KR102455878B1 - 와류기 진동 저감장치 - Google Patents

Abstract

와류기 진동 저검장치에 관한 것으로, 구조물의 외면에 유체의 이동에 의해 회전 가능하게 설치되는 바디, 상기 바디의 외주면에 설치되는 날개 및 상기 바디의 내주면과 구조물의 외주면 사이에 설치되고 상기 바디를 회전 가능하게 지지하는 지지부재를 포함하는 구성을 마련하여, 원통 형상의 와류기 진동 저감장치를 구조물에 설치해서 바람이나 해류와 같은 유체의 힘이 작용하는 전체 단면적을 증가시킴으로써, 구조물에 작용하는 와류기 진동을 저감할 수 있다.

Description

와류기 진동 저감장치{VORTEX INDUCED VIBRATION REDUCING APPARATUS}

본 발명은 와류기 진동 저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바람이나 해류의 영향으로 발생하는 와류기 진동을 저감하는 와류기 저감장치에 관한 것이다.

최근에는 육상보다는 해저에 매장된 석유나 천연가스의 유전 개발이 활발히 이루짐에 따라, 첨단의 시추 장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록, 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 드릴쉽 등의 해양 구조물이 개발되어 해저 시추 및 생산에 사용되고 있다.

이러한 해양 구조물이나 선박의 구조를 살펴보면, 선박의 중심부에는웰(well)에 존재하는 석유나 천연가스 등을 시추하기 위해, 라이저(riser) 또는 시추 파이프(drilling pipe)가 상하로 이동할 수 있도록 문풀(moonpool)이 마련된다.

상기 라이저는 양측단에 플랜지가 형성된 실린더형 파이프 구조로 이루어지고, 단위 라이저를 결합하여 필요한 길이만큼 수직방향으로 연장하여 해저 웰과 연결한다.

이러한 심해역의 라이저는 동역학적 거동이 매우 복잡하고 전체 해양구조물 시스템 거동에 미치는 중요도 역시 증가하게 된다.

따라서, 심해역에 투입되는 라이저에 관한 동역학적 해석이 요구되고, 해석에 근거하여 유체흐름 속에 놓여 있는 라이저가 어떠한 데미지(damage)를 받는지 분석해 볼 필요가 있으며, 이에 따라 그 피로(fatigue) 손상의 영향 정도를 저감 시킬 필요가 있다.

이러한 라이저는 해양 속에 잠겨 있을 경우, 해류에 의해 와류(vortex)를 발생시킨다. 이로 인해, 실린더형의 라이저에 압력이 가해지고, 특히 상하로 가장 큰 압력을 받아 라이저가 상하로 진동하게 되는 와류기 진동(VIV, Vortex Induced Vibration)이 발생한다.

이와 같이, 해류나 바람의 영향을 지속적으로 받는 구조물에서는 구조물의 고유 진동수와 와류 발산 주파수(vortex shedding frequency)의 관계에 의해서 와류기 진동이 발생한다.

도 1은 바람의 영향에 따른 와류기 진동 발생 원리를 보인 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 파이프(bare pipe)로 마련된 구조물(1)에 영향을 미치는 바람의 속도에서는 감소속도(reduced velocity, Vr)와 스트로우홀 수(strouhal number, St)가 동일(Vr=St)한 상기 파이프의 전 영역이 바람의 힘(power)이 입력되는 힘 입력 영역(power input region)(R)으로 작용함에 따라, 파이프의 전 영역에서 와류기 진동이 발생한다.

즉, 구조물의 고유진동수에 맞는 외력이 가해지면 공진하여 더 큰 압력 및 더 큰 폭의 진동이 파이프에 가해짐에 따라, 구조물이 변형될 여지가 더 커지며, 이는 구조물의 수명을 단축시키는 등 선박 또는 해양 구조물의 시추 시스템에 부정적인 영향을 끼치게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등에 와류기 진동 저감 기술을 개시해서 특허 출원한 바 있다.

특허문헌 1에는 선체로부터 해저로 배치되는 관로 형상의 라이저유닛; 라이저유닛에 회전 가능하게 배치되는 발전로터유닛; 발전로터유닛의 상부에서 하부까지 발전로터유닛에 배치되되, 해수의 유동에 의해 회전되도록 그리고 발전로터유닛을 회전시키도록 발전로터유닛에 결합되는 복수의 블레이드유닛; 및 블레이드유닛에 의해 회전되는 발전로터유닛의 회전력에 의해 전기를 생산하도록 마련되는 해수발전유닛을 포함하는 해양 라이저 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 구성이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는 선체로부터 해저로 연장 배치되는 실린더 형태의 라이저 둘레에 일정 간격을 두고 하나 이상 마련되는 스트레이크(strake); 및 상기 라이저 둘레에 일정 간격을 두고 하나 이상 마련되는 고리 형태의 클램프를 포함하되, 상기 스트레이크의 표면에는 상기 스트레이크 표면에 난류를 발생시킬 수 있는 형상이 더 마련되는 와류기 진동 저감 구조 및 그러한 저감 구조를 가진 라이저 구성이 기재되어 있다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2015-0052486호(2015년 5월 14일 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2017-0021530호(2017년 2월 28일 공개)

따라서 종래기술에 따른 와류기 진동 저감 장치는 나선형 구조의 스트레이크(strake)를 구조물의 표면에 부가하거나 구조물의 외관에 톱니와 같은 기하학적 변화를 주는 등 구조물 외면의 형태를 변형시켰다.

즉, 종래기술에 따른 와류기 진동 저감 장치는 구조물의 직경을 증가시킴으로써, 와류 방출(vortex shedding) 위치를 조정하여 와류기 진동을 저감하는 장점이 있으나, 항력(drag force)이 증가하는 단점이 있었다.

이로 인해, 종래기술에 따른 와류기 진동 저감 장치는 항력 증가로 인한 피로 손상을 발생시켜 강도 문제를 야기하였다.

그리고 종래기술에 따른 와류기 진동 저감 장치는 스트레이크나 톱니 등의 추가적인 강제를 용접함에 따라, 부재의 무게나 강성(k)값을 조정해야 하고, 해양 구조물이나 선박의 제조 공정이 복잡해지며, 제조 비용이 비싸고, 설치 및 해체가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바람이나 해류의 영향으로 인해 발생하는 와류기 진동을 저감하는 와류기 진동 저감장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바람이나 해류의 영향을 받는 부재의 단면적을 증가시켜 와류기 진동 발생 영역을 최소화할 수 있는 와류기 진동 저감장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 바람의 방향에 따라 회전해서 부재의 단면적을 증가시켜 와류기 진동을 저감하는 와류기 진동 저감장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 와류기 진동 저감장치는 구조물의 외면에 유체의 이동에 의해 회전 가능하게 설치되는 바디, 상기 바디의 외주면에 설치되는 날개 및 상기 바디의 내주면과 구조물의 외주면 사이에 설치되고 상기 바디를 회전 가능하게 지지하는 지지부재를 포함하고, 상기 유체의 힘이 작용하는 전체 단면적을 증가시켜 상기 유체의 영향에 의해 발생하는 와류기 진동을 저감하는 것을 특징으로 한다.

상기 바디는 파이프 형상의 구조물에 설치 가능하도록, 전후단이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 상기 바디에는 상기 유체를 상기 바디 내부로 유입시킨 후 다시 상기 바디 외부로 배출해서 항력을 저감하는 항력 저감 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 항력 저감 홀은 상기 바디의 양측에 서로 대등되도록, 복수의 열을 따라 복수 개로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 지지부재는 상기 바디의 전단부 및 후단부에 각각 설치되는 베어링으로 마련되고, 상기 바디 내부에는 상기 바디의 내부로 유입된 상기 유체를 다시 바디의 외부로 배출하도록 이동시키는 이동공간이 마련되는 것을 특징으로 한다.

상기 날개는 상기 바디의 외면에 상기 바디의 길이 방향을 따라 복수 개가 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 바디는 상기 구조물에 설치 가능하도록, 각각 반원통 형상으로 형성된 제1 및 제2 바디를 결합해서 원통 형상으로 조립되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 와류기 진동 저감장치에 의하면, 원통 형상의 와류기 진동 저감장치를 구조물에 설치해서 바람이나 해류와 같은 유체의 힘이 작용하는 전체 단면적을 증가시킴으로써, 구조물에 작용하는 와류기 진동을 저감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 특정 유체의 속도에서 와류기 진동을 발생시키는 유체의 힘이 입력되는 영역을 최소화함에 따라, 전체 힘을 감소시켜 진동에 의한 구조물의 변화를 감소시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 바디의 양측에 서로 대응되도록 홀을 형성해서 유체가 통하도록 함으로써, 항력이 증가하는 것을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 와류기 진동을 효과적으로 저감해서 와류기 진동에 의한 구조물의 피로 손상을 발생시킴으로써, 구조물이 적용된 선박이나 해양 구조물의 제조 작업시 소요되는 인적, 시간적, 경제적 비용을 절감하고, 해당 구조물을 용이하게 설치 및 해체할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 바람의 영향에 따른 와류기 진동 발생 원리를 보인 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 저감장치의 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 와류기 진동 저감장치가 적용된 구조물의 구성도,
도 4는 도 2에 와류기 진동 저감장치의 정면도,
도 5는 도 2에 도시된 와류기 진동 저감장치의 측면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 저감장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 저감장치의 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 와류기 진동 저감장치가 적용된 구조물의 구성도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 실시 예에서는 해양 구조물의 탑사이드(top side), 플레어 타워(flare tower), 거주구(living quarter)와 같이, 바람의 영향을 지속적으로 받고 빔(beam) 구조로 되어있는 영역에서 지속적으로 와류기 진동이 발생하는 구조물(1)에 적용되는 와류기 진동 저감장치(10)의 구성을 설명한다.

물론, 본 발명은 바람뿐만 아니라 해류 등 다양한 유체로부터 지속적으로 영향을 받는 구조물에 적용할 수도 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 저감장치(10)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 구조물(1)의 외면에 바람이나 해류 등와 같은 유체의 이동에 의해 회전 가능하게 설치되는 바디(20), 바디(20)의 외주면에 설치되는 날개(30) 및 바디(20)의 내주면과 구조물(1)의 외주면 사이에 설치되고 바디(20)를 회전 가능하게 지지하는 지지부재를 포함한다.

다음, 도 2 내지 도 5를 참조하여 와류기 진동 저감장치에 적용된 각 장치의 구성을 상세하게 설명한다.

도 4는 도 2에 와류기 진동 저감장치의 정면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 와류기 진동 저감장치의 측면도이다.

바디(20)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 선박이나 해양 구조물에 적용되는 파이프 형상의 구조물(10)의 외부에 설치 가능하도록, 전후단이 개구된 원통 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 구조물(1)의 외부에 구조물(1)의 직경보다 큰 직경을 갖는 바디(20)를 설치함에 따라, 바디(20)가 설치된 부분은 도 3에 도시된 바와 같이, 유체에 영향을 받는 전체 직경 및 단면적이 증가한다.

도 3에서, 와류기 진동 저감장치가 설치된 영역(이하 '설치영역'이라 함)(V)에서는 도 1에서 파이프를 이용해서 설명한 바와 같이, 동일한 풍속에서 구조물(1)에 와류기 진동 저감장치(10)가 설치되지 않은 영역, 즉 바람의 힘이 입력되는 힘 입력 영역(R)에 비해 단면적이 증가한다.

상술한 바와 같이, 와류기 진동은 구조물(1)의 고유 진동수와 와류 진동 주파수와의 관계에 의해서 발생한다.

여기서, 구조물(1)의 고유 진동수(f₀)는 감소속도(Vr)를 이용해서 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

여기서, U, U₀는 바람속도, f₀는 고유 진동수, f_v는 와류 발산 주파수, D는 파이프의 직경이다.

그리고 와류 발산 주파수는 스트로우홀 수를 통해 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

따라서, 본 발명은 와류기 진동 저감장치를 구조물에 설치해서 전체 단면적을 증가시켜 감소속도(Vr)와 스트로우홀 수(St)와 동일해지는 조건이 성립하지 않게 함으로써, 와류기 진동 발생을 방지하여 바람의 힘이 구조물에 입력되는 것을 차단할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 구조물의 외부에 원통 형상의 와류기 진동 저감장치를 설치해서 전체 직경을 변화시켜 와류 발산에 의한 록인(lock-in) 현상이 구조물의 일부에서만 발생하게 함으로써, 구조물에 작용하는 와류기 진동을 저감할 수 있다.

이러한 바디(20)에는 구조물(1)에 와류기 진동 저감장치(10) 설치 시 단면적 증가에 따른 항력의 증가를 방지하기 위해, 바람이 이동할 수 있도록 항력 저감 홀(21)이 형성될 수 있다.

항력 저감 홀(21)은 바디(20)의 길이 방향을 따라 미리 설정된 간격으로 복수 개가 바디(20)를 관통해서 형성될 수 있다.

물론, 항력 저감 홀(21)은 하나의 열로 형성될 수 있으나, 바디(20)의 양측에 서로 대등되도록, 복수의 열을 따라 형성될 수도 있다.

예를 들어, 항력 저감 홀(21)은 도 5에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 날개(30)가 마련되는 경우, 바디(20)의 양측에 각 날개(30)를 중심으로 상부 및 하부에 각각 2열로 형성되어 총 4열로 마련될 수 있다.

이에 따라, 바디(20)의 일측에 형성된 항력 저감 홀(21)을 통해 바디(20) 내부로 유입된 공기는 바디(20)의 타측에 형성된 항력 저감 홀(21)을 통해 바디(20) 외부로 배출된다.

이와 같이, 본 발명은 바디의 양측에 서로 대응되도록 항력 저감 홀을 형성함에 따라, 와류기 진동 저감장치의 설치시 전체 직경 증가로 인한 항력을 효과적으로 저감할 수 있다.

한편, 바디(20)는 선박이나 해양 구조물에 설치된 구조물(1)에 용이하게 설치할 수 있도록, 각각 반원통 형상으로 형성된 제1 및 제2 바디(도면 미도시)를 서로 결합해서 원통 형상으로 조립될 수 있다.

여기서, 상기 제1 및 제2 바디에는 서로 결합된 상태에서 고정할 수 있도록 서로 대응되는 위치에 볼트가 체결되는 플랜지가 마련되거나, 결합돌부 및 결합홈이 형성될 수 있다.

또는, 상기 제1 및 제2 바디는 항력 저감 홀(21)을 통해 설치되는 와이어나 클램프를 이용해서 결합된 상태로 유지될 수 있다.

다시 도 4 및 도 5에서, 날개(30)는 구조물(10)에 작용하는 바람의 방향에 따라 와류기 진동 저감장치(10)를 회전시키는 기능을 한다.

이러한 날개(30)는 바디(20)의 외주면에 바디(20)의 길이 방향을 따라 길게 연장되어 복수 개로 설치될 수 있다.

예를 들어, 날개(30)는 바디(20)의 양측에 각각 한 쌍으로 마련되거나, 3개 이상으로 마련될 수 있다.

그리고 날개(30)는 바디(20)의 외주면에서 바디(20)의 길이방향을 따르는 가상의 직선과 미리 설정된 각도를 가지도록 경사지게 설치될 수도 있다.

지지부재(40)는 바디(20)의 전단부 및 후단부와 구조물(1)의 외면 사이에 설치되어 바디(20)를 회전 가능하게 지지하는 기능을 한다.

예를 들어, 지지부재(40)는 각각 바디(20)의 전단부 및 후단부 내주면과 구조물(1)의 외주면에 설치되는 베어링으로 마련될 수 있다.

이와 같이, 바디(20)와 구조물(1) 사이에 지지부재(40)를 설치함에 따라, 바디(20) 내부에는 유체가 바디(20) 일측에 형성된 항력 저감 홀(21)로부터 바디(20)의 타측에 형성된 항력 저감홀(21)을 향해 이동하는 공간이 형성되고, 바디(20) 내부로 유입된 유체는 상기 이동공간을 통해 이동해서 바디(20) 외부로 배출된다.

여기서, 와류기 진동 저감장치(10)를 구성하는 바디(20)와 날개(30)는 플라스틱과 같은 저가의 합성수지 재질의 재료를 이용해서 제조될 수 있다.

즉, 바디(20)와 날개(30)는 제조작업 시 제조비용을 절감하고, 작업성을 향상시킬 수 있도록, 하나의 금형을 이용해서 일체로 성형될 수 있다.

이와 같이 구성된 와류기 진동 저감장치(10)는 구조물(1)의 외면에 설치된 상태에서 바람이나 해류에 의해 회전하면서 유체의 힘이 작용하는 단면적을 증가시킨다.

이때, 바디(20)의 외면에 서로 대응되도록 항력 증가 홀(21)이 형성됨에 따라, 바람이나 해류와 같은 유체는 바디(20)의 일측으로 유입되어 타측으로 배출됨에 따라, 와류기 진동 저감장치(10) 설치로 인한 항력의 증가를 억제할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 원통 형상의 와류기 진동 저감장치를 구조물에 설치해서 바람이나 해류와 같은 유체의 힘이 작용하는 전체 단면적을 증가시킴으로써, 구조물에 작용하는 와류기 진동을 저감하고, 유체의 힘이 입력되는 영역을 최소화할 수 있다.

그리고 본 발명은 바디의 양측에 서로 대응되도록 홀을 형성해서 유체가 통하도록 함으로써, 항력이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

즉, 상기의 실시 예에서는 구조물의 외면에 하나의 와류기 진동 저감장치가 설치되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 구조물의 외면에 부분적으로 또는 전체적으로 복수의 와류기 진동 저감장치를 설치하도록 변경될 수 있다.

그리고 본 발명은 구조물의 외면에 미리 설정된 간격으로 복수의 와류기 진동 저감장치를 설치하도록 변경될 수 있다.

본 발명은 원통 형상의 와류기 진동 저감장치를 구조물에 설치해서 유체의 힘이 작용하는 전체 단면적을 증가시킴으로써, 구조물에 작용하는 와류기 진동을 저감하는 와류기 진동 저감장치 기술에 적용된다.

1: 구조물
10: 와류기 진동 저감장치
20: 바디
21: 항력 저감 홀
30: 날개
40: 지지부재
R: 힘 입력 영역
V: 설치영역

Claims (6)

1. 구조물의 외면에 유체의 이동에 의해 회전 가능하게 설치되는 바디,
   상기 바디의 외주면에 설치되는 날개 및
   상기 바디의 내주면과 구조물의 외주면 사이에 설치되고 상기 바디를 회전 가능하게 지지하는 지지부재를 포함하고,
   상기 유체의 힘이 작용하는 전체 단면적을 증가시켜 상기 유체의 영향에 의해 발생하는 와류기 진동을 저감하며,
   상기 바디는 파이프 형상의 구조물에 설치 가능하도록, 전후단이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 상기 바디에는 상기 유체를 상기 바디 내부로 유입시킨 후 다시 상기 바디 외부로 배출해서 항력을 저감하는 항력 저감 홀이 형성되며,
   상기 항력 저감 홀은 상기 바디의 양측에 서로 대등되도록, 복수의 열을 따라 복수 개로 형성되고,
   상기 날개는 상기 바디의 외면에 상기 바디의 길이 방향을 따라 복수 개가 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 저감장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 지지부재는 상기 바디의 전단부 및 후단부에 각각 설치되는 베어링으로 마련되고,
   상기 바디 내부에는 상기 바디의 내부로 유입된 상기 유체를 다시 바디의 외부로 배출하도록 이동시키는 이동공간이 마련되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 저감장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 바디는 상기 구조물에 설치 가능하도록, 각각 반원통 형상으로 형성된 제1 및 제2 바디를 결합해서 원통 형상으로 조립되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 저감장치.
   

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