Die elektrische Steuerung von Schiffen.Mit Benutzung des Vortrages des Herrn B. Parker Haigh vor der Sektion G der British Association in Portmouth am 1. September 1911 und des Vortrages von H. S. Hele Shaw und F. Leigh Martineau vor der Institution of Naval Architects im Jahre 1911. Von Dipl.-Ing. Wittmaack in Berlin-Zehlendorf. Wittmaack: Die elektrische Steuerung von Schiffen. Inhaltsübersicht. Schilderung der Vorzüge der elektrischen Steuereinrichtungen von Schiffen. Aufführung der einzelnen Bauarten. Beschreibung verschiedener Steuereinrichtungen und der mit ihnen erhaltenen Versuchsergebnisse. –––––––––– Die elektrische Kraft wird auf vielen Schiffen schon für einzelne Zwecke wie zum Betrieb von Kranen und Bootsheißvorrichtungen oder zum Betriebe der Ventilatoren benutzt. Die Schwierigkeiten, die sich hierbei ergaben, sind jetzt zum größten Teil überwunden, so daß man erwarten kann, daß die Benutzung der elektrischen Kraft eine viel allgemeinere wird. Es liegt auch nahe, wenn andere Hilfsmaschinen an Bord mit elektrischer Kraft betrieben werden, auch die Steuereinrichtung elektrisch zu machen, da ein gemischter Betrieb unvorteilhaft erscheint, weil er die Einrichtungskosten für die elektrische Anlage wie für die Dampfleitungen erfordert. Daß ein Betrieb der Hilfsmaschinen mit Dampf große Verluste mit sich bringt, ist wohl allgemein anerkannt. Die Verluste rühren zum Teil daher, daß kleine Maschinen, die ohne Expansion arbeiten, viel Dampf verbrauchen, und zum Teil daher, daß in den erforderlichen langen Dampfleitungen durch Leckagen und Kondensation ein Teil des Dampfes verloren geht. Diese Verluste sind beim elektrischen Betrieb viel geringer. Ein besonderes Feld für die elektrische Steuerung bieten dann noch die mit Verbrennungsmaschinen ausgerüsteten Fahrzeuge, bei denen die Dampfanlage, wenn sie überhaupt vorhanden ist, in See im allgemeinen nicht im Betrieb erhalten wird. Die elektrische Kraft kann bei der Steuerung zu zwei verschiedenen Zwecken benutzt werden: erstens zur Uebertragung der Bewegung des Handrades auf der Brücke zur Steuermaschine und zweitens zur Bewegung des Ruders selbst. Für den ersteh Zweck stehen jetzt verschiedene elektrische Telemotoren zur Verfügung, die den Vorzug haben, daß sie auch bei sehr langen Schiffen mit Leichtigkeit eingebaut und in Betrieb erhalten werden können. Für den zweiten Zweck bietet die elektrische Kraft den Getrieben gegenüber, die mit Dampf bewegt werden, ganz besondere Vorteile. Die größten Schwierigkeiten, die sich beim elektrischen Steuern ergeben haben, war die Beschränkung des Kraftbedarfs auf die Leistungsfähigkeit der Dynamos des Schiffes und eine zuverlässige Kontrolle der starken Kräfte. Der Elektromotor muß so eingerichtet sein, daß er das Ruder sofort und genau innerhalb der Winkel bis zu 5 Grad einstellt, die zum Kurshalten erforderlich sind, muß das Ruder aber auch ohne jede Verstellung der Kontrolleinrichtung schnell bis zur Hartlage in einen Winkel von etwa 35 Grad legen können. Während bei den ersteren Bewegungen der zu überwindende Widerstand nur gering ist und beim richtig ausbalanzierten Ruder eigentlich nur aus den auftretenden Reibungswiderständen besteht, ist bei der letzteren ein großer Wasserwiderstand zu überwinden. Die im allgemeinen zum Legen des Ruders von hart Backbord nach hart Steuerbord oder umgekehrt erforderliche Zeit schwankt zwischen 15 Sek. oder auch noch weniger und einem Maximum von 40 Sek., wenn das Schiff Fahrt voraus hat. Um an Kraft zu sparen, muß das zwischen dem Elektromotor und dem Ruderschaft eingeschaltete Getriebe so konstruiert werden, daß es einen möglichst großen Wirkungsgrad hat, und kann daher nicht mit Selbsthemmung arbeiten. Deshalb müssen Einrichtungen vorgesehen werden, die das Ruder in den eingestellten Lagen festhalten. Hierzu eignet sich eine magnetische Bremse wie die, die bei Kranen benutzt werden, die das Getriebe sofort zum Stillstand bringt, wenn die erforderliche Ruderlage erreicht ist. Beim Zurückdrehen des Ruders in die Mittschiffslage unterstützt beim vorwärtsfahrenden Schiff der Wasserdruck die Ruderbewegung, so daß bei einem günstig konstruierten Steuergeschirr vom Elektromotor nicht nur keine Kraft aufgewandt zu werden braucht, sondern sogar ein Teil der zum Legen des Ruders aufgewandten elektrischen Arbeit zurückgewonnen werden kann. Dieser Umstand kompliziert aber die Kontrolle der Ruderbewegung. Wenn der Wasserstrom beim Ruder die umgedrehte Bewegungsrichtung hat, das heißt, wenn die Propeller rückwärts arbeiten, wandert der Druckmittelpunkt der Ruderfläche nach der Hinterkante derselben. Deshalb ist dann eine beträchtliche Kraft erforderlich, um das Ruder wieder in Mittschiffslage zu bringen. Diese Tatsache macht eine vollkommene Ausbalanzierung des Ruders für alle Fälle unmöglich. Trotzdem ist aber eine Ausbalanzierung für eine elektrische Steuereinrichtung von großem Vorteil, da sie die Benutzung eines kleinen Motors ermöglicht, den Stromverbrauch so klein wie möglich macht und die Abnutzung der Kontrolleinrichtung verringert. Gerade so wie die zur Steuerung dienenden Dampfmaschinen besondere Abmessungen und Konstruktionen aufweisen, die sie von anderen Dampfmaschinen unterscheiden, müssen auch die zur Steuerung benutzten Elektromotoren den Verhältnissen besonders angepaßt werden. Bei ihrer Konstruktion muß berücksichtigt werden, daß sie nicht andauernd mit der vollen Belastung, sondern meist nur mit einem ganz geringen Bruchteil derselben arbeiten. Motoren von geringen Abmessungen mit Wendepolen sind daher vorzuziehen. Da die Erwärmungsgrenze bei diesem Betrieb keine Rolle spielt, kann der Motor, auch wenn er groß ist, ganz eingekapselt werden, ohne daß seine Abmessungen deshalb größer genommen zu werden brauchen. Eine Einkapselung des Motors ist auch deshalb schon erwünscht, weil derselbe an Bord immer in feuchter Luft arbeiten muß. Außer der genügenden Kraft muß eine Steuereinrichtung auch noch eine ausreichende Empfindlichkeit besitzen, das heißt, sie muß das Ruder möglichst gleichzeitig mit der Bewegung des Handruderrades genau auf den Winkel einstellen, der der Stellung des Steuerrades entspricht. Die Anforderungen an die Empfindlichkeit sind verschieden. Schnelle Fahrzeuge brauchen eine empfindlichere Steuereinrichtung als langsame, weil, da die Größe des Ruders nicht ohne Verlust an Manövriereigenschaften bei geringer Fahrt verringert werden kann, beim gewöhnlichen Steuern mit großer Fahrt sehr geringe Ruderwinkel ausreichen. Andererseits ist ein gewisser toter Gang sogar erwünscht, um zu verhindern, daß das Steuergeschirr arbeitet, wenn es nicht nötig ist. Bei den größten Anforderungen an die Steuereinrichtung muß dieselbe auf eine Bewegung des Handrades reagieren, die einem Ruderwinkel von 1 Grad entspricht (weniger als ein Achtel Umdrehung des Handrades). Bei langen Schiffen wird der tote Gang durch die Benutzung von Telemotoren an Stelle von Getrieben und Wellen möglichst klein gemacht. Außer diesem Bewegungsverlust ergibt sich aber noch ein weiterer toter Gang aus der Konstruktion des Kontrollventils (Dampfsteuereinrichtung) oder des Schalters (elektrische Steuereinrichtung), der so klein wie möglich gemacht werden muß. Bei Dampf Steuereinrichtungen erreicht man dies durch möglichst geringe Ueberdeckung des Schiebers. Ein solcher Schieber neigt dann aber, wenn er abgenutzt ist, zu Leckagen. Bei der elektrischen Steuereinrichtung wird die Oekonomie durch die Empfindlichkeit nicht verschlechtert; es wird aber die Kontrolleinrichtung