DE10045921A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung des Rollens bei Schiffen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung einer Rollbewegung bei Schiffen. Zwei miteinander kommunizierende Behälter sind teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt. Das verbleibende Volumen der Behälter wird mit Gas aufgefüllt, das unter Druck gesetzt wird. Um eine beginnende parametrische Rollresonanz zu stören, wird durch Druckausgleich mit der Umgebung plötzlich die Arbeitsflüssigkeit in einem Behälter angehoben, so daß eine sich aufbauende Rollresonanz gestört und abgeschwächt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verminderung des Rollens bei Schiffen. Das Schiff besitzt zwei an gegenüberliegenden Seiten des Schiffsrumpfs angeordnete Behälter teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt, die über eine erste Verbindungsleitung von einem Behälter in den anderen strömen kann.

Es ist seit langem bekannt, an gegenüberliegenden Seiten eines Schiffskörpers Tanks oder Behälter anzuordnen, die durch eine Leitung miteinander verbunden sind und in denen eine Arbeitsflüssigkeit enthalten ist, wobei die Arbeitsflüssigkeit aus einem Tank in den anderen strömt, um die rollende Bewegung des Schiffes zu vermindern. Für gewöhnlich reicht dies aus, bestimmte Schiffe ausreichend zu stabilisieren. Jedoch tritt bei längs laufenden Wellen gelegentlich ein sogenanntes parametrisches Rollen auf. Dieses Phänomen betrifft insbesondere Schiffe mit schlankem Vorschiff und einem ausladenden Heck. Bei dem parametrischen Rollen handelt es sich um eine Re­ sonanzanregung der Rollbewegung, die zu schweren Beschädigungen des Schiffs und/oder der Ladung führen kann. Eine anschauliche Erklärung für dieses Phänomen kann gewonnen werden, wenn das Stampfen des Schiffes berücksichtigt wird. Eine längs laufende Welle, die zunächst am Bug des Schiffes angreift, läuft mit Ihrer ent­ sprechenden Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Schiffsrumpf an diesem entlang, bis sie das Heck erreicht. Während dieser Zeit führt der Schiffsrumpf gleichzeitig eine Stampfbewegung, d. h. Bug und Heck tauchen unterschiedlich tief ein. Der Fall des pa­ rametrischen Rollens tritt nun auf, wenn der am Bug angreifende aufrichtende Hebel­ arm, den die Welle am Rumpf erzeugt, von dem am Heck verschieden ist. Dies kann gerade bei einem ausladenden Heck, bei dem sich bereits aufgrund der Geometrie die angreifenden Hebelarme unterscheiden, im Zusammenspiel mit der Stampfbewegung, die für eine Verschiebung des angreifenden Hebelarms sorgt, zu einer periodischen Anregung der Rollbewegung des Schiffs führen. Je nach den nähren Umständen, wie beispielsweise Phasenlage zwischen Roll- und Stampfbewegung, Eigenfrequenz der Rollbewegung, Länge des Schiffsrumpfes und dergleichen, kann die resultierende An­ regung der Rollbewegung zu einer sich aufschaukelnden Rollbewegung führen, die im schlimmsten Fall zu einem Verlust der Ladung oder zur Beschädigung des Schiffes führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die das Auftreten einer zu starken Rollbewegung wirkungsvoll und zuverlässig verhindern können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt mindestens ein Behälter, bevorzugt jeder Behälter einen mit einem steuerbaren Ventil versehenen Auslaß für eine in den Behältern vorgesehene Luftfüllung. Die miteinander verbundenen Behälter sind also teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt, in dem verbleibenden Teil der ge­ schlossenen Behälter sich Luft befindet. Die Luftfüllung kann über den Auslaß abge­ geben werden, wobei der Auslaß über ein steuerbares Ventil geöffnet und geschlossen wird. Die Behälter sind über eine zweite Verbindungsleitung verbunden, die mit min­ destens einem steuerbaren Ventil verschließbar ist. Die zwei Verbindungsleitungen verbinden die Behälter derart, daß über die erste Verbindungsleitung die Arbeits­ flüssigkeit und über die zweite Verbindungsleitung die Luft zwischen den Behältern ausgetauscht wird. Die Behälter sind bei geschlossenem Auslaßventil gegenüber der Umgebung abgeschlossen und tauschen Flüssigkeit sowie Luft nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren aus. Zur Dämpfung der Rollbewegung sind die Behälter­ abmessungen und die Arbeitsflüssigkeit auf die an dem Schiffsrumpf auftretenden Frequenzen der Rollbewegung abgestimmt. Zusätzlich besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Druckerzeugungseinrichtung, wie beispielsweise einem Druckluft­ generator oder einen Kompressor, die einen erhöhten Druck für die Luft in den Be­ hältern erzeugt. Während des Normalbetriebs stabilisiert die schwingende Arbeits­ flüssigkeit eine Rollbewegung des Schiffsrumpfs. Zur Verhinderung einer stärkeren Rollbewegung, insbesondere einer parametrischen Rollresonanz, ermöglicht die Vor­ richtung, durch Schließen des Ventils entlang der zweiten Verbindungsleitung und durch Öffnen des Auslaßventils in dem Behälter, daß das unter Druck stehende Gas aus einem Behälter entweicht und die Arbeitsflüssigkeit durch den Druck des Gases in dem geschlossenen Behälter in dem Behälter mit geöffnetem Ventil für den Auslaß plötzlich angehoben wird. Hierdurch kann unabhängig von der Position des Schiffs eine Masse im Schiffsrumpf plötzlich verlagert werden. Eine sich verstärkende Reso­ nanz wird derart gestört, daß sich eine Rollbewegung des Schiffsrumpfs nachfolgend nicht weiter verstärkt. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung, daß die Behälter lediglich für die herkömmliche Rollbewegung und nicht für die sich verstärkende Rollbewegung dimensioniert sein muß.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Druckerzeugungseinrichtung an die zweite Verbindungsleitung angeschlossen. Hierdurch kann der Druck in beiden Behältern gleichmäßig erhöht und gesteigert werden.

Für eine bessere Steuerung der Druckerzeugung ist die zweite Verbindungsleitung be­ vorzugt mit zwei steuerbaren Ventilen ausgestattet, die seitlich von der Druckerzeu­ gungseinrichtung jeweils in Richtung einer der Behälter angeordnet sind.

Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Steuereinrichtung betä­ tigt, die die Ventile und die Druckerzeugungseinrichtung steuert. Zur Bestimmung des richtigen Zeitpunkts, in dem ein Öffnen und Schließen der Ventile zu erfolgen hat, ist die Steuereinrichtung mit Sensoren ausgerüstet, die den Stampfwinkel und den Roll­ winkel des Schiffsrumpfs erfassen. Bevorzugt können die Sensoren auch eine zeitliche Änderung des Rollwinkels, also die Rollgeschwindigkeit erfassen. Hierdurch ist es möglich, die Bedingungen für die Rollbewegung und für das Auftreten einer para­ metrischen Resonanz sehr genau zu erfassen. Weiterhin ist es möglich, auch Sensoren zum Erfassen einer Stampfbewegung bei dem Schiffsrumpf vorzusehen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Ventil des Auslasses geschlossen und das Ventil der zweiten Verbindungsleitung während eines Normalbetriebs geöffnet, wobei eine Steuereinrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer die Ventile der Verbin­ dungsreinheit schließt und das Ventil des Auslasses in einem der Behälter öffnet. Durch diese Konstellation der Ventile findet für die vorbestimmte Zeitdauer ein An­ heben der Arbeitsflüssigkeit in dem Behälter statt, dessen Auslaß geöffnet wurde. In dem anderen Behälter dehnt sich das unter Druck stehende Luftvolumen aus, bis das Auslaßventil wieder geschlossen wird oder bis der Druck in dem geschlossenen Behälter auf den Umgebungsdruck abgesunken ist, je nachdem, welches Ereignis früher eintritt.

Zweckmäßigerweise steuert die Steuereinheit die Druckerzeugungseinrichtung derart, daß stets ein vorbestimmter Betriebsdruck für die Luftfüllung in den Behältern auf­ recht erhalten wird. Nach einem Verschließen des Auslaßventils verstreicht also eine gewisse Zeit, bis der Betriebsdruck wieder erreicht wurde.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Verminderung des Rollens bei Schiffen gelöst, wobei der Schiffsrumpf mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Behältern ausgestattet ist. Die Behälter sind teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt, die über eine erste Verbindungsleitung von einem Behälter in den anderen strömen kann. Die Arbeitsflüssigkeit wird in den Behältern jeweils mit einem unterschiedlichen Druck für eine vorbestimmte Zeitdauer beaufschlagt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Beaufschlagung mit einem unter­ schiedlichen Druck auf die in den Behältern befindliche Arbeitsflüssigkeit eine Kraft ausübt und die Arbeitsflüssigkeit auf der Seite mit dem höheren Druck abgesenkt. Hierdurch entsteht eine Gewichtsverlagerung in dem Schiffsrumpf, die dem Auftreten einer zu starken Rollbewegung und eines parametrischen Rollens entgegenwirkt.

Als besonders wirkungsvoll hat es sich erwiesen, die Arbeitsflüssigkeit für die Dauer von ungefähr einer ¼ Tankeigenschwingung mit unterschiedlichem Druck zu beaufschlagen. Je nach gewählter Geometrie der Behälter und der Dimensionierung ihrer Verbindungsleitung sowie der verwendeten Arbeitsflüssigkeit kann nach einer ¼ Tankeigenschwingung in dem verschlossenen Behälter ein Restdruck verbleiben, der die Zeit bis zu einem Wiederaufladen auf den Betriebsdruck verkürzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Arbeitsflüssigkeit in dem einen Be­ hälter angehoben, dieser Behälter ist mit Atmosphärendruck beaufschlagt, während der andere Behälter einen erhöhten Innendruck aufweist. Bevorzugt ist der Betriebs­ druck in den Behältern ungefähr 5 m Wassersäule.

Eine sich verstärkende parametrische Rollresonanz kann besonders wirkungsvoll durch eine Druckbeaufschlagung derart verhindert werden, daß der Behälter mit der steigenden Arbeitsflüssigkeit mit Atmosphärendruck beaufschlagt wird, während der Behälter mit sinkender Arbeitsflüssigkeit mit dem erhöhten Druck beaufschlagt wird. Hierdurch wird die steigende Arbeitsflüssigkeit weiter angehoben als in der Schwin­ gungsperiode davor, so daß eine verstärkte Dämpfung der Rollbewegung erfolgt. Dies "Überschwingen" der Arbeitsflüssigkeit wird in den nachfolgenden Schwingungsperi­ oden abgebaut, wodurch eine Dämpfung der Rollbewegung erzeugt wird.

Ein Kompressor für die Druckerzeugung ist normalerweise an Bord eines Schiffes vorhanden, so daß der Aufwand für die Erfindung im Vergleich zu üblichen Tanksta­ bilisatoren nicht groß ist. Es können ferner vorhandene Luftspeicher, z. B. für Tanks zum Krängungsausgleich, verwendet werden, um die gespeicherte Energiemenge zu erhöhen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird an­ hand der folgenden Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Behälteranordnung 10 im Querschnitt. Die Stabili­ sierungsvorrichtung 10 erstreckt sich in Längsrichtung über einen Abschnitt des Schiffsrumpfes. Die Stabilisierungseinrichtung 10 besitzt zwei Behälter 12 und 14. Die Behälter 12 und 14 sind über eine erste Verbindungsleitung 16 miteinander ver­ bunden. Eine in den Behältern angeordnete Arbeitsflüssigkeit, beispielsweise Wasser oder auch eine Kaliumkarbonatlösung, kann über die Verbindungsleitung 16 von einem Behälter in den anderen Behälter strömen. Die Behälter 12 und 14 sind für eine zusätzliche Aufnahme von Luft geschlossen.

Jeder Behälter besitzt einen Auslaß 18 und 20, der jeweils über ein entsprechendes Ventil 22 bzw. 24 verschließbar ist. Bei geöffneten Ventilen 22, 24 stehen die Be­ hälter jeweils in Kontakt mit der Umgebungsluft, so daß ein Druckausgleich zwischen dem Behälterinneren und der Umgebung stattfinden kann.

Die Behälter 12 und 14 sind im Bereich ihrer Luftfüllung über eine zweite Verbin­ dungsleitung 26 miteinander verbunden. Sind die Ventile des Auslasses 22 und 24 geschlossen, so kann die Luftfüllung entsprechend der strömenden Arbeitsflüssigkeit zwischen den beiden Behältern ausgetauscht werden. Die zweite Verbindungsleitung 26 besitzt zwei steuerbare Ventile 28 und 30, die einen Luftaustausch zwischen den Behältern unterbinden können. Die Ventile 28 und 30 sind ebenfalls von einer Steuer­ einrichtung (nicht dargestellt) betätigbar. Zwischen den Steuerventilen 28 und 30 ist ein Druckerzeuger 32 angeordnet. Der Druckerzeuger 32 hält den vorbestimmten Be­ triebsdruck für die Luftfüllung der Behälter 12 und 14 aufrecht. Beispielsweise kann der Betriebsdruck für die Behälter 5 m Wassersäule betragen. Jedoch sind je nach ver­ wendeter Arbeitsflüssigkeit und Dimensionierung des Schiffsrumpfs bzw. der Be­ hälter auch andere Werte für den Betriebsruck möglich.

Stellt ein Sensor (nicht dargestellt) das Auftreten einer beginnenden parametrischen Resonanz fest, so wird beispielsweise das Ventil 28 geschlossen und das Ventil 24 für ungefähr die Dauer einer ¼ Tankeigenschwingungsperiode geöffnet. Das Schließen bzw. Öffnen der Ventile erfolgt in diesem Beispiel zu dem Zeitpunkt, in dem die Ar­ beitsflüssigkeit in dem Behälter 14 steigt. Das plötzliche Anheben der Arbeitsflüssig­ keit in dem Behälter 14 (Druckdifferenz ΔH) bewirkt, daß die Schwingungsbe­ dingungen gestört werden. Diese Störung der sich aufbauenden Resonanzschwingung bewirkt, daß in den nachfolgenden Perioden nicht unbedingt die Resonanzbedingung erfüllt sein muß.

Ebenfalls bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, durch eine Drosselung des Luftaustausches über die Verbindungsleitung 26 das Schwingungs­ verhalten der Behälter zu verändern. Hierdurch kann das Schwingungsverhalten der Arbeitsflüssigkeit in den Behältern an die entsprechende Bewegung des Schiffes an­ gepaßt werden. Auch können durch eine geeignete Steuerung der Ventile in der Ver­ bindungsleitung Luftpolster in den Behältern gebildet werden, die ein Schlagen (Sloshing) der Arbeitsflüssigkeit in den Behältern verhindert.

Es können zusätzliche bzw. auf dem Schiff ohnehin vorhandene Lufttanks 36, 38 vor­ gesehen sein, die über Ventile 40, 42 mit den Behältern 12, 14 verbunden sind und Luft unter Druck speichern. Die Aufrechterhaltung des Luftdrucks in den Behältern 12, 14, 36, 38 erfolgt durch Aktivieren des Kompressors 32 bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckniveaus.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Verhinderung des Rollens bei einem Schiff, mit zwei an ge­ genüberliegenden Seiten des Schiffsrumpfs angeordneten Behältern (12, 14), die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind, und mit einer ersten Ver­ bindungsleitung (16), über die die Arbeitsflüssigkeit von einem der Behälter in den anderen strömen kann, dadurch gekennzeichnet, daß
die Behälter für eine Füllung mit Luft unter Druck, zusätzlich zu der Arbeits­ flüssigkeit, geschlossen sind,
wobei mindestens einer der Behälter einen mit einem steuerbaren Ventil ver­ schließbaren Auslaß für die Luft aufweist und
die Behälter eine zweite, mit mindestens einem steuerbaren Ventil verschließ­ bare Verbindungsleitung (26) aufweisen, über die bei geöffnetem Ventil der Verbindungsleitung die Luft von einem Behälter in den anderen strömen kann, und
daß eine Druckerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines erhöhten Drucks der Luftfüllung in den Behältern vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeu­ gungseinrichtung an die zweite Verbindungsleitung angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verbin­ dungsleitung zwei steuerbare Ventile aufweist, zwischen denen die Drucker­ zeugungseinrichtung angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Ventile und die Druckerzeu­ gungseinrichtung steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich­ tung einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung der Rollbewegung und vor­ zugsweise der Stampfbewegung des Schiffsrumpfs aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich­ tung das Ventil des Auslasses geschlossen hält und das Ventil der zweiten Ver­ bindungsleitung während des Normalbetriebs öffnet und bei Erfassen einer vorbestimmten Rollbewegung für eine vorbestimmte Zeitdauer das Ventil der Verbindungsleitung schließt und das Ventil des Auslasses öffnet.

7. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Druckerzeugungseinrichtung derart steuert, daß im Normalbetrieb das Gas einen vorbestimmten Betriebsdruck in den Behältern aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Behälter einen mit einem Ventil verschließbaren Auslaß besitzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzliche Druckluftspeicher (36, 38) vorgesehen sind, die über Ventile (40, 42) mit den Behältern (12, 14) verbindbar sind.

10. Verfahren zur Verminderung des Rollens bei einem Schiff, das zwei an gegen­ überliegenden Seiten des Schiffsrumpfs angeordnete Behälter, die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind, und eine erste Verbindungsleitung zwischen den Behältern aufweist, über die die Arbeitsflüssigkeit von einem Behälter in den anderen strömen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Ar­ beitsflüssigkeit für eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Behälter mit einem anderen Druck beaufschlagt wird als im anderen Behälter.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssig­ keit in einem Behälter für die Dauer von ungefähr einer ¼ Tankeigenschwingung mit Druck beaufschlagt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ar­ beitsflüssigkeit mit Hilfe von in den Behältern gespeicherten Luft mit Druck beaufschlagt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssig­ keit bei der Beaufschlagung mit unterschiedlichem Druck in einem der Behälter mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Beaufschlagung mit unterschiedlichem Druck der Behälter mit steigender Arbeitsflüssigkeit mit Atmosphärendruck und der Behälter mit sin­ kender Arbeitsflüssigkeit mit einem höheren Druck beaufschlagt wird.