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Schiffswellenvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Schiffswellenvorrichtung,
bestehend aus der Kurbelwelle, der Antriebsmaschine, der Schraube, Verbindungswellen
zwischen Kurbelwelle und Schraube, Radiallagern für die einzelnen Wellen und wenigstens
einem zwischen Kurbelwelle und Schraube angeordneten Drucklager, welches den Schub
der Schraube auf den Schiffskörper überträgt.
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Die Verbindungswellen zwischen der Kurbelwelle und der Schraube bestehen
am allgemeinen aus der aus zylindrischen oder konischen Teilen zusammengesetzten
Propeller-, Zwischen- und Druckwelle. An der Druckwelle sitzt üblicherweise eine
Scheibe, die den Schraubenschub über das Drucklager auf den Schiffskörper leitet.
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Während die Propeller-, Zwischen- und Druckwellen gegen längsgerichtete
Kräfte sehr steif sind, besitzen die Schraubenflügel, das Drucklager und die Kurbel
der Kurbelwelle eine hohe Elastizität in der Axialrichtung. Die Massen der Schraube
und der einzelnen Wellenteile bilden eine relativ große Belastung für das betrachtete
System.
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Es hat sich nun gezeigt, daß Schiffswellenvorrichtungen dieser bekannten
Art im Betrieb zu beträchtlichen Axialschwingungen neigen, welche insofern sehr
gefährlich sind, als bei größerer Intensität der Schwingungen außerordentlich hohe
Wechselkräfte über das Drucklager auf das Schiff weitergeleitet werden können. Es
sind Fälle von großen Massengutfrachtern bekannt, bei denen die Wellenanlage Wechselkräfte
von ± 50 t an den Schiffskörper abgibt. Diese Belastung liegt in der Größenordnung
des Schraubenschubes solcher Schiffe, so daß der Fall vorkommen kann, daß der Gesamtschub,
der sich aus dem Schraubenschub und aus den Schwingungsdrücken zusammensetzt, am
Drucklager zwischen etwa Null und dem doppelten Wert des Schraubenschubes in schneller
Folge schwankt.
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Die Axialschwingungen führen nun zu folgenden Schwierigkeiten: Die
Schmierung des Drucklagers und seine Struktur können gefährdet werden; zu hohe Schwingungsspannungen
in 'der Kurbel, in den Kurbelwangen und in den Grundlagerzapfen können im Zusammenhang
mit den ohnehin schon vorhandenen Torsionsspannungen zum Bruch führen; die über
das Drucklager an das Schiff weitergeleiteten, besonders hohen Schwingungskräfte
können in verschiedenen Teilen des Schiffskörpers, insbesondere im Maschinenraum
und in vielen Fällen auch in den ganzen Aufbauten für Menschen sehr störende oder
sogar unerträgliche und für das Material gefährliche Resonanzen hervorrufen.
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Zur Bekämpfung der Axialschwingungen hat man bereits Schwingungsdämpfer
am freien Kurbelende angeordnet. Die Konstruktion derartiger Dämpfer ist jedoch
deswegen sehr schwierig, weil die absolute Größe der am Wellenende auftretenden
Schwingungsausschläge auch in extremsten Fällen in der Größenordnung von nur 1 bis
3 mm liegt. Im übrigen haben die mit Dämpfern erzielten Ergebnisse nicht befriedigen
können.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Schiffswellenvorrichtung der eingangs
genannten Gattung zu schaffen, welche diese Nachteile nicht aufweist und bei der
die Längs- oder Axialschwingungen wesentlich abgeschwächt sind.
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Hierzu sieht die Erfindung vor, daß das dem Antrieb gegenüberliegende
Kurbelwellenende gegen Längsschwingungen festgelegt ist und ein Bauglied vorgesehen
ist, das eine Verschiebung des Kurbelwellenendes für langsame Bewegungen in Längsrichtung
vermittels einer Drosseleinrichtung zuläßt. Überraschenderweise führt diese Maßnahme
zu einer wesentlichen Herabsetzung der störenden Längsschwingungen. Dies ist offenbar
darauf zurückzuführen, daß durch die künstliche Bildung eines Festpunktes am Kurbelwellenende
die kinetische Energie gegenüber der potentiellen Energie der Schwingungen stark
herabgesetzt wird, wodurch die Eigenfrequenz erheblich zunimmt. Die Zunahme der
Eigenfrequenz beträgt je nach der Steifigkeit des zusätzlichen Drucklagers die Hälfte
bis zum Mehrfachen des ursprünglichen Wertes. Da derartige
Schwingungen
besonders dann gefährlich sind, wenn sie bei der Nenndrehzahl oder in der Nähe der
Nenndrehzahl auftreten, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung insofern ein
Vorteil erzielt, als die Resonanz weit über den Betriebsdrehzahlbereich hinaus verschoben
werden kann.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme führt weiter dazu, daß die Amplituden
an der Stelle der Maschine kleiner sind als an der Stelle der Schraube, so daß die
Arbeit der Erregerkräfte gegenüber der Arbeit der Dämpfung erheblich beschränkt
ist. Dies bedeutet, daß selbst dann noch, wenn nach Anordnung eines Festpunktes
die kritische Drehzahl im Betriebsbereich fallen sollte, die Schwingungsintensität
bei dieser neuen Resonanz einen kleinen Bruchteil jener Schwingungsintensität betragen
wird, die bei den bekannten Schiffswellenvorrichtungen ohne den erfindungsgemäßen
Festpunkt auftritt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schiffswellenvorrichtung
wird man also in den meisten Fällen den Betriebsdrehzahlenbereich vollkommen frei
von kritischen Drehzahlen halten können. In den Fällen, in denen dies wegen der
Weichheit des Drucklagers und wegen der zu tiefen Lage der ursprünglichen Resonanz
nicht möglich ist, lassen sich die Resonanzamplituden jedoch auf einen kleinen Bruchteil
ihres ursprünglichen Wertes herabsenken.
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Es muß betont werden, daß diese Wirkungen ohne irgendwelche zusätzlichen
Dämpfungsmaßnahmen erzielt werden.
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Der Vorteil der Anordnung eines Festpunktes am Wellenende gegenüber
der Dämpfung besteht darin, daß bei Anordnung eines Dämpfers die kritischen Drehzahlen
nur ganz unwesentlich geändert und gesenkt werden, während durch den Festpunkt eine
erhebliche Frequenzerhöhung eintritt. Die Bekämpfungsmöglichkeit der Schwingungen
durch Dämpfer ist auch dadurch stark beschränkt, daß ein Dämpfer nur dann Energie
verzehrt, wenn an seiner Stelle noch größere Schwingungsgeschwindigkeiten vorhanden
sind. Beim Festpunkt sind hingegen an der betreffenden Stelle die Amplituden gleich
Null.
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Dadurch, daß das vordere Kurbelwellenende langsamen Bewegungen in
Längsrichtung gegenüber infolge des Einbaues eines Baugliedes mit einer Drosseleinrichtung
frei ist, wird erreicht, daß sich die Kurbelwelle bei Erwärmung und Abkühlung oder
Verformungen des Schiffes frei ausdehnen und zusammenziehen kann, so daß keine gefährlichen
Spannungen in den Kurbelwangen und Kurbelzapfen entstehen können.
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Der Festpunkt ist also ein dynamischer Festpunkt, der den langsamen
Bewegungen des Kurbelwellenendes, wie sie durch Deformationen unter den auftretenden
statischen Belastungen der Wellenanlage sowie bei Erwärmung und Auskühlung der Kurbelwelle
zustande kommen, folgt und ihnen keine Kräfte entgegensetzt. Schnelle Wechselbewegungen
dagegen läßt der dynamische Festpunkt überhaupt nicht oder nur in verschwindend
kleinem Maß zu. Der Festpunkt muß also nur im dynamischen Sinn ein Festpunkt sein,
im statischen Sinn soll er jedoch einem verschiebbaren Auflagepunkt gleichkommen.
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Der dynamische Festpunkt gemäß der Erfindung wird zweckmäßigerweise
so verwirklicht, daß das Kurbelwellenende mit einem in einem allseits vollständig
abgedichteten Zylinder in Längsrichtung verschiebbaren Kolben konzentrisch verbunden
ist, wobei der Zylinder in Längsrichtung unverrückbar am Schiffskörper befestigt
und eine die beiden Zylinderräume verbindende Bohrung vorgesehen ist. Dieses Prinzip
zur Verwirklichung eines dynamischen Festpunktes ist an sich bekannt. Es wurde z.
B: schon bei der gegenseitigen Abstützung parallel zueinander angeordneter Kolbenmaschinen
in Schiffen angewendet. Wenn man in einem allseitig geschlossenen und mit Flüssigkeit
gefüllten Zylinder einen Kolben einsetzt und die beiden durch den Kolben getretenen
Zylinderteile durch einen schmalen Kanal im Gehäuse oder im Kolben selbst miteinander
verbindet, so' entsteht bei langsamer Bewegung des Kolbens eine schleichende Strömung
von einer Kolbenseite zur anderen, so daß der Kolben sich langsam bewegen kann,
ohne daß besondere Kräfte dabei entstehen.
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Wenn jedoch ein solcher Kolben schnell bewegt werden soll, so entsteht
in dem engen Kanal ein sehr hoher Strömungswiderstand. Wenn der Querschnitt des
Kanals nur kapillare Abmessungen hat, so bewegt sich der Kolben beim plötzlichen
Anlegen einer Kraft praktisch überhaupt nicht. Bei einer schnellen Wechselbeanspruchung,
wie sie beim Gegenstand der Erfindung auftritt, bleibt der Kolben also praktisch
in Ruhe.
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Um möglichst jede dauernde Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder
und damit die Abnutzung der verschiedenen Dichtungen zu vermeiden, sieht eine besonders
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß der Zylinder relativ zum Schiffskörper
frei um seine Mittellängsachse drehbar angeordnet ist. Im allgemeinen wird der Zylinder
allein durch die Reibung zwischen den verschiedenen Dichtungen mitgenommen. Sicherheitshalber
kann jedoch noch ein zusätzlicherMitnehmer vorgesehensein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin so ausgebildet,
daß der Kolben über eine Kolbenstange drehfest mit dem Kurbelwellenende verbunden
ist. Der vordere Deckel des Zylinders kann über zwei entgegengesetzt geneigte Kegellager
am Schiffskörper gelagert sein. Auf diese Weise werden sowohl die Axial- als auch
die Radialkräfte von den Lagern aufgenommen.
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Ein weiteres Problem besteht darin, daß, im Gegensatz zur üblichen
Verwendungsart von hydraulischen Zylindern, bei dem erfindungsgemäßen dynamischen
Festpunkt keine druckerzeugenden und flüssigkeitsfördernden Pumpen angeschlossen
sind. Solche Pumpenkreisläufe haben jeweils einen Expansionstank, von dem eventuelle
Verluste bei den Stopfbüchsen automatisch ausgeglichen werden. Außerdem treten bei
der üblichen Verwendungsart von hydraulischen Zylindern in der Saugleitung keine
zu tiefen Drücke auf. Sie bleiben üblicherweise über dem atmosphärischen Druck oder
knapp darunter.
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Beim dynamischen Festpunkt der erfindungsgemäßen Art liegen die Verhältnisse
jedoch anders. Da Wärmeerzeugung ausgeschlossen ist, kann auf die Kühlung verzichtet
werden, so daß die hydraulische Flüssigkeit nicht von einem Expansionstank her ausgeglichen
werden kann.
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Andererseits entsteht durch die wenn auch noch so kleine Elastizität
der Flüssigkeit und der Zylinderwände eine ganz kleine axiale Kolbenbewegung in
der Längsrichtung. Dadurch wird die Flüssigkeit an der einen Kolbenseite gedrückt,
an der anderen Seite
aber senkt sich der Druck auch schon bei mäßigen
Längskräften bis zum absoluten Drucknullpunkt. In der Stopfbüchse wechselt also
der Druck zwischen 0 atü und einem hohen Überdruck. In den Momenten des hohen Überdruckes
ist es auch bei der besten Stopfbüchse möglich, daß zumindest verschwindend kleine
Mengen nach außen durchsickern. Diese kleinen Verlustvolumen können durch Luft durch
die Stopfbüchsen ausgeglichen werden. Bei schnellem Druckwechsel - die Frequenzbereiche
der Längsschwingungen von größeren Schiffswellenanlagen liegen im allgemeinen zwischen
10 und 20 Hz -wiederholt sich dieser Prozeß bereits in einer kurzen Zeit sehr oft.
Auch wenn sich nur mikroskopische Teile der Flüssigkeiten und der Luft austauschen,
so können im Lauf des Betriebes Luftblasen in dem hydraulischen Zylinder entstehen.
Die Elastizität der eingebrochenen Luft kann die Funktion des hydraulischen Kolbens
als dynamischer Festpunkt behindern. Es handelt sich dann nicht mehr um einen Festpunkt,
sondern um eine in der Längsrichtung elastische Lagerung. Dadurch sinkt die Eigenfrequenz
der ganzen Anlage, und es erhöhen sich die Amplituden der Kurbelwangen. Bei großem
Lufteinbruch wird der Festpunkt überhaupt außer Betrieb gesetzt.
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Um diesem Mangel abzuhelfen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein,
daß um die Kolbenstange herum außer der üblichen Herausführungsstopfbüchse nach
außen hin ein biegsamer Schlauch mit seinem achteren Ende unverrückbar und dicht
auf der Kolbenstange angeordnet ist und mit einer Abschlußscheibe der Stopfbüchse
derart verbunden ist, daß um die Kolbenstange herum eine im wesentlichen unter Atmosphärendruck
stehende, mit Hydraulikflüssigkeit füllbare Kammer entsteht. Die Kammer besteht
also teilweise oder ganz aus einem elastischen Material, das sowohl an der Kolbenstange
als auch am Abschlußdeckel oder am Gehäuse der Stopfbüchse luft- und öldicht befestigt
ist. Das Öl in diesem Gehäuse steht unter atmosphärischem Druck. Eine solche Vorrichtung
kann natürlich nur bei hydraulischen Zylindern angeordnet werden, bei denen die
Kolbenbewegung relativ zum Gehäuse sehr klein ist. Dies ist aber bei dem dynamischen
Festpunkt in weitgehendem Maß der Fall. Wenn eine kleine Relativbewegung zwischen
Kolbenstange und Stopfbüchsengehäuse besteht, so wird das durch diese langsame Bewegung
in einem Teil der Vorkammer verdrängte Flüssigkeitsvolumen durch die Ausdehnung
der elastischen Wände der Vorkammer aufgenommen. Eine derartige, von der Außenluft
vollkommen abgeschlossene Vorkammer sichert, daß das äußere Ende der Stopfbüchse
nicht mit der Luft in Berührung kommt, sondern daß die Stopfbüchse an beiden Seiten
von der gleichen hydraulischen Flüssigkeit benetzt wird.
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Wenn also durch den Überdruck kleine Mengen von der hydraulischen
Flüssigkeit durch die Stopfbüchse entweichen, so kann in der darauffolgenden, saugenden
Halbperiode keine Luft an Stelle des entwichenen Volumens, sondern nur ein entsprechend
kleiner Teil der hydraulischen Flüssigkeit zurückgesogen werden. Dadurch ist sichergestellt,
daß niemals Luft durch die Stopfbüchse in das Innere des Zylinders eintreten kann.
Dies gilt auch, wenn sich in der Vorkammer noch kleine Luftteile befinden sollten,
da diese, zumindest bei den langsamen Bewegungen der großen Schiffsmotoren, im wesentlichen
oben schwebenbleiben. Es ist aber vorzuziehen, auch die Vorkammer vollkommen zu
füllen. Da das Innere der Vorkammer überhaupt keine Verbindung mit der Außenluft
hat, auch nicht durch eine Stopfbüchse, ist das gesamte, im hydraulischen Zylinder
und in der Vorkammer eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen, absolut beständig. Der
Zylinder und die Vorkammer brauchen deshalb nur dann entlüftet zu werden, wenn ihre
Gehäuse von außen her beschädigt worden sind. Dies ist um so mehr der Fall, da im
Inneren nur schleichende Ausdehnungsbewegung oder verschwindend kleine elastische
Dehnungen auftreten, so daß die Bestandteile überhaupt keiner Abnutzung unterworfen
sind.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung
beschrieben, deren einzige Figur eine teilweise geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemäß
abgeänderten Teiles einer Schiffswellenvorrichtung zeigt.
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Ein Bauglied, bestehend aus einem hydraulischen Zylinder 16 und einem
hydraulischen Kolben 11 mit einer Kapillarbohrung 12 als Drosseleinrichtung ist
über eine Kolbenstange 13 und einen aufgesetzten Flansch 14 mit dem dem Abtrieb
gegenüberliegenden Ende 15 der Kurbelwelle durch Schrauben verbunden. Der hydraulische
Zylinder 16 ist über seinen vorderen Schließdeckel 17, an dem ein konzentrischer
Zapfen 18 angeordnet ist, in Kegellagern 19 a, 19 b,
die ihrerseits
in einem zweiten Gehäuse 20 sitzen, drehbar gelagert. Die Kegellager 19a, 19b sind
so angeordnet, daß eines von ihnen (a) vorwärts, das andere (b) nach achtern gerichtete
Längskräfte aufnehmen kann. Gleichzeitig dienen sie als Traglager für die sich drehenden
Massen.
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Im achteren Teil des Zylinders 16 ist ein mit einer Durchführungsöffnung
21 für die Kolbenstange 13 versehener Deckel 22 mit einer Stopfbüchse 23 ausgerüstet,
die den Innenraum des Zylinders entlang der Oberfläche der Kolbenstange nach außen
abdichtet. Es handelt sich dabei um eine druckfeste Dichtung. Durch die Reibung
der Stopfbüchse nimmt die sich mit der Kurbelwelle drehende Kolbenstange das ganze
Zylindergehäuse 16 mit, so daß der hydraulische Zylinder 16 und der Kolben 11 mit
gleicher Drehzahl umlaufen. Hinter der Stopfbüchse 23 ist in einigem Abstand an
der Kolbenstange 13 eine Scheibe 24 durch eine Büchse 25 befestigt.
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Die Füllung dieser Stopfbüchse 25 ist ein härterer, plastischer Stoff,
vorzugsweise Blei, der zwischen der Scheibe und dem Kolben so eingepreßt wird, daß
eine feste Preßverbindung, die keine Relativbewegung erlaubt, zustande kommt. Die
Scheibe 24 ist mit der Abschlußscheibe 26 an der Stopfbüchse 23 über einen elastischen
Schlauch 27 verbunden. Der elastische Schlauch 27 trägt an der Stelle seines größten
Durchmessers eine Füllschraube 28, durch welche die vollständige Füllung der elastischen
Vorkammer 29 mit hydraulischer Flüssigkeit möglich wird.
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Das Lagergehäuse 20 trägt an beiden Seiten einen in der Längsrichtung
angeordneten Flansch 30. Es wird durch Verankerungsbolzen 31, die in diesem Flansch
sitzen, mit dem Schiffskörper fest verbunden. Der axiale Kraftfluß wird bei einer
vorwärts gerichteten Kraft K über die Kupplung 14, die Kolbenstange 13 und den Kolben
11 an die hydraulische Flüssigkeit 32 weitergegeben und von dort über den
Zylinder
16 und über das achtere Kegellager 19 a an das im Schiffskörper festliegende Gehäuse
20 weitergeleitet und abgefangen. Eine nach achtern gerichtete Kraft K wird
auf dem gleichen Wege weitergeleitet, nur daß in diesem Fall das vordere Kegellager
19 b wirksam ist, das über die in dem Zapfen 18 liegende Anziehmutter die Kräfte
an den Zylinder 16 weitergibt.
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Ein hydraulischer Kolben 11 von gegebener Größe kann seine Aufgabe
dann am besten erfüllen, wenn der Durchströmungswiderstand und damit die Drosselung
in der Bohrung 12 bei hohen Geschwindigkeiten möglichst groß wird. Dies kann man
dadurch erreichen, daß man den Querschnitt der Bohrung 12 sehr klein macht. Derart
kleine Bohrungen sind aber oft schwer anzubringen. Um zu einer leicht bearbeitbaren
Bohrung zu kommen, kann man auch Flüssigkeiten von sehr hoher Zähigkeit, wie z.
B. Glyzerin, verwenden. Man kann sogar Kolloide, wie Schmierfett oder Schmierseife,
einsetzen, vorausgesetzt, daß diese vollkommen entlüftet sind. Bei Schmierfett empfiehlt
es sich, das Material im warm verflüssigten Zustand einzugießen.
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Eine weitere Erhöhung des Durchflußwiderstandes kann man dadurch erreichen,
daß man durch den Kolben 11 ein Rohr hindurchführt, das länger ist als die Kolbendicke,
wodurch der Durchströmungswiderstand an sich schon zunimmt. Noch besser ist es,
die Enden dieses Rohres zu verschärfen, damit ein möglichst hoher Ein- und Austrittswiderstand
entsteht.