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Die Erfindung betrifft eine Wellendämpfungsvorrichtung zum Dämpfen einer Welle im Wasser, wobei die Wellendämpfungsvorrichtung mindestens ein Rohr mit einer Rohrlänge, einem Hohlraum, einem Innendurchmesser, einer Wandstärke und zwei gegenüberliegenden offenen Enden aufweist.
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Allgemein weisen Wellenbrecher eine Schutzfunktion auf, indem sie Energien der Wasserwellen umwandeln und dadurch eine Zerstörung von Ufern und Booten verhindert. Beispielsweise sind festgegründete Wellenbrecher als Molen vor Hafenbereichen oder Buhnen an Meerufern bekannt. Zudem ist es auch bekannt, Wellenbrecherblocksteine, wie Tetrapoden, direkt auf gefährdeten Uferstellen anzuordnen. Schwimmende Wellenbrecher werden beispielsweise als Pontons ausgerichtet zum Meer bei Yachthäfen eingesetzt. Üblicherweise beruht die Wirkung von bekannten Wellenbrechern nach dem Stand der Technik auf der Reflexion und/oder Dissipation der Wellenenergie.
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Aus Ippen, A. T. und Bourodimos, E. L. (Breakwater Characteristics of Open-Tube Systems, Report No. 73, Hydrodynamics Laboratory, Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1964) ist bekannt, einen Rohrsatz von mehreren endoffenen horizontalen Rohren in Wellenrichtung auszurichten, welche horizontal zueinander beabstandet und in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind. In diesen Versuchsreihen nahm der Rohrsatz 30 - 40 % des Wellenquerschnittes ein. Die Hauptwirkung dieses Rohrsatzes als Wellenbrecher beruht auf der Dissipation, wobei die Energieverluste durch Reibungsverluste in den endoffenen Rohren, Turbulenzen an den offenen Rohrenden und die äußere Filterwandwirkung des Rohrsatzes entstehen. Beim Durchlaufen einer Welle durch den Hohlraum des jeweiligen Rohres ist die Wassersäule über den beiden Rohrenden unterschiedlich hoch. Die dadurch im Rohr entstehenden Druckdifferenzen an beiden Rohrenden erzeugen eine Wasserbewegung im Rohr, welche im Verhältnis zur Wellenphase versetzt ist. Hierbei kann die Bewegung im Rohr wechselseitig in beide Richtungen verlaufen. Bei Einsatz von verschieden langen Rohren findet eine Verteilung und/oder Aufspaltung und Desynchronisation der periodischen Wellenenergie statt. Dabei tritt die maximale Wirkung bei einer Rohrlänge von mindestens der Hälfte bis zum Ganzen der Wellenlänge der Welle auf. Aufgrund der notwendigen, sehr langen Rohrlängen der Metallrohre wurde der Rohrsatz als unwirtschaftlich für einen Einsatz im realen Maßstab bewertet.
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Es besteht allgemein ein Bedarf an effizient und flexibel einsetzbaren Wellendämpfungsvorrichtungen, welche beispielsweise zum Schutz von Unter- und/oder Überwasserstrukturen, wie einer Schwimmplattform mit darauf installierten Photovoltaikmodulen, einsetzbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Wellendämpfungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.
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Dadurch, dass das mindestens eine Rohr zusätzlich zu den beiden gegenüberliegenden offenen Rohrenden mindestens eine beabstandete Öffnung durch seine Rohrwandung aufweist, findet sowohl an dieser zumindest einen zusätzlichen Öffnung als auch an den offenen Rohrenden mit jeweils unterschiedlich hohen Wassersäulen eine die ursprüngliche Wellendynamik ausgleichende Bewegung und somit ein Dämpfen der Welle statt. Durch die zusätzliche beabstandete Öffnung oder mehrere beabstandete Öffnungen ist eine effiziente Wellendämpfung mit einer geringeren Rohrlänge als bei einem konventionellen Rohr mit nur zwei sich gegenüberliegenden offenen Rohrenden realisierbar. Durch mehrere Rohre mit jeweils mindestens einer zusätzlichen, beabstandeten Öffnung oder mehreren beabstandeten Öffnungen durch die jeweilige Wandstärke wirken die Rohre wie eine Anordnung sehr langer und beliebig zueinander versetzter konventioneller Rohre, wobei jedoch aufgrund der zusätzlichen Öffnungen eine jeweils kürzere Rohrlänge und somit eine kompakte Baugröße der Wellendämpfungsvorrichtung realisierbar ist. Zudem liegt durch den Hohlraum des jeweiligen Rohres ein vor der Einwirkung der gespeicherten Energie der Welle abgekoppelter und geschützter Bereich vor, in dem die Erdgravitation wirkt und somit eine zusätzliche Dämpfung der Wellenhöhe bewirkt.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass durch mindestens eine zusätzliche Öffnung oder mehrere über die Länge und/oder den Außendurchmesser des jeweiligen Rohres verteilte, beabstandete Öffnungen aufgrund eines Durchströmens der Welle durch den Hohlraum und die offenen gegenüberliegenden Enden und eines zusätzlichen Ausströmens und/oder Einströmens je nach lokalem Druckverhältnis durch die mindestens eine Öffnung und/oder die mehreren beabstandeten Öffnungen eine Verlagerung der Massen der Wellen sowohl vertikal vom Wellenberg zum Wellental und somit eine Verringerung der Amplitude der Welle, als auch eine erhebliche horizontale Massenverlagerung der Welle entlang der Längsmittelachse in dem jeweiligen Rohr stattfindet. Dagegen weist eine freilaufende Welle üblicherweise eine geringe horizontale Massenverlagerung auf. Durch die beabstandeten Öffnungen durchgehend durch die Wandstärke eines Rohrs findet eine pulsierende Strömung und/oder ein Richtungswechsel zur Wellenrichtung statt, wodurch die Dämpfung weiter verbessert wird. Somit wird mittels der Wellendämpfungsvorrichtung gerade nicht ein schlagartiges Brechen der Welle, sondern ein weggebundenes Dämpfen beim Strömen der Welle durch den Hohlraum entlang der Rohrlänge und/oder im Wesentlichen quer zur Rohrlänge durch die beabstandeten Öffnungen erzielt.
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Die Rohre weisen insbesondere Kunststoff auf. Die mindestens eine beabstandete Öffnung und/oder die beabstandeten Öffnungen weisen insbesondere einen Durchmesser kleiner gleich dem Innendurchmesser des jeweiligen Rohres auf. Die Rohre weisen insbesondere einen Innendurchmesser in einem Bereich von 0,5 m bis 5 m, insbesondere 1 m bis 4 m, bevorzugt von 2 m bis 3 m. Die Rohre können horizontal nebeneinander beabstandet angeordnet sein und/oder in ein bis drei oder mehreren Lagen übereinander angeordnet sein. Eine solche Anordnung kann beispielsweise 40 % des Wellenquerschnittes im oberflächennahen Bereich des Wasserkörpers abdecken. Im Falle einer einlagigen Anordnung von mehreren Rohren nur horizontal beabstandet nebeneinander können die Rohre eine entsprechend längere Rohrlänge als bei einer mehrlagigen Ausführungsform aufweisen. Allgemein kann die Länge jedes Rohres gleich oder größer der Hälfte der Wellenlänge der Welle von Wellenberg zu Wellenberg betragen, sodass bei einer Länge der Wasserwelle von 200 m die Rohrlänge mindestens 100 m beträgt. Bevorzugt beträgt die Länge jedes Rohres der Wellendämpfungsvorrichtung jedoch weniger als die Hälfte der Wellenlänge der Welle.
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Mehrere beabstandete Öffnungen können aufgereiht entlang und/oder parallel zu der Längsmittelachse des jeweiligen Rohres und/oder radial umlaufend angeordnet sein. Ebenso können mehrere Öffnungen chaotisch über die Außenoberfläche des jeweiligen Rohres verteilt und durchgehend durch seine Wandstärke ausgebildet sein.
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Um einen optimalen Abkopplungseffekt und ein Durchströmen des jeweiligen Rohres in seiner Längsrichtung zu ermöglichen, ist insbesondere ein relativ langer Bereich des Rohres frei von Öffnungen ausgebildet. Ein öffnungsfreier Mindestabstand beträgt insbesondere mindestens das Zweieinhalbfache, insbesondere mindestens das Fünffache, bevorzugt mindestens das Zehnfache des Durchmessers der jeweiligen Öffnung oder der Öffnungen.
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Prinzipiell kann der Durchmesser jeder Öffnung über die jeweilige Länge der Öffnung konstant, sich erweiternd und/oder verengend ausgebildet sein. Durch eine Verengung der Öffnung vom innenliegenden Hohlraum zu der Außenoberfläche des Rohres wird ein Düseneffekt bei Vorliegen eines Wellenberges durch Ausströmen des Wassers durch diese Öffnung in die Umgebung um das Rohr bewirkt, während bei einer Erweiterung nach außen ein Diffusor mit einem verzögerten Ausströmen vorliegt. Beim Einströmen in den Hohlraum des Rohres bei einem Wellental sind die Verhältnisse entsprechend umgekehrt.
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Die Abstände der beabstandeten Öffnungen sind allgemein insbesondere abhängig von der Wellenhöhe und dem Rohrdurchmesser. Bei einem größeren Rohrdurchmesser können entsprechend größere Abstände der beabstandeten Öffnungen eingesetzt werden.
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Benachbarte Rohre weisen insbesondere mindestens einen Abstand von der Hälfte des Innendurchmessers des jeweiligen Rohres auf. Bei einem Rohrdurchmesser von 3 m beträgt der Abstand zum Nachbarrohr somit insbesondere mindestens 1,5 m. Durch die beabstandete Anordnung der Rohre zueinander entsteht eine Dämpfung der Welle durch einen zusätzlichen Gitter- und /oder Filtereffekt um die Rohre unabhängig von der Dämpfung durch das Durchströmen des Hohlraumes, der beabstandeten Öffnungen und den gegenüberliegenden offenen Enden des jeweiligen Rohres.
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Durch Ausbildung einer vertikalen Halteeinrichtung der Rohre in Form einer Filterwand oder zwei oder mehreren Wänden, beispielsweise als Kunststoffgitter, kommt es zusätzlich zu dissipierenden Turbulenzen und somit einer äußeren Wellendämpfung in dem nicht durch die Rohre fließenden Wasser der Welle. Durch die zumindest teilweise wasserdurchlässige Halteeinrichtung wird eine nicht erwünschte harte Reflexion der Welle unter Wasser vermieden. Jedoch kann die Halteeinrichtung auch beispielsweise 1 - 2 m aus dem Wasser herausragen und oberhalb der Wasseroberfläche eine Reflexion der Restwelle bewirken.
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Das jeweilige Rohr kann starr und somit längenunveränderbar ausgebildet sein. Die Wellendämpfungsvorrichtung kann jedoch auch eine Längenverstelleinrichtung aufweisen, sodass die jeweilige Rohrlänge der jeweils lokal vorliegenden Wellenlänge der auftreffenden Welle flexibel anpassbar ist. Dazu kann das jeweilige Rohr beispielsweise als Teleskoprohr ausgebildet sein.
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Ebenso kann die Wellendämpfungsvorrichtung eine Schrägverstelleinrichtung zum Einstellen eines Auftreffwinkels zwischen einer Längsmittelachse des jeweiligen Rohrs und einer Wellenrichtung in der horizontalen Ebene aufweisen. Durch eine Schrägstellung des jeweiligen Rohrs und somit des offenen Endes des Rohr, auf welches die Welle in horizontaler Richtung auftrifft, verändert sich die relative Distanz zu den beabstandeten Öffnungen und somit die Dämpfungswirkung. Vorteilhaft sind die Rohre maximal mit einem Auftreffwinkel von 45° zur Wellenrichtung in Draufsicht angeordnet. Somit kann beispielsweise eine verankerte Wellendämpfungsvorrichtung bei sich drehender Wellenrichtung optimal zur Auftreffrichtung der Welle ausgerichtet werden.
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Die Wellendämpfungsvorrichtung kann durch Materialwahl ohne weitere Auftriebsvorrichtung im Wasser schwimmend ausgebildet sein. Dazu weist die Wellendämpfungsvorrichtung als Material insbesondere Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, auf. Bevorzugt weist die Dämpfungsvorrichtung eine Dichte von 0,96 bis 0,98 kg/L auf und ist dadurch schwimmfähig ausgebildet, wobei die Wellendämpfungsvorrichtung geringfügig aus dem Wasser herausragen kann. Somit weist die Dämpfungsvorrichtung zeitgleich nur geringe Ankerkräfte auf. Die Dämpfungsvorrichtung kann mittels einer Ankervorrichtung beispielsweise am Meeresboden befestigt sein. Ebenso kann die Dämpfungsvorrichtung als autonom betriebenes und/oder sich bewegendes System ausgebildet sein. Dazu weist die Wellendämpfungsvorrichtung insbesondere einen eigenen Antrieb, wie beispielsweise einen E-Motor, einen Propeller, Düsen, Ruder und/oder ein Strahlruder, auf, um sich gegen die Wind- und/oder Wellenbewegung fortbewegen zu können.
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Somit wird eine Dämpfungsvorrichtung bereitgestellt, welche beweglich und/oder flexibel im Wasser zum Schutz von in und/oder auf dem Wasser angeordneten Unter- und/oder Überwasserstrukturen, wie beispielsweise einer Schwimmplattform mit Photovoltaikmodulen, einsetzbar ist.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine stark schematische Schnittdarstellung einer Wellendämpfungsvorrichtung im Längsschnitt, und
- 2 eine stark schematische Darstellung eines Ausschnittes einer Gitterstruktur eines Halters der Wellendämpfungsvorrichtung im Querschnitt.
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Eine Wellendämpfungsvorrichtung 101 weist jeweils mehrere voneinander horizontal beabstandete Rohre 103 in einer ersten Lage 121, einer zweiten Lage 123 und einer dritten Lage 125 auf. Die Rohre 103 sind jeweils mittels zweier Gitterstrukturen 133 eines Halters 131 an einem Fahrgestell 135 der Wellendämpfungsvorrichtung 101 befestigt (siehe 1). Das Fahrgestell 135 weist beidseitig vorne und hinten jeweils eine Düse 137 zum Antrieb und Fortbewegen im Wasser auf. Jedes Rohr 103 weist eine Längsmittelachse 117, eine Wand 111, einen Hohlraum 105, ein erstes offenes Rohrende 107 und ein gegenüberliegendes zweites offenes Rohrende 109 auf. Zudem weist jedes Rohr 103 radial umlaufend mit einem Abstand von jeweils 90° jeweils vier Öffnungen 113 durch die Wand 111 auf, wobei die vier radial umlaufenden Öffnungen 113 mittels eines öffnungsfreien Abstandes 115 jeweils zu den nachfolgenden Öffnungen 113 entlang der Längsmittelachse 117 des jeweiligen Rohres 103 beabstandet sind. Die jeweilige Öffnung 113 geht durch die Wand 111 des jeweiligen Rohres 103 komplett durch, sodass die jeweilige Öffnung 113 von außen mit dem Hohlraum 105 des jeweiligen Rohres 103 im Inneren verbunden ist. Die Rohre 103 weisen jeweils die gleiche Länge von 70 m auf und sind zum Dämpfen einer Welle 145 mit einer Wellenlänge von 200 m ausgebildet.
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Die Rohre 103 sind aufgrund des Halters 131 mit den vorder- und rückseitigen Gitterstrukturen 133 horizontal im Wasser angeordnet. Die Welle 145 trifft mit einer Wellenrichtung 147 schräg auf die Wellendämpfungsvorrichtung 101 und somit auf die ersten offenen Rohrenden 107 der Rohre 103 mit einem Auftreffwinkel von 10° zwischen der jeweiligen Längsmittelachse 117 des Rohres 103 und der Wellenrichtung 147 auf. In einem ersten Abschnitt nach den ersten offenen Rohrenden 107 der Rohre 103 ausgerichtet zur Wellenrichtung 147 beträgt der öffnungsfreie Abstand 115 5 m, während dieser im hinteren Bereich circa 8 m ist (die Darstellungen der 1 und 2 sind nicht maßstabsgerecht).
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Die Rohre 103 der ersten Lage 121, der zweiten Lage 123 und der nicht im Ausschnitt der 2 gezeigten dritten Lage 125 sind jeweils in den Lagen 121, 123, 125 horizontal und vertikal zueinander versetzt angeordnet.
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Folgende Arbeitsvorgänge werden mit der Wellendämpfungsvorrichtung 101 realisiert:
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Die als autonom fahrendes System ausgebildete Wellendämpfungsvorrichtung 101 fährt mittels der Düsen 137 im Wasser vor eine Schwimmplattform mit installierten Photovoltaikmodulen, wobei die Wellendämpfungsvorrichtung 101 wie oben beschreiben zu der sich in Wellenrichtung 147 annähernden Welle 145 ausgerichtet ist. Das Wasser der Welle 145 strömt durch die ersten offenen Rohrenden 107 in das jeweilige schräggestellte Rohr 103 ein und tritt partiell bei Vorliegen eines Wellenberges an der jeweiligen Öffnung 113 durch die beabstandeten Öffnungen 113 sowie durch das zweite offene Rohrende 109 aus dem Hohlraum 105 wieder aus. Bei lokalem Vorliegen eines Wellentales an einer Öffnung 113, strömt Wasser aus der Umgebung des jeweiligen Rohres 103 in den Hohlraum 105 ein, sodass es zu einer Pulsation und/oder einem lokalen Strömungsrichtungswechsel in dem Hohlraum 105 kommt. Aufgrund der beabstandeten Öffnungen 113 jedes Rohres 103 mit unterschiedlich hohen Wassersäulen und somit Druckdifferenzen findet eine ausgleichende Bewegung der ursprünglichen Wellendynamik zwischen dem ersten offenen Rohrende 107 und dem zweiten offenen Rohrende 109 statt, wodurch die Welle 145 mittels der Wellendämpfungsvorrichtung 101 gedämpft und somit die dahinter angeordnete Schwimmplattform mit den installierten Photovoltaikmodulen geschützt wird. Zusätzlich wirken die Gitterstrukturen 133 der Wellendämpfungsvorrichtung 101 als wasserdurchlässige Filterwände, wodurch dissipierende Turbulenzen in dem nicht durch die Rohre 103 fließenden Anteil des Wassers der Welle 145 auftreten. Somit wird die Welle 145 sowohl innerhalb der Rohre 103 aufgrund des Durchströmens des jeweiligen ersten offenen Rohrendes 107, des Hohlraumes 105, der Öffnungen 113 und des zweiten offenen Endes 109 als auch durch die äußere Durchströmung der stirnseitigen, wasserdurchlässigen Gitterstrukturen 133 effizient gedämpft. Somit wird eine flexibel einsetzbare und positionierbare Wellendämpfungsvorrichtung 101 bereitgestellt, mit welcher wirtschaftlich und effizient Über- und Unterwasserstrukturen aufgrund der Wellendämpfung geschützt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Wellendämpfungsvorrichtung
- 103
- Rohr
- 105
- Hohlraum
- 107
- erstes offenes Rohrende
- 109
- zweites offenes Rohrende
- 111
- Wand
- 113
- Öffnung
- 115
- öffnungsfreier Abstand
- 117
- Längsmittelachse
- 121
- erste Lage
- 123
- zweite Lage
- 125
- dritte Lage
- 131
- Halter
- 133
- Gitterstruktur
- 135
- Fahrgestell
- 137
- Düsen
- 145
- Welle
- 147
- Wellenrichtung
