WO2014187584A1 - Optimierung eines antriebssystems mit einem verstellpropeller bei einem wasserfahrzeug während eines stoppmanövers - Google Patents

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WO2014187584A1
WO2014187584A1 PCT/EP2014/054114 EP2014054114W WO2014187584A1 WO 2014187584 A1 WO2014187584 A1 WO 2014187584A1 EP 2014054114 W EP2014054114 W EP 2014054114W WO 2014187584 A1 WO2014187584 A1 WO 2014187584A1
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propeller
drive system
speed
determined
maneuver
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PCT/EP2014/054114
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Inventor
Kay Tigges
Jens Wietoska
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/50—Slowing-down means not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/10—Propeller-blade pitch changing characterised by having pitch control conjoint with propulsion plant control

Definitions

  • the invention relates to a method of operating a drive system of a vessel at a stop maneuver, wherein the drive system comprises at least one rotary variable pitch propeller, comprising wherein each propeller blades with comparable chenem blade angle and which is driven by means of a Mo ⁇ tors, wherein the motor is a motor torque to the Performing variable pitch, wherein a speed of the watercraft and a propeller speed of the at least one variable pitch propeller are determined. Furthermore, the invention relates to a controller, a watercraft, a computer program and a computer program product for carrying out the method.
  • Such a method and such a drive system are used, for example, in watercraft, in which good maneuverability or very different Dau ⁇ er yorken are required, eg ferries, passenger ships, feeders.
  • the conventional propeller with fixed pitch propeller blades are rotatably mounted to the hub at the "Controllable pitch propeller", or variable.
  • the slope can ( “pitch") steplessly from zero ⁇ shear to maximum thrust in the direction of advance or Reset comparable , wherein the pitch angle or the slope ratio ⁇ nis can also be referred to as a blade angle.
  • the machine To accelerate the vessel from standstill, the machine is started at zero thrust and ramped up, for example, to cruise speed. It is not loaded by drive torque when starting. Consequently, the vehicle is not specifically refers to drive if the machine is ge ⁇ starts. A spin of the propeller shaft and the with connected motor by flow (eg of passing ships in the port) is prevented by the zero-thrust propeller. Watercraft with variable pitch propellers usually do not have a reverse gear, at most a reducer in fast-rotating engines. Thus, a substantial disadvantage is omitted in the drive system in comparison with convention ionel ⁇ len propulsion systems. The efficiency is cheaper at different speeds than in the case of a fixed propeller.
  • the drive can with the engine running of "forward” are reversed to "to ⁇ back", which is associated with considerable time savings, since the machine rela ⁇ hung instance must not be shut down to minimum speed not stopped. This significantly improves maneuverability.
  • the power with which the propeller is driven must either be fed back into the on-board power supply with appropriate power converters or burned out via so-called braking resistors.
  • braking resistors In order to ensure the stability of the electrical system and not drive the diesel generators in the reverse power range, therefore, a large structural and logistical effort is operated.
  • the regenerative converters are much more expensive than the purely motor-operated design.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned above, which allows a quick deceleration of the vessel in a simple manner.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned in the following steps in that a characteristic curve for the vessel is determined in advance, which different initial speeds of Was ⁇ serhuss at the beginning of the stop maneuver with at least je ⁇ Weils a time course of the blade angle and a time profile of the propeller speed linked in such a way that during the stop maneuver according to the characteristic operated drive system results in the shortest possibletechnischge ⁇ laid upstop of the vessel and the propeller speed does not exceed a predetermined, critical speed value, the drive system during the stop maneuver according to the previously determined characteristic is operated.
  • controller which has means for carrying out the method according to the invention, wherein the means comprise at least one computer unit and one memory unit, on which the apparatus for the
  • a watercraft with at least one drive system and the aforementioned control wherein the drive system comprises at least one rotatable variable pitch propeller which each has propeller blades with adjustable blade angle and which is drivable by means of a motor, wherein by means of the motor a Mo ⁇ Tordusmoment on the variable pitch propeller (1) can be exercised, wherein by means of a respective sensor, at least one speed of the watercraft and a propeller speed of the at least one variable pitch propeller can be determined.
  • the speed of the ship is ermit ⁇ telt, whereby the flow velocity of the water relative to the ship or the propeller into account can be considered.
  • sensors can be used for this purpose.
  • the propeller speed is also determined, for example by means of further sensors, in particular in the form of a transmitter.
  • the propeller speed may, for example, via electrical currents, is applied to wel ⁇ chen the motor by the inverter, to be determined.
  • the propeller torque of the at least one variable pitch propeller can be determined.
  • ver ⁇ turns be that the temporal change in the propeller speed is proportional to the difference between the Motordusmo ⁇ ment and the propeller torque, wherein in a
  • the engine torque can be determined based on the torque-generating current supplied to the motor.
  • the inventive method is used in watercraft with pitch-adjustable propeller blades and a pitch adjuster for adjusting the pitch of the propeller blades used.
  • a controller may be provided which can process the data from sensors and commands to the pitch adjuster, the engine, the inverter and, if appropriate, further ship components and parts of the
  • the characteristic according to which the drive system is operated during a stop maneuver can be determined, for example, by means of a calculation or a simulation, which is carried out for a specific vessel or for a particular type of vessel.
  • To determine the characteristic curve may be used that act during a Stoppma ⁇ Noevers forces on the vessel, such as the resistance of the hull of the watercraft, due to the advance drive, the resistance of the rudder as well as the thrust of the propeller.
  • the resistance of the vessel and the resistance of the rotor can be r
  • the blade angle of a positive blade angle so as to of that blade angle is achieved in which the verse ⁇ tellpropeller produces no more feed. Subsequently, the blade angle can be further changed until finally a negative blade angle is reached and a recoil ent ⁇ stands. In particular due to the friction of the water flowing past the hull of the ship, a delay of the ship can be effected overall during this Vorgan ⁇ ges. At the same time, the speed of the variable pitch propeller can be changed. This can be done by specifying a setpoint speed .
  • the stopping maneuver results in the shortest possible stopping distance of the watercraft, with the propeller speed not exceeding the specifiable, critical speed value.
  • the critical rotational ⁇ number value can be chosen in particular such that gra ⁇ fourende damage to the ship propulsion system can be avoided.
  • the Kennli ⁇ never provides to maintain the blade angle initially to "windmilling" to prevent particular.
  • the stop maneuver covered by the stop maneuver can provide an advantageous characteristic, in particular at lower initial speeds of the watercraft, of initially increasing the propeller speed, but maximally up to the critical speed value.
  • a distance of the vessel is determined to a collision obstacle, wherein the drive system additionally performs an evasive maneuver, if the distance traveled during the stop maneuver of the vessel Aufstoppweg is greater than the Ent ⁇ distance of the vessel to the collision obstacle.
  • the collision barrier may act to stationary obstacles such as reefs, port facilities and derglei ⁇ chen, or mobile obstacles such as other vessels.
  • the determination of the distance of the watercraft to the collision obstacle can be made in particular optically or by means of radar measurements.
  • position data of the obstacle can be supplied to the drive system in order to determine the distance.
  • an obstruction path traveled by the collision obstruction during the stop maneuver may be taken into account in determining the distance.
  • the obstacles may nisweg an allowable Aufstoppweg the watercraft ver ⁇ greater or smaller, depending on the direction in which the collision obstacle is moving.
  • the avoidance maneuver can be optimized, for example, that the drive system current position data of the vessel are accessible.
  • possible evasive maneuvers can be checked for feasibility, and finally an evasive maneuver can be selected which is feasible and at the same time ensures a safe distance to the possible collision obstacle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a drive system according to the invention ⁇ ees,
  • Figure 1 shows a schematic representation of anwhosbei ⁇ game of a drive system according to the invention.
  • An adjustment ⁇ propeller 1 is a reduction gear 4 from a motor n
  • variable pitch propeller 1 has propeller blades, which each have an adjustable blade angle 12, which can be changed by an adjustment unit 5.
  • the motor 3 is supplied by a converter 2 with power, wherein the inverter receives 2 sets of values with respect to the Mo ⁇ torwindiere 10 from a controller. 6
  • the controller 6 is supplied with the actual, measured by an encoder 7 Propel ⁇ lernaviere 11 and the controller 6 is further desired values with respect to the blade angle of 12 integral to the adjustment units. 5
  • FIG. 2 shows time profiles of a blade angle 12 according to an exemplary characteristic curve.
  • the characteristic was doing, like, determined in advance for the following figures and ensures that a run during a stopping maneuver according to the characteristic drive system of an associated What ⁇ serhuss completed in the shortest possible
  • the determined characteristic curve can furthermore take into account that different blade angles 12 are applied during the operation of the watercraft before the stop maneuver. For the sake of simplicity, a corresponding graphical representation is dispensed with.
  • FIG. 3 shows time profiles of a propeller speed 11 according to a further exemplary characteristic curve. Shown are different temporal profiles of the propeller speed 11, wherein on the x-axis the time on the y-axis is the Pro ⁇ pellerburniere 11 and on the z-axis of the initial velocity is 17 placed respectively in arbitrary units ⁇ wear.
  • the stop maneuver is started, wherein before the start of the stop maneuver different propeller speeds 11 are present.
  • the propeller speed 11 is increased rapidly and considerably at the beginning of the stopping maneuver.
  • the propeller speed 11 is maintained according to the present characteristic.
  • FIG. 4 shows a first example of a time course of a propeller speed 11 according to the characteristic and a speed 13 of a watercraft. Further, a blade angle of 12 and a Momentenbeiwerts 14 are shown in ⁇ play exemplary time profiles, wherein on the ordinate axis of the respective absolute value of said parameter and on the abscissa the time are respectively plotted in arbitrary units.
  • a positive moment coefficient 14 means that on the variable pitch propeller 1 a total positive ves torque acts.
  • the illustrated curves can in particular differ from the exemplary curves shown in FIGS. 2 and 3.
  • a stop maneuver is initiated and the blade angle 12 is reduced and finally changed to negative Win ⁇ angles.
  • the propeller speed 11 is increased by the engine speed 10 is increased until a maximum speed is reached.
  • the maximum speed can be selected, for example, that the propeller speed 11 a definable critical speed value do not exceed ⁇ tet.
  • Moment coefficient 14 decreases abruptly, but remains positive.
  • a negative moment coefficient 14 would indicate that a ne ⁇ gatives torque acts on the variable pitch propeller 1, and so ⁇ occurs with "windmilling".
  • the erstoff ⁇ te speed drops 13 of the water craft comparatively fast and the moment coefficient 14 decreases after a certain period of time, larger values
  • the determined speed 13 is steadily reduced until it finally assumes the value zero and the vessel is at rest, not shown here and here listed reference characters see the other figures.
  • FIG. 5 shows a second example of a time profile of a propeller speed 11 according to the characteristic curve and a speed 13 of a watercraft.
  • the calculated speed 13 and the Propel ⁇ lernaviere 11 before the start of stopping maneuver are lower.
  • the propeller speed becomes 11 solid increases, wherein the blade angle 12 is reversed only gradually. This results in the beginning of the stopping maneuver he ⁇ creased determined speed 13, which is then reduced to zero.
  • the torque coefficient 14 always remains positive, so that no "windmilling" occurs.
  • FIG. 6 shows a third example of a time profile of a propeller speed 11 according to the characteristic curve and a speed 13 of a watercraft.
  • Stoppma ⁇ Noevers the propeller speed 11 remains unchanged, and the blade angle 12 is gradually reversed.
  • the torque coefficient 14 remains positive during the entire stop maneuver and the determined speed 13 is lowered continuously until the vessel is at a standstill.
  • Figure 7 shows a fourth example of a time course of a propeller speed 11 according to the characteristic and a speed 13 of a watercraft.
  • the determined speed 13 and the propeller speed 11 are comparatively large before the start of the stop maneuver.
  • the blade angle 12 is reversed comparatively quickly ⁇
  • the engine 3 is separated from the inverter 2, so that the propeller speed 11 initially drops rapidly.
  • the moment coefficient 14 for a ge ⁇ know time period is negative, occurs "windmilling" effect, so that the propeller speed 11 rises again.
  • the moment coefficient 14 again assumes positive values.
  • the invention relates to a method for loading ⁇ drive a propulsion system of a watercraft in a stop maneuver, wherein the drive system has at least one rotatable variable pitch propeller, which in each case propeller Having blades with adjustable blade angle and which is driven by a motor, wherein the engine can exert an engine torque on the variable pitch propeller, wherein a speed of the watercraft and a propeller speed of the at least one variable pitch propeller are determined.
  • the invention relates to a control system, a watercraft, a computer program and a Computerpro ⁇ program product for performing the method.
  • a characteristic curve for the water vehicle is determined, having different initial velocities of the craft at the start of Stoppma ⁇ Noevers with at least a respective time variation of the blade angle and a time course of the propeller speed associated such that the ge ⁇ Gurss during the stopping maneuver the characteristic curve resulting operated driving system in a mög ⁇ lichst short distance traveled Aufstoppweg of the vessel and the propeller speed does not exceed a predetermined critical rotational speed value, wherein the drive system during the Stop maneuver is operated according to the previously determined characteristic.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems eines Wasserfahrzeugs bei einem Stoppmanöver, wobei das Antriebssystem mindestens einen drehbaren Verstellpropeller (1) aufweist, welcher jeweils Propellerblätter mit verstellbarem Blattwinkel (12) aufweist und welcher mittels eines Motors (3) angetrieben wird, wobei der Motor (3) ein Motordrehmoment (15) auf den Verstellpropeller (1) ausüben kann, wobei eine Geschwindigkeit (13) des Wasserfahrzeugs und eine Propellerdrehzahl (11) des mindestens einen Verstellpropellers (1) ermittelt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerung, ein Wasserfahrzeug, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens. Um in einfacher Weise ein schnelles Abbremsen des Wasserfahrzeugs zu erlauben, wird vorgeschlagen, vorab eine Kennlinie für das Wasserfahrzeug ermittelt wird, welche verschiedene Anfangs-Geschwindigkeiten (17) des Wasserfahrzeugs bei Beginn des Stoppmanövers mit zumindest jeweils einem zeitlichen Verlauf des Blattwinkels (12) und einem zeitlichen Verlauf der Propellerdrehzahl (11) derart verknüpft, dass das während des Stoppmanövers gemäß der Kennlinie betriebene Antriebssystem in einem möglichst kurzen zurückgelegten Aufstoppweg des Wasserfahrzeugs resultiert und die Propellerdrehzahl (11) einen vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschreitet, wobei das Antriebssystem während des Stoppmanövers gemäß der vorab ermittelten Kennlinie betrieben wird.

Description

Beschreibung
Optimierung eines Antriebssystems mit einem Verstellpropeller bei einem Wasserfahrzeug während eines Stoppmanövers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems eines Wasserfahrzeugs bei einem Stoppmanöver, wobei das Antriebssystem mindestens einen drehbaren Verstellpropeller aufweist, welcher jeweils Propellerblätter mit ver- stellbarem Blattwinkel aufweist und welcher mittels eines Mo¬ tors angetrieben wird, wobei der Motor ein Motordrehmoment auf den Verstellpropeller ausüben kann, wobei eine Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs und eine Propellerdrehzahl des mindestens einen Verstellpropellers ermittelt werden. Weiter- hin betrifft die Erfindung eine Steuerung, ein Wasserfahrzeug, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren und ein derartiges Antriebssystem kommen beispielsweise bei Wasserfahrzeugen zum Einsatz, bei denen gute Manövrierbarkeit oder stark unterschiedliche Dau¬ ergeschwindigkeiten gefordert sind, z.B. Fähren, Passagierschiffe, Feeder. Im Unterschied zum konventionellen Propeller mit fester Steigung sind beim „Controllable Pitch Propeller" oder Verstellpropeller die Propellerblätter drehbar an der Nabe befestigt. Damit lässt sich die Steigung („pitch") stufenlos von Null¬ schub bis Maximalschub in Richtung Voraus oder Zurück ver- stellen, wobei der Steigungswinkel oder das Steigungsverhält¬ nis auch als Blattwinkel bezeichnet werden kann.
Zum Beschleunigen des Wasserfahrzeugs vom Stillstand wird die Maschine bei Nullschub angelassen und beispielsweise auf Marschdrehzahl hochgefahren. Dabei wird sie beim Starten nicht durch Antriebsdrehmoment belastet. Folglich nimmt das Fahrzeug nicht unmittelbar Fahrt auf, wenn die Maschine ge¬ startet wird. Ein Durchdrehen der Propellerwelle und des da- mit verbundenen Motors durch Strömung (z.B. von vorbeifahrenden Schiffen im Hafen) wird durch den auf Nullschub stehenden Propeller verhindert. Wasserfahrzeuge mit Verstellpropeller besitzen üblicherweise kein Wendegetriebe, allenfalls ein Reduziergetriebe bei schnell drehenden Motoren. Somit entfällt ein wesentlicher Schwachpunkt im Antriebssystem im Vergleich mit konventionel¬ len Antriebssystemen. Die Effizienz ist bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten günstiger als im Falle eines Festpropellers .
Der Antrieb kann bei laufendem Motor von „voraus" auf „zu¬ rück" umgesteuert werden, was mit erheblicher Zeitersparnis verbunden ist, da die Maschine nicht mehr gestoppt bezie¬ hungsweise nicht auf Mindestdrehzahl heruntergefahren werden muss. Damit ist die Manövrierbarkeit wesentlich verbessert.
Insbesondere bei dieselelektrischen Schiffsantrieben mit Verstellpropeller entsteht allerdings beim Not-Aufstoppen ein Leistungsrückfluss vom Propeller über den Elektromotor, da der Propeller als Turbine fungiert und der Elektromotor als Generator arbeitet. Dieser Effekt, bei dem im Gegensatz zum normalen Antriebsbetrieb ein negatives Drehmoment auf den Propeller wirkt, ist auch als „windmilling" bekannt. Die
Leistung, mit der der Propeller angetrieben wird, muss entweder mit entsprechenden Stromrichtern in das Bordnetz rückgespeist werden oder über sogenannte Bremswiderstände verheizt werden. Um die Stabilität des Bordnetzes sicherzustellen und die Dieselgeneratoren nicht in den Rückleistungsbereich zu treiben, wird daher ein großer baulicher und logistischer Aufwand betrieben. Außerdem sind die rückspeisefähigen Umrichter wesentlich teurer als die rein motorisch betreibbare Ausführung .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das in einfacher Weise ein schnelles Abbremsen des Wasserfahrzeugs erlaubt. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den folgenden Verfahrensschritten dadurch gelöst, dass vorab eine Kennlinie für das Wasserfahrzeug ermittelt wird, welche verschiedene Anfangs-Geschwindigkeiten des Was¬ serfahrzeugs bei Beginn des Stoppmanövers mit zumindest je¬ weils einem zeitlichen Verlauf des Blattwinkels und einem zeitlichen Verlauf der Propellerdrehzahl derart verknüpft, dass das während des Stoppmanövers gemäß der Kennlinie be- triebene Antriebssystem in einem möglichst kurzen zurückge¬ legten Aufstoppweg des Wasserfahrzeugs resultiert und die Propellerdrehzahl einen vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschreitet, wobei das Antriebssystem während des Stoppmanövers gemäß der vorab ermittelten Kennlinie betrieben wird.
Diese Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Steuerung, welche Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, wobei die Mittel zumindest eine Rechnereinheit und ei- ne Speichereinheit umfassen, auf welcher die vorab für das
Wasserfahrzeug ermittelte Kennlinie gespeichert ist. Weiter¬ hin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug mit zumindest einem Antriebssystem und der zuvor genannten Steuerung, wobei das Antriebssystem mindestens einen drehbaren Verstellpropeller aufweist, welcher jeweils Propellerblätter mit verstellbarem Blattwinkel aufweist und welcher mittels eines Motors antreibbar ist, wobei mittels des Motors ein Mo¬ tordrehmoment auf den Verstellpropeller (1) ausübbar ist, wobei mittels eines jeweiligen Sensors zumindest eine Geschwin- digkeit des Wasserfahrzeugs und eine Propellerdrehzahl des mindestens einen Verstellpropellers ermittelbar sind.
Schließlich wird die Aufgabe ebenfalls durch ein Computerpro¬ gramm gemäß Anspruch 5 und ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Geschwindigkeit des Schiffes ermit¬ telt, wobei auch die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Bezug auf das Schiff beziehungsweise den Propeller berück- sichtigt werden kann. Hierzu können beispielsweise Sensoren zum Einsatz kommen. Auch die Propellerdrehzahl wird ermittelt, beispielsweise mittels weiterer Sensoren, insbesondere in Form eines Gebers. Bei einem umrichtergespeisten Antriebs- System mit einem elektrischen Antriebsmotor kann die Propellerdrehzahl beispielsweise über elektrische Ströme, mit wel¬ chen der Motor durch den Umrichter beaufschlagt wird, ermittelt werden. Zusätzlich kann auch das Propellerdrehmoment des mindestens einen Verstellpropellers ermittelt werden. Hierzu kann ver¬ wendet werden, dass die zeitliche Änderung der Propellerdrehzahl proportional ist zur Differenz zwischen dem Motordrehmo¬ ment und dem Propellerdrehmoment, wobei bei einem
umrichtergespeisten Antriebssystem das Motordrehmoment anhand des dem Motors zugeführten momentenbildenden Stroms bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt bei Wasserfahrzeugen mit steigungsverstellbaren Propellerblättern sowie einem Steigungsversteller zum Einstellen der Steigung der Propellerblätter zum Einsatz. Weiterhin kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die Daten von Sensoren verarbeiten kann und Befehle an den Steigungsversteller, den Motor, den Umrichter und ge- gebenenfalls weitere Schiffskomponenten und Teile des
Schiffsantriebssystems übergeben kann.
Die Kennlinie, gemäß welcher das Antriebssystem während eines Stoppmanövers betrieben wird, kann beispielsweise mittels ei- ner Berechnung bzw. einer Simulation ermittelt werden, welche für ein bestimmtes Wasserfahrzeug bzw. für einen bestimmten Wasserfahrzeugstyp durchgeführt wird. Zur Ermittlung der Kennlinie kann verwendet werden, dass während eines Stoppma¬ növers Kräfte auf das Wasserfahrzeug wirken, wie zum Beispiel der Widerstand des Rumpfes des Wasserfahrzeugs aufgrund der Vorausfahrt, der Widerstand des Ruders sowie der Schub des Propellers. Dabei können der Widerstand des Wasserfahrzeugs und der Widerstand des Rotors beispielsweise durch Modellver- r
suche oder semiempirische Funktionen beschrieben werden. Für eine aussagekräftige Bewegungsgleichung als Grundlage der Be¬ rechnung bzw. der Simulation kann auch die Massenträgheit des Wasserfahrzeugs berücksichtigt werden, welche als bekannt vo- rausgesetzt werden kann.
Bei der Ermittlung der Kennlinie können insbesondere bei die¬ selelektrischen Antrieben zwei Situationen unterschieden werden: greift am Verstellpropeller ein positives Drehmoment an, so kann die Propellerdrehzahl im Rahmen der verfügbaren Motorleistung frei eingestellt werden. Greift hingegen ein negatives Drehmoment am Propeller an, tritt der „windmilling"- Effekt ein und der Propeller wird vom Wasser angetrieben, wodurch sich die Propellerdrehzahl erhöht.
Während des normalen Betriebs des Schiffes erzeugt das
Schiffsantriebssystem Vorschub und der mindestens eine Vers¬ tellpropeller weist einen positiven Blattwinkel auf, so dass ein positives Drehmoment am Verstellpropeller anliegt. Denn positive Blattwinkel werden als jene Blattwinkel verstanden, welche bei einer gegebenen Drehrichtung des Verstellpropel¬ lers einen Vorschub des Schiffes bewirken. Negative Blattwin¬ kel werden folglich als jene Blattwinkel verstanden, welche bei derselben gegebenen Drehrichtung des Verstellpropellers einen Rückschub des Schiffes bewirken.
Abhängig von der zuvor ermittelten Kennlinie kann beispielsweise vorgesehen sein, dass während eines Stoppmanövers der Blattwinkel von einem positiven Blattwinkel derart geändert wird, bis jener Blattwinkel erreicht wird, bei dem der Vers¬ tellpropeller keinen Vorschub mehr erzeugt. Anschließend kann der Blattwinkel weiter geändert werden bis schließlich ein negativer Blattwinkel erreicht wird und ein Rückschub ent¬ steht. Insbesondere aufgrund der Reibung des am Rumpf des Schiffes vorbeiströmenden Wassers kann während dieses Vorgan¬ ges insgesamt eine Verzögerung des Schiffes bewirkt werden. Gleichzeitig kann auch die Drehzahl des Verstellpropellers geändert werden. Dies kann durch Vorgabe einer Solldrehzahl ,
b
an den Motor oder beispielsweise auch dadurch erreicht werden, dass der Antriebsmotor von seiner Energieversorgung getrennt wird. Erfindungsgemäß resultiert das Stoppmanöver in einem möglichst kurzen zurückgelegten Aufstoppweg des Wasser- fahrzeugs, wobei die Propellerdrehzahl den vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschreitet. Der kritische Dreh¬ zahlwert kann insbesondere derart gewählt werden, dass gra¬ vierende Beschädigungen des Schiffsantriebssystems vermieden werden .
Abhängig von den Charakteristika des Wasserfahrzeugs und der Anfangs-Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs zu Beginn des Stoppmanövers ist prinzipiell auch denkbar, dass die Kennli¬ nie vorsieht, den Blattwinkel zunächst beizubehalten, insbe- sondere um „windmilling" zu verhindern. Für einen möglichst kurzen, während des Stoppmanövers zurückgelegten Aufstoppweg kann eine insbesondere bei niedrigeren Anfangs- Geschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs vorteilhafte Kennlinie vorsehen, die Propellerdrehzahl zunächst zu erhöhen, jedoch maximal bis zum kritischen Drehzahlwert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Entfernung des Wasserfahrzeugs zu einem Kollisionshindernis ermittelt, wobei das Antriebssystem zusätzlich ein Ausweich- manöver durchführt, falls der während des Stoppmanövers vom Wasserfahrzeug zurückgelegte Aufstoppweg größer als die Ent¬ fernung des Wasserfahrzeugs zu dem Kollisionshindernis ist.
Bei dem Kollisionshindernis kann es sich um stationäre Hin- dernisse, wie beispielsweise Riffe, Hafenanlagen und derglei¬ chen, oder auch mobile Hindernisse, wie beispielsweise andere Wasserfahrzeuge, handeln. Die Ermittlung der Entfernung des Wasserfahrzeugs zu dem Kollisionshindernis kann insbesondere optisch oder anhand von Radarmessungen erfolgen. Ebenso kön- nen dem Antriebssystem Positionsdaten des Hindernisses zugeführt werden, um die Entfernung zu ermitteln. Wenn das Kollisionshindernis mobil und in Bewegung ist, kann insbesondere ein durch das Kollisionshindernis während des Stoppmanövers zurückgelegter Hindernisweg bei der Ermittlung der Entfernung berücksichtigt werden. Somit kann der Hinder- nisweg einen zulässigen Aufstoppweg des Wasserfahrzeugs ver¬ größern oder verkleinern, je nachdem, in welche Richtung sich das Kollisionshindernis bewegt.
Das Ausweichmanöver kann beispielsweise dadurch optimiert werden, dass dem Antriebssystem aktuelle Positionsdaten des Wasserfahrzeugs zugänglich sind. Beispielsweise anhand von hinterlegten Navigationsdaten bzw. die Wassertiefe umfassende Karten können dadurch mögliche Ausweichmanöver auf Machbarkeit geprüft werden und schließlich ein Ausweichmanöver aus- gewählt werden, welches machbar ist und gleichzeitig einen sicheren Abstand zum möglichen Kollisionshindernis gewährleistet .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispiels ei¬ nes erfindungsgemäßen Antriebssystems,
FIG 2 zeitliche Verläufe eines Blattwinkels gemäß einer
beispielhaften Kennlinie,
FIG 3 zeitliche Verläufe einer Propellerdrehzahl gemäß ei¬ ner weiteren beispielhaften Kennlinie,
FIG 4 ein erstes Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer
Propellerdrehzahl gemäß der Kennlinie und einer Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs,
FIG 5 ein zweites Beispiel,
FIG 6 ein drittes Beispiel, und
FIG 7 ein viertes Beispiel.
Figur 1 zeigt eine Schemadarstellung eines Ausführungsbei¬ spiels eines erfindungsgemäßen Antriebssystems. Ein Verstell¬ propeller 1 wird über ein Reduziergetriebe 4 von einem Motor n
3 angetrieben. Der Verstellpropeller 1 weist dabei Propellerblätter auf, welche jeweils einen verstellbaren Blattwinkel 12 aufweisen, die von einer Verstelleinheit 5 geändert werden können. Der Motor 3 wird von einem Umrichter 2 mit Energie versorgt, wobei der Umrichter 2 Sollwerte bezüglich der Mo¬ tordrehzahl 10 von einer Steuerung 6 erhält. Der Steuerung 6 wird die tatsächliche, von einem Geber 7 ermittelte Propel¬ lerdrehzahl 11 zugeführt und die Steuerung 6 gibt weiterhin Sollwerte bezüglich des Blattwinkels 12 an die Verstellein- heit 5.
Figur 2 zeigt zeitliche Verläufe eines Blattwinkels 12 gemäß einer beispielhaften Kennlinie. Die Kennlinie wurde dabei, wie auch für die folgenden Figuren, vorab ermittelt und stellt sicher, dass ein während eines Stoppmanövers gemäß der Kennlinie betriebenes Antriebssystem eines zugehörigen Was¬ serfahrzeugs in einem möglichst kurzen zurückgelegten
Aufstoppweg resultiert und die Propellerdrehzahl 11 einen vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschreitet. Für die Berechnung bzw. Simulation zur Ermittlung der Kennlinie können dabei auf das Wasserfahrzeug wirkende Kräfte, wie zum Beispiel der Widerstand des Rumpfes des Wasserfahrzeugs auf¬ grund der Vorausfahrt, der Widerstand des Ruders sowie der Schub des Propellers berücksichtigt werden. Weiterhin kann die Massenträgheit des Wasserfahrzeugs für die Ermittlung der Kennlinie verwendet werden.
Dargestellt werden verschiedene zeitliche Verläufe des Blatt¬ winkels 12, wobei auf der x-Achse die Zeit, auf der y-Achse der Blattwinkel 12 und auf der z-Achse die Anfangs- Geschwindigkeit 17 jeweils in willkürlichen Einheiten aufge¬ tragen ist. Bei der Darstellung wird angenommen, dass vor Beginn des Stoppmanövers immer ein bestimmter positiver Blattwinkel 12 anliegt, beispielsweise jener Blattwinkel 12, der für maximalen Vorschub sorgt. Beim Zeitpunkt ts wird für ver¬ schiedene Anfangs-Geschwindigkeiten 17 das Stoppmanöver begonnen. Wie gut zu erkennen ist, hängt die Zeit zur vollständigen Umkehr des Blattwinkels 12 von der Anfangs- Geschwindigkeit 17 ab: Bei geringen Anfangs-Geschwindigkeiten 17 kann der Blattwinkel 12 sehr schnell umgekehrt werden, bei größeren Anfangs-Geschwindigkeiten 17 sieht diese beispielhafte Kennlinie mehr Zeit für die Umkehr des Blattwinkels 12 vor .
Die ermittelte Kennlinie kann weiterhin berücksichtigen, dass beim Betrieb des Wasserfahrzeugs vor dem Stoppmanöver unterschiedliche Blattwinkel 12 anliegen. Der Einfachheit halber wird auf eine entsprechende grafische Darstellung verzichtet.
Figur 3 zeigt zeitliche Verläufe einer Propellerdrehzahl 11 gemäß einer weiteren beispielhaften Kennlinie. Dargestellt sind verschiedene zeitliche Verläufe der Propellerdrehzahl 11, wobei auf der x-Achse die Zeit, auf der y-Achse die Pro¬ pellerdrehzahl 11 und auf der z-Achse die Anfangs- Geschwindigkeit 17 jeweils in willkürlichen Einheiten aufge¬ tragen ist. Wiederum wird beim Zeitpunkt ts für verschiedene Anfangs-Geschwindigkeiten 17 das Stoppmanöver begonnen, wobei vor Beginn des Stoppmanövers verschiedene Propellerdrehzahlen 11 vorliegen. Bei niedrigen Anfangs-Geschwindigkeiten 17 und wie in diesem Beispiel auch bei niedrigen Propellerdrehzahlen 11 wird zu Beginn des Stoppmanövers die Propellerdrehzahl 11 schnell und beträchtlich erhöht. Bei einer vergleichsweise großen Anfangs-Geschwindigkeit 17 wird die Propellerdrehzahl 11 gemäß der vorliegenden Kennlinie beibehalten. Bei noch höheren Anfangs-Geschwindigkeiten 17 wird im Verlauf des Stoppmanövers die Propellerdrehzahl 11 erniedrigt. Figur 4 zeigt ein erstes Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer Propellerdrehzahl 11 gemäß der Kennlinie und einer Geschwindigkeit 13 eines Wasserfahrzeugs. Weiterhin sind bei¬ spielhafte zeitliche Verläufe eines Blattwinkels 12 und eines Momentenbeiwerts 14 dargestellt, wobei auf der Ordinatenachse der jeweilige absolute Wert der genannten Messgröße und auf der Abszisse die Zeit, jeweils in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind. Ein positiver Momentenbeiwert 14 bedeutet dabei, dass auf den Verstellpropeller 1 insgesamt ein positi- ves Drehmoment wirkt. Dabei können sich, wie auch bei den folgenden Figuren, die dargestellten Kurven insbesondere von den in den Figur 2 und 3 dargestellten beispielhaften Kurven unterscheiden .
Zu Beginn sind die ermittelte Geschwindigkeit 13 und die Pro¬ pellerdrehzahl 11 des Wasserfahrzeugs konstant und ver¬ gleichsweise hoch. Hierzu liegt ein positiver Blattwinkel 12 an, welcher in einem positiven Momentenbeiwert 14 resultiert.
Zum Zeitpunkt ts wird ein Stoppmanöver eingeleitet und der Blattwinkel 12 verringert und schließlich zu negativen Win¬ keln geändert. Dabei wird gleichzeitig die Propellerdrehzahl 11 erhöht, indem die Motordrehzahl 10 erhöht wird bis eine Maximaldrehzahl erreicht wird. Die Maximaldrehzahl kann beispielsweise so gewählt werden, dass die Propellerdrehzahl 11 einen vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschrei¬ tet. Diese Maßnahmen haben zur Folge, dass der
Momentenbeiwert 14 abrupt sinkt, aber noch positiv bleibt. Ein negativer Momentenbeiwert 14 würde anzeigen, dass ein ne¬ gatives Drehmoment auf den Verstellpropeller 1 wirkt und so¬ mit „windmilling" auftritt. Währenddessen sinkt die ermittel¬ te Geschwindigkeit 13 des Wasserfahrzeugs vergleichsweise schnell und der Momentenbeiwert 14 nimmt nach einer gewissen Zeitspanne größere Werte als zu Beginn des Stoppmanövers an, bei welchem die Drehrichtung des Propellers stets beibehalten wird. Bei erhöhter Propellerdrehzahl 11 und anliegendem negativen Blattwinkel 12 wird die ermittelte Geschwindigkeit 13 stetig verringert bis sie schließlich den Wert Null annimmt und das Wasserfahrzeug stillsteht. Für nicht dargestellte und hier aufgeführte Bezugszeichen siehe die weiteren Figuren.
Figur 5 zeigt ein zweites Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer Propellerdrehzahl 11 gemäß der Kennlinie und einer Ge- schwindigkeit 13 eines Wasserfahrzeugs. Im Vergleich zur Fi¬ gur 4 sind die ermittelte Geschwindigkeit 13 und die Propel¬ lerdrehzahl 11 vor Beginn des Stoppmanövers niedriger. Während des Stoppmanövers wird die Propellerdrehzahl 11 massiv erhöht, wobei der Blattwinkel 12 nur allmählich umgekehrt wird. Dies resultiert in einer anfangs des Stoppmanövers er¬ höhten ermittelten Geschwindigkeit 13, welche anschließend bis auf null reduziert wird. Während des gesamten Stoppmanö- vers bleibt der Momentenbeiwert 14 stets positiv, so dass kein "windmilling" auftritt.
Figur 6 zeigt ein drittes Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer Propellerdrehzahl 11 gemäß der Kennlinie und einer Ge- schwindigkeit 13 eines Wasserfahrzeugs. Während des Stoppma¬ növers bleibt die Propellerdrehzahl 11 unverändert und der Blattwinkel 12 wird allmählich umgekehrt. Der Momentenbeiwert 14 bleibt während des gesamten Stoppmanövers positiv und die ermittelte Geschwindigkeit 13 wird kontinuierlich bis zum Stillstand des Wasserfahrzeugs erniedrigt.
Figur 7 zeigt ein viertes Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer Propellerdrehzahl 11 gemäß der Kennlinie und einer Geschwindigkeit 13 eines Wasserfahrzeugs. Die ermittelte Ge- schwindigkeit 13 und die Propellerdrehzahl 11 sind vor Beginn des Stoppmanövers vergleichsweise groß. Zu Beginn des Stopp¬ manövers wird der Blattwinkel 12 vergleichsweise schnell um¬ gekehrt, wobei der Motor 3 vom Umrichter 2 getrennt wird, so dass die Propellerdrehzahl 11 zunächst schnell absinkt. Da zu Beginn des Stoppmanövers der Momentenbeiwert 14 für eine ge¬ wisse Zeitspanne negativ wird, tritt der „windmilling"-Effekt auf, so dass die Propellerdrehzahl 11 wieder ansteigt. Nachdem die Zeitspanne, während der „windmilling" auftritt, ver¬ strichen ist, nimmt der Momentenbeiwert 14 wieder positive Werte an. Während des gesamten Stoppmanövers wird die ermit¬ telte Geschwindigkeit 13 kontinuierlich erniedrigt, wobei au¬ ßerdem die Propellerdrehzahl 11 während des gesamten Stoppmanövers unterhalb der vorgebbaren, kritischen Drehzahl bleibt. Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Be¬ trieb eines Antriebssystems eines Wasserfahrzeugs bei einem Stoppmanöver, wobei das Antriebssystem mindestens einen drehbaren Verstellpropeller aufweist, welcher jeweils Propeller- blätter mit verstellbarem Blattwinkel aufweist und welcher mittels eines Motors angetrieben wird, wobei der Motor ein Motordrehmoment auf den Verstellpropeller ausüben kann, wobei eine Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs und eine Propeller- drehzahl des mindestens einen Verstellpropellers ermittelt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerung, ein Wasserfahrzeug, ein Computerprogramm und ein Computerpro¬ grammprodukt zur Durchführung des Verfahrens. Um in einfacher Weise ein schnelles Abbremsen des Wasserfahrzeugs zu erlau- ben, wird vorgeschlagen, dass vorab eine Kennlinie für das Wasserfahrzeug ermittelt wird, welche verschiedene Anfangs- Geschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs bei Beginn des Stoppma¬ növers mit zumindest jeweils einem zeitlichen Verlauf des Blattwinkels und einem zeitlichen Verlauf der Propellerdreh- zahl derart verknüpft, dass das während des Stoppmanövers ge¬ mäß der Kennlinie betriebene Antriebssystem in einem mög¬ lichst kurzen zurückgelegten Aufstoppweg des Wasserfahrzeugs resultiert und die Propellerdrehzahl einen vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschreitet, wobei das Antriebs- System während des Stoppmanövers gemäß der vorab ermittelten Kennlinie betrieben wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems eines Wasser¬ fahrzeugs bei einem Stoppmanöver,
wobei das Antriebssystem mindestens einen drehbaren Verstell¬ propeller (1) aufweist, welcher jeweils Propellerblätter mit verstellbarem Blattwinkel (12) aufweist und welcher mittels eines Motors (3) angetrieben wird,
wobei der Motor (3) ein Motordrehmoment (15) auf den Vers- tellpropeller (1) ausüben kann,
wobei eine Geschwindigkeit (13) des Wasserfahrzeugs und eine Propellerdrehzahl (11) des mindestens einen Verstellpropel¬ lers (1) ermittelt werden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vorab eine Kennlinie für das Wasserfahrzeug ermittelt wird, welche verschiedene Anfangs-Geschwindigkeiten (17) des Wasserfahrzeugs bei Beginn des Stoppmanövers mit zumindest jeweils ei¬ nem zeitlichen Verlauf des Blattwinkels (12) und einem zeit¬ lichen Verlauf der Propellerdrehzahl (11) derart verknüpft, dass das während des Stoppmanövers gemäß der Kennlinie be¬ triebene Antriebssystem in einem möglichst kurzen zurückgelegten Aufstoppweg des Wasserfahrzeugs resultiert und die Propellerdrehzahl (11) einen vorgebbaren, kritischen Drehzahlwert nicht überschreitet,
wobei das Antriebssystem während des Stoppmanövers gemäß der vorab ermittelten Kennlinie betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei eine Entfernung des Wasserfahrzeugs zu einem Kollisi- onshindernis ermittelt wird, und
wobei das Antriebssystem zusätzlich ein Ausweichmanöver durchführt, falls der während des Stoppmanövers vom Wasser¬ fahrzeug zurückgelegte Aufstoppweg größer als die Entfernung des Wasserfahrzeugs zu dem Kollisionshindernis ist.
3. Steuerung (6) für ein Wasserfahrzeug mit zumindest einem AntriebsSystem, wobei die Steuerung (6) Mittel zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 aufweist,
wobei die Mittel zumindest eine Rechnereinheit und eine Spei¬ chereinheit umfassen, auf welcher die vorab für das Wasser- fahrzeug ermittelte Kennlinie gespeichert ist.
4. Wasserfahrzeug mit
- zumindest einem Antriebssystem und
- einer Steuerung (6), welche nach Anspruch 3 ausgebildet ist,
wobei das Antriebssystem mindestens einen drehbaren Verstellpropeller (1) aufweist, welcher jeweils Propellerblätter mit verstellbarem Blattwinkel (12) aufweist und welcher mittels eines Motors (3) antreibbar ist,
wobei mittels des Motors (3) ein Motordrehmoment (15) auf den Verstellpropeller (1) ausübbar ist,
wobei mittels eines jeweiligen Sensors zumindest eine Ge¬ schwindigkeit (13) des Wasserfahrzeugs und eine Propeller¬ drehzahl (11) des mindestens einen Verstellpropellers (1) ermittelbar sind.
5. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 2 bei Ablauf in einer Steuerung (6) nach Anspruch 3.
6. Computerprogrammprodukt, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.
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