KR102338834B1 - 풍력 터빈용 지지 구조물 - Google Patents

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Abstract

각각이 폭 연장부 및 상기 폭 연장부보다 큰 종 방향 연장부를 구비하는 금속판으로 형성되며, 서로가 적어도 부분적으로 연결되어 있는 적어도 2개의 서브-세그먼트를 구비하며, 서브-세그먼트들 각각은 종 방향 연장부로 연장하는 종 방향 에지를 구비하고, 종 방향 에지를 따라 서로 인접하는 접합 면에서 각각의 용접 조인트에 의해 서로가 접합되어 있고, 서브-세그먼트들 각각은 폭 연장부로 연장하는 단부 에지를 구비하고, 서브-세그먼트들은 서브-세그먼트들의 단부 에지를 따라 각각이 굴곡져 있는, 지지 구조물 특히 풍력 발전 설비용 지지 구조물에 있어서, 각 용접 조인트는 단면에서 금속판의 벽 두께보다 작은 두께를 가지고, 단면에서 금속판의 벽 두께와 적어도 동일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.

Description

풍력 터빈용 지지 구조물
본 발명의 주제는 특히 풍력 발전 설비의 지지 구조물에 관한 것이다. 이러한 지지 구조물은 특히 풍력 발전 설비의 관형 기초 파일의 일부일 수 있다.
종래 기술로부터, 서로 위에 배치되고, 서로가 연결된 지지 구조물 세그먼트로부터 지지 구조물 예를 들어 기초 파일을 건조하는 것이 공지되어 있다. 지지 구조물 세그먼트는 각각 구부러진 강판으로 만들어진 하나, 둘 또는 그 이상의 서브-세그먼트들을 차례로 조립한 것이다.
생산 상의 이유로, 서브-세그먼트의 강판은 일반적으로 폭이 약 3m 내지 5m이고, 길이는 최대 24m이다. 서브-세그먼트의 강판은 구부러져서 지지 구조물 세그먼트를 형성한다. 종래 기술에서, 서브-세그먼트를 제작하기 위해, 강판을 길이 연장 서브-세그먼트를 따라 구부리고, 이러한 방식으로 생성된 서브-실린더 세그먼트(파이프 섹션이라고도 함)는 강판의 폭에 해당하는 높이를 갖도록 한다. 그 결과로, 강판의 폭 연장부가 3m인 경우, 강판을 길이 연장부를 따라 구부려 높이 연장이 3m인 서브 세그먼트가 생성된다.
지지 구조물이 둘 이상의 지지 구조물 세그먼트로 만들어진 경우, 지지 구조물 세그먼트는 원형 용접 이음매를 통해 종 방향 에지에서 서로 결합된다. 기초 파일은, 인접한 지지 구조물 세그먼트가 원형 용접 이음매에 의해 각각 결합되어 지지 구조물 세그먼트의 각 종축이 서로 동일 선상에 있도록 조립된다.
결과적으로, 이러한 기초 파일을 생산하려면 전체 길이가 큰 용접 이음매가 많이 필요하며, 이로 인해 기초 파일의 제조가 복잡해지고 비용이 많이 들게 된다. 예를 들어, 높이가 3m이고 직경이 7m인 두 개의 지지 구조물 세그먼트를 제조하고 이를 연결하려면, 총 길이가 28m인 용접 이음매가 필요하다. 즉 두 개의 지지 구조물 세그먼트의 측면 에지를 서로 연결하기 위해 2개의 3m 용접 이음매와 2개의 지지 구조물 세그먼트를 원주방향으로 연결하기 위한 22m 용접 이음매가 필요하다(또는 개별 파이프 섹션이 두 개의 하프 셸로 제조된 경우에는 34m의 용접 이음매가 필요함).
본 발명의 주제는 용접 이음매 수를 줄이는 것 특히 용접 작업 시간을 줄이는 목표에 기반을 두고 있다.
이 목적은 청구항 1에 따른 지지 구조물에 의해 해결된다.
지지 구조물 세그먼트가 둘 이상의 서브-세그먼트로 제조되는 경우, 서브-세그먼트들은 각각의 종 방향 에지에서 종 방향 용접 이음매를 통해 서로 결합된다. 이 경우, 서브-세그먼트를 결합하려면 서브-세그먼트들의 수에 해당하는 복수의 종 방향 용접 이음매가 필요하다.
서브-세그먼트들은 금속판, 특히 금속 시트로 형성된다. 금속판은 특히 강판일 수 있다. 특히, 적어도 두 개의 인접한 서브-세그먼트의 금속판은 동일한 벽 두께를 가지고 있다. 지지 구조물을 형성하는 모든 지지 구조물 서브-세그먼트의 금속판은 동일한 벽 두께를 가질 수 있다. 지지 구조물을 형성하는 모든 지지 구조물 세그먼트의 금속판은 동일한 벽 두께를 가질 수 있다. 전체 톤수를 최적화하기 위해, 인접한 파이프 섹션들 또는 파이프 섹션의 서브-세그먼트들은 벽 두께가 다를 수 있다.
