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Einrichtung zum Steuern von Verstellpropellern Verstellbare Schiffspropeller,
die stets mit gleichbleibender Wellendrehzahl betrieben werden, haben bei geringer
Belastung einen schlechten Wirkungsgrad. Außerdem wird durch einen mit Nenndrehzahl
und sehr kleiner Steigung betriebenen Verstellpropeller die Anströmung des Ruders
abgeschirmt, wodurch das Schiff sich schlecht manövrieren läßt.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, muß außer der Propellersteigung auch
die Propellerdrehzahl verändert werden, und zwar so, daß möglichst immer im Bereich
des jeweils optimal erreichbaren Wirkungsgrades gefahren wird. Dies kann etwa dadurch
geschehen, daß ein auf der Brücke vorhandener Steigungseinsteller und ein Drehzahleinsteller
nach einem Kurvenblatt oder einer Fahrtabelle von Hand eingestellt werden.
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Es sind auch schon mechanische Kombinatoren (Kamewa-Kombinator) bekannt,
die von vornherein die Propellerdrehzahl mit der Propellersteigung kombinieren.
Dem Kombinator wird eine optimale Kennlinie unterlegt, wobei auch Möglichkeiten
vorgesehen sind, die Tendenz dieser Kennlinie zu verändern.
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Dieser vorbekannte Kombinator ist eine pneumatische Steuereinrichtung,
bei der das Steuerorgan mechanisch unmittelbar auf Funktionsgeber wirkt, die über
die ebenfalls unmittelbare Betätigung von Druckreduzierventilen in den Steuer-Luftleitungen
einen der Einstellung des Steuerorgans zugeordneten Druck herstellen. Dieser Druck
wirkt dann auf die Verstellorgane zur Einstellung der Steigung und der Drehzahl
des Verstellpropellers.
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Pneumatische Systeme dieser Art unterliegen auf Schiffen klimabedingten,
stark wechselnden Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüssen. Bei ihrer Verwendung
für räumlich ausgedehnte Steueranlagen entstehen besondere Probleme hinsichtlich
der günstigen Leitungsverlegung und der Überwindung von Funktionsträgheiten. Außerdem
entsprechen den Sollwerteinstellungen nicht immer eindeutige Werte für die sich
einstellende Steigung und Drehzahl, da Ventilundichtigkeiten, sich ändernde Federkräfte
der Reglerfedern, schwankende Reibungskräfte an den steuernden Teilen u. dgl. den
Druck in den Luftleitungen und die Einstellung der Regelventile und Servomotoren
unkontrollierbar beeinflussen.
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Die Erfindung hat den Zweck, eine Steuereinrichtung für Verstellpropeller
zu schaffen, die es erlaubt, unabhängig von Klimaschwankungen und räumlicher Ausdehnung
der Anlage im Rahmen der Änderungsmöglichkeiten der Drehzahl der antreibenden Kraftmaschine
die gewünschten optimalen Werte von Steigung und Drehzahl für jeden Fahrt- bzw.
Propulsionszustand leicht einzustellen und stets sicher zu erreichen.
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Unter »Fahrzustand« wird derjenige Bewegungszustand des Schiffes verstanden,
indem es sich gerade befindet (Istwert) oder der mit Hilfe der Steuereinrichtung
erreicht werden soll (Sollwert). Der Fahrzustand des Schiffes ist gegeben durch
die Propellersteigung und -drehzahl.
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Erreicht wird der Zweck gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch,
daß für die Einstellung von Propellersteigung und -drehzahl je ein mit dem Steuerorgan
verbundener elektrischer Regler verwendet wird und daß an jeden elektrischen Regler
ein Funktionsgeber angeschlossen ist, der entweder die vom Steuerorgan gegebenen
Sollwerte oder die vom Verstellpropeller gegebenen Istwerte nach einer vorgegebenen
Funktion in Soll- bzw. Istvergleichswerte für den Regler umsetzt. Dabei kann in
besonderen Ausgestaltungen der Erfindung jeder Funktionsgeber entweder an den Ausgang
des Istwertgliedes oder des Sollwertgliedes des ihm zugeordneten Reglers angeschlossen
sein.
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Als Funktionsgeber können in einer weiteren Ausbildung der Erfindung
mechanische Funktionsgeber angeordnet sein, die an je einen elektrischen Regler
wie z. B. an eine Drehtransformator- oder Potentiometeranordnung oder an ein induktives
Drehfeldgebersystem angeschlossen sind.
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Besonders vorteilhaft geschieht die Sollwertumwandlung und die Kombination
der beiden Sollwerte elektrisch. Es ergeben sich dabei, wie später
im
einzelnen noch erläutert wird, übersichtliche Schaltungen und auf einfache Art weitgehende
Variationsmöglichkeiten. Da die Sollwerte für die Propellersteigung und -drehzahl
sowieso als elektrische Größen in die beiden Regler eingespeist werden, werden ohnehin
vorhandene Zwischengrößen durch die Modulation gemäß der Erfindung erfaßt.
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Wird bei der Umwandlung und Kombination statt vom Sollwert des Fahrzustandwertes
von seinem Istwert ausgegangen, dann bestehen dabei grundsätzlich die gleichen Einstellmöglichkeiten.
Die Modulation wird immer dann zweckmäßig am Istwert vorgenommen, wenn die Folgesteuerung
auf verschiedene Sollwertgeber geschaltet werden kann.
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Die Zeichnung zeigt in den Fig. 2, 5, 7 und 9 verschiedene Ausführungsbeispiele
des Funktionsgebers des Erfindungsgegenstandes oder seiner Teile und in den Fig.
1, 3, 4, 6 und 8 zugehörige Diagramme der den Beispielen zugrunde gelegten gewünschten
Abhängigkeiten der Propellersteigung und -drehzahl vom Einstellwinkel des Fahrhebels
(Steuerorgan).
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Fig.2 zeigt zwischen dem Steuerorgan und den Sollwerteinstellern der
beiden Regler je einen mechanischen Funktionsgeber, und zwar einen Funktionsgeber
F 1 für die Propellersteigung und einen Funktionsgeber F2 für die Propellerdrehzahl.
Der Fahrhebel 1 sitzt auf der Welle 2 und bewegt das Zahnrad 3. Dieses kämmt mit
dem Zahnrad 4, das auf der Welle 5 sitzt. Ebenfalls auf der Welle 5 ist der Hebel
6 mit dem Mitnehmer 7 befestigt. Frei beweglich auf der Welle 5 ist die Hohlwelle
8 montiert mit dem Hebel 9, dem Mitnehmer 10, dem Anschlaghebel 11 und dem
Zahnrad 12. Das Zahnrad 12 kämmt mit dem Zahnrad 13, das auf der Welle 14 mit dem
Drehtransformator 15 gekuppelt ist. Der Drehtransformator 15 gibt
den elektrischen Sollwert für den Nachlaufregelkreis der Propellersteigungsverstellung.
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Bei Verstellung des Fahrhebels 1 in Richtung »Voraus« wird über die
Welle 2 und das Zahnrad 3 das Zahnrad 4 und damit die Welle 5 proportional
verstellt. Damit verstellt sich auch der Hebel 6 mit dem Mitnehmer7. Der Mitnehmer7
ist mit dem Mitnehmer 10 über die U-förmig abgewinkelten Enden der auf der
Welle 5 frei drehbaren, gewendelten Feder 16 elastisch gekoppelt. Es bewegt
sich also auch die Welle 8 mit gleichem Winkel wie die Welle 5 und damit
über die Zahnradübertragung 12, 13 auch der Drehtransformator 15.
Ist die Welle 5
so weit verdreht, daß der Anschlag 11 an den Anschlag
17 oder 18 anläuft, so wird bei weiterer Verstellung des Fahrhebels
1 zwar die Welle 5 proportional mitgedreht, die Hohlwelle 8 und damit die Welle
14 jedoch beharren in ihrer Stellung, und die Feder wird gespannt. Damit
ergibt sich das in Fig. 3 gezeigte Umwandlungsverhalten für die Propellersteigung,
nach dem bis A die Steigung s proportional mit dem Einstellwinkel a des Fahrhebels
zunimmt und dann bis B konstant bleibt. Zur Festlegung des Beginns des Bereiches
konstanter Steigung werden die Anschläge 17 und 18 von außen her mechanisch
eingestellt. Ebenfalls auf der Welle 5 sitzt der Hebel 19 mit dem Mitnehmer
20 sowie der Hebel 21 mit dem Mitnehmer 22. Frei beweglich auf der Welle
5 ist die Hohlwelle 23 mit den Mitnehmerhebeln 24
und 25 sowie dem
Anschlaghebel 26 und dem Zahnrad 27. Das Zahnrad 27 kämmt mit dem Zahnrad
28, das über die Welle 29 den Drehtransformator 30
verstellt.
Die Hohlwelle 23 wird über die Feder 31 mit ihrem Anschlaghebel 26 an dem Anschlag
32 gehalten.
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Bei Verstellung des Fahrhebels 1 in Richtung auf »Voraus« bleibt
die Hohlwelle 23 und damit die Welle 29 mit dem Drehtransformator 30 so lange in
Ruhe, bis der Mitnehmer 20 gegen den Nfitnehmerhebel 24 schlägt und nun die Welle
23 proportional der Verstellung des Hebels 1 verstellt. Bei Verstellung des
Fahrhebels 1 in Richtung auf »Zurück« bleibt die Welle 23 so lange in Ruhe, bis
der Hebel 21 den Mitnehmer 22 gegen den Mitnehmerhebel 25 schlägt und nun die Welle
33 proportional der Fahrhebelbewegung verstellt. Über das Umkehrgetriebe 34 wird
diese Bewegung auf die Welle 23 übertragen, die sie über das Zahnradpaar 27 und
28 an den Drehtransformator 30 weitergibt. Damit entsteht eine Sollwertumwandlung
für die Drehzahl entsprechend Fig. 1, wonach die Drehzahl n mit wachsendem Einstellwinkel
a des Fahrhebels bis A konstant bleibt und dann proportional mit dem Einstellwinkel
a ansteigt, um bei B die Nenndrehzahl zu erreichen.
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Zur Einstellung des Proportionalbereicheinsatzes werden die Mitnehmerhebe119
und 21 gegeneinander verstellt. Zur Einstellung der konstanten Drehzahl zwischen
O und A (Fig. 1) wird der Anschlag 32 verstellt.
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Um den Steigungsabfall zwischen B und C (Fig.3) im Überlastgebiet
zu bewirken, wird elektrisch in Reihe zum Drehtransformator 15 ein weiterer,
hier nicht gezeichneter Drehtransformator geschaltet.
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Die mechanische Sollwertumwandlung kann auch auf mannigfaltige andere
Weise erreicht werden, z. B. durch Stößel mit Rückholfedem, durch Kurvenscheiben
u. dgl.
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Wird zur Übertragung der Fahrzustandswerte vom Kommandostand zur Steuereinrichtung
eine elektrische Folgesteuerung benutzt, dann können deren elektrische Größen direkt
zur Sollwertmodulation verwendet werden. Um die durch die Diagramme nach Fig. 1
und 3 gegebenen Abhängigkeiten zu -verwirklichen, wird der Sollwertgeber des Steuerorgans
(Drehtransformator, Potentiometer od. dgl.) mit dem Sollwertempfänger der Regler
gekuppelt. Die abgegebene Spannung ist dann bei entsprechend gewählten maximalen
Verdrehwinkeln proportional dem Verstellwinkel des Steuerorgans. Damit ist der Proportionalbereich
von vornherein erfaßt. Die Propellersteigung kann durch Spannungsregelung am Primärteil
des Gebers eingestellt werden. Um die Einstellbereiche, innerhalb denen die Istwerte
konstant bleiben sollen, festzulegen, wird für die Propellersteigung eine Begrenzerschaltung
und für die Propellerdrehzahl eine Schwellwertsohaltung verwendet.
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Als Begrenzerschaltung könnte zwar schon die bekannte Spannungs-Konstanthaltungs-Schaltung
mit Pentode, Triode und Glimmröhre verwendet werden, doch ist diese Schaltung sehr
aufwendig und hat einen schlechten Wirkungsgrad.
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Die in Fig. 5 dargestellte Begrenzerschaltung verwirklicht einen trapezförmigen
Spannungsverlauf, abhängig vom Einstellwinkel des Steuerorgans; wie ihn das Diagramm
nach Fig. 4 zeigt.
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Die von einem nicht gezeichneten Drehtransformator als Sollwertgeber
kommende; dem WÜikel a proportionale Eingangsspannung P1 wird" für den Bereich
0-A durch den übersättigbaren'Transfermator TI auf den Ausgangskreis übertmgen.
Der
Transformator T1 hat bei A einen ausgeprägten Sättigungsknick,
so daß von A an die Ausgangspannung konstant bleibt.
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Die Eingangsspannung P1 wirkt auch noch auf den zweiten, unteren Stromkreis,
der durch vorgespannte Dioden bis zu der dem Winkelwert B entsprechenden Spannung
gesperrt ist. Bei Überschreiten dieser Spannung wird die Differenz zwischen P1 und
Diodenvorspannung über die Transformatoren T, und T3 mit umgekehrter Phase als Spannung
P, in den Ausgangskreis übertragen. Aus der hier erfolgenden Subtraktion der Ausgangsspannung
des Transformators T3 von der Ausgangsspannung des Transformators T1 resultiert
die Spannung P für den Bereich B-C. Bei negativem Winkel ergibt sich mit umgekehrter
Phase die gleiche Kennlinie.
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Eine andere Begrenzerschaltung mit einer Zener-Diode als Vergleichspannung
und einem Leistungstransistor als veränderlichem Widerstand für einen Propellersteigungsverlauf
nach Fig. 6 zeigt die Fig. 7. Durch den Spannungsteiler R1 R., wird der Ansprechpunkt
der Begrenzung und damit die Größe der Propellersteigung im konstanten Bereich A-B
eingestellt. Steigt die Eingangsspannung über den Begrenzungspunkt beim Winkelwert
A, dann öffnet sich die Diode Z, die Basis des Transistors T erhält positives Potential,
und es fließt durch die Basis ein Steuerstrom, der den Transistor T öffnet. Die
Strecke Emitter-Kollektor ist niederohmig; durch den Transistor fließt ein Strom.
Damit ist eine Zunahme des Stromes durch R,, erreicht.
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Die Schaltung ist so ausgelegt, daß nach überschreiten des Schwellwertes
und damit Öffnen des Transistors der Strom über R,, derart ansteigt, daß der Spannungsabfall
über R,, die Spannungserhöhung an Ui ausgleicht und somit U_, konstant bleibt.
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Schließlich kann zum Begrenzen der Propellersteigung ein von der Eingangsspannung
des Funktionsgebers beeinflußtes, von einem bestimmten Fahrzustandswert an auf konstante
Propellersteigung schaltendes Relais verwendet werden.
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Die Darstellung des bei der Drehzahlsteuerung in Frage kommenden Kennlinienverhaltens
nach Fig. 1, bei dem die Drehzahl im Bereich 0-A konstant bleibt und dann proportional
ansteigt, wird beispielsweise durch die Schaltung nach Fig. 9 erreicht, die eine
Eingangsspannung nach Fig.8, links, in eine Ausgangsspannung nach Fig.8, rechts,
umwandelt.
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In Fig. 9 ist an die Eingangsspannung der übersättigbare Transformator
T1 geschaltet und ferner der Transformator T, der als Umkehrstufe auf den Transformator
T3 arbeitet. Am Ausgang der Transformatoren T1 und T.3 werden die als Funktion vom
Verdrehwinkel des Steuerorgans ansteigenden, gegenphasigen Spannungen addiert. Der
konstante Wert der Gleichspannung im Ausgangsstromkreis ist von der Gleichstromquelle
G, vorgegeben.
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Die Sekundärspannungen der Transformatoren T1 und T.3 sind, solange
der Transformator Ti nicht gesättigt ist, gleich groß und ergeben deshalb zusammen
die Spannung Null. Hat der Transformator T1 eine Sättigungsspannung erreicht, dann
wird bei weitersteigender Eingangsspannung die durch den bei dieser Spannung nicht
gesättigten Transformator T3 übertragene Spannung wirksam. Es tritt dann unabhängig
von der Phasenlage, also bei positivem und bei negativem Verdrehungswinkel des Steuerorgans,
eine Erhöhung der Ausgangsgleichspannung ein.