NO314448B1 - Anordning for å minske vibrasjonen i et skip - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en anordning for å minske vibrasjonene i et skip utstyrt med to drivaksler.

Noe man stadig er opptatt av er å søke etter å gjøre skip akustisk stille. Med hensyn til passasjerskip er formålet å forbedre passasjerenes komfort, mens for vitenskapelige og sjømilitære fartøyer er stillhet en fordring med hensyn til fartøyenes utnyttelse.

Det er derfor passende å minske den akustiske vibrasjon som genereres ved at vann presses mot skroget på grunn av propellrotasjonen. Dette tilsvarer det tilfelle hvor skipet drives med minst to drivaksler som begge er forsynt med en propell.

Det er således kjent å utstyre hver av de to aksler ombord et skip med en kodeinnret-ning for vinkelstilling, og utnytte dette utstyr til å regulere akslenes rotasjonshastighet slik at de får en vinkeldifferanse som innstilles til en konstant referanseverdi. Denne referanse er et resultat av mekaniske betraktninger med hensyn til samvirket mellom propellene, vannet og skroget, og disse betraktninger er gjenstand for en viss mengde unøyaktighet. I tillegg avhenger dette samvirke i stor grad av skipets driftsbetingelser. Blant disse betingelser kan særlig nevnes den kraft som utvikles på en drivaksel, dens rotasjonshastighet, skipets belastning, den hastighet som skipet seiler fremover med og vannets temperatur og saltinnhold.

Som et resultat blir beregningen av en sådan referanseverdi meget kompleks. Det å benytte en referanseverdi som er konstant fører dessuten nødvendigvis til et kompro-miss, og referanseverdien er med andre ord ikke alltid optimalisert med hensyn til skipets driftsbetingelser i enhver gitt situasjon.

Foreliggende oppfinnelse har derfor som formål å fremskaffe en anordning for å minske vibrasjon i skip, og som ikke er gjenstand for de forutsetninger eller begrensninger som er nevnt ovenfor.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for å minske vibrasjonen i et skip utstyrt med i det minste to drivaksler, idet anordningen omfatter servostyreutstyr for å servostyre vinkeldifferansen for de to aksler til en referanseverdi.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den også omfatter kalibreringsutstyr for å finne en optimal vinkelforskyvning mellom akslene, som tilsvarer et vibrasjonsminimum, samt styreutstyr som reagerer på et styresignal med i rekkefølge å aktivere nevnte kalibreringsutstyr og deretter nevnte servostyringsutstyr, idet den optimale vinkelforskyvning er fastsatt som referanseverdi.

For gitte driftsbetingelser og forut for utførelse av vanlig servostyring, utføres det således et søk etter en optimal vinkelforskyvning som fører til minst mulig vibrasjon.

En fordelaktig anvendelse av oppfinnelsen foreligger for drivaksler drevet av elektriske motorer. I sådanne tilfeller omfatter anordningen målerutstyr for å utlede vinkeldifferansen fra parametre som angår den effekt som tilføres motorene. Dette gjør det mulig å unngå å bruke posisjonskodeinnretninger på akslene.

Det kan være mulig å påvise den optimale vinkelforskyvning ved å høre etter graden av vibrasjoner i skipet ved hjelp av øret, men fortrinnsvis omfatter anordningen en vibra-sjonsføler for å påvise den optimale vinkelforskyvning. Det er da mulig å utstyre anordningen slik at den omfatter et reguleringssystem som frembringer et reguleringssignaf som representerer variasjonen i vibrasjonsnivået, og styreutstyret fastsetter da dette reguleringssignal som referanseverdien etter fastsettelse av den optimale vinkelforskyvning. Fortrinnsvis representerer reguleringssignalet differensialkvotienten for vibrasjonenes grunnivå.

Uansett hvilken utførelsesform som benyttes, kan en enkel løsning bestå i manuell avgivelse av styresignalet, men fortrinnsvis konstrueres anordningen på en slik måte at styresignalet avgis etter en modifikasjon av skipets driftsbetingelser, slik som særlig etter en modifikasjon som gjelder enten rotasjonshastigheten eller den effekt som overføres til en av akslene.

Andre fordeler og særtrekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå mer detaljert ved gjennomgang av den etterfølgende beskrivelse av utførelsesformer gitt som eksempel med henvisning til den vedføyde tegning, på hvilken: Fig. 1 er et blokkskjema av en utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen, fig. 2 er et blokkskjema av et reguleringssystem i henhold til oppfinnelsen, og fig. 3 er et kretsskjema for en analog realisering som er egnet for utøvelse av anordningens reguleringsfase.

De elementer som er vist i mer enn én figur, er i alle figurer gitt det samme henvisnings-tall.

Med henvisning til fig. 1 omfatter anordningen en styrekrets COM som mottar forskjellige aktuelle opplysninger og som på den måte som er beskrevet nedenfor styrer de øvrige elementer. Den kan f.eks. være en mikroprosessor.

