Der Grosse Umlauftank der VWS-Berlin und seine stromungstechnischen probleme

1 6 JAN. 1973

ARCHIEF

D e r G r o f t e U m l a u f t a n k

d e r V W S - B e r l i n

und seine s t r ö m u n g s t e c h n i s c i i e n Probleme

Technische Hogeschool

Delff ^^^3

Einleitung

Anknüpfend an die früheren Mitteilungen über die neue Versuchsankge der VWS - Berlin [1] [2] [3] wird in dieser Arbeit speziell auf strömungstechnische Probleme bei Ent-wurf und Ausführung dieses Tanks eingegangen.

Bei den bis heute betriebenen Umlauf- und Kavitations-tanks konnten strömungstechnische Vorstellungen unter Zurückdrangen der statischen Geslchtspunkte bearbeitet

Von P. Bade, Berlin *)

werden, da entweder die grolden Umlauftanks ohne Druck-absenkung betrieben werden oder die Kavitationstanks immere noch relativ klein sind. Die Forderung der VWS

der einzelnen Tankabschnitte notwendig. A m augenfallig-sten schlug sich dies in der geringen Diffusorlange und der ungewöhnlichen Anordnung des Pumpenzulaufs über dem Maschinenraum nieder (Abb. 1).

So besteht der Tank aus dem oberen druckfesten Rohr von 8 m Durchmesser, in das die Düse, die Mef^strecke, der Auslaufkanal und die Beruhigungsstrecke eingeschlossen sind, sowie aus den unteren Rohrteilen wie Pumpenzulauf, Pumpe, konischem Diffusor und dem groi5en westlichen Krümmer mit 180° Strömungsumlenkung. Wegen Bean-spruchungen aus Unterdruck und Wasserlast wurden f ü r alle Bauabschnitte der Rohrleitung Kreisquerschnitte gewahit. Deshalb wurde auch das ursprünghche Konzept f ü r das Ende der Beruhigungsstrecke nochmals geandert und

an-an den Umlauftan-ank, aufier Routineversuchen wie Schlepp-und Propulsionsversuchen auch Kavitationsversuche mit Druckabsenkung durchführen zu können, liel5 f ü r diesen extrem grofien Tank ein völlig neues Konzept entstehen. Wegen des geringen zur Verfügung stehenden Baugelan-des auf der Schieuseninsel im Tiergarten war die Lange Baugelan-des Tanks auf etwas weniger als 60 m zu beschranken. Der Bauplatz wurde zwar durch Abspunden und AuffüUen des Wehrgrabens auf das Doppelte vergröfiert, jedoch waren immer noch Einschrankungen der optimalen Baulangen

*) D i p l . I n g . Peter Bade ist wissenscliaftlicher Mitarbeiter im I n g . -Büro Boes

stelle eines rechteckigen Einlauftrichters unter dem zylin-drischen Rohr der Beruhigungsstrecke ein kegelförmiger Einlauftrichter gewahit, der das ebenfalls als Kegel aus-gebildete Ende der Beruhigungsstrecke unter einem Winkel von 83,5° durchdringt.

Weitere Forderungen der VWS wie wellenfreie Mefi-streckenoberflache, gute Homogenitat und Zeitkonstanz des Geschwindigkeitsfeldes sowie Blasenfreiheit bei allen Be-trlebszustanden wurden nach intensiven Untersuchungen durch hydrodynamische Einbauten am Modell erfüllt. Die Er-kenntnisse aus den Modellversuchen wurden bei der Kon-struktion der einzelnen Tankabschnitte berücksichtigt. Die Übertragbarkeit der Modellergebnisse auf die Grofiausfüh-rung wird spater im einzelnen diskutiert.

ALLE U B E L J ^ O T E H BEÏOCEM AUF LWC Z-Z BZW l OE TAÊELLDrtTERIE SN3 l>*Cf*1ASS£ DÜSE

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Abb. 2: Rill DUse

Die Düse

Die guten Erfahrungen mit der relativ kurzen Düse des alten Umlauftanks der VWS [4], bei welcher der kreis-förmige Eintrittsquerschnitt mit Hilfe eines kurzen Über-gangsstücks direkt in den Rechteckquerschnitt der Mefistrecke überleitet, führten bei der neuen Versuchsanlage zu einem Düsenrifi, der dieses Prinzip übernahm. In Anlehnung an die Arbeiten von Wille [5] und die Göttinger Windkanal-düsen [6] wurde eine Düse mit Wendepunkt im Kontur-verlauf und linearem Übergang vom Kreisquerschnitt des 8 m Rohres auf den Rechteckquerschnitt 3X5 m^ der

Mefi-n hlr^tf Modtlldüj»

GESCHWINDIGtflISVERHALTNIS

Abb. 3: Vertikale Geschwindigkeitsvertellung in drei Abstanden hinter DUse auf Mitte MeBstrecke

strecke entworfen. Da die bei [5] beschriebenen Düsen reine Kreisdüsen waren, entwickelte der Verfasser eine Methode, bei der der lineare Ubergang vom Kreis- zum Rechteck-querschnitt unter Einhaltung des jeweils gleichen hydrau-lischen Radius gegenüber der Düse mit Kreisquerschnitt erfolgte. Charakteristisch für diese Düse ist der kurze Bereich grofier Querschnittsabnahme, dem sich ein relativ langer, fast zylindrischer Teil mit kleiner Querschnitts-abnahme zur Mündung hin anschliefit. Den Rifi dieser Düse gibt Abb. 2 wieder.

Die Düse konnte am Funktionsmodell im Mafistab a = 1 0 auf ihre Eignung hin untersucht werden und erfüllte hier die in sie gesetzten Erwartungen. Die Düsengrenzschicht der Mündung war sehr dünn, so dafi auch die hieraus resul-tierende Oberflachengrenzschicht in der Modellmefistrecke schon nach einem kurzen Bereich hinter der Düse durch den turbulenten Austausch weitgehend abgebaut wurde (Abb. 3). Weiterhin waren die bei Tanks mit rechteckigem Querschnittsverlauf vor der Düse in der Mefistrecke auf-tretenden Eckenwirbel hier nicht zu beobachten, wodurch die Annahme bestiitigt scheint, dafi Düsen mit kreisförmi-gem Eintrittsquerschnitt in dieser Hinsicht günstiger als solche mit rechteckigem sind.

Die durch Meyer [9] festgestellte geringfüglge Zunahme der Strömungsverluste bei dem Ubergang vom Kreis- zum Rechteckquerschnitt ist hier wegen der Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit nicht relevant. Aus fertigungs-technischen Gründen wurde die Düse der Grofiausführung aus einfach gekrümmten Plattenteilen konstruiert.

