DE573266C - Einrichtung zum Verschieben der Fluessigkeitsmassen von Schlingertanks - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 29. MÄRZ 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 65 a² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 31. Mai 1930 ab

Die Erfindung bezieht sich auf Schlingertankanlagen, bei denen die Flüssigkeitsmassen der Tanks durch eine in Abhängigkeit von der Schiffsschwingung gesteuerte Fördereinrichtung periodisch hin und her verschoben werden. Diese Anlagen haben gegenüber Schlingertanks, die lediglich durch in Verbindungsleitungen zwischen den Lufträumen der Tanks eingebaute, im Takt der Schiffsschwan-

to kungen auslösbare Abschließklappen gesteuert werden, den Vorteil, daß die Fördereinrichtung schon bei kleinen Amplituden der Schiffsschwingung erhebliche Wassermassen verschiebt und auf diese Weise große Momehte erzeugt. Es ist bekannt, daß die Momente dann am wirksamsten sind, wenn die periodische Bewegung der Flüssigkeitsmassen gegenüber der Schiffsschwingung um 90° in der Phase verschoben ist, und zwar muß die

ao Bewegung der Flüssigkeitsmassen der Schiffsschwingung um 90 ° in der Phase nacheilen, um die Schiffsschwingung zu dämpfen, dagegen um 90 ° in der Phase vorauseilen, um die Schiffsschwingung zu vergrößern, wie dies für Übungs- und Versuchszwecke gelegentlich erwünscht ist.

Um die erwähnte phasenverschobene Flüssigkeitsbewegung zu erzielen, wird bei bekannten Anlagen der Antrieb durch eine Steuereinrichtung geregelt, in der die dem Schlingerwinkel entsprechenden Ausschläge eines freischwingenden Pendels über mechanische oder hydraulische Dämpfungsorgane zunächst in um dazu um 90 ° phasenverschobene Ausschläge umgewandelt werden. Die so erhaltene Steuergröße wirkt dann auf das eigentliche Regelorgan des Antriebs, z. B. der Fördereinrichtung, ein. Diese Steuerung ist einmal recht umständlich und teuer, und ferner ist sie auch zu träge, um in jedem Fall die für eine genaue Steuerung erforderliche Phasenverschiebung der Pendelausschläge um genau 90 ° zu erzielen. Schließlich kann diese Steuerung praktisch nur zur Dämpfung von periodischen Schlingerbewegungen verwendet werden. Sobald nämlich das Schiff eine Schlagseite bekommt, bewirkt diese Steuerung, daß die Flüssigkeitsmassen zwangsläufig immer mehr zur tiefer gelegenen Schiffsseite hin getrieben werden, so daß also eine einmal vorhandene mittlere Schieflage des Schiffes bei dieser Steuerung noch in höherem Maße vergrößert wird als in dem Fall, wo die Flüssigkeitsmassen der Tanks überhaupt nicht gesteuert werden.

Die Nachteile der bekannten Steuerung werden erfindungsgemäß durch Regelorgane behoben, die zur Erzielung der gewünschten

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Hermann Hort in Berlin-Charlottenburg.

Phasenverschiebung von 90 ° zwischen der Flüssigkeitsbewegung und der Schiffsschwingung unmittelbar phasengleich mit den Ausschlägen eines Schlingerwinkelzeigers eingestellt werden. Bei Ausschlägen des Schlingerwinkelzeigers nach der einen Seite wird die Fördereinrichtung in dem einen Sinne und bei Ausschlägen des Schlingerwinkelzeigers nach der anderen Seite in dem anderen Sinne eingeschaltet. Dies ergibt, wie später an Ausführungsbeispielen erläutert ist, zwangsläufig eine Verschiebung der Flüssigkeitsmassen aus dem höher gelegenen Tank in den tiefer gelegenen, was der gewünschten Phasenverschiebung von 90⁰ entspricht. Der Fortfall, der bei den bekannten Steuerungen zwischen dem Schlingerwinkelzeigerj z. B. Pendel, und dem Regelorgan der Fördereinrichtung liegenden Dämpfungsorgane verbilao ligt nicht nur die Steueranlage, sondern gewährleistet vor allem eine genaue unverzerrte Steuerung.

