JP4931272B2 - 箱形浮体の横揺れ低減構造 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は作業船やFPSO(Floating Production,Storage and Off-loading)などの箱形浮体の横揺れ低減構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
船体の波浪中での横揺れを低減するために、近年、各種の新しい形式の能動型減揺装置の研究が多く行われ、それらの減揺装置の中にはすでに実用化された装置もある。能動型減揺装置は減揺効果の点からは、受動型減揺装置より明らかに優れている。
【0003】
しかし船体の横揺れを低減するための種々の能動型減揺装置は、一般に複雑、大型、大重量であり、しかも大きな設置スペースを必要とし、経済上、スペース上の点から一般的な採用は困難となっている。
【0004】
このために、船体の要目や形状の工夫等によって減揺を行うようにした受動型減揺装置の研究がなされている。関西造船協会誌第232号別刷(平成11年9月発行)にはかかる研究成果が発表されている。「波浪中横揺れ低減に関する二、三の考察」(P63−70)は上記協会誌に発表された論文の1つである。上記論文では箱型浮体の重心位置を調節することにより、横揺れを低減できることが示されており、以下引用する。
【0005】
図4は箱形浮体を後方から見た場合の形状の一例を示したものであり、箱形浮体1は、幅B、喫水dを有しており、箱形浮体1の重心Gは、喫水線を通る原点O付近、例えば原点Oより少し高いところに位置している。
【0006】
このような箱形浮体1に横波が作用すると、箱形浮体1は重心Gの周りに回転するように横揺れ2を生じることになる。
【0007】
本論文はこのように幅Bと喫水dの比が大きい(幅喫水比が大きい)箱形浮体1における横揺れ低減を目的として考察し、箱形浮体1の重心の位置を移動することによって、横揺れが低減できる技術について論究している。
【0008】
この考察の理論的な基礎は、左右揺れ(swaying )との連成影響を含む横揺れ(rolling )の1自由度運動方程式である。ここで、左右揺れとは、箱形浮体1が左右水平方向に移動する揺れであり、また横揺れとは、箱形浮体1が重心Gの周りを回転するように移動する揺れである。1自由運動方程式は簡明な形に表されるため、横揺れ低減の見通しを立てる上で役立つ。
【0009】
左右横揺れとの連成が考慮された横揺れの1自由度運動方程式は、横揺れと左右揺れとの連成運動方程式から、
【数1】
Figure 0004931272
と与えられる。ただし、X4 は横揺れ振幅、Hj (j=2,4)はKochin関数、Dj およびD24は流体力から決まる係数である。j=2および4は、それぞれ左右揺れ及び横揺れを意味する。
【0010】
式(1)の右辺は左右揺れの影響を含む広義の横揺れ波強制モーメントであり、有効波傾斜係数γとの間に
【数2】
Figure 0004931272
の関係が成り立つ。
【0011】
次に、左右揺れ付加質量係数k2 、流体力レバーl2 、波強制モーメントレバーlw
【数3】
Figure 0004931272
と定義する。l2 およびlw は箱形浮体1の重心Gから力の作用点までの距離を表わし、上方に向かって正とする。
【0012】
また、l20及びlwoを原点Oに対して定義されたモーメントレバーとして
【数4】
Figure 0004931272
とおき、また
【数5】
Figure 0004931272
とすれば、式(2)は
【数6】
Figure 0004931272
と書きかえられる。ただし、OGは喫水線を通る原点Oから重心Gまでの距離であり、重心Gが原点Oの下方にあるときを正とする。また、MGはメタセンタ高さ(重心Gからメタセンタまで距離)である。
【0013】
γsは単独左右揺れ振幅の近似値に相当し、またモーメントレバーl(K)は重心位置に無関係な量であって、どちらも箱形浮体1の形状と動揺周波数で決まる。
【0014】
有効波傾斜係数を構成する成分γsおよびモーメントレバーl(K)を、箱形浮体1について計算により求めた。計算対象箱形浮体1はB/d=2.5,5,7.5,10,12.5,20の6種類である。計算には2次元領域分割法を用いており、流体力に対する3次元影響は考慮されていない。
【0015】
γsの計算値を図5に示す。図5の横軸は無次元周波数K(B/2)である。ここで、K=ω2 /g、ω=2π/Tでありωは周波数、Tは波周期である。
【0016】
γsは、図5に示すように周波数の増加とともに単調に減少する。箱形浮体1の幅喫水比によるγsの変化は小さく、B/dが5以上の浅喫水箱形浮体では同程度の値とみなすことができる。
【0017】
図6はB/dをパラメータとした、モーメントレバーl(K)と半幅B/2との比、すなわち、l(K)/(B/2)(縦軸)と無次元周波数K(B/2)(横軸)との関係を示す。この値は周波数に対する変化は比較的小さいが、浮体の幅喫水比によってかなり変化し、B/dが大きいほどその絶対値は大きい。B/d=5の場合にはl(K)/(B/2)の値は零に近く、周波数に対する変化はほとんどない。l(K)の値は幅喫水比B/dと浮体物を係留する海域での波の周波数が与えられれば図4から求めることができる。
【0018】
箱形浮体の波浪中の動揺を低減させる基本的な考え方は3つに大別される。減衰力の増加、動揺の固有周期を長くすることおよび波強制力の低減である。波強制力の低減は連成運動方程式(1)についていうと、式(1)右辺の値を小さくすることであり、式(2)から明らかなように、そのためにはγ・GMを小さくすればよい。ところで、γ・GMは式(6)のように表されるから、ある周波数でγs=0、もしくはOG=l(K)となるならばγ・GM=0である。本論文ではこの考え方を用いて横揺れ低減を実現する。
【0019】
まず、γs=0とするためにはH2 (K)=0としなければならないが、これは理論的には左右揺れ波無し形状を選ぶと実現可能である。しかし,幅喫水比の大きい箱形浮体では現実的な形状は得られないと推察される。
【0020】
一方、OG=l(K)は重心高さOGの選び方で実現可能なものである。従来、波長が比較的長い領域ではOG=l(K)を成り立たせるのは難しいといわれているが、それは通常の船形を対象とした場合であり、幅喫水比の大きい箱形浮体については実現可能である。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
OGの値を調節してOG=l(K)を実現するには、例えば箱形浮体上に架台を設け、その架台上に重量物を載置してOGを大きくすることが考えられる。しかし、OGを大きくするとMGの値が小さくなり、箱形浮体の形状によっては不安定になることも考えられる。
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、箱形浮体の形状を変更することにより、モーメントレバーl(K)の値を調節してOG=l(K)を実現し、波強制力の低減を図り、箱形浮体の横揺れ低減装置を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の箱形浮体の横揺低減装置は平面視でほぼ長方形の箱形浮体の短手方向の片側または両側の喫水線下に長手方向の張り出し部を設けたものである。
【0023】
上記長手方向の張り出し部は短手方向の片側または両側のほぼ全長に設けるのが好ましい。
【0024】
上記長手方向の張り出し部は短手方向の片側または両側に部分的に設けてもよい。
【0025】
上記喫水線下の長手方向の張り出し部に加えて張り出し量のほぼ等しい上下方向の張り出し部を長手方向に複数個所設けるのが好ましい。
【0026】
上記長手方向の張り出し部の形状は浮体の重心高さと浮体に作用するモーメントレバーとがほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。
上記長手方向の張り出し部は浮体の下端に設けのが好ましい。
【0027】
本発明の作用を説明する。浮体に作用するモーメントレバーl(K)は浮体の左右揺れ付加質量連成係数、波強制力などの各種の係数によって決るものであるが、従来の箱型浮体については図4によって説明したように浮体の幅喫水比B/dをパラメータとして周波数が与えられればグラフから求めることができる。一方、作業船やFPSOなどの浮体構造物を設置する海域の波の平均周波数または平均周期に対し、以上のように求めたモーメントレバーl(K)の値は重心高さとは偶然の場合は別として通常一致しない。一致または近づけるためOGの値を調節してもよいが必ずしも実用的でない場合もある。本発明では箱形浮体の短手方向の片側または両側の喫水線下に長手方向の張り出しを設け、モーメントレバーl(K)を調節することにより、l(K)とOGを一致させるか近づけることにより、波強制力を低減させて箱形浮体の横揺れを低減させるものである。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本説明の1実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の図であり、(A)は側面図、(B)は平面図、(C)は正面図である。なお、本図において、従来技術の説明に使用した図4と同等の部分については同一の符号を付している。図において、lは作業船やFPSOなどの箱形浮体である。箱形浮体1は平面視長方形で、底面は平面である。3は張り出し部で、箱形浮体1の短手方向5の両側に、長手方向6のほぼ全長にわたって、喫水線4より下方に設けられている。張り出し部3は本図では箱形浮体1の下端に設けられているが、必ずしも下端でなくともよい。
【0029】
張り出し部3の形状は浮体の重心高さOGと浮体に作用するモーメントレバーl(K)がほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。
【0030】
次に、具体例について、計算結果を説明する。図2は本発明の横揺れ低減構造の具体例として、計画中のFPSOの中央断面図である。FPSOは、長さが295m、幅Bが60m、高さDが25mであり、喫水深さdは張り出し部のない場合9m、張り出し部が最大の場合8.47mとなる。重心高さOGは−8.16mである。なお、Gが水面Oより上にあるときはOGは負である。これにより、OG/(B/2)=−0.272となる。計算は張り出し量Bs をBs =0、Bs =1m、Bs =2m、Bs =3m、Bs =4mに変化させて行った。
【0031】
箱形浮体1を設置しようとする海域の平均波周期は10sec であるので、その波周期に対して減揺効果が最大になるようにする。図3は図2に示す箱形浮体(B/d=6.67)についてモーメントレバーl(K)と半幅B/2との比、すなわち、l(K)/(B/2)(縦軸)と無次元周波数K(B/2)(横軸)との関係を示すグラフであり、一点鎖線は、Bs =0,すなわち、張り出し部3のない箱形浮体のグラフ、実線はBs =4mの張り出し部3のある箱形浮体のグラフである。T=10s では、K(B/2)=1.2であり、図3からわかるように、Bs =0の箱形浮体では、l(K)/(B/2)は約−0.45であるが、Bs =4の張り出し部3を設けると平均波周期10s に対してl(K)/(B/2)は−0.272になり、OG=l(K)が実現できる。
【0032】
図7はBs を0から4まで変化させたときの減揺効果を示すグラフであり、(A)はRollの応答関数と波周期との関係、(B)はRollの短期予測結果と平均波周期との関係を示している。すなわち、図上でType-0はBs =0,Type-B#1はBs =1、Type-B#2はBs =2、Type-B#3はBs =3、Type-B#4はBs =4をそれぞれ表している。図7(A)からわかるようにBs が0から4まで変化すると横揺れの応答が極大になる同調周期が大きくなる。図7(B)について見ると、想定する海域の平均波周期が10秒であれば張り出し部3をBs =4mとすることにより横揺を著しく抑制することがわかる。以上述べた計算結果以外にも張り出しを設けることで横揺れ付加質量の増加と粘性減衰の効果も期待できるので,さらに横揺れを抑制することができる。
【0033】
図8は想定される海域の海象中での年間操業停止日数(縦軸)と操業停止横揺れ角(横軸)との関係を示すグラフでBs =0、Bs =2、Bs =4について示している。プラント等が停止する角度を5°とした場合に、従来型(Bs =0)で年間約9日の稼働停止になるのに対し、本発明(Bs =4)では約3日となり、著しく改善されたことがわかる。
【0034】
【変形例】
以下、本発明の変形例について図面を参照しつつ説明する。図9は箱形浮体1の短手方向の両側に長手方向の張り出し部を部分的に設けたものを示している。部分的な長手方向の張り出し部3aは、箱形浮体1の前後にそれぞれ箱形浮体1の全長の1/3の長さで設けられている。図13は長手方向の張り出し部3aの総計の長さが、1全長の1/2のとき、2全長の2/3のとき、3全長のときにつき、Rollの応答関数と波周期との関係を示すグラフである。本図において張り出し量Bs はBs =4である。図7(A)のBs =0と比較すれば、上記1、2、3、とも横揺れの応答が極大になる同調周期は大きくなっていることが分かるが、長手方向の張り出し部3aの総計の長さが、全長の2/3のときと全長のときとはあまり差はない。
【0035】
図10は長手方向の張り出し部3を箱形浮体1の片側のみに設けた例を示している。箱形浮体1の重心Gが偏心している場合に有利である。
【0036】
図11は箱形浮体1の両側に喫水線下の長手方向の張り出し部3に加えて、張り出し量Bsがほぼ等しい上下方向の張り出し部7を複数個(本例では5個)設けた場合を示しており、図12は船舶8がこの箱形浮体1に接舷した状態を示す斜視図である。
【0037】
箱形浮体1に長手方向の張り出し部3のみを設けた場合には、船舶8がこの箱形浮体1に接舷し、船舶8と箱形浮体1の横揺れの周期や位相が異なると、船舶8と箱形浮体1との間に防舷材を設けても張り出し部3と船舶8とが衝突するおそれがある。しかし、上下方向の張り出し部7を設けておき、その部分に防舷材を設けておけば船舶8は安全に接舷することができる。
