Grundlagen der passiven Seegangskompensation
Erst die Technik verstehen, dann das Reaktionsmodell lesen.
Passive Seegangskompensation (PHC) ist ein Verfahren für Offshore-Einsätze, das die von einem Kranhaken auf eine hängende Nutzlast übertragene Vertikalbewegung verringert. Sie kommt ohne externe Energieversorgung aus: Eine Gasfeder und ein hydraulischer Dämpfer nehmen die wellenbedingte Bewegung auf.
Bewegt sich ein Schiff mit den Wellen auf und ab, folgt der Kranhaken dieser Bewegung. Ohne Kompensation bewegt sich die Nutzlast ebenso. Dadurch entstehen bei der Durchquerung der Spritzwasserzone, bei Unterwasserlandungen und anderen kritischen Vorgängen gefährliche dynamische Lasten. Ein passiver Seegangskompensator wirkt als Puffer und nimmt einen großen Teil dieser Bewegung auf.
Das passive Sortiment von ND beruht auf diesem Prinzip: RIGEL, CYGNUS und das adaptive ANTARES. Vergleichen Sie ihre Tragfähigkeitsbereiche, Dämpfungsregelung und Auslegung nach DNV-RP-N202. Informationen zur sensorgesteuerten Kompensation finden Sie unter aktive Seegangskompensation.
Wie funktioniert ein passiver Seegangskompensator?
Ein PHC hat drei Hauptbestandteile:
- Arbeitszylinder: Vakuum oberhalb des Kolbens und Öl auf der Stangenseite; die Kolbenstange führt nach unten zur Last
- Gasspeicher: Stickstoff über Öl; das verdichtete Gas bildet die Feder, die die Nutzlast trägt
- Dämpfungsdrossel: in der Ölleitung zwischen Zylinder und Speicher; das hindurchgedrückte Öl gibt die Wellenenergie als Wärme ab
Aufbau der Einheit: Zylinder und Gasspeicher
Wer nach einem „Zylinder für Seegangskompensation“ sucht, findet nur die halbe Maschine. Der Arbeitszylinder hängt unter Zug im Hubseil, doch die Feder sitzt nicht im Zylinder. Sie befindet sich in einem separaten Gasspeicher, der mit dem Zylinder verbunden ist:
Die Einheit hängt im Seil, die Kolbenstange führt nach unten zur Last. Oberhalb des Arbeitskolbens ist der Zylinder evakuiert. Unterhalb des Kolbens ist die stangenseitige Kammer mit Öl gefüllt und über eine Dämpfungsdrossel mit dem Speicher verbunden, in dem sich Stickstoff über dem Öl befindet. Entfernen sich Haken und Last voneinander, fährt die Einheit aus: Das Öl auf der Stangenseite wird durch die Drossel in den Speicher verdrängt, der Stickstoff wird komprimiert und die Seilzugkraft steigt. Diese Druck-Volumen-Kurve ist die Gasfeder. Die Drossel bewirkt die Dämpfung: Die Wellenenergie wird im hindurchgedrückten Öl in Wärme umgewandelt.
Die Unterschiede zwischen den Produktfamilien liegen auf der Gasseite des Speichers: ANTARES ergänzt ein Füllventil und Gasflaschen, damit sich die Feder zwischen den Phasen eines Hebevorgangs neu einstellen lässt; CYGNUS besitzt ein Ablassventil zum Einstellen der Bezugslage. Der oben gezeigte Aufbau gilt für die gesamte passive Produktfamilie.
Wichtige Anwendungen
- Durchquerung der Spritzwasserzone: Verringerung dynamischer Lasten, während die Nutzlast die Wellenzone passiert
- Unterwasserlandungen: Regelung der Aufsetzgeschwindigkeit für eine präzise Platzierung
- Vermeidung von Resonanz: Verhinderung einer Verstärkung der Bewegung bei bestimmten Wellenperioden
- Regelung der Seilzugkraft: Verringerung der Zugkraftschwankungen in einem gespannten Seil oder Riser innerhalb des eingestellten Hubs und Betriebsbereichs
- Stoßdämpfung: Schutz von Nutzlast und Kran vor Stoßlasten
Einflussgrößen auf die PHC-Leistung
Die Wirksamkeit eines passiven Seegangskompensators hängt von vier Faktoren ab:
- Steifigkeit: bestimmt durch das Gasvolumen; ein höheres Gas-Öl-Verhältnis R und ein längerer Hub ergeben eine weichere Feder und eine längere Eigenperiode.
