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Kennwort: "Schubsteuerung" Steuerung eines zum Erzeugen einer nach
Größe und Richtung stetig veränderbaren Propellerkraft eingerichteten Fahrzeugpropellers
Die Erfindung betrifft eine Steuerung eines zum Erzeugen einer nach Größe und Richtung
stetig veränderbaren Propellerkraft eingerichteten Fahrzeugpropellers. Propeller
mit den beschriebenen Eigenschaften dienen in der Regel zum Antrieb von vor allem
auf dem Wasser verkehrenden Fahrzeugen, die sich dort je nach den Betriebsbedingungen
mit veränderbarer Geschwindigkeit fortbewegen und auch Richtungsänderungen ausführen
oder quer zur Fortbewegungsrichtung wirkenden Kräften standhalten müssen.
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Es sind unterschiedliche Bauweisen solcher Propeller bekannt, die
alle die besondere Eigenschaft haben, daß beim Erzeugen von quer zur Fortschrittsrichtung
wirkenden Kräften die vom Propeller insgesamt auf den Fahrzeugkörper übertragende
Kraft und dementsprechend auch die Antriebs leistung des Propellers ansteigen. Daher
führt bei diesen Propellern das Erzeugen von Querkräften dann zur Überlastung des
Propellers und seiner Antriebseinrichtung, wenn der Propeller bei reiner Vorwärtsbewegung
voll ausgelastet ist.
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Diesen Nachteil besitzen Schraubenpropeller mit festen oder verstellbaren
Flügeln, die zusammen mit der Antriebseinrichtung um eine zur Propellerdrehachse
senkrechte Achse schwenkbar im Fahrzeug gelagert sind und deren Flügel beim Heraus
schwenken des Propelleraggregates aus der Fahrt richtung vom Fahrstrom schräg angeströmt
werden. Das gleiche gilt für Schraubenpropeller, deren Flügel während jeder Umdrehung
eine Schwingbewegung um eine Mittellage ausführen, und gilt schließlich
in
besonderem Maße für Zykloiden-Propeller, deren Flügel auf dem Umfang einer ebenen,
mit der Außenhaut des Fahrzeuges bündigen antreibbaren Radscheibe gelagert sind
und bei Belastung eine Schwingbewegung um eine zur Radscheibendrehachse parallele
Schwenkachse ausführen. Spezielle Bauarten von Zyklotden-Propellern sind in der
Fachwelt unter der Bezeichnung "Voith-Schneider-Propeller" bekannt. Diese Propellerbauarten
mit Schwenkflügeln werden im folgenden als Schwenkflügelpropeller bezeichnet.
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Die Schwenkbewegung der Flügel wird beim Voith-Schneider-Propeller
durch ein im Innern des Radkörpers angeordnetes Antriebsgestange bewirkt, das an
einer von der Drehachse der Radscheibe aus nach allen Richtungen hin stetig bis
zu einem Grdßtwerte verschiebbaren Steuerscheibe angelenkt ist und an jedem Flügel
mittels eines Hebels angreift. Beim Betrieb des Voith-Schneider-Propellers wird
ein gerichteter Propellerstrahl und damit eine diesem entgegengerichtete Propellerkraft
erzeugt, deren Stärke bei gegebener Propellerdrehzahl und Fahrgeschwindigkeit der
Größe der eingestellten Exzentrizität der Steuerscheibe entspricht und deren Richtung
der Richtung der Exzentrizität zugeordnet ist.
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Die Verstellkräfte für die Steuerscheibe bei diesen Propellerbauarten
sind erheblich. Deshalb werden diese großen Verstellkräfte durch Kraftverstärker
(Servomotoren) ausgeübt. Beim Voith-Schneider-Propeller wird zum Verschieben der
Steuerseheibe in der Regel ein Paar zueinander senkrecht angeordneter öldruckbetä.tigter
Servomotoren vorgesehen.
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Die beschriebenen hydraulischen Eigenschaften der bekannten Bauweisen
von Schwenkflügelpropellern bewirken, daß einer bestimmten Steigung des Propellers
bei gleichbleibender Propellerdrehzahl - je nach dem Bewegungszustand des den Propeller
wmgebenden Wassers - unterschiedlich große Vortriebskräfte und unter sohiedliohe
Leistungsaufnahme zugeordnet sind. Mit steigender Fahrgeschwindigkeit nehmen nämlich
die Vortriebskraft und die Leistung ab. Man kann als ohne den Propeller und die
Antriebsmittel
zu Uberlasten, die Propellersteigung entsprechend
der zunehmenden Fahrgeschwindigkeit erhöhen.
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Andererseits bewirkt aber das Einleiten eines Rudermanövers bei gleichbleibender
Fahrgeschwindigkeit, Propellerdrehzahl und Propellersteigung eine Erhöhung der aus
Vortriebskraft und Ruderkraft resultierenden Propellerkraft und dementsprechend
der Antriebs leistung, und zwar - bei gleichbleibender Einstellung der Richtung
der Propellerkraft - eine um so grdßere Steigerung dieser beiden Werte, je höher
die Fahrgeschwindigkeit ist. Bei Fahrgeschwindigkeit Null beispielsweise tritt infolge
eines Rudermanövers keine Erhöhung der Propellerkraft und der Antriebsleistung ein,
weil in diesem Falle alle Richtungen der Propellerkraft einander gleichwertig sind.
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Es ist bekannt, Überlastungen des in Fahrt befindlichen Voith-Schneider-Propellers
bei Rudermanövern durch ein Korrekturgetriebe zu begegnen, durch das die eingestellte
Flügelsteigung selbsttätig vermindert wird, sobald die Einstellung der Servomotoren
von der für Geradeausfahrt gültigen Einstellung abweicht, und selbsttätig die ursprüngliche
Flügelsteigung wieder herzustellen, sobald eine für Geradeausfahrt gültige Einstellung
wieder erreicht wird (DT-PS 858 370).
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Ee sind auch Bauweisen für das Einstellen der Servomotoren vorgeschlagen
worden, bei denen zur Steuerung der Servomotoren eine elektronische Recheneinrichtung
verwendet wird, die mit einem die Funktion des Korrekturgetriebes nachbildenden
Funktionsgeber verknüpft ist. Eine solche Ausbildung des Steuerungssystems erbringt
nämlich erhebliche bauliche Vorteile am Propeller (DT-GM 7 022 895). Den mechanischen
und auch den diese nach ahmenden elektronischen Recheneinrichtungen haftet der Mangel
an, daß die Veränderung der Flügelsteigung - unabhängig von der Eigengeschwindigkeit
des Propellers - ausschließlich aufgrund der Größe des Ruderausschlages erfolgt
und daher bei Elgengeschwindigkeit Null ebenso grcß ist wie bei der höchsten Elgengeschwindigkeit.
Dieser Mangel kann in der überwiegenden Mellrzahl
der Anwendungsfälle
in Kauf genommen werden, bei denen nur ausnahmsweise Betrieb des Propellers bei
Eigengeschwindigkeit Null vorkommt, und zwar ohne die höchstmögliche bei voller
Antriebsleistung erzielbare Propellerkraft aussunutzen. Trotz dieser Begrenzung
der Flügelsteigung bei Ruderausschlägen kann aus wirtschaftlichen Gründen das Korrekturgetriebe
in der Regel nicht so ausgelegt werden, daß Uberschreitungen der zulässigen Propellerkraft
ausgeschlossen sind.
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Wenn dagegen das Fahrzeug entgegen der Eigenbewegung des umgebenden
Wassers an einer genau festgelegten Stelle mit IIilfe eines oder mehrerer Vdth-Schneider-Propeller
gehalten werden soll, mit deren Hilfe es an diesen Einsatzort gebracht wurde, ist
es wichtig, gerade bei Eigengeschwindigkeit Null die volle Antriebsleistung auszunutzen,
um die höchstmögliche Propellerkraft erzeugen zu können, ohne Propeller und Antrieb
bei einer von Null abweichenden Eigengeschwindigkeit zu überlasten. Dieser Fall
tritt vor allem bei der sogenannten dynamischen Positionierung von Bohrinseln und
ähnlichen schwimmenden Arbeitsplattformen im Weltmeer auf, bei denen es auf metergenaue
Einhaltung der Arbeitsstelle ankommt, um beispielsweise das im Meeresgrund arbeitende
Bohrgestänge nicht zu gefährden. Aus diesem Grunde kann, beispielsweise in solchen
Anwendungsfällen der Voith-Schneider-Propeller, eine Uberwachung der vom Propeller
aufgenommenen Antriebsleistung nicht zu dem gewünschten Erfolg führen, weil bei
vorgegebener PropellerdrehzZll die bei einer von Null abweichenden Eigengeschwindigkeit
erzielbare höchste Propellerkraft die bei F£lrgeschwindlgkeit Null erreichbare höchste
Propellerkraft übersteigt.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Steuerung eines zum Erzeugen einer
nach Größe und Richtung stetig veränderbaren Propellerkrart eingerichteten Fahrzeugpropellers
mit regelbarer Flügelsteigung, bei der zwei mit je einem Signalgeber in Steuerverbindung
stehende Servomotoren die Größe und Richtung der Propellerkraft einstellen, so auszubilden,
daß ohne Einbuße
an nutzbarer Antriebsleistung eine Uberlastung
sowohl des Propellers als auch des Antriebs mit Sicherheit vermieden wird0 Diese
Aufgabe wird bei einem Fahrzeugpropeller der genannten Art dadurch gelöst, daß der
Steuerverbindung gemäß der Erfindung eine signalgebende Meßvorrichtung für die vom
Propeller ausgeübte Kraft (Istwert) zugeordnet ist» deren Signal die von den Signalgebern
für die Servomotoren gelieferten Signale beeinflußt, damit die Propellerkraft einen
vorgegebenen Sollwert nicht übersteigt. Die vom Signal der Meßvorrichtung beeinflußten
Signale der Signalgeber für die Servomotoren wirken auf Regelkreise ein, welche
die Verschiebung der Servomotorstellglieder bewirken. Somit ist sichergestellt,
daß allein die Überschreitung des vorgegebenden Höchstwertes der Propellerkraft
zur Zurücknahme der Flügelsteigung führt. Soferne es erforderlich ist, kann durch
eine mit der beschriebenen Steuereinrichtung gemäß der Erfindung verknüpfte zusätzliche
Recheneinrichtung außerdem Überschreitung des vorgegebenen Höchstwertes der Verschiebung
der Steuerscheibe des Flügelantriebsgestänges ohne Änderung ihrer Richtung auch
dann verhindert werden, wenn eines der beiden Signale der Signalgeber für die Servomotoren
oder die arithmetische bzw. geometrische Summe dieser beiden Signale eine größere
Verschiebung der Steuerscheibe vorschreibt als der Vorgabe entspricht.
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Man darf für Zwecke des Überlastschnitzes von dem zulässigen Höchstwert
der Propellerkraft ausgehen, weil sich überraschenderweise gezeigt hat, daß beim
Einhalten dieses Höchstwertes der Propellerkraft bei keinem Betriebszustand eine
Überbeanspruchung irgendeines Bauteiles des Propellers eintritt. Dieser Lösung liegen
folgende Feststellungen zugrunde: Bei einem gegenüber dem umgebenden Wasser In relativer
Ruhe befindlichen Schwenkflügelpropeller werden dessen Flügel in jeder Lage des
Radkörpers nur durch eine der Umfangsgeschwindigkeit des Flügels entgegengesetzte
Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt. Infolgedessen ist hierbei die Propellerkraft
nach jeder Richtung hin gleich groß. Wenn der Propeller dagegen dem umgebenden Wasser
gegenüber Eigengeschwindigkeit bes/itzt, so überlagert sich diese Eigengeschwindigkeit
der Ümfangsgeschwindigkeit
der Flügel. Jeder Flügel wird dann an
jeder Stelle seines Umlaufes mit einer der resultierenden Geschwindigkeit entgegengesetzten
Geschwindigkeit mgeströrnt und dementsprechend mit einer Kraft belastet, die um
so größer ist, je größer die Eigengeschwindigkeit und die eingestellte Ruderlage
sind. Bei jeder Ruderlage ist jedoch - wie bei Geradeausfahrt - das Verhaltnis der
größten auftretenden Flügeikraft zu der Propellerkraft überraschenderweise das gleiche.
