DE566902C - Vorrichtung zum Antreiben und Steuern von Wasserfahrzeugen - Google Patents

Description

65f* V64.30

Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserfahrzeuge mit Schaufelradpropellern, deren Schaufeln während der Umdrehung des Rades relativ zu diesem um ganz oder annähernd parallele Schaufelachsen schwingen und vom Wasser stets vollständig und vorwiegend normal zur Schaufelachse beaufschlagt werden, und bezweckt deren Steuerung. Bei Schaufelradpropellern dieser Art kann die Relativbewegung der Schaufeln gegen das Rad im Betrieb nach Größe und Phase geändert werden, wodurch die erzeugte Schubkraft einerseits bei gleichbleibender Drehzahl auf verschiedene Größen, anderseits nach jeder beliebigen Richtung der achsnormalen Ebene eingestellt werden.

Die Einstellung der Größe der Relativbewegung, d. i. etwa des Schwingungsausschlages der Schaufel gegen das Rad, hat dabei die Bedeutung einer stetigen und lückenlosen Verstellung der Propellersteigung von »voll voraus« bis »voll zurück«; mittels der zweiten Verstellkomponente, der Phasenverstellung, werden bei gleichbleibender Größe

s5 der Relativbewegung die Punkte von Extremstellungen, Nullstellungen usw. der Schaufelbewegung hinsichtlich ihrer Richtung zum Schiffskörper bestimmt und auf diese Weise auch die Richtung der erzielten Kraftwirkung zum Schiffskörper beeinflußt.

Es ist bekannt, Propeller der beschriebenen Art im Hinterschiff mit ganz oder vorwiegend vertikaler Achse anzuordnen, wodurch das Fahrzeug eine außerordentliche Manövrierfähigkeit erhält. Es kann — bei stets gleichbleibender Drehrichtung und Drehzahl der Propellerantriebsmaschine — jede beliebige Schubleistung zwischen Null und dem Höchstwert nach vorwärts oder nach rückwärts aufnehmen, es kann mit voller oder auch beliebig kleiner Geschwindigkeit Kurven sehr kleinen Halbmessers beschreiben und sich an Ort und Stelle um die eigene Mittschiffsachse drehen. Bei all diesen Manövern zeigt sich die Steigungsverstellung noch wesentlich wichtiger als die Phasenverstellung der .Propeller.

Die vorliegende Erfindung, die eine weitere Verfeinerung der Manövrierfähigkeit von Wasserfahrzeugen betrifft, bezieht sich daher nur auf Propeller mit Phasen- und Steigungsversteilung; diese Bedingung ist nur bei Propellern mit relativ zum Radkörper schwingenden Schaufeln erfüllt, so daß also Propeller, deren Schaufeln relativ zum Rade gleichförmige oder ungleichförmige volle Umlaufbewegungen vollführen, zur Verwirklichung des vorliegenden Erfindungsgedankens nicht geeignet sind.

Fahrzeuge der bisher beschriebenen Art vermögen alle aus der Kinematik bekannten ebenen Bewegungen auszuführen mit Ausnahme einer Parallelverschiebung in Querschiffsrichtung, des sogenannten Traversierens. Erfindungsgemäß soll dieses Querverschieben, das für Anlege- und Hafenmanöver von erheblicher Bedeutung ist, durch Antrieb des Fahrzeuges mittels mehrerer Propeller

bewirkt werden, wobei die Schaufelbewegung jedes Propellers nach Größe und Phasenlage so beeinflußt wird, daß sämtliche Propellerkräfte eine Resultierende ergeben, die etwa auf halber Schiffslänge, genauer im Widerstand smittelpunkt für die Querbewegung, angreift und querschiffs gerichtet ist.

