JP2014503424A - 環状浮体 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒーブ運動が最小限に抑えられている浮体を提供する。
【解決手段】本発明は浮体の分野に関し、より詳細には、中央ムーンプール（２）を含む環状浮体（１）であって、浮体（１）の固有周期と実質的に等しい周期のうねりを伴う水中において、浮体（１）がヒーブ運動を行っている間に、うねりに対して逆位相にて中央ムーンプール（２）内で振動する水塊によって浮体（１）に加えられる鉛直力が、うねりによって浮体（１）に加えられる鉛直加振力を少なくとも部分的に相殺するように構成されている、環状浮体に関する。本発明は、また、浮体（１）の固有周期において、浮体（１）のヒーブ運動を少なくとも部分的に消滅させる方法に関する。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】本発明は浮体の分野に関し、より詳細には、中央ムーンプール（２）を含む環状浮体（１）であって、浮体（１）の固有周期と実質的に等しい周期のうねりを伴う水中において、浮体（１）がヒーブ運動を行っている間に、うねりに対して逆位相にて中央ムーンプール（２）内で振動する水塊によって浮体（１）に加えられる鉛直力が、うねりによって浮体（１）に加えられる鉛直加振力を少なくとも部分的に相殺するように構成されている、環状浮体に関する。本発明は、また、浮体（１）の固有周期において、浮体（１）のヒーブ運動を少なくとも部分的に消滅させる方法に関する。
【選択図】図１Ａ
Description
本発明は、浮体及び浮体のヒーブ運動を少なくとも部分的に消滅させる方法に関する。
うねりにさらされた浮体は、様々な方向に振動する。「ヒーブ」は、鉛直方向のうねりによって誘発される１つのそのような振動運動である。浮体の他の振動運動と同様、ヒーブは、様々な欠点を持っている。そのようなヒーブにさらされた浮体の上で経験できる明らかな不快感は別として、その運動は、特に浮体のヒーブ固有周期に近い周期を有するうねりが原因で、支持された構造に悪影響を及ぼす高い加速度をプラットフォームに誘発する。
浮体のヒーブ固有周期Ｔheaveは、下記式で表すことができる。Ｔheaveは、ヒーブ固有周期を表す。Ｍは、浮体の質量（排水量）を表す。ρは、水の密度を表す。ｇは、重力加速度を表す。Ｓ0は、浮体の水線面積を表す。Ｍaは、一般に当業者によって定義される浮体の付加質量を表す。付加質量Ｍaは、浮体の形状、その吃水、うねりの周期及び他の要因に応じて変化し、例えば、知られている回折−放射コードによって計算することができる。別段の表示がない限り、本明細書の式及び方程式における全ての変数は、国際単位系（ＳＩ）の測定単位を使用する。
浮体に加えられる力は、第一に、浮体によって乱されていないうねりによって生成される可変圧力場に関連するフルード−クリロフ力を含み、第二に、浮体によるうねりの回折に関連する回折力を含む。それらの力は、回折−放射コードによって計算することもできる。
J. Fluid Mech. (2001), vol. 430, pp. 27-50
「ムーンプール」が設けられた浮体は、当業者、特に浮遊掘削プラットフォームの当業者に知られている。「ムーンプール」は、水線と交差しながら浮体を貫通して下方に延びている開口部である。その動的挙動、特に、ムーンプールにおける水塊の鉛直振動（「ピストンモード」）は、欠点として認識されている。「ムーンプールにおけるピストン及びスロッシングモード」（J. Fluid Mech. (2001), vol. 430, pp. 27-50）と題された論文の中で、B.Molinは、浮遊プラットフォームのそのようなムーンプールに収容された水塊の鉛直振動であるこの「ピストンモード」を分析している。しかし、うねりによって浮体に加えられる加振力を無効にするようにその振動を使用することは提案されていない。
米国特許出願US 2009/126616 A1及びUS 2006/045628 A1のそれぞれには、浮体の慣性を増加させてそのヒーブ固有周期を増加させ、その固有周期がうねりの周期の正常範囲を超えるように、浮体とともに鉛直に動かされる水の付加質量を増加させるムーンプールを有する浮体が記載されている。あいにく、それには、うねりによって浮体に加えられる加振力の増加につながるという欠点がある。
本発明の目的は、特に浮体のヒーブ固有周波数の近傍でヒーブ運動が最小限に抑えられている浮体を提供することにある。
本発明の浮体の少なくとも１つの実施形態において、浮体は、中央ムーンプールを含む環状浮体であって、浮体の固有周期と実質的に等しい周期のうねりを伴う水中において、浮体がヒーブ運動を行っている間に、うねりに対して逆位相にて中央ムーンプール内で振動する水塊によって浮体に加えられる鉛直力が、うねりによって浮体に加えられる鉛直加振力を少なくとも部分的に相殺するように構成されている、という事実によって本目的は達成される。本明細書において、「固有周期に実質的に等しい周期」は、固有周期に厳密に等しい周期を必ずしも意味せず、固有周期に対する多少のバラつき、例えば、±１５％のバラつきが許容されることは、当業者にとって明らかであろう。
これらの規定によって、浮体のヒーブ運動を極めて有意に減少させることができる。また、これらの規定は、特定の用途のための追加の利点を提供する。うねりに対して位相がシフトした態様にて中央ムーンプール内で振動する水塊によって浮体に加えられる鉛直力で、うねりによって浮体に加えられる鉛直力を少なくとも部分的に相殺できるように、浮体の吃水は、通常は制限されるべきであり、ムーンプールの面積は、通常は水線面積に比べて特に大きくするべきである。このことは、トン数に対する浮体の全体の寸法を増加させるが、そのような広い環状の構成は、風力タービンのように特に高い重心を有する上部構造があったとしても、バラストシステムの必要性がなくなる程度に、その静的安定性にプラスになる。
有利には、浮体の構造のロバスト性を維持しつつ、浮体の中央ムーンプール内で振動する水塊とうねりとを逆位相にするために、浮体がヒーブ運動を行っている間に、中央ムーンプールにおける水塊の鉛直振動ピストンモードの固有周期Ｔpistonは、浮体の固有周期Ｔheaveの１．２５〜１．５５倍の範囲にあってもよい。
実質的に垂直な壁を有する浮体の中心ムーンプールにおける水塊の振動ピストンモードの固有周期Ｔpistonの近似のために、下記式を使用できる。
この式において、Ｓ1は中央ムーンプールの面積を表し、ｇは重力加速度であり、ｋは、B.Molinによる「ムーンプールにおけるピストン及びスロッシングモード」（J. Fluid Mech. (2001), vol. 430, pp. 27-50）と題された論文の中で説明されているように、中央ムーンプールが同じ面積を有する正方形の開口部にたとえられる場合には、０．５２に等しいと考えることができる係数である。
浮体がヒーブ運動を行っている間に、中央ムーンプール内で振動する水塊の固有周期Ｔpistonと浮体の固有周期Ｔheaveとの比は、下記式で表すことができる。
従って、浮体及びその中心ムーンプールの寸法は、有利には、下記式で定義することができる。浮体の構成にもよるが、付加質量Ｍaは、通常、浮体の質量Ｍの０．４５〜０．８５倍の範囲にある。
ただし、代案として、うねりの周期に応じて、固有周期Ｔpiston及びＴheave、消滅周期Ｔeffort、種々の浮体に加えられる全ての鉛直加振力、及び、浮体のヒーブ応答を正確に計算するために、WAMIT（登録商標）、Principia DiodoreTM、ANSYS（登録商標）AQWA、又はいくつかの他のソフトウェアなど、当業者によく知られている流体力学解析ソフトウェアなどのデジタルツールを使用できる。
少なくとも１つの詳細な実施形態において、環状浮体は、少なくとも１つのペイロード（charge utile）を含む。特に、この少なくとも１つのペイロードは、風力タービンのようなエネルギーを使用するための装置であってもよいし、波、うねり、潮汐又は流れからのエネルギー、海からの熱エネルギー、海からの浸透エネルギー又は他の形式のもののような、海洋のエネルギーを利用するための他の装置であってもよい。風力タービンのうち、例えば、水平又は鉛直軸を持ったもの、１又は複数のロータを持ったもの、ロータと発電機との間に配置されたギアボックスがあるもの又は無いもの、任意の数の翼を持ったものなど、当業者に知られている全ての形式のタービンが考えられる。
浮体は、環状の構成を有しているので、少なくとも１つのペイロードは、浮体に対して中心を外れて位置していてもよい。ペイロードの重量のバランスを取るように、環状浮体は、少なくとも１つのペイロードの近傍において、より大きい浸漬容積を有していてもよい。
浮体を適切な位置に維持するために、浮体には、小塔ブイ、固定方位投錨装置、及び、ケーブル、鎖又はいくつかの他の投錨装置に投錨するための少なくとも１つの投錨装置が設けられていてもよい。また、浮体は、例えば、アンチロールキール、アンチロールタンク、又はＵ字管を介して相互に接続された複数のアンチロールタンクの配列などを包含する、少なくとも１つのロール減衰装置を含んでいてもよい。
浮体の動的特性を調節するために、例えばスカート又は板などの少なくとも１つの外部付属物を浮体に組み込むことによって、例えば、鉛直運動を行っている浮体に追従する水の付加質量を増加させることができる。中央ムーンプール内の水塊がうねりに対して逆位相で振動するうねり周期とヒーブ固有周期との両方を調節するように、中央ムーンプールにおいて、少なくとも１つの付属物を浮体に組み込むことができる。そのような付属物を使用して、浮体とともに振動する水の付加質量Ｍaを、浮体の質量Ｍの０．５５〜０．８５倍の範囲としてもよい。あるいは、それらの付属物を使用せず、付加質量Ｍaを、浮体の質量Ｍの０．４５〜０．６５倍の範囲としてもよい。水塊のスロッシングの粘性減衰を高めるために、浮体は、また、中央ムーンプールの周囲において、中央ムーンプールと制限された連通状態にある少なくとも１つのロール減衰チャンバを含んでいてもよい。
本明細書は、また、ヒーブ固有周期に実質的に等しい周期のうねりを受ける水に浮かんでいる浮体のヒーブ運動を少なくとも部分的に消滅させる方法であって、浮体には、うねりによって加えられる鉛直加振力に対抗する鉛直力を浮体に加えるために、うねりに対して逆位相で水塊が振動する中央ムーンプールが設けられている、方法を提供する。
非限定的な例として示されている実施形態の以下の詳細な説明を読めば、本発明を十分に理解できるとともに、その利点をより明らかにすることができる。説明では、添付の図面を参照する。
本発明の環状浮体１の第１実施形態を図１Ａ及び図１Ｂに示す。この浮体１は、正方形の形状を有する。浮体１には、正方形の形状の中央ムーンプール２が設けられている。浮体１には、また、中心を外れて浮体１の上に位置している風力タービン３が設けられている。図示された風力タービン３は、水平軸ロータを持ったタービンであるが、水平又は鉛直軸を持ったもの、１又は複数のロータを持ったもの、ロータと発電機との間に配置されたギアボックスがあるもの又は無いもの、任意の数の翼を持ったものなど、他の形式の風力タービンも考えられる。同一の浮体に複数の風力タービンを設置することも可能である。それに加えて又はそれに代えて、そのような浮体は、例えば、波、うねり、潮汐又は流れからのエネルギー、海からの熱エネルギー、海からの浸透エネルギー又は他の形式のもののような、海洋のエネルギーを利用するための他の形式の装置などの他の形式の設備を支持する働きをすることもできる。本実施形態では、浮体１には、複数のアンカーライン４を含む投錨装置も設けられている。ただし、当業者に知られている他の代替の投錨装置も考えられる。
浮体１は、浅水域での使用を可能にする浅い吃水、及び、風力タービン３をメンテナンスする作業のための容易なアクセスを提供する少ない量の乾舷を有する。
浮体１及びそのムーンプール２は、浮体のヒーブ固有周期に実質的に等しい周期を有するうねりを伴う水中において、中央ムーンプール２内の水塊がうねりとは実質的に逆位相で振動するように寸法が決められている。このように、うねりに対して実質的に逆位相にて中央ムーンプール内で振動する水塊によって浮体に加えられる鉛直力は、また、うねりによって浮体に加えられる鉛直加振力とは実質的に逆位相である。
当業者であれば、浮体１の様々な構成のため、ひいては、鉛直加振力を消滅させるための固有周期Ｔpistonと固有周期Ｔheaveとの最適比のために、うねりの周期に応じて、付加質量Ｍa及びうねりと中央ムーンプール２における水塊の鉛直振動とによって加えられる鉛直力の両方を計算することができる回折−放射コードを知っている。図１Ａ及び図１Ｂに示す構成を有する浮体１に関し、付加質量Ｍaは、Ｍの約０．５５倍である。一方、うねりに対して中央ムーンプール内の水塊を逆位相にするための最適比Ｔpiston／Ｔheaveは、１．２５〜１．５５の範囲、具体的には、約１．４０である。これらの値を式（３）にあてはめることによって、中央ムーンプール２が正方形であるならば、中央ムーンプール２の１辺の長さｌが吃水ｄの約４．０倍であることを推定することができる。
この比率が正方形の浮体１の排水量に関する方程式における吃水ｄの代替として適用されるのであれば、以下の３次の多項式が得られる。
既知の排水量Ｍ及び浮体１の既知の長さＬから、うねりに対して中央ムーンプール内の水塊を逆位相にして、浮体１に加えられる鉛直加振力を少なくとも一部消滅させるように、中央ムーンプール２の最適な大きさを計算することができる。長さＬ及びｌと排水量Ｍとから、吃水ｄを直接計算することもできる。
従って、浮体１のヒーブ周期Ｔheaveで、排水量Ｍが５９００メートルトン（ｔ）且つ１辺の長さＬが３９メートル（ｍ）の正方形の浮体１についての鉛直加振力を少なくとも一部消滅させることに関し、正方形となるその中央ムーンプール２の各辺の長さｌは、２３ｍとなりうる。１立方メートルあたり約１０２７キログラム（ｋｇ／ｍ3）の密度を有する海水において、これらの寸法から、浮体１は、５．８ｍの吃水ｄを有する。Ｌ＝３９ｍ及びｌ＝２３ｍの正方形の形状が維持されるのであれば、式（４）によって定義された範囲内で、異なるトン数及び４．４ｍ〜８．４ｍの範囲の吃水で別の実施形態を考えることができる。
図２は、浮体１の応答、中央ムーンプールが設けられているが浮体のヒーブを最小限に抑えるようには最適化されていない別の浮体の応答、及び、中央ムーンプールが設けられていない浮体の応答を示している。曲線２０１は、うねりの振幅と浮体１のヒーブの振幅との間の伝達関数ＲＡＯheave（ヒーブ応答振幅演算子）を表す。比較として、曲線２０２は、うねりの振幅と最適化されていない環状浮体の振幅との間の伝達関数を表し、曲線２０３は、中央ムーンプールが設けられていない浮体に対応する伝達関数を表す。
曲線２０３に見られるように、中央のムーンプールが設けられていない浮体は、約８．５秒（ｓ）の固有周期を有し、伝達関数ＲＡＯheaveは最大１．０８に達する。曲線２０２によって表される応答を有する最適化されていない環状浮体は、約９．５ｓの固有周期で、ほぼ１．４の更なる際立った最大値を持つ。逆に、第１実施形態の環状浮体１に対応する曲線２０１は、そのような最大値を持たず、１の値を超えない。
これは、この例では５．８秒である浮体１のヒーブ固有周期Ｔheaveが、水によって浮体１に加えられる鉛直加振力の振幅の最小値に概ね対応する、という事実に起因している。図３Ａにおいて、うねりの振幅と浮体１への全ての鉛直加振力の振幅との間の伝達関数ＲＡＯeffort（力応答振幅演算子）を表す曲線３０１に曲線２０１が重ねられている。この例では６．１秒であって、浮体１のヒーブ固有周期Ｔheaveに極めて近い周期Ｔeffortでこの曲線３０１がどのような最小値を持つのかを確かめることができる。図４Ａ及び図４Ｂに図式的に表されているように、これは、中央ムーンプール２における水塊の鉛直振動、うねりに対する位相シフト、並びに、周期Ｔeffort及びそれに近い周期でうねりによって浮体１に加えられる加振力を少なくとも一部相殺することに起因している。
中央ムーンプール２に収容された水塊のピストンモード鉛直振動は、その結果、うねりに対して逆位相となる。この水塊の流入と流出は、浮体１の周囲で、浮体１におけるうねりの圧力場を少なくとも一部相殺することになる振動流れを発生させる。これは、フルード−クリロフ力と浮体に加えられる回折力とが逆位相であると表すこともできる。
装置が適切に有効であるためには、ピストンモード固有周期Ｔpistonを浮体のヒーブ固有周期Ｔheaveよりも大きくするべきである。加振力の消滅周期は、一般に、ピストンモード固有周期Ｔpistonと浮体１のヒーブ固有周期Ｔheaveとの間にある。従って、一般には、Ｔheave＜Ｔeffort＜Ｔpistonである。
比較として、図３Ｂでは、最適化されていない環状浮体の応答ＲＡＯheaveの曲線２０２が、うねりの振幅と最適化されていない環状浮体への鉛直加振力の振幅との間の伝達関数ＲＡＯeffortを表す曲線３０２に重ねられており、９．５ｓのヒーブ固有周期Ｔheaveを有する。この場合、周期Ｔheaveが周期Ｔeffortに近くないので、最適化されていない浮体にうねりによって加えられる加振力は、中央ムーンプールにおける水塊の鉛直振動によって、顕著には低減されない。それどころか、中央ムーンプールが設けられていない浮体に比べて、ヒーブ共振が実際に悪くなる。
浮体１の平衡を保つため及び風力タービン３の重量を相殺するために、浮体１は、風力タービン３の反対側にてバラストで安定させられる。しかし、図５Ａに示す別の実施形態では、風力タービン３の近傍における浮体１の浸漬容積、ひいては排水量を増加させることによって、バラスト重量を最小限に抑えることができる。また、他の実施形態では、浮体１は、第１実施形態の正方形以外の形状を有していてもよい。従って、浮体１は、図５Ｂに示す実施形態では円形の形状を有し、図５Ｃ及び図５Ｄに示す実施形態では三角形の形状を有する。
本発明の浮体の様々な実施形態は、種々の材料、例えば、鋼などの鉄系金属、アルミニウム又はその合金などの非鉄材料、コンクリートなどの鉱物材料、複合材料を含む合成材料、複数のそれら異なる材料の組み合わせで作られてもよい。
また、鉛直運動する浮体に付随する水の付加質量を増加させるために、及び／又は、中央ムーンプールにおける水塊の振動のピストンモードの固有周期Ｔpistonを変更するために、浮体の実施形態のいずれも、その外周及び／又は中央ムーンプール内において、付属物を含んでいてもよい。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、固有周期Ｔpistonを調節するために、そのような浮体１の中央ムーンプール２の周囲に設置された水平板５に関する３つの潜在的な構成を示している。図７に示すように、中央ムーンプール２における水のスロッシングを減衰させるために、ムーンプールは、その周囲において、水が通過することができるオリフィス８を有する壁７で中央ムーンプール２の中心から隔てられた減衰チャンバ６を有していてもよい。例えば、アンチロールキール又は能動的若しくは受動的アンチロールタンク配列のようなロール減衰装置を浮体に組み込むこともできる。図８は、その流体力学的な抵抗で浮体のロール振動を減衰させるアンチロールキール９を備えた浮体１を示している。受動的アンチロールタンクは、液塊を収容しているタンクであり、その液体のスロッシングでロールを減衰させるように寸法が決められている。図９に示すように、アンチロールタンクの能動的な配列は、Ｕ字管１１を通じて底部が相互に接続され、かつ液塊で満たされた、２つのアンチロールタンク１０Ａ及び１０Ｂを含む。この場合、ロールは、管１１を通じた、タンク１０Ａ及び１０Ｂとの間の液体の移動を引き起こす。液体の流れに対する管１１の抵抗によって、ロールを減衰させることができる。管１１には、流れに対するこの抵抗を調節するための手段が設けられていてもよい。
詳細な実施形態を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲によって定義される本発明の一般的範囲を逸脱することなく、様々な修正及び変更がこれらの例に対してなされてもよいことは明らかである。従って、明細書及び図面は、限定的ではなく、例示的に与えられているものと考えるべきである。
Claims (12)
- 中央ムーンプール（２）を含む環状浮体（１）であって、前記浮体（１）の固有周期と実質的に等しい周期のうねりを伴う水中において、前記浮体（１）がヒーブ運動を行っている間に、前記うねりに対して逆位相にて前記中央ムーンプール（２）内で振動する水塊によって前記浮体（１）に加えられる鉛直力が、前記うねりによって前記浮体（１）に加えられる鉛直加振力を少なくとも部分的に相殺するように構成されている、環状浮体（１）。
- 前記浮体（１）がヒーブ運動を行っている間に、前記中央ムーンプール（２）における前記水塊の鉛直振動ピストンモードの固有周期Ｔpistonが、前記浮体（１）の固有周期Ｔheaveの１．２５〜１．５５倍の範囲に収まるように構成されている、請求項１に記載の環状浮体（１）。
- 水の密度がρであり、前記浮体の質量Ｍの０．４５〜０．８５倍の範囲にあり、かつ前記浮体（１）と同位相で振動する水の付加質量がＭaであるとき、
下記式で定義される、水線面積Ｓ0、水線における前記中央ムーンプールの面積Ｓ1、吃水ｄ及び質量Ｍを有する、請求項２に記載の環状浮体（１）。
- 少なくとも１つのペイロードを含む、環状浮体（１）。
- 前記少なくとも１つのペイロードは、少なくとも１つのエネルギー利用装置を含む、請求項４に記載の環状浮体。
- 前記少なくとも１つのペイロードは、前記浮体（１）に対して中心を外れて位置している、請求項４又は５に記載の環状浮体（１）。
- 前記少なくとも１つのペイロードの近傍において、より大きい浸漬容積を有する、請求項６に記載の環状浮体（１）。
- 少なくとも１つの投錨装置をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の環状浮体（１）。
- 少なくとも１つのロール減衰装置をさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の環状浮体（１）。
- 前記浮体の流体力学的特性を調節するために、前記中央ムーンプールの外部及び／又は内部にある、少なくとも１つの付属物をさらに含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の環状浮体（１）。
- 前記中央ムーンプールの周囲において、前記中央ムーンプール（２）と制限された連通状態にある少なくとも１つのロール減衰チャンバをさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の環状浮体（１）。
- ヒーブ固有周期に実質的に等しい周期のうねりを受ける水に浮かんでいる浮体（１）のヒーブ運動を少なくとも部分的に消滅させる方法であって、前記浮体（１）には、前記うねりによって加えられる鉛直加振力に対抗する鉛直力を前記浮体に加えるために、前記うねりに対して逆位相で水塊が振動する中央ムーンプール（２）が設けられている、方法。
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