komplizierter. Die Empfindlichkeit hängt aber außer von dem toten Gang noch von dem Zeitverlust ab, der sich nach der Bewegung des Handrades ergibt, bis das Ruder die entsprechende Stellung erreicht hat. In dieser Beziehung scheint eine elektrische Steuereinrichtung besondere Vorzüge gegenüber der gewöhnlichen Dampfsteuereinrichtung zu besitzen, da sie so eingerichtet werden kann, daß das Ruder der Bewegung des Handrades schneller folgt. Bei aufmerksamem Steuern kann dann das Schiff genauer auf dem Kurs erhalten werden. Die elektrischen Steuereinrichtungen kann man nach der Art der Kontrolle in der folgenden Art klassifizieren: A. Steuereinrichtungen, bei denen der Motor bei jeder Bewegung des Ruders in Gang und zum Stillstand gebracht wird. 1. Der Motor erhält von einem besonderen Generator Strom von verschiedener Spannung. 2. Der Motor wird durch einen Umkehr-Schalter und Widerstände kontrolliert. B. Steuereinrichtungen, bei denen der Motor dauernd läuft und eine mechanische Kontrolleinrichtung von einer der folgenden Arten vorgesehen ist. 1. Reibungskuppelung mit Getriebe. 2. Hydraulische Transmission mit rotierenden oder Kolbenbewegungen. 3. Magnetische Reibungskuppelung an der Motorwelle. Die erste Entwicklungsform A hat den großen Fehler, daß eine starke Abnutzung unvermeidlich ist, wenn man eine so umfangreiche Schalteinrichtung für starke Ströme benutzt. Die Form B hat außerdem noch den Vorzug, daß bei ihr ein Schlag der See gegen das Ruder bedeutend abgeschwächt wird, bevor er die elektrische Einrichtung des Schiffes erreicht. Die Armatur des Motors wirkt wie ein Schwungrad und bei Benutzung eines Motors mit Verbundwicklung wird ein beträchtlicher Teil der in den rotierenden Massen aufgespeicherten kientischen Energie an das Steuergeschirr abgegeben, bevor von der elektrischen Anlage des Schiffes die Lieferung einer besonders großen Stromstärke gefordert wird. Das Steuergeschirr kann deshalb von der Lichtanlage des Schiffes mit Strom versehen werden, ohne daß ein merkbares Flackern der an dieselbe Leitung angeschlossenen Lampen eintritt. Die Wichtigkeit dieses Umstandes kann kaum zu hoch eingeschätzt werden, sowohl hinsichtlich der Einfachheit wie der sich hieraus ergebenden Zuverlässigkeit, sowie der Oekonomie der Anlage. Wahrscheinlich die erste elektrische Steuereinrichtung, bei der der Motor ununterbrochen lief, war die von dem verstorbenen Engländer A. B. Brown konstruierte und im Jahre 1895 gebaute, mit Reibungskuppelung und Getriebe (B 1). Dieser Apparat war nach dem gleichen Prinzip konstruiert wie die bekannte Pinne mit Dampfmaschinen an trieb. Der treibende Motor stand auf einer aus Schmiedestahl hergestellten Ruderpinne und trieb ein Zahnrad, das in einen am Deck befestigten Zahnkranz faßte. Die Kontrolle wurde durch zwei Reibungskuppelungen mit Spiralfedern ausgeübt, bei denen Metall auf Metall arbeitete. Diese liefen mit einer geringeren Umlaufszahl wie der Motor und zwischen beiden war eine Zahnradübersetzung eingeschaltet. Die Kuppelungen waren so eingerichtet, daß die Pinne nach beiden Richtungen bewegt werden konnte. Die Hauptschwierigkeit, die sich hierbei ergab, war die Ermöglichung einer genauen und empfindlichen Kontrolle. Zu der zweiten Gruppe der Steuereinrichtungen, bei denen der Motor dauernd läuft, gehört der elektrischhydraulische Steuerapparat der englischen Dampfyacht „Albion“. Dieses Schiff ist zwischen den Loten 240 Fuß (73,15 m) lang, 37 Fuß (11,28 m) breit und hat bei einem Tiefgang von 16 Fuß 6 Zoll (5,03 m) ein Deplacement von 1700 Tonnen. Mit einer Turbinenanlage von 2000 Pferdestärken erreicht es eine Geschwindigkeit von etwa 15 Knoten. Beim Bau im Jahre 1905 war das Fahrzeug mit einem elektrischen Steuergeschirr ausgerüstet worden. Dieses wurde im Jahre 1908 durch eine Dampfsteuereinrichtung ersetzt. Im Anfang des Jahres 1910 erhielt das Schiff noch eine zweite Steuereinrichtung, die später genauer beschriebene elektrisch-hydraulische. Beide Steuereinrichtungen wurden durch dasselbe Handrad von der Brücke aus mittels eines Telemotors gesteuert. Seit dem Einbau der elektrisch-hydraulischen Steuereinrichtung ist diese beinahe ununterbrochen benutzt worden. Die Tatsache, daß der Kapitän die neue Anlage der Dampfsteuereinrichtung vorzog, beweist, das sie zufriedenstellend gearbeitet hat. Textabbildung Bd. 328, S. 19 Abb. 1. Wie aus der schematischen Darstellung derselben auf Abb. 1 zu ersehen ist, wird das Ruderjoch A durch zwei Kolben bewegt, die in den Zylindern B1 und B2 arbeiten. Die Kolben werden durch Oel bewegt, das von rotierenden Pumpe mit veränderlichem Hub C gefördert wird. Diese Pumpe wird durch den Elektromotor D angetrieben. E ist eine Stange, durch deren Bewegung die Arbeit der Pumpe eingestellt werden kann. Wenn diese sich in der Mittellage befindet, fördert die Pumpe kein Oel. Wenn sie nach der einen oder der anderen Seite bewegt wird, drückt die Pumpe Oel in das eine oder andere der beiden zu dem Druckzylindern führenden Rohre F1 und F2. Auf diese Weise kann durch eine Bewegung der Stange E das Ruder nach Backbord oder nach Steuerbord gelegt werden. Bewegt wird die Stange E mittels des Zwischenhebels G, der durch die Stange H mit dem Telemotor und durch die Stange L mit dem Ruderjoch verbunden ist. Wenn die Stange H bewegt wird, dreht sich der Zwischenhebel G um den Verbindungsbolzen von G und L, verstellt die Stange E und bringt dadurch die Pumpe zur Wirkung. Dann bewegt sich das Ruderjoch. Hierbei wird der Zwischenhebel G durch die Stange L um den Verbindungsbolzen von H und G gedreht und hierdurch die Stange E in ihre frühere Lage zurückgebracht, das heißt die Pumpe ausgerückt. Das Ruder bleibt dann genau in der Stellung stehen, die durch das Handrad und den Telemotor eingestellt ist. Um eine zu hohe Beanspruchung des Ruderkopfes und des Geschirres bei besonders starken Schlägen gegen das Ruder zu vermeiden, ist eine Sicherheitsvorrichtung angebracht, die es dem Geschirr und Ruder möglich macht, bei zu starker Beanspruchung etwas nachzugeben. Diese Vorrichtung besteht aus dem Rohre P, das die beiden Druckzylinder verbindet und dem in das Rohr eingeschalteten federbelasteten Ventil M, das dieses Rohr verschließt. Wenn der Druck im Zylinder zu groß wird, drückt das Oel das Ventil M auf und kann dann in den nicht belasteten anderen Zylinder übertreten. Die ganze Einrichtung wirkt gleichzeitig als Bremse. Wenn sich das Ruderjoch durch das Abfließen des Oels nach dem anderen Druckzylinder verstellt hat, wird sofort wieder die Pumpe eingerückt, die so lange Oel fördert, bis das Ruderjoch sich wieder in der eingestellten Lage befindet. Diese Pumpe spielt bei dem ganzen Arbeitsvorgang eine so wichtige Rolle, daß eine kurze Beschreibung derselben angebracht ist. Sie ist auf den Abb. 2, 3 und 4 schematisch dargestellt und besteht aus vier Teilen: 1. dem Gehäuse, mit dem Lager für den rotierenden Teil der Pumpe, 2. dem umlaufenden Teil mit den Pumpenzylindern, 3. einer festen Mittelachse aus gehärtetem Stahl, die den umlaufenden Teil mit den Pumpenzylindern trägt und gleichzeitig die Zuführungs- und Ablauföffnungen P und Q für das Oel enthält, 4. dem sogenannten „Führungsring“, einem Blechzylinder, der durch die Stange E so verschoben werden kann, daß er zentrisch liegt mit der Achse oder nach der einen oder anderen Seite mehr oder weniger exzentrisch. Wenn dieser Führungsring zentrisch liegt mit der Achse, wie auf Abb. 2, und der die Zylinder enthaltende Teil in der Pfeilrichtung umläuft, bewegen sich die einzelnen Pumpenkolben nicht in den Zylindern. Die Pumpe läuft dann leer, ohne Oel zu fördern. Dieser Fall ist der häufigste. Er tritt ein, so lange das Ruder in seiner Lage verbleibt. Textabbildung Bd. 328, S. 20 Abb. 2. Textabbildung Bd. 328, S. 20 Abb. 3. Textabbildung Bd. 328, S. 20 Abb. 4. Wenn das Handsteuerrad aber bewegt wird, überträgt der Telemotor diese Bewegung sofort auf die Stange E und verschiebt den Führingsring nach der einen oder nach der anderen Seite. Die beiden äußersten Stellungen des Ringes sind auf den Abb. 3 und 4 skizziert. Bei dem Fall der Abb. 3 wandern die über der Mittellinie liegenden Kolben nach außen und saugen durch die Oeffnung P Oel an. Die unteren Kolben wandern nach innen und drücken das oben angesaugte Oel durch die Oeffnung Q nach dem einen hydraulischen Zylinder. Bei dem entgegengesetzten Fall der Abb. 4 saugen die unter der Mittellinie liegenden Kolben durch die Oeffnung Q Oel an und drücken die oberen Kolben dieses Oel durch die Oeffnung P nach dem anderen hydraulischen Zylinder. Textabbildung Bd. 328, S. 20 Abb. 5. Textabbildung Bd. 328, S. 20 Abb. 6. Beide Oeffnungen der Pumpe P und Q sind durch Rohre, in die ein Rückschlagventil eingeschaltet ist, mit einem Oeltank verbunden. Praktisch wird die auf den Abb. 3 und 4 skizzierte äußerste Stellung des Führungsringes nur selten benutzt. Wie die später wiedergegebenen Versuchsdiagramme zeigen, folgt der Ruderkopf den kleinsten Bewegungen des Handrades so schnell, daß im Allgemeinen eine nahezu unmerkbar kleine Bewegung des Führungsringes genügt, das Schiff auf den Kurs zu halten. Die Pumpe selbst kann mit sehr geringem Kraftverbrauch im Gang erhalten werden. Die Anordnung der gesamten Steuereinrichtung auf der „Albion“ ist aus den Abb. 5 und 6 zu ersehen. Die Dampfsteuereinrichtung, die die übliche Bauart mit zwei Schraubenspindeln zeigt, ist auf den Abbildungen gestrichelt gezeichnet. Sie liegt zum Teil über der elektrisch-hydraulischen Einrichtung. Die Buchstabenbezeichnung entspricht der der Abb. 1, so daß die Bestimmung der einzelnen Teile leicht zu erkennen ist. Bemerkenswert ist noch, daß bei dem neuen Dampfer der Orient-Linie „Orama“ und auch bei den beiden Dampfern des österreichischen Lloyd „Wien“ und „Helouan“, sowie bei einigen anderen großen Fahrzeugen, die mit dieser Steuereinrichtung ausgerüstet sind, die hydraulischen Zylinder nicht nebeneinander, sondern wie in dem auf Abb. 7 dargestellten Modell in einer Richtung liegen. Textabbildung Bd. 328, S. 20 Abb. 7. Mit den beiden Steuergeschirren der Dampfjacht „Albion“ wurden von den Herren H. S. Hele Shaw und F. Leigh Martineau im Februer 1911 bei schlechtem Wetter, zum Teil auf dem glatten Wasser des Solent und zum Teil bei den Needles in schwerem Seegang Versuche ausgeführt, deren Ergebnisse ein gutes Bild von den bei der Steuerung eines Schiffes maßgebenden Verhältnissen bieten. Diese Ergebnisse sollen daher hier kurz: wiedergegeben werden. Man teilt sie am besten in zwei Gruppen: 1. diejenigen, die sich auf die leichte Handhabung und schnelle Wirkung der beiden Rudergeschirre beziehen, 2. die den Wirkungsgrad und Kraftverbrauch betreffenden Ergebnisse. Beim Vergleich der beiden Steuereinrichtungen ist roch zu beachten, daß der verwandte Dampf-Steuerapparat eine schon seit langer Zeit erprobte Bauart hat, der elektrisch-hydraulische Apparat aber der erste seiner Art war und daß der letztere, wie die Versuche und der Betrieb desselben bisher gezeigt haben, viel zu kräftig und schwer ist. An Stelle des verwandten 10pferdigen Elektromotors mit der entsprechenden Pumpe, der gewählt worden war, weil die Dampfmaschine 20 PS leistete, hätte nach den Versuchsergebnissen ein 3pferdiger Motor mit entsprechender Pumpe reichlich genügt. (Schluß folgt.)