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Einrichtung zum Steuern der Flügelsteigung von Verstellpropellern
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern der Flügelsteigung von Verstellpropellern
bei Schiffs- oder Flugzeugantrieben, wobei die Steuerung selbsttätig und in Abhängigkeit
von einer oder von mehreren vorzugebenden Kenngrößen erfolgen soll.
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Es sind bereits Steuereinrichtungen bekannt, die eine Abhängigkeit
zwischen der Propellerbelastung und der Steuerung der Antriebsmaschine aufweisen.
Jedoch ist bei diesen Steuereinrichtungen kein einwandfreier Überlastschutz in einem
unterhalb der Nennleistung liegenden Arbeitsbereich möglich. Auch fehlen Möglichkeiten
für eine weitere selbsttätige Regelung der Propellersteigung, wie etwa für das Fahren
mit Übersteigung und herabgeminderter Drehzahl im Teillastgebiet bei ausgelasteter
Kraftmaschine.
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Des weiteren sind Steuereinrichtungen bekannt, die einen bestimmten
Propellerschub als Richtgröße für die Steuerung zu Grunde legen. Jedoch arbeiten
bekannte Regeleinrichtungen dieser Art auf rein mechanisch-hydraulischer Basis und
außerdem haben sie den Nachteil, daß der Schub sich ständig mit den Nachstromverhältnissen
ändert und somit ein unerwünschtes dauerndes Arbeiten der Regeleinrichtung eintritt,
das dem Einsatz der vollen Leistung der Kraftmaschine hinderlich ist.
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Die Erfindung hat den Zweck, unter Beibehaltung der Maximalleistung
unerwünschte überbeanspruchungen der Kraftmaschine infolge Übersteuerung des Verstellpropellers
selbsttätig zu verhindern und zu vermeiden, daß durch zu- plötzlich eingesteuerte
Krafterhöhungen und durch eine daraus resultierende zu starke Drehzahl- und Leistungsverminderung
die Betriebsfähigkeit der gesamten Anlage beeinrächtigt oder sogar in Frage gestellt
wird.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß zur Erzeugung des
Sollwertes der der Steuerung des Verstellpropellers dienenden elektrischen Stellgröße
nicht nur eine einem jeweiligen Fahrkommando zugeordnete elektrische Steuergröße
in an sich bekannter Weise verwendet wird, sondern daß der Steuerkreis außerdem
zusätzliche, steuerbare Schaltelemente, beispielsweise Widerstände, Brückenschaltungen,
Drehtransformatoren u. ä., enthält, deren Eingangswerte von einer oder von mehreren
Kenngrößen des Betriebszustandes der Kraftmaschine, beispielsweise von der Belastung,
der Energieaufnahme, der Drehzahl oder der Kennlinie, die die günstigste Propellersteigung
für eine maximale Leistung der Kraftmaschine bei dem Betrieb mit Drehzahlen unterhalb
der Nenndrehzahl der Kraftmaschine darstellt, abhängig sind, wobei die elektrischen
Ausgangswerte der steuerbaren Schaltelemente mit der einem jeweiligen Fahrkommando
zugeordneten elektrischen Steuergröße zusammengefaßt werden und als resultierender
Sollwert zur Steuerung des Verstellpropellers dienen.
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Hat die Steuereinrichtung eine über eine Wegsteuerung kommandierte
Propeller-Verstelleinrichtung, dann kann sie in einer besonderen Ausgestaltung der
Erfindung eine durch vorn lastabhängig gesteuerten Stellglied der Kraftmaschine
betätigte Schalteinrichtung haben, die zusätzliche, im Steuerkreis der Wegsteuerung
liegende steuerbare Schaltelemente bei Überlastung der Kraftmaschine so schaltet,
daß das Stellglied der Propeller-Verstelleinrichtung die Steigung des Verstellpropellers
vermindert.
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Ist die Wegsteuerung als Brückenschaltung ausgebildet, dann können
gemäß einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung zusätzliche Widerstände oder Potentiometer
in den Brückenzweigen angeordnet sein.
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Bei einer Steuereinrichtung nach der Erfindung mit einer kommandierten
Wegsteuerung in wechselstromgespeisterBrückenschaltung für diePropeller-Verstelleinrichtung
kann die in der Brücke in Form einer Wechselspannung entstehende Stellgröße für
das Stellglied der Propeller-Verstelleinrichtung gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung über die Brückendiagonale zwischen Geber und Empfänger auf eine Wechselspannungsteilerschaltung
übertragen werden, an deren Gleichrichtern das Stellglied der Propeller-Verstelleinrichtung
angeschlossen ist.
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Innerhalb der Wechselspannungsleiterschaltungkann gemäß der Erfindung
der Sollwert der Stellgröße für das Stellglied der Propeller-Verstelleinrichtung
als Summe der Spannung dreier in Reihe geschalteter
Drehtransformatoren
bestimmt werden, von denen jeweils einer von dem lastabhängig gesteuerten Stellglied
der Kraftmaschine (Füllungsregler), dem Kommandogeber (Fahrhebel) und dem Stellglied
der Propeller-Verstelleinrichtung (Stellmotor) eingestellt wird, wobei die Spannung
des von dem Stellglied der Propeller-Verstelleinrichtung eingestellten Drehtransformators
den Spannungen der übrigen Transformatoren entgegengerichtet ist. Gegebenenfalls
kann vorteilhaft noch ein weiterer, mit den vorgenannten drei Drehtransformatoren
in Reihe geschalteter Drehtransformator angeordnet werden, der von einer die Drehzahl
der Kraftmaschine messenden (Tachometer) oder bestimmenden (Füllungsregler) Einrichtung
eingestellt wird.
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Im folgenden soll die Erfindung an verschiedenen Ausführungsbeispielen
für einen aus einem Dieselmotor mit Füllungsregler und einem Verstellpropeller bestehenden
Schiffsantrieb erläutert werden, da gerade für Schiffe die ununterbrochene Einsatzbereitschaft
der vollen Leistung der Kraftmaschine schon aus Sicherheitsgründen gefordert werden
muß.
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Wird hier beispielsweise durch zu rasches Umsteuern die Steigung der
Propellerflügel überzogen, dann wird dadurch der Dieselmotor überlastet. Drehzahl
und Leistung sinken oder werden unter Umständen sogar zu Null, und die gerade bei
harten Manövern besonders dringend benötigte maximale Leistung steht nicht mehr
zur Verfügung.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Antriebsaggregat mit einer Weg-Fernsteuerung
in Gleichstrombrückenschaltung, Fig.2 das Schaltschema eines Antriebsaggregates
mit einer Weg-Fernsteuerung in Wechselstrombrückenschaltung, Fig. 3 das Schaltschema
einer Anordnung zur Ermittlung der Stellgröße für die Steuereinrichtung des Servomotors
der Arbeitsmaschine.
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In Fig.l verstellt der handbetätigte Fahrhebel 1 des Steuerstandes
den Schleifer des Geberpotentiometers 2, der über richtungsempfindliche Relais 3
mit dem Schleifer des Empfängerpotentiometers 5 verbunden ist. Der Schleifer zu
5 ändert zufolge der verwendeten Brückenanordnung stets seine Lage, wenn die Lage
des Schleifers zu 2 geändert wird, und beeinflußt dabei durch seine Verbindung mit
dem Stellglied 4 die Flügelsteigung des Verstellpropellers.
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In den Zweigen der Brückenanordnung liegen die einander gleichen Widerstände
9 und 10, die mit den Kontakten der durch das Stellglied 4 betätigten Nokkenschalter
11 und 12 und den dazu in Reihe geschalteten, durch den Füllungsregler 6 des Dieselmotors
13 betätigten Kontakten 7 und 8 verbunden sind. Die Nockenschalter 11, 12 werden
durch das Stellglied 4 so verstellt, daß der eine Nockenschalter bei Vorwärts-und
der andere Nockenschalter bei Rückwärtsfahrt eingeschaltet ist.
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Wird der Dieselmotor 13 überlastet, dann schließt der Füllungsregler
6 die Kontakte 7 und B. Dadurch wird, je nach der Stellung des Fahrhebels 1 auf
»Voraus« oder »Zurück«, einer der Widerstände 9 oder 10 kurzgeschlossen und damit
die Brücke in einer solchen Weise verstimmt, daß sich der Schleifer zu 5 nach seiner
Nullage hin in eine neue Ausgleichsstellung dreht, die nun nicht mehr wie zuvor
konform mit der Stellung des Fahrhebels 1 ist.
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Durch den Schleifer zu 5 wird gleichzeitig das Stellglied 4 so bewegt,
daß die Flügelsteigung des Propellers entsprechend abnimmt. Bei geeigneter Wahl
der Einstellung der Widerstände 9 und 10 wird eine Propellerflügelstellung erreicht,
die eine unerwünschte Überlastung des Dieselmotors ausschließt.
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In Fig. 2 ist eine Brückenschaltung wie in Fig. 1 dargestellt, die
aber über die Leitungen R und O mit Wechselstrom gespeist wird. In den Brückenzweigen
-zwischen dem Geberpotentiometer 36 und dem Empfängerpotentiometer 35 liegen die
zusätzlichen Potentiometer 9 und 10, die wie in Fig. 1 mit Hilfe der Nockenschalter
11, 12 und der Kontakte 7, 8 kurzgeschlossen werden können.
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Die zwischen dem Geberpotentiometer 36 und dem Empfängerpotentiometer
35 auftretende Wechselspannung wird auf eine Wechselspannungsteilerschaltung übertragen,
die über einander gleiche, symmetrisch angeordnete Transformatoren 33 und 34 aus
den Leitungen R und O eine konstante Wechselspannung erhält. An die beiden symmetrisch
angeordneten Gleichrichter der Wechselspannungsteilerschaltung ist auf deren Gleichstromseite
die Steuereinrichtung 16 für das Stellglied des Verstellpropellers angeschlossen.
Die Steuereinrichtung 16 besteht im wesentlichen aus den elektrisch gleichen, gegeneinandergeschalteten
Steuerelementen eines Tauchspulenreglers, des Erregerfeldes des Generators eines
Leonardaggregates, aus richtungsempfindlichen Relais od. dgl. Die Potentiometer
33 und 34 dienen zum Justieren der Wechselspannungsteilerschaltung.
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In der Mittellage der Potentiometer 35, 36, die der »Stop«-Stellung
des Fahrhebels entspricht, ist die Steuerspannung zwischen ihnen und die resultierende
Spannung in der Steuereinrichtung 16 aus aus der Fig.2 ohne weiteres erkennbaren
Symmetriegründen Null.
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Wird der Schleifer zu 36 verstellt und damit auch der Schleifer zu
35 aus der Mittellage ausgelenkt, dann entsteht eine Wechselspannung, die sich mit
den beiden Wechselspannungen untereinander gleicher Größe und Richtung der Sekundärwicklungen
der Transformatoren 31 und 32 in der einen Spannungsteilerhälfte additiv und in
der anderen Spannungsteilerhälfte subtraktiv zusammengesetzt. Dadurch entstehen
an den Ausgängen der beiden Gleichrichter voneinander verschiedene Gleichspannungen,
die zu einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden gegeneinandergeschalteten Steuerelementen
der Steuereinrichtung 16 führen. Je nachdem, welche der Gleichspannungen an den
Gleichrichtern größer ist, was von der Auslenkriehtung der Potentiometer 35, 36
abhängt, fließt der Ausgleichsstrom in der Steuereinrichtung in der einen oder in
der anderen Richtung, wodurch auch das Stellglied der Steuereinrichtung in der einen
oder der anderen Richtung verstellt wird. Auch hier ist, wie bei der Einrichtung
nach Fig. 1 die Schaltung so eingerichtet, daß das selbsttätig bei Überlast bewirkte
Kurzschließen der Potentiometer 11 oder 12 stets eine Bewegung des Stellgliedes
nach seiner Nullage hin zur Folge hat.
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Außer dem Potentiometerpaar 11, 12 lassen sich auch noch weitere Potentiometerpaare
eingliedern, wie dies in der Zeichnung durch das gestrichelte Potentiometerpaar
37, 38 angedeutet ist, die dann in Abhängigkeit von anderen Größen, z. B. der Drehzahl
der Kraftmaschine, kurzgeschlossen werden.
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Außerdem ist es auch möglich, statt der fest eingestellten Potentiometer
kontinuierlich veränderliche, von den einzelnen Einflußgrößen gesteuerte Potentiometer,
bei vorliegender Schaltung in der Form der gestrichelten Darstellung, zu verwenden.
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In Fig. 3 ist die Einrichtung zum Bilden der Stellgröße für die Steuereinrichtung
des Verstellpropellers als Wechselspannung sowie ihre Umwandlung in eine
Gleichspannung
entsprechender Größe und Richtung von der Einrichtung der Fig. 2 dadurch unterschieden,
daß an die Stelle der wechselstromgespeisten Brückenschaltung hintereinandergeschaltete,
wechselstromgespeiste Drehtransformatoren als Steuerglieder für die Wechselspannungsteilerschaltung
treten.
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Alle Drehtransformatoren 13, 14, 15, 30 werden über die Leitungen
R und 0 mit Wechselstrom gespeist. Am Drehtransformator 13 wird durch den Fahrhebel
auf der Brücke der kommandierte Sollwert eingestellt. Der Drehtransformator 14 wird
durch das Stellglied der Steuereinrichtung des Verstellpropellers in eine der Flügelsteigung
des Verstellpropellers entsprechende Stellung gebracht. Der Drehtransformator 15
erhält durch den Füllungsregler des Dieselmotors eine der Diesellast entsprechende
Stellung. Der Drehtransformator 30 wird abhängig von der Drehzahl des Dieselmotors
durch eine Tachometeranordnung oder ebenfalls durch den Füllungsregler beeinflußt.
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Die Drehtransformatoren 13, 15 und 30 sind gegen den Drehtransformator
14 geschaltet und so ausgelegt, daß wenn der Fahrhebel auf »Stop« steht, die Summe
ihrer Spannungen der Spannung des Drehtransformators 14 in gleicher Größe entgegenwirkt.
Die Stellgröße für die Steuereinrichtung 16 des Verstellpropellers entspricht der
zwischen den Drehtransformatoren 13, 15, 30 und dem Drehtransformtor 14 beim Verstellen
des Fahrhebels auftretenden Spannungsdifferenz.
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Wird mit dem Fahrhebel ein bestimmter Sollwert für die Antriebsleistung
kommandiert, dann wird gleichzeitig der Drehtransformator 13 verstellt und damit
das Spannungsgleichgewicht zwischen den Drehtransformatoren gestört. Die auftretende
Differenzspannung bewirkt wie bei der Einrichtung nach Fig. 2 über die Steuereinrichtung
16 eine entsprechende Einstellung der Flügelsteigung des Verstellpropellers, die
bei wiedereintretender Spannungsgleichheit erreicht ist.
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Wird der Dieselmotor überlastet, dann wird der Drehtransformator 15
durch den Füllungsregler im Sinne einer Verringerung der Propellerflügelsteigung
, verstellt. Sinkt der Leistungsbedarf wieder auf das zulässige Maß ab, dann geht
die Flügelsteigung des Verstellpropellers in die ursprüngliche Stellung zurück.
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Durch den von der Drehzahl des Dieselmotors beeinflußten Drehtransformator
30 kann erreicht werden, daß der Dieselmotor bei verringerter Drehzahl mit seiner
dieser Drehzahl zugeordneten Leistung belastet wird. Bei einer um 30 % verringerten
Drehzahl würde, ohne Steigungsänderung der Propellerflügel, der Dieselmotor nämlich
nur noch etwa 35 % seiner Leistung abgeben können. Durch geeignete Verstellung der
Propellerflügel kann jedoch der Dieselmotor die volle, dieser Drehzahl entsprechende
Leistung entwickeln.
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Die beschriebene Schaltung nach Fig. 3 ist, wie auf der Zeichnung
durch einen gestrichelten Drehtransformator angedeutet, durch Berücksichtigung zusätzlicher
Abhängigkeiten ausbaufähig. Dazu sei das folgende Beispiel angeführt: Bei Schiffen
mit Verstellpropellern hat sich als unzweckmäßig erwiesen, den Dieselmotor ständig
mit der vollen Drehzahl laufen zu lassen. Man betreibt deshalb den Dieselmotor längere
Zeit statt mit voller Drehzahl bei kleiner Flügelsteigung mit herabgesetzter Drehzahl
bei größerer Flügelsteigung.
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Die hierbei zweckmäßige Flügelsteigung kann, bei gleichzeitiger Herbeiführung
der maximalen Leistung des Dieselmotors in diesem Betriebszustand, unter Berücksichtigung
der Kennlinien des Propellers und des Dieselmotors selbsttätig über einen weiteren
Drehtransformator nachgesteuert werden.