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Die Erfindung befaßt sich mit einer Schlingerdämpfungseinrichtung
für einen schwimmenden, hohlen Tragkörper, dessen Boden und runde Umfangswand mit
ins Körperinnere führenden Durchflußöffnungen für das den Tragkörper umgebende Wasser
versehen sind.
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Von schwimmenden Tragkörpern, beispielsweise Bohrinseln, Landungsbrücken
u. dgl. wird verlangt, daß sie trotz der Wellenbewegung des Wassers möglichst unbewegt
bleiben, damit Schäden an den auf den Tragkörpern befindlichen Gegenständen vermieden
werden. Die bisher bekannten Tragkörper dieser Art weisen eine für viele Verwendungsfälle
zu geringe Stabilität auf, d. h., sie führen unter der Wirkung der angreifenden
hydrodynamischen und hydrostatischen Wasserkräfte und des Windschubes unerwünschte
Stampf- und Schlingerbewegungen. aus.
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Es ist nun zwar bekanntgeworden, die Mantelteile von Schwimminseln
mit kleinen Bohrungen zu versehen, die beim Einsetzen des Schwimmkörpers in das
Wasser und beim allmählich erfolgenden Volllaufen des unteren Ballastteiles als
überlauflöcher mit Drosselung dienen. Hierdurch soll die Kippfestigkeit der Inseln
erhöht werden. Die Durchflußöffnungen können jedoch Schlinger- und Stampfbewegungen
derartiger Schwimmkörper in bewegter See nicht dämpfen, vor allem dann nicht, wenn
die Abmessungen derartiger Schwimmkörper relativ groß sind, da die Einrichtung zu
langsam auf die Wellenbewegung anspricht.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Stabilität von schwimmenden,
hohlen Tragkörpern gegen Schlingerbewegung dadurch wesentlich zu verbessern, daß
die Umfangswand und der Boden des Tragkörpers durch die Durchflußöffnungen bildende,
rohrförmige, strahlbildende Kanäle großen, eine merkliche Drosselwirkung vermeidenden
Durchmessers siebartig perforiert sind.
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Bei dieser Bauweise des Tragkörpers werden die Kräfte der auftreffenden
Wellen in einem nur sehr geringen Maß auf die Konstruktion übertragen. Die durchlöcherten
Außenwände wirken wie eine Schranke, die die Wellen leicht behindert und dadurch
eine hydraulische Druckhöhe zwischen den Enden der Strömungskanäle erzeugt. Diese
hydraulische Druckhöhe bewirkt einen großvolumigen Durchflußstrahl durch die Kanäle,
dessen kinetische Energie etwa der ursprünglichen Wellenenergie entspricht. Die
einlaufenden Wasserstrahlen dringen in das wirbelnde, schäumende Wasser innerhalb
des von der Umfangswand umgrenzten Raumes ein, wobei benachbarte Wasserströme unter
kleinen Winkeln aufeinandertreffen. Dadurch wird im Inneren des Tragkörpers die
kinetische Energie der Wellen in Reibungsenergie umgesetzt und dadurch erheblich
gedämpft. Die kreisförmige Teilchenbewegung des Seewassers außerhalb der Umfangswände
des Tragkörpers wird beim Durchgang durch die Kanäle durch einen Strahlfluß abgelöst,
der aus den Mündungen normal zur Wand austritt und bis zu 20 oder mehr i Durchmesserlängen
noch innerhalb des Tragkörpers zusammenhängt. Dies aber bringt die vorteilhafte
Wirkung, daß sich die Wellenbewegung nicht durch die Außenwände in das Körperinnere
fortsetzt und daß die Strömungsenergie der Wasserstrahlen jenseits der Kanalmündungen
durch Verwirbelung und Reibungswärme vollständig aufgebraucht wird.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Durchmesser der
Durchflußöffnungen und die Länge der Strömungskanäle zwischen 0,9 und 1,2 m zu wählen,
um die potentielle Energie der auf die Außenwandung aufprallenden Welle in kinetische
Energie des Strahlflusses in den Kanälen umzusetzen.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung,
auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt.
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F i g. 1 ist ein zum Teil geschnittener Aufriß und zeigt eine erfindungsgemäß
konstruierte, schwimmende Bohrplattform; F i g. 2 ist ein vergrößerter, waagerechter,
an der Linie A-A genommener Schnitt durch die Wand des dort gezeigten Körpers und
zeigt Einzelheiten der Raumunterteilung und der Wandverstrebung; F i g. 3 ist ein
vergrößerter, senkrechter Radialschnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2 durch die
Wand rechtwinklig zu dem Schnitt der F i g. 2; F i g. 4, 5 und 6 sind Aufrisse eines
Schwimmkörpers, der jenem in F i g. 1 ähnelt, jedoch in verkleinertem Maßstab, und
zeigen die am Körper wirkenden, hebenden und Schlingern hervorrufenden Kräfte.
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F i g. 7, 8 und 9 sind Aufrisse eines Schwimmtanks früherer Bauweise
und gleicher Proportionen und Größe wie die Körper der F i g. 4 bis 6 und zeigen
zu Vergleichszwecken die am Körper angreifenden, Heben und Schlingern hervorrufenden
Kräfte; F i g. 10 zeigt eine Form der Verankerungsanordnung für den Plattformträger
der F i g. 1; F i g. 11 ist ein Aufriß im senkrechten, axialen Durchmesserschnitt
und zeigt einen Plattformträger mit einer großen, unterteilten Auftriebskammer in
der Mitte; F i g. 12 ist eine im waagerechten Schnitt an der Linie B-B der F i g.
11 genommene Draufsicht und veranschaulicht die radialen Trennwände zur Verstrebung
und Anordnungen zur Auftriebsänderung.
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Die gezeichnete Form einer schwimmenden Traginselkonstruktion enthält
einen rondellartigen Tragkörper, der mit der Sammelnummer 10 bezeichnet ist
und eine Umfangswand 11 sowie ein Deck 12 hat, das von den höchsten Wellen 13 nicht
mehr erreicht wird. Die Traginsel schließt unten mit einem perforierten Boden 14
ab. Das Deck trägt einen Derrickmast 15. Außerdem werden Aufbauten 16 von dem Deck
getragen. Man sieht auch Ankerketten 17', die um den unteren Rand der Wand 11 verteilt
als Kettenlinien von den Ösen 18 herabhängen und radial nach außen zu sehr schweren
Massen (nicht gezeigt) hinführen, die die äußeren Kettenenden verankern.
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Die veranschaulichte Konstruktion hat einen Durchmesser, der größer
als die Gesamthöhe ist; letztere enthält einen Freibordanteil19, der etwas größer
als die höchste Amplitude ha einer Welle 13 einschließlich der Reflexionskomponente
ist und die obere Hälfte eines zeitweise benetzten Wandteils 20 und auch den dauernd
eingetauchten Wandteil 21 enthält. Wenn die Konstruktion einen Durchmesser von etwa
64 m hat, so kann die Höhe etwa 40 m einschließlich eines Freibords von 12 m betragen.
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Ein mit der geometrischen Achse der Wand 11 gleichachsiges Rohr 22
in der Mitte hat auch dieselbe Länge wie die Wand und ist im Deck 12 und im Boden
14 befestigt; sein Durchmesser reicht aus, um ein Futterrohr 23 und einen (nicht
gezeigten) Bohrstrang aufzunehmen.
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Wie man besser aus den F i g. 2 und 3 entnehmen kann, ist die Wand
11 über ihre gesamte Fläche durch
eine große Anzahl getrennter Durchflußöffnungen
in Form von Kreislöchern 24 ausgiebig perforiert, deren zusammengerechnete Fläche
zwischen 0,3- und 0,6ma1, vorzugsweise ziemlich genau 0,4ma1, der Wandfläche ist.
Jedes Loch geht quer durch die Wand, deren Dicke zwischen 0,9 und 1,2 m liegt, und
bildet einen zylindrischen Durchgang 28, der als ein strahlführender Kanal für die
Bewegung von Meereswasser dient. Wo die Wand 11 getrennte, konzentrische, zylindrische
Plattenwände 26 und 27 darstellt, enthalten die Kanäle die Stahlrohre 28, die mit
ihren Enden in den Öffnungen der Plattenwände eingeschweißt sind. Der Raum 29 zwischen
den Plattenwänden, der den nicht durch die Rohre 28 besetzten Volumanteil des Ringraums
darstellt, sorgt für den erforderlichen Auftrieb zum Tragen der Konstruktion und
ihrer Lasten und kann mit Preßluft unter Druck gesetzt werden. Die Freibordhöhe
läßt sich durch Pumpen von Wasser mit Hilfe von Rohren 31, die mit der (nicht gezeigten)
Pumpenausrüstung an Deck verbunden sind, in einzeln ausgewählte Unterräume 30 des
Raums 29 verändern, die durch senkrechte Stirnwände 31 getrennt sind. Letztere können
aus Versteifungsprofilen bestehen, die an ihrer ganzen Länge unlösbar mit den Plattenwänden
26, 27 verbunden sind und dadurch die Konstruktion gegen Verformung widerstandsfähig
machen, die an irgendeiner Stelle der Wand 11 durch die Wellenkräfte eintreten könnte.
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Die weitere Verstrebung besteht aus einer Reihe senkrecht getrennter,
ringförmiger Decks 33, deren jedes in einer Durchmesserebene liegt. Die radiale
Deckbreite kann ein Mehrfaches der Rohrlänge 28, beispielsweise bei sehr großen
Konstruktionen zwischen 4 und 6 m betragen. Die äußeren Deckränder sind am Umfang
durch Winkelprofile 34 an der inneren Plattenwand 27 befestigt und die inneren Deckränder
durch eine aus Winkel- und U-Profilen 135, 136 bestehende Kombination versteift.
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Der Boden 14 ist vorzugsweise unter Druck gesetzt und mit Luft gefüllt;
die Ballastverteilung wird im unteren Teil der Wand 11 so vorgenommen, daß die Ballastmasse
wirksamer zum Trägheitsmoment der Gesamtmasse beiträgt. Es ist trotzdem zu empfehlen,
auch den Boden zum Halten von Ballast zu unterteilen und als letzteren eine dichte,
zusammengesetzte Füllung (nicht gezeigt) für den Zweck zu verwenden, den Schwerpunkt
der Konstruktion zu senken und eine positive metazentrische Höhe zu sichern.
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Die schematischen F i g. 4 bis 9 einschließlich zeigen die Wellenkraftdaten,
die bei maßstabgetreuen Modellversuchen an einer durchlöcherten, mit Mantelwand
versehenen, rondellförmigen Auftriebskonstruktion 10 (F i g. 4 bis 6) und an einem
Auftriebstank 10' (F i g. 7 bis 9) erhalten wurden; die Konstruktionen 10 und 10'
haben identische Außenabmessungen und Massen und repräsentieren die wirkliche Größe
einer Konstruktion mit dem Durchmesser von 60 m. Die Modelle waren von unten her
verankert und schwammen im Tiefwasser 36 eines Prüfbeckens (nicht gezeigt), in welchem
die Modellwellen 13 erzeugt und gegen die Modelle getrieben wurden. Die gezeichneten
Wellenphasen zeigen eine Einzelwellenlänge L, so daß die Modelle eine halbe Wellenlänge
spannten; die Welle breitete sich von links nach rechts aus und prallte mit ihrem
Kamm an die linke Konstruktionsseite. Die Kreisbewegungen innerhalb der Wellenmasse
sind durch Hohlpfeile 35 dargestellt. Die Größen von PZ, PR und Pd, wie sie
durch die gestrichelten Kurven 37, 38, 39 und 40, 41, 42 um die Vektorgruppen angedeutet
sind, beziehen sich auf die Kräfte des hydrostatischen Drucks, des Stoßdrucks und
des Widerstands jeweils in ihrer Wirkung auf die erfindungsgemäße Konstruktion und
auf die frühere Tankform. Außerdem sind die entsprechenden Größen von Pv durch ausgezogene
Umrißkurven 43 und 44 von Vektorgruppen angedeutet. Im Verlauf der Messungen wurde
ersichtlich, daß die neue Konstruktion selbst unter großen Modellwellen ruhig blieb,
während die Tankform 10' eine große Bewegung unter Modellwellen entsprechend einer
Höhe von 5 m zeigte; bei größeren Wellen entsprechend 10 m, wurden die Ausschläge
so heftig, daß der Versuch abgebrochen werden mußte.
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Die Stabilitätsverbesserung des Modells mit perforierter Wand gegenüber
Wellen von 8 bis 12 Sekunden Schwingungsdauer zeigte sich beim Reagieren mit Stampfbewegungen,
die etwa ein Sechstel derer des Tanks 10' ausmachten. Für eine Wellenperiode von
12 Sekunden und eine Wellenhöhe entsprechend 5 m erwies diese Reaktion sich in der
Größenordnung von 0,5 m bei einer außer Phase liegenden Stampfamplitude von etwa
0,4 m und einem Schlingerwinkel unter 5°. Bei sämtlichen Wellenperioden demonstrierten
die Versuche schlüssig, daß das Mantelmodell nicht stärker als etwa 22% gegenüber
dem Tank mit Stampfen reagierte. Die natürliche Stampfschwingungsdauer entsprach
einer wirklichen Schwingungsdauer von etwa 26 Sekunden.
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Nach F i g. 10 enthält eine Verankerung für mittlere Wassertiefen
z. B. zwischen 30 und 300 m Paare gegenüberliegender, massiger, bewehrter Betonankerblöcke
45, die breiter als hoch sind und auf dem Meeresgrund 46 unter der Plattform ruhen.
Senkrecht herabhängende Ketten 17, die mit ihren oberen Enden an Ösen 18 fest mit
dem Unterrand der Wand 11 verbunden sind, haben unten lose Verbindung mit Langösen
47, die für das nötige Spiel bei Tiefenänderungen durch Ebbe und Flut sorgen. Eine
ähnliche Anordnung von Paaren gegenüberliegender, in Kettenlinien hängender Ketten
17' sind mit Bezug auf die senkrecht herabhängenden Ketten im Winkel verschoben
und an ihren unteren Enden (nicht gezeigt) in ähnlicher Weise an Ankerblöcken befestigt.
Ein verstärktes Futterrohr 23 erstreckt sich von der Meerestiefe bis zur oberen
Fläche der Plattform und weist hinreichende Nachgiebigkeit auf, um sich Verschiebungen
durch Schlingern (oder Stampfen) anzupassen. Die Ketten müssen entsprechend stark,
z. B. jede für einige hundert Tonnen Last bemessen sein.
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Eine schwimmende, perforierte, mit Mantelwand versehene Konstruktion
10 aus bewehrtem Beton in einem Guß ist in den F i g. 11 und 12 veranschaulicht.
Ein koaxiales, zylindrisches Druckgefäß 49 hat dieselbe Höhe wie die Konstruktion
und einen solchen Durchmesser, daß der Ringraum 50 zwischen der Innenseite der Mantelwand
11 und der äußeren Oberfläche der vollen Wand 51 radial mindestens 12 m, vorzugsweise
beträchtlich mehr als 15 m, mißt, um Raum für die Diffusion der von den Kanälen
25 nach innen fließenden Strahlen zu schaffen. Der Tank hat eine abdichtende Unterwand
52, die mit dem perforrierten Boden 14 in Ringform 14' in einer Ebene liegen oder
um eine beträchtliche Strecke unter den Bodenrand der Wand 11 hinunterreichen kann,
wenn es durch Erfordernisse des Auftriebs nötig wird. Ein
koaxiales,
enges Zugangsschachtrohr 22 erstreckt sich noch tief unter den Gefäßboden 52 hinab
und ist für jene Verwendung vorgesehen, die das Absenken von Werkzeugen und Materialien
in die Meerestiefe erfordern.
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Der untere Teil des Raums 53 in dem Gefäß 49 ist radial durch Wandstücke
54 unterteilt, um in verschiedenen Höhen Abteile zu bilden, und nimmt über dem Boden
ein Drittel oder die Hälfte des Gefäßes ein. Jedes Abteil in jeder Höhe ist mit
verbindenden Rohrleitungen 32 für den Eintritt von Preßluft aus einer (nicht gezeigten)
Quelle in den Aufbauten 16 versehen. Es läßt sich leicht verstehen, daß der Zutritt
von Luft zum Austreiben des Ballastwassers in ausgewählten Abteilen eine übliche
Technik zum Beherrschen der schwimmenden Höhe einer Konstruktion darstellt; verschiedene
Verfahren zum überprüfen der Verdrängung als Signal für Tiefgangänderungen können
Verwendung finden einschließlich vollautomatischer Tiefeneinstellsysteme, die an
sich keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden.
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Hat das Gefäß 49 einen solchen Durchmesser, daß seine Bodenfläche
etwa ein Achtel der ebenen Bodenfläche der Gesamtkonstruktion ausmacht, so wird
ein sehr großer Auftrieb gewonnen, obwohl der Zuwachs an hubempfindlicher Bodenfläche
verhältnismäßig klein ist, und die gesteigerte Ladefähigkeit verbessert die eigentliche
Nutzmasse beträchtlich.
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Wie man in der Draufsicht (F i g.12) sieht, ist die aus einem Guß
konstruierte Station eine schwimmende Beobachtungsstation und enthält eine Anzahl
von gleichförmig im Winkel verteilten, aufrechten Radialwänden 56, die dieselbe
Höhe wie die Wand 11 haben und mit dieser ebenso wie mit dem Deck
12, der Ringfläche 14' und der Wand 51 unlösbar verbunden sind.
Ihre Anzahl hängt von der Größe der Konstruktion ab und kann drei oder mehr betragen.
Jede Radialwand hat vorzugsweise eine Wanddicke von 0,6 m und kann durch zylindrische
Querlöcher beliebigen Durchmessers zwischen 0,6 und 1,2 m so perforiert sein; daß
vorzugsweise eine lichte Fläche im Verhältnis von 0,3 bis 0,6 entsteht. Die Hauptaufgabe
der Wände ist es, die Konstruktion zu verstreben und die Schublasten, die an den
Sektoren der Wand 11 ausgeübt werden, auf die übrige Konstruktion einschließlich
des Decks und des Bodens zu übertragen. Da innerhalb des Raums 50 keine Wellenausbreitung
besteht, brauchen die Löcher nicht eigentlich strahlführend zu sein, wie es für
die Wand 11 oder den Boden 14' gefordert wird; sie dürfen also in
Achsrichtung kurz sein.
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Bei Wassertiefen, die praktisch den Gebrauch von Kettenverankerungen
am Meeresgrund verbieten, sind navigier- und lenkfähige Schwimmkonstruk tionen vorgesehen.
Sie haben gegenüberliegende Antriebsvorrichtungen mit Schiffsschraube und Balanceruder.
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Weil der blosgelegte Freibordteil 20 der Wand 11 durchlöchert
ist, wird die der Widerstandsziffer entsprechende Windkraft an der Konstruktion
beträchtlich geringer als jene Kraft, die auf eine volle Wand ausgeübt würde; die
in der Nähe der Wand infolge der außerordentlichen Unregelmäßigkeiten in der Windgeschwindigkeit
knapp über dem Meer geschaffene Luftwirbelung senkt zusätzlich den Formwiderstand
durch Wind an der Wandaußenseite.