서로 마주 보는 서브-세그먼트들의 종 방향 에지의 용접은 일반적으로 예를 들어 EN ISO 2553, 표 2에 따라 서브머지드 아크 용적에 의해 양쪽에 맞대기 용접으로 설계될 수 있는 종 방향 용접을 통해 수행된다. 이 공정에서, 예를 들어 대향하는 종 방향 에지들은, 후속 용접 공정에서 스루-용접(through-welded), 양면 맞대기 용접을 생성하기 위해 예리하게 되어서, 접합 표면에서 서로 접하는 시트 에지들이 서브-세그먼트의 시트의 전체 벽 두께에 걸쳐 접합된다. 대향하는 종 방향 에지들의 준비와, 양쪽에서 스루-용접되는 맞대기 용접의 설정은 모두 시간과 비용이 많이 소요된다.
이제는 지지 구조물에 필요한 기계적 특성을 얻기 위해, 종 방향 에지를 따라 있는 용접 이음매가 전체 이음매(full seam)일 필요가 없다는 것이 인식되었다. 오히려, 섹션에서 각각의 용접 조인트는 금속판의 벽 두께보다 작은 두께를 가지고(부분 이음매), 섹션에서 금속판의 벽 두께와 적어도 같은 두께를 갖는(전체 이음매) 것이 제안된다. 따라서 전체 이음매와 부분 이음매는 두 서브-세그먼트들 사이의 접합면에서 종 방향 에지를 따라 번갈아 나타난다(alternate).
특히 EN ISO 2553, 표 2에 따라 서브머지드 아크 용접에 의해 특히 맞대기 용접에 의해 용접 조인트 특히 용접 이음매의 제공에서, 적어도 섹션에서 용접 이음매의 두께가 금속판의 벽 두께보다 작은 것은(부분 이음매), 전체 벽 두께에 걸쳐 스루-용접을 필요로 하는 솔루션(전체 이음매)에 비해 공정 시간과 구성요소로의 열 입력을 줄일 수 있다는 이점을 제공한다. 놀랍게도, 서브-영역에서 접합면들을 결합하는 것만으로도 생산 과정에서 구조적 요소의 형상을 안정적으로 유지할 수 있다는 사실이 이미 밝혀졌다.
용접 조인트, 특히 용접 이음매의 두께는 금속판의 벽 두께를 따르는 용접 조인트의 연장부이다. 즉, 금속판의 벽 두께와 용접 조인트의 두께 모두는 종축을 가로 지르는 섹션, 특히 지지 구조물 세그먼트의 내부 및/또는 외부 셸 표면에 직교하는 섹션에서 측정된다. 지지 구조물 세그먼트의 벽 두께는 포밍(forming)에 의해 서브-세그먼트가 제작되는 금속판의 두께에 대응하는 것이 바람직하다.
용접 조인트는 서브-세그먼트의 길이 중 일부(partial length), 2개 이상의 길이 섹션 또는 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다. 폐쇄 링을 형성하기 위해, 종축을 따라 함께 용접된 복수의 서브-세그먼트들은 지지 구조물 세그먼트 또는 파이프 섹션으로 이해될 수 있다. 지지 구조물 세그먼트의 길이는 서브-세그먼트의 종축에 평행하게 측정될 수 있다. 특히, 복수의 개별 스폿 용접부 또는 하나 이상의 종 방향 용접 이음매가 부분 길이, 길이 세그먼트 또는 지지 구조물 세그먼트의 전체 길이를 따라 제공될 수 있다.
예를 들어 종축을 횡단하는 섹션에서 측정된 두께가 금속판의 벽 두께보다 작은 용접 조인트의 두께 예를 들어 용접부의 용접 비드의 두께 d1은 지지 구조물 세그먼트의 벽 두께 d2의 4/5 이하, 또는 1/2 이하일 수 있고, 1/10 이하이면 바람직하고, 1/20 이하이면 더 바람직할 수 있으며, 이에 따라 d1=0.8d2, d1=0.5d2, 바람직하게는 d1=0.1d2, 더 바람직하게는 d1=0.05d2 룰 중 하나의 만족하게 된다. 예를 들어, 지지 구조물 세그먼트의 벽 두께가 100㎜일 수 있는 반면 용접 조인트의 두께 예를 들어 용접의 용접 비드의 두께는 겨우 5㎜ 이하이다. 이 경우, 두께 d1은 예를 들어 EN ISO 2553, 표 5에 따른 용접 두께 s일 수 있다.
지지 구조물은, 지지 구조물 세그먼트의 각각의 종축이 서로 동일 선상에 있는 방식으로 각각의 원주 용접 이음매에 의해 단부 면에서 접하는 지지 구조물 세그먼트를 결합함으로써 적절하게 형성된 복수의 지지 구조물 세그먼트로부터 조립된다. 이 원주 용접은 전체 용접인 것이 바람직하다.
굽힘에 의해 서브-세그먼트가 제작될 수 있는 각 금속판의 폭 연장부는 일반적으로 3m-5m인 반면, 서브-세그먼트가 제작되는 금속판의 길이 치수는 최대 24m일 수 있다.
각 서브-세그먼트의 종 방향 에지는 서로 평행하게 배치되고, 그 결과로 서로 대향하게 된다.
