DE3405716A1 - Kugelgelenk zur verbindung eines eine ueberwasserplattform tragenden turmes mit einem auf dem meeresboden gegruendeten fundament - Google Patents
Kugelgelenk zur verbindung eines eine ueberwasserplattform tragenden turmes mit einem auf dem meeresboden gegruendeten fundamentInfo
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Description
3405715
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turmes mit einem
auf dem Meeresboden gegründeten Fundament, mit einem auf einer Abschlußplatte befestigten unteren Kugelkalottenring
und einem darauf aufgesetzten, mit einem Gelenkhals in den Turm eingebetteten oberen Kugelkalottenring, wobei
die auf dem Turm einwirkenden Vertikal- und Horizontalkräfte durch einen zwischen den Kugelkalottenringen angeordneten
kugelkalottenförmigen Auflagerring und die auf den Turm einwirkenden Momente um die Hochachse durch eine
im Inneren des Kugelgelenks in Höhe des Äquators angeordnete Verdrehsicherung in Form von Zapfen mit in Gleitstühlen
geführten Gleitsteinen in das Fundament, übertragen werden und alle aneinandergleitenden Gleitflächen mit ein
und derselben Gleitmaterialpaarung versehen sind.
Derartige Gelenke sind u.a. aus der DE-PS 25 49 859 bekannt. Dort ist im Berührungsbereich der beiden Gelenkteile
ein PTFE-Belag angeordnet. Die PTFE-Gleitelemente
unterliegen trotz der vorgesehenen Hochdruckschmierung einem Verschleiß, der innerhalb der Lebenszeit des Gelenkes
ein mehrfaches periodisches Auswechseln dieser Gleitele-2^
mente erforderlich macht. Die konstruktiven Maßnahmen für , das Auswechseln der Gleitelemente sind, ebenso wie auch
das Auswechseln der Gleitelemente selbst, sehr aufwendig.
Darüber hinaus sind die PTFE-Gleitelemente von Kugelgelenken nach der DE-PS 25 49 859, DE-OS 27 55 592 und DE-OS
31 32 711 mit einer Hochdruckschmierung versehen, die den ständigen Betrieb einer zu wartenden Schmiervorrichtung
und den Verbrauch sowie die Bevorratung einer größeren
Menge von Schmiermittel erfordert.
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Alle drei in den vorgenannten Druckschriften beschriebenen
Gelenke können aufgrund ihrer Konstruktion nur in beschränktem Umfang Momente um die Hochachse des Turms
abtragen. Momente um die Hochachse ergeben sich in erheblicher Größe aus unterschiedlichen Angriffsrichtungen von
Wind-, Strömungs- und Wellenkräften, ungleichmäßiger Umströmung,
unvermeidbarer außermittiger Lage des Schwerpunktes der betrieblichen Einrichtung des Turms und des
Decks und aus eventuellen außermittig angreifenden Mooring-Kräften.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turms mit
einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament zu schaffen, welches wartungsfrei ist, für seinen Betrieb keine
ständig zu betreibenden maschinellen Hilfsanlagen benötigt und außerdem große Kräfte und Torsionsmomente übertragen
kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Kugelgelenk der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Gleitmaterialpaarung aus einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung mit eingelagerten
Feststoffagglomeraten auf der einen Seite und einem nichtrostenden, polierten Werkstoff auf der anderen
Seite gebildet ist, daß die Verdrehsicherung ein mit dem Gelenkhals verbundenes torsionssteifes Rohr aufweist, welches
die Zapfen der Verdrehsicherung trägt, und daß die Gleitstühle mit der Abschlußplatte verbunden sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es wird durch die Erfindung erreicht, daß alle kinetisch arbeitenden Teile der Verdrehsicherung des Kugelgelenks
im Trockenen bzw. unter atmosphärischem Druck laufend überwacht werden können, daß größere Horizontal- und Vertikalkräfte
sowie Drehmomente um die Hochachse als bei bekannten Gelenken übertragbar sind, daß das Gelenk aufgrund
der vereinfachten Konstruktion kostengünstiger gefertigt
werden kann und daß durch die Druckanpassung im Innenraum des Kugelgelenks für den normalen Betriebsfall
keine mechanischen Dichtungen benötigt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
; und
Figur 2 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel gemaß
Figur 1 mit einem Schutzzylinder.
Das in Figur 1 dargestellte Kugelgelenk weist ein Gelenkunterteil 1 auf, das fest oder abkoppelbar über eine Abschlußplatte
3 mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament eines eine Überwasserplattform o.a. tragenden
Turmes verbunden ist. Die Abschlußplatte 3 trägt einen Zylinder 4 oder einen Kegelstumpf, der einen unteren
Kugelkalottenring 5 aufweist.
.Ein Gelenkoberteil 2 und ein Gelenkhals 7 sind schubfest
mit dem Turm verbunden bzw. in den in Figur 2 erkennbaren Turmfuß 20 eingebettet. Das Gelenkoberteil 2 ist aus
einem Kugelkalottenring 6 gebildet, der an den Gelenkhals
7 anschließt. Der Gelenkhals 7 ist nach oben durch ein nicht dargestelltes, druckfestes Mannloch mit Andockvorrichtung
33 für eine Personenschleuse oder für eine Dekompressions- oder Transferkammer abgeschlossen. Nach unten
setzt sich der Gelenkhals 7 durch ein torsionsfestes Rohr
8 fort, das in einen verbreiterten Fuß 34 übergeht, der Zapfen 14 trägt.
Die Zapfen 14 sind an diametral gegenüberliegenden Stellen des Rohrfußes 34 angeordnet, und zwar an diesen
angeformt, eingesteckt, eingeschraubt oder von oben mit Hilfe von Paßstücken in eigens dafür vorgesehene Zapfenaufnehmer
eingesetzt.
Die dem torsionsfesten Rohr 8 abgewandten äußeren Enden
der Zapfen 14 stecken in Gleitsteinen 15, welche in gabelförmigen Gleitstühlen 9 in vertikaler Richtung auf
und ab verschiebbar sind, gegenüber Drehbewegungen um die Hochachse des Rohres 8 und des Gelenkhalses 7 jedoch von
den Gleitstühlen 9 festgehalten werden. In der dargestellten Ausführungsform sind demnach zwei in bezug auf den
Rohrfuß 34 diametral gegenüberliegende Gleitstühle 9 vor-'*
gesehen, die von der Abschlußplatte 3 getragen werden und auf dieser befestigt sind. In einer anderen, nicht dargestellten
Ausführungsform sind die Gleitstühle direkt mit dem Gelenkunterteil verbunden.
Der die Horizontal- und Vertikalkräfte abtragende Auflagerbereich
10 ist oberhalb des Äquators des Kugelgelenks auf dem unteren Kugelkalottenring 5 angeordnet. Er wird
von einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei- Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglome-
2^ raten gebildet und kann eine Zusatzschmierung mit silikonfreien
Schmierstoffen enthalten.
Die Auflagerfläche bestimmt sich aus dem Kreisumfang und
der aus der Belastung ermittelten Höhe des Lagerbereiches. Die Auflager können auch wahlweise durch mechanische
Einrichtungen nachgestellt oder hydraulisch gestützt werden. Ferner kann das Auflager entweder statisch oder
hydrostatisch ausgebildet sein.
pur den außergewöhnlichen Betriebsfall der Inspektion des
Gelenkinnenraumes 19 unter atmosphärischen Bedingungen ist eine dem Fachmann bekannte Dichtung 11 oberhalb des
Auflagerrings 10 an dem unteren Kugelkalottenring 5 angebracht und dichtet diesen gegen den oberen Kugelkalottenring
6 ab. Derartige Stopfbuchspackungen sind bereits im Offshore-Einsatz erprobt und können durch Nachstellen
nachgestopft werden. Unterhalb des Auflagerrings 10 ist eine aufweitbare Dichtung 12 auf dem unteren Kugelkalottenring
5 montiert und kann vom Gelenkinnenraum 19 aus in Funktion gesetzt werden, wenn im Gelenkinnenraum 19 unter
einem atmosphärischen Druck gearbeitet werden soll, der erheblich unter dem Außenwasserdruck liegt und beispielsweise
dem Luftdruck an der Erdoberfläche angepaßt ist. Die aufweitbare Dichtung kann hierzu erprobte mehrstufige
bzw. redundante Elemente aufweisen.
Wie bereits erwähnt weist die Verdrehsicherung 13 im Gelenkinnenraum 19 angeordnete Zapfen 14 auf, die in Höhe
des Äquators der Kugelkalottenringe 5 bzw. 6 angeordnet sind.
Diese Zapfen 14 tragen in der Zapfenachse verschiebbare Gleitsteine 15, welche auch bei Schräglage des Turms
Kräfte auf die Gleitstühle 9 und damit auf die Abschlußplatte 3 übertragen, mit der sie biegesteif verbunden
sind.
Durch die Verdrehsicherung 13 werden die Zapfen 14 von den Gleitstühlen 9 einschnittig beansprucht. In einer
anderen Ausführungsform, bei der zusätzlich ein Bock vorgesehen
ist, der sich auf der Abschlußplatte 3 abstützt, kann auch eine zweischnittige Beanspruchung der Zapfen 14
erreicht, werden.
Alle beweglichen Teile der Verdrehsicherung 13 können im
Trockenen bzw. auch unter atmosphärischem Druck inspiziert werden. In einer anderen Ausführungsform können die
Gleitsteine 15 direkt in den Zylinder 4 des Gelenkunterteils 1 eingreifen, so daß keine gesonderten Gleitstühle
9, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, vorgesehen sind.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform
sind die Gleitstühle an den Rohrfuß 34 angeformt oder formschlüssig mit diesem verbunden, während der Zylinder
4 des Gelenkunterteils 1 in der Höhe des Äquators der Kugelkalottenringe 5,6 die mit Gleitsteinen versehenen
Zapfen trägt.
Für das einwandfreie Arbeiten der Verdrehsicherung 13 ist es in jedem Fall wesentlich, daß die Achse der Zapfen 14
im Normalzustand in der Äquatorialebene der Kugelkalottenringe 5 bzw. 6 liegen :-
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform
kann in jedem Gleitstuhl 9 eine Presse montiert sein, die sich gegen den jeweiligen Gleitstein 15 abstützt. Dadurch
kann das Kugelgelenk arretiert werden, was in bestimmten Bauphasen erforderlich ist.
Zum Schutz eventuell freier Gleitflächen des Gelenkoberteils 2 ist das Kugelgelenk von einem Schutzzylinder 21
gemäß Figur 2 umgeben, der in den überlicherweise aus Beton geformten Turmfuß 20 eingebettet ist. Der Turmfuß
20 ist im übrigen mit dem Gelenkoberteil 2 verbunden, das in der Praxis zusätzliche Schubrippen 35 aufweist, welche
die Kraftübertragung vom Turmfuß 20 zum Gelenkoberteil 2
verbessern. In der perspektivischen Darstellung der Figur 1 sind diese Schubrippen 35 aus Gründen der Übersichtlichkeit
jedoch weggelassen.
Der in Figur 2 gezeigte Schutzzylinder 21 erstreckt sich vom Unterrand des Turmfußes 20 nach unten bis über die
Äquatorialebene des Kugelgelenks und trägt in der Nähe seines Unterrandes einen ersten Kragen 25, welcher zur
Befestigung des Außenrandes einer Membran 22 dient. Der Innenrand der Membran 22 ist an einem zweiten Kragen 28,
der an dem Zylinder 4 angebracht ist, ebenfalls in der Äquatorialebene des Kugelgelenks befestigt. Dadurch ist.
zwischen dem Turmfuß 20 und der Membran 22 einerseits sowie zwischen dem Gelenkunterteil 1 und dem Schutzzylinder
21 andererseits ein Innenraum 32 gebildet, welcher gegenüber dem in Figur 2 unter der Membran 22 vorhandenen
Seewasser abgesperrt ist. Die Membran 22 ist hierzu beispielsweise ein profiliertes Stahlblech oder bewehrtes
5 Gummi.
In dem Schutzzylinder 21 ist. wenigstens ein Unterdruckventil 23 und ebenfalls wenigstens ein Überdruckventil 24
vorgesehen, welche den Innenraum 32 entweder belüften oder entlüften. Die Einstellung der Unter- bzw. Überdruckventile
23 bzw. 24 kann so gewählt werden, daß der Druck im Innenraum 32 knapp über, knapp unter bzw. genau in der
Höhe des umgebenden Außenwasserdruckes gehalten wird. Außerdem kann der Innenraum 32 mit einem anderen geeigneten
Medium als Luft gefüllt sein, das seine erforderliche Druckbeaufschlagung von der Druckluft aus dem Gelenkinnenraum
19 erhält.
Zum Schutz des in ständigem Kontakt mit dem Seewasser befindlichen Teil des Gelenkunterteils 1 ist dessen Zylinder
4 mit einer Schutzschicht 31 aus einem elastischen Material wie beispielsweise Gummi vor Korrosion geschützt.
Zu diesem Zweck erstreckt sich die Schutzschicht 31 auf der Außenwand des Zylinders 4 vom Kragen 28 bis
zur AbschluBplatte 3.
- 13 -
Der Gelenkinnenraum 19 des Kugelgelenks ist während des Betriebs ständig mit Druckluft gefüllt, deren Druck dem
Außenwasserdruck in Höhe des Gelenkäquators entspricht. Dadurch stehen der Außenwasserdruck und der innere Luftdruck
im Gleichgewicht. Mechanische Dichtungselemente sind zur Aufrechterhaltung des Betriebs nicht notwendig.
Der Zugang zum Gelenkinnenraum 19 ist über eine Personenschleuse, eine Dekompressionskammer oder eine Transitkammer
durch die Andockvorrichtung 33 bei Beibehaltung des "Ό Luftdruckes gewährleistet.
Aus betrieblichen Gründen kann es gelegentlich vorteilhaft sein, daß Kugelgelenk auch in umgekehrter Lage einzubauen.
In diesem Fall wird der äußere Kugelkalottenring
"15 mit dem Gründungskörper und der innere Kugelkalottenring
mit dem aufgehenden Bauwerk verbunden, während alle übrigen Gelenkteile ihre Lage entsprechend ändern. Da dem
Fachmann die Bauweise eines solchen Kugelgelenks anhand der vorstehenden Ausführungen klar ist, brauchen hierfür
keine weiteren Erläuterungen gegeben zu werden.
Claims (23)
1. Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turmes mit einem auf dem Meeresboden
gegründeten Fundament, mit einem auf einer Abschlußplatte (3) befestigten unteren Kugelkalottenring (5)
und einem darauf aufgesetzten, mit einem Gelenkhals (7) in den Turm eingebetteten oberen Kugelkalottenring
(6), wobei die auf dem Turm einwirkenden Vertikal- und Horizontalkräfte durch einen zwischen den
Kugelkalottenringen (5,6) angeordneten kugelkalottenförmigen Auflagerring (10) und die auf den Turm einwirkenden
Momente um die Hochachse durch eine im Inneren des Kugelgelenks in Höhe des Äquators angeordnete
Verdrehsicherung (13) in Form von Zapfen (14) mit in Gleitstühlen (9) geführten Gleitsteinen (15)
in das Fundament übertragen werden und alle aneinandergleitenden Gleitflächen mit ein und derselben
Gleitmaterialpaarung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitmaterialpaarung aus einer reibungsarmen,
gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglomeraten auf
der einen Seite und einem nichtrostenden, polierten Werkstoff auf der anderen Seite gebildet ist, daß die
Verdrehsicherung (13) ein mit dem Gelenkhals (7) verbundenes torsionssteifes Rohr (8) aufweist, welches
die Zapfen (14) der Verdrehsicherung (13) trägt, und daß d£e Gleitstühle (9) mit der Abschlußplatte (3)
verbunden sind.
2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial der Gleitpaarung eine Zusatzschmierung
mit Schmierstoffen enthält.
3. Gelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schmierstoffe silikonfrei sind.
4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial aus der gußtechnisch
erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung auf Platten montiert ist.
5. Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten aus Metall oder Kunststoff bestehen.
6. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial auf keilförmigen
Platten angeordnet, und in Teilen auswechselbar ist.
7. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das torsionssteife Rohr (8) ent-
weder fest, kraftschlüssig und gasdicht mit dem oberen
Kugelkalottenring (6) verbunden ist oder daß das torsionssteife Rohr (8) nicht kraftschlüssig, aber
durch den Einbau einer Dichtung gasdicht, mit dem oberen Kugelkalottenring (6) verbunden ist.
8. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitstühle (9) im unteren Kugelkalottenring (5)
integriert sind.
9. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gleitstühle (9) zur besseren Definition der abgeleiteten Kräfte und der daraus entstehenden Beanspruchungen
als unabhängige Bauelemente auf der Abschlußplatte (3) installiert, sind.
10. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitsteine (15) und die Zapfen
(14) aus der Konstruktion herausgenommen werden können.
11. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es gegen das Fundament und gegen
den Turm gasdicht und druckfest verschließbar und über eine an ein Mannloch anschließbare Personenschleuse
oder eine Dekompressionskammer oder Transferkammer zugänglich ist.
12. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes im Innenraum
ein Druck aufgebracht ist, der dem Außenwasserdruck entspricht, daß eine Überwachungsanlage für die
Kontrolle der Druckhöhe installiert ist und daß eine selbsttätig gesteuerte Versorgungsanlage für Druckluft
vorgesehen ist.
13. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet/ daß für außergewöhnliche Betriebszustände und zur Redundanz oberhalb des Auflagerringes
(10) eine Dichtung (11) und unterhalb des Auflagerringes (10) eine aufweitbare Dichtung (12) angeordnet
ist.
14. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Auflagerring (10) mit dem unteren Kugelkalottenring (5) verbunden und mit diesem
gemeinsam sphärisch bearbeitet ist.
15. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (14) in den Gleitstühlen
(9) mittels in die Gleitbahn eingestellter hydraulischer Pressen blockierbar sind.
16. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelkalottenförmige Auflagerring
(10) einstückig ist.
17. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis l6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagerring (10) aus mehreren
Segmenten besteht.
18. Gelenk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente des Auflagerringes (10) mittels untereinander
verbundener hydraulischer Hubelemente unterstützt sind.
19. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Abschlußplatte
(3) mit dem Fundament nach Belieben gelöst und wieder hergestellt werden kann.
20. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 19/ dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Schutz des Gelenks
vor ständigem Kontakt mit Seewasser ein konzentrisch um das Gelenk in einem definierten Abstand vom
Gelenk in den Turmfuß (20) eingebundener Schutzzylinder (21) angeordnet ist, der in Hohe des Gelenkäquators
durch eine flexible Membran (22), beispielsweise aus profiliertem Stahlblech oder bewehrtem Gummi, mit
dem Gelenk verbunden und mit Druckluft gefüllt ist, die in freier Verbindung zu der Druckluft im Gelenkinnenraum
steht.
21. Gelenk nach Anspruch 2Of dadurch gekennzeichnet, daß
der Druck im Innenraum (32) zwischen der Schutzzylinder innenwandung, der Gelenkaußenwandung und dem Turmfuß
(20) sowie der Membran (22) durch Überdruck- bzw. Unterdruckventile (23,24) kurz über, kurz unter bzw.
genau in Höhe des umgebenden Außenwasserdruckes gehalten wird.
22. Gelenk nach Anspruch 20 oder 21 t dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenraum (32) mit einem anderen geeigneten Medium als Luft gefüllt ist und seine erforderliche
Druckbeaufschlagung aus der Druckluft aus dem Gelenkinnenraum (19) erhält.
23. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende, in ständigem
Kontakt mit Seewasser befindliche Teil des Gelenks durch eine Schutzschicht (31) aus einem elastischen
Material wie beispielsweise Gummi vor Korrosion geschützt wird.
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ID=6228012
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