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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Rückmeldung der Flügelstellung eines Verstellpropellers, wobei der Verstellpropeller eine drehbare Nabe sowie an der Nabe angebrachte und mittels einer Verstelleinrichtung um ihre Längsachse verstellbare Propellerflügel aufweist und wobei eine Verstellung der Propellerflügel als Verstellweg der Verstelleinrichtung messbar ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen mit einem derartigen System ausgerüsteten Verstellpropeller.
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Als Verstellpropeller bezeichnet man Propeller, bei denen der Einstellwinkel der Propellerflügel im Unterschied zu konventionellen Festpropellern variabel ist und auf diese Weise an verschiedene Betriebssituationen angepasst werden kann. Derartige Verstellpropeller (auch CP(controllable pitch)-Propeller) werden beispielsweise als Schiffspropeller eingesetzt.
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Die Propellerflügel eines verstellbaren Schiffspropellers können um ihr Längsachse gedreht werden, wodurch sich ihre Steigung stufenlos von Nullschub auf Voraus- oder Rückwärtsfahrt mit jeweils variablem Schub verstellen lässt. Hierdurch wird eine hohe Antriebseffizienz auch bei wechselnden Geschwindigkeiten und Lasten sowie eine verbesserte Manövrierfähigkeit erreicht. Aufgrund der Verstellbarkeit zwischen Voraus- und Rückwärtsfahrt ist bei mit Verstellpropellern ausgerüsteten Wasserfahrzeugen insbesondere kein Wendegetriebe erforderlich. Die Verstellung der Propellerflügel erfolgt in der Regel hydraulisch oder mechanisch.
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In der
DE 10 2010 019 769 A1 ist eine Verstelleinrichtung offenbart, mit welcher eine Verstellung der Propellerflügel in der beschriebenen Weise realisierbar ist. Die Verstelleinrichtung weist zu diesem Zweck ein Kegelradgetriebe auf, welches auf der Abtriebsseite die verstellbaren Propellerflügel trägt, sowie eine auf der Antriebsseite mit dem Kegelradgetriebe in Wirkverbindung stehende axial verlagerbare Steuerspindel. Die Wirkverbindung ist dabei so ausgestaltet, dass eine lineare Bewegung der Steuerspindel eine Rotationsbewegung der Kegelräder des Kegelradgetriebes und damit der Propellerflügel bewirkt. Die Position der Steuerspindel ist somit ein direktes Maß für die Stellung der Propellerflügel.
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Zur exakten Steuerung und Regelung von Verstellpropellern muss die aktuelle Stellung der Propellerflügel und damit die Propellersteigung zu jedem Zeitpunkt bekannt sein. Darüber hinaus fordern einige der für die technische Überwachung im Schiffsbau zuständigen Klassifikationsgesellschaften eine Anzeige der aktuellen Propellersteigung auf der Schiffsbrücke und im Maschinenraum.
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Zu diesem Zweck existieren bereits verschiedene, insbesondere rein mechanische Rückmeldeverfahren. So ist in der
DD 212 018 eine Steigungsrückmeldung bei Verstellpropelleranlagen beschrieben, die über ein Hebelsystem eine mechanische Signalübertragung der Ist-Stellung der Propellerflügel in das Schiff ermöglicht.
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Derartige Rückmeldesysteme sind jedoch aufgrund ihrer großen Anzahl an mechanischen Bauteilen verschleißanfällig und damit sehr wartungsaufwändig. Zudem können die Fertigungstoleranzen der mechanischen Bauteile bei der Signalübertragung zu Abweichungen im Rückmeldesignal führen, wodurch Nachregelungen erforderlich sind und die Positioniergenauigkeit insgesamt beeinträchtigt wird. Auch durch thermische Effekte hervorgerufene Längenänderungen der einzelnen mechanischen Hebel und Züge können zu Abweichungen und damit Verfälschungen des Rückmeldesignals führen.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten sind bereits Versuche unternommen worden, ein im Wesentlichen berührungslos arbeitendes Rückmeldesystem zu entwickeln, welches mechanische Komponenten und Verbindungen weitgehend vermeidet. Ein derartiges Rückmeldesystem ist beispielsweise aus der
DD 294 780 A5 bekannt. Diese Schaft offenbart eine radiometrische Messanordnung zur Anzeige der Flügelstellung an Verstellpropellern von Schiffen, durch welche ein Signal, welches ein Maß für die erreichte Flügelsteigung ist, aus der drehenden Propellerwelle zu einem im Schiff installierten Empfänger gesendet wird, ohne dass ein mechanischer Kontakt zwischen diesem und der drehenden Welle besteht. Hierzu ist innerhalb der Propellerwelle eine Isotopenquelle eingelagert, welcher ein Szintillationsdetektor zugeordnet ist. Durch die spezielle Anordnung der radioaktiven Quelle wird eine der Stellung der Propellerflügel proportionale Dosisleistung freigegeben, die von der Szintillationssonde erfasst und über einen Messumwandler in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
