ПРИЧАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЛАВУЧЕЙ КОНСТРУКЦИИ
MOORING SYSTEM FOR FLOATING STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к причальной системе для плавучей конструкции, такой как судно, содержащей причальную конструкцию, такую как буй, дополнительной плавучей конструкции или неподвижной башни, содержащей поворотную платформу, способную вращаться вокруг вертикальной оси, и соединительную конструкцию, приспособленную для обеспечения соединения между плавучей конструкцией и причальной конструкцией, причем соединительная конструкция содержит узел жесткого кронштейна и маятниковые элементы, причем узел жесткого кронштейна и маятниковые элементы на одном конце соединены с возможностью поворота, и на их других концах приспособлены для соединения с плавучей конструкцией и причальной конструкцией соответственно, причем балластные грузы расположены на соединенных концах.
Причальные системы данного типа раскрыты, например, в ЕР-А-0096119, ЕР-А-0105976 и ЕР-А-0152975. В таких причальных системах балластные грузы обеспечивают возвращающие силы для обеспечения размещения плавучей конструкции с промежутком относительно причальной конструкции. Узел жесткого кронштейна и маятниковые элементы не ограничивают первичные перемещения плавучей конструкции, обусловленные внешними условиями. В вариантах осуществления, в которых маятниковые элементы прикреплены к плавучей конструкции, соединенные концы узла жесткого кронштейна и маятниковых элементов с балластными грузами могут раскачиваться перпендикулярно возвращающей силе вследствие, например, перемещений плавучей конструкции относительно продольной оси. В известной причальной системе колебательное перемещение маятниковых элементов может стать недопустимо значительным, когда маятник возбуждается на или близко к своей собственной частоте. Отмечается, что перемещение маятниковых элементов приводит к перемещению других подвижных частей причальной системы, т.е. поворотной платформы и узла жесткого кронштейна. Частота собственных колебаний данной подвижной системы зависит от геометрии и массы всех частей. Когда делается ссылка на собственную частоту или частоту качания или перемещение маятниковых элементов, это следует понимать как собственную частоту или частоту качания или перемещение всей подвижной системы, включающей в себя маятниковые элементы, жесткие кронштейны и поворотную платформу.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной причальной системы вышеупомянутого типа, в которой эффективно обеспечивается демпфирование перемещения маятниковых элементов.
В соответствии с настоящим изобретением причальная система отличается демпфирующей системой для демпфирования колебательного перемещения маятниковых элементов, причем демпфирующая система содержит, по меньшей мере, одну емкость для жидкости, содержащую жидкость и расположенную в причальной системе на расстоянии от вертикальной оси, причем емкость для жидкости имеет такие размеры, что при колебательном перемещении маятниковых элементов жидкость приспособлена для перемещения в емкости для жидкости для обеспечения демпфирующих сил, противодействующих колебательному перемещению маятниковых элементов.
Таким образом, создана эффективная демпфирующая система, в которой противодействующие силы жидкости, перемещающейся в емкости, более конкретно, силы ударного воздействия волн и силы инерции, используются как демпфирующие силы для обеспечения демпфирования колебательного перемещения маятниковых элементов. Демпфирующая система не может непосредственно возбуждаться внешними силами. Дополнительное преимущество заключается в том, что демпфирующая система не подвержена обрастанию морскими организмами.
Ниже настоящее изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на чертежи, схематично изображающие вариант осуществления причальной системы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.1 схематично изображает вариант осуществления причальной системы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 схематично изображает вид сверху причальной системы, показанной на фиг.1.
Фиг.3 изображает поперечный разрез нижнего конца маятникового элемента с балластным грузом и емкостью для жидкости причальной системы, показанной на фиг.1.
Фиг.1 и 2 изображают вариант осуществления причальной системы для плавучей конструкции 1, такой как судно, которая содержит причальную конструкцию 2, которая в данном варианте осуществления выполнена как неподвижная башня, прикрепленная к морскому дну. Однако причальная конструкция может быть также выполнена в виде буя или дополнительной плавучей конструкции. Данной дополнительной плавучей конструкцией может быть, например, судно, сохраняющее положение посредством дополнительной причальной системы, или, например, система динамической стабилизации судна.
Башня 2 содержит поворотную платформу 3, поддерживаемую на башне 2 с возможностью поворота вокруг вертикальной оси 4. Причальная конструкция содержит также соединительную конструкцию 5, приспособленную для обеспечения соединения между плавучей конструкцией 1 и башней 2. В данном варианте осуществления соединительная конструкция 5 содержит два жестких кронштейна, выполненных как треугольные хомуты 6. На одном конце каждый хомут 6 соединен с поворотной платформой 3 посредством шарниров 7. На противоположном конце каждый хомут 6 соединен с балластным грузом 8.
Соединительная конструкция 5 также содержит два маятниковых элемента 9, каждый из которых посредством шарнирного узла (не показан) соединен с опорными кронштейнами 11, закрепленными на плавучей конструкции 1. На своих нижних концах маятниковые элементы 9 соединены посредством шарнирных узлов 12 с балластным грузом 8, таким образом обеспечивая соединение между концами маятниковых элементов 9 и хомутами 6. Шарнирные узлы на верхних и нижних концах маятниковых элементов 9 имеют две перпендикулярные оси шарниров, обеспечивающие перемещение данных маятниковых элементов во всех направлениях.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1 и 2, каждый балластный груз 8 включает в себя емкость 13, содержащую жидкость, например морскую воду, как схематично показано на фиг.3. Размеры емкости 13 и объем жидкости выбраны таким образом, что жидкость приспособлена для перемещения в емкости 13 вследствие колебательного перемещения маятниковых элементов 9. В результате образуется волна жидкости 14 или перемещающаяся водяная пуля, обеспечивающая силы ударного воздействия волны и инерции, создающие силу реакции емкости, которая противодействует колебательному перемещению маятниковых элементов 9, таким образом обеспечивая демпфирование колебательного перемещения маятниковых элементов 9. На фиг.3 нижний конец одного из маятниковых элементов 9 изображен в крайнем положении, колебательное перемещение сейчас изменяет направление в другое крайнее положение, при этом силы реакции, противодействующие колебательному перемещению, изображены стрелкой 15. На фиг.2 направление колебательного перемещения изображено штриховой дугой окружности, в центре которой находится ось 4.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения демпфирующие характеристики емкости 13 могут регулироваться посредством регулирования объема жидкости, т.е. высоты жидкости в емкости. В качестве альтернативы или дополнительного элемента внутренние размеры емкости могут быть выполнены регулируемыми, например, посредством изменения эффективной длины емкости.
Как изображено на виде сверху на фиг.2, продольный размер емкостей 13 расположен по касательной к радиусу оси вращения 4 поворотной платформы 3. Это обеспечивает эффективное демпфирование.
Посредством выбора размеров емкости, количества емкостей и свойств жидкости в емкости можно регулировать степень демпфирования. В частности, когда емкости 13 спроектированы и установлены, динамические характеристики емкостей могут регулироваться посредством изменения объема жидкости в емкости. Хотя в проиллюстрированном варианте осуществления емкости 13 расположены на соединенных концах хомутов 6 и маятниковых элементов 9, расположение емкостей может выбираться произвольно на хомуте, маятниковых элементах или поворотной платформе. Обычно емкости 13 могут быть расположены в любом месте в причальной системе на расстоянии от вертикальной оси 4. Однако силы реакции емкости являются максимально эффективными при демпфировании причальной системы, когда возвращающие силы создают максимальный возвращающий момент относительно оси вращения 4 поворотной платформы 3. Кроме того, для обеспечения эффективного демпфирования предпочтительно, если продольный размер емкостей ориентирован перпендикулярно радиусу окружности относительно оси вращения 4. Могут быть использованы различные емкости, имеющие различные длины и высоты содержащейся жидкости.
Обычно период колебательного перемещения может изменяться в пределах 6-16 секунд в зависимости от длины маятниковых элементов и наклона маятникового элемента относительно вертикали в данный момент времени. Отмечается, что инерция поворотной платформы 3 имеет период собственных колебаний, увеличивающий воздействие на период колебаний маятниковых элементов 9. Период собственных колебаний будет уменьшаться, когда плавучая конструкция смещается по направлению от или по направлению к причальной конструкции вследствие наклона маятниковых элементов в плоскости, перпендикулярной колебательному перемещению. Следовательно, максимальная эффективность достигается при оптимальном периоде демпфирующих колебаний в емкостях, который составляет приблизительно 85-95% от периода собственных колебаний, определенного при помощи вертикальных маятников.
В случае собственной частоты поверхностной волны жидкости в емкости размеры емкости могут быть определены посредством следующих уравнений:
М = ρ.N.B.h.L
w
Т = 2.L/v
w
v = √(g.h).
3
при этом ρ[Т/м] - плотность жидкости в емкости;
N - количество емкостей;
В[м] - ширина емкости (перпендикулярно направлению потока);
h[м] - уровень жидкости в емкости;
L[м] - длина емкости (соответствующая направлению потока);
Т[с] - отрегулированный период емкости;
w
V[м/с] - скорость распространения волны в емкости;
2
g[м/с] - гравитационная постоянная.
На практике имеет значение также амплитуда перемещения емкости, которая потребует увеличения длины емкости с увеличением амплитуды перемещения. При больших амплитудах колебательного перемещения частота собственных колебаний емкости перестает существовать, поскольку режим потока становится таким, что вода по своим свойствам больше похожа на «жидкую пулю», чем на стоячую волну или приливную волну, для которой частота емкости теоретически может быть определена. Приведенные ниже эмпирические соотношения получены на основе результатов испытаний. Однако данные соотношения не ограничивают размеров емкости.
tank
pend
L ≈ a · L· Y или
tank
pend
2
L≈ a · g / ω  · Y;
tank
tank
h≈ b · L;
tank
tank
H≈ c · h;
tank
pend
liquid
tank
tank
0,5
B ≈ d · F / (g · ρ · h· L · N) · Y;
tank
pend
Y = R / R.
При этом
0,57 < а < 0,73 или больше для емкостей неограниченной длины
0,035 < b < 0,05
2 < c < 4
0,10 < d < 0,13 или шире для емкостей неограниченной ширины,
L
h
H
B
tank
pend
tank
tank
tank
pend
liquid
tank,
pend
где - длина емкости, ω - собственная частота движущейся системы, - уровень жидкости в емкости,  - высота конструкции емкости или уровень емкости,  - ширина емкости и N - количество уровней, F - сила в нижнем шарнире маятника и ρ - плотность жидкости. Все единицы измерения соответствуют системе СИ (м, кг, Н, с). Коэффициент Y обозначает соотношение между эффективным радиусом от опоры поворотной платформы до центральной линии емкости, Rи радиусом от опоры поворотной платформы до точки нижнего шарнира маятника, R.
Настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом осуществления, который может изменяться различными способами в пределах объема формулы настоящего изобретения.