DE1556830C3 - Schlingerdämpfungstank zur Dämpfung periodischer, durch Seegang erregter Bewegungen eines schwimmfähigen Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schlingerdämpfungstank zur Dämpfung periodischer, durch Seegang erregter Bewegungen eines schwimmfähigen Körpers, insbesondere der Rollbewegung eines Schiffes, mit zwei teilweise gefüllten Seitentankabteilen, die durch das Überströmen von Flüssigkeit zwischen den Tankabteilen ermöglichende Kanäle miteinander verbunden sind, von denen einer im Durchflußquerschnitt stufenlos regelbar ist und mindestens einer in Strömungsrichtung ohne Hindernisse ist.

Passive Schlingertankanlagen sind seit langem bekannt, deren Funktionen im Prinzip immer darauf beruhen, daß die in ihnen enthaltene Flüssigkeit durch die Rollbewegungen des Schiffskörpers in Schwingungen von einem Seitentank zum anderen versetzt wird, wobei das Moment der von einer Schiffsseite zur anderen übergegangenen Flüssigkeitsmenge auf das Schiff stabilisierend wirkt. Alle bekannten Schlingertanktypen bewirken prinzipiell die gleiche Stabilisierung am Schiffskörper, sofern deren Federkonstante, statisches Maximalmoment, Tankeigenfrequenz und Tankeigendämpfung die gleichen sind und sie an der gleichen Stelle des Schiffes angeordnet sind. Das Problem bei der Regelung des Schlingertanks liegt darin, die vorgenannten Größen den jeweiligen Beladungszuständen anzupassen.

In den US-Patentschriften 30 54 373 und 31 09 403 sowie der DT-AS 12 47 891 ist ein in der Frequenz regelbarer Schlingertank mit offenem Querkanal beschrieben. Bei diesem Tanktyp wird die Eigenfrequenz in erster Linie durch Senkung oder Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels geregelt. Der Regelung sind jedoch wegen der starken Verringerung des Maximalmoments bei extremen Regelbereichen Grenzen gesetzt, und es ist das maximal mögliche Stabilisierungsvermögen

eingeschränkt.

Ferner ist es bekannt, einen Schlingertank U-förmig und mit geschlossenen Flüssigkeits- und Luftkanälen auszubilden. Dieser Schlingertank, der auch als Frahmscher Tank bekannt ist, ist in seiner Eigenfrequenz nur in sehr engen Bereichen regelbar, da die Regelung durch ein Drosselventil im Luftkanal erfolgt, wodurch zwar die Eigendämpfung des Tanksystems, kaum jedoch die Eigenfrequenz beeinflußt wird.

ig Aus der DT-PS 11 53 283 ist ein Frahmscher Schlingertank mit einer Frequenzregelung bekannt, bei dem im Querkanal dachförmig angeordnete, ebene Flächen vorgesehen sind, die zur Veränderung der Querschnittshöhe des Flüssigkeitskanals in ihrer Firsthöhe verstellbar sind, wodurch der First quer zur Strömungsrichtung verläuft. Da man die Eigenfrequenz eines Schlingertanks von gegebenen Seitentankgrößen durch den Tankquerschnitt bestimmen kann, erlaubt die Anwendung dieser bekannten Methode eine Frequenzregelung von der Frequenz Null bis zu einer Höchstfrequenz, die durch den freien Querschnitt des Querkanals bestimmt wird.

Auf ähnliche Weise kann man die Eigenfrequenz eines U-förmigen Tanks regeln, indem man eine Drosselklappe in den Flüssigkeits- anstatt in den Luftkanal verlegt. Eine solche Klappe verändert ebenfalls den freien Durchströmungs-Querschnitt, wodurch die Frequenz einstellbar ist.

Durch die Anordnung eines regelbaren Dachgebildes nach der deutschen Patentschrift 11 53 283 oder durch Anordnung einer Drosselklappe im Flüssigkeitskanal kann man nicht nur bei U-förmigen Tanks mit geschlossenem Flüssigkeitskanal, sondern auch bei Tanks mit offenem Verbindungskanal die Frequenz günstig regeln. Hierbei muß lediglich die Achse der Drosselklappe bzw. der First des dachförmigen Gebildes nicht horizontal sondern vertikal angeordnet werden. Die Regelung durch Klappen, durch dachförmige Gebilde oder durch andere querschnittsverengende Einrichtungen ergibt zwar bei immer gleichbleibender Füllung des Tanks einen relativ großen Frequenzregelbereich. Die großen Frequenz-Regelmögiichkeiten solcher querschnittsverengenden Mittel können aber nicht voll ausgenutzt werden, da diese die Eigendämpfung des Tanks außerordentlich stark beeinträchtigen. Bei diesen Regelungsverfahren nimmt nämlich die Eigendämpfung des Tanks bei Regelung auf niedrige Frequenzen zu bzw. bei Regelung auf höhere Frequenzen ab. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß relativ enge Querschnitte, die durch die Senkung des Flüssigkeitsspiegels bei offenen Tanks oder durch teilweise Sperrungen des geschlossenen oder des offenen Querkanals durch mechanische Mittel entstehen, einen größeren Flüssigkeitswiderstand bei gleichen Strömungsgeschwindigkeiten bewirken als weitere Querschnitte.

