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Verfahren und Vorrichtung zum Umsteuern einer Schiffsantriebsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umsteuern einer Schiffsantriebsanlage,
bestehend aus einer Turbine hoher Leistung und aus einem Wendegetriebe, welches
mit Reibungskupplungen für jede Fahrtrichtung schaltbar ist, durch welches nach
Lösen der für die betreffende Fahrtrichtung zuletzt in Betrieb gewesenen Reibungskupplung
die gesamte Maschinenanlage in zwei Gruppen, nämlich die Turbine mit Antriebsritzel
und Vorgelege sowie mit der damit fest verbundenen Kupplungshälfte einerseits und
dem Propeller mit Wellenleitung, Hauptgetrieberad und abtriebsseitigem Vorgelege
sowie mit der zugehörigen damit fest verbundenen anderen Kupplungshälfte andererseits
unterteilt wird und durch welches beim Umsteuern gleichzeitig mit dem Lösen dieser
Reibungskupplung die abtriebsseitige Getriebegruppe abgebremst wird.
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Bekanntlich sind Turbinen nicht umsteuerbare Maschinen, welche auch
dann, wenn als Einleitung des Umsteuervorgangs des Getriebes der Dampf abgeschaltet
wird, auf Grund ihrer Massenträgheit lange mit fast unverminderter Drehzahl weiterlaufen.
Hierdurch ergibt sich für den Bau eines Wendegetriebes für Turbinenschiffe eine
große Schwierigkeit.
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Eine weitere Schwierigkeit tritt insbesondere bei großen Schiffen
mit hoher Maschinenleistung dadurch auf, daß das beispielsweise in Vorwärtsfahrt
befindliche Schiff auf Grund seiner großen Masse auch bei Abschaltung des Turbinendampfes
nur langsam seine Geschwindigkeit verringert und daß hierbei die Schiffsschraube
auf Grund des Fahrtstromes weiterhin in der gleichen Richtung und mit nur langsam
abnehmender Drehzahl weitergedreht wird. Die Umsteuerung einer derartigen Antriebsanlage
erfordert daher bei Verwendung der bisher üblichen Getriebe eine verhältnismäßig
lange Zeit und beeinträchtigt die Manövrierfähigkeit des betreffenden Schiffes,
insbesondere in Augenblicken der Gefahr.
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Man hat bereits vorgeschlagen, an Lokomotiven, Schiffen oder dergleichen
Fahrzeugen ein schnelleres Umsteuern des Getriebes ermöglichende Bremsen anzubringen,
welche die umlaufenden Massen abbremsen und hierdurch das Einkuppeln der Antriebsverbindung
der neuen Drehrichtung erleichtern oder überhaupt erst ermöglichen. So wird bei
bekannten Turbinenschiffsantrieben die Schraubenwelle beim Übergang von Vorwärtsfahrt
auf Rückwärtsfahrt und umgekehrt unter gleichzeitigem Abstellen der Dampfzufuhr
zur Turbine so weit abgebremst, daß das Ankuppeln der bis dahin stillstehenden Welle
der bei der entgegengesetzten Fahrtrichtung wirksamen Getrieberäder mittels einer
Klauenkupplung ohne wesentlichen Stoß erfolgen kann. Hierbei kann auch ein Regler
vorgesehen sein, der die Klauenkupplung bei entsprechend abgebremster Drehzahl schließt,
wobei ferner die Relativbewegung der Kupplungsmuffe das gleichzeitige Lüften der
Bremse und den erneuten Dampfeinlaß für die Turbine steuern kann. Eine derart weitgehende
Abbremsung erfordert jedoch viel Zeit, und zwar sowohl zur vollständigen Abbremsung
der Turbine und der Schraubenwelle als auch zur Wiederbeschleunigung der Turbine
nach dem Umschalten des Getriebes.
