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Einrichtung zur Steuerung von Schiffsstabilisierungsanlagen mit periodisch
bewegten Dämpfungsmassen Schiffsstabilisierungsanlagen mit periodisch bewegten Dämpfungsmassen
sollen in der Regel nicht nur die Schiffsschwingungen, z. B. die Schlingerbewegungen,
dämpfen, sondern auch statische Schräglagen des Schiffes verhindern bzw. beseitigen.
Diese beiden Betriebsweisen, nämlich das Schlingerdämpfen, gegebenenfalls unter
gleichzeitiger Berücksichtigung überlagerter Schräglagen, und die Bekämpfung reiner
statischer Schräglagen, unterscheiden sich im wesentlichen durch die erforderliche
Phasenverschiebung zwischen der Bewegung der Dämpfungsmassen und der Schiffsbewegung.
Bei statischer Schräglage oder langsamer, sich dem Zustand der statischen Schräglage
nähernder Schwingung ist im Grenzfall eine Phasenverschiebung von r8o° erforderlich,
während bei ausgeprägter Schlingerbewegung eine Phasenverschiebung im Bereiche von
go° anzustreben ist; im allgemeinen wird der im Resonanzfalle zwischen Schiffsschwingung
und erregender Wellenfrequenz etwa go° betragende Normalwert der Phasenverschiebung
bei zunehmender Periodenlänge der Schiffsschwingungen vergrößert, bei abnehmender
Periodenlänge verkleinert werden müssen.
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Grundsätzlich ist es möglich, die Kommandos für die Bewegungsumkehr
der Dämpfungsmassen in einem solchen Phasenzeitpunkte, bezogen auf die Schwingungsperiode
des Schiffes, der sowohl bei den kürzesten
wie auch bei den längsten
vorkommenden Schwingungen, im Grenzfalle bei statischen Schräglagen die günstigste
Phasenverschiebung ergibt. mit derselben Steuereinrichtung erfolgen zti lassen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß es vorteilhafter ist, die Steuerwerte für die Schlingerclämpfung
einerseits und die Schräglagenbekämpfung andererseits in getrennten Einrichtungen
zii bilden bzw. getrennte Kommancloorgane vorzusehen und den Übergang von der einen
auf die andere Betriebsweise durch Umschalten zu vollziehen. Bisher wurde dabei
der Umschaltzeitpunkt aus der Periodenlänge der Schiffsschwingungen abgeleitet,
indem z. B. unter Benutzung eines Periodenmeßgerätes bei einem bestimmten Wert der
Periodenlänge von der einen auf die andere Betriebsweise umgeschaltet wurde.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung von Schiffsstabilisierungsanlagen
mit periodisch bewegten Dämpfungsinassen, die wahlweise zur Schlingerdämpfung, gegebenenfalls
unter gleichzeitiger Berücksichtigung überlagerter statischer Schräglagen, oder
zur reinen Schräglagenbekämpfung dienen, bei der der Umschaltzeitpunkt zum UTbergang
von der Schlinger- zur Schräglagenbekämpfung oder umgekehrt durch ein auf die Schiffsschwingungen
ansprechendes Meßgerät ermittelt wird, mittels dessen die Anlage bei Erreichen eines
vorbestimmten Schwingungswertes selbsttätig umgeschaltet wird: das wesentliche Kennzeichen
der Erfinchtng besteht darin, daß die Steuerkoninian-(los für (las Umschalten von
der einen Betriebsweise auf die andere aus der Schlinger--,vinkelgeschwindigkeit
beim Durchgang des Schiffes durch seine Mittellage abgeleitet werden.
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Bei den bekannten Steuereinrichtungen wird das Schräglagenkornmando
mir bei langen Schwingungen gegeben, weil eben die Zeitdauer der Schiffsschwingung
allein maßgebend für das Umschalten ist. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung fällt
die Zeit als Kriterium heraus, an ihre Stelle tritt die Schlingerwinkelgeschwindigkeit.
