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Momentenmeßgerät 'und! 'Steuereinrichtung für S chiffsstabilisierungsanlagen
| Das ,bäisher im der Regel benutzte Prinzip |
| der S.chiffsistabäisierunog besteht darin, die |
| schwdngungsarifacheinde@n äußeren Momente, |
| hervorgerufen durch Seegang, Winddruck |
| usw., @dwrch Stabiil,i!sierungsmaimente awszu- |
| gleicihen, die nach den bekannten Gesetzen |
| der -Srihwinigun!gslehre dem jeweiligen Ne-i- |
| gungswinzkel des Schiffes mit einer gewissen |
| Pbasenversohi!eibung macheil!en. Die Stabi:li- |
| s erunogsmomente können dabei diurdh im |
| Takt der SGhiffesdhwingun!gen bewegte Ge- |
| wichte codier Flüs!sdgkeiten, durch Kreisel, |
| Flos!sen -oder ähnliche Mittel erzeugt werden. |
| Gegenstand der voirIiegenden Erfindung ist |
| eine Steuereinrichtung für grwnd!sätz,li.dh |
| anders arbeitende Stabilis-ierungsanlagen, bei |
| denen die Steu!erkommandlas unmittelbiar von |
| dien am Schiff angreifenden Momenten ab- |
| geleitet werden und keine Phaisenverhältnis,se |
| zu berücksichtigen sind. Dieses Steuerungs- |
| prdnzip isst an sich bereits bekannt. Zum |
| richtigen Verständnis der Erfindung @soll.en |
| jedoch- zunächst die si,dh .dabei ergebienden |
| grundsätzlichen Verhältnisse kurz dargestellt |
| wer-den. |
| Der praktisch w icJhtigste Fall der Schiffs- |
| stabild!sierung isst die, |
| der Schiffs- |
| sohwän!gung um die Längsachse, d. h. der |
| Sch!liin gerbewegung. Der Einfachheit halber |
| wird d@esihälib den folgenden Ansführunigen |
das Beispiel der Schlingerbewegung zugrunde gelegt; es sei aber
gleich bemerkt, daß d@i,e allgemeinen und theoretischen Überlegungen grundsätzlich
für jede Art der zu dämpfenden Schiffsschwingungen Gültigkeit haben, z. B. auch
für Stampfschwingungen.
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Das Schiff steilt einen gedämpft schwingenden Körper dar, dessen Rückstellkraft,
d. h. die ihn in die Nullage zurückziehende Kraft, dem Schlingerwinkel verhältnisgleich
gesetzt werden kann. Nimmt man an, daß die Schiffsschwingungen sinusförmig verlaufen,
so ist im Resonanzfall, bei dem sich der Schlingerwinkel im Talzt der freien Eigenschwingungen
des Schiffes ändert, eine Phasenverschiebung der Stabilisiermomente von go'y erforderlich.
Bei den Tankstabilisierungsanlagen mit querschiffs bewegbaren Flüssigkeitsmassen
eilt also die Bewegung der Tankflüssigkeit gegenüber der Schiffsbewegung um eine
Viertelschwingung nach. Wird das Schiff jedoch zu schnelleren oder langsameren Schwingungen
erregt, so muß nach dem bekannten Gesetz über die Phasenverschiebung bei erzwungenen
Schwingungen eine kleinere bzw. eine größere Phasenverschiebung angestrebt werden;
jedoch setzt diese Festlegung auf bestimmte Phas,e:nverschiebungen genaue der Schwingungsbewegung
voraus, und zwar müssen sowohl der Schlin erwinl,#el als auch die Schlingergeschwindigkeit
und die Schlingerbeschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit Sinuskurven ergeben.
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Diese Voraussetzungen treffen in der Praxis in den seltensten Fällen
zu. Die Schwingungserregung des Schiffes durch den Seegang, den Winddruck, Trastenverlagerung
innerhalb des Schiffes usw. ist ja auch ein so wechselvoller und unübersichtlicher
Vorgang, daß s:inusförmigz Schwingungen eigentlich nur als Ausnahmefall zu erwarten
sind. Es sind Fälle bekannt, bei denen die Schwingungszeit der Schlingerbewegung
wesentlich größer als die Eigenschwingurngszeit des Schiffes war und also nach -der
bisher für gültig angenommenen Theorie eine Phasenverschiebung der Dämpfungsmassen
von nahezu i8o° erforderlich sein müßte. Trotzdem war die Dämpfungswirkung .bei
go° Phasenverschiebung besser als bei der nach der Theo:rie erforderlichen. Außerdem
kann die jeweilige Form der Schlingerbewegung ständigenVerändexu gen unterworfen
sein, so, daß diieaus denvorhergehend@enSchwimgu:ngen abgeleitete Schwingungszeit
zur Bekämpfung der kommenden Schwingungen .eine viel zu rohe Annäherung darstellt.
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Es ist bereits ein grundsätzlich anderes Prinzip der Schwingungsbekämpfung
vorgeschla!gen worden, das darin besteht, daß die schwingungsanfachenden äußeren
Momente in jedem Augenblick durch gleich große Gegenmomente (das sind die Stabilisierungsmome:nte)
ausgeglichen werden. Bei diesem Prinzip ist man völlig frequenzunabhängig: eine
Phasenbeziehung zwischen Dämpfungsmassen und Schiffsschwingungen geht gar nicht
mehr in den Steuervomgang ein. Durch ein '1lomentenmeßgerät wird die Größe des errege:nd@en
Momentes ermittelt und hieraus ein Steuerkommando für die Stabilisierungsanlage
abgeleitet, das in jedem Augenblick ein gleich großes Gegenmoment hervorrufen soll.
