MXPA97008081A - Metodo y medio para dirigir una estructura flotante anclada contra la direccion de las olas en mar abierto - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para dirigir una estructura flotante anclada, contra la dirección de las olas, en donde la estructura, en su extremo de proa, se encuentra amarrada a una boya o similar, el método estácaracterizado porque se proporciona, a la estructura flotante, en su extremo de popa, uno o más timones para el viento, que se pueden girar, y que se ajustan en una forma tal versus la dirección del viento, que la estructura flotante se dirige en contra de la dirección de las olas, en una manera estable,

Description

MÉTODO Y MEDIO PARA DIRIGIR UNA ESTRUCTURA FLOTANTE ANCLADA CONTRA LA DIRECCIÓN DE LAS OLAS EN MAR ABIERTO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método para dirigir una estructura flotante, contra la dirección de las olas, en donde la estructura está anclada o amarrada a una boya en su extremo de proa (en frente al área central del barco) . Una estructura flotante puede incluir, en la presente, cualquier tipo de barco, buque, bote o construcción flotante que esté diseñada para el uso en mar abierto.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las cantidades de petróleo y gas explotados de depósitos subterráneos en el mar, por ejemplo en el Mar del Norte, se transportan comúnmente, en la actualidad, hacia instalaciones en tierra, como refinerías y tanques de almacenamiento, mediante tuberías colocadas sobre el lecho marino. Además, cantidades REF: 25975 significativas de petróleo y gas son transportadas por barco, en particular el petróleo y gas producidos en pequeños campos distantes que no se han puesto en comunicación con el sistema de tuberías existente ubicado sobre el lecho marino. Usar un barco para este tipo de transporte involucra que el barco esté conectado o amarrado a una boya que esté anclada cerca de una plataforma o a una instalación de almacenamiento, submarina, en donde se almacena el aceite o el gas, y el aceite o el gas se transfieren desde la instalación de almacenamiento hasta el barco, mediante una o más tuberías colocadas a través de la boya. Gradualmente, los barcos de almacenamiento y producción han sido empleados para el almacenamiento y producción de petróleo y gas en pequeños campos en el mar, o en campos en donde las profundidades del mar hacen que el uso de instalaciones que descansan sobre el lecho marino, sea inconveniente o imposible. Los barcos de este tipo se anclan mediante una torre que la mayor parte de las veces está colocada en la proa del casco del barco.