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Ein derartiges System kommt zwar weitgehend ohne mechanische Komponenten aus, jedoch ist die Verwendung einer radioaktiven Quelle in vielerlei Hinsicht problematisch. Die Anforderungen an den Umgang mit radioaktiven Quellen sind hoch und es besteht stets die Gefahr von Strahlenbelastungen und Kontaminationen. Darüber hinaus nimmt die Strahlungsleistung der Quelle je nach Isotop natürlicherweise mehr oder weniger schnell ab, so dass die Vorrichtung entsprechend sorgfältig überwacht werden muss, um eine gleichbleibende und zuverlässige Ansprechleistung des Systems zu gewährleisten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines mechanische Komponenten weitgehend vermeidenden Systems zur Rückmeldung der Flügelstellung eines Verstellpropellers, durch welches die Nachteile des Standes der Technik umgangen werden. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mit einem entsprechenden Rückmeldesystem ausgerüsteten Verstellpropeller bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 sowie durch einen Verstellpropeller mit den Merkmalen des Schutzanspruches 10.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung sieht vor, dass mindestens ein elektrischer Wegsensor vorgesehen ist, durch welchen der Verstellweg erfassbar und in ein Messsignal umwandelbar ist. Mit anderen Worten wird der mit der Einstellung der Propellerflügel korrelierende Verstellweg der Versteileinrichtung durch einen geeigneten elektrischen Wegsensor gemessen und in ein analoges oder digitales Messsignal umgewandelt, welches dann als Maß für die bewirkte Winkelverstellung bzw. Winkelstellung der Propellerflügel dient und unter Aussparung weiterer mechanischer Komponenten zu einer Anzeigevorrichtung übertragen werden kann.
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Bei einer ein Winkelgetriebe und eine mit diesem in Wirkverbindung stehende Steuerspindel aufweisenden Versteileinrichtung kann dabei z. B. ein Verstellweg der Steuerspindel als Maß für die Propellerflügelsteigung erfasst werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Wegsensor als magnetostriktiver Sensor ausgebildet. Als Magnetostriktion bezeichnet man die Deformation ferromagnetischer Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Ein besonderer Effekt in diesem Zusammenhang ist der Wiedemann-Effekt, welcher die mechanische Torsion eines langen, dünnen ferromagnetischen Stabes beschreibt, der sich in einem externen longitudinalen Magnetfeld befindet und gleichzeitig von einem ein konzentrisches Magnetfeld erzeugenden elektrischen Strom durchflossen wird. Diese Effekte können in entsprechenden Sensoren zur Längenmessung herangezogen werden. Derartige magnetostriktive Sensoren zeichnen sich durch eine sehr exakte, berührungslose und damit verschleißfreie Messung aus und besitzen eine hohe Langzeitstabilität. Als im Rahmen der Erfindung geeignet haben sich beispielsweise die unter dem Namen Temposonics®-Positionssensoren von der Firma MTS Sensor Technologie vertriebenen Sensoren erwiesen.
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Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Rückmeldesystems sieht vor, dass der Wegsensor im Bereich des Verstellpropellers angeordnet ist. Hier misst der Wegsensor den linearen Verstellweg beispielsweise einer Steuerspindel, welcher in direktem Zusammenhang mit der Winkeleinstellung der Propellerflügel steht.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Vorschlag ist es vorgesehen, dass das System eine berührungslose induktive Telemetrie aufweist, mittels welcher Daten auf induktivem Wege von bewegten Maschinenteilen auf ruhende Empfänger übermittelt werden können. Ein von dem elektrischen Wegsensor generiertes Messsignal kann auf diese Weise von der Drehung des Antriebs entkoppelt und in den stehenden Bereich innerhalb des Wasserfahrzeugs übertragen werden. Als im Rahmen der Erfindung geeignet haben sich beispielsweise die Signalübertragunssysteme der Firma Manner Sensortelemetrie erwiesen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Wegsensoren zur mehrfachen und unabhängigen Erfassung des Verstellweges vorgesehen, durch welche mehrere unabhängige Messsignale generierbar sind. Hierbei kann vorgesehen sein, dass aus den mehreren unabhängigen Messsignalen ein elektrisches Ausgangssignal generierbar ist.
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Durch die mehrfache und unabhängige Erfassung des Verstellweges weist das System eine Redundanz auf, die zu einer Erhöhung der Betriebssicherheit führt. So kann das System selbst bei Ausfall oder einer Störung eines einzelnen Sensors zuverlässig weiter betrieben werden. Die von den einzelnen Sensoren generierten Messsignale können in ein gemeinsames elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden, welches dann zu einer Anzeigevorrichtung übertragen werden kann.
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Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass das Messsignal bzw. das aus mehreren unabhängigen Messsignalen generierte elektrische Ausgangssignal über die berührungslose induktive Telemetrie von der Rotation entkoppelbar und zu einer Auswerte- und/oder Anzeigevorrichtung übertragbar ist.
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Sofern mehrere unabhängige Messsignale generiert werden, kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die mehreren unabhängigen Messsignale unabhängig voneinander über die berührungslose induktive Telemetrie von der Rotation entkoppelbar und zu einer Auswerte- und/oder Anzeigevorrichtung übertragbar sind.
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Die Erfindung schlägt darüber hinaus einen Verstellpropeller vor, umfassend eine drehbare Nabe sowie an der Nabe angebrachte und mittels einer Versteileinrichtung um ihre Längsachse verstellbare Propellerflügel, wobei eine Verstellung der Propellerflügel als Verstellweg der Versteileinrichtung messbar ist, wobei der Verstellpropeller mit einem System zur berührungslosen Rückmeldung der Flügelstellung gemäß den vorangehenden Ausführungen zusammenwirkt.
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Hinsichtlich der besonderen Vorteile einzelner Ausgestaltungsvarianten gilt das oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rückmeldesystem Gesagte gleichermaßen für den mit einem solchen System ausgerüsteten Verstellpropeller.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1: einen Verstellpropeller mit einem erfindungsgemäßen System zur berührungslosen Rückmeldung der Flügelstellung im Schnitt.
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1 zeigt einen Verstellpropeller 1, welcher von einem üblicherweise im Maschinenraum 2 eines Wasserfahrzeugs angeordneten Antriebsmotor derart angetrieben wird, dass das Motordrehmoment über eine vertikal verlaufende Antriebswelle und ein Winkelgetriebe auf eine horizontal verlaufende Propellerwelle übertragen wird, welche den Verstellpropeller 1 trägt. In 1 sind die Antriebswelle und die Propellerwelle der Übersichtlichkeit halber nicht gesondert dargestellt. Die Antriebswelle verläuft innerhalb des sich von dem Maschinenraum 2 aus vertikal nach unten erstreckenden Gehäusebereichs G1, während die Propellerwelle innerhalb des horizontal angeordneten Gehäusebereichs G2 liegt.
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Der Verstellpropeller 1 umfasst eine drehbare Nabe 3, auf welcher die gemäß den Pfeilen P um ihre Längsachse verstellbaren Propellerflügel 4 angeordnet sind. Eine Verstellung der Propellerflügel 4 wird durch eine Verstelleinrichtung bewerkstelligt, die gemäß der Pfeile S eine axial verlagerbare Steuerspindel 6 aufweist. Eine Verstellung der Propellerflügel 4 gemäß der Pfeile P bewirkt eine entsprechende Winkelverstellung, welche sodann in eine lineare Bewegung der Steuerspindel 6 gemäß der Pfeile S umgesetzt wird. Der Verstellweg der Steuerspindel 6 ist somit ein direktes Maß für die Steigung der Propellerflügel 4 des Verstellpropellers 1.
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Zur Messung des Verstellweges der Steuerspindel 6 weist das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rückmeldesystems einen elektrischen Wegsensor 7 auf, welcher als magnetostriktiver Sensor ausgebildet ist. Der Wegsensor 7 erfasst den mit einer bestimmten Verstellung der Propellerflügel 4 einhergehenden Verstellweg der Steuerspindel 6 und generiert ein elektrisches Ausgangssignal, welches sodann über ein Kabel 8 aus dem drehenden Teil des Schiffsantriebs herausgeführt wird. In einem Übergangsbereich 9 wird das Signal mithilfe einer berührungslosen induktiven Telemetrie von der Drehung des Antriebs entkoppelt, so dass das Signal schließlich über eine weitere Kabelverbindung 10 einer elektrischen Auswerte- bzw. Anzeigevorrichtung 11 im Maschinenraum 2 und auf der Brücke des Wasserfahrzeugs zugeführt werden kann.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Systems können neben dem in 1 dargestellten Wegsensor 7 ein oder mehrere weitere Wegsensoren im Bereich der Steuerspindel 6 angeordnet sein. Die einzelnen von diesen Sensoren generierten Messsignale können in ein gemeinsames Ausgangssignal umgewandelt werden, welches dann entsprechend der obigen Beschreibung zu einer Anzeigevorrichtung 11 übertragen werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, dass die von mehreren Wegsensoren erzeugten Messsignale unabhängig voneinander zu einer Auswerte- und/oder Anzeigevorrichtung 11 übertragen werden.
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Das erfindungsgemäße Rückmeldesystem ermöglicht somit eine Anzeige der aktuellen Flügelstellung der Propellerflügel eines Verstellpropellers unter Verzicht auf ein aufwändiges und verschleißanfälliges mechanisches Übertragungssystem. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich durch äußerst kompakte Bauweise, exaktes Messverhalten sowie gute Langzeitstabilität aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010019769 A1 [0004]
- DD 212018 [0006]
- DD 294780 A5 [0008]