Das hat zur Folge, daß die Stabilisierungsanlage nicht mir bei langen Schwingungen,
sondern auch bei kurzen Schwingungen mit kleiner Schlingerwinkelamplitude auf Schräglagenbekämpfung
umgeschaltet wird. ES wird also nicht nur die Frequenz, sondern auch die Stärke,
d h. die llaximalaniplittide, der Schwingung berücksichtigt. Damit ist eine noch
bessere Erfassung aller die Steuerwerte beeinflussenden Momente erreicht. Ein weiteres
Merkmal der Erfindung besteht darin, daß beim übergang von der Schräglagenbekämpfung
auf Schlingerdämpfung das Umschaltkommando erst nach mehrmaliger Aufeinanderfolge
des bestimmten Wertes der Schlingerwinkelgeschwindigkeit erfolgt.
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An Hand der Diagramme in Fig. i und z sollen die Grundgedanken der
Erfindung näher erläutert werden, während die Fig.3 und 3a ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigen.
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Unter Annahme eines sinusförmigen Verlaufes ist in Fig. i durch die
Kurve dl eine verhältnismäßig lange Schiffssthwingung von der Periodendauer T1 und
der MaximalampW tude A dargestellt. Mit b1 ist eine zweite Schwingungskurve gleicher
Periodenlänge, jedoch mit einer kleineren Maximalamplitude B bezeichnet. Die Periodenlänge
T1 bezeichne den Grenzwert für die Umschaltung von Schräglagenbekämpfung auf Schlingerdämpfung
oder umgekehrt, wenn in bisher üblicher Weise von der Periodenlänge als Kriterium
ausgegangen wird. Sobald ein Schwingungszustand gemäß den Kurven a1 oder b1 oder
Schwingungen noch größerer Periodenlänge erreicht sind, ist die Stabilisierungsanlage
auf Schräglagenbekämpfung geschaltet, während bei Periodenlängen kleiner als T,
Schlingerdämpfungsbetrieb herrscht.
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Die Fig. 2 zeigt zwei Schwingungskurven a.2 und b2 mit denselben Amplituden
A bzw. B, jedoch mit einer Schwingungszeit T2 kleiner als T, Die Stabilisierungsanlage
wäre demnach für beide Schwingungszustände a2 und b2 bei Benutzung der bekannten
Umschalteinrichtung auf Schlingerdämpfen geschaltet, Gemäß der Erfindung soll jedoch
als Kriterium für das Umschalten die Winkelgeschwindigkeit des Schiffes beim Durchgang
durch seine Nullage dienen. Der Wert der Schlingerwinkelgeschwindigkeit wird dargegestellt
durch den Tangens des Winkels, den die an den Wendepunkt der Schwingungskurve gelegte
Tangente mit der Abszissenachse einschließt, z. B. im Falle der Kurve a1 (Fig. i)
durch den Wert tg a,1, im Falle der Kurve b2 (Fig. a) durch den Wert tg ß2. Der
Winkel 2l sei bei erfindungsgemäßem Betrieb der Stabilisierungsanlage der die Umschaltung
bestimmende Grenzwert, d. h. sobald der die Schlingerwinkelgeschwindigkeit darstellande
Tangentenwinkel gleich oder kleiner als 2l ist, findet Schräglagenbekämpfung statt,
bei Winkeln größer als 2l ist die Anlage auf Schlingerdämpfung geschaltet. Man sieht,
daß hiernach bei den Schwingungszuständen a1 und b1 (Fig. i) Schräglagenbekämpfung
stattfindet. Es sei angenommen, daß A die größte überhaupt in Betracht kommende
Maximalamplitude der Schiffsschwingung sei. Für kleinere Maximalamplituden ergeben
sich, vergleiche den Winkel ß1, kleinere Tangentenwinkel; das gleiche gilt für Schwingungen,
deren
Periodenlängen größer als T1 sind. Die Schwingungszustände nach den Kurven a@ und
b2 der Fig. 2 haben jedoch bei einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung voneinander
verschiedene Betriebsweisen zur Folge. Im ersten Falle ist die Stabilisierungsanlage
auf Schlingerdämpfen geschaltet, da der zu Kurve a2 gehörende Tangentenwinkel a2
.größer ist als der kritische Winkel a1. Im zweiten Fall ist der zugehörige Winkel
ß, = al; es findet gerade das Umschalten auf Schräglagenbekämpfung statt, und dieser
Betriebszustand bleibt, gleiche oder längere Schwingungszeit vorausgesetzt, bei
kleiner werdenden Schwingungsamplituden erhalten.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich mit der erfindungsgemäßen
Steuereinrichtung bei langsamen Schwingungen praktisch immer Schräglagenbekämpfung
einstellt, während bei kurzen Schwingungen mit normalen oder großen Schwingungsamplituden
Schlingerdämpfen, bei solchen mit verhältnismäßig kleinen Amplituden Schräglagenbekämpfung
stattfindet.
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Ist die Stabilisierungsanlage auf Schräglagebekämpfung eingestellt
und wird der kritische Wert der Schlingerwinkelgeschwindigkeit erstmalig überschritten,
so wird zweckmäßig noch nicht sofort auf Schlingerdämpfen geschaltet, da der Nulldurchgang
des Schiffes mit entsprechend großer Winkelgeschwindigkeit ein einmaliger gewesen
sein könnte. Erst wenn mehrere Male hintereinander, z. B. zwei- oder dreireal, der
bestimmte Mindestwert der Winkelgeschwindigkeit erreicht oder überschritten wird,
kann mit dauernder Schlingerbewegung gerechnet und auf Schlingerdämpfen umgeschaltet
werden.
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Die Anzeige der Schlingerwinkelgeschwindigkeit kann zweckmäßig durch
einen Wendezeiger erfolgen. Ein anderes geeignetes Gerät ist die Tourendynamo, auch
Tachometermascbine genannt, deren Wirkungsweise bekanntlich darin besteht, daß der
Läufer der Tourendynamo entsprechend der Schlingerbewegung angetrieben wird; die
erzeugte Klemmenspannung ist dann ein Maß für die Schlingerwinkelgeschwindigkeit.
Grundsätzlich ist aber auch jeder andere Winkelgeschwindigkeitsmesser für die erfindungsgemäße
Einrichtung verwendbar.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird die Winkelgeschwindigkeit durch
einen Wendezeiger gemessen, das ist ein gegen die Wirkung von -Rückstellfedern2,
2 präzedierender Kreisel i, der mit seiner Präzessionsachse 3 parallel zur Querachse
des Schiffes gestellt ist. - Die Auslenkung des Zeigers q. aus seiner der Bewegungsumkehr
der Schiffsschwingung oder dem ruhenden Schiff entsprechenden Mittellage ist ein
Maß für die Schlingerwinkelgeschwin,digkeit. Auf der Präzessionsachse 3 sitzt die
Drehspule 5 eines Drehtransformators, der den Erregungsstrom über Schleifringe 6
zugeführt erhält. In der feststehenden Spule 7 wird ein Strom induziert, der derart
von der Winkellage der Drehspule 5 abhängig ist, daß die Spannung der Spule 7 unmittelbar
der Schlingerwinkelgeschwindigkeit proportional ist. Der in der Spule 7 erzeugte
Strom erregt über die Gleichrichterschaltung 8 ein Relais 9, das mit Vorspannung
ausgeführt ist, so daß der zugehörige Kontakt 9" erst von einem bestimmten Werte
der Spannung an geschlossen wird. Dieser bestimmte Wert sei z. B. bei einer Schlingerwinkelgeschwindigkeit
von o,5° pro Sekunde erreicht (entsprechend dem Winkel a1 in Fig. i oder ß2 in Fi.g.
2) und ist durch Beeinflussung der Vorspannung mittels des Widerstandes io regelbar.
Der Kontakt 9" liegt im Stromkreis eines Zeitrelais i i, das an das Netz 12 angeschlossen
ist. Das Relais i i besitzt Abfallverzögerung und betätigt zwei Wechselkontakte
iia und 11b, deren Kontakthebel durch eine Stanze 13 miteinander gekuppelt sind.
Die Abfallverzögerung wird etwas größer als die größte für das Schlingerdämpfen
praktisch in Frage kommende halbe Schwingungszeit des Schiffes gewählt. .
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Am Netz 12 liegt ferner der Motor 1q. mit seinen Feldwicklungen 15,
15. Feld und Anker sind hintereinandergeschaltet. Der Motor 14. treibt über das
Getriebe 16 mit einer hohen Übersetzung ins Langsame die Steuerwelle 17 an, auf
der zwei Schaltscheiben 18 und i9 sitzen, denen Schaltkontakte 18" und ;9d zuggeordnet
sind. Befinden sich die Aussparungen 18b und igb der Schaltscheiben vor den Kontakten,
so sind diese geöffnet, während sie bei anderer Stellung der Schaltscheiben geschlossen
sind. In der gezeichneten Stellung steht der Motor still, da der Stromkreis unterbrochen
ist.
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Bei abgefallenen Kontakten iia und I 1b des Zeitrelais i i (Kontakte
links anliegend) und bei geschlossenem Kontakt 18" ist der Motor 14 auf Rückwärtslauf
geschaltet, bei angezogenen Kontakten iid und IIb (Kontakte rechts anliegend) und
geschlossenem Kontakt igQ. auf Vorwärtslauf. Für den Rückwärtslauf wird zweckmäßig
erhöhte Geschwindigkeit vorgesehen. Wie ersichtlich, wird der Drehsinn des Motors
durch Richtungsänderung des Ankerstromes erzielt, während die Feldwicklung im gleichbleibenden
Sinne durchflossen wird.
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Die beschriebene Einrichtung hat folgende Wirkungsweise: Es sei ausgegangen
von dem in Horizontallage liegenden ruhenden
Schiff. Die Kontakte
haben dann die in Fig.3 gezeigte Stellung. Beginnt das Schiff nun zii schlingern,
so wird im Drehtransformator eine Spannung erzeugt, die zunächst noch nicht ausreicht,
um die Vorspannung des Relais 9 zu überwinden, so daß der Kontakt 9l, geöffnet bleibt.
Erst wenn die Schlingerwinkelgeschwindigkeit den bestimmten Wert an z. I3. pro Sekunde
erreicht oder überschreitet, der als Kriterium für das Umschalten zwischen den beiden
Betriebsweisen festgelegt ist, wird der Kontakt 9a geschlossen. Das Zeitrelais i
i ist damit an das Netz 1 2 angeschlossen, und die Wechselkontakte i i, und 1 ib
werden angezogen, Die Relais 9 und i i erhalten jedoch nur einen kurzzeitigen Spannungsimpuls,
da sofort nach dem Nulldurchgang des Schiffes, dem der Maximalausschlag des Wendezeigers
entspricht, die im Dreiitransforinator erzeugte Spannung rasch abfällt. Das Relais
i i besitzt Abfallverzögerung, so daß die Kontakte i i" und 11 b angezogen
bleiben (Kontakte rechts geschlossen). Da ferner der Kontakt iga durch die Schaltscheibe
i9 geschlossen ist, ist der Mo-
tor 14 auf Vorwärtslauf, der durch die Pfeile
an den Schaltscheiben 18 und i9 gekennzeichnet ist, geschaltet. Bald danach wird
auch der Kontakt 18, durch die auflaufende Nockenscheibe 18 geschlossen: dies ändert
jedoch nichts an dem Bewegungszustand, da der durch den Kontakt 1811 gehende Stromfluß
durch den rechts anliegenden Kontakt i il, unterbrochen ist. Der Motor 1.1 läuft
mir so lange, wie die :#,bfallverzögerung des Relais i i beträgt, falls nicht vorher
durch das Relais 9 ein neuer Stromimpuls gegeben wird.
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Sind die Wechselkontakte i i," und 11b abgefallen (Kontakthebel links
anliegend), dann findet ein Umschalten des Motors auf Rückwärtsgang statt. Der über
die Kontakte igu und i il, gehende Stromfluß für Vorwärtslauf des --Motors ist ja
jetzt unterbrochen, während der Stromfluß für Rückwärtslauf über die Kontakte 18"
und iib hergestellt ist. Der Motor 14. läuft so lange rückwärts, bis er in die durch
die Schaltscheibe 18 definierte Ausgangsstellung der Fig.3 gelangt. In dieseln Augenblick
wird nämlich der Kontakt itgü unterbrochen, und der -Motor bleibt stehen.
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Erhält (las Relais 9, bevor die Abfallverzögerung des Zeitrelais i
i, abgelaufen ist, einen weiteren genügend großen Impuls vom Drehtransformator (Schlingerwinkelgeschwindigkeit
größer als o,5° pro Sekunde), so bleibt der Motor auf Vorwärtslauf geschaltet. Bei
fortdauernder Schlingerbewegung bekommt das Relais q also mit jedem Nulldurchgang
des Schiffes einen genügend gro-Yen Impuls, und das Relais i i hält den Motor 14
auf Vorwärtslauf geschaltet, und zwar so lange, bis die Aussparung i9b der Schaltscheibe
i9 vor den Kontakt i9" gelangt und diesen damit unterbricht. Der Motor bleibt wieder
stehen; die entsprechende Stellung der Schaltscheiben ist in Fig.3a dargestellt.
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Es gibt also zwei ausgezeichnete Stellungen der Steuerwelle 17, die
durch die Lage der Schaltscheiben gemäß Fig. 3 bzw. 3a definiert sind.
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Die Steuerwelle 17 kann unmittelbar die Umschaltkommandos geben, indem
z. B. durch einen auf ihr angebrachten Hebel Ventile, Schieber, Dämpfungseinrichtungen
o. dgl. betätigt werden. Es können aber auch auf der Welle 17 zwei weitere Schaltscheiben
angeordnet sein, von denen die eine bei der Stellung der Steuerwelle gemäß Fig.3
die Schräglagenbekämpfung, die andere bei der Stellung der Steuerwelle gemäß Fig.
3a die Schlingerdämpfung in Gang setzt. Bei abgeschalteter Stabilisierungsanl:ge
und bei ruhendem Schiff hat die Steuerwelle ebenfalls die Stellung nach Fig. 3.
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Es war bereits oben erwähnt, daß nicht sofort nach Erreichen des kritischen
Wertes der Schlingerwinkelgeschwindigkeit von z. B. o,5° pro Sekunde die Anlage
auf Schlingerdämpfung geschaltet wird, sondern erst wenn sich dieser Wert dreimal
hintereinander einstellt. Diese Maßnahme wird im dargestellten Beispiel erreicht
durch entsprechende Bemessung der Getriebeübersetzung zwischen Motor und Steuerwelle
und angepaßter Aus-Bildung der Nockenscheiben. Der Schaltweg, ! um von der Stellung
gemäß Fig. 3 in die Stellung gemäß Fig.3a zu gelangen, wird so groß gewählt, daß
dazu beispielsweise. drei Schlingerperioden erforderlich sind.
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Bleibt ein Spannungsimpuls unter der angenommenen Mindestgröße entsprechend
o,50 pro Sekunde Schlingerwinkelgeschwindigkeit, dann läuft das Verzögerungsrelais
in Ruhestellung, d. h. es fällt ab. Da seine Ablaufzeit nur wenig über der längsten
praktisch in Frage kommenden halben Schwingungszeit liegt, so beginnt der Motor
bald nach dem Nulldurchgang mit geringem Stromimpuls seinen Rückwärtslauf. Dabei
kann er sofort auf Schräglagenbekämpfung umschalten. Ist auch der nächste Stromimpuls
zu klein, so erreicht der Motor bald danach seine Ausgangsstellung, da er mit erhöhter,
z. B. der doppelten Geschwindigkeit rückwärts läuft.
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Die Art, wie die Steuerwerte erhalten werden, ist für die Erfindung
belanglos. Wesentlich ist nur, daß ein Umschalten zwischen. zwei verschiedenen Betriebsweisen
bzw. Steuermethoden in Abhängigkeit von der Schlingerwinkelgeschwindigkeit stattfindet.
Sowohl beim Schlingerdämpfungs- wie auch beine Schräglagenbekäinpftingsbetrieb kann
z.
B. die Phasenverschiebung durch von der Steuerwelle 17 vorzunehmende Beeinflussung
der Dämpfung von Phasenreglern eingestellt werden. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, daß bei Schräglagenbekämpfung die Steuerwelle 17 in ihrer Stellung
gemäß Fig.3 ein Steuergerät einschaltet, das aus den Werten für den Schräglagenwinkel
und die Schräglagenwinkelgeschwindigkeit den Steuerwert für die die Dämpfungsmassen
bewegende Fördermaschine ermittelt, während beim Schlingerdämpfungsbetrieb die Steuerwelle
in ihrer Stellung gemäß Fig.3b ein anderes Gerät einschaltet, das die Steuerwerte
in Abhängigkeit vom Schlingerwinkel und zusätzlichen Größen errechnet.