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Es ist ferner bekannt, für ähnliche Zwecke hydrodynamische Kupplungen
zu verwenden, bei denen die Arbeitsflüssigkeit im Kreislauf mit hoher Geschwindigkeit
durch Kühler getrieben wird. Die bei der Umsteuerung des Getriebes entstehende Energie
erwärmt hierbei lediglich die Arbeitsflüssigkeit, während kein mechanischer Verschleiß
von Kupplungsbelägen entsteht. Derartige Kupplungen erfordern jedoch bei der Umschaltung
ebenfalls beträchtliche Zeit und arbeiten im normalen Betrieb mit einem wesentlich
schlechteren Wirkungsgrad als Reibungskupplungen. Darüber hinaus erfordern sie,
wenn die Übertragung großer Leistungen erforderlich ist, sehr viel Platz. Hinzukommt,
daß derartige Kupplungen verwickelt gebaut und in der Herstellung entsprechend teuer
sind.
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Bekanntlich können aber auch Reibungskupplungen geschlossen werden,
während beispielsweise die eine Kupplungshälfte stillsteht und die andere Kupplungshälfte
mit
einer gewissen Drehzahl umläuft. Beim Schließen der Kupplung tritt zunächst ein
gewisser Schlupf auf, die Kupplung erwärmt sich, und ein mit dem Anlaufen der zu
Anfang stillstehenden Kupplungshälfte immer weiter abnehmender Teil der übertragenen
Energie wird als Wärme vernichtet. Wenn jedoch, wie dies bei modernen Wendegetrieben
der Fall ist, bei denen sämtliche Zahnräder und Ritzel ständig miteinander im Zahneingriff
bleiben, die Kupplungshälften der neu einzuschaltenden Drehrichtung mit entgegengesetztem
Drehsinn umlaufen, setzt die Wärmeaufnahme- und -ableitungsfähigkeit der Kupplung
der Relativgeschwindigkeit, mit der sich ihre Hälften beim Kuppeln gegeneinander
bewegen dürfen, eine bestimmte Grenze, bei deren Überschreiten der Kupplungsbelag
verbrennt oder zumindest außerordentlich schnell verschleißt. Es ist daher bei der
Übertragung von großen Antriebsleistungen nicht möglich, bei voller Antriebskraft
unmittelbar die betreffenden gegensinnig rotierenden Kupplungshälften zu schließen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von
den bekannten Vorrichtungen ein Verfahren vorzuschlagen, nach welchem die Umsteuerung
einer Schiffsantriebsanlage der eingangs genannten Art schneller als bisher durchgeführt
werden kann, ohne daß übermäßiger Verschleiß an den Kupplungen auftritt. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß beim Umsteuern gleichzeitig mit
dem Lösen der für die bisherige Fahrtrichtung wirksamen Kupplung beide obengenannten
Gruppen der Maschinenanlage je für sich so weit abgebremst werden, bis die zwischen
den noch gegensinnig umlaufenden Hälften der für die neue Fahrtrichtung wirksamen
und noch zu schließenden Kupplung als Wärme zu vernichtende Energie innerhalb der
Wärmeaufnahme- und -ableitungsfähigkeit derselben lieb, und daß dann gleichzeitig
die Bremsen gelöst und die noch gegensinnig rotierenden Hälften dieser Kupplung
geschlossen werden.
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Bei der Erfindung wird also die Wärmebelastung der miteinander in
Eingriff zu bringenden Kupplungshälften der neuen Drehrichtung durch Abbremsen sowohl
des antriebsseitigen wie auch des abtriebsseitigen Getriebeteils auf ein technisch
beherrschbares Maß herabgesetzt, wobei die zu betätigenden Kupplungen in der Weise
im Getriebe eingebaut sind, daß eine vollständige Trennung von Antriebs- und Abtriebsseite
erfolgt und je nach den vorliegenden Erfordernissen entweder die eine oder die andere
Seite stärker oder weniger stark abgebremst werden kann, und wobei lediglich darauf
zu achten ist, daß die sich in entgegengesetzten Richtungen drehenden Kupplungshälften
eine Relativgeschwindigkeit nicht überschreiten, bei der die Kupplung beim Schließen
verbrennen würde.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein mit Hilfe hydraulisch betätigter
Reibungskupplungen umsteuerbares Schiffs-Untersetzungs- und Wendegetriebe zur Durchführung
des obigen Verfahrens. Bei diesem Getriebe ist erfindungsgemäß die Anordnung in
der Weise getroffen, daß an der antriebsseitigen Welle bzw. an dem hiermit verbundenen
Vorgelege hydraulische Bremsen angeordnet sind, welche beim Lösen der zuletzt in
Betrieb gewesenen Kupplungen und gleichzeitig mit den an der Propellerwelle bzw.
an dem hiermit verbundenen Vorgelege angeordneten weiteren Bremsen wirksam werden
und nach ausreichender Abbremsung beim Schließen der noch gegenläufig rotierenden
Hälften der Kupplung für die neue Drehrichtung gelöst werden. Hierdurch wird erreicht,
daß die Kupplung für die neue Fahrtrichtung bereits geschlossen wird, während sich
ihre beiden Hälften noch gegensinnig, wenn auch mit verminderter Drehzahl, drehen.
