DE4105499A1 - Vorrichtung zum daempfen von wellen bzw. wellenreflexionen an schwimmenden objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen der Oberflächenwellen bzw. Wellenreflexionen in Fluiden an schwimmenden Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei schwimmenden Einsatzgeräten zur Bekämpfung von Meeresverun­ reinigungen, z. B. Öl oder Chemikalien, auf der Wasseroberfläche oder am Meeresboden, wird das Aufnahmegerät durch den herrschenden Seegang in seiner Leistungsfähigkeit mehr oder weniger stark beeinträchtigt. Die Wel­ len werden an Fahrzeugwänden reflektiert und steilen sich erheblich auf. Da es sich hier oft um Systeme handelt bei denen die Wellen in eine trich­ terförmige Verengung laufen, kommt es aufgrund von Seitenwandreflexionen zu einem dreidimensionalen chaotischen Seegang, der die Effektivität des Aufnahmesystems (z. B. Ölabschöpfgerät) stark mindert. Deshalb können diese Systeme schon bei relativ schwachem Seegang nicht mehr wirkungs­ voll eingesetzt werden. Die Arbeitsgrenze von Ölabschöpfsystemen liegt bei einer Wellenhöhe von ca. 2 m.

Halbdurchlässige ortsfeste Wellenabsorber bzw. Wellenfilter sind u. a. be­ kanntgeworden durch Jarlan 1961 [4], Hamill 1963 [2], Goda und Ippen 1964 [1], Madsen 1983 [5] sowie Jamieson und Mansard 1987 [3]. Diese Wellen­ absorber haben eine Baulänge die im Bereich der zu absorbierenden Wel­ lenlänge liegt, sie sind aber für den Einsatz bei schwimmenden Objekten nicht geeignet. Diese Wellenabsorber können aufgrund ihrer relativ kom­ pakten Strukturen nicht bei sich bewegenden Objekten eingesetzt werden, da sie u. U. neue Wellen erzeugen, anstatt die Reflexion der ankommenden zu dämpfen. Die Transparenz der Wellenabsorber spielt eine wichtige Rolle, denn durch eine Bewegung des Wellenabsorbers dürfen keine bzw. nur kleine Wellen erzeugt werden.

Um die Einsetzbarkeit bzw. die Effektivität von schwimmenden Geräten, z. B. Ölabschöpfgeräten, zu erhöhen muß die Reflexion der Wellen am Gerät verhindert bzw. verringert werden oder/und die Wellen müssen am Be­ ginn von Einlaufverengungen gedämpft werden. Weiterhin dürfen die Wel­ len nicht am Einsatzfahrzeug brechen, da dies z. B. bei Fahrzeugen zur Ölbekämpfung zu einer Vermischung von Wasser und Öl führt, so daß die Effektivität drastisch vermindert wird.

Geräte zum Dämpfen von Wellen bzw. Wellenreflexionen an schwim­ menden Objekten wurden nach unseren Recherchen bisher nur von OHB- System entwickelt. Die Nummer der Patentanmeldung Vorrichtung und Verfahren zur Absorption von Wellenbewegungen in Gewässerreinigungs- Geräten, Arbeitsbereichen an Schiffen, Offshorebauwerken und landseitigen Pier-Einrichtungen liegt uns jedoch leider noch nicht vor. Dieses System ist aber bei hochviskosen Stoffen (Öl) aufgrund der verwendeten kompakten porösen durchströmbaren Platten nur sehr bedingt einsetzbar. Auch das vorgeschlagene Reinigungsverfahren funktioniert bei hochviskosen Stoffen bzw. Treibsel nur sehr eingeschränkt.

Eine Verbesserung der Reinigungsmöglichkeiten und damit die Gewähr­ leistung einer einsatzfähigen Wellenabsorption ist hier gefordert.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Die Vorrichtung zum Dämpfen der Wellen bzw. Wellenreflexionen an schwimmenden Objekten, hinfort als Wellenabsorber bezeichnet, besteht aus einzelnen stabartigen vertikal, horizontal oder beliebig angeordneten Elementen beliebigen Querschnitts, hinfort als Wellenabsorberelemente be­ zeichnet, die sowohl in Reihen als auch beliebig angeordnet sein können. Die Wellenabsorber können aus selbsttragenden Rosten bestehen, so daß eine Nachrüstung vorhandener Systeme keine großen Umbaumaßnahmen er­ fordert. Abb. 1 zeigt z. B. einen in 4 Reihen angeordneten Wellenabsorber, mit vertikalen Wellenabsorberelementen progressiver Durchlässigkeit 64%, 50%, 40% in. 30% (siehe Abb. 3). Der Wellenabsorber kann sowohl zur Dämpfung der durchlaufenden Wellen als auch zur Dämpfung der Wellen­ reflexionen verwandt werden.

Werden Wellenabsorber bei Geräten zur Bekämpfung von Meeresverun­ reinigungen eingesetzt, muß der Wellenabsorber gereinigt werden können, um nicht zu verstopfen und damit wirkungslos zu werden. Dieses bisher noch nicht ausreichend gelöste Problem wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 2 und 3 angegebenen Mitteln gelöst. Die Wellenabsorberele­ mente werden zu diesem Zweck aus Rohren beliebigen Querschnitts gebaut. Durch diese Rohre können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase mit hohen Temperaturen gepumpt werden, dies verhindert z. B. beim Ölbekämpfungs­ einsatz eine Klumpenbildung am Wellenabsorber, da durch die hohen Tem­ peraturen des Wellenabsorberelements das Öl verflüssigt wird bzw. flüssig bleibt. Zu diesem Zweck können die Wellenabsorberelemente miteinander verbunden werden oder als umläufige Doppelrohre ausgeführt werden (siehe Abb. 2).

Als Alternative dazu können die aus Rohren beliebigen Querschnitts aufgebauten Wellenabsorberelemente auch mit Bohrungen beliebiger Form (rund, quadratisch usw.) und Anordnung versehen werden. Werden nun in die am Ende geschlossenen Rohre Flüssigkeiten oder Gase gepreßt, so tre­ ten diese unter Druck durch die Öffnungen (Düsen) in den Wellenabsorber­ elementen aus und reinigen den Wellenabsorber. Dies kann mit variablen Drücken sowohl permanent als auch pulsierend geschehen (siehe Abb. 3). Die einzelnen Düsen können aber auch jeweils mit einer eigenen Leitung versorgt und damit auch einzeln angesteuert bzw. eingesetzt werden. Die Leitungen hierfür können in den hohlen Wellenabsorberelementen unter­ gebracht werden. Verstopfungen des Wellenabsorbers können so gezielt bekämpft werden.

Literaturverzeichnis References

[1] Y. Goda and A.T. Ippen. Theoretical and experimental investigations of wave energy dissipators composed of wire mesh screens. Technical Re­ port Contract No. Nonr-1841(59), NR-062-228, Office of Naval Research, U. S. Department of the Navy, Washington, D. C., Hydrodynamics La­ boratory, Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge 39, Massachusets, August 1964.

[2] P.A. Hamill. Ezperimentel Development of a Perforated Wave Absorber of simple Construction and Minimum ength. Mechanical Engineering Report Mb-252, National Council of Canada, Ottawa, May 1963.

[3] W.W. Jamieson and E.P.D. Mansard. An efficient upright wave absor­ ber. In ASCE Specialty Conference on Hydrodynamics, University of Delware, Newmark, Delaware, June 29-July 1 1987.

[4] G.E. Jarlan. A Perforated Vertical Wall Breakwater - an examination of mass-transport effects in gravitational waves. The Dock & Harbour Authority, April 1961.

[5] F.A. Madsen. Wave reflection from a vertical permeable wave absorber. Coastal Engineering, 381-396, 7 1983.

Beispiele Beispiel 1: Vorrichtung zum Dämpfen der Wellen (Durchlaufdämpfung)

Die Vorrichtung zum Dämpfen der Wellen wird am Ölbekämpfungsfahr­ zeug MPOSS (Multi-Purpose-Oil-Skimming-System), stationiert in Bremer­ haven, aufgezeigt (siehe Abb. 4). Der Wellenabsorber ist am Einlaufbeginn des Ölbekämpfungsfahrzeuges eingebaut, so daß die durchlaufenden Wellen gedämpft werden (siehe Abb. 4). Die Wellenabsorberelemente des Wellen­ absorbers bestehen aus Rohren mit rechteckigem Querschnitt 40 mm×100 mm (siehe Abb. 3). Diese Wellenabsorberelemente sind unter Wasser bis zum höchstmöglichen Wellenkammniveau über der Ruhewasserlinie mit Boh­ rungen (⌀10 mm) versehen (siehe Abb. 3) Durch den an Bord installierten Dampfgenerator wird mit Druck Heißdampf durch die einzelnen Wellenab­ sorberelemente gepreßt, der durch die einzelnen Düsen in den Wellenab­ sorberelementen freigesetzt wird und auf diese Weise den Wellenabsorber bzw. die einzelnen Wellenabsorberelemente reinigt. Dies kann ständig oder je nach Bedarf durch ein permanentes bzw. impulsartiges Ausstoßen des Dampfes geschehen. Die Wellenabsorberelemente werden vertikal in vier Reihen mit jeweils unterschiedlichen Abständen angeordnet. Die vier Rei­ hen haben einen Abstand zueinander von jeweils 60 cm, d. h. der Wellenab­ sorber zur Dämpfung der einlaufenden Wellen hat eine Arbeitslänge von 3 · 0,60 m = 1.80 m. Die Abstände der einzelnen Wellenabsorberelemente einer Reihe sind konstant, die der einzelnen Reihen variieren von 180 mm über 100 mm, 66.6 mm bis 43 mm, d. h. die Durchlässigkeiten der einzelnen Reihen

betragen 64%, 50%, 40% und 30% (siehe Abb. 1). Die Wellenabsorberelemente haben den gleichen Tiefgang wie das Ölbekämp­ fungsfahrzeug.

Versuche mit dieser Konfiguration zeigen, daß die Wellenhöhe je nach Kreisfrequenz ω = 2πf (f Frequenz der Welle) von 5% bei langen Wellen bis zu 50% bei kurzen Wellen reduziert wird. Die in Abb. 5 dargestellte Kurve zeigt die Relative Wellenhohe (Quotient von gedämpfter und un­ gedämpfter Wellenhöhe) als Funktion der Kreisfrequenz. Weiterhin zeigt die Abb. 5, daß die Effektivität des Wellenabsorbers mit zunehmender Wel­ lenhöhe steigt, d. h. je nötiger es wird Wellen zu dämpfen um so besser wirkt der hier beschriebene Wellenabsorber. Aufgrund des Bewegungsver­ haltens des Ölbekämpfungsschiffes (bei langen Wellen folgt das Schiff den Wellenauslenkungen und bei kurzen Wellen steht das Fahrzeug ganz ruhig im Seegang) folgt, daß vor allem die mittleren und kurzen Wellen gedämpft werden müssen und dies gelingt durch den hier beschriebenen Wellenabsor­ ber sehr gut.

Beispiel 2: Vorrichtung zum Dämpfen der Wellenreflexionen

Die Vorrichtung zum Dämpfen der Wellenreflexionen wird auch am Ölbekämpfungsfahrzeug MPOSS (Multi-Purpose-Oil-Skimming-System) aufgezeigt (siehe Abb. 6). In diesem Beispiel wird der gleiche Wellenabsor­ ber wie in Beispiel 1 eingesetzt (siehe Abb. 1). Der Wellenabsorber ist an der Einlaufrückwand sowie an den Seitenwänden des Ölbekämpfungsfahrzeuges angebracht (siehe Abb. 6). Die Abstände der einzelnen Wellenabsorberrei­ hen betragen beim Wellenabsorber an der Einlaufrückwand jeweils 0.60 m (Absorberlänge 4·0.60 m = 2.40 m) und an den Seitenwänden 0.175 m (Ab­ sorberlänge 4·0.175 m = 0.70 m).

Die Wasserspiegelauslenkungen wurden hier im Gegensatz zu Beispiel 1 relativ zu den Bewegungen des Trägerfahrzeugs gemessen. Die Versuche zei­ gen, daß eine Reduktion der Wellenhöhe im Einlaufbereich des MPOSS über den gesamten Frequenzbereich um mehr als 30% beobachtet werden kann. Bei Wellen ω < 2rad/s wird der Seegang durch den Wellenabsorber mehr als 60% gesenkt (siehe Abb. 7). Die Wellenhöhen liegen hier, da sie relativ zur Schiffsbewegung gemessen werden, unter der Wellenhöhe des Seegangs im Umgebungsbereich des Fahrzeugs.

Auch hier zeigt der eingesetzte Wellenabsorber eine sehr gute Dämpfung der Wellenreflexion, außerdem traten bei den Versuchen mit Wellenabsorber keine Wellenbrechungen auf, obwohl die Versuche bis zu Wellenhöhen, die die Betriebssicherheit des Gesamtsystems gefährdeten, durchgeführt wur­ den. Ohne Wellenbrecher treten erhebliche Wellenbrechungen auf und die Betriebssicherheit wird schon bei wesentlich kleineren Wellenhöhen durch die brechenden Wellen gefährdet.

Die Vorteile der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Erfindung sind eine Erhöhung der Effektivität von schwimmenden Einsatz­ geräten zur Bekämpfung von Meeresverunreinigungen durch Dämpfung der einlaufenden Wellen bzw. deren Reflexionen. Weiterhin werden die Einsatz­ grenzen des Aufnahmesystems erst bei größeren Wellenhöhen erreicht.

Da sich Schiffsunglücke (Tankerunfälle etc.) aber fast ausschließlich bei schwerer See ereignen und Reinigungsarbeiten so früh wie möglich beginnen müßten um effektiv zu sein, kann durch diese Erfindung ein sofortiger und effizienter Einsatz auch in höheren Wellen erzielt werden, was bei bisherigen Systemen nicht möglich war.

Bildverzeichnis

1 Vorrichtung zum Dämpfen der Wellen bzw. Wellenreflexionen an schwimmenden Objekten - am Beispiel MPOSS
2 Wellenabsorberreinigung - Alternative 1 nach Anspruch 2 (Durchströmung von Flüssigkeiten oder Gasen mit hoher Temperatur)
3 Wellenabsorberreinigung - Alternative 2 nach Anspruch 3 mit Reinigungsdüsen) und Detailzeichnung (1)
4 Vorrichtung zum Dämpfen der Wellen (Durchlaufdämpfung) - MPOSS-Trägerfahrzeug
5 Relative Wellenhöhe bei einem Wellenabsorber im Einlaufbereich des MPOSS bzw. davor
6 Vorrichtung zum Dämpfen der Wellenreflexionen - MPOSS- Trägerfahrzeug
7 Übertragungsfunktion der Wellenhöhen im Einlaufbereich des MPOSS-Trägerfahrzeugs mit und ohne Wellenabsorber

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Dämpfen von Wellen bzw. Wellenreflexionen an schwimmenden Objekten (Wellenabsorber) dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenabsorber aus einzelnen stabartigen vertikal, horizontal oder beliebig angeordneten Wellenabsorberelementen beliebigen aber hydrodynamisch transparenten Querschnitts aufgebaut ist, die sowohl in Reihen als auch beliebig über den Absorberkörper ver­ teilt sind (siehe Abb. 1). Mit diesem Wellenabsorber ist sowohl eine Dämpfung der durchlaufenden Wellen als auch eine Minderung der Wellenreflexionen an Wänden möglich.

2. Vorrichtung zum Dämpfen von Wellen bzw. Wellenreflexionen an schwimmenden Objekten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen stabartigen Elemente Rohre mit beliebiger Quer­ schnittsfläche verwendet werden. Durch diese innen hohlen Elemente können Flüssigkeiten bzw. Gase (Wasserdampf) mit hohen Tempera­ turen gepumpt werden, ein Verstopfen kann so durch beheizte Wellen­ absorberelemente verhindert werden. Hierzu können Doppelrohre als Element verwendet werden oder die Elemente (Einzelrohre) werden miteinander verbunden (siehe Abb. 2).

3. Vorrichtung zum Dämpfen von Wellen bzw. Wellenreflexionen an schwimmenden Objekten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den einzelnen Elementen (Rohre mit beliebigen Querschnit­ ten) Öffnungen (Düsen) beliebiger Form und Anordnung angebracht werden. Der Absorber wird durch Flüssigkeiten bzw. Gase (Wasser­ dampf), die permanent oder impulsartig durch diese Öffnungen ge­ preßt werden, gereinigt. Alternativ können die einzelnen Düsen jeweils mit einer eigenen Leitung versorgt und damit auch einzeln angesteuert bzw. eingesetzt werden.