DE1506297C3 - Passiver Schlingerstabilisierungstank für Schwimmkörper, insbesondere Schiffe - Google Patents

Description

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verschobenen Frequenz. Bei ober- und unterhalb der mungsgünstig über und unter die Vorrichtung geführt Scliiffseigenfrequenz liegenden Frequenzen ergeben wird. Dabei hängt das Maß der stromlinienförmigen sich aber andere ungünstigere Phasenbeziehungen, Gestaltung der Enden der Schichtenscheidevorrichdie zur Folge haben können, daß die Amplitude einer tung vom Grad der erforderlichen Dämpfung in der z. B. oberhalb der Schiffseigenfrequenz liegenden ver- s Tankflüssigkeit (Erzeugung von Turbulenz) ab. Dämpstärkten Schlingerbewegung noch größer ist als sie fende Kräfte im Tank nehmen allgemein mit der Frewäre, wenn der Stabilisierungstank nicht vorhanden quenz zu, sie sind jedoch nicht der Resonanz unterwäre, und es treten dann Maxima der Schlingerampli- worfen und haben wenig Einfluß auf die Frequenz, tude bei Schiflsschlingerfrequenzen ober- und unter- bei denen die Schwingungsmaxima auftreten. Sie sethalb der Schiffseigenfrequenz auf. io zen aber die Amplitudenmaxima herab, so daß durch

Ausgehend vom vorstehenden Stand der Technik Regulierung der Dämpfung, insbesondere der Turliegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die ge- bulenz im Wasser, die Höhe der Amplitudenmaxima wünschte Phasenverschiebung von 90° zwischen den reguliert werden kann. Die stromlinienförmige GeSchwingungen der Tankflüssigkeit im Stabilisierungs- staltung der Schichtenscheidevorrichtungsenden kann tank und den Schwingungen des Schiffs möglichst 15 beispielsweise in einfach spitz auslaufenden Enden über den ganzen in Frage kommenden Frequenzbe- bei im übrigen flacher Vorrichtung bestehen oder in reich der vom Wellengang erzwungenen Schlinger- zwei einander gegenüberliegenden flachen Kurven,
schwingungen des Schiffs zu erstrecken. Erfindungs- Als günstigste Querschnittsform des Flüssigkeitsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine gleichför- tanks ist erfindungsgemäß anzusehen, wenn der Tank mig gestaltete, quaderähnliche Schichtenscheidevor- 20 im horizontalen Querschnitt rechtwinklig ist und verrichtung im Tank wesentlich unterhalb des statischen tikale Seiten und Enden hat, denn dann ergibt sich Flüssigkeitsniveaus parallel zu diesem, über sich die größte Flüssigkeitsmenge bei den kleinsten Tankeinen Kanal bildend und symmetrisch und senkrecht abmessungen. Um eine Anpassung der Schichtenzur vertikalen, die Stabilisierungsachse enthaltenden Scheidevorrichtung und damit des Schwingungsver- oder parallel zu ihr verlaufenden Tankmittelebene 25 haltens der Tankflüssigkeit an die jeweilige Schiffsangeordnet ist, deren Längenabmessung in Richtung ladung und die Frequenz der Seewellen herbeizufühsenkrecht zu dieser Tankmittelebene 40 bis 60°/o ren, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn Mittel der Tanklänge und deren Querschnitt parallel zur zum Verstellen der Höhenlage der Schichtenscheide-Ebene etwa 50% des gemäß dem Auslegungszustand vorrichtung vorgesehen sind, z. B. hydraulische Hegefüllten Tankquerschnittes betragen und die sich in 30 ber, so daß die Charakteristiken des Schlingerstabilihorizontaler Richtung parallel zur Schlingerachse sierungstanks mit Veränderung des Flüssigseitsquer durch den Tank erstreckt, wobei die Anord- niveaus veränderbar sind.

nung so ist, daß bei Schwingungen um die Stabilisie- An Hand des in den Zeichnungen dargestellten rungsachse zumindest bei der Eigenfrequenz des Ausführungsbeispiels und der abgebildeten Meßkur-Schwimmkörpers im Auslegungszustand Flüssigkeit 35 ven wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
in unterschiedlichen Mengen je Zeiteinheit und mit Fig. la einen Schnitt durch einen Schlingerstabizueinander unterschiedlichen Eigenfrequenzen so- lisierungstank entlang der Schnittlinien YY in wohl unterhalb als auch oberhalb der Schichten- Fig. Ib,

Scheidevorrichtung von einer Seite des Tanks zur an- Fig. Ib einen Längsschnitt durch einen erfin-

deren strömt. Dabei ist die Eigenfrequenz der Flüs- 40 dungsgemäßen Schlingerstabilisierungstank,

sigkeitsschwingung im unteren Kanal unterhalb der Fig. Ic eine Ansicht auf einen Schlingerstabilisie-

quaderähnlichenSchichtenscheidevorrichtungpropor- rungstank gemäß Fig. Ib,

tional zur Gesamtflüssigkeitstiefe im Tank, während Fig. 2 charakteristische Kurven der Schlinger-

die Eigenfrequenz der Flüssigkeitsschwingung im amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz der

oberen Kanal oberhalb der Schichtenscheidevorrich- 45 Seewellen bei verschiedenen Flüssigkeitstiefen,

tung proportional zur kleineren Flüssigkeitshöhe F i g. 3, 4, 5 charakteristische Kurven wie in

über dieser Vorrichtung ist. Bei Einhaltung der vor- F i g. 2, jedoch aufgenommen bei zwei übereinander

stehenden Maßangaben, insbesondere für die Schich- angeordneten Schlingerstabilisierungstanks,

tenscheidevorrichtung, können die Eigenfrequenzen In F i g. 1 a, Ib und 1 c ist ein teilweise mit einer

im unteren und oberen Kanal derart bestimmt wer- 50 Flüssigkeit 2 gefüllter Schlingerstabilisierungstank 1

den, daß sie jeweils bei der Eigenfrequenz der zu gezeigt, in dem eine quaderähnliche Schichtenscheide-

stabilisierenden Schiffsschwingung verschieden sind. vorrichtung 3, im weiteren Scheidevorrichtung ge-

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann nannt, mittig unter dem statischen Flüssigkeitsstand

darin bestehen, daß die horizontale Mittelebene der der Flüssigkeit 2 angeordnet ist. Die Scheidevorrich-

Schichtenscheidevorrichtung annähernd auf der hai- 55 tung 3 ist oben und unten eben, jedoch laufen die

ben Tiefe des statischen Niveaus der Flüssigkeit im beiden freien Enden unter Bildung einer scharfen

Tank liegt. Dadurch ergibt sich über und unter der Kante spitz zusammen. Als Flüssigkeit 2 kann Wasser

Schichtenscheidevorrichtung die gleiche Flüssigkeits- verwendet werden, das leicht zu beschaffen ist und

höhe bzw. -tiefe, jedoch wird die Menge der je Zeit- eine größere Dichte als die ebenfalls verwendbaren

einheit durchströmenden Flüssigkeit oben und unten 60 Flüssigkeiten wie öl oder Treibstoff besitzt. Der Tank

verschieden sein. Erfindungsgemäß ist es weiterhin ist symmetrisch und quer zum Schiff angeordnet, und

zweckmäßig, wenn die Dicke der Schichtenscheide- für die beste Ausnutzung des zur Verfügung stehen-

vorrichtung in senkrechter Richtung das Zweifache den Raumes können seine Enden im Grundriß schräg

der Tiefe der Flüssigkeit unterhalb der Vorrichtung verlaufen, jedoch ist eine rechtwinklige Form vorzu-

beträgt. 65 ziehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es von Vorzugsweise haben der Stabilisierungstank 1 und

Vorteil, wenn die Schichtenscheidevorrichtung an die Schichtenscheidevorrichtung 3 folgende Abmes-

ihren Enden so gestaltet ist, daß die Strömung strö- sungen:

1 ist die Abmessung der Scheidevorrichtung 3 querschiff, b ist die Tiefe unterhalb der Scheidevorrichtung 3, die ungefähr gleich der halben Tiefe C der Scheidevorrichtung 3 ist.

Die Tiefe α von der horizontalen Mittelebene der Scheidevorrichtung 3 aus gemessen ist ungefähr gleich der Hälfte des statischen Niveaus h der Flüssigkeit 2, Θ beträgt 30°.

W als vordere und rückwärtige Abmessung hängt von der Form des Schiffes ab,
T als gesamte Tiefe beträgt mindestens 2 h.

Wie F i g. 1 b zeigt, ist der Querschnitt der Scheidevorrichtung nicht größer als 40 bis 50% des Querschnitts der Flüssigkeit in statischem Zustand.

Im allgemeinen ist ein möglichst großer Tank vorteilhaft, doch gibt es eine praktische Grenze für seine Größe, bei der in erster Annäherung das statische Niveau h der Flüssigkeit 2 und die Größe des Tanks für eine gegebene Ladung eines Schiffes so bemessen ist, daß, wenn alle Flüssigkeit 2 auf einer Seite der senkrechten Mittellinie des Schiffes zusammengelaufen ist, das resultierende Moment eine statische Neigung von 1 bis 2° erzeugt. In der Praxis sind daher h, W, B und T durch die Schlingereigenschaften des Schiffes selbst und den zur Verfügung stehenden Platz bestimmt und daraus werden a, b und c für eine optimale Stabilisierung ermittelt.

Um den besten Wirkungsgrad der Scheidevorrichtung 3 zu erzielen, bedarf es verschiedener Niveaus h für verschiedene Ladungen des Schiffes. Wenn die Scheidevorrichtung unbewegbar ist, dann wird sie sich bei verschiedenen Ladungen in verschiedenen Tiefen befinden. In der Praxis wird daher die Tiefe, in welcher die Scheidevorrichtung 3 angeordnet ist, so gewählt, daß ein Optimum für die häufigst gegebenen Ladeverhältnisse des Schiffes erreicht wird. Im Idealfall ist a = ¹Iz h, so daß sich annähernd die gleiche Flüssigkeitshöhe bzw. -tiefe über und unter der Scheidevorrichtung 3 ergibt, wobei die Menge der je Zeiteinheit durchströmenden Flüssigkeit 2 oben und unten verschieden sein wird.

F i g. 2 zeigt charakteristische Kurven für die Abhängigkeit des Schlingerwinkels (eines Schiffsmodelles) von der Frequenz mit zunehmender Flüssigkeitstiefe bei einem erfindungsgemäßen Schlingerstabilisierungstank.

Die Kurve ο in F i g. 2 bezieht sich auf einen leeren Stabilisierungstank, während die Kurven 1 bis 7 sich auf zunehmende Flüssigkeitstiefe beziehen. Als Abszissen sind die Frequenzen und als Ordinaten die Schlingerwinkel aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß mit zunehmender Tiefe das Kurvenmaximum absinkt, während die Frequenz, bei welcher das Kurvenmaximum auftritt, ansteigt. Der linke, sich auf niedrige Frequenzen beziehende Teil der Kurven hebt sich an und kreuzt für die Kurve 2 die Kurve o, so daß bei sehr niedrigen Frequenzen der im Betrieb befindliche Stabilisierungstank nicht so gut ist, wie der leere Stabilisierungstank. Die Kurve 4 hat zwei Maxima auf nahezu gleicher Höhe, und für noch größere Flüssigkeitstiefen liegen die Maxima für tiefe Frequenzen höher, während die Maxima bei hoher Frequenz weiter fallen. Die Kurve 4 gibt damit die optimale Tiefe wieder, da jede Abnahme der Tiefe das Maximum für hohe Frequenzen und jede Zunahme der Tiefe das Maximum für niedrige Frequenzen anhebt.

In Berücksichtigung der Stärke der Schiffstruktur oder um eine übermäßige Flüssigkeitsbewegung infolge des Stampfens des Schiffes zu vermeiden, kann es notwendig sein, eine Querschott im Tank vorzusehen, wie in gestrichelten Linien in F i g. 1 c gezeigt ist. Dadurch wird die Wirkung des Stabilisierungstanks nicht beeinträchtigt.

ao Um eine flachere Ansprechungskurve zu erreichen, können zwei gesonderte und auf zwei verschiedene Frequenzen abgestimmte Stabilisierungstanks vorgesehen sein. Diese gesonderten Stabilisierungstanks können zusätzlich dazu, oder anstatt daß sie auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind, auf verschiedenen Höhen zum Schlingerzentrum des Schiffes angeordnet sein.

Die F i g. 3, 4 und 5 enthalten Kurven, die sich auf einen Küsten-Schraubendampfer von 57,5 m Länge und einer Maximal-Breite von 9,75 m mit zwei übereinander angeordneten Stabilisierungstanks, entsprechend dem in den F i g. 1 a, 1 b und 1 c gezeigten, mit folgenden Abmessungen beziehen:

J _	4,58 m
B =	9,75 m
b =	19 cm
α =	38 cm
c =	19 cm
h =	76 cm
Θ =	30°
W =	229 m
T =	1,52 m

Diese Größen wurden durch Modellversuche für drei verschiedene Ladebedingungen ermittelt:

Versuchs bedingung	Ladung 1	Ladung 2	Ladung 3
40 Mittlerer Tief
gang in
Längsmitte
(m)	3,62	3	3,65
Trimm am
45 Heck (cm) ..	19	148,5	144,7
	nach unten	nach unten	nach unten
Wasserver
drängung (t)	1482	1148	1490
50 Metazentrische
Höhe (cm)..	74	37,4	144

Diese Angaben gelten für leere Stabilisierungstanks.

Die Stabilisierungstanks wurden für die Bedingungen gemäß Ladung 1 konstruiert. Die Versuche wurden bei einer äquivalenten Wellenneigung von 2° durchgeführt. Die F i g. 3 bis 5 zeigen den Kurvenverlauf für leere Stabilisierungstanks (durch ein Kreuz wiedergegebene Punkte) und für gefüllte Stabilisierungstanks (durch einen Kreis wiedergegebene Punkte), und zwar für die Ladung 1 bzw, 2 bzw. 3. Es zeigt sich, daß in jedem Fall mit den erfindungsgemäßen Stabilisierungstanks das Schlingermaximum erheblich herabgesetzt worden ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 2 Die Erfindung bezieht sich auf einen passiven Patentansprüche: Schlingerstabilisierungstank mit freier Oberfläche und mit länglichen Abmaßen für Schwimmkörper, insbe-

1. Passiver Schlingerstabilisierungstank mit sondere Schiffe, der symmetrisch zu einer die horifreier Oberfläche und mit länglichen Abmaßen, 5 zontale Stabilisierungsachse enthaltenden Ebene oder für Schwimmkörper, insbesondere Schiffe, der einer dieser parallelen Ebene angeordnet ist, wobei symmetrisch zu einer die horizontale Stabilisie- die Flüssigkeitsmenge und die Größe des Behältnisses rungsachse enthaltenden Ebene oder einer dieser so aufeinander abgestimmt sind, daß die Schwingung parallelen Ebene angeordnet ist, wobei die FIüs- der Tankflüssigkeit quer zur Stabilisierungsachse sigkeitsmenge und die Größe des Behältnisses so io gegen 90° gegenüber der Schlingerschwingung des aufeinander abgestimmt sind, daß die Schwin- Schwimmkörpers bei dessen Eigenfrequenz phasengung der Tankflüssigkeit quer zur Stabilisierungs- verschoben ist und die Luft über der Flüssigkeit im achse gegen 90° gegenüber der Schlingerschwin- Behältnis sich frei bewegen kann.

gung des Schwimmkörpers bei dessen Eigenfre- Ein derartiger Schlingerstabilisierungstank ist z. B. quenz phasenverschoben ist und die Luft über 15 aus der Schrift von P. Watts: »On a method of der Flüssigkeit im Behältnis sich frei bewegen reducing the rolling of ships at sea« (Über ein Verkann, gekennzeichnet durch eine gleich- fahren zum Herabsetzen von Schlingerbewegungen förmig gestaltete, quaderähnliche Schichtenschei- von Schiffen auf See), 24. Sitzung der Institution of devorrichtung (3), die im Tank wesentlich unter- Naval Architects, 16. März 1883, bekannt, bei dem halb des statischen Flüssigkeitsniveaus parallel zu ao eventuell noch Teilschotten im Weg des sich von diesem, über sich einen Kanal bildend und sym- einer Seite zur anderen bewegenden Wassers vorgemetrisch und senkrecht zur vertikalen, die Sta- sehen sein können.

bilisierungsachse enthaltenden oder parallel zu Bei dem vorbeschriebenen Schlingerstabilisierungsihr verlaufenden Tankmittelebene angeordnet ist, tank ist die Zeitspanne der Flüssigkeitsschwingung deren Längenabmessung (1) in Richtung senkrecht a$ im Tank proportional
zu dieser Tankmittelebene 40 bis 60% der Tank- 2 B
länge (B) und deren Querschnitt parallel zur 7 '
Ebene etwa 50% des gemäß dem Auslegungszustand gefüllten Tankquerschnittes betragen und wobei /; die statische Flüssigkeitstiefe, im Tank, g die die sich in horizontaler Richtung parallel zur 30 Erdbeschleunigung und B die Abmessung des Tanks Schlingerachse quer durch den Tank erstreckt, quer zum Schiff bedeutet.

v.ohci die Anordnung so ist, daß bei Schwingun- Die Geschwindigkeit, d. h. die je Zeiteinheit über-

geu um die Stabilisierungsachse zumindest bei gehende Menge, ist proportional gh. Sie nimmt somit

der Eigenfrequenz des Schwimmkörpers im Aus- mit der Flüssigkeitstiefe zu.

legungszustand Flüssigkeit in unterschiedlichen 35 Für eine bestimmte Ladung hat ein Schiff eine beMengen je Zeiteinheit und mit zueinander unter- stimmte Schlinger-Eigenfrequenz. Durch entspreschiedlichen Eigenfrequenzen sowohl unterhalb chende Wahl der Flüssigkeitstiefe kann nun erreicht als auch oberhalb der Schichtenscheidevorrich- werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Tanktung (3) von einer Seite des Tanks (1) zur ande- flüssigkeit derart der Schlinger-Eigenfrequenz angeren strömt. 40 paßt wird, daß eine Phasenverschiebung von 90° und

2. Stabilisierungstank nach Anspruch 1, da- somit bei dieser besonderen Frequenz Stabilisierung durch gekennzeichnet, daß die horizontale Mittel- erzielt wird. Da, bedingt durch die jeweiligen Schiffsebene (a) der Schichtenscheidevorrichtung (3) abmessungen, in vielen Fällen eine Vergrößerung der annähernd auf der haben Tiefe des statischen Ni- Flüssigkeitstiefe erforderlich ist, um die zur Stabiliveaus (Λ) der Flüssigkeit im Tank (1) liegt. 45 sierung notwendige Flüssigkeitsmenge zu erhalten,

3. Stabilisierungstank nach Anspruch 1 oder 2, ergibt sich dadurch eine vergrößerte Slrömungsgedadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der schwindigkeit und eine je Zeiteinheit vergrößerte fort-Schichtenscheidevorrichtung (3) in senkrechter bewegte Flüssigkeitsmenge, wodurch die gewünschte Richtung das Zweifache der Tiefe (b) der Flüssig- Phasenverschiebung von 90° verlorengehen kann.
keit unterhalb der Vorrichtung beträgt. 50 Aus diesem Grunde ist es weiterhin bekannt,

4. Stabilisierungstank nach einem der vorher- z. H. Frahm: »Results of Trials of the Anti-Rolling gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. Tanks at Sea« (Ergebnisse der Versuche mit Schlindaß die Schichtenscheidevorrichtung (3) an ihren gerstabilisierungstanks auf See), 52. Sitzung der »In-Enden so gestaltet ist, daß die Strömung strö- stitution of Naval Architects«, 7. April 1911, sowie mungsgünstig über und unter die Vorrichtung ge- 55 GB-PS 1 006 036, eine Drossel od. dgl. zwischen der führt wird. Backbord- und der Steuerbordseite des Stabilisie-

5. Stabilisierungstank nach einem der vorher- rungstanks vorzusehen. Dadurch ist es möglich, die gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, Frequenz der Flüssigkeit auf die Eigen-Schlingerfredaß der Tank (1) im horizontalen Querschnitt quenz genau abzustimmen, so daß eine Phasenverrechtwinklig ist und vertikale Seiten und Enden 60 Schiebung von 90° erreicht und die Schlingeramplihat. tude im Resonanzfall herabgedrückt wird. Denn mit

6. Stabilisierungstank nach einem der vorher- Hilfe der Drossel kann die Flüssigkeitsströmung von gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mit- einer zur anderen Tankseite eingeschränkt und somit tel zum Verstellen der Höhenlage der Schichten- die Wellenbewegung innerhalb des Stabilisierungsscheidevorrichtung (3). 65 tanks verzögert werden. Die Flüssigkeit im Stabilisierungstank schwingt somit nur mit einer einzigen Frequenz, und zwar im günstigsten Fall mit einer zur

Resonanzfrequenz der Schlingerbewegung um 90°