DE2437375A1

DE2437375A1 - Schwimmkoerper

Info

Publication number: DE2437375A1
Application number: DE2437375A
Authority: DE
Inventors: Charles R Fink; Kenneth E Mayo
Original assignee: ENERGY SYST
Current assignee: ENERGY SYST
Priority date: 1973-08-10
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1975-02-27
Also published as: AU7230274A; GB1475138A; CA1016817A; NO742830L; BR7406561D0; FR2240143A1; FR2240143B1; US4010704A; JPS5071089A; NL7410802A; AU501599B2

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANSLEYH

DiPL-ING ERNST RATHMANN

München 71, Melchioretr. 42

Unser Zeichen: A 12 899

Energy Systems Corporation One Eleven Lock Street Nashua, New Hampshire U.S.A.

Schwimmkörper

Die Erfindung betrifft Schwimmkörper, insbesondere kugelförmige Schwimmkörper z.B. für Meeres-Bohranlagen, maritime Lade- und Entiadeanlagen, bewegliche und stationäre Massengut-Schiffe und dergleichen.

In dem US-Patent 3 487 484, das Schwimmkörper betrifft, ist dargelegt, daß wenn bei einem kugelförmigen Schwimmkörper geeigneter Größe, dessen Gewicht so verteilt ist, daß seine natürliche Schwingungsperiode um einen horizontalen Durchmesser wesentlich länger ist als die Periode der wahrscheinlich zu erwartenden Wellen, daß dann der Schwimmkörper der vertikalen und der seitlichen Bewegung der Wellen folgt, jedoch keine oder nur eine geringe Krängung erfährt. Es wurde vorgeschlagen, Kugeln dieser Art als Schwimmkörper zu verwenden, um schwimmende Energieanlagen, Offshore-Bohrgerüste, Leuchttürme und-dergleichen aufzunehmen, deren Position im wesentlichen stationär bleiben soll

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oder die mit geringen Geschwindigkeiten über begrenzte Entfernungen transportiert werden.

Ein Problem hierbei ist die Hebe-Wirkung der Meeresoberfläche auf den Schwimmkörper, d.h. die rhytmische vertikale Auf- und Abbewegung, die durch das Ansteigen und Fallen der aufeinanderfolgenden Wellen entsteht. Bei Offshore-Bohrgerüsten muß diese vertikale Bewegung innerhalb relativ enger Grenzen gehalten werden, wenn eine erfolgreiche und wirtschaftliche Bohrarbeit gewährleistet sein soll. Man hat versucht, diese Hebung durch Erhöhung des Gewichtes des Schiffes oder Schwimmkörpers zu kompensieren, was einen entsprechenden Ausbau und eine Aussteifung zur Abstützung des zusätzlichen Gewichtes bedingt. Bei anderen Verwendungsarten solcher kugelförmiger Schwimmkörper, beispielsweise bei der Aufnahme von schwimmenden Reaktor-Anlagen, müssen die auftretenden Beschleunigungen begrenzt werden, um die Belastungen und den Verschleiß der Lager von sich drehenden Maschinenteilen klein zu halten.

In einem Aufsatz mit dem Titel "Drillship Designated for Heavy Seas" in der Zeitschrift Ocean Industry, Februar 1972, wurden Normangaben über die Krängung und die Hebung gemacht, aus denen sich ergibt, daß bei 80% der Bohrarbeiten eine Krängung von bis zu 14° und eine Hebung bzw. Senkung von etwa 1,5 bis 2 Meter (Doppelamplitude) aufzufangen sind. Bei anderen Arbeiten dürfen die Krängung und die Hebung 2,2° bzw. 0,8 Meter nicht übersteigen.

In einer älteren Anmeldung wurde vorgeschlagen, dem kugelförmigen Schwimmkörper ein geeignetes Gewicht zu geben und ihn mit Ballast so abzugleichen, daß seine natürliche vertikale Schwingungsperiode größer ist als die Periode von Wellen, die vernünftigerweise zu erwarten sind, wodurch eine Beeinflussung des Schwimmkörpers durch die Amplitude der Wellen vermieden werden soll. In dieser Anmeldung wird eine komplexe Formel zum Abgleich und zur Ab-

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Stimmung des Schwimmkörpers in vertikaler Schwingungsrichtung gegeben .

Nachteilig bei diesem Vorschlag ist/ daß es nicht praktikabel ist, die Wellenhöhe und die Schwingung der Hebung vorher zu bestimmen, um den Schwimmkörper hinsichtlich der Hebung abzugleichen, wie etwa beim Abgleich der Krängung,. und daß eine umfangreiche Erfahrung und viele Versuche erforderlich sind, um den Schwimmkörper richtig mit Ballast zu versehen. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich ferner nicht oder kaum für kleinere Schiffe bzw. Schwimmkörper, weshalb es kaum mehr als eine theoretische Behandlung des Problemes darstellt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß das ältere Verfahren nicht für einen Seegang von 5 oder darüber, also für grobe See verwendbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwimmkörper zu schaffen, der mit Einrichtungen versehen ist, die es ermöglichen, bei praktisch jedem Seegang und sämtlichen Tiefwasser-Bedingungen die Hebung und Senkung zu begrenzen bzw. im wesentlichen auszuschalten. Gleichzeitig soll der Schwimmkörper auch gegen Krängung getrimmt bzw. abgeglichen sein. Die Einrichtungen zur Begrenzung bzw. Ausschaltung der Hebung und Senkung sollen einstellbar sein, um eine Steuerung bzw. Anpassung an unterschiedliche Zustände des Meeres zu ermöglichen. Schließlich soll der Schwimmkörper gewichtsmäßig relativ leicht sowie einfach und sicher aufgebaut sein.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem teilweise untergetauchten Schwimmkörper dadurch erreicht, daß er mit einer inneren Kammer versehen ist, die in freier Verbindung mit dem Wasser stehen kann, um den horizontalen Querschnitt des Schwimmkörpers in Höhe der Wasserlinie zu regulieren und die Eintauchtiefe des Schwimmkörpers zu steuern.

Zweckmäßigerweise ist der Schwimmkörper kugelförmig ausgebildet

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und mit wenigstens einer Basis versehen. Der Rumpf des Schwimmkörpers ist abgeglichen, so daß seine natürliche Schwingungsperiode um einen waagerechten Durchmesser größer ist als die Periode der zu erwartenden Wellen. Die innere Kammer kann zweckmäßigerweise in Form eines Schachtes oder eines Tauchrohres ausgebildet sein, der bzw. das sicK Siües mittleren Durchmessers des Schwimmkörpers erstreckt und oben und unten offen ist.

Vorzugsweise ist die Kammer so dimensioniert, daß die natürliche vertikale Schwingungsperiode des Schwimmkörpers gedämpft wird und größer ist als die vertikale Periode von jeder möglichen zu erwartenden Welle. Vorzugsweise sind Einrichtungen vorgesehen, um die Dämpfungswirkung zu steuern.

Infolge der inneren Kammer wird die Querschnittsfläche des Rumpfes längs der Wasserlinie, im folgenden Wasserlinien-Querschnitt genannt, reduziert und eine viskose Dämpfungskonstante innerhalb des Schwimmkörpers selbst geschaffen, der Schwimmkörper wird dadurch stabiler und seine Hebungs-Periode, d.h. seine vertikale Schwingungsperiode wird groß bezüglich der Periode der Wellen, ohne daß eine wesentlich größere Breite oder Höhe als bisher erforderlich ist. Schließlich läßt sich die Dämpfungswirkung mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung steuern.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch einen kugelförmigen Schwimmkörper nach der bisherigen Bauweise zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt einen erfindungsgemäßen Schwimmkörper.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen

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Schwimmkörpers.
Fig. 4 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 3. '

Fig. 5 zeigt eine Ansicht des_erfindungsgemäßen Schwimmkörpers, der mit Einrichtungen zur Veränderung der Dämpfung, d.h. der Steuerung des Wasserstromes versehen ist.

Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie 6-6 von Fig. 5. }

Fig. 7 ist ein Schnitt, der Einzelheiten einer anderen Einrichtung zur Steuerung der Dämpfung zeigt.

Fig. 8 zeigt noch eine Einrichtung zur Regelung der Dämpfung.

Fig. 9 zeigt eine Teilansicht der Einrichtung zur Einstellung der Dämpfung nach Fig. 8.

Fig. 1 zeigt einen im wesentlichen kugelförmigen Schwimmkörper 10, wie er etwa in der US-Patentschrift 3 487 484 beschrieben ist. Der Schwimmkörper hat einen Rumpf 12 mit der Außenform eines Kugelsegmentes, der ein geometrisches Zentrum 14, ein Gewichtszentrum, d.h. einen Schwerpunkt 16 und eine ebene Basis 18 aufweist. Der Rumpf ist so groß, daß er zu einem wesentlichen Teil eingetaucht in Wasser 20 schwimmt. Wenn das Gewicht im geometrischen Zentrum 14 konzentriert wäre, so wäre dem Rumpf abgeglichen und er würde frei in zufälligen Richtungen als Folge der Wellenkräfte krängen, da jedoch sein Schwerpunkt 16 unter dem geometrischen Zentrum liegt, ist der Schwimmkörper nicht abgeglichen und er schwingt wie ein Pendel um das geometrische Zentrum 14, was als seine natürliche Schwingungsperiode bezeichnet wird. Durch den tiefer gelegten Schwerpunkt 16 erhält der Schwimmkörper ein Rückstellmoment, das die Kugel in aufrechter Lage mit-im wesentlichen horizontaler Basis 18 hält.

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Die Schwingungsperiode ist allgemein durch folgende Gleichung gegeben:

Tr - 2 Tf I/ ^Kx ■ Gleichung (1)

Tr- =* die Periode der Krängung um das Zentrum I » das Trägheitsmoment um das RotationsZentrum K. = die Krängungssteifigkeit oder Wh sind _χ worin W = das Gesamtgewicht und

h = der vertikale Abstand vom Drehzentrum (Zentrum der Kugel) zum Schwerpunkt sind.

Durch Abstimmen des Schwimmkörpers (d.h. durch geeignete Verteilung der Massen in und auf dem Schwimmkörper) derart, daß die natürliche Krängungsperiode, wie sie durch die obige Gleichung bestimmt ist, größer ist als die Periode jeder bedeutenden Welle, die vernünftigerweise zu erwarten ist und auf den eingetauchten Schwimmkörper treffen kann, wird die Krängung bzw. die Roll- oder Schlingerbewegung praktisch beseitigt. Als Folge hiervon wird die Kugel, d.h. der kugelförmige Schwimmkörper, im wesentlichen aufrecht gehalten (d.h. die Zentren 14 und 16 liegen auf einem vertikalen Durchmesser) und die Basis 18 wird im wesentlichen waagerecht gehalten. Eine kleine Krängung oder Schlingerbewegung kann noch vorhanden sein, da es sich um ein flüssiges System handelt, diese restliche Schlingerbewegung ist jedoch selbst bei schwerere See sehr klein und bei ruhigerer See-vernachlässigbar.

Der Rumpf 12 hat eine Außenwand oder einen Mantel 22, der aus Stahl, Holz, vorgespanntem Beton oder anderen geeigneten Materialien oder Kombinationen hiervon bestehen kann. Beispielsweise können die unteren 2/3 der Kugel aus einer Schale 24 aus vorgespanntem Beton sein, um die Wartung zu reduzieren, und der obere Teil 26 kann aus Stahl sein, um eine entsprechende Festigkeit und Steifheit zu erhalten.In jedem Fall können die geeigneten Materialien

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nach dem jeweiligen Bedarf gewählt werden. Der Rumpf hat eine feste Ballastmenge, vorzugsweise aus Beton 28, der teilweise das Rückstellmoment erzeugt, um die Basis horizontal zu halten.

Fig. 2 zeigt nun einen Schwimmkörper, der mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattet ist und der als Bohrgerüst verwendet wird. Das Innere des Rumpfes ist allgemein unterteilt in eine Vielzahl von zylindrischen pder ringförmigen Räumen 30, die konzentrisch um die vertikale Durchmesserachse angeordnet sind, die durch die Zentren 14 und 16 verläuft, um den Gewichtsabgleich um die Achse zu vereinfachen. Die ringförmigen Räume sind weiter unterteilt in kleine Kammern unter Verwendung geeigneter Zwischenwände 32. Diese Kammern können jede geeignete Form oder Anordnung haben, vorausgesetzt, daß der Gewichtsabgleich um die Achse beibehalten wird. Sie können verwendet werden zur Aufnahme von Bohrgerät 34, den beim Bohren anfallenden Schlamm und ölrückstände 36, zeitweiligen Wasserballast 38 sowie Arbeits- und Wohnräume 40, die für die Arbeit auf einer see-gehenden Bohranlage notwendig sind.

Über dem ständigen Ballast und in geeigneten Kammern oder Tunnels sind eine Vielzahl von Antriebsmaschinen·42 angeordnet, vorzugsweise Brennkraftmaschinen, Elektromotore oder dergleichen, die mit verstellbaren Propellern versehen sind, so daß der Schwimmkörper im Wasser in jeder Richtung angetrieben und bewegt werden kann. Der Ballast kann mit einer oder mehreren Ankeröffnungen 44 versehen sein, durch die ein Anker ausgeworfen und wieder eingeholt werden kann. Das Ankertau verläuft nach oben zu einer Winde 46, die auf der Basis montiert ist. Die Richtung der Ankerkräfte geht im wesentlichen durch das Drehzentrum 14, um zu vermeiden, daß die Ankerkräfte Schlingerbewegungen hervorrufen können.

Auf der Basis 18 ist in üblicher Weise ein verstrebter mehrfüssiger Rahmen 48 aufgebaut, der das Bohrgerüst 50 trägt. Ein hohler z.B.

— fl ■"

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kugelförmiger Behälter 52 ist im oder nahe beim Scheitel des Rahmens 48 angeordnet und über ein langgestrecktes Standrohr 54 mit einer im Schwimmkörper angeordneten Pumpe 56 verbunden, durch welche Wasser in den Behälter 52 gepumpt werden kann. Dieses Wasser stellt einen Ballast dar, d.h., der Behälter kann unterschiedlich gefüllt werden, um ein zusätzliches Gewicht zur Abstimmung bzw. zum Trimmen gegen Schlingerbewegungen zu schaffen, über dem Behälter 52 liegt eine Plattform 58, die den höchsten Punkt zum Aufziehen des Bohrgerüstes bildet.

Oberhalb und im Abstand von der Basis 18 und parallel zu ihr ist ein Gehäuse oder ein Aufbau 60 aus einem oder mehreren Decks, auf dessen oberen Fläche ein Bohrdeck 62 vorgesehen ist. In dem Aufbau sind geeignete Wohn- und Arbeitsstätten untergebracht. Der Aufbau ist zweckmäßigerweise kreisförmig kann aber auch rechteckig oder unregelmäßig gestaltet sein. Der Aufbau hat eine zentrale öffnung 64, durch welche sich das Bohrgestänge hindurch erstreckt.

Obwohl die Kugel gegen Schlingerbewegungen getrimmt ist, hebt und senkt sie sich mit der Bewegung der Wellen, da durch die Wellenkämme und die Wellentäler die normale Wasserlinie steigt und fällt, wie in Fig. 1 angedeutet ist. Hierdurch wird die Wasserverdrängung des Schwimmkörpers verändert und damit die auf den Schwimmkörper wirkende Auftriebskraft, so daß dieser dazu neigt, direkt der Bewegung der Wasseroberfläche zu folgen.