Ein Teil der notwendigerweise beim Umsteuern zu vernichtenden Energie wird also
in den Bremsen, ein anderer Teil in der Kupplung für die neue Fahrtrichtung vernichtet.
Die Umsteuerung erfolgt daher wesentlich schneller, als dies bisher der Fall war.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken löst eine drehzahlabhängige
Steuervorrichtung die beim Lösen der Kupplungen für eine erste Drehrichtung schließenden
Bremsen, sobald die beim Kuppeln der noch gegensinnig umlaufenden Hälften der Kupplung
für die entgegengesetzte Drehrichtung in Form von Wärme zu vernichtende kinetische
Energie nicht mehr über der Wärmeaufnahme- und -ableitungsfähigkeit derselben liegt.
Auf diese Weise wird vermieden, daß die Turbine beim Kuppeln der sich noch gegensinnig
drehenden Kupplungshälften gegen die Bremsen arbeitet.
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Obgleich für die Verwirklichung der Erfindung keine besondere Form
einer mit Schlupf arbeitenden Kupplung oder Bremse erforderlich ist, ist die Verwendung
von hydraulisch betätigten Reibungskupplungen, deren miteinander in Eingriff gelangende
Oberflächen mit V-förmigen Ringnuten versehen sind, sowie von hydraulisch betätigten
Bremsen besonders vorteilhaft, wobei die Kupplungen und Bremsen an eine gemeinsame
Druckmittelquelle angeschlossen sein können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung beispielhaft
näher erläutert. Es zeigt Fig.1 ein erfindungsgemäßes Schiffs-Untersetzungs-und
Wendegetriebe im Grundriß, Fig.2 ein anderes Ausführungsbeispiel des Getriebes nach
Fig. 1, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Getriebes,
ebenfalls im Grundriß dargestellt, mit zwei Antriebsmaschinen, Fig. 4 eine schematische
Darstellung der Umsteuervorrichtung für das erfindungsgemäße Getriebe, Fig. 5 die
Anordnung des Getriebes sowie der zugehörigen Bremsen und Kupplungen und der Antriebsmaschine
in einem Schiff in schematischer Darstellung und Fig. 6 eine schematische Darstellung
des Ablaufs eines Umsteuerungsvorgangs.
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In Fig. 1 ist ein mit einer Antriebs- und einer Abtriebswelle versehenes
Wendegetriebe dargestellt. Ein auf der Antriebswelle 1 befestigtes Ritzel 2 kämmt
mit den Zwischenrädern 3, 3 zweier Vorgelege, deren abtriebsseitige Zahnräder 4,
4 den äußeren Teil der Kupplungen 4', 4' für Vorwärtsfahrt bilden. Die äußeren Teile
der Kupplung 4', 4' stehen mit den entsprechend gezahnten äußeren Teilen der Kupplungen
5', 5' für Rückwärtsfahrt im Eingriff. Der innere Teil der in den Rädern 4, 4 angeordneten
Kupplungen 4', 4' ist mit den Zahnrädern 6, 6 verbunden, die mit dem auf der Abtriebswelle
8 angeordneten Hauptgetrieberad 7 kämmen. In gleicher Weise treiben die inneren
Teile der in den Rädern 5, 5 angeordneten Kupplungen 5', 5' die Zahnräder 9, 9 an,
die ebenfalls mit dem Hauptgetrieberad 7 im Eingriff stehen.
An
den Vorgelegewellen 11, 11 sind Scheibenbremsen 10, 10 angeordnet. Die Reibbeläge
12 werden beim Bremsen vorzugsweise durch hydraulischen Druck an die Scheiben
10, 10 angepreßt. Die Bremsscheiben sind über die Zahnräder 3, 3 ständig
mit der Antriebswelle 1 und infolgedessen mit der Antriebsmaschine verbunden.
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Weitere Scheibenbremsen 13, 13 sind an den zum Hauptgetrieberad führenden
Vorgelegewellen 14, 14 angeordnet. Infolgedessen wirken die Bremsen 13, 13 auf die
Propellerwelle B.
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Scheibenbremsen haben an sich bereits eine große Wärmeaufnahmefähigkeit;
sofern diese nicht ausreicht, kann eine zusätzliche Luft- oder Wasserkühlung für
die Bremsscheiben eingebaut werden.
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Der Kraftfluß bei dem in Fig. 1 dargestellten Getriebe verläuft von
der Antriebswelle 1 über das Ritzel 2, die Vorgelegeräder 3, 3 und die Wellen 11,
11 zu den außengezahnten Kupplungshälften 4', 4`. Bei Vorwärtsfahrt sind die Kupplungen
4', 4' geschlossen, so daß der Kraftfluß über die Wellen 14,14 und die Zahnräder
6, 6 zum Hauptgetrieberad 7 und damit zur Propellerwelle 8 geht. Die Kupplungen
5', 5' im Inneren der Räder 5, 5 sind hierbei geöffnet, so daß sich die entsprechenden
Kupplungshälften auf Grund des Zahneingriffs der Räder 5, 5 mit den Rädern 4, 4
und der abtriebsseitigen Räder 9, 9 mit dem Hauptgetrieberad 6 gegensinnig mit hoher
Relativgeschwindigkeit drehen.
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Wenn das Getriebe nach dem später erläuterten Umsteuervorgang auf
Rückwärtsfahrt geschaltet ist, sind die Kupplungen 4', 4' geöffnet, während die
im Innern der Räder 5, 5 eingebauten Kupplungen 5', 5' geschlossen sind. Der Kraftfluß
geht daher von den als Zahnräder 4, 4 ausgebildeten äußeren Kupplungshälften
zu den Zahnrädern 5, 5 über die damit verbundenen inneren Kupplungshälften und die
nachgeordneten Wellen zu den abtriebsseitigen Rädern 9, 9 und von hier auf das Hauptgetrieberad
7, das nunmehr mit entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben wird.
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Das in Fig. 2 gezeigte Getriebe dient zum Antrieb zweier paralleler
Propellerwellen 15 von einer Antriebsmaschine aus. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel
sitzt das Antriebsritzel auf der Antriebswelle 1 und kämmt mit den Vorgelegerädern
3, 3, welche über die Wellen 11, 11 mit den als Zahnräder 4, 4 ausgebildeten
äußeren Kupplungsteilen verbunden sind. Die Kupplungen 4', 4' sind bei Vorwärtsfahrt
geschlossen. Die Anordnung der bei Rückwärtsfahrt wirksamen Kupplungen 5', 5', die
abtriebsseitig über die Räder 9, 9 mit den Hauptgetrieberädern 16, 16 im Eingriff
stehen, entspricht im wesentlichen dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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An der Antriebswelle 1 ist eine als Scheibenbremse ausgebildete Bremse
17 angeordnet. Die auf die abtriebsseitigen Vorgelegewellen 14, 14 wirkenden
Bremsen 18, 18 sind als Trommelbremsen ausgebildet, deren feststehender Innenteil
mit 20, 20 bezeichnet ist. Zur Wärmeabfuhr sind die Bremsen 18, 18 mit Kühlrippen
19 versehen.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form
eines mit zwei Antriebs- und einer Abtriebswelle versehenen Wendegetriebes. Die
Antriebsritzel 22, 22 auf den Wellen 21, 21 kämmen mit den gezahnten
Außenteilen der Kupplungen für Vorwärtsfahrt 4', 4'. An den Vorgelegewellen 11,11
sind Trommelbremsen 23, 23 angeordnet, während für die Propellerwelle 8 eine weitere
große Bremse 24, 26 vorgesehen ist. Diese letztere Bremse besteht aus einer Trommel
24, deren Mantel mit einem Reibbelag belegt ist. Den feststehenden Teil der Bremse
bildet ein um die Trommel gelegtes Bremsband 25, das zu seiner Kühlung mit einer
Wasserkammer 26 versehen ist und mit Hilfe-- einer in der Zeichnung nicht dargestellten
Vorrichtung zusammengezogen wird. Eine ebenfalls nicht dargestellte Einrichtung
pumpt Wasser durch die Kammer 26.
