"Wasserfahrzeug und Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung
Aus der Offenlegungsschrift DE 196 34 070 AI ist ein Wasserfahrzeug in Mehrrumpfausführung bekannt, bei dem ein schwimmfähiger Funktionskörper von einem beweglich angeordneten Zugteil durch die See gezogen wird.
Der bewegliche Zugteil besteht aus mehreren, katamaranförmig angeordneten Schwimmkörpern, in denen die Antriebe installiert sind. Durch die Vortriebskraft auf die vorgelagerten Schwimmkörper des Zugteils tauchen diese im Heckteil durch ihre be- wegliche Anordnung stark ab und müssen mit entsprechendem
Kraftaufwand durch geeignete Niederhaltevorrichtungen stabilisiert werden. Dadurch ist im Vorschiff nur eine geringe Beweglichkeit, ein geringer Surf-Effekt möglich, um bei bewegter See das Tauchen im Vorschiff maßgeblich reduzieren zu können, wie hydrodynamische Modellversuche im Wassertank gezeigt haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wasserfahrzeug und eine Offshore-Plattform der aufgezeigten Gattung so auszu- bilden, daß im Vorschiff eine uneingeschränkt hohe Beweglichkeit, ein größtmöglicher Surf-Effekt erzielt wird, um ein
Tauchen des Vorschiffes bei Seegang weitgehend verhindern und die Wellenbewegungen auf dem Funktionskörper des Wasserfahrzeuges oder der Offshore-Plattform nahezu entkoppeln zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche des Wasserfahrzeuges und der Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung, mit fest und beweglich angeordneten Rümpfen gelöst.
Das Wasserfahrzeug und die Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung besteht aus einem geschobenen (angetriebenen) kopflastig schwimmfähigen Funktionskörper oder Offshore-Plattform, dem/ der mehrere beweglich angeordnete Schwimmkörper vorgelagert sind, auf denen die Kopflast des Funktionskörpers zur Auflage kommt und damit die Schwimmf higkeit des Gesamtsystems auf gleichem Niveau hergestellt wird.
Das sehr gute Seeverhalten der Erfindung wird durch das geringere Eigengewicht und durch die nichtvorhandenen Vortriebskräfte auf die vorgelagerten, beweglichen Schwimmkörper erzielt. Zusätzlich wird das Seeverhalten dadurch verbessert, daß diese Schwimmkörper auch einzeln bewegt werden können und im Bugteil ein gestuftes Surf-Profil besitzen. Damit wird die Beweglichkeit im Vorschiff durch die 3-Teilung der Schwimm-Masse noch erhöht. Alle vorgenannten Maßnahmen zusammengenommen ermöglichen ein bestmögliches Seeverhalten in der Anwendung der Erfindung, wie hydrodynamische Modellversuche im Wassertank gezeigt haben.
Bei schweren Verdrängungssystemen erfolgt die Bewegung der vor-
gelagerten, beweglichen Schwimmkörper zwangläufig über die ermittelte Verdrängungsmasse und deren Trägheit unter den Bedingungen der Fahrdynamik, die hinter dem Drehpunkt seiner Lagerung wirksam wird. Bei Gleitersystemen kommen zusätzlich Gasfederoder vollhydraulische Dämpfungssysteme zum Einsatz, da die Verdrängungsmasse und deren wirksame Trägheit bei diesen Baugrößen zu gering sind.
Bei schwimmfähigen und verankerten Offshore-Plattformen erfolgt die Bewegung a u c h gegen die anrollende See. Dazu wird diese motorisch horizontal um 360 Grad im Zirkel um das Bohr- und/oder Fördergestänge über eine an der Plattform angebrachte Dreh- und Haltevorrichtung gegen die See ausgerichtet. In der aufgezeig- ten Alternative dazu kann die Kombination aus fest und beweglich angeordneten Schwimmkörpern auch durch fest angeordnete SWATH-Schwimmkörper (Small Waterplane Area Twin Hüll) ersetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fiq. 1 als Seitenansicht ein Wasserfahrzeug in Mehrrumpfaus- führung, bestehend aus einem geschobenen kopflastig schwimmfähigen Funktionskörper, dem mehrere Schwimmkörper beweglich vorgelagert sind, auf denen die Kopflast des Funktionskörpers aufliegt und dadurch die Schwimmfähigkeit auf gleichem Niveau hergestellt wird.
Fiq. 2 als Draufsicht ein Wasserfahrzeug in Mehrrumpausführung mit fest und beweglich angeordneten Schwimmkörpern.
Fiq. 3 als Seitenansicht ein Wasserfahrzeug in Mehrrumpfaus- führung mit fest und beweglich angeordneten Schwimmkörpern und der Einteilung des verlagerbaren Verdrängungsvolumens auf den Hebelstrecken Hl und H2 im Vorschiff über die vorgelagerten, beweglich angeordneten Schwimmkörper und dem Bewegungsnachlauf auf den Hebelstrecken H3 und H4.
Fiq. 4 als Seitenansicht eine Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung mit Bohr- und/oder Förderturm, vergleichbar wie Fig. 1, nur in besonders schwerer Ausführung.
Fiq. 5 als Draufsicht eine Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung mit Bohr- und/oder Förderturm, vergleichbar wie Fig. 2, nur in besonders schwerer Ausführung.
Fiq. 6 als Seitenansicht eine Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung mit Bohr- und/oder Förderturm und fest angeordneten SWATH-Schwimmkörpern.
Fiq. 7 als Vorderansicht eine Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung mit Bohr- und/oder Förderturm und fest angeordneten SWATH-Schwimmkörpern.
Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, daß zwei Anwendungsbeispiele bevorzugt für die Erfindung in Betracht kommen.
Bei den Zeichnungen in Fig. 1 bis 3 handelt es sich um die Anwendung als schnelle Mehrrumpf-Wasserfahrzeuge, bei denen optimale Seegängigkeit und höchster Fahrkomfort unter Seegang schon mit kleineren Baugrößen möglich ist.
Bei den Zeichnungen in Fig. 4 und 5 handelt es sich um die Anwendung als schwere Offshore-Plattform, die im Einsatzgebiet über eigene Antriebs- und Rudersysteme mit seinen vorgelagerten, beweglichen Schwimmkörpern, stirnseitig gegen die See gedreht wird. Denn in dieser Position werden die Wellenbewegung gegenüber der Arbeitsplattform besonders gut entkoppelt.
Bei den Zeichnungen in Fig. 6 und 7 handelt es sich ebenfalls um die Anwendung als schwere Offshore-Plattform, bei denen die Entkopplung der Wellenbewegung über fest angeordnete SWATH-Schwimm- körper erfolgt.
Bei allen Anwendungen ist es Aufgabe der Erfindung, über die verbesserte Seegängigkeit mit geringerer Schwimm-Masse auszukommen, die sich günstig auf die Anschaffungs- und Betriebskosten auswirkt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebssicherheit und die Arbeitsbedingungen gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern.
Voraussetzung für die Funktion eines Wasserfahrzeuges in Mehrrumpfausführung mit fest und beweglich angeordneten Rümpfen ist dessen Gestaltung ähnlich dem Prinzip des Doppelpendels.
Aus den Grundlagen der Physik sind Doppelpendel bekannt, die vertikal in Luft (Gasen) an ihrem längsten Hebel beweglich aufgehängt und an dessen freischwingenden Hebelende kleinere Hebel beweglich angeordnet sind. Setzt man das Doppelpendel in Bewe- gung, so vollzieht bekanntlich das kleinere Pendel die intensivsten (chaotischen) Bewegungen. Überträgt man dieses Prinzip auf beweglich miteinander verbundene Schwimmkörper, die horizontal auf Flüssigkeiten (Wasser) aufliegen, so schiebt unter Fahrdynamik der längste Hebel H3 das kleine Pendel Hl und H2 in einen geordneten Bewegungsablauf, dessen Bewegung von der Höhe des Wellengangs und der Geschwindigkeit bestimmt wird. Der geordnete Bewegungsablauf bei Wellengang des kleinen Pendels als bewegliches Vorschiff ergibt sich aus der Masseträgheit in der Verlagerung des Verdrängungsvolumens um seinen Drehpunkt. Grundsätz- liehe Voraussetzung für die horizontale Funktion des Doppelpendels mit Schwimmkörpern auf bewegter Wasseroberfläche ist, daß eine ausreichende Last bzw. Gewicht am Drehpunkt des kleinen Pendels aufliegt. Der Nutzeffekt dieser Anwendung ist, daß die Kräfte aus der bewegten See am Wasserfahrzeug oder am verankerten "Stehzeug" als Offshore Plattform nicht auf einem starren Widerstandskörper auftreffen, sondern über die Funktion des Doppelpendels diese Kräfte in entkoppelte Bewegung umgesetzt wird und damit der Wellenzusatzwiderstand stark reduziert werden kann. Mit vorgenannten Ausführungen wird die Wirkungsweise der Erfindung auch physikalisch erklärt.
Das Wasserfahrzeug und die Offshore-Plattform in Mehrrumpfausfuhrung ϊ besteht aus einem geschobenen, kopflastig schwimmfähigen Funktionskörper oder einer Plattform 2, dem mehrere Schwimmkörper 3 beweglich vorgelagert sind, auf denen die Kopf- last des Funktionskörpers oder der Plattform 2 zur Auflage kommt und damit die Schwimmfähigkeit auf einheitlichem Niveau hergestellt wird.
Über bewegliche Lagerstellen 4 mit Axialarretierung kommt die Kopflast des Funktionskörpers oder der Plattform 2 gewichtswirksam auf den vorgelagerten Schwimmkörpern 3 dort zur Auflage, wo das Verdrängungsvolumen auf der Hebelstrecke Hl zu H2 nahezu gleich ist. Die vorgelagerten, beweglichen Schwimmkörper 3 werden einzeln oder zusammen auf stirnseitig angeordneten
Führungen 5 auf dem Funktionskörper oder der Plattform 2 parallel und beweglich geführt. Die Führungen 5 und die dazu erforderlichen Gegenstücke sind so ausgebildet, daß Stöße und kleinere Havarien aufgenommen und in den Funktionskörper oder der Plattform 2 eingeleitet werden können. Die Bewegung der vorgelagerten Schwimmkörper 3 erfolgt auf einer festen Kreisbahn, im Zirkel um die bewegliche Lagerstelle 4. Bei annähernd gleichem Verdrängungsvolumen vor und hinter den beweglichen Lagerstellen 4 der vorgelagerten, beweglich angeordneten Schwimmkörper 3 auf den Hebelstrecken Hl zu H2, verlagert sich bei Seegang damit fortlaufend das Verdrängungsvolumen im Vorschiff und verhindert über den so erzielten Surf-Effekt weitgehend das Tauchen im Vorschiff. Bei hoher Geschwindigkeit in der Gleiteranwendung der Erfindung ist die Masseträgkeit auf der Hebelstrecke H2 nicht ausreichend und wird deshalb zusätzlich durch Dämpfungssysteme 6 auf der Hebelstrecke Hl ergänzt.
In der Anwendung der Erfindung als Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung ϊ wird diese in verankerter Bohr- und/oder Förderposition mit ihren strömungsgünstigen, fest und beweglich angeordneten Schwimmkörpern 7 und 3 über drehbare Haltevorrich- tung 11 als Rollgang um 360 Grad im Zirkel um das Bohr- und/oder Fördergestänge 9, stirnseitig immer gegen die anrollende See ausgerichtet. Die horizontale Beweglichkeit auf der Stelle macht es erforderlich, daß auch das Bohr- und/oder Fördergestänge 9 in einer drehbaren Haltevorrichtung 10 auf der Plattform 2 ge- halten wird. Die so gestalteten, günstigen Strömungsverhältnisse im Unterwasser- und Wellenbereich der Offshore-Plattform I kommen im Überwasserbereich ebenfalls zur Anwendung. Die Aufbauten auf der Plattform 2 sind, soweit das möglich ist, ebenfalls besonders strömungsgünstig gestaltet, um bei Sturm keine zu großen Widerstandsflächen zu bieten. Das ist besonders in Bohr- und/ oder Fördergebieten von großem Vorteil, in denen regelmäßig Wirbelstrürme auftreten.
Die Möglichkeit der Ausrichtung einer strömungsgünstigen Off- shore-Plattform gegen die anrollende See bietet den großen Vorteil, diese zukünftig länger als breiter und flacher bauen zu können. Z.B. ist ein Längen/-Breitenverhältnis von 3 : 1 mit 225 x 75 m als optimal zu bezeichnen, das zudem auch gute Voraus- Setzungen in Bezug auf die zu gestaltende Festigkeit bietet.
Bei starren Offshore-Plattformen - in Bauweise und Verankerung - besteht die Möglichkeit der Ausrichtung gegen die See nicht. Die Kräfte, die aus Seegang und Sturm auf starre Offshore-Plattformen auftreffen, können aus allen Richtungen kommen. Deshalb haben starre Offshore-Plattformen überwiegend auch ein Längen/- Breitenverhältnis von 1 : 1, z.B. 90 x 90 m.
Die hohen Kräfte aus der bewegten See treffen bei starren Off- shore-Plattformen bekanntlich mit immenser Wucht auf eine große Fläche von mehreren, tragenden Säulen. Um diesen hohen Kräften wirksam standhalten zu können, ist eine hohe Schwimm-Masse und Trägheit erforderlich, die in ihrem Unterwasserbereich große Gegengewichte erforderlich machen, um einen betriebssicheren Schwerpunkt bei den wellenbedingt hochbauenden, starren Offshore- Plattformen zu erhalten. Diese Konstruktionen sind bekanntlich in Anschaffung und Unterhalt besonders kostenintensiv.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung, in der Anwendung als bewegliche Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung ϊ weitgehend vermieden.
Die Beweglichkeit der Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung ϊ erfolgt in zwei Achsen:
a) Vertikal, zur Reduzierung der Kräfte aus der bewegten See über die strömungsgünstige Formgestalt der Schwimmkörper 7 und 3 sowie gewichtswirksam auf die vorgelagerten, beweglich angeordneten Schwimmkörper 3, mit dem Ergebnis der Verbesserung der Seefähigkeit bei weitgehender Entkopplung der Wellenbewegung auf der Plattform 2.
b) Horizontal, im Zirkel von 360 Grad um das Bohr- und/ oder Fördergestänge 9 mit der gesamten Offshore-Plattform 1, um diese stirnseitig immer gegen die anrollende See ausrichten zu können. Die horizontale Beweglichkeit ist Voraussetzung für das in a) genannte Ergebnis.
Die fest angeordneten Schwimmkörper 7 haben wahlweise in ihrem Unterwasserbereich einen größeren Querschnitt als im Überwasserbereich. Alle festen und beweglichen Schwimmkörper 7 und 3 sind in dafür vorgesehenen Sektionen flutbar, um ein exakt ausgewogenes Niveau herstellen und wenn erforderlich, den Schwerpunkt tiefer legen zu können.
Die motorischen Antriebe befinden sich in den fest angeordne- ten Schwimmkörpern 7 der Plattform 2. Strahlruder sind in den festen und beweglichen Schwimmkörpern 7 und 3 angeordnet.
Der Bohr- und/oder Förderturm 13 kommt in annähernder Schwer- punktlage der Offshore-Plattform ϊ zur Aufstellung. In der verlängerten ήchse zum Bohr- und/oder Förderturm 13 sind die beweglichen Hal-evorrichtungen 10 für das Bohr- und/oder Fördergestänge 9 und die drehbare Haltevorrichtung 11 auf/unter der Offshore-Plattform ϊ befestigt. Die Verankerung der Offshore- Plattform 1 auf dem Meeresboden erfolgt in gespreizter Ausführung über flexible Haltegestänge oder Stahlseile 12.
Im vorderen Teil der Offshore-Plattform 1 ist der Fahr- und Be- triebsstand 14 angeordnet. Im hinteren Teil befinden sich räumlich getrennt die Mannschaftsunterkünfte 15 und die Energiezentrale 16. Der gesamte Materialfluß erfolgt auf durchgehend gleichem Niveau mit Hilfe von mehreren Krananlagen 17.
Die Entkopplung der Wellenbewegung auf der Offshore-Plattform ϊ kann neben der Kombination aus fest und beweglich angeordneten Schwimmkörpern 7 und 3 auch mit durchgehend fest angeordneten SWATH-Schwimmkörpern 18 erfolgen.
Bei starren Offshore-Konstruktionen für den Tiefsee-Einsatz und dessen starren Verankerung auf dem Meeresboden wird die Entkopplung der Wellenbewegung auf der Plattform zum Zweck von betriebssicheren Arbeitsbedingungen durch eine hohe, teilgetauchte Schwimm-Masse erzielt. Die damit verbundenen hohen Investitionsund Betriebskosten sind bei niedrigen Rohölpreisen wie zur Zeit, fast nicht kostendeckend. Denn die Offshore-Förderung bei Öl und Gas steht im Wettbewerb zu den günstigeren Förderkosten auf dem Festland.
Der wirtschaftliche Nutzen der Erfindung in der Offshore-Anwen- dung liegt darin, daß damit Offshore-Plattformen gebaut werden können, die mit 1/3 bis 1/2 weniger Schwimm-Masse auskommen und damit nachhaltig auch preisgünstiger werden.
Die Offshore-Industrie hat sich in der Vergangenheit bereits mit Plattformen befaßt, die im Zirkel um das Bohr- und/oder Förder- gestänge bewegt werden. Die bekannten Denk- und Ausführungsbeispiele haben aber keine Einsparung bei der Schwimm-Masse aufge- zeit und konnten nur vereinzelt Käufer finden. Gefragt sind leichtere, extrem strömungsgünstige Konstruktionen, die weniger hoch, dafür aber länger und flacher bauen. Die projizierte Fläche, die bei den tragenden Teilen der Erfindung stirnseitig im Unterwasserbereich und als Wellenzusatzwiderstand anliegt, hat nur 1/5 bis 1/4 der Fläche, die bei vergleichbaren, starren Offshore- Plattformen den Kräften der bewegten See ausgesetzt sind. Die Notwendigkeit für den Bau von Offshore-Plattformen nach der Er- findung ergibt sich aus den hohen Kosten bei den starren Konstruktionen, die mit der Erfindung nachhaltig reduziert werden können.
- Patentansprüche -
Aufstellung der Bezugszeichen:
1 Wasserfahrzeug und Offshore-Plattform in Mehrrumpfausführung mit fest und beweglich angeordneten Rümpfen
2 geschobener, kopflastig schwimmfähiger Funktionskörper oder Plattform
3 beweglich vorgelagerte Schwimmkörper
4 bewegliche Lagerstellen mit Axialarretierung
5 Führungen
6 Dämpfungssysteme
7 fest angeordnete Schwimmkörper
8 Querverbindungen
9 Bohr- und/oder Fördergestänge
10 drehbare Haltevorrichtung für Bohr- und/oder Fördergestänge
11 drehbare Haltevorrichtung als Rollgang zur Verankerung
12 flexible Haltegestänge oder Stahlseile
13 Bohr- und/oder Förderturm
14 Fahr- und Betriebsstand
15 Mannschaftsunterkünfte mit Helikopterlande- und Startplatz
16 Energiezentrale
17 Dreh- und Brückenkrane
18 fest angeordnete SWATH-Schwimmkörper
WL Wasserlinie
KL Lage der Kopflast beim Funktionskörper oder der Plattform
SP annähernde Schwerpunktlage
HB Hubbewegung
Hl Hebelstrecke zur Reduzierung des Wellenzusatzwiderstandes durch Verlagerung des Verdrängungsvolumens im Vorschiff
H2 Hebelstrecke zur Verlagerung des Verdrängungsgewichtes
H3 Hebelstrecke als Schubstrecke
H4 Hebelstrecke als Führungsstrecke