DE1277064B

DE1277064B - Verfahren zur Ausnutzung des bestmoeglichen Wirkungsgrades eines Wasserstrahlschiffsantriebes

Info

Publication number: DE1277064B
Application number: DES96005A
Authority: DE
Inventors: Jacques Duport; Chemin De Moulin
Original assignee: GRENOBLOISE ETUDE APPL; Societe Grenobloise dEtudes et dApplications Hydrauliques SA SOGREAH
Current assignee: GRENOBLOISE ETUDE APPL; Societe Grenobloise dEtudes et dApplications Hydrauliques SA SOGREAH
Priority date: 1964-03-17
Filing date: 1965-03-17
Publication date: 1968-09-05
Also published as: ES310675A1; US3314391A; NL6503409A; GB1105488A; FR1409743A; NO118696B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES wftlm PATENTAMT Int. Cl.:

B63h

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 65 fl-6/30

Nummer: 1277 064

Aktenzeichen: P 12 77 064.8-22 (S 96005)

Anmeldetag: 17. März 1965

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausnutzung des bestmöglichen Wirkungsgrades eines Wasserstrahlschiffsantriebes mit einer Steuerung zur Einstellung des Querschnitts der Austrittsöffnung.

Es ist bereits ein Wasserstrahlschiffsantrieb bekannt, bei dem in Abhängigkeit von der geförderten Wassermenge der Austrittsquerschnitt der Ausstoßdüse verändert werden kann, um einen möglichst großen Strahl-Wirkungsgrad zu erzielen. Das Aufeinanderabstimmen von Pumpendurchsatz und Austrittsquerschnitt erfolgt bei dem bekannten Antrieb durch Ausprobieren.

Es ist weiter schon bekannt, auf Handelsschiffen einen Rechner zu verwenden, welcher auf Grund der Meldungen von Meßinstrumenten nach einem noch in Entwicklung befindlichen System die Anlage stets auf einem möglichst optimalen Betriebspunkt fahren soll.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Ausnutzung des bestmöglichen Wirkungsgrades eines Was- ao serstrahlschiffsantriebes der eingangs genannten Gattung, welches bei klarem und übersichtlichem Aufbau in möglichst wenigen Schritten für jede Geschwindigkeit des Schiffes stets einen minimalen Brennstoffverbrauch ergibt.

Hierzu sieht die Erfindung vor, daß mit Hilfe eines Einstellgliedes für die gewünschte Schiffsgeschwindigkeit V in dem durch die kleinste und größte Pumpendrehzahl, durch die Motorenleistung in Abhängigkeit von der Drehzahl und durch die Kavitation — bei der die durchschnittlichen Strömungsverhältnisse am Schiffsrumpf berücksichtigt sind — festgelegten, ausnutzbaren Bereich der Pumpe in dem Pumpenhöhe(i7)-Durchsatz(0-Diagramm, in dem für jeden Punkt dieses Bereiches der Brennstoffverbrauch des Antriebsmotors bekannt ist, unter Heranziehung der für den betreffenden Schiffsrumpf geltenden Schub(F)-Geschwindigkeits(F)-Kurven auf der nach Formel (8) gefundenen Kurve konstanter Schubkraft (P₁) der Punkt (C) geringsten Brennstoffverbrauchs und aus dessen Koordinaten (H_n Q_c) die Querschnittsgröße (S_c) der Austrittsöffnung nach Formel (10) ermittelt und gesteuert wird.

Auf Grund dieser Ausbildung wird erreicht, daß bei nur einer Einstellung durch die Bedienungsperson und ohne die Eingabe besonderer Meßwerte, abgesehen von den Rückmeldungen etwa verwendeter Servosysteme, eine Optimierung des Antriebes erzielt ist. Diese vorteilhafte Wirkungsweise beruht darauf, daß die Vielzahl zu berücksichtigender physikalischer Größen nach einem genau festgelegten System die Beeinflussung der Steuervorrichtungen bewirkt.

Verfahren zur Ausnutzung des bestmöglichen
Wirkungsgrades eines
Wasserstrahlschiffsantriebes

Anmelder:

Societe Grenobloise d'fitudes et d'Applications
Hydrauliques (Sogreah),
Grenoble, Isere (Frankreich)

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
und Dr. G. Manitz, Patentanwälte,
3300 Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:
Jacques Duport,
Chemin de Moulin,
Montbonnot, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 17. März 1964 (4660)

Weist der Pumpenmotor des verwendeten Wasserstrahlantriebs verstellbare Flügel auf, so sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß für den Punkt mit den Koordinaten H_c und Q_c die hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs optimale Kombination von Drehzahl und Flügelstellung festgelegt wird.

Es wird also bei dem gefundenen Arbeitspunkt die günstigste Kombination von Drehzahl und Flügelstellung eingestellt, so daß der Wirkungsgrad weiterverbessert wird.

Ist bei dem verwendeten Wasserstrahlantrieb auch der Querschnitt der Eintrittsöffnung veränderlich, so kann weiter vorgesehen sein, daß auf jeder der Kurven konstanter Schubkraft für verschiedene Querschnitte der Eintrittsöffnung der Punkt C geringsten Brennstoffverbrauchs aufgesucht und von diesen Punkten der mit dem niedrigsten Brennstoffverbrauch

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ausgewählt und die Eintrittsöffnung danach gesteuert wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert; es wird insbesondere im einzelnen gezeigt, wie gemäß der Erfindung aus der Schiffsgeschwindigkeit und den sonstigen zu berücksichtigenden Parametern die für minimalen Brennstoffverbrauch erforderlichen Werte der Pumpendrehzahl, des Austrittsquersclmitts und gegebenenfalls der Pumpenrotor-Flügelstellung sowie des Eintrittsquerschnitts ermittelt werden.

Fig. 1 zeigt das Arbeitsdiagramm einer Pumpe. In diesem Diagramm sind auf der Abszisse OQ die Werte des Durchsatzes Q der Pumpe aufgetragen, auf der Ordinate OH die Pumphöhen H. Für konstante Drehzahl der Pumpe ergeben die Arbeitspunkte zusammen eine Kurve, die als Kurve konstanter Drehzahl bezeichnet wird. Die Kurve maximaler konstanter Drehzahl ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Durch gleichzeitige Änderung der Antriebs- _zo energie des Pumpenmotors und der Eigenschaften des Förderkreislaufs der Pumpe kann man jeden beliebigen Arbeitspunkt innerhalb der von den Koordinatenachsen und von der Kurve 1 maxialer konstanter Drehzahl eingeschlossenen Fläche erreichen. Es gibt jedoch noch andere Beschränkungen für den praktisch möglichen Arbeitsbereich der von einem Motor angetriebenen Pumpe.

Es gibt eine minimale Drehzahl, welcher die Kurve2 in Fig. 1 entspricht. Weiter ergibt die mit der Drehzahl veränderliche maximale Antriebsleistung des Motors eine Beschränkung, die durch die Kurve 3 in F i g. 1 wiedergegeben ist. Schließlich gibt es eine weitere Beschränkung auf Grund der Kavitation.

Während die die Leistung und die Drehzahl betreffenden Begrenzungen des Arbeitsbereiches (Kur^ venl, 2 und 3 in Fig. 1) nur von der Pumpe und ihrem Motor abhängen, wird die durch die Kavitation gegebene Begrenzung gleichzeitig von den Eigenschaften der Pumpe und den Besonderheiten des Strömungsverlaufes, in welchem die Pumpe arbeitet, beeinflußt.

Die durch die Kavitation gegebene Begrenzung läßt sich durch den Begriff des Haltedruckes H_NA definieren. Der Haltedruck ist gleich der absoluten Druckhöhe (von der Hohe der Pumpenachse aus gerechnet) am Pumpeneintritt, vermindert um den Dampfdruck. Diese Größen werden allgemein in Höhe Wassersäule angegeben. Der Haltedruck errechnet sich wie folgt:

drucks, bei dessen Unterschreitung die Kavitation unzulässige Werte erreicht.

Der Mindestwert von H^_A wird als der erforderliche Mindest-Haltedruck H_NAr bezeichnet. Er ist für eine bestimmte Pumpe eine Funktion der Koordinaten ti, Q des Arbeitspunktes.

Die Kennlinien des Förderkreislaufs der Pumpe bedingen im übrigen eine wohlbestimmte Relation zwischen dem verfügbaren Haltedruck H_NAd am Pumpeneintritt und dem Durchsatz Q.

Für eine in einem bestimmten Förderkreislauf arbeitende Pumpe schlägt sich die durch die Kavitation gegebene Beschränkung des Ausnutzungsgrades in der Forderung

nieder. Die Grenzkurve zwischen dem zulässigen und unzulässigen Bereich in der H-ß-Ebene läßt sich also wie folgt darstellen:

Eine derartige Kurve ist beispielsweise bei 4 in F i g. 1 dargestellt.

Im Fall einer Wasserstrahlschiffsantriebspumpe drückt sich der verfügbare Haltedruck folgendermaßen aus:

In dieser Formel bedeutet:

Pa-Pv
______

In dieser Formel bedeutet:

(1) H_NAd = Haltedruck,

h_A = Barometerdruck in Höhe Wassersäule, h_v = Dampfdruck in Höhe Wassersäule,

ζ = Höhe der Pumpenachse über der freien Oberfläche (wenn die Pumpenachse unterhalb der freien Oberfläche sitzt, wie dies oft der Fall ist, wird ζ negativ),

V = Schiffsgeschwindigkeit, g = Gravitationsbeschleunigung,

/L₁ = Druckverlustkoeffizient für den Ansaugstutzen als Quotient des Druckverlustes und des Durchflußmengenquadrats,

Q = Durchsatz der Pumpe.