Die l\/leBstrecl<e

Der Austrittsquerschnitt der Düse ist gleich dem maxi-malen Querschnitt der Mefistrecke und hat die Abmessun-gen 5 m Breite und 3 m Tiefe. Das Wasser durchströmt den Rechteckquerschnitt der Mefistrecke und wird in dem anschliefienden Auslaufkanal auf die sehr viel geringere Strömungsgeschwindigkeit der Beruhigungsstrecke verzögert. Der Ruhlgwasserbereich seitlich und unter der Mefistrecke soil vor allem akustische Mefiwertgeber aufnehmen. Wegen ihrer guten akustisdien Durchlassigkeit wurde f ü r die Wande und den Mefistreckenboden eine Plexiglasabdeckung gewahit, die auf einer Gitterrostkonstruktion befestigt wird.

Der Mefistreckenboden kann bis auf 1 m unter die Wasseroberflache hochgefahren werden. Seine parabolische Eintrittskante reicht 1,5 m in die Düsenmündung, so dafi auch bei hochgefahrenem Boden ein düsenartiger Einlauf in die Mefistrecke gewahrleistet wird.

Unter der Eintrittskante des Mefistreckenbodens ist eine Blende gelenkig angeschlagen, die bei hochgefahrenem Boden den unteren Düsenbereich abschliefit. Hierdurch wird das Kontraktionsverhaltnis von 3,6 auf 10 erhöht, so dafi bei voller Ausnutzung der Maschinenleistung von 4050 kW die Strömungsgeschwindigkeit bei verengtem Mefiquerschnitt auf ca. 9,3 m/s gesteigert werden kann. Die so gebildete un-symmetrische Einlaufdüse ist sicher nicht ideal. Jedoch be-wirkt das erhöhte Kontraktionsverhaltnis eine gleichmafiige Geschwindigkeitsverteilung in der Mefistrecke (Abb. 4). Durch Verstellen des Schaufelwinkels an der Pumpe kann diese dem Jeweiligen Belastungszustand angepafit werden. Für die Modellpumpe sind in Abb. 5 die Geschwindlgkeitsverlaufe über der Pumpendrehzahl bei verschiedenen Mefiquerschnit-ten, die durch Hochfahren des Mefistreckenbodens einge-stellt werden konnten, aufgetragen. Modellpumpe und Ge-schwindigkeiten sind entsprechend dem Froudschen Uber-tragungsgesetz ausgelegt, so dafi Beschleunigungseffekte auf die Grofiausführung übertragbar sind. Es gelten dann fol-gende Beziehungen: Modellmafistab Strömungsgeschwindigkeit im Modell in der Grofiausführung Pumpendrehzahl im Modell in der Grofiausführung « = 1 0 V* [m/s] V [m/s] n* [s-'] n [s-i] V = V* ]/a Q Mitle KWfelrwhe e IBOmmrsditsdnMIHB * laOmmiinhsdw Mitte Vo = ze m/s > s

Abb. 4: Einlaulkontur MeBstreckenboden und vertikaie Geschwin-digkeitsverteilung bei 1 m Wassertiefe

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WAS^TEFE H%300nvn, SCHAUFELWINKEL^ H'-ZOrr-T., • ^

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Abb. 5: Verlaul der Geschwindigkeit in der ModelimeBstrecke über der Pumpendrehzahl bei verschiedenen Wassertiefen

Um reproduzierbare Mefiergebnisse bei Modellversuchen zu erhalten, ist es notwendig, im Mefiquerschnitt ein Ge-schwindigkeitsfeld zu erzeugen, bei dem die Abweichungen der örtlichen Geschwindigkeit kleiner als 1 "/o der mittleren sind. Es ist weiterhin erwünscht, Dichteanderungen, die durch ungelöste Gasblasen im Tankwasser hervorgerufen werden, unter 3 "/oo zu halten. Weiterhin sollte die Was-seroberflache der Mefistrecke wellenfrei und waagerecht sein.

Als sehr wirkungsvoUes Mittel zur Beeinflussung der Strömung hatte sich schon bei dem kleinen Umlauftank der VWS-Berlin der in der Höhe und Neigung verstellbarc

LANSSSCHNITT A - A

Abb. 6: iVleBstrecke

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Abb. 7: Wasseroberflache der IVleBstrecke, Boden eben und waagerecht

Einbau: MeRstrecke verlangert, abgedeckter Auslaufkanal mit Sieb I I I , Umlenksystem Ende Beruhigungsstrecke,

Düsenstreich-blech opt. eingestellt, Siebe im Diffusor, A b s c h n e i d e b l e c h am Ende der MeRstrecke opt. eingestellt

MeEstreckenboden erwiesen [4]. So wird auch beim neuen Umlauftank ein verstellbarer Boden vorgesehen, der durch Neigen und Höhenverstellung sowohl die Oberflachen-kontur als auch die Langsverteilung der Geschwindigkeit in der Mefistrecke entsprechend den Gesetzen der Gerinne-hydraulik [7] [8] beeinflulSt. Diese Einrichtung besitzt be-sondere Bedeutung im unterkritlschen Strömungszustand, d. h. bei Strömungsgeschwindigkeiten, die kleiner als die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit bei der jeweiligen Was-sertiefe sind. I n Abb. 5 ist der Ubergangsbereich zwischen strömendem und schiel5endem Wasser f i i r den Modelltank gekennzeichnet. Dieser Bereich ist durch die Froudesche

V

Tiefenzahl P n = y ^ ~ 1 definiert (V = Geschwindigkeit, H = Wassertiefe, g = Erdbeschleunigung) und zeichnet sich durch stehende oder langsam durchlaufende Wellen aus, die durch geringste Störungen der Strömung hervorgerufen werden. Wie die Versuche am Umlauftankmodell ergaben, ist es jedoch mögüch, bei jeder Geschwindigkeit durch Ver-stellen der Bodenhöhe und Neigung eine stabile wellenfreie Oberflache zu erzeugen.

Ein weiteres Mittel zur Beeinflussung der Wasserober-flache war bei den Modellversuchen das Düsenstreichblech (Abb. 6), das als schwenkbare Platte über der gesamten Breite der Oberkante der Düsenmündung angeordnet wurde. Durch Neigen des Bleches wird der Mündungsquerschnitt der Düse geringfügig verandert, wodurch mögUche Druck-unterschiede im Übergang vom geschlossenen Düsenquer-schnitt zum effenen MefiquerDüsenquer-schnitt abgebaut werden und die hierdurch erzeugten Wellen zu vermeiden sind.

Im ursprünglichen Entwurf war am Ende der Mefistrecke ein Auslaufkanal zur Beruhigungsstrecke hin vorgesehen, der die Strömungsgeschwindigkeit der Mefistrecke in seinem

offenen, sich erweiternden Querschnittsverlauf verzögern sollte. M i t fortschreitendem Entwurf erwies es sich als günstiger, die freie Wasseroberflache des Auslaufkanals durch eine Platte abzuschliefien. Dies hatte eine Verbesserung der Verzögerungswirkung des Auslaufkanals sowie eine ruhigere Strömung in der Beruhigungsstrecke zur Folge. Die erhöhte Saugwirkung des Auslaufkanals erzeugte in der Modellmefi-strecke eine Störung der Wasseroberflache, es bildeten sich stehende Wellen aus. Ein Sieb, weiches im Eintrittsquerschnitt des Auslaufkanals eingebaut wurde, staute die Strömung auf, so dafi eine wellenfreie und ebene Wasseroberflache f ü r alle untersuchten Geschwindigkeitsbereiche und Boden-stellungen gewahrleistet werden konnte. Da das Strömungs-verhalten der Siebe und des Auslaufkanals stark von Zahig-keitseffekten abhangt, insbesondere die Wirkung der Modell-Siebe quantitativ nicht auf die Grofiausführung des Tanks zu übertragen ist, wird mit einigen Grofiversuchen im fer-tigen Tank das optimale Sieb f ü r den Eintrittsquerschnitt bestimmt werden müssen.

An der Vorderkante der Abdeckplatte des Modellauslauf-kanals war zur Verbesserung der Luftausscheidung aus dem oberen Bereich des strömenden Wassers ein schwenkbares Abschneideblech eingebaut worden, das sich am Modell als zusatzliches Mittel zur Beeinflussung der Oberflachenkontur der Mefistrecke insbesondere bei extrem hochgefahrenem Mefistreckenboden erwies.

M i t dem verstellbaren Boden, dem Düsenstreichblech und dem Abschneideblech sowie mit einem optimalen Sieb im Auslaufkanal wird somit auch bei der Grofiausführung eine gezielte Beeinflussung der Wasseroberflache in der Mefi-strecke möglich sein. I n der Fotoserie von Abb. 7 ist die Wasseroberflache des Modells bei einigen Strömungsge-schwindigkeiten gezeigt, wobei die beschriebenen Einbauten optimal eingestellt sind. Die Fotos sind durch die Plexiglas-wande des Modells von unten gegen die Wasseroberflache aufgenommen worden. Die Strömungsrichtung ist von links nach rechts. Die Kontur ist in allen untersuchten Ge-schwlndigkeitsbereichen waagerecht und eben. Die rauhe Oberflachenstruktur ist auf die Turbulenz der Strömung zurückzuführen, die sich beim Modell verstarkt auswirkt. Bei hochgefahrenem Mefistreckenboden waren keine Fotos möglich, da die Wasseroberflache durch die Gerüstkonstruk-tion des Modells verdeckt war. Die Oberflachenkontur war auch hier waagerecht und eben [10]. Die untersuchten Mafinahmen zur Vermeidung einer Oberflachengrenzschicht werden In einer weiteren Arbeit beschrieben.

Das Geschwindigkeltsfeld in der Mefistrecke kann nicht ohne die genaue Kenntnis der Strömungsablaufe in den übrigen Tankabschnltten beurteilt werden. Zwar 1st die Düse der Tankabschnitt, der in der Hauptsache ein homo-genes Geschwindigkeltsfeld erzeugt, es überlagern sich jedoch in der Strömung weitere Geschwindigkeitsfelder aus Krümmer, Diffusor, Pumpe, Fallrohr und Beruhigungs-strecke in nicht zu vernachlasslgendem Ausmafi. Besondere Aufmerksamkeit ist hier dem Strömungsablauf lm Diffusor und grofien Krümmer zu schenken, da sich deren Abstrom-felder auf die Geschwindigkeitsverteilung in der Mefistrecke besonders auswirken.

Es werden daher die Auswirkungen der untersuchten strömungstechnischen Einbauten auf den Strömungsablauf In der Mefistrecke In dem Jeweiligen Kapitel beschrieben; eine abschliefiende Beurteilung der Mefistreckenströmung ist schliefilich erst nach der Beschreibung der Diffusor- und Krümmerströmung sinnvoll.

Die Beruhigungsstrecke

Aus dem Auslaufkanal strömt das Wasser in die Beruhi-gungsstrecke. Hier ist die Geschwindigkeit so weit herab-gesetzt, dafi im Wasser ungelöstes Gas ausgeschieden wer-den kann. Allerdings werwer-den sich Gasblasen mit einem

Kugeldurchmesser, der kleiner als 1 mm ist, sehr schlecht ausscheiden, da deren Aufsteiggeschwindigkeit kleiner als 50 mm/s ist. Eine Behinderung des Ausscheidevorganges ins-besondere von kleinen Blasen ist durch den unvermeid-llch hohen Turbulenzgrad der Strömung in der Beruhigungs-strecke gegeben. Den Hauptanteil des ungelösten Gases stellen Luftblasen dar, die durch Oberflachenmodelle oder die Wasseroberflache durchdringende Modellhalterungen ins Tankwasser gelangen. Sie treten nur in geringen Wasser-tiefen vermehrt auf und können deshalb gut ausgeschieden werden. Die lufthaltige Oberflachenschicht der Mefistrecke wird daher durch das schwenkbare Abschneideblech über die Abdeckplatte des Auslaufkanals geleitet, wo sich nahezu alle Luftblasen in zaunartigen Sieben ausscheiden. Weiterhin ergibt sich die Forderung, alle fest installierten Bauteile des Umlauftanks, welche die freie Wasseroberflache durchdringen.

der vertikaien Geschwindigkeitsverteilung wurde die L u f t -ausscheidung bei der Modellausführung durch diese Siebe gefördert. Für die Grofiausführung sind diese Einbauten ebenfalls vorgesehen, allerdings werden ihre genaue Lage und ihre endgültigen Abmessungen wegen der Niditüber-tragbarkeit ihrer Wirkung erst bei der Erprobung des grofien Tanks festgelegt werden können. Dies ist konstruk-tiv berücksichtigt worden.

Am Ende der Beruhigungsstrecke wird die Strömung i n einem Schaufelgitter um ca. 90° nach unten zum Pumpen-zulauf geleitet. Wegen der geringen Strömungsgeschwindig-keit um 2,5 m/s wurde auf profilierte Schaufelquerschnitte verzichtet und die Schaufeln als gekrümmte Blechprofile ausgeführt. Dies war hydrodynamisch zu vertreten, da die von Kröber [21] mitgeteilten Ergebnisse und Erfahrungen Abb. 8: Vertikale

Geschwin-digkeitsverteilung in der Beruhigungsstrecke

Abb. 9: Vertikale Verteliung der Geschwindigkeit im Fallrohr S I E B E IH EINjriiTT5a(.^R5CHftlTI iUaLAUFKaHAL lfl 1 L llt-C _50C sint T,pl W^B.t^rJQM J i l l t m I Crahlslarts 071rT, Vsl " <,0 • I' 0,15 " 05 06 0,7 DO Q9 1.0 M 1,7

SO zu gestalten, dafi durch sie keine L u f t in das ströinende

Wasser gerissen wird. Bei der Grofiausführung sind alle derartigen Teile strömungsgünstlg ausgebildet und soweit notwendig mit horizontal liegenden Abschlufiblechen gegen Lufteinbruch gesichert worden.

Der Auslaufkanal soil mit seinen Einbauten nicht nur ungelöstes Gas, sondern auch Geschwindigkeitsschichtungen, die bei hochgefahrenem Mefistreckenboden auftreten, ab-bauen. Aus wirtschaftlichen Gründen konnte der Auslauf-kanal nur f ü r den gröfiten Mefiquerschnitt 3X5 m mit stofifreiem Querschnittsübergang ausgeführt werden. Für den hochgefahrenen Mefistreckenboden war der stofibehaftete Übergang nicht zu vermeiden. Dies mufite dann zu den charakteristischen Geschwindigkeitsschichtungen im Auslauf-kanal führen. Aufgabe der Beruhigungsstrecke war deshalb, diese Schichtenströmung durch geeignete Einbauten zu ver-hindern. Ein Sieb, das den gesamten Austrittsquerschnitt überdeckte sowie Siebe im Bereich der Wasseroberflache hin-ter dem Auslaufkanal erbrachten am Modell zufrieden-stellende Ergebnisse (Abb. 8). Neben der Vergleichmafiigung

mit dem kleinen Tank der VWS ergaben, dafi derartige Blechprofile in diesem Fall eine gute Umlenkung der Strö-mung bewirken. Durch die Beobachtungen und Unter-suchungen am Modell konnte dies bestatigt werden [11]. KontroUrechnungen ergaben f ü r die gröfite Geschwindigkeit von 2,6 m/s im Schaufelgitter eine maximale Schaufel-belastung von 0,026 kp/cm-.

Die Pumpe und der Pumpenzulauf

Aus der Beruhigungsstrecke strömt das Wasser im Pum-penzulauf zur Pumpe. I m Zulauf wird die Strömung um 42,5° umgelenkt und fliefit schliefilich nach nochmahger Richtungsanderung im 47,5°-Saugkrümmer waagerecht in die Pumpe ein. Obwohl sich der Pumpenzulauf düsenartig leicht verengte, war der Einbau von Umlenkhilfen im 42,5°-Krümmer zur Unterbindung von Ablösungen notwendig. Als sehr wirksam erwiesen sich die von Flügel [12] be-schriebenen gestaffelten Leitschaufeln. Schon mit dem Ein-bau von zwei derartigen Leitschaufeln wurde eine ablösungs-freie und verlustarme Durchströmung dieses Krümmers er-reicht (Abb. 9). I m Saugkrümmer vor der Pumpe erübrigen sich Umlenkhilfen, da die Pumpe der Strömung des K r ü m -mers genügend Energie z u f ü h r t und keine Ablösung zu erwarten ist [13]. Messungen des Drehmoments an der Pumpenwelle und der Pumpendrehzahl des Modells ergaben für alle Betriebszustande Übereinstimmung mit den Aus-legungsdaten. Für die grofie Modellmefistrecke vom Quer-schnitt 0,3X0,5 m wurde bei Nenndrehzahl n* = 458 U/min und dem Schaufelwinkel /? = 29° eine Strömungsgeschwindig-keit von V* = l,36 m/s gemessen. Unter Berücksichtigung des Modellmafistabes a = 10 entspricht dies einer Strömungsge-schwindigkeit von V = 4,3 m/s in der Mefistrecke der Grofi-ausführung. Die Leistungsaufnahme betrug am Modell P* = 0,86 kW entsprechend 2750 kW bei der Grofiausführung.

Wurde der Mefistreckenboden des Modells bis auf 0,1 m Wassertiefe hochgefahren, so konnte bei Nenndrehzahl und dem auf 22,5° verkleinerten Schaufelwinkel eine Strömungs-geschwindigkeit in der Modellmefistrecke von V* = 2,95 m/s gemessen werden. Für die Grofiausführung bedeutete dies eine Mefistreckengeschwindigkeit von 9,3 m/s. Hierbei war die aufgenommene Leistung an der Modellpumpe P* = l,27 kW oder P = 4050 kW bei der Grofiausführung.

Abb. 10: Die Pumpe wahrend der Werksmonlage

Neben Messungen des Normaldruckes der Strömung an der Rohrwandung vor und hinter der Modellpumpe wur-den am Modell die Komponenten der Schaufelkriifte an einem Schaufelblatt gemessen. Hierdurch konnten Werte f ü r die Belastungsschwankungen am Schaufelblatt bereitgestellt werden. Sie gingen als Erregende in die Schwingungsrech-nung f ü r das gesamte Antriebssystem ein.

In den normalen Lastbereichen vergleichmafilgt die Pumpe die Strömung aufierordentlich, so dafi ein homogenes Ge-schwindigkeltsfeld in den Diffusor eintritt. Im Unterlast-bereich führen jedoch bei zu grofien Schaufelwinkeln die pumpeninternen ringförmigen Ablösungen zu ungleichförmi-gen Abstromfeldern. Dies ist bei im Unterlastbereich be-triebenen Axialpumpen nicht zu vermeiden [13] [14]. Jedoch kann bei Pumpen mit verstellbaren Schaufeln durch Zurück-nehmen des Schaufelwinkels und Anpassen der Drehzahl ein Betriebszustand gefunden werden, bei dem ringförmige Ab-lösungen in der Pumpe nicht zu Ungleichförmigkeiten des Pumpenabstroms führen. Die spater beschriebenen Siebe im Diffusor sowie der turbulente Austausch auf dem langen Weg von der Pumpe bis zur Düse bewirken weiterhin einen Abbau evtl. auftretender Geschwindigkeitsabweichungen. Die Mitteilung aller Untersuchungen und Ergebnisse, die den Komplex Pumpe betreffen, würde den Rahmen dieser Arbeit überschreiten, es kann daher nur auf die speziellen Berichte und Quellen [10] [11] [13] [14] verwiesen werden. Abb. 10 veranschaulicht die Dimensionen und den Aufbau dieses in Europa bisher gröfiten Pumpenaggregates.

Der Diffusor

Wegen des begrenzten Bauplatzes und der damit vor-gegebenen Gesamtlange des Bauwerkes von ca. 60 m stehen für den Diffusor nur 29 m Baulange zur Verfügung. Auf dieser Lange ist eine Querschnittserweiterung von 9 m- auf

50 m^ zu leisten, was einem öffnungswinkel von 8° ent-spricht.

Die Diffusorachse ist um den halben Diffusoroffnungs-winkel nach oben geneigt, so dafi die f ü r das kavitations-freie Arbeiten der Pumpe notwendige Mindestzulaufhöhe von 15 m ohne Einführung der Rohrleitung in den Bau-grund eingehalten wird. Die Pumpennabe ragt als schlanke Spitze 12 m in den Diffusor hinein, ihre Achse ist eben-falls um den halben Diffusoröffnungswinkel nach oben geneigt.

Zur Unterdruckung eines eventuellen Restdralls aus der Pumpe ist ein doppeltes Leitblechkreuz im gesamten Naben-bereich eingebaut (Abb. 11). Die einzelnen Leitblechplatten werden in der Grofiausführung mit schallschluckendem Material beschichtet, so dafi ein Wasserschalldampfer von 12 m Lange entsteht.

Der sich zwangslaufig ergebende sehr grofie ö f f n u n g s -winkel des Diffusors, die An-winkelung der Diffusorachse gegenüber der Pumpenachse sowie der Ubergang der Pumpennabe in den Diffusor liefien eine Optimierung des D i f f u -sors hinsichtlich Druckumsetzung, wie z. B. in den Arbeiten von Schlichting [15], Fernholz [16], Nikolaus [17] vor-geschlagen wird, nicht zu. Welche untergeordnete Rolle der Grad des Druckrückgewinns f ü r den gesamten Energie-haushalt der Tankstromung spielt, zeigen folgende Über-legungen: Der gröfite Mefiquerschnitt wird maximal von einer Wassermenge Q = 64,5 m3/s durchströmt. Hierbei erzeugt die Pumpe bei Nenndrehzahl einen Drucksprung von 1,8 m WS und nimmt eine Leistung von 2750 kW auf. Durdi Verringern des Schaufelanstellwinkels kann die Pumpe bei 4050 kW einen Drucksprung von 10,5 m WS erzeugen, wobei eine Wassermenge von 28 mVs durch-gesetzt wird. Den maximalen Druckrückgewinn erzielt man

im Diffusor bei der gröfiten geförderten Wassermenge. Für

diesen Strömungszustand steht jedoch eine hohe Leistungs-reserve zur Verfügung, so dafi der Grad der

Druckumset-Abb. 11: Dilfusornabe mit Leitblechkreuz wahrend der Montage

zung im Diffusor nicht so ausschlaggebend ist. Für die Strömungszustande hoher Pumpendruck und geringe Was-sermenge ist der Druckrückgewinn im Diffusor, gemessen am Gesamtdruck hinter der Pumpe, wegen der geringen Strömungsgeschwindigkeit verschwindend klein, so dafi auch hier der Diffusorwirkungsgrad keine Rolle spielt. Es wird klar, dafi unter diesen Gesichtspunkten die eigentliche Aufgabe des Diffusors darin bestehen mufi, den Pumpen-querschnitt auf einen grofien RohrPumpen-querschnitt überzuleiten und dabei an seinem Endquerschnitt ein möglichst homo-genes Geschwindigkeltsfeld in den Krümmer zu führen. Der gröfiere Endquerschnitt des Diffusors bedeutet verlust-arme und ablösungsfreie Umlenkung in den Schaufelgittern

des Krümmers sowie eine Vergröfierung des Kontral^tions-verhaltnisses der Düse und damit eine homogene Geschwin-digkeitsverteilung in der Mefistrecke. Ziel der Untersuchun-gen am Modell war daher auch, durch geeignete Mafi-nahmen im Diffusor die Geschwindigkeitsverteilung im Diffusorendquerschnitt möglichst gleichförmig zu gestalten. In Abb. 12 Kurve A ist die vertikale Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit am Diffusorendquerschnitt ohne Hilfseinbauten im Diffusor dargestellt. Man erkennt grofie Ubergeschwindigkeiten in der Niihe der unteren Mantellinie und Starke Untergeschwindigkeiten im oberen Teil des Diffusors. Die 12 m lange Ablaufspitze erzeugt ein Strö-mungsfeld im Diffusorkern mit stark schwankenden Ge-schwindigkeiten. Da Diffusor und Nabe gegenüber der Pumpenachse nach oben geneigt sind, strömt das Wasser aus der Pumpe im unteren Teil des Diffusors parallel

Abb. 12: Vertikale Verteilung der Geschwindigkeit im Diffusor bei Durchmesser D ' ^ = 770 mm 0

Feste Einbauten: Nabe und doppeltes Leitblechkreuz im Diffusor Kurve A : Keine Hilfseinbauten im Diffusor

Kurve B: Festes Sieb im Endquerschnitt des Diffusors, Ringsieb Z im Diffusorquerschnitt D ' ^ = 680 mm

Kurve C: Festes Sieb im Endquerschnitt des Diffusors, Ringsieb X im Diffusorquerschnitt 0 * ^ = 680 mm

Ringsieb Z siehe A b b . 13; Ringsieb X siehe A b b . 14

zur Mantellinie und wird weniger verzögert. Im oberen Teil des Diffusors mufi die Strömung hinter der Pumpe jedoch nach oben abgelenkt werden, was wegen des geknidt-ten Übergangs zwischen Pumpe und Diffusor nur schlecht gelingt, weil sich Ablösungszonen ausbilden. Obwohl vor-ausgesetzt werden kann, dafi die Strömung im Diffusor aufgrund des Pumpenleitrades und des doppelten Leit-blechkreuzes drallfrei strömt, erzeugt die Ablaufnabe ein Störfeld mit Ablösungen an der Nabenunterseite. Dies führt: zu der Geschwindigkeitsverteilung A der Abb. 12. Wegen der Richtungsanderung im grofien Krümmer korrespondieren die Ubergeschwindigkeiten im unteren Teil des Diffusors mit denen im Bereich der Was-seroberflache der Mefistrecke. Untergeschwindigkeiten im oberen Teil des Diffusors führen zu kleinen Geschwin-digkeiten am Mefistreckenboden. Verschiedene hydrodyna-mische Einbauten wie Leitbleche vor und hinter der Pumpe sowie Siebe im Diffusor erbrachten eine Verbesse-rung des Geschwindigkeitsfeldes. Die in ErwSgung gezogene Beeinflussung der Strömung am Anfangsquerschnitt des Diffusors durch Absaugen der Grenzschicht wurde schliefi-lich nicht ausgeführt, da durch die notwendigerweise gleich-zeitige Grenzschichtabsaugung an der Diffusorwandung

Abb. 13

und an der Nabe die Gefahr des Entstehens instabiler Grenzschichten mit periodischen oder umlaufenden Ablö-sungsfeldern bestand. I m einzelnen sind diese sehr einge-henden Untersuchungen in Versuchsberichten [10, 11] beschrieben. Die beste Vergleichmafiigung des Geschwindig-keitsfeldes bewirkten 2 Siebe im Diffusor, ein Sieb am Ende des Diffusors und ein zweites Sieb kurz hinter der Ablaufnabe. Dieses letztere Sieb lüfit einen schmalen Bereich am Umfang der Diffusorinnenwand sowie eine ö f f -nung etwas unterhalb der Diffusorachse frei (Abb. 12). Hierdurch wird ein lateraier Austausch zwischen den Zonen höherer und niedriger Geschwindigkeiten erzwungen und die Strömung hinter diesen Sieben stark vergleichmafilgt. Die Auswirkungen der eingebauten Siebe auf die Ge-schwindigkeitsverteilung im Diffusor zeigen die Kurven B und C der Abb. 12. Die entsprechende Verteilung der Geschwindigkeit in der Mefistrecke zeigen die Abb. 13 und 14.

