DE2528073A1

DE2528073A1 - Verfahren zur selbsttaetigen positionierung eines schiffes

Info

Publication number: DE2528073A1
Application number: DE19752528073
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Kranert; Konrad Dipl Ing Wilke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1976-12-30
Also published as: NO762179L; US4089287A; NO148614B; DE2528073C2; IT1061107B; BR7603754A; NO148614C; SE7606244L; NL7606823A

Description

LICENTIA PATENT-VERWALTUNG S - GMB K. 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

HH 75/05 10. Juni 1975

"Verfahren zur selbsttätigen Positionierung eines Schiffes"

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur selbsttätigen Positionierung eines Schiffes, insbesondere eines Bohrschiffes, mit dem das Schiff über Propulsionsmittel in Richtung der Hauptstörkräfte bewegt wird.

Bei einer sogenannten dynamischen Positionierung von Schiffen müssen Propulsionsanlagen vorgesehen sein, mit denen das Schiff sehr genau über eine Arbeitsstelle gehalten werden kann. Beispiele hierfür sind Meß-, Forschungs- und Bohrschiffe. Als Propulsionsanlagen kommen Antriebspropeller mit schwenkbarem Schraubenstrahl (Voigt-Schneider, Schottel) oder auch Verstellpropeller in Betracht. Solche Anlagen werden bisher allerdings nur bis zu mittleren Leistungen hergestellt. Für den oberen Leistungsbereich können Querschubanlagen vorgesehen werden. Auch ist die Verbindung von Querschubanlagen mat Aktivpropellern möglich. Da Querschubanlagen gegenüber Aktivpropellern für bestimmte Richtungen der Störkraft eine geringere Effektivität der Gesamtanlage besitzen, müssen sie von vornherein mit größeren Leistungen installiert werden.

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Bei einer dynamischen Positionierung eines Schiffes wird dieses vorzugsweise mit dem Bug gegen die Hauptstörkräfte gelegt, da es in dieser Position den geringsten Wind-, Wasser- und Wellenwiderstand aufweist. Störkräfte, die ein Schiff schräg angreifen, senken bei Querschubanlagen aufgrund ihrer technischen Konzeption den Wirkungsgrad noch weiter, da diese Anlagen nicht in Richtung der wirkenden Störkräfte eingestellt werden können, sondern über die Längsund Querschubrichtung die Kräfte ausgleichen müssen.

Verfahren, die das auf ein Schiff einwirkende Stördrehmoment so auszuregeln versuchen, das es zu Null wird, können dann keinen Erfolg liefern, wenn es sich um ein Schiff mit beispielsweise unsymmetrischen Aufbauten handelt. Dieses ist meistens bei den erwähnten Spezialfahrzeugen der Fall. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens kann darin gesehen werden, daß die Stördrehmomentenkurve innerhalb eines Winkels von TT/2 zwei Minima aufweist, so daß bei plötzlichen Störkraft änderungen, z.B. durch Umspringen des Windes, instabile Zustände entstehen können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein Verfahren in Anwendung zu bringen, mit dem die für die Positionierung eines Schiffes erforderliche Antriebsleistung so bemessen und optimiert wird, daß die Auswirkung der Störkräfte über den Schiffskurs und/oder die Auslegung der Propellerschübe minimiert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Gewinnung der Regelgröße die Summe der Ist-Querkräfte dient, die mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und über

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eine Regeleinrichtung auf Null gebracht wird. Dafür werden die Querkräfte über den Schub und die Schubeinrichtung der Propulsionsmittel erfaßt und der Regeleinrichtung als Istwert zugeführt. Eb ist aber auch denkbar, daß die Querkräfte durch vektorielle Addition der Störgrößen wie Wind und Wellen ermittelt werden. Schließlich ist es auch möglich, den entstehenden Sollwert für die Schiffsquerkraft zu erfassen und der Regeleinrichtung als Istwert zuzuführen.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß, wenn der Kurs des Schiffes so zu den Störkräften gelegt wird, die Querkräfte zu Null werden, nur ein Reststörmoment auszugleichen ist. Dieses erfordert wegen der langen Hebelarme (Schiffslänge) nur eine geringe Leistung. Da dynamisch positionierende Schiffe leistungsmäßig für maximale Störkräfte ausgelegt sind, d.h. die meiste Zeit die Propeller im Teillastbereich arbeiten, können die Bugpropeller entlastet werden und somit eine große Brennstoffeinsparung erzielt werden.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen weitere Erläuterungen gegeben werden.

In Figur 1 ist ein Diagramm über die an einem Schiff angreifende Störkraft und das Störmoment sowie der Schubkräfte und Richtungen und

in Figur 2 eine Regeleinrichtung nach der Erfindung in

Zusammenwirkung mit der Gesamtanlage dargestellt.

Im Schwerpunkt S möge die Gesamt st örkraft F ... angreifen, die aus den Komponenten ^F _vs+·· und F besteht. Sie möge unter dem Winkel^ ... einfallen. Die Propellerantriebe des

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Schiffes sind mit P₁ und P₃ für die Heck- und Bugantriebseinrichtungen bezeichnet.

Die von ihnen erzeugten Schubkräfte F. mit den Komponenten F und F und F₃ mit den Komponenten F₃₃₅. und F„ sind

der Hauptstörkraft entgegengerichtet. Wenn vorausgesetzt wird, daß die Summe der Querkräfte ein Minimum werden soll entsprechend der Gleichung

F β F. + F₀ = Minimum (Null) yges Iy 2y

so können die Regelgrößen aus folgenden Beziehungen gewonnen werden.

a) Bildung der Istwertgrößen aus den Meßwerten F., cL und

F = F. +F_n soll ein Minimum werden. yges Iy 2y

Für den Propellerantrieb P. gilt dann

^Fly / ^Fl ^{= sinOf} 1 ^{Oder F}ly ^{= F}l * ^sin

und für

^F2y ^/ ^F2 = ^sin0(2 ^{Oder F}2y = ^F2

Daraus folgt für F _es = ^Fi · SXnOC₁ + F₃ . sinO<₂

b) Bildung der Istwertgrößen aus dem Sollwert F __

F ist der Reglerausgang aus der y-Abweichung des

Schiffes gegenüber dem y-Sollwert und ist damit proportional der zu bildenden Schubgröße in y-Richtung F

ο ./ ο ygee

Wenn dieser Wert F __ als Ausregelgröße benutzt wird, hat sie den Vorteil gegenüber der Lösung nach a), daß die Verzögerungszeiten, die durch die Antriebe gegeben sind, entfallen. Weiterhin ist vorteilhaft, daß F _

yso J-X

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bereits aufbereitet vorliegt und somit keine weiteren Meßgeräte erforderlich sind.

c) Meßwerterfassung von Schubgröße und -richtung der Heck- und Bugpropeller.

Durch vektorielle Addition der im Punkt S des Schiffes angreifenden Störvektoren nach Größe und Richtung zu der GesamtStörgröße z.B. Strömungsrichtung, Strömungsgeschwindigkeit, Wind, Wellen, wobei die schiffsspezifischen Relationen zwischen den Störgrößen wie Windstärke und Windrichtung und den Widerstandswerten wie Windwiderstand des Schiffes Beachtung finden müssen, ergibt sich dann

yges . _•

•sr-⁰— = smOf

F ... stör

storges

oder F = F ... . sin«

yges storges stör

Die eben dargestellte Ableitung der Regelgröße bietet den Vorteil der sofortigen Eingabe der Größe F ...

SXOi ο

in den Rechner, ohne die Verzögerung durch die Schiffszeitkonstante, hat jedoch den Nachteil der Ungenauigkeit, da natürlich bei der Aufnahme der Störgrößen Ungenauigkeit en auftreten können.

d) Als weitere Möglichkeit ist die Kombination der in a) und c) bzw. b) und c) erwähnten Rechnungsgänge anzusehen. Wenn die Rechnung nach c) ohne Verzögerung in den Rechner eingegeben wird, erfolgt eine schnelle Grobregelung, der eine Feinregelung nach den ersten Rechnungsgängen a) und b) unterlagert wird. Durch die schiffsfesten Größen kann diese wesentlich genauer sein.