【0038】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、張り出し部は箱形浮体に付加物として配設するようになっているが、箱形浮体を当初から張り出し部を有するように形成してもよい。また、張り出し部の形状もOG=l(K)を実現できるものでなくともl(K)をOGに近づけることにより、要求仕様を満たすことができれば、それでもよい。さらに、箱形浮体の形状は平面視でほぼ長方形であればよく、たとえば、長手方向の両端部が図1などに示すように台形でもよいし、半円形であってもよい。
【0039】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造は箱形浮体の喫水線下に単に張り出し部を設けるという簡単な構造で、設置する想定海域での箱形浮体の横揺れを著しく低減できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の図面で、(A)は側面図、(B)は平面図、(C)は正面図である。
【図2】FPSOの中央断面図である。
【図3】図2に示す具体的な箱形浮体について、モーメントレバーと周波数との関係を示すグラフである。
【図4】従来の箱形浮体の背面図である。
【図5】従来の箱形浮体のγsと無次元周波数との関係を示すグラフである。
【図6】従来の箱形浮体のモーメントレバーl(K)と無次元周波数との関係を示すグラフである。
【図7】図2に示す具体的な箱形浮体についてBs を0から4mまで変化させたときの減揺効果を示すグラフで、(A)はRollの応答関数と波周期との関係、(B)はRollの短期予測結果と平均波周期との関係を示す。
【図8】図2に示す具体的な箱形浮体についてBs を0から4mまで変化させたときの年間操業停止日数と操業停止横揺れ角との関係を示すグラフである。
【図9】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、(A)は側面図、(B)は平面図、(C)は正面図である。
【図10】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、(A)は側面図、(B)は平面図、(C)は正面図である。
【図11】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、(A)は側面図、(B)は平面図、(C)は正面図である。
【図12】本発明の箱形浮体の横揺れ低減構造の変形例の図面で、船舶が接舷した状態を示す斜視図である。
【図13】図2に示す具体的な箱形浮体についてBs を4mとし、張り出し部の総計の長さが、全長の1/2のとき、全長の2/3のとき、全長のときと変化させたときの減揺効果を示すグラフで、Rollの応答関数と波周期との関係を示している。
【符号の説明】
1 箱形浮体
3 長手方向の張り出し部
4 喫水線
5 短手方向
6 長手方向
7 上下方向の張り出し部

Claims (3)

  1. 長手方向の両端部を除いてほぼ直方体形状であって、作業船やFPSOとして使用される箱形浮体(1)の横揺れ低減構造であって、箱形浮体(1)上に設けた架台上に重量物を載置するなどして浮体の重心高さ(OG)を調節することによって、浮体の重心高さ(OG)と設置しようとする想定海域の平均波周期に対応する浮体に作用するモーメントレバー(l(K))(箱形浮体(1)の原点(O)から外力の作用線に下した垂線の長さ)とがほぼ等しくなるようにした箱形浮体の横揺れ低減構造において、浮体の重心高さ(OG)を調節する代わりに、箱形浮体の短手方向の両側の喫水線下に長手方向のほぼ全長に亘って張り出し部(3)を設け、上記張り出し部(3)の形状は、底面が箱形浮体(1)本体の底面と面一になっており、上面は外側に向かって下り勾配になっており、外面は垂直面になっておりその張り出し部(3)の張り出し量(Bs)を、浮体の重心高さ(OG)と設置しようとする想定海域の平均波周期に対応する浮体に作用するモーメントレバー(l(K))とがほぼ等しくなるように設定してなり、モーメントレバー(l(K))は数式l(K)=k 2o −(1+k )l wo によって求められるものであり、k は左右揺れ付加質量係数であり、k =m 22 /ρ∇であり、m 22 は左右揺れ付加質量、ρは流体の密度、∇は箱形浮体の排水容積であり、またl 2o は原点Oに対して定義された流体力モーメントレバー、l wo は原点Oに対して定義された波強制力モーメントレバーであることを特徴とする箱形浮体の横揺れ低減構造。
  2. 上記長手方向の張り出し部(3a)は短手方向の両側にほぼ全長に亘って設けたものである代わりに部分的に設けたものであり、その総計の長さが全長の2/3以上である請求項1記載の箱形浮体の横揺れ低減構造。
  3. 上記喫水線下の長手方向の張り出し部に加えて張り出し量のほぼ等しい上下方向の張り出し部(7)を長手方向に複数個所設けた請求項1または請求項2のいずれか1つに記載の箱形浮体の横揺れ低減構造。
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