Устройство для демпфирования волн, предназначенное для плавучих конструкций - RU2182542C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству для гашения волн согласно п.1 формулы изобретения, предназначенному для плавучих конструкций.

В патенте США US-5330293 описана платформа для добычи нефти, имеющая кольцеобразное поперечное сечение. В нижнем конце платформы имеется юбка, которая простирается в горизонтальном направлении и служит для ограничения движения, создаваемого волнами. К юбке также крепят швартовочные средства. Эта демпфирующая волны юбка выполнена полностью замкнутой.

В патенте США US-3673974 раскрыта платформа, имеющая большую горизонтальную плиту, находящуюся на незначительном расстоянии ниже платформы. Фактически примерно 10-12 лет тому назад было предложено, чтобы этот тип демпфера был использован на норвежском судне Petrojarl, предназначенном для бурения и добычи нефти. При проведении экспериментов на моделях использовались цельные горизонтальные плиты, подвешенные на незначительном расстоянии ниже модели. Было доказано, что эти плиты позволяют получить весьма незначительный эффект. Они ни в коей мере не способны оправдать те чрезмерные затраты, которые повлекло бы за собой оснащение судна плитами этого типа. Petrojarl действительно не был оснащен демпфирующими плитами этого типа. Выполнение в плитах отверстий незначительно увеличивает эффект демпфирования - это, однако, не имеет какого-либо решающего значения. Чтобы плиты этого типа были эффективными, они должны быть расположены на глубине, по меньшей мере, 40 м, где море значительно спокойнее, чем на поверхности. Само по себе, очевидно, что такое устройство слишком дорого, чтобы быть выгодным.

В патенте Великобритании GB 2200082 раскрыта подобные демпфирующие средства, но в данном случае совместно с демпфером также используются большие балластные цистерны. Эти балластные цистерны приводят лишь к утяжелению конструкции и поэтому оказывают незначительное влияние на демпфирование движения платформы, создаваемого волнами.

В патенте США US-3224401 раскрыт платформа, оснащенная двумя типами демпферов. Один тип демпфера содержит горизонтальные перфорированные плиты, расположенные вдоль горизонтальных распорок. Эксперименты на моделях, выполненные автором данной заявки на патент, показывают, что демпфер этого типа будет создавать некоторый эффект при движении со скоростями 7-8 метров в секунду. Однако обычная скорость движения платформы находится в диапазоне 1-4 метра в секунду. В этом диапазоне демпфер согласно указанному патенту США будет оказывать весьма незначительное влияние. Второй тип демпфера содержит каналы через вертикальные распорки. Этот демпфер приводит к потере плавучести платформы и в остальном весьма незначительно влияет на демпфирование движения. Демпферы согласно патенту США US-3224401 пригодны лишь для использования при относительно хорошей погоде, которая часто имеет место в морском заливе Мексики, и оказывают практически незначительное влияние при погодных условиях, имеющих место, например, в Северном Море.

В патенте Великобритании GB 2009693 раскрыта бетонная башня, оснащенная каналами, которые проходят по дуге из горизонтального направления в верхнее направление под углом порядка 45^o. Эти средства будут гасить движение, вызываемое волнением моря, и предотвращают кренение башни. Однако демпферы имеют весьма сложную конструкцию, при этом они должны быть отлиты из бетона. Это приводит к серьезной проблеме, касающейся эксплуатации, и демпферы будут пригодны для бетонной башни, но не для платформы. Бетонная башня фактически будет иметь весьма малую допустимую нагрузку. В донной части бетонной колонны сконструировано определенное количество ячеек, которые оказывают весьма незначительное влияние на демпфирование, поскольку они лишь способствуют утяжелению конструкции, так как ячейки будут удерживать водные массы.

В патенте США US-3921408 раскрыто устройство, содержащее вертикальные и горизонтальные балки, расположенные с наружной стороны конструкции, которая должна быть защищена. Это устройство прежде всего и главным образом приемлемо для гашения водяных брызг, создаваемых волнами, и не оказывает никакого влияния в смысле демпфирования плавучих конструкций, создаваемого волнами.

В патенте США US-4232623 раскрыта баржа, которая оснащена большим количеством отверстий в боковой стороне. Эти отверстия будут поглощать брызги, создаваемые волнами, но лишь слегка гасят движение, создаваемое волнами, и это происходит потому, что избыточная масса воды, которую удерживает баржа в своем корпусе, вызывает утяжеление баржи. Устройство согласно патенту США US-4232623 будет пригодно только в случае слабого волнения на море.

В патенте Швеции SE-421773 раскрыто устройство для демпфирования движения водной поверхности в канале, предназначенном для подъема и погружения подводного судна. Вокруг образована камера, которая сообщается с каналом посредством ряда отверстий. В камере также образованы горизонтальные разделительные стенки, в которых выполнены отверстия. Назначение устройства заключается в демпфировании движения не платформы, а водной поверхности в канале подъема и погружения, то есть для прекращения так называемого гейзерного эффекта.

В патенте Дании DK 129144 раскрыт волнолом, состоящий из горизонтальной решетки и наклонной решетки. Это устройство будет эффективным в отношении препятствия для брызг, создаваемых волнами при их разбиении, например, о мол. Однако, если бы оно было установлено на плавучей конструкции, оно бы не выполняло демпфирование движения, создаваемого волнами.

Задача изобретения заключается в создании более эффективного устройства для демпфирования волн, которое, несмотря на его небольшой размер, будет гасить движение, создаваемое волнами, в большой степени, чем известные устройства для демпфирования волн.

Это достигается посредством признаков, которые раскрыты в отличительной части п.1 формулы изобретения. При этом можно преобразовать движение плавучей конструкции вверх и/или вниз в направленные вбок водяные струи. Это приводит к стабилизации плавучей конструкции за счет того, что струя воды иллюзорным образом увеличивает размер демпфирующего устройства.

Другие преимущества изобретения достигаются посредством признаков, которые раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения. Специально следует упомянуть о возможности принудительного перемещения воды через узкие каналы таким способом, чтобы она "удерживалась" демпфером в течение определенного периода времени, перед тем как она пройдет через них. При этом от воды может быть получена большая энергия, которая может быть использована для гашения вертикальных перемещений плавучей конструкции.

На фиг.1 представлен вид в перспективе первого предпочтительного варианта осуществления конструкции устройства для демпфирования волн согласно изобретению, при этом для ясности изображения нижний демпфер несколько отстоит от верхнего демпфера;
на фиг.2 - боковой вид в сечении демпфирующего устройства согласно фиг. 1;
на фиг.2а-2е - виды в плане отдельных участков плит демпфирующего устройства согласно фиг.1;
на фиг.3 - боковой вид в сечении демпфирующего устройства согласно фиг.1 с указанием путей потока воды;
на фиг. 4 - вид в перспективе второго предпочтительного варианта осуществления конструкции устройства для демпфирования волн, согласно изобретению, при этом для ясности изображения нижний демпфер несколько отстоит от верхнего демпфера;
на фиг.5 - боковой вид в сечении демпфирующего устройства согласно фиг. 4.

На фиг. 1 представлено демпфирующее устройство 10, при этом оно прикреплено к плавучей конструкции 11. Оно состоит из двух основных компонентов - верхнего демпфера 12 и нижнего демпфера 13. Каждый из демпферов 12 и 13 имеет двухстеночную конструкцию, при этом верхний демпфер 12 имеет верхнюю 21 и нижнюю 22 плиты. Плиты 21, 22 соединены у передних краев 23 посредством концевой стенки 14 и боковых стенок 24, которые проходят в вертикальном направлении поперечно продольному направлению плит 21, 22. Плавучая конструкция может образовывать переднюю стенку 15 верхнего демпфера, однако эта стенка также может представлять собой отдельную плиту. Между плитами 21, 22 и боковыми стенками 24 образованы отделения 25. В верхней плите 21 и в нижней плите 22 образованы отверстия соответственно 27 и 28. Они поочередно располагаются в верхней плите 21 и в нижней плите 22, так что одни из поочередных отделений 25 имеют направленное вверх отверстие 27, а другие из поочередных отделений 25 имеют направленное вниз отверстие 28. В боковых стенках 24 также образованы отверстия 29. В концевой стенке 14 образовано одно отверстие 16. При этом каналы 47 для прохождения потока образованы посредством отверстий 27 или 28 на входе, отделений 25 и отверстий 28 или 27 на выходе в зависимости от того, вверх или вниз движется вода относительно плавучей конструкции.

Нижний демпфер 13 также представляет собой двухстеночную конструкцию и состоит из верхней 31 и нижней 32 плит. Плиты 31, 32 соединены у своих передних краев 33 посредством концевой стенки 44 и посредством боковых стенок 34, которые проходят в вертикальном направлении поперечно продольному направлению плит 31, 32. Нижний демпфер 13 также имеет переднюю стенку 45. Между плитами 31, 32 и боковыми стенками 34 образованы отделения 35. В верхней 31 и нижней 32 плитах образованы отверстия соответственно 37 и 38. Они расположены в чередующихся отделениях 35 соответственно в верхней плите 31 и в нижней плите 32, так что эти чередующиеся отделения 35 имеют направленное вверх отверстие 37 и направленное вниз отверстие 38. Боковые стенки 34 выполнены без отверстий. В концевой стенке 44 образовано одно отверстие 46. Передняя стенка 45 снабжена отверстиями 36 с внутренней стороны отделений 35, которые не имеют направленных вверх и вниз отверстий соответственно 37 и 38. При этом каналы 47 для прохождения потока образованы на входе посредством отверстий 36 и/или 37, либо 38, отделений 35 и на выходе посредством отверстий 46.

Отверстия 37 в нижнем демпфере 13 расположены непосредственно под отверстиями 28 в верхнем демпфере 12, тем самым формируя свободный проход через нижний демпфер 13 и в отделение 25 верхнего демпфера.

На фиг.2 демпфирующее устройство 10 представлено в боковом сечении. Здесь показаны боковые стенки 24 и 34, при этом боковые стенки 24 снабжены отверстиями 29.

На фиг.2а представлены концевые стенки 14 и 44 демпфирующего устройства 10, которые могут состоять из одной общей плиты, имеющей один ряд отверстий 16 в верхней части и один ряд отверстий 46 под ними. Отверстия 46 представляют собой поочередные отверстия с большой и малой площадью, при этом наибольшие отверстия расположены непосредственно над отверстиями 36 в передней стенке 45.

На фиг.2b показана передняя стенка 15 и 45 демпфирующего устройства, которая может представлять собой одну общую плиту. Здесь также показаны отверстия 36.

На фиг.2с представлена верхняя плита 21 с отверстиями 27. На фиг.2d представлена нижняя плита 22 верхнего демпфера и верхняя плита 31 нижнего демпфера, которые наиболее целесообразно изготавливать в виде одной общей плиты. Эта плита снабжена отверстиями 28, 37.

На фиг. 2е представлена нижняя плита 32 нижнего демпфера, при этом в плите образованы отверстия 38.

На фиг. 3 представлено функционирование демпфера, при этом сплошными линиями представлен поток воды через отверстия 38, 37, 28, 27 и отверстия 16 и 46, когда плавучая конструкция движется вниз. Когда плавучая конструкция перемещается по вертикали, окружающая ее вода будет перемещаться по вертикали относительно плавучей конструкции. Вода будет принудительно проходить вверх через отверстия 38 в нижней плите 32 нижнего демпфера 13, через отверстия 37, через отверстия 28 в нижней плите 22 верхнего демпфера, по горизонтали через отверстия 29 в боковой стенке 24 и выходить через отверстия 27 в верхней плите 21, и наоборот, когда конструкция 11 перемещается в противоположном направлении. Этот путь потока представляет собой канал, обозначенный позицией 47.

Таким образом вода принудительно перемещается по лабиринту и "удерживается" демпфирующим устройством 10 в течение определенного периода времени, прежде чем пройти через него. При этом от воды может быть получено больше энергии, которая может быть использована для гашения вертикального перемещения плавучей конструкции. Важно, чтобы отверстия через демпфирующее устройство регулировались для обеспечения оптимального размера. Если отверстия весьма велики, то демпфирующее устройство не сможет получать от воды достаточную энергию для возможности эффективного функционирования. Если отверстия весьма малы, вода не сможет проходить через демпфирующее устройство. Вода будет оставаться внутри устройства и просто будет следовать его перемещениям, так что демпфирующее устройство будет функционировать как сплошная конструкция с весом, равным весу самой конструкции и воды в ней. Между прочим оптимальный размер отверстий в значительной степени зависит от скорости вертикального перемещения плавучей конструкции.

Для того чтобы отрегулировать размер отверстий, должны быть созданы закрывающие средства, которые могут полностью или частично закрывать отверстия.

Однако некоторые потоки воды проходят через отверстия 16 и создают водяные струи, которые способствуют созданию сопротивления вертикальным перемещениям воды. Этот путь потока составляет канал, обозначенный позицией 47.

Ломаной линией указан поток воды, входящий через отверстия 36 и выходящий через отверстия 46. Когда плавучая конструкция 11 перемещается вниз, она будет перемещать большую массу воды, которая находится непосредственно под конструкцией. Обычно масса воды свободно течет во всех направлениях в сторону от конструкций 11. Однако с помощью нижнего демпфера 13 значительная часть этой массы воды будет принудительно проходить через отверстия 36, через камеры 35 и выходить через отверстия 46. Этот путь воды также составляет канал, обозначенный позицией 47.

Верхний демпфер 12 также может быть использован над водой. В этом случае он будет служить на поверхности в качестве волнолома, так что волны не будут нарастать и подвергать конструкцию опасности или не будут плескаться по палубе. Нет необходимости в том, чтобы демпфирующее устройство 12 представляло собой глухую конструкцию, при этом оно также может, например, быть образовано в виде горизонтальной плиты, снабженной отверстиями, от наружного края которой отходит определенное количество плит, которые поочередно выступают вверх под углом и вниз в направлении плавучей конструкции, будучи сцентрированными с отверстиями. Таким образом между наклонными плитами и сквозь отверстия образованы каналы.

Следует отметить, что как демпфер 12, так и демпфер 13 весьма эффективно могут быть использованы поодиночке. Однако наилучший эффект достигается тогда, когда два демпфера используются совместно, причем таким способом, который описан применительно к предшествующему варианту осуществления конструкции.

На фиг. 4 представлен альтернативный вариант осуществления конструкции демпфирующего устройства. Здесь демпфирующее устройство также в целом обозначено позицией 10. Подобным же образом все детали, эквивалентные деталям первого варианта осуществления конструкции согласно фиг.1-3, обозначены теми же самыми номерами позиций.

Демпфирующее устройство 10 согласно фиг.4 также состоит из двух главных элементов - верхнего демпфера 12 и нижнего демпфера 13. Каждый из демпферов 12 и 13 имеет двухстеночную конструкцию, при этом верхний демпфер 12 имеет верхнюю плиту 21 и нижнюю плиту 22. Плиты 21, 22 соединены у своих передних краев 23 посредством концевой стенки 14 и боковых стенок 24, которые проходят по вертикали поперечно продольному направлению плит 21, 22. Плавучая конструкция может составлять переднюю стенку 15 верхнего демпфера, однако эта стенка также может представлять собой отдельную плиту. Между плитами 21, 22 и боковыми стенками 24 образованы отделения 25. В верхней плите 21 образованы отверстия 27, однако нижняя плита выполнена глухой, что противоположно первому варианту осуществления конструкции. Эти отверстия 27 расположены в верхней плите 21, так что каждое отделение 25 имеет направленное вверх отверстие 27. В этом варианте осуществления конструкции боковые стенки 24 выполнены глухими. Верхняя 21 и нижняя 22 плиты имеют изогнутую часть, соответственно 21b и 22b, которая изгибается вверх к их передним краям 23, так что каждое отделение 25 формирует криволинейный сужающийся канал 47. Кривая предпочтительно имеет эллиптическую форму.

В концевой стенке 14 выполнено отверстие 16. Следовательно каналы 47 для прохождения потока образованы входными отверстиями 27, отделениями 25 и выходными отверстиями 16, когда вода перемещается вниз относительно плавучей конструкции.

Нижний демпфер 13 также двухстеночный и состоит из верхней плиты 31 и нижней плиты 32. Плиты 31, 32 у их передних краев 33 соединены посредством концевой стенки 44 и боковых стенок 34, которые проходят в вертикальном направлении поперечно продольному направлению плит 31, 32. Нижний демпфер 13 также имеет переднюю стенку 45. Между плитами 31, 32 и боковыми стенками 34 образованы отделения 35. Верхняя плита 31 выполнена глухой, что противоположно первому варианту осуществления конструкции. Боковые стенки 34 выполнены без отверстий. Верхняя 31 и нижняя 32 плиты имеют изогнутую часть соответственно 31b и 32b, которые изгибаются вниз к их передним краям 33, так что каждое отделение 35 формирует криволинейный сужающийся канал 47. В данном случае кривая также предпочтительно имеет эллиптическую форму.

Если демпфер 13 крепят к боковой поверхности плавучей конструкции 11, то нижняя плита 32 выполняется с отверстиями 38. Эти отверстия 38 располагаются в нижней плите 32, так что каждое из отделений 35 имеет направленное вниз отверстие 38. В этом случае стенка 44 выполнена замкнутой. Если демпфер 13 установлен в виде юбки, проходящей вниз от нижней части конструкции 11, то концевая стенка 44 выполняется с отверстиями 46. В этом случае нижняя плита выполняется глухой.

Передняя стенка 45 выполнена с отверстием 36 внутри каждого отделения 35. При этом каналы 47 для прохождения потока образованы посредством входных отверстий 36 или 38, отделений 35 и выходных отверстий 46.

В этом втором варианте осуществления конструкции сообщение посредством жидкости между верхним демпфером 12 и нижним демпфером 13 отсутствует.

На фиг. 5 представлено функционирование демпфера согласно фиг.4, при этом сплошными линиями представлен поток воды через отверстия 38, 27, 16 и 46, когда плавучая конструкция перемещается вниз или вверх. Когда плавучая конструкция перемещается по вертикали, окружающая ее вода будет перемещаться по вертикали относительно плавучей конструкции. Когда конструкция 11 перемещается вниз, вода будет принудительно проходить вверх через отверстия 38 в нижней плите 32 нижнего демпфера 13, а также из-под донной части конструкции 11 в отделении 35 и на выход через отверстия 46. Этот путь потока представляет собой канал, обозначенный позицией 47. Благодаря изогнутым вниз и сужающимся отделениям 35 вода со значительной силой будет выбрасываться вбок или вниз. Как и в первом варианте осуществления конструкции, боковой компонент удара обеспечивает иллюзорно большой демпфер, а направленный вниз компонент удара создает силу, действующую противоположно перемещению конструкции.

Когда конструкция перемещается вверх, вода будет принудительно подаваться через отверстия 27 в верхней плите 21, в отделения 25 и выходить через отверстия 16. Этот путь потока представляет собой канал, обозначенный позицией 47. Благодаря изогнутым вниз и сужающимся отделениям 25 вода будет со значительной силой выталкиваться в боковом направлении и вверх. Как и в случае первого варианта осуществления конструкции, боковой компонент удара обеспечивает иллюзорно большой демпфер, а направленный вверх компонент удара создает силу, действующую противоположно перемещению конструкции.

Хотя наилучший эффект достигается тогда, когда используются как верхний, так и нижний демпферы, на плавучем судне также можно использовать только один из них.

Демпфирующее устройство согласно изобретению может быть использовано для гашения перемещения, создаваемого волнами, на любой предполагаемой плавучей конструкции, включая корабли, нефтедобывающие платформы и т.д. Демпферы могут быть выполнены в виде одиночных демпферов, которые проходят приблизительно в горизонтальном направлении вдоль, по меньшей мере, части периферии судна/конструкции, однако некоторые из них могут быть расположены так, чтобы один находился на верхней части другого от киля/наинизшего края до палубы.

Устройства для демпфирования больших волн наилучшим образом будут подходить для установки у самой нижней кромки/киля, в то время как демпферы меньших волн могут быть распределены в менее глубоких местах и вблизи от ватерлинии.

Хотя устройство согласно изобретению выше представлено как демпфер, также существует и вторая область применения изобретения. Например, в каналы 47 могут быть помещены небольшие водяные турбины, которые используют энергию водяного потока, чтобы вырабатывать электроэнергию.

Реферат

Изобретение относится к водному транспорту и касается создания плавучих конструкций с устройствами для гашения волн. Устройство для гашения вертикального компонента движения плавучей конструкции, вызываемого волнами, имеет юбку, выступающую вниз под донную часть конструкции, и состоит из множества каналов, которые проходят по существу в горизонтальном направлении и сходятся от входного отверстия к выходному отверстию, идущему в сторону от плавучей конструкции. Когда конструкция перемещается вниз, вода принудительно проходит через каналы с нижней стороны и создает струйный эффект, который с демпфирующим эффектом действует на вертикальное перемещение конструкции. Юбка демпфирующего устройства может выступать наружу на плавучей конструкции. Ряд первых отверстий при этом проходит по существу в вертикальном направлении и соединен с рядом вторых отверстий. Последние проходят по крайней мере по существу в горизонтальном направлении. Тем самым они вынуждают воду переходить из по существу вертикального направления движения относительно плавучей конструкции через первые отверстия по крайней мере главным образом в горизонтальное направление движения через вторые отверстия при прохождении воды через демпфер. Технический результат реализации группы изобретений состоит в повышении эффективности эксплуатации устройства для демпфирования волн при сохранении его небольшого размера. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула