DE1270439B

DE1270439B - Arrangement for controlling hydrofoils

Info

Publication number: DE1270439B
Application number: DEP1270A
Authority: DE
Inventors: Erik Persson; Vaesteraas Henning Schiott
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1964-03-06
Filing date: 1965-02-25
Publication date: 1968-06-12

Description

Anordnung zur Steuerung von Tragflächenbooten Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stampfstabilisierung von Tragflächenbooten im tragflügelgestützten Fahrtzustand, insbesondere von Booten mit vollgetauchten Tragflächen, mit welcher Anordnung vom Wellengang ausgeübte Kräfte unter Verwendung mindestens einer in Abhängigkeit von Bewegungsgrößen gesteuerten Steuerfläche kompensiert werden, wobei die in einer Querschnittsebene des Bootes gelegene Geschwindigkeitskomponente verwendet wird.Arrangement for steering hydrofoil boats The invention relates to an arrangement for the pitch stabilization of hydrofoils in the hydrofoil-supported Driving condition, especially of boats with fully submerged wings, with which Arrangement of forces exerted by the swell using at least one in dependence are compensated by movement variables controlled control surface, with the in a The speed component located in the cross-sectional plane of the boat is used.

Mit automatischen Steueranordnungen für Tragflächenboote sollen gute Stabilität und Manövrierbarkeit des Bootes erreicht und mit Rücksicht auf die Passagiere die auf Grund der Wellenbewegungen entstehenden Beschleunigungskräfte in erträglichen Grenzen gehalten werden. Es ist verhältnismäßig einfach, diesen Forderungen bei ruhiger See zu genügen. Bei kräftigem Seegang jedoch ist dies schwierig. Solange die Wellen niedriger als die Tragflächenstreben des Bootes sind, kann dieses theoretisch auf konstantem Niveau gehalten werden, wobei die Krängungs- und der Stampfwinkel nahezu Null sind. Wenn bei Seegang dieser Idealzustand mit einem in herkömmlicher Weise rückgekoppeltem Steuersystem verwirklicht werden soll, muß dieses sehr schnell arbeiten. Dann treten aber wegen der Elastizität des Schiffskörpers und der Streben große Stabilitätsschwierigkeiten auf.With automatic steering arrangements for hydrofoil boats are supposed to be good Stability and maneuverability of the boat achieved and with consideration for the passengers the acceleration forces resulting from the wave movements are tolerable Limits are kept. It is relatively easy to meet these demands calm seas suffice. However, this is difficult in rough seas. So long the waves are lower than the wing struts of the boat, this can theoretically be kept at a constant level, the heel and pitch angles are almost zero. When in rough seas this ideal condition with a conventional Wise feedback control system is to be implemented, this must be done very quickly work. But then occur because of the elasticity of the hull and the struts great stability problems.

Bekannt ist eine Stampfstabilisierungsvörrfclhtüng für Tragflächenboote, bei der die Eintauchtiefe der Streben gemessen wird. Hierzu wird eine Reihe von Düsen verwendet, die übereinanderliegend in den Tragflächenstreben angeordnet sind. Mit einer solchen Meßvorrichtung kann naturgemäß nur die Vertikalgeschwindigkeit der Wasserob erfläche relativ zum Boot gemessen werden. Diese relative Bewegungsgeschwindigkeit der Wasseroberfläche kann einmal von der Geschwindigkeit relativ zur Tragfläche wesentlich verschieden sein und hängt zum anderen außer von der absoluten Vertikalgeschwindigkeit der Wasseroberfläche auch von der absoluten Vertikalgeschwindigkeit des Bootes ab. Eine befriedigende Kompensation der Stampfbewegungen ist nicht mehr möglich, wenn die Änderungen verhältnismäßig schnell sind, wie dies bei rauher See und schneller Fahrt des Bootes der Fall ist.A ramming stabilization pre-treatment for hydrofoil boats is known, at which the immersion depth of the struts is measured. To do this, a number of Nozzles used, which are arranged one above the other in the wing struts. With such a measuring device, of course, only the vertical speed can the water surface can be measured relative to the boat. This relative speed of movement the water surface can once of the speed relative to the wing can be significantly different and on the other hand depends on the absolute vertical speed the water surface also depends on the absolute vertical speed of the boat. A satisfactory compensation of the pitching movements is no longer possible if the changes are relatively quick, as is the case with rough seas, and faster Journey of the boat is the case.

Bei einer ähnlichen Regelvorrichtung wird ebenfalls die Vertikalgeschwindigkeit der Wasseroberfläche relativ zu den Tragflächenstreben gemessen. An Stelle von Düsen dienen als Abtastvorrichtung elektrische Sonden. Auch für diese bekannte Meßvorrichtung gilt das im Zusammenhang mit der oben angeführten Meßvorrichtung Beschriebene.In a similar control device, the vertical speed is also used the water surface measured relative to the wing struts. Instead of nozzles Electric probes serve as a scanning device. Also for this known measuring device what is described in connection with the above-mentioned measuring device applies.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Stampfstabilisierung von Tragflächenbooten vorzuschlagen, mit der die die ruhige Lage des Bootes störenden Einflüsse unmittelbar und in ihrer wahren Größe abgetastet werden.The invention is based on the object of an arrangement for ramming stabilization to propose hydrofoils, with which the calm situation of the boat disturbs Influences can be sampled immediately and in their true size.

Die zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene erfindungsgemäße Anordnung ist gekennzeichnet durch Meßgeräte zum Messen des Anströmwinkels a an der Tragfläche, des Stampfwinkels y zwischen Tragfläche und Horizontalebene, der Vertikalbeschleunigung a der Tragfläche und der Horizontalgeschwindigkeit U des Bootes, wobei die Ausgangssignale dieser Meßgeräte zu einem der absoluten Vertikalgeschwindigkeit des Wassers an der Tragfläche entsprechenden resultierenden Signal Uy entsprechend der Gleichung Uy=(a-)U+ fa.dt zusammengesetzt werden, welches Signal der Vorrichtung für die Einstellung der Steuerfläche zugeführt wird.The arrangement according to the invention created to solve this problem is characterized by measuring devices for measuring the angle of attack a on the wing, the pitch angle y between the wing and the horizontal plane, the vertical acceleration a of the wing and the horizontal speed U of the boat, with the output signals these gauges to one of the absolute vertical velocity of the water at the Resulting signal Uy corresponding to the wing according to the equation Uy = (a-) U + fa.dt be put together, which signal of the device for the setting is fed to the control surface.

Da mit der' erfindungsgemäßen Anordnung die absolute Vertikalgeschwindigkeit des Wassers an den Tragflächen ermittelt wird, können die Steuerflächen sofort so eingestellt werden, daß der zu erwartenden Störung der ruhigen Lage des Bootes entgegengewirkt wird. Da dieser Wert unabhängig von der Bootsbewegung ist, erhält man tatsächlich den zur richtigen Regelung nötigen Meßwert, was nicht der Fall ist, wenn, wie bei den bekannten Meßverfahren, von der Bootsbewegung abhängige Größen verwendet werden. Ausführungsbeispiele der Anordnung werden an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt F i g. 1 ein Tragflächenboot mit eingetauchten Tragflächen von vorn gesehen, F i g. 2 das Boot von der Seite gesehen mit Steuerflächen an den Tragflächen, F i g. 3 eine Sonde zum Messen einer dem Anströmwinkel des Wassers proportionalen Größe und F i g. 4 eine Meßbrücke zur Bestimmung des genannten Winkels.Since with the 'arrangement according to the invention, the absolute vertical speed of the water on the wings is determined, the control surfaces can do so immediately be set that counteracts the expected disturbance of the quiet position of the boat will. Since this value is independent of the boat movement, it is actually obtained the measured value required for correct regulation, which is not the case if, as with the known measuring methods, variables dependent on the boat movement are used. Embodiments the arrangement are described with reference to the drawing; in this FIG. 1 a hydrofoil with submerged wings viewed from the front, FIG. 2 that Boat seen from the side with control surfaces on the wings, F i g. 3 a probe for measuring a quantity proportional to the angle of attack of the water and F i g. 4th a measuring bridge to determine said angle.

Das in F i g. 1 dargestellte Tragflächenboot hat zwei vordere Tragflächen 11 und 12 und eine hintere Tragfläche 13. Diese Tragflächen liegen während der Fahrt unter der Wasserfläche. Die Geschwindigkeitskomponente des Wassers, die winkelrecht zur Tragfläche steht, in diesem Fall die Vertikalgeschwindigkeit, kann durch nachstehende Beziehungen bestimmt werden, in denen folgende Bezeichnungen gebraucht werden: a = Anströmwinkel an der Tragfläche, U= Horizontalgeschwindigkeit des Bootes, Uv = Vertikalgeschwindigkeit des Wassers an der Tragfläche, y = Stampfwinkel des Bootes (s. F i g. 2), a = Vertikalbeschleunigung der Tragfläche, v = Vertikalgeschwindigkeit der Tragfläche.The in Fig. 1 hydrofoil shown has two front hydrofoils 11 and 12 and a rear hydrofoil 13. These hydrofoils lie under the water surface during travel. The speed component of the water, which is at right angles to the wing, in this case the vertical speed, can be determined by the following relationships, in which the following terms are used: a = angle of attack on the wing, U = horizontal speed of the boat, Uv = vertical speed of the water of the wing, y = pitch angle of the boat (see Fig. 2), a = vertical acceleration of the wing, v = vertical speed of the wing.

Es ist weiter unterstellt, daß die Tragfläche parallel zur horizontalen Bezugsebene des Bootes ist. Ist die Tragfläche drehbar, so wird a im Verhältnis zur Nulllage der Tragfläche gemessen.It is also assumed that the wing is parallel to the horizontal Is the reference plane of the boat. If the wing is rotatable, then a becomes in the ratio measured to the zero position of the wing.

Mit den obengenannten Bezeichnungen gelten folgende Beziehungen: wobei für kleine Werte von (a - yr) tg (a - y) = a - yp gesetzt werden kann. Man erhält dann für Uy: Up=(a-y')'U+i=(a-'@)'U+ fa-dt, da v = fa#dt ist.The following relationships apply to the above designations: where for small values of (a - yr) tg (a - y) = a - yp can be set. We then get for Uy: Up = (a-y ')' U + i = (a - '@)' U + fa-dt, since v = fa # dt.

ya und a können mit herkömmlichen Gebern gemessen werden, z. B. mit einem Kreiselsystem im Schwerpunkt 14 des Bootes und mit einem Beschleunigungsmesser. Um Uy zu erhalten, muß man also den Anströmwinkel a messen.ya and a can be measured with conventional encoders, e.g. B. with a gyro system in the center of gravity 14 of the boat and with an accelerometer. To Uy to get one just needs to measure the angle of attack a.

Eine Vorrichtung zum Messen dieses Winkels ist in F i g. 3 gezeigt. Sie besteht aus einer Sonde 15, die an einer oder mehreren Tragflächen in der Längsrichtung des Bootes liegend angebracht ist. Man legt sie vorteilhaft an einen Punkt der Tragfläche, an dem die Strömung ungestört ist. Die Sonde 15, die den Anströmwinkel des Wassers an der Tragfläche messen soll, ist stromlinienförmig und hat zwei symmetrisch angeordnete Meßpunkte 16 und 17, von denen einer, 16, über und einer, 17, unter der Symmetrieebene der Sonde liegt. Für die in den Meßpunkten 16 und 17 gemessenen Drücke gilt: worin für kleine a tg a durch a ersetzt werden kann. Die Messung von geschieht vorteilhaft mit einer Brücke nach F i g. 4. Die Drücke p, und p2 werden in an sich bekannter Weise in mit ihnen proportionale Impedanzen z1 und z2 umgewandelt, die nach F i g. 4 in eine Brücke eingeschaltet sind. Bezeichnen in F i g. 4 e und E die Ausgangs- bzw. Eingangsspannungen der Brücke, so gilt: Man kann auch einen Differenzdruckmesser zum Messen von p1 - p2 benutzen und dies durch p1 + p2 oder p, dividieren, welcher Druck an der Spitze 18 der Sonde 15 gemessen wird.Apparatus for measuring this angle is shown in FIG. 3 shown. It consists of a probe 15 which is attached to one or more wings in the longitudinal direction of the boat. It is advantageous to place them at a point on the wing where the flow is undisturbed. The probe 15, which is intended to measure the angle of attack of the water on the wing, is streamlined and has two symmetrically arranged measuring points 16 and 17, one of which, 16, above and one, 17, below the plane of symmetry of the probe. The following applies to the pressures measured at measuring points 16 and 17: where for small a tg a can be replaced by a. The measurement of happens advantageously with a bridge according to FIG. 4. The pressures p and p2 are converted in a manner known per se into impedances z1 and z2 proportional to them, which according to FIG. 4 are switched into a bridge. Designate in FIG. 4 e and E are the output and input voltages of the bridge, then: One can also use a differential pressure meter to measure p1-p2 and divide this by p1 + p2 or p, which pressure is measured at the tip 18 of the probe 15.

Das so erhaltene Signal, das proportional Uv ist, wird zu dem Steuersignal addiert, das vom Steuerorgan des Bootes den drei Steuerflächen 19 und 20 zugeführt wird, die an den Tragflächen 11, 12 und 13 angebracht und in F i g. 2 unter den Winkeln 8B, 8s, bA zu den Tragflächen gestellt sind. Die übrigen Regelfunktionen für das Boot sind hier nicht gezeigt. Die Antriebsorgane des Bootes sind auch nicht dargestellt. In F i g. 1 bedeutet y den Krängungswinkel und in F i g. 2 2, die Wellenlänge und h die Höhe der Bootsspitze 22 über dem Wasser.The signal thus obtained, which is proportional to Uv, is added to the control signal which is fed from the control unit of the boat to the three control surfaces 19 and 20 which are attached to the wings 11, 12 and 13 and are shown in FIG. 2 are placed at the angles 8B, 8s, bA to the wings. The other control functions for the boat are not shown here. The drive elements of the boat are also not shown. In Fig. 1 y denotes the heel angle and in FIG. 2 2, the wavelength and h the height of the tip of the boat 22 above the water.

Man kann an Stelle des Meßorgans nach F i g. 3 eine Fahne einsetzen, die mit der Tragfläche derart verbunden ist, daß die Kraft oder das Moment in der Verbindungsstelle gemessen werden kann. Bei dieser nicht dargestellten Anordnung wird die Kraft oder das Moment proportional a und U2. Die Abhängigkeit von U2 kann vermieden werden, wenn man zwei Fahnen mit der Neigung von +a, und -a, im Verhältnis zur Tragfläche anwendet. Wenn die gemessenen Kräfte F1 und F2 sind, gilt dann für kleine a kann ebenfalls in einer Brückenschaltung nach F i g. 4 bestimmt werden.Instead of the measuring element according to FIG. 3 insert a flag which is connected to the wing in such a way that the force or the moment in the connection point can be measured. In this arrangement, not shown, the force or the moment is proportional to a and U2. The dependence on U2 can be avoided by using two flags with the inclination of + a, and -a, in relation to the wing. If the measured forces are F1 and F2, then for small a can also be used in a bridge circuit according to FIG. 4 can be determined.

Hierbei ist angenommen, daß die Fahne relativ zur Tragfläche fest ist. Man kann sie aber auch frei beweglich ausführen; ihr Winkel mit der Tragfläche wird dann a.It is assumed here that the flag is fixed relative to the wing is. But you can also make them freely movable; their angle with the wing will then a.

Meß- und Steuerorgane können auf allen oder auf einigen Tragflächen angebracht werden.Measuring and control elements can be on all or on some of the wings be attached.

Claims

Claims: 1. Arrangement for the pitch stabilization of hydrofoil boats in the hydrofoil-assisted travel state, in particular of boats with fully submerged wings, with which arrangement forces exerted by the swell are compensated using at least one control surface controlled as a function of movement variables, the speed component located in a cross-sectional plane of the boat being used is characterized by measuring devices (15): for measuring the angle of attack a on the wing, the pitch angle 7p between the wing and the horizontal plane, the vertical accelerationa of the wing and the horizontal speed of the boat U, the output signals of these measuring devices relating to one of the absolute vertical speed of the water The resulting signal UV corresponding to the wing can be composed according to the equation Uv = (av) # U + f aalt , which signal is fed to the device for adjusting the control surface (19, 20) .

2. Arrangement according to Claim 1, characterized in that the measuring device for the angle of attack from one There is a probe (15) or the like, which has two symmetrically located measuring points (16, 17) is provided for a pressure measurement, namely one on the top and one on the bottom of the probe.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the pressures measured on the top and bottom of the probe (15) are converted into impedances proportional to them (z or z2), which are switched into a measuring bridge in such a way that their output signal and thus e becomes proportional to the tangent of the angle of attack a.

4. Arrangement according to Claim 1, characterized in that the measuring device for the angle of attack with a wing (11, 12, 13) connected flag, which with measuring organs for measuring the forces or moments acting on the flag are provided.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that two flags are attached to a carrier (11, 12, 13) which form the same angle with the carrier, but with opposite signs, the forces measured on the flags (F1, F2 ) to a value proportional to the angle of attack a be put together.

6. Arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring device for the angle of incidence is mounted on a carrier (11, 12, 13), is freely movable flag, the angle of which with the support corresponds to the angle of attack a. Documents considered: French Patent No. 1275 100; U.S. Patent No. 3,051,000; Handbook of Physics, Vol. 48, Geophysik II, pp. 676, 677, Springer Verlag.