Indem man H_NAd in Formel (2) durch den aus Formel (3) ermittelten Wert ersetzt, erhält man die Formel, aus der für ein bestimmtes, mit der Geschwindigkeit V fahrendes Schiff die Grenzkurve 4 der Kavitation in F i g. 1 ermittelt werden kann.

55

H) =h_a-

(4)

Hf_{1 A} = Haltedruck,

p_a = absoluter Druck, gemessen in einem Punkt unmittelbar oberhalb des Pumpeneintritts in Höhe der Pumpenachse, p_v — Wasserdampfdruck,
ω = spezifisches Gewicht des Wassers, ν = mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem

Querschnitt, in dem p_a gemessen wird, g = Erdbeschleunigung.

Für einen bestimmten Arbeitspunkt mit den Koordinaten H, Q gibt es einen Minimalwert des Halte-Im Fall von Pumpenrotoren mit beweglichen Flügeln sind die Drehzahl, die aufgenommene Leistung und der erforderliche Mindest-Haltedruck beim Ansaugen nicht vollständig bestimmt, wenn man die Koordinaten H, Q Aes Arbeitspunktes festlegt. Man kann praktisch den gleichen Punkt H, Q mit einer ganzen Reihe von verschiedenen Werten der Drehzahl und der Stellung der Flügel erreichen. Erfin-

dungsgemäß wird nun für den betreffenden Arbeitspunkt H, Q und den die Kavitation berücksichtigenden Haltedruck H_NA diejenige Kombination von Drehzahl und Flügelstellung gewählt, bei der der

Brennstoffverbrauch des Antriebsmotors der Pumpe am geringsten ist.

Die Parameter der Pumpe sind nach Auswahl der optimalen Kombination für die Koordinaten H, Q des Arbeitspunktes vollständig definiert.

Für eine bestimmte Anordnung aus Pumpe und Pumpenmotor, eine gegebene Eintauchtiefe und eine gegebene Schiffsgeschwindigkeit existiert stets ein definierter Bereich in der H-Q-Ebene, in dem die Pumpe arbeiten kann und welcher als ausnutzbarer Bereich der Pumpe bezeichnet wird. Die Grenze dieses Bereichs ist eine krummlinige, in sich geschlossene Berandungskurve, die nur Punkte im Endlichen enthält und im allgemeinen auch Eckpunkte aufweist. In jedem Punkt H, Q dieses Bereichs sind die Drehzahl und die Leistung auf der Pumpenwelle ebenso wie der Verbrauch des Antriebsmotors bekannt.

Im folgenden wird gezeigt, wie die bei der Erfindung verwendete Rechenvorrichtung die optimale Kombination zwischen der Drehzahl der Pumpe, dem Querschnitt der Austrittsöffnung und gegebenenfalls dem Querschnitt der Eintrittsöffnung bestimmt.

Es sei angenommen, daß das Schiff mit einer Geschwindigkeit V fahre und man eine Schubkraft F₁ erzielen wolle (will man mit konstanter Geschwindigkeit V fahren, wird dieser erforderliche Schub P₁ gleich dem Gesamtfahrtwiderstand des Schiffes bei dieser Geschwindigkeit F sein).

Der aus der Wirkung einer Düse rührende Schub P ergibt sich aus der klassischen Formel

Q^

(5)

Es bedeutet:

35

V²·

(6)

P = die Antriebsschubkraft,
ρ = die Dichte des Wassers,
S = den freien Querschnitt der Düse, senkrecht zur Strömungsrichtung gemessen,

Q, V — die vorweg festgelegten Werte für den Durchsatz der Pumpe und die Schiffsgeschwindigkeit.

45

Unter Anwendung des Bernoullischen Theorems zwischen einem Durchflußquerschnitt unmittelbar oberhalb der Ansaugöffnung und einem Querschnitt der Düse senkrecht zur Strömungsrichtung läßt sich für den Fall, daß die Düse unterhalb der freien Oberfläche ausstößt, zeigen, daß die Pumphöhe gleich der Differenz zwischen der der Relativgeschwindigkeit der Düse in bezug auf das Schiff entsprechenden Geschwindigkeitshöhe und der der Schiffsgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeitshöhe ist, wobei diese Differenz um den totalen Druckhöhenverlust im Ansaug- und Verdrängungskreislauf vergrößert wird.

Das drückt sich in der folgenden Formel aus:

60

wobei H, Q, V, g, S die vorweg festgelegten Größen sind und λ der Druckhöhenverlustkoeffizient (Quotient aus dem totalen Druckhöhenverlust des Kreislaufs und dem Quadrat des Durchsatzes) ist. Als Folge des Einflusses der Eintrittsdüsen kann dieser Koeffizient eine Funktion der Geschwindigkeit V und des Durchsatzes Q sein. Im Fall regelbarer Eintrittsöffnungen hängt diese Funktion λ von einem Parameter ab, der die Stellung des beweglichen Regelelements der Eintrittsöffnung beschreibt.

Stößt die Düse oberhalb der freien Oberfläche aus, muß man im Ausdruck für die Pumphöhe// einen Wert Zz₀ hinzufügen, der gleich der Höhe der Düsenachse über der freien Oberfläche ist. Das Auftreten dieses Wertes verändert die folgenden Überlegungen und die sich daraus ergebenden Schlußfolgerungen jedoch nicht, so daß angenommen werden kann, daß die Düse unterhalb der freien Oberfläche ausstößt. Es wird jedoch betont, daß Entsprechendes auch für den Fall gilt, daß die Düse in Luft arbeitet.

Nach Elimination von S aus den Formeln (5) und (6) erhält man einen neuen Ausdruck für den Schub:

P = Q-Q

V\. (7)

Daraus ergibt sich, daß im Fall feststehender Eintrittsöffnungen (A nur von Q und H abhängig) der geometrische Ort jener Punkte der Ebene Q, H, welche es erlauben, für die Geschwindigkeit V den Schub P₁ zu erreichen, eine Kurve der Formel

ρ ■ Q

V] = P₁ (8)

Das Vorhandensein der Eintrittsöffnung führt im allgemeinen eine zusätzliche Abbremsung des Schiffes herbei, die von der Geometrie der Eintrittsöffnung, der Schiffsgeschwindigkeit und dem von der Eintrittsöffnung aufgenommenen Durchsatz Q abhängig ist. Gleichermaßen kann in bestimmten Fällen die Rückstoßdüse eine zusätzliche, vom Düsenquerschnitt und vom Pumpendurchsatz Q abhängige Bremskraft liefern. Im Ausdruck für die Schubkraft gemäß Formel (8) bezeichnet P₁ die Netto-Schubkraft, d. h. die von der Düse erzeugte Brutto-Schubkraft abzüglich der zusätzlichen, obenerwähnten Bremskräfte.

Man kann zeigen, daß die zur Formel (8) in der 27-g-Ebene gehörige Kurve eine nach oben konkave Kurve ist, die die Achse O-H zur Asymptote hat und sich ebenso asymptotisch an die Kurve der Verluste im Kreislauf anschmiegt, welche durch die Formel

H = X-Q^ (9)

beschrieben wird.

Die Kurven nach Formel (8) werden im folgenden als Kurven gleicher Schubkraft bezeichnet. Es läßt sich zeigen, daß die zu einer Schubkraft P₂ > P₁ gehörige Kurve konstanter Schubkraft gänzlich oberhalb der zu der Schubkraft P₁ gehörigen Kurve liegt und daß zwei zu unterschiedlichen Schubkräften gehörige Kurven gleicher Schubkraft im Endlichen keinen gemeinsamen Punkt haben.

In F i g. 2 ist wiederum der durch die Kurven 1, 2, 3, 4 bestimmte ausnutzbare Bereich der Pumpe wie in Fig. 1 dargestellt. Zusätzlich ist die zur Formel (8) gehörige Kurve 5 eingezeichnet, die zur Schubkraft P₁ und der Schiffsgeschwindigkeit V gehört. Die Kurve 5 schneidet die Grenzen des ausnutzbaren Bereichs in zwei Punkten A und B.

Die Punkte des Kurvenstücks A-B von Kurve 5 stellen die Gesamtheit der möglichen Arbeitspunkte

7 8

dar, bei denen die Schiffsgeschwindigkeit V und die variieren. Das oben beschriebene Verfahren ist je-

Schubkraft P₁ betragen. In jedem dieser Punkte ist, doch gleichermaßen anwendbar,

wie oben erläutert, der Brennstoffverbrauch des Mo- Die Rechenvorrichtung ist so eingerichtet, daß sie

tors bekannt. Bei mindestens einem dieser Punkte ist bei derselben Schiffsgeschwindigkeit V die gleiche der Brennstoffverbrauch am geringsten, d. h., weil 5 Rechnung auch für andere Schubkräfte P ausführen

Schubkraft P₁ und Geschwindigkeit V Konstanten kann. Dies kann z. B. bei einem anderen Ladezustand

sind, der Gesamtwirkungsgrad am größten. Dieser des Schiffes oder bei einer erwünschten Beschleuni-

mit C bezeichnete Punkt wird gemäß der Erfindung gung des Schiffes von Interesse sein. Mit wachsenden

zur Realisierung der Schubkraft P₁ bei der Geschwin- Werten P₂, P₃... P_M erhält man die Kurven 6, 7 digkeit V ausgewählt. io ... 8 in F i g. 2, welche durch Ersetzen von P₁ durch

Durch den Punkt C geht eine und nur eine Kurve. P₂ bzw. P_M in Formel (8) erhalten werden. Sie haben

