Grundlagen der passiven Seegangskompensation
Die Hardware verstehen, dann das Antwortmodell lesen.
Von Tord Martinsen, CEO · · Geprüft · 15 Min. Lesezeit
Praktische Anwendung: auf dieser Physik baut unsere passive Baureihe auf: siehe RIGEL Basic PHC und ANTARES Adaptive PHC.
Passive Seegangskompensation (PHC) ist ein Verfahren, das bei Offshore-Operationen eingesetzt wird, um die vom Kranhaken auf eine hängende Nutzlast übertragene Vertikalbewegung zu reduzieren. Sie funktioniert ohne externe Energieversorgung mithilfe eines Gasfeder- und Hydraulikdämpfersystems, das wellenbedingte Bewegung absorbiert.
Wenn sich ein Schiff mit den Wellen auf und ab bewegt, folgt der Kranhaken. Ohne Kompensation erfährt die Nutzlast dieselbe Bewegung — was während des Durchgangs durch die Spritzwasserzone, bei Unterwasserlandungen und anderen kritischen Operationen gefährliche dynamische Lasten erzeugt. Ein passiver Seegangskompensator wirkt als Puffer und absorbiert einen Großteil dieser Bewegung.
Systeme vergleichen? Passive Seegangskompensatoren vergleichen (RIGEL, CYGNUS und ANTARES) Kapazitätsbänder, Dämpfungssteuerung und wie jede Einheit nach DNV-RP-N202 dimensioniert wird.
Wie funktioniert ein passiver Seegangskompensator?
Ein PHC besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Gasfeder — unter Druck stehendes Stickstoffgas erzeugt eine Federkraft, die das Gewicht der Nutzlast trägt
- Hydraulikzylinder — enthält Öl, das durch kontrollierte Drosselöffnungen strömt
- Dämpfungsventile — drosseln den Ölstrom, um Dämpfung zu erzeugen und die Wellenenergie zu dissipieren
Im Inneren der Einheit: Zylinder und Gasspeicher
Eine Suche nach einem „Seegangskompensationszylinder“ findet nur die halbe Maschine. Der Arbeitszylinder hängt unter Zug im Hebeseil — die Feder befindet sich jedoch überhaupt nicht im Zylinder. Sie sitzt in einem separaten, damit verbundenen Gasspeicher:
Die Einheit hängt im Seil, mit der Stange nach unten zur Last. Oberhalb des Arbeitskolbens ist der Zylinder evakuiert. Unterhalb des Kolbens ist die stangenseitige Kammer ölgefüllt und über eine Dämpfungsdrossel mit dem Gasspeicher verbunden, in dem Stickstoff über dem Öl sitzt. Wenn sich Haken und Last voneinander entfernen, fährt die Einheit aus: stangenseitiges Öl wird durch die Drossel in den Gasspeicher verdrängt, der Stickstoff komprimiert sich, und die Seilspannung steigt — diese Druck-Volumen-Kurve ist die Gasfeder. Die Drossel ist die Dämpfung: Wellenenergie verlässt das System als Wärme im hindurchgepressten Öl.
Die Unterschiede zwischen den Baureihen liegen auf der Gasseite des Speichers: ANTARES fügt ein Füllventil und Gasflaschen hinzu, sodass die Feder zwischen den Hebephasen neu abgestimmt werden kann; CYGNUS trägt ein Ablassventil zur Nullpunkteinstellung. Die oben gezeigte Geometrie ist der gesamten passiven Baureihe gemeinsam.
Haupteinsatzgebiete
- Durchgänge durch die Spritzwasserzone — Reduzierung dynamischer Lasten beim Durchgang der Nutzlast durch die Wellenzone
- Unterwasserlandungen — Steuerung der Landegeschwindigkeit für präzise Platzierung
- Resonanzvermeidung — Verhinderung der Bewegungsverstärkung bei bestimmten Wellenperioden
- Spannungsmanagement — Reduzierung der Spannungsschwankung in einem gespannten Kabel oder Riser innerhalb des konfigurierten Hubs und Betriebsbereichs
- Stoßdämpfung — Schutz von Nutzlast und Kran vor Stoßlasten
Leistungsfaktoren des PHC
Die Effizienz eines passiven Seegangskompensators hängt von der Steifigkeit (Federrate), der Dämpfungsabstimmung, der Hublänge und der Anpassung an das Nutzlastgewicht ab.
Wie funktioniert passive Seegangskompensation zur Reduzierung der Landegeschwindigkeit?
Hubbewegung bedeutet Vertikalbewegung, in unserem Kontext die durch Wellen verursachte Vertikalbewegung des Kranhakens. Passive Seegangskompensation lässt sich als Feder-Masse-Dämpfer-System auffassen, dessen Ziel es ist, die wellenbedingte Bewegung unterhalb des Kompensators zu reduzieren. Die folgende vereinfachte Skizze veranschaulicht unser Szenario:
Die Kranhakenbewegung folgt der Sinusfunktion \zeta \cos(\omega t), der PHC hat die Steifigkeit k, das Wasser hat die Dichte \rho_w, während die Nutzlast die Grundgrößen \rho, m, A_\perp, jeweils für die Massendichte, Masse und die zur Hubbewegung senkrechte Fläche der Nutzlast.
Da wir in diesem Beispiel annehmen, dass sich die Nutzlast unter Wasser befindet, ist es wichtig, Auftrieb, Widerstand und die auf die Nutzlast wirkende hydrodynamische Zusatzmasse zu berücksichtigen. Diese drei Effekte verändern die Antwort auf unterschiedliche Weise (der Auftrieb verschiebt die Gleichgewichtslast, die Zusatzmasse verändert die effektive Trägheit, der Widerstand dissipiert Energie), und je nach Fall und Frequenz kann jeder Effekt sich günstig oder ungünstig auswirken.
Zusatzmasse
m_A = \rho_w C_A V_RDabei ist C_A der Zusatzmassenkoeffizient (zu finden in DNV RP-N103) und V_R ist das Referenzvolumen.
Widerstand
F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|Dabei ist C_D der Widerstandsbeiwert und \dot z ist die vertikale Geschwindigkeit der Nutzlast.
Auftrieb
F_B = \rho_w V gDabei ist V das verdrängte Volumen der Nutzlast, und g ist die Erdbeschleunigung.
PHC-Gasfeder
Wir können für die PHC-Gasfeder eine Näherungssteifigkeit definieren — einen Sekantenwert: die Kraftdifferenz vom Gleichgewichtshub bis zum vollen Hub, geteilt durch die Hubänderung:
k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}Dabei ist p_0 der Gleichgewichtsdruck und A_0 ist die Kolbenfläche des PHC. Ein Sekantenwert ist eine vereinfachte Näherung: Die Kleinbewegungssteifigkeit im Gleichgewicht weicht davon ab, sodass alles, was im Folgenden darauf aufbaut, eine äquivalent-lineare Schätzung ist und keine exakte Eigenschaft.
Nehmen wir Folgendes an:
- Die volle Hublänge beträgt S, und wir befinden uns im Gleichgewicht auf halbem Hub.
- Wir verwenden das ideale Gasgesetz mit adiabatischer Kompression, um die Druckänderung zu berechnen.
- Die Gleichgewichtskraft sollte gleich der Gewichtskraft minus dem Auftrieb sein.
Aus diesen Annahmen ergibt sich dann:
k = \frac{(\rho – \rho_w) \, V \, g}{0.5 \, S}\left[\left( \frac{V_{\mathrm{eq}}}{V_{\mathrm{eq}} – 0.5 \, A_0 \, S} \right)^\gamma – 1\right]\gamma ist der adiabatische Exponent.
Wir könnten weiterhin annehmen, dass sich das Gleichgewichtsvolumen definieren lässt als:
V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, SDabei ist R das Gas-Öl-Verhältnis, das durch die fallspezifische Konfiguration von Speicher und Zylinder festgelegt wird. Ein größerer Wert von R entspricht einer weicheren Feder.
Wir erhalten dann den folgenden Ausdruck für die PHC-Steifigkeit k:
k = \frac{2 (\rho – \rho_w) \, V \, g}{S}\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]Dies lässt sich umschreiben als:
k = \frac{2 \, m \, g}{S}\left( 1 – \frac{\rho_w}{\rho} \right)\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]Hydraulische Strömungsdrosselung des PHC
Der Fluidstrom durch eine Drosselstelle wird typischerweise angegeben als:
Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho}}Wobei:
- Q ist der volumetrische Fluidstrom,
- A_f ist die kleinste Strömungsfläche,
- \alpha ist der Druckverlustbeiwert, und
- \Delta p ist der Druckverlust.
Auf dieser Grundlage lässt sich die Kraft infolge der hydraulischen Drosselung ermitteln:
F_h = A_0 \, \Delta p= A_0 \, \frac{\rho}{2}\left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2Beachten Sie außerdem, dass das Vorzeichen der Hydraulikkraft davon abhängt, ob die Stange ausfährt oder einfährt.
Weiterhin kann sie eine andere Größenordnung haben, wenn Rückschlagventile vorhanden sind.
Der Trick bei dieser Gleichung ist die Kenntnis von \alpha, die nicht einfach zu berechnen ist.
Er sollte mittels CFD oder Messungen ermittelt werden und kann zudem von vielen Variablen abhängen.
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Dichtungsreibung des PHC
Dichtungsreibung ist ein sehr komplexes Thema. Sie hängt von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel:
- Druck des Fluids
- Vorspannung des elastischen Elements
- Dichtungsmaterial
- Geschwindigkeit von Kolben oder Kolbenstange
- Oberflächenrauheit
- Fluidtyp
- Breite der Dichtung
- Dichtungskonfiguration
Ein vollständiges Dichtungsreibungsmodell würde den Rahmen dieser Einführung sprengen; der praktische Punkt ist, dass die Reibung mit jedem der oben genannten Faktoren variiert.
Differentialgleichung
Verwenden wir nun das Obige mit den folgenden Annahmen:
- Dichtungsreibung wird vernachlässigt (in der Realität kann sie erheblich sein).
- Die hydraulische Drosselung wird hier vernachlässigt, um das Modell anschaulich zu halten — in der realen Einheit ist diese Drosselung die ausgelegte Dämpfung, und genau sie begrenzt die Resonanzspitze und steuert das Landeverhalten.
- Der Widerstand wird vernachlässigt (für ein leistungsstarkes PHC ist diese Annahme vertretbar).
- Steifigkeit und Dämpfung von Anschlagmitteln und Drahtseil vernachlässigen.
- Hydrodynamik des PHC vernachlässigen.
- Eigengewicht des PHC vernachlässigen.
Eine genauere numerische Lösung, die alles berücksichtigt (und eine präzisere Zustandsgleichung für den Gasdruck verwendet), ist erhältlich bei Norwegian Dynamics.
Wir können das zweite Newtonsche Gesetz auf die Nutzlastmasse anwenden, um herauszufinden, wie sie sich relativ zum Kranhaken bewegt.
Nehmen wir an, dass abwärts die positive Richtung ist:
Dies hat eine stationäre Lösung von:
z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)Was wir wissen wollen, ist das Verhältnis zwischen der Nutzlastbewegung und der Hakenbewegung.
\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}Ändern wir dann \omega zu \frac{2 \pi}{T_P}, wobei T_P die Wellenperiode ist, und ersetzen wir k durch unseren Ausdruck oben:
\frac{z(t)}{\zeta \cos\!\left(\frac{2\pi t}{T_p}\right)}=\frac{1}{\displaystyle\underbrace{\left(\frac{m+m_A}{m}\right)}_{\text{Added mass}}\underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Buoyancy}}\underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Wave period}}\underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}}-1}Auf Basis dieses Verhältnisses lässt sich die Effizienz der passiven Seegangskompensation definieren. Ist das Verhältnis 0, bewegt sich die Nutzlast überhaupt nicht; liegt es unter 1, isoliert der Kompensator die Nutzlast; liegt es über 1, wird die Bewegung verstärkt. Resonanz ist der spezifische Zustand, bei dem der Nenner des ungedämpften Modells gegen null geht; eine Verstärkung nahe dieser Periode ist das Warnzeichen. Der Rechner unten wertet diesen ungedämpften Screening-Ausdruck für eine einzelne Frequenz anhand der oben genannten Sekantensteifigkeit aus. Er ist mit den Werten des Rechenbeispiels vorbelegt — ersetzen Sie diese durch Ihren eigenen Fall. Er kann keine Anlage auslegen: Dämpfung, Widerstand, unregelmäßiger Seegang, Hub- und Druckgrenzen, Landegeschwindigkeit und strukturelle Lasten liegen außerhalb dieses Modells und stammen aus einer Hebevorgangs-Screening-Analyse in CONSTELLATION.
Rechner für die Effizienz der passiven Seegangskompensation
Feste Screening-Konstanten: Meerwasserdichte ρw = 1 030 kg/m³, adiabatischer Exponent γ = 1.4 und g = 9.81 m/s².
Wir können außerdem die Eigenperiode des PHC wie folgt definieren:
T_n = \pi \sqrt{\frac{m + m_A}{m} \,\frac{\rho}{\rho – \rho_w} \,\frac{2S}{\,g\!\left(\left(\dfrac{R – 0.5}{R – 1}\right)^{\!\gamma} – 1\right)}}Rechenbeispiel: das Bewegungsverhältnis ablesen
Betrachten wir einen Fall wie im Rechner: eine 100 t Nutzlast aus Stahl (ρ = 7 850 kg/m³) mit 20 t Zusatzmasse, an einem PHC mit 6 m Hub und Gas-Öl-Verhältnis R = 12, bei Wellen der Periode Tp = 8 s (γ = 1.4):
- Federweichheit. Der Gasfeder-Klammerausdruck ((R − 0.5)/(R − 1))γ − 1 ≈ 0.064 — ein hoher R-Wert und ein langer Hub ergeben eine weiche Feder.
- Eigenperiode. Tn ≈ 16 s, deutlich über den 8 s-Wellen — das System arbeitet in seinem Isolationsbereich.
- Bewegungsverhältnis. Der obige Ausdruck ergibt ≈ 0.33: Die Nutzlast erfährt etwa ein Drittel der Hakenbewegung — rund zwei Drittel der wellenbedingten Bewegung werden eliminiert.
Das geschlossene Modell ist ungedämpft und in Resonanznähe konservativ — reale Dämpfung begrenzt die Spitze und fügt im Isolationsbereich eine gewisse Übertragung hinzu. Für die Auslegung ist die vollständige numerische Lösung (Gaszustand, Dämpfung, Widerstand, Anschlagmittel) das, was eine CONSTELLATION-Studie berechnet.
Dämpfung: welche Art und wie viel
Die Gasfeder speichert die Energie — der Dämpfer entscheidet, wohin sie geht. Ungedämpft wäre der Kompensator ein Feder-Masse-System, das nach jeder Störung mit seiner Eigenperiode schwingen würde. Beim Hub des Kolbens wird Öl durch Blenden oder Regelventile gepresst, und der Strömungswiderstand wandelt kinetische Energie in Wärme um: Es entsteht eine mit der Geschwindigkeit wachsende Kraft. Sie begrenzt die Resonanz, dämpft Ausgleichsvorgänge und regelt beim Landen die Sinkgeschwindigkeit.
| Dämpfungsart | Charakteristik | Wo sie vorkommt |
|---|---|---|
| Linear | Kraft ∝ Geschwindigkeit | Einfach zu modellieren — in realer Hardware selten |
| Quadratisch | Kraft ∝ Geschwindigkeit² | Das natürliche Verhalten der Blendenströmung — stark bei hoher Geschwindigkeit, sanft bei niedriger |
| Variabel | Verstellbare Blenden / Proportionalventile | Dämpfung wird je Betriebsphase angepasst — der adaptive Ansatz |
Variable Dämpfung in der Praxis: ANTARES passt ihr Niveau automatisch zwischen den Phasen des Hebevorgangs an; RIGEL und CYGNUS werden manuell an Deck eingestellt.
Weitere Subsea-Anwendungen
Einheiten zur passiven Seegangskompensation können für Unterwasserinstallationen weitere Vorteile bieten:
- Die Fähigkeit, die Seilspannung während der gesamten Landephase aufrechtzuerhalten, was ein plötzliches Krängen des Schiffs verhindert.
- Minderung von Spitzenlasten im Falle eines erneuten Anhebens der Nutzlast.
- Bereitstellung von Zugspannung während der Unterwasserbergung, um eine Überlastung bei Fixierung am Meeresboden zu verhindern.
Die Wahl des richtigen PHC
Norwegian Dynamics bietet drei Produktlinien passiver Seegangskompensatoren an:
- ANTARES Adaptive PHC — fortschrittlicher adaptiv-passiver Seegangskompensator mit automatischer Dämpfungsregelung, mehreren Betriebsmodi und Tiefenauslegung bis 3000m. Am besten geeignet für Einsätze, die hohe Leistung und Flexibilität erfordern.
- RIGEL Basic PHC — einfacher, zuverlässiger, kostengünstiger passiver Seegangskompensator. Am besten geeignet für unkomplizierte Durchgänge durch die Spritzwasserzone und einfache Kompensationsaufgaben.
- CYGNUS PHC — passiver Seegangskompensator für schwere Lasten und Tiefwasser-Hebevorgänge, mit Kapazitäten von 12.5 bis 10,000 Tonnen. Am besten geeignet für große Subsea-Strukturen und Tiefwasser-Landungen.
→ Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl? Siehe unseren Auswahlleitfaden für Seegangskompensatoren oder kontaktieren Sie unsere Ingenieure.
RIGEL, ANTARES oder CYGNUS — auf einen Blick
| Eigenschaft |  Eigenschaft |  Eigenschaft |  Eigenschaft |
|---|---|---|---|
| Typ | Passiv | Adaptiv-passiv | Passiv |
| Dämpfung | Manuell, an Deck eingestellt | Automatische Dämpfungsregelung | Manuell, an Deck eingestellt |
| SWL-Bereich | 55 – 1 000 t | 30 – 4 000 t | 12.5 – 10 000 t |
| Hub | 1.0 – 6.0 m | 2.5 – 8.0 m | 1.0 – 6.0 m |
| Energieversorgung | Keine externe Energieversorgung | Batterie — keine Nabelschnur | Batterie — keine Nabelschnur |
| Besonderheit | Einfachste, leichteste Einheit | Schnelle Hebefähigkeit | Kapazitätsbereich für schwere Lasten / Tiefwasser |
| Zertifizierung | Entworfen & klassifiziert · DNV-ST-0378 (Typzulassung in Bearbeitung) | Entworfen & klassifiziert · DNV-ST-0378 | Entworfen & klassifiziert · DNV-ST-0378 |
| Am besten geeignet für | Unkomplizierte Durchgänge durch die Spritzwasserzone und einfache Kompensation | Anspruchsvolle mehrphasige Hebevorgänge mit Bedarf an automatischer Dämpfung | Schwere Subsea-Hebevorgänge im Tiefwasser |
Erste Orientierung — der Leitfaden passive vs. aktive Seegangskompensation führt Frage für Frage durch die Entscheidung.
Passive Seegangskompensation — häufig gestellte Fragen
Was ist passive Seegangskompensation?
Was sind die Hauptkomponenten eines passiven Seegangskompensators?
Wie effizient ist passive Seegangskompensation?
Wann ist ein passiver Kompensator die richtige Wahl gegenüber einem aktiven?
Welcher Norwegian Dynamics Kompensator passt zu welchem Hebevorgang?
Auswahl eines passiven Kompensators für Ihren nächsten Hebevorgang?
Wir legen PHCs anhand des Betriebsbereichs aus — Hs, Tp, Nutzlast, Wassertiefe. Senden Sie uns den Fall, und wir melden uns mit einer Produktempfehlung zurück.
