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Vorrichtung zur Stabilisierung von Schiffen Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zum Stabilisieren von Fahrzeugen, z. B. Schiffen, insbesondere
zur Dämpfung des Schlingerns.
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Bekannt ist bei Einrichtungen dieser Art einerseits eine Vorrichtung,
z. B. ein Gyroskop, ein bewegliches Gewicht od. dgl., die ein Stabilisationskräftepaar
liefert, und andererseits eine selbsttätig oder nicht selbsttätig arbeitende Einrichtung
zur Steuerung des Wertes dieses Kräftepaares. Bezeichnet man mit A den Schlingerwinkel
des Fahrzeugs, mit I
sein Trägheitsmoment in bezug auf die durch den Schwerpunkt
gehende Längsachse, mit M (t) das auf das Schiff einwirkende Schlingerkräftepaar
und mit X das Stabilisierungskräftepaar, so lautet die Differentialgleichung des
Schlingerns folgendermaßen:
Die zu lösende Aufgabe besteht darin, das Gesetz der Änderung von X derart zu bestimmen,
daß man eine möglichst vollständige Dämpfung des Schlingerns erhält.
Einige
der bekannten hierzu benutzten Steuervorrichtungen beruhen auf dem Wechsel des Sinnes
des Schlingerwinkels A, indem man beispielsweise I = KA setzt. Nun kann man
aber in dem Wert M (t)
ein Glied der Form nag x (y - a) A erscheinen
lassen, worin m das Gewicht des Schiffes, g die Beschleunigung der Schwere und y
- a die metazentrische Höhe bedeutet und dieses Glied das Rückstellliräftepaar
darstellt. Die Gleichung (i) zeigt daher, daß unter diesen Bedingungen die Regelung
X = KA lediglich die Eigenperiode des Schiffes ändern kann.
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Bei anderen Einrichtungen dieser Art beruht die Steuerung auf der
Schlingergeschwindigkeit
und besteht beispielsweise darin, daß man die Präzessionsgeschwindigkeit eines Stabihsationsgyroskops
konstant hält, aber sprunghaft ihren Sinn ändert, wenn
verschwindet. Setzt man
, so sieht man aus der Gleichung (i), daß die Einführung eines Gliedes in
bei gewissen Änderungsgesetzen von M (t), z. B. bei Auftreten von Schwebungen
zweier Dünungssysteme, zu anomalen Amplituden A Anlaß gibt, welche Unglücksfälle
verursachen können. Außerdem verlangen die auf dem Winkel A oder der Geschwindigkeit
beruhenden Steuervorrichtungen, daß bereits ein Schlingern vorhanden ist, damit
der stabilisierende Einfluß beginnen kann, eine abschwächende Wirkung auszuüben.
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Man sieht also, daß die auf dem Schlingerwinkel oder seinen Ableitungen
beruhenden Steuersysteme nur zu unvollkommenen Problemlösungen führen können.
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In einem anderen, ein Gyroskop betreffenden Fall hat man vorgeschlagen,
X = M (t) zu setzen. Dann ist der Einfluß der - Schlingerkräftepaare eliminiert,
aber die Schwingungsgleichung (i) des Fahrzeugs geht über in .
Diese Bewegung besitzt überhaupt keine Rückstellkraft nach einer Gleichgewichtslage
hin, die auf das Gyroskop einwirken könnte. Bleibt das Schiff während mehrerer Dünungsperioden
geneigt, so wird eine Änderung der Kreiselkraft eintreten, sobald die Präzessionsbewegung
an den äußersten Punkt ihres Verlaufes gelangt, derart, daß die zur Aufhebung des
Schlingerns bestimmte Einrichtung ihre eigene Wirkung aufzuheben sucht.
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Es ist auch bekannt, bei Stabilisierungsanlagen höhere Zeitableitungen
der primären Steuerwerte mit einzusteuern, um Verzögerungen, Pendelungen usw. auszuschalten.
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Die Erfindung vermeidet alle diese Nachteile und besteht darin, daß
der das Stabilisationskräftepaar liefernde Apparat mit einer selbsttätigen Steuereinrichtung
versehen ist, die so ausgebildet ist, daß sich das Stabilisationskräftepaar in jedem
Augenblick aus zwei Gliedern zusammensetzt, deren erstes praktisch gleich und entgegengesetzt
dem auf das Schiff wirkenden Schlingerkräftepaar ist, während das zweite sich in
Abhängigkeit vom Schlingerwinkel sowie seiner zeitlichen Ableitungen und Integrale
ändert.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, rlaß einerseits
das auf das Schiff von außen her einwirkende Kräftepaar durch auf die hydrostatischen
Druckdifferenzen an entgegengesetzten Schiffsseiten ansprechende Meßvorrichtungen
und der jeweilige Schlingerwinkel und andererseits dessen Ableitungen mit möglichst
trägheitslosen Einrichtungen gemessen und aus beiden als Komponenten zusammenwirkenden
Werten eine Steuerkraft, z. B: elektrische Spannung, gebildet wird, die durch Einwirkung
auf die Stabilisierungsmittel Größe und Richtung des Stabilisierungsmomentes bestimmt.
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In den ,Zeichnungen sind Einrichtungen zur Messung des Schlingerkräftepaares
und Schlingerwinkels sowie Einrichtungen dargestellt, die zur selbsttätigen Ableitung
der Wirkung dienen, die die Steuereinrichtung auf den das Stabilisationskräftepaar
liefernde Einrichtung ausüben muß.
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Gemäß Fig. i und 2 wird das vom Meer auf das Schiff ausgeübte Kräftepaar
mittels zweier Reihen von Manometern i, 2, 3 und i', 2', 3' gemessen, die an jeder
Seite des Schiffsrumpfes unterhalb der Wasserlinie angeordnet sind; zweckmäßig sind
die Manometer an Punkten angeordnet, in denen der Krümmungsradius des Rumpfquerschnitts
am Schwerpunkt dieses Querschnitts mit Abstand vorbeigeht.
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Die Manometer sind untereinander derart verbunden, daß die Wirkungen
der auf der gleichen Schiffsseite befindlichen sich addieren, während die Wirkungen
der beiden Manometerreihen i, 2, 3 und i', 2', 3' sich voneinander abziehen. Auf
diese Weise erhält man einen dem Schlingerkräftepaar proportionalen Druck.
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Nach Fig.3 steuert jedes Manometer den Gleitkontakt eines Potentiometers
q., 5, 6 bzw. q.', 5', 6', deren jedes mit einer Stromquelle 7, 8, 9 bzw. 7', 8',
9' verbunden ist. Die zu ein und derselben Bordseite gehörenden Potentiometer sind
in Reihe geschaltet, und die beiden so entstehenden Reihen sind gegeneinander geschaltet,
so daß man an den Klemmen io, ii eine dem Kräftepaar M (st) proportionale
Spannung erhält.
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Nach Fig. q. wird der Schlingerwinkel 99 in an sich bekannter Weise
mittels eines kleinen Gyroskops 12 gemessen, das den Gleitkontakt eines aus einer
Batterie 1q. gespeisten Potentiometers 13 betätigt, so daß man an den Klemmen 15,
16 eine dem Schager- i winkel 99 proportionale Spannung abnehmen kann.
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Von diesen Spannungen kann man mittels an sich bekannter Schaltungen
nach Fig.5 bis 7 die Ableitungen und Integrale derselben bilden und diese Größen
miteinander kombinieren.
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Zu diesem Zweck verbindet man die Klemmen io, ii oder 15, 16 mit den
Eingangsklemmen 17, 18 einer Gitterröhre, vorzugsweise einer Schirmgitterröhre i9,
in deren Anodenkreis ein Widerstand 2o und eine Selbstinduktion 21 vorgesehen sind,
so daß man an i den Klemmen 22, 23, abgesehen von einem konstanten
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Glied, eine Spannung der gewünschten Gesetzmäßigkeit erhält.
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Will man eine Komponente erhalten, die dem zeitlichen Integral der
gemessenen Größe p oder M (st)
proportional ist, so ordnet man im Anodenkreis
der Röhre ig einen -Kondensator an, dessen Kapazität dem gewünschten numerischen
Koeffizienten entspricht. Die Spannung an-den Klemmen dieses Kondensators
gibt den gewünschten Wert, da der Anodenstrom i der gemessenen Größe p oder
M (st) porportional ist, die dem Gitter der Röhre aufgedrückt ist. In der
Schaltung nach Fig: 6 befinden sich im Anodenkreis der Röhre ig ein Widerstand 2o,
eine Selbstinduktion 21 und eine Kapazität 24; mittels dieser* Schaltung kann man
daher eine Spannung von der Form
-halten. Die Speisegleichspannung der Röhre ig wird hier durch den Strom einer gesättigten
Röhre 25 geliefert. Statt dessen kann man auch ein anderes Schaltelement verwenden,
das bei veränderlichem Strom einen praktisch unendlichen Widerstand hat.
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Wenn man ein Glied bilden will, das der zweiten Ableitung der Eingangsspannung
der Röhre ig proportional ist, so kann man die an den Klemmen der Selbstinduktion
21 auftretende Spannung dem Eingangskreis einer zweiten Lampe zuführen, deren Anodenkreis
eine passend gewählte Selbstinduktion enthält.
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Wenn man auf diese Weise verschiedene Spannungen als Funktionen des
Schlingerwinkels p und des Schlingerdrehmomentes M (st) erhalten hat, so
bringt man sie auf ein Relais zur Anwendung, das das Steuerorgan des Stabilisierungskräftepaares
beeinflußt.
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Ein Beispiel hierfür zeigt Fig. 7, in der das Kräftepaar von zwei
Pumpen 24, 24' geliefert wird und bei der das Schlingergegenkräftepaar die Form
haben soll. Die der Größe 99 proportionale Spannung wird durch eine Einrichtung
nach Fig. 4 geliefert und dem Gitter der Röhre 25 aufgedrückt, deren Anodenstromkreis
eine der Größe a proportionale Selbstinduktion 26 und einen der Größe b proportionalen
zweiteiligen Widerstand 27, 28 enthält. Die Zweiteilung des Widerstandes ist vorgesehen,
damit man die durch eine Einrichtung nach Fig. 3 gelieferte und dem Kräftepaar M
(st) proportionale Spannung dem Gitter einer zweiten Röhre 25' aufdrücken kann,
deren Anodenstromkreis den Widerstand 28 enthält. Auf diese Weise erhält man an
den Klemmen 29, 3o eine Spannung der Form
Diese Spannung wird einem Verstärker, Relais 31 od. dgl. zugeführt, mittels dessen
die Schieber 33, 33' der Pumpen 24, 24' gesteuert werden.
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Die Einrichtung 31 ist mit einer Vorrichtung 32 zur Regelung der Steuerungsempfindlichkeit
versehen. Diese Einrichtung dient insbesondere mittels Änderung der Glieder, die
Funktionen des Schlingerwinkels und seiner Abteilungen sind, auch zur Änderung der
Eigenperiode des Schiffes, deren Vergrößerung unter Umständen vorteilhaft sein kann.
Diese Regelung gestattet auch, den dem Schlingern entgegenwirkenden Apparat mit
konstantem Kräftepaar arbeiten zu lassen, beispielsweise wenn der Seegang sehr stark
ist .und das erzielbare Stabilisierungskräftepaar unterhalb des maximalen Kräftepaares
liegt, das das Meer auf das Schiff ausübt. Es kann sich auch empfehlen, zwei verschiedene
Empfindlichkeitsregelungen für die von M (st) und die von Winkel 9p abhängigen
Komponenten vorzusehen.
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Fig.8 stellt eine weitere Ausführungsform der Manometer zur Messung
des Drucks dar: In der Schiffswand 35 ist mittels einer Büchse 36 eine Membran 37
eingesetzt, die widerstandsfähig und biegsam z. B. aus nichtrostendem Stahl verfertigt
ist. Diese Membran wirkt als eine bewegliche Belegung eines Kondensators, dessen
andere Belegung 38 ist, und steht mit dem Schiff in leitender Verbindung, während
die Belegung 38 durch die Zuleitung 40 mit den anderen Vorrichtungen verbunden ist.
Begreiflicherweise wirkt der veränderliche Druck des Wassers auf die Membran 37
derart, daß sich die Kapazität dieses Kondensators ändert. In der Büchse 36 sind
elektrische Vorrichtungen angeordnet, die diese Kapazitätsänderung in die Änderung
irgendeiner passenden, an den Ausgangsklemmen 42 abnehmbaren elektrischen Größe
umformen. Der Vorteil einer derartigen Einrichtung im Vergleich mit den üblichen
mechanischen Manometern besteht in der völligen Trägheitslosigkeit auch bei den
raschesten in Betracht kommenden Druckänderungen. Die Büchse 36 und die Membran
37 sind so anzuordnen, daß sie die Stromlinien des das Schiff umspülenden Wassers
nicht Stören.
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Fig. g stellt ein anderes Ausführungsbeispiel dar, das mit Manometern
nach Fig. 8 versehen ist. Die an beiden Seiten des Schiffsrumpfes paarweise angeordneten
Manometer i, i', 2, 2', 3, 3' sind derart verbunden, daß ihre kombinierten Wirkungen
die betreffenden Vorrichtungen 43, 44, 45 beeinflussen. Aus diesen Vorrichtungen
erhält man Angaben, die den von dem Wasser auf das Schiff in den Raumgebieten i,
i', 2, 2', 3, 3' ausgeübten Kräftepaaren proportional sind.
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Diese Größen werden in der Vorrichtung 46 addiert, die auf diese Weise
eine Messung des Kräftepaares M (st), das das Meer auf das Schiff ausübt,
ergibt.
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Die Vorrichtung 47 bildet nach den obenerwähnten Prinzipien jede beliebige
Größe, wi
usw. Wie oben gesagt, ist in dem Falle eines zur Dämpfung des Schlingerns praktisch
trägheitslos wirkenden Verfahrens die Vorrichtung 47 nicht notwendig.
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Die Kupplung der Manometer kann bei Einschaltung von Vorrichtungen
43, 44, 46 auch auf irgendeine beliebige andere, bis an eine Messung des Schlingerkräftepaares
hinführende Weise ausgeführt werden. Weiter können die Angaben von jedem Manometer
mit irgendeinem beliebigen regulierbaren Koeffizienten versehen werden.
Die-
Messung von cp findet in der Vorrichtung 48 statt, die Bildung von notwendigen Ableitungen
und Integralen in der Vorrichtung 49.
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Ein Relais 50 kombiniert schließlich die von dem Meereskräftepaar
abgeleiteten Größen mit denjenigen, die von dem Schlingerwinkel cp abgeleitet sind,
um endlich die Steuerung der Vorrichtung 51 zur Dämpfung des Schlingerns zu bewirken.
Fig. io stellt eine für die direkte Messung von
geeignete Vorrichtung dar: Ein kleines Gyroskop 52 ist mit dem Schiff so verbunden,
daß es außer der Schlingerbewegung des Schiffes nur eine Präzessionsbewegung ausführen
kann. Dieser Präzessionsbewegung wirkt eine kräftige Feder 53 entgegen, und die
kleinen Verschiebungen, die trotz der Gegenwirkung der Feder entstehen können, wirken
auf ein Potentiometer 54, das an den Klemmen 55 eine Spannung liefert, deren, veränderlicher
Teil
proportional ist.
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In einem Ausführungsbeispiel, das auf diesem Prinzip begründet ist
und eine praktisch trägheitslose Vorrichtung zur Dämpfung des Schlingerns, insbesondere
Zentrifugalpumpen od. dgl. zur Erzeugung von Wasserstrahlen, anwendet, wird die
Einrichtung der Fig. 9 dadurch einfach, daß die Vorrichtung 47 wegfällt und die
Vorrichtungen 48, 49 durch einen einzigen Apparat ohne Anwendung irgendeiner Ableitungs-
oder Integralvorrichtung ersetzt sind. Es wird jedoch ausdrücklich festgestellt,
daß die in Fig. 3 bis io schematisch dargestellten Ausführungsformen zur Ermittlung
einer Steuergröße aus dem von außen her einwirkenden Kräftepaar und dem Schlingerwinkel
für sich keinen Bestandteil der Erfindung bilden.
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Es erscheint noch erforderlich, die minimale Anzahl der zu einer genügenden
Messung von M (st) notwendigen Manometer zu bestimmen. Es ist klar, daß keine
allzu scharfe Messung notwendig ist, sondern daß es lediglich in Frage kommt, eine
Angabe zu erhalten, deren Veränderung praktisch mit dem Kräftepaar M (st)
zusammenpaßt und überhaupt immer denselben Änderungssinn behält.
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Zwei Manometer, eines auf jeder Schiffsseite, die in der Hauptspantebene
angeordnet sind, sind vollkommen ungenügend; vier -erzeugen schon eine praktisch
genügend annähernde Messung, und sechs, drei auf jeder Schiffsseite, liefern eine
bis zu = 0110 genaue Messung, vorausgesetzt, daß der Druck auf dic Schiffswand einen
beispielsweise rein sinusförmigen Verlauf hat.
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Es müssen also in verschiedenen Querschnitten des Schiffes genügend
Einrichtungen vorgesehen sein, um das von dem Meer ausgeübte Kräftepaar zu messen.