JP5630929B2

JP5630929B2 - 水力工学設備用のアンカー要素

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Publication number: JP5630929B2
Application number: JP2013504139A
Authority: JP
Inventors: ヴォルフガング・マイアー
Original assignee: フォイト・パテント・ゲーエムベーハー
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: KR20130060192A; US20130101359A1; EP2558650B1; DE102010015533B3; JP2013525629A; CA2796547A1; EP2558650A1; WO2011128006A1

Description

本発明は、水力工学設備用のアンカー要素、特に、洋上発電プラント用の係留ブロックあるいは重力基礎、あるいは、モノパイル基礎あるいは水底のボーリングのためのセンタリングおよび案内補助に関する。

水底に永久的なアンカーポイントを形成するために、通常は、ウエイトが沈められ、そこから、連結チェーンがアンカーブイへと導かれる。これに関しては特許文献１を参照されたい。破砕岩が詰め込まれ、水底に設置されたメッシュバスケットが当該文献から推定される。代替例として、標準化されたコンクリート部品の形態の係留ブロックを形成することも可能である。この場合、係留ブロックは、確実なアンカーポイントとして機能するために大きな重量を有している必要がある。このため、洋上設備のためのアンカー要素を形成するためには、重いアンカー要素を設置することを可能とするために十分な揚重性能を有する特殊装備船舶を使用することが必要となる。

係留ブロックの耐久性を改善するために、特許文献２は、水底に食い込む係留ブロックの底においてスパイクを使用することを提案している。この解決策は、水底の比較的軟質な堆積物を仮定している。岩石質底面へのそうした係留ブロックの設置は、アンカー効果の低減につながり得る。十分な安全マージンを提供するために、そうしたアンカー要素の重量は、それゆえ、増大させられるが、これは設置作業を困難なものとする。

一連の対応する問題が洋上発電プラントの重力基礎に関して存在する。たとえば、海上での風力発電プラントの構築に関する特許文献３を参照されたい。さらに、その自重によって固定される対応する基礎が、潮流からエネルギーを得るための完全沈下設備に関して公知である。この場合、石質底面は、波および流れの力による設備の移動を確実に排除できるように、特に重い基礎要素を生じる。

設備の基礎のために重力基礎の代替としてパイル基礎(モノパイル)が使用される場合(ここで水塊は岩石質底を有する)、パイル基礎のために実施されるボーリングのセンタリングのために、そして基礎の直接のベース領域を固定するために、アンカー要素が使用されるが、これに関しては、特許文献４を参照されたい。この用途のために、やはり、重いアンカー要素が水底に設置される。
特許文献５はさらに石油プラットフォーム用のパイル基礎を開示しているが、このために、先ず、基礎要素が水低に設置され、続いて、この基礎要素から延在するパイル内で加圧によって固定される。パイルは、そのための密封収容チャンバー内への海水中のポンピングによる後方側加圧によって突出させられる。突出後、収容チャンバーは砂で満たされる。

米国特許出願公開第2008/0112759号明細書特開昭61-046791号公報独国特許出願公開第10 2005 006 988号明細書欧州特許出願公開第1 988 219号明細書英国特許出願公開第1 492 562号明細書

本発明の目的は、その自重によって水底にのしかかる水力工学設備用のアンカー要素を提供することであり、ここで、使用されるバラストウエイトは、それを簡易船舶によって設置できるように、剪断保護のための限界荷重に比べて小さなものである。この例では、アンカー要素は、特に、石質および岩石質の底面にとって好適であるべきであり、かつ、長寿命によって、そして構築および製造工学的な容易性によって特徴付けられるべきである。

本発明の基礎を形成する目的は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。

固定のために装填ウエイトを使用する公知のアンカー要素を改善するために、本発明者は、アンカー要素の側方ガイド内で移動可能に配置された剪断保護要素(これは、水底への設置後、底面の不整に打ち込まれた状態となる)が、横力に関してアンカー要素の荷重支持能力を、かなりの程度改善することを見出した。この目的のために使用される剪断保護要素は、その自重によって移動するだけである。したがって、側方ガイドは剪断力を伝達するが、剪断保護要素の各個々のものに並進自由度を残し、この結果、剪断保護要素は、付加的なアクチュエータ機構を伴わずに、それらが水底と接触するまで突出できる。