바람직하게는, 지지 구조물 세그먼트는 2개 이상, 즉 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 그 이상의 상호 연결된 서브-세그먼트들을 포함한다. 이와 관련하여, 서브-세그먼트들의 수에는 제한이 없다. 지지 구조물 세그먼트가 만들어지는 서브-세그먼트의 수는 지지 구조물의 직경과 서브-세그먼트가 형성되는 금속판의 각각의 길이 연장부에만 의존한다.
바람직하게는, 서브-세그먼트는 금속판을 금속판의 폭 연장을 따라 구부림으로써 부분 실린더 세그먼트로서 제작된다.
파이프 섹션들의 서로 다른 직경 사이의 전이(transition)는 원뿔형 서브-세그먼트에 의해 확립된다. 지지 구조물은 그의 수직 연장부를 따라 둘 이상의 직경을 갖는 것이 일반적이다.
서브-세그먼트의 굴곡 반경은 둘러싸는 원형 라인의 반경보다 크거나 같을 수 있다. 따라서 둘러싸는 원형 라인을 형성하는 파이프 섹션의 서브-세그먼트들은 다른 굴곡 반경을 가질 수 있다. 이것은 파이프 섹션의 안정성을 증가시킬 수 있다. 서브-세그먼트는 비-원형, 특히 타원형, 각진 형태(faceted), 하이포사이클로이드 또는 에피사이클로이드 방식으로 그 단부 에지를 따라 구부러질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상호 연결된 서브-세그먼트들은 그들의 단부 에지가 서로 축 방향으로(즉, 지지 구조물 세그먼트의 종축 방향으로) 이격되도록, 서로 종 방향으로 오프셋 되는 것이 제안된다. 종 방향 오프셋으로 인해 단부 에지들이 서로 오프셋 된다. 이렇게 하면 오프셋 단부 에지로 인해 강성이 증가하는 서브-세그먼트 사이의 결합이 생성된다. 지지 구조물 세그먼트를 종료하기 위해, 종 방향 연장부가 다른 서브-세그먼트가 단부 에지에서 함께 접합되는 경우, 한 평면에서 연장되는 단부 에지를 가질 수 있다. 결합(bond)은 하프 결합 또는 1/4 결합으로 형성될 수 있다. 서브-세그먼트의 단부 에지가 항상 한 평면에 있는 경우, 이를 교차 결합(cross bond)이라고 할 수 있다.
인접한 두 단부 에지는 서로 이격되어, 축 방향으로 두 개의 서브-세그먼트들 사이에 갭(gap)이 형성될 수 있다. 이것은 파이프 섹션에 필요한 재료의 양을 줄인다.
일 실시형태에 따르면, 두 개의 서브-세그먼트가 용접 조인트를 통해 단부 에지를 따라 서로 인접하는 접합 면에서 접합되는 것이 제안되며, 용접 조인트는 적어도 섹션에서 금속판의 벽 두께보다 작은 두께를 가진다. 서로 접하는 단부 에지에서 서브-세그먼트들 사이의 조인트는 부분 이음매 또는 전체 이음매로 형성될 수 있다. 원주 방향으로 인접한 단부 에지는 부분 이음매 또는 전체 이음매로 교대로 형성될 수 있으며, 또는 단부 에지의 전체 또는 일부 연결은 부분 이음매 또는 전체 이음매로 형성될 수 있다. 지지 구조물 세그먼트는 종 방향 에지에서 서로 용접된 서브-세그먼트로부터 원주 방향으로 형성될 수 있으며, 종 방향 연장부에서는 부분 이음매에 의해 단부 에지에서 서로 결합되는 적어도 두 개의 개별 서브-세그먼트로부터 형성될 수 있다. 두 개의 인접한 지지 구조물 세그먼트는 전체 이음매에 의해 인접한 단부 에지에서 원주 방향으로 함께 용접될 수 있다.
일 실시형태 예시에 따르면, 서브-세그먼트에서 서로 마주 보는 2개의 접합　 면들은 두께가 적어도 금속판의 벽 두께인 용접 조인트를 갖는 종 방향 에지를 따라 서로 종 방향으로 오프셋 되는 것이 제안된다. 이것은 제1 종 방향 에지에서 전체 이음매가 서브-세그먼트의 단부 에지로부터 제1 거리를 가지며, 다른 종 방향 에지에서 전체 이음매가 서브-세그먼트의 단부 에지와 다른 거리를 갖는다는 것을 의미하다. 따라서 지지 구조물 세그먼트의 종축에 수직인 평면에서 원주 방향으로 전체 이음매가 하나의 조인트 면에 형성되고, 부분 이음매가 다음 조인트 면에 형성될 수 있다. 또한, 서브-세그먼트에서 서로 마주 보는 두 개의 접합 면들은 용접된 조인트가 있는 종 방향 에지를 따라 종 방향 연장부에서 서로 동일한 수준에 있을 수 있으며, 그 두께는 적어도 인접한 서브-세그먼트들 중 하나의 벽 두께이다.
일 실시형태에 따르면, 두께가 금속판의 벽 두께보다 작은 용접 조인트를 갖는 접합 면의 섹션에서, 고정 클립이 접합 면들 사이에 배열되는 것이 제안된다.
