Sloshing und slamming testing

Sich bewegende Flüssigkeiten können enormen Druck auf Strukturen innerhalb und außerhalb von Schiffen sowie auf Offshore-Installation wie Öl- und Gasplattformen oder Windturbinen ausüben. Verlässliche Messungen von Sloshing (Bewegung von Flüssigerdgas mit Kavitation) und Slamming (Wellenschläge) benötigen applikationsspezifische Druck- und Beschleunigungssensoren.

Lösungen für die Prüfung und Bewertung von Sloshing bei LNG-Tankern

Flüssigerdgas als alternative Energiequelle wird in eigens hierfür konstruierten LNG-Tankern (Liquefied Natural Gas) rund um die Welt verschifft. Die Tankaufbauten dieser Schiffe müssen den Schwappbewegungen des Flüssiggases auch bei hohem Wellengang standhalten. Für eine Prüfung und Bewertung der Sloshing-Dynamik versieht Kistler Forschungslaboratorien weltweit mit anwendungsspezifischen Drucksensoren, u. a. in Gestalt von IEPE-Sensoren und besonders kompakten Lösungen.

Erdgas lässt sich ökonomisch nur in flüssiger Form transportieren. Durch Abkühlen des Gases auf –162°C verringert sich sein Volumen auf ein Sechshundertstel; in dieser Form wird es in LNG-Tanker gefüllt. In nur teilweise gefüllten Tanks verursachen Wind und Seegang Bewegungen des verflüssigten Gases. Diese mit dem englischen Begriff „Sloshing“ bezeichneten Bewegungen können sich auf die Stabilität des Schiffes auswirken und die Tankmembranen im Innern erheblichen Belastungen aussetzen.

Zahlreiche Forschungslaboratorien auf der ganzen Welt untersuchen die durch Sloshing induzierten dynamischen Belastungen der Tankaufbauten von LNG-Tankern. Zur Messung wird in der Regel ein rechteckiges 2D-Modell eines Flüssigerdgastanks auf einem Hexapod verwendet; auch kleinmaßstäbliche 3D-Modelle gelangen zum Einsatz. Die Drucksensoren werden in Cluster-Form an verschiedenen Stellen des Tankmodells angebracht, an denen die Wahrscheinlichkeit erheblicher Stoßeinwirkungen am höchsten ist.

Kleine Abmessungen

Eine der zentralen Anforderungen an die hierbei verwendeten Sensoren besteht in einem geringen Frontdurchmesser. Nur dann lassen sich die Sensoren zwecks optimaler räumlicher Auflösung so nah beieinander wie möglich anbringen.

Kurze Anstiegszeit

Die Höhe der Aufpralldruckwerte richtet sich größtenteils nach der induzierten Bewegung. Sie reicht von 50 mbar bis 7 bar mit kurzen Anstiegszeiten im Bereich von 1 ms bis 10 ms. Messbedingungen dieser Art erfordern Drucksensoren mit kurzer Anstiegszeit und hoher Eigenfrequenz.

IEPE (Spannung)

Anwendungen dieser Art erfordern eine beträchtliche Zahl an Sensoren. Eine kostengünstige Messkettenkettenlösung ist daher unverzichtbar. Mit IEPE-Technologie lassen sich die Drucksensoren gänzlich ohne kostspielige Ladungsverstärker unmittelbar an das Datenerfassungssystem anschließen.

Geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen

Die dem Drucksensor eigene Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen kann sich auf die Genauigkeit der gemessenen Aufpralldruckwerte auswirken. Aufgrund ihrer Konstruktion stellt dies für die 601C-Sensoren von Kistler ein nur geringfügiges Problem dar. Dies macht sie für die Messung von Aufpralldruckwerten zur Ermittlung der Sloshing-induzierten Belastung besonders geeignet.

Slamming: Durchführung präziser Tests der von Wellen verursachten Bewegungen und Belastungen

Tanks für meerestechnische Untersuchungen, mit denen sich die Verhältnisse auf offener See nachbilden und Fahrmanöver simulieren lassen, ermöglichen im Modell die Überprüfung der Leistung und Sicherheit von Schiffen und Offshore-Strukturen, wie Förderplattformen für Öl und Gas oder Windenergieanlagen. Die von Kistler eigens für diesen Anwendungsbereich konzipierten Lösungen reichen von Differenzdrucksensoren bis hin zu Dynamometern für eine eingehende Untersuchung des Zusammenwirkens aero- und hydrodynamischer Belastungen.

Zu den Nutzanwendungen der beschriebenen Wellenbecken zählt u. a. die Prüfung von vertäuten oder fest im Meeresboden verankerten Objekten (wie Förderplattformen für Öl und Gas oder Offshore-Windenergieanlagen) zur Bestimmung der von Wellen- und Windeinwirkung ausgehenden Belastungen. Bei einer Untersuchung von Offshore-Windenergieanlagen lassen sich Wind und Wellen, die gleichzeitig auf die Struktur einwirken, mithilfe einer Gruppe aus 3-Komponenten-Dynamometern messen, die am Fuße des Masts zwischen der Verankerung und dem zu prüfenden Element angebracht sind. Ein in dieser Weise durchgeführter Slamming-Test liefert belastbare Vergleichsdaten für die Validierung von Verfahren zur Simulation des Zusammenwirkens aerodynamischer and hydrodynamischer Einflüsse. An Förderplattformen für Öl und Gas (und selbst an Schiffen) durchgeführte Prüfmessungen erfordern in der Regel eine bündige Anbringung der Drucksensoren an der Wandung des Aufbaus bzw. der Schiffsrumpf.

Hohe Empfindlichkeit

Erwartete Druckwerte von weniger als 1 bar sollten mit der gebotenen Genauigkeit gemessen werden; dank der IEPE-Technologie lassen sich die Drucksensoren gänzlich ohne kostspielige Ladungsverstärker unmittelbar an das Datenerfassungssystem anschließen.

Geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen

Kurze Anstiegszeit

Die Aufpralldruckwerte betragen gewöhnlich weniger als 1 bar bei kurzen Anstiegszeiten von ungefähr 1 ms. Messbedingungen dieser Art erfordern Drucksensoren mit kurzer Anstiegszeit und hoher Eigenfrequenz.

Einstellbarkeit

Bei geeigneter Einstellung der Ladungsverstärker lassen sich mit piezoelektrischer Messtechnik auch kleinste dynamische Schwankungen an schweren Strukturen untersuchen.

Wasserdichte Kraftsensoren

Durch die hermetische Abdichtung der Kraftsensoren von Kistler ist die Dichtigkeit sichergestellt. Die Kabel sind mit speziellen Dichtungen für eine Verwendung unter Wasser versehen. Eine noch höhere Wasserdichtigkeit wird durch Anschweißen eines Kabels des Typs 1698A auf einen 3-Komponenten-Kraftsensor erzielt.