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"Verfahren und Einrichtung zur Regelung der Tankflüssigkeitfrequenz
eines Schlingertanks" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Regelung der Tankflüssigkeitsfrequenz eines Schiffsschlingertanks, der aus zwei
über einen in Teilkanäle aufgeteilten Verbindungskanal miteinander nach Art kommunizierender
Röhren verbundenen Flüssigkeitstanks besteht, mit Hilfe von in den Teilkanälen angeordneten,
in Abhängigkeit von Meßwerten der auftretenden Bewegungsgrößen gesteuerten Absperrorgane
für Auf- und Zustellung mit stufenweiser Schließ-und Öffnungsfolge.
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Die Regelung soll dabei die Schwingungen der Tankflüssigkeit in dem
etwa U-förmigen Schlingertank so durch Veränderung des Strömungsquerschnittes im
Verbindungskanal beeinflussen, daß die schwingende Tankflüssigkeit dem auf das Schiff
einwirkenden Seegangsmoment Jederzeit ein kompesierendes Moment entgegensetzt. Dies
ist nur dann zu erreichen, wenn die Geschwindikeit der Tankflüssigkeitsströmung
frequenzgleich,
aber in Phasenopposition zu den Schlingerbewegungen
des Schiffes verläuft. Dies bedeutet, daß im angestrebten durch optimale Schlingerdämpfung
ausgezeichneten Betriebszustand der Tankflüssigkeitswinkel γ dem Schlingerbewegung
darsellenden Schlinger- oder Schiffsrollwinkel # um 90° vorauseilt.
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Dabei wird von der vereinfachenden Annahme ausgegangen, daß beide
Winkel näherungsweise einen sinusförmigen Verlauf über der Zeit aufweisen.
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Um die Tankflüssigkeitsfrequenz eines Schlingertanks der Schlingerfrequenz
anzugleichen, sind nun schon einige Einrichtungen bekannt geworden, bei denen eine
in einer Luftserbindungsleitung zwischen den beiden Flüssigkeitstanks angeordnete
Luftklappe geregelt wird. Beim Schließen der Luftklappe kommt die im Schlingertank
schwingende Flüssigkeitssäule zum Stillstand. Die Regelung der Luftklappenbetätigung
läuft darauf hinaus, durch zweckmäßig gewähltes Schließen der Luftklappe die Nulldurchgänge
des Tankflüssigkeitswinkels t und der Schiffsrollgeschwindigkeit # bei gleicher
Phasenlage zusammenfallen zu passen. Die Tnxplüssigkestsgeschwindigkeitj ist während
der Verhaltezeit (bei geschlossener Luftklappe) gleich Null.
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Mitunter ist es aber auch zweckmäßig, die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit
γ ohne Einlegen einer Verhaltezeit, bie der den Wert Null beibehält, in ihrem
zeitlichen Verlauf der Frequenz des Schiffsrollwinkels # anzugleichen. Dies kann
durch Veränderung der Eigenfrequenz der schwingenden Flüssigkeitssäule erreicht
werden, in dem die in den Teilkänalen des Verbindungskanals zwischen den Flüssigkeitstanks
befindlichen Wasserklappen verstellt werden. Durch die Wasserklappenverstellung
wird
eine Veränderung des Strömungsquerschnittes erzielt, wobei eine Querschnittsverkleinerung
eine Verringerung der Eigenfrequenz der Tankflüssigkeitsströmung und eine Querschnittserweiterung
eine Vergrößerung der Tankeigenfrequenz ergibt. Zu diesem Zweck ist es bekannt,
die Wasserklappen mit Hilfe von Tabellen von Hand zu verstellen Dieses Verfahren
kann Jedoch nur eine sehr ungenaue Angleichung von Tankflüssigkeit und Schlingerfrequenz
und daher nur ein unbefriedigendes Ergebnis erzielen.
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SchließLich ist zur Anpassung der Tankflüssigkeits-Frequenz an die
Schlingerfrequenz des Schiffes bekannt, den zwischen den Flüssigkeitstank bestehenden
Verbindungskanal so in seinem Querschnitt zu verändern, daß eine Anpassung ohne
wesentlichte Drosselung möglich ist. Zu diesem Zweck kann der Verbindungskanal mit
ausziehbaren U-förmigen Bogenstücken versehen sein. Er kann aber auch aus mehreren
parallelen Teilkanälen bestehen, von denen einige mittels Schiebern verschließbar
sind. Dadurch ist die frequenz der Tankflüssigkeit durch stufenweises Schließen
der Teilkanüle beeinflußbar. Diese Veränderung des querschnitts des Verbindungskanals
kann selbsttätig oder von Hand erfolgen. Eine den Jeweiligen Witterungabedingungen
möglichst exakt angepaßte Stabilisierungseinrichtung ist mit dieser Anlage aber
nicht realisierbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Verstellung des Querschnitts
des Verbindungskanals von Tankstabilisatoren derart zu steuern, daß die Tankflüssigkeitsfrequenz
jeweils der Schlingerfrequenz des Schiffes möglichst genau angepaßt wird, um die
Rezonanz zwischen der Bewegung der Tankflüssigkeit und des Schiffes zu erreichen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die sturenweise Schließung erfolgt,
wenn die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ vor dem Schlingerwinkel # dD den
Nulldurchgang erreicht und daß die s,tufenweise Öffnung der Absperrorgane erfolgt,
wenn der Schlingerwinkel r vor der Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ den Nulldurchgang
erreicht, wobei als Mindestwert der, Zeitdifferenz zwischen den Nulldurchgängen
der reziproke Wert derjeni gen Frequenzdifferenz erreicht sein muß, die zwischen
dem Maximum der Tankwasserresonanz-Kurve (entspricht Tankeigenfrequenz) für die
in Betrieb befindliche Teilkanalzahl und dem Schnittpunkt mit der nächstfolgenden
Tankwasserresonanz-Kurve der in der nächsten Schalt stufe vorgesehenen Teilkanalanzahl
liegt. In weiterer zweckmäßiger Ausbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, erst
dann,' wenn bei mehreren aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit
γ bzw. des Schlingerwinkels 7 die zur Schaltung erforderliche Zeitdifferenz
vorliegt, um das nächstfolgende Absperrorgan zu betätigen. Zur Durchführung des
Verfahrens wird gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der Speicherglieder
vorgesehen sind, die beim Erscheinen des ersten einen Nulldurchgangs anzeigenden
Signals gesetzt und vom zweiten Signal gelbscht werden, wobei der Speicherausgang
direkt sowie über ein Zeitglied einem UND-Glied zur Beaufschlagung hintereinandergeschalteter
binärer Zählgiieder zugeleitet wird und bei der ein vorwärts- und rückwärtszählendes
,Schie beregister vorgesehen ist, das den Befehl zum stufenweisen Öffnen oder Schließen
der Absperrorgane bei Vorliegen eines Signals von einem die Ausgänge der binären
Zählgiieder verknüpfenden UND-Gliedes abgibt.
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Die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelung wird
im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung
näher erläutert.
Dabei geben die Kurven in Fig. 1 den Verlauf des Schlingerwinkels #, des Tankflüssigkeitswinkels
γ und der Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ wieder, während in Fig.
2 die Resonanzkurven des Schlingertanks bei verschiedenen Strömungsquerschnitten
aufgetragen sind. Die.Fig. 3 der Zeichnung zeigt schließlich eine schematische Schaltungsanordnung
eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung.
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Nach. Fig. 1 sollen der Kurvenzug des Schiffsrollwinkels oder Schlingerwinkels
# ebenso wie der des Tankflüssigkeitswinkels γ näherungsweise einen sinusförmigen
Verlauf haben. Dann zeigt auch die zeitliche Ableitung des Tankflüssigkeitswinkels
γ, nämlich die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ, , einen sinusförmigen
Verlauf. Der ausgezogene Kurvenzug gibt dabei die Tankflüssigkeitgeschwindigkeit
γ für den erwünschten Betriebszustand wieder, bei dem γ und γ
in Gegenphase und mit der gleichen Frequenz schwingen. Der gestrichelte Kurvenzug
ist die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ mit einer Frequenz die niedriger
als die des Schlingerwinkels γ ist, während der strichpunktierte Kurvenzug
die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit mit zu hoher Frequenz darstellt. Bei zu hoher
Tankflüssigkeitsfrequenz, die dadurch angezeigt wird, daß γ vor f den Nulldurchgang
erreicht, muß eines der vorgesehenen Absperrorgane geschlossen werden, wohingegen
bei zu niedriger Tankflüssigkeitsfrequenz ( tp erreicht vorn den Wert Null) eines
der geschlossenen Absperrorgane geöffnet werden muß. Voraussetzung dazu ist allerdings,
daß die ungedämpfte Eigenfrequenz des Schlingertanks größer gewählt ist als die
großte'betriebsmäßig vorkommende Grundfrequenz der Schlingerbevegung. Diese ungedämpfte
Eigenfrequenz des Schlingertanks wird mit f0 bezeichnet und ergibt sich aus Fig.
2 am Ort des Maximums des Kurvenzuges t, der die Resonanzkurve des Schlingertanks
mit
voll geöffnetem Verbindungskanal zeigt.
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Der Kurvenzug 2 stellt die Resonanzkurve t den Fall dar, daß ein Absperrorgan
geschlossen ist, und Kurvenzug 3 für den Fall, daß zwei Absperrorgane geschlossen
sind. Die Amplituden der Resonanzkurven, die das von der Tankflüssigkeit dem Schlingermoment
entgegengesetzte Tankmoment wiedergeben, nehmen infolge der durch das Schließen
der Absperrorgane verursachten Dämpfung etwasab. Im Maximum der Kurvenzüge liegt
die Jeweils vorhandene Tankeigenf-requenz 0 f1 oder vor.
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Bei den mit 4 und 5 bezeichneten Schnittpunkten der Resonanz kurven
liegt nun dieJenige Frequenz vor, oberhalb bzw. unterhalb derer eine @eränderung
de Tankflüssigkeits-Strömungsquerschnittes durch Öffnen bzw. Schließen eines Absperrorgans
vorgenommen wird, d.h. bei der von einer Tankeigenfrequenz auf eine andere, also
von einer Resonanzkurve auf eine andere übergegangen wird. Der Frequenzunterschied,
der der Differenz der Frequenzwerte zwischen dem Maximum der Resonanzkurve (Eigenfrequenz)
und dem Schnittpunkt mit der nächsten Resonanzkurve (Umschaltfrequenz) entspricht,
muß demnach zwischen Schlingerfrequenz und Tankeigenfrequenz erreicht werden, bevor
ein Absperrorgan verstellt wird. Der reziproke Wert dieses Frequenzunterschiedes
entspricht derjeniger Zeitdifferenz, die nach Fig. t zwischen dem Nulldurchgang
der Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ und dem des Schlingerwinkels # bestehen
muß, bei der die Verstellung der- Absperrorgane vorgenommen wird.
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Es wird beispielsweise der Fall angenommen, daß im Verbindungskanal
des Schlingertanks ein Absperrorgan geschlossen ist,
die Tankeigenfrequenz
(f1) jedoch immer noch höher als die Schlingerfrequenz ist. Bei diese Betriebszustand
erreicht die Tankflüssigkeitsgeschwifldigkeit i (strichpunktierte Kurve in Fig.
1) den Nulldurchgang vor dem Schlingerwinkel # Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird nun ein zweites Absperrorgan geschlossen, wenn die Zeitdifferenz zwischen den
beiden Nulldurchgängen, die in der Fig. 1 T5 genannt wird, größer als der reziproke
Wert der Differenz zwischen den Frequenzen ja i NbxiraD der Kurve 2 (fl) in Fig.
2 und im Schnittpunkt 5 der Kurve 2 mit der Kurve 3 ist. Es ergibt sich die Beziehung
T5 = 1/f1 = 1/f5.
