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Tankstabilisierungsanlage für Schiffe mit Verstellpropellerantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf Tankstabilisierungsanl:agen für Schiffe mit Aktivierung
der 'Fankflüssigkeitsbewegung durch eine @'erstellpropellerpumpe. Bei derartigen
Anlagen wird der Fördersinn der Pumpe im Takte der Schiffsschwingungen wechselseitig
umgeschaltet; man verwendet daher zweckmäßig Verstellpropeller m,it Durchgang durch
die Nullstellung, damit der Antrieb mit gleichbleibendem Drehsinn erfolgen kann.
Außer dieser periodischen Umschaltung des Propellers auf positive und negative Anstellwinke]
muß ferner die Amplitude des Anstellwinkels in Abhängigkeit von der jeweils verlangten
Aktivierungsleistung, die wiederum von der Stärke der Schiffsschwingungen abhängt,
beeinflußt werden. Es ist daher erforderlich, sowohl den Zeitpunkt der Umschaltung
der Förderrichtung als auch die Aktivierungsleistung zu regeln. Bei den bekannten
Anlagen mit Verstellpro:pellerpumpen werden der in seiner Phasen-Lage genau einzuhaltende
Zeitpunkt der Bewegungsumkeh ,r der Tankflüssigkeit sowie der weniger genau zu wählende
Amplitudenwert des Anstellwinkels mit den gleichen Mitteln gesteuert. Es wird z.
B. aus dem Schlingerwinkel des Schiffes, dem gegebenenfalls weitere Werte, -,vie
die Schlingerwinkelgeschwindigkeit, die Tankflüssigkeitsstandsdifferenz o. a., überlagert
:sind, ein Steuerwert gebildet, der als Eingangsgröße in den Servomotor für die
Verstellung des Anstellwinkels eingeführt wird. Das hat eine im wesentlichen sinusförm;ige
Verstellung der Propellerflügel zur Folge. Die Richtungssteuereinrichtung und der
Leistungsregler sind hierbei in ihrer Wirkungsweise voneinander abhängig; es ist
nicht möglich, die Kommandos der einen Einrichtung unabhängig von denen der anderen
zu
geben. Diese Steuerungsart hat daher den Mangel der unvollkommenen
Anpassung an wechselnde Betriebsverhältnisse.
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Es ist bekannt, bei Tankstabilisierungs-: anlagen mit Aktivierung
der Tankflüssigkeits=. bewegung durch Gebläse für die Steuerti>'i der Verschiebungskräfte
zwei unabhängi.@ voneinander wirksame Gruppen von Steuermitteln vorzusehen, von
denen die eine lediglich die Umschaltung der 1`ördermaschine bewirkt und die andere
nur die Leistung der .Fördermaschine regelt (vgl. Patent 617 86z). Hierbei
ist eine gegenseitige Beeinflussung der Steuerkommandos völlig vermieden. Die Regelung
kann daher den jeweiligen Betriebsverhältnissen bestens angepaßt und in wirtschaftlicher
und wirkungsvoller Weise durch--eführt werden.
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Diese Art der Steuerung ist nicht ohne weiteres anwendbar, wenn als
Fördermaschine eine Verstellpropellerpumpe benutzt wird, cla der Verstellpropeller
ja selbst notwendigerweise sowohl zur Richtungs- als auch zur Leistungssteuerung
benutzt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Tank-.,tabilisierungsanlagen
mit einem Verstellpropeller als Fördervoirichtung der Tankflüssigkeit, dessen Anstellwinkel
nach Richtung (Richtungssteuerung) und Größe (Leistungsregelung) im Takte der Schiffsschwingungen
verstellt wird, eine getrennte Leistungs- und 1Ziclitungsstetierung durch neue Mittel
zu ermöglichen, derart, daß beide Steuerungen einabhängig voneinander sind und sich
in ihrer Wirkungsweise nicht gegenseitig beeinflussen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß bei Anwendung einer Richtungssteuerungseinrichtung und einer
unabhängig davon arbeitenden Leistungsreglereinrichtung, die den Maximalwert der
Schlingeramplitude ermittelt, eine vorn Leistungsregler einzustellende Einrichtung
zur Begrenzung des Drehwinkels der Steuerwelle bzw. des Hubes des zur Verstellung
des Propelleranstell-%vinkels dienenden Steuergestänges vorgesehen ist.
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Die Richtungs- und Leistungssteuerung erfolgt also von zwei verschiedenen
Stellen aus. Dadurch ergibt sich der Vorzug der größten Bewegungsfreiheit und besten.
Anpassungsf,ihigkeit an wechselnde Betriebsverhältnisse. Ein weiterer wichtiger
Vorteil wird erhalten, wenn, wie es an sich bekannt, iedoch im vorliegenden Falle
in besonders einfacher Weise durchführbar ist, der Verstellpropeller hei Kommandowechsel
mit größter Geschwindigkeit durch seine Mittelstellung gesteuert wird, wobei die
von dem gesonderten Leistungsregler erhaltene Amplitude des Anstellwinkels durch
die erfindungsgemäße Drehwinkel- bzw. Hubbegrenzung in den Steuervorgang eingeführt
wird. Durch das plötzliche Unisteuern beim Kommandowechsel, d. 1i. im Zeitpunkte
der Bewegungsgmkehr der Tankflüssigkeit, wird erreicht, äß die Kurve der Steuerbewegung
statt wie 4ris@er sinusförrnig, nunmehr etwa trapez-=#,f&mig verläuft. Dadurch
wird auch die Kurve der Tankflüssigkeitsbewegung beeinflußt, und zwar in dem Sinne,
daß in kürzerer Zeit größere Tankflüssigkeitsstandsdifferenzen erzielt werden. Die
von dieser Kurve begrenzte Diagrammfliiche, die bekanntlich ein Maß für die auf
die Tankflüssigkeit übertragene Dämpfungsenergie ist, fällt somit größer aus; es
wird also ein wirtschaftlicher Betrieb erzielt.
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lin folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung ausführlich
beschrieben. Es zeigt Veranschaulichung r ein Diagramm zur V eranschaulichung der
grundsätzlichen Wirkungsweise, Fig.2 ein erstes und heg. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In Fi,g. i sind verschiedene Kurven aufgezeichnet, die den Verlauf
des Propelleranstellwinkels @ in Abhängigkeit von der Zeit t darstellen.
Die Kurven a und b zeigen die bekannte sinusförinige Steuerung des
Anstellwinkels für zwei verschiedene Leistungsstufen. 1)e1 Wert @ ändert sich fortgesetzt
allmählich, auch der Durchgang des Anstellwinkels durch seine Nullstellung (Punkt
¢ und 7) erfolgt nur mit mäßiger Geschwindigkeit, vor allen Dingen bei geringeren
Leistungsstufen. Die mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät erzielte Steuerung ist
für zwei verschiedene Leistungsstufen durch die Linienzüge 1-2-3-4-5-6-7 und 1-8-9-4-1o-11-7
wiedergegeben. Bei der Kommandogabe für die Umschaltung des Fördersinnes der Pumpe
(in den Punkten 3 und 6 bzw. 9 und i i ) werden die Propellerflügel mit größter
Geschwindigkeit durch ihre Mittelstellung ..gesteuert, worauf alsdann die Förderung
mit konstant bleibendem Anstellwinkel in entgegengesetzter Richtung erfolgt. Im
Idealfalle würde als Bewegungsdiagramm eine Rechteckkurve entstehen. Wegen der unvermeidlichen
Trägheit ergibt sich im praktischen Falle eine trapezförmige Kurve.
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Man entnimmt ohne weiteres aus der Fig. i, daß die Diagrammflächen
der Kurvenzüge 1-2-3-4-5-6-7 und 1-8-9-d.-10-11-7 ,größer sind als die der ihnen
entsprechenden Kurven a und b bei sinusförmiger Steuerung. Weiter zeigt die Figur,
daß die Geschwindigkeitsänderung des Anstellwinkels bei den verschiedenen Leistungsstufen
konstant bleibt, wodurch eine große Gleichmäßigkeit des Betriebes gewährleistet
ist.
Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Schlingerdämpfungsanlage,
die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehen ist. Das im Querschnitt gezeichnete
Schiff 2o enthält steuerbords und backbords je einen Tank 2 1 bzw. 22, die unten
durch einen Flüssigkeitskanal 23 und oben durch einen Luftkanal 2.4 miteinander
verbunden sind. Im Luftkanal 24 ist ein Absperrorgan, z. B. eine Drehklappe 2 5,
angeordnet. Auf der Drehachse der Klappe 25 sitzt fest ein Zahnrad 26, das mit einer
Zahnstange 27 zusammenarbeitet. Die Zahnstange ist starr an dem Anker 28 eines Elektromagneten
29 befestigt.
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Zur Förderung der Tankflüssigkeit ist im Flüssigkeitskanal 23 die
Verstellpropellerpumpe 3o vorgesehen, die über das Getriebe 18 von einem
Motor i9 angetrieben wird, der, solange die Anlage in Betrieb ist, ständig, und
zwar im gleichen Drehsinn, läuft. Die Einstellung -der Propellerflügel auf den jeweils
verlangten Wert ß erfolgt über einen Servomotor 31. Das Kommando für das Umschalten
der Propellerflügel (Richtungssteuerung) urird durch ein Steuergerät 32 angereben,
das den hinsichtlich seiner Phasenlage richtigen Zeitpunkt, evtl. auch unter Berücksichtigung
etwavorhandenerstatischer Schräganlagen, ermittelt. Geräte dieser Art sind bekannt.
Es ist deshalb in der Figur vom Steuergerät nur der Kontaktgeber näher dargestellt,
und zwar besteht dieser aus einem die Schlingerbewegungen des Schiffes nachbildenden
Kontakthebel 33 und zwei Kontaktsegmenten 3.'. und 35. Aus der gezeichneten Mittelstellung
heraus bewegt sich der Kontakthebel 33 im Takte der Schiffsschwingungen abwechselnd
auf die rechte oder linke Kontaktbahn. Jedesmal beim Überwechseln erfolgt das Umschalten
der Propellerflügel (Punkt 9 und i i in Fig. i). Für die Ausführung dieser Kommandos
ist die folgende Einrichtung vorgesehen.
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Dem Steuerorgan des Servomotors 31 ist eine Steuerwelle 36 zugeordnet,
auf der ein doppelarmiger Hebel 37 befestigt ist. An den beiden Endpunkten des Hebels
37 greifen die Anker 38 und 39 zweier Elektromagnete 4o und 41 an. Der Erregungsstrom
für die beiden Elektromagnete wird von der Batterie 4.2 geliefert, deren Stromkreis
durch das Kontaktwerk 33 bis 35 gesteuert wird. Je nachdem, ob sich der Kontakthebel
auf dem Segment 34. oder auf dem Segment 35 befindet, ist der Magnet 41 öder 4.o
erregt, der zugehörige. Anker also angezogen. Bei der infolge Erregung eines Magneten
erfolgenden Ankerbewegung wird die Steuerwelle 36 im einen oder anderen Sinne verdreht,
und zwar erfolgt diese Verdrehung, wie leicht ersichtlich, im Takte der Schiffsschwingungen.
Auf der Steuerwelle 36 sitzt ein Zahnradsegment 43, das in eine Zahnstange 44 eingreift.
Die Zahnstange .1.l. verstellt das Steuerorgan des Servomotors 31, so daß
auf diese Weise die Propellerflügel 30 ebenfalls periodisch umgeschaltet
werden. Da die Anker der Elektrotnagnete unmittelbar nach erfolgter Erregung emporschnellen,
erfolgt dieses Umsteuern der Propellerflügel von positive auf negative Anstellwinkel
oder umgekehrt mit größter Geschwindigkeit.
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Die gleichzeitig vorzunehmende Begrenzung des Propelleranstellwinkels
entsprechend der jeweils erforderlichen Leistung erfolgt durch einen Leistungsregler
45. Dieser Leistungsregler hat die Aufgabe, die Maximalamplitude des Schlingerwinkels
zu ermitteln. Im übrigen kann .er beliebiger Bauart sein; .es sei z. B. hingewiesen
auf die deutschen Patente 602 981 und 6,13 156. Mit ,46 ist die Ausgangswelle
des Leistungsreglers bezeichnet, deren Verdrehung aus einer bestimmten Nullstellung
heraus ein Maß für die Maximalamplitude darstellt. Die funktionale Beziehung kann
dabei linear sein oder nach einer anderen Gesetzmäßigkeit verlaufen. Auf der Welle
46, die die Maximalamplitude des Schlingerwinkels natürlich nur in einer Drehrichtung
anzeigt, sitzt ein Zahnrad47, das mit einem Zahnrad 48 kämmt. Die Welle .1 .6 und
die Welle des Zahnrades .I8 tragen j e einen Arm 4.9 bzw. 5o, die in der dargestellten
Lage mit ihren freien Endpunkten einen auf der Steuerweile 36 sitzenden Hebel 5
i eingrenzen. s Die Hebel und Gestänge sind in Fig. 2 für die abgeschaltete Anlage
gezeichnet. Bei Einschaltung der Stabilisierung vollführt der Kontakthebel 33 seine
schwingenden. Bewegungen-, gleichzeitig wird auch die Drehwelle 46 des Leistungsreglers
in Pfeilrichtung entsprechend der vom Leistungsregler vorgeschriebenen Leistung
verdreht. Die Zahnräder 47 und .18 drehen sich dabei gegenläufig, so daß die Begrenzungsarme
.4g und 5o in die gestrichelt gezeichnete Lage gelangen. Wenn nun die Anker 38 und
39 durch die Kommandos des Steuergerätes 32 wechselseitig angezogen werden, so wird
die sich dadurch ergebende Verdrehung der Steuerwelle 36 für die eine Hälfte einer
Schlingerperiode durch den Arme 49, für die andere Hälfte durch den Arm 5o begrenzt.
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Die Richtungs- und Leistungssteuerung ist nun ohne weiteres zu übersehen.
Beim Durchgang des Kontakthebels 33 durch seine Null-oder Mittelstellung bezüglich
der Segmente 3:I und 35, die mit der des Schiffes nicht zusammenfallen braucht,
vielmehr in ihrer Phasenlage durch das Steuergerät bestimmt wird, findet ein sofortiges
Umschalten der Propellerflügel statt, wobei die Amplitude des Anstell-
Winkels
durch die vom Lei stungsr; gler .I3 vOrgeschriebene Stellung der Arme .l9 und 5o
bestimmt ist. Während des Betriebes der Tankstabilisierung ist die Klappe 25 im
Luftkanal 24 geöffnet; zu diesem Zwecke ist durch ein nicht dargestelltes Schaltwerk
der Elektromagnet 29 unter Strom gesetzt. Bei abgeschalteter Anlage oder wenn zum
Ausgleich einer statischen Schräglage die Tankflüssigkeit längere Zeit in den Tanks
der höherliegenden Schiffsseite verbleiben muß, ist die Klappe 23 geschlossen. Die
näheren Einzelheiten dieses Steuervorganges brauchen, da sie nicht zum Gegenstand
der Erfindung gehören, nicht näher erläutert zu werden.
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Im eben beschriebenen :3usführungsbeispiel ist eine mechanische Hubbegrenzung
für die Amplitude des Anstellwinkels angewendet worden. Das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 zeigt statt dessen eine elektrische Hubbegrenzung durch einen vom Leistungsregler
einzustellenden Regelwiderstand. Gleiche Teile haben in den Anordnun-en der l'ig.
2 und gleiche Bezugszeichen.
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Iin Ausführungsbeispiel der Fig. 3 werden die Kommandos für den Umschaltzeitpunkt
wieder durch das Steuergerät 32 geneben. Im Stromkreis der Batterie 42 liegt jedoch
in diesem Falle ein Drehmagnet 52, der mit Rechts-und Linkswicklung versehen ist,
also beim i'berwechseln des Kontakthebels 33 von der einen Kontaktbahn zur anderen
den Drehsinn wechselt. Der Anker des Drehmagneten 52
verstellt über ein Gestänge
53 das Steuerorgan eines Kraftverstärkers 54, dessen Ausgangsbewegun:g auf eine
Zahnstange 55 übertragen wird. Diese Zahnstange kämmt mit einem Ritzel 56, das auf
der Steuerwelle 36 des Servomotors 3 i für die Verstellung der Propellerflügel sitzt.
Das Zahnradsegment .43 wird dadurch in bleicher Weise im einen oder anderen Sinne
verdreht wie iin Beispiel der Fig. 2. Zur Amplitudenbegreitzung ist in dein Ankerstromkreis
des Drehmagneten 52 ein Regelwiderstand 57 vorgesehen, dessen Schleifkontakt 58
auf der Ausgangswelle 46 des Leistungsreglers .45 sitzt. In Abhängigkeit von der
Stärke der Schlingerbewegungen, ini einfachsten Falle proportional dein Schlingerwinkel,
wird der Schleifkontakt 58 im eingezeichneten Drehsinn verstellt und dadurch mehr
oder weniger Spannung an den Drehmagneten gelegt. Entsprechend verdreht sich der
Anker des Drehmagneten mehr oder weniger; auf diese 'Weise ist also die erforderliche
Amplitudenbegrenzung erreicht. Das wechselseitige Umschalten des Ankers erfolgt
dabei durch die Kontaktanordnung 33 bis 35.
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Es sei nochmals der wesentliclie\'orteil der Erfindung unterstrichen,
der, wie auch die Ausführungsbeispiele zeigen, darin besteht, daß der Zeitpunkt
der Bewegungsumkehr der Tankflüssigkeit und die Maximalamplitude des Propelleranstellwinkels
unabhängig voneinander durch getrennte Organe ermittelt werden. Ferner ist sehr
vorteilhaft, daß die gesetzmäßige Beziehung zwischen der Maximalamplitude des Scliliiigerw-inkels
und dein Propelleranstellwinkel je nach Wunsch ganz beliebig, also nicht nur linear,
gewählt werden kann. Bei kleiner werdenden Schräglagerwinkeln ist es nämlich notwendig,
den Anstellwinkel schnell kleiner werden zu lassen, damit kein Übersteuern stattfindet
und der Wiederaufrichtvorgang stabil verläuft. Das gilt besonders für die Bekämpfung
statischer Schräglagen, hat aber auch Bedeutung für die Schlingerdämpfung.
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Vielfach haben die Steuergeräte zwei Kommandostellen; die eine gibt
die Kommandos bei Schräglagenbekänipfung, die andere bei Schlingerdämpfung. Die
Anlage ist dabei entweder auf reine Schräglagenbekämpfun.g oder auf Schlingerdämpfung,
gegebenenfalls unter Berücksichtigung von sich überlagernden Schräglagen, geschaltet.
Für diese beiden Fälle wird dann zweckmäßig die gesetzmäßige Beziehung zwischen
dein Maximalwert des Schräglagen- bzw. Schlingerwinkels und dem Anstellwinkel verschieden
gewählt, eine Möglichkeit, die riiit der erfindungsgemäßen Einrichtung ohne weiteres
gegeben ist.
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Ein weiterer Vorzug der Erfindung besteht darin, daß die erfindungsgemäße
Steuereinrichtung mit einer Cberlastregelung verbunden werden- kann. Die verfügbare
Leistung des Pumpenantriebsmotors läßt nur eine bestimmte Höchstleistung der Pumpe
zu. Dieser Umstand bedingt, daß der Propelleranstellwinkel bei großen Förderhöhen
(d. h. Tankflüssigkeitsstanddifferenzen) einen bestimmten Größtwert nicht üliersclireiten
darf. Es ist daher erforderlich, eine Cberlastregelung in Abhängigkeit von der Tankflüssigkeitsstandsdifterenz
vorzusehen. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung kann diese auf folgende Weise
erfolgen. ,Man mißt laufend die "I'ankflüssigkeitsstanddiiferenzen und ordnet j
edeni dieser Werte den sich aus der Maximalleistung des Motors und der I'uinpencharakteristik
ergebenden Grenzwert des Propelleranstellwinkels zu. Die Hubbegrenzung des Anstellwinkels
kann dann, so erfolgen, daß dieser Grenzwert in den Leistungsregler mit eingeführt
wird, so daß der voip Leistungsregler eingestellte Wert sowohl von der Förderhöhe
wie auch vom Schlinger- bzw. Schräglagenwinkel abhängt. Es ist jedoch auch möglich,
finit dein Grenzwert des Anstellwinkels i eine getrennte Hulibegreiizuti.g vorzunehmen,
die zu der vorn Leistungsregler herrührenden
parallel geschaltet
ist. Es kommt alsdann je-
weils die der geringeren Leistung entsprechende
Hubbegrenzung zur Wirkung.