DE2847770C2

DE2847770C2 - Vorrichtung zum Kompensieren freier Momente von Massenkräften in einer als Antriebsmaschine für ein Schiff dienenden Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2847770C2
Application number: DE2847770A
Authority: DE
Inventors: Henning Dipl.-Ing. Nivaa Lindquist
Original assignee: B & W Diesel Kobenhavn AS; MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1983-12-15
Also published as: JPS5563033A; DK149479B; DK462979A; EP0010973B1; ES485533A1; YU41489B; FI793357A; EP0010973A1; YU267779A; NO793444L; BR7907140A; PL219302A1; IE48860B1; IE792073L; DE2847770A1; PL124083B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kompensieren freier Momente von Massenkräften in einer als Antriebsmaschine für ein Schiff dienenden Brennkraftmaschine, bei der wenigstens eine in Längsschiffsrichtung im Abstand von der Brennkraftmaschine angeordnete rotierende Unwuchtmasse und ein zugehöriger Antriebsmotor vorgesehen sind, der durch eine so fCraftübertragungsvorrichtung mit der Brennkraftmaschine in der Weise gekuppelt ist, daß Drehzahl und Phasenwinkel des Antriebsmotors eine vorbestimmte Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Phasenwinkel der Brennkraftmaschine aufweisen.

Aus der DE-PS 6 27 949 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, die eine Vorrichtung dieser Art aufweist. Diese Vorrichtung ist im Abstand von der Brennkraftmaschine angeordnet und weist zwei gegenläufig rotierende Unwuchtmassen auf. Eine ähnliche Vorrichtung mit nur einer rotierenden Unwuchtmasse ist in der japanischen Veröffentlichung (ohne Datum) »Hull Girder Flexural Vertical Vibration Caused by 2nd Order Unbalanced Moment of Diesel Main Engine« beschrieben. Bei den genannten Vorrichtungen erfolgt der Antrieb der Unwuchtmassen mit Hilfe eines elektrischen Synchronmotors, der durch einen mit der Brennkraftmaschine gekuppelten Synchrongenerator gespeist wird. Bei der zuletzt genannten Vorrichtung erfolgt eine Kompensation nur der Massenkraftmomente zweiter Ordnung,' obwohl-die Massenkräfte erster Ordnung gerade bei Schiffsantrieben, bei denen langsam laufende Brennkraftmaschinen mit geringer Zylinderzahl eingesetzt werden, wesentlich größere freie Momente erzeugen. Die, Vorrichtung nach der DE-PS 6 27 949 ist nur in Verbindung mit einer eiczylindrischen Kolbenmaschine, bei der somit keine freie Ma^senkraftmomente auftreten, gezeigt und beschrieben. Bei den bekannten Vorrichtungen müssen der elektrische Antriebsmotor und das zugehörige Steuersystem sehr kräftig dimensioniert sein, damit der Antriebsmotor die rotierenden Unwuchtinassen im Gleichtakt mit der Zunahme oder der Abnahme der Drehzahl der Brennkraftmaschine beschleunigen bzw. abbremsen kann. Dies ist erforderlich, weil die Kompensationsvorrichtung auch während des Hochfahrens oder des Abbremsens der Brennkraftmaschine wirksam sein soIL Bei der Vorrichtung nach der japanischen Druckschrift ist ein Reduktionsgetriebe zwischen dem Elektromotor und der Unwuchtmasse erforderlich, was die Kosten und den Platzbedarf der Vorrichtung vergrößert Der elektrische Antrieb der Unwuchtmasse oder -massen stellt eine elastische Kupplung dar, die bei größeren Schwankungen der Drehzahl der Brennkraftmaschine außer Tritt fallen ktjnn.

Die genannten Mangel der bekannten Vorrichtung machen sich bei langsamlaufenden Brennkraftmaschinen besonders 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 ist dagegen proportional der zweiten Potenz der Drehzahl, und niedrigere Maschinendrehzahfen erfordern deshalb eine schwerere und größere Unwuchtmasse.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß bei erheblicher Vereinfachung und Verbilligung der Vorrichtung auch eine Kompensation der Massenkraftmomente erster Ordnung ermöglicht wird und daß auch bei starken Beschleunigungen und Verzögerungen eine genaue Synchronisation zwischen dem Umlauf der Unwuchtmasse und den rotierenden Teilen der Brennkraftmaschine sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Antriebsmotor ein Hydraulikmotor ist, der über Vorlauf- und Rücklaufleitungen an eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Hydraulikpumpe angeschlossen ist.

Bei dieser Ausbildung erhält man zwischen der Brennkraftmaschine und der Unwuchtmasse eine quasi unelastische Verbindung, die einerseits die Nachteile einer starren mechanischen Verbindung vermeidet und andererseits sicherstellt, daß die Unwuchtmasse auch bei starker Beschleunigung oder Verzögerung der Brennkraftmaschine nicht außer Tritt fällt. Dadurch werden extreme Belastungen vermieden, wie sie sonst bei Störungen in synchronem Betrieb auftreten.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß im Vergleich zu elektrischen Kupplungen der bekannten Art die neue Vorrichtung bei gleicher Leistung wesentlich kleiner und daher auch mit geringerem Gewicht und auch billiger gebaut werden kann. Der

Jg hydraulische Antriebsmotor kann bedeutend kleiner || gebaut werden als ein Elektromotor gleicher Leistung, ^ und er kann die zum Antrieb der Unwuchtmasse !-S erforderliche Leistung bei einer niedrigeren Drehzahl abgeben, so daß er ohne ein zwischengeschaltetes Reduktionsgetriebe direkt an die Unwuchtmasse K gekuppelt werden kann, welches auch zur Herabsetzung ; ν des Platzbedarfs der Vorrichtung beiträgt- Folglich ist ■/' mit der Vorrichtung eine Kompensation der Massen- : |i kraftmomente erster Ordnung möglich.
5i Vorteilhafterweise ist die Hydraulikpumpe mit der ja Steuerwelle der Brennkraftmaschine antriebsmäßig 7; gekuppelt, so daß sich die Vorrichtung bei Bedarf leicht ■:.? zu einer vorhandenen Antrebsmaschinenanlage hinzufügen läßt, weil keine größeren Eingriffe in die ν Brennkraftmaschine erforderlich sind, die somit auch '% nicht für den Anbau der Pumpe besonders vorbereitet ■f ■ zu sein braucht.

;;.^: Der Hydraulikmotor kann vorteilhafterweise in Form

■X eines Radialkolbenmotors ausgebildet und mit der ,j. Unwuchtmasse direkt gekuppelt .sein, denn dieser Motortyp ist besonders geeignet, um bei niedriger Drehzahl seiner Abtriebswelle ein hohes Drehmoment

^; zu liefern.

Um die Massenkräfte sowohl der ersten Ordnung als auch die der zweiten Ordnung gleichzeitig kompensieren zu können, ist der Hydraulikmotor vorteilhafterweise mit der gleichen Drehzahl wie die Brennkraftmaschine antreibbar und über ein Getriebe mit einer Übersetzung im Verhältnis 1 :2 zum Antrieb einer zusätzlichen Unwuchtmasse ausgebildet 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 Unwuchtmassen sind zweckmäßigerweise in Querschiffsrichtung orientiert, wie dies an sich von der einen der eingangs näher beschriebenen bekannten Vorrichtungen her bekannt ist. Durch diese Queranordnung erhält man eine besonders gute Kompensation aller freien Momente der Massenkräfte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispieien näher erläutert. Es zeigt

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-Dieselmotor 2 aufgestellt ist. Die schematisch wiedergegebene Kurbelwelle 2 der Maschine ist durch eine Kupplung 4 mit der Propellerwelle 5 des Schiffes verbunden. Fig. 1 zeigt außerdem die Steuerwelle 6der 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 angelrieben.

Achicrn vom Maschinenraum, ζ. B. im Rudermaschinenraum des Schiffes, ist ein erfindiingsgemäßer Momentkompensator 8 angeordnet. Wie aus der nachstehenden Beschre'bung ersichtlich ist. erzeugt der Kompensator 8 eine im Gleichtakt mit den Massenkräften der Maschine 2 Dul.sien.ruk· lotrechte Kraft, die bei

geeigneter Steuerung ihres Phasenwinkels den Schwingfifcgen entgegenwirkt die durch die freien Momente der Maschine 2 im Schiffsrumpf erregt werden. Die weit achtern gewählte Plazierung des Kompensator^ 8 ist deshalb von Vorteil, weil die Schwingungsfonn 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 Kompensator drehbar gelagerten Welle 10 befestigt ist, welche in Querschiffsrichtung verläuft Die Welle 10 wird direkt von der Abtriebswelle 11 eines hydraulischen Motors 12, bevorzugterweise eines Radialkolbenmotors, angetrieben. Der Übersichtlichkeit halber ist in F i g. 1 der Motor 12 vor dem Kompensator 8 befindlich wiedergegeben, aber normalerweise ist er mit dem Kompensator zusammengebaut und die beiden Wellen IC und 11 sind koaxial.

Die Steuerwelle 6 der Hauptmaschine ist direkt gekuppelt mit einer hydraulischen Pumpe 13, die bevorzugterveise ebenfalls vom Radialkolbentyp ist und die Pumpe 13 ist mit dem Mo„..r 12 in einem geschlossenen Kreislauf geschaltet, der eiK.- Vorlaufleitung 14 und eine Rücklaufleitung 15 für Hydraulikflüssigkeit umfaßt Es liegt auf der Hand, daß der hydraulische Kreislauf daneben noch verschiedene andere n-dit 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 F i g. 1 rein schematisch durch einen Geber 16 an der Pumpe 13 und eine vom Geber zum Motor 12 führende Steuerleitung 17 dargestellt

Wie in F i g. 1 gezeigt, wo die Drehzahl der Unwuchtmasse 9 gleich der Drehzahl der Steuerwe3e 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.

F i g. 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 Abtriebswelle 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 Kreislauies dar, der dem in F i g. I veranschaulichten entspricht, so daß seine Abtriebswel-Ic 23 synchron mil der Kurbelwelle der Brennkraftma-

schine 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 r> 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 man dann zwischen dem hydraulischen Antriebsmotor und der zusätzlichen Unwuchtmasse ein mechanisches Obersetzungsgetriebe einschaltet, dessen Übersetzungsverhältnis 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 einer Zwischenwelle im Steuerwellenantrieb.

Hierzu 2 BiaK Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kompensieren freier Momente von Massenkräften in einer als Antriebsmaschine für ein Schiff dienenden Brennkraftmaschine, bei der wenigstens eine in Längsschiffrichtung im Abstand von der Brennkraftmaschine angeordnete rotierende Unwuchtmasse und ein zugehöriger Antriebsmotor vorgesehen sind, der durch eine Kraftübertragungsvorrichtung mit der Brennkraftmaschine in der Weise gekuppelt ist, daß Drehzahl und Phasenwinkel des Antriebsmotors eine vorbestimmte Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Phasenwinkel der Brennkraftmaschine aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (12, 22) ein Hydraulikmotor ist, der über Vorlauf- und Rücklaufleitungen (14, 15) an eine von der Brennkraftmaschine (2) angetriebene Hydraulikpumpe angeschlossen ist

2. Vorrkhtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« <faß die Hydraulikpnmpe (13) mit der Steuerwelle (6) der Brennkraftmaschine (2) antriebsmäßig gekuppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikmotor (12, 22) Γη ?s Form eines Radialkolbenmotors ausgebildet und mit der rotierenden Unwuchtmasse (9, 24) direkt gekuppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikmotor (22) mit der gleichen Drehzahl wie die Brennkraftmaschine antreibbar ist und über ein Getriebe (25, 26) mit einer Übersetzung irsi Verhärtnis 1 :2 eine zusätzliche Unwuchtmasse (28} antreibt

5. Vorrichtung nach einem ο .r Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachsen der Unwuchtmasse oder Unwuchtmassen in an sich bekannter Weise in Querschiffsrichtung orientiert sind.

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