Brevet FR2371341A1 — publié le 19780616

La présente invention concerne la stabilisation d'un corps flottant sur une étendue liquide et soumis à l'action de la houle. La présente invention s'applique notamment au cas d'une plate-forme flottante utilisée pour les travaux en mer. De telles plates-formes soumises à la houle prennent des mouvements de roulis-tangage et de pilonnement. Par construction, elles sont rendues peu sensibles à ces mouvements grâcel en général, à l'utilisation de flotteurs immergés ; leur période propre presque toujours supérieure à 20 secondes est supérieure à celle de la houle. Les mouvements résiduels sont cependant gênants et conduisent, par exemple en mer du Nord, à des taux d'indisponibilité estimés de 10 à 3096 pour la période automne-hiver. Si l'on s'accommode assez bien des mouvements de roulis et de tangage, certaines opérations sont empêchées par l'amplitude du pilonnement. On connaît des dispositifs qui, pour réduire l'amplitude des mouvements, introduisent une trainée aérodynamique (par grille, par exemple) ou agissent sur la flottabilité notamment à l'aide de ballast. Dans le premier cas, l'efficacité décroit avec l'amplitude, dans le second cas les volumes de liquide à déplacer sont très élevés et conduisent à des dépenses énergétiques excessives. La présente invention vise notamment à obtenir une stabilisation d'efficacité sensiblement permanente avec une dépense d'énergie relativement faible. Selon l'invention, pour stabiliser un corps flottant sur une étendue liquide et soumis à l'action de la houle, on utilise le mouvement du liquide dans un résonateur hydraulique faisant partie dudit corps flottant pour amortir ses mouvements provoqués par la houle. De préférence, le circuit oscillant est peu résistant et possède une forte surtension, de manière qu'à la résonance une faible puissance d'excitation puisse maintenir une grande amplitude d'oscillation. Selon la nature de la houle, le résonateur peut être accordé sur la fréquence propre de la houle ou sur celle du corps flottant. I1 peut être excité d'une manière passive par les mouvements de la houle ou ceux du corps flottant. Si nécessaire, on peut prévoir un pilotage de la phase et éventuellement de l'amplitude du mouvement de l'eau dans le résonateur pour suivre les variations de fréquence de la houle ou du corps flottant autour de leur valeur moyenne. Un dispositif de stabilisation selon l'invention, comporte, fixé au corps flottant un réservoir au moins partiellement rempli d'air coopérant avec une canalisation débouchant dans le liquide et agencée pour former avec le réservoir un résonateur hydraulique. Ce résonateur peut être agencé pour que les variations de pression d'air engendrées dans le réservoir par les mouvements du liquide provoquent une variation de poussée sur le corps flottant et/ou pour que lesdits mouvements de liquide dans celui-ci provoquent une variation de flottabilité du corps flottant. Dans certains cas, on pourra prévoir un organe de séparation mobile entre l'air et le liquide de manière à éviter les effets de ballottement ou de jaillissement du liquide dans le résonateur et/ou la dissolution de l'air dans le liquide. Cet organe de séparation pourra être souple, semisouple ou rigide ; il pourra être notamment du type coulissant (piston coulissant par exemple) ou déployable (membrane-déployable à soufflet par exemple). La-description qui va suivre, en regard des dessins, donnée à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique de côté d'une plate-forme semi-submersible. La figure 2 est une vue schématique de dessus de cette plate-forme. Les figures 3 à 9 sont des vues schématiques de sept modes de réalisation de l'invention. Les figures 1 et 2 illustrent une forme de plateforme, flottante, utilisable par exemple pour des forages en mer. La plate-forme comporte un plateau I supporté audessus de l'eau par une structure comprenant des piliers 2 reposant sur des flotteurs immergés 3 (deux dans l'exemple dessiné). On a représenté schématiquement quatre éléments d'amortissement 4, conformes à l'invention, permettant de contrecarrer les mouvements de pilonnement, de roulis et de tangage. Naturellement le nombre et la disposition des éléments 4 peuvent être modifiés en fonction des besoins. La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention. Un réservoir 5 partiellement rempli d'air est fixé sous le plateau 1 et réuni à la mer par une canalisation 6 de longueur et de forme appropriées pour constituer un circuit résonnant. Le réservoir 5, par compressibilité de l'air, constitue la capacité, la canalisation, par son inertie, représente la self. On peut agir sur la pression dans le réservoir 5 grâce à un conduit 7 débouchant dans celui-ci ; ce conduit muni d'un vannage 8 peut être relié à un moyen (non représenté) capable de modifier la pression dans le réservoir 5. La canalisation 6 de longueur L et de section S possède une résistance due aux pertes de charge, de préférence faible, et un coefficient de self donné sensiblement par la formule masse spécifique de l'eau. Le réservoir 5 de volume fait office de capacité de valeur donnée sensiblement par la formule: a vitesse du'son dans l'air pa masse spécifique de l'air. La période propre non amortie du système résonnant est alors On voit que l'on peut agir sur la fréquence de résonance en faisant varier le volume d'air dans le réservoir, par exemple en y admettant une hauteur variable d'eau. I1 suffit pour cela de modifier le niveau moyen de pression statique dans le réservoir par l'intermédiaire du conduit 7 par exemple. Les pertes de charge dans la canalisation 6 étant faibles, le circuit est peu résistant et possède une forte surtension, c'est à dire qu'au voisinage de la résonance, l'amplitude de pression dans le réservoir 5 peut être notablement supérieure à celle des variations de pression à l'embouchure de la canalisation 6. De ce fait l'énergie nécessaire à l'entretien du mouvement de l'eau dans le circuit est faible et en tout cas très inférieure à celle que nécessiteraient le remplissage et la vidange du réservoir. Dans la mesure où les conditions de phase sont correctes, l'entretien du mouvement dans-le circuit peut être entièrement assuré par les mouvements de la houle ou ceux de la plateforme, le circuit se comportant comme un batteur passif. En prati que il peut s'avérer nécessaire de réguler amplitude et phase du mouvement. Ceci peut par exemple etre réalisé d'une manière passive, notamment par utilisation du vannage 8 du conduit 7. Un apport éventuel d'énergie extérieure est également possible sous forme d'une modulation alternative de la pression du réservoir transmise par le conduit 7, permettant ainsi d'ajuster l'amplitude du mouvement de l'eau dans le circuit ou de modifier, si nécessaire, la phase. On sait en effet qu'au voisinage de la résonance d'un circuit du second ordre possédant une forte surtension, l'énergie dtexcitation peut être treks faible devant l'énergie de l'oscillation, et que la phase-varie très rapidement avec la fréquence d'excitation. Les mouvements de l'eau dans le circuit résonnant et les variations de pression qu'ils engendrent sont à même de fournir des poussées en sens inverse de celles exercées par la houle sur la plate-forme en choisissant correctement les conditions de phase. Dans l'exemple de la figure 3, le réservoir de volume important a une section horizontale S' très supérieure à celle S de la canalisation 6 ; l'ensemble est disposé sensiblement selon un axe vertical. Les volumes d'eau entrant et sortant modifient la flottabilité de la plate-forme et permettent de compenser les èffets de la houle sur les parties émergentes et sur les parties immergées (mouvements orbitaux). Plus précisément, si l'eau monte par exemple, l'augmentation de la hauteur d'eau diminue l'effet de la poussée d'Archimède. Mais à l'inverse, la compression de l'air dans le réservoir tend å exercer une poussée vers le haut. Du fait de -la configuration géométrique du résonateur, la poussée due à la compression de l'air est faible vis à vis de la variation de poussée d'Archimède qui reste prédominante. Dans certains cas, on pourrait envisager.de mettre le réservoir 5 à l'air libre, ce qui supprimerait la poussée de compression de l'air. Il est évident que dans ce mode de fonctionnement, la masse d'eau qui doit être déplacée ainsi que le volume du réservoir sont importants. Les mouvements de l'eau dans-le résonateur doivent être sensiblement en phase avec les mouvements de la houle pour compenser l'effet de celle-ci. Au lieu d'utiliser les variations de poussée d'Archimède, on peut utiliser les variations de compression de l'air. I1 en est ainsi dans le mode de réalisation illustré par la figure 4. Le réservoir 5 est constitué par une enceinte d'axe sensiblement vertical fermée vers le haut par un fond et ouverte vers le bas pour se raccorder à la canalisation elle-même d'axe sensiblement vertical et débouchant dans la mer. La section horizontale du réservoir reste égale ou inférieure à la section de raccordement à la canalisation. (Dans l'exemple illustré, la section du réservoir et la section de la canalisation sont constantes et égales). Le résonateur est ici complètement immergé, étant monté dans le flotteur 3. La colonne d'eau agit verticalement comme un piston fluide et comprime l'air dans le fond du réservoir. Sa poussée est alors exercée par les effets de pression et de dépression. Les mouvements de l'eau dans le résonateur doivent alors être en opposition de phase avec les mouvements de la houle. I1 est clair, dans ce cas, que les volumes d'eau déplacés peuvent être relativement faibles mais que les surfaces frontales sur lesquelles elles s'exercent doivent être larges. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 5, le réservoir 5 est fixé sur le flotteur 3 et la canalisation 6 associée au fond du réservoir 5 s'incurve pour s'étendre dans une direction sensiblement horizontale. Cette disposition qui permet verticalement de gagner de la place, peut présenter l'inconvénient d'exercer latéralement des poussées parasites. Le mode de réalisation illustré par la figure 6 permet d'éviter les effets de réaction dus aux mouvements de l'eau en donnant à la canalisation 6 une forme de révolution autour d'un axe vertical. A cet effet la canalisation présente une paroi extérieure 61 en forme de tuyère verticale évasée vers le bas associée à un fond 62 espacé du bord libre de ladite paroi 61 et soutenu par une tige centrale 63. I1 est possible de donner à la canalisation 6 un profil tel que sa section reste constante. Dans le mode de réalisation représenté, le réservoir 5 est fixé sous le plateau 1. Lorsque le volume du réservoir est limité, ce qui est notamment le cas dans l'exemple de réalisation de la figure 4 où l'on utilise le résonateur pour faire varier la pression hydrostatique, la longueur 1 nécessaire de la colonne d'eau et donc de la canalisation 6 peut être excessive. Les modes de réalisation des figures 7, 8 et 9 permettent de réduire cette longueur. On peut chercher à accroître le volume d'eau déplacé. Ainsi, selon les figures 7 et 8 qui illustrent une modification du mode de réalisation de la figure 4, on interpose entre le réservoir 5 de section Si et la canalisation 6 de section notablement supérieure S2, un vérin différentiel 9. Ce vérin est constitué par un piston coulissant présentant une partie inférieure 91 de section S2 et une partie supérieure de section Si, lesdites parties coopérant respectivement avec la canalisation 6 et le réservoir 5. De préférence l'espace 10 situé entre les ailes latérales du piston 9 et le fond de la canalisation 6 comporte une mise à l'air libre 11. La longueur équivalente de la canalisation est alors 1' = 82 1. Comme représenté figure 7, il est possible de modifier l'amplitude et la phase du mouvement en agissant sur le piston différentiel 9, par exemple à l'aide de vérins hydrauliques 11. On peut notamment relier les enceintes en regard des deux faces du piston de ces vérins par un conduit 12 muni d'une vanne 13. La fermeture totale ou partielle de ces vannes 13 permet ainsi de bloquer ou freiner le piston 9. On peut aussi, comme représenté figure 8, modifier l'amplitude et la phase du mouvement en agissant sur un vérin pneumatique 14, associé avec l'air du réservoir 5. Le déplacement du piston de ce vérin influera sur l'amplitude et la phase. Pour réduire la longueur de la canalisation 6 on peut également chercher à accroire la vitesse d'écoulement dans celleci, en réduisant localement sa section pour accroître son coefficient de self par unité de iongueur. Dans l'exemple illustré figure 9, la canalisation 6 présente successivement à partir du réservoir, une section décroissante, une section constante, puis une section croissante. Il importe cependant que l'énergie cinétique ainsi transmise à l'eau soit correctement récupérée aux extrémités de la canalisation 6 en contact avec la mer et le réservoir. Le profil de la canalisation sera donc soigneusement déterminé avec, éventuellement des cloisonnements intérieurs 15 destinés à réduire les décollements et les turbulences. Dans les exemples de réalisation des figures 7 et 8, le piston différentiel 9 réalise une séparation entre l'air et l'eau. Cette séparation peut s'avérer utile pour éviter les effets de ballottement ou de jaillissement de l'eau dans le résonateur et la dissolution de l'air dans l'eau. Cet effet peut également être obtenu dans les autres modes de réalisation en faisant appel à une séparation souple, semirigide ou rigide entre l'air et l'eau. Cette séparation peut etre coulissante, par exemple comme représenté sur les figures 3 et 4 où l'on utilise un piston 20 coulissant. Elle peut aussi être déployable, par exemple comme représenté sur la figure 9 où l'on utilise une membrane déployable à soufflet 21. On peut prévoir pour les différents modes de réalisation de l'invention deux modes d'action selon que les effets de la houle sur la plate-forme que l'on cherche à réduire sont surtout dus à ses composants harmoniques ou à sa nature aléatoire. Si la houle est assez régulière, elle excite la plate-formè en oscillations forcées à sa fréquence. Le mouvement de la plate-forme n'est atteint qu'après un certain nombre de périodes. I1 n'est donc pas nécessaire que les effets de la houle et ceux de l'amortisseur s'annulent à chaque instant, mais il importe qu'en moyenne l'amortissement agisse toujours en opposition de phase avec l'effet de la houle sur la structure. I1 convient donc d'accorder le circuit sur la fréquence propre de la houle et de piloter la phase du mouvement de l'eau dans le circuit résonnant pour suivre les variations de fréquence de la houle autour de leur valeur moyenne. On peut à cet effet détecter l'évolution de la houle par divers moyens connus (par exemple, détection optique, utilisation de capteurs de pression soumis à l'action de la houle etc.). Comme indiqué précédemment, si le circuit résonnant possède une forte surtension, son excitation peut être assurée essentiellement par la houle elle-même, le pilotage en amplitude et en phase ne requérant que peu d'énergie. Si au contraire, l'énergie de la houle est répartie dans un spectre de fréquences très large, de telles sorte qu'annuler l'effet d'une fréquence moyenne n'apporte que peu d'atténuation au mouvement, il est préférable que le circuit résonnant se comporte à l'inverse de la plate-forme de manière à compenser l'effet de toutes les composantes de la houle. Dans ce cas le circuit résonnant est accordé sur la fréquence propre de la plate-forme. De préférence, un assez grand nombre de résonateurs sont répartis en différents points de la plate-forme, l'embouchure de la canalisation 6 dans la mer étant de préférence immergée assez profondément pour éviter d'être sensible à l'influence directe de la houle. Ces circuits peuvent être entièrement passifs, le résonateur étant excité par les mouvements de la plate-forme. On peut effectuer un pilotage en phase et en amplitude en fonction des variations des mouvements de la plate-forme. La détection de ces mouvements peut être réalisée par exemple par utilisation d'accéléromètres. De préférence on utilisera dans ce mode de fonctionnement, des résonateurs faisant appel aux variations de pression hydrostatique. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour la stabilisation d'un corps flottant sur une étendue liquide et soumis à l'action de la houle, caractérisé en ce que l'on utilise le mouvement du liquide dans un résonateur hydraulique faisant partie dudit corps flottant pour amortir ses mouvements provoqués par la houle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résonateur est accordé sur la fréquence propre de la houle ou sur la fréquence propre-du corps flottant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le résonateur est excité par les mouvements de la houle ou ceux du corps flottant. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on pilote la phase et éventuellement l'amplitude du mouvement de l'eau dans le résonateur pour suivre les variations de fréquence de la houle ou du corps flattant autour de leur valeur moyenne. 5. Dispositif de stabilisation d'un corps flottant sur une étendue liquide et soumis à l'action de la houle, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, fixé au corps flottant un réservoir au moins partiellement rempli d'air coopérant avec une canalisation débouchant dans le liquide et agencée pour former avec le réservoir un résonateur hydraulique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un organe mobile de séparation entre l'air et le liquide. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le résonateur est agencé pour que les variations de pression d'air engendrées dans le réservoir par les mouvements de liquide provoquent une variation de poussée sur le corps flottant. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le résonateur est agencé pour que les mouvements de liquide dans celui-ci provoquent une variation de la flottabilité du corps flottant. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le réservoir est constitué par une enceinte d'axe sensiblement vertical, fermée vers le haut par un fond et ouverte vers le bas pour se raccorder à la canalisation, la section du réservoir restant égale ou inférieure à la section de raccordement à la canalisation. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la section de la canalisation étant notablement supérieure à celle du réservoir, un piston différentiel coulissant est interposé entre le réservoir et la canalisation, la partie supérieure du piston de faible section coopérant avec le réservoir alors que la partie inférieure du piston de grande section coopère avec la cana libation. Il. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le piston est associé à des vérins hydrauliques permettant d'agir sur l'amplitude et la phase du mouvement. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le réservoir présente une section horizontale notablement supérieure à celle de la canalisation. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 2, caractérisé en ce que la canalisation débouchant dans le fond inférieur du réservoir s'incurve pour s'étendre dans une direction sensiblement horizontale. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la canalisation a une forme de révolution autour d'un axe vertical. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que la canalisation présente successivement à partir du réservoir une section décroissante, une section constante puis une section croissante. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la canalisation comporte des cloisonnements intérieurs destinés à réduire les décollements ou les turbulences. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 16, caractérisé en ce que le réservoir est relié par une conduite à des moyens permettant d'agir sur la pression dans le réservoir de manière à pouvoir modifier la fréquence, la phase ou l'amplitude du circuit résonnant. 18. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 4 ou du dispositif selon l'une des revendications 5 à 17 à la stabilisation d'une plate-forme flottante comportant un plateau maintenu au-dessus de l'eau par une structure associée à des flotteurs immergés.