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Steuervorrichtung für Verstellpropeller, insbesondere Flügelradpropeller
Es ist bekannt, das Steuerzentrum von Flügelradpropellcrn, deren Flügel um ihre
Achsen eine gesteuerte Schwingbewegung ausführen, mit einem Regler auszurüsten,
der das Steuerzentrum in Abhängigkeit von einer füir den Betrieb maßgebenden Führungsgröße,
wie Drehzahl, Leistung od. dgl., verstellt, um die Antriebsmaschine auch bei (durch
Wind, Wellen, Ruderlegen od. dgl.) veränderten Betriebsbedingungen mit konstanter
oder nahezu konstanter Drehzahl arbeiten zu lassen. Es soll mit dieser Einrichtung
unter den jeweils gegebenen hydraulischen Verhältnissen stets gerade die volle Antriebsleistung
ausgenutzt werden. Nach diesem Vorschlag wirkt also auf die Fahrtsteigung nicht
der Fahrthebel, sondern ein Regler ein, während der Fahrthebel auf die Füllung der
Antriebsmaschine einwirkt. Mit dieser Ausführung ist unter anderem der erhebliche
Nachteil verbunden, daß es zum Zurück gehen von irgendeiner Fahrtsteigung voraus
auf eine beliebige Fahrtsteigung zurück nicht genügt, den Fahrthebel zunütlzunehmen,
da dieser ja nur die Füllung der Antriebsmaschine beeinflußt und diese von Voll
auf Null und wieder auf Voll zu bringen vermag, sondern es muß außerdem eine Umsteuervorrichtung
vorgesehen sein, die beim Durchgang des Fahrthebels durch seine Nullstellung eine
Umschaltung des Reglers auf entgegengesetzte Wirkrichtung veranlaßt. Diese zusätzliche
Umschalteinrichtung könnte nur dann entbehrt werden, und zwar nur bei einem Flügelradpropeller,
wenn das Umsteuern nicht durch Verringern der Fahrtsteigung auf Null und Durchgehen
durch den Nullpunkt auf negative Steigung,
sondern durch peripherisches.
Verschwenken des Steuerzentrums um z86°' bewirkt -würde. Diese Steuerung nach Polarkoordinaten
hat sich jedoch als völlig unbrauchbar erwiesen.
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Bei einer normalen Verstellschraube aber .und bei einem nach rechtwinkligen
Koordinaten gesteuerten Fl.ügelradpropeller, bei dem durch den Fahrthebel die Längsschiffs
gerichtete Komponente des Schubes voraus und zurück und durch das Ruderrad die qüerschiffs
gerichtete Komponente des Schubes beeinflußt wird, muß die zusätzliche Umschalteinrichtung
zusätzlich zu denn Vorschlag einer Verstellung des Steuerzentrums über einen Regler
hinzutreten. Da eine solche Zusatzeinrichtung besonders beim Manövrieren; insbesondere
bei Revierfahrten, sehr häufig, und zwar bei jedem Übergang von einer kleinen Teilsteigung
voraus auf eine kleine Teilsteigung zurück; und umgekehrt, bedient werden müßte,
ein Steuermanöver also viel zu umständlich auszuführen wäre, ist die vorgeschlagene
Einrichtung bei Flügelradpropellern nicht zur Ausführung gekommen.
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Mit dem Umstand, daß nach dem bekannten Vorschlag mit Regler der Fahrthebel
nicht unmittelbar die Fahrtsteigung verstellt, sondern vielmehr die-- Füllung der
Antriebsmaschine, ist auch noch folgender weitere erhebliche Nachteil verbunden.
Bei nur teilweise ausgelegtem Fahrthebel ist durch die hierdurch eingestellte Teilfüllung
die Leistung der Maschine auf einen Teilbetrag der maximalen Leistung beschränkt.
