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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Propellerbetätigungsanordnung für Wasserfahrzeuge, die
im Schiffsverkehr eingesetzt werden, und insbesondere eine Propellerbetätigungsanordnung,
die eine Vortriebseinheit aufweist, die in Bezug auf den Schiffskörper des
Wasserfahrzeugs gedreht werden kann, und daher auch zum Steuern
des Wasserfahrzeugs eingesetzt werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Verfahren zum Bewegen und Steuern eines im Wasser fahrenden
Wasserfahrzeugs.
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Hintergrund
der Erfindung
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Verschiedene
Schiffe oder ähnliche
Wasserfahrzeuge (beispielsweise Passagierschiffe und Fähren, Frachter,
Schuten, Öltanker,
Eisbrecher, Off-shore-Wasserfahrzeuge, Kriegsschiffe und dergleichen)
werden in den meisten Fällen
durch den Schub oder die Zugkraft eines drehbaren Propellers oder
mehrerer Propeller bewegt. Herkömmlich
wurden Wasserfahrzeuge mit Hilfe einer getrennten Rudereinrichtung
gesteuert.
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Herkömmlich waren
Propellerbetätigungs- oder
Drehsysteme so ausgelegt, dass die Antriebsvorrichtung für die Propellerwelle,
beispielsweise ein mit Diesel, Gas oder elektrischem Strom betriebener Motor,
innerhalb des Schiffskörpers
des Wasserfahrzeugs angeordnet ist, von wo aus die Propellerwelle über eine
Durchführung,
die abgedichtet wurde, damit sie wasserdicht ist, nach außerhalb
des Schiffskörpers
des Wasserfahrzeugs geführt
wird. Der Propeller selbst ist an dem anderen Ende angeordnet, also jenem
Ende, das sich nach außerhalb
des Wasserfahrzeugs erstreckt, der Propellerwelle, die entweder
direkt mit dem Motor oder möglicherweise
einem Getriebe verbunden ist. Diese Lösung wird bei dem überwiegenden
Anteil aller Wasserfahrzeuge eingesetzt, die im Wasserverkehr verwendet
werden, um die Energie zu erzielen, die zu deren Bewegung erforderlich
ist.
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Später wurden
Wasserfahrzeuge mit Propellereinheiten ausgerüstet, bei welchem die Richtung des
Schubs oder der Zugkraft geändert
werden kann, der bzw. die von dem Propeller erzeugt wird. Hierbei kann
die Einrichtung, welche den Vorschub in der Propellerwelle erzeugt
(normalerweise ein Elektromotor) sowie ein mögliches Getriebe außerhalb
des Schiffskörpers
des Wasserfahrzeugs in einer speziellen Kammer angeordnet werden,
die so gehaltert ist, dass sie sich in Bezug auf den Schiffskörper dreht. Bei
einer anderen Alternative wird der Vortrieb mit Hilfe von Winkelgetrieben
und Antriebswellen vom Motor innerhalb des Schiffskörpers des
Wasserfahrzeugs nach innerhalb der drehbar gehalterten Kammer übertragen,
die sich außerhalb
des Wasserfahrzeugs befindet (beispielsweise Anordnungen, die als Ruderpropeller
bekannt sind).
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Eine
Vortriebseinheit, die mit einem Elektromotor innerhalb einer Kammer
versehen ist, ist mit weiteren Einzelheiten beispielsweise im FI-Patent
Nr. 76977 der Anmelderin beschrieben. Einheiten dieser Art werden üblicherweise
als eine Seitenwinkelbewegung durchführende Vortriebseinheiten bezeichnet, und
beispielsweise die Anmelderin im vorliegenden Fall liefert eine
Seitenwinkelbewegung durchführende
Einheiten dieser Art unter der Marke AZIPOD. Eine Vortriebseinheit,
die mit einem Antriebsmotor außerhalb
der Kammer versehen ist, wird beispielsweise im US-Patent Nr. 3
452 703 (Becker) beschrieben.
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Diese
Art einer Vortriebseinheit, die mit einem Propeller außerhalb
des Wasserfahrzeugs versehen ist, kann in Bezug auf das Wasserfahrzeug
gedreht werden, was bedeutet, dass sie auch anstelle einer getrennten
Rudervorrichtung zum Steuern des Wasserfahrzeugs verwendet werden
kann. Genauer gesagt, wird die Kammer, welche den Motor und/oder das
Getriebe und irgendwelche erforderlichen Antriebswellen enthält, mit
Hilfe einer speziellen Rohrwelle oder dergleichen gehaltert, damit
sie sich in Bezug auf den Schiffskörper des Schiffes drehen kann. Die
Rohrwelle ist durch den Boden des Schiffs geführt.