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Im Blockschaltbild nach Figur 2 faßt die senkrechte Linie oben links die auf das Schiff einwirkenden Störgrößen wie die Windgeschwindigkeit und -richtung, die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung sowie die Wellengeschwindigkeit und ihre Richtung zusammen. Block 1 stellt das physikalische Modell zur Bildung der Störgrößen dar, über den die Störkräfte und -momente auf das Schiff einwirken. Block 2 ermittelt aus den verschiedenen Einflußgrößen die Störkraft auf das Schiff in y-Richtung, also den Istwert der Gesamtquerkraft F ... In einer Vergleichsstelle 3

yges χ8ΐ

wird dieser Wert mit dem Sollwert F _ . verglichen,

yges soll

der ein Minimum werden soll. Die Abweichung Δ F wird

° yges

einem Regler k zugeführt, der aus der Abweichung der Querkraft den Sollwert für den Schiffskurs M^ _1n bildet. Ein

SOXJ.

Vergleich mit dem gemessenen Schiffskurs γ. , in Block 5 liefert die Kursabweichung Λ ψ , die in einen weiteren Regler 6 e
ergibt.

ler 6 eingeht und den Sollwert für das Drehmoment M, _1Ί

dsoll

In einen Soll-Ist-Ortsvergleich 7 werden die Sollwerte für die Schiffslängskoordinate χ ₁₁ und die Querkoordinate y j. eingegeben und bei 8 und 9 mit den jeweiligen Istwerten verglichen. Die ermittelten Abweichungen ^ χ und Ay gehen in die Regler 10 und 11 ein zur Ermittlung des Längsschubs F und des Querschubs F . Aus den Eingangsgrößen χ y

M, ,, , F und F bildet eine fest verdrahtete oder freidsoll χ y

programmierbare Logik für die Schubverteilung 12 unter Einfügung eines Drehzahlbildners 13 die Drehzahlen nl und n2 für die Heck- und Bugantriebe sowie weitere Eingangsgrößen für die Einrichtung Ik zur Schubbildung. Die Ausgangssignale dieser Einrichtung Ik stellen die Schubgrößen F und F sowie die Schubrichtungen ^ und °i„ dar, die

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als Kraftkomponenten auf das Schiff 15 wirken. Durch das Schiff 15 wird die sich ergebende Schiffsbewegung beschrieben, die eine Rückwirkung auf die äußeren Störgrößen hat.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende. Die Eingangewerte für die Steuerautomatik zur Optimierung des Schiffskurses für die dynamische Positionierung können auf unterschiedliche Weise gewonnen werden:

a. als Meßwerte dienen die Schubkräfte und Richtungen der Propulsionsmittel nach dem Rechengang a. Als Eingangswerte stehen demnach der Istwert der Summe der Schiffsquerkräfte F . . MÄd der Sollwert der Summe der

Schiffsquerkräfte F ,, = O an der Vergleichsstelle ^- yges soll

3 an. Ferner der Istkurs γ' , , der sich al« Reaktion des Drehmomentes, das durch die Propeller auf das Schiff als Stellgröße wirkt, einstellt. Als Ausgangssignal der Steuerautomatik erscheint der Drehmoment-Sollwert M, , . ,

dsoll

der durch einen Rechenalgorithmus Block 12 in Stellwerte für F., Ot₁ und F₃, <X„ umgerechnet wird.

c. aus der vektoriellen Addition der angreifenden Störvektoren wie Strömung, Wind und Wellen nach Größe und Richtung, die in den Regler 1 eingehen, wird die Gesamtstörkraft F ...

storges

ermittelt. Hierzu sind die schiffsspezifischen Relationen von Störgrößen, z.B. Windstärke und Richtung und den Widej?- standswerten, z.B. Windwiderstand erforderlich. In Figur ist diese Möglichkeit durch den gestrichelt gezeichneten Block 2 dargestellt. Aus Block 2 entsteht als Ausgangs-

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signal der Istwert der Gesaunt Störgröße anstelle der Summe der Schiffsquerkräfte. Dieser Istwert steht an der Vergleichsstelle 3 an.