Deshalb kann man den tatsächlichen Wert der Propellerkraft benutzen und kann mit
Hilfe der Propellerkraft die Flügelsteigung des Propellers auf das zulässige Maß
regeln.
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Zur praktischen Ausführung dieser Lösung ist es erforderlich, die
Propellerkraft zu messen. Für diesen Zweck sind beispielsweise in der Meßtechnik
bekannte zur unmittelbaren oder mittels baren Messung von Kräften geeignete Meßelemente,
beispielsweise handelsübliche Kraftmeßdosen, Potentiometer, Dehnungsmeßs trei -fen
oder ähnliche Geräte , geeignet, die mit zweckmäßig ausgewählten Bauteilen des Propellers
fest verbunden und deren Signale in die Regelkreise für die Servomotoren eingegeben
werden.
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Als solche für die Ermittlung der Propellerkraft geeignete Bauteile
kann beispielsweise der Steuerknüppel oder ein FlUgelschaft dienen. Auch die Antriebstrommel,
durch welche die Propellerkraft auf das Spurlager übertragen wird, bietet Nöglichkeiten
zum Anbringen von Meßorganen. Ferner kann für diesen Zweck eine Verbindungsschraube
zwischen der Antriebstrommel und dem Spurring oder mehrere solcher Verbindungsschrauben
verwendet werden. Allerdings besteht bei der Verwendung solcher Verbindungsschrauben
die Gefahr, daß sich im Betrieb die lastverteilung auf die einzelnen Verbindungsschrauben
verändert Um hierdurch bedingte Fehler auszuschalten, müßte eine regelmäßige Überprüfung
und gegebenenfalls Nachjustierung der Meßeinrichtung vorgenommen werden. Eine solche
Fehlerquelle kann man aber beispielsweive auch dadurch ausschalten, daß man die
Meßorgane für die Propellerkraft am Propellergehäuse anbringt.
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Diese LUsune3 erladbt weiterhin, auf mechanische Korrekturgetriebe
zwischen den Stellgliedern der beiden Servomotoren oder entsprechende Funktionsgeber
in elektronischen Rechenanlagen zu verzichten. Der Vorteil der erfindungsgemaßen
Gestaltung der Steuerung liegt also darin, daß Bereiche reduzierter Flügelsteigung,
in denen auch bei Ruderlage die höchst zulässige Propellerkraft nicht überschritten
wird, von einer weiteren Verminderung der Flügelsteigung beim Ruderlegen ausgenommen
werden. Dadurch wird der Arbeitsbereich des Propellers gegenüber der bisherigen
Bauweise beträchtlich erweitert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß man die
Meßvorrichtung unmittelbar zum Messen der Beanspruchung einzelner Bauteile des Propellers>
beispielsweise des Flügelschaftes, verwenden kann, wodurch nicht nur die Propellerkraft
im ganzen, sondern zugleich auch die auf den einzelnen Flügel wirkende Kraft überwacht
wird.
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Die von der Meßeinrichtung abgegebenen Signale können optisch, beispielsweise
vom Maschinisten oder vom Rudergänger zu beobaciltende Istwertzeiger sein, die mit
einem einstellbaren Sollwertzeiger zusammenwirken. Bei Überschreiten des Schwertes
durch die Istwertanzeige greift dann der Maschinist oder Rudergänger ein und stellt
die Propellersteigung entsprechend zurück. Die Signale können auch elektrisch einer
einfachen elektronischen oder hydraulischen Rechenanlage eingegeben und dort mit
den entsprechenden Sollwerten verglichen werden. In diesem Falle wird die Steigungsrücknahme
bei Überschreitung des Sollwertes durch den Istwert selbsttätig eingeleitet. Da
eine solche Ausbildung der Signalübertragung sehr vorteilhaft ist, wird sie beispiels-Weise
der weiteren Beschreibung zugrunde gelegt.
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Die zur Eingabe in die Regelkreise der Servomotoren geeigneten Signale
müssen der Propellerkraft direkt zugeordnete Gleichstrom signale sein. Diese Bedingung
ist beispielsweise erfüllt, wenn an einem nicht umlaufenden Bauteil zwei Meßorgane
angeordnet sind, deren jedes einer Komponente der Propellerkraft analoge Signale
abgibt. Bei dieser Bauweise werden aus den Signalen der beiden Meßorgane durch Radizieren
der Summe ihrer Quadrate
in einer Rechenschaltung dem Istwert der
resultierenden Propellerkraft zugeordnete Signale /S/ gebildet. Diese fließen zur
B durch ihrer Differenzwerte gegen ein der Summe aus der Einheit + 1 und dem zulässigen
lIöchstwertfder Propellerkraft entsprechendes Sollwertsignal einem Differerizverstärker
zu.
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Die Ausgangssignale dieses Differenzverstärkers, die dem auf den Betrag
+ 1 begrenzten Differenzwert (1 + Sz - /Sj # 1) entsprechen, fließen einem, beispielsweise
einem handelsUblichen,Proportional-Integral-Differentialregler zu und erzeugen dort
Korrektursignale zur Weitergabe an Je eine Multiplizierschaltung, die außerdem Signale
von einem der beiden Signalgeber für die Servomotoren empfangt. Die Ausgangssignale
jeder der beiden Multiplizierschaltungen beeinflussen dann den Regelkreis des zugeordneten
Servomotors.
