KR102629057B1 - 파일 계류 장치 - Google Patents

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Abstract

파일 계류 장치는 가이드 레일, 승강 프레임, 프레임 구동부, 및 롤러 구동부를 포함한다. 가이드 레일은 부유체의 외벽에 수직 방향으로 설치된다. 승강 프레임은 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 결합되고, 계류용 파일을 둘러싸며, 계류용 파일과 접촉하여 회전하는 복수의 롤러를 구비한다. 프레임 구동부는 승강 프레임에 결합되고, 가이드 레일을 따라 승강 프레임을 이동시켜 승강 프레임의 높이를 조절한다. 롤러 구동부는 승강 프레임과 복수의 롤러 각각의 회전축 양단에 연결 설치되고, 복수의 롤러 각각의 수평 위치를 조절한다.

Description

파일 계류 장치 {PILE MOORING APPARATUS}
본 발명은 파일 계류 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부유체 또는 선체의 파일 계류 시 과도 거동과 이에 따른 피로 파괴를 방지하기 위한 파일 계류 장치에 관한 것이다.
일반적으로 수심이 깊지 않은 천해역에서 부유식 해상설비와 같은 부유체 또는 선박의 선체는 제티나 돌핀에 계류되어 위치를 유지한다. 그런데 이러한 계류 방법은 부유체 또는 선체의 운동을 크게 구속하지 못하므로, 태풍과 같은 비상 상황에서는 부유체 또는 선체를 대피시켜야 한다.
통상의 파일 계류 방법은 해저 지반에 계류용 파일을 설치하고, 계류용 파일에 파일 가이드를 조립하고, 부유체 또는 선체를 파일 가이드 근처로 이동시킨 후 부유체 또는 선체와 파일 가이드를 결합하는 과정으로 이루어진다. 파일 가이드는 계류용 파일을 따라 상하 방향으로 움직일 수 있으므로, 부유체 또는 선체의 수직 방향 운동을 허용하면서 수평 방향 운동을 구속한다.
파일에 계류된 부유체 또는 선체의 거동과 피로 특성은 파일 가이드의 위치와 개수 및 구속력에 의존하며, 특히 날씨와 같은 실시간 환경 하중의 영향을 매우 크게 받는다.
한국등록특허 1813503호(2017.12.22. 등록) '수상부유체 계류를 위한 상하 유동장치'
본 발명은 부유체 또는 선체를 계류용 파일에 구속시키는 파일 계류 장치에 있어서, 부유체 또는 선체의 과도 거동과 이에 따른 피로 파괴를 방지할 수 있는 파일 계류 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파일 계류 장치는 가이드 레일, 승강 프레임, 프레임 구동부, 및 롤러 구동부를 포함한다. 가이드 레일은 부유체의 외벽에 수직 방향으로 설치된다. 승강 프레임은 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 결합되고, 계류용 파일을 둘러싸며, 계류용 파일과 접촉하여 회전하는 복수의 롤러를 구비한다. 프레임 구동부는 승강 프레임에 결합되고, 가이드 레일을 따라 승강 프레임을 이동시켜 승강 프레임의 높이를 조절한다. 롤러 구동부는 승강 프레임과 복수의 롤러 각각의 회전축 양단에 연결 설치되고, 복수의 롤러 각각의 수평 위치를 조절한다.
파일 계류 장치는, 부유체 근처의 해수면에 위치하는 계측 부이와, 계측 부이의 움직임을 분석하여 실시간 환경 하중을 계측하고 프레임 구동부와 롤러 구동부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 가이드 레일은 부유체의 외벽에서 계류용 파일에 대응하는 위치마다 한 쌍으로 설치될 수 있고, 금속제의 선형 레일로 구성될 수 있다.
프레임 구동부는 부유체 외벽의 지지대에 설치된 제1 유압 실린더와, 승강 프레임의 상면에 단부가 고정된 제1 피스톤을 포함할 수 있고, 제1 피스톤의 확장 길이만큼 가이드 레일 상에서 승강 프레임의 위치를 고정시킬 수 있다.
롤러 구동부는 승강 프레임의 내측에 고정된 한 쌍의 제2 유압 실린더와, 롤러의 회전축에 단부가 고정된 한 쌍의 제2 피스톤을 포함할 수 있고, 제2 피스톤의 작동 방향은 회전축의 길이 방향과 직교할 수 있다.
파일 계류 장치는 부유체에 가해지는 환경 하중을 실시간으로 계측하고, 부유체의 최대 거동과 피로 수명 등을 시뮬레이션하며, 승강 가이드의 높이와 복수의 롤러 각각의 수평 위치를 최적화하여 부유체의 과도한 거동과 이에 따른 피로 파괴를 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파일 계류 장치와 여기에 결합된 부유체를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 파일 계류 장치와 부유체의 평면도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 도 1에 도시한 파일 계류 장치의 확대 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파일 계류 장치의 측면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파일 계류 장치와 여기에 결합된 부유체를 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 파일 계류 장치와 부유체의 평면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 계류용 파일(10)은 해저 지반에 관입 설치되고, 제1 실시예의 파일 계류 장치(100)는 계류용 파일(10)과 부유체(20)를 결합시켜 부유체(20)를 계류용 파일(10)에 계류시키는 기능을 한다. 이때 부유체(20)는 부유식 해상설비이거나 선박의 선체일 수 있다. 편의상 선체를 포함한 계류용 파일(10)의 계류 대상을 ‘부유체’라 명칭한다.
제1 실시예의 파일 계류 장치(100)는 부유체(20)의 외벽에 설치된 가이드 레일(30)과, 계류용 파일(10)과 접촉하는 복수의 롤러를 구비하며 가이드 레일(30)에 결합된 승강 프레임(40)을 포함한다. 후술하는 프레임 구동부는 승강 프레임(40)의 높이를 조절하고, 후술하는 롤러 구동부는 승강 프레임(40)에 대한 복수의 롤러 각각의 수평 위치를 조절한다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이고, 도 4는 도 1에 도시한 파일 계류 장치의 확대 측면도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 가이드 레일(30)은 부유체(20)의 외벽에서 계류용 파일(10)에 대응하는 위치마다 한 쌍으로 제공될 수 있다. 한 쌍의 가이드 레일(30)은 수직 방향과 나란하며, 수평 방향을 따라 서로간 일정한 거리를 두고 위치한다. 가이드 레일(30)은 금속으로 제작된 선형 레일로 구성될 수 있다.
승강 프레임(40)은 계류용 파일(10)을 둘러싸는 고리 모양의 프레임으로서, 사각형, 타원형, 반원형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 승강 프레임(40)의 내측에는 계류용 파일(10)과 접촉하여 회전하는 복수의 롤러(50)가 설치된다. 복수의 롤러(50)는 계류용 파일(10)의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치한다.
도 5에서는 사각형의 승강 프레임(40)의 내측에 4개의 롤러(50)가 설치된 경우를 도시하였으나, 승강 프레임(40)의 형상과 롤러(50)의 개수는 도시한 예시로 한정되지 않는다. 복수의 롤러(50) 각각의 회전축(51)은 한 쌍의 베어링(도시하지 않음)에 의해 지지되며, 승강 프레임(40)은 롤러(50)의 회전에 의해 계류용 파일(10)을 따라 상하 유동이 가능하다.
승강 프레임(40)은 가이드 레일(30)에 슬라이딩 가능하게 결합된다. 예를 들어, 승강 프레임(40)과 한 쌍의 가이드 레일(30)은 돌기-홈 결합 구조 또는 기어 결합 구조 등 다양한 연결 구조에 의해 상호 결합될 수 있다. 이때 승강 프레임(40)은 프레임 구동부(60)가 작동할 때에만 가이드 레일(30)을 따라 상하로 움직인다.
즉, 승강 프레임(40)은 프레임 구동부(60)가 작동하지 않을 때 가이드 레일(30) 상에서 고정된 위치를 위치하며, 부유체(20)와 계류용 파일(10)을 결합시켜 롤러(50)의 회전에 의해 부유체(20)의 상하 유동을 가능하게 한다.
프레임 구동부(60)는 부유체(20) 및 승강 프레임(40)과 결합된 제1 유압장치로 구성될 수 있다. 제1 유압장치는 부유체(20) 외벽의 지지대(21)에 설치된 제1 유압 실린더(61)와, 승강 프레임(40)의 상면에 단부가 고정된 제1 피스톤(62)을 포함할 수 있다.
지지대(21)는 가이드 레일(30)의 상측에서 부유체(20) 외벽에 고정 설치될 수 있고, 제1 유압 실린더(61)는 제1 피스톤(62)이 아래를 향하도록 지지대(21)의 아랫면에 고정될 수 있다. 제1 유압장치는 제1 피스톤(62)의 확장 길이만큼 승강 프레임(40)의 위치를 고정시켜 의도하지 않은 승강 프레임(40)의 상하 이동을 억제할 수 있다.
롤러 구동부(70)는 승강 프레임(40)의 내측에 설치되며, 복수의 롤러(50) 각각의 회전축(51) 양단에 결합된다. 롤러 구동부(70)는 롤러(50)의 회전축(51) 양단에 결합된 한 쌍의 제2 유압장치로 구성될 수 있다. 한 쌍의 제2 유압장치 각각은 승강 프레임(40)의 내측에 고정된 제2 유압 실린더(71)와, 롤러(50)의 회전축(51)에 단부가 고정된 제2 피스톤(72)을 포함할 수 있다.
제2 피스톤(72)의 작동 방향은 회전축(51)의 길이 방향과 직교하며, 롤러(50)의 회전축(51)과 제2 피스톤(72) 사이에 베어링이 위치한다. 한 쌍의 제2 유압장치는 제2 피스톤(72) 확장 시 계류용 파일(10)을 향해 롤러(50)를 전진시키고, 제2 피스톤(72) 수축 시 계류용 파일(10)로부터 롤러(50)를 후진시킨다.
롤러 구동부(70)는 승강 프레임(40)에 대해 복수의 롤러(50) 각각의 수평 위치를 조절하며, 계류용 파일(10)과 롤러(50) 사이의 거리를 변화시켜 계류용 파일(10)에 대한 롤러(50)의 밀착 정도를 제어한다.
통상의 파일 계류 장치에서 승강 프레임(40)은 부유체(20)에 결합되어 고정된 위치를 유지하며, 복수의 롤러(50) 또한 승강 프레임(40)에서 고정된 위치를 유지한다. 즉 통상의 파일 계류 장치는 제1 실시예의 프레임 구동부(60)와 롤러 구동부(70)를 포함하지 않는다. 통상의 파일 계류 장치와 결합된 부유체(20)는 환경 하중이 크지 않은 정상적인 기상 조건에서는 문제가 발생하지 않는다.
그런데 태풍과 같이 부유체(20)에 환경 하중이 크게 작용하는 조건에서는 부유체(20)가 상하로 크게 이동하는데 반해 승강 프레임(40)에 결합된 복수의 롤러(50) 작용만으로는 부유체(20)의 상하 움직임을 수용하기 어렵다. 따라서 부유체(20)와 계류용 파일(10) 및 파일 계류 장치에 큰 하중이 가해지고, 이들의 수명이 단축되어 불시에 피로 파괴가 발생할 수 있다.
제1 실시예의 파일 계류 장치(100)는 실시간 환경 하중을 분석하여 승강 프레임(40)의 높이 조정과 롤러(50)의 위치 조정이 필요하다고 판단된 경우 프레임 구동부(60)와 롤러 구동부(70)를 작동시킬 수 있다. 이를 위해 파일 계류 장치(100)는 부유체(20) 근처의 해수면에 위치하는 계측 부이(80)와, 계측 부이(80)의 움직임을 분석하여 실시간 환경 하중을 계측하는 제어부(90)를 포함할 수 있다.
제어부(90)는 계측 부이(80)의 상하 움직임과 동서남북 방향의 움직임으로부터 실시간 환경 하중을 계측하고, 이를 기반으로 부유체(20)의 최대 움직임과 피로 수명 등 부유체(20)의 거동을 시뮬레이션할 수 있다. 또한, 제어부(90)는 시뮬레이션의 결과로서 수직 방향에 따른 승강 프레임(40)의 최적 높이와 계류용 파일(10)에 대한 복수의 롤러(50) 각각의 최적 위치를 출력하여 프레임 구동부(60)와 롤러 구동부(70)를 작동시킬 수 있다.
예를 들어, 계측 부이(80)의 상하 움직임에 따른 시뮬레이션 결과는 승강 프레임(40)의 높이 조절에 반영되고, 계측 부이(80)의 동서남북 방향의 움직임에 따른 시뮬레이션 결과는 계류용 파일(10)에 대한 복수의 롤러(50) 각각의 밀착력 조절에 반영된다. 특히 부유체(20)가 특정 방향으로 옆으로 밀리는 환경 하중을 받을 때, 4개의 롤러(50) 중 밀리는 방향과 나란하게 위치하는 두 개의 롤러(50)에 대한 위치 조정이 이루어질 수 있다.
이와 같이 제1 실시예의 파일 계류 장치(100)는 부유체(20)가 큰 환경 하중을 받는 조건에서 승강 프레임(40)의 높이 조정과 복수의 롤러(50) 각각의 접촉 위치 조정에 의해 부유체(20)의 거동과 피로 수명을 최적으로 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파일 계류 장치의 측면도이다.
도 5를 참고하면, 제2 실시예의 파일 계류 장치(200)에서 프레임 구동부(60)는 부유체(20)의 내벽에 설치되어 승강 프레임(40)에 간접 결합된 제1 유압장치로 구성될 수 있다. 제1 유압장치는 부유체(20) 내벽의 지지대(21)에 설치된 제1 유압 실린더(61)와, 제1 유압 실린더(61)에 결합된 제1 피스톤(62)과, 제1 피스톤(62)의 단부에 결합되며 부유체(20)의 내벽에 밀착된 전자석(63)을 포함할 수 있다.
지지대(21)는 부유체(20)의 내벽에 고정 설치될 수 있고, 제1 유압 실린더(61)는 제1 피스톤(62)이 아래를 향하도록 지지대(21)의 아랫면에 고정될 수 있다. 전자석(63)은 제1 피스톤(62)의 수축 또는 확장에 의해 수직 방향으로 이동하며, 부유체(20) 외벽의 승강 프레임(40)을 자력으로 끌어당겨 승강 프레임(40)의 높이를 조절한다.
즉, 승강 프레임(40)은 부유체(20)의 벽을 사이에 두고 전자석(63)과 마주하며, 전자석(63)과 같은 높이를 유지한다. 승강 프레임(40)은 프레임 구동부(60)가 작동하지 않을 때 전자석(63)이 끌어당기는 자력에 의해 고정된 위치를 유지한다. 전술한 프레임 구동부(60)는 부유체(20)의 안쪽에 위치하여 외부 환경에 노출되지 않으며, 외부 환경 노출에 따른 고장 발생을 최소화할 수 있다.
제2 실시예의 파일 계류 장치(200)는 프레임 구동부(60)의 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어지며, 중복되는 설명은 생략한다.
전술한 제1 실시예 및 제2 실시예의 파일 계류 장치(100, 200)는 실시간 환경 하중을 계산하고, 부유체(20)의 거동을 시뮬레이션하며, 승강 가이드(40)의 높이와 복수의 롤러(50) 각각의 수평 위치를 최적화함으로써 부유체(20)의 과도한 거동과 이에 따른 피로 파괴를 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 파일 계류 장치 10: 계류용 파일
20: 부유체 30: 가이드 레일
40: 승강 프레임 50: 롤러
51: 회전축 60: 프레임 구동부
61: 제1 유압 실린더 62: 제1 피스톤
70: 롤러 구동부 71: 제2 유압 실린더
72: 제2 피스톤 80: 계측 부이
90: 제어부

Claims (5)

  1. 부유체의 외벽에 수직 방향으로 설치된 가이드 레일;
    상기 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 결합되고, 계류용 파일을 둘러싸며, 계류용 파일과 접촉하여 회전하는 복수의 롤러를 구비한 승강 프레임;
    상기 승강 프레임에 결합되고, 상기 가이드 레일을 따라 상기 승강 프레임을 이동시켜 상기 승강 프레임의 높이를 조절하는 프레임 구동부;
    상기 부유체 근처의 해수면에 위치하는 계측 부이; 및
    상기 계측 부이의 상하 움직임과 동서남북 방향 움직임으로부터 실시간 환경 하중을 분석하고, 상기 계측 부이의 상하 움직임에 따른 분석 결과로부터 상기 승강 프레임의 최적 높이를 설정하여 상기 프레임 구동부의 작동을 제어하며, 상기 계측 부이의 동서남북 방향 움직임에 따른 분석 결과로부터 상기 복수의 롤러 각각의 최적 위치를 설정하여 롤러 구동부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 파일 계류 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 레일은 상기 부유체의 외벽에서 상기 계류용 파일에 대응하는 위치마다 한 쌍으로 설치되며, 금속제의 선형 레일로 구성되는 파일 계류 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 구동부는 상기 부유체 외벽의 지지대에 설치된 제1 유압 실린더와, 상기 승강 프레임의 상면에 단부가 고정된 제1 피스톤을 포함하며, 제1 피스톤의 확장 길이만큼 상기 가이드 레일 상에서 상기 승강 프레임의 위치를 고정시키는 파일 계류 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 구동부는 상기 부유체 내벽의 지지대에 설치된 제1 유압 실린더와, 상기 제1 유압 실린더에 결합된 제1 피스톤과, 제1 피스톤의 단부에 결합되며 상기 부유체의 내벽에 밀착된 전자석을 포함하고,
    상기 전자석이 상기 부유체 외벽에 위치하는 상기 승강 프레임을 자력으로 끌어당겨 상기 승강 프레임의 높이를 조절하는 파일 계류 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 롤러 구동부는 상기 승강 프레임의 내측에 고정된 한 쌍의 제2 유압 실린더와, 상기 롤러의 회전축에 단부가 고정된 한 쌍의 제2 피스톤을 포함하며,
    상기 제2 피스톤의 작동 방향은 상기 회전축의 길이 방향과 직교하는 파일 계류 장치.
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