WO2013113681A1 - Method for the operation of a marine propeller - Google Patents

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WO2013113681A1
WO2013113681A1 PCT/EP2013/051636 EP2013051636W WO2013113681A1 WO 2013113681 A1 WO2013113681 A1 WO 2013113681A1 EP 2013051636 W EP2013051636 W EP 2013051636W WO 2013113681 A1 WO2013113681 A1 WO 2013113681A1
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ship
cavitation
sensor
noise
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PCT/EP2013/051636
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Joachim Hoffmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/18—Propellers with means for diminishing cavitation, e.g. supercavitation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/22—Use of propulsion power plant or units on vessels the propulsion power units being controlled from exterior of engine room, e.g. from navigation bridge; Arrangements of order telegraphs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing

Definitions

  • a method of operating a ship's propeller the present invention relates to a method for Operator Op ben ⁇ a ship's propeller.
  • Cavitation is generally understood to mean the formation of cavities in a liquid. In the case of hydrodynamic cavitation see this cavitation is caused by a flow-induced change in the static pressure in the liquid ⁇ speed.
  • the object of the present invention to provide an improved method for operating a ship's propeller.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 4.
  • the inventive method for operating a ship propeller ⁇ comprising the steps of: detecting an induced gas cavitation and / or Pseudokavitation noise in a solid state by a sensor; Transmitting egg nes measurement signal of the sensor by a non-contact Studentstra ⁇ transmission method from the sensor to a signal processing unit, that an evaluation unit; and generating control ⁇ command for changing the speed of the propeller by a drive motor and / or for changing the Blattan- pitch angle of the ship propeller by a servomotor.
  • the control commands are generated by the signal processing ⁇ unit, in response to the received measurement signal.
  • the inventive device for operating a ship propeller ⁇ comprises a sensor unit, a Signalübertra ⁇ supply unit and a signal processing unit.
  • the sensor is able to detect a noise caused by gas cavitation and / or pseudo cavitation on a solid body.
  • the signal transmission unit is for contactless
  • the signal processing unit is for generating control commands to a drive motor for changing the propeller speed and / or to a servomotor for changing the blade pitch angle of
  • Suitable ship propeller wherein the control commands are generated in depen ⁇ dependence on the received measurement signal.
  • the present invention utilizes the fact that in the hydrodynamic cavitation usually three different types are observed cavitation: on the one hand as “hard cavitation” or “cold boiling” designated Dampfka ⁇ vitation, on the other hand, the “soft under the term Kavita ⁇ tion "summarized types of gas cavitation and pseu- docavitation, see, for example, Sauer, Jürgen: Transient cavitating currents - A new model, based on Front Capturing (VoF) and Bladder Dynamics, Dissertation, Faculty of Mechanical Engineering, University of Düsseldorf (TH), 2000,
  • Gas cavitation is based on another phenomenon: as the static pressure of the fluid decreases, so does the solubility of a gas dissolved in the fluid, eg of air. In the transition from dissolved gas by diffusion in the undissolved state, small gas-filled cavities form in the liquid. When Gaskavita ⁇ tion therefore a dependent of the saturation pressure Ausdif ⁇ fusion of dissolved in the liquid gases occurs.
  • pseudo-cavitation which - as the prefix "pseudo" indicates - is not really a "formation" of cavities in a liquid
  • the pseudo-cavitation thus does not designate "formation” of cavities, but rather a “widening" of gas bubbles of the gases undissolved in the liquid as a result of a pressure reduction. Only with completely degassed and cleaned liquids, the cavities fill exclusively with steam.
  • cavitation usually occurs as a combination of gas, pseudo and vapor cavitation.
  • the gas and the steam cavitation occur in a mixed form.
  • bubbles at the so-called cavitation nuclei grow through gas cavitation and pseudo-cavitation up to a critical radius, with the attainment of which and the associated drop below the vapor pressure curve then steam cavitation sets in.
  • gas cavitation is a very slow process compared to steam cavitation and pseudo cavitation.
  • gas cavitation re-solution of the Gasbla ⁇ sen in areas of higher pressure does not take place abruptly.
  • the gas cavitation usually does not lead to WerkstoffSchä ⁇ ending; the gas bubbles even act as a kind of damper counteracts the high frequency blows of vapor cavitation, see Vortmann, Claas: Studies on Thermodyna ⁇ dynamics of the phase transition in the numerical calculation kavi- animal Nozzles currents; Dissertation, Faculty of Mechanical Engineering, University of Düsseldorf (TH), 2001,
  • pseudo-cavitation usually does not cause any damage to a ship propeller, since the gas-filled cavities merely grow and shrink, but do not implode. Also in terms of noise, the steam cavitation differs significantly from the gas and pseudo cavitation. While the pressure surges in steam cavitation lead to a relatively strong development of noise, the characteristic cavitation noise, the two other types of cavitation, the gas and the pseudo-cavitation, produce only a relatively quiet noise.
  • Vapor cavitation and gas / Pseudokavitation differ in the following point: vapor cavitation occurs only when the static pressure exceeds the boiling point in the direction of the FLÜS ⁇ sigen phase to the gaseous phase. Gas and Pseudokavitation, and thus their "noise" on the other hand occurs, in principle, always on when the pressure in the water changes, however, the boiling point and the gas solubility mitein ⁇ other are coupled. In the preliminary stage of vapor cavitation, the gas solubility decreases, so the dissolved gas is mixed ent ⁇ . the gas solubility is so greatly reduced shortly before reaching the boiling point, that a strong Bla uses sen Struktur, and thus a detectable noise. so the Entmischungslui leads to noise detek- to be advantage.
  • the invention thus makes it possible to detect an imminent, ie immediately imminent onset of steam cavitation.
  • countermeasures can be taken in good time and the unfavorable side effects of steam cavitation avoided.
  • the measurement of the evoked by the gas and / or Pseudoka ⁇ levitation noise is not carried out by an acoustic or pressure measurement in the surrounding of the ship's propeller liquid phase, but by a tapping acoustic signals to a solid state such as the propeller itself, to a propeller shaft or on a the ship hull ship ⁇ skin in question, that is on a fixed body in the vicinity of the liquid phase.
  • the noise caused by the gas and / or pseudo cavitation is written on a acoustic conductor acting solid, such as the drive shaft, acoustically measured; Gas and / or pseudo-cavitation are caused by a rotation of the ship's propeller in the liquid phase.
  • a watercraft eg has a submarine
  • the invention offers the possibility of the speed of the vessel, ie the speed of the ship's propeller to optimum avoiding vapor cavitation and consequent cavitation mieren.
  • the solid body of the ship propeller and / or serving for driving the propeller propeller shaft and / or a ship's skin are provided.
  • the contactless transmission method uses electromagnetic waves, preferably radio waves or optical waves.
  • the sensor unit can be arranged on a vessel, into ⁇ particular to the ship's propeller and / or serving at a power for turning the propeller drive shaft and / or egg ⁇ nem hull of the watercraft.
  • a sensor is provided which is suitable for detecting an induced gas cavitation and / or Pseudokavitation noise in the liquid, is transmitted upon detection of said noise a measurement signal from the sensor to a signal ⁇ processing unit, and generates the Signalverar ⁇ beitungsech triggered by an input of Messsig ⁇ Nals, data relating to the change of at least one operation ⁇ size of the ship propeller.
  • said detection is used as an indicator of a change in the static pressure in the liquid.
  • the said detection is used to determine a range of values within which a content of a dissolved gas in the liquid.
  • overpressure thrust
  • stroke negative pressure
  • the term "propeller” includes all propellers that are used to drive a water ⁇ vehicle, such as a ship or a submarine. In the case of the operation of a ship's propeller noise of the gas and Pseudokavitation serves as an indication that the static pressure of the liquid in the region of the Pro ⁇ Pellers changes. in particular, a reduction of the static pressure is of importance since it can mean an upcoming insertion of vapor cavitation.
  • the noise is detected and thus determined that the static pressure in the liquid, in particular in the water carrying the vessel is reduced, can reduce the speed of the propeller and / or the angle of attack of at least one when operating a ship propeller as a possible counter ⁇ measure
  • Propeller blades of the shipper ⁇ pellers are changed to the pressure on the back lift and thus not reach the area of steam cavitation.
  • Other measures to increase the pressure on the back of the propeller blades are blowing in water or opening ducts penetrating the propeller blades, through which water can flow from the overpressure to the vacuum side.
  • a sensor which can detect the said noise on a propeller shaft, which serves to drive the ship's propeller.
  • the propeller shaft is mechanically fixed to the propeller to enable it to rotate.
  • the sensor preferably contacts the propeller shaft. It is also possible lent that at least a part of the sensor on the shaft buildin ⁇ is Untitled.
  • a sensor when using the method in the operation of a ship's propeller, a sensor is provided, which can detect said noise on a ship's hull.
  • the hull forms the outer shell of the vessel, which will be ⁇ moved by using the ship's propeller.
  • the sensor preferably contacted the ship's hull ⁇ . It is also possible that at least part of the sensor is attached to the hull.
  • a sensor when using the method in the operation of a ship's propeller, a sensor is provided which can detect the said noise on the ship's propeller.
  • the sensor preferably contacted the Propel ⁇ ler. It is also possible that at least a part of the sensor is attached to the propeller, eg on a propeller blade.
  • the sensor unit is arranged on a watercraft, in particular on a propeller and / or on a propeller driving shaft and / or on a hull of the watercraft. Since cavitation formation is dependent not only on the static pressure p in the liquid and the temperature T of the liquid but also on n, ie on the number or concentration of dissolved gases in the liquid, the content or saturation state of liquids can be determined with this method derived Geloes ⁇ th gases.
  • the propeller provokes gas cavitation and / or pseudo cavitation and the resulting noise in the fluid.
  • the speed of rotation of the propeller is preferably increased slowly until the point is reached at which the typical noise can then be detected.
  • this application comprises the further steps of: performing a calibration where different values to the content of the dissolved gas in the liquid in each case a corresponding boundary ⁇ speed is determined; and storing the corres ⁇ exploding pairs of values of gas content and speed limit for a subsequent step of said deriving.
  • the limit velocity at which the gas and / or Pseudokavitation and caused thereby noise up occurs so the range of values can be derived from the stored value pairs, in which the Content of dissolved gas is. It is possible that in this application, the propeller is operated at intervals or continuously operated at this limit speed after reaching the limit speed. It is possible to operate the propeller continuously at a limit revolution speed; If the gas content exceeds a critical limit, gas and / or pseudo-cavitation and the characteristic noise occur.
  • Fig. 1 is a phase diagram of water; 2 a ship propeller;
  • FIG. 3 shows a signal processing chain; and FIG. 4 shows a control circuit.
  • the static pressure p in the liquid is lowered, for example as a result of egg ⁇ ner rotation of a ship's propeller.
  • the static pressure p decreases to the point where it reaches the boiling point curve SPK at the second state point P2
  • steam cavitation starts even with a further drop in the pressure p, for example, up to the third state point P3, persists.
  • Fig. 2 shows a plan view of a ship's propeller 1 comprising a propeller 2 and a plurality of attached thereto Propel ⁇ ler hypothesis. 3
  • the propeller 1 with the Propellerblät ⁇ tern 3 is brought in the operation of the propeller 1 in the water 5 by a shaft 4 for rotation.
  • the shaft 4 protrudes through a sealed with a seal 10 against ingress of water 5 opening in a ship's skin 8 into the interior 9 of a ship's hull, where it can be rotated by a drive motor in rotation.
  • Each movement of the leaves 3 in the water 5 causes changes in the static pressure in the water 5.
  • these pressure changes only become so great at a certain speed that steam cavitation occurs.
  • occur even with small changes in pressure in the water 5 cavitation onsarten the gas and the pseudo cavitation, through which with gas, especially air, filled bubbles 6 in the water 5 he testify ⁇ .
  • Vibrations About the fixed connection of the propeller 1 with the shaft 4, these vibrations are also detectable by a vibration sensor 11 c, which is in contact with the shaft 4.
  • FIG. 3 shows a signal processing chain consisting of a sensor 11, a signal processing unit 12 and a control unit 13.
  • the sensor 11 is one of the sensors IIa, IIb and 11c shown in FIG. If the sensor 11 detects a noise caused by the gas bubbles and pseudo-cavitation associated air bubbles 6, he sends a corresponding measurement signal 14 to the signal processing ⁇ unit 12. It is possible that the sensor 11 is only a measurement signal 14 to the signal processing unit 12 transmits when the sound pressure level of the noise a predetermined
  • Threshold exceeds.
  • the sensor 11 generates independent of the sound pressure level of the noise measurement ⁇ signals 14 that it sends to the signal processing unit 12th
  • an evaluation or filtering of the measurement signals 14 can be carried out by the signal processing unit 12.
  • the signal transmission from the sensor 11 to the signal processing unit 12 preferably takes place via a cable, for example via a conducting wire, since a wireless transmission by means of electromagnetic waves in the water may be subject to a relatively high attenuation due to absorption.
  • the Sensor is arranged on the rotating propeller, the electrical connection can be maintained by means arranged for example in the propeller hub sliding contacts.
  • the signal processing unit receives a measurement signal 14 12 that corresponds to a noise level with a minimum sound pressure, it generates data 15 which relate to a ⁇ nde ⁇ tion of the static pressure in the liquid.
  • the data 15 may be in the form of a flag variable which simply indicates whether noise has been detected.
  • the data 15 may include information about a sound level, a waveform, a frequency, and other characteristics of the noise.
  • the data 15 may also include output data for output on an output device, eg, a screen or a speaker, to inform a user of the detected noise.
  • the data 15 generated by the signal processing unit 12 contain input data for a ne control unit 13, which according to the input data, for example in a motor driving the shaft 4, a speed reduction or in a the propeller blades 3 controlling actuator a change in an angle of the Pro ⁇ pellertrust 3 causes.
  • Those measures aim at a displayed by the noise reduction of the pressure in the water stati ⁇ rule 5 to stop or reverse, so that insertion of the vapor cavitation is avoided.
  • FIG. 4 shows a control circuit for operating a ship's propeller.
  • a sound pressure or vibration is measured by a sensor for detecting a noise in the water caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation.
  • the sensor 11 may be one of the sensors IIa, IIb and 11c shown in FIG.
  • box 31 it is checked whether the sensor has detected an evoked by Gaskavitati ⁇ on and / or Pseudokavitation noise in the water.
  • An assignment of a measured noise to a gas cavitation and / or pseudo-cavitation can, for example, be based on characteristic properties of the measured value, such as frequencies, amplitudes, oscillation form, etc. In this way, a noise caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation can be distinguished from other noises.
  • test result in box 31 that the sensor has detected an evoked by gas cavitation and / or noise in the water Pseudokavitation Y is put ⁇ asks in box 32 whether this noise exceeds a predetermined threshold, for example, using a sound level or a
  • a control signal 35 is generated, for example a command to be sent to a motor for reducing a rotational speed of the propeller or a command to be sent to an actuating device for reducing an angle of attack of the propeller blades.
  • a control signal 35 is generated, for example a command to be sent to a motor for reducing a rotational speed of the propeller or a command to be sent to an actuating device for reducing an angle of attack of the propeller blades.
  • a control signal 37 is generated in field 33, for example a command to increase the speed of the propeller or a command to be transmitted to the actuating device Command to increase the angle of attack of the propeller blades. Since the low volume of the noise indicates that there is still no danger of getting into the area of steam cavitation, these measures can further increase the thrust of the propeller and thus further increase the static pressure be lowered. In parallel, the loop 38 returns to the field 30 so that a new measurement can take place.
  • test in box 31 shows that the sensor has detected no noise in the water caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation, then it is possible to proceed directly to box 33.

Abstract

The invention relates to a method for the operation of a marine propeller (1) comprising the following steps: - detection, by means of a sensor (11), of noise on a solid body (1, 4, 8) caused by gas cavitation and/or pseudocavitation, - transmission of a measurement signal of the sensor (11) by means of a contactless transmission method from the sensor (11) to a signal processing unit, and - generation of control commands by the signal processing unit depending on the received measurement signal to change the propeller speed by means a drive motor and/or to change the angle of attack of the blade of the marine propeller (1) by means of an actuator.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben eines Schiffspropellers Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrei¬ ben eines Schiffspropellers. A method of operating a ship's propeller, the present invention relates to a method for Operator Op ben ¬ a ship's propeller.
Unter Kavitation versteht man im Allgemeinen die Bildung von Hohlräumen in einer Flüssigkeit. Im Falle der hydrodynami- sehen Kavitation wird diese Hohlraumbildung durch eine strömungsbedingte Änderung des statischen Drucks in der Flüssig¬ keit verursacht. Cavitation is generally understood to mean the formation of cavities in a liquid. In the case of hydrodynamic cavitation see this cavitation is caused by a flow-induced change in the static pressure in the liquid ¬ speed.
Jedes durch Wasser bewegte Objekt ruft ab einer bestimmten Geschwindigkeit Kavitation hervor. Beim Betrieb eines Every object moved by water causes cavitation at a certain speed. When operating a
Schiffspropellers, im Allgemeinen auch als „Schiffsschraube" bezeichnet, wird ab einer bestimmten Drehzahl Kavitation beobachtet. Kavitation stellt in den meisten Fällen ein Problem dar, da die daraus resultierenden Druckstöße im Wasser Korro- sion und Erosion der Propellerblätter zur Folge haben können. Außerdem kann das Kavitationsgeräusch bei verschiedenen Anwendungen stören und zu betrieblichen Einschränkungen führen. So kann bei einem Einsatz eines propellergetriebenen Schiffes als Forschungsschiff das Kavitationsgeräusch Messungen im Wasser stören. Weiterhin kann dieses Geräusch Meerestiere stören, wodurch beispielsweise der Bewegungsradius von Kreuz¬ fahrtschiffen oder Fähren eingeschränkt sein kann. Das Kavitationsgeräusch erlaubt auch eine akustische Ortung eines Schiffes, was z.B. bei einem Unterseeboot unerwünscht sein kann. Ship propellers, commonly referred to as "propellers", are subject to cavitation at a certain speed, and cavitation is a problem in most cases, as the resulting pressure surges in the water can cause corrosion and erosion of propeller blades disrupt the cavitation in various applications and lead to operational constraints. So when using a propeller-driven boat can be used as research vessel disrupt the cavitation noise measurements in the water. Furthermore, this noise disturbing marine life, which, for example, the range of motion of cross ¬ ride ships or ferries may be limited. The cavitation noise also allows an acoustic location of a ship, which may be undesirable in a submarine, for example.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Schiffspropellers anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 4. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Schiffs¬ propellers umfasst folgende Schritte: Detektieren eines durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenen Rauschens an einem Festkörper durch einen Sensor; Übertragen ei- nes Messsignals des Sensors durch ein kontaktloses Übertra¬ gungsverfahren von dem Sensor zu einer Signalverarbeitungseinheit, d.h. eine Auswerteeinheit; und Erzeugen von Steuer¬ befehlen zur Veränderung der Drehzahl des Propellers durch einen Antriebsmotor und/oder zur Veränderung des Blattan- Stellwinkels des Schiffspropellers durch einen Stellmotor.It is an object of the present invention to provide an improved method for operating a ship's propeller. The object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 4. The inventive method for operating a ship propeller ¬ comprising the steps of: detecting an induced gas cavitation and / or Pseudokavitation noise in a solid state by a sensor; Transmitting egg nes measurement signal of the sensor by a non-contact Übertra ¬ transmission method from the sensor to a signal processing unit, that an evaluation unit; and generating control ¬ command for changing the speed of the propeller by a drive motor and / or for changing the Blattan- pitch angle of the ship propeller by a servomotor.
Die Steuerbefehle werden dabei durch die Signalverarbeitungs¬ einheit erzeugt, und zwar in Abhängigkeit vom empfangenen Messsignal . Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Schiffs¬ propellers umfasst eine Sensoreinheit, eine Signalübertra¬ gungseinheit und eine Signalverarbeitungseinheit. Der Sensor ist in der Lage, ein durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenes Rauschen an einem Festkörper zu detek- tieren. Die Signalübertragungseinheit ist zur kontaktlosenThe control commands are generated by the signal processing ¬ unit, in response to the received measurement signal. The inventive device for operating a ship propeller ¬ comprises a sensor unit, a Signalübertra ¬ supply unit and a signal processing unit. The sensor is able to detect a noise caused by gas cavitation and / or pseudo cavitation on a solid body. The signal transmission unit is for contactless
Übertragung eines Messsignals von dem Sensor zu einer Signalverarbeitungseinheit geeignet. Die Signalverarbeitungseinheit ist zum Erzeugen von Steuerbefehlen an einen Antriebsmotor zur Veränderung der Propeller-Drehzahl und/oder an einen Stellmotor zur Veränderung des Blattanstellwinkels des Transmission of a measurement signal from the sensor to a signal processing unit suitable. The signal processing unit is for generating control commands to a drive motor for changing the propeller speed and / or to a servomotor for changing the blade pitch angle of
Schiffspropellers geeignet, wobei die Steuerbefehle in Abhän¬ gigkeit vom empfangenen Messsignal generiert werden. Suitable ship propeller, wherein the control commands are generated in depen ¬ dependence on the received measurement signal.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache, dass bei der hydrodynamischen Kavitation in der Regel drei verschiedene Arten von Kavitation beobachtet werden: einerseits die als „harte Kavitation" oder „kaltes Sieden" bezeichnete Dampfka¬ vitation, andererseits die unter dem Begriff „weiche Kavita¬ tion" zusammengefassten Arten der Gaskavitation und der Pseu- dokavitation; siehe z.B. Sauer, Jürgen: Instationär kavitie- rende Strömungen - Ein neues Modell, basierend auf Front Cap- turing (VoF) und Blasendynamik; Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Karlsruhe (TH) , 2000, The present invention utilizes the fact that in the hydrodynamic cavitation usually three different types are observed cavitation: on the one hand as "hard cavitation" or "cold boiling" designated Dampfka ¬ vitation, on the other hand, the "soft under the term Kavita ¬ tion "summarized types of gas cavitation and pseu- docavitation, see, for example, Sauer, Jürgen: Transient cavitating currents - A new model, based on Front Capturing (VoF) and Bladder Dynamics, Dissertation, Faculty of Mechanical Engineering, University of Karlsruhe (TH), 2000,
http : //digbib . ubka . uni-karlsruhe .de/volltexte/3122000. http: // digbib. ubka. uni-karlsruhe .de / fulltext / 3122000.
Dampfkavitation beschreibt die Bildung dampfgefüllter Hohl- räume (= Dampfblasen) aufgrund einer Abnahme des statischen Drucks der Flüssigkeit: Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der statische Druck einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit ist. Fällt der statische Druck der Flüssigkeit unter deren Verdampfungs- druck, bilden sich Dampfblasen. Die Dampfblasen werden anschließend meist mit der strömenden Flüssigkeit in Gebiete höheren Druckes mitgerissen. Überschreitet der statische Druck den Dampfdruck wieder, brechen die Dampfblasen implosionsartig, praktisch mit Schallgeschwindigkeit, zusammen. Steam cavitation describes the formation of vapor-filled cavities (= vapor bubbles) due to a decrease in the static pressure of the liquid: according to Bernoulli's law, the higher the velocity of the flowing liquid, the lower the static pressure of a liquid. If the static pressure of the liquid falls below its evaporation pressure, vapor bubbles form. The vapor bubbles are then entrained mostly with the flowing liquid in areas of higher pressure. If the static pressure again exceeds the vapor pressure, the vapor bubbles collapse like an implosion, practically with the speed of sound.
Durch einen zusammenstürzenden Hohlraum können sehr hoheBy a collapsing cavity can very high
Druckstöße entstehen. Daneben tritt beim Implodieren in der Regel ein Kavitationsgeräusch auf, da ein Teil der freiwerdenden Energie in Form von Schallwellen abgegeben wird. Der Gaskavitation dagegen liegt ein anderes Phänomen zugrunde: Mit der Abnahme des statischen Drucks der Flüssigkeit verringert sich auch die Löslichkeit eines in der Flüssigkeit gelösten Gases, z.B. von Luft. Beim Übergang von gelöstem Gas durch Diffusion in den ungelösten Zustand bilden sich in der Flüssigkeit kleine gasgefüllte Hohlräume. Bei der Gaskavita¬ tion erfolgt also eine vom Sättigungsdruck abhängige Ausdif¬ fusion der in der Flüssigkeit gelösten Gase. Pressure surges arise. In addition, a cavitation noise usually occurs during imploding, as part of the released energy is emitted in the form of sound waves. Gas cavitation, on the other hand, is based on another phenomenon: as the static pressure of the fluid decreases, so does the solubility of a gas dissolved in the fluid, eg of air. In the transition from dissolved gas by diffusion in the undissolved state, small gas-filled cavities form in the liquid. When Gaskavita ¬ tion therefore a dependent of the saturation pressure Ausdif ¬ fusion of dissolved in the liquid gases occurs.
Bei der Pseudokavitation, bei der es sich - wie bereits die Vorsilbe „pseudo" andeutet - im eigentlichen Sinne um keine „Bildung" von Hohlräumen in einer Flüssigkeit handelt, vergrößern in der Flüssigkeit bereits vorhandene, durch ihre mikroskopisch geringe Ausdehnung aber bisher unbemerkt gebliebene Gasbläschen aufgrund einer Abnahme des statischen Drucks der Flüssigkeit ihr Volumen. Die Pseudokavitation bezeichnet also keine „Bildung" von Hohlräumen, sondern eine „Aufweitung" von Gasblasen der in der Flüssigkeit ungelösten Gase infolge einer Druckabsenkung. Nur bei völlig entgasten und gereinigten Flüssigkeiten füllen sich die Hohlräume ausschließlich mit Dampf. In der Praxis, d.h. in realen Strömungen, tritt Kavitation in der Regel als eine Kombination von Gas-, Pseudo- und Dampf-Kavitation auf. Insbesondere treten die Gas- und die Dampfkavitation in einer Mischform auf. Zunächst wachsen an den sogenannten Kavitationskeimen Blasen durch Gaskavitation und Pseudokavitation bis zu einem kritischen Radius an, mit dessen Erreichen und dem damit einhergehenden Unterschreiten der Dampfdruckkurve dann Dampfkavitation einsetzt. In the case of pseudo-cavitation, which - as the prefix "pseudo" indicates - is not really a "formation" of cavities in a liquid, the gas bubbles already present in the liquid, but so far unnoticed because of their microscopically small extent, increase due to a decrease in the static pressure of the liquid its volume. The pseudo-cavitation thus does not designate "formation" of cavities, but rather a "widening" of gas bubbles of the gases undissolved in the liquid as a result of a pressure reduction. Only with completely degassed and cleaned liquids, the cavities fill exclusively with steam. In practice, ie in real flows, cavitation usually occurs as a combination of gas, pseudo and vapor cavitation. In particular, the gas and the steam cavitation occur in a mixed form. First of all, bubbles at the so-called cavitation nuclei grow through gas cavitation and pseudo-cavitation up to a critical radius, with the attainment of which and the associated drop below the vapor pressure curve then steam cavitation sets in.
Obwohl alle drei genannten Kavitationsformen - Dampf-, Gas- und Pseudokavitation - praktisch gleichzeitig auftreten, ha- ben sie eine sehr unterschiedliche Bedeutung in der Technik, z.B. für den Schiffsbetrieb. Although all three types of cavitation - steam, gas and pseudo cavitation - occur virtually simultaneously, they have very different meanings in the art, e.g. for ship operation.
Im Hinblick auf ihr Schädigungspotential gegenüber einem Werkstoff, z.B. einem Metall, aus welchem der Schiffspropel- 1er hergestellt ist, ist zu berücksichtigen, dass es sich bei der Gaskavitation, verglichen mit der Dampfkavitation und der Pseudokavitation, um einen sehr langsamen Vorgang handelt. Bei der Gaskavitation erfolgt die erneute Lösung der Gasbla¬ sen in Bereichen höheren Druckes nicht schlagartig. Deshalb führt die Gaskavitation in der Regel zu keiner WerkstoffSchä¬ digung; die Gasblasen wirken sogar wie eine Art Dämpfer, der den hochfrequenten Schlägen der Dampfkavitation entgegen wirkt, siehe Vortmann, Claas: Untersuchungen zur Thermodyna¬ mik des Phasenübergangs bei der numerischen Berechnung kavi- tierender Düsenströmungen; Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Karlsruhe (TH) , 2001, With regard to their potential for damage to a material, eg a metal, from which the ship propeller is manufactured, it has to be taken into account that gas cavitation is a very slow process compared to steam cavitation and pseudo cavitation. When gas cavitation re-solution of the Gasbla ¬ sen in areas of higher pressure does not take place abruptly. Therefore, the gas cavitation usually does not lead to WerkstoffSchä ¬ ending; the gas bubbles even act as a kind of damper counteracts the high frequency blows of vapor cavitation, see Vortmann, Claas: Studies on Thermodyna ¬ dynamics of the phase transition in the numerical calculation kavi- animal Nozzles currents; Dissertation, Faculty of Mechanical Engineering, University of Karlsruhe (TH), 2001,
http : //digbib . ubka . uni-karlsruhe .de/volltexte/3202001. http: // digbib. ubka. uni-karlsruhe .de / fulltext / 3202001.
Ähnlich wie die Gaskavitation führt auch die Pseudokavitation in der Regel zu keiner Schädigung eines Schiffspropellers, da die gasgefüllten Hohlräume lediglich wachsen und schrumpfen, aber nicht implodieren. Auch im Hinblick auf die Geräuschentwicklung unterscheidet sich die Dampfkavitation erheblich von der Gas- und Pseudokavitation. Während die Druckstöße bei der Dampfkavitation zu einer relativ starken Geräuschentwicklung, dem charakteristi- sehen Kavitationsgeräusch führen, rufen die beiden anderen Kavitationsarten, die Gas- und die Pseudokavitation, lediglich ein relativ leises Rauschen hervor. Similar to gas cavitation, pseudo-cavitation usually does not cause any damage to a ship propeller, since the gas-filled cavities merely grow and shrink, but do not implode. Also in terms of noise, the steam cavitation differs significantly from the gas and pseudo cavitation. While the pressure surges in steam cavitation lead to a relatively strong development of noise, the characteristic cavitation noise, the two other types of cavitation, the gas and the pseudo-cavitation, produce only a relatively quiet noise.
Dampfkavitation und Gas-/Pseudokavitation unterscheiden sich in dem folgenden Punkt: Dampfkavitation tritt nur auf, wenn der statische Druck die Siedelinie in Richtung von der flüs¬ sigen Phase zu der gasförmigen Phase überschreitet. Gas- und Pseudokavitation, und damit deren „Rauschen", tritt dagegen prinzipiell immer auf, wenn sich der Druck im Wasser ändert. Allerdings sind der Siedepunkt und die Gaslöslichkeit mitein¬ ander gekoppelt: In der Vorstufe zur Dampfkavitation verringert sich die Gaslöslichkeit, so dass das gelöste Gas ent¬ mischt wird. Die Gaslöslichkeit wird kurz vor dem Erreichen des Siedepunkts so stark herabgesetzt, dass eine starke Bla- senbildung einsetzt, und damit ein detektierbares Rauschen. Der Entmischungsprozess führt also zum Rauschen, das detek- tiert werden soll. Vapor cavitation and gas / Pseudokavitation differ in the following point: vapor cavitation occurs only when the static pressure exceeds the boiling point in the direction of the FLÜS ¬ sigen phase to the gaseous phase. Gas and Pseudokavitation, and thus their "noise" on the other hand occurs, in principle, always on when the pressure in the water changes, however, the boiling point and the gas solubility mitein ¬ other are coupled. In the preliminary stage of vapor cavitation, the gas solubility decreases, so the dissolved gas is mixed ent ¬. the gas solubility is so greatly reduced shortly before reaching the boiling point, that a strong Bla uses senbildung, and thus a detectable noise. so the Entmischungsprozess leads to noise detek- to be advantage.
Die Erfindung erlaubt es somit, ein drohendes, d.h. unmittel- bar bevorstehendes Einsetzen der Dampfkavitation zu detektie- ren. Somit können rechtzeitig Gegenmaßnahme ergriffen und die unvorteilhaften Begleiterscheinungen der Dampfkavitation vermieden werden. Dabei wird die Messung des durch die Gas- und/oder Pseudoka¬ vitation hervorgerufenen Rauschens nicht durch eine akustische oder Druckmessung in der den Schiffspropeller umgebenden flüssigen Phase durchgeführt, sondern durch ein Abgreifen akustischer Signale an einem Festkörper wie dem Propeller selbst, an einer Propellerwelle oder an einer den Schiffs¬ rumpf betreffenden Schiffshaut, d.h. an einem Festkörper in der Umgebung der flüssigen Phase. Das durch die Gas- und/oder Pseudokavitation hervorgerufene Rauschen wird auf einem als akustischer Leiter wirkendem Festkörper, z.B. der Antriebswelle, akustisch gemessen; dabei werden Gas- und/oder Pseudo- kavitation durch eine Rotation des Schiffspropellers in der flüssigen Phase hervorgerufen. The invention thus makes it possible to detect an imminent, ie immediately imminent onset of steam cavitation. Thus, countermeasures can be taken in good time and the unfavorable side effects of steam cavitation avoided. The measurement of the evoked by the gas and / or Pseudoka ¬ levitation noise is not carried out by an acoustic or pressure measurement in the surrounding of the ship's propeller liquid phase, but by a tapping acoustic signals to a solid state such as the propeller itself, to a propeller shaft or on a the ship hull ship ¬ skin in question, that is on a fixed body in the vicinity of the liquid phase. The noise caused by the gas and / or pseudo cavitation is written on a acoustic conductor acting solid, such as the drive shaft, acoustically measured; Gas and / or pseudo-cavitation are caused by a rotation of the ship's propeller in the liquid phase.
Im Gefahrenfall, z.B. in der Nähe eines feindlichen Ortungs¬ schiffes, muss ein Wasserfahrzeug, z.B. ein U-Boot, so schnell wie möglich den gegenwärtigen, eventuell bereits ge¬ orteten Standort verlassen können, ohne Geräusche zu erzeu- gen, die eine Ortung des Wasserfahrzeugs ermöglichen. In ei¬ ner solchen Situation bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs, d.h. die Drehzahl des Schiffspropellers, unter Vermeidung von Dampfkavitation und einem damit einhergehenden Kavitationsgeräusch zu opti- mieren. In case of danger, such as near an enemy positioning ¬ ship, a watercraft, eg has a submarine, can leave the current, possibly already ge ¬ orteten location as quickly as possible, called to erzeu- without noises of a localization Enable watercraft. In ei ¬ ner such a situation, the invention offers the possibility of the speed of the vessel, ie the speed of the ship's propeller to optimum avoiding vapor cavitation and consequent cavitation mieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängi- gen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umgekehrt . Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims. In this case, the method according to the invention can also be developed in accordance with the dependent device claims, and vice versa.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist der Festkörper der Schiffspropeller und/oder eine zum Antreiben des Schiffspropellers dienende Propellerwelle und/oder eine Schiffshaut . According to a preferred embodiment of the method, the solid body of the ship propeller and / or serving for driving the propeller propeller shaft and / or a ship's skin.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nutzt das kontaktlose Übertragungsverfahren elektromagnetische Wel- len, vorzugsweise Radiowellen oder optische Wellen. According to a preferred embodiment of the method, the contactless transmission method uses electromagnetic waves, preferably radio waves or optical waves.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Sensoreinheit an einem Wasserfahrzeug angeordnet werden, ins¬ besondere an dem Schiffspropeller und/oder an einer zum An- trieb des Propellers dienenden Antriebswelle und/oder an ei¬ nem Rumpf des Wasserfahrzeugs. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Sensor bereitgestellt, der zur Detektion eines durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenen Rauschens in der Flüssigkeit geeignet ist, wird bei einer Detektion des besagten Rauschens ein Messsignal vom Sensor zu einer Signal¬ verarbeitungseinheit gesendet, und erzeugt die Signalverar¬ beitungseinheit, ausgelöst durch einen Eingang des Messsig¬ nals, Daten, welche die Änderung mindestens einer Betriebs¬ größe des Schiffspropellers betreffen. According to a preferred embodiment of the method, the sensor unit can be arranged on a vessel, into ¬ particular to the ship's propeller and / or serving at a power for turning the propeller drive shaft and / or egg ¬ nem hull of the watercraft. According to a preferred embodiment of the method, a sensor is provided which is suitable for detecting an induced gas cavitation and / or Pseudokavitation noise in the liquid, is transmitted upon detection of said noise a measurement signal from the sensor to a signal ¬ processing unit, and generates the Signalverar ¬ beitungseinheit triggered by an input of Messsig ¬ Nals, data relating to the change of at least one operation ¬ size of the ship propeller.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die besagte Detektion als ein Anzeiger für eine Änderung des statischen Druck in der Flüssigkeit genutzt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die besagte Detektion zur Ermittlung eines Wertebereichs genutzt wird, innerhalb dessen ein Gehalt eines in der Flüssigkeit gelösten Gases liegt. Auf der Vorderseite der Propellerblätter entsteht ein Überdruck (Schub) , während auf der Rückseite der Propellerblätter ein Unterdruck (Hub) auftritt. Der Begriff „Schiffspropeller" umfasst dabei alle Propeller, die zum Antrieb eines Wasser¬ fahrzeugs dienen, z.B. eines Schiffes oder eines U-Boots. Im Fall des Betriebs eines Schiffspropellers dient das Rauschen der Gas- und Pseudokavitation als ein Hinweis dafür, dass sich der statische Druck der Flüssigkeit im Bereich des Pro¬ pellers ändert. Insbesondere eine Verringerung des statischen Drucks ist dabei von Bedeutung, da dies ein bevorstehendes Einsetzen von Dampfkavitation bedeuten kann. According to a preferred embodiment of the method, said detection is used as an indicator of a change in the static pressure in the liquid. According to a preferred embodiment of the method, the said detection is used to determine a range of values within which a content of a dissolved gas in the liquid. On the front of the propeller blades creates an overpressure (thrust), while on the back of the propeller blades, a negative pressure (stroke) occurs. The term "propeller" includes all propellers that are used to drive a water ¬ vehicle, such as a ship or a submarine. In the case of the operation of a ship's propeller noise of the gas and Pseudokavitation serves as an indication that the static pressure of the liquid in the region of the Pro ¬ Pellers changes. in particular, a reduction of the static pressure is of importance since it can mean an upcoming insertion of vapor cavitation.
Wird das Rauschen detektiert und somit festgestellt, dass sich der statische Druck in der Flüssigkeit, insbesondere in dem das Wasserfahrzeug tragenden Wasser, verringert, kann beim Betrieb eines Schiffspropellers als eine mögliche Gegen¬ maßnahme die Drehzahl des Propellers verringert und/oder der Anstellwinkel zumindest eines Propellerblatts des Schiffspro¬ pellers verändert werden, um den Druck auf der Rückseite an- zuheben und somit nicht in den Bereich der Dampfkavitation zu gelangen. Andere Maßnahmen zum Anheben des Drucks auf der Rückseite der Propellerblätter sind ein Einblasen von Wasser oder ein Öffnen von die Propellerblätter durchdringenden Ka- nälen, durch welche Wasser von der Überdruck- zur Unterdruckseite strömen kann. If the noise is detected and thus determined that the static pressure in the liquid, in particular in the water carrying the vessel is reduced, can reduce the speed of the propeller and / or the angle of attack of at least one when operating a ship propeller as a possible counter ¬ measure Propeller blades of the shipper ¬ pellers are changed to the pressure on the back lift and thus not reach the area of steam cavitation. Other measures to increase the pressure on the back of the propeller blades are blowing in water or opening ducts penetrating the propeller blades, through which water can flow from the overpressure to the vacuum side.
Es ist möglich, dass bei der Anwendung des Verfahrens beim Betrieb eines Schiffspropellers ein Sensor bereitgestellt wird, der das besagte Rauschen an einer Propellerwelle detek- tieren kann, die dem Antrieb des Schiffspropellers dient. Die Propellerwelle ist mit dem Propeller mechanisch fest verbunden, um ihn in Rotation versetzen zu können. Der Sensor kontaktiert vorzugsweise die Propellerwelle. Es ist auch mög- lieh, dass zumindest ein Teil des Sensors an der Welle befes¬ tigt ist. It is possible that in the application of the method in the operation of a ship's propeller, a sensor is provided, which can detect the said noise on a propeller shaft, which serves to drive the ship's propeller. The propeller shaft is mechanically fixed to the propeller to enable it to rotate. The sensor preferably contacts the propeller shaft. It is also possible lent that at least a part of the sensor on the shaft buildin ¬ is Untitled.
Es ist möglich, dass bei der Anwendung des Verfahrens beim Betrieb eines Schiffspropellers ein Sensor bereitgestellt wird, der das besagte Rauschen an einem Schiffsrumpf detek- tieren kann. Der Schiffsrumpf bildet dabei die äußere Hülle des Wasserfahrzeugs, das mithilfe des Schiffspropellers be¬ wegt wird. Der Sensor kontaktiert vorzugsweise den Schiffs¬ rumpf. Es ist auch möglich, dass zumindest ein Teil des Sen- sors an dem Schiffsrumpf befestigt ist. It is possible that when using the method in the operation of a ship's propeller, a sensor is provided, which can detect said noise on a ship's hull. The hull forms the outer shell of the vessel, which will be ¬ moved by using the ship's propeller. The sensor preferably contacted the ship's hull ¬. It is also possible that at least part of the sensor is attached to the hull.
Es ist möglich, dass bei der Anwendung des Verfahrens beim Betrieb eines Schiffspropellers ein Sensor bereitgestellt wird, der das besagte Rauschen an dem Schiffspropeller detek- tieren kann. Der Sensor kontaktiert vorzugsweise den Propel¬ ler. Es ist auch möglich, dass zumindest ein Teil des Sensors an dem Propeller befestigt ist, z.B. an einem Propellerblatt. It is possible that when using the method in the operation of a ship's propeller, a sensor is provided which can detect the said noise on the ship's propeller. The sensor preferably contacted the Propel ¬ ler. It is also possible that at least a part of the sensor is attached to the propeller, eg on a propeller blade.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Detektorvorrichtung ist die Sensoreinheit an einem Wasserfahrzeug angeordnet, insbesondere an einem Propeller und/oder an einer den Propeller antreibenden Welle und/oder an einem Rumpf des Wasserfahrzeugs . Da die Kavitationsbildung neben dem statischen Druck p in der Flüssigkeit und der Temperatur T der Flüssigkeit auch von n, d.h. der Anzahl bzw. der Konzentration der gelösten Gase in der Flüssigkeit abhängig ist, lässt sich mit diesem Verfahren der Gehalt bzw. Sättigungszustand von in Flüssigkeiten gelös¬ ten Gasen ableiten. Der Propeller provoziert die Gaskavitation und/oder Pseudokavitation und das dadurch hervorgerufene Rauschen in der Flüssigkeit. Hierzu wird die Umdrehungsge- schwindigkeit des Propellers vorzugsweise langsam gesteigert, bis der Punkt erreicht wird, an dem sich dann das typische Rauschen detektieren lässt. Durch den Einbau eines Propellers in ein Kühl- oder Heizsystem, z.B. eine Kühl- oder Heizwasserleitung, kann somit das erfindungsgemäße Verfahren zur Be- Stimmung der Gaskavitation und/oder Pseudokavitation eingesetzt werden. According to a preferred embodiment of the detector device, the sensor unit is arranged on a watercraft, in particular on a propeller and / or on a propeller driving shaft and / or on a hull of the watercraft. Since cavitation formation is dependent not only on the static pressure p in the liquid and the temperature T of the liquid but also on n, ie on the number or concentration of dissolved gases in the liquid, the content or saturation state of liquids can be determined with this method derived Geloes ¬ th gases. The propeller provokes gas cavitation and / or pseudo cavitation and the resulting noise in the fluid. For this purpose, the speed of rotation of the propeller is preferably increased slowly until the point is reached at which the typical noise can then be detected. By installing a propeller in a cooling or heating system, for example a cooling or heating water line, the method according to the invention for controlling gas cavitation and / or pseudo-cavitation can thus be used.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst diese Anwendung folgende weitere Schritte: Durchführen einer Kalibrierung, bei der zu verschiedenen Werten des Gehalts des in der Flüssigkeit gelösten Gases jeweils eine korrespondierende Grenz¬ geschwindigkeit ermittelt wird; und Speichern der korrespon¬ dierenden Wertepaare von Gasgehalt und Grenzgeschwindigkeit für einen nachfolgenden Schritt des besagten Ableitens. Durch den Schritt des Kalibrierens wird für unterschiedliche Gas¬ konzentrationen ermittelt, bei welcher Umdrehungsgeschwindig¬ keit des Propellers die Gas- und/oder Pseudokavitation und das dadurch hervorgerufene Rauschen in der Flüssigkeit auf¬ tritt. Die so ermittelten Wertepaare können, optional mit weiteren extra- bzw. interpolierten zusätzlichen Werten, in einer Speichereinheit gespeichert werden. Wird später für ei¬ ne Flüssigkeit mit einem unbekannten Gehalt an gelöstem Gas die Grenzgeschwindigkeit ermittelt, bei der die Gas- und/oder Pseudokavitation und das dadurch hervorgerufene Rauschen auf- tritt, so kann aus den abgespeicherten Wertepaaren der Wertebereich abgeleitet werden, in dem der Gehalt an gelöstem Gas liegt . Es ist möglich, dass bei dieser Anwendung der Propeller in Intervallen betrieben wird oder nach Erreichen der Grenzgeschwindigkeit kontinuierlich bei dieser Grenzgeschwindigkeit betrieben wird. Man kann den Propeller kontinuierlich bei ei- ner Grenzumdrehungszahl permanent betreiben; überschreitet der Gasgehalt einen kritischen Grenzwert, kommt es zur Gas- und/oder Pseudokavitation und dem charakteristischen Rauschen . Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu- tert werden. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabs¬ getreu According to a preferred embodiment of this application comprises the further steps of: performing a calibration where different values to the content of the dissolved gas in the liquid in each case a corresponding boundary ¬ speed is determined; and storing the corres ¬ exploding pairs of values of gas content and speed limit for a subsequent step of said deriving. By the step of calibrating in which Umdrehungsgeschwindig ¬ ness of the propeller, the gas and / or Pseudokavitation and the noise caused thereby in the fluid is determined for different gas concentrations ¬ occurs ¬. The value pairs determined in this way can optionally be stored in a memory unit with additional extra or interpolated additional values. Is to be determined for ei ¬ ne fluid having an unknown concentration of dissolved gas, the limit velocity at which the gas and / or Pseudokavitation and caused thereby noise up occurs, so the range of values can be derived from the stored value pairs, in which the Content of dissolved gas is. It is possible that in this application, the propeller is operated at intervals or continuously operated at this limit speed after reaching the limit speed. It is possible to operate the propeller continuously at a limit revolution speed; If the gas content exceeds a critical limit, gas and / or pseudo-cavitation and the characteristic noise occur. The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings. It shows in each case schematically and not true to scale ¬
Fig. 1 ein Phasendiagramm von Wasser; Fig. 2 einen Schiffspropeller; Fig. 1 is a phase diagram of water; 2 a ship propeller;
Fig. 3 eine Signalverarbeitungskette; und Fig. 4 einen Regelkreis. 3 shows a signal processing chain; and FIG. 4 shows a control circuit.
Fig. 1 zeigt ein p-T-Phasendiagramm von Wasser, in dem die drei verschiedenen Aggregatzustände fest S, flüssig L und gasförmig V durch als Linien gezeichnete Phasengrenzen voneinander getrennt sind. Die Linie zwischen dem Tripelpunkt T3 und dem kritischen Punkt C, d.h. die Phasengrenze zwischen flüssig L und gasförmig V, bildet die für die Dampfkavitation bedeutende Siedepunktskurve SPK. 1 shows a p-T phase diagram of water in which the three different states of matter solid S, liquid L and gaseous V are separated by phase boundaries drawn as lines. The line between the triple point T3 and the critical point C, i. the phase boundary between liquid L and gaseous V, forms the boiling point curve SPK, which is important for steam cavitation.
Ausgehend von einem ersten Zustandspunkt PI wird der stati- sehe Druck p in der Flüssigkeit erniedrigt, z.B. infolge ei¬ ner Rotation einer Schiffsschraube. Wenn der statische Druck p soweit absinkt, dass er die Siedepunktskurve SPK am zweiten Zustandspunkt P2 erreicht, setzt Dampfkavitation ein, die auch bei einem weiteren Abfall des Drucks p, z.B. bis hin zum dritten Zustandspunkt P3, bestehen bleibt. Starting from a first state point PI, the static pressure p in the liquid is lowered, for example as a result of egg ¬ ner rotation of a ship's propeller. When the static pressure p decreases to the point where it reaches the boiling point curve SPK at the second state point P2, steam cavitation starts even with a further drop in the pressure p, for example, up to the third state point P3, persists.
Bereits bei einer Druckänderung im flüssigen Phasenbereich L zwischen dem ersten Zustandspunkt PI und dem zweiten Zustandspunkt P2 kommt es zu Gaskavitation und/oder Pseudokavitation, mit einem entsprechenden Rauschen. Je weiter der Druck p im flüssigen Phasenbereich L entlang der Strecke Pl- P2 sich der Siedepunktskurve SPK annähert, desto deutlicher wird das durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufene Rauschen. Even with a pressure change in the liquid phase region L between the first state point PI and the second state point P2, gas cavitation and / or pseudo cavitation occurs, with a corresponding noise. The further the pressure p in the liquid phase region L along the path P1-P2 approaches the boiling point curve SPK, the clearer becomes the noise caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation.
Um die schädlichen Begleiterscheinungen der Dampfkavitation, wie Korrosion und laute Implosionsgeräusche, zu vermeiden, besteht z.B. beim Betrieb einer Schiffsschraube das Bestre¬ ben, ein Absinken des statischen Drucks p im Wasser unterhalb des Siededrucks SPK zu vermeiden, d.h. Zustände entlang der gestrichelt gezeichneten Strecke P2-P3. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Schiffspropeller 1, der eine Propellernabe 2 und mehrere daran befestigte Propel¬ lerblätter 3 umfasst. Der Propeller 1 mit den Propellerblät¬ tern 3 wird beim Betrieb des Propellers 1 im Wasser 5 durch eine Welle 4 zur Rotation gebracht. Die Welle 4 ragt durch eine mit einer Dichtung 10 gegen ein Eindringen von Wasser 5 abgedichtete Öffnung in einer Schiffshaut 8 in das Innere 9 eines Schiffsrumpfes hinein, wo sie von einem Antriebsmotor in Drehung versetzt werden kann. Jede Bewegung der Blätter 3 im Wasser 5 ruft Änderungen des statischen Drucks im Wasser 5 hervor. Allerdings werden diese Druckänderungen erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit so groß, dass Dampfkavitation auftritt. Im Gegensatz dazu treten bereits bei kleinen Druckänderungen im Wasser 5 die Kavitati- onsarten der Gas- und der Pseudokavitation auf, durch welche mit Gas, insbesondere Luft, gefüllte Blasen 6 im Wasser 5 er¬ zeugt werden. Beim Betrieb des Propellers 1 wachsen und schrumpfen diese der Gas- und der Pseudokavitation zugeordne- te Luftblasen 6 fortwährend. Ein dadurch hervorgerufenes Rau¬ schen breitet sich in Form von Schallwellen 7 durch das Wasser 5 aus . Die von den Blasen 6 ausgehenden Schallwellen 7 erreichen einen auf einem Propellerblatt 3 angeordneten Drucksensor IIb. Die Schallwellen 7 treffen auch auf die Schiffshaut 8 und re¬ gen diese zu Schwingungen an. Diese Schwingungen können durch einen Schwingungssensor 11c, der mit der Schiffshaut 8 in Kontakt steht, detektiert werden. Außerdem treffen die In order to avoid the harmful side effects of steam cavitation, such as corrosion and loud implosion noises, there is, for example when operating a ship propeller ¬ ben, a lowering of the static pressure p in the water below the boiling pressure SPK to avoid, ie states along the dashed line P2 -P3. Fig. 2 shows a plan view of a ship's propeller 1 comprising a propeller 2 and a plurality of attached thereto Propel ¬ lerblätter. 3 The propeller 1 with the Propellerblät ¬ tern 3 is brought in the operation of the propeller 1 in the water 5 by a shaft 4 for rotation. The shaft 4 protrudes through a sealed with a seal 10 against ingress of water 5 opening in a ship's skin 8 into the interior 9 of a ship's hull, where it can be rotated by a drive motor in rotation. Each movement of the leaves 3 in the water 5 causes changes in the static pressure in the water 5. However, these pressure changes only become so great at a certain speed that steam cavitation occurs. In contrast, occur even with small changes in pressure in the water 5 cavitation onsarten the gas and the pseudo cavitation, through which with gas, especially air, filled bubbles 6 in the water 5 he testify ¬ . During operation of the propeller 1 these grow and shrink the gas and the pseudo cavitation associated te bubbles 6 continuously. An characterized evoked Rau ¬ rule spreads in the form of sound waves through the water 7 from 5. The sound waves 7 emanating from the bubbles 6 reach a pressure sensor IIb arranged on a propeller blade 3. The sound waves 7 also impinge on the ship's skin 8 and cause it to oscillate. These vibrations can be detected by a vibration sensor 11c in contact with the ship's skin 8. In addition, the meet
Schallwellen 7 auf den Propeller 1 und regen diesen zu Sound waves 7 on the propeller 1 and rain this
Schwingungen an. Über die feste Verbindung des Propellers 1 mit der Welle 4 sind diese Schwingungen auch durch einen Schwingungssensor 11c detektierbar, der mit der Welle 4 in Kontakt steht. Vibrations. About the fixed connection of the propeller 1 with the shaft 4, these vibrations are also detectable by a vibration sensor 11 c, which is in contact with the shaft 4.
Fig. 3 zeigt eine Signalverarbeitungskette, bestehend aus ei¬ nem Sensor 11, einer Signalverarbeitungseinheit 12 und einer Steuereinheit 13. Der Sensor 11 ist einer der in Fig. 2 dar- gestellten Sensoren IIa, IIb und 11c. Wenn der Sensor 11 ein Rauschen detektiert, das durch der Gas- und der Pseudokavita- tion zugeordnete Luftblasen 6 hervorgerufen wird, sendet er ein entsprechendes Messsignal 14 zu der Signalverarbeitungs¬ einheit 12. Es ist möglich, dass der Sensor 11 erst ein Mess- signal 14 zu der Signalverarbeitungseinheit 12 sendet, wenn der Schalldruckpegel des Rauschens einen vorgegebenen 3 shows a signal processing chain consisting of a sensor 11, a signal processing unit 12 and a control unit 13. The sensor 11 is one of the sensors IIa, IIb and 11c shown in FIG. If the sensor 11 detects a noise caused by the gas bubbles and pseudo-cavitation associated air bubbles 6, he sends a corresponding measurement signal 14 to the signal processing ¬ unit 12. It is possible that the sensor 11 is only a measurement signal 14 to the signal processing unit 12 transmits when the sound pressure level of the noise a predetermined
Schwellwert überschreitet. Es ist aber auch möglich, dass der Sensor 11 unabhängig vom Schalldruckpegel des Rauschens Mess¬ signale 14 erzeugt, die er zu der Signalverarbeitungseinheit 12 sendet. In diesem Fall kann eine Auswertung bzw. Filterung der Messsignale 14 durch die Signalverarbeitungseinheit 12 erfolgen . Threshold exceeds. However, it is also possible that the sensor 11 generates independent of the sound pressure level of the noise measurement ¬ signals 14 that it sends to the signal processing unit 12th In this case, an evaluation or filtering of the measurement signals 14 can be carried out by the signal processing unit 12.
Die Signalübertragung von dem Sensor 11 zu der Signalverar- beitungseinheit 12 erfolgt vorzugsweise leitungsgebunden, z.B. über einen Leitungsdraht, da eine drahtlose Übertragung mittels elektromagnetischer Wellen im Wasser einer relativ hohen Schwächung durch Absorption unterliegen kann. Falls der Sensor auf dem rotierenden Propeller angeordnet ist, kann die elektrische Verbindung mithilfe von z.B. in der Propellernabe angeordneten Schleifkontakten aufrechterhalten werden. Falls die Signalverarbeitungseinheit 12 ein Messsignal 14 empfängt, das einem Rauschen mit einem Mindest-Schalldruck- pegel entspricht, generiert sie Daten 15, welche eine Ände¬ rung des statischen Drucks in der Flüssigkeit betreffen. Die Daten 15 können in Form einer flag-Variable vorliegen, welche einfach angibt, ob ein Rauschen detektiert wurde. Alternativ oder zusätzlich können die Daten 15 Information über einen Schallpegel, eine Schwingungsform, eine Frequenz und andere Charakteristiken des Rauschens enthalten. Die Daten 15 können auch Ausgabedaten zur Ausgabe auf einem Ausgabegerät, z.B. einen Bildschirm oder einen Lautsprecher umfassen, um einen Nutzer über das detektierte Rauschen zu informieren. The signal transmission from the sensor 11 to the signal processing unit 12 preferably takes place via a cable, for example via a conducting wire, since a wireless transmission by means of electromagnetic waves in the water may be subject to a relatively high attenuation due to absorption. If the Sensor is arranged on the rotating propeller, the electrical connection can be maintained by means arranged for example in the propeller hub sliding contacts. If the signal processing unit receives a measurement signal 14 12 that corresponds to a noise level with a minimum sound pressure, it generates data 15 which relate to a Ände ¬ tion of the static pressure in the liquid. The data 15 may be in the form of a flag variable which simply indicates whether noise has been detected. Alternatively or additionally, the data 15 may include information about a sound level, a waveform, a frequency, and other characteristics of the noise. The data 15 may also include output data for output on an output device, eg, a screen or a speaker, to inform a user of the detected noise.
Im vorliegenden Beispiel enthalten die von der Signalverarbeitungseinheit 12 generierten Daten 15 Eingangsdaten für ei- ne Steuereinheit 13, welche entsprechend den Eingangsdaten z.B. bei einem die Welle 4 antreibenden Motor eine Drehzahlreduktion bzw. bei einer die Propellerblätter 3 ansteuernden Stellvorrichtung eine Änderung eines Anstellwinkels der Pro¬ pellerblätter 3 veranlasst. Diese Maßnahmen zielen darauf ab, eine durch das Rauschen angezeigte Verringerung des stati¬ schen Drucks im Wasser 5 anzuhalten bzw. umzukehren, so dass ein Einsetzen der Dampfkavitation vermieden wird. In the present example, the data 15 generated by the signal processing unit 12 contain input data for a ne control unit 13, which according to the input data, for example in a motor driving the shaft 4, a speed reduction or in a the propeller blades 3 controlling actuator a change in an angle of the Pro ¬ pellerblätter 3 causes. Those measures aim at a displayed by the noise reduction of the pressure in the water stati ¬ rule 5 to stop or reverse, so that insertion of the vapor cavitation is avoided.
Fig. 4 zeigt als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung einen Regelkreis zum Betreiben eines Schiffspropellers. In Feld 30 erfolgt eine Messung eines Schalldrucks oder einer Schwingung durch einen Sensor zur De- tektion eines durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenen Rauschens im Wasser. Bei dem Sensor 11 kann es sich um einen der in Fig. 2 dargestellten Sensoren IIa, IIb und 11c handeln. In Feld 31 wird geprüft, ob der Sensor ein durch Gaskavitati¬ on und/oder Pseudokavitation hervorgerufenes Rauschen im Wasser detektiert hat. Eine Zuordnung eines gemessenen Geräuschs zu einer Gaskavitation und/oder Pseudokavitation kann z.B. anhand charakteristischer Eigenschaften des Messwertes, wie Frequenzen, Amplituden, Schwingungsform, etc. erfolgen. Auf diese Weise kann ein durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenes Rauschen von anderen Geräuschen unterschieden werden. As a preferred embodiment of the present invention, FIG. 4 shows a control circuit for operating a ship's propeller. In field 30, a sound pressure or vibration is measured by a sensor for detecting a noise in the water caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation. The sensor 11 may be one of the sensors IIa, IIb and 11c shown in FIG. In box 31 it is checked whether the sensor has detected an evoked by Gaskavitati ¬ on and / or Pseudokavitation noise in the water. An assignment of a measured noise to a gas cavitation and / or pseudo-cavitation can, for example, be based on characteristic properties of the measured value, such as frequencies, amplitudes, oscillation form, etc. In this way, a noise caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation can be distinguished from other noises.
Falls die Prüfung in Feld 31 ergibt, dass der Sensor ein durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenes Rauschen im Wasser detektiert hat Y, wird in Feld 32 abge¬ fragt, ob dieses Rauschen einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, z.B. anhand eines Schallpegels oder einerIf the test result in box 31 that the sensor has detected an evoked by gas cavitation and / or noise in the water Pseudokavitation Y is abge ¬ asks in box 32 whether this noise exceeds a predetermined threshold, for example, using a sound level or a
Schwingungsamplitude. Ist dies der Fall Y, so wird Feld 34 erreicht, in dem ein Steuersignal 35 generiert wird, z.B. ein an einen Motor zu sendender Befehl zur Reduzierung einer Drehzahl des Propellers oder ein an eine Stellvorrichtung zu sendender Befehl zur Verkleinerung eines Anstellwinkels der Propellerblätter. Da die große Lautstärke des Rauschens an¬ zeigt, dass Gefahr besteht, in den Bereich der Dampfkavitati- on zu gelangen, muss durch diese Maßnahmen der statische Druck erhöht, und somit der Schub des Propellers erniedrigt werden. Parallel dazu wird über die Schleife 36 zu dem Feld 30 zurückgekehrt, so dass eine erneute Messung stattfinden kann . Oscillation amplitude. If this is the case Y, then field 34 is reached, in which a control signal 35 is generated, for example a command to be sent to a motor for reducing a rotational speed of the propeller or a command to be sent to an actuating device for reducing an angle of attack of the propeller blades. As the large volume of noise at ¬ shows that risk on to the realm of Dampfkavitati- to arrive, must be increased by these measures the static pressure, and thus the thrust of the propeller be lowered. In parallel, the loop 36 returns to the field 30 so that a new measurement can take place.
Ergibt dagegen die Abfrage in Feld 32, dass das detektierte Rauschen den vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet N, so wird in Feld 33 ein Steuersignal 37 generiert, z.B. ein an den Motor zu sendender Befehl zur Steigerung der Drehzahl des Propellers oder ein an die Stellvorrichtung zu sendender Befehl zur Vergrößerung des Anstellwinkels der Propellerblät- ter. Da die kleine Lautstärke des Rauschens anzeigt, dass noch keine Gefahr besteht, in den Bereich der Dampfkavitation zu gelangen, kann durch diese Maßnahmen der Schub des Propellers noch weiter erhöht und somit der statische Druck weiter erniedrigt werden. Parallel dazu wird über die Schleife 38 zu dem Feld 30 zurückgekehrt, so dass eine erneute Messung stattfinden kann. If, on the other hand, the query in field 32 indicates that the detected noise does not exceed the predetermined threshold value N, a control signal 37 is generated in field 33, for example a command to increase the speed of the propeller or a command to be transmitted to the actuating device Command to increase the angle of attack of the propeller blades. Since the low volume of the noise indicates that there is still no danger of getting into the area of steam cavitation, these measures can further increase the thrust of the propeller and thus further increase the static pressure be lowered. In parallel, the loop 38 returns to the field 30 so that a new measurement can take place.
Ergibt die Prüfung in Feld 31 andererseits, dass der Sensor kein durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenes Rauschen im Wasser detektiert hat N, so kann direkt zu dem Feld 33 fortgeschritten werden. On the other hand, if the test in box 31 shows that the sensor has detected no noise in the water caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation, then it is possible to proceed directly to box 33.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen . While the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Schiffspropellers (1), um¬ fassend folgende Schritte: 1. A method for operating a ship's propeller (1) in order ¬ the following steps:
- Detektieren, mittels eines Sensors (11), eines durch Gaska¬ vitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenen Rauschens an einem Festkörper (1, 4, 8); - detecting, by a sensor (11), one caused by Gaska ¬ levitation and / or Pseudokavitation noise on a solid body (1, 4, 8);
- Übertragen eines Messsignals (14) des Sensors (11) durch ein kontaktloses Übertragungsverfahren von dem Sensor (11) zu einer Signalverarbeitungseinheit (12); und  - transmitting a measurement signal (14) of the sensor (11) by a contactless transmission method from the sensor (11) to a signal processing unit (12); and
- Erzeugen von Steuerbefehlen, durch die Signalverarbeitungseinheit (12) und in Abhängigkeit vom empfangenen Messsignal (14), zur Veränderung der Propeller-Drehzahl durch einen Antriebsmotor und/oder zur Veränderung des Blattanstellwinkels des Schiffspropellers (1) durch einen Stellmotor.  - Generating control commands, by the signal processing unit (12) and in response to the received measurement signal (14), to change the propeller speed by a drive motor and / or to change the blade pitch of the ship propeller (1) by a servomotor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Festkörper (1, 4, 8) der Schiffspropeller (1) und/oder eine zum Antreiben des Schiffspropellers (1) dienende Propellerwelle (4) und/oder eine Schiffshaut (8) ist. 2. The method of claim 1, wherein the solid body (1, 4, 8) of the ship propeller (1) and / or for driving the ship's propeller (1) serving propeller shaft (4) and / or a ship's skin (8).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kontaktlose Übertragungsverfahren elektromagnetische Wellen, vorzugsweise im Radiobereich oder im optischen Bereich, nutzt. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the non-contact transmission method uses electromagnetic waves, preferably in the radio range or in the optical range.
4. Vorrichtung zum Betreiben eines Schiffspropellers (1), umfassend eine Sensoreinheit (11), eine Signalübertragungs¬ einheit und eine Signalverarbeitungseinheit (12), wobei der Sensor (11) ein durch Gaskavitation und/oder Pseudokavitation hervorgerufenes Rauschen an einem Festkörper (1, 4, 8) detektieren kann, die Signalübertragungseinheit zur kontaktlosen Übertragung eines Messsignals (14) von dem Sensor (11) zu ei¬ ner Signalverarbeitungseinheit (12) geeignet ist, und die Signalverarbeitungseinheit (12) in Abhängigkeit vom empfange- nen Messsignal (14) zum Erzeugen von Steuerbefehlen an einen Antriebsmotor bzw. einen Stellmotor zur Veränderung der Propeller-Drehzahl und/oder des Blattanstellwinkels des Schiffs¬ propellers (1) geeignet ist. 4. An apparatus for operating a ship's propeller (1), comprising a sensor unit (11), a signal transmission ¬ unit and a signal processing unit (12), wherein the sensor (11) caused by gas cavitation and / or pseudo-cavitation noise on a solid state (1, 4, can detect 8), the signal transmitting unit for the contactless transmission of a measuring signal (14) from the sensor (11) is adapted to ei ¬ ner signal processing unit (12), and the signal processing unit (12) (depending on the empfange- NEN measurement signal 14) for generating control commands to a drive motor or a servomotor for changing the propeller speed and / or the pitch angle of the ship ¬ propeller (1) is suitable.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (11) an einem Wasserfahrzeug angeord¬ net werden kann, insbesondere an dem Schiffspropeller (1) und/oder an einer zum Antrieb des Propellers (1) dienenden Welle (4) und/oder an einem Rumpf (8) des Wasserfahrzeugs. 5. The device according to claim 4, characterized in that the sensor unit (11) can be angeord ¬ net on a watercraft, in particular on the ship propeller (1) and / or on a to drive the propeller (1) serving shaft (4) and / or on a hull (8) of the vessel.
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