-
Die Erfindung betrifft eine Windenvorrichtung mit einem System zur heave-compensation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Derartige Windenvorrichtungen werden z.B. auf Schiffen montiert und dienen zum Heben und Senken von Lasten außerhalb der Bordwand. Um eine möglichst konstante Höhe der Last zu erreichen, also insbesondere zur Kompensation von Auf- und Abwärtsbewegungen des Schiffes, werden Systeme zur heave-compensation vorgesehen.
-
Aus dem Stand der Technik sind passive und aktive Systeme zur heave-compensation bekannt. Bei passiven Systemen wird ein Feder-Konzept realisiert, während bei aktiven Systemen eine Höhenkontrolle mit aktiver Höhenkorrektur realisiert wird. Dazu benötigen aktive Systeme – im Gegensatz zu passiven Systemen – eine externe Energiezuführung.
-
Die Druckschrift
US 4,021,019 zeigt eine Windenvorrichtung in Form eines Kranes, dessen Ausleger über ein Paar schräg zueinander angestellte Hydraulikzylinder abgestützt ist. Diese sind einerseits als passives Kompensationssystem weitergebildet, deren quasi Federkraft im Wesentlichen von der Spannung eines an die Zylinder angeschlossenen Hydrospeichers bestimmt ist. Darüber hinausgehend kann ergänzend oder parallel ein aktives Kompensationssystem geschaltet werden, das eine bidirektionale Verstellpumpe aufweist. Beide Systeme verwenden das gleiche Paar von Hydraulikzylindern.
-
Nachteilig an der letztgenannten Windenvorrichtung ist, dass zur Anpassung des passiven Kompensationssystems an schwerere Lasten ein Kompressor oder eine Pumpe und ein entsprechend vorrichtungstechnisch aufwändiges hydraulisches System benötigt wird, die den Druck in dem Hydrospeicher erhöht. Dies ist z.B. nötig, nachdem zuvor der Druck des Hydrospeichers verringert wurde, um das passive Kompensationssystem an geringere Last anzupassen. Weiterhin wird zur Erhöhung des Drucks in dem Hydrospeicher vergleichsweise viel Energie und Zeit benötigt.
-
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Windenvorrichtung mit einem passivem Kompensationssystem zu schaffen, das an verschiedene Lasten anpassbar ist. Weiterhin soll zur Anpassung wenig Energie und Zeit benötigt werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Windenvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Die beanspruchte Windenvorrichtung hat einen Ausleger, an dem zumindest eine Umlenkrolle für ein biegeschlaffes Zugmittel angeordnet ist. Das Zugmittel dient zum Heben und Senken einer Last mittels einer Winde. Der Ausleger ist um eine etwa waagerechte Achse drehbar oder schwenkbar, so dass die Umlenkrolle hebbar und senkbar ist. Der Ausleger ist von einem Kompensationssystem zur passiven heave compensation unterstützt oder abgestützt um die Hebekraft – quasi Federkraft –, die der Ausleger über das biegeschlaffe Zugmittel auf die Last überträgt, zu vergleichmäßigen. Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen einem Anlenkpunkt des Kompensationssystems an dem Ausleger und der Achse veränderbar. Damit lässt sich das Stützmoment, die das Kompensationssystem auf den Ausleger überträgt, verändern, wodurch das Kompensationssystem an unterschiedliche Lasten angepasst oder für unterschiedliche Lasten voreingestellt wird. Reibungen und Massenträgheiten sind gegenüber den Kompensationssystemen des Standes der Technik verringert. Weiterhin wird zur Anpassung des Kompensationssystems an unterschiedliche Lasten wenig Energie benötigt, da im Wesentlichen eine Verschiebearbeit geleistet werden muss.
-
Vorzugsweise ist die Windenvorrichtung an Deck eines Schwimmkörpers, insbesondere eines Schiffes angeordnet, so dass dessen Wellenbewegung kompensiert wird. Die Umlenkrolle ist außerhalb der Bordwand positionierbar oder positioniert.
-
Vorzugsweise weist das passive Kompensationssystem als Hauptbestandteil eine Zylinder-Kolben-Kombination auf. Dabei kann eine Kolbenstange der Zylinder-Kolben-Kombination an den erfindungsgemäß veränderbaren Anlenkpunkt gekoppelt sein.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
-
Vorzugsweise hat die erfindungsgemäße Windenvorrichtung einen Antrieb, über den eine translatorische Bewegung des Anlenkpunktes entlang einer Bewegungsbahn am Ausleger erzeugbar ist. Dann ist der Zeitbedarf eines Anpassungsvorganges minimal, zum Beispiel bei einem Ausführungsbeispiel etwa 20 Sekunden.
-
Vorzugsweise ist der Antrieb direkt am Ausleger angeordnet.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebs weist dieser einen Verstell-Hydraulikzylinder auf, der einerseits an dem Ausleger und andererseits an einen Läufer gekoppelt ist, an dem auch der Anlenkpunkt gebildet ist.
-
Wenn die erfindungsgemäße Windenvorrichtung einen Hauptabschnitt oder Hauptkörper hat, der an dem Schiff befestigt ist, wird die Achse von einem oberen Dreh- oder Schwenkgelenk zwischen dem Hauptabschnitt und dem Ausleger definiert, und das passive Kompensationssystem ist über ein unteres Schwenkgelenk mit dem Hauptabschnitt gelenkig verbunden.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Bewegungsbahn des Anlenkpunktes kreisbogenförmig und hat einen Kreisbogen-Mittelpunkt etwa in dem unteren Schwenkgelenk. Damit kann das Stützmoment verändert werden, ohne die Dreh- oder Schwenkposition des Auslegers und damit die Höhe der Umlenkrolle und der Last zu verändern. Damit ist es möglich eine Anpassung des passiven Kompensationssystems an verschiedene Lasten und insbesondere eine Anpassung an erhöhte Lasten mit einem Energieeinsatz zu realisieren, der theoretisch Null ist, und der praktisch lediglich zur Überwindung von Reibungsverlusten ausreichen muss.
-
Vorrichtungstechnisch einfach ist es, wenn die Zylinder-Kolben-Kombination einerseits an den bewegbaren Anlenkpunkt und andererseits an das untere Schwenkgelenk gekoppelt ist. Dabei ist ein kompressibles Gas in dem Zylinder vorgesehen. Wenn der Zylinder mittels Stickstoff und vorzugsweise mittels eines Kolbenspeichers des passiven Kompensationssystems spannbar ist, ist das Risiko des Dieseling-Effektes vermieden. Dieser Effekt kann entstehen, wenn gemäß dem Stand der Technik Luft mit Öl z.B. aus Gründen von Undichtigkeiten unter Druck zusammenkommt.
-
Vorrichtungstechnisch einfach ist es, wenn die Menge des Gases im passiven Kompensationssystem im Wesentlichen unverändert ist.
-
Vorzugsweise ist eine Geometrie des Auslegers an eine Gaskurve angepasst. Damit wird ein linearer Verlauf der Hebekraft – quasi Federkraft – erreicht.
-
Die Bewegungsbahn des Anlenkpunktes kann auch von der oben genannten Kreisbogenform abweichen. Allgemein wird die Bewegungsbahn optimiert mit Blick auf Änderungen der Gaskurve und mit Blick auf eine Minimierung der Einstellkräfte des Antriebs.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Windenvorrichtung hat ein zusätzliches aktives Kompensationssystem. Dann kann das passive Kompensationssystem im Wesentlichen die statische Last kompensieren, während das aktive Kompensationssystem im Wesentlichen die Bewegung des Schwimmkörpers – insbesondere des Schiffs – kompensiert. Das aktive Kompensationssystem kann auch eine ergänzende Kompensation der von dem passiven Kompensationssystem nicht gänzlich kompensierten Wellenbewegungen durchführen. Das aktive Kompensationssystem kann auch die aus der Gaskurve resultierenden Abweichungen kompensieren, insbesondere wenn diese nicht über die zuvor genannte Geometrie des Auslegers und/oder der Bewegungsbahn kompensiert werden. Bei einem Absetzvorgang der Last kann diese besonders schnell kompensiert werden.
-
Das zusätzliche aktive Kompensationssystem ist vorrichtungstechnisch unabhängig und modular nachrüstbar, wenn es einen Hydraulikzylinder aufweist.
-
Der Hydraulikzylinder des aktiven Kompensationssystems und die Zylinder-Kolben-Kombination des passiven Kompensationssystems und der Verstell-Hydraulikzylinder haben jeweils als wesentliche Komponenten ein Zylindergehäuse, einen Kolben und eine oder zwei Kolbenstangen.
-
Der Hydraulikzylinder des aktiven Kompensationssystems kann zwischen dem Hauptabschnitt und dem Ausleger eingespannt sein. Dann werden auch die aktiven Kompensationsbewegungen über ein Verschwenken des Auslegers (Anheben und absenken der Umlenkrolle) erzeugt, so dass eine nicht kompensierte Winde verwendet werden kann.
-
Wenn ein größerer Teil der Kompensation vom passiven Kompensationssystem und ein kleinerer Teil vom aktiven Kompensationssystem übernommen wird, ist der Energiebedarf des aktiven Kompensationssystems minimiert. Dem entsprechend kann der Hydraulikzylinder des aktiven Kompensationssystems kleiner als die Zylinder-Kolben-Kombination des passiven Kompensationssystems sein.
-
Dann kann der Hydraulikzylinder des aktiven Kompensationssystems Bauraum sparend zwischen der von dem Schwenk- oder Drehgelenk gebildeten Achse und der Zylinder-Kolben-Kombination des passiven Kompensationssystems angeordnet sein.
-
Insbesondere wenn die passive und die aktive heave-compensation über die Verschwenkung oder Verdrehung des Auslegers erfolgt, und so die Umlenkrolle vergleichsweise ortsfest gehalten wird, verringert sich die Walkarbeit, die das biegeschlaffe Zugmittel durch Hin- und Herbewegung ertragen muss. Dann kann als biegeschlaffes Zugmittel ein Kunststoffkabel oder ein Leichtgewichts-Glasfaserkabel (z.B. Dyneema) vorgesehen werden. Alternativ kann auch ein Stahlkabel verwendet werden.
-
Zur Erhöhung der Hebekraft können auch mehrfache Umlenkrollen für das biegeschlaffe Zugmittel – ein so genannter Flaschenzug – vorgesehen werden.
-
Drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Windenvorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 in einer schematischen Seitenansicht das erste Ausführungsbeispiel mit einem Schiff,
-
2 in einer schematischen perspektivischen Ansicht das zweite Ausführungsbeispiel und
-
3 in einer schematischen perspektivischen Ansicht das dritte Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt in einem Querschnitt einen Rumpf 1 eines Schiffes, an dessen Deck eine nicht kompensierte Winde 2 drehbar befestigt ist. Am Rand des Decks ist ein Hauptabschnitt 4 am Rumpf 1 befestigt, an dessen oberen Endabschnitt über ein oberes Drehgelenk 6 ein Ausleger 8 gelenkig angekoppelt ist. Das Drehgelenk 6 bildet damit eine Achse 10, die etwa horizontal und parallel zum Deck des Rumpfes 1 des Schiffes ist.
-
Der Ausleger 8 erstreckt sich im Wesentlichen weg vom Rumpf 1 in Richtung zum offenen Wasser und hat an dem vom Rumpf 1 entfernten Endabschnitt und an einem zum Rumpf 1 gerichteten Endabschnitt jeweils eine Umlenkrolle 12, 18.
-
Im Betrieb der Windenvorrichtung wird eine Last 14 über einen (nicht gezeigten) Antrieb der Winde 2 und über ein Glasfaserkabel 16 angehoben oder abgesenkt oder möglichst ruhig gehalten. Dabei ist ein Endabschnitt des Glasfaserkabels 16 an dem vom Rumpf 1 entfernten Endabschnitt des Auslegers 8 befestigt und verläuft von dort über eine Umlenkrolle 18, an der die Last 14 befestigt ist und die beiden Umlenkrollen 12, 18 des Auslegers 8 zur Winde 2.
-
1 zeigt eine Zylinder-Kolben-Kombination 20 mit einem Differenzialzylinder und mit einer Kolbenstange, die über einen Anlenkpunkt 22 gelenkig mit dem Ausleger 8 verbunden ist, während der Differenzialzylinder über ein unteres Schwenkgelenk 24 mit einem unteren Bereich des Hauptabschnitts 4 gelenkig verbunden ist. Damit bildet die Zylinder-Kolben-Kombination 20 eine schräge Stütze für den Ausleger 8. Diese Stütze ist federnd, da ein Kolbenbodenraum des Differenzialzylinders über eine Leitung 26 mit einem Druckraum eines Hochdruck-Kolbenspeichers 28 verbunden und mit einer konstanten Menge Stickstoff gefüllt ist.
-
Damit ist die Kraft, die die Zylinder-Kolben-Kombination 20 entlang ihrer Kolbenstange auf den Anlenkpunkt 22 ausübt, von einer Gaskurve des Stickstoffs bestimmt. Die gesamte Kompensation des passiven Kompensationssystems wird darüber hinaus von einem Winkel zwischen der Zylinder-Kolben-Kombination 20 und dem Ausleger 8 und von einem Abstand des Anlenkpunktes 22 von der Achse 10 des Drehgelenks 6 bestimmt. Dieser Abstand ist erfindungsgemäß einstellbar. Genauer gesagt kann über einen translatorischen Antrieb 30 der Anlenkpunkt 22 entlang dem Ausleger 8 bewegt werden. Eine Bewegungsbahn und insbesondere deren Länge werden durch einen Doppelpfeil 32 symbolisiert.
-
Bei Betätigung des Antriebs 30 wird der Anlenkpunkt 22 entlang dem Doppelpfeil 32 bewegt, wodurch das Stützmoment des passiven Kompensationssystems und damit die Hebekraft, die der Ausleger 8 über das Glasfaserkabel 16 auf die Last 14 überträgt, variiert werden.
-
In Ergänzung ist ein aktives Kompensationssystem vorgesehen, von dem in 1 nur ein Hydraulikzylinder 34 dargestellt ist. Dieser ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel als Gleichgangzylinder ausgeführt, der ebenfalls zwischen dem Ausleger 8 und dem Hauptabschnitt 4 eingespannt ist, wobei die entsprechenden Gelenke nicht verschiebbar sind. Der Hydraulikzylinder 34 kann über eine (nicht gezeigte) hydraulische Aktorik aktiv und vergleichsweise schnell eingezogen und ausgefahren werden. Der Hydraulikzylinder 34 des aktiven Kompensationssystems ist kleiner als die Zylinder-Kolben-Kombination 20 des passiven Kompensationssystems. Im Betrieb überträgt das passive Kompensationssystem ein größeres Stützmoment an den Ausleger 8, als das aktive Kompensationssystem.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Windenvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. Dabei wurden das biegeschlaffe Zugmittel und die Winde weggelassen.
-
Der an Deck des Rumpfes 1 befestigte Hauptabschnitt 4 und der daran über das obere Drehgelenk 6 gekoppelte Ausleger 8 mit den beiden Umlenkrollen 12, 18 entsprechen denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1. Ein auslegerseitiger Endabschnitt der Kolbenstange der Zylinder-Kolben-Kombination 20 des passiven Kompensationssystems ist zwischen zwei seitlich zueinander beabstandeten Abschnitten des Auslegers 8 über einen Läufer 36 entlang einer Bewegungsbahn 38 geführt.
-
Die Bewegungsbahn 38 ist kreisbogenförmig. Der Kreisbogen der Bewegungsbahn 38 hat seinen Mittelpunkt im unteren Schwenkgelenk 24. Dadurch wird erreicht, dass der (in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigte Antrieb) wenig Kraft und Energie benötigt, um den Läufer 36 entlang der Bewegungsbahn 38 zu verstellen, womit das passive Kompensationssystem mit minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand und Energiebedarf an unterschiedliche Lasten angepasst werden kann.
-
Abweichend vom in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel wird dort bevorzugt auch ein zusätzliches aktives Kompensationssystem vorgesehen.
-
Abweichend von der Kreisbogenform kann die Bewegungsbahn auch andere Formen aufweisen, die für die Anwendung optimiert sind.
-
3 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht die erfindungsgemäße Windenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Bewegungsbahn 138, die bogenförmig und dabei nicht kreisbogenförmig ist. Der Ausleger 8 mit den beiden Umlenkrollen 12 und 18, der Hauptabschnitt 4, die Zylinder-Kolben-Kombination 20 des passiven Kompensationssystems, der Hydraulikzylinder 34 des aktiven Kompensationssystems und das Drehgelenk 6 mit der Achse 10 entsprechen denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels aus 1.
-
Entlang der Bewegungsbahn 138 des Auslegers 8 ist ein Läufer 136 gemäß dem Doppelpfeil 132 verfahrbar. Der Läufer 136 hat an seiner Oberseite mehrere Rollen, auf denen der Ausleger 8, genauer gesagt seine Bewegungsbahn 138 aufliegt.
-
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Antrieb als Verstell-Hydraulikzylinder 130 ausgestaltet, dessen Zylindergehäuse gelenkig mit dem Ausleger 8 benachbart zur Achse 10 verbunden ist, und dessen Kolbenstange gelenkig mit dem Läufer 136 verbunden ist. Der Verstell-Hydraulikzylinder 130 ist etwa parallel zum Ausleger 8 angeordnet.
-
Über den Anlenkpunkt 22 sind die Kolbenstange des Verstell-Hydraulikzylinders 130 und der Zylinder-Kolben-Kombination 20 des passiven Kompensationssystems mit dem Läufer 136 verbunden.
-
Mit den erfindungsgemäßen Windenvorrichtungen können Lasten 14 mit einem Gewicht von z.B. 150 t in einer Wassertiefe von z.B. 2500 m gehalten werden. Dabei wiegt das Glasfaserkabel z.B. weitere 60 t.
-
Offenbart ist eine Windenvorrichtung mit einem heave-compensating-System, das passiv ist und eine fixe Menge kompressibles Gas hat. Ein Verstellung oder Einstellung des Systems erfolgt über eine Änderung eines Stützmomentes an einem schwenkbaren Auslegerarm. Dazu kann eine Stelle, an der die Stützkraft in den Ausleger eingeleitet wird, entlang dem Ausleger verschoben werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rumpf
- 2
- Winde
- 4
- Hauptabschnitt
- 6
- Drehgelenk
- 8
- Ausleger
- 10
- Achse
- 12
- Umlenkrolle
- 14
- Last
- 16
- Glasfaserkabel
- 18
- Umlenkrolle
- 20
- Zylinder-Kolben-Kombination
- 22
- Anlenkpunkt
- 24
- unteres Schwenkgelenk
- 26
- Leitung
- 28
- Kolbenspeicher
- 30
- Antrieb
- 32; 132
- Doppelpfeil
- 34
- Hydraulikzylinder
- 36; 136
- Läufer
- 38; 138
- Bewegungsbahn
- 130
- Verstell-Hydraulikzylinder
-
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
-
