SE1350161A1 - Fartyg med thrustrar för undanförande av is - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser ett fartyg (2)(23) som upp- visar väsentligen likformig för och akter (24) och som är anordnat att nyttjas både vid viss isbrytande verk-samhet och vid stillaliggande borrningsverksamhet varvid fartygets skrov (ll) uppvisar sidor (10) som lutar med enmellan 30 och 60° mot en tänkt horisontell lin- (100) vinkel (d)upp till en nivå som överstiger fartygets (15). je (1),djupast verksamma vattenlinjeEnligt uppfinningen ar ett flertal thrus-tar (3) fördelade utmed och uppburna av fartygets botten(102) så att sagda thrustars verksamma vattenströmning(12) ar riktad med en vinkel (ß) (15) snett upp mot den vatten- yta som omger fartyget (2) i vatten (103). (Fig. 16)

Description

l0 15 20 25 30 Fartyg Föreliggande uppfinning avser ett fartyg som uppvisar väsentligen likformig för och akter och som är anordnat att nyttjas både vid viss isbrytande verksam- het och vid stillaliggande borrningsverksamhet och att fartygets skrov uppvisar sidor som lutar med en vinkel mellan 30 och 60° mot en tänkt horisontell linje, upp till en nivå som överstiger fartygets djupast verksamma vatten- linje.

Vid nyttjande av fartyget för både viss isbrytande funktion och vid stillaliggande verksamhet till havs, såsom borrningsverksamhet, är det viktigt att för- hindra att sönderbruten is och/eller annan förbiströmmande is kommer in under fartyget och ställer till det utan i stället tvångsvis påverka att föra undan isen i riktning bort från fartyget.

Huvudändamålet med den föreliggande upp- finningen är därför i första hand att lösa ovan sagda pro- blem.

Sagda ändamål uppnås medelst en anordning enligt föreliggande uppfinning som i huvudsak kännetecknas därav, att ett flertal thrustar är fördelade utmed och uppburna av fartygets botten så att sagda thrustars verk- samma vattenströmning är riktad med en vinkel snett upp mot den vattenyta som omger fartyget i vatten.

Uppfinningen beskrives nedan som ett före- draget utföringsexempel, varvid hänvisas till de bifogade ritningarna på vilka Pig. l visar ett tvärsnitt av exempel på en föredragen skrovform, Fig. 2 visar schematiskt en föredragen form på fören på farkosten, 10 15 20 25 30 Fig. 3-4 visar tvärsnitt respektive planvy av farkost försedd med moon pool, det vill säga en öppning i fartygets botten med tillhörande schakt, Fig. 5-6 visar tvärsnitt respektive planvy av farkost försedd med vingformade skydd framför thrus- tarna, Fig. 7 visar tvärsnitt av farkost med lag- rade thrustar på lutande del av skrovet, Fig. 8 visar planvy av farkostens ena ände med därvid lagrade thrustar, Fig. 9-10 visar frontvy respektive planvy av farkosten med därvid lagrade thrustar vridna i förhål- lande till stoppanslag, Fig. 11-12 visar planvyer av farkosten med thrustarna vridna för isbrytning av tunn is i hög hastig- het respektive för isbrytning av tjockare is med lägre hastighet, Fig. 13-14 visar planvyer av farkost med thrustarna vridna i olika lägen, Fig. 15 visar en frontvy av en thruster och Fig. 16 visar snittvy av fartyg med alter- nativa skrovformer och lagring av thrustar därpå för upp- nående av önskad funktion.

Background Drilling has been performed by floating units in moving ice at least since the 1970's when Dome Petroleum started extensive exploratory operations in the Canadian Beaufort Sea. By early 1980's the fleet consisted of four ice strengthened drill ships, two icebreakers ca- pable of breaking about 1.5 m thick ice and four smaller icebreakers capable of breaking about 0.6 m thick ice in l0 15 20 25 30 the continuous mode of operation. The drill ships had a hull form intended for operation in open water but they were still capable of staying on location until early De- cember when the ice reached a thickness of about 0.6 m when assisted by several icebreakers managing the incoming ice. Due to the small water depth the drill ships were an- chored to the ocean floor and thus on occasion presented their maximum length towards the ice movement.

At this time Gulf Canada introduced a com- peting drilling fleet designed to stay on location until the end of January when the ice reaches a thickness of l.2 m in the Beaufort Sea. The drilling unit was a round drill ship with sloping sides intended to break the ice in the downwards direction. The drill ship was assisted by four icebreakers capable of breaking about l.5 m thick in the continuous mode of operation. The round hull form proved to be unfavorable in open water conditions, increasing down time in a sea state compared to normal drill ships.

The round drill ship was anchored to the ocean floor and drilled successfully in moving ice of about l m thickness.

One of the Dome drill ships was fitted with a powerful air bubbling system along the sides of the ship which created a strong surface current directed away from the parallel mid body and thus made in easier for the broken ice to get around the unit. Since the l990's a more efficient method to reach the same result in the form of rotatable thrusters creating a strong surface current has been tested successfully on several icebreakers intended for operation in first year ice conditions.

When drilling a 400 m core close to the North Pole in about one thousand meters water depth it was proven that with sufficient icebreaking support it is pos- 10 15 20 25 30 sible to stay on location even in moving multi-year ice of considerable thickness.

Several dynamically positioned drill ships are known for operation in deep water, each fitted with six rotatable thrusters mounted below the bottom of the ship in order to optimize the station keeping capability of these units. One of these drill ships is provided with a hull and propulsion ice strengthening which allows it to operate virtually in any ice conditions when assisted by icebreakers. If an assisting icebreaker is able to provide an ice free environment around this icebreaker they will be able to operate in very severe ice conditions when oc- casionally assisted by additional icebreakers.

The Invention A novel hull form in combination with thrusters below the bottom of the ship that direct their propeller stream towards the ocean surface in order to keep ice from close contact with the sides of the ship es- tablish the principal feature of this invention.

The body plan of the hull is shown in Fig- ure l which manifests that the bow and the stern are es- sentially identical in order to operate in opposite direc- tions while drilling in the dynamic positioning mode. This is important when the ice movement discontinues for some period of time and, as frequently is the case, starts again in the opposite direction.

Figure l displays an inclined bottom por- tion over the entire length of this section under which rotatable thrusters may be mounted in such a manner that their propeller stream encounters the ocean surface around the entire ship. Between the sloped bottom and some dis- tance above the deepest operating water line the side of the ship along its entire length is sloped outwards at a lO l5 20 25 30 large angle, in Figure l shown as 45 degrees, in order to facilitate turning of the ship in heavy ice conditions.

Figure 2 indicates a fairly conventional wedge shaped and pointed bow and stern portion. This hull form is not optimal for the breaking of ice but due to the efficiency of the bottom mounted thrusters in transporting broken ice along the hull the performance of the unit in heavy ice will nevertheless be exceptional. The wedge shaped stem and stern portion is essential when staying on location as it causes the broken ice to move sideways and not downwards and under the bottom of the ship.

As the thrusters protrude below the bottom of the main hull it is possible to introduce a central wing shaped ice diverter close to a midship portion in or- der to deflect broken ice away from the moon pool area, as shown in Figures 3 and 4, without increasing the minimum water depth in which the unit is able to operate. This also makes it possible to introduce two additional wing shaped diverters at both ends of the ship in order to pro- vide protection for the thrusters by stopping progress be- fore riding too high up on thick multi-year ice as shown in Figures 5 and 6. By protruding well below the bottom of the hull the three ice diverters also function as very ef- ficient roll motion reducers in a sea state. If there is a docking facility available that has the capability to ac- commodate the draft including the total vertical extent of the ice diverters then these may be connected permanently to the bottom of the main hull, otherwise the ice divert- ers have to be connected to the hull in the floating mode in the same manner as the thrusters.

In order for the thrusters to flush the hull and surroundings equally on both sides as well as at both ends of the ship it becomes obvious that they must be l0 15 20 25 30 located in pairs both transversely and longitudinally from which it follows that the number of thrusters must be di- visible by four or in other words that their number must follow the series 4,8,l2 and so on. In the examples used in this presentation the number of thrusters is kept con- stant at eight.

The body plan with the thrusters in the icebreaking mode is shown in Figure 7 and the lines plan with the thrusters in the icebreaking mode is shown in Figure 8. The thrusters closest to the bow are directed in or close to the longitudinal direction in order not to in- terfere with the thrusters closer to midship. The central ice diverter will direct the propeller stream towards the ship's side, as indicated in Figure 8, and thus this pro- peller stream will also augment the sideways transport of broken ice.

The body plan with the thrusters in the station keeping mode is shown in Figure 9 and the lines plan with the thrusters in the station keeping mode is shown in Figure 10. As the thrusters are attached to the inclined bottom portion of the hull the propeller stream will meet the ocean surface some distance from the hull and thus the outward surface current so created will transport broken ice away from the hull which creates a lower concentration of broken ice at this location, reduc- ing the ice load on the unit and at the same time make it easy to turn the ship into the direction of the incoming ice.

Figure ll shows the underwater hull while breaking thinner ice at high speed. Providing extra room for broken ice at the stern is not necessary at high speed operation and thus the stern propellers are turned to l0 15 20 25 30 maximize forward thrust without their propeller streams influencing the operation of other propellers.

When operating at slow speed in heavier ice it becomes critical to provide extra room for broken ice at the stern by directing the propeller streams of the propellers close to the stern away from the ship, as shown in Figure l2. As long as the thrusters create an unob- structed path for the broken ice to move behind the ship the forward progress will continue and may be augmented by also using the stern thrusters to create an oscillating sideways movement of the stern in order to further loosen the grip of the ice. The ice clearing action provided by the thrusters makes it impossible for the ship to become stuck in ice even if the ice is under heavy pressure.

Figure 13 shows the ship while reducing the amount of ice in an already broken channel in order to make it possible for a wider or otherwise less capable ship to navigate in heavy ice. The same procedure may be used when assisting another drill ship to stay on location in heavy ice. This capability may prove to be essential in the unlikely event that a relief well has to be drilled in heavy ice conditions.

The principal operation of the thrusters while working in dynamic positioning mode is shown in Fig- ure l4. Having eight thrusters makes it possible to create the necessary transverse and longitudinal forces without having to direct the propeller streams towards the center of the ship, thus making it possible to always keep a sur- face current directed away from the unit. If mooring winches provided with underwater fairleads are added to the unit it will be capable of staying on location also in shallow water. As the thrusters are capable of keeping the unit on location even if one of the mooring wires should lO 15 20 25 30 fail it will be possible to operate with six mooring sys- tems. The mooring pattern with mooring lines at 90 degree angles against each other will create a system that only allows minor excursions from the desirable drilling loca- tions.

The thrusters located at the forward end of the unit when advancing in heavy ice will come in con- tact with substantial pieces of ice and will thus have to be capable of dealing with considerably larger forces than those experienced in open water operation. The nozzle makes it impossible for large pieces of ice to contact the propeller blades and thus the propeller and the gear driv- ing the propeller have to be strengthened only in order to deal with the largest piece of ice that is able to gain entrance into the nozzle. In order to reduce the size of design ice piece and at the same time make it more diffi- cult for a large piece of ice to block the flow of water into the nozzle a support structure in front of the nozzle has been developed. Four wing shaped structures placed at 90 degree angles in front of the nozzle reduce the size of ice piece that is able to flow into the nozzle and at the same time add considerable strength to the nozzle. The al- most vertical support structure is the widest, it provides passage for the driving shaft and any pipes and cables needed at the propeller hub, and is provided with a virtu- ally vertical leading edge in order to turn sideways large pieces of ice. The three remaining support structures are provided with a backward leaning leading edge in order to push large ice pieces away from the center of the propel- ler. The outermost part of these three structures pro- trudes well in front of the nozzle in order to reduce the tendency for the ice piece to remain in front of the noz- lO 15 20 25 30 zle and thus to impede the free flow of water into the propeller.

The loads on the main thruster bearing and the turning gear caused by the nozzle coming into contact with large pieces of ice will be considerably higher than those caused by operating in water without ice being pre- sent. In order to unload the turning gear the top of the nozzle is provided with a wing shaped structure extending a considerable distance behind the nozzle. The trailing edge of the wing shaped structure will come into contact with a stopper when the nozzle is turned in the optimum direction for ice breaking operations. The turning gear presses the wing shaped structure against the stopper with the force the turning gear is designed for and the stopper is placed in a location that causes the load on the stop- per to increase when large pieces of ice come in contact with the thruster configuration. The stopper resists the entire addition to the turning moment caused by contact with ice and thus the turning gear is not loaded beyond its design moment. The stopper is also capable of carrying the additional longitudinal load caused by ice forces and thus the main bearing resisting longitudinal forces is not overloaded by ice contacting the thruster configuration.

The distance between stopper and main bearing cannot be manufactured with as small a tolerance as the main bearing and thus it is important that contact between stopper and wing shaped structure depends on the rotation of the thruster unit, which will correct any difference in toler- ances.

Närmare bestämt innefattar den förelig- gande uppfinningen ett fartyg 2 som uppvisar väsentligen likformig för 23 och akter 23 och som är anordnat att nyttjas både vid viss isbrytande verksamhet och även vid 10 15 20 25 30 10 stillaliggande borrningsverksamhet. Därvid uppvisar farty- gets 2 skrov 11 sidor 10 som lutar med en vinkel d som är mellan 30 och 60° mot en tänkt horisontell linje 1, upp till en nivå 100 som överstiger fartygets djupast verk- samma vattenlinje 15. Enligt uppfinningen är ett flertal thrustar 3 fördelade utmed och uppburna av fartygets skrov 11 på botten 102 av fartyget 2 så att sagda thrustars verksamma vattenströmning 12 är riktad med en vinkel B snett upp mot den vattenyta 15 som omger fartyget 2 i vattnet 103.

Därvid är den vinkel B som thrustarna 3 åstadkommer strömningen av vattnet i riktning 12 mot vat- tenytan 15 mellan 10 och 30° mot en tänkt horisontell lin- je 104 och ännu hellre mellan 15 och 20°, vilken vinkel B de sagda nedre bottensidorna 14 även kan luta med.

Den föreliggande uppfinningen avser, som ovan angivits, ett fartyg 2 som är anordnat att nyttjas vid arbete vid borrning till havs och som även uppvisar åtminstone viss isbrytande funktion. Det sagda fartyget 2 är försett med ett flertal roterbara thrustar 3. Sagda thrustar 3 är anordnade att dels kunna driva iväg even- tuell förekommande lös is 4 vid dynamisk positionering av fartyget 2 respektive att vid isbrytande funktion i öns- kade riktningar 5, 6 kunna driva iväg lossbruten is 7 i riktning bort från fartyget 2. Därvid är sagda thrustar 3 lagrade vridbara och anläggbara mot ett stoppanslag 8.

De sagda thrustarna 3 är lagrade direkt eller indirekt på skrovet 11 och riktade så att de verkar snett uppåt 12 och ut från skrovets längsgående mittlinje 13. Thrustarna 3 är därvid antingen lagrade på ett lutande bottenskrovparti 14, som sträcker sig utmed väsentligen hela fartygets längd, och vilket lutar i en vinkel B mel- lan 10-30 och helst mellan 15° och 20°, sett mot fartygets 10 15 20 25 30 11 vattenlinje 15, eller att de är uppburna av en konsol 105 som är så anordnad att den ger den önskade sagda ström- ningsriktningen 12 snett uppåt mot vattenytan 15 för thrustarna 3.

De sagda thrustarna 3 uppvisar var sin vä- sentligen i horisontell riktning utskjutande bakre del 16 som är anordnade att vid ifrågavarande thrusts ändläge komma till anslag mot sagda stoppanslag 8. Den sagda bakre delens 16 anslagsdel 17 och stoppanslaget 8 uppvisar kon- gruent form, företrädesvis rak lutande yta 18, 19.

Anordnandet och fördelandet av thrustar 3 på fartyget 2 är valt så att resultatet skall bli ett jämnt drivande och en jämn påverkan därav. Därför är ett företrädesvis jämnt antal thrustar 3 fördelade på botten- skrovet 11, sett från fartygets mitt tvärs fartyget 2, längs en tänkt tvärgående linje 20, företrädesvis i serien 4,6,8,10,12 och så vidare eller i serien 4, 8, 12 M och så vidare. Vidare är thrustarna 3 lämpligen fördelade parvist symmetriskt, både i längdled 5, 6 och i sidled 27 under ett bottenskrovparti 11 hos fartyget 2.

I visat utföringsexempel är ett jämnt an- tal thrustar 3 lagrade på var sin sida A, B om en i rikt- ning vertikalt nedåt 21 utskjutande, mittbelägen underlig- gande längsgående förtjockning 22, liknande en köl, på fartygets skrovsidor 11, och med thrustarna 3 vridbara kring en axel företrädesvis cirka 360°.

För att möjliggöra isbrytning med fartyget 2 i dess båda färdriktningar 5, 6 uppvisar fartyget 2 spetsig kilformad för 23 och akter 24.

Ett antal sagda kroppar 22, 25 är place- rade vid, och anordnade att sträcka sig utmed fartygets mitt 13. Av dessa kroppar, som uppvisar spetsig form i för 10 15 20 25 30 12 och akter, uppvisar en kropp, mittkroppen 22, väsentligen vertikala sidoytor.

Det väsentliga är att propellerströmmen 12 från thrustarna 3 är riktad mot vattenytan 15 i en vinkel ß mellan 10 och 30 grader samt att fartygssidorna högre upp har en vinkel mellan 30 och 60 grader för att det skall vara möjligt att rotera fartyget vid operation med dynamisk positionering och för att minska isens kraft då man borrar i en förankrad position.

De tre kropparna 22, 25 är samtliga place- rade utmed mitten 13 av fartyget och har funktionellt det gemensamt att de i öppet vatten, d.v.s. i vågor, radikalt minskar fartygets rullning vilket är mycket viktigt vid borrning. Den centrala kroppen 22 fungerar som en isavle- dare eftersom den skuffar den brutna isen sidlänges, både vid gång framåt och akterut, och sålunda radikalt minskar risken för att is kommer i kontakt med ett befintligt borrningsrör som sammanbinder ett borrningstorn med ut- rustningen på havets botten. Kropparna 25 i för och akter fungerar som stopp för att förhindra att fartyget vid an- satsbrytning kör alltför långt upp på flerårig is, vilket skulle kunna åstadkomma skador på thrustarna 3.

Beskaffenhet och funktion av den förelig- gande uppfinningen torde ha förståtts av det ovan angivna och med hjälp av det på ritningarna visade. Med thruster skall i första hand förstås av en motor driven propeller som med eller utan vinkelväxel är förbundna med fartyget 2 och dess skrov ll, Även andra drivkraftsalstrare än thrus- tar 3 som visas och beskrives enligt ovan kan nyttjas, så- som t.ex. vattenjetstrålar etc. Thrustarna 3 är lagrade vridbara kring var sin axel 26 som sträcker sig vinkelrätt från det lutande bottenpartiet 14 av skrovet ll. Företrä- desvis är thrustarna 3 vridbara cirka 360° innan stoppläge l3 uppnås mellan stoppanslaget 8 och dess anslagsdel l7 och anslagsdel på bakre delen l6 av respektive thruster 3.

Uppfinningen är naturligtvis inte begrän- sad till de ovan beskrivna och på de bifogade ritningarna visade utforandena. Modifieringar är möjliga, särskilt när det gäller de olika delarnas beskaffenhet, eller genom an- vändande av likvärdig teknik, utan att man fràngår skydds- området för uppfinningen, såsom den definieras i patent- kraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 14 S283 P7SE LG/AHT PATENTKRAV

1. Fartyg (2) (23) som uppvisar väsentligen lik- formig för och akter (24) och som är anordnat att nyttjas både vid viss isbrytande verksamhet och vid stil- laliggande borrningsverksamhet och att fartygets skrov (ll) uppvisar sidor (10) som lutar med en vinkel (d) mel- lan 30 och 60° mot en tänkt horisontell linje (1), upp till en nivå (100) som överstiger fartygets djupast verk- samma vattenlinje (15), kännetecknat därav, att ett fler- tal thrustar (3) gets botten (102) (12) är fördelade utmed och uppburna av farty- så att sagda thrustars verksamma vatten- strömning är riktad med en vinkel (ß) (15) snett upp mot den vattenyta som omger fartyget (2) i vatten (103).

2. Fartyg enligt patentkrav 1, kännetecknat därav, att den vinkel (B) som thrustarna (3) åstadkommer (12) är mellan 10 och 30° mot en tänkt horisontell linje (104). strömningen av vattnet i riktning mot vattenytan (15)

3. Fartyg enligt något av ovan angivna pa- tentkrav, kännetecknat därav, att thrustarna (3) är upp- (14) (105) (12) för burna väsentligen dikt an mot fartygets bottenskrov som är vinklat eller att de är uppburna av en konsol som ger den sagda önskade strömningsriktningen thrustarna (3). 10 15 20 25 30 15

4. Fartyg enligt patentkrav 3, varvid thrus- tarna (3) (14), är uppburna mot fartygets vinklade bottenskrov (14) mellan 10 och kännetecknat därav, att bottenskrovet (102) uppvisar lutande bottensidor med en vinkel (B) 30° mot en tänkt horisontell linje (104).

5. Fartyg enligt patentkrav 4, kännetecknat därav, att sagda lutande bottensidor (102) sträcker sig utmed fartygets hela längd.

6. Fartyg enligt patentkrav 5, kännetecknat därav, att de sagda nedre bottensidorna (102) lutar med en vinkel (ß) som ligger mellan 15 och 20°.

7. Fartyg enligt något av ovan angivna pa- tentkrav, kännetecknat därav, att thrustarna (3), som är vridbara kring en axel företrädesvis cirka 360°, är place- rade utmed fartygets längd på var sida om fartygets mitt (13), varvid de är placerade jämnt, exempelvis i serien 4,6,8,10,l2 och så vidare eller i serien 4, 8, 12 och så vidare parvist på var sida om fartygets mitt (13), och fö- reträdesvis mitt för varandra.

8. Fartyg enligt något av ovan angivna pa- tentkrav, kännetecknat därav, att övre fartygssidorna (10) lutar med en vinkel (d) som ligger mellan 40-50°.

9. Fartyg enligt något av ovan angivna pa- tentkrav, kännetecknat därav, att ett antal isavledare (22, 25) är placerade vid, (13). och anordnade att sträcka sig utmed fartygets mitt l6

10. Fartyg enligt patentkrav 9, kännetecknat därav, att sagda isavledare (22, 25) är spetsiga i för och akter och att en (22) av sagda isavledare (22, 25) uppvi- sar väsentligen vertikala sidoytor.