剪断保護要素のそれぞれは、アンカー要素が水底に設置された際に、特定の平衡ポジションをとる。アンカー要素への大きな荷重(特に横力)は、水底へのアンカー要素の個々の接触ポジションが実質的に変更されることを伴わずに、アンカー要素全体の移動を引き起こすことがあり、すなわち、アンカー要素は、いわば、自由に突出可能な剪断保護要素によって底面の起伏に密着する。

最も簡単な例では、剪断保護要素はアンカー要素の本体のリセスに対して積極的に応用され、この結果、リセスの壁は剪断保護要素のための側方ガイドを形成する。好ましい形態に関して、リセスはアンカー要素の貫通開口として構成され、この結果、剪断保護要素は上から、この貫通開口内に挿入でき、かつ、ヘッド領域に、たとえば、フランジ形状に広がった断面形状の、落下を阻止するための適当なデバイスを備える。アンカー要素が降下するとき、剪断保護要素は、落下を防止するために、このデバイスによって保持され、かつ、同時に、アンカー要素のベース領域を越えて突出する。地面との接触時、剪断保護要素は、その自重によって水底にのしかかり、かつ、アンカー要素全体がそのそれぞれの平衡ポジションに達するまで前進する。

有利な形態に関して、剪断保護要素に対する接触領域における側方ガイドは、耐海水摩擦ベアリングの形態で構成される。このために、側方ガイドそれ自体および／または側方ガイドと接触状態となる剪断保護要素の一部は、適当な摩擦支持材で覆われる。特に、スターンチューブのための用途から公知の材料の組み合わせが、ここでは考えられる。硬軟対が特に耐久性があることが判明している。すなわち、接触面の一方は大きな荷重を加えることができるポリマー、たとえばOrkot(登録商標)で覆われ、一方、向き合う面は硬質な材料、おそらくはステンレススチールからなる。そうした様式で形成された剪断保護要素によって、アンカー要素の、そして剪断保護要素のかなりの部分をコンクリート材料で形成できる。強度の理由から、特に、繊維強化コンクリートが、ここでは、考えられる。コンクリートコンポーネントの直接的な交互スライドは、上記手段によって回避される。アンカー要素のレセプタクルの壁は、それゆえ、上記摩擦支持材で覆うことができ、一方、剪断保護要素は、その自重を増大させるためにコンクリートが充填されたスチールチューブの形態で構成される。

代替形態に関して、たとえば、スチールからなる、離間したプレートの形態の剪断保護要素のための側方ガイドは貫通開口を備えるが、それを経て剪断保護要素がガイドされる。特に有利なことには、剪断保護要素は異なる断面を備えるが、これは、剪断保護要素が脱落しないように固定されるよう貫通開口の寸法に適合させられる。

さらなる代替実施形態に関して、剪断保護要素は、互いに直に隣接して存在し、かつ、側方ガイドを実現すると共に、自由な動作のために準備された並進移動の方向へのそれぞれ隣接する剪断保護要素の相互スライドを可能とするために使用される確動接触面を有する。そうした形態に関して、特に、互いに向かって横方向に剪断保護要素をガイドするフレーム形状要素によって境界が形成された、同じ寸法を有する直方体として剪断保護要素を構成することが考えられる。この構造体には、脱落の阻止のためのデバイスが追加される。

第１の形態に関する本発明に基づくアンカー要素は、水底の上に配置されたとき、少なくとも三つの剪断保護要素上に立つことができる。残りの要素は自由に移動可能であり、すなわち、それらは端部ストッパーまでガイドされておらず、したがってアンカー要素の重量を受けない。だが、その自重の結果、それらは、水底の関連する接触ポイントにのしかかり、そして、それぞれの側方ガイドを介してアンカー要素に作用する横力を吸収する。