Für die im Diffusor eingebauten Siebe errechnete sich nach Angaben von Eckert und Pflüger [21] ein Gesamt-druckverlust von 25 mm WS bei der maximalen Strö-mungsgeschwindigkeit im Modelltank. Der Enddruck hinter dem Diffusor mit Sieben war beim Modell um ca. 5 mm WS gröfier als ohne Siebe. Dieser Effekt ist auf eine in den Arbeiten von Riffart [19] und Sprenger [20] be-schriebene verbessernde Wirkung von Drosselsieben zurück-zuführen, so dafi durch den Einbau der Siebe auch im Diffusor der Grofiausführung keine Druckverluste zu befürchten sind.

Der GroBe Krümmer

Der Endquerschnitt des Diffusors hat mit 8 m Durch-messer bereits den Querschnitt des oberen Rohres, so dafi im sich anschliefienden grofien Krümmer die Strömungs-umlenkung ohne Querschnittsanderung erfolgt. Vier Leit-gitter lenken die Strömung jeweils 45° um. Sie sind zueinander so versetzt, dafi das Abstromfeld jeder Einzel-schaufel nicht auf Schaufeln der nachfolgenden Gitter t r i f f t .

09 k ^

Abb. 14

Abb. 13 und 14: Vertikale Verteilung der Geschwindigkeit in der MeBstrecke 500 mm hinter der DUse

Da die maximaie Strömungsgeschwindigkeit im Krümmer der Grofiausführung nur 1,2 m/s_ betragt und die Schaufel-belastung bei diesem Umlenkwinkel sehr klein ist, konnten f ü r die Leitschaufeln Blechprofile gewahit werden. Die Kontur der Blechprofile wird in Anlehnung an die schon zitierte Arbeit von Kröber [21] ausgeführt. Werden Gitter-teilung und Schaufelkontur dem jeweiligen Umlenkwinkel angepafit, so ist mit einfachen Blechschaufein durcliaus eine verlustarme Umlenkung möglich. Bei dem relativ kleinen Umlenkwinkel im Einzelgitter von 45° t r i t t die Schaufelkontur in ihrer Wichtigkeit gegenüber der Gitter-teilung zurück, da die Anzahl der Einzelschaufeln im Gitter den überwiegenden Einflufi auf den Verlustbeiwert und die Güte der Umlenkung ausübt.

M i t dem Verlustbeiwert f = 0,30 f ü r die Umlenkung 4 X 45° errechnet sich die Verlusthöhe Ah = — f = 0,022 m WS, also ein Wert, der f ü r den gesamten Leistungs-bedarf nicht ins Gewicht fallt. Messungen am Modell bestatigen diesen Wert, in seiner Gröfienordnung stimmt er gut mit anderen Untersuchungen überein [23]. Die haufig hervorgehobene Uberlegenheit dicker Profilschau-feln hinsichtlich Güte der Umlenkung und Wirkungsgrad wird in der Praxis in Frage gestellt, da nicht erfafibare Grenzschichteinflüsse aus der Rohrströmung, schiefe Kanten-anströmung sowie Fertigungsungenauigkeiten bei den gegen derartige Einfiüsse sehr empfindlichen dicken Profilen zu unerwünschten Strömungseffekten, insbesondere zu Ablö-sungserscheinungen führen können. Neben hydrodyna-mischen Gesichtspunkten spielten bei der Entscheidung f ü r einfache Blechprofile wirtschaftliche Überlegungen eine Rolle, da die Fertigung und die Montage derartiger Profile sehr viel weniger aufwendig sind als die dicker Profllschaufeln, die möglicherweise mit Beton oder Kunststoff gefüllt wer-den müssen. Modellmessungen im Rohrquerschnitt vor der Düse ergaben eine Geschwindigkeitsverteilung, die der des Diffusoraustritts sehr ahnlich ist; es konnten keine Ablö-sungsgebiete festgestellt werden. Die Leitbleche sind durch horizontal verlaufende Blechstreifen mehrfach abgestützt, so dafi trotz ihrer Gröfie eine hohe Biege- und Torsions-steifigkeit erreicht wird. Hierdurch wird eine evtl. Anre-gung zu SchaufelschwinAnre-gungen unterbunden. Die Strö-mungsumlenkung im gesamten Modellkrüm.mer erwies sich als ausgezeichnet, die Stromlinien verliefen zwischen den einzelnen Gittern geradlinig und parallel zur Rohrachse. Es war eine gute Gleichrichtung der Strömung zu beob-achten, wodurch sich der Einbau eines Wabengleichrichters erübrigt.

Das Schwingungsverhalten des Tanks

Eine Aussage über die niederfrequenten Schwankun-gen der Strömungsgeschwindigkeit und des Wasserspiegels im Tank war auf Grund der Modellversuche nur bedingt möglich, da der Anteil der zahigkeitsbedlngten Dampfung nicht erfafit werden kann. Obwohl die sehr genauen Unter-suchungen am Modell keine mefibaren Geschwindigkeits-und Oberflachenschwankungen erbrachten, werden bei der Grofiausführung Mafinahmen zu deren Unterdrückung vor-gesehen. Für die Schwingungsdauer der gesamten strö-menden Wassermasse ergab eine Uberschlagsrechnung den Wert 40 s. Schwingungen derartig grofier Periodendauer können durcli Regelung der Pumpendrehzahl mit dem vorgesehenen autom. Regelsystem bequem abgebaut wer-den, so dafi die erforderliche Zeitkonstanz der Strömungs-geschwindigkeit gewahrleistet ist. Da der Rohrteil vor der Düse und die Düse seibst zur besseren Druckumsetzung und Geschwindigkeitsverteilung achssymmetrisch ausgeführt sind, kann bei Druckabsenkung unter 0,25 ata dieser Rohr-abschnitt nicht mehr bis zur Rohroberkante voll mit Wasser gefüllt werden. Die hierdurch entstehende freie Wasserober-flache vor der Düse bildet mit der Mefistrecke ein

schwin-gungsfahiges System, das periodische Anderungen des Was-serstandes und der Geschwindigkeit in der Mefistrecke erzeugen kann. Diese Schwingungen, die hier eine Mindest-periodendauer von ca. 5 s hatten, würden sich der Mefistreckenströmung überlagern. Durch Regelung des L u f t -drudis im Rohrteil vor der Düse wird das Niveau des Wasserspiegels konstant gehalten und damit Geschwindig-keitsschwankungen unterbunden.

Die Turbulenz des Tanks

Mafigeblich f ü r die Übertragbarkeit von Modellversuchen in Schlepprinnen und Umlauftanks ist die genaue Kenntnis der Turbulenzen. Im Gegensatz zur Schlepprinne, wo durch die Mefifahrten mit Modellen eine undefinierte Turbulenz im Wasser der Rinne erzeugt wird, lafit sich der Grad der Turbulenz in der Strömung des Umlauftanks gut bestimmen und gezielt einstellen. Ein Mafi f ü r die Turbu-lenz der Strömung ist der von Schlichting [24] angege-bene Turbulenzgrad | T U = / v~ |, der durch Messen der Komponenten der Schwankungsgeschwindigkeiten u, V, w z. B. mit Heififilmsonden [27], [28] bestimmt werden kann. Ein weiteres Mafi für die Turbulenz des strömenden Wassers ist die kritische Reynoldszahl der Kugel, wobei der steile Widerstandsabfall in Abhangigkeit von der Vor-turbulenz eintritt und eine Aussage über den Turbulenz-faktor gemacht werden kann, wenn als Vergleich der Widerstand der im freien Fluge geschleppten Kugel her-angezogen wird [25] [26]. Für die Qualitat von Modell-messungen, bei denen das Reynoldsche Ahnlichkeitsgesetz eine entscheidende Rolle spielt, ist weiterhin Isotropie der Turbulenz, d. h. Gleichförmigkeit der mittleren Geschwin-digkeitsschwankungen erforderlich. Durch den Einbau fein-maschiger Siebe vor der Düse kann sowohl Isotropie der Turbulenz erreicht als auch bei geeigneter Wahl von Maschen-zahl und Drahtstarke der Grad der Turbulenz beeinflufit werden. Wabengleichrichter vor der Düse bewirken zwar den Abbau von Drall- und Querströmungen, können aber andererseits zu einer nichtisotropen turbulenten Strömung führen, da nur die Querschwankungen abgebaut und die Langsschwankungen angefacht werden. Wegen der beob-achteten drallfreien Parallelströmung vor der Düse des grofien Umlauftanks kann auf den Einbau eines Waben-gleichrichters aus hydrodynamischer Sieht verzichtet wer-den. Eine Siebhaltung vor der Düse eriaubt den Einbau von Sieben, deren Kennwerte wahrend der Erprobung des Tanks festgelegt werden.

AbschluBbetrachtungen

Uber Vor- und Nachteiie von Modelluntersuchungen in Umlauftanks wurde verschiedentlich referiert. Fragen der Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit der Ergebnisse von Modellversuchen sind nicht nur für Messungen in Umlauftanks, sondern auch in Schlepprinnen zu klaren. Für Umlauftanks lagen bisher noch wenig Erfahrungen vor. Erfreulicherweise nimmt seit einiger Zeit die Bereit-schaft zur Durchführung von Modellversuchen in Umlauf-tanks zu, so dafi Unterlagen f ü r die Bewertung von derartigen Messungen im Vergleich zur Schlepprinne gege-ben werden können. Ausführlich wurde von H . Postel [25] über Vergleichsuntersuchungen zwischen Schleppversuchen und Versuchen im Umlauftank berichtet. Die Resultate könnten Anlafi sein, einen grofien Teil der Einwande gegen Umlauftankversuche zu zerstreuen, blieben nicht auch hier wieder die beschrankte Gröfie der Modelle und alle damit verbundenen Fragen der Übertragbarkeit bestehen. M i t dem Bau des grofien Umlauftanks der VWS - Berlin ist ein Schritt zu Modellgröfien möglich, durch den ein gra-vierender Nachteil der bisher fertiggestellten Umlauftanks ausgeschaltet wird.

Theoretische Vorarbeiten und intensive Modellversuche haben schliefilich zu einem hydrodynamischen Gesamtkon-zept geführt, durch das die Forderungen an eine ebene Wasseroberflache und hohe Geschwindigkeitskonstanz in

der MefSstredce sowie luftblasenfreies Tanltwasser erfüllbar sind. Die Besdireibung von Untersuchungen, die f ü r die HöchstgeschwindiglceitsmefSstrecke mit der maximalen Ge-schwindigkeit von 13 m/s notwendig waren sowie Berichte über das Kavitationsverhalten und die Beeinflussungsmög-lichkeiten der Oberflachengrenzschicht in der Mefistrecke durch Grenzschichtbeschleunigung werden in einer weiteren Arbeit vorgestellt werden.

Literatur

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[22] N. Scholz und W. S p e i d e i : „Untersuchungen über d i e Strö-mungsverluste in ebenen S c h a u f e l g i t t e r n " , VDI-Forschungsheft 464, VDI-Verlag Düsseldorf 1957

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[26] 8 . Hoerner: „Versuche mit Kugein betreffend Kennzahl, T u r b u -lenz und Oberflachenbeschaffenheit", LUFO 12 (1934) [27] J . O. Hinze; „ T u r b u l e n c e , an i n t r o d u c t i o n " , McGraw - Hill 1959 [28] H. L. Grant, R. W. Stewart, A. M o i i l i e t ; „ T u r b u l e n c e Spectra

(rom a Tidal C h a n n e l " , J . Fluid Mech., V o l . 12 (1962)

4. Aufbauseminar Meerestechnik

Die Technische Universitat Berlin, Arbeitskreis Meerestechnik, f ü h r t gemeinsam mit der Technischen Universitat Claus-thal, Arbeitsgruppe Meerestechnik und marine Mineralrohstoffe, das 4. Aufbauseminar Meerestechnik als Brennpunktver-anstaltung am 24. und 25. Februar 1972 in Berlin durch. Die Themengruppen Meerestechnische Konstruktionen; Erfah-rungen bei der Erschliefiung mariner Mineralrohstoffe; Werkstoffe f ü r die Meerestechnik werden in folgenden Vortriigen behandelt.

Voraussetzungen und Möglichkeiten f ü r den Bau deutscher Tiefwasserhafen

Dr.-lng. H . Laucht, Erster Baudirektor, Hafenbauamt Hamburg

EiderabdSmmung

Dipl.-lng. F. Cordes, Regierungs-Baudirektor, Neubauamt EiderabdSmmung, Heide

Pipelinebau im Meer

Prof. Dr.-lng. E. Klapp, T U Clausthal N . N .

Kabel in der Meerestechnik

Dipl.-Phys. R. Nelle, Vorstandsmitglied, Nordd. Seekabelwerke, Nordenham Industrielle Rohstoff-Forschungsschiffe

Kapitan A. Kaiser, Unterweser-Reederei GmbH, Bremen Dipl.-lng. F.-O. Poeppel, PREUSSAG AG, Hannover „VALDIVIA"

Dr. rer. nat. H . Amann, PREUSSAG A G , Hannover Forschungsvorhaben Tiefsee-ErzknoUen

Dr.-lng. N . Hering, Dipl.-lng. E. Müller, Erzgesellschaft, Frankfurt/M.

Halbtaucher

Dipl.-lng. D . R. Deter, SEDCO, Baylor Company Division Houston, Texas

Werkstoffe f ü r Überwasserschiffe, Plattformen und Tauchfahrzeuge

Dipl.-lng. M . Böckenhauer, Germanischer Lloyd, Hamburg Leichtbauwerkstoffe

Dr.-lng. F.-W. Baum, Jenaer Glaswerke, Schott & Gen., Mainz Werkstoffe f ü r Meerwasserentsalzungsanlagen

Ing. (grad.) K. Wangnick, KRUPP Maschinenfabriken, Bremen Wirtschaftlichkeitskriterien bei der Werkstoffauswahl Prof. Dr.-lng. P. Funke und Dr.-lng. I . Piorko, T U Clausthal Verschleifi von Werkstoffen

Dr.-lng. K. H . Habig, Bundesanstalt f ü r Materialprüfung, Berlin

Korrosion

N . N . , Bundesanstalt f ü r Materialprüfung, Berlin Hochschulausbildung in der Meerestechnik Prof. Dlpl.-Ing. H . Eichmeyer, T U Berlin Prof. Dr.-lng. H . Becker, T U Clausthal A m 26. Februar vormittags besteht die Möglichkeit zu Institutsbesichtigungen.

Weitere Auskünfte erteilt die T U Berlin, Brennpunkt Meerestechnik, Lehrstuhl f ü r Schiffshydrodynamik und Institut f ü r Kavitationsforschung, 1 Berlin 10, Salzufer 17—19.

Meerestechnik

O f f s h o r e T a n k e r L o a d i n g

i n f h e N o r i t S ^

The offshore petroleum industry has, over the past 20 years, ventured further and further out into greater water depths to search for the new reserves needed in our energy hungry age. The early discoveries offshore were in shallow or protected waters where it was relatively easy to move the gas and oil to shore in pipelines and barges.

By C ^ C r A h d e r s o n , S t a v a n g S r * )

In recent years the industry has found oil in the deep waters of California, in the icy waters of Cook Inlet in Alaska with its swift moving tides and drifting ice, in the choppy waters of Bass Strait off Austraha, but all still fairly close to shore.

Now oil and gas have been found i n the N o r t h Sea, famous for its sudden storms and rough waters! Many of the discoveries made by the Phillips Group and others have been near the geographical center of the N o r t h Sea, nearly 200 miles f r o m the nearest shore line. The closest landfall to our discoveries is the southern Norwegian coast, but this is separated f r o m the oil fields by the formidable Norwegian trench, a scar in the sea bottom reaching a depth of 1000 feet along the shortest pipeline routes. I n some places the trench has rock outcroppings with steep slopes. The construction and operation of a pipehne in these changeable waters and great depths would tax the limits of commercially available construction, maintenance and diving equipment.

These distant offshore discoveries naturally touched off an intensive search for new ideas or new applications of proven ideas to find economical ways of moving the oil to markets. Many studies are being made to investigate thoroughly the technical and economic feasibility of laying pipelines to shore. The studies so far have indicated that there may be several years of development time involved to produce the techniques and equipment needed to build and maintain a pipehne succesfuUy. A t the same time that these studies were started Phillips began studying ways of loading the crude oil offshore at the field location in order to begin production as early as possible and gain some operating experience.

During the last decade with the advent of super tankers requiring water depths greater than those available in con-ventional ports, there has been an increasing use of offshore mooring and cargo handling facilities. Several types of facility have been developed and used, including fixed platforms or docks with breasting dolphins, multi-buoy berths and several variations of single point mooring buoys. Other structures such as artificial islands and harbors and floating or fixed

*) Mr. A n d e r s o n is Project Engineer at P h i l l i p s Petroleum Company, Norway. The paper was presented d u r i n g the First International Conferenze on Port and Ocean Engineering under A r c t i c C o n d i -tions held in August 1971 in T r o n d h e i m .

breakwaters have been proposed, but their use has been limited because of the high cost and uncertainty about performance in the open sea.

To determine whether crude oil tanker loading could be accomplished at the center of the N o r t h Sea, and, i f so, the optimum method and equipment required, Phillips con-ducted a study which covered several areas.

A wind, wave and current study for the location was obtained from a professional meteorologist and oceanogra-pher. Data from 3 years of hourly weather observations from one of our drilling rigs in the N o r t h Sea were com-puter analyzed and correlated with the professional study. Tanker scheduling and loading was simulated on the com-puter.

A literature and patent search on breakwaters, floating harbors and offshore tanker loading systems was conducted. Schemes proposed by various outside engineering firms and engineers, as well as some of our own, were considered. Suppliers of "conventional" offshore tanker loading equip-ment were consulted. Suggestions and opinions were solicited f r o m shipping companiens and experienced tanker captains. We also considered our own experience as well as that of other operators loading tankers offshore.

From this study we were able to reach certain con-clusions, the principle one being that we considered off-shore loading of tankers at the Ekofisk location to be possible with properly designed equipment, but that any of the methods considered would experience some down-time due to weather. The downdown-time was considered to be acceptable as part of a test program in extreme offshore operations before committing ourselves to more permanent

facilities.

The various ideas studied can be grouped as follows: A. Breakwaters or Artificial Harbors — These include artical islands, artificial harbors, floating breakwaters, per-forated breakwaters and artificial beaches. The number of ideas which have been patented in the last few years is impressive. However, none of these was considered feasible in the open sea at Ekofisk location because of navigational problems, insufficient operating experience, long construc-tion times and extremely high costs i n the 235 foot water depth.

B. Multiple Point Mooring System — This consists of a series of buoys anchored to the bottom and oriented in the direction of prevailing wind and waves. The tanker ties up with the assistance of her own anchors and a mooring launch. When in position she pidts up a loading hose either f r o m the bottom or from a fixed structure nearby. This system requires a longer time to moor and unmoor and is limited to relatively calm water and locations where wind and waves are consistently f r o m one direction. The weather data studies for the Ekofisk location show that the wind and seas approach nearly equally from all direc-tions, making a multiple buoy system impractical.