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Das Einfügen des Summanden + 1 in die aus dem Sollwert Sz der Propellerkraft
und deren Istwert /S/ gebildete Differenz und deren Begrenzung auf den Wert + 1
erlaubt, die Ausgangssignale des Differenzverstärkers je einer Multiplizierschaltung
einzuspeisen, in der die Signale des Signalgebers für den zugeordneten Servomotor
im Verhältnis des Wertes des jeweiligen Ausgangssignals des Differenzverstärkers
zum Wert + 1 erniedrigt und damit der Hub des zugeordneten Servomotors im gleichen
Verhältnis zum vollen Hub eingestellt wird. Entsprechend vermindert sich die eingestellte
Flügelsteigung des Fahrzeugpropellers. Die in bekannter Weise vorgenommene Begrenzung
der den Wert + 1 Ubersteigenden Ausgangssignale des Differenzverstärker8 auf den
Wert + 1 bedeutet praktisch, daß die Servomotoren genau auf die vorgegebenen Werte
für Steigung und Ruderlage eingesteuert werden, weil die bei diesen Werten erreichte
Propellerkraft deren Sollwert nicht überschreitet. Durch das Einfügen des PID-Reglers
in die Steuerung wird das Übersteuern des zugeordneten Servomotors verhindert, welches
eintreten würde, wenn das Signal des Signal gebers unmittelbar, d.ii. olive die
im PID-Regler vorhandene Rückführung, in den Regelkreis des Servomotors eingegeben
würde.
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Wenn dagegen das mit einem Meßelement versehene Propellerbauteil umläuft,
ist das Signal dieses Meßelementes ein einem Gleichstrom überlagertes Wechselstromsignal.
In diesem Falle der dynamischen Erfassung der Propellerkraft muß das Signal des
Meßelementes in einer geeigneten Rechenschaltung in ein äquivalentes Gleichstromsignal
umgeformt werden. In dieser Rechenschaltung wird t einem weiteren Gedanken der Erfindung
zufolge - der Wechselstromanteil des Signals von der konstanten Grundspannung abgetrennt
und zur Umwandlung in eine einseitige Halbwellenspannung einem Gleichrichter zugeführt.
Das auf diesem Wege gewonnene Gleichstromsignal entspricht dem Istwert/der Propellerkraft.
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Dieses Gleichstromsignal /S/ wird nun in gleicher Weise, wie bei der
Anordnung von zwei Meßelementen an einem ruhenden Bauteil bereits beschrieben, einem
Differenzverstärker eingegeben, in welchem es mit der Summe aus einem der Einheit
+ 1 und einem dem Sollwert Sz der Propellerkraft entsprechenden Sollwert-signal
verglichen wird. Wenn der Sollwert den Istwert übersteigt, wenn also der Differenzbetrag
größer ist als der Wert + 1, wird der Überschuß in bekannter Weise unterdrückt,
d.h das Ausgangssignal des Differenzverstärkers entspricht dann ebenso dem Wert
+ 1 wie wenn Sollwert und Istwert gleich groß sind. Ist der Sollwert dagegen niedriger
als der Istwert, so bildet das Signal im Differenzverstärker ein Korrektursignal,
dessen Wert gleich dem Verhältnis des Differenzsignals zum Signal + 1 ist. Das Ausgangs-Signal
des Differenzverstärkers geht zum Vermeiden des Übersteuerns in einen PID-Regler
ein. Dessen Ausgangssignal fließt sodann den beiden von den Signalgebern für die
Servomotoren gespeisten Multiplizierschaltungen zu, deren Ausgangssignale dann die
Regelkreise der zugeordneten Servomotoren beeinflussen.
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In diesen Ausführungsbeispielen der :3teuerung sind die Ausgangssignale
für die Betätigung der Servomotoren allein durch die Propellerkraft bestimmte Gleichstromsignale.
Die Regelung der Servomotoren mit Hilfe solcher Signale reicht beispielsweise im
allgemeinen bei der Verwendung der Propeller für Zwecke der Positionierung schwi@mender
Arbeitsplattformen in der freien Wasserflache aus, wenn die Propeller bei Ortsveränderung
der Plattform nicht ausgelastet werde.
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Bei selbstfahrenden Schiffen dagegen, bei denen die Propeller gerade
bei Fahrt voll ausgelastet und hierbei auch zum Ruderlegen benutzt werden, kann
es vorkonunen, daß bei einem auf volle Steigung eingestellten Propeller durch ein
plötzliches Rudermanöver die höchstzulässige Steigung überschritten wird.
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Dieser Fall kann eintreten, wenn die in die Regelkreise der Servomotoren
eingehenden Signale ausschließlich danach bemessen sind, daß die zulässige Propellerkraft
nicht überschritten wird. Man muß deshalb in solchen Anwendungsfällen der Propeller
die in die Regelkreise der Servomot-oren eingehenden Signale durch Einführen eines
die tatsächliche Propellersteigung auf den höchst zulässigen Wert begrenzenden Korrekturgliedes
ermäßigen.
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Deshalb ist, einem weiteren Gedanken der Erfindung zufolge, hinter
jedem der Signalgeber für die Servomotoren, gegebenenfalls hinter jeder der diesen
Signalgebern nachgereihten ersten Multiplizierschaltungen> eine zweite Multiplizierschaltung
vorgesehen.
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Jeder dieser zweiten Multiplizierschaltungen fließt ein in einem Differenzverstärker
aus der Summe eines der Einheit + 1 und eines dem zulässigen Höchstwert der Flügelsteigung
entsprechenden Signals einerseits und einem dem Istwert der eingestellten Flügelsteigung
entsprechenden Signal andererseits gebildetes Differenzsignal zu. Das der eingestellten
FlUgelsteiung entsprechende Istwertsignal wird dabei durch Radizieren der Summe
der quadrierten Signale der Signalgeber für die Servomotoren bzw.
