CN103517850B

CN103517850B - 柱型浮体结构物

Info

Publication number: CN103517850B
Application number: CN201280022023.1A
Authority: CN
Inventors: 吉本治树; 粟岛裕治; 铃木英之
Original assignee: University of Tokyo NUC; IHI Marine United Inc
Current assignee: University of Tokyo NUC; IHI Marine United Inc
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: EP2684792A1; CN103517850A; JPWO2012121247A1; JP5697117B2; US20140026798A1; WO2012121247A1; EP2684792A4; US9132894B2; KR20150088897A; EP2684792B1; ES2654602T3; KR101621806B1; KR20130122801A

Abstract

一种柱型浮体结构物，具有：具有细长形状的浮体部（2）、配置在浮体部（2）的配重部（3），通过配重部（3）的重量使浮体部（2）直立漂浮，浮体部（2）具有：配置于下部并向水平方向扩张的第一扩张部（21）、配置在中间部并向水平方向扩张的第二扩张部（22）、连结第一扩张部（21）及第二扩张部（22）且延伸至吃水线的立柱部（23），第一扩张部21构成配重部（3），第二扩张部（22）构成对浮体部（2）施加浮力的浮力体。

Description

柱型浮体结构物

技术领域

本发明涉及柱型浮体结构物，特别是涉及能够在确保恢复性能的同时减少摇摆的柱型浮体结构物。

背景技术

近年来，从保护地球环境及有效利用自然能源的观点考虑，海上风力发电备受关注。作为该种海上风力发电用的浮体结构物，提案有如下各种形式的浮体结构物，总是将重心比浮心靠下地设置确保静态稳定性的柱型、通过张力腿将浮体张紧式系泊的TLP（TensionLegPlatform）型、将甲板和下船体通过多个立柱连接来缩小水线面积（吃水线的截面积）且利用作用于没水部的波能的相位差来减少摇摆的半潜型等。在这些浮体结构物中，考虑柱型是在成本上比其它的浮体结构物有利的类型。

该种柱型浮体结构物通常具有细长的大致圆柱形状的浮体部和配置在该浮体部的下部的配重部，并将通过上述配重部的重量而直立于海上的上述浮体部用系泊缆进行系泊（例如参照专利文献1及专利文献2）。

例如，在专利文献1中记载有如下的柱型浮体结构物，其具有暴露于吃水线的上部浮体、比该上部浮体的直径大的下部浮体、形成在该下部浮体的下侧的配重舱。另外，在专利文献2中记载有如下的柱型浮体结构物，其具有暴露于吃水线的上部浮体、比该上部浮体直径大的下部浮体、经由连结钢管与该下部浮体的下面连接的配重舱。

专利文献1:日本特开2009－18671号公报

专利文献2:日本特开2009－248792号公报

但是，在如上所述的柱型浮体结构物中，存在如下的问题，为了确保恢复性能，具有吃水加深的趋势，难以设置在浅海区域。另外，若与TLP型的浮体结构物相比，则存在上下摇摆及纵摇摆（或横摇摆）较大，很难确保稳定性的问题。

另外，在专利文献1及专利文献2记载的柱型浮体结构物中，存在如下问题，由于水线面积较小，容易与调谐周期短的波产生共振，由于在吃水线附近配置有较大的浮体，因此，容易受到波的影响等，难以克服上述的柱型浮体结构物的缺点。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而设立的，其目的在于提供一种柱型浮体结构物，能够确保恢复性能，能够减少摇摆，且能够使吃水变浅。

根据本发明，提供一种柱型浮体结构物，具有：具有细长形状的浮体部和配置在该浮体部的配重部，并通过所述配重部的重量使所述浮体部直立漂浮，其中，所述浮体部具有：第一扩张部，其配置在下部并向水平方向扩张；第二扩张部，其配置在中间部并向水平方向扩张；立柱部，其连结所述第一扩张部及所述第二扩张部且延伸至吃水线，所述第一扩张部构成所述配重部，所述第二扩张部构成对所述浮体部施加浮力的浮力体。

所述浮体部也可以具有配置在所述立柱部的上部并向水平方向扩张的第三扩张部。另外，相对于由所述浮体部的排水容积/吃水求得的平均面积，所述第三扩张部也可以具有10～300％的大小的水线面积。另外，在所述第三扩张部的上部例如连接有向水平方向缩小的柱状部件。另外，也可以在所述第三扩张部连接有系泊所述浮体部的系泊缆。

相对于所述浮体部的排水容积，所述第二扩张部也可以具有1/4～3/4的容积。另外，在所述第二扩张部的侧面也可以配置引导所述浮体部的系泊缆的导缆器。

所述第一扩张部及所述第二扩张部的大小设定为例如满足GM＝Iw/（Δ×tanθ）的条件（其中，GM是指稳定中心高度，Iw是是指风倾覆力矩，Δ是指排水量、θ是指最大允许倾斜角度）。

在所述第一扩张部的外面也可以设置调整所述浮体部的动态响应特性的阻力体。另外，所述阻力体也可以具有抑制所述浮体部的系泊缆的卷入的环形的保护部件。

根据上述的本发明的柱型浮体结构物，通过在浮体部上形成第一扩张部及第二扩张部，能够容易地形成无波点，能够减少柱型浮体结构物的上下摇摆。另外，通过将下部的第一扩张部设为配重部，将中间部的第二扩张部设为浮力体，能够容易地调整重心高度和浮心高度的平衡，能够容易地确保恢复性能，而且，能够减小纵摇摆（或横摇摆）。因此，根据本发明的柱型浮体结构物，能够确保恢复性能，能够减少摇摆，进而能够使吃水变浅。

另外，通过在立柱部的上部形成第三扩张部，能够在小波～正常波时使吃水线位于第三扩张部，在高波时使吃水线位于比第三扩张部缩小的部分（立柱部或上部结构物的柱状部件），能够对应波的状态调整与水线面积成反比例的上下摇摆调谐周期，并能够有效地减少上下摇摆。特别是，通过增长高波时的上下摇摆调谐周期，能够避免高波时的柱型浮体结构物的共振。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的柱型浮体结构物的整体构成图；

图2A是用于说明第三扩张部的作用的图即、表示正常波时的情况；

图2B是用于说明第三扩张部的作用的图即、表示高波时的情况；

图2C是用于说明第三扩张部的作用的图即、表示波强制力特性曲线图；

图3A是用于说明第二扩张部的作用的图即、表示原理说明图；

图3B是用于说明第二扩张部的作用的图即、表示波强制力特性曲线图；

图4A是表示本发明其它的实施方式的柱型浮体结构物的图即、表示第二实施方式的情况；

图4B是表示本发明其它的实施方式的柱型浮体结构物的图即、表示第三实施方式的情况；

图5A是表示图4B所示的阻力体的说明图即、表示俯视图；

图5B是表示图4B所示的阻力体的说明图即、表示变形例的剖面图；

图5C是表示图4B所示的阻力体的说明图即、表示变形例的俯视图。

符号说明

1柱型浮体结构物

2浮体部

3配重部

21第一扩张部

22第二扩张部

23立柱部

24第三扩张部

25系泊缆

26导缆器

27阻力体

91支柱（柱状部件）

273保护部件

具体实施方式

下面，使用图1～图5对本发明的实施方式的柱型浮体结构物进行说明。在此，图1是本发明第一实施方式的柱型浮体结构物的整体构成图。图2是用于说明第三扩张部的作用的图，图2A表示正常波时，图2B表示高波时，图2C表示波强制力特性曲线图。图3是用于说明第二扩张部的作用的图，图3A表示原理说明图，图3B表示波强制力特性曲线图。

如图1所示，本发明第一实施方式的柱型浮体结构物1为有具有细长形状的浮体部2和配置在浮体部2的配重部3，并通过配重部3的重量使浮体部2直立漂浮的柱型浮体结构物。浮体部2具有：配置在下部且向水平方向扩张的第一扩张部21、配置在中间部且向水平方向扩张的第二扩张部22、连结第一扩张部21及第二扩张部22且延伸至吃水线的立柱部23。在此，第一扩张部21构成配重部3，第二扩张部22构成对浮体部2施加浮力的浮力体。

上述柱型浮体结构物1例如为海上风力发电用的浮体结构物，作为上部结构物9，具有支柱91、机舱92及叶片93。支柱91直立设置于浮体部2的上部，支承机舱92及叶片93。机舱92在内部具有发电机，通过叶片93的旋转产生电力。叶片93由风力旋转驱动。另外，也可在支柱91上配置太阳能面板94。通过配置该太阳能面板94，可构成风力和太阳能的复合发电设备，能够提高结构物整体的冗余性。另外，上述的风力发电设备为设置于柱型浮体结构物1的上部结构物9的一例，也可设置风向标及风速仪等的风况观测装置、太阳能发电装置、照明装置、无线通信装置等。

上述立柱部23为对浮体部2施加浮力的浮力体的一部分，并且具有具备吃水D的中空圆筒形状。该立柱部23构成浮体部2的轴部。另外，立柱部23具有比第一扩张部21及第二扩张部22沿水平方向缩小的形状、即具有比第一扩张部21及第二扩张部22直径小的形状。这样，通过使立柱部23形成为细长形状，能够减轻来自波及潮流的外力。另外，也可在立柱部23的局部配置有用于排注配重水而调整浮体部2的重量的配重舱。

另外，浮体部2具有沿配置于立柱部23的上部且沿水平方向扩张的第三扩张部24。即，第三扩张部24形成为比立柱部23大的直径。第三扩张部24具有中空圆筒形状，构成对浮体部2施加浮力的浮力体的一部分。该第三扩张部24为在正常波时暴露于吃水线的部分。另外，第三扩张部24构成连接上部结构物9的支柱91的台座。即，在第三扩张部24的上部连接有沿水平方向缩小的柱状部件（支柱91）。另外，也可在设置浮体部2时使作业船的起重机等的爪部卡止在第三扩张部24的下面。

另外，第三扩张部24的上面构成进行上部结构物9的设置或浮体部2的维修等的工作台。例如，在第三扩张部24连接有系泊浮体部2的系泊缆25。这样，通过将系泊缆25连接在第三扩张部24，能够容易地从第三扩张部24的上面进行作业。

在此，参照图2对第三扩张部24的作用进行说明。如图2A所示，浮体部2构成为，在正常波时，吃水线位于第三扩张部24的周面。另外，与正常波时相比，在平静的小波时也同样，吃水线位于第三扩张部24的周面。另外，如图2B所示，浮体部2构成为，在高波高时，吃水线位于第三扩张部24的上部的支柱91的周面。另外，在高波低时的情况下，吃水线位于第三扩张部24的下部的立柱部23的周面。因此，如图2A及图2B所示，正常波时的水线面积Sa构成为，比高波时的水线面积Sb大。

但是，浮体部2的上下摇摆调谐周期由浮体部2的构造唯一地决定，在该调谐周期和波的周期一致的情况下，浮体部2共振而产生大的上下摇摆。在此，在图2C所示的波强制力特性曲线图中，横轴表示周期T（s），纵轴表示波强制力F。波强制力F为波的上下方向的强制外力，在此，无量纲化。该波强制力F如的方式表现。其中，Ft为某周期t中的波强制力，ρ为液体的密度，g为重力加速度，ζ为入射波的波振幅，为排水容积。另外，在图2C中，周期T1，T2为未产生波强制力F的无波点。通常，正常波具有周期T1～周期T2的范围内的周期。如超过周期T2，则产生高波。当前，在浮体部2的波强制力特性曲线以实线表现的情况下，周期T3成为产生共振的调谐周期。

在要抑制浮体部2的共振的情况下，需要使调谐周期错开波的周期。在此，小波的周期比正常波时的周期短，高波的周期比正常波时的周期长，高波的产生率通常比小波的产生率低。于是，为了抑制浮体部2的共振，在图2C中如点划线所示，优选的是，调谐周期按照从周期T3变化至周期T4的方式，在比正常波时的周期T1～T2长的方向错开。

而且，公知的是，调谐周期与水线面积成反比例。即，增长调谐周期相当于减小水线面积。但是，如已假定高波时，使水线面积减小，如图2C中以虚线所示，会产生在正常波时（周期T1～T2的范围）的上下摇摆增大的问题。因此，要求在正常波时欲增大水线面积。

于是，如图1及图2所示，在立柱部23的上部形成第三扩张部24，正常波时的吃水线位于第三扩张部24，高波时的吃水线位于支柱91或立柱部23，通过这样构成，可以构成在正常波时具有大的水线面积Sa，在高波时具有小的水线面积Sb的浮体部2。通过该构成，能够降低正常波时的上下摇摆，同时抑制高波时的共振。

该第三扩张部24例如相对于由浮体部2的排水容积/通过吃水D求得的平均面积Sav具有10～300％的大小的水线面积Sa。通过将第三扩张部24的水线面积Sa的大小限定于该范围内，能够有效地产生上述的作用。另外，平均面积Sav（＝排水容积/吃水D）是指将浮体部2视作具有相同大小的直径的圆柱的情况下的截面积。例如，在将排水量Δ设为8500吨、将吃水D设为50m，将比重设为1的情况下，可求得平均面积Sav为170m²。因此，水线面积Sa作为比水线面积Sb大的条件，在17～170m²的范围内被设定。水线面积Sa的具体比率或数值考虑与浮体部2的排水量Δ、水线面积Sb的平衡、设置海域的环境（波的周期及振幅等的变化）而被设定。

如图1所示，上述第一扩张部21配置在立柱部23的最下端，构成配重部3。该第一扩张部21可为由将一定的重量负载于浮体部2的固定配重构成的配重部3，也可为由可注排配重水而调整浮体部2的重量的配重舱构成的配重部3，也可为组合固定配重及配重舱的配重部3。

上述第二扩张部22配置于第一扩张部21和第三扩张部24之间的立柱部23。这样，通过在立柱部23的中间部形成具有沿水平方向扩张的形状即，比立柱部23大直径的形状的第二扩张部22，可形成多个对波的上下摇摆的阻力面，能够有效地形成不受波强制力的影响的无波点。另外，通过形成多个无波点，能够有效地降低浮体部2的上下摇摆。

如图3A所示，浮体部2具有第一扩张部21的下面21a（面积S1）及上面21b（面积S2）、第二扩张部22的下面22a（面积S3）及上面22b（面积S4）、以及第三扩张部24的下面24a（面积S5）的五个阻力面。各下面21a，22a，24a形成对在上方向上产生的波强制力的阻力面，各上面21b，22b形成对在下方向上产生的波强制力的阻力面。

另一方面，如图3A所示，通常，波强制力F具有水深越浅则越大，水深越深则越小的趋势。现在，将第一扩张部21的下面21a的水深的波强制力设为F1，将上面21b的水深的波强制力设为F2，将第二扩张部22的下面22a的水深的波强制力设为F3，将上面22b的水深的波强制力设为F4，将第三扩张部24的下面24a的水深的波强制力设为F5。另外，关于倾斜的面（例如，上面21b，22b），为便于说明，图示了其平均水深的波强制力。

因此，在第一扩张部21的下面21a产生的压力成为S1×F1，在第二扩张部22的下面22a产生的压力成为S3×F3，在第三扩张部24的下面24a产生的压力成为S5×F5。另外，在第一扩张部21的上面21b产生的压力成为S2×F2，在第二扩张部22的上面22b产生的压力成为S4×F4。这样，除第一扩张部21及第三扩张部24之外，还形成第二扩张部22，由此，可将多个受压面形成于浮体部2，这些压力相互抵消。其结果，如图3B所示，在某周期（例如，周期T1、T2）中，可形成未产生波强制力F的无波点Z1、Z2。另外，在如图3B所示的波强制力特性曲线图中，由于横轴及纵轴与图2C所示的参数相同，所以在此省略说明。

另外，第一扩张部21及第二扩张部22的大小（容量或容积）按照满足GM＝Iw/（Δ×tanθ）的条件（其中，GM是指稳定中心高度，Iw是指风倾覆力矩，Δ是指排水量，θ是指最大允许倾斜角度）的方式设定。在此，稳定中心高度GM通过GM＝KB＋BM－KG的计算式求得。其中，KB是指浮心高度（参照图1），BM是指稳定中心半径，KG是指重心高度（参照图1）。另外，稳定中心半径BM通过的计算式（其中，是指排水容积）求得。其中，Ix是指围绕水线面的浮体中心线的惯性力矩。在图1所示的浮体部2中，稳定中心半径BM几乎为零。因此，在此，可近似为GM＝KB－KG。

但是，稳定中心高度GM为表示恢复性能的一参数。在GM大的情况下，柱型浮体结构物1显示难以倾斜，容易立即返回到原位的性质，在GM小的情况下，柱型浮体结构物1显示容易倾斜，缓慢返回到原位的性质。另外，最大允许倾斜角度θ中的恢复力矩Ir可通过Ir＝GM×（Δ×tanθ）的计算式求得。因此，通过使该恢复力矩Ir和因欲设置柱型浮体结构物1的海域上的风而受到的风倾覆力矩Iw平衡，能够维持柱型浮体结构物1的恢复性能。即，优选满足Iw＝Ir＝GM×（Δ×tanθ）的关系式，能够求得GM＝Iw/（Δ×tanθ）。通过增大该GM，能够抗更大的风倾覆力矩Iw，能够确保柱型浮体结构物1的恢复性能。

在此，由于稳定中心高度GM能够近似地通过GM＝KB－KG的计算式求得，因此，优选增大浮心高度KB，降低重心高度KG。但是，如稳定中心高度GM过大，则纵摇摆或横摇摆的周期变短，会产生如细微振动那样的摇摆。另外，如容积大的第二扩张部22靠近水面，则容易受到波强制力的影响。因此，考虑尽可能地增大浮心高度KB，降低重心高度KG，并按照抑制浮体部2的排水量Δ的同时还具有与现在同等以上的恢复性能的方式，来决定浮心高度KB及重心高度KG的位置。

具体而言，例如，在所希望的柱型浮体结构物1中，只要使第二扩张部22从接近第一扩张部21的状态逐渐向上方升高的模拟试验，决定最适合减少摇摆的浮心高度KB及重心高度KG的位置即可。其结果，例如，第二扩张部22位于吃水D的大致中央部，并设定于可包含浮心高度KB或重心高度KG的位置。

另外，例如相对于浮体部2的排水容积，第二扩张部22具有20～80％的容积，优选的是，第二扩张部22具有1/4～3/4的容积。通过将第二扩张部22的大小（容量或容积）设定为该大小，能够有效地对浮体部2施加浮力。另外，第二扩张部22形成为不干涉系泊缆25的大小。这是因为，在系泊缆25和第二扩张部22干涉的情况下，系泊缆25会磨损或切断。因此，如按照满足上述条件的方式设定第二扩张部22的大小，决定第二扩张部22的位置，则可决定第二扩张部22的水平方向的大小（在圆柱形状的情况下为直径或半径），也可决定第二扩张部22的高度（垂直方向的宽度）。

另外，在第二扩张部22的侧面配置有引导浮体部2的系泊缆25的导缆器26。导缆器26具有例如连接在第二扩张部22的侧面的一对臂，具有辊可旋转地支承于臂的构成。系泊缆25贯穿第二扩张部22的侧面和辊之间。另外，导缆器26例如配置在相当于吃水D的中央部附近的位置的第二扩张部22的侧面。由海流或潮流引起的对浮体部2的作用点通常位于吃水D的中央部附近。因此，通过在与该作用点一致的位置配置导缆器26，可有效地由系泊缆25支承浮体部2，可将由海流或潮流引起的影响抑制到最小限度。另外，图示的导缆器26的构成仅为一例，也可适当利用各种构成的装置。

接着，对本发明其它的实施方式的柱型浮体结构物1进行说明。在此，图4是表示本发明其它的实施方式的柱型浮体结构物的图，图4A表示第二实施方式，图4B表示第三实施方式。图5为图4B所示的阻力体的说明图，图5A表示俯视图，图5B表示变形例的剖面图，图5C表示变形例的俯视图。另外，在各图中，对于与上述的第一实施方式相同的构成零件，标注相同的符号，省略重复的说明。

图4A所示的第二实施方式的柱型浮体结构物1为在第一实施方式的柱型浮体结构物1中省略了第三扩张部24的结构。这样，在浮体部2上配置了第一扩张部21及第二扩张部22，即使在省略了第三扩张部24的情况下，至少可起到形成了第二扩张部22的情况的效果。即、可确保恢复性能，同时可比现有的浮体结构物减少摇摆，进而可使吃水变浅。

图4B所示的第三实施方式的柱型浮体结构物1为在第一实施方式的柱型浮体结构物1中，在第一扩张部21的外面配置了调整浮体部2的动态响应特性的阻力体27。如图4B及图5A所示，阻力体27例如具有：从第一扩张部21的侧面呈放射状延伸地配置的多个的翼271、从第一扩张部21的底部在水平方向环状伸出的舭龙骨272、抑制浮体部2的系泊缆25的卷入的环形的保护部件273。

利用翼271，能够抑制浮体部2的横摆（旋转）。翼271例如具有：按照在第一扩张部21的侧面沿垂直方向配置有面的方式而连接的翼主体部271a、按照包围翼主体部271a的外周的方式连接的外缘部271b。这样，通过由板材包围翼主体部271a的外周，可在翼主体部271a的两面形成凹部，可在该空间滞留周围的流体，可以有效地增大对浮体部2的横摆（旋转）的阻力。另外，通过舭龙骨272，可形成对浮体部2的上下摇摆的阻力面。另外，也可根据情况省略舭龙骨272。另外，通过将保护部件273配置于翼271的上面且外缘部，可不使系泊缆25进入翼271之间。

图5B及图5C所示的阻力体27的变形例为仅由舭龙骨272构成阻力体27。该变形例中的舭龙骨272由具有从第一扩张部21的底部向斜下方倾斜的圆锥面的板部件构成。另外，由舭龙骨272的圆锥面包围的空间形成凹部，在该空间内可滞留周围的流体，可有效地增大对浮体部2的上下摇摆的阻力。

当然，本发明并不限于上述的实施方式，第一扩张部21、第二扩张部22及第三扩张部24的形状在满足上述的条件的范围内可适当变更等，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变更。

Claims

1.一种柱型浮体结构物，具有：细长形状的浮体部和配置在该浮体部的配重部，并通过所述配重部的重量使所述浮体部直立漂浮，其特征在于，

所述浮体部具有：第一扩张部，其配置在下部并向水平方向扩张；第二扩张部，其配置在中间部并向水平方向扩张；中空圆筒形状的立柱部，其连结所述第一扩张部及所述第二扩张部且延伸至吃水线；中空圆筒形状的第三扩张部，其配置固定在所述立柱部的上部并向水平方向扩张，

所述第一扩张部构成所述配重部，

所述第二扩张部构成对所述浮体部施加浮力的浮力体。

2.如权利要求1所述的柱型浮体结构物，其中，相对于由所述浮体部的排水容积/吃水求得的平均面积，所述第三扩张部具有10～300％的大小的水线面积。

3.如权利要求1所述的柱型浮体结构物，其中，在所述第三扩张部的上部连接有向水平方向缩小的柱状部件。

4.如权利要求1所述的柱型浮体结构物，其中，在所述第三扩张部连接有系泊所述浮体部的系泊缆。

5.如权利要求1所述的柱型浮体结构物，其中，相对于所述浮体部的排水容积，所述第二扩张部具有1/4～3/4的容积。

6.如权利要求5所述的柱型浮体结构物，其中，在所述第二扩张部的侧面配置有引导所述浮体部的系泊缆的导缆器。

7.如权利要求1所述的柱型浮体结构物，其中，所述第一扩张部及所述第二扩张部的大小以满足GM＝Iw/(Δ×tanθ)的条件的方式被设定，GM是指稳定中心高度，Iw是指风倾覆力矩，Δ是指排水量，θ是指最大允许倾斜角度。

8.如权利要求1所述的柱型浮体结构物，其中，在所述第一扩张部的外面配置有调整所述浮体部的动态响应特性的阻力体。

9.如权利要求8所述的柱型浮体结构物，其中，所述阻力体具有抑制所述浮体部的系泊缆的卷入的环形的保护部件。