Устройство для постановки на якорь плавучего сооружения
Изобретение относится к системам для постановки на якорь плавучих сооружений. Устройство для постановки на якорь плавучего сооружения содержит швартовную штангу, каждый из концов которой снабжен средствами для поворота штанги относительно оси вращения, при этом каждая швартовная штанга на ее свободном конце снабжена втулкой, сквозь которую могут проходить цепи или тросы. К противоположному торцу плавучего сооружения прикреплена якорная цепь, которая проходит сквозь одну из втулок. Кроме того, с целью придания сооружению устойчивости устройство может быть снабжено связями, которые соединяют свободные концы обеих швартовных штанг с указанным сооружением. Изобретение позволяет создать такую систему постановки на якорь, которая не вызывает существенного дифферента плавучего сооружения, а также обеспечивает устойчивое позиционирование с небольшим дрейфом и уменьшает расстояние между якорем и плавучим сооружением. 10 з.п. ф-лы, 11 ил.
Настоящее изобретение относится к системам для постановки на якорь плавучих сооружений. В частности, изобретение относится к саморегулируемому устройству, предназначенному для устойчивой постановки на якорь плавучего сооружения, которое надежно закреплено, находясь в воде с предсказуемым направлением водного потока, например, приливных течений или течения реки. Настоящее изобретение, следовательно, может быть использовано для постановки на якорь, например, приливных электростанций.
Один из примеров плавучей электростанции, предназначенной для выработки электрической энергии за счет использовании энергии потока воды (текущего с низкой скоростью), описан в патенте США №4864152. Данная электростанция приспособлена для свободного поворота относительно швартовного кнехта, который прикреплен к морскому дну.
Другой пример плавучей электростанции раскрыт в международной заявке на патент, поданной заявителем данного изобретения (заявка PCT/NO 02/00249, дата подачи 08.07.2002, опубликована 23.01.2003 под номером WO 03/006825 A1). Данная электростанция содержит платформу, оборудованную большим количеством плавучих элементов, расположенных предпочтительно по одному в каждом углу платформы. Это обеспечивает сочетание требуемой устойчивости как в боковом, так и в продольном направлениях, с минимальным перемещением платформы. От платформы, с каждой из ее сторон, отходит большое количество поддерживающих консолей, каждая из которых поддерживает корпус генератора. Поддерживающие консоли в месте их соединения с платформой снабжены шарнирами.
Описанное выполнение устройства обеспечивает известное и соответствующее техническим требованиям закрепление платформы с использованием якоря (не показан) и цепи с обеих сторон. Один или два якоря с каждой стороны, или один якорь с каждой стороны удерживают две платформы. Это означает, что платформы могут быть поставлены на якорь с ориентацией в продольном направлении на желательном расстоянии друг от друга и в такой близости, чтобы турбины были установлены с промежутками между ними. Если на якорь поставлены несколько энергоустановок бок о бок, то в этом случае посредством цепей также можно будет обеспечить регулируемое/фиксируемое расстояние между этими энергоустановками поперек потока.
Для натяжения цепей относительно якорей в каждом из направлений используют силу, действие которой обусловлено работой турбин. Провисание цепи с противоположной стороны от размещения нагруженного якоря устраняют с помощью лебедки, а когда водный поток поворачивает, то же самое происходит с другой стороны. В результате может быть достигнуто гарантированное и устойчивое положение сооружения, когда поток протекает то в одном, то в другом направлениях.
В процессе функционирования плавучей приливной электростанции плавучее сооружение подвержено воздействию значительных по величине сил и моментов, действующих вследствие работы турбин. Особенно существенным может быть дифференцирующий момент.
Технические условия, изданные организациями по классификации, требуют, чтобы длина якорной цепи (от якоря до плавучей конструкции) была такой, чтобы цепь не могла быть поднята от дна вблизи якоря. В типичной плавучей электростанции сумма действующих сил (сила, обусловленная работой турбин, начальное натяжение, действующее в том же направлении, и сопротивление) может создавать усилие натяжения до 200 тонн, производимое при выработке мощности приблизительно 1,5 МВт в потоке воды, протекающей со скоростью 6 узлов.
Для расчета действующих моментов и для того, чтобы удержать плавучее сооружение в желательном положении, требуется активное использование якорных лебедок электростанции. Однако, как было установлено практическим путем, эти моменты сил и результирующие перемещения очень трудно рассчитать, что является явным ограничением известных плавучих электростанций.
В патенте США №5061131 раскрыта "самовыравнивающая" система постановки на якорь плавучей платформы. В данном патентном документе описана платформа, закрепленная посредством якорных цепей, ведущих к соответствующим якорям на морском дне. Каждая якорная цепь снабжена грузом, который в нормальном положении находится выше морского дна. Под действием внешних сил (например, течение воды, ветер) платформа будет перемещаться. При этом груз на якорной цепи, находящейся с подветренной стороны, будет опускаться в направлении дна. В соответствии с описанием к указанному патенту, если груз покоится на дне, это приводит к значительному и незамедлительному возрастанию сил, направленных на возвращение платформы в исходное положение.
Следовательно, существует необходимость в такой системе постановки на якорь, которая не вызывает существенного дифферента (или продольного колебания) плавучей платформы, а также обеспечивает устойчивое позиционирование с небольшим дрейфом и уменьшает расстояние между якорем и плавучим сооружением.
Настоящее изобретение решает указанные задачи, поскольку оно обеспечивает получение системы постановки на якорь, в которой действие моментов сил (например, создаваемых при работе турбины) компенсируется посредством средств ограничения, швартовной штанги и растягивающего усилия, действующего на якорную цепь.
Для решения данной задачи предлагается устройство для постановки на якорь плавучего сооружения, имеющего первый и второй торцы, при этом предлагаемое устройство характеризуется тем, что на каждом из торцов плавучего сооружения монтируют, по меньшей мере, одну жесткую швартовную штангу, проходящую в направлении вниз, причем швартовная штанга, которая присоединена к первому торцу сооружения, снабжена на ее свободном торце средствами придания направления протяженному швартовному элементу, который одним его концом может быть присоединен ко второму торцу сооружения, а швартовная штанга, которая присоединена ко второму торцу сооружения, снабжена на ее свободном конце средствами для придания направления протяженному швартовному элементу, который одним концом может быть соединен с первым торцом сооружения.
Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах 2-11 формулы изобретения.
Ниже более подробно описан вариант выполнения настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых одни и те же элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.
Фиг.1 - устройство согласно изобретению применительно к электростанции, вырабатывающей электроэнергию за счет энергии потока воды.
Фиг.2 - устройство, согласно фиг.1, вид с торца.
Фиг.3 - устройство, согласно фиг.1, вид с боковой стороны.
Фиг.4 - устройство, согласно фиг.1, вид сверху.
Фиг.5 - швартовная штанга в перспективе.
Фиг.6 - втулка, установленная на свободном конце штанги, в увеличении, и участок штанги, обозначенный позицией В на фиг.5.
Фиг.7 - увеличенное изображение участка, обозначенного на фиг.5 позицией А, и элементы для шарнирного соединения с плавучим сооружением.
Фиг.8а - схема устройства согласно изобретению, с боковой стороны, в неподвижном объеме воды на плаву.
Фиг.8b - устройство, согласно фиг.8а, в положении, которое устанавливается за счет течения воды слева направо на чертеже.
Фиг.9а - схема устройства, согласно изобретению, показанного сверху, без стабилизирующих усиливающих тросов.
Фиг.9b - устройство, изображенное на фиг.9а, со стабилизирующими усиливающими тросами.
Фиг.10а - схема устройства согласно изобретению, снабженного телескопическими швартовными штангами, показанного с одной боковой стороны, плавающее в неподвижном объеме воды.
Фиг.10b - устройство, изображенное на фиг.10а, в положении, которое устанавливается вследствие течения воды слева направо на чертеже.
Фиг.11а - схема устройства согласно изобретению, снабженного средствами ограничения, показанного с одной боковой стороны, в неподвижном объеме воды на плаву.
Фиг.11b - устройство, изображенное на фиг.11а, в положении, которое устанавливается вследствие течения воды слева направо на чертеже.
Устройство согласно настоящему изобретению в его основном выполнении состоит из плавучего сооружения 100, выполненного в виде продолговатой конструкции с первым и вторым торцами, показанными на фиг.8а. При этом к каждому торцу плавучего сооружения прикреплена швартовная штанга 120а, b. Швартовные штанги предпочтительно прикреплены к сооружению с возможностью поворота относительно соответствующих осей 122a, b вращения. На свободном конце каждой швартовной штанги расположена направляющая 124а, b в виде втулки, через которую могут быть пропущены трос, цепь или тому подобная связь. Такие трос, цепь или тому подобная связь (называемые далее швартовными элементами) могут быть, заякорены, например, на морском дне. Каждая из направляющих 124а, b выполнена с возможностью направлять соответствующие швартовные элементы (швартовы), пропущенные через них для прикрепления к противоположным сторонам плавучего сооружения. Как видно из этих чертежей, один из швартовных элементов 110а проходит через средство 124а, b, выполненное в виде втулки, и далее верх к торцу сооружения, противоположному другому торцу, тому, к которому прикреплена швартовная штанга 120а. Как было отмечено, каждая швартовная штанга предпочтительно прикреплена к плавучей конструкции с возможностью поворота относительно оси вращения, но, помимо того, швартовные штанги могут содержать телескопические элементы (в том числе пружины и амортизаторы), которые обеспечивают сжатие и удлинение указанной швартовной штанги вместо присоединения штанги к сооружению посредством шарнирного соединения. Один такой пример выполнения показан на фиг.10а и 10b.
В соответствии с вышеизложенным электростанция или сооружение на обоих торцах предпочтительно снабжены шарнирно присоединенными швартовными штангами, при этом на свободном конце каждой швартовной штанги установлена гильза или втулка, через которую могут быть пропущены цепи, как это показано на чертежах. Якорная цепь или трос, которые проходят через одну из втулок, прикреплены к противоположному торцу электростанции. Кроме того, в целях обеспечения устойчивости предпочтительно наличие связей 126 натяжения, которые соединяют свободные концы обеих швартовных штанг с энергетической установкой. На фиг.8b, 10b и 11b показаны различные примеры выполнения изобретения при размещении сооружения в водном потоке, который, как предусмотрено, протекает слева направо на чертеже. С обоих торцов сооружения в направлении течения проходит основная цепь (протяженный швартов). Как показано, эти швартовные элементы выходят из "кормового торца" сооружения и проходят под сооружением в направлении вперед, вдоль центральной линии, через направляющие 124а, b, выполненные в виде втулок, которые, в свою очередь, как было отмечено выше, прикреплены к свободному концу швартовной штанги. Швартовная штанга при ориентации в "направлении действия нагрузки" будет находиться под углом, почти равным 45° относительно положения конструкции.
Швартовная штанга может воспринимать усилие сжатия и предпочтительно шарнирно соединена с торцом конструкции, а также снабжена тросами натяжения, протянутыми от втулок или гильз, с нижнего конца штанги к каждой из сторон конструкции. Длина и вес швартовной штанги выбраны такими, что моменты, вызывающие и предотвращающие дифферент, будут иметь в одинаковой степени большую величину в обоих направлениях балансировки дифферента. Таким образом, при всех моментах, действующих на сооружение, будет достигнуто саморегулируемое "равновесие дифферента".
Швартовная штанга выполнена с возможностью свободного поворота относительно своей оси 122а, b вращения предпочтительно вместе с боковыми связями 126 натяжения и действует наподобие "мертвяка" на якорных цепях (груза, который натягивает не отвесно проходящую якорную цепь). Такое функционирование штанги особенно выгодно на стороне конструкции, противоположной действию основного натяжения, и обеспечивает оптимальное устойчивое положение конструкции. В случае изменения направления потока воды швартовные штанги будут автоматически выполнять указанную функцию. Кроме того, предполагается осуществление способа, в соответствии с которым, как только точно устанавливают, где должен располагаться плавучий объект, определяют место установки задействованного якоря с учетом глубины и топографии дна. Затем расставляют якоря, используя вспомогательные суда, и протягивают якорную цепь в направлении расположения плавучего объекта. Перед отсоединением конца цепи удерживают якорь и стравливают якорную цепь, конец которой был соединен с элементом плавучести (для ее последующего подъема). Та же процедура повторяется для якоря номер 2. Когда необходимо привести электростанцию в действие, расположенные в воде швартовные элементы пропускают через втулку, установленную на швартовной штанге 120а, b, и направляют к плавучему сооружению. Цепь сначала втаскивают на гидравлический цепной стопор 130а, b и затем для последующего выбирания цепи используют гидравлическую подъемную аппаратуру. В том случае, когда течение воды достаточно сильное, окончательный подъем и закрепление якоря могут быть осуществлены с использованием турбины электростанции.
На фиг.1 представлен вариант выполнения изобретения, в котором поддерживающая конструкция 620 оборудована помещением 600 для пульта управления, а поддерживающие консоли 615 соединены с генераторами 752 для выработки электрической энергии, осуществляемой при низкой скорости течения воды. Поддерживающие консоли 615 соединены с поддерживающей конструкцией 620 с возможностью поворота относительно оси вращения, как было отмечено в ранее поданной заявителем заявке PCT/NO/02/00239 (ссылка приведена выше). Согласно фиг.1 конструкция 620 снабжена парами плавучих элементов 610, предпочтительно на первом и втором торцевых участках сооружения. Кроме того, на фиг.1 показаны места 630а, b присоединения и регулирующая гидравлическая аппаратура, которые необходимы для выбирания швартовных элементов и управления ими. Как отмечено выше, швартовные штанги 650а, b проходят от сооружения наклонно вниз, и фиг.1 иллюстрирует вариант выполнения, в котором эти штанги присоединены к сооружению с возможностью поворота относительно соответствующих осей 652а, b вращения. Каждый из свободных концов швартовных штанг снабжен направляющими 654а, b, выполненными в виде втулок или гильз, соединенными со швартовными штангами предпочтительно с возможностью поворота относительно оси вращения. Результирующая устойчивость сооружения достигается посредством связей 660 натяжения, выполненных в виде тросов натяжения, протянутых от свободных концов швартовных штанг вверх к каждому из плавучих элементов 610, как это показано на фиг.1.
Фиг.2, отображающая то же устройство, что и на фиг.1, но со стороны одного торца, показывает, что связи 660 натяжения на практике могут быть выполнены в виде цепей.
На фиг.3 представлены места 630а, b соединений и швартовные элементы 617а, b, которые проходят по верхней поверхности конструкции и показаны на чертеже огибающими снаружи ее торцы. Кроме того, на чертеже показано, что плавучие элементы 610 монтируют так, чтобы поддерживающая конструкция 620 в нормальном положении не контактировала с водой, однако настоящее изобретение такой конструкцией не ограничивается. Следует отметить, что на фиг.1-4 представлен вариант выполнения данного изобретения, размещенного в водном объеме, но в объеме неподвижной воды, т.е. сооружение не подвержено воздействию течений в каком-либо направлении.
На фиг.5 представлен вариант выполнения швартовной штанги 650а, b и раскрыты детали конструкции концевых участков швартовной штанги.
На фиг.6 представлена направляющая в виде втулки 654, выполненной с возможностью присоединения к швартовной штанге с возможностью поворота относительно оси вращения.
На фиг.7 показано присоединение швартовной штанги к оси вращения 652а, b, которой снабжена конструкция.
На фиг.8а - фиг.11b показан еще один вариант выполнения устройства согласно изобретению. Как уже было отмечено, фиг.8а отображает основное плавучее сооружение 100 с двумя швартовными штангами 120а, b, каждая из которых служит направляющей для швартовных элементов (т.е. цепей или тросов). На фиг.8а показано устройство согласно изобретению, установленное в неподвижном объеме воды, где швартовные элементы 110а, b проходят к каждой стороне и надежно прикреплены, например, к якорям, установленным на морском дне. Фиг.8b отображает устройство, показанное на фиг.8а, позиционированное под воздействием течения воды, направленного на чертеже слева направо. Швартовная штанга 120b поднимается на небольшое расстояние вверх в результате натяжения швартовного элемента 110b, в то время как на штангу 120а действует сила, направленная вниз. Обе швартовные штанги 120а, b поворачиваются относительно соответствующей оси 122а, b вращения.
Фиг.9а иллюстрирует швартовные штанги 120а, b. Швартовные штанги могут представлять собой большие жесткие элементы, но на практике (как к тому же показано на вышеупомянутых чертежах) швартовные штанги 120а, b выполняют так, как на фиг.9b, и предпочтительно, чтобы они были снабжены связями или элементами 126 натяжения, как это и показано на фиг.9b.
На фиг.10а и 10b показан вариант выполнения устройства, соответствующего изобретению, в котором швартовные штанги 120'a, b выполнены телескопическими. Для специалиста в данной области техники очевидно, что такие швартовные штанги могут быть жестко прикреплены к конструкции 100 или же присоединены к ней с возможностью поворота относительно оси вращения, как было указано выше. Подобно ранее рассмотренным чертежам, фиг.10b отображает устройство согласно фиг.10а в таком положении, которое устанавливается под действием течения воды, протекающей на указанной фиг.10b слева направо.
Чтобы контролировать угол поворота штанги, швартовные элементы 110а, b могут быть снабжены ограничителями 112а, b, установленными снаружи от соответствующих швартовных штанг 120а, b. Эти ограничители контактируют со свободным торцом соответствующих швартовных штанг, как показано на фиг.11b, где на конструкцию 100 под действием течения воды, протекающей слева направо на указанной фигуре, действует сила в направлении слева направо, вследствие чего упор 112а входит в контакт с направляющей 124а, выполненной в виде втулки, и в результате ограничивается перемещение всей электростанции. Использование упора подобного типа, установленного на швартовной связи в заданной точке (определяющей угол наклона швартовной штанги относительно сооружения), возможно, является предпочтительным решением. За счет этого будет увеличиваться момент, предотвращающий дифферент. На практике реализация метода, согласно которому к платформе прикрепляют цепи (т.е. с противоположного конца по сравнению с известным методом) и пропускают их через втулку, установленную на конце швартовной штанги, выступающей далеко вперед от действующей платформы, приводит к тому, что сооружение (электростанция), в целом, будет расположено сзади этой заданной точки в направлении действия нагрузки. Причина заключается в том, что такое положение нижней точки на швартовной штанге (на втулке, сквозь которую скользит швартовный элемент) поддерживается с боковых сторон штанги посредством двух цепей вблизи поверхности, которые присоединены шарнирно в том же месте, что и верхний конец штанги. К примеру, если один из швартовных элементов оборвется, вся энергетическая установка будет поворачиваться вокруг оси вращения. Другой положительный фактор заключается в том, что при увеличении скорости течения водного потока давление, которое оказывает поток воды на швартовную штангу, также будет возрастать, и в результате штанга под действием сил давления опускается вниз и противодействует дифференту, при котором точка соединения опускается ниже. Соотношение между длиной и весом штанги, которую заполняют песком для увеличения ее веса, представляет собой такое соотношение, которое лучше всего может быть установлено опытным путем. Идеальные длину, вес, угол наклона штанги и т.п. трудно точно рассчитать заранее, поскольку неопределенной является величина усилия, действующего при работе каждой турбины.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было раскрыто применительно к электростанции, предназначенной для выработки электричества за счет энергии течения воды с низкой скоростью, необходимо отметить, что описанное выше устройство постановки на якорь является подходящим для любого плавучего объекта, который подвержен существенным дифференцирующим моментам, обусловленным конструктивным выполнением данного объекта. Поэтому предложенное устройство для постановки на якорь не должно быть ограничено сооружениями, снабженными плавучими элементами 610 в виде понтонов и не ограничено сооружениями с прямоугольным сечением или, главным образом, удлиненной формы.
1. Устройство для постановки на якорь плавучего сооружения (100; 620), содержащего первый и второй торцы, отличающееся тем, что в каждом из указанных торцов сооружения смонтирована, по меньшей мере, одна выступающая вперед и направленная вниз жесткая швартовная штанга (120а; 120'а, b; 650a, b), при этом швартовная штанга, соединенная с первым торцом сооружения, снабжена на свободном конце направляющей (124а; 654а) для удлиненного швартовного элемента (110а; 617а), который одним концом соединен со вторым торцом сооружения, а швартовная штанга, соединенная со вторым торцом сооружения, снабжена на ее свободном конце направляющей (124b; 654b) для удлиненного швартовного элемента (110b; 617b), который одним концом соединен с первым торцом сооружения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая швартовная штанга (120а; 120'а, b; 650a, b) присоединена к плавучему сооружению с возможностью поворота относительно оси (122а; 652а) вращения.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая швартовная штанга (120а; 120'а, b; 650a, b) содержит телескопические элементы, обеспечивающие уменьшение и увеличение длины указанной швартовной штанги.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый соответствующий первый и второй удлиненный швартовный элемент (110а, b; 617а, b) присоединен к соответствующим местам соединения (130b, a; 630b, а) на втором и первом торцах сооружения.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая из направляющих (654а, b) для удлиненных швартовных элементов (617а, b) выполнена в виде втулки, прикрепленной к соответствующей швартовной штанге с возможностью поворота относительно оси вращения.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что удлиненный швартовный элемент (110а, b; 617а, b) взаимосвязан с указанными направляющими (124а; 654b) с возможностью скольжения относительно этих средств.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сооружение (620) поддерживается посредством множества плавучих элементов (610), установленных попарно предпочтительно на первом и втором торцах сооружения и выступающих за пределы сооружения.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, оно снабжено связями (126, 660) натяжения, которые попарно соединяют свободный конец швартовной штанги с первым и вторым торцами соответствующего плавучего сооружения.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанные пары связей натяжения соединяют свободные концы швартовных штанг с соответствующими плавучими элементами (610).
10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что оно содержит множество поддерживающих консолей (615), которые одним из концов присоединены к сооружению с возможностью поворота относительно оси вращения, а другой их конец прикреплен к соответствующим генераторам (752), предназначенным для выработки электроэнергии за счет энергии потоков воды.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый швартовный элемент снабжен упором (112а, b), установленным между соответствующими направляющими (124а, b; 654а, b) и точками крепления якорей на дне под сооружением.