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der ersten Multiplizierschaltungen in einem zusützlichen Rechenversturker
erzeugt. Der die Einheit + 1 übersteigende Betrag des Differenzsignals wird unterdrückt;
dagegen gehen Differenzsignale, bei denen der Istwert den Sollwert überschreitet,
in die den Regelkreisen für die Servomotoren vorgeschalteten teultlplizierschaltungen
als Verminderungsfaktoren ein. Durch die Einfügung dieser weiteren Korrektureinrichtung
wird erreicht, daß auch bei beliebiger Vorgabe der Werte zwar die Flügelsteigung
und die Ruderlage die P'lUgelst.ing von den Servomotoren aut deren zulässigen Höchstwert
begrenzt wird.
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Durch die Ausgestaltung der Steuerung gemäß der Erfindung kann der
Propeller, unabhängig vom Betriebszustand, ohne Uberschreitung der höchst zulässigen
Steigung bis zu der höchst zulässigen Propellerkraft belastet werden. Eine solche
Ausbildung der Steuereinrichtung hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß man den
Signalgebern für die Servomotoren Integrationsverstarker oder ähnliche Einrichtungen
zuordnen kann, durch welche die Änderungsgeschwindigkeit der Signale begrenzt wird.
Dadurch wird das Auftreten schroffer Ånderungen des Betriebs zustandes des Propellers
verhindert, welche erhebliche zusätzliche Massenkräfte im Propeller verursachen,
so daß dieser dadurch trotz Einhaltung der durch die Steuereinrichtung auf den Höchstwert
beschränkten Propellerkraft und Flügelsteigung mechanisch überlastet wird.
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Die gemäß der Erfindung ausgebildete Steuerung gestattet die Verknüpfung
mit weiteren Steuer- und/oder Regelkreisen, durch welche Sonderaufgaben des Betriebes
und/oder der Überwachung von Schiff und Propeller gelöst werden, wie z.B. d-ie Einbeziehung
programmierbarer Rechengeräte, um selbsttätig die dem Schiff vorgegebene Fahrtroute
oder Position einzuhalten oder bestimmte Manöver auszuführen. Auch kann in die Steuerung
ein Rechner zum Ermitteln der Servomotorkoordinaten aus den Vorgaben für Steigung
und Ruderlage eingefügt werden für den Fall, daß das Koordinatensystem der Servomotoren
gegenüber demjenigen des Schiffes verdreht ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele naher erläutert, in welcher Fig. 1 einen Voith-Schneider-Propeller
mit Steuerstand, Rechenanlage und Regelkreisen für die Servomotoren in einer teilweise
schematischen perspektivischen Darstellung, Fig. 2 einen Signalplan für die Umrormung
der von einem Dehnungsmeßstreifen zur dynamischen Erfassung der Propellerkraft abgegebenen
Signale,
Fig. 3 einen Signalplan ähnlich Fig. 2 für die Umformung
der Signale von einem Paar auf senkrecht zueinander stehenden Flächen angeordneter
Dehnungsmeßstreifen zur Propellerkrafterfassung in zwei Komponenten zeigt.
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Der in Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten
gezeigte Voith-Schneider-Propeller 1 besitzt ein Gehäuse 2 mit einem Befestigungsflansch
3 zum Festschrauben des Propellers auf dem oberen Rand einer kreis zylindrischen
Öffnung im Boden eines nicht dargestellten Schiffskörpers. In dem Gehäuse 2 ist
ein kreiszylindrischer Radkörper 4 drehbar gelagert, und zwar so, daß die nach unten
weisende Fläche des Radbodens 5 mit der Außenhaut des Schiffes bündig ist. Die Leistung
des nicht dargestellten Antriebsmotors wird dem Radkörper 4 über ein im Gehäuse
2 gelagertes Kegelradgetriebe 16 durch den Wellenzapfen 17 zugeführt.
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In dem Radkörper 4 sind nahe dessen Umfang auf einem zum Radkörper
konzentrischen sogenannten Flügelkk'eis die Flügelschäfte der vier nach unten ragenden
Flügel 6 schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse jedes Flügels befindet sich nahe
seiner L:ngsschwerachse und ist zur Drehachse des Radkörpers 4 parallel.
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Jeder Flügel 6 ist durch einen auf dem Flügelschaft befestigten Flügelhebel
6' mit einem Flügelantriebsgestänge 7, 7' gelenkig verbunden, dessen anderes Ende
an einer im Zentrum des Radkörpers 4 nahe dem Radboden 5 angeordneten Steuerscheibe
8 angelenkt ist.
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Der Mittelpunkt der Steuerscheibe 8 kann durch einen im Mittelteil
des Gehäuses 2 kugelig gelagerten Steuerknüppel 9 innerhalb einer zur Drehachse
des Radkörpers 4 konzentrischen Kreisfläche nach jeder Richtung hin verschoben werde.
Wenn der Mittelpunkt der Steuerscheibe 8 sich genau in der Drehachse des Radkörpers
4 befindet, laufen alle Teile des Flügelantriebsgestranges 7, 7' zusammen mit dem
Radkörper 4 und den Flügeln 6 ohne gegenseitige Bewegung um. Dabei ist der FlUgelhebel
G' auf dem Flügeischaft so befestigt, daß der Flügel 6 bei der zentrischen Lage
des Mittelpunktes der Steuerscheibe 8 tangential zum F1U-gelkreis steht.
