DE102017207771A1

DE102017207771A1 - Seegangkompensationseinrichtung

Info

Publication number: DE102017207771A1
Application number: DE102017207771.9A
Authority: DE
Inventors: Evert Mulder; Maarten Kuijpers; Johan van Hoof; Mark van Lieshout
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Van Halteren Technologies Boxtel BV
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2017-11-16
Also published as: EP3243735A1; EP3243735B1

Abstract

Offenbart ist eine Seegangkompensationseinrichtung mit einem Aktivsystem und einem Passivsystem. Bei dem Passivsystem sind Aktuatoren über eine Gelenkeinrichtung/Konsole mit einer eine Last tragenden Plattform verbunden. Über diese Gelenkeinrichtung kann der wirksame Hebel, mit dem die Aktuatoren die Plattform passiv abstützen, in Abhängigkeit vom Lastzustand verändert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Seegangkompensationseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Seegangkompensationseinrichtungen werden beispielsweise in der Marinetechnik eingesetzt, um eine Last mittels eines Krans von einem Schiff auf einem ortsfesten, beispielsweise am Ufer oder am Meeresboden abgestützten Objekt, wie eine Bohrplattform abzusetzen. In umgekehrter Weise kann ein Kran auch auf der Bohrplattform oder dergleichen angeordnet sein, so dass die Last auf dem Schiff oder einem entsprechenden, vom Seegang beaufschlagten Objekt abzusetzen ist. Eine ähnliche Aufgabenstellung liegt vor, wenn beispielsweise ein Bohrstrang von einer schwimmenden Plattform aus abgesenkt wird und diese durch den Seegang angehoben oder abgesenkt wird.
Die dabei durch den Seegang verursachten Bewegungen einer Last können über die Seegangkompensationseinrichtung (Heave Compensation Unit) ausgeglichen werden, so dass die Relativposition der Last zu einem Zielniveau (Ablageposition an Land oder auf dem Schiff) trotz Wellengang im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Eine derartige Seegangkompensationseinrichtung ist beispielsweise in der EP 2 414 218 B1 offenbart. Bei dieser bekannten Lösung hat die Einrichtung eine Plattform oder dergleichen, die die zu übernehmende oder abzusetzende Last trägt oder auf der ein Kran oder dergleichen angeordnet ist. Diese Plattform ist über eine Aktivzylinderanordnung auf einem Schiffsdeck abgestützt. Die Schiffsbewegungen aufgrund des Seegangs werden über eine geeignete Sensorik erfasst und an eine Steuereinheit weiter gegeben. Diese steuert dann den Hub der Aktivzylinder so, dass die Plattform in der gewünschten Relativposition gehalten wird.
In der EP 1 993 902 B1 ist eine gattungsgemäße Seegangkompensationseinrichtung gezeigt, bei der eine die Last aufnehmende Plattform als Stewart-Plattform ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung hat sechs schräg zu einander angestellte Aktivzylinder, über die die Plattform in der gewünschten Relativposition gehalten werden kann. Zur Abstützung des Eigengewichtes der Plattform und/oder der darauf angeordneten Last können den Aktivzylindern Passivzylinder zugeordnet sein.
Eine ähnliche Lösung ist in der EP 1 869 282 B1 gezeigt. Bei dieser Lösung sind jeweils ein hydraulischer Aktivzylinder und ein pneumatisch vorgespannter Passivzylinder als Einheit ausgeführt.
Der Vorteil derartiger Systeme, bei denen eine Heave Compensation mittels einer Aktivzylinderanordnung erfolgt und die Last durch Passivzylinder abgestützt wird, liegt darin, dass die Aktivzylinder kleiner als bei einer herkömmlichen Lösung gewählt werden können, bei der diese auch die Last abstützen müssen. Für diese kleineren Aktivzylinder können dann auch Pumpen mit geringerem Fördervolumen eingesetzt werden, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand für die aktive Abstützung der Plattform verringert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der kleineren Zylinder und damit einher gehenden geringen Druckmittelvolumenströmen die Ausgleichsbewegung mit höherer Dynamik erfolgt.
Insbesondere bei Seegangkompensationseinrichtungen, bei denen auch schwere Lasten (> 600 Tonnen) aufgenommen werden sollen, besteht ein Problem darin, dass beim Abstützen von unterschiedlichen Lasten auf der Passivseite ein erheblicher Aufwand betrieben werden muss, um die jeweilige passive Abstützung an die Last anzupassen – dies ist sowohl vom Zeitaufwand als auch vom vorrichtungstechnischen Aufwand her gesehen äußerst aufwendig. Bei einigen Lösungen wird dann ein Kompromiss dahingehend eingegangen, dass die Aktivzylinder doch wiederum einen Teil der Last aufnehmen müssen – dies führt zu einer Verschlechterung der Dynamik und ggf. auch zur Notwendigkeit, größere Zylinder mit damit einhergehenden größeren Pumpen, etc. zu verwenden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Seegangkompensationseinrichtung zu schaffen, die bei einem geringen vorrichtungstechnischen Aufwand eine einfache Anpassung an unterschiedliche Belastungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Seegangkompensationseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Seegangkompensationseinrichtung hat eine Plattform, die von zumindest einem Aktivaktuator bewegbar ist. Dieser ist über eine Steuereinheit ansteuerbar ist, um vom Seegang oder dergleichen verursachte Relativbewegungen der Plattform mit Bezug zu einer Zielposition auszugleichen. Dem Aktivaktuator ist ein Passivsystem mit zumindest einem Aktuator zugeordnet, über den das Gewicht der Plattform und/oder einer auf dieser angeordneten Last getragen wird. Erfindungsgemäß ist die Seegangkompensationseinrichtung mit einer Konsole oder Hebelanordnung ausgeführt, die um eine Gelenkeinrichtung verschwenkbar ist. An der Konsole greift einerseits der schwenkbar gelagerte Passiv-Aktuator an. Andererseits greift die Konsole mittelbar oder unmittelbar an der Plattform an und ist derart ausgebildet, dass ein Hebelarm des Passiv-Aktuators mit Bezug zur Gelenkeinrichtung in Abhängigkeit von einer Last änderbar ist. Unter dem Begriff „Konsole“ wird eine Einrichtung verstanden, die es ermöglicht, den Aktuator mit einem veränderlichen Hebel in Wirkverbindung mit der Plattform zu bringen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Lösungen ist die von dem Passiv-Aktuator auf die Plattform aufgebrachte Stützkraft variabel und hängt vorzugsweise indirekt von der Anlenkungskinematik, dem Hub bzw. der Ausfahr- oder Einfahrbewegung des Aktuators und somit auch von dem Schwenkwinkel der Konsole und von der Übersetzungs-/ Hebelverhältnissen ab. Diese Konsole ist vorzugsweise so ausgelegt, dass bei unbelasteter Plattform der oben genannte Hebel relativ gering ist – mit anderen Worten gesagt, der Passivaktuator greift mit einem vergleichsweise ungünstigen Übersetzungsverhältnis an der Plattform an. Im Falle einer höheren Last wird der Hebel, mit dem der Passivaktuator an der Konsole angreift, verlängert, so dass bei gleichbleibender Krafteinleitung durch den Aktivzylinder aufgrund der günstigeren Übersetzung eine erhöhte Stützkraft auf die Plattform übertragen wird, um die höhere Last zu tragen.
Das erfindungsgemäße System passt sich so zusagen selbsttätig sehr schnell an unterschiedliche Lasten an – die eingangs erläuterten Nachteile herkömmlicher Systeme sind damit beseitigt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Passiv-Aktuator – im Folgenden nur Aktuator genannt – ein Zylinder, vorzugsweise ein Hydraulikzylinder, der beispielsweise mittels eines Gasspeichers zumindest in Stützrichtung vorgespannt ist. Dieser Gasspeicher wirkt dann als pneumatische Feder.
Als Gas wird vorzugsweise Stickstoff verwendet.
Wie eingangs erläutert, wird in Abhängigkeit von der auf die Plattform wirkenden Last der Angriffspunkt/Hebel des Passivaktuators mit Bezug zur Konsole verändert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Anlenkung des Passivaktuators an der Konsole mittels einer Stelleinrichtung verstellt wird. Dementsprechend kann dann der Angriffspunkt des Passivaktuators entlang einer Anlenkkinematik verstellbar an der Konsole geführt sein.
Die Stelleinrichtung kann beispielsweise einen Einstell- oder Aktuatorzylinder aufweisen, der zum Verstellen der Anlenkung ein- oder ausfahrbar ist.
Die eingangs genannten Aktivaktuatoren können beispielsweise ein Linearantrieb (Hydrozylinder, elektrischer Linearantrieb) sein. Prinzipiell kann der Aktivaktuator auch rotatorisch, beispielsweise mit einem Ritzel, ausgeführt sein, das mittels eines geeigneten Antriebs antreibbar ist und das mit einer entsprechenden Verzahnung der Konsole kämmt, um diese zur Kompensation des Wellengangs zu verschwenken.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der Aktuator, die Gelenkeinrichtung und eine die Plattform tragende Stützeinrichtung im Abstand zueinander an der Konsole angreifen, wobei die Angriffsbereiche etwa ein Dreieck aufspannen und somit versetzt zu einander angeordnet sind.
Bei der Verwendung eines Gasspeichers kann die üblicher Weise vorhandene nicht lineare Abhängigkeit des Volumens des Gases vom einwirkenden Druck durch eine geeignete Mechanik ausgeglichen werden, die dafür sorgt, dass die p-V-Abhängigkeit (Gas-Kurve) im Betriebsbereich etwa linear ist.
Diese Mechanik kann beispielsweise eine Lenkeranordnung sein, die die Stützeinrichtung trägt und die an der Konsole und an der Gelenkeinrichtung abgestützt ist. Diese Lenkeranordnung kann beispielsweise einen Lenker aufweisen, der an der Konsole gelagert ist. Ein zweiter Lenker kann dann an der Gelenkeinrichtung gelagert sein und über ein Kniegelenk mit dem ersten Lenker verbunden sein. Die Stützeinrichtung ist dann im Bereich des Kniegelenkes abgestützt.
Die Stabilität der Einrichtung ist verbessert, wenn zwei derartiger Lenkeranordnungen parallel zu einander vorgesehen sind.
