专利名称：用于浮体的破冰系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于浮体的破冰系统以及根据权利要求12在使用相应的系统的情况下进行位置固定的方法。
背景技术：
用于浮体或船舶的破冰系统已公知。JP 59-179493A公知了一种系统及方法，在其中(尤其是在船底的龙骨区域中)使用了压载箱，从而从左舷到右舷并且反向地反复泵压压载水，由此实现船舶的倾斜运动。由于这种重量的移动，则可以借助船头区域中的侧面的突起构造来破冰。US 3，939，789另外公知了一种有效的系统。相应地，该文件提供了一种在冰中作业的钻井船，该船在船头区域中配备有可沉入到水中的舱室。另外，设置有在冰面上方平坦地伸出的船头。由于开口相对较大，这种船头的水密舱或平衡水舱可以在甲板区域和侧面区域中迅速灌满水，从而使船头相对于普通吃水线发生下沉，并且通过这种方式将处在船头下方的冰打破。通过将压缩空气引入到该舱室中将平衡水舱重新排空。在该平衡水舱中设置有分隔物，从而能够促使船头和船舶向左舷和右舷倾斜。然而，在船舶的这种构造中存在以下危险，S卩，打破的冰同时会进入到舱室中并且在排空的时候将相应的开口堵塞。根据US 3，850，125的另一种系统示出在冰中作业的钻井船的马刺状船头以及在船底区域中分别处在船头和船尾的舱室，该舱室可以被灌满水或排空。根据这种方式能够使船头的上升和下沉具有破冰作用。在此，其缺陷同样在于舱室具有结冰的危险以及用于排空相应舱室的压缩空气装置的构造相对较为复杂。US 3，872，814描述的是带有钻塔的船身。在此，钻塔处在带有两个侧面的管状浮体的漂浮的半潜入式装置上。在船尾和船头处该浮体配备有灌水区域。由此，可以通过向船头舱室灌水来实现下沉并且同时对冰面或浮冰进行破冰。通过周期性地排空船头舱室和灌满船尾舱室可以更有利地实现上述效果。这种半潜入式装置也可以控制钻井平台的倾斜运动。在此却仍然存在所需的压缩空气系统构造费用相对较高的问题以及灌水舱结冰的危险。JP 58-224887示出另一种具有破冰作用的实施方式，在该实施方式中，在龙骨区域中从船头到船尾地作用有一个固定的压载重量，由此使船舶利用船头来捣碎冰面并且由此执行破冰功能。例如根据DE 42 08 682 B4，为了另外实现船舶的侧向运动，破冰机不仅装配有喷气式发动机还装配有可旋转的推进单元，从而另外实现侧向运动。然而，公知的系统大多都存在以下缺陷，S卩，这些系统的效率低下，在平衡水舱中存在高结冰危险并且其大多数在排空舱室和转移重心时速度过慢。
发明内容
本发明的目的由此在于，克服上述缺陷并且尤其实现一种破冰系统，该破冰系统被用于在冰内或冰附近的浮体，尤其是用于在冰原、冰层或浮冰以及类似地点中的钻井船和考察船或平台，该破冰系统能够有效地将船体或船舶静止地固定在海底某点上方并且提供了相应的用于静止固定的方法。该目的在根据权利要求1的系统中通过该权利要求的特征实现，而在方法上该目的通过权利要求12的特征实现。由于对北极海域所进行的针对可经济开发的油田以及其他原料和矿产的勘探越来越有意义，需要越来越先进的考察船、钻井船以及可静止地固定的漂浮平台，尽管受到洋流和漂流冰面的影响，这些船舶和平台必须仍能够静止地固定在海底上方的规定位置上。由此，按照本发明的系统和方法考虑到了这些要求。在此，主要的核心想法在于， 在船体的船头区域或船首区域中尽可能地朝向船头并且与龙骨线的间距尽可能大地设置船头的平衡水舱。与此相对地在船尾区域中按照间隔和高度设置第二平衡水舱，其中，这两个平衡水舱流体技术地通过至少一个平衡管道彼此连接。在具有平衡管道的情况下，该平衡管道在中央沿龙骨的纵方向延伸。尤其有利的是设置两个平衡管道，这两个平衡管道处在船体或船舶相对的侧面区域中。根据船头平衡水舱和船尾平衡水舱在吃水线上方的优选的布置方式，与平衡管道共同实现了一个封闭系统。但也可以任意根据功能在船舶上相应地布置平衡水舱。在此提出一种防冻的布置方式，该布置方式尤其节省能源。