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Ein Beispiel für die Ausbildung der die Umsteuerung des Getriebes
bewirkenden Steuerorgane ist in Fig. 4 gezeigt. Eine Pumpe 30 saugt an einem Sumpf
31 Druckflüssigkeit an und fördert sie über ein Rückschlagventil 32 und einen Kühler
33 zur Mittelbohrung des beweglichen Kükens 34 eines Steuerschiebers. In der dargestellten
Stellung 1I, in der das Küken die Pumpe 30 mit der Leitung 35 verbindet, wird die
Druckflüssigkeit zu den Bremsen an der Propellerwelle sowie durch das mit einem
drehzahlabhängigen Regler versehene Ventil 36 durch die Leitung 37 zu den Bremsen
an der Antriebswelle geleitet. Wenn das Küken 34 in die Stellung I gebracht wird,
strömt Druckflüssigkeit durch die Leitung 38 zu den Kupplungen für Vorwärtsfahrt,
während die Leitungen 35 und 37 über die Rückleitung 39 an den Sumpf 31 angeschlossen
sind. In gleicher Weise wird in Stellung III Druckflüssigkeit durch die Leitung
40 zu den Kupplungen für Rückwärtsfahrt gepumpt.
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In den Fig. 5 und 6 ist ein Schiff bzw. das erfindungsgemäße Getriebe
schaubildlich dargestellt. Es soll angenommen werden, daß das mit Normalgeschwindigkeit
vorwärts fahrende Schiff auf Rückwärtsfahrt umgesteuert werden soll. Die der Vorwärtsfahrt
entsprechende Stellung der Kupplungen und Bremsen ergibt sich schaubildlich aus
Fig. 6a, nach der lediglich die Kupplung C für Vorwärtsfahrt geschlossen ist, während
die Kupplung T für die Rückwärtsfahrt ebenso wie die Bremsen B an Antriebs- und
Abtriebawelle geöffnet sind. Der Propeller P wird daher in der der Vorwärtsfahrt
entsprechenden Drehrichtung angetrieben.
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Durch Verstellung des Steuerhebels auf der Kommandobrücke W auf Rückwärtsfahrt
wird zunächst. die Dampfzufuhr zur Turbine E gedrosselt. Sodann beginnt sich die
Kupplung C zu öffnen, während sich gleichzeitig die Bremsen B an der Antriebs- und
der Abtriebswelle schließen (Fig. 6b). Bei völliger Trennung der Kupplung C sind
die Bremsen B angezogen (Fig. 6 c).
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Die Steuereinrichtung steht hierbei in der in Fig. 4 gezeigten Stellung
II. Bei dieser Stellung sorgt das mit dem drehzahlabhängigen Regler verbundene Ventil
in Leitung 37 dafür, daß die Antriebswelle auf eine Drehzahl abgebremst wird, bei
der die für Rückwärtsfahrt zu schließende Kupplung T die zwischen ihren noch gegensinnig
umlaufenden Hälften entstehende Wärme abzuführen in der Lage ist.
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Sobald die entsprechende Drehzahlverminderung erreicht ist, wird die
der Rückwärtsfahrt entsprechende Kupplung T geschlossen, während gleichzeitig die
Bremsen B gelüftet werden (Fig. 6 d). Der Umsteuervorgang ist beendet, wenn die
Kupplung T ganz geschlossen und die Bremsen B vollständig gelöst sind (Fig. 6 e).
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Der gesamte Umsteuervorgang verläuft, sobald von der Kommandobrücke
aus der Impuls für das Lösen
der Kupplungen gegeben wird, selbsttätig.
Im praktischen Betrieb ist es allgemein am wirtschaftlichsten, die Bremsen so einzustellen,
daß die Propellerwelle zum Stillstand kommt, während die Drehzahl der Antriebswelle
auf etwa ein Drittel der vollen Drehzahl reduziert wird.
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Die Leistung, die bei der Umsteuerung eines 5000-t-Schiffes vernichtet
werden muß, kann, wenn der Umsteuerungsvorgang etwa 5 Sekunden dauert, rund 3000
bis 4000 PS betragen.