DE2847770A1

DE2847770A1 - Vorrichtung zum kompensieren freier momente von massenkraeften in einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2847770A1
Application number: DE19782847770
Authority: DE
Inventors: Henning Dipl Ing Lindquist
Original assignee: Burmeister and Wain AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1980-05-08
Also published as: DK149479B; IE48860B1; ES485533A1; YU41489B; DK462979A; EP0010973A1; IE792073L; BR7907140A; PL219302A1; NO793444L; YU267779A; DE2847770C2; JPS5563033A; PL124083B1; FI793357A; EP0010973B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kompensieren freier Momente von Massenkräften in einer Brennkraftmaschine, die als Hauptmaschine bzw. Antriebsmaschine für ein Schiff dient, wobei die Vorrichtung wenigstens eine rotierende Unwuchtmasse mit zugehörigem Antriebsmotor, der in Längsschiffsrichtung im Abstand von der Brennkraftmaschine angeordnet ist, sowie Synchronisationsmittel zur Steuerung der Drehzahl und des Phasenwinkels des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Phasenwinkel der Hauptmaschine aufweist.

Im Gleichtakt mit dem Ansteigen der Brennstoffpreise und Arbeitslöhne zeichnet sich eine Tendenz ab, für den Antrieb von Schiffen relativ langsamlaufende Hauptmaschinen, sogenannte Langhubmaschinen, mit kleiner Zylinderanzahl, typisch von 4 bis 6, zu bevorzugen. Durch die niedrige Drehzahl ergibt sich u.a. auf Grund eines höheren Maschinen- und Propellerwirkungsgrades eine bessere Wirtschaftlichkeit, und die kleinere Zylinderanzahl erfordert einen geringeren Wartungsaufwand. Bei einer Maschine mit wenigen Zylindern treten jedoch grosse freie Momente erster und/oder zweiter Ordnung aus den oszillierenden Massen auf, und zum vollständigen oder teilweisen Ausgleichen dieser Momente, die gefährliche oder jedenfalls unangenehme Biegeschwingungen im Schiffsrumpf erregen können, ist es bekannt geworden, die Maschine mit Momentkompensator.en zu versehen, die jeweils zwei gegenläufige Unwuchtmassen aufweisen, deren Drehzahlen der Drehzahl der Hauptmaschine bzw. dem Doppelten dieser Drehzahl entsprechen. Aus einer japanischen Publikation mit dem Titel "Hull Girder Flexural Vertical Vibration Caused by 2nd Order Unbalanced Moment of Diesel Main Engine" ist auch eine Vorrichtung bekannt geworden, die in Längsschiffsrichtung in geeignetem Abstand von der Hauptmaschine angeordnet wird und eine einzelne, von einem Elektromotor angetriebene Unwuchtmasse umfasst, die um eine Querschiffsachse

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rotiert, und zwar mit doppelter Drehzahl, wodurch sie eine pulsierende lotrechte Massenkraft erzeugt, die die Kippmomente zweiter Ordnung der Brennkraftmaschine mindern kann.

Die letztgenannte bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass der Elektromotor und das zugehörige Steuersystem sehr kräftig dimensioniert sein müssen, weil die Leistung des Motors dazu ausreichen muss, im Gleichtakt mit dem Steigen oder Absinken der Drehzahl der Hauptmaschine die rotierende Unwuchtmasse zu beschleunigen bzw. abzubremsen, falls die Unwuchtmasse nicht nur dann ihren Zweck erfüllen soll, wenn die Hauptmaschine mit konstanter Drehzahl läuft, sondern auch während des Hochfahrens oder Abbremsens der Hauptmaschine. Die Hilfsmaschinerie für die Elektrizitätsversorgung des Schiffes muss somit für eine entsprechend gesteigerte Höchstleistung ausgelegt werden. Dazu kommt zusätzlich, dass ein Reduktionsgetriebe zwischen dem Elektromotor und der Unwuchtmasse erforderlich ist, und diese Massnahme vergrössert sowohl die Kosten als auch den Platzbedarf der Vorrichtung. Die genannten Mangel machen sich bei langsamlaufenden Maschinen noch stärker geltend, denn die Erfahrung hat gezeigt, dass die Massenkräfte pro Zylinder und damit auch deren Momente bei einer gegebenen Zylinderleistung und einem gegebenen Zylinderdurchmesser praktisch nicht von der Nenndrehzahl der Maschine abhängt, weil eine niedrigere Drehzahl einen grösseren Kolbenhub und somit grössere oszillierende Massen bedingt. Die Massenkraft einer rotierenden Unwuchtmasse im Kompensator ist dagegen proportional der zweiten Potenz der Drehzahl, und niedrigere Maschinendrehzahlen erfordern deshalb eine schwerere und grössere Unwuchtmasse. Auch die Forderung nach einem niedrigen Eigenunregelmässigkeitsgrad der Vorrichtung bedingt ein hohes Massenträgheitsmoment der Unwuchtmasse, so dass zum Ändern der Drehzahl eine hohe Leistung des Antriebsmotors verfügbar

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sexn muss.

Im Hinblick darauf, die aufgezeigten Mangel zu beheben, ist eine Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor für die Unwuchtmasse 5 oder -massen ein hydraulischer Motor ist, der durch eine Vorlauf-und eine Rücklaufleitung an eine von der Brennkraftmaschine angetriebene hydraulische Pumpe angeschlossen ist.

Dadurch wird eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung der Vorrichtung erzielt. Da die erwähnte hohe Leistungsaufnahme der Vorrichtung nur bei Beschleunigung und bei Abbremsung der Unwuchtmasse auftritt, während bei konstanter Drehzahl die Leistungsaufnahme wesentlich niedriger ist, kann die erforderliche Leistung in den kurzen Zeiträumen, in denen sie benötigt wird, ohne weiteres von der Hauptmaschine geliefert werden, da diese Maschine auf Grund ihrer vielfach höheren Nennleistung über die notwendige Leistungsreserve verfügt. Es ist deshalb nicht erforderlich, die Hilfsmaschinerie und elektrischen Generatoren zu vergrössern. Die erforderliche Phasensynchronisation zwischen der Hauptmaschine und der Unwuchtmasse lässt sich bei der direkten Leitungsverbindung zwischen dem Antriebsmotor für die Unwuchtmasse und der von der Hauptmaschine angetriebenen Pumpe leicht erzielen. Der hydraulische Motor kann mit wesentlich kleineren Dimensionen als ein Elektromotor ausgebildet werden, und er lässt sich derartig dimensionieren, dass er die erforderliche Ausgangsleistung bei niedriger Drehzahl liefert, so dass er ohne Reduktionsgetriebe direkt mit der Unwuchtmasse gekuppelt werden kann, was ebenfalls den Platzbedarf der Vorrichtung reduziert. Deshalb ist es praktisch durchführbar, die Vorrichtung so auszugestalten, dass sie die Momente erster Ordnung kompensiert, die insbesondere bei vierzylindrigen Zweitaktmaschinen auftreten, was sich mit

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der bekannten, durch einen Elektromotor angetriebenen Vorrichtung auf Grund der erforderlichen niedrigen Drehzahl der Unwuchtmasse kaum machen lässt.

Die hydraulische Pumpe kann mit Vorteil mit der Steuerwelle der Brennkraftmaschine gekuppelt wein, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass sich die Vorrichtung bei Bedarf leicht zu einer vorhandenen Antriebsmaschinenanlage hinzufügen lässt, weil keine grösseren Eingriffe in die Hauptmaschine erforderlich sind, die somit auch nicht für den Anbau der Pumpe besonders vorbereitet zu sein braucht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebsmotor ein Radialkolbenmotor, der mit der rotierenden Unwuchtmasse direkt gekuppelt werden kann, weil sich dieser Motortyp vorzüglich dazu eignet, bei niedriger Drehzahl seiner Antriebwelle eine hohes Drehmoment zu liefern.

Der Antriebsmotor kann mit derselben Drehzahl wie die Brennkraftmaschine rotieren und über ein !^-Übersetzungsgetriebe eine zusätzliche Unwuchtmasse antreiben. Hierdurch lassen sich mit derselben Vorrichtung zwei pulsierende lotrechte Kräfte zum Kompensieren von sowohl Momenten erster Ordnung als auch Momenten zweiter Ordnung erzeugen.

Die Rotationsachsen der Unwuchtmasse oder der Unwuchtmassen können auf bekannte Weise in Querschiffsrichtung verlaufen, wodurch man, wie bereits erwähnt, mit Hilfe einer einzelnen Unwuchtmasse für jedes der Momente, deren Einwirkung auf den Schiffsrumpf gedämpft werden soll, eine zufriedenstellende Reduktion der freien Momente der Massenkräfte der Hauptmaschine erzielen kann.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erklärt. Es zeigt

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch den achteren Teil eines Schiffes, das mit einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgerüstet ist, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen geänderten Momentkompensator zum Einbau in die Vorrichtung.

In Fig. 1 ist das achtere Ende eines Schiffes 1 dargestellt, in dessen Maschinenraum als Antriebsmaschine für das Schiff ein vierzylindriger Zweitakt-Dies^lmotor 2 aufgestellt ist. Die schematisch wiedergegebene Kurbelwelle 3 der Maschine ist durch eine Kupplung 4 mit der Propellerwelle 5 des Schiffes verbunden. Fig. 1 zeigt ausserdem die Steuerwelle 6 der Maschine, die nicht gezeigte Nocken zum Betätigen der Brennstoffpumpen der Maschine und eventueller Ventile in den Zylindern trägt.

Die Steuerwelle wird über einen Kettenantrieb 7 von der Kurbelwelle 3 angetrieben.

Achtern vom Maschinenraum, z.B. im Rudermaschinenraum des Schiffes, ist ein erfindungsgemasser Momentkompensator 8 angeordnet. Wie aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich ist, erzeugt der Kompensator 8 eine im Gleichtakt mit den Massenkräften der Maschine 2 pulsierende lotrechte Kraft, die bei geeigneter Steuerung ihres Phasenwinkels den Schwingungen entgegenwirkt, die durch die freien Momente der Maschine 2 im Schiffsrumpf erregt werden.

Die weit achtern gewählte Plazierung des Kompensators ist deshalb von Vorteil, weil die Schwingungsform des Rumpfes an dieser Stelle eine hohe Amplitude aufweist.

Die genannte pulsierende Kraft wird von einer Unwuchtmasse 9 erzeugt, die an einer im Gehäuse des Kompensators drehbar gelagerten Welle 10 befestigt ist, welche in Querschiffsrichtung verläuft. Die Welle 10 wird direkt von der Abtriebwelle 11 eines hydraulischen Motors 12, bevorzugterweise eines Radialkolbenmotors, angetrieben. Der

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Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 1 der Motor 12 vor dem Kompensator 8 befindlich wiedergegeben, aber normalerweise ist er mit dem Kompensator zusammengebaut und die beiden Wellen 10 und 11 sind koaxial.

Die Steuerwelle 6 der Hauptmaschine ist direkt gekuppelt mit einer hydraulischen Pumpe 13, die bevorzugterweise ebenfalls vom Radialkolbentyp ist, und die Pumpe 13 ist mit dem Motor 12 in einem geschlossenen Kreislauf geschaltet, der eine Vorlaufleitung 14 und eine Rücklaufleitung 15 für Hydraulikflüssigkeit umfasst. Es liegt auf der Hand, dass der hydraulische Kreislauf daneben noch verschiedene andere nicht gezeigte Bauteile enthalten kann, z.B. einen Tank, einen Druckakkumulator und geeignete Mittel zum Ausgleich von Flüssigkeitsleckagen aus dem Kreislauf, von thermischen Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit usw.

Der hydraulische Kreislauf enthält ausserdem Mittel zur genauen Phasensynchronisation zwischen der Rotation der Pumpe 13 und der Rotation des Motors 12, und diese Steuermittel sind in Fig. 1 rein schematisch durch einen Geber 16 an der Pumpe 13 und eine vom Geber zum Motor 12 führende Steuerleitung 17 dargestellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wo die Drehzahl der Unwuchtmasse 9 gleich der Drehzahl der Steuerwelle 6 und damit auch der Kurbelwelle 3 ist, erzeugt der Kompensator 8 eine Kraft, welche die Momente erster Ordnung der Maschine 2 kompensieren kann. In Anlagen, bei denen in erster Linie Momente zweiter Ordnung kompensiert werden sollen, kann eine entsprechende Vorrichtung mit einer einzelnen Unwuchtmasse 9 Anwendung finden, nur ist dann der hydraulische Kreislauf so auszulegen, dass der Antriebsmotor der Unwuchtmasse mit doppelt so hoher drehzahl rotiert wie die Kurbelwelle der Hauptmaschine.

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Fig. 2 veranschaulicht einen Kompensator, der mit Hilfe eines einzelnen hydraulischen Antriebsmotors und dementsprechend einer einzelnen hydraulischen Pumpe an der Brennkraftmaschine sowohl Momente erster Ordnung als auch Momente zweiter Ordnung kompensieren kann. Der Kompensator nach Fig. 2 hat ein Gehäuse 21, das mit einem hydraulischen Antriebsmotor 22 zusammengebaut ist, an dessen Abtriebwelle 23 eine im Gehäuse 21 rotierende Unwuchtmasse 24 direkt befestigt ist. Die Welle 23 trägt ausserdem ein Zahnrad 25, das mit einem halb so grossen Zahnrad 26 kämmt, welches an einer im Gehäuse 21 gelagerten Welle 27 befestigt ist, die eine zusätzliche Unwuchtmasse 28 trägt.

Der hydraulische Motor 22 stellt einen Teil eines hydraulischen Kreislaufes dar, der dem in Fig. 1 veranschaulichten entspricht, so dass seine Abtriebwelle 23 synchron mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und mit dem in bezug auf die Bewegung der oszillierenden Massen der Brennkraftmaschine korrekten Phasenwinkel rotiert. Die Unwuchtmassen 24 und 28 rotieren deshalb mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. mit der doppelten Drehzahl, und die Unwuchtmassen erzeugen dadurch pulsierende Kräfte, die Momente erster Ordnung bzw. Momente zweiter Ordnung aus den Massenkräften der Brennkraftmaschine kompensieren können.

Der Erfindungsgedanke kann auch verwirklicht werden in einer Vorrichtung zum Kompensieren von pulsierenden Kräften, die durch den Propeller des Schiffes erzeugt werden. Eine solche Vorrichtung kann mit einem gesonderten hydraulischen Antriebsmotor ausgerüstet sein, der von der durch die Hauptmaschine angetriebene hydraulische Pumpe gespeist wird. Alternativ kann eine zusätzliche Unwuchtmasse in eine Vorrichtung wie oben beschrieben, d.h. mit einer oder zwei Schwungmassen zum Kompensieren der Kippmomente aus der Hauptmaschine, hinzugefügt werden, wobei

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man dann zwischen dem hydraulischen Antriebsmotor und der zusätzlichen Unwuchtmasse ein mechanisches Übersetzungsgetriebe einschaltet, dessen Obersetzungsverhältnis dem Verhältnis zwischen der Frequenz der Propellerkräfte und der Drehzahl des hydraulischen Motors entspricht.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Pumpe, die den Antriebsmotor der rotierenden Unwuchtmasse oder -massen speist, in sämtlichen oben beschriebenen und erwähnten Varianten von einer beliebigen Welle der Hauptmaschine angetrieben werden kann, also insbesondere auch von der Kurbelwelle der Maschine oder von einem Zwischenwelle im Steuerwellenantrieb.

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Claims

Patentanwälte " ,. (_f

Dr.-arg. Vt. Döring
Dlpl.-P. : n. Dr. ü. FriCke

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BURMEISTER & WAIN A/S, 1449 Kopenhagen K, Dänemark.

Vorrichtung zum Kompensieren freier Momente von Massen kräften in einer Brennkraftmaschine.

Patentansprüche

ί ~!lJ Vorrichtung zum Kompensieren freier Momente von Massenkräften in einer Brennkraftmaschine (2), die als Hauptmaschine bzw. Antriebsmaschine für ein Schiff (1) dient, wobei die Vorrichtung wenigstens eine rotierende Unwuchtmasse (9, 24, 28) mit zugehörigem Antriebsmotor (12, 22), der in Längsschiffsrichtung im Abstand von der Brennkraftmaschine angeordnet ist, sowie Synchronisationsmittel (16, 17) zur Steuerung der Drehzahl und des Phasenwinkels des Antriebsmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Phasenwinkel der Hauptmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (12, 22) ein hydraulischer Motor ist, der durch eine Vorlauf- und eine Rücklaufleitung (14, 15) an eine von der Brennkraftmaschine (2) angetriebene hydraulische Pumpe (13) angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Pumpe (13) mit der Steuerwelle (6) der Brennkraftmaschine (2) gekuppelt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

0 zeichnet, dass der Antriebsmotor (12, 22) ein Radialkolbenmotor ist, der mit der rotierenden Unwuchtmasse (9, 24) direkt gekuppelt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (12) mit derselben Drehzahl wie die Brennkraftmaschine (2) rotiert und über ein !^-Übersetzungsgetriebe (25, 26) eine zusätzliche Unwuchtmasse (28) antreibt.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachsen der Unwuchtmasse oder Unwuchtmassen auf bekannte Weise in Querschiffsrichtung verlaufen.

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