由于该系统在北极相对较低的室外温度下，在-35°C以下必须仍能够完全有效地运行，所以使用一种平衡流体，该平衡流体尤其是带有高含盐量的水或带有可明显地降低平衡介质冰点的添加剂的水。通过隔离舱可以尽可能地从外部防止水舱和平衡管道结冰。为了防止舱室和/或平衡管道结冰，也可以根据需要优选地对该设备进行加热。在船舶或漂浮的平台可能静止地固定在钻孔上方的北极海域中，在或多或少的封闭冰层或浮冰漂流中存在以下问题，即，待被静止地固定的船舶会随着冰漂流。在此可以从缓慢变化的方向中产生大约0. 5kn(节)或更小的漂流速度。因此，船舶必须能够在这种情况下自行动态地，或者以一定角度或甚至横向于冰或洋流的漂流方向，例如，在相应的海上定位点地进行定位。因此，这种船舶必须具有一种破冰系统，该破冰系统的特征如权利要求1示出。根据方法，为了在冰中或冰附近，尤其是在使用根据权利要求1的相应的破冰系统的情况下，稳定这种船体的位置，首先要探测出冰和/或洋流的漂流状况。可以根据当前的冰漂流状况来校准和操纵船体，使得尤其是船体的船头区域与冰或洋流的漂流方向相对并且使船体的破冰系统发挥作用。由于该船体配备有相应的水下驱动单元(该水下驱动单元可以被设置为可在船头或船尾360°旋转的推进单元和/或冲压式驱动装置)，所以如此配备的船舶也可以大约斜向地或甚至横向于冰或洋流的漂流方向地静止地保持在海底上方。由此，破冰系统也可以通过产生倾斜运动和/或捣碎运动来帮助船体在冰附近进行静止的定位。通过这种方式，船体产生了与冰的漂流方向相反的，以漂流速度或洋流的大小进
5行的相对运动，从而使船体或船舶静止地(例如，在海底某点上方)保持在钻孔附近。由此例如，可以通过GPS或其他定位装置来确定浮体的各自位置并且基于所探测到的冰的漂流速度和漂流方向利用船舶的破冰功能来对其进行校准，从而在船头侧和/或船尾侧上，利用平衡介质在船头舱室和船尾舱室中的反复平衡产生了捣碎和破冰功能。另一方面，可以通过船头的冲压式发动机和/或船尾的冲压式发动机(如情况需要的话可以结合机电推进单元或柴油机械的推进单元)利用与漂流速度相反的、所需的相对速度对船舶进行校准，从而将船舶静止地保持在钻孔上方。推进单元可以吊舱式地设置在船底或与船体的主体结合。根据目的，可以某个频率实现船舶的破冰功能以及反复平衡在平衡水舱中的和流向平衡水舱的相应的介质，该频率与冰的漂流速度相适应并且由此起到有效的破冰作用。由于通过船舶的倾斜运动也起到了改进的破冰作用，所以也可以在侧壁的区域内，尤其是在吃水线上方设置侧面的平衡水舱，从而可以通过对其进行反复平衡来产生倾斜运动。根据目的，成对地并且朝向船体中线相对地布置侧面的平衡水舱。考虑到改进船舶的摆动运动或倾斜运动，优选地成对地设置多个侧面平衡水舱，其中，随后沿船舶的纵方向分散地布置这些平衡水舱。也可以通过以下方式改进平衡破冰机的破冰功能，S卩，通过从船头到船尾再从船尾到船头地在舱室中反复平衡的方式，并且结合在侧面的平衡水舱中的平衡过程和由此所产生的倾斜运动来产生船舶的捣碎运动或转动运动。由于应该在尽可能短的时间内实现平衡介质在封闭系统中从船头平衡水舱到船尾平衡水舱的反复平衡，所以首先要在平衡管道中设置大的管直径(例如在1至細之间的直径)并且其次在封闭的平衡系统中集成高功率流体输送装置例如，流体力学的泵装置。相应的流体输送装置可以产生例如，在共同运行时在10至30秒内将500至IOOOt 平衡介质从船尾泵送到船头的输送功率。然而，对于反复平衡(例如，从船头平衡水舱到船尾平衡水舱)而言，也可以利用在反复平衡时涌动的水体的动能来对驱动装置的高输送功率进行补充。对此也就是说，同时利用反向涌动的水体来泵送平衡介质，从而使平衡介质可以更迅速地例如从船头平衡水舱平衡到船尾平衡水舱中。优选地持续对平衡管道进行输送，直至相应的输送装置将所有的容量都输送到管中为止，使得在平衡过程中可以立即使用所有的流体容量。可以通过相应的保持装置或止回装置对该系统进行补充，该保持或止回装置尤其是可双向运行的和切换的。取决于所使用的平衡介质，流体输送装置也可以被设置成液压的或气动的。为了使船舶实现尽可能好的捣碎作用从而实现破冰，优选地朝向浮体的龙骨线或底线以尽可能大的高度间隔布置船头平衡水舱和船尾平衡水舱。由此，尽可能靠近船头和船尾地并且尽可能在主甲板的高度上设置船头平衡水舱和船尾平衡水舱。为了防止和阻止平衡介质结冰，优选地利用隔离舱从外面保护其下面的舱室和平衡管道。也可以为船头平衡水舱和船尾平衡水舱配备分舱(尤其是在船中线的平面内)， 由此也可以交替地对船舶的侧面产生重量负载，并且由此可以改善对侧面破冰的倾斜运动。考虑到浮体的捣碎运动或转动运动的产生，也可以只设置一个平衡水舱，尤其是船头平衡水舱。这种单个的平衡水舱既可以被灌满现场抽取的海水和被排空。也可以与侧面的中间水舱连接成为一个封闭的系统，从而分别泵送平衡介质，将剩余的平衡介质仍存储在平衡系统中。在利用平衡管道的总功能方面，可以如下方式布置或设置平衡水舱(尤其是用于产生船舶的捣碎作用)的数量和布置方式，从而能够在相对较短的时间间隔中在船舶中产生尽可能大的平衡力矩。与这种船舶的不同使用需求相关地还可以根据目的地，可选择地或与封闭的平衡系统结合地实现一种向外敞开的平衡系统，从而对优选的封闭的平衡系统进行补充。由此，出于修理角度通过流体管道尤其将船头和船尾的平衡水舱向外与海水连接也是有意义的，由此可以辅助性地或选择性地实现平衡过程。还可以如下方式改进对船舶的操纵能力，S卩，额外地为主驱动装置设置其他的直接的或间接的驱动装置，尤其是船头喷气式发动机和船尾喷气式发动机，如情况需要的话可以结合例如，机电推进单元，其中，后者是吊舱式的悬挂装置，大多具有从0°至360°的旋转范围。这种驱动装置组合恰好可以使相应的浮体或船舶(尤其是计算机控制地)在漂流和洋流中仍静止地固定在钻井或海底确定的位置上方。具有优点地，可将在本发明的范围内所描述的平衡系统设置为计算机控制的，并且该系统不仅可以使用在冰层下的水中也可以使用在开放的水面中。通常完全自动地进行该平衡过程，其中，也可以考虑半自动的功能。计算机控制的平衡方式允许大量的平衡过程和调节过程。由此既可以控制浮体的转动或捣碎运动也可以控制浮体的倾斜运动。同样能够在捣碎工序或倾斜工序或其组合中根据预先给定的、待达到的角度按照方法地实现周期性的频率。由于需要尽可能快速的反复平衡过程并且要求与船舶运动所需的频率相应地实现该过程，所以需要流体输送装置，该流体输送装置能够在平衡管道中实现在大约8m/s以内的流速。与之相比，在压仓水或流体在大约:3m/s的时候，出现反复泵送。可以使用气动式驱动装置例如，鼓风机单元作为流体输送装置，该流体输送装置的极限大约在IOm/水柱高度(WS)左右。与此相对地是离心泵更具优点，采用离心泵，向相反的作用方向的切换应该更加迅速。螺旋桨驱动装置和涡轮驱动系统尤其适用于快速的反复平衡过程过程。用于稳定位置的系统由此一方面与冰的漂流速度同步，并且另一方面相应于船舶与破冰功能相关的捣碎频率和转动频率。为了改进破冰功能，使船舶外壳尤其在船头侧和船尾侧非常突出地设置。通过设置相应的冰层类型所需要的船壁和船底来对整个船体明显地进行补充。
在倾斜运动中通过伸出的船侧壁来改进破冰效果。 考虑到破冰效果，也可以预先给定出最大的平衡角度和倾斜角度，在反复平衡过程过程中，对于船舶的转动和倾斜而言也应该考虑该最大平衡角度和倾斜角度。为了在时间方面对该平衡过程过程进行改进，应该持续以平衡介质填充平衡通道，至少填充至输送泵，并且相反的、空的平衡水舱不具有剩余液体。在泵送过程中尤其要注意的是，为了避免空穴作用所造成的损害不能让空气进入泵中。根据这种方式，可以立即现有的全容量开始平衡过程并且在相应的平衡管道的直径尺寸下可以在10至20s之间密封500至IOOOt的平衡容量。
下面借助两个实施例的示意性视图来更详细地阐述本发明。其中图1是大约在主甲板的高度上所获取的截面图，该截面图是配备有破冰系统的船舶的俯视图，其中，利用阴影线示出了带有连接的平衡管道的船头平衡水舱、船尾平衡水舱以及两个侧面的平衡水舱；图2是沿着右舷侧的平衡管道穿过图1所示的船舶而获取的纵截面图，该纵截面图带有在船头平衡水舱和船尾平衡水舱中的截面图；图3是根据图1大约在剖切线3-3的高度上所获取的纵截面图；图4是根据图1大约在剖切线4-4的高度上所获取的纵截面图；图5是船舶的船头区域的示意图，该船头区域带有破冰功能并且通过三个线条图示出了带有破冰功能的船舶的捣碎运动。