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Liegt dagegen der Fall vor, daß die Tankeigenfrequenz (f ) kleiner
als die Schlingerfrequenz ist, was durch die gestrichelte Kurve in Fig. 1 angedeutet
ist, dann wird das einzige geschlossene Absperrorgan auch noch geöffnet, wenn TÖ
= 1/f4 = 1/f1 ist. Es darf näherungsweise angenommen werden, daß TÖ 3 T5 ist.
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Durch diese Forderung nach einer Mindestzeitdifferenz zwischen den
beiden Nulldurchgängen der Kurven t und # wird erreicht, daß beis Auftreten einer
Schlingerfrequenz, , die gerade zwischen zwei Tankeingenfrequenzen liegt nicht fortwährend
die Absperr organe geöffnet und wieder geschlossen werden müssen. Aus dem gleichen
Grunde soll die Betätigung eines Absperrorgans auch erst dann erfolgen, wenn mehrere
Male hintereinander eine dem oben angegebenen Wert genügende Zeitdifferenz zwischen
den Null durchgängen der Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ und des Schlingerwinkels
# festgestellt wird.
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Das vorgeschilderte Verfahren zur Regelung der Tankeigenfrequenz
wird
beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Regelungseinrichtung durchgeführt,
wobei die Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Gewinnung eines Impulses als Öffnungsbefehl
zeigt.
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In der Zeichnung nicht dargestellt sind an sich bekannten Meßgeräte
für die Tankflüssigkeitsgeschwindigkeit γ s beispielsweise ein Differenz-Staudruckmesser,
und für den Schlingerwinkel # # , wofür beispielsweise eine sogenannte Libelle verwendet
werden kann. Ebensowenig sind Schaltungsanordnungen zur Erzeugung eines Nullsignals
als Anzeige für den Nulldurchgang gezeigt, die in an sich bekannter Weise beispielsweise
aus einem Vollweggleichrichter, einer Begrenzungsschaltung und einem Kippglied in
Hintereinanderschaltung bestehen, wobei das Kippglied Jeweils in der Umgebung eines
Nulldurchgangs in den nichtleitenden Zus-tand zurückfällt und das an seinem Komplementärausgang
anstehende Signal als Nullsignal verwendet wird. Diese Nullsignale für t = O und
γ = 0 beaufschlagen nun nacheinander die beiden Eingänge eines Speichers 10,
dessen Ausgang einmal direkt und zum anderen über ein Zeitglied 11 einem UND-Glied
12 zugeleitet wird. Dadurch wird erreicht, daß erst bei Vorliegen einer genügend
großen Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der Nullsignale, der Ausgang des Speichers
durchgeschaltet wird. Erscheint das Signal fürj = 0, das den Speicher 10 löscht,
zu früh, also bevor das Zeitglied 11, dem der Grenzwert-TÖ aufgeprägt ist, durchschaltet,
so liegen die beiden Bedingungen für das UND-Glied 12 nicht vor und es erscheint
kein Null signal am Ausgang des UND-Gliedea. 13 und 14 sind aus Flip-Flop-Elementen
bestehende binäre Zählglieder, die erst dann, wenn das Nullsignal dreimal hintereinander
erscheint, über das UND-Glied 15 das Signal an ein vorwärts- und rückwärtszählendes
Schieberegister
i6 weitergeben. Das Schieberegister 16 erteilt
nun dem nicht dargestellten Stellantrieb des in der Reihe nächstfolgenden Absperrorgans
den Befehl zum Öffnen. Es wäre selbstverständlich auch möglich, noch mehr binäre
Zahlglje der hinter die Glieder 13 und i4 zu schalten, um die Zahl des vorgeschriebenen
Erscheinens der Null signale zu erhöhen.
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Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist für die Erzeugung eines
Schließbefehls vorgesehen, wobei lediglich der Speicher durch das erscheinende Signal
für g - 0 gesetzt und durch das für # = 0 gelöscht wird.
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9 Seiten Beschreibung 3 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit 3 Fig.