Die Durchführung dieses Prinzips der Schiffsstabilisierung erfordert also zunächst
ein Momentenmeßgerät, das eine Bestimmung de ;s an einem schwingenden System angreifenden
'Momentes gestattet. Es sind auch bereits solche Mo:me tentneßgeräte vorgeschlagen
würden, die auf der Messung der statischen Druckhöhe des Seewassers an mehreren
Punkten der Schiffsseite:nwände beruhen. Dieses Meßverfahren ist an sich sehr ungenau;
außerdem werden auch nur die Höhenunterschiede des Wassersp egels an der Backbord-und
Steuerbordseite ermittelt und diese Werte den schwingungsanfachenden 'Momenten verhältnisgleich
angenommen. Diese Annahme wird aber in den seltensten Fällen zutreffen. Ein anderes
vorgeschlagenes Momentenmeßgerät gestattet die -Messung der in jedeui Augenblick
an einem Schiff tatsächlich angreifenden 'Momente in ihrer richtigen Größe. Um aus
den damit gemessenen Werten die Steuerkommandots abzuleiten, sind jedoch weitere,
verwickelte Maßnahmen erforderlich.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät für Schiffsstabilisie:rungsanlagen
nach dem an sich bekannten Prinzip, d. h. mit sofortigem Ausgleich der erregenden
Momente durchGegenmomente. Im wesentlichen besteht das erfindungsgemäße Steuergerät
aus einen neuartigen Ilomentenmeßgerät, das sich durch einfache und übersichtliche
Bauart auszeichnet und aus dessen Anzeigen sich die Steuerkommandos ohne weiteres
ableiten lassen, so daß es für jede Art von Schiffsstabilisierungsarilagen zu gebrauchen
ist, einerlei; ob :die Stäbilisierungsmomente durch Kreisel, durch quersclhiffs
verschiebbare 1Ta:ssen, mittels Schöpf- oder Saugflügel durch die Relativbewegung
zwischen Schiff und See, durch außen angebrachte, im Takt der Schlingerbewegun bewegte
Flossen oder sonstige 1l;ittel hervorgerufen werden. Gemäß der Erfindung werden
der Schlingerwinkel, die Schlingergeschivindigkeit sowie die Schlingerbeschleunigung
mit solchen Cbersetzungen überlagert, daß der resultierende Wert dem Moment der
schwingungsanfachen den Kräfte verhältnisgleich ist. Die -Möglichk
eit,
auf diese Welse eine Momernte:umessung vornehmen zu können, sowie idie erfosr:dlerlichie:n
Übersetzungsverhältnisse ergeben sich aus-dien folgenden theoireti@sdhien:Ü'berleigurigen.
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Alts fremide Kräfte seien, im folgenden alle diejenigen bezeichnet,
die das Schiff aus seiner Vierkantliage herausbringen können, als-:der Soegang,
Winddruck, einsciitiige Last uisw. Außerdem sind zu ,dien fremden, Kräften die von
:dieir Stabili-si,eirunigs,anlage :ausgeübten Kräfte zu rechnen. Das Moment der
fremden Kräfte Mf ssetzt sich also zusaimmen aus dem Moment edier @s@chwingungsian.£aichentd!ein
äußeren Kräfte Ma und dem Sta'biiliiis-iierttnigsmoment MS, so. d:aß gilt M,
= Ma + Ms. (i) Das neue Pmina:ip der Scliiff:sistaibiiil,iisiiierung
bessaigt, daß das Moment Mf gemeisisen und alsdann Idas Staibilisieriungs:moment
MS so gesteuert wird, daß Mf = 0 wird. Für die Sdhsl:ingeirb:ewegungen i dies Schiffes
gilt die alligemeine Bewe:gungsigleichung für Drehbewegungen M = J ' @, (2) wobei
M dass resultierende Moment, J das Masisienträgheiitsmoiment,die!s Schiffes um seine
Länigsachise und # die Schlinig:eribesicbleunigunig ,bedeutet. Außer dem Moment
der fremden Kräfte greifen -am Schiff noch das R:ückstellimoiment M,. und :dass
Dämpfu:ngsmomeirnt Md an. Das Rüd<:sitellmoment sucht in jedem Augenibilicik,
dia,s Schiff in seine i-Vieirkantlage zurückzubringen. Eis ist .in eirsber Annäherung
dien Schlinigerwinkel 99 propartional unid wirkt diese mentgegen; formelmäßig dost
aliso Mr=-c.99(3) wobei c die Rückstelfkosnstante bedeutet. Für dass Dämpfunigsmoment,
dass im wesentlichen durch die Außienhautrefb,u,ng ,dies Schiffes aufgebracht wird,
kann inan annehmen, daß eis der Schlinigergeschwindiigkeit cp Verhältnisgleich und
ihr entgegenigeoichtet ist; daher gilt 'hierfür die Formel Md = - d
. @; (4)
d ii:st die Dämpfungsikonstanroe .dies Schiffes. Für,das resu:ltierenidie
Mom:eint M .erhält man also die Beziehung M = Mr -I- Md .+ Mf. (5)
Setzt man
die Gleichurigen (2), (3) und (4) in Gleichung (5) ein und löst diese nach Mt auf,
@soi ergibt sich für dus Moment der fremden Kräfte, die auf .das Schiff wirilen,
die Bo-Mf=c,cp+d.@+ J 9, (6)
z idhung Die drei Größen c, d und J können durch
einen freien gedämpften Auisischliiingierversuch in ruhigem Wasser ermittelt werden;
sie bestimmen-gledchzeitig dIeÜber,setzungsverhä.ltnisse, mit .dienten erfindungsgemäß
in deni Moinrentenmeißgerät die Werte (p, @ und ei:nsander zu überlagern sind.