Die Periode der vertikalen Schwingungsbewegung erhält man allgemein aus folgender Gleichung

Th- 2 77' u_gK2 (Gleichung 2),

Th β die Periode der Hebung,

- 9 -809809/0310

W = das Gesamtgewicht oder die Wasserverdrängung des Schwimmkörpers,

g — die Gravitationskonstante und

K₂ = die Änderung des Auftriebs je Fuß (1 Fuß = 0,3 m) der Änderung der Wasserlinie sind.

Die Änderung des Auftriebs je Fuß der Änderung der Wasserlinie kann ausgedrückt werden durch die Dichte des Wassers und die Querschnittsfläche des Schwimmkörpers auf der Höhe der Wasserlinie, die sich durch einen gedachten Horizontalschnitt durch den Schwimmkörper auf der Höhe der Wasserlinie ergibt, wobei dieser Querschnitt nachfolgend als Wasserlinien-Querschnitt bezeichnet wird und dieser auf die mittlere Wasserhöhe bezogen ist. Die Gleichung 2 kann daher wie folgt geschrieben werden

(Gleichung 3)

hierin sind A- der Wasserlinien-Querschnitt der Kugel, d.h. des Schwimmkörpers und y etwa gleich 64 lbs/ft^J (etwa 1 kg/dm ).

Bei untergetauchten Schiffen, wie z.B. Unterseebooten sucht man daher den Querschnitt auf der Höhe der Wasserlinie zu reduzieren und-es ergeben sich besonders gute Fahreigenschaften gerade unterhalb der Meeresoberfläche. Dies ist jedoch bei einem Schwimmkörper der hier beschriebenen Art, die Plattformen, Aufbauten und dergleichen tragen sollen, nicht möglich. Schwimmkörper dieser Art sind nur teilweise eingetaucht, während ein Teil oberhalb der Wasserlinie liegt, um den äußeren Aufbau zu tragen. Sie müssen eine ausreichende Größe und einen ausreichenden Auftrieb haben, so daß eine beträchtliche Nutzlast aufgenommen werden kann.

Nach der Erfindung wird die Hebung wesentlich stärker reduziert als es den derzeitigen Standardwerten für grobe See entspricht, beispielsweise bei einem Seegang von 5 bis 6 und sie wird auch

^p- IO -

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stark reduziert bei einem Seegang von z.B. 7 und 8, bei dem Wellen von 15 bis 30 Meter (vom Wellental bis zur Wellenspitze) und Wellenperioden von z.B. 17 Sekunden auftreten können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Auftriebskörper mit einem inneren Schacht oder einer Kammer 70 versehen, die sich konzentrisch zur Mittelachse erstreckt. Die Kammer 70 ist an ihrem oberen Ende 72 an der Basis 18 offen und sie ist mit einer Leitung 74 an ihrem unteren Ende versehen, die am unteren Ende des Schwimmkörpers ebenfalls offen ist, so daß die Kammer 70 in freier Verbindung mit dem umgebenden Wasser steht. Die Kammer 70 enthält somit eine stabile Masse aus im wesentlichen ruhigen Wasser mit gleichmäßiger Wasserhöhe innerhalb des Schwimmkörpers, das nur wenig gegenüber dem äußeren mittleren Wasserstand steigt und fällt, auch dann wenn die Wellen außen wesentlich stärker steigen und fallen. Die Kammer 70 liefert in einfacher Weise einen anderen Wasserlinien-Querschnitt, was zu einer schnell ansprechenden Dämpfung der natürlichen Ilebungsperiode des Schwimmkörpers sowie zu einer Stabilisierung gegen Veränderung der Wellenposition (z.B. Wellenhöhe) an der Außenfläche der Kugel führt. Die Dämpfung der natürlichen Hebung entsteht weil durch die Kammer 70 der Wasserlinien-Querschnitt relativ zum Auftrieb des Schwimmkörpers reduziert wird, ohne seine äußere Form oder seinen Eintauchgrad zu ändern, wie sich aus einem Vergleich der Schwimmkörper nach den Figuren 1 und 2 ergibt.

Angenommen jede Kugel (d.h. der kugelförmige Schwimmkörper) hat einen Durchmesser von 150 Fuß (45 Meter) und ist mit einer Bohrplattform versehen, wobei jede dieselbe Anlage und dieselbe Nutzlast und damit auch die gleiche Wasserverdrängung hat. Es wird nun angenommen, die Kugel nach Fig. 1 ist bis zu ihrem Hauptdurchmesser eingetaucht, um ihrem Gewicht durch den Auftrieb das Gleichgewicht zu halten, so ergibt sich eine Eintauchtiefe von 75 Fuß (22,5 Meter). Damit ergeben sich folgende Werte:

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Eintauchtiefe = Radius R₁ = 75 Fuß (22,5 Meter)

2 2

Wasserlinien-Querschnitt = TT R₁ = Α_χ = 17700 Fuß

(etwa 1600 m²)

Verdrängung = Gewicht = 1/2 Kuge!volumen · spezifischem Gewicht des Wassers = J/2 · 4/3 · Tf R₁ = W₁ = 56,7 · 10⁶ lbs

(25_#5 . 1O⁶ kg),

Hieraus ergibt sich für den Schwimmkörper nach Fig. 1 eine Hebungsperiode von

56,7 · 10

= ο 77. I / ^ί = ο TT . if

i 1/ . . y ~ U^{17 70}° * ⁶⁴ ' ³²'²

• I 6

— 7,8 Sekunden. (Gleichung 4)

Bei dem erfindungsgemäßen Schwimmkörper nach Fig. 2 hat die Kammer 7O beispielweise einen Durchmesser von 40 Fuß (12 Meter). Die Hebungsperiode wird in derselben Weise wie bei Fig. 1 berechnet, wobei jedoch die größere Eintauchtiefe zu berücksichtigen ist, die notwendig ist, um den sich infolge der Innenkammer 70 ergebenden Auftriebsverlust auszugleichen." Da die Wasserverdrängung des Schwimmkörpers nach Fig. 2 dieselbe sein soll sie die des Schwimmkörpers nach Fig. 1, ist in Gleichung 4 nur der Wasserlinien-Querschnitt durch Hereinnahme der Innenkammer zu ändern.

Die Eintauchtife ist hier 99 Fuß (etwa 30 Meter). Höhe des Kugelsegmentes über dem neuen Wasserlinien-Querschnitt = Durchmesser - Eintauchtiefe = h * 51 Fuß

(etwa 15m). Volumen des Kugelsegmentes = 1/3 TT (h ) · (3R - h) =

V₁ = 475000 Fuß³ (etwa 13400 m³)

Radius der Kugel am Wasserlinien-Querschnitt = R, =

6 V₁ -

509

2 432 000

71,8 Fuß (etwa 21,6 m)

482
09/0310 ~¹²~

Wasserlinien-Querschnitt der Kugel = A₂ = 7T R₂ = 16200 Fuß"

(etwa 1500 m²) Querschnittsfläche der Innenkammer = 77"* 20 = A₃ = 1260 Fuß'

(etwa 118 m²) ,2

Wasserlinien-Querschnitt =

- A₄ -

14 940 Fuß (etwa 139Om²)

Hieraus errechnet sich für den Schwimmkörper nach Fig. 2 eine Hebungsperiode von

= 2

^Ä4 f

56,7 ·10*

= 8,5 Sekunden.

14940 · 64 · 32,2

Hieraus ergibt sich, daß aufgrund der inneren Kammer 70 die natürliche Schwingungsperiode der Hebung des Schwimmkörpers von 7,8 Sekunden bei der Ausführungsform nach Fig. 1 auf 8,5 Sekunden bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. gesteigert worden ist.

Die innere Kammer 70 hat noch eine weitere Funktion, nämlich sie stützt das Steigrohr 83 mittels einer Stütze 80 ab, die auf einem Schwimmer 82 angebradat ist, der mit Gleitschienen oder Rollen 84 an seinem Umfang versehen ist, um sich an der Innenwand der Kammer 70 abzustützen. Der Schwimmer 82 liegt auf der relativ stabilen Oberfläche des Wassers in der Kammer 70 auf und hält das Rohr 83 auf einem relativ konstanten Niveau und unter relativ konstanter Spannung. Das heißt, daß unabhängig vom Zustand des Meeres und der wirklichen Hebung der Kugel das Rohr 83 in relativ konstanter Position bleibt. Die Basis 18 ist zweckmäßigerweise mit einem Rost 86 oder dergleichen aus Metall abgedeckt.

Die Höhe und der Druck des äußeren Wassers wird auf das Wasser in der Kammer 70 übertragen durch den Wasserdruck am Einlaß

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in die Kammer 70 am Boden der Kugel 10. Da mit zunehmender Tiefe hinsichtlich des Druckes ein integrierender Effekt auftritt, ist der Druck am Einlaß in die Kammer 70 gleichmäßiger als der Wasserdruck in den Wellen rund um den Schwimmkörper. Der Wasserspiegel des Wassers in der Kammer 70 bildet daher auch ohne Dämpfung ein wesentlich gleichmäßigeres Niveau als die umgebende Meeresoberfläche und zwar als Funktion der Tiefe des Schwimmkörpers 10 und damit der Einlaßöffnung zu der Wassermaße in der Kammer 70. Der Auftrieb des Wassers in der Kammer 70 ist daher auch konstanter und er wirkt nicht nur auf irgendeinen Schwimmkörper an seiner Oberfläche sondern auch auf die Innenwände der Kammer. Die Kugel 10 wird daher längs ihrer Mittelachse von innen stabilisiert. Die Form der Wände der Kammer 70 steuert ferner effektiv die Federkonstante/ d.h. die Fähigkeit das Gewicht der Kugel 10 zu heben bzw. durch den Auftrieb aufzufangen. Diese Federkonstante ist variabel, d.h. sie wird durch das Hereinströmen von Wasser in die innere Kammer verändert, da sich die Höhe des Wasserspiegels des sich in der Kammer 70 befindlichen Wassers ändert, wodurch ein größeres oder kleineres Volumen verdrängt wird. Diese Veränderung wird durch die Form der Wände der inneren Kammer und damit durch den Wasserlinienquerschnitt bei dem jeweiligen Wasserniveau gesteuert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Auftriebskörpers, bei dem die innere Kammer 70 eine andere Größe und Form hat, wodurch die natürliche Periode der Hebung welter gesteigert werden kann auf einen Wert, der höher ist als die Schwingungsperiode der Wellen, die allen vernünftigerweise möglichen Bedingungen oder Zuständen, des Meeres auftreten können.

Es wird angenommen, daß die Kugel nach Fig. 3 dieselbe Wasserverdrängung wie diejenige nach den Figuren 1 und 2 hat, d.h. sie hat dasselbe Gewicht für den Aufbau, dieselbe Nutzlast und denselben Ballast. Es soll ferner angenommen werden, daß das

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Volumen der inneren Kammer bei einer Eintauchtiefe der Kugel von 99 Fuß (etwa 30 m) dasselbe ist wie dasjenige der Kammer der Ausführungsform nach Fig. 2 bei der Eintauchtiefe von 99 Fuß. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist jedoch die Form der Kammer so gewählt, daß ihr Radius in Höhe der Wasserlinie einen Wasserlinien-Querschnitt von A₅ = 2000 Fuß (etwa 186 m ) ergibt.

Hieraus errechnet sich für die Ausführungsform nach Fig. 3 eine Schwingungsperiode für die Hebung von

^Th₃ " ² 1| ^{= 2} /7"I/ 56>7 Ί0⁶ = 23,2 Sekunden.

2000 · 64 ·32,2

Die Schwingungsperiode der Ausführungsform nach Fig. 2 wird somit durch eine geeignete Formgebung der inneren Kammer etwa auf das dreifache gesteigert mit dem Ergebnis, daß eine natürliche Schwingungsperiode für die Hebung mit dem erwünschten hohen Wert von 23,2 Sekunden erreicht wird.

Bei der Kammer der Ausführungsform nach Fig. 3 ergibt sich bei den ansteigenden und fallenden Wellen fortwährend eine Veränderung des Wasserlinien-Querschnittes wodurch sich die Schwingungsperiode der Hebung des Schwimmkörpers ständig ändert. Das bedeutet, daß ein Schiff bzw. ein Schwimmkörper mit einer nach Fig. 3 gestalteten inneren Kompensationskammer nicht in Resonanzschwingung gebracht werden kann, da bei der dynamischen Situation eine natürliche Resonanzperiode nicht auftritt, d.h. sie existiert nur in der Theorie und im statischen Zustand, wo sie keine praktische Bedeutung hat.

Bei einer bevorzugten Konstruktion zur Erreichung einer geringen Hebung ergibt sich somit keine konstante Periode T_n oder ein einfacher analytischer Wert für T_n obwohl der Bereich für T_n bei der Ausführungsform nach Fig. 3 durch eine statische Analyse der

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Wasserlinien-Querschnitte bei verschiedenen Eintauchtiefen bestimmt werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist somit die Innenkammer gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 derart abgeändert, daß man einen wechselnden Wasserlinien-Querschnitt erhält, der sich automatisch mit der Eintauchtiefe der Kugel und mit dem sich ändernden mittleren Wasserpegel ändert. Die Kammer 70 nach Fig.3 erweitert sich an ihrem oberen Teil 90 trichterförmig radial nach außen. Dieser sich z.B. kegelförmig nach außen erweiternde Wandabschnitt 90 erstreckt sich vorzugsweise von unterhalb der Höhe des geometrischen Zentrums zu einem Punkt der etwa auf 2/3 der Höhe der Kugel liegt, von wo aus die Kammer sich nach oben in Form eines zylindrischen Wandabschnittes 94 bis zu einem Punkt unterhalb der Basis 19 erstreckt, von wo aus ein Deekelabschnitt 96 sich bis zum Durchmesser des ursprünglichen zylindrischen Wandabschnittes der Kammer erstreckt. (Unter dem ursprünglichen zylindrischen Abschnitt ist der Teil zu verstehen, der sich unten an den Teil 90 anschließt). Der Schrägungswinkel der sich erweiternden trichterförmigen Wand liegt etwa zwischen 30 bis bezogen auf die Horizontale. Im Betrieb ist der Schwimmkörper durch den üblichen Zement-Ballast und durch die Wasserhöhe im Behälter 52 ausgeglichen bzw. getrimmt, so daß während der Fahrt die maximale Wasserhöhe, die durch den Pfeil A angedeutet ist, etwas über dem Punkt liegt, an dem die Erweiterung beginnt (d.h. etwa in der Höhe des geometrischen Zentrums), während der niedrigste Wasserpegel während der Fahrt durch den Pfeil D angezeigt ist. Dies ermöglicht während der Fahrt μnterschiedliche Hebungsperioden, abhängig vom Zustand des Meeres, ohne daß eine strukturelle Modifikation der Kugel oder der Innenkammer erforderlich ist. Die Wasserlinien bzw. Wasser-Pegel während des Bohrens liegen im Bereich des erweiterten zylindrischen Abschnittes zwischen den Pfeilen B und C. Zwischen diesen Pegeln wird eine im wesentlichen konstante Menge von ruhigem Wasser im Innern des Schwimmkörpers erhalten.

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Durch die Innenkammer wird ferner ein Wasserlinien-Querschnitt erreicht, der bezüglich der Krümmung bzw. der Durchmesseränderung des kugelförmigen Schwimmkörpers variabel ist, d.h. bei einer schwachen Durchmesseränderung der Kugel im Bereich des Äquators hat die Innenkammer eine trichterförmige Erweiterung, während im Bereich des sich stärker ändernden Durchmessers der Kugel die Innenkammer im wesentlichen zylindrisch und gleichförmig ausgebildet ist. Der Wasserpegel des leeren Schwimmkörpers ohne Geräte, Materialien, sowie ohne Brennstoff oder Wasserballast, ist durch den Pfeil E angedeutet. Mit dieser Eintauchtiefe kann der Schwimmkörper sehr leicht geschleppt oder in flache Häfen gebracht werden.

Es wurde oben erläutert, daß eine abgestimmte bzw. ausgetrimmte kugelförmige Bohrinsel hinsichtlich der Hebung abgeglichen werden kann durch Verwendung einer Innenkammer längs ihrer vertikalen Achse. Diese Innenkammer hat eine integrierende Wirkung auf den Auftrieb des gesamten Schwimmkörpers. Diese Wirkung wird bei der Ausführungsform nach Fig. 3 betont, bei der die sich erweiternde Innenkammer eine automatisch sich ändernde Funktion bezüglich des Auftriebes darstellt. In derselben Weise wie oben erläutert wird durch eine Erhöhung der Wellenamplitude oder der Eintauchtiefe durch zusätzlichen Ballast die Periode der Hebung gedämpft. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion nach Fig. 3 liegt darin, daß je weiter die Kugel eingetaucht ist umso größer das Gewicht des ruhigen Wassers innerhalb des Schwimmkörpers wird. Hierdurch wird eine zusätzliche Stabilisierungskraft auf den Schwimmkörper erzeugt.

Die Kugel hat eine Ladefähigkeit, die gleich oder größer ist als diejenige von üblichen Halbtaucher-Bohrplattformen, obwohl ihre Gesamtabmessungen kleiner sind, z.B. 150 Fuß (45 m) gegenüber 300 Fuß (90 m) beim Halbtaucher. Die Kugel bietet daher weniger Angriffsflächen und weniger Möglichkeiten zur Erzeugung von Dreh-

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momenten, so daß generell Schlingerbewegungen geringer sind. Ferner werden die Belastungen und Spannungen der strukturellen Teile des Aufbaus reduziert. Der Wasserspiegel in der Innenkammer der Kugel ist relativ konstant bzw. gleichmäßiger als derjenige des äußeren Wassers, da er bzw. sein Pegel mehr vom Wasserdruck an der Bodenöffnung als vom Wellenprofil abhängt. Somit ergibt sich ein größeres Verdrängungsvolumen an der Wellentalseite als durch das Wellenprofil gegeben würde, und ein ähnlicher umgekehrter Effekt an der Wellenkammseite der Kugel.

Durch die Kombination dieser Wirkungen wird das durch die Wellenbewegung auf die Kugel induzierte Rollmoment stark reduziert gegenüber den bisher bekannten Schwimmkörpern und zwar auch gegenüber den sogenannten Halbtauchern, die gegenwärtig für Tiefseebohrungen verwendet werden. Dieser Vorteil läßt sich bei den bisherigen Schwimmkörpern auch nicht durch Fluten oder eine entsprechende Formgebung der säulenförmigen Auftriebskörper der Halbtaucher erreichen. Bei diesen ist der Wasserlinienquerschnitt auf mehrere separate Auftriebskörper z.B. 3 bis 8 Stück, verteilt. Die einzelnen Wasserlinienquerschnitte dieser tonnenförmigen Auftriebskörper werden ständig durch das örtliche Wellenprofil am jeweiligen Auftriebskörper beeinflußt, während der Auftrieb bei dem kugelförmigen Schwimmkörper durch die innere Wassermenge gleichmäßiger wird, da diese vom Wasserdruck an der Einlaßöffnung abhängt. Somit kann der Auftrieb oder die rückstellende Federkonstante der Kugel stark variiert werden und zwar bei wesentlich kleineren Änderungen der Eintauchtiefe als dies bei den Halbtauchern der Fall ist. Beispielsweise würde bei der Bohr-Eintauchtiefe der Schwimmkörper nach Fig. 3 nur so mit Ballast versehen, daß ein kleiner Wasserlinien-Querschnitt, eine kleine Hebung und eine kleine Federkonstante sich ergeben. Innerhalb einer vertikalen Bewegung von nur 5 Fuß (1,5 m) nimmt jedoch die Federkonstante

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stark zu, so daß auch schwere Lasten gehoben v/erden können ohne wesentliche Änderung der Eintauchtiefe. Wird eine ähnliche Herabsetzung der Pederkonstante bei konventionellen Halbtauchern versucht_ff so muß der volle Ausschlag der Welle aufgenommen werden oder eine reduzierte Auftriebsgeschwindigkeit über eine Höhe von z.B. IO bis 12 Meter. Die Wirkung einer geringeren Länge wäre klein wegen, des Fehlens des integrierenden Effektes auf die Wellenoberfläche beim Halbtaucher. Bei den bekannten Schwimmkörpern j, auch bei den Halbtauchern ist der Wasserlinien-Querschnitt so klein wie möglich gehalten, weshalb er über beachtliche vertikale Abstände nicht wesentlich reduziert werden kann, ohne daß beim Betrieb Probleme und Schwierigkeiten auftreten. Es ergibt sich hieraus, daß bei konventionellen Schwimmkörpern eine Reduzierung des Wasserlinien-Querschnittes bei kurzen vertikalen Abständen, wie dies z.B. bei der Ausführungsform nach Fig. 3 möglich ist, als Mittel zur Steuerung der Hebung unwirksam ist.

Die Dämpfungswirkung des Wassers und die Beschleunigung des Wassers in den Durchgängen der Innenkammer hängt nicht nur von der Größe des Wasserlinien-Querschnittes ab, sondern auch von der Größe der Einlaßföffnung zu der Innenkammer. Die letztere ist daher unten und oben offen, so daß weder Luft noch Wasser in ihr zurückgehalten wird und eine freie Flüssigkeitsströmung möglich ist. Da die Kammer oben und unten offen ist hängt die Druckhöhe des Wassers in der Kammer nur vom Druck des Wassers auf der Höhe der Einlaßöffnung ab.

In manchen Fällen kann es daher erwünscht sein, die Höhe der Einlaßöffnung zu ändern oder zu variieren ohne im übrigen den Aufbau oder die anderen Parameter des Systems zu modifizieren. Fig. 4 zeigt eine Einrichtung für diesen Zweck. Hier ist ein Hohlzylinder oder ein Teledcoprohr 100 in der Innenkammer angeordnet und mit Einrichtungen versehen, die es ermöglichen,das Rohr automatisch

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aus der Kammer auszufahren oder in sie zurückzuziehen. Hierzu kann beispielsweise ein Elektromotor oder ein hydraulischer Motor mit entsprechenden Transmissions-Teilen üblicher Bauart verwendet werden. Durch das Ausfahren des Rohres 100 wird die Einlaßöffnung nach unten verschoben und auf eine größere Tiefe unterhalb dem mittleren Wasserpegel gebracht als dies der Fall ist, wann die Einlaßöffnung am Boden des kugelförmigen Schwimmkörpers liegt. In dieser größeren Tiefe hat das Seewasser einen höheren Druck, wichtiger ist aber, daß sein Druck konstanter und wenijer von den Oberflächenwellen beeinflußt ist, was zur Folge hat, daß das Wasser in der Innenkammer ruhiger und gleichmäßiger gehalten werden kann. Durch eine unterschiedliche Ausfahrtiefe des Rohres 100 kann die Tiefe dbr Einlaßöffnung wahlweise verändert werden und die Integrationswirkung, d.h. der gleichmäßigere Druck des Seewassers an der Einlaßöffnung zur Stabilisierung der Hebung des Schwimmkörpers mit herangezogen werden.

Es ist bekannt, daß die Druckwirkungen der Wellen mit zunehmender Tiefe abnehmen. Diese Abnahme erfolgt logarithmisch und sie geht bei großen Tiefen asymptotisch gegen Null. Andererseits ist bereits bei einer Wassertiefe von nur 12 bis 15 Metern die Wirkung der Oberflächenwellen bereits um etwa 1/3 gegenüber der Wirkung an der Oberfläche reduziert, während bei einer Tiefe von 30 Metern die Druckänderungen noch wesentlich kleiner sind. Das Rohr 100 braucht somit nur etwa 30 Meter tief hinabreichen, um einen im wesentlichen konstanten bzw. gleichmäßgen Druck an der Einlaßöffnung zur Innenkammer zu erreichen, der im wesentlichen unabhängig von den Oberflächenwellen und ihrer Größe ist. Wird z.B. das Rohr nach Fig. 4 in Verbindung mit der Kammer nach Fig. 3 verwendet, so liegt die Änderung des Wasserspiegels in der Kammer unterhalb von etwa 2,4 Metern (8 Fuß) beim Durchgang einer Welle von etwa 12 Meter (40 Fuß). Die erfindungsgemäßen Merkmale tragen daher in unerwarteter Weise dazu bei, dem kugelförmigen Schwimm-

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körper mehr Stabilität zu geben.

Wie oben erläutert/ ist es erwünscht, die natürliche Schwingungsperiode der Schwimmkörper zu erhöhen, da nur eine geringe Wellenenergie im Wellenspektrum mit niedriger Frequenz und längerer Periode vorhanden ist. Da die Resonanz einer Wassersäule proportional zur Masse des Wassers ist, wird durch ein Herausfahren des Rohres und damit eine Verlängerung der Wassersäule die Resonanzfrequenz erniedrigt oder die Periode verlängert in Richtung auf Bereiche mit geringerer Wellenenergie. Ferner wird durch Ausfahren des Rohres nach unten eine größere Wassermenge in einem größeren Abstand vom Drehzentrum der Kugel angekoppelt und dadurch das Trägheitsmoment gegen Schlingern erhöht.

Da Wasser im wesentlichen inkompressibel ist, fällt der Zeitpunkt des Auftretens einer Welle an der Kugel mit dem Zeitpunkt des Auftretens eines entsprechenden Druckes am unteren Ende der Innenkammer zusammen, wodurch Phasenverschiebungen vermieden werden. Wenn die Wellenoberfläche an der Außenseite des Schwimmkörpers steigt, erfolgt daher die Veränderung der Oberfläche in der Kammer zeitlich im wesentlichen synchron und es werden Spitzen oder Stösse vermieden. Durch die Eintauchtiefe des Verlängerungsrohres 100, die schnell verändert werden kann, kann eine Anpassung an die Wellenbewegung d.h. ein möglichst gleichmäßiger Druck am Einlaßende erreicht werden.

Es ist außerdem möglich, den Ballast 28 nach Fig. 4 an dem ausfahrbaren Rohr 100 zu befestigen, so daß durch ein Ausfahren des Rohres nicht nur das Trägheitsmoment gegen Schlingern gesteigert wird, sondern auch die Höhe des Metazentrums des Schwimmkörpers vergrößert wird, was zu einer größeren Stabilität gegen Schlagseite führt.

Schließlich ergeben sich durch das Vorhandensein der ruhigen Wasser-

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menge in der inneren Kammer mit stabilem Pegel auch bei dynamischen See-Bedingungen weitere Vorteile. Wenn beispielsweise der Wasserspiegel des Wassers in der inneren Kammer sich bei grober See nur um z.B. 1,8 bis 2,4 Meter ( 6 bis 8 Fuß) ändert, kann besser als bisher ein schwimmendes Stützsystem für das Steigrohr benutzt werden, das'gegen den Staömungswiderstand des Meerwassers durch die Kammer und ihr Verlängerungsrohr geschützt ist. Da das Wasser in der Kammer ruhig ist, können Arbeiten unter Wasser auch bei grober See einfacher und mit größerer Sicherheit vorgenommen werden. Dies erhöht auch die Verwendungsfähigkeit der Plattform z«B. für Bergungszwecke und allgemeine Unterwasserarbeiten.

Da die bei der Dämpfung auftretenden Kräfte proportional zur Geschwindigkeit sind und da eine Steuerung >der Dämpfung wichtig ist für die Steuerung der Bewegung bei Eingangsfrequenzen in der Nähe der Resonanzfrequenz, ist es erwünscht, eine funktioneile Kontrolle der Größe der Dämpfungskraft und damit der resultierenden Wirkungen von Phase und Amplitude zu erreichen. Die Erfindung sieht hierzu eine im wesentlichen vollständige Steuerung der Dämpfungsfunktion der Bewegungsgleichungen vor. In den Figuren 5 bis 9 sind mehrere Ausfuhrungsformen von regelbaren Dämpfungsöffnungen dargestellt, die für die erfindungsgemäße Innenkammer geeignet sind. Es ist, wie bereits erwähnt, manchmal erwünscht, wenn die Kraft nicht in der Nähe der Resonanzfrequenz des Schwimmkörpers liegt, die Dämpfungskraft klein zu halten. Wenn jedoch diese Kraft, d.h. die Wirkung der Wellen bzw. ihre Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Schiffes bzw. Schwimmkörpers liegt ₀ wird dessen Bewegungsgang durch die Dämpfungskräfte bzw. durch die Erhöhung der Dämpfungskräfte wesentlich reduziert. Bei den Halbtauchern wird dies durch flache Oberflächen der Pontoons und durch eine dadurch erzeugte Wasserturbulenz bei vertikalen Bewegungen bewirkt. Bei ausgetrimmten Kugeln mit Innenkammern zur Kompensierung der Hebung, wie sie hier beschrieben

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sind, können jedoch wesentlich größere Dämpfungskräfte erzeugt werden durch teilweises Schliessen der unteren öffnung der inneren Wasserkammer. Dies kann erfolgen indem der Kanal bzw, die öffnung 74 in Fig. 2 mehr oder weniger geschlossen wird oder es kann ht©rzu ^ine einstellbare öffnung vorgesehen werden, wie sie durch die drehbare Schlitzanordnung nach den Fig. 5 und 6 dargestellt ist₆ Besonders zweckmäßig ist jedoch die Dämpfungseinrichtung nach den Figuren 7, 8 und 9, die durch Hebelarme voa innerhalb des Schwimmkörpers gesteuert und je nach Arbeitsweise mid Wetterbedingungen eingestellt werden kann, um die Beilegung des Sehwimmkörpers in jedem Zeitpunkt zu optimalisieren.

Bei der Ausführungsform nach den Figuren 5 und 6 wird eine feste Mindestdämpfung und eins feste maximale Dämpfung bewirkt, und das System erlaubt eine veränderliche Dämpfung zwischen diesen Grenzen bei einem kugelförmigen Schwimmkörper 10 mit einer Kammer 70, der auf einer Wasserlinie 20 schwimmt« Die Einrichtung umfaßt ein Paar ortsfester Dämpfungsplatten 102 und ein Paar beweglicher Dämpfungsplatten 104. Die Dämpfungsplatten sind Segmente eines Kreises mit einem Durchmesser gleich dem Durchmesser der Kammer. Die Sehnanläagen der Segmente sind jedoch kürzer als der Durchmesser. Die zwei ortsfesten Platten 102 sind an der Wand der laraner so befestigt, daß ihre Sehnen parallel und einander gegenüberliegen, um einen offenen zentralen Schlitz 106 mit im wesentlichen rechteckiger Form zu bilden, der sich in der Kammer in einer Ebene senkrecht zu ihrer Achse erstreckt. Der offene Schlitz 106 bildet die minimale Dämpfungsposition. Die beweglichen Dämpfungsplatten 104 sind unterhalb den ortsfesten Platten so montiert, daß sie in offener Position deckungsgleich unter diesen liegen, so daß der Schlitz 106 geöffnet bleibt. Die Platten 104 können bogenförmig um die Mittelachse der Kammer 70 verschwenkt werden. Beispielsweise kann der gekrümmte Rand der Platten 104 mit einer Zahnstange versehen sein, die in ein Ritzel eingreift, das durch einen geeigneten Elektromotor ange-

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trieben wird. Alternativ können auch hydraulische oder andere Einrichtungen benutzt werden. Wenn die Dämpfungsplatten 104 eingestellt sind, nehmen sie die in Fig. 6 gezeigte Position ein, so daß der vorherige Schlitz 106 auf eine quadratische öffnung reduziert worden ist. Diese öffnung bildet die maximale StrömungsVerengung und damit die maximale Dämpfung.

Die vorbeschriebene Dämpfungseinrichtung ist sehr einfach und damit billig sowie zuverlässig im Aufbau und im Betrieb.

Eine etwas komplexere aber vielseitiger verwendbare Dämpfungseinrichtung kann die Form einer Iris-Blende haben, wie sie beispielsweise bei optischen Linsen verwendet werden. Eine solche Einrichtung könnte in der Wand der Kammer 70 untergebracht werden, derart, daß in geöffneter Stellung ein freier zylindrischer Durchgang entsteht und praktisch keine Dämpfung erfolgt. Die Iris-Blende kann so gestaltet sein, daß sie den Durchgang ganz schließt, so daß die Wassermenge in der Kammer effektiv der Masse des Schiffes bzw. Schwimmkörpers hinzugefügt wird. Diese Ausführungsform ermöglicht eine vollständige Dämpfungssteuerung über die gesamte Fläche des Durchgangskanales, bei großen Schiffen bzw. Bohrinseln von z.B. 30 000 Tonnen Wasserverdrängung, sind die erforderlichen Kräfte jedoch groß, so daß die Einrichtung relativ massiv sein muß. Obwohl die Dämpfungseinrichtung in Form einer Irisblende eine sehr gute technische Lösung für die Dämpfungsregelung über den vollen Bereich liefert, so ist*dis3 doch in vielen Fällen nicht erforderlich und würde unnötige Kosten verursachen. . ■

Eine weitere wirtschaftliche und funktionell praktische Dämpfungseinrichtung, die eine Regelung über einen weiten Bereich zuläßt, ist die Dämpfungseinrichtung nach den Figuren 7 bis 9. In dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Blättern 110 vorgesehen, wobei jedes Blatt auf einer radial verlaufenden Welle 112 be-

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festigt ist, die sich von einer zentralen Nabe 114 durch die Wand 116 der Kammer 70 erstrecken. Bei jeder Durchtrittsöffnung einer Welle 112 durch die Wand der Kammer 70 ist eine Stopfbüchse 118 vorgesehen, um einen Eintritt von Wasser in den Schwimmkörper zu verhindern. Jede Welle 112 ist mit einer Kurbel 120 versehen, deren äußere Enden über ein Gestänge verbunden sind, durch das die Blätter 110 zusammen und gleichzeitig derart geschwenkt werden können, daß sie sich aus einer Position parallel zur Achse der Kammer 70 in eine Position senkrecht hierzu bewegen lassen, wobei in der letzteren Stellung die Staömung durch die Kammer im wesentlichen unterbrochen bzw. abgestellt ist. Die Nabe 114 kann massiv oder hohl sein, wie dargestellt, mit einem Innendurchmesser, der ausreicht, die Bohr- und Hubeinrichtung durch die Nabe hindurchzuführen. Die Nabe wird durch Streben 122 so gehalten, daß die Blätter 110 in allen Stellungen genügend Raum haben und die Streben nicht berühren. Die Streben 122 nehmen die Axialkräfte auf, die bei der Dämpfung auftreten. Wenn die Streben auf Zug belastet sind, können sie im Querschnitt klein gehalten werden, so daß sie keinen ins Gewicht fallenden Strömungswiderstand darstellen. Sie können, wie Fig. 7 zeigt, in Form von Stangen oder Stäben ausgebildet sein.

Fig. 9 zeigt eine Teilansicht der Kammer 70 mit Blickrichtung axial längs einer Achse eines Blattes 110 vom Kurbelende aus. Fig. 9 zeigt eine geeignete Einrichtung zur Betätigung und Bewegung einer Vielzahl von radial angeordneten Kurbeln, die gleichzeitig und über gleiche Winkel bewegt werden. Jede Kurbel 120 ist mit einem Arm 130 versehen, der über ein Verbindungsglied 132 mit seinem Außenende an einem drehbaren Ring 134 befestigt ist, der frei zwischen Führungen 136 gehalten ist. Wenn der Ring 134 gedreht wird, bewegt er gleichmäßig sämtliche Glieder 132 und die Kurbeln über einen Winkel von etwa 90°, wie in Fig. 9 gestrichelt dargestellt ist. Bei einer Drehung von 90° wird jedes

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Blatt 110 aus der vollständig geöffneten Position in die vollständig geschlossene Position geschwenkt.

In manchen Fällen kann es unerwünscht sein, dem Schwimmkörper ein Drehmoment zu geben infolge der Bewegung sämtlicher Blätter in derselben Richtung. Hier können daher die Blätter 110 abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden. Das hierzu notwendige Gestänge, das nicht gezeigt ist/ kann, einen oberen und einen unteren Ring haben, die entsprechend abwechselnd mit den Blättern verbunden sind und in entgegengesetzten Richtungen bewegt werden. Hierdurch wird es vermieden, dem Wasser ein Drehmoment und dem Schwimmkörper ein entsprechendes Rückdrehmoment zu erteilen.

Die Anordnung der Dämpfungseinrichtung in der vertikalen Achse der inneren Kammer hängt davon ab, ob die Dämpfungseinrichtung wasserdicht sein soll, so daß die Kammer leergepumpt werden kann, entweder, zu Wartungszwecken oder um den Ballast zu reduzieren, wenn die Anlage in flache Häfen gezogen werden soll.

Die innere Wasserkammer kann somit mit festen oder veränderbaren Dämpfungseinrichtungen versehen sein, um die Bewegung des Schwimmkörpers zu steuern und die Einflüsse von Wellen, Wind und Strömungen auszugleichen. Die öffnung am unteren Ende der Kammer ermöglicht es, daß nur solche Kräfte auf die Kammer wirken, die parallel zur vertikalen Achse des Schwimmkörpers sind, d.h. in Richtung der Hebung. Es können daher keine zufälligen Rollmomente auf den Schwimmkörper infolge unabgeglichener oder nicht vertikaler Wasserströmungen einwirken, da die Dämpfungskräfte nur in dem axialen zylindrischen Teil der Kammer auftreten. Die Kammer 70 ermöglicht es somit lange Schwingungsperioden für die Hebung zu erzielen, aber auch große Lasten bei kleinster vertikaler Bewegung des Schwimmkörpers anzuheben. Vorteilhaft ist ferner, daß das Wasservolumen der Kammer bekannt ist und

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eine vorgegebene Form, Höhe und Geschwindigkeit hat. Die Dämpfungskräfte können daher vorbestimmt und durch Veränderung der Dämpfungsöffnung geregelt werden.

Die innere Wasserkammer erstreckt sich somit längs einer vertikalen Achse des Insbesondere kugelförmigen Schwimmkörpers. Die Kammer ist oben und unten offen, um einen freien Fluß des Wassers zu ermöglichen, sie kann aber zur Dämpfung an ihrem unteren Ende mehr oder weniger oder auch ganz geschlossen werden. Die Periode der vertikalen Schwingung des Schwimmkörpers wird durch die Kammer größer als die Periode der vertikalen Schwingung der zu erwartenden Wellen gehalten.

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Claims

Patentansprüche

1. Schwimmkörper mit einem Insbesondere kugelförmigen Rumpf, der teilweise In Wasser eingetaucht 1st, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einer inneren Kammer (70) versehen ist, die in freier Verbindung mit dem äußeren Wasser (20) steht.

2. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß durch die Kammer (70) zusammen mit der Außenfläche des kugelförmigen Rumpfes (12) der Wasserlinien-Querschnitt des Schwimmkörpers im horizontalen Schnitt längs der Wasserlinie regulierbar ist, um die Eintauchtiefe des Rumpfes (12) zu steuern.

3. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Rumpf (12) eine solche Außenform hat, daß seine waagerechte Querschnittsfläche mit zunehmenden Abstand über der Wasserlinie abnimmt.

4. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die innere Kammer (70) eine solche Form hat, daß die waagerechte Querschnittsfläche des Rumpfes (12) mit zunehmenden Abstand über der Wasserlinie abnimmt.

5. Schwimmkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) symmetrisch längs einer vertikalen Achse, insbesondere der Mittelachse des Rumpfes (12), angeordnet ist.

6. Schwimmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende offen ist.

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7. Schwimmkörper nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) eine Wassermenge enthält, die mit dem äußeren Wasser (20) in Verbindung steht, derart, daß der Auftrieb des Schwimmkörpers bei verschiedenen Eintauchtiefen automatisch variierbar ist.

8. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sein Gesamtgewicht so gewählt und so verteilt ist, daß seine natürliche Schwingungsperiode um einen waagerechten Durchmesser und seine natürliche lineare vertikale Schwingungsperiode jeweils größer als etwa 10 Sekunden sind.

9. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gewicht und sein Inhalt so gewählt und so verteilt sind, daß seine natürliche Schwingungsperiode um einen waagerechten Durchmesser und seine natürliche lineare vertikale Schwingungsperiode jeweils größer als etwa 20 Sekunden sind.

10. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sein gesamtes Gewicht so gewählt ist, daß sich die Periode seiner natürlichen vertikalen Schwingung über 10 Sekunden liegt, berechnet nach folgender Gleichung

Tj₁ = 2 77* \| g * K2, worin

T_h die natürliche Periode der vertikalen Schwingung, W die Gesamtwasserverdrängung des Schwimmkörpers, g die Gravitationskonstante und

K2 die Änderung des Auftriebs je Längeneinheit der Änderung der Wasserlinie sind.

11. Schwimmkörper nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η -

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zeichnet , daß sein Gewicht so gewählt und so verteilt ist, daß seine natürliche Schwingungsperiode um eine waagerechte Achse über 10 Sekunden liegt, berechnet nach folgender Gleichung

^Tr - ² 77 I wh" ^worin

Tr die natürliche Schwingungsperiode beim Rollen, I das Trägheitsmoment des Schwimmkörpers um einen horizontalen Durchmesser,

W das Gesamtgewicht des Schwimmkörpers und h der vertikale Abstand zwischen dem geometrischen Mittelpunkt des Schwimmkörpers und seinem Schwerpunkt sind.

12. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) so angeordnet ist und solche Abmessungen hat, daß die Periode der vertikalen Schwingung des Schwimmkörpers größer ist als die Periode der vertikalen Schwingung der Wellen.

13ο Schwimmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) zylindrisch ausgebildet ist.

14. Schwimmkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) an ihrem unteren Ende mit einem Verbindungskanal (74) nach außen versehen ist.

ο Schwimmkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (70) einen sich nach oben und außen erweiternden trichterförmigen Abschnitt (90) aufweist, der im wesentlichen oberhalb der mittleren Wasserlinie angeordnet ist.

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16» Schwimmkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) aus einem unteren zylindrischen Abschnitt, der mit dem äußeren Wasser in Verbindung steht, einem sich an diesen oben anschliessenden konisch sich erweiternden Abschnitt (90), einen sich an diesen oben anschliessenden weiteren zylindrischen Abschnitt (34) sowie einen oberen zylindrischen Abschnitt aufweist, der sich nach oben zur Basis (18) des Schwimmkörpers hin öffnet.

17. Schwimmkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) mit einem Verlängerungsrohr (100) versehen ist, das sich vom unteren Ende der Kammer (70) aus nach unten erstreckt.

18. Schwimmkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Verlängerungsrohr (100) auf verschiedene Tiefen einstellbar ist.

19« Schwimmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Einschränkung bzw. Einstellung der Wasserströmung in die Kammer (70).

2Oe Schwimmkörper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß im Bereich des unteren Endes der Kammer (70) ortsfeste Dämpfungsplatten (102) und bewegliche Dämpfungsplatten (104) eingebaut sind, um den Querschnitt für den Durchtritt des Wassers in die Kammer (70) einzustellen.

21. Schwimmkörper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß im unteren Bereich der Kammer (70) eine Mehrzahl von verstellbaren Blättern (110) eingebaut

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ist, um den Durchflußquerschnitt für das Wasser, das in die Kammer (70) strömt, zu variieren.

22. Schwimmkörper nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Blatt (110) schwenkbar auf einer radial verlaufenden Achse (112) gelagert ist.

23. Schwimmkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß jede Achse (112) an ihrem inneren Ende an einer zentralen Nabe (114) befestigt ist, während sie mit ihrem äußeren Ende durch die Wand der Kammer (70) abgedichtet hindurchragt und an ihrem äußeren Ende mit einer Kurbel (120) versehen ist.

24. Schwimmkörper nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Kurbeln (120) sämtlicher Achsen (112) mittels eines Gestänges (130, 132) sowie eines drehbaren Ringes (134) gleichzeitig und gleichsinnig schwenkbar sind.

25. Schwimmkörper nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (112) alternierend gegensinnig schwenkbar sind.

26. Schwimmkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (70) eine solche Form hat, daß die waagerechte Querschnittsfläche des Rumpfes (12) mit zunehmendem Abstand über der Wasserlinie von einem Punkt aus, der wenigstens etwa 0,3 Meter über der Wasserlinie liegt, wieder zunimmt.

27. Schwimmkörper nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Neigung des konischen Abschnittes (90) einen Winkel von etwa 30 bis etwa 45° zur Horizontalen bildet.

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28. Schwimmkörper nach Anspruch 15, 16 oder 27, dadurch gekennzeichnet , daß der konische Teil (90) der Kammer (70).etwas unterhalb des geometrischen Zentrums (14) des Rumpfes (12) beginnt und sich bis zu etwa 2/3 der Höhe des kugelförmigen Rumpfes (12) erstreckt.

29. Schwimmkörper nach einem(fer vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in der Kammer (70) ein Schwimmer (82) zur Abstützung eines Steigrohres (83) angeordnet ist, der auf dem Wasserspiegel des sich in der Kammer (70) befindlichen Wassers schwimmt.

30. Verfahren zur Steuerung der Schwingungsperiode der vertikalen Hebung und Senkung eines Schwimmkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet , daß eine innere Kammer des Schwimmkörpers über eine am unteren Ende des Schwimmkörpers angeordnete Öffnung wenigstens teilweise mit Wasser gefüllt und ständig in Verbindung mit dem äußeren Wasser gehalten wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt von Wasser in die Kammer reguliert wird.

32. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er mit eigenen Antriebseinrichtungen (42) versehen ist.

33. Schwimmkörper nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einer Vielzahl von Schrauben versehen ist, die um eine vertikale Achse zum Antrieb in jeder Richtung schwenkbar sind.

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34. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil seines Rumpfes (12) aus Beton besteht.

35. Schwimmkörper nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet , daß der Beton ein vorgespannter Beton ist.

ο Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einer Vielzahl von Kammern und Tanks zur Aufnahme von Geräten, Ausrüstung oder öl versehen ist.

ο Schwimmkörper nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet , daß er mit Einrichtungen zum Beladen und Entladen versehen ist.

38. Schwimmkörper nach Anspruch'36, dadurch gekennzeichnet , daß er zur Bildung der Kammern mit
zylindrischen und radialen Wänden versehen ist.

39. Schwimmkörper nach Anspruch"1, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einer Anlage zur Energieerzeugung versehen ist.

40. Schwimmkörper nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwimmer (82) mittels Rollen (84) an der Innenwand der Kammer (70) abgestützt und
geführt ist.

41. Schwimmkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil des Ballastes (28) an dem Verlängerungsrohr (100) befestigt ist.

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