- Dämpfung: die Drossel in der Ölleitung; sie muss ausreichen, um die Resonanz zu begrenzen, ohne das Ansprechverhalten steifer zu machen.
- Hub: muss die Relativbewegung zwischen Haken und Nutzlast mit Reserve aufnehmen können, sonst erreicht die Einheit ihren oberen oder unteren Anschlag.
- Abstimmung auf die Nutzlast: die Gasvorfüllung muss das Gewicht der Nutzlast ausgleichen (unter Wasser das Unterwassergewicht), damit die Einheit ungefähr in der Hubmitte steht.
Antwortmodell: Wie viel Hakenbewegung wird übertragen?
Die Hubbewegung ist eine vertikale Bewegung; hier ist damit die durch Wellen verursachte vertikale Bewegung des Kranhakens gemeint. Ein passiver Seegangskompensator lässt sich als Feder-Masse-Dämpfer-System modellieren, das die wellenbedingte Bewegung der darunter hängenden Last verringert. Die vereinfachte Skizze unten zeigt die Situation.
Der Haken bewegt sich gemäß \zeta \cos(\omega t) und die PHC hat die Steifigkeit k. Das Wasser hat die Dichte \rho_w; die Nutzlast hat die Dichte \rho, die Masse m und die Fläche A_\perp senkrecht zur Hubbewegung.
Da in diesem Beispiel eine Unterwasser-Nutzlast angenommen wird, müssen Auftrieb, Strömungswiderstand und Zusatzmasse berücksichtigt werden. Diese drei Effekte beeinflussen das Antwortverhalten auf unterschiedliche Weise (der Auftrieb verschiebt die Gleichgewichtslast, die Zusatzmasse verändert die wirksame Trägheit, der Strömungswiderstand dissipiert Energie). Je nach Fall und Frequenz kann jeder Effekt günstig oder ungünstig wirken.
Zusatzmasse
m_A = \rho_w C_A V_RDabei ist C_A der Zusatzmassenbeiwert (siehe DNV-RP-N103) und V_R das Referenzvolumen.
Strömungswiderstand
F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|Dabei ist C_D der Widerstandsbeiwert und \dot z die Vertikalgeschwindigkeit der Nutzlast.
Auftrieb
F_B = \rho_w V gDabei ist V das von der Nutzlast verdrängte Volumen und g die Erdbeschleunigung.
Gasfedersteifigkeit
Für eine erste Abschätzung wird die Steifigkeit der Gasfeder als Sekantensteifigkeit angesetzt: die Kraftdifferenz zwischen Gleichgewichtslage und vollem Hub, geteilt durch die Hubänderung:
k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}Dabei ist p_0 der Gleichgewichtsdruck, p_1 der Druck bei vollem Hub, \Delta S = 0.5\,S der Hub von der Gleichgewichtslage bis zum vollen Hub und A_0 die wirksame Ringfläche des Arbeitskolbens auf der Stangenseite. Die Sekantensteifigkeit vereinfacht die erste Abschätzung: Die Steifigkeit für kleine Bewegungen um die Gleichgewichtslage ist anders. Daher sind alle darauf aufbauenden Ergebnisse nur äquivalent-lineare Schätzwerte und keine exakten Eigenschaften.
Nehmen wir Folgendes an:
- Die volle Hublänge beträgt S, und im Gleichgewicht befinden wir uns in der Hubmitte.
- Das Gas wird adiabatisch komprimiert: Bei Wellenperioden bleibt keine Zeit für einen Wärmeaustausch.
- Die Gleichgewichtskraft soll gleich der Gewichtskraft abzüglich des Auftriebs sein.
Aus diesen Annahmen ergibt sich:
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 Steifigkeitsexponent des Gases: 1.4 für ein ideales Gas, bei Stickstoff unter den Fülldrücken eines Kompensators jedoch etwa 1.6 bei 10 MPa, 2.0 bei 20 MPa und 2.4 bei 30 MPa, da Stickstoff ein reales Gas ist (siehe Resonanzvermeidung).
Wir können außerdem annehmen, dass sich das Gleichgewichtsvolumen wie folgt definieren lässt:
V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, SDabei R ist das Gas-Öl-Verhältnis, das durch die jeweilige Konfiguration von Akkumulator und Zylinder festgelegt wird. Ein größerer Wert von R entspricht einer weicheren Feder.
Damit ergibt sich für die PHC-Steifigkeit folgender Ausdruck 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 zu:
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]Durchflussdrosselung
Der Durchfluss durch eine Drosselstelle wird üblicherweise beschrieben durch:
Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho_{\text{oil}}}}Dabei gilt:
- Q ist der Volumenstrom,
- A_f ist der kleinste Strömungsquerschnitt,
- \alpha ist der Durchflussbeiwert und
- \Delta p ist der Druckverlust.
Darauf aufbauend lässt sich die Kraft infolge der hydraulischen Drosselung bestimmen:
F_h = A_0 \, \Delta p = A_0 \, \frac{\rho_{\text{oil}}}{2}\left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2Beachten Sie auch, dass das Vorzeichen der hydraulischen Kraft davon abhängt, ob die Kolbenstange aus- oder einfährt.
Bei vorhandenen Rückschlagventilen kann sich zudem ihr Betrag unterscheiden.
Die Schwierigkeit liegt bei \alpha. Er hängt von vielen Größen ab und ist schwer zu berechnen; daher wird er mittels CFD oder Messung bestimmt.
Dichtungsreibung
Die Dichtungsreibung ist schwer zu modellieren. Sie hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:
- Fluiddruck
- Vorspannung des elastischen Elements
- Dichtungsmaterial
- Geschwindigkeit des Kolbens oder der Kolbenstange
- Oberflächenrauheit
- Fluidart
- Dichtungsbreite
- Dichtungsanordnung
Ein vollständiges Modell der Dichtungsreibung würde den Rahmen dieser Einführung sprengen; für die Praxis ist entscheidend, dass die Reibung von allen oben genannten Faktoren abhängt.
Bewegungsgleichung
Nun verwenden wir die obigen Zusammenhänge unter folgenden Annahmen:
- Die Dichtungsreibung wird vernachlässigt (tatsächlich kann sie erheblich sein).
- Die hydraulische Drosselung wird hier vernachlässigt, damit das Modell anschaulich bleibt: Im realen System ist diese Drosselung die gezielt ausgelegte Dämpfung. Sie begrenzt die Resonanzspitze und bestimmt das Verhalten beim Aufsetzen.
- Der Strömungswiderstand wird vernachlässigt (vertretbar, wenn die PHC gut isoliert, da sich die Nutzlast dann langsam durch das Wasser bewegt).
- Steifigkeit und Dämpfung der Anschlagmittel und des Drahtseils werden vernachlässigt.
- Die Hydrodynamik der PHC wird vernachlässigt.
- Das Eigengewicht der PHC wird vernachlässigt.
Eine genauere numerische Lösung, die alle Einflüsse und eine präzisere Zustandsgleichung für den Gasdruck berücksichtigt, ist bei Norwegian Dynamics.
Mit dem zweiten Newtonschen Gesetz für die Nutzlastmasse lässt sich ihre Bewegung relativ zum Kranhaken bestimmen.
Wir nehmen an, dass die positive Richtung nach unten zeigt:
Die stationäre Lösung lautet:
z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)Gesucht ist das Verhältnis zwischen der Bewegung der Nutzlast und der des Hakens.
\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}Nun können wir \omega durch \frac{2 \pi}{T_p}, wobei T_p die Wellenperiode ist, und k durch den obigen Ausdruck ersetzen:
\begin{aligned}\frac{z(t)}{\zeta\cos\left(\frac{2\pi t}{T_p}\right)} &= \frac{1}{\lambda-1}, \qquad \lambda = \left(\frac{T_n}{T_p}\right)^2 \\ \lambda &= \underbrace{\frac{m+m_A}{m}}_{\text{Zusatzmasse}}\;\underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Auftrieb}} \\ &\quad\times\underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Wellenperiode}}\;\underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}}\end{aligned}Anhand dieses Verhältnisses lässt sich der Wirkungsgrad der passiven Seegangskompensation definieren. Wenn das Verhältnis den Wert 0 annimmt, bewegt sich die Nutzlast überhaupt nicht; unter 1 isoliert der Kompensator die Nutzlast; über 1 wird die Bewegung verstärkt. Resonanz liegt genau dann vor, wenn der Nenner des ungedämpften Modells gegen null geht; eine Verstärkung nahe dieser Periode ist ein Warnsignal. Der Rechner unten wertet diesen ungedämpften Ausdruck zur Vorprüfung für eine einzelne Frequenz mit der oben angegebenen Sekantensteifigkeit aus. Er ist mit den Werten des Rechenbeispiels vorbelegt; ersetzen Sie sie durch die Werte Ihres Falls. Er kann keinen Kompensator dimensionieren: Dämpfung, Strömungswiderstand, unregelmäßiger Seegang, Hub- und Druckgrenzen, Aufsetzgeschwindigkeit und strukturelle Lasten liegen außerhalb dieses Modells und werden in einer Prüfung des Hebevorgangs mit CONSTELLATION berücksichtigt.
Rechner für den Wirkungsgrad der passiven Seegangskompensation
Feste Konstanten für die Vorprüfung: Meerwasserdichte ρw = 1,030 kg/m³ und g = 9.81 m/s². Der Gasexponent γ ist der reale Steifigkeitsexponent von Stickstoff beim gewählten Fülldruck; für ein ideales Gas wäre er 1.4.
Die Eigenperiode der PHC lässt sich auch 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: Bewegungsverhältnis ablesen
Betrachten wir den Fall, mit dessen Werten der Rechner vorbelegt ist: eine 100 t Nutzlast aus Stahl (ρ = 7,850 kg/m³) mit 20 t Zusatzmasse an einer PHC mit 6 m Hub und einem Gas-Öl-Verhältnis R = 16, bei Wellen mit einer Periode von Tp = 8 s, bei einer Stickstofffüllung mit etwa 20 MPa (γ = 1.97, dem tatsächlichen Steifigkeitsexponenten unter diesen Bedingungen):
- Nachgiebigkeit der Feder. Der Gasfeder-Term \left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1 \approx 0.067. Ein hohes R und ein langer Hub ergeben eine weiche Feder.
- Eigenperiode. T_n \approx 16\ \text{s}, deutlich über der Wellenperiode von 8 s; das System arbeitet damit im Isolationsbereich.
- Bewegungsverhältnis. Der obige Ausdruck ergibt ≈ 0.34: Die Nutzlast erfährt etwa ein Drittel der Hakenbewegung; rund zwei Drittel der wellenbedingten Bewegung werden somit ausgeglichen.
- Gasexponent. Mit dem idealen Gasexponenten 1.4 statt des tatsächlichen Stickstoffexponenten scheint R = 12 dieselben 16 s zu ergeben. Mit dem tatsächlichen Exponenten sind es 13.5 s, und etwa die Hälfte der Hakenbewegung erreicht die Nutzlast (0.54 statt 0.33).
Das geschlossene Modell ist ungedämpft und liefert nahe der Resonanz konservative Werte: Tatsächliche Dämpfung begrenzt die Spitze und erhöht die Bewegungsübertragung im Isolationsbereich etwas. Für die Auslegung berechnet eine CONSTELLATION-Studie die vollständige numerische Lösung (Gaszustand, Dämpfung, Strömungswiderstand, Anschlagmittel).
Dämpfung: welche Art und wie viel
Die Gasfeder speichert die Energie; der Dämpfer bestimmt, wo sie verbleibt. Ohne Dämpfung ist der Kompensator ein Feder-Masse-System, das nach jeder Störung mit seiner Eigenperiode nachschwingen würde. Beim Hub des Kolbens wird Öl durch Drosselöffnungen oder Regelventile gedrückt. Der Strömungswiderstand wandelt Bewegungsenergie in Wärme um und erzeugt eine mit der Geschwindigkeit zunehmende Kraft. Diese begrenzt die Resonanz, lässt Einschwingvorgänge abklingen und ermöglicht die Steuerung der Absenkgeschwindigkeit beim Aufsetzen.
| Dämpfungsart | Kennlinie | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Linear | F \propto v | Einfach zu modellieren; in realen Anlagen selten |
| Quadratisch | F \propto v^2 | Typisches Verhalten bei Strömung durch Drosselöffnungen: stark bei hoher, gering bei niedriger Geschwindigkeit |
| Variabel | Einstellbare Drosselöffnungen / Proportionalventile | An die Betriebsphase angepasste Dämpfung: der adaptive Ansatz |
Variable Dämpfung in der Praxis: ANTARES passt die Dämpfung zwischen den Phasen des Hebevorgangs automatisch an; RIGEL und CYGNUS werden an Deck manuell eingestellt.
Weitere Unterwasseranwendungen
Passive Seegangskompensatoren können bei Unterwasserinstallationen weitere Vorteile bieten:
- Die Seilspannung lässt sich während der gesamten Aufsetzphase aufrechterhalten; das verhindert ein plötzliches Krängen des Schiffs.
- Spitzenlasten beim erneuten Anheben der Nutzlast werden verringert.
- Beim Bergen aus dem Wasser wird die Seilspannung aufrechterhalten, um Überlastungen bei einer Befestigung am Meeresboden zu vermeiden.
Den richtigen PHC wählen
Norwegian Dynamics bietet drei passive Baureihen an: RIGEL, die Basiseinheit; CYGNUS, mit dem größten Traglastbereich bis 10,000 t für besonders schwere Hebevorgänge und große Wassertiefen; sowie ANTARES, die adaptiv-passive Einheit mit automatischer Dämpfungsregelung.
→ Sie benötigen Hilfe bei der Auswahl? Lesen Sie unseren Leitfaden zur Auswahl eines Seegangskompensators oder kontaktieren Sie unsere Ingenieure.
RIGEL, ANTARES oder CYGNUS: im Überblick
| Merkmal |  |  |  |
|---|---|---|---|
| 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 | Batterie: keine Versorgungsleitung | Batterie: keine Versorgungsleitung |
| Besonderheit | Einfachste und leichteste Einheit | Fähigkeit zum schnellen Anheben | Traglastbereich für schwere Hebevorgänge und große Wassertiefen |
| Zertifizierung | Ausgelegt und klassifiziert · DNV-ST-0378 (Typzulassung in Bearbeitung) | Ausgelegt und klassifiziert · DNV-ST-0378 | Ausgelegt und klassifiziert · DNV-ST-0378 |
| Geeignet für | Einfache Durchquerungen der Spritzwasserzone und grundlegende Kompensation | Anspruchsvolle, mehrphasige Hebevorgänge mit Bedarf an automatischer Dämpfung | Schwere Unterwasser-Hebevorgänge in großen Wassertiefen |
Eine erste Orientierung: Der Leitfaden zur passiven und aktiven Seegangskompensation erläutert die Auswahl Frage für Frage.
Passive Seegangskompensation: häufige Fragen
Was ist passive Seegangskompensation?
Was sind die Hauptbestandteile eines passiven Seegangskompensators?
Wie wirksam ist die passive Seegangskompensation?
Wann ist ein passiver Kompensator die richtige Wahl gegenüber einem aktiven?
Welcher Seegangskompensator von Norwegian Dynamics passt zu welchem Hebevorgang?
Sie wählen einen passiven Seegangskompensator für Ihren nächsten Hebevorgang aus?
Wir legen PHC-Systeme für den Einsatzbereich aus: Hs, Tp, Nutzlast und Wassertiefe. Senden Sie uns die Eckdaten; wir empfehlen Ihnen ein passendes Produkt.
Eckdaten zum Hebevorgang senden