これに代えて、別な別個のコンポーネント上でアンカー要素を支持することが可能である。最も簡単な例では、これは、アンカー要素それ自体の荷重吸収フレームである。さらなる実施形態に関して、垂直荷重は、アンカー要素を水平化するためにリフティングデバイスが設けられる接触ポイントにおいて遮断される。そうした形態は、特に、洋上発電プラントの基礎のための本発明に基づくアンカー要素を備えた重力基礎を実現するために使用できる。したがって、水底でのボーリングを確実なものとするための、あるいはモノパイル基礎を立設するための、センタリングおよび案内補助は、本発明に基づくアンカー要素によって実現できる。

以下、図面に関連する代表的実施形態を参照して本発明について詳しく説明する。

水底への設置前の、本発明に基づくアンカー要素の断面図である。水底への設置後の、本発明に基づくアンカー要素の断面図である。図１ａに基づく略図で本発明に基づくアンカー要素の実施形態を示す図である。図１ｂに基づく略図で本発明に基づくアンカー要素の実施形態を示す図である。設置前の別な代替構造のアンカー要素の断面図である。設置後の別な代替構造のアンカー要素の断面図である。本発明に基づくアンカー要素を備えた洋上発電設備のための重力基礎を部分断面で示す図である。本発明に基づくアンカー要素を備えたモノパイル基礎用のセンタリングおよび案内補助を部分断面で示す図である。

図１ａは、バラストウエイト２として直方体コンクリートブロック１１を備える、本発明に基づくアンカー要素を断面で示している。左右取り付け要素９.１,９.２で保持されるチェーン１０による吊り下げ状態が示されている。そうした様式で構成されたアンカー要素は、好ましくは、係留ブロックとして機能する。

剪断保護要素３.１〜３.１１を受けるためのリセス４.１〜４.１１がコンクリートブロック１１に設けられるが、これは、好ましくは、繊維強化コンクリートからなる大きな荷重を受けるよう構成される。リセス４.１〜４.１１は、好ましくは、マトリックス形状で配置され、かつ、目下の構成に関しては貫通開口の形態で設けられるが、これはコンクリートブロックの上面３８からベース領域３９へと延在する。リセス４.１〜４.１１の長手方向軸線は、ここでは、直立面として提供される底面領域３９に対して実質的に垂直に延びる。これに代えて、好ましくは、かなり急であるように、好ましくは４５°未満、特に好ましくは２０°未満であるように選択された、ある傾斜角度が考えられるが、これによって、保護要素３.１〜３.１１は、側方ガイド内の摩擦力に打ち勝ち、そして、それ自身の重量によって、降下のために準備された方向に、リセス４.１〜４.１１から突出する。

この例では、剪断保護要素３.１〜３.１１は、円柱状でかつテーパー状であるように設計されている。さらに、上端領域において、それらはストッパー７を有するが、それらは、リセス４.１〜４.１１の断面に関してオーバーサイズとされたカラーの形態で設計されており、脱落を抑止するデバイスを形成する。

各場合において、剪断保護要素３.１〜３.１１の側面に対するフォームフィットとして設計されたリセス４.１〜４.１１の壁は、剪断保護要素３.１〜３.１１のための側方ガイド５として機能する。

さらに、壁１２は、好ましくは、摩擦支持材６で覆われる。これは、例として、剪断保護要素３.１のためのリセス４.１によって示されている。摩擦支持材６は、側方ガイド５と、剪断保護要素３.１〜３.１１との間の摩擦力を、剪断保護要素３.１〜３.１１の自重がリセス４.１〜４.１１から突出するのに十分である程度まで低減するために用いられる。さらに、変化する流入条件によるアンカー要素１の連続した移動のもと、あるいは、波の動きの結果として、剪断保護要素３.１〜３.１１の、あるいはリセス４.１〜４.１１の壁１２の磨耗が低減されるべきである。

図１ｂは、水底８にアンカー要素１を設置した後の状況を示している。この例では、コンクリートブロック１１が、水底８に対する接触ポイント３７.１,３７.２の上に載る。概して、少なくとも三つの接触ポイントが提供されるが、これは概略断面図には示されていない。

目下の代表的実施形態に関して、アンカー要素１は、剪断保護要素３.１〜３.１１上で直に支持されない。だが、これらは、水底８と接触するか、あるいは終端ポジションに位置させられ、脱落を阻止するためのデバイスによって保持される。最後に言及した事例は剪断保護要素３.６に当てはまる。別な剪断保護要素３.１〜３.５,３.８〜３.１１は、その自重によって水底８にのしかかり、そしてコンクリートブロック１１のベース領域２９と水底８との間の距離に依存して個々のポジションをとる。こうして、それらは、水底８の輪郭をたどり、そして、アンカー要素１に作用する力が接触ポイントの変位を引き起こさないように窪みと係合する。コンクリートブロック１１が、大きな剪断力によって、ぐらつき動作をすることは全く可能であるが、これは、水底８との剪断保護要素３.１〜３.１１の接触それ自体が失われることなく、関係する側方ガイド５に沿った剪断保護要素３.１〜３.１１の一定の移動につながる。

図２ａおよび図２ｂは、水底８への設置の前後のアンカー要素１の代替実施形態を断面で示している。大まかに図示された剪断保護要素３.１〜３.７は、平行でありかつ側方ガイド５を形成するために互いに離間された第１のガイドプレート１３および第２のガイドプレート１５の貫通孔内で保持される。第１のガイドプレート１３および第２のガイドプレート１５は、装填ウエイト２のかなりの部分を形成するコンクリートブロック１１.１,１１.２内に水平方向に埋め込まれる。構造物はカバープレート２０によって覆われるが、これは、第１のガイドプレート１３および第２のガイドプレート１５に対応する耐腐食性のある十分に丈夫な素材から形成される。たとえば、これらのコンポーネントは、スチールプレートとして、あるいは繊維強化コンクリートからなるコンポーネントとして設計できる。

剪断保護要素３.１に関して、一例として、下側貫通開口１４が第１のガイドプレート１３に設けられ、かつ、上側貫通開口１６がそれと整列状態で第２のガイドプレート１５に設けられる。この結果、剪断保護要素３.１は、好ましくは２０°未満の急な角度で横方向に、特に好ましくは実質的に設置方向と実質的に直交する方向にガイドされる。剪断保護要素３.１〜３.１１のより細い下側円柱セクション１７は下側貫通開口１４を経て突出する。だが、これは、拡張された上側円柱セクション１８にとっては過度に狭く、したがって脱落を抑止するデバイス３６を形成する。上側円柱セクション１８は、より大きな上側貫通開口１６を貫通し、そして、図２ａに示す剪断保護要素３.１〜３.１１の完全突出静止ポジションのために、第２のガイドプレート１５を越えて突出する。ヘッド１９を形成する突出部分には丸みが付されており、これによって、剪断保護要素３.１〜３.１１が完全に挿入されたとき、その上に配置されたカバープレート２０の内側でのヘッド１９の穏やかなスライドが保証される。

図２ｂは、水底８に配置された、図２ａからのアンカー要素１の状況を示している。剪断保護要素３.１および３.６はアンカー要素１の垂直荷重を吸収することが分かる。関連接触ポイント３７.１,３７.２が示されている。確実な直立のために必要な第３の接触ポイントは、概略断面図には示されていない。荷重吸収剪断保護要素３.１および３.６は、この場合、それぞれ、カバープレート２０の内側で、そのヘッド１９の領域内に存在する。水平力が、第１のガイドプレート１２の下側貫通開口１４において、そして第２のガイドプレート１５の上側貫通開口１６において導入される。図示する例では、さらなる剪断保護要素３.２,３.３,３.５,３.７が、それ自身の重量によって水底８にのしかかり、そして、アンカー要素１の水平移動の場合には、それぞれの側方ガイド５を介して保持力を加える。

図３ａおよび図３ｂは、本発明のさらなる代表的実施形態を示している。ここで、コンクリートブロック１１.１,１１.２およびカバープレート２０はフレーム４０の一部を形成しているが、これは嵌っている剪断保護要素３.１〜３.６のために上端に向かって閉塞されている。これらは、各個々の剪断保護要素３.１〜３.６が、突出のための準備される方向(この例では垂直方向)への積極的なスライドを可能とする、隣接要素に対する接触面２１.１,２１.２２１.３を有するように設計される。図示する実施形態に関して、剪断保護要素３.１〜３.６は、矩形コンクリートブロックとして選択されている。これらは、摩損からの保護のための摩擦支持材でカバーできるが、これは図面には示していない。カバープレート２０の、脱落を抑止するためのデバイス３６によって、当初、保持された個々の剪断保護要素３.１〜３.６は、現場に存在する不整に依存して、水底８へのアンカー要素１の設置の後、地面との接触時に後退する。剪断保護要素３.１および３.５はカバープレート２０まで直接的にガイドされ、この結果、支承様式でアンカー要素１を支持することが分かる。他の剪断保護要素３.２〜３.４および３.６は中間ポジションに配置されるが、ここで、各個々のものは、その自重によって水底８の上にのしかかり、そして、それぞれ隣接する剪断保護要素３.１〜３.６に対する、このために必要な相対ポジションは、接触面２１.１〜２１.３に沿ってスライドすることで達成される。この結果、剪断保護要素３.１〜３.６の地面接触ポイントのトポロジーは水底８に適合させられるが、これによって、アンカー要素１への剪断力は側方ガイド５を介して確実に遮断できる。

図４は、洋上発電プラント用の重力基礎２２の形態の本発明のさらなる展開を示しているが、その上には、風力タービン、あるいは、この例において図示するように、潮力タービンを配置できる。図は、その上で回転する水力タービン２８と、基礎側サポート構造体２４上のカップリング要素２５の上に配置可能な隣接タワーアダプター２６とを備えたタービンシャーシ２７を示している。

本発明によれば、重力基礎２２は、リセス４.１〜４.８内に垂直方向に移動可能に配置された剪断保護要素３.１〜３.８を備えたアンカー要素１を備える。これらは、重力基礎２２が底との接触を維持しながら水底８に設置された際に後退し、したがって重力基礎２２の適合された底面領域３９を形成する。

重力基礎は、この重力基礎２３の重量を支持するリフティングデバイス２３.１および２３.３によって水平にされる。したがって、自由に垂直に移動可能な剪断保護要素３.１〜３.８は、設備の運転中、重力基礎２２に作用する横力のかなりの部分を遮断する。

さらなる代替実施形態に関して、重力基礎２２の安定性は、キャビティを充填するために、供給チャネル３５を介して、さらなる構築ステップへと、セメント混合物を供給することによって増大させることができる。この実施形態に関して、剪断保護要素３.１〜３.８は、セメント塊が最終的に硬化するまで、設置の間の初期固定のために使用される。

図５は、おそらくはモノパイル基礎を形成するためのボーリングのためのセンタリングおよび案内補助３０を示している。バラストウエイト２として、そして同時に支持コンポーネントとして機能するコンクリートブロック１１を備えた基礎要素が再び示されている。本発明によれば、コンクリートブロック１１上に配置された剪断保護要素３.１〜３.８は、リセス４.１〜４.８内で、その自重によって、垂直方向に自由に移動可能に配置される。これらは、水底８の変化への適合のために再び使用される。リフティングデバイス２３.１,２３.３による水平化の後、ドリルヘッド３３を備えたドリルパイプ３２を、ドリルホール３４内へとガイドパイプ３１を経て降下させることができる。

本発明のさらなる実施形態は、特許請求の範囲の記載から得られる。特に、それらが設置の方向に対して傾斜したポジションで突出するように、剪断保護要素３.１〜３.１１のための側方ガイド５を設計することが可能である。さらに、剪断保護要素３.１〜３.１１を、その突出の方向によって、そして、その重量あるいはその突出長さによって、あるいは水底に対する接触領域の形状に関連して相違する異なるグループに分割することも可能である。さらに、アンカー要素１の全外面は剪断保護要素３.１〜３.１１で覆うことができ、この場合、剪断保護要素３.１〜３.１１の一部のみが、設置の方向に依存して、水底８と接触する。この結果、アンカー要素１は、方向に関係なく、水底８に配置でき、これによって設置が簡素化される。