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Wird der Mittelpunkt der Steuerscheibe 8 mittels des Steuerknüppels
9 aus der zentrischen Lage an irgendeinen Punkt der genannton Kreisfläche verschoben,
so ist jeder Stelle des Flügelkreises, die der Flügel 6 beim Umlauf mit dem Radkörper
4 durchläuft - ausgenommen zwei Stellen mit Tangentiallage - eine von der Tangentialstellung
abweichende Flügelstellung zugeordnet. Jeder Flügel führt dabei während jeder Umdrehung
des Radkörpers eine Schwingbewegung um die Tangentiallage aus, deren größter Ausschlag
um 60 grdßer ist, je weiter das Zentrum der Steuerscheibe 8 aus der zentrischen
Lage verschoben ist.
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Entsprechend der Größe des Flügelausschlages übt jeder Flügel 6 beim
Umlaufen des Radkörpers 4 auf das umgebende Wasser, in das er eingetaucht ist, eine
hlnsichtllch Größe und Richtung ebenfalls wechselnde Kraft aus. Die geometrische
Summe der von allen auf dem Radkörper 4 angeordneten Flügeln 6 auf das umgebende
Wasser ausgeübten Kräfte ist eine resultierende Kraft, deren Richtung mit der Verschieberichtung
des Mittelpunktes der Steuerscheibe 8 einen durch die Bauart des Flügelantriebsgestänges
7, 7' bestimmten Winkel einschließt, beispielsweise einen Winkel von 900. Mit einem
solchen Flügelantriebsgestänge 7, Tt kann man also durch Verschieben des Mittelpunktes
der Steuerscheibe 8 quer zur Längsachse des Schiffes eine in Schiffslängsrichtung
wirkende Kraft auf das umgebende Wasser ausüben, die entweder nach voraus oder nach
achteraus gerichtet ist. Die Richtung dieser Kraft hängt von der Drehrichtung des
Radkörpers und der Verschieberichtung des MittelpunkteS der Steuerscheibe 8 von
der Radkörperdrehachse aus ab.
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Die vom Wasser auf die Flügel 6 ausgeübten Gegenkräfte werden von
den Flügeln über die Lager 10 auf den Radkörper 4, über dessen Lagerung 11 auf das
Gehäuse 2 und schließlich über den Befestigungsflansch 5 auf den Schiffskörper übertragen.
Auch die im Flügelantriebsgestänge 7, 7' wirkenden und die von diesern auf die Steuerscheibe
8 übertragenen Kräfte sind unmittelbar von der Größe der Flügaraft abhängig. Man
kann deshalb auch die von der Steuerscheibe 8 auf den Steuerknüppel 9 übertragene
Resultierende der von den sämtlichen Stangen 7' e.ingeleiteten Kräfte als Maß für
die gesamte Propellerkraft benutzen.
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Diese Kräfte sind sehr erheblich und erfordern druckölbetätigte Servomotoren
12, 14, um den Ialittelpunlct der Steuerscheibe 8 in die gewünschte exzentrische
Lage Du bringen und dort zu hälften.
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Diese Servomotoren lassen sich aus Platzgründen nicht im Innern des
Radkörpers 4 in Höhe des Flügelantriebsgestänges 7, 7' unterbringen. Deshalb sind
die Servomotoren 12, 14 am Oberteil des Gehäuses 2 befestigt, und die von diesen
ausgeübten Kräfte erden durch den Steuerknüppel 9 auf die Steuerscheibe 8 und über
das Flügelantriebsgestänge 7, 71 und die Hebel 6' auf die Flügel 6 übertragen.
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Man sieht in der Regel zwei Servomotoren vor, deren Achsen in einer
zum Radboden 5 parallelen Ebene zueinander senkrecht angeordnet sind, und zwar unter
solchen Winkeln zur Schiffslängsachse, daß der eine Servomotor 12 die Steuerscheibe
8 in der fUr Geradeausfahrt gültigen Richtung, der andere Servomotor 14 in der Querrichtung
dazu verschiebt, Das Drucköl für die Servomotoren 12, 14 wird durch eine im Gehäuse
2 eingebaute, nicht dargestellte Druckölpumpe bereitgestellt und den Servomotoren
12, 14 über Je eine Vorsteuereinrichtung 13, 15 zugeführt. Die Vorsteuereinrichtung
13 des Fahrtservomotors 12 verbindet man mit einem Geschwindigkeltssteuerhebel 20,
die Vorsteuereinrichtung 15 des Ruderservomotors 14 mit einem Ruderrad 21 durch
nicht dargestellte Gestänge oder durch Leitungen. Die beiden Bedienungseinrichtungen,
nämlich der Geschwindigkeitssteuerhebel 20 und das Ruderrad 21, sind an einer vom
Propeller mehr oder weniger weit entfernten Stelle des Schirfes, beispielsweise
in einem auf der Brücke aufgestellten Steueratand 22, angeordnet.
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Zur Ausgestaltung des Überlastungsschutzes für den Propeller gemäß
der Erfindung sind der Geschwindigkeitssteuerhebel 20 und das Ruderrad 21 mit Je
einem Signalgeber 23, 24 versehen.
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Jeder Signalgeber 23, 24 gibt ein der zugeordneten Sollwertkomponente.
des Abstandes des Mittelpunktes der Stcuerschelbe 8 von der zentrischen Lage und
damit ein der auf Schiffskoordinaten
bezogenen Sollwertkomponente
x bzw. y der eingestellten Flügelsteigung analoges Signal ab. Je nach der Ausbildung
der nachgeschalteten Regelkreise für die Servomotoren können diese Signale optisch
oder - wie der nachfolgenden Beschreibung zugrunde gelegt - elektrisch abgegeben
und beispielswelse in einer aus handelsüblichen Bauteilen zusammengestellten Rechenanlage
ausgewertet werden. So können in die zum Auswerten der Signale vorgesehene Rechenanlage
für eine Koordinatendrehung ausgebildete Rechenglieder 25 eingefügt werden, welche
vor der weiteren Auswertung die Signale x, y der beiden Signalgeber 23, 24 in zwei
zueinander senkrechte dem Koordinatensystem der Servomotoren entsprechende Komponenten
xl, Y1 umformen.
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Jede dieser Komponenten x, y bzw. xl, y1 geht nun in eine Multiplizierschaltung
26, 27 ein, in welcher sie mit einem den Höchstwert der zulässigen Propellerkraft
berücksichtigenden Korrektursignal cmultipliziert wird. Auf die Bildung dieses Korrektursignals
c wird weiter unten eingegangen. Die Ausgangssignale x#c, y.c bzw. xl c, yl#c drr
Multiplizlerschaltung 26, 27 können als Sollwerte den Regelkreisen der Servomotoren
14 bzw. 12 eingegeben werden, wenn gewährleistet ist, daß bei Vollbelastung des
Propellers das zulässige Höchstmaß der Flügelsteigung nicht überschritten wird.
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Da. diese Bedingung meist nicht erfüllt ist, empfiehlt es sich, die
Möglichkeit der Überschreitung der zulässigen Flügelsteigung durch Eingabe eines
weiteren Begrenzungssignals in die Ausgangssignale x c, y c bzw. xl c, ylc zu verhindern.
Zu die sem Zwecke wird aus den beiden Ausgangssignalen x'c, y c bzw.
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x1.c, y1#c in einer weiteren Rechenschaltung 37 die Wurzel aus der
Summe der Quadrate dieser Signale, d.h. der Wert d =
gebildet, welcher dem Sollwert der hinsichtlich der zulässigen Propellerkraft reduzierten
Flugelsteigung entspricht. Dieser Wert d wird nun mit einem der maximal zulässigen,
durch einen Signalgeber 38 einstellbaren FlUgelsteigung entsprechenden Signal f
in einem Differenzverstärker 30 verglichen. In diesen Differenzverstärker 30
wird
außerdem ein der Einheit + 1 entsprechendes konstantes Signal eingegeben und aus
den drei Signalen +1, d und f der Wert g = f - d + 1 gebildet. Dieser Wert g = +
1, wenn die Signale'f und d gleiche Größe haben bzw. gleichwertig sind. Überwiegt
das Signal f, weil der Istwert der Flügelsteigung kleiner als der Sollwert ist,
so liefert der Differenzverstärker 30 ein auf den Wert + 1 gedrücktes Signal. Überwiegt
dagegen das Signal d, überwiegt also der Istwert der Flügelsteigung den Sollwert,
dann muß die Regelung der Servomotoren 12, 14 eingreifen und die Istwerte der Komponenten
X, Y der Flügelsteigung entsprechend dem Verhältnis des Sollwertes zum Istwert der
Flügelsteigung vermindern. Mit anderen Worten: Die Signale x c, y#c bzw. xl-c, y1#c
müssen noch mit der Größe g = f - d + 1 multipliziert werden, wenn dieser Wert g
kleiner als + 1 ist. Zu diesem Zwecke werden die Signale g in weitere Multiplizierschaltungen
31, 32 eingegeben und dort die Sollwertsignale x#c#g, y#c#g bzw. xlc g, yl-c g gebildet.
Das Signal x-c g bzw. x1#c#g wird dann der Vorsteuereinrichtung 15 des Servomotors
14 über einen vorgeschalteten Differenzverstärker 33, das Signal y#c#g bzw. yl-c
g der Vorsteuereinrichtung 13 des Servomotors 12 über einen vorgeschalteten Differenzverstärker
34 eingegeben. Außerdem werden in diese Differenzverstärker die Istwertsignale X,
Y der Signalgeber 35 des Servomotors 14 bzw. 36 des Servomotors 12 eingegeben und
dort mit den Sollwerten verglichen. Die Differenzsignale X-x#c#g, Y-y cg bzw. X-x1#c#g,
Y-y1.cg führen dann eine entsprechende Verstellung der Servomotoren 14 bzw. 12 herbei,
wenn diese Signale vom Wert Null abweichen.
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Für die Erfassung der tatsächlichen Propellerkraft gibt es nun zwei
Möglichkeiten, je nachdem, ob das zum Erfassen der Propellerkraft herangezogene
Bauteil während des Betriebes des Propellers umläuft oder nicht. Auf einem nichtumlaufenden
Bauteil, beispielsweise auf dem Steuerknüppel 9 oder dem Propellergehäuse 2 oder
auf Befestigungsschrauben des Propellergehäuses oder auf einem anderen geeigneten
nichtumlaufenden Bauteil, werden zwei Dehnungsmeßstreifen 28, 29 angebracht, welche
die der
Propellerkraft entsprechenden Dehnungen in zwei zueinander
senkrechten Flächenstücken des Bauteiles erfassen.
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In Fig. 1 sind die beiden Dehnungsmeßstreifen 28, 29 auf zwei zueinander
senkrechten Flächenstücken auf dem Schaft des Steuerknüppels 9 unmittelbar oberhalb
der mittleren Lagerkugel 19 angeordnet. Die Flächenstücke können dabei parallel
zu den Achsen der Servomotoren oder so gewählt sein, daß das eine Flächenstück parallel
zur Schiffslängsrichtung, das andere quer dazu gegen ist. Man kann die Richtung
der beiden zueinander senkrechten Flächenstücke auch beliebig zur Schiffs längsachse
wählen.
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Die von diesen beiden Dehnungsmeßstreifen 28, 29 abgegebenen Signale
a, b werden gemäß Signalplan Figur 2 mittels der Differenzverstärker 39, 40 in geeigneter
Weise verstärke und einem Rechenverstärker 42 zugeführt. In diesem Rechenverstärker
42 wird jedes der verstärkten Signale al, b quadriert, die Summe der Quadrate gebildet
und aus dieser Summe die Wurzel gezogen.
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Das so entstandene Signal entspricht dem Absolutwert /s/ der gemessenen.
Propellerkraft. Dieser Absolutwert wird nun mit dem durch einen einstellbaren Signalgeber
44 gelieferten Signal Sz für die zulässige Propellerkraft in einem Differenzverstärker
46 verglichen. Außerdem wird in diesen Differenzverstärker 46 ein dem konstanten
Wert + 1 entsprechendes Signal eingegeben.
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Wenn die Differenz der beiden Signale Sz und /S/ den Wert Null hat1
weil beide Signale gleich großen Werten der Propeller kraft entsprechen, dann gibt
der Differenzverstärker 46 ein dem Wert + 1 entsprechendes Signal ab. Wenn das Signal
5z überwiegt, braucht die Regelung der Servomotoren nicht einzugreifen. Ein solches
Signal wird auf den Wert + 1 reduziert. Dagegen gibt der Differenzverstärker 46
ein Signal S1 weiter, wenn das Signal /S/ das Signal Sz übersteigt. Die Signale
S1 des Differenzverstärkers 46 werden einem (beispielsweise einem handelsübli chen)
PID-Regler 48 eingegeben, um ein Übersteuern der Servomotoren zu verhindern. Das
Ausgangssignal c des PID-Reglera wird dann den Multiplizierschaltungen 26 und 27
der Steuerunge einrichtung nach Figur 2 eingegeben.
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Wenn das zur Ermittlung der Propellerkraft vorgesehene Bauteil beim
Betrieb des Propellers umläuft, wenn also beispielsweise die im Schaft eines Flügels
6, in einem Teil des Flügeiantriebsgestänges 7, 7' oder in der Antriebstrommel für
den Radkörper 4 oder in einer Verbindungsschraube zwischen diesen beiden Teilen
wirkende Kraft mittels eines Dehnungsmeßstreifens gemessen wird, genügt es gemäß
Figur 3, zu dieser dynamischen Erfassung der Propellerkrart einen einzelnen Dehnungsmeßstreifen
50 an einer durch die Propellerkraft einer Wechselbiegespannung unterworfenen Fläche
anzubringen. Das von diesem Dehnungsmeßstreifen 50 abgegebene Signal k wird - gegebenenfalls
nach Verstärkung in einem Verstärker 51 - mittels inductiver Übertragung 52 als
Signal kl einem Kondensatorkreis zugeführt. Von der im Kondensator 53 übertragenen
Schwingung k2 wird im Gleichrichter 54 jeweils eine Halbwelle durchgelassen. Diese
Halbwelle k2' wird im Verstärker 55 verstärkt und bildet den Mittelwert k3 oder
wahlweise den Spitzenwert des hinsichtlich seiner Stärke rasch wechselnden Gleichstromsignals.
Anstelle des einfachen Gleichrichters 54 kann auch ein Brückengleichrichter verwendet
werden, welcher erlaubt, beide Halbwellen der Schwingung k2 in einen Gleichstrom
zu verwandeln.
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Das aus dem Verstärker 55 ausgehende, dem absoluten Istwert /S/ der
Propellerkraft entsprechende Signal wird nun in gleicher Weise, wie oben bei der
Erfassung der Propellerkraft in zwei Komponenten beschrieben wurde, in einem Differenzverstärker
58 mit dem von einem Signalgeber 57 gelieferten, dem höchst zulässigen Wert der
Propellerkraft Sz entsprechenden Signal verglichen. In den Differenzverstärker 58
wird außer den Signalen Sz und /S/ ein der Einheit + 1 entsprechendes konstantes
Signal eingegeben und aus den drei Signalen das Differenzsignal k4 9 - /s/ + 1 gebildet.
Wenn die beiden Signale 3z und /S/ gleich oder gleichwertig sind, hat das einem
PID-Regler 6o zugeführte Signal k4 des Differenzverstärkers 58 den Wert + 1. Wenn
das Signal Sz überwiegt, wird das Signal k4 des Differenzvrstärkers 58 auf den Wert
+ 1 gedrUckt. Überwiegt dagegen das Istwertsignal /s/> dann bildet der PID-Regler
ein den Wert + 1 unterschreitendes Korrektursignal c, das den Multipliziereohal
tungen 26, 27 der Einrichtung gemäß Figur 2 in der dort beschriebenen Weise zugeführt
wird.
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Um zu vermeiden, daß bei schroffen Verstellmanövern des Geschwindigkeitssteuerhebels
20 und/oder des Ruderrades 21 entsprechend schroffe Verstellbewegungen der Servomotoren
12D 14 und damit des Flügelantriebsgestänges 7, 7' des Propellers folgen, die diesen
mechanisch überlasten könnten, kann man den Signalgebern 23, 24 des Geschwindigkeitssteuerhebels
20 bzw, des Ruderrades 21 je einen Integrierverstärker' 61, 62 nach schalten, durch
welchen die Weitergabe des zugehörigen von den Signalgebern 23, 24 gelieferten Signals
y bzw x verlangsamt wird.
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Auf die beschriebene Weise wird mit verhältnismäßig preisgünstigen,
handelsüblichen Mitteln eine Uberwachungseinrichtung für Schwingflügelpropeller
geschaffen, welche erlaubt, den Fropeller bei jeder Steigungseinstellung bis zur
zulässigen Höchstlast auszunutzen, und welche außerdem verhindert, daß bei Veränderung
der Betriebsbedingungen des Propellers dessen zulässige Höchststeigung überschritten
wird. Die Einrichtung kann ohne grundsätzliche änderung auch bei Schraubenpropellern
mit regelbarer Steigung benutzt werden, wenn entweder der Schraubenpropeller um
eine zu seiner Drehachse senkrechte Achse durch einen weiteren Servomotor verschwenkt
oder der Flügelwinkel durch ein eingebautes Flügelantriebsgestänge während Jedes
Umlaufes periodisch verändert und ein zentraler Steuerpunkt des Flügelantriebsgestänges
durch einen weiteren Servomotor verstellt werden kann.