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Dokumentenidentifikation DE102004056462B4 19.04.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes an einer Pier
Anmelder Marine-Service GmbH, 20457 Hamburg, DE
Erfinder Bannister, Glenn, Dr., 21521 Wohltorf, DE;
Schmidt-Lüßmann, Jochen, Dr., 21244 Buchholz, DE
Vertreter Meyer & Partner GbR, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 23.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004056462
Offenlegungstag 01.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse B63B 21/16(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von periodischen Bewegungen eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore-Plattform gehalten ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Die Be- und Entladung von Schiffen erfolgt in der Regel in geschützten Häfen, in denen Seegang und Strömungen nur geringen Einfluss auf die Position des Schiffes beim Be- und Entladen haben. Große Schiffe, wie z. B. Öl- oder Gastanker, werden heute jedoch oft an Kaianlagen be- und entladen, die sich nicht in Häfen oder geschützten Küstenbereichen befinden. Auch aus Sicherheitsgründen befinden sich Anleger für große Schiffe häufig weit vor der Küste bis in den Offshore-Bereich hinein. Solche Schiffe sind daher, wenn sie am Anleger festgemacht sind, erheblichen Wind-, Wellen- und Strömungskräften ausgesetzt.

Auch unter Berücksichtigung erheblicher Sicherheitszuschläge kommt es immer wieder vor, dass Festmacherleinen brechen und unerwünschte Bewegungen des Schiffes an der Pier auftreten. Dadurch können Be- und Entladevorgänge erheblich beeinträchtigt werden. Bei starkem Seegang und großen Windstärken müssen Lade- und Entladevorgänge daher häufig unterbrochen werden. Die auftretenden Ausfallzeiten führen zu erheblichen Kosten, die vermieden werden sollten.

Um die Positionierung eines Schiffes an einer Pier zu verbessern, und insbesondere Strömungseinflüssen entgegenzutreten, ist es aus der DE 43 03 829 C2 bekannt geworden, die der Festlegung des Schiffes dienenden Festmacherleinen über Winden zu führen, wobei detektierte Positionsveränderungen des Schiffes erfasst und zur Ausregelung einem Regelungskreis zugeführt werden, der die Antriebe der Winden derart steuert, dass eine Sollwertpositionierung eingenommen wird. Durch dieses Verfahren wird eine im Wesentlichen statische Verbesserung der Positionierung eines Schiffes erreicht, die anderenfalls über eine manuelle Neufestlegung der Festmacherleinen durchgeführt werden müsste.

Bei diesem bekannten Verfahren werden insbesondere hydraulisch angesteuerte Konstantzugwinden verwendet, um die Größe der Zugkräfte zu begrenzen. Das dort vorgeschlagene System ist nicht in der Lage, Wellenbewegungen des Schiffes auszugleichen.

Aus der GB 2 181 708 A ist ein Haltesystem zur Festlegung eines Schiffes an einer Pier bekannt, bei dem das Schiff mittels auf dem Schiff oder an der Pier angeordneter Winden befestigt wird. Durch eine vertikale Führungsstruktur ist ein Ausgleich eines vertikalen Hubes des Schiffes möglich, um die Festmacherleinen möglichst horizontal halten zu können.

Bei der Bewegung eines Schiffes im wellenbewegten Wasser handelt es sich im Wesentlichen um eine periodische Erregung eines Systems, bestehend aus der Masse des Schiffes und einer entsprechenden Masse Wasser. Zusammen mit Leinen und den an der Pier oder am Schiff befestigten Fendern ergibt sich damit ein schwingungsfähiges System, das zwar im Wesentlichen vertikal schwingt, das jedoch auch Schwingungskomponenten in horizontaler Richtung enthält sowie Drehschwingungen ausführt. Aus Sicherheitsgründen müssen Festmacherleinen eine gewisse Elastizität aufweisen, welches die Schwingungsfähigkeit des Systems weiter erhöht. Die verschiedenen Angriffspunkte der Festmacherleinen führen ferner zur Kopplung mehrerer einzelner Schwingsysteme. Wenn die Schiffsbewegungen in Querrichtung so groß werden, dass die verwendeten Fender an das Ende ihres Federweges kommen, tritt auch der Effekt ein, dass die Schiffe anfangen, sich in Längsrichtung zu bewegen. Unter solchen Umständen muss ein Lade- und Löschvorgang ebenfalls u. U. unterbrochen werden, weil die zum Laden- und Beladen benötigten Ladeeinrichtungen an die Grenzen ihres zulässigen Arbeitsbereiches kommen.

Horizontale Schwingungen eines Schiffes, das an einer Pier festgemacht ist, werden im Wesentlichen von den verwendeten Fendern aufgefangen. Bei entsprechender Auslegung wirken solche Fender als Federn und Dämpfer, die Schwingungsenergie aufnehmen können. Bei üblichen Fendern handelt es sich um passive Bauelemente, deren Dämpfereigenschaft allerdings stark begrenzt ist.

Zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften von Fendern sind auch aktive Systeme bekannt geworden, die hydraulisch betätigt werden. In der US 4,137,861 ist ein entsprechender aktiver Fender angegeben, bei dem mehrere Hydraulikzylinder verwendet werden. Solche Fender können ihre Funktion allerdings nur dann erfüllen, wenn sie vom seitlichen Schiffsdruck beaufschlagt sind. Wenn das Schiff sich etwas von der Pier entfernt, ist ein solcher Fender wirkungslos. Ferner kann er nur Kräfte aufnehmen, die im Wesentlichen senkrecht auf ihn einwirken, während Scherkräfte nicht abgedämpft werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung von Bewegung eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht ist, in wellen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern anzugeben, mit deren Hilfe periodische Bewegungen eines Schiffes stark reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes, das sich durch Wellen, Strömungen oder Windeinflüsse periodisch bewegt. Das Schiff wird dazu über Halteverbindungen an einer Pier gehalten, wobei die Spannkräfte der Halteverbindungen über Windenantriebe mit einstellbarer Zugkraft steuerbar sind. Erfindungsgemäß werden zusätzlich Winden installiert, deren Windenantriebe als permanent wirkende aktive Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger arbeiten, wobei beim Fieren die Halteverbindungen mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen gewählt ist.

Die Erfindung betrachtet das System, bestehend aus der Masse des Schiffes, den Federelementen der Befestigung an der Pier oder Off-shore-Plattform sowie der Elastizität von Schiff und Wasser in einem durch Wellen, Wind oder Strömungen periodisch angeregten System als schwingungsfähiges System, dessen Schwingungen dadurch reduziert werden, dass ein Windensystem verwendet wird, dessen Antrieb die Schwingungsenergie des Systems aufnimmt.

Um die Amplitude der Schiffsbewegung zu reduzieren, ist es daher notwendig, den durch die Wind- und Wellenkräfte erzeugten Bewegungen des Schiffes durch geschwindigkeitsabhängige Kräfte auf das System entgegenzuwirken. Da das System allerdings nur sehr niedrig frequente Schwingungen ausführt, müssten einfache passive Dämpfer außerordentlich hohe Dämpfungskonstanten aufweisen, um das System wirksam zu beeinflussen. Aktive, in Fendern eingebaute Dämpfer weisen jedoch nur beschränkte Einsatzmöglichkeiten auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Winden verwendet, deren Wirkungsstrecke im Wesentlichen nur von der Länge der auf der Windentrommel vorhandenen Seillänge abhängt. Von besonderer Wirksamkeit für die Zwecke der Erfindung ist es, dass die Zugkraft der Winden abhängig von der Drehrichtung unterschiedlich groß ist. Beim Fieren, d. h. beim Ausfahren der Seile, ist die Zugkraft der Winden erheblich höher als beim Einholen eingestellt. Damit wird einerseits verhindert, dass ein Schiff sich zu weit von einer Pier entfernt, und andererseits wird aufgrund der geringeren Zugkraft beim Einholen verhindert, dass dem System wieder Energie zugeführt wird.

Um eine möglichst direkte Kopplung der Winden an die Schiffsbewegungen zu erreichen, werden vorzugsweise sehr steife Seile, insbesondere Stahlseile, verwendet.

Die Zugkräfte beim Fieren und beim Einholen werden vorzugsweise jeweils konstant gehalten. Damit wird die Belastung der Krafteinleitungspunkte auf dem Schiff bzw. an der Pier begrenzt. In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Zugkräfte beim Fieren und/oder beim Einholen abhängig von der Abweichung des Schiffes von der Sollposition unterschiedlich stark gewählt werden, insbesondere um die Krafteinleitung bei lediglich kleinen Bewegungen des Schiffes zu reduzieren. Dies senkt auch den erforderlichen Energieaufwand zum Betrieb der Vorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet steuerbare Winden, die beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen ist. Vorzugsweise werden die Winden hydraulisch oder elektrisch angetrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein an einer Pier befestigtes Schiff in Aufsicht,

2 eine schematische Vorderansicht eines an einer Pier befestigten Schiffes,

3 ein Schaltungsdiagramm eines Hydraulikantriebs,

4 eine Darstellung der idealisierten Kräfteverhältnisse, und

5 eine Darstellung der resultierenden Schwingungen eines Schiffes im Vergleich zu ungedämpften Schwingungen.

1 zeigt ein Schiff 1, das über Festmacherleinen 6, 7, 8, 9 an Pollern 2, 3, 4, 5 an einer Pier oder Off-shore-Plattform festgemacht wurde. Das erfindungsgemäße Prinzip der Schwingungsdämpfung oder -tilgung wird zusätzlich zu den üblicherweise an der Pier vorgesehenen Pollern oder Haken, die die Festmacherleinen aufnehmen, auf der Pier installiert.

2 zeigt eine Vorderansicht eines Schiffes 1 an einer Pier. Um einen definierten Anschlag des Schiffes 1 an der Pier festzulegen, sind standardmäßige Fender 10 vorgesehen. Die Befestigung des Schiffes erfolgt mittels Festmacherleinen 7, deren pierseitiges Ende an Pollern oder Haken festgemacht ist. Zusätzlich befinden sich auf der Pier (mindestens 2) Winden 12, die über Seile 11 auf das Schiff wirken. Obgleich in der Figur dargestellt ist, dass die Winden 12 sich auf der Pier befinden, wird die Funktion der Erfindung in gleicher Weise gewährleistet, wenn sich die Winden 12 alternativ auf dem Schiff befinden.

3 zeigt das Prinzipdiagramm einer Windenausbildung einer hydraulischen Winde. Eine von einem Motor 16 angetriebene Pumpe 15 saugt Öl aus einem Ölbehälter 20 und pumpt das Öl durch den Windenmotor 14 und wieder zurück in den Ölbehälter 20. Der Motor 14 treibt die Windentrommel 13 an. Das Überdruckventil 17 legt die Zugkraft fest, mit der das Schiff über die Windentrommel 13 eingeholt werden kann. Umgekehrt legt das Überdruckventil 18 fest, mit welcher Zugkraft ein Seil über die Windentrommel 13 gefiert werden kann. Das Rückschlagventil 21 verhindert, dass der Motor 14 Rückleistung an die Pumpe 15 zurückführt.

Da der Windenantrieb zum erfindungsgemäßen Ausgleich periodischer Schwingungen ständig aktiv ist, und hohe Energien zu vernichten sind, entstehen erhebliche Abwärmeverluste, die z. B. über einen Ölkühler 19 abgeführt werden können.

Um eine möglichst direkte Kopplung der Winden an die Schiffsbewegung zu erreichen, werden sehr steife Seile, insbesondere Stahlseile, verwendet. Außerdem sollten die Winden so angeordnet sein, dass die Längen der Seile möglichst kurz sind, um keine zusätzlichen Federelemente in das System einzubringen.

Obgleich in 3 eine hydraulische Ausbildung der Winden dargestellt ist, können alternativ auch elektrische Winden verwendet werden.

4 zeigt die Kraftverhältnisse in einer Grafik, bei der für negative Geschwindigkeiten V, d. h. beim Fieren, eine Kraft von etwa 6 × 105 Newton aufgebracht wird, während beim Einholen des Seils die Zugkraft bei 5 × 104 Newton liegt. Die Zugkräfte sind jeweils im Wesentlichen konstant, unabhängig von der Geschwindigkeit. Das erfindungsgemäße System ist so eingerichtet, dass es Geschwindigkeiten von bis zu 4 m pro Minute ohne weiteres verarbeiten kann.

5 zeigt das Ergebnis durchgeführter Modellrechnungen der Schiffsbewegungen in Metern über die Zeit in Sekunden. Die dünn durchgezogene Linie zeigt das Schwingungsverhalten eines Schiffes in horizontaler Richtung senkrecht zur Pier bei einem ungedämpften Schiff ohne Einsatz der erfindungsgemäßen Winden und die dick durchgezogene Darstellung den Bewegungsverlauf des Schiffes bei Einsatz der erfindungsgemäßen Winden. Die Grafik zeigt deutlich die erhebliche Verbesserung durch den Einsatz der Erfindung. Die Amplitude der Schiffsbewegung konnte von ca. 1 m auf unter 0,2 m reduziert werden. Damit wird erreicht, dass die Festmacherleinen erheblich weniger belastet werden, und damit auch sehr viel langsamer altern. Ferner bewegt sich das Schiff nicht mehr so weit von der Pier weg, so dass das Ende des Federweges der Fender nicht erreicht wird. Damit lassen sich auch Schiffslängsbewegungen unterbinden.

1
Schiff
2–5
Poller oder Haken
6–9
Festmacherleinen
10
Fender
11
Halteverbindung, Stahlseil
12
Dämpfungseinheit
13
Windentrommel
14
Motor
15
Pumpe
16
Motor
17
Überdruckventil
18
Überdruckventil
19
Ölkühler
20
Ölbehälter
21
Rückschlagventil


Anspruch[de]
Verfahren zur Verringerung von Bewegungen eines Schiffes (1), das an einer Pier oder Off-shore-Plattform gehalten ist, in wellen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern, wobei das Schiff zusätzlich zu den üblichen Festmacherleinen (6, 7, 8, 9) mittels wenigstens zweier Halteverbindungen (11) an der Pier oder Off-shore-Plattform gehalten ist, und wobei die Spannkräfte der Halteverbindungen (11) über Windenantriebe (12, 13) mit einstellbarer Zugkraft steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung von periodischen Bewegungen des Schiffes die Windenantriebe (12, 13) als permanent wirkende aktive Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger eingesetzt sind, und dass die Halteverbindungen (11) beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt werden, die höher als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen (11) gewählt ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteverbindungen (11) Seile mit hoher Steifigkeit sind. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile Stahlseile oder Kunststoffseile sind. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenantriebe derart gesteuert sind, dass die ersten und/oder zweiten Zugkräfte entlang der Zugstrecke der Halteverbindungen (11) konstant gehalten sind. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zugkraft ausgehend von einer Neutralposition der Zugkraft mit zunehmender Zugstrecke ansteigend gewählt ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zugkraft ausgehend von einer Neutralposition der Zugkraft mit zunehmender Zugstrecke abfallend gewählt ist. Vorrichtung zur Verringerung von periodischen Bewegungen eines Schiffes, das an einer Pier oder Off-shore-Plattform gehalten ist, in wellen-, wind- oder strömungsbewegten Gewässern, bei dem das Schiff zusätzlich zu den üblichen Festmacherleinen (6, 7, 8, 9) mittels wenigstens zweier Halteverbindungen (11) an der Pier oder Off-shore-Plattform gehalten wird, und wobei die Halteverbindungen über Winden (12, 13) mit einstellbarer Zugkraft geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraft der permanent aktiven Winden (12, 13) derart steuerbar ist, dass die Halteverbindungen (11) beim Fieren mit einer ersten Zugkraft beaufschlagt sind, die höher ist als eine zweite Zugkraft zum Einholen der Halteverbindungen (11). Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winden (12, 13) hydraulisch angetrieben sind. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winden (12, 13) elektrisch angetrieben sind.






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