NO314448B1

NO314448B1 - Device for reducing vibration in a ship

Info

Publication number: NO314448B1
Application number: NO19992049A
Authority: NO
Inventors: Jean-Paul Huot-Marchand; Jean-Philippe Nicod
Original assignee: Alstom Entpr Sa Le Sextant
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2003-03-24
Also published as: NO992049L; NO992049D0

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en anordning for å minske vibrasjonene i et skip utstyrt med to drivaksler. The present invention relates to a device for reducing vibrations in a ship equipped with two drive shafts.

Noe man stadig er opptatt av er å søke etter å gjøre skip akustisk stille. Med hensyn til passasjerskip er formålet å forbedre passasjerenes komfort, mens for vitenskapelige og sjømilitære fartøyer er stillhet en fordring med hensyn til fartøyenes utnyttelse. Something that is constantly concerned with is the search for making ships acoustically quiet. With regard to passenger ships, the purpose is to improve passenger comfort, while for scientific and naval vessels silence is a requirement with regard to the vessels' utilization.

Det er derfor passende å minske den akustiske vibrasjon som genereres ved at vann presses mot skroget på grunn av propellrotasjonen. Dette tilsvarer det tilfelle hvor skipet drives med minst to drivaksler som begge er forsynt med en propell. It is therefore appropriate to reduce the acoustic vibration generated by water being pushed against the hull due to the propeller rotation. This corresponds to the case where the ship is driven with at least two drive shafts, both of which are equipped with a propeller.

Det er således kjent å utstyre hver av de to aksler ombord et skip med en kodeinnret-ning for vinkelstilling, og utnytte dette utstyr til å regulere akslenes rotasjonshastighet slik at de får en vinkeldifferanse som innstilles til en konstant referanseverdi. Denne referanse er et resultat av mekaniske betraktninger med hensyn til samvirket mellom propellene, vannet og skroget, og disse betraktninger er gjenstand for en viss mengde unøyaktighet. I tillegg avhenger dette samvirke i stor grad av skipets driftsbetingelser. Blant disse betingelser kan særlig nevnes den kraft som utvikles på en drivaksel, dens rotasjonshastighet, skipets belastning, den hastighet som skipet seiler fremover med og vannets temperatur og saltinnhold. It is thus known to equip each of the two axles on board a ship with a code device for angular position, and to use this equipment to regulate the speed of rotation of the axles so that they get an angle difference which is set to a constant reference value. This reference is the result of mechanical considerations regarding the interaction between the propellers, the water and the hull, and these considerations are subject to a certain amount of inaccuracy. In addition, this cooperation depends to a large extent on the ship's operating conditions. Among these conditions can be mentioned in particular the force developed on a drive shaft, its rotational speed, the ship's load, the speed at which the ship is sailing forward and the temperature and salinity of the water.

Som et resultat blir beregningen av en sådan referanseverdi meget kompleks. Det å benytte en referanseverdi som er konstant fører dessuten nødvendigvis til et kompro-miss, og referanseverdien er med andre ord ikke alltid optimalisert med hensyn til skipets driftsbetingelser i enhver gitt situasjon. As a result, the calculation of such a reference value becomes very complex. Using a reference value that is constant also necessarily leads to a compromise, and in other words the reference value is not always optimized with regard to the ship's operating conditions in any given situation.

Foreliggende oppfinnelse har derfor som formål å fremskaffe en anordning for å minske vibrasjon i skip, og som ikke er gjenstand for de forutsetninger eller begrensninger som er nevnt ovenfor. The purpose of the present invention is therefore to provide a device for reducing vibration in ships, which is not subject to the assumptions or limitations mentioned above.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for å minske vibrasjonen i et skip utstyrt med i det minste to drivaksler, idet anordningen omfatter servostyreutstyr for å servostyre vinkeldifferansen for de to aksler til en referanseverdi. The invention thus relates to a device for reducing vibration in a ship equipped with at least two drive shafts, the device comprising servo control equipment to servo control the angle difference for the two shafts to a reference value.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den også omfatter kalibreringsutstyr for å finne en optimal vinkelforskyvning mellom akslene, som tilsvarer et vibrasjonsminimum, samt styreutstyr som reagerer på et styresignal med i rekkefølge å aktivere nevnte kalibreringsutstyr og deretter nevnte servostyringsutstyr, idet den optimale vinkelforskyvning er fastsatt som referanseverdi. On this background of known technology in principle, the device according to the invention has as a distinctive feature that it also includes calibration equipment to find an optimal angular displacement between the axles, which corresponds to a vibration minimum, as well as control equipment that responds to a control signal by sequentially activating said calibration equipment and subsequently mentioned power steering equipment, the optimal angular displacement being fixed as a reference value.

For gitte driftsbetingelser og forut for utførelse av vanlig servostyring, utføres det således et søk etter en optimal vinkelforskyvning som fører til minst mulig vibrasjon. For given operating conditions and prior to carrying out normal power steering, a search is therefore carried out for an optimal angular displacement which leads to the least possible vibration.

En fordelaktig anvendelse av oppfinnelsen foreligger for drivaksler drevet av elektriske motorer. I sådanne tilfeller omfatter anordningen målerutstyr for å utlede vinkeldifferansen fra parametre som angår den effekt som tilføres motorene. Dette gjør det mulig å unngå å bruke posisjonskodeinnretninger på akslene. An advantageous application of the invention exists for drive shafts driven by electric motors. In such cases, the device includes measuring equipment to derive the angle difference from parameters relating to the power supplied to the motors. This makes it possible to avoid using position code devices on the shafts.

Det kan være mulig å påvise den optimale vinkelforskyvning ved å høre etter graden av vibrasjoner i skipet ved hjelp av øret, men fortrinnsvis omfatter anordningen en vibra-sjonsføler for å påvise den optimale vinkelforskyvning. Det er da mulig å utstyre anordningen slik at den omfatter et reguleringssystem som frembringer et reguleringssignaf som representerer variasjonen i vibrasjonsnivået, og styreutstyret fastsetter da dette reguleringssignal som referanseverdien etter fastsettelse av den optimale vinkelforskyvning. Fortrinnsvis representerer reguleringssignalet differensialkvotienten for vibrasjonenes grunnivå. It may be possible to detect the optimal angular displacement by listening for the degree of vibrations in the ship with the aid of the ear, but preferably the device comprises a vibration sensor to detect the optimal angular displacement. It is then possible to equip the device so that it comprises a regulation system that produces a regulation signal that represents the variation in the vibration level, and the control equipment then determines this regulation signal as the reference value after determining the optimal angular displacement. Preferably, the control signal represents the differential quotient for the base level of the vibrations.

Uansett hvilken utførelsesform som benyttes, kan en enkel løsning bestå i manuell avgivelse av styresignalet, men fortrinnsvis konstrueres anordningen på en slik måte at styresignalet avgis etter en modifikasjon av skipets driftsbetingelser, slik som særlig etter en modifikasjon som gjelder enten rotasjonshastigheten eller den effekt som overføres til en av akslene. Regardless of which embodiment is used, a simple solution can consist of manual delivery of the control signal, but preferably the device is constructed in such a way that the control signal is delivered after a modification of the ship's operating conditions, such as in particular after a modification concerning either the rotation speed or the power that is transmitted to one of the axles.

Andre fordeler og særtrekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå mer detaljert ved gjennomgang av den etterfølgende beskrivelse av utførelsesformer gitt som eksempel med henvisning til den vedføyde tegning, på hvilken: Fig. 1 er et blokkskjema av en utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen, fig. 2 er et blokkskjema av et reguleringssystem i henhold til oppfinnelsen, og fig. 3 er et kretsskjema for en analog realisering som er egnet for utøvelse av anordningens reguleringsfase. Other advantages and distinctive features of the present invention will appear in more detail when reviewing the subsequent description of embodiments given as an example with reference to the attached drawing, in which: Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of the device according to the invention, fig. 2 is a block diagram of a regulation system according to the invention, and fig. 3 is a circuit diagram for an analog realization which is suitable for carrying out the regulation phase of the device.

De elementer som er vist i mer enn én figur, er i alle figurer gitt det samme henvisnings-tall. The elements shown in more than one figure are given the same reference number in all figures.

Med henvisning til fig. 1 omfatter anordningen en styrekrets COM som mottar forskjellige aktuelle opplysninger og som på den måte som er beskrevet nedenfor styrer de øvrige elementer. Den kan f.eks. være en mikroprosessor. With reference to fig. 1, the device comprises a control circuit COM which receives various relevant information and which, in the manner described below, controls the other elements. It can e.g. be a microprocessor.

En første regulator REG1 regulerer en første drivaksels rotasjonshastighet ved å frembringe et første effektforsyningssignal AL1 beregnet på den motor som driver akselen. På sin inngang mottar den forskjellen mellom en referanserotasjonshastighet CR tilført av styrekretsen COM samt rotasjonshastigheten MR1 slik den måles på akselen. A first regulator REG1 regulates the rotational speed of a first drive shaft by producing a first power supply signal AL1 intended for the motor driving the shaft. At its input, it receives the difference between a reference rotation speed CR supplied by the control circuit COM and the rotation speed MR1 as measured on the shaft.

En andre regulator REG2 regulerer rotasjonshastigheten av en andre drivaksel ved å frembringe et andre effektforsyningssignal AL2 beregnet på motoren som driver akselen. På sin inngang mottar den forskjellen mellom, for det første, summen av referanserotasjonshastigheten CR og et relativt posisjonssignai PR og, for det andre, den andre aksels rotasjonshastighet MR2. A second regulator REG2 regulates the rotational speed of a second drive shaft by producing a second power supply signal AL2 intended for the motor driving the shaft. At its input, it receives the difference between, firstly, the sum of the reference rotational speed CR and a relative position signal PR and, secondly, the second shaft's rotational speed MR2.

Det relative posisjonssignai PR genereres ved hjelp av en tredje regulator REG3 av f.eks. proporsjonal integreringstype, som på sin inngang mottar forskjellen mellom en vinkelforskyvningsreferanse CD fra styrekretsen COM og den målte vinkeldifferanse MD mellom de to drivaksler. The relative position signal PR is generated by means of a third regulator REG3 of e.g. proportional integration type, which receives at its input the difference between an angular displacement reference CD from the control circuit COM and the measured angular difference MD between the two drive shafts.

Målesignalene MR1, MR2 og MD som gjelder akslenes rotasjonshastighet eller deres vinkeldifferanse kan oppnås ved hjelp av posisjonskodeinnretninger anordnet på akslene. The measurement signals MR1, MR2 and MD relating to the rotational speed of the shafts or their angular difference can be obtained by means of position code devices arranged on the shafts.

I mange tilfeller drives imidlertid akslene ved hjelp av elektriske motorer. Det er da fordelaktig å erverve disse forskjellige målinger ved å utnytte effektforsyningsparametre som gjelder disse motorer, slik som frekvens og stator- og rotorspenning eller -strøm, eller de styresignaler som faktisk tilføres tyristorer når sådanne komponenter brukes for å gi effekt til motorene. Dette er en teknikk som er kjent for fagfolk på området og vil derfor ikke bli nærmere beskrevet. In many cases, however, the axles are driven by electric motors. It is then advantageous to acquire these different measurements by utilizing power supply parameters that apply to these motors, such as frequency and stator and rotor voltage or current, or the control signals that are actually supplied to thyristors when such components are used to provide power to the motors. This is a technique known to professionals in the field and will therefore not be described in more detail.

I en første kalibreringsfase reagerer styrekretsen COM på et styresignal CC ved å generere en rampefunksjon som en vinkelforskyvningsreferanse CD, slik at den målte vinkeldifferanse gradvis økes til 360°. Når et vibrasjonsminimum påvises, lagrer styrekretsen den tilsvarende verdi av vinkeldifferansen, som da representerer en optimal forskyvning DO. In a first calibration phase, the control circuit COM responds to a control signal CC by generating a ramp function as an angular displacement reference CD, so that the measured angular difference is gradually increased to 360°. When a vibration minimum is detected, the control circuit stores the corresponding value of the angle difference, which then represents an optimal displacement DO.

En erfaren person kan påvise vibrasjonsminimumet ved hjelp av hørselen. Det kan imidlertid også måles ved hjelp av en vibrasjonsføler VIB. En fordelaktig løsning består da i å beholde amplituden av en sådan vibrasjons grunnfrekvens som vibrasjonsnivået. Ved å registrere en avlesning av vibrasjonsnivået som funksjon av vinkeldifferansen over 360°, blir det lett å finne den minste verdi av nivået og identifisere den tilhørende optimale forskyvning DO. An experienced person can detect the vibration minimum by hearing. However, it can also be measured using a vibration sensor VIB. An advantageous solution then consists in keeping the amplitude of such a vibration's fundamental frequency as the vibration level. By recording a reading of the vibration level as a function of the angular difference over 360°, it becomes easy to find the minimum value of the level and identify the corresponding optimal displacement DO.

Dette første trinn kan eventuelt gjentas en eller flere ganger for å forbedre nøyaktighet-en, idet dette gjøres ved å ta gjennomsnittet av flere forskjellige nivåer for en gitt forskyvning. Denne teknikk er nok en gang velkjent og blir ikke nærmere beskrevet. This first step may optionally be repeated one or more times to improve accuracy, this being done by averaging several different levels for a given displacement. This technique is once again well known and will not be further described.

I et andre servostyringstrinn frembringer deretter styrekretsen COM verdien av nevnte optimale forskyvning DO som vinkelforskyvningsreferansen CD. De to drivaksler blir så servostyrt slik at de gir en vinkeldifferanse som er lik den optimale forskyvning. In a second servo control step, the control circuit COM then produces the value of said optimal displacement DO as the angular displacement reference CD. The two drive shafts are then servo-controlled so that they provide an angle difference equal to the optimal displacement.

Det skal bemerkes at styresignalet CC kan frembringes manuelt av kvalifisert personale, f.eks. kapteinen. Signalet kan imidlertid også genereres automatisk når det foreligger en modifikasjon i visse driftsbetingelser, slik som referanserotasjonshastigheten CR eller den effekt som tilføres en drivmotor. It should be noted that the control signal CC can be generated manually by qualified personnel, e.g. the captain. However, the signal can also be generated automatically when there is a modification in certain operating conditions, such as the reference rotation speed CR or the power supplied to a drive motor.

I servostyringstrinnet blir således begge aksler servostyrt med hensyn til vinkeldifferanse til en konstant verdi som tilsvarer den minste vibrasjon ved de driftsbetingelser som var tilstede under kalibreringstrinnet. Skjønt servostyring gir en vesentlig forbedring i forhold til teknikkens stilling, kan det skje at driftsbetingelsene forandrer seg i løpet av servostyringstrinnet, slik at det ikke foreligger noen garanti for at den optimale forskyvning som ble ervervet under kalibreringstrinnet, fortsatt er lik en viss tid senere. In the power steering step, both axles are thus power-controlled with regard to angular difference to a constant value corresponding to the smallest vibration at the operating conditions that were present during the calibration step. Although power steering provides a significant improvement compared to the state of the art, operating conditions may change during the power steering stage, so that there is no guarantee that the optimal displacement acquired during the calibration stage is still the same a certain time later.

En løsning på dette problem vil være å fremskaffe et styresignal fra tid til annen, enten manuelt eller automatisk, for periodisk å fornye kalibreringstrinnet. Ikke desto mindre foreslår oppfinnelsen et tredje trinn betegnet "reguleringstrinnet", hvor den optimale forskyvning kontinuerlig oppdateres ved hjelp av et regulatorsystem. A solution to this problem would be to provide a control signal from time to time, either manually or automatically, to periodically renew the calibration step. Nevertheless, the invention proposes a third step called the "regulation step", where the optimal displacement is continuously updated by means of a regulator system.

Med henvisning til fig. 2 etterfølges vibrasjonsføleren VIB av en filtermodul PBF som isolerer grunnkomponenten i signalet avgitt fra føleren, for å frembringe et nivåsignal NI som representerer nevnte komponents amplitude. En differensieringsmodul DER er anordnet for å avlede nivåsignalet NI i forhold til den målte vinkeldifferanse MD. Dette består i å regulere verdien av nivåsignalet NI til en minste verdi og en av de mulige metoder går ut på å ta differensialkvotienten for en passende funksjon og regulere i forhold til en referanseverdi VR som er lik null. With reference to fig. 2, the vibration sensor VIB is followed by a filter module PBF which isolates the basic component of the signal emitted from the sensor, in order to produce a level signal NI which represents said component's amplitude. A differentiation module DER is arranged to derive the level signal NI in relation to the measured angular difference MD. This consists in regulating the value of the level signal NI to a minimum value and one of the possible methods consists in taking the differential quotient of a suitable function and regulating in relation to a reference value VR which is equal to zero.

I en første utførelsesform tar differensieringsmodulen den tidsderiverte dNI av nivåsignalet NI og den tidsderiverte dMD av den målte vinkeldifferanse MD, for å frembringe et differensieringssignal Dl som er lik forholdet mellom den første og andre deriverte dNI/dMD. In a first embodiment, the differentiation module takes the time derivative dNI of the level signal NI and the time derivative dMD of the measured angular difference MD, to produce a differentiation signal D1 equal to the ratio of the first and second derivatives dNI/dMD.

I en andre utførelsesform er det mulig å benytte en diskret representasjon av de forskjellige variabler hvor i representerer tidsintervallet, og ved å indeksere nevnte variabler i adskilte tidsintervaller i kan differensieringssignalet Dl beregnes ved hjelp av det etter-følgende uttrykk: In a second embodiment, it is possible to use a discrete representation of the different variables where i represents the time interval, and by indexing said variables in separate time intervals i, the differentiation signal Dl can be calculated using the following expression:

Naturligvis er mange andre utførelsesformer tilgjengelig, og det er ikke mulig å vise dem her på en uttømmende måte. Det viktige poeng er å bestemme fortegnet for differensieringssignalet Dl, og en enkel måte består da i å bedømme den retning som den målte vinkeldifferanse MD varierer i. Naturally, many other embodiments are available and it is not possible to show them here in an exhaustive manner. The important point is to determine the sign of the differentiation signal D1, and a simple way then consists in judging the direction in which the measured angular difference MD varies.

En fjerde regulator REG4 av f.eks. proporsjonal type, mottar på sin inngang differansen mellom referanseverdien VR (antatt å være lik null) og differensieringssignalet Dl for å frembringe et reguleringssignal RS. A fourth regulator REG4 of e.g. proportional type, receives at its input the difference between the reference value VR (assumed to be equal to zero) and the differentiation signal Dl to produce a control signal RS.

Kort tid etter servostyringstrinnet begynner således styrekretsen COM et reguleringstrinn, hvor referansevinkelforskyvningen CD passerer trinnvis fra den optimale forskyvnings-verdi DO slik den ble ervervet under kalibreringstrinnet, til verdien av reguleringssignalet RS. Dette resultat kan oppnås ved at forskyvningsreferansen CD frembringes som en funksjon F av typen F = a(t) x DO + b(t) x RS, hvor a(t) er tilbøyelig til å gå mot null og b(t) er tilbøyelig til å gå mot en konstant ettersom t går mot uendelig. Et fordelaktig, spesielt tilfelle består i å innstille b(t) = 1 - a(t). Denne funksjon kan realiseres digitalt i styrekretsen. Shortly after the power steering step, the control circuit COM thus begins a regulation step, where the reference angular displacement CD passes step by step from the optimal displacement value DO as it was acquired during the calibration step, to the value of the regulation signal RS. This result can be achieved by generating the displacement reference CD as a function F of the type F = a(t) x DO + b(t) x RS, where a(t) tends to go towards zero and b(t) tends to approach a constant as t approaches infinity. An advantageous, special case consists in setting b(t) = 1 - a(t). This function can be implemented digitally in the control circuit.

Med henvisning til fig. 3 er det også mulig å realisere funksjonen på analog måte. I dette tilfelle er det anordnet første og andre brytere S1 og S2 som styres synkront, slik at åpning av den første bryter S1 sammenfaller med lukning av den andre bryter S2. With reference to fig. 3, it is also possible to realize the function in an analogous way. In this case, first and second switches S1 and S2 are arranged which are controlled synchronously, so that opening of the first switch S1 coincides with closing of the second switch S2.

Den første bryter S1 mottar først den optimale forskyvning DO og er forbundet med den første klemme på henholdsvis en første kondensator C1 og en første motstand R1. Den andre klemme på den første kondensator C1 er forbundet med jord mens den andre klemme på den første motstand R1 er ført til en inngang for en addisjonskrets SUM. The first switch S1 first receives the optimal displacement DO and is connected to the first terminal of a first capacitor C1 and a first resistor R1, respectively. The second terminal of the first capacitor C1 is connected to ground while the other terminal of the first resistor R1 is connected to an input for an addition circuit SUM.

Den andre bryter S2 mottar for det første reguleringssignalet RS og er for det andre forbundet med den første klemme på henholdsvis en andre kondensator C2 og en andre motstand R2. Den andre klemme på den andre kondensator C2 er forbundet med jord mens den andre klemme på den andre motstand 2R er ført til en annen inngang for addisjonskretsen SUM. Utgangen fra addisjonskretsen gir da den vinkelforskyvningsreferanse CD som skal anvendes. The second switch S2 firstly receives the first control signal RS and is secondly connected to the first terminal of a second capacitor C2 and a second resistor R2 respectively. The other terminal of the second capacitor C2 is connected to ground while the other terminal of the second resistor 2R is connected to another input of the addition circuit SUM. The output from the addition circuit then gives the angular displacement reference CD to be used.

Ved overgangen fra servostyringstrinnet til reguleringstrinnet, sørger styrekretsen for omveksling av den første og andre bryter S1 og S2, som veksler fra henholdsvis lukket til åpen og fra åpen til lukket stilling. At the transition from the power steering stage to the regulation stage, the control circuit provides for switching of the first and second switches S1 and S2, which alternate from closed to open and from open to closed position, respectively.

Claims

1. Device for reducing vibration in a ship equipped with at least two drive shafts, the device comprising servo control equipment (REG1, REG2, REG3) to servo control the angular difference (MD) of the two shafts to a reference value (CD), characterized in that the device also includes calibration equipment to find an optimal angular displacement (DO) between the axles, which corresponds to a vibration minimum, as well as control equipment (COM) which responds to a control signal (CC) by successively activating said calibration equipment and then said power steering equipment, the optimal angular displacement (DO) is set as the reference value (CD).

2. Device as stated in claim 1, and which, when said drive shafts are driven by electric motors, has measuring equipment to derive said angular difference (MD) from the motors' power supply parameters.

3. Device as stated in claim 1 or 2, and which also comprises a vibration sensor (VIB) to detect said optimal angular displacement (DO).

4. Device as stated in claim 3, which comprises a regulation system (PBF, DER, REG4) to produce a regulation signal (RS) that represents the variation in the vibration level, said control equipment (COM) determining this regulation signal (RS) as the reference value ( CD) after determining the optimal angular displacement (DO).

5. Device as specified in claim 4, and where said control signal (RS) represents the differential quotient for the base level of the vibrations.

6. Device as stated in one of the preceding claims, and which is designed for manual transmission of the control signal (CC).

7. Device as specified in one of the preceding claims, and where the control signal (CC) is emitted after a modification that applies to either the speed of rotation or the power transmitted by one of the shafts.