NO327944B1 - En finne for reduksjon av vannstrom-indusert belastning pa et marint stigeror - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen gjelder en roterbar finne (1) for et marint stigerør (2) eller annen slank marin struktur. Finnen (1) er anordnet på stigerøret for å redusere vannstrøm-induserte belastninger på stigerøret (2), hvor finnen (1) har en haledel (3) som generelt skal henge 5 etter nedstrøms, bak stigerøret. Finnen (1) er utstyrt med en dempningsenhet (8) for å motvirke ustabil rotasjon av finnen (1) i forhold til stigerøret (2), for å forebygge uønskede vibrasjoner av stigerøret (2). Finnen er utstyrt med en eller flere klammere (10) for feste til og omkring en periferi av stigerøret (2), hvor klammerne (10) er utstyrt med en tannrand (12) for inngrep med et aktuerende tannhjul (14) på dempningsenheten (8). 10

Description

Innledning

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en roterbar finne for et marint stigerør, hvor finnen er for å redusere vannstrøminduserte krefter og belastninger på stigerøret. Marine stigerør og andre strukturer som står i en vannstrøm kan være utsatt for uønskede såkalte virvel-induserte vibrasjoner. Slike vibrasjoner kan til slutt påføre utmatningsskade på strukturen.

Virvel-induserte vibrasjoner er forbundet med virvelstrømmer som dannes på grunn av at vannstrømmen deles av røret og gjenforenes nedstrøms bak røret, vennligst se på Fig. 2. Den nedstrøms frigjøringen av virvelstrømmene kan resultere i en uønsket åttetallsbevegelse i retninger som peker vinkelrett på rørets akse og med en hovedbevegelse i retningen vinkelrett på strømretningen. Slike virvel-induserte vibrasjoner omfatter bølgebevegelser langs strømmens retning og på tvers av strømretningen. Slike virvel-induserte vibrasjoner kan medføre bøyebelastninger og aksiale belastningene på stigerøret. Virvel-induserte vibrasjoner mistenkes for å ha påført tretthetssvikt på dype borestigerør i de senere år.

Virvel-induserte vibrasjoner kan generelt være et problem ved borestigerør, produksjonsstigerør, fortøyningsliner, strekkstag, "spar"-skrog, og plattformsøyler for de generelt vertikalt orienterte strukturer, og også for generelt horisontalt anbrakte rørledninger som spenner over en forsenkning i sjøbunnen.

Et typisk stigerør har en diameter på 0,30 m og er utsatt for en strømningshastighet på 1,5 m/s og kan ha en svingefrekvens fv = 1 s, og en tverrstrømsamplitude på om lag en diameter.

For et vertikalt stigerør som strekker seg mellom en flytende plattform og sjøbunnen har stigerøret en høyde på f.eks. 2000 m og som er utsatt for et strømhastighetsprofil, kan den vertikale strukturen opptre som en streng som vibrerer i flere harmoniske modi, opp til det 50. modus dersom strømningshastigheten er høy. Det horisontale strømningshastighetsprofilet vil vanligvis ha en vertikalgradient med de høyeste strømningshastighetene nær sjøoverflaten. Stigerøret kan således være utsatt for en hastighetsgradient som kan indusere et økende antall konkurrerende modi når hastighetsgradienten øker og vibrasjonsresponsen vil være vanskelig å forutsi.

Bakgrunnsteknikk

To forskjellige tilnærminger har vanligvis blitt anvendt for å forebygge uønskede virvel-induserte vibrasjoner. En første tilnærming benytter såkalte "strakes", som vi kan kalle "strekere" på norsk, dvs. helisk anordnede kontinuerlige lavprofilsfinner anordnet langs røret som er utsatt for vannstrømmen. Strekere er laget med forskjellig helisk stigning og med enkle, dobbeltstartende eller trippelstartende helikser rundt røret. Et rør utstyrt med strekere kan ha en vesentlig redusert tverrstrømsforflytning sammenlignet med et nakent rør i vannstrømmen. En betraktelig ulempe med strekere er imidlertid at de på en vesentlig måte øker strømningsmotstanden og kan således øke den vertikale og horisontale belastning på stigerørssystemet, fortøyningssystemet og plattformen.

En annen tilnærmelsesmåte for å forebygge virvel-induserte vibrasjoner omfatter mange typer av såkalte "fairings", dvs. finner med vanndråpe-profil som er anordnet mer eller mindre konsentrisk omkring røret med den hensikt å redusere strømningsmotstand og motvirke virvel-induserte vibrasjoner.

Passivt roterbare finner brukes for å redusere strømningsmotstand og for å motvirke virvel-induserte vibrasjoner på et stigerør. En vesentlig ulempe forbundet med bruken av tradisjonelle finner er at for effektivt å forebygge virvelinduserte vibrasjoner må bladlengde i forhold til diameter være et høyt forholdstall, og således øker strømningsmotstanden. Videre, dersom slike langhalede finner anordnes så øker vekt belastningen på stigerøret og således på den bærende plattformen på en uhensiktsmessig måte. Langhalede finner kan også våre dyrt å installere og å vedlikeholde.

Imidlertid har passivt roterbare finner vist seg å være ustabile under bestemte omstendigheter, så som høye relative vannhastigheter kombinert med relativt kort bladlengde-til-diameter forhold for finnen. Ustabiliteten som her nevnes ligner såkalt galoppering eller "fluttering", som begreper brukt i bygningsteknikk og skipsteknikk og luftfartslitteratur. Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å forebygge slik instabilitet for finnen.

En artikkel publisert i forbindelse med Offshore Technology Conference kalt OTC 16342, "Flutter instability in riser fairings", av S. T. Slocum et al., 2004, beskriver eksperimenter som involverer modellfinner for stigerør, hvor modellfinnene er konstruert for å rotere fritt om en rørakse og passivt innrettes med retningen av den innkommende strøm slik at de strømlinjeformer strømmen uavhengig av strømningsretningen. Det blir observert at den rotasjonsmessige frihetsgraden medfører en uønsket koblingseffekt mellom tverrstrøms forflytning og rotasjon for finnen og røret.

Mange finner er kjent fra allment tilgjengelige patenter og patentsøknader.

US5410979 beskriver relativt små faste dråpeformede finner for virvel-indusert vibrasjonsundertrykking. Finnene er beskrevet som ikke-roterbare. Akselerometre er nevnt i kolonne 3, linjene 39-47 for måling av akselerasjoner av en modell av en stigerøresmodell utstyrt med finner. Målingene er gitt som RMS av akselerasjon for varierende angrepsvinkler fra vannstrømmen i forhold til finnens faste retning. US5410979 nevner videre US4398487 og US4474129 som beskriver passivt roterbare finner.

US4474129 definerer en finne bygget opp av syntetisk skum og utformet i to symmetriske deler som kan festes på frigjørbar måte til stigerørs-oppdriftsmoduler. Finnen har en nøytral oppdrift i vann.

US4398487 definerer en roterbar finne med lagerelementer innrettet til å forbindes med et vertikalt sylindrisk element så som en oppdriftsmodul på et marint borestigerør. Finnen omfatter et front- eller neseparti med en vertikalt anordnet sentral utboring for det generelt sylindriske oppdriftselementet av stigerøret. Halvsylinder-overflaten av frontpartiet danner en jevn overgang symmetrisk på begge sider av stigerørsaksen til et haleparti innrettet for å svinge passivt med vannstrømmen. Halefinner er innrettet på den bakom hengende delen av halepartiet og hjelper finnen til å innrette seg med vannstrømmen.

US6067922 beskriver en finne fremstilt fra en enkelt plate som er bøyd rundt stigerøret og av hvilken de platene som utgjør halen forbindes ved hjelp av festebolter og innrettet for å innrette seg praktisk talt med vannstrømmen.

US6179524 beskriver faste finner anordnet med forskjellige orienteringer om en strømretning som antas å være en fremtredende strømretning.

US6196768 beskriver en roterbar finne for et helt skrog av en såkalt "spar"-bøyeplattform. Finnen er gitt nøytral oppdrift. I kolonne 4, linjene 7-15 er det beskrevet at finnen kan roteres ved å bruke fortøyningsliner.

US6223672 nevner fast monterte finner og nevner de samme US4398487 og US4474129 som ovenfor, hvor det hevdes i kolonne 1, linje 66, at "Videre gjør det undersjøiske miljøet som finnene må operere i, det sannsynlig at de roterbare elementene raskt vil svikte". Således blir roterbare finner betraktet som upålitelige i den kjente teknikken.

US6551029 omfatter en pumpe (101), se US-patentets Fig. 2, hvor pumpen (101) befinner seg på dekk av plattformen. Pumpen (101) i US-patentet er plassert på et plattformdekk og forbundet med åpningene (108) gjennom separate ledninger i det lange stigerøret. En slik fjernt anordnet pumpe vil oppleve et stort trykktap både ved utpumping og innsuging. Den fjernt anordnede pumpen gir trykkenergi til vann som strømmer ut eller inn gjennom sideveis åpninger i fairingen. US-patentets apparat foretar altså pumping av vann inn og ut gjennom grenseflaten mellom stigerør/fairing og det omgivende havets strøm. US-patentet viser at finnen er utstyrt med dyser for å motvirke uønskede vibrasjoner, og at pumpen er anordnet via tilkoblingsledninger fra en fjerntliggende plass på plattformdekket.

US4657116 beskriver i kolonne 1, linje 65, problemet ved at tilstedeværelsen av sterke havstrømmer kan indusere borestrengsvibrasjoner som setter vibrasjonsfølsomt utstyrt på spill. I US-patentet konstateres det at resultatet av oppfinnelsen er at utstyret vil bli isolert fra resonante vibrasjoner i et rør som løper omkring stigerøret av sjokkabsorberende deler. I US-patentet hvor fairingen er festet til en roterbar hylse som er innrettet til å gli og rotere på stigeøret, har altså en fairing som ikke kan påvirke stigerøret med torsjonskrefter eller sideveis virkende krefter. Det beskriver således en annen problemstilling enn den som foreliggende oppfinnelse løser, og også en løsning med en løst svingende fairing som foreliggende oppfinnelse ikke kan benytte.

US6189475 beskriver motoriserte finner plassert langs en tauekabel for utstyr i sjøen, hvor finnene hver for seg har fremdriftspropeller for å overvinne vannmotstanden under fremdrift. US-patentet omfatter altså finner med en fremdriftsmotor som må tilføres energi utenfra for at finnen både enkeltvis og i kombinasjon skal gi den kabelen som de er montert på en aktiv fremdrift. Hver aktiv finne er utstyrt med en fremdriftspropell.

US6401646 beskriver en finne som kan presses på plass.

US6415730 viser en finne med mange forsenkninger i overflaten for å redusere vannets friksjon i forhold til finnens overflate, således for å redusere strømningsmotstanden i vannet.

Kort sammendrag av oppfinnelsen

En løsning for vesentlig å redusere de ovennevnte problemene er fremskaffet ved oppfinnelsen som gitt i det vedlagte krav 1, som er en roterbar finne for et marint stigerør eller annen slank marin struktur, hvor finnen er innrettet til å redusere vannstrømsinduserte belastninger på stigeøret hvor finnen har et haleparti for å følge generelt i en nedstrøms retning bak stigerøret, og hvor det fordelaktige nye og kjennetegnende for oppfinnelsen er at finnen er utstyrt med en lokalt anordnet energi-dissiperingsenhet innrettet til å omdanne finnens rotasjonsenergi i forhold til stigerøret til en annen energiform for å motvirke ustabil rotasjon av finnen i forhold til stigerøret med formål å motvirke uønskede vibrasjoner av stigerøret.

Ytterligere fordelaktige trekk er fremvist i de vedlagte underordnede kravene.

Kortfattet figurforklaring

Oppfinnelsen er illustrert i de vedlagte tegningene, som er ment å være illustrerende og som ikke skal oppfattes på en begrensende måte for oppfinnelsen, som kun skal være begrenset av de vedlagte kravene. Fig. 1 er en illustrasjon av en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen, med en energi-dissiperingsenhet anordnet mellom en roterende finne og et stigerør. Fig. 2 illustrerer problemet med virvel-induserte vibrasjoner for et stigerør i en strøm på grunn av virvel-avkasting. Stigerørets akse vil bli tvunget til å følge en åttetallsformet bane eller et enda mer komplekst bevegelsesmønster. Amplituden på de tverrstrøms svingningene vil være omtrent en diameterstørrelse av stigerøret. De medstrøms rettede svingningene kan være om lag en kvart diameter av stigerøret. Fig. 3a illustrerer en generelt horisontal tverrsnittsmodell av en finne i henhold til bakgrunnsteknikk representert ved OTC 16342, hvor finnen er anordnet roterbar om et rørsenter, utstyrt med en fjær i tverrstrøms retning som representerer rørets fjærstivhet. Fig. 3b illustrerer en modell av en finne ifølge oppfinnelsen, innrettet roterende om et rørsenter, med en rotasjonsenergi-dissiperende enhet, videre utstyrt med en i tverrstrøms retning energi-dissiperende enhet som representerer røret og de hydrodynamiske tverrstrøms kreftene. De rotasjonsmessige og translatoriske energi-dissiperingsenhetene av modellen kan modelleres som hydrauliske svingningsdempere. Fig. 4 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen hvor den energi-dissiperende enheten også er innrettet for avbrutt å virke som en motor for å dreie finnen for aktivt å dempe sideveis bevegelser av stigerøret. Fig. 5 trekker opp et reguleringssystem for finnen og stigerøret som gir sensorsignaler til et reguleringssystem som beregner pådrag for å justere dissiperingsgraden av dempningsenheten eller for å styre dempningsenheten til å virke som en motor for korrigerende bevegelser som finnen kan utøve på stigerøret.

Beskrivelse av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen er en roterbar finne (1) for et marint stigerør eller annen slank marin struktur (2), hvor strukturen strekker seg mellom to faste punkt, hvor stigerøret eller den slanke marine strukturen (2) er utsatt for en vannstrøm, og hvor finnen (1) er innrettet til å redusere vannstrømsinduserte belastninger på stigerøret (2). I det nærværende tilfellet vil en flytende plattform bli betraktet som et fast punkt for stigerøret, selv om plattformen generelt vil ha litt hiv, og stigerør, spesielt borestigerør, ha et hiv-kompenserende oppheng i den øvre enden. Finnen omfatter en lang eller kort haledel (3) for passivt eller aktivt å orienteres for generelt å henge etter i nedstrøms retning bak stigerøret (2). Det nye trekket ved oppfinnelsen er at finnen (1) er utstyrt med en dempningsenhet (8) for å motvirke ustabil rotasjon av finnen (1) i forhold til stigerøret (2), i den hensikt å forebygge uønskede vibrasjoner av stigerøret (2).

Dempningsenheten (8) kan i en enkel utførelse være en energi-dissiperende enhet med samme egenskaper som en hydraulisk svingningsdemper, innrettet til å dempe relativ rotasjon mellom stigerøret (2) og finnen (1), som omdanner rotasjonsenergi til varme. I en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan dempningsenheten (8) være innrettet til passivt å omdanne rotasjonsenergi som oppstår på grunn av rotasjon mellom stigerøret (2) og finnen (1) til akkumulert trykk, elektrisk energi, etc, for å motvirke rotasjonen av finnen (1) i forhold til stigerøret (2). Ytterligere detaljer av den energi-dissiperende enheten / dempningsenheten

(8) gis nedenfor.

Vi definerer et marint stigerør eller annen slank marin struktur (2) til å omfatte en eller flere av det følgende: Et stigerør (2) mellom et brønnhode på sjøbunnen og et fartøy eller en plattform nær overflaten, slik som

<*> et borestigerør, vanligvis anordnet hovedsakelig vertikalt,

<*> et mer eller mindre vertikalt anordnet produksjonsstigerør,

<*> en stigerørsbunt omfattende mange stigerør.

Den slanke marine strukturen (2) kan alternativt omfatte en umbilikal-kabel eller line, en elektrisk strømkabel, en fortøyningsline eller lignende, alle potensielt utsatt for vannstrømmer.

I en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelsen ligner den utvendige formen av finnen (1), se Fig. 1, finnen ifølge det utløpte US-patentet US1398487. Finnen (1) er utstyrt med nedre og øvre lagerklammerhylser eller ringer (10,10L, 10U). de øvre og nedre lagerklammerne kan omfatte par av halvsylindriske deler innrettet for klamring rundt et vertikalt sylindrisk element (2) slik som en oppdriftselementmodul (2b) på et marint borestigerør (2), eller direkte omkring diameteren av borestigerøret (2). Klammerne (10L, 10U) kan være utstyrt med passasjer for drepe- og kvelelinjer og kabler i henhold til foreliggende behov, og passasjene løer gjennom og innenfor omkretsen av øvre og nedre bærelager (11L, 11U) forbundet med de tilsvarende klammerhylsene eller ringene (1 OL, 10U), og innenfor en omkrets av en tannkrans (12) omkring stigerøret, se nedenfor.

Den roterbare finnen omfatter et front- eller neseparti (31) med en vertikalt anordnet sentral boring for det generelt sylindriske stigerøret (2), hvor boringen også kan være innrettet for å omgi et oppdriftselement (2b) av stigerøret. Den halvsylindriske overflaten av frontpartiet (31) har en jevn overgang symmetrisk på begge sideflatene av stigerørets akse for å danne en haledel (3) innrettet for generelt å dreie seg langs retningen av vannstrømmen. Halefinner (33) kan være innrettet på den slepende enden av haledelen (3) for å forbedre finnens egenskaper for å innrette seg med strømmen.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er finnen (1) forbundet via nedre og øvre ringflenser (13L, 13U) og via korresponderende nedre og øvre bærelager (11L, 11U) til de nedre og øvre stigerørsklammerne (10,10U, 10L) for innfestning omkring periferien av stigerøret (2) eller et oppdriftselement (2b) av stigerøret (2). Ett eller flere av klammerne (10), her det øvre klammeret (10U), er anordnet i en fast, ikke-roterbar stilling i forhold til stigerøret (2) og utstyrt med en dreibar tannkrans (12) for inngrep med et tannhjul (14) på energi-dissiperingsenheten / dempningsenheten (8). Tannkransen ifølge oppfinnelsen i Fig. 1 er anordnet roterende på en tannkransbærende hylse (12B) som kan utgjøre en roterbar del på et lager omkring det øvre stigerørsklammeret (10U). Når finnen (1) tvinges til å endre sin vinkelstilling i forhold til stigerøret, vil tannkransen (12) følge finnen og vil rotere tannhjulet (14) på energi-dissiperings / dempningsenheten (8) og således overføre deler av energien fra finnens (1) rotasjonsbevegelse til energi-dissiperings / dempningsenheten (8). I en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan ringlageret (12) på motsatt måte være festet i forhold til stigerørsklammeret (10), og energi-dissiperings / dempningsenheten (8) således være festet til finnen (1).

Tannhjulet (14) på energi-dissiperingsenheten (8) kan ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen være innrettet frigjørbart fra tannkransen (12) for å forhindre låsing av finnen (1) i en uheldig stilling i tilfelle svikt i enheten (8) eller en av dens komponenter. Enheten (8) kan være utstyrt med en eller flere sensorer (4) som gir signaler til en reguleringsenhet (6) illustrert i Fig. 1. På en fordelaktig måte kan dempningsenheten (8) være anbrakt aksialt adskilt fra finnen slik at den kan bli vedlikeholdt av en ROV-enhet uten at man skal være nødt til å demontere hele finnen (1) dersom energi-dissiperingsenheten (8) skulle gå i stykker. Likeledes bør hver finne være utbyttbar og innrettet til å erstattes av en reservefinne, hvor man utfører hele bytteoperasjonen ved å benytte et fjernstyrt ROV-fartøy.

Alternativer til tannkransen og tannhjuls-kraftoverføringsmekanismen kan være endeløse kjeder, belter og/eller hjul innrettet for overføring av rotasjonsenergi mellom stigerøret og energi-dissiperingsenheten.

En passivt energi-dissiperende finne uten et reguleringssystem har den fordel at det er mindre sårbart for svikt enn en aktiv finne med et reguleringssystem. Imidlertid kan et aktivt system være innrettet med et sensorsystem og et reguleringssystem for aktivt å forebygge virvel-induserte vibrasjoner. For at finnen ikke bare skal kunne brukes som en passiv enhet, kan det være fordelaktig å aktivt tilføre energi under korte tidsperioder til energi-dissiperingseneheten eller motor (8). Som nevnt ovenfor under en alternativ utførelse av oppfinnelsen, kan dempningsenheten (8) være innrettet til å omdanne rotasjonsenergi som oppstår på grunn av rotasjon mellom stigerøret (2) og finnen (1) til akkumulert trykk, elektrisk energi, etc, for å motvirke rotasjonen av finnen (1) i forhold til stigerøret (2). Energi-dissiperingsenheten kan f.eks. omfatte en elektrisk generator (85) for å omdanne rotasjonsenergi på grunn av forskjellig vinkelbevegelse mellom stigerøret (2) og finnen (1). I løpet av korte øyeblikk kan energioverføringsretningen ordnes i motsatt retning, hvor enheten (8) i korte perioder opptrer som en motor som bruker akkumulert energi for å rotere tannhjulet (14) til å løpe langs tannkransen (12) for å forandre retningen av finnen (1) i forhold til stigerøret (2) eller på annen måte påvirke den dynamiske bevegelsen av stigerøret. Den overordnede virkningen av finnen ville fremdeles være dempning av vibrasjonene i stigerøret ved en generell energi-dissipering. Slik aktiv bruk av energi-dissiperingsenheten eller motor (8) kan brukes form å motvirke en periodisk bevegelse som kan være forutsigbar på kort sikt, for å dempe bevegelsens amplitude, som vist i Fig. 4.

De dynamiske og rotasjonsmessige bevegelsene av udempede finner uten eksterne krefter og momenter kan benyttes for å studere stabiliteten av det dynamiske systemet og kan representeres ved de følgende ligninger, se OTC 16342 side 4:

I disse ligningene, ref. Fig. 3b, er:

c finnens lengde,

dCJda er stigningen av løft-koeffisienten for null angrepsvinkel,

D er diameteren av finnens frontparti,

/ er finnens treghetsmoment om massesenteret,

k er fjærstivheten i tverretningen,

m er massen til et stigerørs- og finnesegment med innelukket vann og "tilhørende masse", s er avstanden fra senter av røret til finnens massesenter,

S er den spennvise lengden av et finnesegment,

r er tiden,

U er vannhastigheten,

Uf er flutter - hastigheten,

Ay er den sideveis eller tverrstrøms forflytningsamplituden av senter av stigerøret og det rotasjonsmessige senter eller pivotpunkt "ec" av finnen,

y er den transverse forflytningen av stigerørets senter

der den vinkelmessige avvik fra senterstillingen av finnens hale i forhold til strømretningen, p er fluidmassetettheten,

Ag er den tilsvarende amplituden av den vinkelmessige oscillasjonen,

z er posisjonen langs stigerørets lengde,

a er angrepsvinkelen,

co er oscillasjonsfrekvensen,

"ac" er det hydrodynamiske eller såkalte aerodynamiske senter, og "cm" er massesenteret for finnen, og X er bevegelsens periode. Videre er

y and 9 de tilsvarende sideveis akselerasjoner og vinkelakselerasjoner.

De ovenstående ligningene (1) og (2) kan skrives på matriseform:

De ovenstående ligningene (1) og (2) inneholder ikke dempningsledd som funksjoner av de sideveis og vinkelmessige hastigheter, dvs. de første tidsderiverte y og 9.

En finne med dem<p>nin<g>:

Den foreliggende oppfinnelsen utnytter det faktum at sideveis hastighets- og rotasjonshastighets - dempningsleddene omfattende første tidsderiverte y and 9 burde tas i betraktning, som i ligningene (5) og (6) nedenfor.

Leddene Cy og k avhenger av bøyestivheten av stigerøret og hydrodynamiske karakteristika avfinnen. Leddet Cg avhenger av rotasjonsenergi - dissiperingen, d.v.s. av dempningsenheten (8) ifølge oppfinnelsen, se modellen i Fig. 3b.

De lineære homogene ligningene (3) (4) og (5) (6) gitt på matriseform har ikke-trivielle løsninger bare dersom matrisedeterminanten er null. Å sette denne til null gir den karakteristiske ligningen i cj, som er tilfelle dersom den er kvadratisk i u) 2. Analyse av røttene av den karakteristiske ligningen leder så til et stabilitetskriterium som indikerer hvorvidt ustabil bevegelse kan forekomme.

Energi-dissiperingsenheten (8) kan i en foretrukken utførelse omfatte en pumpe (81). En fordel ved å bruke en pumpe er det faktum at energi-dissiperingen ikke er konstant men øker som en funksjon av rotasjonshastigheten 0. Dissiperings-enhetens motstand bør være en funksjon av vinkelhastigheten 6. Vinkelhastigheten 0 multiplisert med et kraftmoment er lik den dissiperte energien.

I en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan energi-dissiperingsenheten (8) omfatte en mekanisk bremse (83). Imidlertid kan en mekanisk bremse ha den ulempe at bremsekraften vil avhenge lite av vinkelhastigheten 0 for finnen, og bremsekraften måtte kanskje overvinne en initial - bremsekraft for å begynne å bevege seg, og således kan det være at finnen ikke er roterbar for relativt små strømhastigheter eller for innledende virvelinduserte vibrasjoner for stigerøret, og således kunne en mekanisk bremse på finnen medføre unødvendig store strømningsmotstander på grunn av at finnene ikke ville være innrettet med vannstrømmen. I tillegg er det en risiko for at bremseinnretningen kan bli stående fast og således medføre uønskede krefter på stigerøret i strømmen, eller alternativt miste sin bremsevirkning og bli etterlatt fritt roterbar, noe som ikke hjelper.

I en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan dempningsenheten (8) videre omfatte en rotasjonsfjær (91) innrettet mellom finnen (1) og dempningsenheten (8) for å ta opp forbigående rotasjonsbevegelser av finnen.

Med henvisning til Fig. 5 kan finnen (1) utstyres med en eller flere sensorer (4) innrettet for å måle krefter, momenter og / eller akselerasjoner indusert av vannstrømmer på stigerøret (2). For aktiv regulering av vinnen er en reguleringsenhet (6) anordnet for å motta sensorsignaler (5) fra en eller flere sensorer (4) som indikerer de målte kreftene, momentene og / eller akselerasjonene på stigerøret (2). Reguleringsenheten (6) er innrettet for å beregne et pådragssignal (7) som indikerer det ønskede korrigerende moment som skal virke på finnen (1) for å redusere kreftene, momentene og / eller akselerasjonene på stigerøret (2). Sensorene (4) kan omfatte bøyemomentsensorer (42), for å anordnes på det marine stigerøret (2), hvor bøyemomentene (42) er innrettet for å måle lokal bøyningsdeformasjon på grunn av bøyemomenter (M) mellom påfølgende deler (2,, 2i+1) av stigerøret (2).

Finnen kan omfatte aksiale stigerørs - belastningssensorer (44) for å bli anordnet på det marine stigerøret (2), f.eks. ved å kombinere tre eller fire aksialt innrettede deformasjonssensorer anordnet omkring stigerøret. Finnen kan omfatte vinkelhastighetssensorer (48) innrettet for å avføle en vinkelhastighet av finnen (1) eller stigerøret (2).

Således omfatter oppfinnelsen en aktiv fremgangsmåte for å redusere vannstrøms - induserte belastinger på et marint stigerør (2) med en roterbar finne (1) som har en haledel (3) som generelt skal henge etter i nedstrøms retning bak stigerøret (2). Fremgangsmåten omfatter en kontinuerlig utført løkke av de følgende trinnene: a) måling av krefter og / eller akselerasjoner indusert av vannstrømmer på stigerøret (2) ved bruk av en eller flere sensorer (4) anordnet på finnen (1); b) fremskaffelse av sensorsignaler (5) fra en eller flere sensorer som indikerer de målte kreftene og / eller akselerasjonene på stigerøret (2) til en reguleringsenhet (6) anordnet ved finnen (1); c) beregning i reguleringsenheten (6) av et pådrag (7) representert ved en ønsket endring (v) av rotasjonsvinkel av finnen (1) i forhold til stigerøret (2) som er nødvendig for å redusere kreftene og / eller akselerasjonene på stigerøret (2); d) aktivering av den ønskede endring (v) av rotasjonsvinkelen av finnen (1) i forhold til stigerøret (82) ved mottak av pådragssignalet (7) ved bruk av en motor (8).

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen har finnens pumpe (81) en pumpeenergi-dissiperingsrate (pp) som er et produkt av en pumpekonstant (pc) og en funksjon som øker med økende vinkelhastighet ( 6) av finnen (1) i forhold til stigerøret (2). Pumpeenergi-dissiperingsratens pumpekonstant (pc) kan ha en forhåndsdefinert verdi satt før monteringen og sjøsettingen av stigerøret (2).

Finnen (1) kan videre utstyres med et reguleringssystem (6) innrettet for å motta sensorsignaler (5) fra en eller flere sensorer (4) som indikerer de målte kreftene og / eller akselerasjonene på stigerøret (2), hvor pumpeenergi-dissiperingsratens pumpekonstant (pc) har variabel verdi regulert av et pådragssignal (7) beregnet av reguleringssystemet (6) under operasjonen.

Claims (19)

1. En roterbar finne (1) for et marint stigerør (2) eller annen slank marin struktur, hvor finnen (1) er innrettet til å redusere vannstrømsinduserte belastninger på stigeøret (2), hvor finnen (1) håret haleparti (3) for å følge generelt i en nedstrøms retning bak stigerøret, karakterisert ved at finnen (1) er utstyrt med en lokalt anordnet energi-dissiperingsenhet (8) innrettet til å omdanne finnens (1) rotasjonsenergi i forhold til stigerøret (2) til en annen energiform for å motvirke ustabil rotasjon av finnen (1) i forhold til stigerøret (2) med formål å motvirke uønskede vibrasjoner av stigerøret (1).

2. Finnen ifølge krav 1, hvor finnen (1) er utstyrt med en frontparti (31) mellom hvilket frontparti (31) og halepartiet (3) er en åpning for stigerøret (2) tilpasset å romme stigerøret, hvor frontpartiet (31) er innrettet generelt for å innrettes i oppstrøms retning i forhold til stigerøret (2).

3. Finnen ifølge krav 1, hvor finnen (1) er utstyrt med en eller flere klammere (10) for feste til og rundt en periferi av stigerøret (2), hvor klammerne (10) er innrettet med en tannring (12) for inngrep med et aktuerende tannhjul (14) for energi-dissiperingsenheten (8).

4. Finnen ifølge krav 3, hvor tannhjulet (14) på energi-dissiperingsenheten (8) er innrettet for å være frakoblbart fra tannringen (12) for å motvirke låsing av finnen (1) i en ufordelaktig vinkelposisjon i tilfelle svikt av en eller flere av sensorer (4), motor (8) eller reguleringsenhet (6).

5. Finnen ifølge krav 1, hvor energi-dissiperingsenheten (8) omfatter en pumpe (81), eller en tilsvarende hydraulisk bremse, eller annen fluidforflytningsenhet.

6. Finnen ifølge krav 1, hvor energi-dissiperingsenheten (8) omfatter en rotasjonsfjær (91) koblet mellom finnen og tannringen (12).

7. Finnen ifølge krav 1, hvor energi-dissiperingsenheten (8) omfatter en mekanisk bremse (83).

8. Finnen ifølge krav 1, hvor energi-dissiperingsenheten (8) omfatter en elektrisk bremse eller generator (85).

9. Finnen ifølge krav 1, hvor energi-dissiperingsenheten (8) omfatter en motor (87).

10. Finnen ifølge krav 1, hvor finnen (1) er utstyrt med en eller flere sensorer (4) innrettet til å måle krefter, momenter og/eller akselerasjoner indusert av vannstrømmene på stigerøret (2).

11. Finnen ifølge krav 10, hvor finnen (1) er utstyrt med en reguleringsenhet (6) for å motta sensorsignaler (5) fra nevnte en eller flere sensorer (4) som indikerer målte krefter, momenter og/eller akselerasjoner på stigerøret (2), hvor reguleringsenheten (6) er innrettet til å beregne et pådragssignal (7) som indikerer det ønskede korrigerende moment som skal virke på finnen (2) i den hensikt å redusere kreftene, momentene og/eller akselerasjonene for stigerøret (2).

12. Finnen ifølge krav 10, hvor sensorene (4) omfatter bøyemomentsensorer (42) for å anordnes på det marine stigerøret (2), hvor bøyemomentsensorene (42) er innrettet for å måle lokale bøynings-formendringer (bending strain) på grunn av bøyemomenter (M) mellom suksessive deler ( 2„ 2i+i) av stigerøret (2).

13. Finnen ifølge krav 10, hvor sensorene (4) omfatter aksialstrekksensorer (44) innrettet for anordning på det marine stigerøret (2), f.eks. ved kombinasjonen av tre eller fire aksialt rettede formendringssensorer.

14. Finnen ifølge krav 10, hvor sensorene (4) omfatter akselerasjonssensorer (46).

15. Finnen ifølge krav 10, hvor sensorene (4) omfatter vinkelhastighetssensorer (48) innrettet for å avføle en vinkelhastighet for finnen (1) eller stigerøret (2).

16. Finnen ifølge krav 5, hvor pumpen (81) har en pumpeenergi-dissiperingsrate (pp) som et produkt av en pumpekonstant (pc) og en funksjon som øker med økende vinkelhastighet ( 0) for finnen (1) i forhold til stigerøret (2).

17. Finnen ifølge krav 16, hvor finnen (1) er utstyrt med et reguleringssystem (6) innrettet for å motta sensorsignaler (5) fra en eller flere sensorer (4) som indikerer de målte krefter og/eller akselerasjoner på stigerøret (2), hvor pumpeenergi-dissiperingsratens pumpekonstant (pc) har en variabel verdi styrt av et pådragssignal beregnet av reguleringssystemet (6) under operasjonen.

18. Finnen ifølge krav 16, hvor pumpeenergi-dissiperingsratens pumpekonstant (pc) har en forhåndsbestemt verdi gitt før sammenstillingen og utsettingen av stigerøret (2).

19. En fremgangsmåte for å redusere vannstrømsinduserte belastninger på et marint stigerør (2) med en roterbar finne (1) med et haleparti (3) innrettet til å henge generelt i nedstrømsretning bak stigerøret (2), karakterisert veda) måling av krefter og/eller akselerasjoner indusert av vannstrømmer på stigerøret (2) ved bruk av en eller flere sensorer (4) anordnet på stigerøret (1); b) fremskaffelse av sensorsignaler (5) fra den ene eller flere sensoren (4) som indikerer de målte kreftene og/eller akselerasjonene på stigerøret (2) til en reguleringsenhet (6) anordnet ved stigerøret (1); c) beregning i reguleringsenheten (6) av et pådragssignal (7) som representerer en endring av rotasjonsvinkel av finnen (1) i forhold til stigerøret (2) for å redusere kreftene og/eller akselerasjonene på stigerøret (2); d) aktuering av den ønskede endring av rotasjonsvinkel for finnen (1) i forhold til stigerøret (2) ved mottak av pådragssignaiet (7) ved bruk av en motor (8).