Für den Regler ist diese Teilleistung diejenige maximale Leistung, die er durch
Beeinflussung des Steuerzentrums z. B. bei Rudermanövern nicht überschreiten läßt;
d. h. also, daß der Regler bei Teillast und Rudermanövern die Fahrtsteigung zurücknimmt,
obwohl hierbei die Maschinenleistung noch nicht voll ausgenutzt ist. Dies hat eine
unerwünschte und unbegründete Verzögerung des Schiffes zur Folge.
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Gemäß, der Erfindung werden diese Schwierigkeiten durch eine solche
Ausbildung der Steuereinrichtung beseitigt, bei der der Fahrthebel (Steuerrad od.
dgl.) nicht auf die Füllung der Antriebsmaschine, sondern unmittelbar auf die Fahrtsteigung
einwirkt, während eine zusätzliche, von der Leistung der Antriebsmaschine; von der
Ruderlage od. dgl. abhängige Beeinflussungseinrichtung (Regler od.-dgl.) in den
Kraftschluß zwischen dem vom 'Schiffskommando zu betätigenden Organ (Fahrthebel
od. dgl.) und der Stegungsverstellvorrichtung am Propeller eingreift. Mit einer
solchen Ausführung wird z. B. die Fahrtsteigung lediglich durch Betätigung des Fahrthebels
ohne Zuhilfenahme einer Zusatzeinrichtung wie eines Umsteuerventils _od. dgl. von
voller Fahrt voraus durch Null hindurch auf volle Fahrt zurück eingestellt. Es können
dem Schiff also beim Manövrieren in beliebig schneller Folge beliebig kleine Steuerimpulse
voraus oder zurück erteilt werden. Die zusätzliche Beeinflussungseinrichtung läßt
dabei den Kraftschluß zwischen Fahrthebel und Steigungsverstelleinrichtung- so lange
unbeeinfiußt, als z. B. die Fahrthebelverstellungen nur gering sind und bei einem
Flügelradpropeller etwa das Ruderrad in Nullstellung steht. Sie greift aber zur
Sicherung der Antriebsmaschine vor Überlastungen oder zur Vermeidung unzulässiger
Querkräfte bei schnellen Steigungsverstellungen oder bei Rudermanövern derart in
das Verbindungsgestänge zwischen Fahrthebel und Fahrtstegungsverstellung ein; daß
die Fahrtsteigung selbsttätig etwa nach Maßgabe der zur Verfügung stehenden Maschinenleistung
bzw. nach Maßgabe der Ruderlage auf ein gewünschtes Maß zurückgenommen wird: Im
folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert und in
einigen Ausführungsbeispielen dargestellt.
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Abb: i zeigt eine beispielsweise Ausführungsform für den Eingriff
eines etwa von der Maschinenleistung abhängigen Reglers in das Verbindungsgestänge
zwischen- Handhebel und Steigungsverstelleinrichtung; Abb. a zeigt das Schema eines
Flügelradpropellers, an. Hand dessen die Begriffe Steigung und Steigungsmaß für
einen Flügelradpropeller kurz erklärt werden; Abb. 3 zeigt eine Schar von Fahrdiagrämiuen
zur Erläuterung der Begriffe Fahrdiagramm und Belastungsgrad; Abb. q. stellt eine
besonders zweckmäßige Form des Fahrdiagramms dar; in Abb. 5 ist ein Ausführungsbeispiel
einer in Abhängigkeit von der Ruderlage auf die Fahrtsteigung einwirkenden Beeinflussungseinrichtung
für fah.rtsteigungs- und rudersteigungsverstellbare Propeller gezeigt und in Abb:
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Beeinflussung der Fahrt- und Rudersteigung
durch einen Regler mit einer weiteren Beeinflussung der Fahrtsteigung durch die
Rudersteigung kombiniert ist.
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Die in Abb. z gezeigte Regeleinrichtung besteht aus einem mittels
der Stange i etwa vom Fahrthebel zu verstellenden Kulissenhebel a, dessen Kulissenstein
3 durch die Regelwelle ¢ in der Kulissenführung verschoben werden kann. Hierzu ist
die Regelwelle mit der vom Kulissenstein zur Verstelleinrichtung führendenKuppelstange5
durch das Gestänge 6, 7 verbunden. Die Drehbewegung der Regelwelle ist bei Dampfantrieb
etwa vom Kesseldruck abhängig, derart, daß sie in dem durch einen Pfeil angedeuteten
Drehsinn gedreht wird, sobald der Kesseldruck um einen bestimmten, noch zulässigen
.Betrag abgesunken ist. Wenn beispielsweise beim Anfahren der Fahrthebel auf die
Standsteigung ausgelegt wird, so wird dieser Befehl im ersten Augenblick' unbeeinflußt
weitergegeben. Kommt nach längerer Zeit aber die Dampferzeugung nicht nach, so wird
der Kesseldruck abfallen und über ein Druckrelais eine Verdrehung der Regelwelle
einleiten, die ihrerseits über die I ulisse das Steigungsmaß so lange vermindert,
bis der Kesseldruck seine normale Höhe wieder erreicht hat.
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Zur Verhinderung auch kurzzeitiger Übertastungen kann es erforderlich
sein, für die Standsteigung
einen Anschlag anzubringen, weil hierbei
die zeitliche Freizügigkeit der Steigungseinstellung anfänglich erhalten bleibt.
Da diese Einrichtung wegen des nur langsam abfallenden Kesseldruckes nicht sofort
anspricht, können bei einem plötzlichen Verstellen der Steigung über die Standsteigung
hinaus etwa bis zur Höchststeigung noch kurzzeitige Überlastungen der Antriebsmaschine
eintreten. Dies wird in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch vermieden, daß
man die Regelwelle gleichzeitig durch zwei verschiedene Meßgrößen steuern l.äßt,
und zwar etwa abhängig vom Kesseldruck und von einer das Drehmoment der Antriebsmaschine
kennzeichnenden Größe (Füllung, Stromstärke). Bei dieser Ausführung wird auch die
Anbringung eines Standsteigungsanschlages überflüssig.
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Mit der beschriebenen Regeleinrichtung kann auch auf großen Schiffen
das Kommando für die Fahrteinstellung von der Brücke aus direkt an den Propeller
weitergegeben werden, ohne den Maschinenleitstand zwischenschalten zu müssen. Die
Einstellung des befohlenen Fahrtsteigungsmaßes erfolgt dann eben nicht sofort, sondern
nach Maßgabe der zur Verfügung stehenden Leistung und Dampfmenge. Die Regelung sorgt
aber dafür, daß die befohlene Einstellung in der kürzest möglichen Zeit herbeigeführt
wird, und das Kommando kann sich an Hand einer elektrischen Rückmeldung des Steigungsmaßes
zu jedem Zeitpunkt davon überzeugen, in welchem Umfang das Kommando bereits ausgefüihrtworden
ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei Schiffsanlagen mit Dampfbetrieb die
durch das besondere Arbeitsprinzip von Verstellschrauben und Flügelradpropellern
sich ergebenden Vorteile voll auszuschöpfen, d. h. die Fahrtmanöver ohne Zwischenschaltung
des Maschinenleitstandes direkt von der Brücke aus durchzuführen.
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In Abb.2 ist der von den Fluchtpunkten der Flügelachsen eines Flügelradpropellers
beschriebene Kreis, der sogenannte Flügelkreis K, dargestellt; auf ihm sind für
maximale Fahrtsteigung verschiedene . Flügelstellungen angegeben. Der Mittelpunkt
des Kreises ist mit 0, sein Radius mit R und der Schnittpunkt der Flügelnormalen
mit dem Ouerdurchmesser mit N bezeichnet. In gleicher Weise wie bei der Schiffsschraube
bezeichnet auch beim Flügelradpropeller die Steigung H den Weg, den der Propeller
und damit auch das Schift im schubfreien Zustand nach Vollendung einer Umdrehung
im Wasser zurücklegen würde. Diese Größe steht nach Abb. 2 mit dem Abstand ON des
Steuerpunktes N vom Radmittelpunkt 0 und dem Radius des Flügelkreises R in folgendem
Zusammenhang: Steigung H = 2 n UN --
und
was als Steigungsmaß bezeichnet wird. Das Steigungsmaß läßt sich somit für den Radius
R = r durch die Strecke öN = A,o, d. h. durch den Abstand des Normalenschnittpunktes
N vorn Mittelpunkt 0 darstellen. Wegen dieser einfachen Darstellungsmöglichkeit
des Steigungsmaßes wird bei Betrachtungen der Betriebsverhältnisse des Voith-Schneider-Propellers
stets diese Größe statt der Steigung selbst in die Betrachtung eingeführt.