Das Querverschieben eines Schiffes wird meist ohne Vorwärtskraft durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, das Schiff bei gleichzeitigem Vortrieb quer zu verschieben, indem jene Einstellung der Propeller, die ein Querverschieben ohne Vortrieb, und jene Einstellung, die Vortrieb ohne Querverschieben bewirkt, einander überlagert werden. Ebenso kann das Querverschieben mit einer Drehung des Schiffes überlagert werden. Eine Einrichtung zur Ausführung des Querverschieben kann so ausgebildet werden, daß mindestens ein Propeller P₁ (Abb. 1) im Vorschiff und mindestens ein Propeller P₂ im Hinterschiff angeordnet und so eingestellt werden, daß ihre Schubkräfte sich zu einer im Widerstandsmittelpunkt in Querschiffsrichtung angreifenden Resultierenden 7? zusammensetzen. Die Einrichtung kann aber auch gemäß Abb. 2 bis 4 ausgebildet werden, wobei mindestens zwei Propeller P₁ und P₂ achtern nebeneinander angeordnet und so eingestellt werden, daß die Richtungslinden ihrer Schubkräfte sich unter stumpfem Winkel auf ungefähr halber Schiffslänge schneiden und dort eine querschiffs gerichtete Resultierende 7? ergeben. Dabei muß der Schnittpunkt der Propellerkräfte nicht in der Längssymmetrale des Schiffes liegen; er kann vielmehr auch links oder rechts davon liegen, wie in den Abb. 2 und 4 dargestellt. Weiterhin muß bei genauerer Durchbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung beachtet werden, daß die Propellerschubkraft nicht — wie der Einfachheit halber gezeichnet — durch den Propellermittelpunkt hindurchgeht, sondern etwas seitwärts vorbeigeht, da ja die Gesamtwirkung des Propellers auf das Schiff sich aus der erzeugten Schubkraft und dem aufgenommenen Drehmoment Zusammensetzt.

Wenn ein Wasserfahrzeug von mehreren Propellern der beschriebenen Art angetrieben wird, so kann am Steuerstande die zweifache Verstellung jedes Propellers getrennt oder für alle Propeller gemeinsam zu betätigen sein. Es wird in vielen Fällen vorteilhaft sein, letztere Anordnung zu wählen und überdies die Verstellbewegungen der Propeller in einer solchen Art zusammenzufassen, daß die Betätigung je eines von drei Organen den Vortrieb, die Drehung und das Traversieren des Schiffes bewirkt.

Es soll dies an dem Beispiel des Betriebes im Stande (bei stillstehendem Schiff) näher erläutert werden, wo die Verhältnisse am übersichtlichsten sind, da sie dabei nicht durch die von der Bewegung des Schiffskörpers herrührenden Massenkräfte und Strömungen verschleiert werden. Die erste der erwähnten Betätigungseinrichtungen, die man etwa Fahrthebel nennen kann, steht mit sämtlichen Propellern in solcher Wirkungsverbindung, daß eine Verstellung des Fahrt- hebeis bei Nullstellung der beiden anderen Organe an allen Propellern Schubkräfte in Längsschiffsrichtung verursacht. Das zweite Organ, das man etwa Ruderrad nennen könnte, steht mit sämtlichen Propellern in solcher Wirkungsverbindung, daß seine Verstellung bei Nullage der beiden anderen Organe Kräfte im Sinne einer Drehung des Schiffes verursacht, also querschiffs gerichtete Kräfte hervorruft, die bei allen hinter der Schiffsmitte liegenden Propellern in dem einen, bei allen vor der Schiffsmitte liegenden Propellern im entgegengesetzten Sinne wirken. Das dritte Organ, das man etwa Traversierhebel nennen könnte, soll nun in die Wirkungsverbindung zwischen den beiden ersten Organen und den Propellern so eingreifen, daß eine Verstellung des Traversierhebels bei Nullage der beiden anderen Organe Propellerkräfte verursacht, die eine etwa in Schiffsmitte angreifende querschiffs gerichtete Resultierende ergeben. Die Wirkung der Verstellung je eines Organs soll jedoch die Wirkungen der beiden anderen Organe nicht aufheben, sondern sich ihnen überlagern.

Die Abb. 5 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer solchen Einrichtung an einem Schiff mit zwei achtern nebeneinanderliegenden Propellern jener bekannten Art, bei welcher die Schubkraft jedes Propellers der Verschiebung eines für alle Schaufeln gemeinsamen Organs (Steuerzentrums N₁, N₂) aus seiner Nullage O₁, O₂ nach Größe und Richtung derart entspricht, daß die im Stande erzeugte Schubkraft senkrecht auf der Ver-Schiebungsrichtung des Steuerzentrums steht und der Verschiebungsgröße proportional ist. In den Abb. 5 bis 8 dient der Hebel H₁ zur Einstellung einer Vorwärts- oder Rückwärtskraft, das Handrad H₂ zur Drehung des Schiffes und der Hebel H₃ zur Einstellung einer Traversierkraft. Die Wirkungsverbindung zwischen diesen Betätigungseinrichtungen und den beiden Propellern ist an dem schematischen Beispiel eines mechanischen Gestänges gezeigt, doch könnten im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebensogut andersartige mechanische, hydraulische oder elektrische Einrichtungen zur Übertragung der Steuerimpulse und zur Beeinflussung der Schaufellenkung verwendet werden. Die Wirkungsweise der dargestellten Einrichtung ist