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Bei einsgeschalteter Stabilüsderungsanlage stellt dass vom Meßigerät
angezeigte fremde Moment Mf diie Resultierende! au!s dem erregenden Moment Ma (d.
i. das Moment der äußeren Kräfte, wie Seegang, Wind. usw.) und dem Staihiili:sieruingsmomsent
MS dar. Die Stahiliisii,er ungsianla:ge miuß also so, gesteuert werden, diaß -sie
in jedem Augenblick die Größe des schwingungsanfachenden Momentes Ma aufbringt,
diesem aber entig-egenwirkt. Es m;uß seiht LJf = 31, -I- Ms = 0, :d.
h. Ma = - MS. (7) Das Steuerkommando wird aim vorteilihaftiesiten in der
Weisse erzeugt, d@aß der Istwer t des Stab,i:l-i@siieiruingsmo@miesniteis mit dem
angezeigten Wert Mf verglichen wird; der Unterschied dieser beiden Wertei iist dass
Sbeuierkosmim@ando- für die Veränderung dies Stabiliisierungsmosmentes. Hat sich
das Stieuer:kommundo durchigesetz,t, d. h. ist Mf = 0, diann wird das Schiff untrer
der Wieik ung :seiner Rü.ckstell- und Däimpfungskräfte eine freite gedämpfte Eigenschwingung
ausführen iuid dementsprechend nach einer gewissem Zeit praktisch zur Ruhe kommen.
Zum Aufrechterhailiten der Steuerkomimandias für die tim Takt der Schlinigerbewegungen
veränderlichen Stabilisierungsmomente wird allerdings eine gewisse Rests,chlingerbiewegung
besteheniblei;ben müssen, :da ja, -bei, völliger Rulhelage des Schiffes @keine Steiuerkomimundios
sgegeiben werden können..
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Durch Betrachtung einiger Beispiele von S:chlingeirbeweigunigensoll
:diie Richtigkeit dieser die albgemeine Anwendbarkeit dies neuen Prinzips., unabhängig
vorn der Farm der Schlim:geirbewesguingünid der Art der Stabiilis.ierungssinlage,
.sowie steine Überlegenheit rüber die miit Phusienversichieibung arbeitenden Verfahren
nachgewiesen werden. Die Sdhiiffsschwingunigen-stellen grnniniclisätzlich immer
ierzwungene Schwingungen mit Däimpfung dar. Zunächst sie, das Beisspiel einer sinusfärrnig
verlaufenden Schliingeribewegung im Resoirnanzfalile für dien Bielharrungsz@wstand
betrachtet, wobei also diie Edgenschwingungsperiode d'es Schiffes mit der Periode
des Seeganges übereinstimmt und die Sch.wingunigsamp:lituden gleiich'bleisbend sind.
Eis :ergeben sich idabei, wie in Fig. i dargestellt, für den Sehli,nigerwiinkel
99, die ScJhli:ngergeisclliwind@igkeit # und, die Schilingeribeischleuniiguinig
ip S:iniuislcurvein"diie jeweils um 9o° rin .der P'hiase
verschoben
'sind; die S-Kurve eilt der (p-Kurve um 9o0 voraus, ebenso die S-Kurve der S-Kurve.
In der darunter gezeichneten Fig.2 sind die Kurven der zugehörigen Momente, RüchstellmomentAI,.,
Dämpfungsmomentilld, fremdes Momen13Ii und Gesamtmoment 3l, aufgetragen. Die Phasenlage
von Ma ist durch die Schlingergesch-,vindigkeit (r gemäß Gleichung (q.) bestimmt,
und zwar besteht eine Phasenverschiebung von iSo°, da ja das Dämpfungsmoment der
Sch:lnngergeschwindigkeit stets entgegenwirkt. Das fremde -Moment LIf muß in jedem
Augenblick dem Dämpfungsmoment.LIId entgegenwirken und gleich groß sein, da ja der
stationäre Zustand der Schwingung betrachtet wird. Es sind ja gleichbleibende Amplituden
vorausgesetzt. Das Gesamtmoment IN ist gemäß Gleichung (2) phasengleich mit der
Schlingerheschleunigung. Da weiter gemäß Gle @ichung (6) Al f auch als ResuItierende
der drei anderen Momente -111r, - Bild und M konstruiert werden kann, muß
somit das Rückstellmoanent.Lllr mit dem Gesamtmoment :3I zusammenfallen. Rührt das
Moment der äußeren Kräfte ausschließlich vom Wellengang her und soll die Schlingerbekämpfung
durch Ausgleich der Wellenmomente erfolgen. so müssen die Stahilisierungsmomente
stets den f6'el,lenmo@menten das Gleichgewicht halten, also mit der Eigendämpfung
des Schiffes phasengleich liegen. Das Stab.il.isierungs:mament :muß also mit 9o0
Phasenverschiebung hinter dem Schlingerwinkel hereilen mit einer Amplitude, die
den maximalen Wellen- bzw. Dämpfungsmoment entspricht.
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Im zweiten Beispiel soll das Schiff langsame Schwingungen von Sinusform
unterhalb seiner Eigenfrequenz ausführen. Die Schwingungszeit ist also größer als
die der Eigenschwingung entsprechende. Im Beharrungszustand haben wir auch hier
gleichbleibende Amplitude des Sohlingerwinke.ls. Für die Sahlingerwinkel y@, die
Schlingergeschwindigkeit @ und die Schlingerbesahleunigung cP ergeben sich ebenfalls
die in Fig. i aufgezeichneten Phasenbeziehungen. Bei der Annahme, daß die Amplitude!
dies Schlingerwinkels die gleiche wie bei dem oben behandeltenResananzfall ist,
ergeben sich jedoch für die Amplituden der Geschwindigkeit und der Beschleunigung
wesentlich kleinere Werte als im Resonanzfall; die Geschwindigkeit wird umgekehrt
proportional der Schwingungszeit, die Beschleunigung umgekehrt proportional dem
Quadrat der Schwingungszeit verkleinert. Es sind daher in Fig. 3 die Bewegungskurven
mit größerer Periode und entsprechend verkl°inerten Amplituden für # und # aufgetragen.
Bei den zugehörigen Momentenkurven der Fig..t treten hinsichtlich der Amplituden
dieselben Veränderungen auf. DieAmplitude des Rückstellmomentes 1I,, ist die gleiche
wie bei P"esonanz. Bezeichnet man die Schwingungszeit im Resonanzfall mit Ta und
die .der langsamen Schwingung mit T, so ist die Amplitude des Dä mpfungsmo-men.tes
11d im Verhältnis TU : T, die des Gesamtmomentes 1I im Verhältnis To'-' : T'-'
verkleinert.
Das Moment 1I1 ergibt sich als Resultante aus den drei -Momenten - 1I" -JId
und 1I gemäß Gleichung (6). Wie die zeichnerische Darstellung erkennen läßt, ist
das -Moment der fremden Kräfte lIi in der Phase sehr stark zum Sclilingerwinkel
hin verlagert.t"i l man diese fremden Momente durch die Stabilisierungsmomente ausgleichen,
so müßten diese 18o= gegenüber den fremden Ilomenten, d. h. etwa i.lo bis 16o0 gegenüber
dem Schlingerwinkel, phasetiverschoben gesteuert werden.
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Die beiden betrachteten Beispiele zeigen, daß sich durch die momentemnäßige
Betrachtung gemäß dem neuen Prinzip hinsichtlich der Phasenverhältnisse dieselben
Verhältnisse ergeben wie bei den bislr:r bekannten Anlagen, die mit phasenverschol)en@n
sierungSmomenten und Steuerung der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz
arbeiten. Es soll wan an einem dritten Beispiel gezeigt werden, daß bei nicht sinusförmigemVerla.uf
der Schwingungen hingegen ganz anders geartete Phasenverhältnisse auftreten können,
wodurch sich das häufige Versagen der bisher üblichen Phasensteuerverfahren erklärt,
wohingegen die Steuerung nach dem neuen Prinzip auch in diesen Fällen stets richtige
Steuerkommandos für die wirkungsvollste Bekämpfung des Schlingerns liefert. In Fig.
5 sind die Bewegungskurven einer langsamen Schiffsschwingung unterhalt> der Eigenfrequenz
aufgezeichnet, die in der Nähe der des Schlingerwinkels noch einen einigermaßen
sinusförmigen Verlauf zeigt, jedoch außerhalb dieses Bereiches schon erheblich von
der Sinusform abweicht. Eine derartig verlaufende, Kurve für den Schlingerwinkel
p dürfte einem vielfach vorkommenden Schwingungszustand in der Praxis entsprechen,
da man annehmen kann, daß im Umkehrpunkt der Schiffsschwingung das sinusförmige
Kraftgesetz im allgemeinen einigermaßen erfüllt ist, während beim Durchgang des
Schiffes durch die Nullage am ehesten und die stärksten Abweichungen hiervon vorkommen.
Die Kurve für den Schlingerwinliel cT sieht gemäß Fig. 5 noch ziemlich sinusä,hnlich
aus; bei der Schlingergeachwin- i digkeit @ macht sich die Verzerrung schon bemerkbar,
bei der Schlingerbeschleunigung cp
isst die Abweichung von edier
Sinusfoirm ganz auffäilliig. Bei dien Momenten,kuirven der Fiig.6, die nach .dem
gleichen Verfahren wie in den vorherigen Beispielen ermittelt einid, erkennt man,
deutlich, idaß sich für die, feemiden Momente M f eine Kurve iergibt, .die in einem
großen Teil ihres Verlaufes, näml@i,cah solange Mf dasselbe Vürzeichen hat wie Md,
eine dämpfende, tim übrigen eine aauifschlingernde Wirkung auf dass Schiff ergibt.
Die Betrachtung der Momentenkurven lehrt, idaß eine Bekämpfuing,diieser fzem-den
Momente durch etwa 9o° -deis Tankwasser;s erfolgen müßte-; jedenfalls eirgiib.t,siiidh
damit lein besserer Ausgleich, als wenn man enitsp,rechend der langen. Schwingungszeit
nach Iden bisher üblidhen Anschauungen mit eitlen Phaisenverschiebunig in dien Nähe
von i8o° arbeiten wfirde. Dies is,t ein besonders sinnfälliges Beispiel dafür,.
daß die Größte der Schwi:niguings,daner bei -den in der Praxis auftretenden Sichlingeribewegungen
für die Steuerung der Staibiiiliis-i-enungsmoimentie nicht allein ausischl,aggeibenid
eist.
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Mit dem neuen Steuergerät werden hingeigen .siniuisförmige Schwingungen
wie, auch beliebig verzervte Schwingungen mach Fig. 3 oder nach irgendeiner andierein
Form istets richtig bekämpft. Man br'auic1ht ja auf die Phase keine, Rücksicht
zu nehmen, sonidern es wird das Staibiiliisierunigsmomeint,so, gesteuert, daß !der
von dem Momentenmes,ser angezeigte Wert Mf möglichst 0 bleibt: Es sind zwiar bereits
Steuergeräte für Schiiffssitaubdilisierunig bekanntgewooden, mit dienen eibenifaldis
ein resultieren dier Steuerwert aufs dem Schliinigierwinkel 99 und seinen-Ableibunigen
ermittelt wird'. Gegenübler diiiesem bekannten Geräten unterscheidet stich jedoch
des erfindungsgemäße Stege)rgerät - durch einte deriartiige Zu,sammeufass:ung edier
drei Größen (p, @ und ipi, wie es diie momenteumäß,iige Betrachtung vorschreibt.
Die- drei Größen werden zu einer Gleichung z.usammengefaßt, die Aufschlußgibt übeir
;die auf ein schwingendes Schiff ausgeübten Kräfte, und daraus werden R-üciksch.lü.sse
für die Steuerung gezogen.
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Nachdem obeustehe:nd die Berechtigung dies neuem S:teneriunigspiiu:ziipe
nachgewiesen wurde, soll im folgenden das erfin,dungsaeemäße Steuierigerüt näher
beschrieben werden. Anis dem. Schliingerwinkeil (p, der düznch einen S,cJhil,ingerwiinlkeil@zeiiger
b eiliebüiger Art zu ermitteln eist, müssen z@unächs,t einmal diie S dhling eingeschwimdiigkeiit
@ und: die Sch:lingeirbeschl,euiniigung ip abgeleitet werden. Das kann durch an
stich bekannte Diiffereinziervorrichtunigen geschehen. Es können aber auch Geschwiu:digkeits-
oder Beisdhleuni:guinigsmesser vexwemdet werdien, die von ,sich .2us gleich die
Werbe @ bzw. @ liefern. Zu:r Bestimmung der freunden Momente müssen neun die Werte
99,
@ und @ gemäß Gleichung (6) vereinigt werden. Dies kann durch Überlagerung
in zwei Differentialgetrieben mit Übersetzungen, die den Wertem e, d und J der Gleichung
(6) entsprechen, geschehen. Am Auisgang ides zweiten Differentials ergibt sich darin
lein Winkeil:wert, der dem Moment den fremden Kräfte M, proponitiioinal isst und
der auf eine Gcberbrüicke, ein Poitientiom:eter, einten Drehmagneten od.,digl. geleitet
wird. Man kann jedoch durch die Werte 9p, @ und @ die Kontaktarme- je, eines: Spannungsteilers
verstellen und ,die .abgegriffenen Spannlungen- einem gemeinsamen Drehmagneten,
einer Geiberbrücdke od. digl. zuführen.
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Beil eingeschalteter Scihilingeir,d!ämpfungisanlaige stellen die an.
"der Geberbrücke angezeigten fremden Momente gemäß Gleichung (i) die Resultierende
aus diem Moment der äußerten Kräfte Ma Winddruck usw.) und dem Stabilis.ierunigsmomemtMs
dar. Da gemäß dem neuen Prinzip die äußeren Mom,enteMa 2diuirch dii.eTankwas-ser@mo@menteMs
aurfgehoibien wenden sollen, so, miuß ider an der Geberbrücke angezeigte Wert möglichst
dauernd iauf 0 gehalten werden. Bei Abweiichunig von der Nullstellung wiimd ein
der Fehlerspannung p-ropomtian;alies Steuerkommando. für diais Stabilisierungsmoment
abgegeben, undi zwar derart, :daß edier Unterschied zwIschien :denn Istwertdes.
StabdlHeierungsimomenbeis und dem;angezeigten Moment der freunden, Kräfte das Sroeuieroirgan
der Stabilii;sii@e@r,unigs:an,la@ge in entsprechendem beeinflußt.
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Verschiedene Anisbiil-dunigs:mögliichkeiten dies erirndiungsgeimäßen
Momentengerätes sollten an Hand der Fig. 7 büs io besprochen werden. Zunächst zeugt
Fig. 7 die grundsätz-Hiche Anoirdnuing der Meßvorrichtunig in Form eines Wiirkunigsbildes.
In der Meßan,laige i werden auf irgendwelche bekannte Weisen die drei Weinte Schliinigerwinkeil
cp, Schlinigier,geiscihwindiiiglkeit ip und Sohlingerbesich:leunigunig @ in Form
von Strecken, Drehwinkeln, Spannungen od. @d!gl. ermittelt. Die Mießwerte (p und
@ wcirden an der Steinle 2 mit der .erforderl-ichen Übersetzung vereinigt; dem resultierenden
Wert wirdi an der Stellte 3 der Wert @ übeirlagert, und zwar mit einer söilichen.
Übersetzung, daß an deir Ausgangsseite der Stelle 3 ein Meßwert abgenommen wird,
dier dem Moment der fremden Kräfte Mf = c # p + d # ip -I-
J # @ propomtiona.l isst.
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Blei der Ausführung nasch Fig. 8 werden die -einzelnen Steuergrößen
als Drehwinkel ermittelt und auf mechanische Weise mittels Differentialgetrieben
überlagert. Der Schlingerwinikelzeigeir 4 gibst steinen, Meßwert
in
Form eines Drehwinkels einerseits in die Differenziervorrichtung 5, andererseits
über die Kegelradtri.l:e 7 und 8 auf das Sonnenrad 9 eines Differentialgetriebes
1. In der Difberenziervorrichtung 5 wird die Schlingergeschwindigkeit @ ermittelt
und einerseits in eine zweite Differenziervorrichturng 6 eingeleitet, andererseits
über das Sbirnradpaa.r io au:f da,s zweite Sonnenrad i i des Diftere.ntialgetriebes
1 gegeben. Die Resultatwelle 12 dieses Differentialgetriebes treibt das Sonnenrad
13 eines zweiten Differentialgetriebes It an. Der an der Ausgangswelle der D:ifferenziervo,rriclitung
6 erhaltene Wert j wird mittels des Stirnradpaares 1.4 auf das zweite Sonnenrad
15 des Differentialgetriebes I I gegeben. Die Resultatwelle 16 stellt dann die Resnltierend@e
der drei Werte 99, j und @ dar. Werden die Übersetzungen entsprechend den Werten
c, d und l in Gleichung (6) gewählt, so verstellt die Resultatwelle 16 die Weile
eines Drehmagneten 17 (oder einer Geberbrücke) entsprechend dem Wert IIf. Vom Gerät
17 kann dann über eine elektrische Fernübertragungseinrichtung ein Relais, ein Kraftverstärker
o.d. d@gl. das Steuerorgan der Stabilisierungsanlage geschaltet werden.
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Man kann auch die Werte 9p, @ und j getrennt als Spannungen darstellen
und :dann zu einer resultierenden Spannung vereinigen, die den Kontaktarm der Geberbrücke
oder den Drehmagneten verstellt. Diese Möglichhe:it zeigt Fig.9. Vom Schlingerwinkelzeiger
18 wird der Kontaktarm 21 eines Spannungsteilers 24. verstellt; ebenso vom Schlingergeschcvindg@ceitsmesser
i9 und vom Schlingerbeschleunigungs:messer 2o die Kontaktarme 22 und 23 der Spannungsteiler
25 und 26. Die Spannungsteiler 2.a. und 25 und 26 Lieben an einem gemeinsamen Gleichstromnetz
27. Die Kontaktarme 21, 22 und 23 sind mit dein einen Zweig einer Sammelleitung
28 verbunden, und Mittenanzapfungen der drei Spannungsteiler führen zu dem anderen
Zweig die::Pr Sammelleitung. Durch diese SchaItanoTdnung ist die Darstellung positiver
,.vie auch negativer Spannungen ermöglicht. Die abgegriffenen Spannungen überlagern
sich in der Sammelleitung 28, und der resultieTende Wert verstellt den Drehmagneten
29 @bzw. den Iiozitalctarm einer Geberbrücke. Die erforderliche Übersetzung, mit
der die Spannungen zu überlagern sind, läßt sich in bequemer Weise .durch entsprechende,
Bemessung des Widerstandes der Spannungsteiler erreichen.
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Man kann die Spannungsteiler auch mit Wechselstrom betreiben, und
eine dafür geeignete Anordnung zeigt Fig. io. Die 1leßgeräte 18 bi-s 20 sowie die
Spannungsteiler 21 bis 26 stimmen in ihrer Wirkungsweise und Ausführung mit der
Anordnung nach Fig. fo für Gleichstroanspann:ungsteiler überein. Die Spannungsteiler
liegen jedoch jetzt an einem Wechselstromnetz 30, und die an ihnen abgegriffenen
Spannungen werden auf die Primärspulen 31. 32 und 33 von Tra.nsforma.toren gegeben.
Die entsprechenden Sekundärsp:u.len 3:I, 35 und 36 sind hinterreinand-ergeschaltet,
so daß in der Sammelleitung 37 ein Strom fließt, der dem aus den Größen und j zusammengesetzten
Wert entspricht. Dieser Gesamtstrom wird über den Gleichrichter 38 dem Drehmagneten
39 zugeführt.
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Es soll nun noch ein vollständiges Ausführungsbeispiel einer Tankstabilisierungsanlag
e für Schlin:gerbe=kämpfung mit Förderantrieb der Tanlci@-asserbeivegung durch Gebläse
.beschrieben werden, die mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät ausgerüstet ist.
Fig. ii ze!igt die Gesamtanordnung einer solchen Schlingerdämpfungsanlage. Das im
Querschnitt gezeichnete Schift 4o enthält an der Steuerbord- und Backbordseite je
einen Tank 4.1 bzw. 42, die unten durch einen Wasserverbindungskanal 43 und oben
durch einen Luftverbindungskanal 44 verbunden sind. Die Tanks sind mit Flüssigkeit,
vorzugsweise mit Wasser, gefüllt. Die durch das schlingernde Schiff sowie durch
den Förderantrieb hervorgerufene Tankwasserbewegung liefert die Stabilisierungsmomente.
Diese Tankwasserbewegung ist nach den oben dargelegten Grundsätzen zu steuern. Um
die Gehläseleiätung möglichst niedrig zu halten, wird der untere Wasserverbindungskanal
so bemessen, dali die: freie ungedämpfte Eigenschwingung der Tankwassermass°n mit
der freien urigedämpften Eigenschwingung des Schifes inögtich@st übereinstimmt.
Die Aktivierung der Tankwasserbewegung durch das Gebläse d.5 erfolgt dadurch, daß
dieses über die Luftleitung .44. mehr oder weniger Luft aus dein Steuerbordtank
he,ra.ussaugt und in den Backbordtank hineindrückt, oder umgekehrt. Zu diesem Zwecke
ist in der Luftfeitung q.q. ein einseitig durchlässiges und hinsichtlich seiner
Durchlaßrichtung umsteuerbares Absperrorgan, z. B. eine Luftklappe .46, in einer
dazu parallel liegenden Förderleitung 47 ein Umsteuerorgan, z. B. ein Drelischie:ber
.48, vorgesehen. Die Förderleitung 47 ist über den Dreischieber 48 an die Saugleitung
49 und de Druckleitung 50 des Gebläses 45 angeschlossen. Das Gebläse .I5
wird von einem dauernd laufenden -Motor angetrieben. Durch Drehen des Steuerschiebers
48 um seine Achse kann die Fördeirrichtung des Gebläses umgeschaltet werden. Wird
von dem Steuergerät bei eingeschalteter Schlingerdämpfungsanlage kein Kommando
gegeben,
ist <las Scilaiff also völlig sbahili:siert, !so iist der Drehgclhiebeir 48 zu
beiden, Tanks hin geschlossen (gezeichnete Stellung) und die I. uft@lcfappe 4.6
mach beIdein Riohtungen frei !be!weg!li'ch. Das Gebl:äase läuft leer, und das Tankwaisser
schwingt wie bei Aden hekannten Fraihmechen Sdhliirger'tanks frei zwischen. den
Tan'lcs, die I-'#"lappe:46 öffnet sich jeweils infolge der auftretenden Luftdruckdiff:ere:nz
zwis,c!hen den beiden Tankseiten von selbst im richtigen Sinne. .Im a:llgemein,en
wird die freie Eigensch.wing,wng,dies Tankwassers für die Stabiiii,sierung nicht
ausreichend sein, was zur Folge hat, da,ß vom Steuergerät Kommandos für die Ak'tivie'rung
der Tanlcwasserbeweigung durch dass Gebläse gegeben werden. Liefert das Steiuiergerä.t,
das in wirkungsbildlicher Darstellung gezeichnet ist, ein solches Kommando, so,
wird der Motor 63 in Gang gesetzt und dadurch der Drefisc'Irie!lrer 48 mittels des
Sdhneck'enradtriebes 64 aus seiner Mittelstellung nach der einen oder ,anderen Seite-
gedreht, !so, -daß, je nach denn Grad,der Verdrehung, das Gebläse .mehr oder weniger
Luft von dem einen Tank in den anderen fördert, wo@dwrdh die Tankwa'sserbewegu'ng
beschleunigt wiiird. Die Luftklappe 4.6 muß hierbei geschlossen und einseitig bloclcieirt
sein. Diesem Zwecke dienen die Riegel 51 und 52, die von' den: El-ektroma:gn@eten
53 und 54 nach unten gezogen werden können. Entsprechend der Nwl!1ste:llunig des
DrehsIdhieibers 48 geben in der Fiig. I I h-eide Riegel :diie Dreihbeiweigung &ar
Klappe 46 frei; fördert das Geihläse, vom Tank 41 in dien Tank 42, so@ sperrt dior
Riegel 52, b!e'i entgegengesetzter Fördierridhbung der Riegel 5 z.
-
Im- einzelnen vollzieht sich der Steuervorgang wie foil!gt: Di!e Über
die Leitungen 56,: 57 und 58 dies Steuergerätes zugeführten Steuergrößen 9P, ip
und 99 sind in der Ausgangsleitung 59 zu einem resultierenden Wert entsprechend
,dem Moment ,der fremden Kräften Mt vereinigt, der auf der Ge!ber'b,rücke 6o eine
,d'iem Wert Mf proportion aale Sp:an.-nung einstellt. Um ein ü@bermäßi:geas Pendeln
bei ,der Durchführung ,des Steuervorganges zu vermeiden, wird der an der G,eabe,r!b,rfie!lzei
6o abgegriffene Spannungswert aber nicht unm tteillbair zur Steuerung herangezogen,
vielmeih@r Ist es zwe'ol(imäß,iiger, in-i-t einer sogenannten RückfUüh:ruilg oder
Rückmeldung zu arbeiten, wo:hei als Steiuerkümmando. für den Motor63 der Differenzwert
zwischen dem vorn dier Geb@erb,rücke@ 6ö gelüeferte:n So11weirt und dem der gerade
vorhandenen Drehs@dhii-e@b@eir,s'teilil,unig enbsprcch;eniden Iis'twe!rt dient.
Dazu ist diie folgende Einriiähtuinig gebroffen: Von der Welle .des Motors 63 wir'
aru!f einer Steuerbrücke 65 ein .dem I,s,twe!rt dier Drehschieberstealhinig entsprechender
Spannungswert ei:n'geste!llt und übaar .die Leitung 66 zu einem Elel:trc),nenröihrenvers'tä@.rker
62i geführt. Die Spannung der Geberb-rücke .6o wied über die Leitung 61 e!henfalls
-zum Verstärker 62 geleket und !hier mit de#r Spannung der Brücke 65 derart zus:amm@enigesdh:al@tet"d@aß
am Gitter der Reihre die Diff:er!enz beider Werte: als Steuerspannung dient. Vom
Verstärker 62 wiird a,lsidiann der Motor 63 in Abhängigkeit vom Ri,ah'tuings,s,i@iin
und, von der Größe dieser Sbeue'rkoim;m"andos gesteuert.
-
Die Steuerung der Lufbklapp'e 46 erfoilgt .in zweckmäßiger Weise von
der Achse des Dre!hs'chieiheirs 48 aiu@s. Auf dieser Achse sitzt ein Kontakthebel
67, der bei der Verdrehung -des. Drehisdhie!bens über die beiden Kontaktseigme:nte
68 und 69 gleitet. Von dien beiiden Elektroima;gneten 53 und 54 für die Verriegelung
der Luftklappe führen Leitungen zu den Kontakbsieigm'enten und zu dem Kontakt-hobel
67. In der gezeichneten Stellung ,des Drehs,chiiebers 48 ist das Gebläse nach beiden
Tankseiten hin gesperrt, und dier Kontakthob!e167 befindet sich ebe'.nfall@s in
seiner MittelisbeIil'ung zwischen dien Kontaikt'segmenten:, so,daß d-i.e Stromkreise
,der b,ei!den El,e!ktroma:gnieben 53 und 54 unterbrochen sind. Die Riegel
5 1 und 52 sind unterdie@m Einfluß vom Feder n am;gezogen, die Luf tkl!appe
46 ist daher frei beweglich. Wird nun der Dreihschie!ber im Uhrzeiigersinn verstellt,
,so, förder.t,dias Gebläse Luft aus dem Tank 42 im denn Tank 41'; gleichzeitig legt
sich bei dieser Dreihsch'i:e#berveristeltun!g ,der Kontakthebel 67 .auf das Kontaktseigiment
68 und schließ t dabei den Stromzkrei,s dies Elektromagneten 53. Der Elektromagnet
53 zieht,sein@en Anker an, dier mit dem Riieg e'151 .starr verbunden isst, so: daß
dieser nach unten bewegt wird und d!adwrch diie K1;appe 46 ,derart blockiert, daß
die Druckluft nicht in den Tank 42 zurücktreten kann. Bei Versbe:li1ung' des Drehschielbers
en'tgegienige:setzt d!em Uhrzeigersinn wird' durch den Kontakt zwischen dien Te'ile'n
67 und 69 der Elektromagnet 54 erregt und somit die Luftklappe46 dwrclh dien Riegel
52 blockiert.
-
Durch. diais bes'chriebene Steueirgerät wird dien Tankwasserbewegung
in Abhängigkeit von der isogenanuten Wegdifferenz zwischen dem vom ,der Geaberbrücke
6o angezeigten So-1-1-wert rund dem an der Steueirbrücke:65 eingestellten Is-twe!rt
in dem Sinne gesteuert, @d:aß die äußeren Momente durch 'di.e Tänkwassermomzente
-aiusgeigli-che!n werden. Nach erfolgtem Ausgleich müßte das von der G,e@b,erib,rüclce
angezeigte fremde Mowe@nt Mf = 0 sehn und der Direihschi-eiber 48 ;sich in seiner
Mittelstellung befinden. In Wirklichkeit wird sich ein völiliige!r Ausgleich aber
nicht erreichen lassen, da zum Aufrechterhalten der Steuerko.mmian:dos j a eine
gewis se ResbschIingerbeweg
ung bestehenbleiben muß, die aber unerheblich
:und nicht störend ist. Wird infolge eines Steuerkommandos der Drehschieber aus
seiner Mittellage gedreht, so wird .durch die Druckluftbeeinflussung des Gebläses
die Bewegung des Tankwassers mehr oder weniger vom Zustand der freien Eigenschwingung
entfernt. Das Gebläse hat dabei nur so viel Energie aufzubringen, wie erforderlich
ist, um dieseAbweichung vom Eigenschwingungsfall herzustellen.
-
Es ist in der Steuertechnik allgemein beleannt, die Steuerung mit
der Geschwindigkeit des errechneten oder gemessenen Wertes durchzuführen (Geschwindigkeitssteuerung)
oder die höheren Ableitungen dieses sogenannten Wegwertes des Steuerkommandos zu
benutzen.
Ob eine reine @Vegseeuerun g, ein-- Geschwindigkeitssteuerung,
die Steuerung nach höheren Ableitungen oder ein aus diesen Größen zusammengesetzter
Wert am vorteilhaftesten ist, hängt ganz von der Art der zu steuernden Einrichtungen
ab und ist von Fall zu Fall zu untersuchen. Im vorliegenden Fall der Tankstabilisierung
mit Förderantrieb durch Gebläse isst :die Stellung des Drehschiebers ein Maß für
.dieB:eschleunigung (genauer vielleicht sogar für die Beschleunigungsveränderung
),
die dem Tankwasser zusätzlich erteilt wird. Es empfiehlt sich daher, als Sollwert
für den Drehschiebermotor 63 den Geschwindi,lzeitswert -
des von der Geherbrücke 6o angezeigten Fremdmomentes :1If zu benutzen und diesem
einen Bruchteil des Wegwertes des Fre.mdmo@mentes elf zu überlagern. Der Z'Vegw:ert
lIf wird gewissermaßen zur Kontrolle herangezogen, falls kein geschwindigkeitsmäßiges
Kommando mehr vorhanden ist, jedoch noch ein Unterschied zwischen
Soll- und
Istmoment der äußeren Kräfte besteht. Diese Art der Steuerung ist ebenfalls in Ff-.
i i :dargestellt. Das Maß der Geschwindigkeit, mit der sich dass Fremdmo.mentLIf
ändert, kann, z. B. durch f einen sogenannten Touren- oder Tachometer- f dynamo
70 ermittelt werden. Das in dem Zweig
59 des Steuergerätes erzeugte
Drehmoment, das dem Wert elf entspricht, treibt den Anker eines To@urendynamou
70 an, so daß d;-.ssen Spannung ein Maß für die Geschwindigkeit ist, mit
d,er sich das Fremdmoment ändert. Dieser Geschwindigkeitswert wird über die Leitung
71 auf den Verstärker
62- gegeben. Hier werden :der Wegwert lIf sowie der
Goschwindigkeitswert in einem geeigneten Übers etz:ung sverhältnis
übe rlagertä die Summe beider t@'erte liefert den Soll-Nv ert das Steuerhcmmandos
der mit dem Istwert d!--r Steuerb@rüclze 65 verglichen wird.
| Das beschrieb,-ne St.e:uerverfabren hat den |
| Vorteil, daß keine besondere Schräglagen- |
| bekämpfung vorzusehen ist. Es werden mit |
| dem erfindungsgemäßen Steuergerät so«-ähl |
| periodische Schräglagen als auc.'.i statische |
| Schräglagen erfaßt. Will man hei gleich- |
| zeitigem Vorhandensein von Schräglage und |
| Scblingerbewegung nur dic letztere: bekämp- |
| fen, so genügt es, bei der Zusammensetzung |
| der drei Gräläen Sc ilingerwinkel p_, Schliiiger- |
| geschwfndigkeit und @ch@inger@i.eschIeuni- |
| gung 7f in dem den Schlingerwinkel @E ent- |
| haltenen Zweig 56 den der geschätzten oder |
| gemessenen Schräglage entsprechenden Wirt- |
| 1-z--1 im richtigen Sinn einzuführen. z. B. durch |
| eine Kurbel 72 unter Zuhilfenahme einer An- |
| zeigeskala 73 Herauszudrehen. Diese 11ög- |
| lichkeit ist in dem Wirkungsbild des Steuer- |
| gerätes der F!-. i i gestrichelt angedeutet. |
| Es seien zum Schluß kurz die wichtigsten |
| Vorteile der neuen Steuerung er«-älint: Zur |
| Bildung der Steuerl#:onimandos brauchen nur |
| der Schlingerwinkel rf und seine beiden AI>- |
| leitungen @ und j laufend gemessen bz«-. |
| errechnet zu werden. Sonst sind keinerlei |
| Messungen erforderlich. Vor allen Dingen |
| fällt die lästige und umständliche -Messung |
| oder Kontrolle von Phasenzuständen fort. Bei |
| Tankstabilisierungsa.nlagen brauchen ferner |
| hinsichtlich des Tankwasserstandes keine be- |
| so:nderen -Messungen ausgeführt zu werd; ii. |
| Es ist kein besonderer Leistungsregler er- |
| forderlich, da auch die Funktion des Lei- |
| stungsreglers bei der Bildung des Steuer- |
| kommandos mit übernommen wird. Der Fort- |
| fall einer besonderen Schräglagenbekämpfung |
| war schon erwähnt «-orden. |
| Der grundlegende Unterschied der neuen |
| Steuerung gegenüber den bisher üblichen |
| `"e,rfa,hren, der in erster Linie ihre große |
| Leistungsfähigkeit erklärlich macht, ist darin |
| zu sehen, daß für die Bildung des Steuer- |
| kommandos der Schwingungsc:liarakter der |
| Schiffsbewegung vollkommen gleichgültig ist, |
| da der augenblickliche Bewegungszustand |
| benutzt wird. |
| Das der beschriebenen Steuerung zugrunde |
| liegende '-#lo:mentenmehgerät ist nicht auf die |
| Verwendung in der Schiffsstabilisierung be- |
| schränkt, sondern es kann all@emeil, |
| «-erden, um die an einem sch«-in- |
| gungsfähigin System (Flugzeug. Schift o-1. |
| dgl.) angreifenden -Momente zu m_°ssel,. |