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Verfahren zum selbsttätigen Verstellen der Flügelsteigung des Verstellpropellers
von durch eine Kolbenbrennkraftmaschine angetriebenen Schiffen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum selbsttätigen Verstellen der Flügelsteigung des Verstellpropellers
von durch eine Kolbenbrennkraftmaschine angetriebenen Schiffen, wobei durch eine
Regelwanlage ein Gleichgewicht zwischen Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe der
Brennkraftmaschine innerhalb des zulässigen Leistungskennfeldes hergestellt t2 wird.
Beim Antrieb von Verstellpropellern durch eine oder mehrere Maschinen entweder direkt
oder über ein Getriebe ist bekanntlich die mögliche Leistungsaufnahme des Propellers
wesentlich größer als die mögliche Leistungsabgabe der Antriebsmaschine, z. B. eines
Dieselmotors. Die Leistungsaufnahme des Verstellpropellers ist dabei nur durch seine
Festigkeit begrenzt, welche jedoch wegen zusätzlicher Beanspruchungen höher als
die für die Nennlast erforderliche gewählt wird. Die Propellersteigung muß dem-Cremäß
so ein-estellt werden, daß die Brennkraft-Z, el maschine nur innerhalb einer bestimmten
Leistung betrieben wird.
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Bei bisher bekannten Ausführungen wird dabei die Steigung über eine
Fernsteuerung nach den jeweili-,en C, Anforderunaen des Fahrbetriebes eingestellt.
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CD
Dem Bedienungspersonal obliegt dabei die Kontrolle der Belastung
der Antriebsmaschine(n) und - ebeeeg nenfalls die Korrektur der Steigung
so, daß die Maschine nicht überlastet wird.
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Bei einer weiteren bekannten Ausführung (Zeitschrift »Schiff und Hafen«,
1956, S. 493/494) wird eine gemeinsame Verstellung von Steigung und Drehzahl
angewendet. Außerdem sind Steuerungen bekannt, bei welchen durch eine die Belastung
der Maschine kennzeichnende Betriebsgröße die vorgewählte Propellersteigung selbsttätig
so korrigiert wird, daß die Maschine nicht überlastet wird. Bei Dieselmotoren reicht
jedoch eine solche Größe nicht aus, um besonders bei Teillast unterhalb 7011/o Neunleistung
eine Überlastung des Motors mit Sicherheit zu verhindern, da z. B. auch bei
50 O/ü, Nennleistung mit voller Füllung eine Überlastung der Maschine vorliegt.
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Es ist ferner eine elektrische Steuereinrichtung (deutsche Auslegeschrift
1104 375) bekannt, bei welcher mehrere Betriebsgrößen der Maschine
als Korrekturwerte für die Einstellung der Propellersteigung verwendet werden. Alle
der genannten und eine Reihe weiterer im einzelnen nicht näher aufgeführter Steuereinrichtungen
bestehen demnach im wesentlichen aus einer Steuerung für die Propellersteigung,
bei welcher eine Überlastung der Maschine durch eine selbsttätige Korrektur des
Sollwertes der Steigung in Ab-
hängigkeit von einer Betriebsgröße der Maschine
verhindert werden soll.
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Die Erfindung geht demgegenüber von dem Gedanken aus, daß eine aus
VersteRpropeller und Kolbenbrennkraftmaschine, z. B. einem Dieselmotor, bestehende
Schiffsantriebsanlage so gefahren werden soll, daß bei jeder Leistung ein annähernder
optimaler Wirkungsgrad der gesamten Antriebsanlage gewährleistet ist und die Maschine
hinsichtlich Verschleiß und Betriebssicherheit in einem günstigen Bereich gefahren
wird, d. h. auf einer Betriebskurve, welche für die Maschine ungünstige Betriebspunkte
vermeidet. Beim Betrieb einer Maschine nach einer derartigen optimalen Betriebskurve,
die für jeden Bedarfsfall gefunden werden kann, besteht natürlich auch eine eindeutige
Zuordnung von Leistung, Drehmoment und Drehzahl zueinander. Demzufolge ist lediglich
noch die Steigung des Propellers zu regeln, d. h. die Leistungs- bzw. Momentaufnahme
desselben der an der Maschine eingestellten Leistung im betreffenden Betriebspunkt
anzupassen. Erfindungsgemäß kann dies bei einem Verfahren zum Verstellen der Flügelsteigung
von Verstellpropellern der eingangs erwähnten Art dadurch geschehen, daß eine der
die Maschinenleistung bestimmenden Größen (Drehzahl oder Drehmoment) an der Brennkraftmaschine
in bekannter Weise (am Regler bzw. Füllungsgestänge) eingestellt wird (Führungsgröße),
die andere gleichzeitio, als Sollwert der Regelanlage vorgegeben wird, welche die
Steigung des Propellers so lange selbsttätig verstellt, bis der Ist-Wert dieser
Betriebsgröße dem vorgegebenen Sollwert entspricht und damit der durch beide Betriebsgrößen
bestimmte Belastungszustand der Anlage für die jeweilige Leistung einer vorher bestimmten
optimalen Betriebskurve entspricht. Durch eine derartige Maßnahme wird die
Bedienung
wesentlich vereinfacht, da nur mehr mittels eines einzigen Hebels auf der Brücke
die gewünschte Leistung einzustellen ist. Gleichzeitig werden für die Maschine ungünstige
und bei Dauerbetrieb unter Umständen schädliche Betriebszustände vermieden. Die
Anpassung an die jeweiligen Widerstandsverhältnisse des Schiffes, hervorgerufen
durch Beladung, durch Ruderlegen od. dgl., erfolgt zudem rasch und selbsttätig,
so daß die größtmögliche Ausnutzung der installierten Leistung gewährleistet ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 ein Diagramm mit einer für die Maschine günstigen Leistungskurve,
F i g. 2 eine Schiffsantriebsanlage mit der Regelung nach der Erfindung schematisch,
F i g. 3 eine elektro-pneumatische Steigungsregelung schematisch, F i
g. 4 eine pneumatische Steigungsregelung teilweise schematisch, Fig.
5 eine Einzelheit in schematischer Darstellung.
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In dem in F i g. 1 gezeigten Diagramm ist mit n
die Drehzahl
und mit N, die Leistung, die Propellerkurve mit P und die maximale
Propellerleistung mit P." bezeichnet. Die Nennleistung der Kolbenbrennkraftmaschine
liegt bei N, während das Feld der möglichen Leistungsabgabe durch die stark
umrandete Fläche dargestellt ist. Die strichpunktierte Linie hingegen bezeichnet
beispielsweise die eingangs erwähnte Betriebskurve B, nach welcher die Kolbenbrennkraftmaschine
betrieben werden soll.
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Soll als Führungsgröße für die Regelanlage die Füllung der Kolbenbrennkraftinaschine
benutzt werden, so wird die Anlage wie folgt betrieben: Die gewünschte Leistung
wird an einem nicht näher dargestellten Fahrhebel eingestellt und durch mechanische
oder andere Mittel auf das Füllungsgestänge 1 der Maschine 2 übertragen.
Mit diesem ist ein Sollwertsteller 3 gekuppelt, welcher dem Regler 4 einen
der Leistung, das ist der Füllung, entsprechenden Sollwert der Drehzahl vorgibt.
Der Istwert der Drehzahl, d. h. die augenblickliche Drehzahl, wird über einen
Meßwandler 5 auf den Regler 4 gegeben. Weichen Soll- und Istwert voneinander
ab, so wird vom Regler über ein Stellglied 6 die Steigung des Propellers
und damit die Momentaufnahme und damit die Drehzahl so lange verstellt, bis der
vorgegebene Sollwert erreicht ist, d. h. die Maschine mit der dieser Leistung
nach der Betriebskurve entsprechenden Drehzahl läuft.
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Die Regelung kann in diesem Fall elektrisch oder elektro-pneumatisch
ausgeführt werden. Wegen der hohen Stellgeschwindigkeiten und wegen des einfachen
Aufbaues ist die letztgenannte Art jedoch vorteilhafter. Sie ist nachstehend an
Hand der F i g. 3
näher beschrieben. Der Sollwertgeber 3 kann dabei
beispielsweise als Feindruckgeber bekannter Bauart ausgebildet sein, der über einen
Zahnstangenantrieb 8
mit dem Füllungsgestänge 1 der Maschine 2 gekuppelt
ist oder mit dem Fahrhebel zusammen mit der Füllung betätigt wird. Gegebenenfalls
kann auch die Steuerluft für die pneumatische Fernbedienung der Maschine als Sollwert
benutzt werden. Bei nichtlinearer Abhängigkeit der Füllung von der Drehzahl kann
der Druckgeber über eine entsprechend ausgebildete Kurvenscheibe (s. F i
g. 4) betätigt werden. Mit Hilfe des Sollwertgebers wird jeder Stellung des
Füllungsgestänges entsprechend der Stellung des Balges 9 ein bestimmter Druck
zugeordnet, der als pneumatischer Sollwert der Drehzahl dem Regler 4 eingegeben
wird. Der Istwert der Drehzahl wird durch einen Meßwertwandler5 in einen dazu proportionalen
Gleichstrom umgeformt und dem Tauchspulensystem 10 des Reglers 4 zugeführt.
Als Meßwertwandler kann ein Wechselstromgenerator mit Gleichrichter dienen. Der
Regler4 vergleicht den pneumatisch dargestelltenSollwert mitdemelektrisch eingegebenen
Istwert und besteht im wesentlichen aus einer sogenannten elektro-pneumatischen
Kraftwaage 11. Beim Abweichen des Sollwertes vom Istwert wird der Waagebalken
12 in bekannter Weise verschwenkt, wodurch eine Änderung in der Drosselung des Luftstroms
zwischen Ausströmdüse und Prallplatte verursacht und eine Änderung des Drucks zwischen
fester Vordrossel und Ausströmdüse erreicht wird. Diese Druckänderung wird über
einen pneumatischen Verstärker 13 als Steuerdruck auf das Stellglied
6
gegeben. Dieses ist zweckmäßigerweise als pneumatischer Stellmotor mit einem
Membranantrieb ausgebildet, der über einen Hebel 14 so auf die Einstellung der Propellersteigung
einwirkt, daß mit zunehmendem Steuerdruck die Steigung vergrößert wird. Gibt man
dabei dem Regler eine bestimmte Charakteristik, d. h. zum Beispiel einen
Vorhalt, so wird die Steigung kurzzeitig über das der Leistungs- und Drehzahländerung
entsprechende Maß hinaus verändert und der Regelvorgang beschleunigt. Es erübrigt
sich daher, die Maschine auch bei kleiner Last mit voller Drehzahl zu betreiben,
um rasch und kurz aufeinanderfolgende Manöver ausführen zu können. Der Beharrungszustand
stellt sich am Regler ein, sobald das Gleichgewicht an der Waage erreicht ist.
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Wird die Drehzahleinstellung als Führungsgröße für die Regelanlage
verwendet, so ist eine elektrische, elektro-pneumatische oder rein pneumatische
Regelung möglich. In F i g. 4 ist die rein pneumatische Regelung als einfachste
Ausführung schematisch dargestellt. Die gewünschte Leistung wird dabei wieder an
einem Fahrhebel eingestellt, und damit wird zwangläufig durch eine Steuerung bekannter
Bauart die zugehörige Drehzahl am Drehzahlregler des Motors eingestellt. Mit der
Drehzahlverstellung gekuppelt, gegebenenfalls über eine Kurvenscheibe
15,
ist wieder ein Sollwertgeber, der wie bereits beschrieben ausgebildet
ist und dem Regler 4 den Sollwert für die Füllung vorgibt. Der Sollwertgeber kann
sowohl am Drehzahlregler der Maschine als auch am Bedienungsstand angebracht sein
und wird mit dem Fahrhebel direkt oder indirekt gestellt. Es ist aber auch denkbar,
den Steuerdruck einer pneumatischen Drehzahlverstellung bekannter Bauart als pneumatischen
Sollwert zu verwenden. Der Istwertgeber ist ebenfalls als Feindruckgeber ausgebildet
und über einen Zahnstangentrieb mit der Füllung gekuppelt. Der Istwert wird, wie
bereits beschrieben, über einen Meßumformer in den Regler gegeben, welch letzterer
über ein Stellglied 6 die Steigung des Propellers so lange verstellt, bis
der Istwert der Füllung den vorgegebenen Sollwert erreicht hat, d. h. die
Maschine auf der der eingestellten Leistung und Drehzahl nach der Betriebskurve
entsprechenden Füllung läuft. Da Ist- und Sollwert als Druck in den Regler gegeben
werden, ist dieser in diesem Fall im wesentlichen als pneumatische Kraftwaage ausgebildet.
Drosseln und Rückführbälge dienen dabei in bekannter Weise zur
Einstellung
der Reglercharakteristik. Die Arbeitsweise des Reglers ist im übrigen wie bereits
beschrieben und an sich bekannt. Der Beharrungszustand liegt dabei wieder vor, wenn
Ist- und Sollwert einander gleich sind, wobei die Füllung dem für die eingestellte
Leistung und Drehzahl nach der Betriebskurve festgelegten Wert entspricht.
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Außer mit einer aus umsteuerbarer Maschine und einem von Null bis
Maximum verstellbaren Propeller bestehenden Anlage kann das Schiff auch in anderer
Weise manövriert werden. Zum Beispiel kann, wenn die Steigung am Propeller von »Voll
voraus« über »Null« bis »Voll zurück« verstellbar ist und der oder die Maschinen
nicht umsteuerbar sind, auch mit einem nach beiden Seiten wirkenden Stellglied manövriert
werden. Je nach der Stellung des Umschalters 16 arbeitet der Steuerdruck
des Reglers 17
dabei entweder auf dem Vorwärtsteil 18 oder Rückwärtsteil
19 des mit zwei Membranen versehenen Stellgliedes 6. Beim Steuerdruck
Null wird der Propeller von den Federn 20 auf der Steigung Null ge-
halten.
Das Umschalten von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt kann mit dem gleichen Hilfsmittel
wie die Fernsteuerung der Maschine durchgeführt werden (vgl. F i g. 5). Entlüftungen
24 mit Drosselorganen am Umschalter ermöglichen eine Anpassung der Manövrier- an
die Regelgeschwindigkeit.
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In der Leitung von der Regelanlage 4 zum Stellglied 6 kann
außerdem ein an sich bekanntes Leitgerät vorgesehen sein. Dasselbe besteht aus einer
Anzeige 21 für Ist- und Sollwert zur überwachung der Regelanlage 4 und einem Umschalter
25, der es ermöglicht, in den Regelvorgang von Hand einzugreifen bzw. ihn
von Hand mit dem Feindruckgeber 23,
der vom Luftdruck des Bordnetzes 22 gespeist
wird, auszuführen.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorbesehriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt; so kann die pneumatische Steuerung selbstverständlich ganz oder
teilweise durch eine hydraulische ersetzt werden.