-
Passive Tankstabilisierungsanlage Die Erfindung betrifft eine passive
Tankstabilisierungsanlage für Schiffe mit je einem an jeder Seite des Schiffes angeordneten
und teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Tank, die beide durch eine Leitung miteinander
verbunden sind.
-
Tankstabilisierungsanlagen, d. h. solche, bei denen eine sich im Schiffsinneren
bewegende Wassermasse eine Schlingerdämpfung bewirkt, sind im Gegensatz zu Schlingerdämpfungsflossen
auch in schwerem Seegang und bei kleinen Geschwindigkeiten, z. B. bei in Stellung
gegangenen, raketentragenden Schiffen, wirksam und auch bei Eisbrechern verwendbar.
-
Passive Tankstabilisierungsanlagen, d. h. solche, bei denen die Bewegung
der Wassermasse nicht durch eine Pumpe bewirkt bzw. unterstützt wird können im wesentlichen
auf der unterschiedlichen Wirkung ihrer freien Oberflächen zwecks Beeinflussung
der metazentrischen Höhe, also des aufrichtenden Stabilitätsmomentes des Schiffes,
oder - wie im vorliegenden Fall - auf der Wirkung einer mit einer Phasenverschiebung
von 90° zur Schiffsschwingung und nur von ihr angeregten, mit annähernd gleicher
Frequenz schwingenden Wassermasse beruhen. Eine Anlage der zuletzt genannten Art
ist unter der Bezeichnung »Frahmscher Schlingertank« bekannt. Eine solche Anlage
arbeitet infolge der Drosselwirkung im Luftkanal überaus laut und nutzt den Inhalt
der Tanks nur unvollkommen aus. Vor allem aber ist die bekannte Anlage nur für einen
bestimmten Seegang einstellbar, und sie versagt bei anderen Seegangsverhältnissen
weitgehend.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des sogenannten
Frahmschen Schlingertanks zu beseitigen.
-
Die Erfindung besteht darin, daß die Höhe der Verbindungsleitung im
wesentlichen gleich der Höhe der Tanks und der lichte Querschnitt der Verbindungsleitung
wenigstens an den Verbindungsstellen zwischen der Verbindungsleitung und den Tanks
auf Grund von Eindämmungen kleiner als der Querschnitt der Tanks in Durchflußrichtung
ist.
-
Das Funktionsprinzip der Anlage gemäß der Erfindung ist darin zu sehen,
daß die Dämpfung der schwingenden Bewegung des Tankinhaltes nicht linear erfolgen
soll. Während bei dem Frahmschen Schlingertank die Größe des Dämpfungsfaktors bei
jedem Verhältnis der Frequenz der Wellenbewegung zu der der Schiffsbewegung konstant
bleibt, also linear verläuft, soll gemäß der Erfindung der Dämpfungsfaktor von der
Größe dieses Frequenzverhältnisses abhängig sein, d. h. nicht linear verlaufen.
Die Nichtlinearität ergibt sich aus der Tatsache, daß sich die innere Dämpfung mit
dem Quadrat der Flüssigkeitsgeschwindigkeit ändert.
-
Die Lösungsmittel bestehen demnach im wesentlichen aus Einrichtungen,
mit deren Hilfe eine nicht lineare Dämpfung des Tankinhaltes bewirkt wird. Dabei
werden die Verbindungsleitungen als breiter Kanal oder als Gerinne ausgestaltet.
Bei dieser Anordnung ist der Luftraum oberhalb der Wasseroberfläche in der Verbindungsleitung
so groß, daß Luftdrosselungseffekte nicht mehr auftreten. Daher sind sowohl die
natürliche Frequenz wie auch die Dämpfung der Anlage lediglich Funktionen der Geometrie
des hydrodynamischen Teiles der Anlage. Eine sich verjüngende Düse oder eine Eindämmung,
welche sich über die volle Höhe der Verbindungsleitung erstrecht, bewirkt eine zusätzliche
Dämpfung in der Anlage. Die Anlage ist durch bloße Veränderung des Flüssigkeitniveaus
in dem Tank einstellbar, wodurch die natürliche Frequenz der Anlage geändert wird.
Wenn die Anlage einmal eingestellt ist, ist keine Wartung durch das Schiffspersonal
mehr nötig, und die Anlage funktioniert unabhängig vom Seegang einwandfrei.
-
Die Anlage kann auf einem Deck angebracht werden und tauscht nur Flüssigkeit
aus, welche vollständig ausgenutzt wird, so daß der Raumbedarf, das Gewicht und
die Kosten, welche für konventionelle, U-förmige Anlagen (Frahmscher Schlingertank)
erforderlich sind, herabgesetzt werden. Da keine
Luftdrosselungsventile
vorhanden sind, wird das Arbeitsgeräusch beträchtlich vermindert.
-
Die nachfolgende Beschreibung besonderer Ausführungsformen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen dient der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt F i g.
1 einen Längsschnitt einer in einem Schiffsrumpf eingebauten Ausführungsform gemäß
der Erfindung, F i g. 2 eine Draufsicht der Ausführungsform aus F i g. 1, F i g.
3 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform aus F i g. 1, F i g. 4 einen
Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung, F i g. 5 einen Schnitt
längs der Linie 5-5 aus F i g. 4 und F i g. 6 eine vergrößerte Ansicht der Ausgleichsöffnungen
der Ausführungsform aus F i g. 4.
-
F i g. 1 zeigt einen Rumpf 11 eines überwasserfahrzeuges.Der Schiffsrumpf
kann irgendeine beliebige Gestalt besitzen. Im Inneren des Schiffsrumpfes 11 ist
an jeder Seite je ein Tank 12 befestigt. Beide Tanks sind durch ein Gerinne oder
einen Verbindungskanal 13 miteinander verbunden. Das Gerinne hat im wesentlichen
die gleiche Höhe wie die Tanks. Sowohl die Tanks wie auch das Gerinne sind gegen
die umgehende Luft von etwa Atmosphärendruck offen. Wie weiter aus den Figuren hervorgeht,
ist das Gerinne 13 in seinem Mittelabschnitt relativ weit und hat an den Stellen,
wo es in die Tanks einmündet, einen sich verjüngenden, düsenartigen Ansatz oder
eine Eindämmung 14. Im Inneren jedes Tanks sind an der Eintrittsstelle des
Gerinnes je ein Paar von halbzylindrischen Gliedern 16 angebracht, welche zur besseren
Strömung der Flüssigkeit in beiden Richtungen dienen und ein Abreißen der Strömung
an diesen Punkten verhindern sollen. Die Düsenansätze oder Eindämmungen 14 besitzen
an den Stellen, wo sie in die Tanks einmünden, eine konstante Weite von oben bis
unten. Es sei jedoch bemerkt, daß die Weite von oben nach unten auch variieren kann.
-
Die Tanks und die Verbindungsleitung enthalten normalerweise bis zu
einem vorbestimmten Niveau eine Flüssigkeit, wie Wasser oder Treiböl (F i g. 3).
Die anfängliche konstruktive Anpassung der Schlingerdämpfungsanlage an das Schiff
und seine Verwendung erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß die effektive horizontale
Querschnittsfläche der Tanks zu der vertikalen Querschnittsftäche des Wassers in
der Verbindungsleitung in ein dem Funktionsprinzip entsprechendes Verhältnis gebracht
wird. Es ist möglich, die Querschnittsfläche des Wassers in der Verbindungsleitung
durch einfaches Heben oder Senken des Flüssigkeitsniveaus zu verändern. Dadurch
kann die Dämpfung und die Anpassung der Anlage während der Betriebszeit eingestellt
werden. .
-
Bei einer guten Konstruktion der Anlage mit Gerinne soll die Kapazität
Biberdimensioniert sein. Die Kapazität wird dabei durch diejenige Höhe in Zentimeter
angegeben, bis zu welcher ein überlaufen von Wasser zwischen den Tanks erfolgen
kann. Es ist also ein Spielraum vorhanden, um Veränderungen gegenüber dem anfänglichen
Niveau des Wassers in der Anlage vorzunehmen, so daß die Anlage dadurch korrekt
an das Schiff und seinen Beladungszustand angepaßt werden kann. Bei einer Ausführungsform,
welche gegenwärtig in Betrieb ist, reicht z. B. eine Veränderung des Flüssigkeitsstandes
um nur 30 cm nach oben oder unten aus, um eine Abweichung der metazentrischen Höhe
von ihrem Sollwert nach beiden Richtungen von etwa 25 cm zu korrigieren.
-
Die Eindämmungen oder Düsen an den Enden des Verbindungskanals bewirken
eine zusätzliche Dämpfung der Anlage. Die Dimensionen der düsenförmigen Ansatzstücke
müssen in übereinstimmung mit denen der Tanks und des Verbindungskanals zusammen
mit der Konstruktion des Schiffes, auf welchem die Anlage eingebaut werden soll,
bestimmt werdene. Es wurde jedoch gefunden, daß sich das Schiff unabhängig von der
Richtung der See, der Schiffsgeschwindigkeit und der Stärke und Formation des Seeganges
einwandfrei verhält, wenn eine Anlage eingebaut ist, welche für einen Wert von BT2/JT
zwischen 10 und 20 konstruiert ist. Hierbei bedeuten BT2 den Koeffizienten für den
nichtlinearen Ausdruck der Tankwasserdämpfung und JT das Trägheitsmoment für das
Tankwasser. Beide haben die Dimension Kp - m - sek2, bezogen auf das Bogenmaß des
Rollwinkels. Der Wert BT2 kann aus den Abmessungen des Tankes in bekannter Weise
berechnet werden.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung, welche gegenwärtig in Betrieb
ist, kamen die folgenden Daten zur Anwendung:
| Schiff |
| Länge über alles . . . . . . . . . . . . . . 139 m |
| Länge in der Wasserlinie ...... 136 m |
| Größte Breite ................ 191n |
| Verdrängung, vollbeladen ..... 10 680 t |
| Gewichtsschwerpunkt über der |
| Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,6 m |
| Auftriebsschwerpunkt über der |
| Basis ...................... 3,5 m |
| Breitenmetazentrum über der |
| Basis ...................... 7,8 m |
| Metazentrische Höhe . . . . . . . . . . 1,2 m |
| Tiefgang ... . ............. 6,2 m |
| Natürliche Rollperiode . . . . . . . . 14,20 sec |
| Tankstabilisierungsanlage |
| Zahl der Tanks .... . . . . . . . . . . . 4 |
| Breite eines Tanks in Höhe der |
| freien Oberfläche . . . . . . . . . . . 5 m |
| Länge eines Tanks, Längsschiffs 3,65 m |
| Größe der freien Oberfläche |
| eines Tanks . . . . . . . . . . . . . . . 18,25 m2 |
| Gesamte freie Oberfläche aller |
| Tanks .... ................ 73 m2 |
| Weite eines Gerinnes . . . . . . . . . . 1,8 m |
| Länge eines Gerinnes, quer- |
| schiffs ..................... 8,7 m |
| Grundfläche je Gerinne . . . . . . 15,66m2 |
| Benetzte Querschnittsfläche je |
| Gerinne in der Mittschiffs- |
| ebene des Schiffes bei 1,8 m |
| Wassertiefe . . . . . . . . . . . . . . . . 3,45 m2 |
| Hebelarm des Tankmoments ... 6,8 m |
| Höhe des Rollzentrums über der |
| Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,6 m |
| Höhe des Bodens eines Gerinnes |
| über der Basis . . . . . . . . . . . . . . 8,6 m |
Die erzielten Ergebnisse zeigen, daß durch die Erfindung die Rollwinkel
bis auf geringe Restwinkel abgebaut werden. Bei einem mittleren Seegang von Stärke
5 werden die Rollbewegungen für eine schräg von vorn kommende See (etwa 45° zur
Schiffslängsachse) auf 1° und für eine schräg von achtern kommende See (etwa 45°
zur Schiffslängsachse) auf 2° reduziert. Wenn nur der Durchschnitt aus 1Jlo der
höchsten Rollbewegungen, gemessen über einen bestimmten Zeitraum, verwendet wird,
um die durchschnittliche Rollreduzierung zu bestimmen, so sind die Rollwinkel doppelt
so groß. Auftretende Rollwinkel von 4° bei schräg von achtern kommender See bei
gefülltem Tank entsprechen einem Rollwinkel von etwa 15° für die gleiche schräg
von achtern kommende See, wenn die Tanks leer sind. Die durch die Vorrichtung gemäß
der Erfindung erzielte Verbesserung der Schlingerdämpfung ist daher offensichtlich.
-
Wenn das Schiff infolge der Wellenwirkung rollt oder schlingert, wird
bei Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung, infolge der Schwerkraft und auf
Grund der Schiffsschwingungen Wasser zwischen den Tanks ausgetauscht. Der Wasseraustausch
wird durch die Eindämmungen an dem Gerinne gedämpft. Infolge der Dämpfung des Wasseraustausches
entsteht bei einer Schlingerbewegung des Schiffes um sein Rollzentrum (F i g. 1)
ein Rückdrehmoment und eine Verlagerung des Schiffsschwerpunktes. Dadurch wird das
aufrichtende Moment unterstützt und das Schiff in seine vertikale Lage zurückgebracht.
-
Eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in den F i g.
4 bis 6 dargestellt. Diese Ausführungsform ist dazu bestimmt, in einen bereits bestehenden
Reserveheizöltank eingebaut zu werden. Wie aus F i g. 4 hervorgeht, besitzt der
Schiffsrumpf 11 zwischen den Decks 21 und 22 einen Tank 23, welcher Heizöl enthalten
oder wahlweise mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten gefüllt sein kann. Der Tank
23 erstreckt sich in Querrichtung im wesentlichen über die ganze Schiffsbreite.
-
Im Inneren des Tanks 23 sind auf jeder Seite eine Mehrzahl von parallelen
Rohren 25, 26 angebracht, welche sich von der Ober- zur Unterseite des Tanks erstrecken.
Jedes dieser Rohre trägt angeschweißt ein Paar von Flossen 27, welche in der Ebene
der Rohrreihe verlaufen. Bei einer Roll- oder Schlingerbewegung des Schiffes dienen
die Rohre mit den daran befestigten Flossen als Eindämmung für den Flüssigkeitsaustausch
von einem Tank zum anderen. Wie aus F i g. 6 hervorgeht, wird der Flüssigkeitsstrom
durch die Flossen derart beeinflußt, d. h. in den turbulenten Zustand übergeführt,
daß sich unabhängig von der Größe der Rollbewegung ein Einlauf von konstanter Weite
bildet. Es können auch runde Rohre von größerem Durchmesser ohne Flossen verwendet
werden. Indes wird sich dann eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit ausbilden,
die eine Änderung der Reynoldszahl und damit eine Veränderung des effektiven Einlaufdurchmessers
verursacht. Die an den Rohren befestigten Flossen tragen dieser Möglichkeit Rechnung
und gestatten eine genauere Anpassung, als es ohne Flossen möglich wäre.
-
Wie in den Figuren dargestellt, sind die beiden Reihen von parallelen
Rohren gegen die Oberseite des Tanks geneigt. Dies gestattet das Zurückhalten einer
maximalen Menge von Flüssigkeit während des Rollens und gibt dadurch ein maximales
Rückdrehmoment, welches der Rollbewegung entgegenwirkt. Es sei jedoch bemerkt, daß
eine Neigung der Rohrreihe für das Funktionieren der Vorrichtung nicht erforderlich
ist. Die Rohre können auch vertikal oder unter einem Winkel geneigt eingebaut werden,
welcher von dem in F i g. 4 verschieden ist.
-
Die anfängliche konstruktive Anpassung bei dieser Ausführungsform
geschieht wieder auf Grund des effektiven Querschnitts des Tanks und der effektiven
Querschnittsffäche der Strömung durch die Rohrreihe. Diese wiederum kann durch Veränderung
des Flüssigkeitsstandes in dem Tank in weiten Grenzen variiert werden.
-
An Stelle der Rohrreihe in der Ausführungsform gemäß F i g. 4 oder
der einzelnen, sich verjüngenden Eindämmung aus F i g. 2 können mannigfache Abwandlungen
von Eindämmungen verwendet werden, ohne daß dadurch der Bereich dieser Erfindung
verlassen wird.
-
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung liefert dem Fachmann Mittel zur
Schlingerdämpfung in solchen Situationen, wo konventionelle Anlagen versagen. Es
hat sich gezeigt, daß neben einer Schlingerdämpfung auch eine wesentliche Herabsetzung
der seitlichen Versetzung des Schiffes erfolgt. Obwohl die Anlage zum Zweck einer
Schlingerdämpfung bei Schiffen oder Booten beschrieben worden ist, sei bemerkt,
daß sie auch in anderen Fahrzeugen verwendet werden kann, und daß die Vorrichtung
gemäß der Erfindung prinzipiell auch z. B. für die Reduzierung der Stampfbewegung
ausgenutzt werden kann.