또한, 접합 면들은 적어도 하나의 고정 클립에 의해 서로 연결될 수 있다. 이것은 접합 면들을 서로 연결하기 위해 접합 면의 영역에서 물질적으로 결합되거나 착탈 가능한 방식으로 고정될 수 있는 중간 부품일 수 있다. 고정 클립은 결합된 서브-세그먼트를 처리 및 접합 작업을 위해 원하는 모양으로 유지하고 필요한 경우 조립 완료 상태로 유지하는 데 사용된다. 지지 구조물 세그먼트가 단부 면에서 다른 지지 구조물 세그먼트에 결합된 후, 고정 클립은 제거되거나 구성요소에 남아있을 수 있다.
고정 클립은 접합 면 영역에서 연속적인 종 방향 용접 이음매를 없애는 동시에 지지 구조물 세그먼트의 구조적 안정성을 보장할 수 있다는 이점을 제공한다. 예를 들어, 서로 마주 보는 접합 면들은 서로 1 미터 거리에 있을 수 있으며, 이 거리는 접합 면들 사이의 연결을 설정하기 위해 고정 클립의 도움으로 연결된다. 접합 면들 사이에 둘 이상의 고정 클립이 제공될 수 있음이 이해된다.
고정 클립은 각각의 접합면 영역에서 용접, 나사, 볼트-리벳 또는 자기 연결로 고정될 수 있다. 용접 조인트는 예를 들어 스루-용접이 발생하지 않는 방식으로 위에서 설명한 방식으로 수행될 수 있지만, 용접은 접합되는 서로 마주 보는 구성요소 섹션의 두께 및/또는 길이의 일부만을 구성한다.
일 실시형태에 따르면, 고정 클립은 접합 면들에 의해 두 측면이 둘러싸이고 및/또는 서브-세그먼트들 중 적어도 하나의 외부 및/또는 내부 측면과 동일한 높이로 종료되는 것이 제안된다. 이러한 방식으로, 완전히 조립된 상태에서, 구성요소의 외부 치수 또는 지지 구조물 세그먼트의 필요한 설치 공간을 늘리지 않고도, 지지 구조물 세그먼트의 벽 형상에 고정 클립이 통합될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 고정 클립은 적어도 하나의 오목한 리세스, 특히 필렛을 가지며, 리세스는 특히 본질적으로 급격한 변화(jump) 없이 접합 면들로 전이되고 및/또는 본질적으로 양면이 오목한 형상을 갖는 것이 제안된다. 인접하거나 인접하게 제공된 용접 이음매에 가능한 한 작은 인장 응력이 도입되도록 하기 위해, 고정 클립은 적어도 하나의 오목 필렛을 가질 수 있으며, 필렛은 특히 본질적으로 급격한 변화 없이 접합 면들에 병합될 수 있다. 필렛은 케이블, 라인, 파이프 또는 기타 유지 및/또는 연결 요소에 대한 피드스루(feedthrough)로 사용될 수 있으므로, 환경으로부터 지지 구조물 세그먼트의 내부로 또는 지지 구조물 세그먼트로부터 환경으로의 관통 개구부 역할을 할 수 있다.
대안적으로 또는 보완적으로, 고정 클립은 실질적으로 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다. 이러한 양면이 오목 형상은 특히 서로 반대쪽을 향하는 두 개의 필렛을 특징으로 하며, 이들 각각은 바람직하게는 실질적으로 급격한 변화 없이 대향하는 접합 면으로 병합될 수 있다. 이러한 방식으로, 지지 구조물 세그먼트의 두 단부 면으로부터 일정 거리에 배치된 각각의 고정 클립은 인접하거나 이웃한 용접 이음매로의 인장 응력 전달을 양 방향으로 줄일 수 있다. 따라서 양면이 오목한 고정 클립은 특히 인접하게 배열된 두 용접 이음매 사이의 균열을 방지하거나 균열을 제한하는 역할을 할 수 있다. 따라서 용접 이음매의 전파 균열은 고정 클립을 지나 인접 용접 이음매로 균열이 전파되지 않고 고정 클립 영역에서 중단되거나 정지될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 접합 면들은 적어도 섹션에서 서로 이격되고 및/또는 서로 인접하는 것이 제안된다.
접합 면들은 "맞댐(butted)" 될 수 있고, 서로 바로 인접할 수 있다. 이 경우, 접합 면들은 하나 이상의 종 방향 용접 이음매를 사용하여 간단한 방식으로 서로 직접 접합될 수 있으며, 여기서 종 방향 용접 이음매는 교번하는 전체 이음매와 부분 이음매를 갖는다. 서로 접촉하는 접합 면들은 인접한 지지 구조물 세그먼트에 대한 원주 용접이 중단 없이 용접될 수 있다는 이점도 제공한다. 특히 서브 머지드 아크 용접에서는 용접 장치를 내려놓지 않고도 이음매를 만들 수 있기 때문에 연속된 용접 이음매가 존재한다는 점에서 유리하다.
또한, 적어도 하나의 금속 시트가 접합 면들 사이에 배열될 수 있으며, 여기서 금속 시트는 특히 파이프 내부로 실질적으로 돌출되어 연장되고 및/또는 실질적으로 L자형 단면을 가지며, 단순한 직선 금속 시트가 또한 고려될 수 있다. 시트 금속은 각각의 접합 면에 용접되어, 접합 면들은 시트 금속을 통해 서로 간접적으로 연결된다. 예를 들어, 서로에 대해 실질적으로 평행하게 연장되는 종 방향 용접 이음매가 제공될 수 있으며, 이는 적어도 섹션에서 두 측면에서 시트 금속을 둘러싸고, 접합 면 중 하나에 각각 연결된다. 시트 금속은 케이블, 라인 또는 파이프를 고정 및 안내하고, 부식 방지 시스템 또는 유지 보수 장비의 구성요소를 고정하는 데 사용할 수 있다. 시트 금속은 전체 이음매 및/또는 부분 이음매 영역에 배열될 수 있다. 시트 자체는 제1 영역에서 전체 용접에 의해, 그리고 제2 영역에서 부분 용접에 의해 서브-세그먼트에 결합될 수도 있다.
용접된 조인트는 강도를 높이기 위해 기계적 마무리 가공될 수 있다. 유리한 추가 개발에 따르면, 용접 조인트는 두께 단면에서 잔류 압축 응력을 가지며, 잔류 압축 응력은 특히 냉간 성형 및/또는 단조에 의해 생성된다. 용접부에 잔류 압축 응력이 도입되면, 인장 하중 하에서 균열에 대한 민감도가 감소한다. 본 문맥에서 용접 조인트의 두께 단면, 특히 용접 이음매가 언급될 때, 이것은 지지 구조물의 종축에 대해 횡단 방향, 특히 직각인 단면(section)을 지칭한다. 용접 이음매 영역의 잔류 압축 응력은 공지되어 있는 방식으로 결정될 수 있으며 예를 들어 이음매의 표면 경도를 측정하여 추정할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 용접 조인트는 드릴링에 의해 완화될 수 있다. 용접부에는 인장 잔류 응력으로 인해 균열이 발생하기 쉬운 영역에 특별히 위치한 구멍 또는 리세스가 포함될 수 있다. 예를 들어, 종 방향 용접부와 인접한 원주 용접부 사이의 전이 영역은 코어 보어에 의해 완화될 수 있으며, 여기서 종 방향 용접부의 일부, 특히 베이스 재료로의 전이 영역은 적어도 섹션에서 제거된다.
일 실시형태에 따르면, 지지 구조물은 기초 구조물, 특히 해상 풍력 발전 설비용 기초 파일, 특히 모노파일, 트리플렛, 트리포드 또는 재킷인 것이 제안된다. 특히, 지지 구조물은 해양 플랜트, 특히 풍력 발전 설비의 타워 구조물일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 서로 평행하게 배열된 각각의 종 방향 에지가 서로 평행하게 배열된 링을 형성하는 상호 연결된 서브-세그먼트가 지지 구조물 세그먼트를 형성하고, 지지 구조물은 적어도 두 개의 지지 구조물 세그먼트를 포함하는 것이 제안되며, 지지 구조물 세그먼트의 종축은 서로 실질적으로 동일 선상에 있고 단부 에지는 서로 연결되어 있다. 서브-세그먼트로부터 형성된 지지 구조물 세그먼트들은 그들의 단부 에지를 따라 서로 연결될 수 있고, 이에 따라서 지지 구조물을 형성할 수 있다. 이 경우 각 지지 구조물 세그먼트의 종축은 서로 동일 선상에 있다.
일 실시형태에 따르면, 2개의 지지 구조물 세그먼트의 인접 단부 에지들은 금속판의 벽 두께와 적어도 동일한 두께를 갖는 용접 조인트에 의해 적어도 부분적으로 원주 방향으로 연결되는 것이 제안된다. 따라서 두 개의 지지 구조물 세그먼트가 완전 용접부에 의해 서로 결합된다.
일 실시형태에 따르면, 단부 면에서 서로 접하는 2개의 지지 구조물 세그먼트의 서브-세그먼트들의 종 방향 에지는 서로 각도를 두고 오프셋 되는 것이 제안된다. 두 개의 지지 구조물 세그먼트가 단부 면을 통해 연결되어 있는 경우, 각 서브-세그먼트들 사이의 접합 표면이 서로 정렬되어 한 직선에 놓이지 않고, 인접한 두 지지 구조물 세그먼트의 접합 표면이 서로로부터 오프셋 되는 방식으로 서로 각도 오프셋 될 수 있다.
또한 부분 이음매의 위치는 서브-세그먼트의 외부 또는 내부 측면과 같은 높이로, 서브-세그먼트의 측면에서 중앙 또는 측면으로부터 비대칭 거리에 있는 것이 제안된다.
이하에서, 예시적인 실시형태를 도시하는 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.
도 1a는 서브-세그먼트의 금속판을 도시한다.
도 1b는 도 1a에 따른 구부러진 금속판을 도시한다.
도 2는 종 방향 에지를 따라 서로 연결된 2개의 서브-세그먼트를 도시한다.
도 3a는 단부 에지를 따라 서로 연결된 2개의 지지 구조물 세그먼트를 도시한다.
도 3b는 오프셋으로 서로 배열된 서브 세그먼트를 갖는 지지 구조물 세그먼트를 도시한다.
도 4는 단부 에지를 따른 두 개의 서브-세그먼트의 연결부를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 전체 이음매 및 부분 이음매를 도시한다.
도 6은 L-형 플레이트가 있는 부분 이음매를 도시한다.
도 7a는 고정 클립이 있는 용접 이음매를 도시한다.
도 7b는 도 7a에 따른 서브-세그먼트와 고정 클립 사이의 용접 이음매를 도시한다.
도 1은 예를 들어 금속 시트, 특히 강판으로 형성된 금속판(2)을 도시한다. 금속판(2)은 도 1b에 도시된 바와 같이 굴곡 반경(4)을 따라 굴곡되어 있다. 굴곡 반경(4)은 특히 지지 구조물 세그먼트의 반경에 대응하고, 결과적으로 후술하는 바와 같이 튜브-형 기초 파일의 지지 구조물의 반경에 대응한다. 그러나 굴곡 반경은 서브-세그먼트의 둘러싸는 반경보다 크거나 작을 수도 있다.
구부러진 금속판(2)은 서브 세그먼트(6)를 형성한다. 서브 세그먼트(6)는 길이 연장부(8) 및 폭 연장부(10)를 갖는다. 길이 연장부(8)에서, 2개의 종 방향 에지(8a, 8b)가 서로 반대편에 있고, 폭 연장부(10)에서, 2개의 단부 에지(10a, 10b)는 서로 반대편에 있다. 서브 세그먼트(6)의 금속판(2)은 직사각형인 것이 바람직하다.
지지 구조물을 형성하기 위해, 서브-세그먼트(6)는 종 방향 에지(8a, 8b)를 따라 서로 결합된다. 종 방향 에지(8a, 8b)에 인접한 좁은 표면은 두 서브-세그먼트(6)들 사이의 종 방향 접합 표면으로 이해될 수 있다. 단부 에지(10a, 10b)에 인접한 좁은 표면은 두 서브-세그먼트(6)들 사이의 단부 측 접합 표면으로 이해될 수 있다.
접합을 위해, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 종 방향 에지(8a, 8b) 또는 이들의 종 방향 접합 표면을 갖는 두 개의 서브-세그먼트(6)가 각각 서로에 대해 배치된다. 그 후, 서브-세그먼트(6)가 용접되어 일부는 전체 이음매(12)로부터 용접 이음매가 형성되고 일부는 부분 이음매(14)로부터 용접 이음매가 형성되거나, 또는 이음매 없이 용접될 수 있다. 도 2는 인접한 종 방향 에지(8a, 8b)가 전체 이음매(12) 및 부분 이음매(14)에 의해 함께 용접된 것을 도시한다. 길이(8)를 따라, 전체 이음매(12) 및 부분 이음매(14)가 교대로 나타난다.
도 2는 또한 전체 이음매(12) 및 이에 따라 부분 이음매(14)가 종축(18)에 수직인 평면(16)에 오프셋 될 수 있음을 보여준다. 즉, 서브-세그먼트(6)는 제1 종 방향 에지(8a)에서 전체 이음매(12)를 가질 수 있고, 반면에 서브-세그먼트(6)의 반대편에 있는 평면(16)에는 종 방향 에지(8b)에서 부분 이음매(14)가 있을 수 있다. 즉, 종 방향 에지(8a, 8b) 상의 대향하는 접합 표면의 전체 이음매(12)는 종축(18)을 따라 서로 오프셋 된다.
추가 실시형태에서, 전체 이음매 및 부분 이음매는 주로 하나의 평면에서 원주 방향으로 놓인다.
굴곡 반경(4) 주위의 굽힘으로 인해, 함께 용접된 서브-세그먼트(6)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 튜브-형 지지 구조물 세그먼트를 형성하기 위해 함께 접합된다.
종 방향 모서리(8a, 8b)를 따라 각각 접합된 서브-세그먼트(6)는 함께 지지 구조물 세그먼트(20)를 형성한다. 두 개의 지지 구조물 세그먼트(20)는 그들의 단부 에지에서 전체 이음매(22)에 의해 결합된다. 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이, 인접하는 2개의 지지 구조물 세그먼트(20)의 서브 세그먼트(6)의 종 방향 에지(8a, 8b)는 서로에 대해 각도 오프셋 된다. 그 결과, 종 방향 에지(8a, 8b)에서 접합 표면을 따르는 종 방향 이음매는 하나의 지지 구조물 세그먼트(20)를 가로 질러 연장되고, 그에 인접한 다음 지지 구조물 세그먼트(20)에서는 종 방향 에지(8a, 8b)에서 접합 표면을 따라 종 방향 이음매가 그것에 대해 각도 오프셋 된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 지지 구조물 세그먼트(20)는 종축(18)을 따라 단부 에지(10a, 10b)로 서로에 대해 오프셋 되는 서브-세그먼트(6)로부터 형성될 수 있다. 이 경우, 인접 단부 에지(10a, 10b)는 부분 이음매(14)로 서로 접합될 수 있다. 종 방향 에지(8a, 8b)를 따른 접합 표면은 서로 교번하는 전체 이음매(12) 및 부분 이음매(14)로 형성될 수 있다.
도 4는 부분 이음매(14)에 의해 단부 에지(10a, 10b)에서 함께 접합된 2개의 서브-세그먼트(6)를 도시한다.
도 5a는 종 방향 에지(8a, 8b)에서 서브-세그먼트(6)의 전체 재료 두께를 가로질러 연장되는 전체 이음매(12)를 도시한다. 그림 5b는 서브-세그먼트(6)의 재료 두께의 일부 위로만 연장되는 부분 이음매를 보여준다. 부분 이음매의 위치는 서브-세그먼트의 측면 내부, 외부와 같은 높이가 될 수 있고, 측면들의 중심 또는 측면에서 비대칭 거리에 있을 수 있다.
세그먼트(14)의 접합 표면(18)의 조인트는 고정 클립(24)(도 7a)을 가질 수 있다. 고정 클립(24)은 이음매(12)에 의해 양측이 둘러싸이고, 서브 세그먼트(6)의 내부 측면(도시되지 않음) 및 외부 측면과 동일 평면으로 폐쇄된다. 고정 클립(24)은 종 방향 에지(8a, 8b)에 용접되는데, 특히 서브 세그먼트(6)의 종 방향 접합 표면(8')에 용접된다. 이는 도 7b에 도시되어 있다. 고정 클립(24)이 전체 이음매(12)에 의해 인접한 접합 표면(8')에 연결되어 있음을 알 수 있다.
고정 클립(24)은 2개의 오목한 필렛(28)을 가지며, 이는 실질적으로 종 방향 결합 표면(8')으로 급격한 변화 없이 연장되어, 특히 필렛(28)에서 상호 마주하는 결합 표면(8')으로의 전이에 단차 또는 견부(shoulder)가 제공되지 않는다. 고정 클립(24)은 실질적으로 양면 오목한 형상을 갖는다.
고정 클립(24)의 양면으로 오목한 형상으로 인해, 인접하거나 이웃한 용접 이음매(14)가 완화되어, 특히 인장 응력으로 인한 용접 이음매(14) 영역에서 균열이 형성되는 것을 방지될 수 있다. 또한, 고정 클립(24)은 크랙 리미터(crack limiter)로 작용할 수 있다. 서브-세그먼트(6)의 용접 이음매(14) 중 하나가 파손되는 경우, 균열은 세그먼트(14)의 전체 길이를 따라 전파되지 않고, 고정 클립(24)의 영역에서 차단된다.
이 경우에, 고정 클립(24)은 지지 구조물에 영구적으로 통합된다. 대안적인 실시형태에 따르면, 고정 클립(24)은 또한 세그먼트(6)가 단부 면에서 서로 연결된 후에 제거될 수 있다. 이러한 방식으로 파이프 벽을 통해 케이블 또는 기타 부착물을 부착시키거나 또는 이들을 통과시키기 위해, 무게를 줄이거나 고정 클립을 재사용하여 비용을 절약하기 위해, 더 큰 관통 구멍을 만들 수 있다.
특히 인장 하중에 대항하여 용접 이음매(12, 14)의 강도를 증가시키기 위해, 냉간 성형에 의해 용접 이음매(12, 14)에 잔류 압축 응력이 도입된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 잔류 압축 응력은 단조에 의해 용접 이음매에 도입될 수도 있다.
특히 L-형인 접합 면(8') 사이에 플레이트(26)가 도입될 수도 있다. 플레이트(26)는 특히 도 6에 도시된 바와 같이 부분 이음매(14)의 영역에 제공될 수 있다.
2　　　　　　금속판(metal plate)
4　　　　　　굴곡 반경(bending radius)
6　　　　　　서브-세그먼트(sub-segment)
8　　　　　　종 방향 연장부(longitudinal extension)
8a, 8b　종 방향 에지(longitudinal edge)
8'　　　　　접합 면(joining surface)
10　　　　　폭 연장부(width extension)
10a, 10b　　　　　　단부 에지(face edge)
12　　　　　전체 이음매(full seam)
14　　　　　부분 이음매(partial seam)
16　　　　　평면(plane)
18　　　　　종축(longitudinal axis)
20　　　　　지지 구조물 세그먼트(support structure segment)
24　　　　　고정 클립(retaining clip)
26　　　　　플레이트(plate)
28　　　　　필렛(fillet)

Claims (20)

  1. - 각각이 폭 연장부 및 상기 폭 연장부보다 큰 종 방향 연장부를 구비하는 금속판으로 형성되며, 서로가 적어도 부분적으로 연결되어 있는 적어도 2개의 서브-세그먼트를 구비하며,
    - 서브-세그먼트들 각각은 종 방향 연장부로 연장하는 종 방향 에지를 구비하고, 종 방향 에지를 따라 서로 인접하는 접합 면에서 각각의 용접 조인트에 의해 서로가 접합되어 있고,
    - 서브-세그먼트들 각각은 폭 연장부로 연장하는 단부 에지를 구비하고, 서브-세그먼트들은 서브-세그먼트들의 단부 에지를 따라 각각이 굴곡져 있는, 지지 구조물로,
    - 용접 조인트들 중 일부는 섹션에서 금속판의 벽 두께보다 작은 두께를 가지는 부분 이음매, 용접 조인트들 중 다른 부분은 섹션에서 금속판의 벽 두께와 적어도 같은 두께를 갖는 전체 이음매인 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    - 서브-세그먼트들의 굴곡 반경은 에워싸는 원형 라인의 반경보다 크고, 작고 또는 동일하고, 또는
    - 서브-세그먼트들은 서브-세그먼트들의 단부 에지를 따라 비-원형으로 굴곡진 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    - 서로 연결된 서브-세그먼트들은 서로에 대해 종 방향 연장부에서 오프셋 되어, 서로 연결된 서브-세그먼트들의 단부 에지들이 서로에 대해 축 방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    - 서로 연결된 서브-세그먼트들은 서로에 대해 종 방향 연장부에서 오프셋 되어, 서로 연결된 서브-세그먼트들의 단부 에지들이 서로에 대해 축 방향으로 이격되어 있고, 적어도 하나의 서브-세그먼트는 인접하는 서브-세그먼트로부터 종 방향으로 이격되어 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    - 2개의 서브-세그먼트들은 용접 조인트에 의해 단부 에지를 따라 서로 인접하는 접합 면에서 접합되고, 적어도 섹션에서 용접 조인트의 두께는 금속판의 벽 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    - 서브-세그먼트 상에서 서로 대향하는 2개의 접합 면들이, 용접 조인트의 두께가 적어도 이웃하는 금속판들 중 하나의 벽 두께인 종 방향 에지를 따라 종 방향 연장부에서 서로에 대해 오프셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    - 서브-세그먼트 상에서 용접 조인트를 구비하는 종 방향 에지를 따라 서로 2개의 접합 면들이 대향하고, 용접 조인트의 두께는 적어도 이웃하는 금속판들 중 하나의 벽 두께이고, 높이는 종 방향 연장부에서 서로에 대해 동일한 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    - 용접 조인트가 있는 접합 면들의 섹션에서, 용접 조인트의 두께는 금속판의 벽 두께보다 작고, 접합 면들 사이에 고정 클립이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  9. 제8항에 있어서,
    - 고정 클립은 두 사이드에서 접합 면들에 의해 둘러싸여 있고 또는 서브-세그먼트들 중 적어도 하나의 외부 측면 또는 내부 측면과 동일한 높이에서 종결되는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  10. 제8항에 있어서,
    - 고정 클립은 적어도 하나의 오목한 리세스를 구비하고, 상기 리세스는 급격한 변화(jump) 없이 접합 면들에 병합되고 또는 양면이 오목한 형태인 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  11. 제1항에 있어서,
    - 적어도 섹션에서 접합 면들은 서로에 대해 갭을 가지고 또는 서로 인접하고 또는 접합 면들 사이에 적어도 하나의 금속 시트가 배치되되, 상기 금속 시트는 튜브 내부로 돌출하는 방식으로 연장하고 또는 단면이 L-형인 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  12. 제1항에 있어서,
    - 지지 구조물은 해양 풍력 발전 설비용 기초 구조물인 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  13. 제1항에 있어서,
    - 지지 구조물은 타워 구조물인 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  14. 제1항에 있어서,
    - 서브-세그먼트는 부분 실린더 세그먼트인 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  15. 제1항에 있어서,
    - 각각의 종 방향 에지들이 서로 평행하게 배치되고, 링을 형성하는 서로 연결된 서브-세그먼트들이 지지 구조물 세그먼트를 형성하고, 상기 지지 구조물은 적어도 2개의 지지 구조물 세그먼트를 포함하되, 상기 2개의 지지 구조물 세그먼트의 종축은 서로 동일 선상에 있고, 상기 2개의 지지 구조물 세그먼트의 단부 에지들이 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  16. 제1항에 있어서,
    - 두 지지 구조물 세그먼트들의 인접하는 단부 에지들은 용접 조인트에 의해 적어도 부분적으로 주변을 둘러싸게 연결되고, 용접 조인트의 두께는 금속판의 벽 두께와 적어도 동일한 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  17. 제1항에 있어서,
    - 단부 면에서 서로 인접하는 두 지지 구조물 세그먼트들의 서브-세그먼트들의 종 방향 에지는 서로에 대해 각도 오프셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  18. 제1항에 있어서,
    - 각각의 서브-세그먼트들은 서브-세그먼트들의 종 방향 연장부로 종축을 정의하고, 각각의 서브-세그먼트들의 종축은 지지 구조물의 종축과 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  19. 제1항에 있어서,
    - 각각의 서브-세그먼트들의 굴곡 반경은 지지 구조물의 곡률 반경에 대응하는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
  20. 제1항에 있어서,
    - 부분 이음매의 위치는 서브-세그먼트의 외부 또는 내부 측면과 같은 높이, 서브-세그먼트의 측면들의 중앙 또는 서브-세그먼트의 측면들로부터 비대칭 거리에 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조물.
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