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Gleichlaufregeleinrichtung, insbesondere für Mebrschraubenschiffskraftanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichlaufregeleiurichtung für Kraftmaschinen,
bei der die Drehwinkelabweichung zwischen einer Welle der Kraftmaschine und der
eines Schrittmachers für die Änderung der Kraftstoffzufuhr zur Kraftmaschine benutzt
wird.
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Solche Gleichlaufregeleinrichtungen sind bekannt. Sie benutzerreinen
vom : Schrittmacher und von der zu regelnden Maschine angetriebenen Phasenanzeiger,
v. B. ;ein Ausgleichgetriebe, dessen die Ausgleichbewegung ausführendes Verstellglied
mit -dem Brennstoffverstellglied der zu regelnden Maschine verbunden ist, so daB.die
Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Größe und Richtung der Winkelabweichungen
.der Welle der zu regelnden Maschine von . der -des. -Schrittmachers verstellt wird:.
Diese Einrichtung kann jedoch nur den Gleichlauf zwischen dem Schrittmacher und:
der zu- regelnden Maschine Aufrechterhalten: In vielen Fällen genügt .es nicht,
daß die Drehzahl der Kraftmaschine mit der des Schrittmachers übereinstimmt, sondern
es ist weiter erforderlich; daß auch: eine bestimmte Winkellage der Wellen der Kraftmaschinen
und. des Schrittmachers dauernd aufrechterhaften wird. Das ist z. B. bei Mehrschraübenschiffen
- erwünscht, bei denen jede Schraube von einer Kraftmaschine angetrieben wird, weil
die von den Schraubenblättern hervorgerufenen Erschütterungen des Schiffskörpers
erfahrungsgemäß bei bestimmten gegenseitigen Winkellagen der Schraubenwellen Kleinstwerte
aufweisen.
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Es sind auch Gleichlaufregeleinrichtungen bekannt, die eine bevorzugte
Winkellage zwischen der Welle des Schrittmachers und der zu regelnden Maschine aufrechterhalten.
Bei diesen Einrichtungen -steuert das die Ausgleichbewegung ausführende Verstellglied
des vom Schrittmacher und- der zu regelnden Maschine angetriebenen Phasenanzeigers-
den Druckflüssigkeitskreisläuf - -für einen die Brennstoffverstellung bewirkenden
--Sexvomotor in der Weises daß beim Abweichen. der:
Wellen des Schrittmachers
und der zu regelnden Maschine von der bevorzugten gegenseitigen Winkellage die Brennstoffzufuhr
zu. der zu regelnden Maschine so lange verstellt wird, bis die Wellen die bevorzugte
Winkellage wieder .einnehmen.- Bei dieser Einrichtung sind jedoch Drehzahlpendelungen
um die bevorzugte' Winkellage nicht zu vermeiden, weil die zum Aufholen der den
Regelvorgang auslösenden Winkelabweichung erforderliche vorübergehende Brennstoffverstellung
nur durch Über- oder Unterschreiten der bevorzugten Winkellage wieder - rückgängig
gemacht werden kann, Diese unerwünschten Pendelungen werden erfindungsgemäß dadurch
behoben, daß zwei über. einen Differentialhebel am Brennstoffverstellglied angreifende
Phasenanzeiger, von denen der eine in an sich, bekannter Weise die Brennstoffzufuhr
in Abhängigkeit von der. Größe und Richtung -der Drehwinkelabweichungen zwischen
der Welle des Schrittmachers und der Welle der zu regelnden Maschine verstellt,
während der andere in an sich- bekannter Weise die Brennstoffzufuhr mit Hilfe eines
Servomotors so lange zusätzlich verstellt, wie die augenblickliche Winkellage der
Wellen von einer oder mehreren bestimmten Winkellagen abweicht. Die Erfindung besteht
somit in der Vereinigung zweier an sich bekannter Gleichlaufregler, von deren Verstellbewegungen
durch den Differentialhebel immer die Differenz- auf das Brennstoffverstellglied
:übertragen wird. Hierdurch wird erreicht, daß die zum Aufholen einer eingetretenen
Drehwinkelabweichung zwischen den Wellen,des Schrittmachers und der zu regelnden
Maschine erforderliche Brennstoffverstellung schon während des Aufholens der Winkelabweichung
wieder rückgängig gemacht wird, so daß Pendelungen um die bevorzugte Winkellage
nicht eintreten können.
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An Stelle von Differentialhageln können Räderdifferentiale benutzt
werden,. welche einen größeren Verstellbereich aufweisen.
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Auf der Zeichnung sind 'mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Alb, i zeigt eine Gleichlaufregeleinrichtung mit zwei Phasenanzeigern
für einen -Schiffsantrieb mit zwei Schrauben.
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Abb. 2 zeigt eine Ansicht nach Linie A-A in Abb. i. -Abb. 3 zeigt
eine Ansicht - nach Linie B-B in Abb. i. ' Abb. q. zeigt eine andere Ausführungsform
der Einrichtung nach Abb. i. -Abb. 5- zeigt- eine Regeleinrichtung mit einem Phasenanzeiger.
--,Gem4ß' Abb. i treiben die Verbrennungsmotoren z und 2 die Schrauben des , Schiffes
über die -Wellen 3 und 4. an. Während der Marschfahrt des Schiffes sollen die Schiffs-.,schrauben
dauernd gleiche Drehzahlen aufweisen und, um einen Kleinstwert der von ihnen verursachten
Erschütterungen zu erzielen, eine bestimmte, diesen Kleinstwert gewährleistende
Winkellage zueinander beibehalten. Um dieses zu erreichen, wird eine der Brennkraftmaschinen,
im vorliegenden Beispiel die mit y bezeichnete, zum Schrittmacher - bestimmt. Diese
Schrittmachermaschine steuert mit Hilfe der nachstehend erläuterten Regeleinrichtung
die andere Brennkraftmaschine i derart, daß deren Welle 3 genau die gleiche Drehzahl
aufweist wie die von der Schrittmachermaschine a angetriebene Welle q. und ihr gegenüber
eine bestimmte, mit Rücksicht auf- einen Kleinstwert ,an, Erschütterungen ausgewählte
Winkellage dauernd beibehält.
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Die Regeleinrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Phasenanzeigern
a und b. Als .Phasenanzeiger können z. B. Räderdifferentiale dienen, deren
Gehäuse 9, Io nicht festgehalten sind und deren Räder durch. Zahnradgetriebe il,
12 und 13, 14: von der Schrittmacherwelle q. und von der hinsichtlich Drehzahl und
Winkellage zu synchronisierenden Welle 3 in entgegengesetzter Richtung angetrieben
werden. Die Gehäuse 9, IO' der Phasenanzeiger dienen als Verstellglieder für die
Brennstoffzufuhr zu der 7-u synchronisierenden Maschine i, weil sie sich bei ihrem
Voreilen in der einen und beim Zurückbleiben in der anderen Richtung drehen. :Das
Verstellen der Brennstoffzufuhr erfolgt über einen Differentialhebel 15, an dessen
Drehachse das Brennstoffverstellglied 16, z. B. die Regelstange der Brennstoffpumpe
17, vorzugsweise über eine zwischengeschaltete Dämpfungseinrichtung 1$ angelenkt
ist. An dem einen Arm des Differentialhebels 15: ist das Verstellglied 9 des Phasenanzeigers
a angelenkt. Die Drehbewegung des Verstellgliedes 9 ist entsprechend dem Verstellweg
des Brennstoffverstellgliedes 16 durch ortsfeste Anschläge X (Abb. a) begrenzt.
Der Phasenanzeiger a verstellt somit die Brennstoffzufuhr hinsichtlich Größe und
Richturig der Winkelabweichung zwischen der Schrittmacherwelle q. und der zu synchronisierenden
Welle 3. An dem anderen Arm des Differentialhebels 15 greift ein Servomotor ig an,
dessen Steuerschieber 2o von dem Verstellgled io-des Phasenanzeigers b z. B. durch
einem auf - dem Verstellglied angeordneten Nocl<:en -"1 bet4tigt wird (vgl. Abb.
2). Der Nöcken 21- ist so, angeordnet, daß er bei der bestimmten, einen Kleinstwert
an Erschütterungen ergebenden Winkellage' der Wellen 3 und q- den Steuerschieben
--ä*,in seiner Mittellage hält,. so--daß
der. Servomotor
außer Betrieb- ist: Er ist so geformt, daß er, wenn: sich das Verstellglied IO durch
Zurückbleiben :der -- Welle- 3 ' gegenüber -der Schrittmachenvelle 4 .in der einen
Richtung dreht, den Servomotor I9 :durch, den Steuerschieber -o in der:. die Brennstoffzufuhr
vergrößernden Richtung in Betrieb setzt und solange in Betrieb hält, bis die Winkelabweichung
durch die eintretende Drehzahlzunahme der Welle 3- -wieder aufgeholt: ist, und daß
er beim Voreilen der Welle 3, -.wenn sich. das. Versbellglied in der anderen Richtung
dreht, die Brennstoffzufuhr so lange vermindert, bis die Winkelabweichung durch
den eintretenden Drehzahlabfall der Welle wieder beseitigt ist. An --Stelle des.
Nockens 2-i kann auch eine' Kurbel. am.. Verstellglied IO vorgesehen _. sein, die
ih einer -bestimmten Stellung den Steuerschieber in seiner neutralen Lage hält und
ihn je .nach der Richtung ihrer Abweichung von dieser Stellung in der einen oder
anderen Richtung verschiebt.
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Die, Regeleinrichtung wird durch :eine- ein- . und ausschaltbare Rutschkupplung
22 ein-, und ausgeschaltet,- deren nicht dargestelltes Schaltgestänge gleichzeitig
die Druckmittelzüfuhr zum Servomotor i9 z. B. durch. Schälten .eines Rückströmventils
in der Druck-Leitung= ein- und ausschaltet. Die Rutschkupplung 22 ist so eingestellt,
daß sie, rutscht, sobald das Verstellglied 9 an einen der Anschläge X anstößt. Bei
ausgeschalteter Regeleinrichtung übernimmt ein normaler Fleh.-kraftregler-23 -die
-Drehzahlregelung .:der Maschine r. . Der Fliehkraftregler -greift -zu diesem- Zweck
. mit. seiner Verstellstange 24 am Brennstoffverstellglied 16 an. Um ein spielfreies
Verstellen der Brennstoffzufuhr zu
erreichen, ist das Verstellgestänge 15
und- der , Phasenanzeiger a. durch eine Feder 45. wogespannt, die über .das Verstellgestänge
I5 am Verstellglied g angreift. Arbeitsweise Vor dem Einschalten der Regeleinrichtung
wird die. -zu synchronisierernde Maschine z durch Spannen der Reglerfeder ,des:
Flieh= kraftreglers 23 auf eine. etwas -höhere Drehzahl -gebracht als .die Schrittmachermaschine
z. Darm wird gleichzeitig :die Kupplung -92 und die- Druckmittelzufuhr zum Servomotor
19 eingeschaltet. Da in diesem -Augenblick die Welle 3, schneller' umläuft als die
Welle q:, dreht -sich das _ Verstellglied 9 des. Phasenanzeigers -a im Gegenzeigersinn
und verschiebt` das Brennstoffverstellglied z6 über den Differentialhebel I5. und,
den .Dämpfer -181 in Richtung der Verminderung der Brennstoffzuführ. Dadurch nimmt
die Drehzahl der: Maschine I augenblicklich, ab: und nähert, sieh derjenigen. der
Schrittmachermaschine 2. per höhere Drehzahl eingestellte Drehzahlregler 23. hebt
dabei seine Verstellstange 24 « von dem Brennstöffverstellglied I6 ab und schaltet
sich damit selbst, aus dem Regelvorgang aus. Sobald die Drehzahlen der Maschinen
i- und 2 übereinstimmen, hört auch die Verminderung der Brennstoffzuführ durch das
zur Ruheges kommene Verstellglied 9- des-:. Phasenanzeigers. a auf. Stehen nun die
- Wellen 3 und q, nicht in der bestimmten, einen Kleinstwert an Erschütterungen
gewährleistenden Winkel-Stellung zueinander, ist z. B: eine- zusätzliche Vorwärtsdrehung
