DE1291246C2 - Schlingerdaempfungseinrichtung fuer einen schwimmenden, hohlen Tragkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Schlingerdämpfungseinrichtung für einen schwimmenden, hohlen Tragkörper, dessen Boden und runde Umfangswand mit ins Körperinnere führenden Durchfluß-Öffnungen für das den Tragkörper umgebende Wasser versehen sind.

Von schwimmenden Tragkörpern, beispielsweise Bohrinseln, Landungsbrücken u. dgl. wird verlangt, daß sie trotz der Wellenbewegung des Wassers möglichst unbewegt bleiben, damit Schaden 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.

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 Überlauf löcher 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.

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.

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 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.

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.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt.

Fig. 1 ist ein zum Teil geschnittener Aufriß und

ίο 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 Fig. 1 ähnelt, jedoch in verkleinertem Maßstab, und zeigen die am Körper wirkenden, hebenden und Schlingern hervorrufenden Kräfte. 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;

Fig. 10 zeigt eine Form der Verankerungsanordnung für den Plattformträger der Fig. 1;

Fig. 11 ist ein Aufriß im senkrechten, axialen Durchmesserschnitt und zeigt einen Plattformträger mit einer großen, unterteilten Auftriebskammer in der Mitte;

Fig. 12 ist eine im waagerechten Schnitt an der LinieB-B der Fig. 11 genommene Draufsicht und veranschaulicht die radialen Trennwände zur Verstrebung und Anordnungen zur Auftriebsänderung.

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.

Die veranschaulichte Konstruktion hat einen Durchmesser, der größer als die Gesamthöhe ist; letztere enthält einen Freibordanteil 19, der etwas größer als die höchste Amplitude h_a 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.

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.

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 0,6mal, vorzugsweise ziemlich genau 0,4mal, 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.

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.

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.

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' (Fig. 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 Wellen-. länge 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 P₂, Pr und P_d, 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 P_v 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.

Die Stabilitätsverbesserung des Modells mit perforierter Wand gegenüber Wellen von 8 bis 12 Sekunden Schwingungsdauer zeigte sich beim Reagieren mit

ao 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.

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 Ver-Schiebungen durch Schlingern (oder Stampfen) anzupassen. Die Ketten müssen entsprechend stark, z. B. jede für einige hundert Tonnen Last bemessen sein. Eine schwimmende, perforierte, mit Mantelwand versehene Konstruktion 10 aus bewehrtem Beton in einem Guß ist in den Fig. 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.

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.

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.

Wie man in der Draufsicht (Fig. 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 Quer- löcher 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.

Bei Wassertiefen, die praktisch den Gebrauch von Kettenverankerungen am Meeresgrund verbieten, sind navigier- und lenkfähige Schwimmkonstruktionen vorgesehen. Sie haben gegenüberliegende Antriebsvorrichtungen mit Schiffsschraube und Balanceruder.

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.

Patentansprüche:

1. Schlingerdämpfungseinrichtung für einen schwimmenden, hohlen Tragkörper, dessen Boden und runde Umfangswand mit ins Körperinnere führenden Durchflußöffnungen für das den Tragkörper umgebende Wasser versehen ist, d a durch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (11) und der Boden (14) des Tragkörpers (10) durch die Durchflußöffnungen (24) bildende, rohrförmige, strahlbildende Kanäle (25, 28) großen, eine merkliche Drosselwirkung vermeidenden Durchmessers siebartig perforiert sind.

2. Schlingerdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen in der Umfangswand (11) und im Boden (14) des Tragkörpers (10) etwa gleich groß sind.

3. Schlingerdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der durch die Summe der einzelnen Durchflußöffnungen (24) gebildeten Öffnungsoberfläche zur Gesamtfläche der Außenwände des Tragkörpers (10) zwischen 0,3 und 0,6 beträgt.

4. Schlingerdämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (10) ein an sich bekannter doppelwandiger, ringförmiger Auftriebskörper ist, in dessen inneren (27) und äußeren Umfangswand (26) die strahlbildenden Kanäle (25, 28) befestigt sind.

5. Schlingerdämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Tragkörpers (10) ein in sich geschlossener Auftriebskörper (49) angeordnet ist.

6. Schlingerdämpfungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (50) zwischen der Umfangswand (11) des Tragkörpers und der Außenwand (51) des geschlossenen Auftriebskörpers (49) mit Beton ausgegossen ist.

7. Schlingerdämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (10) zylindrisch geformt ist, und daß sein Durchmesser größer ist als seine Höhe, aber kleiner als das Doppelte der Höhe.

8. Schlingerdämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Durchflußöffnungen (24) und die Länge der Strömungskanäle (25, 28) zwischen 0,9 und 1,2 m betragen.

9. Schlingerdämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (10) im Inneren durch radiale Trennwände (56) versteift ist, die ähnlich wie die Umfangswand (11) perforiert sind und mit der inneren (51) und äußeren Umfangswand (11) in fester Verbindung stehen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen