CN1185773A - 操纵锚定的漂浮结构对着公海海浪方向的方法与装置 - Google Patents

Abstract

操纵一锚定的漂浮结构(1)对着海浪方向的方法与装置,在所述结构的前端部系泊在浮筒或类似装置处,在所述漂浮结构的尾部装有一个或多个可转动的风向舵(5),所述风向舵(5)可以调节到对着风向的状态,该状态安全地操纵漂浮结构以稳定的状态对着海浪方向,一个或多个风向舵(5)的截面可能有利地具有机翼轮廓或下滴水珠形状。

Description

操纵锚定的漂浮结构对着公海 海浪方向的方法与装置

本发明涉及操纵一漂浮结构对着海浪方向的方法和装置，此处所述结构在其船头(船中部区域的前面)锚定或系泊于浮筒上，所述漂浮结构可能包括任何一种为在不冻水域使用而设计的船只，小船或漂浮结构。

从海上，例如北海，地下储藏中开采的大量石油和天然气现在通常是借助于安排在海底的管线运送到岸上的装置如炼油厂和贮罐中，此外，大量石油和天然气，特别是在与海底现有的管线系统不连通。小而远距离油气田生产的石油和天然气是由船来运输。

尽管使用船只作上述这类运输，但它涉及船和浮筒的连接或系泊，即靠近平台或海底储存石油或天然气的储存设备锚定，石油或天然气借助于通过浮筒安排的一条或多条管线从储油设备输送到船上。

从海上小油气田，或油气田所处海域的深度不便于或不可能使用处于海底的设备时，储存和生产石油和天然气就采用储存船和生产船，这类船借助于通常安排在船体的船头的转塔来锚定。

在强风强海流以及波涛汹涌的海面的恶劣天气，作用在船、浮筒和系船用具上的力可以变得极强。特别作用在船上的强力，使船围绕系泊点(浮筒，锚等)以大的摆幅从一边到另一边自由地摇摆。

在公海上(见后续段落)，作用在系泊的并自由摇摆船上的主要作用力通常由海浪力来维持，摇摆幅度变得越大，海浪对船的影响也就越大，这是由大的水平运动和力以及起伏和滚动而引起，从而导致重负荷并造成船和系泊装置磨损、破坏。

众所周知的操纵锚定的船对着海浪的方向是借助于安排在船体尾部的侧向推进器，但这类装置昂贵，同时还要有与维修工作相关的附加费用。

作为与船，特别为捕鱼而设置缆绳和网的小渔船，常常要使用后樯纵帆。上述后樯纵帆是一种由船尾桅杆支持的帆。它起着使船对着风向的作用，并减少船的滚动，当用力拉渔具，如网或缆绳时，重要的是保持船对着风的方向，以避免船漂移横跨渔具。

因此，后樯纵帆是一种通常(除去扬帆航行时)安排成平行于船体方向的帆。

尽管船锚定或系泊在公海的浮筒或类似装置上用以装载或生产石油或天然气，如前所述，其基本任务就是要保持船对着海浪方向处于稳定状态，以避免船以大的幅度摇摆(左右摇转运动)，所述摇摆可能导致系泊装置超载。此外当船处于小的方向变化时，可以避免大幅度的滚动。

本发明提供一种可以解决此问题的方法与装置，本发明所述方法的特征在于，在漂浮结构的尾部提供一种风向舵，该风向舵对着风的方向调节成这样一种状态，即使漂浮结构对着海浪的方向，如所附独立权利要求1所述。

本发明的装置的特征在于，安排一个可转动的风向舵(最好是正向驱动)，该舵适合于根据船的纵轴调节到任何所希望的角度位置，如所附权利要求2所述从属的权利要求3和4描述本发明的有利特性。

以下将参照说明实施例的附图详细描述本发明，其中：

图1表示根据本发明提供风向舵的船的侧视图和俯视图；

图2表示包括在本发明中的风向舵的实施例；

图3表示借助于一转塔系泊的船的理想情况，如图1所示那里的风和海浪以不同方向朝向船；

图4所示为基于模型实验的图形表示：

a)当风向对着海流和海浪方向为20°时，模型船的左右摇转运动，该模型船无风向舵，以及

b)当风向对着海流和海浪方向为20°时，模型船的左右摇转运动，该模型船具有与船纵轴成30°角的风向舵。

如上所述，图1表示船的侧视与俯视衅，在其船头有一转塔4，该转塔为转动装在船体上，同时转塔借助于锚缆3(未进一步表示)系泊在海底，因此船可以相对转塔自由地转动或摇摆。

本发明的一个重要特征在于，在船尾部安装一个可转动的风向舵，此处所述风向舵延伸到甲板上或可能就装在甲板上，风向舵与最好由电动机或液压马达来驱动，同时适合于相对船的纵轴转到任何所希望的位置(角度)，风向舵的横截面应合适地具有机翼的轮廓形状或下滴水珠的形状，如图所示，以达到增加的“推举”和降低的空气阻力，另一方面，可采用其它形状，如平面或近似平面形状。

图2表示另一种形状风向舵的横截面，它具有这样一种形状，即对来自船两侧的风向可达到近似推举表面的效应，在该图中使用以下符号：

α_R＝相对于船的舵方向

β＝相对于船的风方向

τ＝相对于舵的风方向

C＝相对于舵方向的前鳍板的方向

d＝相对于舵方向的尾鳍板的方向

FR＝来自舵的推举力

DR＝来自舵的阻力

在图2a中舵制成当风来自船的左舷侧时，承受“推举”到左舷侧(图中的客轮)的形状，图2b表示相反的情况，当风来自船的右舷侧时，  舵的轮廓希望制成“推举”到右舷侧的形状，这种轮廓即使在袭击角为0°时也能承受大的“推举”，同时代表在其横向根据轮廓形状大约8°至15°的最大力。

舵分成三个可以相互回转的铰接部分，该状态允许轮廓的中心线形成一曲线，该曲线的特征在于具有机翼形状，该舵具有一主要部分10，它允许相对于由船1支持的桅杆转动。轮廓的最前面部分8(“导向边缘”)允许相对轴9转动，后面部分7(“尾部边缘”)允许相对轴6转动，轴6和9均固定在主要部分10上。

公海的海浪主要由风产生，通常在强风的条件下(8级大风和更强)，海浪的方向与风的方向在向两边15°至20°的范围内大致相同，此角度在弱风的条件下可能变大，原因是所谓的“老海”(old sea)。

海流也主要由风产生，这种由风产生的海流，由于地球转动的结果，将在相对风向20°的方向发展。但可能由于潮汐，全球流(海湾流)和局部流造成此海流，在这种情况下，海流和海浪之间的角度，即使在强风条件下也可能变到40°至60°。

由于风和海流通常以不同于海浪方向的角度作用，不具有风向舵的船将定位在不同于海浪方向的平均方向，如上所述，海浪力将和海浪一样有意义，并将导致船的横向重载，而且海浪随时间的进程变化很大，因此船将发生大的左右摇转运动，这就造成对系泊装置的大的动载荷。

图3表示借助于转塔系泊船的理想情况，如图1所示，风和海浪以不同方向朝向船，如箭头所示，此图中的符号如下：

F_s＝作用在船上的风力的横向分量

F_c＝作用在船上的海流负荷的横向分量

F_w＝作用在船上的海浪力的横向分量

D_s＝作用在船上的风力的纵向分量

D_c＝作用在船上的海流负荷的纵向分量

D_w＝作用在船上的海浪力的纵向分量

F_t＝转塔系泊力

γ＝相对于浪头的船的方向

M_S＝作用在船上的风力的左右摇摆转矩

M_C＝作用在船上的海浪负荷的左右摇摆转矩

M_W＝作用在船上的海浪力的左右摇摆转矩

FR＝作用在风向舵上的风力的横向分量

DR＝作用在风向舵上的风力的纵向分量

CDG＝船的重心

由F_W，F_C和F_S表示的力箭头代表分别由作用在船上的海浪、海流和风产生的力的横向分量，F_R和D_R代表作用在风向舵上的风力的横向分量和纵向分量。

作用在船上的风、海浪和海流的力的纵向分量类似地由D_S+D_W+D_C标出的力箭头来表示，此外风，海浪和海流将造成(围绕船的垂直轴线)的左右摇摆的冲力，在图中由标出M_S+M_W+M_C的箭头来代表，该冲力围绕船的重心作用，作用在船上的力的幅值和冲力取决于船在海面以下和以上的形状以及船分别和风、海浪及海流之间的相对方向。

由F_R标出的系泊力通过转塔中心作用，作用在有关转塔系泊系统的冲力通常其幅值小到可以忽略不计。

船的状态可被称为系泊于方向不稳定的状态，如果这种状态会在一个小的横向力(干扰)的影响下就从初始位置改变到和初始位置有很大不同的另一位置，这一状态的特征为静态不稳定状态。动态不稳定状态的特征是如对船施加一小的横向干扰(由一作用力在有限的时间区间内影响)船将以一增长的幅值开始转动(左右摇转)。

使船产生不稳定特性的力可能由作用在船上的风、海浪、海流或其它种类的影响引起。一系泊的船与方向有关的稳定与不稳定取决于由风、海浪和海流引起的横向力和扭矩系数以及转塔的位置和其系泊力。此外动态方向稳定性的依据由船对左右摇转运动的惯性矩及船的横向运动来确定。

由作用在船上的海浪、风和海流而产生的力的幅值取决于船的几何形状及其对海浪、风和海流方向的平均方面，在一给定的情况下，如上所述如果船是方向不稳定的，则必须能抵抗大的左右摇转运动，如果船方向是稳定的，则反馈力(由风、海流和海浪产生)一般将小于船的惯性力。因此，对左右摇转运动的响应时间将变长，100秒或更长，它取决于风、海流和海浪的力。此外，这就意味着如果某一力的分量(例如海浪力)在幅值和方向上改变，船的方向可能有大的变化，特别是海浪力(缓慢变化)将影响左右摇转运动。

由于风经常以不同于海浪的方向作用，同时也代表了影响船方面的最主要作用力，来提供风向舵的船的平均方向将主要由风的方向决定。因此船的方向将稍微偏斜于海浪的方向，这是一个不利的情况。因为海浪在偏斜的方向撞击船头，这样导致产生左右摇转运动的动态力，从而在锚定船的系泊缆上作用很高的动载荷，海浪以斜角撞击船可能引起船附加的大的滚动。

本发明使用一个或多个风向舵，将提供一作用力该力的作用方向与F_W，F_C和F_S合力的方向相反，同时产生以下效果：

由于风向舵的作用，增加了船的“左右摇转角弹簧刚度”，这将使船在摆过去以后又回到一个平均方向的力的增加，从而改进了船的方向稳定性，以及

将以这样一种方式改变船的平均方向，即对着船头方向的海浪将直接从前方来，因此影响船左右摇转角和平均海浪负荷的动态力将降低。

风向舵可以一个可供选择的方式调节和控制，例如：

根据船对风和海浪平均方向的变化，风向舵定期调节，或

为最大限度利用风向舵的能力，附加考虑船的左右摇转运动风向舵连续调节。

进一步，风向舵所形成的尺寸要能承受一横向力，此横向力要足够的强以保持在风、海浪和海流在负荷和压载要求下的最大可能载荷组合条件下船头面临海浪。

此外，风向舵可以类似于动态定位船中的侧推进器的方式手动或自动地进行调节和控制，这可以说是借助于基于连续记录的例如船的方向、风、海流和海浪的数据控制。

实验将在由转塔系泊的模型船上进行，所述模型船装备有一个根据本发明的固定的风向舵，实验将在模型罐上进行，那里的海浪以对风的方向为20°的方向传播，而海流的方向近似海浪的方向，风向舵固定在一个与模型船纵轴成30°角的位置，所述风向舵的面积大约为船的水面横截面的20％。

在实验过程中，船处在对海浪方向平均角度为3.3°的位置，因此风对风向舵的撞击角度是30-20+3.3＝13.3°，在这些条件下，船的最大左右摇转角为11.43°，而最小左右摇转角为-4.1°，在最后一个提及的例子中风对风向舵的撞击角为30-20-4.1＝5.9°，而在首次提及的例子中类似的角度为30-20+11.4＝21.4°。

不具有风向舵的模型船的实验也进行了，在这些实验中风和海浪的方向与上述相同，在这种情况中，船具有对海浪方向的平均角度为13°，而最大左右摇转角是28°，最小左右摇转角为0.4°。

图4a)和b)示出分别是无风向舵和有风向舵的船左右摇转运动的图形表示，该图形表示是实验中一段时间的记录。

根据上述图4a)和b)的数字值可以看出，装有风向舵的船的左右摇转运动(从一侧到另一侧的摇摆运动)是非常小的，在这种状态下最大左右摇摆幅值之间的差别大于30％，左右摇摆幅值的降低也导致系泊负荷的降低，对具有风向舵的船测量结果大约降低25％。考虑在实验中使用的风向舵，必须注意到此风向舵不论在尺寸或形状上均不是最优化的。同时实验结果表明对运动和力的正面影响将是应用根据本发明的风向舵的唯一获得的结果。

Claims (4)

1.操纵一锚定的漂浮结构(1)对着海浪方向的方法，所述结构在其前端系泊在浮筒或类似装置上，其特征在于：

漂浮结构在其尾端装有一个或多个可转动的风向舵(5)，将所述风向舵调节到对着风的方向，因而漂浮结构以平稳状态对着海浪的方向。

2.操纵一锚定的漂浮结构(1)对着海流和/或海浪方向的装置，在所述结构的前端系泊于浮筒或类似装置上，其特征在于：

一个或多个可转动的且最好是正向驱动的风向舵装在有关漂浮结构(1)的头部并进一步调节到对该漂浮结构纵轴成任何所希望的角度。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：一个或多个风向舵(5)具有机翼轮廓或下滴水珠状截面。

4.根据权利要求2和3所述的装置，其特征在于：风向舵(5)分成三个铰接部份(7，8，9)，该三部分可以相互摆动成这样一种状态，即允许各部分的中心线形成一定弯度。

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