Dynamic Positioning of Surface Effect Ships using vent valve actuation

Abstract

For en offshore-arbeidstaker i olje- og gassindustrien er helikoptertransporten til installasjonen den aktiviteten knyttet til den høyeste risikoen. Et alternativ til personelltransport ved hjelp av helikopter er å bruke Surface Effect Ships (SES). En SES er et katamaranfartøy som får deler av oppdriften fra en trykksatt luftpute. Trykket opprettholdes av vifter og kontrolleres ved hjelp av ventiler som regulerer luftstrømmen ut fra puten. Under besetningsoverføring fra SES til offshore-installasjonen, må SES-posisjonen opprettholdes med dynamisk posisjonering (DP). Ved å montere ventilventilene på skrogsidene, kan skyvekraften som kommer fra luften som strømmer ut fra ventilene brukes til aktuering i DP-systemet. Dette vil redusere installasjons- og driftskostnader for DP-systemet. I tillegg vil en kombinasjon av trykk-kraft fra ventilene og thrustere gi et DP-system med høy grad av redundans, ettersom skyvekraften til DP-systemet kan skapes fra to forskjellige fysiske prinsipper.

Denne oppgaven presenterer et kontrollsystem for å styre svai og gir bevegelsene til en SES, som kun baserer seg på skyvekraft fra trykkputen. Kontrollsystemet er verifisert ved hjelp av simuleringer og eksperimentell testing på en SES i modellskala. For at et slikt DP-system skal fungere, er det viktig å ha en modell for skyvekraften fra ventilene. Derfor undersøker denne oppgaven to ulike modeller for skyvekraft. Begge modellene sammenlignes med CFD-analyser og eksperimentelle tester.

Kontrollsystemet og prinsippet om bruk av trykkraft fra en luftpute har vist seg å fungere. Selv om implementeringsdetaljer må løses, bør kontrollsystemet fungere på en fullskala SES. Fordelen med kontrollsystemet er at det er enkelt og krever ingen justering når det er tilpasset SES-en. Kontrollsystemet består også av få parametere, noe som gjør det enkelt å justere.

Begge trykkmodeller gir et praktisk estimat av skyvekraften fra en ventil ved maksimal ventilåpning, men bare en av modellene ser ut til å gi et akseptabelt estimat for skyvekraft ved alle ventilåpninger.

Selv om mer arbeid på dette emnet vil gi nyttig innsikt, spesielt med hensyn til den genererte skyvekraften og geometrien og utformingen av ventilsystemet, kan det foreslåtte systemet tjene som grunnlag for implementering på en fullskala SES.

For an offshore worker in the oil and gas industry, the helicopter transport to the installation is the activity associated with the highest risk. An alternative to helicopter crew transfers is to use Surface Effect Ships (SES). A SES is a catamaran vessel carried in part by a pressurized air cushion. The pressure is maintained by fans and controlled using vent valves that control the airflow out of the cushion. During crew transfer from the SES to the offshore installation, the position of the SES needs to be maintained with a Dynamic Positioning (DP) system. By mounting the vent valves on the hull sides, the thrust force coming from the air exiting the vent valves can be used for actuation in the DP system. This would reduce the required installation power and operational cost of the DP system. Furthermore, combining the thrust from the vent valves with DP thrusters would give a DP system with a high degree of redundancy since thrust force may be generated from two different physical principles.

This thesis presents a sway-yaw control system for a SES that is actuated purely by vent valve thrust from the pressurized cushion. The control system is verified using simulations and experimental model-scale testing in an ocean basin. For such a vent valve DP system to work, it is important to have a thrust force model. Therefore, this thesis also investigates two thrust force models. Both models are compared to CFD analyses and experimental tests.

The control system and the principle of using thrust force from vent valves have been shown to work. Although implementation details would need to be addressed, the control system should work on a full-scale SES. The benefit of the control system is that it is very simple and requires no alternations when it has been tuned properly, which should be relatively simple since there are few gains and parameters to be tuned.

Both thrust models provide a practical estimate of the thrust force from a vent valve at maximum valve opening, but only one of the models seems to give an acceptable thrust force estimate for all vent valve openings.

Although more work on this subject would provide useful insight, especially with regards to the generated thrust force and the geometry and layout of the vent valve system, the proposed system could serve as a basis for implementation on a full-scale SES.