DE704104C - Einrichtung zur Steuerung von Schiffsstabilisierungsanlagen mit periodisch bewegten Daempfungsmassen - Google Patents

Einrichtung zur Steuerung von Schiffsstabilisierungsanlagen mit periodisch bewegten Daempfungsmassen

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DE704104C
DE704104C DE1939S0139606 DES0139606D DE704104C DE 704104 C DE704104 C DE 704104C DE 1939S0139606 DE1939S0139606 DE 1939S0139606 DE S0139606 D DES0139606 D DE S0139606D DE 704104 C DE704104 C DE 704104C
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DE1939S0139606
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Heinz Grosshans
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Siemens APP und Maschinen GmbH
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Siemens APP und Maschinen GmbH
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0875Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted to water vehicles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es gibt also zwei ausgezeichnete Stellungen der Steuerwelle 17, die durch die Lage der Schaltscheiben gemäß Fig. 3 bzw. 3a definiert sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: r. Einrichtung zur - Steuerung von Schiffsstabilisierungsanlagen mit periodisch bewegten Dämpfungsmassen, die wahlweise zur Schlingerdämpfung, gegebenenfalls - unter gleichzeitiger Berücksichtigung überlagerter statischer Schräglagen, oder zur reinen Schräglagenbekämpfung dienen, bei der der Umschaltzeitpunkt zum Übergang 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, dadurch gekennzeichnet, -daß die Steuer-. kommandos für das Umschalten von der einen Betriebsweise auf die andere aus der Schlingerwinkelgeschwindigkeit beim Durchgang des Schiffes durch seine Mittellage abgeleitet werden.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltkommando für Schlingerdämpfung erst bei mehrmaliger Aufeinanderfolge des vorbestimmten Wertes der Schlingerwinkelgeschwindigkeit erfolgt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch r oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des vorbestimmten Wertes der Schlingerwinkelgeschwindigkeit ein Verzögerungsrelais anspricht, dessen Verzögerungszeit etwas größer als die größte für Schlingerdämpfen, in Betracht kommende halbe Schwingungszeit des Schiffes beträgt und das über Schaltmittel einen Motor auf Vorwärtslauf und Rückwärtslauf schaltet, bis eine vom Motor angetriebene Steuerwelle in die den beiden Betriebsweisen (Schlingerdämpfen bzw. Schräglagenbekämpfung) entsprechende Stellung gelangt ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2809603A (en) * 1951-03-12 1957-10-15 Muirhead & Co Ltd Apparatus for the stabilization of ships

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US2809603A (en) * 1951-03-12 1957-10-15 Muirhead & Co Ltd Apparatus for the stabilization of ships

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