Die Methode nach c hat zwar den Vorteil, daß die Eingabe

F . , früher als bei der Methode a) bzw. b) erfolgen yges ist

kann, d.h. ohne Verzögerung durch die Schiffszeitkonstante. Sie stellt demnach eine Grobregelung dar, der eine Feinregelung nach der Methode a) unterlagert ist. Mit der Überlagerung der Methoden a) und b) bzw. a) und c) kann die Umrechnung der Gesamtstellkraft auf die Antriebe erfolgen.

Die Festlegung der Einstellwerte des vorderen und hinteren Propellers nach Schubgröße F und Richtungc( muß der Bedingung genügen, daß die Propeller nicht gegeneinander arbeiten, d.h. F. und F„ gleiches Vorzeichen haben müssen. Die Bedingung hierfür lautet:

F +F ⁷F
* Ix ⁺ * 2x I — * Ix

das bedeutet, daß der Betrag der ersten und der zweiten Größe gleich oder größer sein muß als die erste Größe.

Gemäß der Erfindung wird eine Automatik eingesetzt, die die Propeller so ansteuert, daß der Schub des hinteren Propellers in Längsrichtung in einem variablen, aber absolut positiven Verhältnis zu dem des vorderen Propellers ist:

^Flx - ^a · ^F2x

—— = a (a stets positiv) ^F2x

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Da das Schiff während der Positionierung ständig mit dem Bug gegen die Störkräfte ausgerichtet liegt, wird durch ein Abtastregelgerät das Verhältnis der Längsschübe ^ρ _1χ/^ρ _2χ ^maxi~ raiert und nur durch die maximale Leistung von F. begrenzt.

Hierdurch wird eine wesentliche Verminderung der zu installierenden Gesamtantriebsleistung erzielt. Diese ergibt sich durch die Lexstungsverschiebung vom vorderen zum hinteren Propellerantrieb durch:

I. ein vermindertes Einwirken des vorderen auf den hinteren Propeller, d.h. der Wirkungsgrad des hinteren Propellers wird größer, da die Eintrittsgeschwindigkeit nicht durch den vorderen Propellerstrahl beeinflußt wird,

II. eine Verminderung des Reibungswiderstandes des Schiffes, weil die erhöhte Anströmung durch den vorderen Propeller weitgehend entfällt und

III. Herausschaiten eines von zwei oder zwei von drei vorderen Propellern, wenn die Lexstungsverschiebung zu dem hinteren Propeller dieses erlaubt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Steuerautomatik zur Leistungsoptimierung die Sollwerte für die Kräfte und das Moment als Eingangswerte hat. Sie errechnet die Einzelsollschübe nach den an sich bekannten Gleichungen für Momente und Kräfte. Durch eine fest verdrahtete oder programmierte Logik im Block 12 wird nun verhindert, daß die Schübe gegensinnig arbeiten und durch eine Abtastregelung wird dieses Verhältnis zu einem Maximum gemacht, d.h. bis F„ —*· F.

° ' 1 lmax

geworden ist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur selbsttätigen Positionierung eines Schiffes, insbesondere eines Bohrschiffes, mit dem das Schiff über Propulsionsmittel in Richtung der Hauptstörkräfte gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der Regelgröße die Summe der Istquerkräfte dient, die mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und über eine Regeleinrichtung auf Null gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkräfte über den Schub (F) und die Schubrichtung (ίΚ ) der Propulsionsmittel erfaßt und der Regeleinrichtung als

Istwert (P . ,) zugeführt werden.
yxs"C
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anstehende jSollwert für die Schiffsquerkraft (F ) erfaßt und der Regeleinrichtung als Istwert zugeführt wird.

k. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 3 j dadurch gekennzeichnet, daß die Querkräfte (F . ) aus der vek-

yx st ges

toriellen Addition der Störgrößen ermittelt werden.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine selbsttätige Einstellung der Schublängskräfte (F₁^ und F^ ) in einem variablen absolut positiven Verhältnis ^^F _lx/^o ~ ^a^ ^VLZld ^{der Maximierun}S dieses Verhältnisses durch ein Abtastregelgerät bis zur Erreichung der maximalen Schubkraft (F₁ max)

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