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Zusätzlich zu
den Vorteilen, die dadurch erhalten werden, dass die lange Propellerwelle
und die getrennte Rudervorrichtung weggelassen werden, hat sich
speziell bei der eine Seitenwinkelbewegung durchführenden
Vortriebseinheit herausgestellt, dass sie auch für eine grundlegende Verbesserung
der Steuerbarkeit des Wasserfahrzeugs sorgt. Es haben sich auch
wirksamere Energieeinsparungen bei dem Wasserfahrzeug herausgestellt.
Der Einsatz von eine Seitenwinkelbewegung durchführenden Vortriebseinheiten
in verschiedenen Wasserfahrzeugen, die für den Schiffsverkehr ausgelegt
sind, hat seit einigen Jahren zugenommen, und es wird angenommen, dass
ihre Popularität
weiter wächst.
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Bei
den bekannten Lösungen
wurde die Drehanordnung der Vortriebseinheit normalerweise so ausgeführt, dass
ein Zahnkranz oder ein entsprechender Drehkranz an der Rohrwelle
angebracht war, welche die Drehwelle der Einheit bildet. Dieser Kranz
wird durch Hydraulikmotoren gedreht, die zum Zusammenwirken mit
der Einheit ausgebildet sind. Der Druck und der Fluss der Flüssigkeit,
die von den Hydraulikmotoren benötigt
werden, werden normalerweise mit Hilfe von Pumpen erzeugt, die durch Elektromotoren
gedreht werden. Die Drehbewegung des Kranzes wird darüber hinaus
angehalten und in der angehaltenen Position festgehalten, wenn keine Steuerbewegung
bei der üblichen
Lösung
durchgeführt
wird, mit Hilfe der selben Hydraulikmotoren. Aus diesem Grund wird
konstant der Betriebsdruck von den Pumpen in dem Hydrauliksystem
aufrechterhalten, auch wenn das Wasserfahrzeug geradeaus fährt.
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Ein
Hydraulikdrehsystem wird unter anderem deswegen eingesetzt, da eine
Hydraulik es ermöglicht,
das relativ hohe Drehmoment zu erzeugen, das zum Drehen der Vortriebseinheit
mit einer relativ niedrigen Drehgeschwindigkeit benötigt wird,
da das Drehen und Steuern des Wasserfahrzeugs mit Hilfe einer Hydraulik
einfach und relativ genau mit Hilfe herkömmlicher Ventilmechanismen
und ähnlicher Hydraulikbauteile
gesteuert werden können.
Wie bereits voranstehend erwähnt,
bestand ein Merkmal, das mit einem Hydrauliksystem erzielt wurde,
darin, dass es ein derartiges System ermöglicht, die Drehbewegung der
Welle der Vortriebseinheit schnell und exakt an der gewünschten
Position anzuhalten, und diese Position dann zu halten, was als
ein wesentliches Merkmal in Bezug auf das Steuern eines Wasserfahrzeugs
angesehen wurde.
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Gemäß einer
bekannten Lösung
wurden vier Hydraulikmotoren im Zusammenhang mit einem Drehkranz
angeordnet. Der Betätigungsmechanismus,
der den Hydraulikdruck erzeugt, der in den Hydraulikmotoren benötigt wird,
umfasst daher vier Hydraulikpumpen und die Elektromotoren zu deren
Drehung. Die Hydraulikmotoren sind auf zwei getrennte Hydraulikschaltungen
aufgeteilt, um die Betriebsverlässlichkeit
der Dreheinrichtung zu verbessern, so dass beide Schaltungen ihren
eigenen Betätigungsmechanismus
aufweisen, der Hydraulikdruck erzeugt (eine sogenannte Tandemanordnung).
Beide Schaltungen enthalten zwei Pumpen und zwei diese drehende
Antriebsmotoren, normalerweise mit einer Ausgangsleistung von 125
kW, so dass das System insgesamt vier Elektromotoren von je 125
kW aufweist. Diese Gesamtausgangsleistung reicht dazu aus, eine
ausreichende Drehgeschwindigkeit und ein ausreichendes Drehmoment
für Steuervorgänge sowohl
auf See als auch in Häfen
zu erzeugen. Auf offener See und bei normaler Fahrgeschwindigkeit
wird ein größeres Drehmoment
benötigt,
und gleichzeitig reicht eine Drehgeschwindigkeit von etwa 3,5 bis
5,0 Grad pro Sekunde (°/s)
normalerweise für
die Vortriebseinheit aus, beim Fahren auf offener See. In Häfen, und
insbesondere beim Anlegen an den Kai, stellen die Handhabbarkeit
und „Agilität" eines Wasserfahrzeugs
wichtigere Merkmale dar. Dann wird eine größere Drehgeschwindigkeit benötigt, und gleichzeitig
sind die Drehmomentanforderungen nicht so hoch wie beim Fahren unter
Seebedingungen und bei höheren
Geschwindigkeiten. Für
Häfen und
andere derartige Steuersituationen wird eine Geschwindigkeit von
etwa 5,0 bis 7,5 Grad pro Sekunde normalerweise als ausreichende
Drehgeschwindigkeit für
eine Vortriebseinheit angesehen. Bei der bekannten Technik wurde
die Drehgeschwindigkeit der Vortriebseinheit durch Ändern der
Anzahl laufender Pumpen geändert,
also durch Ein/Ausschalten von Pumpen je nach Erfordernis.
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Der
Grund dafür,
dass vier Motoren mit 125 kW (zwei pro Schaltung) in den Wasserfahrzeugen eingesetzt
werden, anstatt von zwei Motoren mit 250 kW (einer pro Schaltung)
lässt sich
unter Sicherheitsaspekten verstehen: bei Ausfallsituationen können die
Notfallsysteme des Wasserfahrzeugs ausreichend Energie für Motoren
mit 125 kW erzeugen, könnten
aber nicht mehr Motoren mit 250 kW versorgen, was dazu führen würde, dass
das Wasserfahrzeug unsteuerbar wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
der bekannten Hydrauliklösung,
die sich an sich wirksam und verlässlich herausgestellt hat, hat
sich allerdings eine Anzahl an Nachteilen herausgestellt. Um ein
ausreichendes Ausmaß der
Verlässlichkeit
zu erzielen, und infolge der voranstehend geschilderten Dimensionierung
der Notfallsysteme, müssen
die Wasserfahrzeuge mit einem kostenaufwendigen und komplizierten
Hydrauliksystem ausgerüstet
werden, das aus mehreren Elektromotoren und Hydraulikpumpen und
den Bauteilen besteht, welche sie benötigen (beispielsweise Hydraulikrohre und
Hydraulikventile, Stromkabel, Steuervorrichtungen, usw.). Deren
Anbringung, die Überwachung
ihres Zustands und ihre Wartung, führen zu einem beträchtlichen
Arbeitsaufwand. Bei dem Tandemsystem nach dem Stand der Technik,
geht ein Teil der Vorteile bezüglich
der effizienten Raumnutzung und der Vereinfachung der Hydraulik
verloren, die durch eine externe Vortriebseinheit erreicht wurden,
und insbesondere eine Vortriebseinheit, die eine Seitenwinkelbewegung
durchführt.
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Einen
Nachteil der Hydrauliksysteme stellt auch die Tatsache dar, dass
sie bekanntlich eine Neigung aufweisen, durch Lecks, Öl oder ähnliches
Hydraulikfluid in ihre Umgebung gelangen zu lassen, insbesondere
von Rohren und verschiedenen Verbindungen und Dichtungsoberflächen. Dies
führt sowohl
zu einem Problem in Bezug auf die Sauberkeit als auch zu einem Sicherheitsrisiko.
Weiterhin ist der Innendruck des Hydrauliksystems relativ hoch,
so dass der Bruch beispielsweise eines Hydraulikrohrs ein wesentliches
Sicherheitsrisiko hervorrufen kann. In Betrieb ist darüber hinaus
ein Hydrauliksystem laut, und dies hat unter anderem Auswirkungen
auf die Arbeitsbedingungen des Betriebspersonals. Die Geräuschentwicklung
ist immer vorhanden, da das System während der gesamten Zeit eingeschaltet sein
muss, während
sich das Wasserfahrzeug in Bewegung befindet. Um diese Nachteile
zu minimieren, sollte es möglich
sein, eine Lösung
in Bezug auf die Verringerung der Anzahl an Hydraulikbauteilen zu
erzielen, insbesondere verschiedener Rohre, Schläuche und Verbindungen, und
von Pumpen und ihren Betätigungsmotoren.
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Weiterhin
kann bei der bekannten Lösung die
Geschwindigkeit der Drehbewegung der Vortriebseinheit nur dadurch
beeinflusst werden, dass die Volumenflussrate (die Volumenflussrate
der Pumpen) der Flüssigkeit
geändert
wird, die in das System gepumpt wird, was entweder durch Änderung
der Anzahl eingesetzter Motoren und daher der Pumpen erfolgt, welche
das Hydraulikfluid pumpen, oder der Umdrehungsgeschwindigkeit der
Motoren erfolgt. Allerdings gibt es Situationen, in welchen die
Möglichkeit
eines erheblich weiteren Bereiches von Drehgeschwindigkeiten der
Einheit oder sogar einer stufenlosen Umdrehungsgeschwindigkeit wünschenswert wäre.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile der
bekannten Technik auszuschalten, und eine neue, verbesserte Lösung zum Drehen
einer Vortriebseinheit in Bezug auf den Schiffskörper des Wasserfahrzeugs zu
erhalten.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, eine Lösung zu erzielen, bei welcher
die Anzahl an Bauteilen in dem Hydrauliksystem verringert werden
kann, ohne Kompromisse in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit, Nutzbarkeit
und Verlässlichkeit
des Systems.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, eine Lösung zu erhalten, durch welche
die Gesamtwirtschaftlichkeit des Hydraulikdrehmechanismus der Vortriebseinheit
verbessert wird, im Vergleich zu den bekannten Lösungen.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lösung, durch
welche die Anforderung an die maximale Leistung des Drehmechanismus verringert
werden kann.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lösung, durch
welche der Geräuschpegel
des Drehmechanismus der Vortriebseinheit verringert werden kann,
im Vergleich zu den bekannten Lösungen.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lösung, durch
welche die Drehgeschwindigkeit der Vortriebseinheit auf eine neue
Art und Weise geändert
und/oder gesteuert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung, welche diese Ziele erreicht, beruht auf der
grundlegenden Erkenntnis, dass die Drehgeschwindigkeit der Vortriebseinheit dadurch
gesteuert werden kann, dass das Verdrängungsvolumen der Hydraulikmotoren
geändert
wird, welche die Vortriebseinheit drehen. Genauer gesagt, ist die
Anordnung gemäß der Erfindung
insbesondere durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil
des beigefügten,
unabhängigen
Anspruchs 1 angegeben ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist durch das
gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Abschnitt des beigefügten, unabhängigen Patentanspruchs
7 angegeben ist.
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Gemäß vorteilhaften
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfassen die Vorrichtungen zum Ändern des
Verdrängungsvolumens
ein Zwei-Wege-Ventil, ein Drei-Wege-Ventil oder ein ähnliches Ventil, das im Zusammenhang
mit dem Hydraulikmotor vorgesehen ist, wobei dieses Ventil dazu
eingesetzt werden kann, die Verdrängung des Motors zu ändern, der
vorzugsweise ein Radialkolbenmotor ist. Die Vorrichtung zum Ändern der
Verdrängung
des Hydraulikmotors kann auch in den Hydraulikmotor selbst eingebaut
sein. Gemäß einer
als vorteilhaft angesehenen Ausführungsform
weist das System zwei Hydraulikpumpen und Elektromotorantriebe auf,
die so angeordnet sind, dass sie sie antreiben, und vier Radialkolben-Hydraulikmotoren,
die so ausgebildet sind, dass ihre Verdrängung geändert werden kann, wobei diese
Motoren so angeordnet sind, dass sie den Drehkranz drehen, der an
der Wellenvorrichtung der Vortriebseinheit vorgesehen ist. Die Betätigungsanordnung
der Energieeingabeeinheit des Hydraulikmotors kann einen Frequenzwandler
aufweisen. Die Einstellung der Drehgeschwindigkeit der Wellenvorrichtung
der Vortriebseinheit kann auch stufenlos ausgebildet sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform,
die als vorteilhaft angesehen wird, wird die Verdrängung des Hydraulikmotors
in einem Verhältnis
von 2:3 geändert.
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Die
Drehgeschwindigkeit der Wellenvorrichtung kann auch dadurch eingestellt
werden, zusätzlich
zum Ändern
des Verdrängungsvolumens
des Hydraulikmotors, durch Einstellung der zugeführten Energie und/oder der
Volumenflussrate der Pumpen in dem Hydrauliksystem, welches den
Hydraulikmotor versorgt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl signifikanter Vorteile
zur Verfügung.
Sie ermöglicht eine
Verringerung der Anzahl benötigter
Bauteile, beispielsweise Pumpen, deren Betätigungsvorrichtungen und Hydraulikrohren
und den Verbindungen zwischen ihnen. Die gleiche maximale Drehgeschwindigkeit
kann mit der Hälfte
der elektrischen Energie erhalten werden, die bei Lösungen nach
dem Stand der Technik benötigt
wird. Die erforderliche Menge an Hydraulikmedium kann ebenfalls
verringert werden. Auch der Druckpegel des Systems kann verringert
werden. Die entfallenen Bauteile, die geringere Menge an Medium,
und der niedrigere Druckpegel verringern den Geräuschpegel des Systems. Die vorgeschlagene
Drehlösung
stellt eine Vortriebseinheits-Drehanordnung zur Verfügung, die
auf vielseitige Art und Weise eingestellt werden kann, in Bezug auf
die Geschwindigkeit, wobei diese Anordnung mit weniger Bauteilen
und niedrigeren Kosten als bislang verwirklicht wird.
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Die
Erfindung und ihre weiteren Ziele und Vorteile werden genauer anhand
der folgenden Beispiele auch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, wobei entsprechende Bezugszeichen in den verschiedenen
Figuren entsprechende Merkmale bezeichnen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Schiff und eine darin angebrachte Vortriebseinheit,
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2 zeigt
vereinfacht und schematisch die Drehanordnung der Vortriebseinheit
gemäß 1,
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3 zeigt
schematisch eine Lösung
entsprechend der bekannten Technik,
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4 zeigt
schematisch eine Anordnung gemäß der Erfindung,
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5 zeigt
ein Flussdiagramm der Funktionsweise einer Drehanordnung gemäß der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Vortriebseinheit 6, die eine Seitenwinkelbewegung
durchführt,
die so an dem Schiffsrumpf 9 eines Wasserfahrzeugs angebracht ist,
dass sie sich in Bezug auf diesen dreht. 2 zeigt
wiederum eine beispielhafte Ausführungsform eines
Hydraulikdrehmechanismus. Genauer gesagt, zeigt 2 eine
Vortriebseinheit 6, die eine Seitenwinkelbewegung durchführt, welche
eine wasserdichte Kammer 5 aufweist. Diese Kammer 5 ist
mit einem Elektromotor 1 ausgerüstet, der jede Art einer bekannten
Elektromotorkonstruktion sein kann. Der Elektromotor 1 ist über eine
Welle 2 mit einem Propeller 4 auf eine an sich
bekannte Art und Weise verbunden. Gemäß einer Alternative kann die
Konstruktion auch ein Getriebe aufweisen, das in der Kammer zwischen
dem Elektromotor 1 und dem Propeller 4 vorgesehen
ist. Gemäß einer
Alternative (nicht gezeigt) ist mehr als ein Propeller pro Kammer
vorhanden. In diesem Fall können
beispielsweise zwei Propeller vorhanden sein, einer an der Vorderseite
der Kammer und einer an der Rückseite
der Kammer.
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Die
Kammer 1 ist so gehaltert, dass sie sich um eine Vertikalachse
in Bezug auf den Schiffsrumpf 9 des Wasserfahrzeugs dreht,
auf einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Wellenvorrichtung 8.
Diese Wellenvorrichtung 8 (beispielsweise eine Hohlrohrwelle)
kann einen solchen Durchmesser aufweisen, dass sie es ermöglicht,
Wartungsarbeiten durch sie hindurch bei dem Motor, möglicherweise
einem Getriebe und einer Propellerwelle tief unten in der Kammer
durchzuführen.
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Ein
Zahnkranz 10 von 360° oder
ein entsprechender Drehkranz ist mit der Wellenvorrichtung 8 verbunden,
um an die Wellenvorrichtung 8 den Vortrieb zu übertragen,
der zum Drehen der Wellenvorrichtung in Bezug auf den Schiffskörper 9 des
Wasserfahrzeugs benötigt
wird. Wenn die Wellenvorrichtung 8 gedreht wird, dreht
sich entsprechend die Vortriebseinheit 6. Bei dem in 2 gezeigten
Fall weist der Drehmechanismus des Zahnkranzes 10 vier
Hydraulikmotoren 20 auf, deren Energieeingabeanordnung
mit weiteren Einzelheiten im Zusammenhang mit der Beschreibung von 4 erläutert wird.
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Die
Hydraulikmotoren 20 sind vorzugsweise so genannte Radialkolbenmotoren.
Ein derartiger Radialkolbenmotor kann beispielsweise 16 getrennte Kolben
aufweisen, die sich in Radialrichtung bewegen, deren Arbeitshübe auf unterschiedliche
Phasen aufgeteilt sind, wodurch der Flüssigkeitsfluss, der dem Motor
zugeführt
wird, das Zahnkranzteil, das an dem äußeren Kranz des Motors 20 angebracht
ist, zur Drehung veranlasst, um hierdurch den Zahnkranz 10 zu
drehen. Obwohl das Zahnkranzteil, das zur Drehung ausgebildet ist,
normalerweise an dem äußeren Kranz
des Motors 20 angebracht ist, in welchem Fall die Konstruktion
des Motors im Wesentlichen niedrig ist, kann auch eine andere Lösung eingesetzt
werden, beispielsweise ein Zahnkranz, der an der anderen Seite des
Motors angeordnet ist. Der Radialkolbenmotor, der unter anderem
von der Schwedischen Firma Hägglunds
Drives hergestellt und geliefert wird, ist an sich Fachleuten auf
diesem Gebiet wohl bekannt, und stellt eine Lösung dar, die üblicherweise
für Drehvortriebseinheiten
eingesetzt wird, so dass seine Funktionsweise hier nicht mit weiteren
Einzelheiten erläutert
wird.
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3 zeigt
schematisch eine Lösung
nach dem Stand der Technik, welche vier Hydraulikmotoren 12 aufweist,
die den Drehkranz 10 drehen, und die entsprechenden vier
Pumpen 15 und die erforderlichen Rohrverbindungen 16 zwischen
diesen. Zur Vereinfachung sind jedoch die Elektromotoren von 125
kW (insgesamt 4), welche die Pumpen 15 betätigen, nicht
dargestellt. Bei dieser Doppelschaltung, also Tandemlösung, weist
jede der parallelen Hydraulikschaltungen 13 und 14 zwei
Pumpen 15 und zwei Elektromotoren auf. Die Anordnung ist
so, dass dann, wenn die Pumpen in Betrieb sind, von denen jede eine
Verdrängung
von 250 cm3/r aufweist, jede Schaltung eine
Leistung (Flüssigkeitsfluss)
erzeugt, die an sich ein Drehgeschwindigkeit von 3,75 Grad pro Sekunde
hervorruft, woraus sich ergibt, dass eine maximale Drehgeschwindigkeit
für die
Vortriebseinheit von 7,5 Grad pro Sekunde in dem Fall erhalten wird,
dass alle vier Elektromotoren eingeschaltet sind, und jeder eine
entsprechende Pumpe versorgt.
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4 zeigt
eine entsprechende Darstellung für
eine Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Entsprechend ist die Lösung vom Tandemtyp, weist daher
zwei getrennte, identische Energieversorgungsschaltungen oder Einheiten 23 und 24 auf. Diese
Einheiten weisen jeweils nur eine Pumpeneinheit 25 und
nur einen Elektromotor von 125 kW auf. Die Pumpeneinheiten 23 und 24 in 4 erzeugen jeweils
eine Ausgangsleistung, die in dem System, das mit den Hydraulikmotoren
der in 3 gezeigten Art versehen ist, dazu fähig wäre, eine
maximale Drehgeschwindigkeit von 2,5 Grad pro Sekunde zu erzeugen,
so dass die Gesamtdrehgeschwindigkeit 5 Grad pro Sekunde betragen
würde.
Dies ist allerdings ein nicht ausreichender Wert.
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Der
Erfinder hat überraschenderweise
festgestellt, dass die erforderliche Drehgeschwindigkeit, also 7,5
Grad pro Sekunde, auch bei einer Anordnung gemäß 4 erzielt
werden kann, also mit nur zwei Pumpeneinheiten und unter Verwendung
nur von zwei Elektromotoren mit 125 kW. Dies wird durch Änderung
des Verdrängungsvolumens
der Hydraulikmotoren 20 erreicht, wodurch dieselbe Menge
an zufließendem
Hydraulikmedium zu einer unterschiedlichen Drehrate an dem Motor 20 führt. Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Verdrängungsvolumen des Motors geändert werden,
beispielsweise unter Verwendung von Einrichtungen, die als Zwei-Wege-Ventile,
Drei-Wege-Ventile, Vier-Wege-Ventile usw. bekannt sind, oder eines Hydraulikmotors
mit variablem Volumen. Bei der Lösung
gemäß 4 kann
das Verdrängungsvolumen einer
Pumpe in der Größenordnung
von annähernd 400
cm3/r liegen, also insgesamt etwa 800 cm3/r.
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In 4 bezeichnet
das Bezugszeichen 22 ein Zwei-Wege-Ventil, das an dem Radialkolbenmotor 20 angebracht
ist, normalerweise an dessen Seite. Das Ventil 22 ist so
ausgebildet, dass es die Position der Teilspindel des Radialkolbenmotors 20 im
gewünschten
Ausmaß einstellt
(normalerweise wenige Millimeter). Dies beeinflusst den Motor so,
dass die gewünschte
Anzahl seiner Kolben, die sich in Radialrichtung bewegen, drucklos
geschaltet wird, und dies beeinflusst das Verdrängungsvolumen des Motors. Es
sind Ventile beispielsweise für
ein Volumenänderungsverhältnis von
1:2 (die Hälfte
der Kolben ist drucklos) verfügbar,
von 1:3 (2/3 der Kolben sind drucklos), und von 2:3 (1/3 der Kolben
sind drucklos), wobei letzterer Wert bei diesem Beispiel als besonders
vorteilhaft angesehen wird, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
Das Prinzip des Mehr-Wege-Ventils ist das gleiche, jedoch ist es
so ausgebildet, dass es die Teilspindel in verschiedene, unterschiedliche
Positionen bewegt, entsprechend der Typdeklaration des Ventils.
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Gemäß einer
anderen, möglichen
Lösung
ist der Motor selbst von einer Art, die an sich ein variables Verdrängungsvolumen
aufweist. Eine Option dieser Art wird beispielsweise durch einen
Axialkolbenmotor zur Verfügung
gestellt, beispielsweise einen „Bananenmotor" (die Bezeichnung
rührt von
seiner bananenartigen Form her). Bei einem Axialkolbenmotor wird
der Hub der Kolben durch Änderung
des Nockenwinkels des Motors mit Hilfe einer in den Motor eingebauten
Vorrichtung geändert.
Ein einstellbarer Axialkolbenmotor ermöglicht eine stufenlose Einstellung
der Verdrängung
des Hydraulikmotors, und daher auch der Einstellung der Drehgeschwindigkeit der
Vortriebseinheit.
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Wenn
die Verdrängung
des Hydraulikmotors unterteilt wird, beispielsweise durch ein 2:3-Zwei-Wege-Ventil
in einem Verhältnis
von 2:3, fühlt
dieselbe Menge an Hydraulikmedium zu einer Drehgeschwindigkeit,
die 3:2 im Vergleich zur Normalsituation beträgt. Während voranstehend geschildert
wurde, dass mit den Pumpeneinheiten gemäß 4 eine Drehgeschwindigkeit
von 5 Grad pro Sekunde mit normalen Hydraulikmotoren erzielt wird,
wird nunmehr eine Drehgeschwindigkeit von 3/2 × 5°/s = 7,5°/s erzielt. Wie voranstehend
erläutert,
wird dieser Wert der Drehgeschwindigkeit von 7,5 Grad pro Sekunde
als ausreichend angesehen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass nicht sämtliche voranstehend geschilderten
Elemente immer bei dem Drehmechanismus zur Ausführung der Erfindung erforderlich
sind, sondern dass einige von ihnen weggelassen oder durch andere
Elemente ersetzt werden können,
und dass die Anordnung der Betätigungseinrichtung
von der dargestellten Lösung
mit zwei Schaltungen abweichen kann. Minimal ist nur ein Hydraulikmotor
zum Drehen der Vortriebseinheit erforderlich. Weiterhin wird darauf
hingewiesen, dass die voranstehend angegebenen Dimensionierungswerte
zur besseren Erläuterung
der Erfindung angegeben werden, und dass Motorausgangsleistungswerte,
Drehgeschwindigkeitswerte und Verdrängungsverhältnisse anders als die angegebenen ebenfalls
bei der Erfindung eingesetzt werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die sehr vielseitige Möglichkeiten zum
Steuern der Drehgeschwindigkeit zur Verfügung stellt, können die
Elektromotoren, welche die Pumpen 25 betreiben, von einem
Frequenzwandler (nicht gezeigt) versorgt werden, der als die Energieversorgungsquelle
dient. In diesem Fall kann die Drehgeschwindigkeit sowohl durch
Einstellung der Verdrängung
der Motoren 20 als auch durch Einstellung der Volumenflussrate
der Pumpen eingestellt werden. Das Arbeitsprinzip eines Frequenzwandlers
ist als solches eine Technik, die an sich Fachleuten auf diesem
Gebiet bekannt ist, so dass hier keine Erläuterung erforderlich ist, abgesehen
von der Bemerkung, dass die üblichen
Hauptbestandteile eines Frequenzwandlers einen Gleichrichter, eine
mittlere Gleichspannungsschaltung, und einen Wechselrichter aufweisen.
Frequenzwandler werden heutzutage normalerweise als Eingabevorrichtungen
für Wechselstrommotoren
eingesetzt, und sie sind besonders vorteilhaft bei verschiedenen
einstellbaren Elektroantrieben. Die am häufigsten eingesetzten Frequenzwandler
sind jene, die als PWM-Wandler (Impulsbreitmodulationswandler) bekannt
sind, die mit mittleren Spannungsschaltungen versehen sind, und auf
der Impulsbreitmodulationstechnik beruhen. Ein Frequenzwandler ist
kostengünstig
einzusetzen, unter anderem infolge der Tatsache, dass er zur Einstellung
der Drehgeschwindigkeit des Drehmechanismus verwendet werden kann,
und daher jener der Welle 8. Gemäß einer Lösung werden zumindest zwei
unterschiedliche Geschwindigkeiten eingesetzt. Gemäß einer
anderen Lösung
kann die Drehgeschwindigkeit innerhalb eines vorbestimmten Geschwindigkeitsbereichs
eingestellt werden, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 0
bis zur Nenndrehgeschwindigkeit.
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Die
Funktion des Frequenzwandlers wird mit Hilfe einer geeigneten Steuereinheit
(beispielsweise einer Servosteuerung) gesteuert, die wiederum funktionsmäßig an eine
Steuervorrichtung angeschlossen ist, beispielsweise ein Steuerrad,
auf der Brücke oder
einem ähnlichen
Ort, wodurch die tatsächlichen Steuerbefehle
für das
Wasserfahrzeug abgegeben werden. Die Steuerbefehle, die von Hand
mit dem Steuerrad abgegeben werden, werden beispielsweise durch
eine getrennte Analogservoeinrichtung in einen Kursbefehl umgewandelt.
Gemäß einer
anderen Lösung
werden die Steuerbefehle mit Hilfe eines Wandlers, der an das Steuerrad
angeschlossen ist, in digitale Steuersignale umgewandelt, die der
Steuereinheit zugeführt
werden.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm für
eine Ausführungsform
der Dreheinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Gemäß der Erfindung
wird das Wasserfahrzeug mit Hilfe der Vortriebseinheit bewegt und
gesteuert. Falls erforderlich, kann die Position der Vortriebseinheit
mit Hilfe einer geeigneten Sensorvorrichtung überwacht werden. Wenn eine Überwachung
durchgeführt
wird, kann die von der Sensorvorrichtung bereitgestellte Information
entweder in analogem Format eingesetzt werden, oder falls erforderlich
in ein digitales Format umgewandelt werden. Wenn kein neuer Befehl
zur Kursänderung
ausgegeben wird, wird die Position der Vortriebseinheit in der Richtung
gehalten, die zuletzt von der Brücke
angegeben wurde. Wenn durch Überwachung
der Positionsdaten oder auf andere Art und Weise deutlich wird,
dass der Kurs des Wasserfahrzeuges geändert werden muss, durch Änderung
der Drehposition der Vortriebseinheit, kann dies bei einer Ausführungsform
der Erfindung automatisch mit Hilfe des automatischen Steuersystems
(nicht gezeigt) des Wasserfahrzeugs durchgeführt werden.
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Immer
wenn das Wasserfahrzeug den Kurs ändern muss, wird ein entsprechender
Befehl an das Steuersystem des Wasserfahrzeugs ausgegeben, beispielsweise
an eine Prozessor gesteuerte Steuereinheit. Der Befehl wird in dem
Steuersystem auf vorbestimmte Art und Weise verarbeitet. Nach der
Verarbeitung gibt die Steuereinheit einen Befehl an den Drehmechanismus
der Vortriebseinheit aus. Die Funktionsweise der Elektromotoren,
welche die Pumpen betreiben, und möglicherweise auch die Anzahl
einzusetzender Motoren werden gesteuert, beispielsweise durch Steuern
der Funktionsweise der Stromversorgungsquelle, worauf die gewünschte Drehung
des Elektromotors dazu führt,
dass sich die Vortriebseinheit über
den Drehmechanismus auf die gewünschte
Art und Weise dreht, und das Fahrzeug entsprechend seinen Kurs ändert. Auch
eine für
die Umstände
geeignete Drehgeschwindigkeit kann von der Brücke aus ausgesucht werden.
Die Drehgeschwindigkeit der Welle der Vortriebseinheit kann darüber hinaus
entweder in Grad (mit minimal nur zwei Geschwindigkeiten, oder einer
Anzahl unterschiedlicher Drehgeschwindigkeiten) eingestellt werden,
oder stufenlos. Der Drehgeschwindigkeitsbefehl wird an die Einrichtung
ausgegeben, welche die Verdrängung
der Hydraulikmotoren einstellt, die dann die Verdrängung der
Hydraulikmotoren ändert,
und daher entsprechend die Drehgeschwindigkeit der Vortriebseinheit.
Gemäß den voranstehenden
Ausführungen
kann die Einstellung auch die Form einer Kombination der Einstellung
der Verdrängung
der Hydraulikmotoren und der Volumenflussrate der Pumpen annehmen.
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Daher
hat die Erfindung zu einer Einrichtung und einem Verfahren geführt, die
dazu eingesetzt werden können,
eine neue Art von Lösung
zum Steuern eines Wasserfahrzeugs zu erhalten, das mit einer Vortriebseinheit
versehen ist. Die Lösung
vermeidet die Nachteile des Stands der Technik, und stellt darüber hinaus
einen Vorteil in Bezug auf einen einfacheren Aufbau und eine bessere
Wirtschaftlichkeit insgesamt zur Verfügung, in Bezug auf einen einfachen
Gebrauch, und in Bezug auf Betriebssicherheit. Es wird darauf hingewiesen,
dass die voranstehenden Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung nicht
den Schutzumfang der Erfindung begrenzen, wie sie in den Patentansprüchen angegeben
ist, sondern dass die Patentansprüche alle Modifikationen, Äquivalente
und Alternativen innerhalb des Umfangs der Erfindung umfassen sollen,
wie sie in den beigefügten
Patentansprüchen
angegeben ist.