具体实施例方式图1示出的是在大约主甲板的高度上所获得的船舶1的水平剖面图，该图示出了平衡系统的主要组件。利用阴影线在船头区域2中示出了船头平衡水舱10，而在船尾区域3中示出了船尾平衡水舱16。平衡水舱10、16尽可能远地布置在船舶最前方的位置上或船舶最后面的位置上。如图2的截面所示，以距离龙骨线4或船底7尽可能大的间距设置平衡水舱10、 16。基于这种极端的布置方式(在普通的吃水线上方)，明显地改善了作用在冰面上的力矩。在实例中，利用设置在船舶的外部区域中的平衡管道流体技术地连接平衡水舱 10、16。该平衡管道12、13处在平衡水舱10、16的下水平面之下，但在通常情况下这些平衡管道仍然处在吃水线之上。按照作用，平衡管道12、13以及处在其中的平衡介质与作为高功率泵的输送泵 18、19连接。类似地如图1所示，同样也可以设置另外的输送泵，该输送泵朝向船尾地移动地额外地设置在平衡管道上。为了产生船舶的倾斜运动，在两侧设置了侧面的平衡水舱21和22。如图2所示， 这些侧面平衡水舱21、22在船舶中处在非常深的位置，尤其是在船舶的底部区域。如图2所示，船头2被形成为扁平船头。这种构造同样适用于船尾3，该船尾具有非常平坦的突出(auslaufend)的区域。也可以将船头区域设置成勺形船头。也可以利用充分伸出的船首柱和船尾柱来实现船头处和船尾处的扁平轮廓，从而可以实现良好的破冰功能。在根据图2的右舷侧的视图中，示意性地示出了带有支承32和驱动装置33的驱动螺旋桨31。图3示出了根据图1的剖切线3-3垂直剖视图。在根据图3的纵剖视图中，平衡管道12、13被设置在船舶的甲板区域下面非常深的位置中。还示出了向下方伸出的支承32 和；35。船舶1的侧面船壁被构造成为伸出的船壁对、25，使得其在倾斜运动中具有更好的破冰功能。在根据图4的沿着剖面线4-4的剖面图中示意性地示出，平衡通道12或13逐渐变为船尾平衡水舱16的侧面的连接箱并且其截面大约为L-形。考虑到输送泵18、19，平衡管道12、13也可以具有圆形的直径，其直径可以在例如，Im至鈿之间。为了从外面进行保护，通过设置在外面的隔离舱额外地保护平衡管道和平衡水舱。根据图5的示意图示出了船舶1的船头区域2以及朝向船头斜面38漂流的冰面 41。基于船舶的捣碎运动，可以通过船头2的向前运动和向后运动产生破冰作用，从而将冰面41破碎成较小的冰片42，该捣碎运动是通过到船头平衡水舱和船尾平衡水舱中的反复平衡效应所产生的。以伸出的侧面船壁M、25发挥辅助作用的朝向侧面的倾斜运动也示出了类似的作用。由此，该破冰系统以及相应的方法使浮体或船舶在一定厚度内的北极海洋冰中也能够静止地固定在海底某点上方，例如，出于钻井目的。
权利要求
1.一种用于在冰中或在冰附近的浮体(1)，尤其是用于钻井船和考察船或平台的破冰系统，带有至少一个船头的船体区域或船头区域O)，所述区域在水面和冰面区域上方伸出；带有至少一个平衡水舱(10)，所述平衡水舱设置在船头的船体区域或船头区域O)中以及带有装置(18、19)，用于以流体，尤其是水来充满和排空所述平衡水舱(10)，从而使充满的平衡水舱重量增加而排空的平衡水舱重量减小，从而使船头的船体区域或船头区域 (2)相对于冰面产生至少一次破冰、捣碎运动， 其特征在于，在船体(1)的船头和船尾处设置有平衡水舱(10、16)，为了产生破冰的捣碎运动而周期性地按照重量相反地使所述平衡水舱加载和卸载，至少一个平衡管道(12、1；3)流体技术地将所述船头的和船尾的平衡水舱(10、16)彼此连接，至少一个流体输送装置(18、19)流体技术地设置在所述平衡水舱(10、16)之间并且所述平衡水舱(10、16)被构造为封闭的。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于。一条平衡管道(18)，所述平衡管道被布置在中央，尤其是船中部(5)，以及两条平衡管道(12、13)，所述两条平衡管道尤其设置在相对的浮体侧或船舶侧的区域中。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述浮体(1)具有侧面倾斜水舱01、22)，具有至少一对相对的侧面倾斜水舱或具有多对侧面倾斜水舱，所述多对侧面倾斜水舱出于平衡目的沿所述船舶的纵方向分布，并且在所述吃水线区域中或大约在所述吃水线之上尤其设置有突出的船侧壁(对、25)。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的系统，其特征在于， 所述流体输送装置(18、19)被设置成流体力学的、液压的或气压的。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的系统，其特征在于，至少所述船头和船尾平衡水舱(10、16)尽可能极端朝向船头或船尾移动地设置在所述浮体(1)的所述端部区域中。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的系统，其特征在于，船头和/或船尾平衡水舱(10、16)配备有分舱，并且也可被驱动用作侧面平衡水舱而产生所述船体(1)的倾斜运动。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的系统，其特征在于，所述封闭的平衡水舱(10、16、12、1；3)具有带有高含盐量或用于降低冰点的添加剂的水。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的系统，其特征在于，所述尤其带有流体动力设置的流体输送装置(18、19)被设计用于实现所述平衡介质的高输送功率，尤其是在10至30秒内实现在500t至IOOOt的范围内的高输送功率。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的系统，其特征在于，设置有用于固定所述浮体(1)位置的装置以及用于尤其是朝向所有方向控制操纵所述浮体(1)的直接或间接的驱动装置(31)。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的系统，其特征在于，船尾处设置有充分地伸出的船尾柱(3)，所述船尾柱伸出超过所述吃水线并且在存在冰面时伸出超过所述冰面。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的系统，其特征在于，设置所述用于固定所述浮体(1)的位置的装置，从而探测出所述冰和/或所述洋流的漂流状况并且从而与所述漂流相反地控制所述船体(1)的校准和反向运动。
12.用于在冰中或在冰附近固定浮体(1)或船舶(1)的位置的方法，尤其是在使用了根据权利要求1至11中任意一项所述的系统的情况下，其中，测定出所述冰或所述洋流的漂流状况，与所述冰或所述洋流的漂流方向相反地对所述浮体(1)或船舶(1)，尤其是对其船头区域( 进行校准，发挥所述浮体(1)或船舶(1)的破冰系统(10、16、18、19、12、13)的作用，并且与所述冰或所述洋流的漂流方向相反地，以所述漂流速度的大小进行所述浮体(1)或船舶(1)的动力的相对运动。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用某个频率驱动所述破冰系统，为了实现有效的破冰功能，所述频率与所述冰的漂流速度相应。
全文摘要
要求保护一种用于在冰中或冰附近的浮体的破冰系统，该破冰系统带有伸出的柱以及至少两个用于产生浮体的捣碎运动的平衡水舱(10、16)，其中，该至少两个平衡水舱通过至少一条平衡管道(12、13)，利用用于平衡介质的高功率输送装置(18、19)流体技术地连接并且该平衡系统被构造为封闭的。
文档编号B63B35/10GK102333693SQ200980157567
公开日2012年1月25日 申请日期2009年3月10日 优先权日2009年3月10日
发明者克劳迪欧·尼赤塔, 波仁德·普鲁恩 申请人:瓦特西拉船只设计德国有限公司