Wie bereits erläutert, wird die Kinematik dieser Lenkeranordnung so gewählt, dass die nicht lineare p-V-Abhängigkeit des Gases (Gas-Kurve) in etwa kompensiert ist.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel greifen an der Plattform drei Aktivaktuatoren an, denen dann jeweils ein erfindungsgemäßes Passivsystem zugeordnet ist.
Der Aufbau ist besonders kompakt, wenn die Passiv-Aktuatoren, vorzugsweise drei Passiv-Aktuatoren an einem zentralen Stützblock abgestützt sind.
Die Aktivaktuatoren können mit den Passiv-Aktuatoren derart in Wirkverbindung stehen, dass die Stellbewegung der Aktivaktuatoren durch das Passivsystem unterstützt wird. So kann beispielsweise ein Aktivzylinder an der schwenkbaren Konsole gehalten sein, so dass die Schwenkbewegung der Konsole die Stellbewegung unterstützt. Alternativ kann die Schwenkbewegung der Konsole genutzt werden, um einen als Motor ausgeführten Aktivaktuator zusätzlich in Stellrichtung anzutreiben. Bei einem elektrischen Antrieb können die DC-Bus-Elemente der elektrischen Antriebe gekoppelt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine 3D-Darstellung eines Modells eines ersten Ausführungsbeispiels einer Seegangkompensationseinrichtung,
2 eine Skizze zur Erläuterung der Grundfunktion eines Passivsystems für eine Seegangkompensationseinrichtung,
3 eine detailreichere Darstellung eines Passivsystems gemäß 2,
4 eine Prinzipdarstellung eines Passivsystems der Seegangkompensationseinrichtung aus 1,
5 eine detailreichere Darstellung eines Passivsystems gemäß 4 mit einer Variante eines Aktivaktuators,
6 ein Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Variante eines Aktivaktuators und
7 die Seegangkompensationseinrichtung gemäß 1 in einem Zustand, in dem sie mit einer hohen Last beaufschlagt ist.
In 1 ist eine dreidimensionale Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Passivsystems einer erfindungsgemäßen Seegangkompensationseinrichtung (Heave Compensation Unit) 1 – im Folgenden Unit 1 genannt – dargestellt. Wie eingangs erläutert, wird diese beispielsweise auf dem Deck eines Schiffes angeordnet und dient dazu, aufgrund von Wellengang verursachte Relativbewegungen des Schiffes mit Bezug zu einer ortsfesten Position (Zielposition) auszugleichen. Die Unit 1 hat eine Plattform 2, auf der eine Last abgesetzt oder von der eine derartige Last übernommen werden soll. Prinzipiell ist es auch möglich, auf dieser Plattform 2 einen Kran oder dergleichen anzuordnen, über den Lasten von einem ortsfesten System, beispielsweise einer Bohrplattform übernommen und dann auf dem Schiff abgesetzt werden sollen.
Das Schiffsdeck ist in der Darstellung gemäß 1 mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Die Abstützung und Verstellung der Plattform 2 auf dem Schiffsdeck 4 erfolgt zum einen über ein Aktivsystem mit angedeuteten Aktivaktuatoren 51a, 51b, 51c. Die Ansteuerung der Aktivaktuatoren 51 erfolgt über eine angedeutete Steuereinheit 12, die über die dargestellten Signalleitungen Stellsignale an die Aktivaktuatoren 51 abgibt, um die Plattform 2 in der vorbestimmten Relativposition zu halten und dabei den Seegang zu kompensieren. Dieser wird über eine geeignete Sensorik 14 erfasst und von der Steuereinheit 12 verarbeitet.
Wie im Folgenden erläutert, ist zur Abstützung des Gewichts der Plattform 2 und der darauf angeordneten Last des Weiteren ein Passivsystem 16 vorgesehen. Die Aktivaktuatoren 51 dienen dann im Wesentlichen nur noch dazu, die Plattform 2 zur Kompensation des Seegangs zu bewegen – das Eigengewicht der Plattform und der darauf angeordneten Last wird über das Passivsystem 16 gestützt. Die Aktivaktuatoren 51 können beispielsweise Hydrozylinder, Hydromotoren oder elektrische Antriebe aufweisen. Dabei ist jedem dieser Aktivaktuatoren 51 eine Passivaktuator-Anordnung 18, 20, 22 des Passivsystems 16 zugeordnet. Weitere Einzelheiten der 1 werden weiter unten erläutert.
2 zeigt ein Wirkprinzip einer Passivaktuator-Anordnung 18, 20, 22 für ein Passivsystem 16 zur passiven Abstützung des Eigengewichts einer Plattform 2 oder darauf angeordneter Lasten.
Gemäß dem in 2 dargestellten Wirkprinzip hat die Passivaktuator-Anordnung 18 hat einen Hydrozylinder 24, der – beispielsweise über einen Gasspeicher 26 – in Ausfahrrichtung vorgespannt ist. Der Hydrozylinder 24 kann beispielsweise als Differentialzylinder ausgebildet sein, wobei ein Ringraum an einen Hydrospeicher oder dergleichen angeschlossen sein kann, so dass bei einer Stellbewegung des Hydrozylinders 24 das Druckmittel aus dem sich verkleinernden Druckraum in Richtung zum angeschlossenen Hydrospeicher verdrängt und Druckmittel aus einem anderen, beispielsweise vom Gasspeicher 26 beaufschlagten, Hydrospeicher in den sich vergrößernden Druckraum nachströmt.
Prinzipiell kann auch auf den Gasspeicher 26 verzichtet werden, so dass der in Ausfahrrichtung wirksame Druckraum auf andere Weise vorgespannt werden muss. Der Hydrozylinder 24 ist gemäß der Darstellung in 2 schwenkbar an einem deckseitigen Zylindergelenk A gelagert. Eine Kolbenstange 28 des Hydrozylinders 24 oder ein sonstiges Stellelement des Aktuators greift an einer Konsole 30 an, die um eine weitere am Schiffsdeck 4 abgestützte Gelenkeinrichtung C verschwenkbar gelagert ist. Die Kolbenstange 28 ist in der Darstellung gemäß 2 mit der Konsole 30 über eine Anlenkung J verbunden. Diese Anlenkung J ist mittels einer in 2 gestrichelt angedeuteten Stelleinrichtung 6 verstellbar, so dass entsprechend die Anlenkung J entlang der in 2 dargestellten Bewegungsbahn JK verstellbar ist. Der konkrete Aufbau dieser Stelleinrichtung 6 (8, 10) wird im Folgenden noch näher beschrieben.
In der Prinzipdarstellung gemäß 2 ist die Konsole 30 im Prinzip durch die Gelenkeinrichtungen C, G und den mit dem Bezugszeichen H gekennzeichneten Endabschnitt der Bewegungsbahn der Anlenkung J begrenzt.
Die Konsole 30 hat gemäß 1 beispielsweise einen durch zwei Deckflächen gebildeten Innenraum, in den beispielsweise der Endabschnitt der Kolbenstange 28 eintaucht. Die Anlenkung J ist an einer Verschiebe-/Anlenkführung der Konsole 30 ausgebildet, die – wie oben erwähnt – eine Verstellung der Anlenkung entlang der vorgenannten Bewegungsbahn HK (siehe 2) ermöglicht. In der Darstellung gemäß 2 befindet sich die Anlenkung am unteren Ende H der Bewegungsbahn 34.
An einem von der Gelenkeinrichtung C und dem Gelenk I entfernten und versetzt dazu angeordneten Endabschnitt der Konsole 30 greift eine Stützeinrichtung 32 an, die beispielsweise als starre Stützstrebe ausgebildet ist. Diese Stützeinrichtung 32 ist ihrerseits über ein Gelenk G an der Konsole 30 angelenkt. Die Stützeinrichtung 32 greift über ein Gelenk E an der Plattform 2 an und stützt diese somit gegenüber dem Schiffsdeck 4 ab. Zur Querstabilisierung der Plattform 2 während der Ausgleichsbewegung und auch im stationären Zustand ist – wie aus der EP 2 414 218 B1 bekannt – eine Querstrebe 35 angeordnet, die einerseits an einem Gelenk E` der Plattform 2 angreift und andererseits gelenkig über ein Stützgelenk D an dem Schiffsdeck 4 gelagert ist. Dementsprechend sind die Gelenke D, A und C schiffsdeckseitig angeordnet. Die Gelenke E, E` können auch zusammen fallen (siehe 2).
Wie oben erwähnt, sind die Gelenkeinrichtung C, der Endpunkt H der Bewegungsbahn der Anlenkung J und das mit G bezeichnete Gelenk in etwa dreieckförmig zu einander angeordnet – die Konsole 30 hat dann eine entsprechende Geometrie, wobei die Außenkonturen selbstverständlich verrundet oder in sonstiger Weise ausgebildet sein können.
Je nach Hub des Kolbens und Position der Anlenkung J auf der Bewegungsbahn HK (in 2 mit dem Bezugszeichen 34 versehen) schwenkt die Konsole 30 um die Gelenkeinrichtung C herum, wobei auch der Hydrozylinder um das Zylindergelenk A schwenkt.
In 2 dargestellt ist die Stellung der Konsole 30 bei nahezu vollständig eingefahrenem Hydrozylinder 24 – diese Position wird bei maximaler Last und niedrigster Position der Plattform 2 eingenommen. Wie eingangs erläutert, kann diese Last im 3- bis 4-stelligen Tonnenbereich liegen. Bei einer derartigen Maximallast ist die Anlenkung J an dem in 2 unten liegenden Endpunkt H der Bewegungsbahn 34 angeordnet. Dementsprechend ist der Hebel L, mit dem der Hydrozylinder 24 an der um die Gelenkeinrichtung C drehbaren Konsole 30 angreift, maximal. Die Stellkraft des Hydrozylinders 24 wird somit entsprechend dieses großen Hebels L auf die Konsole 30 und damit auch auf die Stützeinrichtung 32 übertragen, so dass die Plattform 2 mit vergleichsweise großer Kraft abgestützt ist.
Wird nun die Plattform 2 gegenüber dem in 2 dargestellten Zustand entlastet, so muss das Passivsystem 16 nur noch das Eigengewicht der Plattform 2 tragen (siehe 1) – bei herkömmlichen Lösungen musste dann die Vorspannung des Hydrozylinders 24, beispielsweise der Gasdruck im Gasspeicher 26, angepasst werden, um eine Überkompensation zu vermeiden. Dieser Gasdruck muss dann wiederum aufwendig bei Beaufschlagung mit einer Last erhöht werden – wie eingangs erläutert, ist diese Anpassung zeit- und kostenintensiv.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies nicht erforderlich, da mittels der im Folgenden noch näher erläuterten Stelleinrichtung 6, 8, 10 die Anlenkung J des Hydrozylinders 24 entlang der Bewegungsbahn 34 in Richtung zum Endpunkt K verstellt werden kann. In diesem Bereich ist ein deutlich geringerer Hebel l wirksam. Der Hydrozylinder 24 nimmt dann in der Endposition (keine oder geringe Last auf der Plattform 2) in etwa die in 2 gestrichelt eingezeichnete Lage ein. Die aus der Vorspannung resultierende Kraft des Hydrozylinders 24 wird mit einem sehr kleinen Hebel l auf die Konsole 30 und damit auf die Stützeinrichtung 32 übertragen. Dies führt dazu, dass die Stützkraft wesentlich geringer als bei eingefahrenem Hydrozylinder (Position H) ist. Die resultierende Stützkraft wird somit ohne Änderung der Vorspannung des Hydrozylinders 24 selbsttätig an die tatsächlichen Lastverhältnisse angepasst. Dementsprechend wird die Anlenkung J erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Last und gegebenenfalls auch vom zu erwartenden Wellengang entlang der Bewegungsbahn 34 verstellt, um die Aktivaktuatoren 51 zu entlasten.
Die Geometrie der Konsole 30 und die der Verschwenkung des Hydrozylinders 24 sind so ausgelegt, dass sich die erforderlichen Hebelverhältnisse einstellen, um das Eigengewicht der Plattform 2 im Minimalfall und die maximal vorgesehen Last (beispielsweise > 1000 Tonnen) passiv abstützen zu können, ohne dass die Aktivaktuatoren 51 einen nennenswerten Beitrag leisten.
3 zeigt nochmals in einer etwas realistischeren Darstellung den Grundaufbau und das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Passivsystems 16, wobei lediglich zwei Passivaktuator-Anordnungen 18, 20 dargestellt sind, über die die Plattform 2 passiv abgestützt ist. Auf dieser soll mittels eines möglichst nicht vom Wellengang beeinflussten Krans, von dem lediglich der Kranhaken dargestellt ist, eine Last 36 übernommen oder abgelegt werden. In 3 rechts ist das Detail X dargestellt, das die Passivaktuator-Anordnung 18 zeigt. Dementsprechend ist die Plattform 2 über die Stützeinrichtung 32 abgestützt, die über das Gelenk E an der Plattform 2 und das Gelenk G an der Konsole 30 angreift. Letztere ist – wie erläutert – schwenkbar um die am Schiffsdeck 4 abgestützte Gelenkeinrichtung C schwenkbar. An der Konsole 30 greift des Weiteren über die Anlenkung J die Kolbenstange 28 des Hydrozylinders 24 an, der seinerseits über das Zylindergelenk A (siehe 3 links) schwenkbar am Schiffsdeck 4 gelagert ist. In der Darstellung gemäß 3 wirkt eine Last 36 mit dem Maximalgewicht auf die Plattform 2, so dass entsprechend der maximale Hebel L wirksam ist, um die Kraft des Hydrozylinders 24 auf die Plattform 2 zu übertragen. Wie vorstehend erläutert, kann dieser Hebel H durch Verstellen der Anlenkung J der Kolbenstange 28 innerhalb der Konsole 30 in Richtung zum Endpunkt der Bewegungsbahn K verstellt werden, so dass ohne Änderung der Vorspannung des passiven Hydrozylinders 24 eine minimale Last (Eigengewicht der Plattform 2) abgestützt wird. Die Querstrebe 35 mit dem Gelenk E` ist gestrichelt angedeutet.
Erfindungsgemäß wird somit die Kraft eines Passivaktuators, beispielsweise eines Hydrozylinders über ein Hebelsystem auf die Plattform 2 übertragen, wobei der wirksame Hebel bei hoher Last größer als im unbelasteten Zustand ist.
4 zeigt eine Variante, bei der die Vorspannung des Hydrozylinders 24 auch über einen Gasspeicher 26 erfolgt. Dieser ist mit Stickstoff gefüllt. Dieser Gasspeicher 26 wirkt somit als Gasfeder, so dass sich der Druck in Abhängigkeit von der Last ändert. Aufgrund der Kompressibilität von Gasen ist die Gas-Kennlinie, d.h. die Druck-Volumen-Kennlinie nicht linear, so dass Druckänderungen nicht proportional zu den Volumenänderungen sind. Derartige Abweichungen der „Gas-Kurve“ werden beim dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Lenkeranordnung 38 kompensiert, die mechanisch zwischen der Stützeinrichtung 32 und der Konsole 30 angeordnet ist. Diese Lenkeranordnung 38 hat einen ersten Lenker 40, der über das Gelenk G an der Konsole 30 angelenkt ist. Ein zweiter Lenker 42 ist einerseits über ein Lenkergelenk B am Schiffsdeck 4 schwenkbar gelagert und andererseits über ein Kniegelenk F mit dem ersten Lenker 40 verbunden. Im Bereich dieses Kniegelenkes F ist auch die Stützeinrichtung 32 schwenkbar angelenkt. Diese greift – wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel – über das Gelenk E an der Plattform 2 an. Die Abstützung in Querrichtung erfolgt wiederum über eine Querstrebe 35.
Die Kinematik der Lenkeranordnung 38, beispielsweise die Länge der Lenker 40, 42 ist so gewählt, dass die aus der Charakteristik der Gas-Kurve resultierenden Abweichungen von der Ideallinie kompensiert werden. Im Übrigen entspricht das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel demjenigen aus den 2 und 3, so dass weitere Erläuterungen unter Verweis auf die vorstehenden Ausführungen entbehrlich sind.
Die vorstehend beschriebenen Gelenke, Gelenkeinrichtungen D, E, F und/oder G sind vorzugsweise als allseits bewegliche Gelenke, beispielsweise Kugelgelenke ausgeführt.
5 zeigt eine etwas detailreichere Darstellung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels der Passivaktuator-Anordnung 18 (20, 22). Wie vorstehend ausgeführt, wird die Plattform 2 über die jeweiligen Stützeinrichtung 32 abgestützt, die über das Gelenk E an der Plattform 2 angelenkt ist. Die strebenförmige Stützeinrichtung 32 ist ihrerseits über das Kniegelenk F mit der Lenkeranordnung 38 verbunden. Dabei ist das Kniegelenk F so ausgebildet, dass es die beiden Lenker 40, 42 gelenkig verbindet und des Weiteren auch ein Schwenken der Stützeinrichtung 32 zumindest in der Zeichenebene gemäß 5 zulässt. Der erste Lenker 40 ist über das Gelenk G an der Konsole 30 angelenkt. Der zweite Lenker 42 ist am Lenkergelenk B gelagert. Die Kolbenstange 28 des Hydrozylinders 24 oder der sonstige Aktuator greift über die Anlenkung J an der Konsole 30 an. Wie erläutert, ist der Hydrozylinder 24 über den Gasspeicher 26 auf einen vorbestimmten Druck vorgespannt. Der kolbenstangenseitige Druckraum des Hydrozylinders 24 ist mit einem Hydrospeicher 44 verbunden. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 5 weitgehend demjenigen aus 4, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Auch bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann bei Lastspitzen, beispielsweise beim Ausgleich einer durch den Wellengang verursachten Absenkbewegung des Schiffes die Funktion der Aktivaktuatoren durch das Passivsystem 16 unterstützt werden. Wie erläutert, können als Aktivaktuatoren Elektromotoren, Hydromotoren oder Hydrozylinder oder dergleichen verwendet werden.
In 5 rechts ist ein Ausführungsbeispiel einer Stelleinrichtung 6 dargestellt, über die die Anlenkung J der Kolbenstange 28 an der Konsole 30 verstellbar ist. Diese Stelleinrichtung 6 hat einen Stellzylinder 45, dessen Kolbenstange 46 die Anlenkung J entlang der vorbeschriebenen Bewegungsbahn 34 verstellt. Die Betätigung des Stellzylinders 45 erfolgt über eine über Null verstellbare Hydropumpe 48, die über einen Motor 50 angetrieben ist, um den Stellzylinder 45 in Abhängigkeit vom Stellsignal der Steuereinheit 12 und der Belastung der Plattform 2 ein- oder auszufahren. Das die maximale Leistung des aktiven Systems erfordernde Ausfahren der Aktivaktuatoren beim Absenken des Schiffs (Heave) wird dabei durch das Passivsystem 16 unterstützt.
Wie in 5 dargestellt, ist der Stellzylinder 45 über ein Zylindergelenk 47 schwenkbar an der Konsole 30 angelenkt, um entsprechend die Anlenkung J des Hydrozylinders 24 (Passivzylinder) entlang der in etwa linearen Bewegungsbahn 34 (H, K) zu verstellen.
In 5 links ist ein Ausführungsbeispiel eines Aktivaktuators 51 gezeigt, über den die jeweilige Konsole 30 zum Ausgleich der Wellenbewegungen verstellbar ist. Bei der in 5 dargestellten Lösung ist der Aktivaktuator 51 jeweils durch einen Hydromotor 52 ausgebildet, der Stellelemente, beispielsweise eine Spindel oder dergleichen, antreiben, um die Plattform 2 in der gewünschten Relativposition zu halten. Der Antrieb des Hydromotors 52 erfolgt wie bei der beschriebenen Variante über eine über Null verschwenkbare Pumpe 53 und einen von der Steuereinheit 12 angesteuerten elektrischen Antrieb 55. Über den Hydromotor 52 wird zum Verschwenken der Konsole 30 ein Ritzel 54 angetrieben, das mit einer Außenverzahnung 56 der Konsole 30 kämmt, so dass bei Ansteuerung des Hydromotors 52 in Abhängigkeit von einem Steuersignal der Steuereinrichtung 12 die jeweils zugeordnete Konsole 30 verschwenkt wird, um den Wellengang zu kompensieren, wobei die Last jeweils durch das vorbeschriebene Passivsystem 16 abgestützt wird.
6 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 5, bei der der Aktivaktuator 51 mit einer Lineareinheit ausgeführt ist. Diese ist beispielsweise durch einen Aktuatorzylinder 62 gebildet, der an der Konsole 30 angreift. Die Betätigung dieses Aktuatorzylinders 62 kann wiederum über eine über Null verschwenkbare Pumpe oder – wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel – über eine Verstellpumpe 48 mit einer Förderrichtung erfolgen, die über einen Motor 50 angetrieben ist. Die Ansteuerung der Verstellpumpe 48 erfolgt wiederum entsprechend eines Steuersignals der Steuereinrichtung 12. Die Steuerung der Ein- und Ausfahrbewegung des Aktuatorzylinders 58 erfolgt über ein Wegeventil 64, das in seiner dargestellten Grundposition die Druckmittelverbindung eines kolbenbodenseitigen Druckraums 66 und eines Ringraums 68 des Aktuatorzylinders 62 absperrt und in einer Schaltposition den Druckraum 66 mit dem Druckanschluss der Verstellpumpe 48 und in der anderen Schaltposition den Ringraum 68 mit der den Druckanschluss der Verstellpumpe 48 und den jeweils anderen Raum mit dem Tank T verbindet. Selbstverständlich kann anstelle dieses hydraulischen Linearantriebs auch ein elektrischer Linearantrieb oder dergleichen verwendet werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel greift der Aktivaktuator 51 an der gleichen Seite wie der Hydrozylinder 24 an der Konsole 30 an, selbstverständlich kann der Aktivaktuator auch gegenüberliegend wie in 5 angreifen.
Mit derartigen Lösungen kann die Funktion zumindest eines Aktivaktuators durch das Passivsystem unterstützt werden, so dass die dort „eingesparte“ Energie zum Verstellen der anderen Aktivaktuatoren genutzt werden kann. Prinzipiell können natürlich auch alle Aktivaktuatoren durch das Passivsystem in der vorbeschriebenen Weise unterstützt werden.
Das in 1 dargestellte konkrete Ausführungsbeispiel ist mit einem Passivsystem 16 gemäß 4, 5 oder 6 ausgeführt, wobei dies in seiner Funktionsstellung dargestellt ist, die es bei unbelasteter Plattform 2 einnimmt.
Gemäß der Darstellung in 1 ist die Gelenkeinrichtung C über Gelenkwangen 58 am Schiffsdeck 4 abgestützt. Die einseitig verrundete Konsole 30 ist zwischen diesen beiden Gelenkwangen 58 gelagert. Die Lenkeranordnung 38 ist einerseits über das Lenkergelenk B an den Gelenkwangen 58 und andererseits über das Gelenk G an der Konsole 30 angelenkt. Die Lenker 40, 42 sind über das Kniegelenk F mit einander verbunden. Wie in 1 erkennbar, sind zwei derartiger Lenkeranordnungen 38, 38’ als 4-Lenkeranordnung parallel zu einander vorgesehen, so dass das Kniegelenk F die beiden Lenkeranordnungen 38, 38’ verbindet. In diesem Verbindungsbereich ist dann die als Stützstrebe ausgeführte Stützeinrichtung 32 abgestützt, die ihrerseits über das Gelenk E an der Plattform 2 angreift. Die Querabstützung erfolgt jeweils über eine Querstrebe 35, die einerseits über ein Strebengelenk E‘ an der Plattform 2 angelenkt ist und andererseits über das Stützgelenk D am Schiffsdeck 4 abgestützt ist. Die Hydrozylinder 24 der Passivaktuator-Anordnungen 18, 20, 22 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel über das Zylindergelenk A an einen deckseitigen Stützblock 60 abgestützt, an dem auch die anderen Hydrozylinder der anderen Passivaktuatoranordnungen abgestützt sind. Dieser Stützblock 60 befindet sich gemäß der Darstellung in 1 in etwa mittig unterhalb der im weitesten Sinn dreieckförmigen Plattform 2. Die vorbeschriebenen Aktivaktuatoren 51 sind in der Darstellung gemäß 1 lediglich angedeutet.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dementsprechend drei Passivaktuator-Anordnungen 18, 20, 22 und entsprechend auch drei Aktivaktuatoren 51a, 51b, 51c vorgesehen, um die Plattform praktisch bei jeder vorgesehenen Belastung und dem üblicherweise auftretenden Wellengang auf einem ortsfesten Niveau mit Bezug zum Meeresboden bzw. einer Ölplattform oder dergleichen zu halten. In der Darstellung gemäß 1 greifen die Hydrozylinder 24 jeweils im Bereich des Endpunktes K der Bewegungsbahn 34 an, so dass der minimale Hebel l wirksam ist – dementsprechend ist kein Gewicht auf der Plattform 2 angeordnet.
7 zeigt den Zustand, in dem die maximale Last 36 auf die Plattform 2 wirkt. Wie vorstehend ausgeführt, erfolgt die Kompensation dieser maximalen Last durch Verstellung der Anlenkung J des Hydrozylinders 24 (Passivzylinder) mittels des Aktuatorzylinders 58 entlang der Bewegungsbahn 34 in Richtung zu deren unten liegenden Endpunkt H, so dass entsprechend ein größerer oder der maximale Hebel L (siehe 2) wirksam ist, um die Last 36 abzustützen. Die Plattform 2 nimmt in 6 ihre untere Position ein – diese wird durch entsprechende Ansteuerung der Aktivaktuatoren 51a, 51b, 51c eingestellt.
Offenbart ist eine Seegangkompensationseinrichtung mit einem Aktivsystem und einem Passivsystem. Bei dem Passivsystem sind Aktuatoren über eine Gelenkeinrichtung/Konsole mit einer eine Last tragenden Plattform verbunden. Über diese Gelenkeinrichtung kann der wirksame Hebel, mit dem die Aktuatoren die Plattform passiv abstützen, in Abhängigkeit vom Lastzustand verändert werden.
Bezugszeichenliste

1: Seegangkompensationseinrichtung (Unit)
2: Plattform
4: Schiffsdeck
6: Stelleinrichtung
8: Stelleinrichtung
10: Stelleinrichtung
12: Steuereinheit
14: Sensorik
16: Passivsystem
18: Passivaktuator-Anordnung
20: Passivaktuator-Anordnung
22: Passivaktuator-Anordnung
24: Hydrozylinder
26: Gasspeicher
28: Kolbenstange
30: Konsole
32: Stützeinrichtung
34: Bewegungsbahn
35: Querstrebe
36: Last
38: Lenkeranordnung
40: erster Lenker
42: zweiter Lenker
44: Hydrospeicher
45: Stellzylinder
46: Kolbenstange
47: Zylindergelenk
48: Pumpe
50: Motor
51: Aktivaktuator
52: Hydromotor
53: Pumpe
54: Ritzel
55: Antrieb
56: Außenverzahnung
58: Gelenkwange
60: Stützblock
62: Aktuatorzylinder
64: Wegeventil
66: bodenseitiger Druckraum
68: Ringraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2414218 B1 [0004, 0045]
EP 1993902 B1 [0005]
EP 1869282 B1 [0006]

Claims

Seegangkompensationseinrichtung mit einer Plattform (2), die von zumindest einem Aktivaktuator (51) bewegbar ist, der über eine Steuereinheit (12) ansteuerbar ist, um vom Seegang oder dergleichen verursachte Relativbewegungen der Plattform (2) mit Bezug zu einer Zielposition auszugleichen, wobei dem zumindest einen Aktivaktuator (51) ein Passivsystem (16) mit zumindest einem Aktuator zugeordnet ist, über den das Gewicht der Plattform (2) und/oder einer auf dieser angeordneten Last (36) zumindest teilweise abgestützt ist, gekennzeichnet durch eine um eine Gelenkeinrichtung (C) verschwenkbare Konsole (30), an der einerseits der schwenkbar gelagerte Aktuator angreift und die andererseits mittelbar oder unmittelbar an der Plattform (2) angreift, und derart ausgebildet ist, dass ein Hebelarm (L, l) des Aktuators mit Bezug zur Gelenkeinrichtung (C) veränderbar ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach Patentanspruch 1, wobei der Aktuator ein Hydrozylinder (24) ist, der vorzugsweise mittels eines Gasspeichers (26) vorgespannt ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei eine Anlenkung (J) des Aktuators an der Konsole (30) mittels einer Stelleinrichtung (6, 8, 10) verstellbar ist.
Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 3, wobei die Stelleinrichtung (6, 8, 10) einen Aktuatorzylinder (62) hat, über den die Anlenkung (J) entlang der Konsole (30) verstellbar ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Aktuator, die Gelenkeinrichtung (C) und eine die Plattform (2) stützende Stützeinrichtung (32) im Abstand und versetzt zu einander angreifen, wobei diese Angriffsbereiche der Komponenten etwa ein Dreieck ausbilden.
Seegangkompensationseinrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei die Stützeinrichtung (32) ihrerseits über eine Lenkeranordnung (38) an der Konsole (30) und der Gelenkeinrichtung (C) abgestützt ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei die Lenkeranordnung (38) einen ersten Lenker (40) hat, der an der Konsole (30) gelagert ist und einen zweiten Lenker (42) aufweist, der im Bereich der Gelenkeinrichtung (C) oder decksseitig gelagert ist und der über ein Kniegelenk (F) mit dem ersten Lenker (40) verbunden ist, wobei die Stützeinrichtung (32) im Bereich des Kniegelenkes (F) abgestützt ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach Patentanspruch 6 oder 7, mit zwei parallelen Lenkeranordnungen (38, 38’).
Seegangkompensationseinrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, wobei ein Übersetzungsverhältnis der Lenkeranordnung (38, 38’) so gewählt ist, dass eine Druck-/Volumenabhängigkeit des Speichermediums des Gasspeichers (26) in etwa kompensiert ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei Passivaktuator-Anordnungen (18, 20, 22) des Passivsystems (16) jeweils mit einer Querstrebe (35) ausgeführt sind, die vorzugsweise in etwa quer zur Stützrichtung oder in etwa quer zur Stellrichtung des Aktivaktuators (51) an der Plattform (2) angreift.
Seegangkompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit zumindest drei Aktivaktuatoren (51), denen jeweils ein Passivsystem (16) zugeordnet ist.
Seegangkompensationseinrichtung nach Patentanspruch 11, wobei Hydrozylinder (24) der Passivsysteme (16) an einem zentralen Stützblock (60) abgestützt sind.
Seegangkompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Passivsystem (16) und der zugeordnete Aktivaktuator (51) derart in Wirkverbindung stehen, dass das Passivsystem (16) die Funktion der Aktivaktuatoren (51) direkt unterstützt.