DE69000831T2 - Schwimmende grenzschicht. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine längliche Schutzsperre für die Verwendung bei der Steuerung von Substanzen, die auf einer Flüssigkeitsoberfläche schwimmen, insbesondere von Öl, das auf einer Wasseroberfläche schwimmt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sperre der Art mit einen Frontschild, zu dessen Frontoberfläche hin die Substanzen abgelegt und seitlich entlang des Schilds transportiert werden, wenn die Sperre relativ zu der Flüssigkeitsoberfläche bewegt wird. Derartige Sperren werden vor allem verwendet für das Leiten und Ansammeln von Öl auf einer Wasseroberfläche in einen konzentrierteren Strang, der danach anderweitig behandelt werden kann. Üblicherweise wird die Sperre durch das Wasser gezogen, wobei sie etwas geneigt zur Zugrichtung ist; sie kann jedoch auch im Strom beispielsweise verankert werden.
• Ein Nachteil zuvor bekannter Sperren dieser Art besteht darin, dar sie nur eine relativ geringe Geschwindigkeit zwischen der Sperre und der Wasseroberfläche, in den meisten Fällen nur 1 bis 2 Knoten, zulassen, bevor ein Über- oder Unterströmen der schwimmenden Substanzen stattfindet und Stabilitätsprobleme entstehen. Da die Sperre einer Flüssigkeitsströmung zu einer relativ großen Vorderfläche unterworfen ist, ist die Belastung der Sperre sehr groß und unkontrollierte Schwingungen und Drehbewegungen treten leicht auf. Unterschiedliche Versuche sind gemacht worden, die Bewegung einer Sperre im Schlepp zu stabilisieren, die jedoch nur zu einer marginalen Erhöhung der möglichen Zuggeschwindigkeit geführt haben, und oft dazu geführt haben, daß die Konstruktionen klobig und schwer zu transportieren und zu handhaben wurden.
• Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwimmsperre gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, die die oben erläuterten Nachteile der zuvor bekannten Sperren ausschaltet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Erfindungsgemäß ist somit eine Sperre vorgesehen, die ein neues Profil mit besonderer Form aufweist, das eine beträchtlich höhere Relativgeschwindigkeit zwischen der Sperre und der Flüssigkeitsoberfläche erlaubt, als es zuvor möglich war.
• Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der Realisierung der Sperre, bei welcher der Tiefgang und die Neigung relativ zur Flüssigkeitsoberfläche automatisch durch die augenblickliche Relativgeschwindigkeit zwischen der Sperre und der Flüssigkeitsoberfläche geregelt wird, um eine stabile Betriebsposition für jede Geschwindigkeit zu erhalten. Die Wirksamkeit der Sperre wird hierdurch erhöht und das Risiko der Über- und Unterströmung wird vermindert.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Sperre geschaffen, die trotz eines relativ komplexen, hydrodynamisch ausgelegten Profils in eine kompakte Transportform gewickelt werden kann, und die schnell und leicht in Aktion gebracht werden kann.
• Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperre, in Betriebsposition auf einer Wasseroberfläche. Unterhalb der Oberfläche liegende Teile der Sperre sind teilweise freigelegt;
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Profils der Sperre; und
• Fig. 3a bis 3c Querschnittsansichten zur Darstellung von Ausführungs formen einer Sperre mit einer erfindungsgemäßen Expandervorrichtung
• Somit stellen Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Schwimmsperre dar, die in Betriebsposition dargestellt ist, d.h., wenn eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Sperre und der Flüssigkeit besteht. Die Sperre weist einen Frontschild 1 auf, zu dessen Vorderoberfläche 2 hin in der Flüssigkeit schwimmende Substanzen abgelegt werden, sind seitlich entlang des Schildes transportiert werden, wenn die Sperre relativ zu der Flüssigkeitsoberfläche bewegt wird. Der Frontschild ist in einer Rückwärtsrichtung geneigt, so daß seine obere Kante 5 hinter seiner unteren Kante 6 ist. Eine Zugvorrichtung 4 ist an der unteren Kante 6 befestigt und so ausgelegt, daß sie einen im wesentlichen horizontalen Zug in der Kante 6 ergibt, wenn die Sperre relativ zu der Flüssigkeitsoberfläche gelegt wird. Ferner weist die Sperre ein Auftriebsteil 7 auf, das sich entlang des Rückens 3 des Frontschilds erstreckt und so angeordnet ist, daß es den Tiefgang und die Neigung des Frontschilds bei der Bewegung der Sperre reguliert. Die untere Fläche 8 des Auftriebsteils ist mit der unteren Kante 6 des Frontschilds verbunden und ist so nach hinten und oben ausgedehnt, daß sie die Flüssigkeitsoberfläche schneidet, wenn die Sperre in Betriebsposition ist.
• Die Sperre kann in einer Anzahl verschiedener Gelegenheiten für das Steuern fester oder flüssiger Substanzen auf einer Flüssigkeitsoberfläche verwendet werden, ist jedoch mehr für die Führung und Konzentration von Öl auf einer Wasseroberfläche bestimmt. In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung der Einfachheit halber in Verbindung mit dieser letzteren Verwendung beschrieben, was jedoch nicht als beschränkend zu interpretieren sein soll.
• Die Zugvorrichtung 4 ist so ausgelegt, daß sie einen im wesentlichen horizontalen Zug ergibt, der an der unteren Kante 6 des Frontschilds angreift. Die Zugvorrichtung 4 kann aus einem Kabel bestehen, das an der unteren Kante des Frontschilds über die Länge der Sperre angebracht ist, oder kann die Fig. 1 oder 2 dargestellte Konstruktion aufweisen, mit einem Primärkabel 10, das im Abstand vor der Sperre angeordnet ist und mit der unteren Kante 6 des Frontschilds durch Sekundärkabel verbunden ist. Jedes Ende des Primärkabels kann wiederum mit einem Schlepper oder einer anderen Zugvorrichtung verbunden sein, oder kann verankert sein, wenn die Sperre im strömenden Wasser angeordnet ist. Es ist auch möglich, nur ein Ende des Primärkabels mit einem Schlepper zu verbinden und das andere mit einen Zugbrett zu verbinden, das die Sperre in einem bestimmten Winkel relativ zum Kurs des Schleppers zieht.
• Die Formgebung der Sperre stellt sicher, dar der Schwerpunkt immer hinter dem Frontschild und über der oberen Kante 6 des Frontschilds ist. Wenn die Sperre durch einen Zug, der an der unteren Kante des Frontschilds angreift, durch das Wasser gezogen wird, schneidet das Frontschild in einer etwas abwärts geneigten Richtung in das Wasser und neigt zum Rückwärtskippen. Diesem wird jedoch durch das sich rückwärts erstreckende Auftriebselement 7 entgegengewirkt, das das Heck der Sperre anhebt und somit die Neigung des Frontschilds relativ zu der Wasseroberfläche regelt. Somit stimmt die Länge des Auftriebelements in rückwärtiger Richtung mit der Größe und Form des Frontschilds überein. Im allgemeinen weist das Auftriebselement eine Länge in der Wasserlinie auf, die den Tiefgang der Sperre übersteigt. Da das Frontschild auf diese Weise daran gehindert wird, rückwärts zu kippen, wird die Sperre tiefer in das Wasser eingedrückt, bis eine Gleichgewichtsposition aufgrund der gleichzeitig zunehmenden Verdrängung des Auftriebselements 7 erreicht ist. Es ist bevorzugt, daß der Frontschild eine konkave Vorderseite in einer solchen Weise aufweist, daß seine untere Kante 6 zusammen mit der unteren Fläche 8 des Auftriebselements einen relativ spitzen Winkel bildet, der die Wasserschneidfunktion des Frontschilds erleichtert. Als Ergebnis der Tatsache, daß die untere Fläche 8 des Auftriebselements des Frontschilds mit der unteren Kante 6 des Frontschilds verbunden ist und sich nach hinten aufwärts erstreckt bis sie die Wasseroberfläche schneidet, wird einen allmähliche Zunahme der Verdrängung für jede Zunahme des Tiefgangs erreicht. Eine stabile Arbeitsposition wird automatisch für jede Relativgeschwindigkeit zwischen der Sperre und der Wasseroberfläche erzeugt.
• Weiterhin wird bei dieser Konstruktion vermieden, daß Wirbel- und Saugeffekte hinter der unteren Kante 6 des Frontschilds auftreten. Eine derartige Wirbelausbildung begünstigt eine Ausrißströmung unterhalb der Sperre, die folglich mit einer erfindungsgemäßen Sperre vermieden wird.
• Diese Umstände machen es möglich, die Sperre bei einer beträchtlich höheren Relativgeschwindigkeit zwischen der Sperre und der Wasseroberfläche zu verwenden, als es bei zuvor bekannten Sperren möglich war. Tests haben beispielsweise bewiesen, daß eine Sperre mit einem in Fig. 2 dargestellten Profil mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 6 Knoten gezogen werden kann, wobei eine stabile Betriebsposition in dem Wasser aufrechterhalten wird.
• Die Ausführungsbeispiele, die in den Fig. 1 bis 3 dargestellt sind, weisen einen dreieckigen Querschnitt auf, der die vernünftigste und bevorzugte Form darstellt. Da das Heck in einer spitzen Kante ausgestreckt ist, werden bevorzugte hydrodynamische Eigenschaften und eine unbedeutende Wirbelausbildung hinter der Sperre erreicht, was zu einem niedrigen Zugwiderstand führt. Auch wird der Einfluß des Winds auf die Sperre gering, wenn das Profil diese Form hat. Andere Querschnittsformen sind jedoch denkbar. Insbesondere kann die obere Fläche 9 des Auftriebselements geändert werden. Beispielsweise kann der Frontschild über die obere Verbindung zwischen dem Auftriebselement und dem Frontschild hinaus erstreckt werden oder ein zusätzlicher Überströmschutz kann als Aufstandsteil an der oberen Kante des Frontschilds angeordnet werden. Daneben besteht keine absolute Notwendigkeit, dar der Auftriebskörper ein geschlossenes Volumen sein muß, wie es in den Fig. dargestellt ist, auch wenn dies bevorzugt in Hinblick auf Wellen usw. ist, die bei Gelegenheit die Sperre überspülen könnten.
• Da die Sperre hauptsächlich dafür gedacht ist, Ölverschmutzungen auf See oder auf Seen entgegenzuwirken, ist es wichtig, daß sie ein bevorzugtes Format aus Transportgesichtspunkten aufweist und leicht und schnell aus ihrem Transportzustand in Verwendung genommen werden kann. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Sperre daher kollabierbar. Das Innere der Sperre ist hierbei mit Gas, bevorzugt Luft gefüllt, das herausgelassen werden kann und wobei die Sperre in eine hauptsächliche flache und aufwickelbare Form abgelassen werden kann.
• Das Profil der Sperre kann mittels einer Pumpe oder eines Gaszylinders aufgepumpt werden, so daß es einen Innendruck, der größer als der Umgebungsdruck ist, aufweist. Ein luftgefülltes Profil kann jedoch auch ohne die Verwendung von Druck oberhalb des Atmosphärendrucks erreicht werden, wobei eine Expandervorrichtung angeordnet ist, um die Sperre aus ihrem kollabierten Zustand mechanisch durch eine Federwirkung zur gleichen Zeit auszudehnen, wie Luft in die Barriere über spezielle Ventile gesaugt wird. Expandervorrichtungen dieser Art sind zuvor in der Literatur bekannt geworden und in den US-Patenten 3 686 869, 3 798 911, 3 811 285, 4 068 478 und 4 295 755 beschrieben worden.
• In Fig. 3a bis 3c sind Querschnitte einer Ausführungsform einer Sperre mit einer speziell ausgebildeten erfindungsgemäßen Expandervorrichtung beschrieben. Unterschiedliche Phasen des Kollabierens der Sperre sind in den Fig. a bis c dargestellt. Die Expandervorrichtung 12 weist eine im wesentlichen parallelogrammförmige Rahmenkonstruktion auf, wobei die Seitenteile in den Ecken faltbar sind, so daß die Form des Rahmens geändert werden kann, und eine Feder 13 ist zwischen gegenüberliegenden Ecken des Rahmens angeordnet. Die Expandervorrichtung arbeitet mit bandähnlichen Versteifungselementen 14 und 15 beim Expandieren bzw. Komprimieren des Profils der Sperre zusammen. Eine Anzahl von zusammenwirkenden Expandervorrichtungen und Versteifungselementen dieser Art sind mit einem bestimmten Abstand zwischen diesen über die Länge der Sperre angeordnet. Das Versteifungselement weist einen Bodenversteifer 15 auf, der sich von der Vorderkante zur Hinterkante der Sperre entlang der Bodenfläche 8 des Auftriebskörpers erstreckt, sowie einen Frontschildversteifer 15, der sich entlang des Frontschilds von der unteren Kante zu dessen oberer Kante erstreckt. Die Rahmenkonstruktion der Expandervorrichtung ist mit einer Ecke an dem Bodenversteifer 14 und mit der gegenüberliegenden Ecke an dem oberen Teil des Frontschildversteifers 15 befestigt und die Feder 13 ist zwischen den verbleibenden beiden Ecken 16 und 17 angeordnet.
• Die Sperre kann in einer üblichen Weise aus undurchlässigem Gummituch oder dergleichen hergestellt sein und kann beispielsweise in Form von miteinander verbindbaren Einheiten ausgelegt sein und kann durch Teilungswände in Abschnitte geteilt werden. Die Rahmen der Expanderelemente und der Versteifungselemente können aus Streifen eines relativ steifen Kunststoffmaterials hergestellt sein, das ein bestimmtes Biegen erlaubt.
• Wenn die Sperre in Betrieb genommen wird, wird sie zum Verwendungsort transportiert, bevorzugt im aufgewickelten Zustand, wo sie zur gleichen Zeit ins Wasser abgewickelt wird, wie sie mit Luft gefüllt wird. Wenn die Sperre eine Expandervorrichtung, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, aufweist, wird die Sperre automatisch ausgedehnt, wenn die Kompressionskraft nachläßt, indem die Sperre abgewickelt wird. Bei dieser Aktion zieht die Feder 13 die faltbaren Ecken 16 und 17 zueinander und die Rahmenkonstruktion hebt den Frontschildversteifer an, wie es in Fig. 3b dargestellt ist. Luft wird gleichzeitig durch (nicht dargestellte) Ventile in die Sperre gesaugt. Die Sperre wird auf diese Weise in ihre vollständig ausgedehnte Form, die in Fig. 3a dargestellt ist, expandiert. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet die obere Fläche des Auftriebskörpers, der in dieser Verbindung gestreckt wird und als ein Anschlag für die Expandervorrichtung arbeitet. Es ist zu diesem Zweck auch möglich, ein getrenntes, flexibles Band zu haben, das entsprechend gestreckt wird und als ein Anschlag für die Expandervorrichtung arbeitet.
• Das auf der Wasseroberfläche schwimmende Öl wird daraufhin durch Ziehen der Sperre in einer geneigten Position durch die Zugvorrichtung 4 konzentriert. Im allgemeinen wird die Sperre bei einem Winkel von 20 bis 30º relativ zur Zugrichtung gezogen. Die Relativbewegung zwischen der Sperre und dem Wasser bewirkt, daß der Frontschild nach unten in das Wasser einschneidet und die zuvor erläuterte Regulation des Tiefgangs und der Neigung des Frontschilds relativ zu der Wasseroberfläche auftritt. Die Sperre nimmt ihre Betriebsposition ein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das Öl wird auf dem Frontschild abgelegt und seitlich entlang des Schildes transportiert und als ein konzentrierter Strang in dem Wasser belassen. Um den Ölstrang kümmert sich ein folgendes Ölsammelboot oder dergleichen. Wie es zuvor erläutert wurde, kann die Sperre auch in einem fließenden Wasser verankert werden oder in einer ähnlichen Weise angeordnet werden, um Öl und andere im Wasser schwimmende Substanzen zu führen und zu konzentrieren.
• Die Sperre kann auch in anderen Verbindungen verwendet werden, wo es erwünscht ist, feste oder flüssige auf einer Flüssigkeitsoberfläche schwimmende Substanzen zu führen und zu konzentrieren. Beispielsweise kann die Sperre in einem Becken oder dergleichen befestigt werden.

Claims (10)

1. Längliche Schwimmsperre für die Verwendung bei der Steuerung von Substanzen, die auf einer Flüssigkeitsoberfläche schwimmen, insbesondere von Oel, das auf einer Wasseroberfläche schwimmt, mit einem Frontschild (1), auf dessen Vorderseite (2) die Substanzen abgelagert und seitlich entlang des Schilds transportiert werden, wenn die Sperre relativ zu der Oberfläche bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Frontschild derart geneigt ist, daß seine obere Kante (5) gegenüber seiner unteren Kante (6) nach achtern versetzt ist, und daß eine Zugvorrichtung (4) an der unteren Kante des Schilds befestigt und so angeordnet ist, daß ein hauptsächlich horizontaler Zug auf die Sperre ausgeübt wird, wenn sie relativ zur Flüssigkeitsoberfläche bewegt wird, und daß ein Auftriebskörper (7) entlang der Rückseite des Frontschilds vorgesehen und so angeordnet ist, daß er den Tiefgang und die Neigung des Frontschilds bei der Bewegung der Sperre reguliert, wodurch der Auftriebskörper sich in eine rückwärtige Richtung erstreckt und die untere Fläche (8) des Auftriebskörpers mit der Unterkante (6) des Frontschilds verbunden ist und sich in Rückwärtsrichtung in einer solchen Weise erstreckt, daß sie die Flüssigkeitsoberfläche schneidet, wenn die Sperre in der Betriebsposition ist.

2. Sperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftriebselement (7) und das Frontschild (1) einen geschlossenen Querschnitt für die Sperre bilden.

3. Sperre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt eine dreieck-ähnliche Form aufweist.

4. Sperre nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie kollabierbar ist und in eine hauptsächlich flache und aufwickelbare Form zusammengedrückt werden kann.

5. Sperre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie so angeordnet ist, daß sie aus ihrem kollabierten Zustand durch Füllen des Inneren mit Gas, bevorzugt Luft, ausdehnbar ist.

6. Sperre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mittels einer federbetätigten Expandervorrichtung (12), die in dem Auftriebskörper (7) angeordnet ist, sich selbst ausdehnen kann.

7. Sperre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Expandervorrichtung (12) eine im wesentlichen parallelogrammförmige Rahmenkonstruktion aufweist, deren Seitenteile an den Ecken faltbar sind, so daß die Form des Rahmens geändert werden kann, und welche Rahmenkonstruktion eine Feder (13) aufweist, die zwischen zwei einander gegenüberliegenden Ecken angeordnet ist.

8. Sperre nach Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bandähnliche Versteifungselemente (14, 15) mit einem gewissen Raum zwischen diesen entlang der Länge der Sperre angeordnet und so angepaßt sind, daß sie das Profil der Sperre in Zusammenwirkung mit der Expandervorrichtung (12) stützen.

9. Sperre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement einen Bodenversteifer (14), der sich von der Vorderkante zur Hinterkante der Sperre entlang der unteren Fläche des Auftriebskörpers erstreckt, sowie einen Frontschild-Versteifer (15) aufweist, der sich von der Oberkante zur Unterkante des Frontschilds erstreckt, und daß die Rahmenkonstruktion der Expandervorrichtung mit einer Ecke an dem Bodenversteifer und mit der gegenüberliegenden Ecke an dem oberen Teil des Frontschild-Versteifers befestigt ist und eine Zugfeder zwischen den beiden verbleibenden Kanten angeordnet ist.

10. Sperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugvorrichtung ein Primärkabel (10) aufweist, das entlang und in einem Abstand vor dem Frontschild (1) verläuft und mit der Unterkante (6) des Frontschilds durch eine Mehrzahl von Sekundärkabeln (11) verbunden ist, die an dem Primärkabel befestigt sind.