En første regulator REG1 regulerer en første drivaksels rotasjonshastighet ved å frembringe et første effektforsyningssignal AL1 beregnet på den motor som driver akselen. På sin inngang mottar den forskjellen mellom en referanserotasjonshastighet CR tilført av styrekretsen COM samt rotasjonshastigheten MR1 slik den måles på akselen.

En andre regulator REG2 regulerer rotasjonshastigheten av en andre drivaksel ved å frembringe et andre effektforsyningssignal AL2 beregnet på motoren som driver akselen. På sin inngang mottar den forskjellen mellom, for det første, summen av referanserotasjonshastigheten CR og et relativt posisjonssignai PR og, for det andre, den andre aksels rotasjonshastighet MR2.

Det relative posisjonssignai PR genereres ved hjelp av en tredje regulator REG3 av f.eks. proporsjonal integreringstype, som på sin inngang mottar forskjellen mellom en vinkelforskyvningsreferanse CD fra styrekretsen COM og den målte vinkeldifferanse MD mellom de to drivaksler.

Målesignalene MR1, MR2 og MD som gjelder akslenes rotasjonshastighet eller deres vinkeldifferanse kan oppnås ved hjelp av posisjonskodeinnretninger anordnet på akslene.

I mange tilfeller drives imidlertid akslene ved hjelp av elektriske motorer. Det er da fordelaktig å erverve disse forskjellige målinger ved å utnytte effektforsyningsparametre som gjelder disse motorer, slik som frekvens og stator- og rotorspenning eller -strøm, eller de styresignaler som faktisk tilføres tyristorer når sådanne komponenter brukes for å gi effekt til motorene. Dette er en teknikk som er kjent for fagfolk på området og vil derfor ikke bli nærmere beskrevet.

I en første kalibreringsfase reagerer styrekretsen COM på et styresignal CC ved å generere en rampefunksjon som en vinkelforskyvningsreferanse CD, slik at den målte vinkeldifferanse gradvis økes til 360°. Når et vibrasjonsminimum påvises, lagrer styrekretsen den tilsvarende verdi av vinkeldifferansen, som da representerer en optimal forskyvning DO.

En erfaren person kan påvise vibrasjonsminimumet ved hjelp av hørselen. Det kan imidlertid også måles ved hjelp av en vibrasjonsføler VIB. En fordelaktig løsning består da i å beholde amplituden av en sådan vibrasjons grunnfrekvens som vibrasjonsnivået. Ved å registrere en avlesning av vibrasjonsnivået som funksjon av vinkeldifferansen over 360°, blir det lett å finne den minste verdi av nivået og identifisere den tilhørende optimale forskyvning DO.

Dette første trinn kan eventuelt gjentas en eller flere ganger for å forbedre nøyaktighet-en, idet dette gjøres ved å ta gjennomsnittet av flere forskjellige nivåer for en gitt forskyvning. Denne teknikk er nok en gang velkjent og blir ikke nærmere beskrevet.

I et andre servostyringstrinn frembringer deretter styrekretsen COM verdien av nevnte optimale forskyvning DO som vinkelforskyvningsreferansen CD. De to drivaksler blir så servostyrt slik at de gir en vinkeldifferanse som er lik den optimale forskyvning.

Det skal bemerkes at styresignalet CC kan frembringes manuelt av kvalifisert personale, f.eks. kapteinen. Signalet kan imidlertid også genereres automatisk når det foreligger en modifikasjon i visse driftsbetingelser, slik som referanserotasjonshastigheten CR eller den effekt som tilføres en drivmotor.

I servostyringstrinnet blir således begge aksler servostyrt med hensyn til vinkeldifferanse til en konstant verdi som tilsvarer den minste vibrasjon ved de driftsbetingelser som var tilstede under kalibreringstrinnet. Skjønt servostyring gir en vesentlig forbedring i forhold til teknikkens stilling, kan det skje at driftsbetingelsene forandrer seg i løpet av servostyringstrinnet, slik at det ikke foreligger noen garanti for at den optimale forskyvning som ble ervervet under kalibreringstrinnet, fortsatt er lik en viss tid senere.

En løsning på dette problem vil være å fremskaffe et styresignal fra tid til annen, enten manuelt eller automatisk, for periodisk å fornye kalibreringstrinnet. Ikke desto mindre foreslår oppfinnelsen et tredje trinn betegnet "reguleringstrinnet", hvor den optimale forskyvning kontinuerlig oppdateres ved hjelp av et regulatorsystem.

Med henvisning til fig. 2 etterfølges vibrasjonsføleren VIB av en filtermodul PBF som isolerer grunnkomponenten i signalet avgitt fra føleren, for å frembringe et nivåsignal NI som representerer nevnte komponents amplitude. En differensieringsmodul DER er anordnet for å avlede nivåsignalet NI i forhold til den målte vinkeldifferanse MD. Dette består i å regulere verdien av nivåsignalet NI til en minste verdi og en av de mulige metoder går ut på å ta differensialkvotienten for en passende funksjon og regulere i forhold til en referanseverdi VR som er lik null.

I en første utførelsesform tar differensieringsmodulen den tidsderiverte dNI av nivåsignalet NI og den tidsderiverte dMD av den målte vinkeldifferanse MD, for å frembringe et differensieringssignal Dl som er lik forholdet mellom den første og andre deriverte dNI/dMD.

I en andre utførelsesform er det mulig å benytte en diskret representasjon av de forskjellige variabler hvor i representerer tidsintervallet, og ved å indeksere nevnte variabler i adskilte tidsintervaller i kan differensieringssignalet Dl beregnes ved hjelp av det etter-følgende uttrykk:

Naturligvis er mange andre utførelsesformer tilgjengelig, og det er ikke mulig å vise dem her på en uttømmende måte. Det viktige poeng er å bestemme fortegnet for differensieringssignalet Dl, og en enkel måte består da i å bedømme den retning som den målte vinkeldifferanse MD varierer i.

En fjerde regulator REG4 av f.eks. proporsjonal type, mottar på sin inngang differansen mellom referanseverdien VR (antatt å være lik null) og differensieringssignalet Dl for å frembringe et reguleringssignal RS.

Kort tid etter servostyringstrinnet begynner således styrekretsen COM et reguleringstrinn, hvor referansevinkelforskyvningen CD passerer trinnvis fra den optimale forskyvnings-verdi DO slik den ble ervervet under kalibreringstrinnet, til verdien av reguleringssignalet RS. Dette resultat kan oppnås ved at forskyvningsreferansen CD frembringes som en funksjon F av typen F = a(t) x DO + b(t) x RS, hvor a(t) er tilbøyelig til å gå mot null og b(t) er tilbøyelig til å gå mot en konstant ettersom t går mot uendelig. Et fordelaktig, spesielt tilfelle består i å innstille b(t) = 1 - a(t). Denne funksjon kan realiseres digitalt i styrekretsen.

Med henvisning til fig. 3 er det også mulig å realisere funksjonen på analog måte. I dette tilfelle er det anordnet første og andre brytere S1 og S2 som styres synkront, slik at åpning av den første bryter S1 sammenfaller med lukning av den andre bryter S2.

Den første bryter S1 mottar først den optimale forskyvning DO og er forbundet med den første klemme på henholdsvis en første kondensator C1 og en første motstand R1. Den andre klemme på den første kondensator C1 er forbundet med jord mens den andre klemme på den første motstand R1 er ført til en inngang for en addisjonskrets SUM.

Den andre bryter S2 mottar for det første reguleringssignalet RS og er for det andre forbundet med den første klemme på henholdsvis en andre kondensator C2 og en andre motstand R2. Den andre klemme på den andre kondensator C2 er forbundet med jord mens den andre klemme på den andre motstand 2R er ført til en annen inngang for addisjonskretsen SUM. Utgangen fra addisjonskretsen gir da den vinkelforskyvningsreferanse CD som skal anvendes.

Ved overgangen fra servostyringstrinnet til reguleringstrinnet, sørger styrekretsen for omveksling av den første og andre bryter S1 og S2, som veksler fra henholdsvis lukket til åpen og fra åpen til lukket stilling.

Claims (7)

1. Anordning for å minske vibrasjonen i et skip utstyrt med i det minste to drivaksler, idet anordningen omfatter servostyreutstyr (REG1, REG2, REG3) for å servostyre vinkeldifferansen (MD) for de to aksler til en referanseverdi (CD), karakterisert ved at anordningen også omfatter kalibreringsutstyr for å finne en optimal vinkelforskyvning (DO) mellom akslene, som tilsvarer et vibrasjonsminimum, samt styreutstyr (COM) som reagerer på et styresignal (CC) med i rekkefølge å aktivere nevnte kalibreringsutstyr og deretter nevnte servostyringsutstyr, idet den optimale vinkelforskyvning (DO) er fastsatt som referanseverdi (CD).

2. Anordning som angitt i krav 1, og som, når nevnte drivaksler drives av elektriske motorer, har målerutstyr for å utlede nevnte vinkeldifferanse (MD) fra motorenes effektforsyningsparametre.

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, og som også omfatter en vibrasjonsføler (VIB) for å påvise nevnte optimale vinkelforskyvning (DO).

4. Anordning som angitt i krav 3, og som omfatter et reguleringssystem (PBF, DER, REG4) for å frembringe et reguleringssignal (RS) som representerer variasjonen i vibrasjonsnivået, idet nevnte styreutstyr (COM) fastsetter dette reguleringssignal (RS) som referanseverdien (CD) etter fastsettelse av den optimale vinkelforskyvning (DO).

5. Anordning som angitt i krav 4, og hvor nevnte reguleringssignal (RS) representerer differensialkvotienten for vibrasjonenes grunnivå.

6. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og som er innrettet for manuell avgivelse av styresignalet (CC).

7. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og hvor styresignalet (CC) avgis etter en modifikasjon som gjelder enten rotasjonshastigheten eller den effekt som overføres av en av akslene.