Um die Tanks bei mittleren Schieflagen des Schiffes etwa infolge einer Schlagseite in Betrieb nehmen und ihre Flüssigkeitsmassen darüber hinaus so steuern zu können, daß die Schieflagen teilweise oder ganz ausgeglichen werden, kann im weiteren Verfolg der Erfindung das Regelorgan für die Fördereinrichtung noch zusätzlich von einer den Schlingerwinkel über die Zeit integrierenden Vorrichtung einstellbar sein. Dadurch wird bei aperiodischen Schlingerbewegungen eine unsymmetrische Verteilung der Flüssigkeitsmassen auf die beiden Schiffsseiten in der Weise bewirkt, daß diese Massen in stärkerem Maße nach der höher gelegenen Schiffsseite hin gesteuert werden.

Vorrichtungen zum zusätzlichen Verstellen der Steuerorgane bei Schlinger dämpf ungsanlagen in der Weise, daß dadurch eine Schlagseite des Schiffes ausgeglichen wird, sind an sich bekannt. Dabei handelt es sich jedoch um Tankanlagen ohne Fördereinrich-45· tungen, bei denen die Steuerorgane Abschließklappen in Verbindungsleitüngen zwischen den Lufträumen gegenüberliegender Tanks betätigen. Hierbei wird durch die zusätzlichen Steuerorgane eine Verschiebung des Auslösezeitpunkts für die Klappen proportional der jeweiligen mittleren Schräglage des Schiffes vorgenommen.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Die Abb. i, 2 und 3 zeigen verschiedene Anordnungen von Schlingertanks auf Schiffen, deren Fördereinrichtung durch ein in Abb. 4 beispielsweise dargestelltes Steuergerät geregelt wird.

Bei der in Abb. 1 dargestellten Anordnung ist zur Dämpfung der Schlingerbewegungen eine konstante Flüssigkeitsmasse vorgesehen, die beispielsweise aus den ölvorräten des Schiffes bestehen kann. 1 und 2 sind die an den Längsseiten des Schiffes angeordneten Tanks, die durch den Flüssigkeitskanal 3 und den Luftkanal 4 mit Drosselventil 5 in tVerbindung stehen. In dem Flüssigkeitskanal 3 ist eine umsteuerbare Flügelradpumpe 6 eingebaut, die über die Vorgelege 7 und 8 von dem Motor 9 angetrieben wird.

Gemäß Abb. 2 sind die Tanks 1 und 2 außen an den Schiffswänden angeordnet. In diesem Fall sind die Tanks mit Seewasser gefüllt, das durch die öffnungen 10 und 11 freien Zutritt hat. Die Lufträume oberhalb des Seewassers sind durch die Leitung 4 verbunden, in welcher ein von der zwecks besserer Sichtbarkeit perspektivisch dargestellten Welle 12 betätigter Zweiwegehahn 13 eingebaut ist. Durch Verstellung dieses Hahnes 13 können die Tankräume 1 und 2 abwechselnd mit dem Druckraum 14 und dem ,Saugraum 15 in Verbindung gebracht werden. Beide Räume 14 und 15 sind durch eine Rohrleitung 16 verbunden, in welche eine von dem dauernd laufenden Motor 18 angetriebene Gebläsepumpe 17 eingeschaltet ist, die ständig Luft aus dem Saugraum 15 in den Druckraum 14 befördert. Der Motor 18 läuft entweder mit konstanter Drehzahl um oder wird derart selbsttätig gesteuert, daß stets ein konstanter Druck im Druckfaum 14 bzw. im Saugraum 15 herrscht.

In Abb. 3 ist eine weitere Anordnung dargestellt, bei der die Tanks I und 2 ebenfalls außerhalb an den Längswänden des Schiffes angebaut und mit Seewasser gefüllt sind. Um die Verbindungsleitungen quer durch das ganze Schiff zu vermeiden, sind bei dieser Anordnung die Lufträume der Tanks 1 und 2 durch Rohre 19 und 20 unmittelbar mit der Atmosphäre verbunden. In den beiden Rohrleitungen 19 bzw. 20 sind Gebläsemaschinen und 22 eingebaut, die von Leonard-Motoren 23 und 24 angetrieben werden. Die beiden Leonard-Motoren werden von einem gemeinsamen Leonard-Generator 25 gespeist, der von dem dauernd laufenden Motor 26 angetrieben wird. no