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In Abb. 3 ist eine Reihe von Fahrdiagrammen für einen Flügelradpropeller
für verschiedene Schubbelastungsgrade gezeigt. Diese Fahrdiagramme sind durch Messungen
an Schiffsmodellen im Strömungsgerinne in der Weise gewonnen, daß unter Konstanthaltung
der Propellerdrehzahl und der Schiffsgeschwindigkeit, ausgehend von der Geradeausfahrt
mit dem Steigungsmaß @ der Steuerwinkel ast von o bis 36o°' verändert wurde. Die
dimensionslosen Fahrdiagramme geben dabei für verschiedene Schubbelastungsgrade
c, an, in welchem Maße der Abstand ON des Steuerpunktes (Steuerzentrums)
vom Radmittel gegenüber dem Ausgangswert ONO geändert werden muß, um für
jeden Steuerwinkel bei gleichbleibender Drehzahl und Schiffsgeschwindigkeit eine
konstante Leistungsaufnahme des Propellers zu erzielen. Der als Parameter dienende
Schubbelastungsgrad c, stellt dabei den spezifischen: Schub oder das Verhältnis
des Gesamtpropellerschubes bei Geradeausfahrt zur Einheit des Staudruckes der Zustromgeschwindigkeit
(y/äg. v,2) und zur Strahlfläche des Propellers (F = Flügellänge X Flügelkreisdurchmesser)
dar. Es ist also
Man erkennt, daß das Maß der Steigungsänderung durch das Beeinflussungsgestänge
nach der Erfindung mit wachsendem cs immer geringer werden muß, weil bei c, = oo-,
also am Stand, wo infolge des Fehlens einer Zustromgeschwindigkeit keine Richtung
bevorzugt ist, das Steuerdiagramm ein Kreis mit dem Radius 4 sein muß. Das Beeinflussungsgestänge
ist daher dem Schiffstyp, der sich im Schubbelastungsgrad ausdrückt, entsprechend
verschieden auszulegen.
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Mit der Steigungsrücknahme durch das Beeinflussungsgestänge ist etwa
so weit zu gehen, daß sich für jeden Steuerwinkel bei gleichbleibender Drehzahl
und Schiffsgeschwindigkeit eine konstante Leistungsaufnahme des Propellers ergibt.
Sofern sich aber dabei beim Ruderlegen noch unzulässig große Querkräfte ergeben,
kann der Gestaltung des Fahrdiagramms. und damit der Auslegung des Beeinflussungsgestänges
außerdem auch noch die größte zulässige Querkraft zugrunde gelegt werden, so daß
sich eine noch weitere Verkleinerung des Fahrdiagramms ergibt. Mit einer gemäß der
Erfindung ausgeführten Steuervorrichtung kann somit lediglich durch geeignete Ausführung
des Beeinflussungsgestänges und unter Verzicht auf eine von der Antriebsmaschine
zu betätigende Regelung jedes gewünschte Fahrdiagramm verwirklicht werden.
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In Abb. 4 ist ein Fahrdiagramm gezeigt, wie es sich für einen bestimmten
Schiffstyp als zweckmäßig erwiesen hat. Dabei ist nur der für Vorwärtsfahrt gültige
Teil des Diagramms eingezeichnet. Zum Vergleich ist in gestrichelten Linien ein
nur mit Rücksicht auf die Vermeidung einer Überlastung der Antriebsmaschine gewonnenes
Fahrdiagramm
dargestellt. Es ist offensichtlich, daß ein solches Diagramm mittels einer Regelung,
die nur auf die Vermeidung von Überlastungen abgestellt ist; nicht erreicht werden
kann, während es gemäß der Erfindung ohne weiteres möglich ist, das Beeinflussungsgestänge
hierfür entsprechend auszugestalten.
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Zur Vereinfachung der konstruktiven Ausbildung des Beeinflussungsgestänges
wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, das Fahrdiagramm in (Annäherung
als Kurve zweiter Ordnung auszubilden oder es aus Kurven zweiter Ordnung zusammenzusetzen,
beispielsweise aus Ellipsen oder Parabelstü)cken, etwa derart, daß der größere Halbmesser
der Ellipse durch die maximale Fahrtsteigung bei Rudersteigung Null und der kleinere
Halbmesser durch die maximale Rudersteigung bei der Fahrtsteigung Null gebildet
wird.
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In Abb. 5 ist in vereinfachter Darstellung ein Beeinflussungsgestänge
gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem für einen Flügelradpropeller mit Fahrtsteigung-
und Rudersteigungsverstellung die Fahrtsteigung in Abhängigkeit von der Rudersteigung
verstellt: wird. Die Abbildung gibt in gestrichelten Linien die Stellung des Gestänges
bei Einstellung des Fahrthebels auf volle Fahrt voraus und bei der Lagedes Ruderrades
in der Nullstellung an und in ausgezogenen Linien die Stellung bei voll voraus ausgelegtem
Fahrthebel und bei nach einer Seite voll ausgelegtem Ruderrad. Zwischen dem vom
Fahrthebel des Steuerstandes auf der Brücke beeinflußten Gestänge ro und dem Steuerstift
II des zur Fährtsteigungsverstellung dienenden Servomotors 12 ist eine Kulissenführung
13 angeordnet, die aus dem Kulissenhebel 14 und. dem Gleitstein 15 besteht. Der
Gleitstein ist mit der zum Steuerstift führenden Stange 16 verbunden; an die bei
17 über ein Verbindungsstück i8 ein bei 2o am Propellergehäuse gelagerter Winkelhebel
i9 .angreift. Der Winkelhebel z9 steht über der Stange 2i mit dem Arm 22 des bei
23 gelagerten dreiarmigen Hebel "s 24 in Verbindung. Am zweiten Arm 25 greift die
zum Ruderrad führende Stange 26 und am dritten Arm 27 die zum Steuer-Stift 29 des
Ruderservomotors 30 führende Stange 28 an. Der Winkelhebel i9 wird
stets, und zwar bei einer Drehung des Ruderrades. nach Steuerbord oder nach Backbord;
in der gleichen -Richtung aus seiner Nullage verstellt. Bei dieser einseitigen des
Winkelhebels i9 wird der Gleitstein 15 dem Drehpunkt der Kulissenführung genähert
und dadurch hie Fahrtsteigung durch Zurückschieben des Steuerstiftes i i verkleinert.
Durch entspre--hende Gestaltung der Kulissenbahn kann die gewünschte Diagrammgestaltung
erreicht werden. Wie ohne weiteres ersichtlich, tritt die Steigungsücknahme
auch dann ein, wenn der Fahrthebel licht, wie gezeichnet, auf voll voraus steht,
sondern tuf beliebiger Stellung voraus oder zurück.
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An Stelle des in der Zeichnung dargestellten Getänges mit Kulisse
kann auch eine ausschließlich ,üs Hebeln und Lenkern bestehende Ausführung ;ewählt
werden; außerdem können aber auch Kurvenscheiben mit Rollen an Stelle von Gelenkteilen
zur Anwendung kommen. Auch die Erwähnung von hydraulischen Servomotoren als Verstellorganen
für Fahrt- oder Rudersteigung ist nur beispielsweise erfolgt; an ihrer Stelle könnten
auch beliebig andere Verstellorgane Anwendung finden.
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Zur Verwirklichung des Vorschlages gemäß der Erfindung kann auch eine
Vorrichtung zur Amvend:ung kommen, die etwa so wie das im Ausführungsbeispiel des
deutschen Patentes log 575 dargestellte Gestänge ausgebildet ist, das aber der völlig
neuen' Aufgabe entsprechend abgewandelt und ausgelegt ist. Nach der dem älteren
Patent zugrunde liegenden Aufgabe soll das dort gezeigte, die beiden Verstellorgane
(Fahrt- und Ruderservomötor) verbindende Gestänge zur gegenseitigen Beeinflussung
so ausgeführt sein, daß der Steuerstift des Fahrtservomotors beim Ruderlegen jeweils
so weit zurückgenommen wird, daß die Flügelantriebshebel nicht zum Anschlagen am
Propellergehäuse kommen, also derart, daß der Steuerpunkt stets innerhalb des Kreises
liegt, der dem theoretischen Fahrdiagramm einbeschrieben werden kann, das durch
die vier um die Drehpunkte der mit den Servomotoren verbundenen Kolbenstangen in
deren Endstellungen mit den Kolbenstangen als Radien gezogenen Kreisbögen gebildet
wird.
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Darüber hinaus wird gemäß der Erfindung das Gestänge nunmehr zur Erfüllung
einer neuen Aufgabe so ausgelegt, daß die Zurücknahme der Fahrtsteigung in Abhängigkeit
von der Betätigung des Ruderrades wesentlich stärker ist, als es der Zurücknahme
aus den im Patent log 575 angegebenen konstruktiven Rücksichten entspräche. Das
tatsächliche -Fahrdiagramm fällt nach der Erfindung also erheblich kleiner aus als
der dem idealen Fahrdiagramm einbeschriebene Kreis.
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Die Ausführung nach Abb.6 zeigt die gleichzeitige Anwendung eines
etwa von der Füllung oder Stromstärke der Antriebsmaschine abhängigen Reglers gemäß
Abb. i zur Beeinflussung von Fahrt-und Rudersteigung und einer zwischen Fahrt- und
Rudersteigungsverstellung wirksamen Beeinflussungseinrichtung nach Abb. 5. Dabei
sind für die entsprechenden Teile der Abb.6 soweit abhängig die gleichen Bezugszeichen
wie in Abb, i und 5 gewählt. Für die Darstellung ist angenommen, daß bei Nullage
des Ruderrades der Fahrthebel auf volle Fahrt voraus verstellt ist. Die hierbei
sich ergebende Stellung des Steuergestänges ist in gestrichelten Linien angegeben.
Weiter ist angenommen, daß nach dieser Verstellung der Kesseldruck der Antriebsanlage
abfällt und dabei die Regelwelle 4 derart verstellt, daß die Fahrtsteigung wieder
um ein gewisses Maß zurückgenommen wird. Die hierdurch sich ergebende Gestängestellung
ist mit ausgezogenen Linien dargestellt.
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Außer der Kulissenführung 13, 14, 15 nach Abb. 5 und der Kulissenführung
2, 3 nach Abb. i ist hierbei noch eine weitere Kulissenführung 33 zur Beeinflussung
-der Rudersteigung durch die Regelwelle 4 vorgesehen. Diese Kulissenführung besteht
aus dem bei 34 gelagerten Winkelhebel 35 mit
Gleitbahn 36 und dem
Gleitstein 37, der mit der zum Steuerstift 29 des Ruderservomotors 30 führenden
Stange 38 verbunden ist. Wie ersichtlich, wird der Ruderservomotor durch die Regelwelle
dabei nicht beeinflußt, weil das Ruderrad in Nullstellung angenommen ist.
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Die in Abb. 6 gezeigte Kombination verhindert auch solche Überlastungen
der Kesselanlage, die bei einer Ausführung nach Abb. 5 z. B. dann noch möglich sind,
wenn Rudermanöver aus bestimmten Gründen etwa zur Ausführung eines vollen Drehkreises
sehr lange andauern. Die Regelwelle beeinflußt dabei sowohl den Fahrt- als auch
den Queranteil der Steigung des Flügelradpropellers.