APPARATUS FOR MEASURING THRUST

Abstract: 1. Thrust-measuring equipment for ships with fixed or variable-pitch propeller, which is built into the shafting, wherein a partial member (1, 6) of the shafting is designed for the transmission of the propeller torque and serves as carrier of a measuring shaft (2, 3, 7) of defined measuring length (Lm ), wherein the measuring shaft (2, 3, 7) of a material of nearly the same thermal co-efficient of expansion as the partial shaft member (1, 6) is introduced with a clearance fit into the partial member and connected with the partial shaft member at the beginning and end of the measurement length, wherein the measuring shaft (2, 3, 7) consists of a longer shear-resistant part (2) and a shorter part (3, 12), which is elastic in shear due to reduction in cross-section - the measuring bars -, and wherein the magnitude of the mechanical measurement amplification results from the ratio of measuring length (Lm ) to bar length (Lz ).

Description: "Schubmesseinrichtung" Die Erfindung betrifft eine Schubmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Seit Jahrzehnten ist die Fachwelt bemüht, ein Schubmessgerät für Schiffe zu schaffen, das bei ausreichender Messgenauigkeit für Dauermessungen geeignet ist. Das Problem liegt darin, dass die Quetschspannung f. nur 5 der Schubspannung r ist und ausserdem in der Grössenordnung der Wärrneaus- dehnung OC pro Grad Celsius liegt. Eine Lösung zur Schubmessung ist die Simplex-Schubmessanlage, wie sie im STG-Jahrbuch 1967, Seiten 165 ff beschrieben wird und im Schublager einer Propellerwelle integriert ist. Sie erwies sich schwingungsmässig als nicht tauglich und ist zu teuer. Messversuche mit Dehnungsmessstreifen direkt auf der Welle lieferten zu ungenaue Werte. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schubmesseinrichtung zu schaffen, die genaue und dynamische Messungen gewährleistet und schubmässig gering belastet wird. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, Mit der Einrichtung nach der Erfindung können bei Probefahrtmessungen genaue schiffstechnische Werte ermittelt und auf diesem Wege eine Brennstoffoptimierungs-Anlage für den Schiffsbetrieb geschaffen werden. IIierbei kann laufend der Propulsionswirkungsgrad des Propellers berechnet und bei Verstellpropellern die Relation zwischen Drehzahl n und II/D ver ändert werden. Sie erlaubt schliesslich die Wartungsintervalle von Schiffsrumpf und Propeller ausreichend sicher zu bestimmen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau der Messeinrichtung Fig. 2 eine kalibrierbare Messzelle für Fest- oder Verstellpropeller schiffe Fig. 3 eine an alle Schiffswellen anbaubare Messeinrichtung. Um die Problematik der Schubmessung zu verdeutlichen, soll ein Rechenbeispiel für eine Wellendimensionierung folgen Es seien P ff = 1910 PS (effektive Wellenleitung) eff Va = 14 km (Propellereintrittsgeschwindigkeit) a w = 0.25 (Nachstronziffer) t = 0.22 (Sogziffer) nD = 0.7 (Propellerwirkungsgrad) Aus EMI2.1 ergibt sich der Schub T = 13.4 Mp Nach Klassifikations-Vorschriften ist eine Welle zu dimensionierem mit EMI3.1 D = 232mm bei einer Drehzahl D = 230 1/min Damit lässt sich eine relative Dehnung (Quetschung) g ermitteln mit: : EMI3.2 # = 15.10-6 m/m worin EJ = die Zugspannung E = den Elastizitätsmodul P = die Kraft und F = die Fläche bedeuten Eine elektronische Messung ist mit Dehnungsstreifen möglich. Das Problem liegt darin, dass die erwartete Stauchung der Welle für Nennschub @n@15.10-6 ungefähr in derselben Grössenordnung wie die Längendebnung durch die Temperatur pro C liegt (&alpha; = 11.10-6 m/m. C-1). Ausserdem ist der Elastizitäts- und Gleitmodul temperaturabhängig. Die Verstärkungsfaktoren (Steilheiten) der einzelnen Dehnungsmessstreifen und ihre Linearität kann z.B. mit 1 % Fehlerabweichungen angenommen werden. Veränderliche Haumtemperaturen im Wellentunnel (Polargebiet resp. Tropen) aber auch Wärmeleitung von den Reibungsverlusten in den Traglagern können zu Temperaturunterschieden von z.B. 200 C an der Schubmessstelle führen. Die Dehnungsmessung ist eine Differenzmessung von aktiven und passiven ("dummy)-Streifen in der Wheatstone'schen Brücke. Dummy und aktive Streifen haben 1 % Fehler gegeneinander. Der Nullabgleich sei bei 15 C geschehen. Die Messung finde bei 35 C statt: # = 1,01 (&alpha;. 20 + #N) - 1,00 (&alpha;. 20 ) # = #N + 0.2&alpha; Da #N#&alpha; ist, ergibt sich durch den Temperatureinfluss ein Fehler von = + 20 % #N. Dieser Fehler kann reduziert werden, wenn #N auf der Messwelle erhoht und der Temperatureinfluss der Wärmedehnung reduziert wird. An eine verwendbare Messeinrichtung müssen daher folgende Forderungen gestellt werden: - höhere Dehnung zur Messung bei Nennschub - vernachlässigbarer Temperatureinfluss - leichte Eichbarkeit - auch für Drehmomente - geringe Kosten Mit einer Mess-Hohlwelle mit vergrössertem Wellendurchmesser, die bei gleicher zulässiger Drehmomenten-Belastbarkeit (polares Widerstandsmoment #r ) eine kleinere Querschnittsfläche (6 r ) hat, steigt die Stauchung #N an. Bei Verdoppelung des Querschnitts, z.B. auf D = 460 mm, ergibt eine Hohlwelle mit einem Innendurchmesser von 439 mm eine Dehnung (Quetschung) bei Nennschub von #' = 42 # 10-6. Der obengenannten Fehler von 20 % #N wird damit reduziert auf ## = 20 # ## = 7,1 %. Erfindungsgemäss wird eine weitere mechanische Messverstärkung des Schubes und damit ein grösserer Störabstand zum Scheinschub durch Temperatur dehnung erreicht, wenn in den Wellenstrang einer Propellerwelle eine einseitig geschlossene Hohlwelle 1 mit einer nahezu schubsteifen zweiten Welle 2 mit einem Zapfen 3 eingesetzt wird, wie Fig. 1 zeigt. Durch einen Gewindedeckel 4 wird der Zapfen 3 vorgespannt. Auf den Zapfen 3 sind Dehnungsmessstreifen 5 aufgebracht. Die Gesamtlänge der schubsteifen Welle 2 ist mit L und die Länge des Zapfens 3 ist mit L angegeben. Nahezu die m z gesamte absolute Stauchung der Hohlwelle 1 erfolgt jetzt im Zapfen 3 zu einem g N 5 2 0/00, je nach Auslegung. Durch Leitpaste wird erreicht, dass eine nahezu gleichförmige Temperaturverteilung in der Hohlwelle 1 und in der Welle 2 erfolgt. Eine Weiterbildung der Erfindung stellt die biesswelle nach Fig. 2 dar, die hohl und daher auch für Verstellpropellerwellen geeignet ist. In die Hauptwelle 6, die für das Propellerdrehmoment ausgelegt sein muss, wird eine Hülse 7 als Messwelle aus gleichem Stahl verwendet und mit einer Spielpassung eingesetzt und an beiden Enden z.B. mit den Flanschen 8, 9 bis 10 verschweisst. Die Hülse 7 weist in ihrer Mitte eine radiale Unterbrechungen 11 auf, wobei der rechte und linke Hiilsenteil über Stege 12 verbunden bleiben. Die Stege 12 mit kleinen Abmessungen im Vergleich zur gesamten Hülsenlänge sind Träger von Dehnungsmessstreifen 13. Auf die Innenfläche der Hülse 7 und die Aussenfläche der Propellerwelle 6 sind Kompensationsmessstreifen 14 aufgebracht zur Temperaturkompensation innerhalb einer Wheatstonefischen Brücke. Die zusätzliche mechanische Messverstärkung ergibt sich annähernd aus dem Verhältnis der Länge der Welle 6 zur Länge der Stege 12. Der Temperatureinfluss wird minimiert, indem zwischen Welle und Hülse eine ärmeleitpaste vorgesehen wird. Die beschriebenen Messwellen nach Fig. 1 und 2 haben den Vorzug, dass sie im Werk vor dem Einbau kalibriert werden können. Wenn keine Möglichkeit an Bord für den Einbau einer Messwelle besteht, ist eine Messung mit einer transportablen, anbaubaren Messeinrichtung nach Fig. 3 möglich. Dabei wird analog nach Fig. 2 eine Hülse 15 mit einem Innendurchmesser gleich dem Aussendurchmesser der Propellerwelle 6 hergestellt und in zwei Halbzylinder 15a1 15b geteilt, die mit angeschweissten Halbringen 16a, 16b kraftschlüssig an der Welle befestigt sind. Auch hier werden die Halbzylinder 15a, 15b in der Mitte so durch radiale Nuten 17 getrennt, dass beispielsweise je Halbzylinder zwei Verbindungsstege 18 stehenbleiben. Zum guten Wärmeübergang werden die Hülsenteile 15a, 15b zwischen den Ringen 16a, 16b mit einem geringen Spielsitz (Ausdrehen ca. /10 mm) versehen und mit Warmeleitpaste ausgefüllt. Der Langs- schlitz 19 und die radialen Unterbrechungen werden mit Siliconkautschuk abgedichtet. Eine Präzessionsmessung hinsichtlich verminderter Wärmeeinwirkung wird jeweils erreicht, wenn die Teile der Messeinrichtung nach Fig. 1 bis 3 aus Stahl mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizient und geringerem Elastizitätsmodul, z.B. Invarstahl, bestehen. Alle Messwellen nach Fig. 1 bis 3 erlauben die gleichzeitige Messung des Drehmomentes durch Aufkleben von Dehnungsmessstreifen auf die äussere Welle sohle eine Drehzahlmessung, indem ein Flansch als Zahnkranz ausgebildet wird, deren Zähne gezählt werden können. Alle Bauarten der Messwellen sind eineichbar. Ihre Herstellkosten sind gering.

Claims: Patentansprüche 1. Schubmesseinrichtung fiir Schiffe mit Fest- oder Verstellpropeller, die in den Wellenstrang eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Übertragung des Propellerdrehmomentes ausgelegtes Teilstiick (1) des Wellenstranges als Träger einer Messzelle (2, 3) definierter Messlänge (L ) dient, dass die Messzelle (2, 3) aus einem Werkstoffmit annähernd gleichem Wärme- ausdehnungskoeffizienten wie das Wellenteilstijck (1) mit einer Spielpas sung in oder auf das Teilstiick ein- oder aufgebracht, am Anfang und Ende der Messlänge mit dem Wellenteilstück verbunden ist, dass die Messwelle aus einem längeren schubsteifen Teil (2) und einem kleineren, durch Quer schnittreduzierung schubelastischen Teil (3) - den Messstegen - besteht, und dass sich aus dem Verhältnis von Messlänge (L ) zu Steglänge (L ) die -m Grösse der mechanischen Messverstärkung ergibt. 2. Schubmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle (1) mit der definierten Messlänge (L ) auf einer Seite geschlossen ist, eine schubsteife innere Messwelle (2) mit einem Nesszapfen (3) aufnimmt, der von der anderen Seite mit einer Schraubplatte (4) vorgespannt ist, und dass der Zapfen (3) Dehnungsmessstreifen (5) trägt. 3. Schubmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Propellerwelle (6) eine Iängsgeteilte Messwelle (15) mit Spiel aufgesetzt und mittels an den Enden angebrachter geteilter Flansche (16) kraftschlüssig verbunden ist, und dass jede halbzylinderförmige Teilmesswelle (15a, 15b) bis auf mindestens einen Verbindungssteg (18) durch eine radiale Nut (17) unterbrochen ist. 4. Schubmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohles Propellerwellenstüek (6) eine hohle Messwelle (7) aufnimmt, die an ihren Enden fest mit dem Propellerwellenstück (6) verbunden ist, und die etwa in ihrer Mitte einzelne Verbindungsstege (12) begrenzter Länge und Breite aufweist. 5. Schubmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der beiden Wellenstücke (6, 7) miteinander verschweisst sind (10). 6. Schubmesseinrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass zur gleichmässigen Temperaturverteilung zwischen Propeller- und Messwelle eine Leitpaste eingebracht ist. 7. Schubmesseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Verbindungsstege (3, 12, 18) der Messwelle (3, 7, 15) Dehnung streifen (5, 13) aufgebracht sind. 8. Schubmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kompensationsmessstreifen (14) auf der Aussenfläche der Propellerwçelle (6) und auf der Innenfläche der Messwelle (7) angeordnet sind. 9. Schubmesseinrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilstück des Wellenstranges (1, 6) und die Messwelle (2, 7) aus einem Stahl mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten und geringem Elastizitätsmodul (z.B. Invarstahl) besteht.

Inventors: HELWICH, PETER-JURGEN, ING. GRAD., KRANERT, KLAUS, DR.-ING., Helwich, Peter-Jürgen, Ing. grad.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1985
Main classification: G01L5
IPC codes: G01L5