In Abb. 4 ist ein Steuergerät dargestellt, mit welchem die Antriebsmaschinen der erwähnten Anordnungen gesteuert werden können, und zwar für den Fall, daß beispielsweise der Motor 9 in der Anordnung nach Abb. ι durch eine Kontrollerschaltung geregelt werden soll. Die Kontaktbahnen 27 und 28 der im Ankerstromkreis des Motors 9 liegenden Kontrollerschaltung sind über Widerstände 29 und 30 an das Gleichstromnetz angeschlossen. An diesem liegt auch die Erregerwicklung 32. Der Kontrollerschalt-

arm 33 wird über Kegelräder 34 und 35, Welle 36, Differentialgetriebe 37, Welle 38 und Kegelräder 39 unmittelbar von einem Nachlauf motor 40, der dem Schlingerwinkelzeiger 41 folgt, hin und her bewegt. Diesem Steuerbetrag wird in dem Differentialgetriebe 37 noch ein weiterer von dem Integrator 42 ermittelter Steuerbetrag überlagert, der dem Integral des Schlingerwinkels über die Zeit entspricht. Über Kegelräder 43 werden nämlich die Bewegungen des Nachlauf motors 40 auf eine Schraubenspindel 44 übertragen, so daß die Spindelmutter 45 entsprechend den Bewegungen des Schlingerwinkelzeigers 41 hin und her verschoben wird. Die Bewegungen der Spindelmutter 45 werden durch die Federn 46 und 47 auf den hydraulischen Zylinder 48 übertragen, dessen Kolben 49 auf der Kolbenstange 50 ortsfest angeordnet ist.

Der hydraulische Zylinder 48 ist mit einer Umlauf leitung 51 versehen, in welcher ein Drosselventil 52 eingebaut ist. An dem Zylinder 48 ist eine Zahnstange 53 befestigt, die die Verschiebungen des Zylinders auf das Stirnrad 54 und weiter über Kegelräder 55 auf die Differentialwelle 56 überträgt. Das Drosselventil 52 ist so eingestellt, daß der Zylinder 48 den Bewegungen der Spindel 45 nur unwesentlich folgt, solange die Verschiebungen der Spindel 45 symmetrisch zu der gezeichneten Mittelstellung erfolgen. In diesem Fäll, der den periodischen Schlingerbewegungen entspricht, wird also von dem Integrator 42 nur eine geringe Regelgröße auf das Differentialgetriebe 37 übertragen.

Zur Klarstellung der Wirkungsweise der Erfindung sei zunächst angenommen, daß in Abb. 4 der dem Schlingerwinkelzeiger 41 folgende Nachlauf motor 40 allein den Schaltarm 33 der Regeleinrichtung für den Motor 9 (Abb. 1) oder auch die Welle 12 des Zweiwegehahns 13 (Abb. 2) einstellt. Das Schiff sowie die Regelorgane sind in ihrer Nullstellung dargestellt. Wenn nun das Schiff in eine sinusförmige Schlingerbewegung gerät und dabei zunächst, z. B. im Uhrzeigersinne, ausschlägt, so wird der Schaltarm 33 in der ersten, halben Periode, d. h. bis das Schiff in die dargestellte Horizontallage zurückschwingt, nach der einen Seite ausgeschwenkt und wieder zurückgestellt werden. Der Motor 9 (Abb. 1) läuft dann während dieser Zeit in einem solchen Sinne um, daß die Pumpe 6 Wasser aus dem Tank 1 in den Tank 2 fördert. Wenn also das Schiff durch die Horizontallage zurückschwingt, wird die Förderrichtung der Pumpe 6 umgeschaltet, wobei der Wasserspiegel im Tank 2 höher steht als im Tank ι. In der nächsten Halbperiode der Schlingerbewegung, in welcher der Tank 2 nach oben und wieder in die dargestellte Mittelstellung zurückschwingt, wird dieser Tank entleert und der Tank 1 gefüllt, so daß die Differenz der Wassergewichte beider Tanks im Augenblick, wo das Schiff mit der größten Winkelgeschwindigkeit durch die Horizontallage schwingt, wieder am größten ist und dadurch die Schiffsschwingung wirksam dämpft. Es ist ersichtlich, daß bei dieser phasengleich mit den Ausschlägen des Schlingerwinkelzeigers 41 erfolgenden Verstellung des Regelorgans der Fördereinrichtung die Wassermassen stets aus dem Tank der höher liegenden Bordseite in den Tank der tiefer liegenden Bordseite verschoben werden, wobei die Umschaltung der Fördereinrichtung dann erfolgt, wenn das Schiff durch seine Horizontallage schwingt.

Solange nun die Schlingerbewegungen um die dargestellte Horizontallage mit gleich großen Ausschlägen nach beiden Seiten erfolgen, überträgt der Integrator 42 noch einen kleinen zusätzlichen Verstellbetrag auf den Schaltarm 33 zu dem Zweck, die Bewegungen dieses Sehaltarms gegenüber den Ausschlägen des Schlingerwinkelzeigers 41 in der Phase etwas vorzuverschieben, wie dies zur Überwindung der Trägheit der zu beschleunigenden Wassermassen erforderlich ist. Die Dämpfungsintensität des Integrators 42 ist durch das Drosselventil 52 dabei so eingestellt, daß die periodischen Verschiebungen der Spindelmutter 45 nur in geringem Maße auf die Welle 56 übertragen werden. Diese vom Integrator 42 erhaltene Bewegung eilt den Ausschlagen des Schlingerwinkelzeigers um ungefähr 90 ° in der Phase nach und wird von diesen in dem Differentialgetriebe 37 abgezogen. Diese negative Einwirkung der Integratorwerte bewirkt je nach deren Größe eine mehr oder minder große Phasenverschiebung der von der Welle 38 übertragenen periodischen Steuerbeträge, und zwar derart, daß die Umschaltung des Motors 9 jeweils etwas früher erfolgt als vorher.

Treten nun, wie es praktisch stets der Fall ist, aperiodische Schlingerbewegungen ein, beispielsweise infolge einer Schlagseite eine konstante Schieflage des Schiffes, so würde, falls der Integrator nicht vorhanden wäre, die ungleichmäßig großen Ausschläge des Schlingerwinkelzeigers nach beiden Richtungen den Motor 9 so steuern, daß dieser die Flüssigkeitsmassen immer mehr zur tiefer gelegenen Schiffsseite hintreibt. Es werden jedoch nunmehr die periodischen Verschiebungen der Spindelmutter 45 nach der einen Seite, beispielsweise nach rechts hin, bedeutend größer als nach der anderen Seite. Infolgedessen wird sich die mittlere Stellung der Spindelmutter 45 ebenfalls um einen der mittleren Schief lage des Schiffes entsprechenden Be-

trag nach rechts verschieben und, wenn diese Schieflage genügend lange dauert, ebenso der hydraulische Dämpfungszylinder 48. Die Welle 56 wird also nunmehr nicht nur die kleinen, periodisch wirkenden Beträge im negativen Sinne auf den Kontrollerschaltarm 33 übertragen, die bisher die erforderliche Vorutnschaltung des Motors bewirkten, sondern außerdem noch dauernd einen der Schieflage entsprechenden negativen Steuerbetrag, wodurch die gesamte Periodenbewegung des Schaltarms 33 so verschoben wird, daß der Motor 9 nunmehr für diejenige Periodenhälfte, wo die Flüssigkeit von dem infolge der mittleren Schieflage tiefer gelegenen Tank in den höher gelegenen Tank gefördert wird, länger eingeschaltet ist als in der sich darauf anschließenden Periodenhälfte, wo die Flüssigkeit von dem höher gelegenen in den tiefer gelegenen Tank gepumpt wird. Sobald nun durch diese Gewichtsverschiebung die Schieflage des Schiffes ausgeglichen ist, wird auch die unsymmetrische Einwirkung des Integrators 42 auf das Regelorgan des Motors 9 aufhören.

Falls keine Schlingerbewegung, sondern lediglich eine Schieflage des Schiffes vorhanden wäre, so würde, wie ohne weiteres ersichtlich, die Steuerung den Motor 9 so lange in Umlauf versetzen, bis die Pumpe 6 so viel Flüssigkeit zur höher gelegenen Schiffsseite gefördert hat, daß dadurch die horizontale Lage des Schiffes wiederhergestellt wird. In der Regel werden die Tanks natürlich nicht genügend Inhalt haben, um durch Leckagen o. dgl. bewirkte Schieflagen o. dgl. ausgleichen zu können. In diesem Falle können jedoch noch gesondert vorgesehene, beispielsweise in der Schiffsmitte liegende Tanks mit Brennölvorräten mit zur Steuerung herangezogen werden, indem die Pumpe nunmehr die Flüssigkeit dieser Reservetanks in die Tanks der höher gelegenen Schiffsseite fördern.

Die beschriebene Anordnung kann auch umgekehrt wirken, also anstatt zur Dämpfung auch zur Erzeugung von Schlingerbewegungen, wie dies für Übungs- oder Versuchszwecke gelegentlich erforderlich ist. In diesem Fall müssen die Flüssigkeitsmassen der Schiffsbewegung anstatt um 90° nach-, um 90⁰ voreilen. Es muß also das gesamte Steuerschema um i8o° in der Phase verschoben werden. Dies kann ohne weiteres dadurch erfolgen, daß bei dem Motor 9 entweder die Klemmen des Ankers oder des Stators vertauscht werden. Sonst ändert sich nichts.

Es ist natürlich ohne weiteres möglich, an Stelle des hydraulischen Integrators andere bekannte Integratoren zu verwenden.

Es können an Stelle der beschriebenen natürlich auch andere an sich bekannte Regelorgane' und Antriebsmaschinen verwendet werden. Die Steuerwelle 3.6 (Abb. 4) könnte bei der Anordnung nach Abb. 1 auch zur Verstellung der Flügelräder der Pumpe 6 dienen, wobei der Motor 9 dann mit konstanter Drehzahl laufen würde. Bei der Anordnung nach Abb. 2 würde die Steuerwelle beispielsweise unmittelbar mit der Welle des Zweiwegehahns in Verbindung stehen können, während sie bei der Anordnung nach Abb. 3 den Regelwiderstand für das Feld des Leonard-Generators 25 beeinflussen könnte. Die von dem Generator 25 erzeugte Spannung würde dann stets proportional dieser Steuergröße sein, so daß die beiden um i8o° versetzt zueinander geschalteten Leonard-Motoren 23 und 24 die umsteuerbaren Pumpen 21 und 22 so antreiben, daß die eine stets Luft nach außen fordert, wenn die andere Luft in den Tank hineinpumpt. Grundsätzlich ist die Wirkungsweise dieser Anordnung natürlich die gleiche, wie wenn die Lufträume der Tanks 1 und. 2 durch eine Rohrleitung miteinander verbunden wären, in der dann eine einzige mit dem Steuergerät nach Abb. 4 gesteuerte Fördermaschine eingeschaltet sein würde.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Verschieben der Flüssigkeitsmassen von Schlingertanks unter Anwendung einer in Abhängigkeit von der Schiffsschwingung gesteuerten Fördereinrichtung, die die Flüssigkeitsmassen derart verschiebt, daß ihr dämpfendes Moment gegenüber den Ausschlägen der Schiffsschwingung um 90⁰ phasenverschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan für die Fördereinrich- χ tang ausschließlich phasengleich mit den Ausschlägen eines Schlingerwinkelzeigers verstellt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan für die Fördereinrichtung zusätzlich von einer die Schlingerwinkel über die Zeit integrierenden Vorrichtung verstellt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei elektrischem Antrieb der Fördereinrichtung als Regelorgan eine Kontrollerschaltvorrichtung vorgesehen ist, deren Schaltarm phasengleich mit den Ausschlägen des Schlingerwinkelzeigers allein oder gleich--115 zeitig in Abhängigkeit von den von dem Integral des Schlingerwinkels über die Zeit abhängigen Werten verstellt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3 zur Regelung mehrerer Fördereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren dieser Fördereinrichtungen an

einen gemeinsamen Generator angeschlossen sind, der durch die Kontrollerschaltvorrichtung geregelt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelorgan in an sich bekannter Weise ein in einer Verbindungsleitung zwischen einander gegenüberliegenden Tanks eingebauter Zweiwegehahn vorgesehen ist, der die wechselweise Verbindung der Tanks mit der Saug- oder Druckleitung der Fördereinrichtung herstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen