DE1531648B - Schwimmender Trager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schwimmenden Träger, der gegen die vom Seegang verursachten Roll- und Stampfbewegungen stabilisiert ist, mit einem Stabilisierungskörper, der am Schwimmkörper mit momentübertragenden Verbindungsgliedern befestigt und unter der Schwimmkörperlage angeordnet ist, und der allen Bewegungen in einer quer zu einer den Stabilisierungskörper mit dem Schwimmkörper verbindenden Linie verlaufenden Richtung einen Widerstand entgegensetzt.

Die Erforschung und Ausbeutung von Ölquellen und Lagern von Mineralien auf und unter dem Meeresboden hängt von der Stabilität der schwimmenden Fahrzeuge und Plattformen bei dem wechselnden Seegang und den Gezeiten ab. Andere Arbeiten auf hoher See erfordern eine stabile Plattform oder eine Plattform mit vorausbestimmbaren und kontrollierbaren Bewegungen. Die Erfindung ist besonders gut geeignet für Ölbohrungen vor der Küste und wird in bezug auf dieses Verwendungsgebiet beschrieben, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Wie aus der Beschreibung noch zu ersehen sein wird, kann die Erfindung ferner noch angewendet werden bei der Stabilisierung von schwimmenden Beobachtungsplattformen, Trockendocks, Ladeplattformen und Schwimmkörpern aller Art.

Nach dem Stand der Technik werden Unterwasserbohrverfahren von schwimmenden Fahrzeugen, halbeintauchbaren sowie von ortsfesten Plattformen aus durchgeführt. Die ortsfesten Plattformen werden von auf dem Meeresboden ruhenden Stützpfeilern getragen, so daß die Bohrplattform vom Seegang nicht beeinflußt wird. Die Verwendung solcher Plattformen wird natürlich durch die Wassertiefe begrenzt. Halbeintauchbare Plattformen und Bohrschiffe können natürlich in Gewässern mit jeder Tiefe arbeiten. Halbtauchende Plattformen werden bekanntlich von Schwimmkammern getragen, die in einer vom Seegang nicht berührten Tiefe angeordnet sind und die Plattform oberhalb des Wasserspiegels tragen. Von solchen Plattformen sind verschiedene Ausführungen bekannt, die jedoch ziemlich teuer und der Einwirkung einer groben See, der Gezeiten und anderen Faktoren ausgesetzt sind, da sie im Betrieb an einen festen Ort gebunden sind.

Ferner sind Bohrschiffe bekannt, von denen aus die Bohrung durchgeführt wird. Diese Schiffe weisen gegenüber den halbtauchenden Plattformen viele Vorzüge auf, von denen nur die Möglichkeit angeführt wird, daß diese Schiffe rasch von einer Stelle zu einer anderen fahren können. Die Kosten solcher Bohrschiffe sind zur Zeit wesentlich geringer als die Kosten von halbtauchenden Bohrplattformen, können jedoch noch weiter gesenkt werden, wenn die Größe der Schiffe unter Beibehaltung oder sogar Erhöhung der Stabilität vermindert werden kann.

Einer der Hauptnachteile solcher Bohrschiffe ist die relative Unstabilität des Schiffsdecks, das den Bohrturm und die sonstige Ausrüstung trägt und die Bohrplattform darstellt. Da das Bohrschiff frei schwimmt, so ist es natürlich der Einwirkung des Seeganges ausgesetzt, selbst wenn das Schiff fest verankert ist, da die Verankerungskabel notwendigerweise so viel Durchhang aufweisen müssen, daß das Schiff dem Seegang folgen kann. Führt das Schiff sehr starke Roll- und Stampfbewegungen aus, so wird die Durchführung des Bohrens schwierig. Die Rollbewegungen des Schiffes verstärken sich am obersten Block des Bohrturmes erheblich. Die Bohrausstattung, der Rohrstrang und die anderen Bohreinrichtungen, die im Bohrturm aufgehängt sind, schwingen bei dem Rollen des Schiffes hin und her, und da diese Ausstattung außerordentlich schwer ist, so können Personen- und Sachschäden eintreten.

Nach der USA.-Patentschrift 1 100 771 ist ein Stabilisator bekanntgeworden, der als einstückige Vorrichtung parallel zur Kennlinie eines Rettungsbootes od. dgl. unter dem Boot aufgehängt ist. Die Vorrichtung ist als Ballastträger ausgebildet, erzeugt aber auch Widerstand quer zum Schiff und in Richtung auf das Schiff zu. Die nicht als Ballasteinrichtungen ausgebildeten Einrichtungen nach den USA.-Patentschriften 1 096 192 und 3 064 613 üben Widerstandskräfte lediglich in Richtung auf das Schiff zu aus. Alle Einrichtungen sind in der vom Seegang beeinflußten Schicht des Meeres angeordnet. Neben der Ausbildung als Ballasteinrichtung ist bei der erstgenannten Einrichtung nachteilig, daß sie einer Bewegung auch in Richtung auf das Schiff zu einen Widerstand entgegensetzt, was Tauchungen des Schiffes bewirkt. Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die bekannte Einrichtung so abzuwandeln, daß die Gefahr von Tauchungen vermieden wird, dabei aber gegen die vom Seegang verursachte RoIl- und Stampfbewegung wirksam stabilisiert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem schwimmenden Träger mit dem eingangs genannten Stabilisierungskörper dadurch gelöst, daß der Stabilisierungskörper so geformt und unterhalb der Zone des schweren Seegangs angeordnet ist, daß er in einer Richtung frei bewegbar ist, die parallel zu der den Stabilisierungskörper mit dem Schwimmkörper verbindenden Linie verläuft.

Der Stabilisierungskörper kann so ausgestaltet .und angeordnet sein, daß er in vertikaler Richtung frei bewegbar ist.

Zweckmäßig umschließt der Stabilisierungskörper in an sich bekannter Weise eine Wassermasse und setzt mit dieser einer Beschleunigung einen Trägheitswiderstand entgegen.

Bei Schwimmkörpern, die eine Längsmittellinie aufweisen, kann der Widerstand des Stabilisierungskörpers in an sich bekannter Weise in einer quer zur Längsmittellinie verlaufenden horizontalen Richtung zur Wirkung gebracht werden, indem die Verbindungsglieder derart ausgebildet sind, daß sie lediglich ein Moment um die Längsmittellinie herum übertragen.

Die Verbindungsglieder sind vorzugsweise zwischen dem Schwimmkörper und dem Stabilisierungskörper in an sich bekannter Weise derart ausgebildet, daß sie einen Hebelarm um die Stampfachse sowie um die Rollachse des Schwimmkörpers bilden.

Die in den obigen Ausführungsformen der Erfindung in Erscheinung tretenden Merkmale sind an sich durch die USA.-Patentschrift 1 100 771 bekanntgeworden.

Die Verbindungsglieder können in Kraftflußrichtung wirkend elastische Mittel aufweisen, die auf die entgegengesetzten Seiten des Hebelarmes um die Stampf- und die Rollachse des Schwimmkörpers herum vorherbestimmte Kräfte ausüben.

Die Verbindungsglieder zwischen dem Schwimmkörper und dem Stabilisierungskörper bestehen im allgemeinen aus Streben, die an entgegengesetzten Seiten der Längsmittellinie des Schwimmkörpers

angebracht sind und elastische Mittel aufweisen, um die Spannung in den Streben zwischen dem Stabilisierungskörper und den entgegengesetzten Seiten des Schwimmkörpers zu ändern.

Die Spannung in den Verbindungsgliedern kann bis zu vorherbestimmten Grenzen verändert werden.

Die an dem elastischen Mittel angreifenden Verbindungsglieder stellen vorzugsweise in an sich bekannter Weise Kabel dar, wie sie durch die USA.-Patentschrift 1 102 764 bekanntgeworden sind.

Der Stabilisierungskörper kann aus einem an den Enden offenen und vertikal angeordneten Zylinder bestehen.

Der Stabilisierungskörper kann auch aus zwei auf Abstand stehenden und parallelen Platten bestehen, die parallel zur genannten Längsmittellinie verlaufen.

Die Verbindungsglieder können in an sich bekannter Weise aus starren Gliedern bestehen. Dieses und das nächste Merkmal ist an sich in der USA.-Patentschrift 1 100 771 offenbar worden.

Im allgemeinen sind die Verbindungsglieder in an sich bekannter Weise in der Querrichtung steif und am Schiff in der Längsrichtung verschwenkbar angebracht.

Der schwimmende Träger kann in an sich bekannter Weise durch einen ersten und einen zweiten Stabilisierungskörper gekennzeichnet sein, welche Körper in der Längsrichtung des Schiffes auf Abstand stehen und senkrecht unter der Längsmittellinie des Schiffes angeordnet sind. Dieses Merkmal ist an sich durch die USA.-Patentschrift 3 064 613 bekanntgeworden.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen ist die

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform 'der Erfindung,

F i g. 2 eine Querschnittszeichnung nach der Linie II-II in der F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung, von der Heckseite des Schiffes aus gesehen,

F i g. 4 eine schaubildliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der ein einzelner Stabilisierungskörper zusammen mit einem Schwimmkörper verwendet wird,

F i g. 5 eine der F i g. 4 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der der Stabilisierungskörper mit einer Boje elastisch verbunden ist,

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer Wellenamplitude,

F i g. 7 a bis 7 d eine schematische Darstellung der Arbeitsweise der Erfindung bei einem Schiff,

F i g. 8 eine Darstellung eines Bohrschiffes mit zwei Stabilisierungskörpern nach der Erfindung, die mit dem Schiff elastisch verbunden sind,

F i g. 9 eine Schnittzeichnung nach der Linie DC-IX in der F i g. 8,

F i g. 10 eine Darstellung der Ausführungsform nach der F i g. 8, von der Heckseite des Schiffes aus gesehen,

F i g. 11a bis Hd eine Darstellung der graphischen Auflösungen des Rollwinkels bei verschiedenen vorherbestimmten Federkonstanten der elastischen Verkupplung mit dem Stabilisierungskörper,

F i g. 12 ein Schnitt durch eine dritte andere Ausführungsform des Stabilisierungskörpers,

F i g. 13 ein Schnitt durch eine vierte andere Ausführungsform des Stabilisierungskörpers,

F i g. 14 eine Darstellung einer Ausführungsform, bei der der Stabilisierungskörper nicht senkrecht angeordnet ist, und die

Fig. 15 eine schematische Darstellung gewisser physikalischer Beziehungen und Faktoren.

Die F i g. 1, 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung ein Bohrschiff. Das als Ganzes mit 10 bezeichnete Schiff stellt das typische Küstenbohrschiff dar mit einem in der Mitte angeordneten Schacht, durch den hindurch die Bohrarbeiten durchgeführt werden, und über dem der Bohrturm aufgestellt ist. Die Bohrarbeiten werden vom Arbeitsdeck 12 aus durchgeführt, und nach der F i g. 1 führt vom Bohrschiff aus ein Steigrohr 14 zum Meeresboden hinab.

Es sei noch erwähnt, daß zu diesen Einrichtungen eine auf dem Meeresboden verankerte Basisplatte 15 und eine Vorrichtung 17 gehört, mit der das Steigrohr mit dem Bohrlochkopf verbunden und von diesem getrennt werden kann. Das Steigrohr ist mit einer Gelenkverbindung 18 und mit einer nicht dargestellten Gleitverbindung versehen, welche Verbindungsmittel eine waagerechte und eine senkrechte Bewegung des Schiffes in bezug auf den Bohrlochkopf bzw. die Easisplatte zulassen. Ferner sind natürlich auch die üblichen Einrichtungen unter Einschluß der Preventer vorgesehen.

Am vorderen und am rückwärtigen Teil des Bohrschiffes sind Stabilisierungskörper 20 aufgehängt, die über momentübertragende Verbindungsglieder mit dem Schiffsrumpf verbunden sind, wie später noch beschrieben wird. Nach der Darstellung weisen die Stabilisierungskörper die Form eines an den Enden offenen Zylinders auf, der senkrecht und symmetrisch in bezug auf die Mittellinie des Schiffes angeordnet ist. Die zylindrischen Körper weisen den gleichen Aufbau auf und sind in der gleichen Weise am Schiffskörper befestigt. Der zylindrische Körper 20 ist am ' Schiffsrumpf mit Hilfe der Streben 21 und 22 befestigt, die aus i-Profilgliedern aus Stahl bestehen und am Zylinder z. B. durch Anschweißen an gegenüberliegenden Stellen befestigt sind, oder es wird im Innern des Zylinders ein Strebenkreuz 23 vorgesehen, und die Streben 21, 22 werden nahe an den Enden eines der Kreuzarme am Zylinder befestigt, wie in der F i g. 2 dargestellt. Das Strebenkreuz soll den Durchlauf des Wassers durch den Zylinder nicht behindern. Die Streben 21 und 22 eines jeden Zylinders 20 erstrecken sich zum Schiffsrumpf und sind an diesem an entgegengesetzten Seiten befestigt. Wie aus der F i g. 3 zu ersehen ist, ist die Strebe 21 an der Steuerbordseite und die Strebe 22 an der Backbordseite des Schiffes befestigt. Die Streben 21 und 22 üben auf den Schiffsrumpf ein Drehmoment um die Mittellinie des Schiffes oder die Rollachse aus, das eine Stabilisierung bewirkt. Die Streben werden aus'diesem Grunde vorzugsweise an einer für diesen Zweck geeigneten Stelle des Schiffsrumpfes befestigt, und die Streben selbst werden als steife Glieder mit einer zum übertragen des Drehmomentes ausreichenden Festigkeit ausgebildet. Bei der in den F i g. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsform sind die Streben am Schiffsrumpf bei 25 und 26 gelenkig angebracht und können eine Schwenkbewegung in der Längsrichtung des Schiffes ausführen. Zwecks Erleichterung der Wartung und gegebenenfalls einer Reparatur werden die Streben am Schiffsrumpf oberhalb der Wasserlinie und in Höhe des Schiffsdeckes oder so nähe wie möglich angebracht. Wenn es sich in erster Linie

um eine Stabilisierung der Rollbewegung der schwimmenden Plattform oder des Schiffes handelt, so ermöglicht diese Gelenkverbindung ein Zurückziehen der Stabilisierungskörper oder auch Unterwasserkörper genannt, während das Schiff geschleppt wird oder in flachem Wasser fährt.

Zum Verschwenken der Unterwasserkörper nach oben in die Ruhestellung werden geeignete Mittel, z. B. (nicht dargestellte) Kabel oder Taue verwendet. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 1, 2 und 3 kann auch bei Verwendung solcher Kabel oder Taue mit genügender Festigkeit eine Stabilisierung der Stampfbewegungen und auch der Rollbewegungen erreicht werden, wobei die Unterwasserkörper in einer festgesetzten waagerechten Lage gehalten werden. Wie bei der noch zu beschreibenden Ausführungsform nach der F i g. 4 können die Stabilisierungskörper zum Beeinflussen der Stampfbewegungen sowie auch der Rollbewegungen benutzt werden, wenn die Stabilisierungskörper in der Längsrichtung des Schiffes befestigt werden. Zu diesem Zweck können Kabel, Taue oder andere geeignete Mittel verwendet werden. Bei Verwendung von Kabeln kann die Lage der Stabilisierungskörper in der Längsrichtung des Schiffes durch Nachlassen oder durch Spannen der Kabel in entgegengesetzten Längsrichtungen für jeden Stabilisierungskörper festgelegt werden.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1,2 und 3 sind die Höhe und der Durchmesser der Zylinder so bemessen, daß diese in der Senkrechten zur Wasseroberfläche einen wesentlichen Querschnitt aufweisen, während die Dicke der Zylinderwandung so bemessen ist, daß sie in der Waagerechten (parallel zur Meeresoberfläche) nur eine kleine oder keine wesentliche Fläche aufweisen, wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist. Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß der Innenraum der Zylinder frei zugänglich ist und mit Wasser, gefüllt eine eingeschlossene Masse in der Waagerechten quer zur Mittellinie des Schiffes bildet, wie später noch beschrieben wird. Außerdem bildet das die Zylinder umgebende Wasser eine wirksame Masse, die die gesamte Trägheitsmasse wesentlich erhöht. Der zylindrische Körper ist daher in einer Richtung parallel zu der den Stabilisierungskörper mit dem Schwimmkörper verbindenden Linie frei bewegbar, in der Waagerechten jedoch im wesentlichen unbewegbar.

Wie bereits beschrieben, sind die Unterwasserkörper 20 bei der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 am Schiffsrumpf mit Hilfe der Streben 21 und 22 an den voneinander entfernten Stellen 25 und 26 befestigt. Jeder zylindrische Unterwasserkörper ist an den Enden offen und senkrecht sowie symmetrisch in bezug auf die Mittellinie des Schiffes ausgerichtet. Der Zylinder befindet sich unter Wasser in einer Tiefe, die vom Seegang nicht mehr beeinflußt wird, und ist so ausgerichtet, daß die Zylinderachse senkrecht in der senkrechten Ebene der Mittellinie des Schiffes liegt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem zwei solcher Unterwasserkörper vorgesehen sind, werden diese vorzugsweise symmetrisch zur Längsmittellinie als auch zur Quermittellinie des Schiffes angeordnet. Bei einem 10000-Tonnen-Bohrschiff könnte ein Zylinder mit einem Durchmesser von 7,50 m und mit einer Höhe von 7,50 m in einer Tiefe von 60 m unter der Wasserlinie verwendet werden. Wird ein solcher Zylinder unter dem Schiff aufgehängt, so setzt dieser einer senkrechten Bewegung nur einen geringen oder gar keinen Widerstand entgegen, wobei das Gewicht des Zylinders selbst vernachlässigt werden kann. Da der Zylinder jedoch offen und von Wasser umgeben ist, so schließt er eine zylindrische Wassersäule mit einem Durchmesser von 7,50 m ein. Bei Vernachlässigung des Gewichtes des Zylinders würde eine solche Wassermasse ein Gewicht von ungefähr 35Ot aufweisen. Wird auf einen solchen Zylinder in waagerechter

ίο Richtung eine Kraft ausgeübt, so wäre die zum Beschleunigen in dieser Richtung erforderliche Kraft eine Funktion der vom Zylinder eingeschlossenen Wassermasse zuzüglich der den Zylinder umgebenden wirksamen Wassermasse. Außerdem wird eine Bremskraft wirksam, die eine Folge der waagerechten Projektion des Zylinders allein ist. Da die Wassermasse bei jeder waagerechten Bewegung eingeschlossen bleibt, so ist der Widerstand des Zylinders gegen waagerecht wirkende Kräfte in erster Linie der Massenträgheit zuzuschreiben, wobei die Bremskraft vernachlässigt werden kann.

Zwecks Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung ist in der F i g. 4 ein Schwimmkörper oder eine schwimmende Plattform 30 dargestellt mit einem Deck 32, das aus dem einen oder anderen Grunde stabilisiert werden soll. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Schwimmkörper aus einem geschlossenen hohlen Zylinder oder aus einem aus einem an sich schwimmfähigen Material hergestellten Zylinder. Unterhalb der schwimmenden Plattform ist ein Unterwasserstabilisierungskörper 20 vorgesehen, der mit dem Stabilisierungskörper bei der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 vergleichbar ist. Auch in diesem Falle besteht der Unterwasserkörper aus einem an den Enden offenen Zylinder mit einem wesentlichen Querschnitt in der Senkrechten (d. h. Höhe und Durchmesser) und mit einer geringen Widerstandsfläche in der waagerechten Ebene, d. h. mit einer geringen Wandstärke. Bei der Ausführungsform nach der F i g. 4 ist der Unterwasserstabilisierungskörper 20 an dem nachstehend als Boje bezeichneten Schwimmkörper 30 mittels eines einzelnen starren Gliedes 33 in Form eines langgestreckten I-Profilgliedes befestigt, das in der senkrechten Mittellinie der Boje angeordnet und am Unterwasserkörper,_ 20 mit Hilfe eines Strebenkreuzes 34 befestigt ist. Durch die Verbindung zwischen der Boje, und dem Stabilisierungskörper 20 wird jede auf den Unterwasserkörper ausgeübte Kraft auf die Boje >übertragen. Da die Ausführungsform nach der F i g. 4 in jedem senkrechten Querschnitt längs des Durchmessers der Boje symmetrisch ist sowie längs des Durchmessers des Unterwasserkörpers, so kann die Verbindung zwischen Boje und Unterwasserkörper auch so angesehen werden, als wäre der Unterwasserkörper mit Hilfe von starren Streben an entgegengesetzten Stellen an der Boje befestigt, wie in der F i g. 4 mit unterbrochenen Linien 21, 22 dargestellt, wobei die Längsachse der Boje von der senkrecht zum genannten Durchmesser verlaufenden waagerechten Achse gebildet würde.

Bei der Ausführungsform nach der F i g. 4 könnten die unterbrochenen Linien mit den Streben 21 und 22 nach den F i g. 1, 2 und 3 verglichen werden.

In der F i g. 6 ist die Form einer Welle oder Woge dargestellt, während in den F i g. 7 a bis 7d die Lage des Schwimmkörpers, z. B. eines Schiffes mit einem Unterwasserkörper nach den F i g. 1, 2 und 3 oder

einer Boje nach der F i g. 4, in bezug auf die Welle dargestellt ist.

Zwecks Analysierung der Rollbewegung eines Schiffes kann der Rollfaktor R definiert werden als das Verhältnis des größten Rollwinkels zum stärksten Gefälle der Welle, wenn das Schiff sich beständig in Bewegung befindet in einer Welle mit einer kleinen Amplitude, die in einer zur Längsachse des Schiffes senkrechten Richtung wandert. Um den Umstand zu berücksichtigen, daß die Rollbewegung des Schiffes oder einer schwimmenden Plattform nicht mit Notwendigkeit dieselbe Phase aufweist wie die Wellenbewegung, so wird ein Phasenwinkel α eingeführt. Die Kennlinie der Rollbewegung des Schiffes wird daher von den beiden Größen R und α bestimmt, die beide Funktionen der Wellenperiode sind. Wie später noch erläutert wird, hängen die günstigsten Rollbedingungen von dem zu stabilisierenden Körper und von der Art der auf diesem auszuführenden Arbeiten ab.

Die Reaktionen eines schwimmenden Körpers unter Einschluß eines Schiffes ohne Stabilisierung zeigen eine charakteristische Rollresonanz, die in Beziehung steht zur metazentrischen Höhe und zur wirksamen Trägheitsbewegung um die Längsachse. Die Resonanzperiode kann im Bereich von 5 bis 10 Sek. liegen. Liegt das Schiff in einer Welle, deren Periode viel größer ist als die Resonanzperiode, so liegt der Wert für R nahe am Wert Eins, und der Wert von α beträgt nahezu Null. Mit anderen Worten, die Decks liegen jederzeit nahezu parallel zur Tangentenebene der Welle an der Stelle, an der das Schiff sich befindet. Wird jedoch die Wellenperiode kürzer als die Resonanzperiode, so wird R allmählich kleiner und früher oder später kleiner als Eins. Hierbei nähert sich jedoch α dem Wert'von 180°, was bedeutet, daß das Schiff sich in die Welle hineinlehnt. Es kann allgemein der Schluß gezogen werden, daß die natürliche Reaktion des Schiffes bei allen beschriebenen Rollbedingungen niemals die günstigsten sind.

In Verbindung mit den F i g. 6 und 7 bezieht sich die Beschreibung auf einen Schwimmkörper, wie ein Schiff, gilt jedoch auch für ein Bohrschiff nach den

λλ F i g. 1, 2 und 3, sowie für eine Boje nach der F i g. 4.

& Die Beschreibung der Wellenbewegung und der von dieser verursachten Rollbewegung des Schwimmkörpers bezieht sich auf die Bewegung und Kräfte, die um die Längsachse des Schiffes nach den Fig. 1, 2 und 3 herum wirksam werden, sowie um die waagerechte Achse der Boje nach der F i g. 4. Unter der Einwirkung des Seeganges und wegen der Abhängigkeit von der Wasserfläche führt ein Schiff auf- und niedergehende sowie seitliche Bewegungen aus. Das heißt, die senkrechte Lage des Schiffes ändert sich unter der Einwirkung des Seeganges, wenn die Wasserfläche in bezug auf einen festen Punkt auf dem Meeresboden ansteigt oder abfällt. Als Festposition wird hiernach diejenige Position des Schiffes bezeichnet, die senkrecht über einem ortsfesten Punkt auf dem Meeresboden gelegen ist. Außer dieser senkrechten Bewegung verursacht der Seegang noch eine waagerechte Bewegung des Schiffes in bezug auf den genannten ortsfesten Punkt. Bekanntlich wird diese seitliche Bewegung von der Bewegung der Wasserpartikel in einer Welle verursacht. In den F i g. 6 und 7 ist die Festposition durch die senkrechte Linie 35 dargestellt und liegt waagerecht fest in bezug auf den Unterwassergrund. Die Festposition 35 soll die verschiedenen Positionen in bezug auf die Welle anzeigen, wobei jedoch vorauszusetzen ist, daß die Festpositionslinie 35 in der Waagerechten konstant ist und daß die Bewegung von der Welle ausgeführt wird. Nach den F i g. 6 und 7 bewegt sich die Welle von links nach rechts, und die Linie 35 steht fest, obwohl sie in bezug auf die Welle vier verschiedene Stellungen einnimmt. Bei einer sich von links nach rechts bewegenden Welle bewegen sich die Wasserpartikel in der Welle im Uhrzeigersinn, wie in der F i g. 6 am Scheitel und am Tal der Welle sowie in der Mitte der aufsteigenden und absteigenden Flanken der Welle dargestellt.

Die Wasserbewegung ist dargestellt am Scheitel der Welle bei 56, in der Mitte der absteigenden Flanke bei 37, im Wellental bei 38 und in der Mitte der aufsteigenden Flanke bei 39. Am Scheitel 36 und im Tal 38 der Welle befindet sich der Schwimmkörper an der oberen und unteren Grenze der senkrechten Bewegung, wobei jedoch aus der waagerechten Lage heraus keine Bewegung erfolgt. Am Punkt 37, d. h. in der Mitte der absteigenden Flanke der Welle, befindet sich der Schwimmkörper in der Mitte der senkrechten Bewegungsbahn, wird jedoch von der im Uhrzeigersinn erfolgenden Wasserbewegung von der Festposition aus nach links über die Strecke χ gedrückt und über die gleiche Strecke nach rechts in der Mitte 39 der aufsteigenden Flanke der Welle. Wie bereits ausgeführt, setzt der unter Wasser befindliche Stabilisierungskörper 20 einer Bewegung in der Querrichtung oder in der waagerechten Richtung einen starken Widerstand entgegen, jedoch praktisch keinen Widerstand in der senkrechten Richtung. Der Rollfaktor R kann in der folgenden Weise berechnet werden: Nachstehend wird zuerst die mathematische Gleichung für die Wellenform nach den F i g. 6 und 7 gegeben:

Y= A sin 2π

U τ)'-

wobei T die Periode der Welle, L die Wellenlänge und A die Amplitude der Welle ist. Die Steilheit der Welle ist:

dT
dx

\i -> 7.71 _

-:— = —=— A cos 2π

(Ξ. _ ΙΛ U τ)·-

Die Trift X (die seitliche Bewegung des Schiffes) wird mit guter Annäherung erhalten aus der Gleichung:

X = A cos In (j- - yV (3) Die Neigung des Decks ist dann:

D ^cos2* Ix - ^' ⁽⁴⁾

wobei D die Tiefe des Stabilisierungskörpers unterhalb der Wasserlinie des Schwimmkörpers ist.

Unter der Annahme, daß D so groß ist, daß der Stabilisierungskörper als im bewegungslosen Wasser befindlich angesehen werden kann, weist der RoIl-

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faktor R den negativen Wert des Verhältnisses dieser Neigungen auf und wird mithin

R =

InD

(5)

Das negative Vorzeichen bedeutet, daß der Schwimmkörper sich in die Welle hineinlehnen muß. Hieraus geht hervor, daß R dem Wert Null so weit wie möglich dadurch angenähert werden kann, daß der Wert für D entsprechend groß bemessen wird. _ϊ0 Der Phasenwinkel α ist natürlich gleich Null. Der negative Wert für R bedeutet natürlich, daß das Schiff sich in die Welle hineinlehnt, wenn auch mit einem willkürlich kleinen Winkel.

Die Stabilisierungswirkung des Unterwasserkörpers ist auch aus den F i g. 7 a bis 7 d zu ersehen, die den Schwimmkörper in vier verschiedenen Lagen in bezug auf die Welle zeigen. Die Fig. 7a zeigt das Schiff auf der abfallenden Flanke der Welle. Die Rollkraft wirkt auf das Schiff im Uhrzeigersinn um den Schwerpunkt herum ein. Ohne Stabilisierung würde das Deck sich nach unten und nach rechts neigen, d. h. in der Richtung der abfallenden Flanke der Welle. Der Standort des Unterwasserkörpers 20 bleibt in der Waagerechten unverändert; der Unterwasserkörper ist jedoch senkrecht bewegbar. Die Höhenlage des Unterwasserkörpers ist daher gleich dessen mittlerer Tiefe. Wäre der Unterwasserkörper sowohl waagerecht als auch senkrecht frei bewegbar, so würde er von den auf das Schiff einwirkenden Rollkräften nach der F i g. 7 a nach links verschwenkt werden. Da der Unterwasserkörper jedoch waagerecht unbewegt bleibt, so erzeugt er ein über das Verbindungsglied 33 nach der F i g. 4 oder über die Streben 21 und 22 wirkendes Kraftmoment, das dem vom Seegang auf das Schiff ausgeübten Rollmoment entgegenwirkt. Die nach der F i g. 7 auf der Backbordseite gelegene Strebe 22 wird daher gespannt, während auf die Steuerbordstrebe 21 ein Druck ausgeübt wird, so daß auf das Schiff ein im Uhrzeigergegensinn um den Schwerpunkt herum wirkendes Kraftmoment ausgeübt wird, wodurch eine Rollbewegung im Uhrzeigersinn verhindert wird. Nach der Fig. 7b befindet sich das Schiff in einem Wellental und der Stabilisierungskörper unterhalb seiner mittleren Tiefe; jedoch liegt das Schiffsdeck waagerecht, und es wird über die Streben kein Kraftmoment ausgeübt. Nach der F i g. 7 c übt die Rollkraft als Folge des Seeganges auf das Schiff um dessen Schwerpunkt herum, ein Kraftmoment im Uhrzeigergegensinn aus, da das Schiff eine Neigung anzunehmen sucht, bei der die ,Decks parallel zur Flanke der Welle verlaufen. Der •Unterwasserkörper 20 steigt wieder zur mittleren Tiefe empor, bleibt jedoch waagerecht an derselben Stelle stehen. Der Unterwasserkörper widersteht daher den Kräften, die diesen nach rechts zu bewegen suchen, und übt daher auf das Schiff ein Kraftmoment im Uhrzeigersinn aus, so daß das Schiff der Rollkraft einen Widerstand entgegensetzt. In diesem Falle wird auf die Steuerbordstrebe 21 ein Zug und auf die Backbordstrebe 22 ein Druck ausgeübt. Nach der F i g. 7 d befindet sich der Unterwasserkörper am Scheitel der Welle an der höchsten Stelle oberhalb der mittleren Tiefe, bleibt jedoch waagerecht an derselben Stelle stehen und übt daher kein Kraftmoment aus.

Eine andere Ausführungsform ist in den F i g. 8, 9 und 10 dargestellt, bei der der Unterwasserstabilisierungskörper 40 am Schiffsrumpf mit Hilfe von Verbindungsgliedern befestigt ist, die einen vorherbestimmten Grad von Elastizität aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform werden vier Kabel 42, 43, 44 und 45 zum Aufhängen von zwei einander gleichen Stabilisierungskörpern 40 unterhalb des Schiffes 10 benutzt.

Die in den F i g. 8 bis 10 dargestellten und einander gleichen Stabilisierungskörper 40 sind am Schiff in der gleichen Weise aufgehängt. Aus diesem Grunde wird nur ein Stabilisierungskörper und die Art der Aufhängung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Stabilisierungskörper aus zwei oder mehr auf Abstand stehenden parallelen Platten 45 und 46, die einen quadratischen oder etwas rechteckigen Umriß aufweisen. Die Platten 45 und 46 verlaufen parallel zur Längsmittellinie des Schiffes und sind zu dieser symmetrisch angeordnet. Um den Platten 45 und 46 Stabilität zu verleihen, sind geeignete Verstrebungsglieder 47 und gegebenenfalls eine Zwischenplatte 48 vorgesehen. Jeder Stabilisierungskörper 40 ist am Schiffsrumpf mit Hilfe von vier Kabeln angebracht, die an den vier Ecken des Stabilisierungskörpers befestigt sind und die Steuerbordplatte 45 mit der Steuerbordseite des Schiffes und die Backbordplatte 46 mit der Backbordseite verbinden. Die Kabel sind am Rumpf des Schiffes derart befestigt, daß sie für das Schiff als ein sich um die Längsmittellinie des Schiffes drehender Hebelarm wirken. Die Verbindung der Kabel mit dem Schiff besteht aus elastischen Mitteln, die auf die Kabel eine Rückstellkraft ausüben, jedoch eine Änderung der Kabellänge innerhalb vorherbestimmter Grenzen zulassen. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10 verlaufen die Steuerbordkabel 42 und 43 vom Stabilisierungskörper 40 aus über Rollen 49, die an der Steuerbordseite des Schiffes in Abständen vor und hinter der senkrechten Achse des Stabilisierungskörpers angeordnet sind. Die Rollen sollen den Schiffsrumpf schützen und eine Bewegung der Kabel in bezug auf den Schiffsrumpf ermöglichen. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10 ist für jedes Kabel eine federbeaufschlagte Winde vorgesehen, die eine Rückstellkraft ausübt. Die Steuerbordwinden sind mit 50 und die Backbordwinden mit 51 bezeichnet. Es können jedoch auch andere, eine elastische Rückstellkraft ausübende Mittel vorgesehen werden, z. B. druckmittelbetriebene Motoren, Federn. Eine solche Rückstellkraft kann auch von den Kabeln selbst ausgeübt werden, z. B. von Nylonkabeln oder von an sich elastischen Kabeln. Bei Verwendung von federbeaufschlagten Winden für den genannten Zweck kann die Rückstellkraft oder die Federkonstante den betreffenden Arbeitsbedingungen entsprechend verändert werden, wie später noch beschrieben wird.

Die parallelen Platten des Stabilisierungskörpers 40 schließen zwischen sich eine Wassermasse ein, die eine zu bewegende Trägheitsmasse bildet, wenn die Platten in der waagerechten Ebene quer zur Kennlinie des Schiffes bewegt werden, wie bereits ausgeführt. Der Stabilisierungskörper 40 nach den F i g. 8 bis 10 mit seiner quer zur Kennlinie des Schiffes verlaufenden Trägheitsmasse soll nur die Rollkomponente der vom Seegang auf das Schiff ausgeübten Kräfte kompensieren. Die Rückstellkräfte und die Kabel üben nur ein Kraftmoment um die Längsmittellinie des Schiffes herum aus. Es wird darauf hingewiesen, daß in den meisten Fällen Bohrschiffe in einer Strömung arbeiten, die in einer Richtung verläuft und

verhältnismäßig konstant ist. Da das Wasser durch den Stabilisierungskörper 40 sowohl in senkrechter Richtung als auch in der Längsrichtung frei hindurchströmen kann, so werden die auf die Stabilisierungskörper einwirkenden Strömungskräfte durch eine entsprechende Orientierung des Schiffes gering gehalten. Der Stabilisierungskörper setzt einer Bewegung in der Senkrechten oder in der Längsrichtung im wesentlichen keinen Widerstand entgegen, und es wird auf das Schiff von den Stabilisierungskörpern aus keine Kraft übertragen. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10 muß der Stabilisierungskörper ein genügend großes Gewicht aufweisen, um die Kabel jederzeit gespannt halten zu können. Im Gegensatz zu der Ausführungsform mit starren Streben weist die Ausfuhrungsform mit Mitteln, die eine elastische Rückführung bewirken, eine größere Wirksamkeit bei der Aufrechterhaltung der Lage des Deckes dadurch auf, daß eine Uberkorrektur vermieden wird, bei der das Schiff sich in die Welle hineinlehnt.

Auf Grund der Kabelaufhängung nach den F i g. 8 bis 10 kann die Tiefe verändert werden, in der die Stabilisierungskörper sich unter dem Schiff befinden. Ferner können die Stabilisierungskörper in eine Ruhestellung hochgezogen werden, wenn Arbeiten im flachen Wasser durchgeführt werden oder wenn das Schiff abgeschleppt wird. In der F i g. 8 ist mit unterbrochenen Linien der vordere Stabilisierungskörper in der hochgezogenen Lage dargestellt. Aus dieser Lage können die Stabilisierungskörper mit Hilfe eines Kranes an Deck befördert werden, wenn die Arbeiten für längere Zeit eingestellt werden oder wenn das Schiff über größere Strecken geschleppt werden soll.

Die Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10 verleiht der Anlage einen höheren Grad von Verwendungsfähigkeit.

Bei einer Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 4 übt der Widerstand gegen die Waagerechte auf das Schiff über die starren Verbindungsglieder ein Kraftmoment aus, das um die Längsmittellinie des Schiffes herum und in der entgegengesetzten Richtung wirkt, in der das Deck von der waagerechten Lage abzuweichen sucht. Bestehen zwischen dem Stabilisierungskörper und dem Schiff starre Verbindungen, so kann durch das auf das Schiff ausgeübte Kraftmoment die von der Welle verursachten Kippbewegung überkompensiert werden, mit der Folge, daß das Schiff sich in die Welle hineinlehnt und das Deck von der waagerechten Lage in einer zur Flanke der Welle entgegengesetzten Richtung abweicht. Ist jedoch wie bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10 für die Verbindungskabel oder für andere Verbindungsglieder eine elastische Rückstellung vorgesehen, so können die Kabel ihre Länge innerhalb vorherbestimmter Grenzen verändern, wobei die Rollbewegung auf das gewünschte Maß beschränkt wird. Eine Uberkompensation durch den Stabilisierungskörper wird daher dadurch vermieden, daß die Federmittel 30 und 30 a eine Veränderung der relativen Kabellängen ermöglichen, d. h., das Kabel 34 wird länger und das Kabel 34 a wird kürzer oder umgekehrt, und zwar zu einem Zeitpunkt, in dem das Schiff sich andernfalls über die waagerechte Ebene hinaus in die Welle hineinlehnen würde.

Zwecks ausführlicher Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung, wenn zwischen dem unter Wasser befindlichen Stabilisierungskörper und einem Schiff oder einem anderen Schwimmkörper elastische Verbindungen bestehen, wird auf die F i g. 5 verwiesen, in der eine einfache Boje 10 dargestellt ist. Auch in diesem Falle besteht der Stabilisierungskörper aus einem an den Enden offenen Zylinder 20, der mit dem Schwimmkörper durch vier, in gleichen Abständen angeordnete Verbindungsglieder 62, 63, 64 und 65 verbunden ist, die elastische Mittel, z. B. die nur schematisch dargestellten Federn 66 aufweisen, die wie die federbeaufschlagten Winden 50 und 51 bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10 wirken. Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, daß bei den mit den Gliedern der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vergleichbaren Verbindungsgliedern 62, 63, 64 und 65 deren Länge und das Kraftmoment verändert werden kann, das um eine gegebene, durch den Schwimmkörper führende Mittellinie herum ausgeübt wird, wobei der auf die Verbindungsglieder ausgeübte Zug oder Druck verändert oder von den Federn vorherbestimmt werden kann. Bei der Konstruktion nach der F i g. 5 sind der Stabilisierungskörper und die Verbindungsglieder symmetrisch um die sich durch den Schwimmkörper senkrecht erstreckende Mittellinie herum angeordnet, so daß einer Roll- und Stampfbewegung von dem Stabilisierungskörper entgegengewirkt wird. Wirkt der Seegang in einer einzigen Richtung, d. h. parallel zur Ebene der F i g. 5, so gleicht die Arbeitsweise der Ausführungsform nach der F i g. 5 der Arbeitsweise der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 10, bei der einer Rollbewegung entgegengewirkt wird, weil der Stabilisierungskörper von mehreren, auf Abstand stehenden parallelen Platten gebildet wird.

Unter Hinweis auf die Fig. 15 kann nunmehr die für starre Verbindungsglieder nach den F i g. 1 bis 4 durchgeführte Analysis für elastische Verbindungsglieder nach den F i g. 5, 8, 9 und 10 fortgesetzt werden.

Angenommen, es bestehe zwischen der Kraft F und der Versetzung d die lineare Beziehung

F = Kd.

Soll die Rollbewegung gänzlich beseitigt werden (R = 0), dann wird die Kraft F durch die folgende Gleichung bestimmt:

F = KA cos 2π

U Tj'

und auf das Schiff wirkt ein Drehmoment M_st ein, das nach der folgenden Gleichung bestimmt wird:

M_st -KDA cos 2π

(τ-τ)·

Auch in diesem Falle wird angenommen, daß die Annäherung für die Trift nach der Gleichung (3) eine gute Annäherung darstellt. Das Drehmoment M₅, muß nunmehr das zu der Steilheit der Welle gehörende entgegengesetzte Moment aufheben. Eine gute Annäherung an den Wert dieses Momentes M_w stellt die nachstehende Gleichung dar:

= WM,

dY dx

M_w = WM_G 2j- A cos In (j- - -ψ) , (10)

β =

wobei W das Gewicht des Schiffes und M_G die rrietazentrische Höhe ist. Wird M_st gleich M_w gesetzt, so c) für

ergibt sich die Gleichung:

b) Bei einem sehr kleinen Wert von γ ist die Lösung der Gleichung (14) gleich

/C₁B-Zc₂C .

■ sin ωί = Q sin ωί, (15)

KD = WM_G

2π

IO

K = 2π

WM_G DL '

wird β = 0,
d) für

(12)

Zc₁ _ B_ k_x ~ ~C

Zc₂ ..„ . B ■γ=- großer als —

Für eine gegebene Wellenlänge L besteht daher eine Federkonstante K, bei der keine Rollbewegung erfolgt. Es stellt einen wichtigen Umstand dar, daß dies für alle Wellenperioden gilt unter Einschluß einer Wellenperiode, die gleich der Resonanzperiode des Schiffes ist, ohne die Stabilisierung nach der Erfindung.

Der Fall, daß R = O ist, stellt einen besonderen Fall dar. Der allgemeine Fall, bei dem R = O ist, kann wie folgt analysiert werden. Die Bewegungsgleichung für ein eine Rollbewegung ausführendes Schiff ist:

J β = Zc₁ (B sin ωί - ß) + k₂ (-C sin ωί-β), (13)

30

wobei / das wirksame Trägheitsmoment eines schlingernden Schiffes ist, und wobei β der Rollwinkel, ω die Winkelgeschwindigkeit der Welle, B sin ωί der Momentanwinkel der Tangentenwellenebene mit der Waagerechten, C sin ωί der Momentanwinkel der Rollbewegung bei starren Verbindungsgliedern, Zc₁ die wirksame Federkonstante für die Verkupplung des Schiffes mit der Welle, Zc₂ die wirksame Federkonstante für die Verwindung des Schiffes mit dem Stabilisierungskörper ist.

Die Gleichung (13) kann wie folgt umgeschrieben werden:

Iß'+ (h + k₂) β = (Zc₁ B — Zc₂ C) sin ωί. (14)

45

Da k₂ und K in der Gleichung (6) (in einer noch zu erläuternden Weise) miteinander in Beziehung stehen, so kann die Auswirkung einer Änderung von K in der Weise dargestellt werden, daß eine Lösung tür die Gleichung (14) bei einer Wahl der Werte für

ψ- gefunden wird. Diese Lösungen weisen die fol-

genden Merkmale auf:
a) für jeden Wert von -f- wird das charakteristische weist die Amplitude ein negatives Vorzeichen auf und wird — C für ein unendlich großes Verhältnis,

e) für alle Werte von ψ durchläuft der Phasen-

winkel oo von Null aus für einen kleinen Wert von ω den Wert von 90° bei Resonanz und nähert sich dem Wert 180°, wenn ω größer wird. Für

jeden Wert von ψ- kann eine Lösung der Glei-

chung (14) als eine Funktion von ω erhalten werden.

In den Fig. Ha bis Hd sind vier Beispiele dargestellt. Diese Lösungen werden nachstehend erläutert. Wie aus der F i g. 11 a zu ersehen ist, nach

der ω kleiner als ω₀ ist, da das Verhältnis -f- sich von

K₁

Null aus erhöht, vermindert sich die Amplitude der Ansprache sowie der Phasenwinkel, letzteres deswegen, weil die Resonanzfrequenz sich weiter von ω entfernt. Die Amplitude durchläuft den Wert Null

h
für ψ- und wird danach negativ, d. h., das Schiff lehnt

sich in die Welle hinein.

Aus der Fig. lic, wobei ω kleiner als ω₀ ist bei Schiffen mit wesentlicher Dämpfung der Rollbewegung, ist zu ersehen, daß die Amplitude der Ansprache

kleiner wird, wenn das Verhältnis ~ sich von Null

aus erhöht. Ferner vermindert sich der Phasenwinkel co von einem 90° übersteigenden Wert aus. Diese Änderungen von R und 00 erfolgen in einer Weise, bei der das Schiff sich zuerst in die Welle hineinlehnt, jedoch mit einem kleiner werdenden Rollwinkel. Dann beginnt das Schiff mit der Welle zu schwanken. Schließlich beginnt das Schiffsich wieder in die Welle hineinzulehnen. In dem besonderen Fall, daß

Resonanzverhalten ermittelt, die Resonanzfrequenz ist

Zc₁ +Zc₂

55

für Zc₂ = 0 ist diese Frequenz

die die Rollresonanzfrequenz des Schiffes ohne Stabilisierung ist.

(unter Konstanthaltung von-^-), lehnt das Schiff sich immer in die Welle hinein mit der Ausnahme, wenn

-f- = -^- ist, wenn der. Lehn winkel Null ist.

K₁ C

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß in dem Falle, in dem ω kleiner als ω₀ ist, wie in der Fig. 11a dargestellt, die Einführung der Stabilisation die gesamte benötigte Kompensation der Roll-

bewegung bewirkt. In dem Falle, in dem ω größer als W₀ ist, bleibt der Grad der Kompensation wesentlich. Die Stabilisation ermöglicht eine vollkommene Beseitigung der Rollbewegung; jedoch ist eine nahe am günstigsten Wert liegende Kompensation der Rollbewegung und der Trift schwerer zu erreichen, und zwar in erster Linie infolge der erhöhten Schwierigkeit bei der Beeinflussung des Phasenwinkels.

Zwischen den Größen Zc₁ und Zc₂ und den bisher verwendeten Parametern bestehen die folgenden Beziehungen :

Zc₁ = W M₀ (16)

/C₂ = XD². (17)

Der Stabilisierungskörper 20 setzt einer Querbewegung einen starken Widerstand entgegen, jedoch einen nur kleinen Widerstand gegen eine senkrechte Bewegung. Als Beispiel können die beiden aus Stauplatten bestehenden Unterwasserkörper nach den F i g. 8, 9 und 10 wie folgt beschrieben werden:

Die der Querbewegung einen Widerstand entgegensetzende inerte Masse M_tr ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

M_n = m + ρ AwC_v,

(18)

wobei

m die Körperstruktur,
ρ die Dichte des Wassers,
A die Fläche einer Stauplatte ist,
w die Entfernung zwischen den Stauplatten,
C₀ ein geometrischer Formfaktor im allgemeinen ungefähr 2.

Die einer senkrechten Bewegung einen Widerstand entgegensetzende Trägheitsmasse M„ ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

M_v = m. (19)

Zum Beschreiben der Bewegung kann eine sehr große Masse M_lr und eine Beseitigung der gesamten Rollbewegung in Betracht gezogen werden. Aus den Gleichungen (8) und (12) wird erhalten:

M_st = 2π

WM_C DL

DA cos cot.

(20)

Um eine Masse als große Masse bezeichnen zu können, muß die Bewegung der Masse wesentlich kleiner als A sein, wofür die Bewegungsgleichung eine gute Annäherung darstellt.

M_tr

^L = F -

d t^{2 9}

A cos

und

2jlg WMq . , ,„.

x = -^- A cos wt, (23)

M„DL

2ng WMq 2 M_trDL

<£ 1

oder

jedoch ist

Der entsprechende Formfaktor F ist gegeben durch:

WM F = 2π A cos wt. (21) ■

M_(r

2ng WM_G 2 DL

(25)

L =

T² =

und daher ist:

W Mr,

oder

WM_C D

(26)'

Die Bewegung der Stauplatten wird weiterhin vermindert durch die Hemmung infolge des Vordringens der Wellenbewegung bis in die Tiefe, in der die Stauplatten sich befinden. Diese Wellenbewegung sucht die Bewegung der Stauplatten aufzuheben. Die Amplitude A₀ der Welle in der Tiefe D ist:

A_D = A_e

-2nD

(27)

Wird die Konstante K so gewählt, daß für eine gegebene Wellenperiode ein gewisser gewünschter Wert für R erhalten wird, dann wird R kleiner wenn die Wellenperiode größer wird (wenn JC konstant gehalten wird). Früher oder später wird R negativ,

. und das Schiff beginnt sich in die Welle hineinzulehnen. Dieses Hineinlehnen in die Welle wird durch die Annäherung an den Resonanzfall gefördert, wobei die Masse M_tr als ein Pendel mit einer Rückstellkraft wirkt, die aus der auf das Stauplattensystem einwirkenden Schwerkraft besteht, die durch die Federkraft in den Verbindungsgliedern und der gleichwertigen Federkraft der Steifheit des Schiffes erhöht, wobei die letztgenannten beiden Kräfte nacheinander.: wirken. Bei noch längeren Wellenperioden wird diese Resonanz überschritten, und das Schiff neigt sich wieder mit der Welle.

Aus den behandelten verschiedenen Fällen ist 'zu ersehen, daß eine vollständige Beseitigung der Rollbewegung eines Schwimmkörpers nicht mit Notwendigkeit der günstigste Fall ist. Zum Beispiel wären bei einem Bohrschiff die Verringerung oder Beseitigung der Kräfte, die als Folge der Rollbewegung des Schiffes auf Mannschaft und Ausstattung einwirken, die günstigsten Arbeitsbedingungen.

Soll z. B. ein schweres Stück der Bohrausstattung vom obersten Block auf das Arbeitsdeck herabgelassen

■ 60 und aufgehängt werden, so sollte dessen Lage in bezug auf das Arbeitsdeck im günstigsten Falle ortsfest sein. Wie bereits erläutert, wird dies erreicht, wenn die seitliche Bewegung zusammen mit der Rollbewegung des Schiffes derart ist, daß die resultierenden Kräfte der Schwerkraft und der Trägheit senkrecht zum Schiffsdeck auf die Besatzung und die Ausrüstungsgegenstände einwirken. Diese günstigste Rollbedingung kann in der folgenden Weise erreicht

109 517/150

werden: Es sei eine Wellenform nach der nachstehenden Gleichung angenommen:

■ Y = A sin2^f4" - -ψ), (28)

X = Acos2n(jr - y), (29)

wobei X und Y die waagerechten und senkrechten Koordinaten der Wasserflächenpartikel sind. Es ergibt sich eine Beschleunigung der seitlichen Bewegung (Trift)

i = 4^cos2.(!--_Y). (30)

Die Steilheit der Welle ist:

cos 2π

(f-τ)

(31)

Bei einer waagerechten Versetzung D_x des Höhenpunktes h in bezug auf einen Bezugspunkt am Schiff an der mittleren Wasserlinie für den Rollfaktor R und bei einem Phasenwinkel Null (annahmegemäß) ergibt sich

(32)

Die _;/zu dieser Versetzung gehörende Beschleunigung D_x beträgt:

2π Απ²

—j— ARh -=2- cos

40

(34) '

Die Steilheit s der gesamten Inertial- und Schwerkraft in bezug auf die Senkrechte bei einem Kosinusfaktor von Eins beträgt:

At? A (I -

S =

Rh

T²g

(35)

Diese Steilheit muß nun gleich der Steilheit des Deckst -pry in bezug auf die Waagerechte zu derselben. Zeit sein: Daher ist:

Jedoch ist

An²A[I -

Rh

L =

2π

(3.6)

(37)

Durch Ersetzen wird

R = 1

R = 1

■In

Rh

1 +

2nh

(38)

(39)

Beispiel 1 für h = 0 (mittlerer

Wasserspiegel) R = I,

Beispiel 2 für h = γ R-¹Ii-

Da R sich mit h ändert, so gelten die günstigsten Bedingungen genau genommen nur für die Handhabung von Gegenständen, deren senkrechte Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge L. Dies ist nicht mit Notwendigkeit der Fall. Zum Beispiel können Abschnitte des Bohrrohres mittels eines Kabels am oberen Teil des Bohrturmes aufgehängt werden. In diesem Falle kann der Durchschnittswert von R für das obere und untere Ende des Rohres der günstigste sein.

Bei den Ausführungsformen der Erfindung nach den F i g. 1, 2, 3, 8, 9 und 10 sind zwei Unterwasserkörper vorgesehen, da eine solche Anordnung für Bohrschiffe und ähnliche Anlagen geeigneter ist. Nach den Darstellungen ist bei allen Ausführungsformen der Stabilisierungskörper senkrecht unter dem Schiff oder dem Schwimmkörper angeordnet. In einigen Fällen, in denen die Wassertiefe oder ungewöhnliche Wasserverhältnisse berücksichtigt werden müssen, kann der Stabilisierungskörper von der Senkrechten entfernt angeordnet werden, wie in der F i g. 14 dargestellt. Nach der Fig. 14 besteht der Stabilisie-■ rungskörper aus parallel angeordneten Platten, die parallel zur Längsachse des Schiffes verlaufen, jedoch in bezug auf die senkrechte Ebene der Kiellinie des Schiffes versetzt sind. Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist vergleichbar mit der zuvor beschriebenen Anordnung, bei der starre Verbindungsglieder zwischen dem Schiff und dem Stabilisierungskörper vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform stellt der Stabilisierungskörper eine Inertialmasse dar, die einer Bewegung in der Richtung einen Widerstand entgegensetzt, die quer zu einer sich durch den Schwerpunkt des Schiffes und durch den Stabilisierungskörper erstreckenden Ebene verläuft.

Die Fig. 12 und 13 zeigen verschiedene andere Ausführungen der Unterwasserkörper. In der Fig. 13 ist ein Stabilisierungskörper dargestellt, der einen quadratischen Querschnitt aufweist und am oberen und unteren Ende offen ist. In der F i g. 12 sind kreuzweis angeordnete Platten dargestellt. Bei beiden Ausfuhrungsformen nach den Fig. 12 und 13 schließt der Unterwasserkörper eine große Wassermasse in waagerechter Richtung ein, ist jedoch in senkrechter Richtung frei bewegbar.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Schwimmender Träger, der gegen die vom Seegang verursachten Roll- und Stampfbewegungen stabilisiert ist, mit einem Stabilisierungskörper, der am Schwimmkörper mit momentübertragenden Verbindungsgliedern befestigt und unter der

Schwimmkörperunterlage angeordnet ist, und der allen Bewegungen in einer quer zu einer den Stabilisierungskörper mit dem Schwimmkörper verbindenden Linie verlaufenden Richtung einen Widerstand entgegensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungskörper (20, 40) so geformt und unterhalb der Zone des schweren Seeganges angeordnet ist, daß er in einer Richtung frei bewegbar ist, die parallel zu der den Stabilisierungskörper (20,40) ίο mit dem Schwimmkörper (10) verbindenden Linie verläuft.

2. Schwimmender Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungskörper (20, 40) so ausgestaltet und angeordnet ist, daß er in vertikaler Richtung frei bewegbar ist.

3. Schwimmender Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungskörper (20, 40) in an sich bekannter Weise eine Wassermasse umschließt und mit dieser einer Beschleunigung einen Trägheitswiderstand entgegensetzt.

4. Schwimmender Träger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schwimmkörpern, die eine Längsmittellinie aufweisen, der Widerstand des Stabilisierungskörpers (20, 40) in an sich bekannter Weise in einer quer zur Längsmittellinie verlaufenden horizontalen Richtung zur Wirkung gebracht wird, indem die Verbindungsglieder (21, 22) derart ausgebildet sind, daß sie lediglich ein Moment um die Längsmittellinie ■ herum übertragen.

5. Schwimmender Träger nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (21, 22) zwischen dem Schwimmkörper (10) und dem Stabilisierungskörper (20, 40)

in an sich bekannter Weise derart ausgebildet sind, daß sie einen Hebelarm um die Stampfachse sowie um die Rollachse des Schwimmkörpers (10) bilden.

6. Schwimmender Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder in Kraftrichtung wirkende elastische Mittel (50, 51) aufweisen, die auf die entgegengesetzten Seiten des Hebelarmes um die Stampf- und die Rollachse des Schwimmkörpers (10) herum vorherbestimmte Kräfte ausüben.

7. Schwimmender Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder zwischen dem Schwimmkörper (10) und dem Stabilisierungskörper (20) aus Streben (62, 64, 65) bestehen, die an entgegengesetzten Seiten der Längsmittellinie des Schwimmkörpers (10) angebracht sind und elastische Mittel (66) aufweisen, um die Spannung in den Streben zwischen dem Stabilisierungskörper (20) und den entgegengesetzten Seiten des Schwimmkörpers zu ändern.

8. Schwimmender Träger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung in den Verbindungsgliedern bis zu vorherbestimmten Grenzen verändert werden kann.

9. Schwimmender Träger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem elastischen Mittel angreifenden Verbindungsglieder in an sich bekannter Weise Kabel (42 bis 44) darstellen.

10. Schwimmender Träger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungskörper aus einem an den Enden offenen und vertikal angeordneten Zylinder (20) besteht.

11. Schwimmender Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungskörper (40) aus zwei auf Abstand stehenden und parallelen Platten (45, 46) besteht, die parallel zur genannten Längsmittellinie verlaufen.

12. Schwimmender Träger nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder in an sich bekannter Weise aus starren Gliedern (33) bestehen.

13. Schwimmender Träger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (21, 22) in an sich bekannter Weise in der Querrichtung steif sind und am Schiff in der Längsrichtung verschwenkbar angebracht sind.

14. Schwimmender Träger nach Anspruch 7, gekennzeichnet in an sich bekannter Weise durch einen ersten und einen zweiten Stabilisierungskörper (20,40), welche Körper in der Längsrichtung des Schiffes auf Abstand stehen und senkrecht unter der Längsmittellinie des Schiffes, angeordnet sind.

Hierzp 2 Blatt Zeichnungen