DE1936558C3

DE1936558C3 - Verankerte Boje mit einem Stabilisierungsteil zur Verringerung der Vertikal- und Rollbewegungen

Info

Publication number: DE1936558C3
Application number: DE1936558A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Harry Otto Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Schulze
Original assignee: Hagenuk Vormals Neufeldt & Kuhnke 2300 Kiel GmbH
Current assignee: Hagenuk Vormals Neufeldt & Kuhnke 2300 Kiel GmbH
Priority date: 1969-07-18
Filing date: 1969-07-18
Publication date: 1974-05-30
Also published as: NO129517B; DE1936558A1; NL7002241A; US3727248A; NL146443B; FR2037546A5; GB1310256A; DE1936558B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine verankerte Boje mit einem durch die Wasserlinie mit geringem Querschnitt hindurchtretenden Schwimmkörper und einem unterhalb des Schwimmkörpers in ruhigeren Wasserbereichen konzentrisch zum Schwimmkörper angeordneten und mit diesem starr verbundenen Verdrängungskörper als Stabilisierungsteil zur Verringerung der Vertikal- und Rollbewegungen der Boje.

An der Meeresoberfläche schwimmende Körper sind den beschleunigenden Kräften des Seegangs ausgesetzt. Sucht man eine Plattform, die gegenüber der Meeresoberfläche im wesentlichen stillstehen soll (beispielsweise für Signal- oder Meßzwecke), so verwendet man deshalb bislang dort, wo die Wassertiefe dies zuläßt, auf dem Meeresboden gegründete Mastkonstruktionen. In tieferen Gewässern ist die Verwendung schwimmender Körper nicht zu vermeiden. In flachen Gewässern sind schwimmende Körper wegen der geringeren Kosten vorzuziehen. Dabei sind aber besondere Maßnahmen vorzusehen, die diesen Schwimmkörpern, die im folgenden als Bojen bezeichnet werden, eine möglichst große Stabilität gegenüber der umgebenden Wasseroberfläche geben. Straffe Verankerung ist dafür nicht brauchbar, weil diese die Boje bei nach oben gerichteten Bewegungen, die sie mit der V'asseroberfläche ausführt, plötzlich abstoppt, washäufigzum Bruch der Verankerung und zum Verlust der Boje führt. Eine solche sUure Fesse- ^g kommt nur für tiefgetauchte Auftriebskörper·,» Frace die aber nicht verwendbar sind, wenn die Funktion der Boje bzw. der von ihr getragenen Einrichtungen an die Wasseroberfläche gebunden sind. Die Erfindung bezieht sich nur auf Bojen, also nicht vollständig getauchte Schwimmkörper.

Die USA-Patentschrift 3 408 821 zeigt eine verankerte Boje mit einem vertikal langgestreckten Schwimmkörper, der mit geringem Querschnitt durch die Wasserlinie hindurchtritt und an seinem unteren Ende von einem konzentrisch umlaufenden kragen- oder tellerartigen Verdrängungskörper als Stabilisierungsteil abgeschlossen wird. Es hat sich gezeigt, daß derartige Bojen für die Erreichung eines bestimmten Stabilisierungseffekts in ihren dämpfend wirkenden Unterwasserteilen verhältnismäßig umfangreich und damit schwer ausgeführt werden müssen. Außerdem besteht die Gefahr, daß der Stabilisierungsteil be. Schrägstellung der Boje und horizontaler Anströmung unerwünschte Vertikalkräfte erzeugt. Die bekannte Boje hat ferner den Nachteil, daß der Stabilisierung* teil einer Rollbewegung der Boje keinen wesentlichen Widerstand entgegensetzt.

Zwei Auftriebskörpergruppen, von denen die eine als völlig getauchte Verdrängungskörper, die ander als die Wasserlinie durchtretende Schwimmkörper ausgebildet sind, zeigt auch die britische Patentschrift 670 511 bei einem Wasserfahrzeug zur Unterwasser beförderung schwerer Lasten. Dadurch, daß den Verdrängungskörper nicht viel weniger als 90 % des Auftriebs zugeordnet wird, soll eine Verringerung der Vertikalbewegung des Fahrzeugs erreicht werden. Zur noch wirksameren Schwingungsdämpfung wird zusätzlich ein tellerartiger Stabilisierungsteil verwendet Die Verdrängungskörper sind als Zylinder ausgebildet, auf denen die Schwimmkörper direkt aufsitzen. Es werden keine Durchmesserangaben zu den zylindrischen Auftriebskörpern in Abhängigkeit lokaler Seecharakteristiken gemacht, was bei einem Transporuahrzeug, mangels lokaler Fixierung auch nicht sinnvoll wäre. Von der Seecharakteri"tik hängt aber bekanntlich die individuelle Stabilisierungswirkung einer Stabilisierungseinrichtung ab. Damit läßt sich aus den bekannten Angaben alleine eine zuverlässige stabilisierte Schwimmeinheit nicht bauen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Boje der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei mäßigem Bauaufwand gute Tauchstabilität gegenüber den beschleunigenden Kräften des Seegangs besitzt und dabei in ihrer Ausführung auf ein bestimmtes Seegebiet abstimmbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Boje im wesentlichen vertikalkräftefrei verankert ist und der Stabilisierungsteil eine in einer Horizontalebene ringförmig geschlossenen Form besitzt, wobei auf diesen Teil der Hauptteil des wasserverdrängenden Bojenvolumens entfällt, und daß der Stabüisierungsteil mit dem Schwimmkörper über Streben verbunden ist, und daß der Wert Um ■ TID des ringförmigen Teils kleiner als 10 ist, wobei Um die Amplitude der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Wasser und dem ringförmigen Teil, T die Schwingungszeit und D der Querschnittsdurchmesser des ringförmigen Teils ist.

Es ist zwar eine Schwimmeinheit bekannt (USA.-Patentschrift 3 118408), die neben Schwimmkör-

pern auch einen in einer Horizontalebene ringförmig geschlossenen Verdrängungskörper verwendet, auf den der Hauptteil des wasserverdrängenden Volumens entfällt, jedoch dienen die Ausgestaltung des Körpers und die hierzu gemachten Angaben ausschließlich der Verringerung des durch die Wellenbewegung hervorgerufenen Strömungswiderstands in horizontaler Richtung. Lehren zur Bekämpfung von Vertikalschwingungen werden sieht gegeben.

Die Erfindung beruht auf zwei Erkenntnissen: Die erste ist die, daß die beschleunigenden Kräfte der Meeresoberfläche hauptsächlich auf Schwingungen in ganz bestimmten Frequenz- und Amplitudenbereichen zurückzuführen sind. Diese Hauptbereiche können zwar in unterschiedlichen Gewässern sehr unterschiedlich sein, sind aber für einen bestimmten Standort leicht zu ermitteln. Die zweite Erkenntnis ist die, daß zur Stabilisierung der Boje weniger die auf den ersten Blick besonders geeigjet erscheinenden plattenförmigen Bauteile zweckmäßig sind, sondem quer zu ihrer Längserstreckung bewegte Körper, geschlossener, ringförmiger Form, deren Querschnittsdurchmesser in ganz bestimmter Weise auf die jeweils vorherrschenden Frequenzverhältnisse abgestimmt sind. Diese letztere Erkenntnis wurde angeregt ^a5 durch die Untersuchungen von Keulegan und Carpenter über »Forces on Cylinders and Plates in an Oscillating Fluid«, veröffentlicht in Journal of Research of the National Bureau of Standards, Washington, Vol. 60, No. 5, May 1958.

Es zeigt sich, daß der untere Bojenteil der erfindungsgemäßen Boje eine im Vergleich mit dem Bauaufwand sehr hohe stabilisierende Kraft auf die Boje auszuüben vermag, wobei auch ein ausgezeichneter Rollwiderstand erreicht wird. Dieser Erfolg beruht auf der Aktivierung hydrodynamischer Reaktionskräfte, die sich bei gleichbleibender Rückstellkraft infolge einer angenommenen Tauchungsänderung des Schwimmkörpers wie eine Massenvergrößerung des gesamten schwingungsfähigen Systems auswirkt. Diese Aktivierung der hydrodynamischen Abstimmung der Querschnittsdurchmesser der ringförmig geschlossenen Körper des unteren Bojenteils auf die Frequenz und die Wellenhöhe des in dem jeweiligen Meeresgebiet am häufigsten auftretenden Seegangs.

Normalerweise werden Bojen so verankert, daß über die Ankeieinrichtung Vertikalkräfte auf die Boje einwirken. Bei einer solchen Verankerung kann sich aber die Wirkung des erfindungsgemäßen Stabilisierungskörpers nicht voll entfalten. Aus diesem Grund erfordert die Erfindung eine lose Verankerung der Boje, die man beispielsweise durch selbstsdiwimmende oder mit Schwimmkörpern versehende Verankerungsseile erreichen kann.

Die ringförmige Geschlossenheit des Stabilisierungskörpers soll bewirken, daß er gegenüber von allen Seiten eindringenden Beschleunigungskräften gleiche Stabilisierungswirkung besitzt. Zu diesem Zweck braucht der Stabilisierungskörper nicht unbedingt kreisringförmig gestaltet zu sein. Es genügt beispielsweise Polygonform.

Die Erfindung verlangt ferner, daß der Stabilisierungsteil zur Erreichung eines ausreichenden Stabilisierungseffekts den Hauptteil des wasserverdrängenden Bojenvolumens bildet. Unter wasserverdrängendem Volumen ist dabei das Volumen sämtlicher Unterwasserbauteile der Boje zu verstehen, die als einheitlicher Körper an der Schwingungsbewegung teilnehmen.

Die Verbindung des Stabilisierungsteils mit dem Schwimmkörper über Streben, das heißt über Im Querschnitt vergleichsweise dünne Bauteile, soll sicherstellen, daß der Stabilisierungsteil ohne wesentliche Beeinflussung durch diese mit ihm verbundenen TeOe wirken kann.

Unter dem Querschnittsdurchmesser des ringförmigen Stabilisierungsteils ist im Fall eines kreisförmigen Querschnitts der Kreisdurchmesser und im Fall einer von der Kreisform abweichenden Querschnittsgestait der hydraulisch gleichwertige Durchmesser zu verstehen.

Das Slabiiisierungsverhältrtis Um/Uerr = Q/h< 10 wird für Bojenentwürfe regelmäßig vom durchschnittlichen Fachmann errechnet. Die Bestimmung von Um · T/D < 10 führt daher in der Praxis nicht zu Schwierigkeiten. Das Stabilisierungsverhältnis wird vom Besteller regelmäßig vorgegeben.

Zweckmäßigerweise hat der Stabilisierungsteil kompakte Querschnittsgestalt. Strömungsdynamisch am günstigsten ist der kreisrunde Querschnitt. Aus konstruktiven Gründen wählt man jedoch häufig zweckmäßiger den quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit einem nahe bei 1 liegenden Seitenverhältnis.

Der Stabilisierungsteil soll in einer Wassertiefe liegen, in der die mit der Wasseroberfläche phasengleichen Bewegungen des Wassers; auf einen geringen Betrag abgenommen haben. Und zwar soll die Amplitude der der Wasseroberfläche phasengleichen Vertikalbewegung mindestens auf einen Bruchteil abgesunken sein, der dem gewünschten Reduktionsmaß hinsichtlich der Bewegung der Boje gegenüber der Bewegung der Wasseroberfläche entspricht. Mit anderen Worten soll der Stabilisierungsteil in einer Wassertiefe liegen, in der die Amplitude der Vertikalschwingungen des Wassers geringer ist als die bei dem entsprechenden Seegang zugelassene Bewegungsamplitude der Boje.

Die Umströmungsfelder des Stabilisierungsteils auf gegenüberliegenden Seiten der Boje sollen einander nicht wesentlich beeinflussen.

Diese Überlegung bestimmt den Mindestdurchmesser eines als Ringkörper ausgebildeten Stabilisierungsteils. Ob der Druchmesser gegenüber diesem Mindestdurchmesser noch vergrößert wird, richtet sich nach der für den gewünschten Stabilisierungseffekt erforderlichen Umfang des Ringkörpers und nach dem gewünschten Widerstand gegenüber Rollbewegungen. Gegebenenfalls kann man den Diametralabstand der den Stabilisierungsteil bildenden Körper so bemessen, daß sich die einander gegenüberliegenden Körper bzw. Ringteile in solchen Wasserbereichen liegen, daß die auf sie einwirkenden Beschleunigungskräfte nach Phase und/oder Richtung im Vergleich mit den auf die oberflächennahen Bereiche der Boje wirkenden Kräfte entgegengesetzt auf die Boje einwirken. Im Grundsatz soll aber der Durchmesser des ringförmigen Stabilisierungsteils nicht größer sein als etwa 20 % der Wellenlänge des hauptsächlich in Betracht kommenden Seegangs.

Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die in einer Figur eine schematische Seitenansicht eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt.

Dargestellt ist eine erfindungsgemäße Boje, die zur Aufhängung von Meßeinrichtuneen zur Feststellune

horizontaler und vertikaler ozeanischer Geschwindig- diesen Querschnitt wird einmal bestimmt durch die keiten dient, von der also hohe Stabilität verlangt vorgeschriebene zulässige Tiefertauchung infolge zuwird, lässiger zu erwartender Belastungen (Begehungen,

Sie besteht aus einem Schwimmkörper 1, der über Eisansatz). Zum anderen bedingt die Gefahr des UnStreben 2 mit einem Ringkörper 3 als Stabilisierungs- 5 terschneidens der Boje bei kräftiger Strömung einen körper verbunden ist, der gekennzeichnet ist durch nicht zu geringen Querschnitt in der Wasserlinie, einen rechteckigen Querschnitt, der nach den oben Die Verbindung des Schwimmkörpers mit dem unangegebenen Gesichtspunkten im Hinblick auf die am teren Bojenteil durch die Streben 2 ist erforderlich, häufigsten auftretenden Seegangsfrequenzen bemcs- damit auch in den obersten Wasserschichten ohne ersen ist, und im Grundriß kreisförmige Gestalt hat. In ^l0 hebliche Störung des Wasserzustands durch Bojender Mitte des Ringkörpers ist ein Trimmtank 4 vorge- teile Messungen durchgeführt werden können. Die sehen, der nicht im Sinne der Erfindung als Stabilisie- Boje ist vermittelst dreier Ankerseile plaziert, die um rungskörper gestaltet ist, aber gleichfalls eine gewisse 120° zueinander versetzt sind. Man verwendet dafür dämpfende Wirkung ausüben mag. Er ist durch Stre- zweckmäßigerweise entweder selbstschwimmende ben 9 mit dem Ringkörper verbunden, wobei der Ab- *5 Taue oder Stahlseile mit quasi-homogen verteilten stand des Trimmtanks von dem Ringkörper und die Auftriebskörpern, wodurch man eine minimale EinStreben so ausgelegt sind, daß die hydrodynamische wirkung der Verankerung auf die oszillierenden Be-Wirkung des Ringkorpers nicht beeinträchtigt wird. wegungen der Boje erhält. Die Verankerung der Boje Die ozeanographischen Meßfühler 5 sind über ein soll nur ein Großraumdriften vermeiden, da die Ge-Meßkabel 6 an einem Mast 7 aufgehängt. Mit Hilfe ^ao staltung der Boje selbst eine ausreichende Stabilisieeincr Waide 8 läßt sich das Meßkabel ziehen und ab- lung gegenüber den unmittelbar angreifenden Welsenken, lenbewegungen ergibt.

Der Querschnitt des Schwimmkörpers i in der Der Schwerpunkt der Boje soll möglichst tief, nichi Wasserlinie im Bereich der zu erwartenden Wellen- weit unter dem Verdrängungspunkl liegen. Die ge-

höhen ist mit Rücksicht auf möglichst kleine Rück- »5 wünschte Schwerpunktlage kann durch geeignete

Stellkräfte in bezug auf die Massenkräfte des Systems Ballastfüllung der Stabilisierungskörper und de;

so klein wie möglich gehalten. Die untere Grenze für Trimmtanks erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verankerte Boje mit einem durch die Wasserlinie mit geringem Querschnitt hindurchtretenden Schwimmkörper und einem unterhalb des Schwimmkörpers in ruhigeren Wasserbereichen konzentrisch zum Schwimmkörper angeordneten und mit diesem starr verbundenen Verdrängungskörper als Stabilisierungsteil zur Verringerung der Vertikal- und Rollbewegungen der Boje, dadurch gekennzeichnet, daß die Boje im wesentlichen vertikalkräftefrei verankert ist und der Stabilisierungsteil (3) eine in einer Horizontalebene ringförmig geschlossene Form besitzt, wo- ¹S bei auf diesen Teil (3) der Hauptteil des wasser · verdrängenden Bojenvolumens entfällt, und daß der Stabilisierungsteil (3) mit dem Schwimmkörper (1) über Streben (2) verbunden ist, und daß der Wert Um ■ TID des ringförmigen Teils (3) »° kleiner als 10 ist, wobei Um die Amplitude der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Wasser und dem ringförmigen Teil (3), Γ die Schwingungszeit und D der Querschnittsdurchmesser des ringförmigen Teils ist. *5

2. Boje nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsteil kompakte Querschnittsgestalt hat.

3. Boje nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stabilisierungsteils so groß ist, daß sich seine Strömungsfelder auf gegenüberliegenden Seiten der Boje nicht wesentlich beeinflussen.

4. Boje nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stabilisierungsteils nicht größer ist als etwa 20 % der zu erwartenden Wellenlänge.