DE4430409C2 - Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades bei Schiffen mit Bug- und Heckpropeller sowie Anordnung zur Einstellung der Drehzahl des Bugpropellers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades bei Schiffen mit Bug- und Heckpropeller, insbesondere bei Fährschiffen, wobei die Drehzahl des vor­ deren Propellers jeweils niedriger als die Drehzahl des hin­ teren Propellers ist. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anordnung zur Einstellung der Drehzahl des Bugpropellers bei solchen Schiffen mit symmetrischer Propel­ leranordnung und jeweils zugehörigen separaten Antrieben.

Moderne Fährschiffe können einen Bugpropeller und einen Heck­ propeller aufweisen, welche beide jeweils von separaten An­ trieben angetrieben werden. Durch eine solche Anordnung wird ein Wenden des Schiffes für die Richtungsumkehr vermieden. Üblicherweise werden solche Schiffe mit symmetrischer Propel­ leranordnung nach einer empirisch ermittelten Kennlinie ge­ fahren. Dies bedeutet im einzelnen, daß der vordere Propeller je nach Fahrrichtung in Abhängigkeit von der Drehzahl des hinteren Propellers mit in etwa 10% niedriger Drehzahl ge­ fahren wird, um insbesondere eine Bremswirkung des für den Schub nicht auszunützenden vorderen Propellers soweit wie möglich zu vermeiden.

Bekanntermaßen erhöht die Bremswirkung den Energieverbrauch der gesamten Fahranlage: Da mit den bisherigen empirischen Lösungen eine Vielzahl von nicht meßbaren Faktoren, welche Einfluß auf die optimale Drehzahl des vorderen Propellers haben, nicht berücksichtigt werden können, bleibt die bis­ herige Vorgehensweise in vielen Aspekten unbefriedigend. Der Wirkungsgrad der gesamten Antriebsanlage ist unter Umständen schlecht, da sich ändernde Strömungsverhältnisse, Wellengang und ähnliche äußere Faktoren nicht exakt erfaßt werden.

Aus der Zeitschrift "Ship & Boat International", Mai 1983, H. 5, S. 11, ist ein Fährschiff mit einem Bug- und einem Heckpropeller bekannt, bei dem die Steuerung durch ein sog. Aquapilot-System erfolgen soll. In der Zeitschrift "Schiff & Hafen", Heft 1, 1965, S. 10 bis 13, werden Modelluntersuchun­ gen von großen, schnellen Binnenfrachtschiffen geringer Völ­ ligkeit vorgestellt, bei dem derartige Untersuchungen jeweils für kombinierte Backbord-/Steuerbordpropeller und unter anderm auch für einen gemischten Heck- und Bugantrieb mit vier Propellern durchgeführt sind. Zwecks Wirkungsgradopti­ mierung soll dabei insbesondere das Minimum der Leistungsauf­ nahme des Bugantriebes aufgefunden werden. Schließlich ist aus der Zeitschrift "Schiff & Hafen/Seewirtschaft", Heft 7/ 1990, S. 84, ein mikrocomputerbasiertes Schiffs-Antriebs/ Steuersystem mit einem sog. ETA-Piloten zur Einsparung von Treibstoff bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein verbessertes Verfahren mit zugehöriger Anordnung anzugeben, mit denen ins­ besondere die Einstellung der Drehzahl des Bugpropellers auf einen Wert, der bei jeder Schiffsgeschwindigkeit und sonsti­ gen beliebigen Einflußfaktoren zu einem günstigen Gesamt-An­ triebsenergieverbrauch führt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Wirkungsgrad- Optimierung eine Minimalwertregelung der Summe der aufgenom­ menen Wirkleistungen beider Antriebssysteme erfolgt. Die zu­ gehörige Anordnung zur Einstellung der Drehzahl des Bugpro­ pellers ist durch einen Regler mit den Wirkleistungen beider Antriebe als Eingangsgrößen gekennzeichnet, wobei im Regler die Drehzahl des Bugpropellers bestimmt wird, bei der die Summe der Wirkleistungen ein Minimum ist.

Aus der DE 32 48 958 C2 ist zwar bereits eine Regelanordnung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit mehre­ ren unabhängigen Motoreinheiten bekannt. Gleichermaßen sind digitale Regler für Fahrzeuge aus der DE 42 17 138 A1 be­ kannt, wie er vorteilhaft auch bei vorliegender Erfindung eingesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere eine Vor­ steuerung, die nach Erfahrungswerten erfolgt, zur Korrektur ergänzen. Auch beim Hochfahrvorgang des Heckpropellers kann bereits eine Optimierung erfolgen. Im sogenannten Split-Mode, d. h. beim Langsamfahren in einem Hafenbecken od. dgl. wird trotzdem dem Steuermann volle Freiheit zum unabhängigen Ein­ satz beider Antriebe gegeben.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß eine vorhergehende Er­ mittlung und Ausführung von empirischen Kennlinien nicht mehr zwingend erforderlich ist und trotzdem mit einer minimierten Gesamtleistung gefahren wird. Da die Antriebsleistungen bei Fährschiffen üblicherweise im MW-Bereich liegen, ist insge­ samt mit einer nicht unerheblichen Energieeinsparung zu rech­ nen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Block­ schaltbild einer Minimalwert-Regelung bei Fährschiffen.

In der Figur ist mit 1 ein Fährschiff angedeutet, das sowohl am Bug als auch am Heck jeweils eine komplette Antriebsanlage aufweist, die beide identisch aufgebaut sind. Dadurch sind derartige Schiffe im Fährbetrieb in der Lage, ohne Wendemanö­ ver eine Fahrtrichtungsumkehr aufzunehmen. Im einzelnen ist in der Figur ein erster Motor mit 2 mit zugehörigem Propeller 3 und ein zweiter Motor mit 4 und zugehörigem Propeller 5 be­ zeichnet. Beide Motoren 2 und 4 werden über geeignete Lei­ stungsstellglieder 6 und 7, die an das Bordnetz angeschaltet sind, angesteuert.

Über Meßumformer 8 und 9 sind die jeweils von den einzelnen Motoren 2 und 4 aufgenommenen Leistungen erfaßbar. Die ge­ messenen Werte werden einem Regler 10 zugeführt und dort ver­ arbeitet. Zweckmäßigerweise ist dem Regler 10 ein Summations­ glied 11 vorgeschaltet, so daß als Eingangsgröße bereits die Summe beider Leistungen eingegeben wird.

Beiden Motoren 2 bzw. 4 ist jeweils eine Einheit 12 bzw. 14 zur Drehzahlregelung zugeordnet. Im vorliegenden Fall ist die Einheit 14 mit einem Maschinentelegraph 15 gekoppelt, so daß eine geeignete Drehzahl im Sinne einer Geschwindigkeits­ steuerung des Schiffes vorgegeben werden kann.

Der Regler 10 arbeitet als Minimalwertregler. Dies bedeutet konkret, daß bei Vorgabe einer bestimmten Drehzahl am Heck­ propeller und einer üblicherweise um etwa 10% geringeren Drehzahl am Bugpropeller mit den Meßumformern 8 und 9 die je­ weils aufgenommenen Leistungen erfaßt und über das Summa­ tionsglied 11 dem Regler 10 zugeführt werden. Der Regler 10 verstellt die Drehzahl des vorderen Propeller-Antriebes so lange, bis der Summenwert der aufgenommenen Wirkleistungen beider Antriebssysteme zu einem Minimum gebracht wird.

In praktischer Realisierung ist der Minimalwert-Regler 10 als digitaler Regler ausgebildet. Er kann damit eine Zusatzfunk­ tion zu den üblichen Antriebsregelungen ausführen und erfor­ dert deswegen keine zusätzlichen Anlagegrößen als Regel-Ist­ werte. Bei Fahrtrichtungswechsel kann die Drehzahlsollwert- Führung beider Antriebssysteme unmittelbar elektronisch umge­ schaltet werden.

Mit dem beschriebenen Regelkonzept kann also in vergleichs­ weise einfacher Weise die für die Gesamtanlage aufzuwendende Energie vermindert werden. Damit ist eine Wirkungsgrad-Opti­ mierung erreicht.

In der Praxis kann es zweckmäßig sein, von der bekannten empirischen Vorsteuerung auszugehen und die beschriebene Minimalwertregelung insbesondere zur Korrektur der vor­ handenen Kennlinien zu verwenden. Auch bereits beim Hoch­ fahrvorgang des Schiffes kann die beschriebene Wirkungsgrad- Optimierung erfolgen. Unabhängig davon ist im sogenannten Split-Mode, d. h. beim Langsamfahren in einem Hafenbecken od. dgl., die volle Manövrierfähigkeit des Schiffes gegeben. Ohne die beschriebene Minimalwertregelung können also in diesem Fall beide Propellermotoren unabhängig voneinander in beliebiger Richtung betrieben werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades bei Schiffen mit Bug- und Heckpropeller, insbesondere bei Fährschiffen, wobei die Drehzahl des vorderen Propellers jeweils niedriger als die Drehzahl des hinteren Propellers ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wirkungsgrad-Optimie­ rung eine Minimalwertregelung der Summe der aufgenommenen Wirkleistungen beider Antriebssysteme erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vorsteuerung nach Erfahrungs­ werten erfolgt und daß die Minimalwertregelung zur Korrektur verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bereits beim Hochfahrvor­ gang eine Optimierung erfolgt.

4. Anordnung zur Einstellung der Drehzahl des Bugpropellers bei Schiffen mit symmetrischer Propelleranordnung und jeweils zugehörigen separaten Antrieben, insbesondere zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 3, gekennzeichnet durch einen Regler (10) mit den Wirkleistungen beider Antriebe (2, 4) als Eingangsgrößen, wobei im Regler (10) die Drehzahl des Bugpropellers bestimmt wird, bei der die Summe der Wirklei­ stungen ein Minimum ist.

5. Anordnung nach Anspruch l, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regler (10) als digitaler Regler ausgelegt ist.

6. Anordnung nach Anspruch l, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Regler (10) ein Summationsglied (11) zur Bildung der Summe der Wirkleistungen beider Antriebe vorgeschaltet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Meßumformer (8, 9) zur Erfassung der Wirkleistungen beider Antriebe vorhanden sind.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel für die Umschaltung der Drehzahl-Sollwert-Führung beider Antriebe (2, 4) bei Fahrtrichtungswechsel vorhanden sind.