der Welle 3, um einen bestimmten Winkel erforderlich; damit sie die bestmmite Winkellage
gegenüber der .Schrittniächerwelle 4 einnimmt, so weist das Verstellglied IO des
Phasenanzeigers b eine solche Stellung auf, daß der Nocken :2i den Servomotor i9
im, Sinn Linier Vergrößerung der Brennstoffzufuhr in Betrieb hält. Das hat zur Folge,
daß die Maschine r' gegenüber der Schrittwachermaschine 2 ihre Drehzahl erhöht und
die Winkelabweichung -aufholt. Währenddessen drehen sich _ aber auch die Verstellglieder
9 und: IO der Phasenanzeiger ,a und b, und zwar dreht das Verstellglied IO den Nocken
21 in- Richtung auf die neutrale, den Servomotor i9 stillsetzende und. der bestimmten
Winkellage der Wellen 3 und ¢ entsprechende Mittellage, während der Phasenanzeiget
a die durch den Phasenanzeiger b vorgenommene Vergrößerung der Brennstoff zufuhr
über den Differentialhebel 15 wieder rückgängig macht.- Sobald die neutrale Lage
des Nockens 2i erreicht ist, ist der- Regel-, vorgang beendet. Die Maschinen i und
2. laufen dann mit gleicher Drehzahl, und die 'Wellen 3 und 4 'weisen die bestimmte,
einen Kleinstwert an Erschütterungen gewährleistende gegenseitige Winkellage auf.
Selbstverständlich spielen sich die beiden Regelvorgänge nicht, wie beschrieben,
nacheinander, sondern gleichzeitig ab: Der Dämpfer z8 hat -die Aufgabe, bei diesem
Regelvorgang Schwingungen zu verhindern.
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Wenn mehrere bestimmte Winkellagen, der Wellen '3 und 4 einen Kleinstwert
an Erschütterungen, ergeben; -so kann eine der Anzahl dieser Winkellagen entsprechende
Anzahl von Nocken auf dem Verstellglied IO des Phasenanzeigers b vorgesehen sein.
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Um gleichzeitig einen Kleinstwert der von den Motoren selbst hervorgerufenen.
Erschütterüngen zu erreichen, wird man die auf der Zeichnung nicht dargestellten
Kupplungen zwischen den Kurbelwellen der Motoren und den Schiffssehraubenwellen
3, 4 so anordnen, daß sowohl die Kurbelwellen der Motoren i,@ als. auch die Schraubew
bei einer bestimmten gegenseitigen. Winkellage den Klenstwert an Erschütterungen-
-ergeben. - Der Nocken :z-i
auf dein Verstellglied IO des Phasenanzeigers
wird dann so angeordnet, daß er den Steuerschieber 2o bei dieser bevorzugten Winkellage
in seiner neutralen Lage hält. Wenn, wie in Abb. i strichpunktiert angedeutet, zwischen
die Schiffsschrauben, im vorliegenden Beispiel -zwischen- die Voith-Schneider-Propeller
7, 8, und die Motoren i, 2 Getriebe 5, 6 eingeschaltet sind, so muß selbstverständlich
deren Übersetzungsverhältnis berücksichtigt werden. Nimmt man z. $. an, daß das
Übersetzungsverhältnis zwischen den Motoren und den Schrauben 3 : i beträgt und:
daß es eine günstigste Winkellage der Schrauben und eine günstigste Winkellage der
Motorwellen gibt, dann fällt die günstigste Winkellage der Schrauben mit der der
Motorwellen jeweils in Abständen vorn drei Motorumdrehungen zusammen, die der eine
Motor mehr ausführt als der andere. Da die Regelvorrichtung, um genügend feinfühlig
zu sein, vorzugsweise an den schnell laufenden, Teil der Antriebsanlage angeschlossen
wird, . so tritt die günstigste Winkellage der Wellen jeweils in Abständen von drei
Umdrehungen des Verstellgliedes IO oder des Nockens 21 am Phasenanzeiger b ein,
sofern die Übersetzungen 13, 14 des Phasenanzeigers b z : 2 betragen. Ferner ist
zu berücksichtigen, wenn bei den Getrieben, um eine gleichmäßige Abnutzung der Zähne
zu erzielen, ein Rad z. B. einen Zahn mehr oder weniger erhält, als es erforderlich
ist. Weist z. B. zur Durchführung des Übersetzungsverhältnisses z : 3 das kleine
Rad 45. Zähne und das große anstatt 135 nur I34 Zähne auf,: so sind 134 - 3 = 40.2
Umdrehungen, des Verstellgliedes IO erforderlich, bis sich die bevorzugte Winkellage
wiederholt. - Ein Getriebe hat somit zur Folge, daß die Regeleinrichtung nur dann
die bevorzugte Winkelläge einstellt und aufrechterhält: wenn sie gerade während
derjenigen Umdrehung des Verstellgliedes IO eingeschaltet wird, während der die
günstigste Winkellage der Motorwellen mit derjenigen der Schrauben zusammenfällt.
Um nun den richtigen Zeitpunkt für das Einschalten der Kupplung 22 erkennbar zu-
machen, treibt der Phasenanzeiger b eine Anzegevorrichtung 25 an, deren Zeiger 98
durch ein Vorgelege 26 so untersetzt ist, daß er eine Umdrehung ausführt, während
das Verstellglied IO des Phasenanzeigers die Zahl von Umdrehungen ausführt, nach
der sich die bevorzugte Winkellage der Motorwellen und der Schrauben wiederholt.
Ferner ist an der Anzeigevorrichtung eine ortsfeste Marke 27 -derart angeordnet,
daß sich der Zeiger 28 -mit ihr in dein Augenblick deckt, wo die bevorzugte Winkellage
vorhanden ist. Der Maschinist- braucht nun lediglich die Kupplung 2ä in dem Augenblick
einzuschalk ten, wo der Zeiger 28 an der Marke 27 vorbeiläuft. Wenn es mehrere günstige
Winkellagen der Motorwellen und Schrauben gibt, so weist die Anzeigevorrichtung
entweder eine entsprechende Anzahl von festen Marken auf oder ist entsprechend der
Anzahl der Winkellagen weniger untersetzt, so daß der Zeiger ä8 zwischen je zwei"
dieser Winkellagen eine volle Umdrehung ausführt: Der "Differentialhebel
15 kann, wie aus Abb. 4 -ersichtlich ist, durch ein Räderdifferential 29
ersetzt werden, das in, den Wellenstrang 3o des Phasenanzeigers a eingeschaltet
ist und dessen Gehäuse 31: durch das Zahnrädergetriebe 32 vom Servomotor i 9 j e
nach der Lage des: Nockens 2 1 in der einen oder anderen Richtung gedreht. wird.
Das Drehen des Gehäuses 3, wird über die Räder des Differentials 29 und des
Phasenanzeigers a auf dessen Verstellglied 9 und von dort über die Dämpfungsvorrichtung
18 auf die Brennstoffpumpe 17 übertragen. Die von Drehzahlunterschieden der -Wellen
3 und; 4 herrührende Drehung des Verstellgliedes 9 addiert . sich zu der durch das
Differential 3 z eingeführten, wenn die zwecks Erzielens des Gleichlaufes erforderliche
Drehzahländerung der Welle 3 in gleicher Richtung stattfinden muß wie die zwecks
Erreichens der bestimmten Winkellage der Wellen 3 und 4 erforderliche. Sie subtrahiert
sich von der durch das Differential 31 eingeführten, Drehung, wenn die zwecks Erzielung
des Gleichlaufes erforderliche Drehzahländerung der Welle 3 und die zwecks Erreichens
der bestimmten Winkellage erforderliche in entgegengesetzter Richtung stattfinden
müssen. Die Drehbarkeit -des Verstellgliedes 9 ist in der aus -der Abb. 2 ersichtlichen
Weise ebenfalls durch Anschläge so begrenzt, daß es keime größeren Ausschläge machen
kann, als zur maximalen Brennstoffverstellung erforderlich sind. Die Feder 45 dient
zum Vorspannen des Phasenanzeigers a, um das Zahnräderspiel auszuschalten. Die Anlage
nach Abb. q. entspricht im übrigen 'hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise genau
der in Abb. i dargestellten Anlage.
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In Abb. 5 ist eine Regelvorrichtung dargestellt, die an Stelle von
zwei Phasenanzeigern nur einen aufweist. Der Phasenanzeiger c ist wiederum ein Räderdifferential,
dessen Räder über die Zahnradgetriebe 30, 31 von den Wellen 3 und 4 der zu synchronisierenden
Maschine und des Schrittmachers in "entgegengesetzter Richtung angetrieben werden.
Das Gehäuse 32 ist das Verstellglied des Phasenanzeigers. Es ist über die Räder
33 eines Differentials 34, die Rutschkupplung 35, das Seilgetriebe 36 und die Dämpfungsvorrichtung
37 mit dem Verstellglied der Brenn-D
Stoffpumpe 38 verbünden und
steuert somit die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Größe und Richtung der
Drehwinkelabweichungen der Welle 3 von der Schrittmacherwelle. 4: Ferner weist das
Verstellglied 32 einen "Nocken 39 auf, der genau wie der Nocken 2 1 in, Abb. i und
q, den Steuerschieber 4o des Servomotors 41- in der neutralen Stellung hält, wenn
die Wellen 3 und 4 eine bestimmte gegenseitige Winkellage- aufweisen, die einen
Kleinstwert an Erschütterungen gewährleistet und der, je nach der Richtung einer
Abweichung von der bestimmten Winkellage der Wellen; die Vor- oder Rückwärtsdreheng
des Servomotors einschaltet und so lange aufrechterhält, bis die Wellen 3 und 4
die bestimmte gegenseitige Winkellage wieder eingenommen haben. Der Servomotor 41
verdreht über das Getriebe 42 das Gehäuse 43 des Differentials 34 und bewirkt somit
über die Räder 33, die Rutschkupplung 35, das Seilgetriebe 36, und die Dämpfungsvorrichtung
37 ein zusätzliches Verstellen der Brennstoffpumpe 38, die sich zu der von. dem
Verstellglied 32 vorgenommenen addiert oder subtrahiert, je nachdem, ob die zwecks
Erzielens des Gleichlaufes erforderliche Drehzahländerung :der Welle 3 in gleicher
oder in entgegengesetzter Richtung stattfinden maß wie die zwecks Erreichens der
bestimmten Winkellage der Wellen. 3 und 4 erforderliche. Das. Verstellglied 32 übernimmt
somit gleichzeitig die Aufgabe des Phasenanzeigers b der Ausführungsbeispiele nach.
Abb. i und 4.
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. An Stelle des Differentials 34 kann natürlich; auch ein Differentialhebel
treten, wie er in Abb. i (Bezugszeichen 15) dargestellt ist. Das Verstellglied 32
des Phasenanzeigers c müßte dann gelenkig mit dem einen Ende des Differentialhebels
verbunden sein, während der als Kolbenmotor ausgeführte Servomotor ¢i am anderen
Ende angreifen müßte. Die in Abb, i dargestellte Anzeigevorrichtung müßte vom Verstellglied
3a aus angetrieben werden, Die Feder 45 dient wiederum zum Vorspannen des.
Phasenanzeigers, um` dessen Zahnspiel auszuschalten.
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Die Gleichlaufregelenrichtung ist selbstverständlich nicht nur für
Schiffsantriebe, sondern für sämtliche Antriebe geeignet, bei denen getrennt angetriebene
Wellen dauernd die gleiche Drehzahl und eine oder mehrere bestimmte gegenseitige
Winkellagen beibehalten müssen: