KR20110031402A - 수상구조물의 수평과 부력조절의 자동화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수상구조물의 부력괴와 공기의 부력을 이용한 수평과 부력조절의 무인자동화시스템에 관한 것으로 하중이 밑에 있도록 하고 부상높이와 수평을 조절하여 최적의 안정 상태에서 기능을 수행하고 파손을 예방하기 위하여, 상기 수상구조물이 적정한 높이에 부상할 수 있도록 기본부력장치(31)를 측면에서 약간 떨어지도록 부착하고, 수평감지센서(51)와 수위감지센서로부터 받은 정보로 하단의 공기포집실(54)과 공기주머니(53)에 부력을 조절할 수 있도록 공기량을 조절하기 위한 에어 압축기(56)와의 공기배관과 입기 및 배기 전동 밸브에 전원을 공급하는 컨트롤박스(55)와 전기배선으로 구성하여 상기 수상구조물의 부상높이와 수평을 자동으로 조절하고, 공기의 부력만으로 불충분할 때는 기본부력장치(31)의 높이를 유압장치(91)를 이용하여 조절함으로써 수평과 부력의 자동 조절로 수상구조물이 안정하게 기능을 수행할 수 있고, 변형된 부분을 즉시 복원하거나 복원하도록 스스로 노력함으로써 손상의 누적을 방지하며, 예고되는 천재지변에 미리 대응할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
기본부력장치, , 쇼크 옵서버, 부력괴, 수위감지센서, 중앙수위, 통수관, 가압밸브, 체크밸브.

Description

수상구조물의 수평과 부력조절의 자동화장치{Automatic control devices for levelness and buoyancy of the structure on the water}
본 발명은 수상구조물의 수평과 부상높이 자동조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 수상구조물이 일정한 높이로 부상하도록 하는 기본부력장치와, 상기 수상구조물 자체에서 입수한 정보를 이용하여 공기량 조절에 의한 부력과 수평을 자동조절하거나 상기 기본부력장치의 높이를 유압으로 동시에 조절함으로써 상기 수상구조물의 안전관리가 가능한 자동화시스템에 관한 것이다.
수면은 물이 흐르는 쪽으로 유속에 따라 경사가 있고, 파도가 심하면 너울에 따라 수상구조물이 크게 흔들리며, 특히 기울어짐이 즉시 복원되지 않으면 뒤틀어지거나 취약한 부분에 충격이 누적되어 파손되기 쉽다.
부상식 조류발전선은 조류로부터 에너지를 흡수하여 발전하기 위해서 물이 구조물을 통과하고, 양수식 파력발전선은 파도의 관성력을 이용하여 양수하여 저장한 물로 발전해야 하므로 그 충격을 많이 흡수할수록 발전량이 증가하지만, 엄청난 파괴력을 가진 파도가 발전선을 통과하거나 상륙하므로 위험률도 따라 증가한다.
또한, 물이 넘치지 않도록 수평을 유지하고 낙차를 조절하기 위해서 부상 높이를 수시로 조절하며 무엇보다 파도의 충격으로부터 수상구조물을 보호하기 위해서는 무게의 중심이 항상 밑에 있어야 한다.
이러한 수평 유지와 부상높이 조절은 관리자가 판단해서 조정하기 어렵고 실수가 발생하기 쉬우며 때로는 위험으로부터 대피해야 하므로 구조물 스스로 상황을 감지한 정보를 이용하여 자동으로 교정할 수 있어야 하고 때로는 원격으로 조종할 수 있는 기능을 부여해주지 않으면 안 된다.
우선 수상구조물 상단에 있는 기기들이 어떠한 경우에도 침수되지 않도록 보호하고, 수평과 부력조절이 용이하도록 하며, 무게의 중심이 밑에 있도록 함으로써 심하게 기울어지거나 전복되는 것을 방지할 수 있도록 부력장치를 수상구조물에 부착한다.
수평과 부상높이 조절은 수상구조물 하단에 있는 공기포집실과 공기주머니의 공기의 부력을 이용하고 공기의 부력만으로 조절이 어려울 때는 부력장치의 높이를 유압으로 조절하거나 공기의 부력과 유압장치를 함께 이용함으로써 해결할 수 있다.
물론 지·피·에스(G.P.S.)를 이용하면 수평은 조절될 수 있으나 부상높이는 선체 자체에서 감지한 정보를 이용하지 않으면 조절이 어려울 것으로 생각된다.
그러므로 본 발명은 수상구조물의 무게의 중심이 밑에 있도록 함으로써 거센 파도에 안전하도록 대처하고, 항상 최적의 안정 상태에서 기능을 수행하며, 충격에 의한 손상을 즉시 복원하거나 복원하도록 노력함으로써 손상이 누적되지 않도록 구조물 자체가 감지한 정보를 이용하여 스스로 수평을 유지하고 부력을 조절하는 무인자동화 장치를 개발하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 수상구조물이 수면에 일정한 높이에 부상할 수 있도록 발포우레탄, 스티로폼, 또는 에어박스(air box)로 제작된 부력괴를 부력괴 홀더에 부착한 부력장치를 수상구조물이 부상해야할 높이에 부착한 지지대와 벽에 파도의 충격을 가급적 많이 흡수할 수 있도록 쇼크 옵서버로 부착한다.
수상구조물의 크기와 정박방향에 따라서 같은 측면이라도 위치에 따라 충격이 가하는 시간이 조금씩 다를 수가 있으므로 그 충격을 각각 독립적으로 흡수할 수 있도록 측면의 길이에 따라 2개 이상 복수의 부력장치를 부착한다. 특히 선체의 폭이 좁을수록 롤링이 심하고 안전감이 떨어지므로 기본부력장치를 선체에서 1~1.5m 이상 떨어지도록 부착하고, 부력의 크기는 상기 수상구조물의 하중이 배 이상 증가하더라도 부상높이가 거의 변동이 없을 정도로 커야 한다.
공기의 부력으로 선체를 부상시킬 수 있도록 선체 하단에 똑같은 넓이로 구획된 9개의 방을 벽체로 구획하여 그 중에서 중앙에 위치한 5개 방을 공기포집실(air pocket)로 이용하고, 정 중앙에 있는 공기 포집실과 각 포집실 사이에 작은 구멍으로 공기가 통할 수 있도록 한다. 각 포집실을 벽으로 나누지 않으면 선체가 약간만 기울어져도 다량의 공기가 새나갈 수 있기 때문이다.
상기 수상구조물 정중앙에 위치한 공기 포집실과 공기 압축기(air compressor) 사이에 체크밸브와 입기 전동밸브 및 배기 전동밸브가 장착된 공기 공급배관이 연결되어 선체를 부상시킬 때는 입기 전동밸브가 열리고 침하시킬 때는 배기전동밸브가 열려 공기량이 조절된다. 이러한 일련의 부상높이 조절은 선체의 저수탱크 등 적합한 위치에 부착 고정된 수위감지센서에서 부력스위치(터치판)와 리미트스위치(limmit sw.)로 감지한 수위정보에 따라 컨트롤 박스(control box)에 의해서 상기 전동밸브로 전원을 공급하여 상기 공기포집실의 부력으로 조절된다.
수평조절은 상기 수상구조물의 하단 네 모서리에 위치한 풍선형의 공기주머니와 체크밸브와 입기 전동밸브 및 배기전동밸브가 장착된 공기배관으로 상기 에어 압축기(부력조절장치와 공용)와 연결되어 상기 공기주머니와 같은 모서리에 부착된 수평감지센서에서 입수한 기울기 정보에 의해서 컨트롤박스에서 상기 전동밸브에 전원을 공급하여 공기주머니의 부력을 공기량으로 조절하여 수평을 유지한다.
상기 수평감지센서는 선체의 네모서리에 부착되어 롤링이나 수위의 변화가 가장 적은 위치에 있는 중앙수위와 통수관으로 연결되어 있어 중앙수위를 포함한 5곳의 수평이 일치하므로 부력(buoyancy)스위치와 리미트스위치로 구조물의 기울기 정보를 감지한다.
수면의 기울기가 너무 심해서 공기의 부력으로 부상높이나 수평조절이 어려울 때는 다수의 부력장치를 선체의 길이와 중량에 따라 한 개 또는 두 개의 직선형 지지대에 통합기본부력장치로 묶어, 상기 선체의 측면에서 돌출한 지지대와 유압장치로 결속하여 상기 통합기본부력장치의 높이로 수평과 부력을 동시에 조절한다.
상기 유압장치는 유압 팔과 오일 압축기와 가압 전동밸브 및 감압 전동밸브가 장착된 가압배관 및 감압배관으로 연결되고, 전원공급시스템은 상기 공기의 부력장치와 동일하며, 공기의 부력이나 유압장치 한 가지만으로 수평이나 부력을 조절할 수 없는 대형 수상구조물은 공기의 부력을 이용한 부상높이 조절장치와 유압에 의한 수평 및 부상높이 자동조절장치를 함께 이용할 수 있다.
파도가 높은 해상이나 유속이 빠른 해협에 수상구조물을 정박할 때 수평과 부력을 자동으로 조절함으로써 기능을 최대한 발휘하고 상기 구조물의 파손을 예방할 수 있다. 상기 기능이 관리자의 판단에 의할 때보다 구조물 자체가 상황을 더 정확하게 감지하여 스스로 교정함으로써 무인관리가 가능하고, 태풍이나 해일 등이 예고될 때는 자동관리를 중단하고 구조물에 대한 안전수단을 미리 강구함으로써 큰 사고를 예방할 수 있으며, 이 장치를 온라인(on line)화함으로써 원격조정 관리도 가능하다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수상구조물의 수평과 부력의 무인 자동조절시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 수상구조물(21)이 수면에 안전하게 부상하기 위한 기본부력장치(31)와, 부 력과 수평조절을 위한 하단의 공기주머니(air bag)(53)와 공기 포집실(air pocket)(54), 및 수평감지센서(51)의 부착 위치를 도시한 구조 도이고, 도 2는 기본부력장치(31)에 대한 상세도이며, 도 3은 상기 부력장치(31)를 선체(21)에 결속한 것을 도시하는 평면도이다.
구조물(21)이 수면에 안전하게 부상하고, 무게의 중심을 밑으로 끌어내리며, 수평과 부상 높이가 쉽게 조절될 수 있도록 하기 위한 기본부력장치(31)는 도 2와 같이 부력이 강하고 파손 등의 우려가 적은 스티로폼이나 발포우레탄(48), 혹은 공기가 전혀 새어나가지 않는 드럼과 같은 부력괴를 홀더(49)에 부착한 부력장치를 파도의 충격을 흡수할 수 있도록 4개의 쇼크 옵서버(47)를 구조물(21) 측면에 2개는 돌출한 지지대에 수직으로 부착하고 2개는 선체에 수평으로 부착한다.
기본부력장치(31)의 부력은 수상구조물(21)의 무게가 2배 이상 증가하더라도 공기포집실(54)과 공기주머니(53)에 공기가 없이 수면에 일정한 높이까지 부상할 수 있도록 한다.
상기 기본부력장치(31)의 부착위치는 도 3과 같이 구조물(21)이 충격으로 크게 기울어지거나 전복되지 않고 입수나 배수를 방해하지 않도록 선체 측면에서 1~1.5m 이상 떨어지도록 하고, 쇼크 옵서버(47)가 각각 독립하여 충격을 흡수할 수 있도록 한 면마다 복수를 부착한다. 특히 양수식 파력발전선은 기본부력장치(51)가 양수로(101) 위에 있으면 부력괴(48)가 파도를 막아 양수를 방해할 수 있으므로 도 7과 같이 양수로(101) 양 옆으로 기본부력장치(31)를 집중시키고 양수로(101) 밑에는 부력괴(48)만 부착하여 부상(浮上)균형을 유지한다.
도 4는 저수탱크(97)와 네 모서리에 위치한 수평감지센서(51)의 정보에 의해서 공기포집실(54)의 공기량 조절로 수상구조물(21)을 부상 혹은 침하시키고, 공기주머니(53)의 공기량으로 수평을 조절하는 계통도이고, <도면 5>는 수평감지센서(51)에서 리미트스위치(63, 65)가 수평의 기준점인 중앙수위(52)와의 기울기를 감지하여 공기 압축기(56)와 전동밸브(57, 58)로 공기포집실(54)과 공기주머니(53)의 공기량을 조절하는 계통도이다. 각 수평감지센서(51)와 통수관(61)으로 연결되어있는 중앙수위(52)는 롤링이 적은 저수탱크(97)나 공기포집실(54)에서 선체에 고정한다.
상기 수평감지센서(51)는 선체(21) 모서리에 위치하지만 수위는 중앙수위(52)와 수평을 이루고 있으므로 그 모서리가 가라앉으면 도 5의 수평감지센서(51) 내의 수위가 상승하면서 부력스위치(62)가 입기 리미트 스위치(63)를 터치하여 같은 모서리 하단에 있는 공기주머니(53)에 입기 시키도록 입기전동밸브(57)를 열어줌으로써 부력을 상승시키고 가라앉았던 모서리가 부상하면 입기가 중단되며, 한쪽 모서리가 상승하면 같은 과정으로 배기전동밸브를 열어줌으로써 부력을 감소시킨다.
도 4와 같이 구조물(21)의 하단에 있는 9개 실 중에서 네모서리에 신축성이 좋고 질긴 고무로 된 공기주머니(air bag)(53)가 위치하고, 나머지 5 실(室)은 공기포집실(air pocket)(54)로 작은 구멍을 통하여 공기가 서로 통할 수 있도록 한다.
파도가 상륙하거나 충격을 주면, 그 충격이 진행하는 방향으로 구조물(21)이 기울어질 수 있지만 수평조절시스템이 작동하는 동안 충격이 소멸하고 기본부력장치(51)의 쇼크 옵서버(47)가 충격을 흡수하므로 파도가 연속적으로 닥치더라도 기울어짐이 누적되지는 않을 것이다. 만일 수상구조물(21)이 뒤틀려 있으면 정상으로 복원될 때까지 경고메시지가 뜨면서 입기, 배기가 계속 반복되어 수평을 맞추려고 할 것이므로 뒤틀림을 바로 잡아 주거나 감지센서(51)의 높이를 조정할 수 있다.
조류발전선은 조류가 흐르는 곳에 정박해야 하므로 유속에 따라 수면이 기울어지고 조류의 방향이 바뀌면 기울기도 따라 변하여 이때마다 수평을 조절해주지 않으면 기울어진 상태로 머물러 취약한 부분이 파손되거나 충격이 누적될 수 있으므로, 변형된 부분이 신속하게 정상으로 복원시켜야 한다. 약간의 변형은 수평을 유지함으로써 즉시 복원되고 당장 복원되지 않는 부분도 수평을 유지하려는 노력으로 서서히 복원되거나 적어도 연속적인 타격은 면할 수 있을 것이며, 수리할 때까지 시간적 여유를 제공할 수 있다.
구조물(21) 기울기(수평조절)의 허용범위는 수위감지센서(51)에서 입기(63) 및 배기 리미트스위치(65)와의 간격으로 조정되고, 너무 예민하게 반응하지 않도록 수위 통수관(61)의 굵기로 수위감지센서(51)의 수위 오차 허용범위를 조절한다. (통수관(61)이 가늘면 수평감지센서(51)의 수위변화가 느리므로 롤링에 의한 수평의 변화에는 둔하게 반응한다.)
부력은 저수탱크(97)에 있는 수위감지센서(51)에서 수위의 변동을 감지하여 컨트롤박스(55)의 지시에 따라 공기 압축기(56)로부터 선체(21) 하단에 있는 공기포집실(54)에 전동밸브(57, 58)의 작동에 의해 입기 혹은 배기함으로써 조절된다.
도 6 및 도 7은 기본부력장치(31)의 높이를 유압(91)으로 조절하여 수평과 부력을 동시에 조절하는 파력발전선의 단면도이다.
상기 양수식 파력발전선(6)은 양수량이 발전량보다 많으면 저수탱크(97)의 수위 상 승으로 무거워졌을 때 오히려 가라앉지 않도록 하거나 물 위로 부상하여 낙차를 조절함으로써 양수량과 발전량의 균형을 조절한다.
물살이 빠른 곳에 부상식 조류발전선을 정박시켰을 때 입수구(23)와 배수구(25) 사이의 경사가 심하고 조류의 방향이 바뀌면 경사도가 더욱 커지므로 배수구 쪽의 기본부력장치(31)가 수면에서 떨어질 수 있고, 부상형 양수식 파력발전선은 저수량에 따라서 선체(21)를 수면 위로 부상시켜야 하므로 기본부력장치(31)의 기능을 상실할 수 있을 뿐만 아니라 무게의 중심이 위로 올라와 전복 등의 위험률이 높아진다.
그러므로 한 면마다 복수의 기본부력장치(31)를 1~2 그룹의 지지대로 묶어 유압장치(91)로 수위감지센서(51)의 정보에 따라 높이를 조절함으로써 수평과 부상높이를 동시에 조절할 수 있고, 공기나 유압 중 한 방법만으로 수평과 부력 조절이 어려울 때는 두 가지 방법을 동시에 사용할 수 있으며, 해일이나 태풍 등으로부터 구조물(21)을 낮춰야할 때는 자동부력장치의 가동을 정지하고 공기포집실(54)의 공기를 빼낸다.
본 수평 및 부력자동조절장치는 부상식 조류발전선과 양수식 파력발전선을 위해 고안했지만 조선소의 수상 도크, 대형 수상구조물을 해상으로 운반하는 바지선 등에도 효과적으로 이용될 수 있을 것이며, 특히 해상 공장이나 수상도시 등 수평과 부상높이 조절이 필요한 구조물에 유용할 것이다.
제1도는 부상식 조류발전선의 기본부력장치와 공기주머니,및 공기포집실 배치도
제2도는 기본부력장치의 전면도와 측면 상세도
제3도는 기본부력장치와 수평감지센서의 배치 평면도
제4도는 부력과 수평조절을 위한 선체의 하부구조와 전기배선, 공기공급 배관도
제5도는 부력과 수평조절을 위한 수위감지센서와 에어 압축기 및 분배관 배관도
제6도는 부상식 조류발전선의 유압장치를 이용한 부력과 수평조절 측면도.
제7도는 양수형 파력발전선의 유압장치를 이용한 부력과 수평조절 측면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
14; 선체의 하부구조 21; 선체, 수상구조물 22; 공기 유통경로
28; 전원 31; 기본부력장치 45; 지지대
47; 쇼크 옵서버 48; 부력괴 49; 부력괴 홀더
51; 수평감지센서 52; 중앙수위 53; 공기주머니
54; 공기포집실(air pocket) 55; 컨트롤 박스(control box) 56; 에어 압축기
57; 가압 전동밸브, 배관 58; 감압(배기) 전동밸브 59; 체크밸브
60; 전기 배선 61; 통수관 62; 부력스위치
63; 입기 리미트스위치 65; 배기 리미트스위치 66; 수평조절막대
67; 터치판 91; 유압 바(bar) 92; 유압 펌프(pump) 97; 저수탱크 101; 양수로

Claims (6)

  1. 부력괴(48)를 결합하는 부력괴 홀더(49)로 구성된 복수의 부력장치를 수상구조물의 적정부상높이에서 측면으로 1m 내지 1.5m 이상 돌출한 지지대에 쇼크 옵서버(shock absorber)(47)로 부착하는 기본 부력장치(31).
  2. 상기 수상구조물 하단에 칸막이로 나누어 중앙에 십(十)자형인 5개 방 사이에 작은 구멍으로 연결된 공기포집실(54)과 공기 압축기를 연결하는 공기배관에 장착된 체크밸브와 입기 전동밸브 및 배기전동밸브를 포함하는 공기공급배관과,
    상기 수상구조물의 저수탱크나 외곽에 부착하여 부력스위치와 리미트스위치로 수위를 감지하는 수위감지센서(51)와 상기 공기공급배관 및 컨트롤 박스 사이의 전기배선장치를 포함하는 부력자동조절장치.
  3. 상기 수상구조물 하단 네 모서리에 위치하는 공기주머니(53)와, 상기 공기압축기(부력조절장치와 공용)를 연결하는 공기배관 및 상기 공기배관에 설치한 체크밸브와 입기 전동밸브 및 배기전동밸브를 포함하는 공기조절장치와,
    상기 수상구조물 네모서리에 배치하고 중앙수위와 통수관으로 연결하여 부력스위치와 리미트스위치로 기울기 정보를 감지하는 수평감지센서(51)와 상기 컨트롤박스 및 상기 공기조절장치를 연결하는 전기배선을 포함하는 수평자동조절장치.
  4. 상기 수상구조물에 부착하는 상기 쇼크 옵서버를 포함한 다수의 기본부력장치(31)를 한 면마다 1개 또는 2개의 직선형 지지대에 통합기본부력장치로 묶어 상기 수상구조물의 측면에서 1~1.5m 돌출한 지지대에 결속하는 유압 팔과 오일펌프를 연결하는 가압배관 및 감압배관에 장착한 전동밸브로 구성된 유압장치와,
    상기 수위감지센서 및 상기 수평감지센서로부터 받은 정보로 상기 유압장치를 가동하는 컨트롤박스를 포함하는 부력 및 수평자동조절장치.
  5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    대형 수상구조물에 공기의 부력을 이용한 상기 부력조절장치와 유압에 의한 상기 수평 및 부력 자동조절장치를 함께 이용하는 수평 및 부력 자동조절장치.
  6. 상기 수상구조물의 수평과 부상높이 조절을 무인자동관리 시스템으로 운전하고, 각 기기의 이상 유무를 원격 감시하며, 천재지변에 비상관리체제로 전환할 때 상기 부력 및 수평조절시스템의 가동을 중단하는 온라인 관리시스템을 포함하는 저장매체.
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