１アンカー要素
２バラストウエイト
３.１〜３.１１剪断保護要素
４.１〜４.１１リセス
５側方ガイド
６摩擦支持材
７ストッパー
８水底
９.１,９.２取り付け要素
１０チェーン
１１,１１.１,１１.２コンクリートブロック
１２壁
１３第１のガイドプレート
１４下側貫通開口
１５第２のガイドプレート
１６上側貫通開口
１７下側円柱セクション
１８上側円柱セクション
１９ヘッド
２０カバープレート
２１.１,２１.２,２１.３接触面
２２重力基礎
２３.１,２３.２リフティングデバイス
２４サポート構造体
２５カップリング要素
２６タワーアダプター
２７タービンシャーシ
２８水力タービン
２９洋上発電プラント
３０センタリングおよび案内補助
３１ガイドパイプ
３２ドリルパイプ
３３ドリルヘッド
３４ドリルホール
３５供給チャネル
３６.１〜３６.６脱落を抑止するためのデバイス
３７.１,３７.２接触ポイント
３８上面
３９底面領域
４０フレーム

Claims

水力工学設備用のアンカー要素(１)であって、重み付けのための少なくとも一つのバラストウエイト(２)を有し、前記バラストウエイト(２)は底面領域(３９)を備え、
前記アンカー要素(１)は複数の剪断保護要素(３.１〜３.１１)を備え、この複数の剪断保護要素(３.１〜３.１１)は、前記アンカー要素(１)が水底(８)に設置される前に、前記剪断保護要素(３.１〜３.１１)が前記底面領域(３９)を越えて突出すると共に脱落を防止するためのデバイス(３６.１〜３６.６)によって保持されるように、前記アンカー要素(１)の側方ガイド(５)の上で後退可能に自由に移動可能に配置され、前記剪断保護要素(３.１〜３.１１)は、前記底と接触状態にあるとき、単にそれ自身の重量によって前記水底(８)にのしかかり、かつ、前記アンカー要素(１)が平衡のポジションを呈するまで前記それぞれの側方ガイド(５)に沿って個々に後退することを特徴とするアンカー要素。
前記剪断保護要素(３.１〜３.１１)のそれぞれは、前記アンカー要素(１)のリセス(４.１〜４.１１)内に配置され、かつ、前記リセス(４.１〜４.１１)の壁(１２)は前記側方ガイド(５)を形成していることを特徴とする請求項１に記載のアンカー要素。
前記側方ガイド(５)および／または前記側方ガイド(５)と接触する前記剪断保護要素(３.１〜３.１１)の部位は、摩擦支持材(６)によって覆われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンカー要素。
前記剪断保護要素(３.１〜３.１１)の少なくとも一つの部位は互いに直接側方接触状態にあり、個々の剪断保護要素(３.１〜３.１１)は、互いに対してスライドでき、かつ、前記側方ガイド(５)は、互いに隣接する隣接剪断保護要素(３.１〜３.１１)の相互接触面によってもたらされることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のアンカー要素。
前記剪断保護要素(３.１〜３.１１)は、前記アンカー要素(１)から脱落しないように固定されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアンカー要素。
前記アンカー要素(１)は、繊維強化コンクリートから、少なくとも部分的に製造されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンカー要素。
前記アンカー要素(１)は、水底(８)へ設置した後の水平化のためのリフティングデバイス(２３.１,２３.２)を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のアンカー要素。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアンカー要素を有する水力工学設備であって、前記水力工学設備は、洋上発電プラント(２９)用の重力基礎(２２)として、あるいは係留ブロックとして、あるいは、モノパイル基礎を立設するためのあるいは水底のボーリングのためのセンタリングおよび案内補助(３０)として機能することを特徴とする水力工学設備。