Dies gilt auch für den aus der GB-PS 10 06 036 bekannten, im wesentlichen U-förmigen Schlingerdämpfungstank mit zwei Seitentankabteilen und einer Drosselklappe im Flüssigkeitskanal mit den eingangs genannten Merkmalen, bei dem drei durch vertikale Wände voneinander getrennte Kanäle vorgesehen sind, die die beiden Seitentankabteile miteinander verbinden. Die beiden äußeren Kanäle sind hindernisfrei ausgebildet, während der mittlere Kanal die Drosselklappe zwecks Regelung des Durchflusses enthält. Die im Querschnitt geschlossenen Verbindungskanäle befinden sich im Betrieb voll unter der Wasseroberfläche, so daß

der Querschnitt des durch die Kanäle strömenden Wassers konstant und der mittlere Kanal im Durchflußquerschnitt durch die Drosselklappe veränderbar ist. Dieser hat also auch einen zufriedenstellenden Regelbzw. Eigenfrequenzbereich, jedoch auch ein schlechtes Eigendämpfungs verhalten.

Wie wichtig die bei bekannten Schlingertanks ■ ungenügende Eigendämpfung des Tanks für die Stabilisierung eines Schwimmkörpers ist, geht aus dem nachfolgend erläuterten Diagramm der Fig. 1 hervor, in der in schematischer Form die Rollamplituden eines Schiffes als Funktion der Erregerfrequenzen, d. h. die sogenannten Resonanzkurven des Schiffes bei unterschiedlichen Dämpfungen dargestellt sind.

Die Kurve a stellt die Resonanzkurve des Schiffes ohne Stabilisierungsanlage dar, während die Kurven b, c und d die Resonanzkurven des gleichen, aber mit Schlingertank ausgerüsteten Schiffes bei unterschiedlichen Dämpfungen zeigen. Es sei dabei angenommen, •daß die Frequenz des Schlingertanks im Optimalverhältnis zur Rollfrequenz des Schiffes steht.

Die Resonanzkurve b gilt für zu kleine Eigendämpfung und zeigt zwar eine ausgezeichnete Rolldämpfung bei der Schiffsroll-Resonanzfrequenz o)e, dafür treten aber zwei ausgeprägte Resonanzspitzen zu beiden Seiten der Resonanzfrequenz o)c auf.

Die Kurve cgilt für zu hohe Tankeigendämpfung und weist eine überhöhte Resonanzspitze auf.

Würde man nun die Eigendämpfung des Tanks über die sogenannte »kritische Dämpfung« erhöhen, d. h. die periodische Bewegung der Flüssigkeit in den Schlingertanks unterbinden, so würde die Resonanzkurve c mit der Resonanzkurve a zusammenfallen, so daß in keinem Frequenzbereich eine Stabilisierungswirkung erzielt würde.

Die Kurve d gilt für ein Schiff, das mit einem Schlingertank ausgerüstet ist, dessen Dämpfung optimal bestimmt ist. Diese Kurve zeigt nur eine flache Wölbung; sie besitzt im ganzen Frequenzbereich keine resonanzartigen Spitzen.

Wenn man nun einen, in seinen Frequenzen regelbaren bekannten Schlingertank so ausbildet, daß die Eigendämpfung des Tanks bei mittleren Frequenzen des in Frage kommenden großen Frequenzbereiches optimal ist, so muß man damit rechnen, daß bei Regelung auf höhere Frequenzen eine der Kurve b ähnliche Resonanzkurve und bei Regelung auf niedrigere Frequenzen eine der Kurve c ähnliche Resonanzkurve zustandekommt. Die Verhältnisse sind noch ausgeprägter, wenn bei einem größeren Regelbereich die Dämpfung entweder bei der oberen oder bei der unteren Grenzfrequenz richtig liegt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schlingerdämpfungstanks der eingangs genannten Gattung, der bei sehr einfachem Aufbau und einem großen stufenlosen Frequenzregelbereich bei allen Rollfrequenzen eine dem günstigsten Wert möglichst nahekommende Eigendämpfung aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der den Querschnittsregler enthaltende Kanal eine g₀ freiliegende Flüssigkeitsoberfläche aufweist. Dadurch ist eine optimale Abstimmung der eine Schlingerbewegung beeinflussenden Faktoren wie der Federkonstante des Schwingungssystems, die vom Flächenträgheitsmoment der freien Oberfläche abhängig ist, der Tankeigen- g₅ frequenz, der Dämpfung und der Rollfrequenz des Schiffes möglich, so daß ein Schiff je nach Konstruktion und Dimension, Belastungsgrad und Wetterlage in einer relativ stabilen Lage gehalten wird, d. h. eine Rollbewegung des Schiffes deutlich verringert werden kann. Durch die Erfindung ist eine Wirkung erzielbar, die einfach ist. Die obersten und untersten Frequenzen des Regelbereichs sind durch die Größe der möglichen Kanalquerschnitte gegeben. Selbst bei völlig offenem Regelkanai, d. h. bei der größtmöglichen Eigenfrequenz wird durch die freiliegende Flüssigkeitsoberfläche ein günstiger Eigendämpfungswert erzielt. Die Regelung erfolgt nicht durch Änderung des Flüssigkeitsniveaus, so daß das mögliche Maximalmoment und somit das mögliche maximale Stabilisierungsvermögen in günstigen Bereichen liegen.

Vorteilhafterweise kann in an sich bekannter Weise der Querschnittsregler eine um eine vertikale Achse schwenkbare Achse aufweisen.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß unter dem den Querschnittsregler enthaltenden Kanal ein hindernisfreier Kanal vom geschlossenen Typ vorgesehen ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist schließlich neben dem den Querschnittsregler enthaltenden Kanal ein hindernisfreier Kanal vom offenen Typ angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; neben dem bereits erläuterten Diagramm der Resonanzkurven der Rollbewegung eines Schiffes bei verschiedenen Eigendämpfungen nach Fig. 1 zeigt

Fig. 2 einen Schnitt einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung und

F i g. 3 einen der F i g. 2 entsprechenden Schnitt einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.

Ein Schlingertank mit geschlossenem und offenem Querkanal ist in Fig.2 dargestellt. Der Kanal 13, der keinen Querschnittsregler enthält, ist ein Kanal vom geschlossenen Typ, wie er bei U-förmigen Tanks verwendet wird, während der regelbare Querkanal 14 eine offene Oberfläche aufweist. Diese Anordnung ist deswegen besonders günstig, weil Querkanäle vom geschlossenen Typ relativ kleine, Querkanäle mit offener Oberfläche dagegen relativ hohe Eigendämpfung haben.

F i g. 3 zeigt eine Lösung, bei der sowohl der Kanal 13 als auch der Kanal 14 eine offene Oberfläche haben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, bei gleichbleibender Füllung, d. h. bei immer gleichbleibender maximaler Stabilisierungskapazität, in einem sehr breiten Frequenzbereich regelbar zu sein, wobei die Eigendämpfung jeweils entweder einen Optimalwert hat oder dem Optimalwert sehr nahe kommt.

Um den Bereich der Dämpfungsregelung möglichst groß zu halten, werden die Kanäle konstruktiv so gestaltet, daß sie einen minimalen Strömungswiderstand ergeben.

Zur Veränderung des Strömungswiderstandes kann man auch geringfügige Mengen Polyäthylenoxid der Tankflüssigkeit beimischen, um den Reibungs- und den Ablösungswiderstand herabzusetzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schlingerdämpfungstank zur Dämpfung periodischer, durch Seegang erregter Bewegungen eines schwimmfähigen Körpers, insbesondere der Rollbewegung eines Schiffes, mit zwei teilweise gefüllten Seitentankabteilen, die durch das Überströmen von Flüssigkeit zwischen den Tankabteilen ermöglichende Kanäle miteinander verbunden sind, von denen einer im Durchflußquerschnitt stufenlos regelbar ist und mindestens einer in Strömungsrichtung ohne Hindernisse ist, dadurch gekennzeichnet, daß der den Querschnittregler (15) enthaltende Kanal (14) eine freiliegende Flüssigkeitsoberfläche aufweist ( F i g. 7 und 8).

2. Schlingerdämpfungstank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Querschnittregler (15) eine um eine vertikale Achse schwenkbare Achse aufweist.

3. Schlingerdämpfungstank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem den Querschnittregler (15) enthaltenden Kanal (14) ein hindernisfreier Kanal (13) vom geschlossenen Typ vorgesehen ist (F i g. 7).

4. Schlingerdämpfungstank nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem den Querschnittregler (15) enthaltenden Kanal (14) ein hindernisfreier Kanal (13) vom offenen Typ angeordnet ist.