Außerdem ist dem Punkt C eine bestimmte Pumpen- keine gemeinsamen Punkte untereinander und ent-

drehzahl n_c eindeutig zugeordnet. fernen sich desto weiter vom Ursprung, je größer

Andererseits erlaubt es die weiter oben abgeleitete die zugehörige Schubkraft ist. Mit wachsendem P Formel (6), denjenigen Düsenquerschnitt S_c zu be- 15 nähern sich die Grenzpunkte A und B, und man rechnen, der dem gewählten Arbeitspunkt C ent- kommt schließlich zu der Grenzkurve 8, wo die spricht. Q_c, H_c seien die Koordinaten von C; dann Grenzpunkte A und B in einem Punkt M zusammenist S_c durch die Formel fallen. Die der Kurve 8 zugeordnete Schubkraft P_M

Q ist die maximale Schubkraft, die man unter Berückte == —y= =- (10) 20 sichtigung der verschiedenen durch die Kurven 1

|/2 g (H₀ — λ ■ Qc) + V bis 4 dargestellten Grenzbedingungen bei der Schiffsgegeben, geschwindigkeit V erreichen kann.

S_c ist also der zu wählende Düsenquerschnitt, H_c, Wenn der Punkt M kein Eckpunkt der Grenz-

Qc sind die Koordinaten des Optimalpunktes. Die kurve 1 ist, tangieren sich die Kurve 8 des konstan-Größen g, λ und V sind die weiter oben definierten 25 ten Schubes P_M und die Grenzkurve 1 im Punkt M.

Größen. Ist der Punkt M einer der Eckpunkte der Grenz-

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, welche kurve, so berühren sich die Grenzkurve und die

Eigenschaften der Pumpe und des hydraulischen Kurve 8 konstanter Schubkraft P_M in dem Punkt M,

Kreislaufs die Rechenvorrichtung verarbeiten muß, ihre Tangenten brauchen jedoch dort nicht zusam-

um bei voreingestellter Schiffsgeschwindigkeit und 30 menzufallen. In beiden Fällen (M = Eckpunkt der

der hierfür erforderlichen Schubkraft den optimalen Grenzkurve oder nicht) liegt die Grenzkurve mit

Düsenquerschnitt 5c und die optimale Drehzahl n_c Ausnahme von M selbst vollständig unterhalb der

der Pumpe zu ermitteln. Kurve konstanter maximaler Schubkraft P_M. Schließ-

Der optimale Arbeitspunkt C kann von den beiden lieh folgt aus den obigen Überlegungen, daß der Extrempunkten A und B verschieden sein oder auch 35 Punkt M zur Gesamtheit derjenigen Punkte C gehört, mit einem der beiden zusammenfallen. Wenn C von welche für eine gegebene Schubkraft und eine gege- A und B verschieden ist, ist der größte Wirkungs- bene Geschwindigkeit den minimalen Brennstoffgrad stationär, d. h., daß in diesem Punkt die Ab- verbrauch ergeben. Es wird also nicht nur für eine leitung des Wirkungsgrades längs der Kurve 5 nach gegebene Schubkraft die Drehzahl und die Austrittsjedem beliebigen der Parameter Q, S oder η ver- 40 öffnung minimalen Verbrauchs ermittelt, sondern es schwindet. wird auch in jedem Augenblick unter Berücksichti-

Wenn die Eintrittsöffnungen ebenfalls regelbar gung der verschiedenen der Pumpe auferlegten Besind, hängt die Funktion λ, wie weiter oben bereits schränkungen die Schubkraft auf den maximal zuausgeführt wurde, von einem Parameter ab, der die lässigen Wert begrenzt.

Stellung eines Regelelementes für den Eintritt wieder- 45 Die erfindungsgemäße Vorrichtung schafft also in gibt. Formel (8) stellt also für eine Schiffsgeschwin- relativ wenigen Schritten, d. h. mit vertretbarem Aufdigkeit V eine Kurvenschar mit dem Parameter λ wand, eine Minimierung des Brennstoffverbrauchs, dar. Auf jeder Kurve dieser Schar kann man mittels ohne daß ein Herumprobieren oder ein schrittweises des oben beschriebenen Verfahrens den optimalen Herantasten an den Bestwert erforderlich wäre.
Punkt C aufsuchen. In der Gesamtheit der optimalen 5° Im folgenden werden an Hand der Fig. 3 bis 6 Punkte C, die zu einer Schubkraft P und einer Ge- einige praktische Ausführungsformen der erfindungsschwindigkeit V gehören, gibt es einen, in dem der gemäßen Vorrichtung beschrieben; allen diesen Vor-Verbrauch geringer ist als der Verbrauch in allen richtungen sind folgende Elemente gemeinsam:
anderen Punkten. Dieser Punkt wird erfindungsgemäß als Arbeitspunkt für die Schubkraft P und 55 Mindestens eine Pumpvorrichtung, bestehend diese Geschwindigkeit V gewählt. Die Wahl dieses ^{aus einer} Pumpe und ihrem Antriebsmotor;
optimalen Punktes ergibt eine bestimmte Kurve kon- _ej_ne Steuervorrichtung zum Ingangsetzen und stanten Schubes und legt folglich den Parameter! Abschalten der Pumpvorrichtung und zur Re- und damit die der Erntrittsöffnung zu gebende Ein- gelung ihrer Drehzahl sowie gegebenenfalls zur stellung fest. 60 Regelung der Stellungen der beweglichen Flügel;

Auch im Fall einer regelbaren Eintrittsöffnung ·■,■,...„ ,·

sind also alle Regelparameter eindeutig festgelegt. Es £^{ine 0}^ ^meh£^re Ansaugoffnungen, die gege-

sind dies die Drehzahl der Pumpe, der Düsenquer- benenfalls regelbar sind;

schnitt und gegebenenfalls die Stellung der Pumpen- eine oder mehrere Austrittsöffnungen, von flügel. Im Fall der regelbaren Eintrittsöffnung können 65 denen mindestens ein Teil mit regelbaren Verbestimmte der den Arbeitsbereich einschränkenden Schlüssen versehen ist, welche es gestatten, den Grenzen noch in Abhängigkeit von dem die Ein- Querschnitt oder die Verjüngung der Austrittsstellung der Eintrittsöffnung festlegenden Parameter öffnung zu verändern;

eine Steuervorrichtung zur Ferneinstellung der regelbaren Verschlüsse;

eine Rechenvorrichtung, die in der oben ausführlich beschriebenen Weise die optimale Einstellung gewährleistet.

Die hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs optimale Kombination von Düsenquerschnitt, Drehzahl der Pumpe und Schiffsgeschwindigkeit V kann von Hand oder automatisch erreicht werden; bei Einstellung von Hand werden der Bedienungsperson die von der Rechenvorrichtung gelieferten Ausgangsgrößen angezeigt, so daß sie die erforderlichen Einstellungen voji Hand vornehmen kann.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, sind *5 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung drei Arten von Größen zu beachten:

1. Eine direkt zu regelnde Größe zur Beschleunigung oder Abbremsung des Schiffes. Das ist die Größe, auf die der Bediener direkt einwirkt, um das Schiff zu beschleunigen oder zu bremsen oder um es bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu halten. Diese Größe wird »Beschleunigungsgröße« genannt.

2. Eine Größe, die geregelt werden muß, um den Antrieb mittels Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu optimieren. Diese Größe wird »Optimierungsgröße« genannt.

3. Größen, die man messen muß, um daraus den der Optimierungsgröße zuzuordnenden Wert ableiten zu können.

Die Beschleunigungsgrößen können beispielsweise sein:

die Energiezufuhr zum Motor (Flüssigkeitseinlaß im Fall von Verbrennungsmotoren, elektrische Größen im Fall von Elektromotoren),

40

der Querschnitt der Austrittsöffnungen,

der sichtbare Wert der Schiffsgeschwindigkeit (Fall einer Geschwindigkeitssteuerung über Steuersystem).

45

Die Optimierungsgröße kann irgendeine beliebige der oben definierten Größen sein, nur muß natürlich beachtet werden, daß ein und dieselbe Größe nicht gleichzeitig Optimierungs- und Beschleunigungsgröße sein kann.

In dem Fall, daß man Pumpenrotoren mit beweglichen Flügeln verwendet, gibt es zwei Optimierungsgrößen: die oben definierte und zusätzlich den Einstellwinkel der Flügel. In diesem Fall liefert die Rechenvorrichtung jedoch ebenso den optimalen Einstellwinkel für die Flügel.

Die Eingangsgrößen der Optimierung sind stets mindestens zwei an der Zahl. Sie können beispielsweise aus der Schiffsgeschwindigkeit in Verbindung mit der einen oder anderen der folgenden Größen bestehen:

Drehzahl der Pumpe,

Leistung der Pumpe,

Energiezufuhr zum Motor, Durchsatz der Pumpe,

Pumphöhe.

Sie können ebenso in einer Kombination von Drehzahl aus beispielsweise dein Durchsatz, der Pumphöhe oder der Pumpenleistung bestehen. ^!

Im Fall von Schiffen variablen Tiefgangs (bei·¹ spielsweise Tauchfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen mit Tragflügeln) ist es erforderlich, eine zusätzliche Eingangsgröße einzuführen: die Eintauchtiefe oder eine Größe, welche direkt Funktion derselben istj also beispielsweise der Gesamtdruck im Ansaugrohr. Diese Eingangsgröße wirkt sich in der Rechenvorrichtung nur hinsichtlich der Kavitations-Grenz^· zustände aus. ■

Bei der oben beschriebenen Vorrichtung zur Be* rechnung der Optimierung wurden als Beschleuni¹ gungsgröße die Pumpengeschwindigkeit, als Optimierungsgröße der Düsenquerschnitt und als Eingangsgröße für die Optimierungsrechnung die Drehzahl der Pumpvorrichtung und die Schiffsgeschwindigkeit gewählt. Unter Berücksichtigung der Beziehungen, welche einerseits die Arbeitsweise des Antriebes und andererseits die Schiffsbewegung charakterisieren, können auch andere Anordnungen der oben definierten physikalischen Größen benutzt werden.

Ganz bestimmte der in die Rechnung für die optimale Kombination der Größen eingehenden Funktionen, wie beispielsweise der Energieverbrauch der Pumpe in Abhängigkeit von Durchsatz und Pumphöhe, von der Beschränkung durch die Kavitation, von den Druckverlusten der öffnungen und Leitungen und von der durch die Eintritts- und Düsenöffnungen verursachten Abbremsung usw., werden im allgemeinen experimentell bestimmt, indem man entweder die Geräte selbst oder Modelle in verkleinertem Maßstab ausprobiert. Solche Vorversuche können im allgemeinen nach bekannten Methoden auf Laboratoriumsebene durchgeführt werden. Ebenso kann man die gesetzmäßigen Verknüpfungen durch Vorversuche der an Bord des Schiffes montierten Antriebsvorrichtung bestimmen. Man muß dann für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten und verschiedene Werte der Schubkraft den Brennstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Drehzahl und den Stellungen der Regelelemente (Eintrittsöffnung, Austrittsöffnung, Pumpenflügel) messen.

Bei der Auswertung dieser Vorversuche ist es nicht mehr notwendig, über die weiter oben definierten Variablen Q und H zu gehen. Man kann als Variable die direkt in den Regelvorgang eingehenden Variablen wählen und diese in die Rechenvorrichtung einspeichern.

Die im Anhang angegebenen Blockschaltbilder zeigen einige praktische Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesen Schaltbildern stellen die Kästchen die aus der Wirkungsweise der verschiedenen das Antriebssystem ausbildenden Elemente resultierenden Beziehungen und ebenso die Formeln für die Schiffsbewegung dar. Die Linien, die diese Kästchen verbinden, stellen Größen dar, die in diese verschiedenen Beziehungen eingehen. Diesen Linien sind Pfeile aufgesetzt, die üblicherweise die folgende Bedeutung haben:

Zeigt der Pfeil auf das Kästchen zu, so bedeutet das, daß die entsprechende Größe als Eingangsgröße betrachtet wird; umgekehrt, wenn der Pfeil vom Kästchen wegzeigt, wird die entsprechende Größe im Schaltbild als Ausgangsgröße betrachtet.

In diesen Schaltbildern ist auf eine Unterscheidung der Größen selbst und ihrer Messung geachtet. Die

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it

in der Rechenvorrichtung verwendete-Meßgröße ist im allgemeinen von unterschiedlicher Natur gegenüber der tatsächlich gemessenen Größe, muß jedoch mit ihr über eine- bestimmte eindeutige Beziehung verknüpft sein (beispielsweise kann der Durchsatz Q des Antriebssystems durch Messung eines differentiellen Drucks bestimmt werden, der quadratisch von diesem Durchsatz abhängt).

- Fig,3 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die Beschleunigungsgröße der Düsenquerschnitt S und die Optimierungsgröße die Drehzahl η der Pumpvorrichtung sind. Nach diesem Schaltbild wird an einem Einstellglied 29 von der Bedienungsperson der gewünschte Wert der Schiffsgeschwindigkeit V eingestellt; ein Servo-Beschleunigungsregler 30 vergleicht diesen eingestellten Wert mit dem vom Gerät 31 gemessenen Wert von V und liefert eine von der Abweichung zwischen der Soll- und der Ist-Geschwindigkeit abhängige Ausgangsgröße S, die auf ein Steuergerät 32 so für die Größe S übertragen wird, welches den Düsenquerschnitt S des Antriebes 23 steuert.

Die Optimierung erfolgt automatisch durch einen Rechner 33, dem einerseits der eingestellte Wert für V und andererseits der aus dem Gerät 34 kommende gemessene Wert von S zugeführt wird. Daraus ermittelt der Rechner den optimalen Wert für n, der auf das Servogerät35 für den Motor des Antriebes 23 übertragen wird. Das Servogerät 35 vergleicht den vom Rechner 33 angezeigten optimalen Wert mit dem von dem Meßgerät 36 gemessenen Wert und ändert entsprechend die Energiezufuhr zum Motor 23.

Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem die Beschleunigungsgröße die Energiezufuhr zum Motor, die Optimierungsgröße der Düsenquerschnitt ist. Wie im vorhergehenden Beispiel erfolgt die Beschleunigungssteuerung nach dem Servoprinzip. Die Bedienungsperson stellt bei 29 den gewünschten Wert für V ein, der Beschleunigungsregler vergleicht diesen Sollwert mit dem vom Gerät 38 gemessenen Istwert von V und läßt daraufhin über das (nicht nach Servoart arbeitende) Steuergerät 39 für den Motor die Energiezufuhr zum Motor 23 sich ändern.

Die Optimierung erfolgt automatisch durch den Rechner 40, der von der einen Seite die Messung des Durchsatzes Q des Antriebes (beispielsweise mit dem Gerät 41 über einen differentiellen Druck gemessen) und von der anderen Seite die Messung der Geschwindigkeit V aus dem Gerät 38 empfängt. Daraus ermittelt er den optimalen Wert für S und überträgt ihn auf das entsprechende Servosteuergerät 42.

Fig. 5 stellt das Blockschaltbild eines dem in F i g. 4 dargestellten System vergleichbaren Systems dar, in dem aber eine zusätzliche Optimierungsgröße, und zwar der Eintrittsquerschnitt, auftritt.

Im Zusammenhang mit Fig. 5 ist Fig. 6 zu betrachten, welche schematisch einen Steuermechanismus für den Eintrittsquerschnitt und den Düsenquerschnitt zeigt, welche durch die Rechner 43 und 40 und die Steuergeräte44 und 42 in Fig. 5 bestimmt sind.

. Ein radialer Steuernocken 1 wird beispielsweise in Richtung des Doppelpfeiles F in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit V in eine Translationsund gemäß Pfeil / in Abhängigkeit vom Durchsatz Q des Antriebssystems in eine Drehbewegung versetzt.

Diese beiden Bewegungen sind durch Meßgeräte bekannten Typs für die beiden Größen V und Q gegeben.

• Der Nocken! kann über ein Gelenksystem2 direkt eine Klappe 3 steuern, die den Eintrittsquerschnitt verändert. Diese Anordnung entspricht dem Rechner 43 und dem Steuergerät 44 nach F i g. 5.
- Eine gleiche Anordnung mit einem radialen Steuernocken 4, der starr mit dem Nocken! verbunden ist, steuert über das Gelenksystem 5 einen Verschluß 6, der den Düsenquerschnitt verändert; diese Anordnung entspricht dem Rechner 40 und dem Steuergerät 42.

Der Beschleunigungsregler37 kann z.B. in bekannter Weise einem Vergleich einer mittels eines Potentiometers eingestellten Spannung, die beispielsweise der gewünschten Geschwindigkeit proportional ist, mit einer von einem elektromagnetischen Log gelieferten Spannung ausführen. Die Abweichung zwischen diesen beiden Spannungen wirkt direkt auf einen Hilfsmotor, der die Einlaßorgane des Pumpenmotors steuert.

Diese elektrische Servovorrichtung wird gegebenenfalls durch ein Korrektursystem bekannter Art vervollständigt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ausnutzung des bestmöglichen Wirkungsgrades eines Wasserstrahlschiffsantriebes mit einer Steuerung zur Einstellung des Querschnitts der Austrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Einstellgliedes für die gewünschte Schiffsgeschwindigkeit V in dem durch die kleinste und größte Pumpendrehzahl (1, 2), durch die Motorenleistung in Abhängigkeit von der Drehzahl (3) und durch die Kavitation (4)—bei der die durchschnittlichen Strömungsverhältnisse am Schiffsrumpf berücksichtigt sind — festgelegten, ausnutzbaren Bereich der Pumpe in dem Pumpenhöhe(H)-Durchsatz(0-Diagramm, in dem für jeden Punkt dieses Bereichs der Brennstoffverbrauch des Antriebsmotors bekannt ist, unter Heranziehung der für den betreffenden Schiffsrumpf geltenden Schub(P)-Geschwindigkeits(F)-Kurven auf der nach Formel 8 gefundenen Kurve konstanter Schubkraft (P₁) der Punkt (C) geringsten Brennstoffverbrauchs und aus dessen Koordinaten (H_c, öc) die Querschnittsgröße (S_c) der Austrittsöffnung nach Formel (10) ermittelt und gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 für einen Wasserstrahlschiffsantrieb, bei dem der Pumpenrotor verstellbare Flügel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für den Punkt mit den Koordinaten H_c und Q_c die hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs optimale Kombination von Drehzahl und Flügelstellung festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 für einen Wasserstrahlschiffsantrieb, bei dem auch die Querschnittsgröße der Eintrittsöffnung veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der Kurven konstanter Schubkraft (P₁) für verschiedene Querschnitte der Eintrittsöffnung (λ) der Punkt (C) geringsten Brennstoffverbrauchs aufgesucht und von diesen Punkten der mit dem niedrigsten Brennstoffverbrauch ausgewählt und die Eintrittsöffnung danach gesteuert wird.