DE2342287A1

DE2342287A1 - Verfahren zur ermittlung der querkraft von unterwasser-quertriebskoerpern

Info

Publication number: DE2342287A1
Application number: DE19732342287
Authority: DE
Inventors: Dieter Muehlenbruch
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-08-22
Filing date: 1973-08-22
Publication date: 1975-02-27

Description

LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH. 6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

HH 73/22

Mb/rö ^l6· ^{AugUSt 1973}

"Verfahren zur Ermittlung der Querkraft von Unterwasser-Quertriebskörpern"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Querkraft von tragflügelförmigen Quertriebskörpern, die am Schiff unter Wasser angeordnet sind, insbesondere von Schiffsrudern und Plossenstabilisatoren.

Die Querkraft ist jene Komponente der Wasserkraft-Resultierenden, die senkrecht zur Drehachse des Quertriebskörpers und senkrecht zur Richtung der ReIativanströmung steht. Eine Querkraft, die vorzugsweise in vertikaler Richtung wirkt, heißt Auftrieb.

Bei den genannten Quertriebskörpern ist es aus regelungstechnischen Gründen vorteilhaft, die vorhandene Querkraft zu ermitteln und ein ihr entsprechendes Signal zur Regeleinrichtung zurückzuführen· Zum Beispiel kann die Selbststeueranlage eines Schiffsruders auf diese Weise einen unterlagerten Regelkreis erhalten, der die Ruder-Querkraft nach einem vorgegebenen veränderlichen Sollwert reaktionsschnell regelt und die Störgrößen

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günstig aufschaltet. Trotz dieser unbestrittenen Vorteile wird die Querkraft-Ermittlung nur in wenigen Fällen praktisch durchgeführt, da die bekannten Verfahren entweder zu aufwendig oder zu störanfällig sind.

Das einfachste bekannte Verfahren besteht darin, die Drehachse des Quertriebskörpers weit vor dem Druckpunkt-Bereich des Profils anzuordnen, das Ansteil-Drehmoment zu messen und daraus die vorhandene Querkraft abzuleiten (DRP 706 352). Das Verfahren verteuert die Gesamtanlage, da beim Anstellen größere Drehmomente auftreten und somit eine stärkere Antriebsmaschine (z.B. Rudermaschine) erforderlich ist als bei einem üblichen Quertriebskörper, der ganz oder angenähert" ausba lanciert ist·

Bei einem bekannten Flossenstabilisator wird die elastische Verformung des Flossenschaftes gemessen und hieraus die vorhandene Querkraft abgeleitet (DBP 1 lkk 612). Zur Durchführung des Verfahrens braucht man ein hochempfindliches Dehnungsmeßgerät am Flossenschaft, also an einer Stelle die der Wartung praktisch nicht zugänglich ist. Außerdem wird das Meßergebnis dadurch verfälscht, daß die elastische Verformung nicht nur von der Wasserkraft erzeugt wird, sondern auch von dynamischen Massenkräften der Flosse, die insbesondere bei ganz oder teilweise abgerissener Strömung groß sein können.

Aus der gleichen Patentschrift ist es auch bekannt, das radiale Ausweichen eines elastisch eingebauten Flossenlagers zu messen (DBP 1 lkk 612). Ein solches Lager kann infolge der Querkraft um mehrere Millimeter ausweichen, so daß ein weniger empfindliches Meßgerät erforderlich ist. Jedoch würde der elastische Einbau eines Flossenlagers die Anlage wesentlich verteuern.

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Nach dieser Patentschrift ist es auch bekannt, den zur Flossenoberfläche senkrechten Wasserdruck mit einer Membran zu messen, deren Durchbiegung infolge des Wasserdrucks eine Ausgangsgröße erzeugt, die proportional der Querkraft ist· Dies bekannte Verfahren hat folgende Nachteile: Ist die Membran sehr groß, dann kann sie durch im Wasser schwebende Festkörper leicht beschädigt werden. Ist die Membran klein, dann kann durch Bewuchs ihre Elastizität verändert werden, so daß das Meßergebnis verfälscht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein für Regelungszwecke geeignetes Verfahren zur Ermittlung der Querkraft zu schaffen, das von störenden äußeren Einflüssen weitgehend unabhängig ist.

Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Oberfläche des Quertriebskörpers mit Hilfe von elektromagnetischen Strömungs-Meßfühlern die örtliche Wassergeschwindigkeit zu messen und daraus die Querkraft abzuleiten.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Summe und die Differenz der beiden Geschwindigkeiten miteinander multipliziert und aus dem Produkt die Querkraft abgeleitet.

Ein elektromagnetischer Strömungs-Meßfühler ist ein Gerät, das in der strömenden Flüssigkeit ein elektrisches und ein magnetisches Kraftfeld erzeugt, wobei die Kraftlinien der beiden Felder einander kreuzen. Die Strömung beeinflußt das elektrische Feld derart, daß an den Feldelektroden ein Signal abgegriffen

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werden kann, das der Strömungsgeschwindigkeit entspricht· Solche Meßfühler sind an sich als elektromagnetische LOG-Sonden zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit eines Schiffes bekannt.

Dem vorgeschlagenen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß aus den beiden gemessenen Strömungsgeschwindigkexten die Differenz der an den Meßstellen wirkenden Flächen-Normaldrücke abgeleitet werden kann* Aus den Flächen-Normaldrücken läßt sich die Normalkraft ableiten und aus ihr, nach Multiplikation mit dem Cosinus des geometrischen Anstellwinkels die Querkraft. Die nichtlineare Abhängigkeit der Normalkraft von der Differenz der beiden Drücke kann durch Modellversuche ermittelt werden. Zur Erläuterung soll folgende Ableitung dienen:

f (P₁ - P₂) ( ι )

P₁ - P₀ ■£// P₂ =P_O -E₁^/ ( 2 )

N = JL

N * 5.

Darin bedeuten:

f (,,,) = Funktion von

N = Normalkraft am Quertriebskörper P₁ P₂ = Flächen-Normaldruck an den Meßstellen 1 u. 2

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ρ β statischer Umgebungsdruck

V V₂ = Strömungsgeschwindigkeit an den Meßstellen 1 u. 2 ^ = spezifische Masse des Seewassers.

Das vorgeschlagene Verfahren bietet den Vorteil, daß es Meßfühler verwendet, die unempfindlich gegen Bewuchs und Verkrustung sind und nicht durch im Wasser schwebende Festkörper beschädigt werden können. Es erfordert auch keinen besonderen Bauaufwand für die Lagerung oder den Ansteilantrieb des Quertriebskörpers.

Die abgeleitete Gleichung 5 enthält die Summe und die Differenz der beiden gemessenen Geschwindigkeiten. Ihre elektronische Nachbildung führt zu besonders genauen Ergebnissen, weil zwei benachbarte elektromagnetische Strömungsmeßfühler die Differenz der beiden Geschwindigkeiten wesentlich genauer messen können als die absoluten Größen der Geschwindigkeiten. Die Geschwindigkeitsdifferenz ist bei kleinen Anstellwinkeln klein gegenüber der mittleren Geschwindigkeit. Eine Schaltung nach Gleichung 5 ist daher zum Beispiel einer Schaltung nach Gleichung 4 überlegen.

Die Zeichnung zeigt in Figur 1 einen Querschnitt durch einen tragflügelförmigen Quertriebskörper 1, mit den beiden Strömungsmeßfühlern 2 und 3, welche die Geschwindigkeiten V und V₂ messen. Außerdem sind zur Erläuterung die Flächen-Normaldrücke p. und p_o sowie der statische Umgebungsdruck ρ eingetragen.

ώ O

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild für das vorgeschlagene Verfahren dargestellt. Die von den beiden Strömungsmeßfühlern 2 und

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3 gelieferten Geschwindigkeitssxgnale V und V₀ werden einem Summierverstärker 4 und einem Differenzverstärker 5 zugeleitet. Diese bilden die Signale (V _± + V₃) und (V_± -V₃), die dem Multiplikator 6 zugeleitet werden. Da (V -V₀) wesentlich kleiner als (V +V₀) ist, hat der Differenzverstärker 5 eine größere Klemmenverstärkung als der Summierverstärker 4, so daß die beiden dem Multiplikator 6 zugeleiteten Signale in der gleichen Größenordnung liegen. Der Multiplikator 6 bildet das Produkt (V + V₀) . (V - V₀), welches im Funkt ions geber 7 ζ«, einem Signal umgeformt wird, das der Normalkraft N entspricht. N wird im Multiplikator 8 mit dem Cosinus des geometrischen Anstellwinkels OC multipliziert. Am Ausgang des Multiplikators 8 steht ein der Querkraft L entsprechendes Signal.

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Claims

HH 73/22 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Ermittlung der Querkraft eines Unterwasser-Quertriebskörpers, insbesondere eines Schiffsruders oder Flossenstabilisators, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Oberfläche des Quertriebskörpers (l) mit Hilfe von elektromagnetischen Strömungs-Meßfühlern (2, 3) die örtliche Wassergeschwindigkeit gemessen und hieraus die Querkraft abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Summe und die Differenz der beiden gemessenen Geschwindigkeiten miteinander multipliziert und aus dem Produkt die Querkraft abgeleitet wird.

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