Cuando hay mal tiempo, con vientos fuertes, las corrientes marinas y las mares gruesas, que son las fuerzas que actúan sobre el barco, boya y amarres, pueden ser extremadamente fuertes. En particular, grandes fuerzas actúan en los barcos, a los cuales se les deja oscilar libremente alrededor de un punto de amarre (boya, ancla o similar) con grandes amplitudes de un lado a otro . En mar abierto (ver un párrafo subsecuente), las fuerzas dominantes que actúan sobre un barco que está amarrado para que oscile libremente, normalmente están sostenidas por las fuerzas de las olas, y mientras mayor se vuelve la amplitud del movimiento de oscilación, más será influenciado el barco por las olas. Esto es seguido de grandes movimientos y fuerzas horizontales y también de movimientos de subida y bajada, y de ondulación, que causan que las pesadas cargas den por resultado el desgaste y daño del barco y de los amarres. Se conoce, previamente, dirigir un barco anclado, contra la dirección de las olas, mediante propulsores laterales colocados en el extremo de popa, del barco. Sin embargo, esas instalaciones son caras y representan costos adicionales en relación a los trabajos de mantenimiento y de reparación. Además, es un conocimiento común, en relación con los botes, en particular con relación a pequeños botes de pesca en los que se pesca con cuerdas y redes, emplear una cangreja de popa. Una cangreja de popa es una vela que está soportada por un mástil en el extremo de popa de un bote, y sirve para mantener el bote contra la dirección del viento, y para reducir el movimiento ondulatorio del barco. Cuando se recogen el equipo de pesca, tal como redes y cuerdas, es importante mantener el bote en contra la dirección del viento, para evitar que el bote sea arrastrado hacia el costado en el que se está recogiendo el equipo de pesca. Así, una cangreja de popa es una vela que está colocada en una dirección normalmente paralela (excepto cuando se navega) respecto al bote . Mientras un barco se encuentra anclado o amarrado a una boya o similar, en mar abierto, para cargar o producir petróleo o gas, la principal tarea es mantener el barco en contra de la dirección de las olas, en una manera estable, como se mencionó previamente, para evitar que el barco comience a oscilar (movimiento con guiñada) con grandes amplitudes que pueden provocar fuertes cargas en los amarres. Además, se pueden evitar grandes amplitudes del movimiento oscilatorio, cuando el barco se coloca con pequeñas variaciones direccionales.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un método y un dispositivo que dan una solución a este asunto. De conformidad con la presente invención, el método está caracterizado porque la estructura flotante está provista de un timón, en su extremo de popa, el cual se ajusta versus la dirección del viento, en una manera tal que la estructura flotante se dirige en contra de la dirección de las olas, tal como se define en la reivindicación independiente, anexa, 1. Además, de conformidad con la invención, el dispositivo está caracterizado por la disposición de un timón accionado por el viento, que se puede girar, preferentemente accionado positivamente, el cual se adapta para ajustarse en cualquier posición angular deseada, de acuerdo al eje de eslora del barco, como se define en la reivindicación anexa 2. Las reivindicaciones dependientes, 3 y 4, describen características ventajosas de la invención. En lo que sigue, la invención se describe con detalles, con referencia a los dibujos, los cuales ilustran modalidades de la misma, y en los que : La Figura 1 muestra, en una vista lateral y desde arriba, un barco provisto de un timón para el viento, de conformidad con la invención, La Figura 2 muestra una modalidad, de un timón para el viento, incluida en la invención, La Figura 3 ilustra una situación teórica para un barco amarrado mediante una torre, como se muestra en la Figura 1, en donde el viento y las olas se aproximan al barco con diferentes direcciones , La Figura muestra, en base experimentos realizados en modelos, una presentación gráfica de: a) el movimiento de guiñada, de un bote a escala, cuando la dirección del viento versus la dirección de la corriente marina y las olas, es de 20 grados, y en donde el bote a escala no se encuentra provisto de un timón para viento, y b) el movimiento de guiñada, del mismo bote a escala, como anteriormente, cuando la dirección del viento versus la dirección de la corriente marina y de las olas es de 20 grados, y en donde el bote está provisto de un timón para el viento, a un ángulo de 30 grados respecto al eje de eslora del bote.

Como se mencionó anteriormente, la Figura 1 muestra un barco 1, en una vista lateral y desde arriba. En su extremo de proa el barco está provisto de una torre 4 la cual está colocada en el casco, para el movimiento de giro y que está amarrada al lecho marino mediante las líneas 3 de anclaje (no mostradas) . Así, el barco está colocado de forma tal que gire u oscile libremente alrededor de la torre. Una característica esencial de conformidad con la invención es que un timón para el viento, el cual puede girar, se encuentra colocado en el extremo de popa del barco, en donde el timón se extiende por encima de la cubierta o de posibles instalaciones que se encuentren ubicadas en la cubierta. El timón 5 para el viento, es preferentemente accionado por medio de un motor eléctrico o hidráulico, y está adaptado para girarse hasta cualquier posición (ángulo) deseable, con relación al eje de eslora o eje longitudinal, del barco. La sección transversal del timón deberá tener convenientemente la forma de un perfil alar o de una gota, como se muestra en el dibujo, para lograr una "sustentación" incrementada, y una resistencia al aire, reducida. Por otra parte, se pueden emplear otras formas, tales como una forma planar o aproximadamente planar. La Figura 2 muestra la sección transversal de un timón con una forma alternativa, el cual tiene una forma tal que se logra un efecto aproximado de superficie de sustentación, para las direcciones del viento que vienen desde ambos costados del barco. En esta figura se usan los siguientes símbolos: aR = Dirección del timón con relación al buque ß = Dirección del viento con relación al buque t = Dirección del viento con relación al timón C - Dirección de la aleta de proa, con relación a la dirección del timón d = Dirección de la aleta de popa, con relación a la dirección del timón FR = Fuerza sustentadora del timón DR = Fuerza de arrastre del timón En la Figura 2a el timón presenta una forma para mantener una "sustentación" en el costado de babor (PS en la figura) cuando el viento llega del costado de babor, del barco. La Figura 2b muestra, en una situación invertida, la forma del perfil del timón, a medida que el viento llega del costado de estribor, del barco, y cuando se desea una "sustentación" en el costado de estribor. Ese perfil mantiene una gran "sustentación" inclusive cuando el ángulo de ataque es de 0 grados, y representa una fuerza máxima en su dirección transversal a aproximadamente 8-15 grados, dependiendo de la forma del perfil. El timón está dividido en tres secciones articuladas que pueden girar, unas respecto a las otras, en una manera que permite que la línea central del perfil forme una curva que caracterice la forma de un ala. Tiene una sección principal 10 a la cual se le permite girar alrededor del mástil 11 soportado por el barco 1. A la sección 8, más cercana a la proa, del perfil, el "borde anterior", se le permite girar alrededor del eje 6. Ambos ejes 6 y 9 están fijados a la sección principal 10. Las olas en mar abierto se generan principalmente por el viento, y generalmente bajo fuertes condiciones tempestuosas (tempestad y situaciones más fuertes) la dirección de las olas será similar a la dirección del viento, dentro de una banda de ángulos de 15 a 20 grados, en ambos costados. Este ángulo puede hacerse mayor bajo condiciones de viento, débiles, debido al así llamado "mar viejo". Las corrientes marinas también son generadas principalmente por el viento. Esta corriente generada por el viento, avanzará, como resultado de la rotación de la tierra, hacia una dirección de hasta 20 grados con respecto a la dirección del viento. Sin embargo, pueden haber contribuciones a esta corriente, causadas por las corrientes maréales, globales (la corriente del Golfo) y locales. En esos casos, el ángulo entre la corriente y las olas puede llegar a ser de hasta 40-60 grados, inclusive bajo fuertes condiciones de viento. Como el viento y las corrientes actúan generalmente con un ángulo que difiere de la dirección de la ola, un barco que no esté provisto de un timón para el viento, estará orientado en una dirección promediada, la cual difiere de la dirección de la ola. Las fuerzas de las olas serán entonces significativas ya que las olas, como se mencionó anteriormente, causarán fuertes cargas en la dirección transversal del barco. Además, las olas varían bastante a través del tiempo, y de esta forma el barco realizará grandes movimientos de guiñada que pueden causar fuertes cargas dinámicas en los amarres. La Figura 3 ilustra una situación teórica en donde un barco se encuentra amarrado mediante una torre, como se muestra en la Figura 1, y en donde el viento y las olas vienen hacia el barco desde diferentes direcciones, como se indica con las flechas. Los símbolos en esta Figura son como sigue : F3 = Componente transversal de la fuerza del viento sobre el buque Fc = Componente transversal de las cargas ejercidas por las corrientes, sobre el buque Fw = Componente transversal de la fuerza de las olas, sobre el buque D3 = Componente longitudinal de la fuerza del viento, sobre el buque Dc = Componente longitudinal de las cargas ejercidas por las corrientes, sobre el buque Dw = Componente longitudinal de la fuerza de las olas, sobre el buque Ft = Fuerza de amarre a la torre ? = Dirección del buque con relación a la orientación o rumbo de la ola M3 = Momento de giro con guiñada, de la fuerza del viento, sobre el buque Mc = Momento de giro con guiñada, de las cargas ejercidas por las corrientes, sobre el buque Mw = Momento de giro con guiñada, de las fuerzas de las olas, sobre el buque FR = Componente transversal al barco, de la fuerza del viento, sobre el timón para el viento DR = Componente longitudinal de la fuerza del viento sobre el timón para el viento CDG = Centro de gravedad del buque.

Las flechas de fuerzas, indicadas por Fw, Fc, y Fs, representan los componentes transversales de las fuerzas originadas por las olas, por las corrientes y por el viento, respectivamente, que actúan sobre el barco. FR y DR representan los componentes transversales y longitudinales de las fuerzas del viento que actúan sobre el timón para el viento. Los componentes longitudinales de las fuerzas del viento, olas y corrientes, que actúan sobre el barco, se indican, en forma similar, mediante la flecha de fuerza indicada como D3+Dw+Dc. El viento, las olas y la corriente causarán además una fuerza de guiñada, de momento (alrededor del eje vertical del barco), como se representa en la Figura mediante una flecha marcada con Ms+M„+Mc que actúa alrededor del centro de gravedad (COG) del barco. La magnitud de las fuerzas y la fuerza de los momentos que actúan sobre el barco, depende de la forma del barco, tanto por debajo como por encima del nivel del mar, y de la dirección relativa entre el barco y el viento, las olas y la corriente, respectivamente. La fuerza de amarre, indicada por FR actúa a través del centro de la torre. Las fuerzas de momento, que actúan en relación con los sistemas de amarre a la torre, son generalmente de una magnitud tan pequeña que pueden despreciarse. Se puede definir que un barco está amarrado en una manera direccionalmente estable, si es alterado desde una posición inicial a otra posición significativamente diferente, desde una posición inicial, por la influencia de una fuerza transversal mínima (perturbación) . Esta característica e singular de una situación estática inestable. Una situación dinámica inestable se caracteriza porque el barco comenzará girando (con guiñada) con una amplitud creciente, si al barco se le proporciona una pequeña perturbación transversal (influenciada por una fuerza en un periodo limitado de tiempo) . Las fuerzas que pueden generar un comportamiento inestable del barco pueden estar originadas por el viento, olas, corriente u otro tipo de influencia, que actúe sobre el barco. Un barco amarrado es estable o inestable, con respecto a su dirección, dependiendo de los coeficientes de fuerzas y torques transversales que se originen por el viento, olas y corrientes, junto con la ubicación de la torre y sus fuerzas de amarre. El criterio de estabilidad direccional dinámica se determina además mediante el momento de inercia del barco, respecto a los movimientos de guiñada, y movimientos transversales del barco . La magnitud de las fuerzas originadas por las olas, viento y corrientes, que actúan sobre el barco, dependen de la geometría del barco y de su dirección promediada con respecto a la dirección de las olas, viento y corrientes. En una situación dada, si el barco es direccionalmente inestable, deben anticiparse grandes movimientos con guiñada, como se mencionó anteriormente. Si el caso es que el barco sea direccionalmente estable, la fuerza de retroalimentación (del viento, corrientes y olas) generalmente será pequeña en comparación con las fuerzas de inercia del barco. Así, el periodo de respuesta para el movimiento con guiñada, llegará a ser de 100 segundos y más, de duración, dependiendo de las fuerzas del viento, corrientes y olas. Esto implica, además, que si un componente de la fuerza (por ejemplo, de la fuerza de la ola) altera su magnitud o dirección, la dirección del barco puede alterarse significativamente. En particular, el movimiento con guiñada estará influenciado por (variando ligeramente) por las fuerzas de las olas. Como el viento a menudo actúa en una dirección que difiere con respecto a la dirección de las olas, y también representa la fuerza más dominante que influencia la dirección del barco, la dirección promediada de un barco no provisto de un timón para el viento, estará determinada principalmente por la dirección del viento. Así, la dirección del barco será desviada algo con respecto a la dirección de las olas. Esta es una situación desfavorable ya que las olas que vienen contra la proa de un barco, con una dirección sesgada, causa grandes fuerzas dinámicas que generan movimientos de guiñada, lo cual da por resultado cargas dinámicas muy grandes, en las líneas de amarre del barco anclado. Las olas que llegan contra el barco, con un ángulo oblicuo, pueden ocasionar además al barco, grandes movimientos de giro. El uso de uno o más timones para el viento, proporcionará, de conformidad con la invención, una fuerza que actúe en una dirección que sea inversa a la suma de las fuerzas FW, FC y FS, y que contribuya a lo siguiente: a mejorar la estabilidad direccional del barco, ya que el timón actúa para aumentar la "rigidez elástica en el ángulo de guiñada" del barco, un aumento en las fuerzas que regresarán al barco a una dirección promedio, después de un giro que la mueve de su dirección, y - a alterar la dirección promediada del barco, en una manera tal que la dirección de las olas versus la proa, será recta, por lo cual las fuerzas dinámicas que influencian tanto los ángulos de guiñada del barco, como la carga promedio de la ola, disminuirán. El timón para el viento se puede ajustar y controlar en maneras alternativas, por ejemplo mediante : -un ajuste periódico del timón, de acuerdo a los cambios en la dirección promediada, del barco, versus el viento y las olas, o -el ajuste continuo del timón para el viento, que además toma en cuenta los movimientos de guiñada del barco, para una utilización máxima de la capacidad del timón para el viento. Además, el timón para el viento deberá estar dimensionado para sostener una fuerza transversal que sea lo suficientemente grande para mantener la proa del barco, contra las olas, bajo las combinaciones más probables de viento, olas y corriente, tanto para buques de calado cargado y con lastre de agua. Además, el ajuste y control del timón se puede realizar manualmente o automáticamente, en una manera similar a la de un propulsor lateral, en un barco colocado dinámicamente, que indicará mediante un control de datos, en base a registros continuos, por ejemplo de la dirección del barco, viento, corriente y olas. Se realizaron experimentos con un bote a escala, amarrado a una torre, en donde al bote se le proporcionó un timón para el viento, fijo, de conformidad con la invención. Los experimentos se realizaron en un tanque a escala en donde las olas, propagadas a una dirección de 20° versus la dirección del viento, y en donde la dirección de la corriente fue similar a la de las olas. El timón para el viento estaba fijo en una posición que formaba un ángulo de 30° con el eje de eslora, del bote a escala, y tenía un área que era de aproximadamente 20% del área de sección transversal, del agua superficial, del bote. En el transcurso de los experimentos, el bote se colocó con un ángulo promediado de 3.3° versus la dirección de las olas, de tal manera que el ángulo de ataque del viento versus el timón para el viento, fue de 30-20+3.3 = 13.3°. Bajo estas condiciones, el ángulo máximo de guiñada, del bote, fue de 11.43°, mientras que el ángulo mínimo de guiñada fue de -4.1°. En el último caso mencionado, el ángulo de ataque del viento versus el timón para el viento, fue de 30-20-4.1 = 5.9°, y en el primer caso mencionado el ángulo similar fue de 30-20+11.4 = 21.4°. También se llevaron a cabo experimentos con un bote a escala al cual no se le proporcionó un timón para el viento. En estos experimentos las direcciones para el viento y para las olas fueron las mismas que anteriormente. En esta situación el bote tuvo un ángulo promediado de 13° versus la dirección de las olas. Además, el máximo ángulo de guiñada fue 28° y el mínimo ángulo de guiñada fue 0.4°. La Figura 4 a) y b) muestra una representación gráfica de los movimientos de guiñada del bote, respectivamente, sin y con un timón para el viento, según se registró durante un periodo de tiempo, bajo los experimentos.

Como se sigue, a partir de los valores de los dígitos anteriores y de la Figura 4 a) y b), los movimientos de guiñada (el movimiento de oscilación, de lado a lado) son substancialmente más pequeños para el bote provisto de un timón para el viento. En esta manera, las diferencias entre las mayores amplitudes de guiñada, son de más del 30%. Esta reducción de la amplitud de los movimientos de guiñada también dio por resultado una reducción de las cargas de amarre las cuales al medirse resultaron ser de aproximadamente 25% para el bote provisto con un timón para el viento. Sin embargo, en lo concerniente al timón para el viento, que se aplicó en los experimentos, deberá mencionarse que este timón no fue optimizado ni respecto a tamaño ni a forma. Mientras tanto, los resultados de los experimentos ilustran la influencia positiva de los movimientos y fuerzas que se obtendrán exclusivamente, aplicando un timón para el viento, de conformidad con la presente invención. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención. Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes:

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un método para dirigir una estructura flotante anclada, contra la dirección de las olas, en donde la estructura, en su extremo de proa, se encuentra amarrada a una boya o similar, el método está caracterizado porque se proporciona, a la estructura flotante, en su extremo de popa, uno o más timones para el viento, que se pueden girar, y que se ajustan en una forma tal versus la dirección del viento, que la estructura flotante se dirige en contra de la dirección de las olas, en una manera estable.

2. Un medio para dirigir una estructura flotante anclada, contra la dirección de la corriente y/u olas, en donde la estructura, en su extremo de proa, está amarrada por una boya o similar, el medio está caracterizado porque uno o más timón(es), que puede(n) girar y que es (son) accionado(s) positivamente, se encuentra(n) colocado(s) en relación al extremo de popa de la estructura flotante y además está(n) adaptado(s) para ajustarse en cualquier ángulo deseado versus el eje de eslora de la estructura flotante.

3. Un medio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el timón o timones para el viento tiene (n) un perfil alar o en forma de ala, o secciones similares a gota .

4. El medio de conformidad con las reivindicaciones 2 y 3, caracteriza o porque el timón(es) se encuentra(n) dividido(s) en tres secciones articuladas que pueden girarse una respecto a las otras, en una manera que permite que la línea central de las secciones forme una cámara .