aus den Zeichnungen ohne weiteres verständlich; es zeigt Abb. 5 die Mittelstellung aller drei Betätigungseinrichtungen; in Abb. 6 ist nur der Fahrthebel H₁ auf »vorwärts« gestellt; in Abb. 7 zeigt bei Mittellage von Fahrthebel und Traversierhebel die Stellung des Ruderrades H₂ ini Sinne einer Wendung nach Backbord; in Abb. 8 schließlich ist der Traversierhebel /Z₃ für eine Querbewegung to nach Steuerbord ausgelegt, während die beiden anderen Organe sich in Mittellage befinden. In sämtlichen Bildern sind die von den Propellern erzeugten Schubkräfte durch Pfeile angedeutet.

Wie aus Abb. 8 ersichtlich, beeinflußt die Traversiereinrichtung die Propeller einerseits (durch das Hauptgestänge Zi₁) vorwiegend im Sinne der Erzeugung einer Vorwärts- und einer Rückwärtskraft; anderseits bewirkt aber das Legen des Traversierhebels durch das Hilfsgestänge It₃ auch eine kleine Verstellung der Seitensteuerung Ji₂ und verursacht dadurch zusätzliche, nach Steuerbord gerichtete Kraftkomponenten von solcher Größe, daß sich die Richtungen der gesamten Propellerkräfte auf ungefähr halber Schiffslänge schneiden.

Es sind jedoch auch Anordnungen möglich, bei welchen die Traversiereinrichtung die Wirkungsverbindung des Ruderrades mit den Propellern unbeeinflußt läßt und nur in die Wirkungsverbindung des Fahrthebels mit den Propellern derart eingreift, daß der eine Propeller auf Vortrieb und der andere auf Rücktrieb eingestellt wird. Dann muß aber, wie aus Abb. 9 ersichtlich, auf andere Weise, etwa durch geeignete mechanische Führung des Steuerzentrums, dafür gesorgt werden, daß die Propellerschubkraft bei der Einstellung des S teuer Zentrums auf »rückwärts« stets von selbst und ohne Eingriff in die Seitensteuerung eine geeignete Neigung gegen die Schiffslängsachse erhält. Abb. 9 zeigt als einfaches Beispiel eine Ausführungsform, bei welcher das Steuerzentrum auf einem Kreisbogen geeigneter Lage derart geführt wird, daß es aus der unwirksamen Mittelstellung eine Stellung für »voll voraus« erreicht, bei welcher wieder ein iängsschiffparalleler Standschub bewirkt wird, während es bei allen anderen Stellungen, also »halb voraus« oder »zurück«, von dem einen längsschiffparallelen Standschub entsprechenden Lagen in einem solchen Sinne abweicht, daß sich die Schubkraftrichtung dem Schiffsmittelpunkte nähert.

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, bleibt

bei Betätigung eines Organs die Wirksamkeit der beiden anderen stets erhalten, so daß beispielsweise während des Traversierens auch durch Betätigung von H₁ Vorwärts- oder Rückwärtsimpulse erteilt oder durch Verstellung von H₂ Drehbewegungen eingeleitet werden können. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil bei Manövern in beschränktem Raum infolge von Störströmungen im Wasser usw. mitunter auch unerwünschte Wirkungen, beispielsweise während des Querverschiebens kleine Vorwärtsbewegungen oder Drehungen, entstehen können, die jedoch durch Gegenverstellung des entsprechenden Organs sogleich aufgehalten oder kompensiert werden können. Die sichere Lenkung des Fahrzeuges trotz Störbewegungen wird auf besonders übersichtliche und gefühlsmäßig leicht zu beherrsehende Weise durch eine Steuerung ermöglicht, bei welcher alle Betätigungseinrichtungen so angeordnet werden, daß jede Handbewegung des Steuermannes eine nach Richtung und Größe entsprechende Kraftwirkung oder Bewegung des Fahrzeuges verursacht, also beispielsweise eine Vorwärtsoder Rückwärtsbewegung des Fahrthebels eine Vortrieb- oder Rücktriebkraft entsprechender Größe, eine Drehung des Ruderrades eine drehende Kraft entsprechender Richtung und Größe und eine Seitwärtsverstellung des Traversierhebels eine in Schiffmitte angreifende Querkraft entsprechender Richtung und Größe. Die Seitensteuerung wird dabei be- go sonders übersichtlich bei ganz oder vorwiegend vertikalachsiger Anordnung des Ruderrades, da dann das Schiff sich dem gedrehten Ruderrade stets nachzudrehen sucht, und zwar unabhängig davon, ob die Schubkraft nach vorwärts oder rückwärts eingestellt ist und ob das Schiff augenblicklich voran- oder zurückläuft.

Ähnliche Arten der Steuerung, bei welchen Impulsbewegung und gesteuerte Bewegung einander nach Größe und Richtung entsprechen, sind in anderen Zweigen der Technik bekannt (etwa im Kranbau). In der Anwendung auf Wasserfahrzeuge der angeführten Art ergeben sich aber besondere Wirkungen, welche vor allem bei der beschriebenen Beherrschung von Störbewegungen bei Hafenmanövern u. dgl. wichtig sind.

Bisher wurde die Steuerung von Fahrzeugen beschrieben, welche alle ebenen Bewegungen in einer Horizontalebene (der Wasserspiegelebene) ausführen kann. Mit leichartigen Steuerungseinrichtungen können aber auch alle ebenen Bewegungen in einer vertikalen oder schieben Ebene beherrscht werden, was eine sehr verbesserte Tiefensteuerung der Unterwasserfahrzeuge ermöglicht. Zu diesem Zwecke werden die Propellerachsen nicht vertikal, sondern horizontal oder geneigt angeordnet und die Steuereinrichtung samt den Betätigungsorganen in gleichem Sinne und um gleiche Winkel geneigt.

Durch geneigte Anordnung der Propeller oder durch Kombination je eines horizontalachsigen und eines vertikalachsigen Propellerpaares kann das Fahrzeug nicht nur jede Ebene, sondern jede räumliche Bewegung ausführen, und demgemäß sind die je einer Bewegungskomponente zugeordneten Betätigungseinrichtungen gegebenenfalls in größerer Zahl vorzusehen, da ja die allgemeinste

to räumliche Bewegung auf sechs Komponenten, drei Verschiebungen und drei Drehungen, zurückzuführen ist. Im allgemeinen wird jedoch mit der Ausnutzung von drei oder vier Bewegungskomponenten und einer ebenso großen Zahl von Betätigungseinrichtungen allen Anforderungen an Manövrierfähigkeit gerecht zu werden sein.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   ao i. Vorrichtung zum Antreiben und

   Steuern von Wasserfahrzeugen, welche von mindestens zwei Schaufelradpropellern angetrieben werden, deren Schaufeln während der Umdrehung des Rades relativ zu diesem um ganz oder nahezu achsparallele Schaufelachsen schwingen und vom Wasser stets vollständig und vorwiegend normal zur Schaufelachse beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller derart eingestellt werden können, daß ihre bei Stillstand des Schiffes erzeugten Schubkräfte eine ungefähr in Schiffsmitte angreifende, querschiffs gerichtete Resultierende ergeben.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung aller Propeller im Sinne einer Querverschiebung von der Verstellung einer einzigen Einrichtung (H₃) abgeleitet wird.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Einrichtung für den Vortrieb (H₁), für die Lenkung (H₂) und für das Querverschieben (//3) angeordnet ist, die die gleichzeitige Verstellung sämtlicher Propeller bewirkt.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für das Querverschieben (H₃, h₃) in die Wirkungsverbindung der Betätigungseinrichtungen (H₁, H₁) und für die Drehung (H₂, h₂) oder in eine der beiden Wirkungsverbindungen mit den Propellern eingreift, ohne sie aufzuheben, so daß auch während der Verstellung eines der drei Organe die Verstellung jedes der beiden anderen Organe seine Wirkung behält.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Verstelleinrichtungen, daß jede Verstellung einer Betätigungseinrichtung eine nach Intensität und Richtung entsprechende Bewegung des Fahrzeuges verursacht.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Ausführung räumlicher Bewegungen von Unterwasserfahrzeugen die Achsen von mindestens zwei Propellern um mehr als 45° gegen die Vertikale geneigt angeordnet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen