtung ist das Produkt M =mVR.
-
c) Wenn das Produkt m V R veränderlich ist, übt die Flüssigkeitsmasse
auf das Schiff ein Drehmoment C aus, dessen Wert, bezogen auf die Hauptachse,
ist, gemäß dem Lehrsatz über die Momente der Bewegungsgrößen.
-
d) Der Wert dieses Drehmoments C ist gemäß einem bekannten Lehrsatz
derselbe in bezug auf jede zur Hauptachse parallele Achse, also in bezug auf die
Mittelachse der Rollbewegung, wenn man die Bewegung des Schwerpunktes der Flüssigkeitsmasse
unberücksichtigt läßt.
-
Es ist somit nicht notwendig, daß die Hauptachse der Vorrichtung mit
der Rollachse zusammenfällt; vielmehr genügt es, daß sie im wesentlichen parallel
zu ihr läuft. Um ein die Rollbewegung dämpfendes Drehmoment zu erhalten, genügt
es, die Größe M = m R V mit der Zeit im Takt der Rollbewegung zu ändern.
Es gibt Vorrichtungen, die zu diesem Zweck die Änderungen der Geschwindigkeit, d.
h. eine Beschleunigung oder Verzögerung einer Flüssigkeitsmasse, ausnutzen.
-
Im Gegensatz hierzu verwendet die Erfindung eine Flüssigkeitsmasse,
die im wesentlichen mit gleichbleibender Geschwindigkeit umläuft.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Kreisläufe 1 und 2,
die durch mit dem Schiffsrumpf verbundene Leitungen gebildet werden, in einer zur
Mittelachse der Rollbewegung senkrechten gemeinsamen Ebene oder in senkrecht zu
dieser Achse verlaufenden benachbarten Ebenen angeordnet. Die Kreisläufe 1 und 2
sind untereinander durch Leitungen verbunden, die durch Steuerorgane 6 und 9 abgesperrt
werden können.
In jedem der Kreisläufe 1, 2 bewegt sich eine gewisse
Flüssigkeitsmenge, die in jedem Augenblick veränderlich ist, aber die gesamte Flüssigkeitsmenge
m ist konstant.
-
In dem Kreislauf 1 bewegt sich die Flüssigkeit in einer bestimmten
Umlaufrichtung, die zur Festlegung der Begriffe als »positive« Richtung bezeichnet
werden soll. In dem Kreislauf 2 bewegt sie sich in entgegengesetzter, also »negativer«
Richtung.
-
Die Umlaufgeschwindigkeit V ist in jedem Kreislauf dieselbe und im
wesentlichen konstant. Wenn ml die Flüssigkeitsmasse ist, die sich in einem gegebenen
Augenblick im Kreislauf 1 befindet, und m2 die Flüssigkeitsmasse, die sich im gleichen
Augenblick im Kreislauf 2 befindet, so ist die Summe ml + m2 konstant und gleich
m der Gesamtmasse der Flüssigkeit.
-
Man kann zur Vereinfachung der Schilderung der Erfindung annehmen,
daß die Kreisläufe 1 und 2 identisch sind und im wesentlichen die Form von Umdrehungsringen
mit dem mittleren Radius R haben.
-
Unter diesen Bedingungen ist im gegebenen Augenblick das Moment der
Bewegungsgröße der im Kreis lauf 1 enthaltenen Flüssigkeit 1171 = ml
R V ;
das Moment der Bewegungsgröße der im Kreislauf 2 enthaltenen Flüssigkeit,
die entgegengesetzt zu der im Kreislauf 1 enthaltenen Flüssigkeit umläuft, 1t72
= m2 R (-V) = -m2 R V ;
das Gesamtmoment der Bewegungsgröße der gesamten Flüssigkeit
M=M1+M2=m1RV-m2RV; M = (ml - m2) R V.
Wie oben in Erinnerung gerufen
wurde, wird, wenn man M sich ändern läßt, auf den Schiffsrumpf ein Drehmoment im
Werte von
ausgeübt. Hier erhält man
R ist ein fester Wert, und wenn man V konstant hält, ergibt sich
Um ein dämpfendes Drehmoment auf den Schiffsrumpf zu erhalten, obgleich die Geschwindigkeit
V der Flüssigkeit auf einem konstanten Wert gehalten wird, braucht man nur die Massen
ml und m2 in passender Weise zu ändern, mit anderen Worten: man braucht nur mehr
oder weniger Flüssigkeit aus dem Kreislauf 1 unter Wahrung ihrer Geschwindigkeit
in den Kreislauf 2, oder umgekehrt, übertreten zu lassen.
-
Hierbei geschieht folgendes: a) Während einer Rollphase geht ein Teil
der Flüssigkeit vom Kreislauf 1 in den Kreislauf 2 über, wodurch m2 vergrößert wird
und ml in gleichem Maße abnimmt.
-
b) Während der folgenden Rollphase findet zur Umkehrung des auf den
Schiffsrumpf ausgeübten Drehmoments das Umgekehrte statt, d. h., wenigstens ein
Teil der im Kreislauf 2 umlaufenden Flüssigkeit wird in den Kreislauf 1 übergeleitet.
-
c) Im übrigen kann es vorkommen, daß die gesamte oder annähernd die
gesamte Flüssigkeit in gewissen Augenblicken in einem einzigen Kreislauf umläuft.
Der Umlauf der Flüssigkeit und besonders ihre Verteilung auf die Kreisläufe 1 und
2 ist von der Steuervorrichtung 6 und 7 abhängig.
-
Aus vorstehendem ergibt sich, daß der Umlauf der Flüssigkeit in den
Kreisläufen 1 und 2 im wesentlichen periodisch wäre, wenn die Rollverhältnisse selbst
im wesentlichen periodisch wären. Es ist indessen bekannt, daß in Wirklichkeit die
Rollvorgänge verwickelter sind.
-
Das Bewegen der Steuerorgane geschieht im allgemeinen mit Hilfe von
Betätigungsorganen, z. B. von auf die Schieber wirkenden Servomotoren. Die Bewegung
dieser Betätigungsorgane wird von bekannten Stabilisierungssteuergeräten gesteuert,
die verschiedene Faktoren, besonders den Rollwinkel, den Wasserdruck auf den Schiffsrumpf
usw. messen.
-
Zum Messen dieser Faktoren kann man in bekannter Weise, wie es bei
verschiedenen zur Zeit benutzten Stabilisierungsvorrichtungen geschieht, Apparate
verwenden, die auf verschiedene Parameter ansprechen, die man zur Dämpfung der Rollbewegungen
einsetzen kann.
-
Man kann insbesondere zum Messen des Rollwinkels Pendel, kleine Kreisel
usw. verwenden.
-
Zum Messen des Wasserdruckes kann man Manometer verschiedener Art
und insbesondere piezoelektrische Manometer verwenden.
-
Die Steuerorgane (beispielsweise Schieber) verteilen in jedem Augenblick
t die Flüssigkeit auf die Kreisläufe i und 2 (allgemeiner auf die verschiedenen
Kreisläufe 1 und die verschiedenen Kreisläufe 2).
-
Die die Kreisläufe 1 und 2 bildenden Leitungen und die Steuerorgane
übertragen in jedem Augenblick t auf den Schiffsrumpf die den Rollbewegungen entgegenwirkenden
dämpfenden Kräfte.
-
Die Erfindung weist verschiedene wesentliche Unterschiede gegenüber
den bekannten Vorrichtungen auf, die in Bewegung befindliche Flüssigkeiten verwenden,
und bietet ihnen gegenüber sehr erhebliche Vorteile. Gegenüber anderen Vorrichtungen
zur Bekämpfung von Rollbewegungen bietet sie ebenfalls Vorteile.
-
Ein Hauptunterschied gegenüber den Vorrichtungen, die mit bewegten
Flüssigkeiten arbeiten, besteht darin, daß eine Flüssigkeit verwendet wird, die
sich in konstanter Bewegung befindet. Die Flüssigkeit unterliegt weder einer Beschleunigung
noch einer Verzögerung. Es findet daher keine Änderung der lebendigen Kraft statt.
Die gesamte lebendige Kraft der Flüssigkeit 1/2M V2 = 1/2M, V2 + 1/2M2 h2 ist konstant.
-
Es brauchen nur leistungsschwache Motoren vorgesehen zu werden, um
diese lebendige Kraft aufrechtzuerhalten und die kleinen Verluste auszugleichen,
die sich aus dem Umlauf der Flüssigkeit in den Leitungen ergeben. Diese Leitungen
selbst sind so ausgestaltet, daß die Umlaufverluste auf ein Minimum begrenzt werden,
und insbesondere wird ihre Innenfläche so glatt wie möglich gehalten.
-
Die Verwendung kleiner Leistungen bedeutet eine sehr wichtige Überlegenheit,
insbesondere gegenüber Stabilisierungsanlagen, die Wasser aus dem Meer ansaugen,
um es sodann wieder in das Meer zurückzufördern, und die somit viel größere Leistungen
erfordern. Überdies bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung auch sehr große Vorteile
gegenüber Apparaten, die eine Flüssigkeit in geschlossenem Kreislauf verwenden,
bei denen jedoch Beschleunigungen und Verzögerungen auf die Flüssigkeiten ausgeübt
werden. Tatsächlich bedingen diese Beschleunigungen und Verzögerungen viel größere
Leistungen.
Außer diesem sehr wichtigen Vorteil, der in der erheblichen
Herabsetzung des Energieverbrauches liegt, bietet die Erfindung insbesondere noch
die folgenden Vorteile 1. Die verwendete Flüssigkeitsmasse ist verhältnismäßig klein,
denn zur Erzeugung eines gegebenen Drehmoments C kann der von ihr durchflossene
Kreislauf bequem große nutzbare Umlaufradien aufweisen.
-
2. Die bauliche Ausführung ist sehr einfach.
-
3. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbraucht weniger Raum und ist
weniger schwer als die mit Schlingertanks.
-
4. Sie erfordert keine nennenswerten Änderungen am Schiffsrumpf.
-
5. Sie spricht so gut wie unverzüglich an.
-
6. Sie kann leicht in großen Serien hergestellt werden. 7. Sie bietet
in verschiedenen Fällen gegenüber Vorrichtungen gemäß einer früheren Anmeldung des
Anmelders verschiedene, insbesondere die folgenden Vorteile: a) Verkleinerung des
Gewichts und des Raumbedarfs, b) Verkleinerung der zum Unterhalt der Bewegung der
Flüssigkeitsmasse erforderlichen Leistung, c) Herabsetzung der Koten.
-
Einer der Gründe für diese Vorteile ist der, daß der Durchmesser der
Flüssigkeitskreisläufe sehr viel größer als der der Flüssigkeitsringe gemäß der
genannten Voranmeldung sein kann, woraus sich die Möglichkeit ergibt, die Flüssigkeitsmasse
und ihre Geschwindigkeit herabzusetzen.
-
Die Erfindung wird nachstehend an in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung
zur Bekämpfung der Rollbewegungen eines Schiffes, Fig. 2 eine zugehörige Einzelheit,
Fig. 3 schematisch, von der Seite des Schiffes gesehen, eine Vorrichtung mit drei
auf die Schiffslänge verteilten Kreislaufpaaren; Fig. 4, 5 und 6 beziehen sich auf
eine Vorrichtung zur Dämpfung der Stampfbewegungen eines Schiffes. Gemäß Fig. 1
sind zwei Kreisläufe 1 und 2 vorgesehen.
-
Der Kreislauf 1 liegt in einer zur Hauptachse 3, die selbst zur Mittelachse
der Rollbewegungen parallel ist, senkrechten Ebene. Der Kreislauf 2 liegt in einer
ebenfalls zur Achse 3 senkrechten anderen Ebene.
-
In Fig. 1 sind Verbindungsleitungen 4 und 5, die die Kreisläufe 1
und 2 miteinander verbinden, und Drehschiebler 6 und 7 vorgesehen, die um Achsen
8 und 9 beweg ich sind. Ferner zeigt sie die zum Unterhalt der Flüssigkeitsbewegungen
dienenden Organe, die schematisch durch Propeller 10 und 11 dargestellt sind. Die
Anzahl dieser Propeller kann beliebig sein. In Fig. 1 sind drei Propeller für jeden
Kreislauf vorgesehen.
-
Die Vorrichtung wirkt wie folgt: In jedem Augenblick t läuft im Kreislauf
1 eine Flüssigkeitsmenge ml mit einer Geschwindigkeit V in Richtung des Pfeiles
F1 um. Das Moment der Bewegungsgröße dieser Flüssigkeitsmenge in bezug auf die Achse
3 ist Ml.
-
Gleichzeitig läuft im Kreislauf 2 eine Flüssigkeitsmenge m2 in Richtung
des Pfeiles F2 mit einer Geschwindigkeit - V um. Das Moment der Bewegungsgröße dieser
Flüssigkeitsmenge, auf die Achse 3 bezogen, ist M2.
-
Wie oben angegeben, genügt es, um auf das Schiff ein Drehmoment um
eine zur Rollachse parallele Achse auszuüben, Flüssigkeit aus dem Kreislauf 1 in
den Kreislauf 2, oder umgekehrt, übertreten zu lassen, wodurch die Massen ml und
m2 und die Momente Ml und M2 verändert werden. Der Übergang der Flüssigkeit von
einem Kreislauf in den anderen muß mehr oder weniger schnell vor sich gehen, um
der oben abgeleiteten Größe den in jedem Augenblick t zweckmäßigen Wert zu geben.
Während dieser Überleitung übt die Flüssigkeit auf die Leitungen der Kreisläufe
1 und 2 (einschließlich der Steuerorgane) Drehmomeate aus, die in diesem Augenblick
gerade die die Rollbewegung dämpfenden Drehmomente sind. Diese Momente werden auf
den Schiffsrumpf durch die mit ihm fest verbundenen Leitungen übertragen.
-
Die Steuerorgane wirken wie folgt: In Fig. 1 stehen die Drehschieber
6 und 7 so, daß die Flüssigkeit vom Kreislauf 1 in den Kreislauf 2 übergeht. Infolgedessen
nimmt der absolute Wert des Moments Ml der Bewegungsgröße der Flüssigkeit des Kreislaufs
1 ab, während der absolute Wert des Moments M2 zunimmt.
-
Umgekehrt stellt sich in den Augenblicken, in denen auf den Schiffsrumpf
ein umgekehrtes Drehmoment ausgeübt werden muß, der Schieber 6 unter Drehung um
seine Achse 8 in Richtung auf die Verbindungsleitung 4 ein, während der Schieber
7 unter Drehung um seine Achse 9 sich in Richtung auf die Leitung 1 einstellt und
die Flüssigkeit des Kreislaufs 2 in den Kreislauf 1 entleert wird.
-
Die Schieber 6 und 7 werden durch Servoantriebsorgane, z. B. durch
hydraulische, pneumatische oder elektrische Servomotoren, bewegt.
-
Fig. 1 zeigt einen allgemein bekannten hydraulischen Schieberantrieb.
Der Schieber 7 mit Achse 9 ist fest mit einem Kurbelarm 12 verbunden, an den bei
13 die Stange 14 eines hydraulisch betätigten Kolbens 15 angelenkt ist, der sich
in einem Zylinder 16 bewegen kann. Dieser Zylinder kann selbst um eine Achse 17
schwingen, die fest mit dem Schiffsrumpf verbunden ist.
-
Biegsame Leitungen 18 und 19 führen dem Zylinder 16 Druckflüssigkeit
(Wasser oder Öl) beiderseits des Kolbens 15 zu.
-
Die Servomotoren werden von dem obenerwähnten selbsttätigen Stabilisierungssteuergerät
gesteuert.
-
Die die Flüssigkeitsbewegung unterhaltenden Organe 10 und 11 können
insbesondere Pumpen geeigneter Bauart sein. Für einen gegebenen Rollbewegungsverlauf
ist ihre Geschwindigkeit gewöhnlich konstant, jedoch kann beim Übergang von einem
Rollverlauf zu einem andern ein Interesse daran bestehen, ihre Geschwindigkeit sich
ändern zu lassen. Für eine starke Rollbewegung wird die Geschwindigkeit größer sein
können als für eine schwache Rollbewegung.
-
Fig. 2 zeigt in größerem Maßstabe ein an sich bekanntes Organ zur
Aufrechterhaltung der Flüssigkeitsbewegung. Mit 20 ist schematisch das Gehäuse eines
Elektromotors bezeichnet, der mit der in seinem Bereich erweiterten Rohrwand durch
Arme 21 verbunden ist und zum Antrieb eines Propellers 22 dient, dessen Flügel eventuell
verstellbar sind.
-
In den verschiedenen Ausführungsformen hängt die Zahl der Kreislaufpaare
von den Anwendungsfällen, z. B. von der Größe der Schiffe usw., ab.
-
Die Fig. 4, 5 und 6 beziehen sich auf eine Anwendung der Erfindung
zum Zwecke der Dämpfung der Stampfbewegungen eines Schiffes. Es ist bekannt, daß
die Drehmomente der Stampfbewegungen im allgemeinen viel größer als die der Rollbewegungen
sind.
-
Die angewandten Mittel sind grundsätzlich dieselben wie für die Dämpfung
der Rollbewegungen, jedoch laufen die Flüssigkeitskreisläufe 1 und 2 statt um die
zur Mittelachse der Rollbewegungen parallele Achse 3 um eine oder mehrere Achsen,
die senkrecht zur Längsachse des Schiffes liegen.
-
In Fig. 4 sind die Kreisläufe 1 und 2 von oben gesehen. Sie sind untereinander
durch Verbindungsleitungen 4 und 5 verbunden, die ähnlich denen der Fig. 1 sind.
-
Fig. 5 ist eine Seitenansicht.
Fig.6 zeigt Steuerorgane,
die denen der Fig. 1 entsprechen und in analoger Weise mit Organen zur Aufrechterhaltung
der Flüssigkeitsbewegung zusammenarbeiten, die ebenfalls denen der Fig.l entsprechen.
-
In den vorstehenden Ausführungen sind die Einflüsse der Verschiebungen
des Schwerpunktes der Flüssigkeitsmasse selbst unberücksichtigt gelassen. In gewissen
Fällen könnten diese Einflüsse schädlich sein. Wenn man z. B. den Fall der Fig.
3 in Betracht zieht, sieht man, daB der Schwerpunkt der Flüssigkeitsmasse von den
Ebenen 1 auf die Ebenen 2 übergeht, und umgekehrt. Es ergeben sich daraus Trimmwirkungen
von hinten nach vorn und dann von vorn nach hinten usw.
-
Es gibt Fälle, in denen dies keine Unzuträglichkeiten mit sich bringt.
Im Falle von Unzuträglichkeiten kann man die Kreisläufe 1 und 2 so anordnen, daB
der Schwerpunkt der gesamten Flüssigkeitsmasse eines jeden Paares von zwei Kreisläufen
unbeweglich oder im wesentlichen unbeweglich ist.
-
Ähnliche Anordnungen könnten im Falle von Vorrichtungen zur Bekämpfung
der Stampfbewegungen (Fig. 4) vorgesehen werden, um zu vermeiden, daB eine Vorrichtung
zum Bekämpfen des Stampfens eine Rollbewegung oder andere Störungen herbeiführen
kann.
-
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann man die verschiedenartigsten
Formen der Kreisläufe verwenden und insbesondere die Kreisläufe 1 und 2 im Verhältnis
zueinander in anderer Weise anordnen, als in den Ausführungsbeispielen dargestellt
wurde, z. B. in einer und derselben Ebene und ganz allgemein auf die verschiedensten
Arten.
-
Natürlich ist die Erfindung auch auf andere Gegenstände als auf Schiffe
anwendbar, insbesondere z. B. auch auf Luftfahrzeuge.
-
Es können auch verschiedenartige Flüssigkeiten verwendet werden, z.
B. Wasser, Öl, Quecksilber usw. Der Widerstand gegen den Umlauf der Flüssigkeit
in den Leitungen kann auf jede beliebige Weise herabgesetzt werden, gegebenenfalls
dadurch, daB man in diesen Leitungen ein mehr oder weniger hohes Vakuum schafft.
Insbesondere wird man auch die Innenflächen der Leitungen möglichst glatt halten.