KR20130012106A - 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조는 모노파일의 상부에 내측으로 경사진 경사부를 형성하고, 트랜지션피스의 하부에 외향 경사진 스커트부를 형성하여 그라우트를 통해 상기 모노파일과 트랜지션피스 사이에 구성되는 그라우팅 접합부를 원뿔형으로 형성함으로써, 종래의 원통형 연결구조에서 발생하는 그라우트 파괴로 인한 미끄러짐을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전단 키에 의한 바람직하지 않은 파괴모드의 발생을 방지할 수 있다.

Description

해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조{TRANSITION PIECE AND MOMOPILE CONNECTION STRUCTURE OF OFFSHORE WIND TURBINE}

본 발명은 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조에 관한 것이다.

해상풍력발전기의 하부기초로는 해저면에 대구경의 파일을 뚫어 고정하는 모노파일(Monopile)이 사용되고 있다.

이러한 모노파일은 일반적으로 트랜지션피스(Transition Piece)를 통해 상부의 타워(Tower)와 연결하고 있는데, 이에 대해서는 (특허문헌 1)에서 개시하고 있으며, 이를 참조하여 설명하면, 해저의 표층부 아래에 모노파일의 하부를 삽입하여 시공하고, 상기 모노파일의 상부에 트랜지션피스를 설치한 후에 그 사이에 고강도 콘크리트인 그라우트(Grout)으로 채워 그라우팅 접합부를 형성하고 있다. 그리고 상기 트랜지션피스의 상부에 타워의 하부를 볼트로 연결하고 있다.

따라서 상기 모노파일과 트랜지션피스의 그라우팅 접합부가 상부의 타워와 상기 타워에 설치된 발전기(Turbine)의 하중을 지지하게 된다. 여기서 상기 트랜지션피스는 모노파일과 타워를 연결하는 역할뿐만 아니라 상기 타워와 선박 충돌에 대한 구조물의 안전성을 확보하고 해상환경에서 부식방지와 파랑하중에 대한 내력 확보의 기능도 담당하고 있다.

한편 원통형 트랜지션피스는 일종의 강관 슬리브로써, 원통형으로 형성되고 있으며, 내부면에 전단 키(Shear Keys)가 있는 형태와 상기 전단 키가 없는 형태로 구분되고 있다. 통상적으로는 해상풍력발전기의 하부기초가 모노파일인 경우 전단 키가 없는 원통형 트랜지션피스를 사용하고 있다.

그러나 내부면에 전단 키가 없는 형태의 원통형 트랜지션피스를 통한 모노파일의 연결에는 여러 가지 문제점이 있으며, 이에 대해서는 (비특허문헌 1)에서 개시하고 있다. 즉 상기 (비특허문헌 1)에 따르면, 내부면에 전단 키가 없는 형태의 원통형 트랜지션피스는 그라우팅 접합부에 작용하는 외부하중을 오직 상기 원통형 트랜지션피스와 그라우트의 부착강도 및 마찰력으로 지지하게 되고, 그라우팅 접합부의 지지력이 시공품질에 크게 좌우되는 문제점이 있으며, 상기 그라우팅 접합부가 그라우트의 파괴로 인해 미끄러짐(Sliding)이 발생하는 문제점도 있다.

이러한 문제점을 해결하여 그라우팅 접합부의 지지성능을 개선하기 위해 내부면에 전단 키가 있는 원통형 트랜지션피스가 개발된 것으로, 상기 전단 키가 있는 그라우팅 접합부는 전단 저항력을 증가시켜 하중전달능력을 크게 개선할 것으로 평가받고 있다.

그러나 장기적 관점에서 보면, 상기 전단 키 주변에 응력집중이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 그리고 상기 전단 키의 간격이 넓은 경우 압축장(Compression field)이 형성되지 않은 채 그라우팅 지압부가 항복하여 파괴가 발생할 수 있으며, 전단 키의 간격이 너무 좁은 경우 전단 키의 지압파괴가 아닌 그라우팅 접합부에서 할렬파괴(Split failure)와 같은 바람직하지 않은 파괴모드가 발생할 가능성도 있다.

따라서 전단 키가 있는 원통형 트랜지션피스의 접합부의 거동 및 파괴모드 파악을 위한 상기 전단 키의 크기, 배치 간격, 형태 등 이에 대한 개선이 필요한데, 이는 트랜지션피스가 해상풍력발전기의 안전성에 큰 영향을 주는 인자로 작용하고 있기 때문이다.

KR 2012-0001384 A

한국지반공학회지 Vol.27, No.2 해상풍력발전과 지반공학 16쪽

본 발명은 해상풍력발전기의 하부기초인 모노파일에 트랜지션피스를 연결함에 있어서, 그라우트 파괴로 인해 미끄러짐이 발생하거나, 전단 키로 인한 할렬파괴 등과 같은 바람직하지 않은 파괴모드가 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 관점은, 개선된 트랜지션피스를 제공하고 이의 설계 인자에 대한 매개변수 연구를 통하여 모노파일과의 연결에 따른 안전성을 용이하게 확보할 수 있도록 한 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조를 제공하는 데 있다.

상기 관점을 해결하기 위해,

본 발명에 따른 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조는 타워가 연결되는 결합부가 상부에 형성되고, 상기 타워를 지지하는 서포트부가 결합부의 내측에 구비되며, 상기 결합부보다 외향 경사진 스커트부가 하부에 형성된 트랜지션피스;

상기 스커트부에 삽입되는 경사부가 상부에 내측으로 경사지게 형성되고, 해저면에 설치되는 고정부가 하부가 형성된 모노파일;

상기 스커트부의 하단에 형성되어 모노파일과의 사이를 기밀하는 실링부;

상기 스커트부와 경사부 사이에 그라우트를 채워 구성된 원뿔형 그라우팅 접합부; 및

상기 경사부의 표면에 모노파일의 구경보다 돌출되지 않도록 구비된 전단 키;

를 포함한다.

본 발명에 따른 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조에 있어서, 상기 전단 키는 경사부의 표면에 축 방향으로 배열되며, 서로 엇갈리게 배치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조에 있어서, 상기 스커트부의 내면에 제2 전단 키가 구비된 것을 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조에 있어서, 상기 제2 전단 키는 스커트부의 내면에 축 방향으로 배열되며, 서로 엇갈리게 배치된 것을 특징으로 한다.

이러한 특징들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해 질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 트랜지션피스의 하부에 스커트부가 경사지게 형성되고 모노파일의 상부에 경사부가 경사지게 형성되어 그라우트를 통해 그라우팅 접합부가 원뿔형으로 형성됨으로써, 종래의 원통형 연결구조에서 발생하고 있는 그라우트 파괴로 인한 상기 트랜지션피스의 미끄러짐을 용이하게 방지할 수 있으며, 또한 전단 키에 의해 상기 그라우팅 접합부에 할렬파괴 등이 발생하는 것을 용이하게 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 트랜지션피스와 모노파일의 연결구조를 통한 해상풍력발전기의 설치상태를 나타내 보인 개략도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 트랜지션피스와 모노파일의 연결구조를 일부 확대하여 나타내 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 트랜지션피스와 모노파일의 연결구조를 일부 확대하여 나타내 보인 단면도.

본 발명의 특이한 관점, 특정한 기술적 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어 지는 이하의 구체적인 내용과 실시 예로부터 더욱 명백해 질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 2에서 보듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기(10)는 발전기(Turbine)가 상부에 설치된 타워(Tower), 상기 타워(100)가 상부에 연결되는 트랜지션피스(Transition Piece) 및 상기 트랜지션피스(200)가 상부에 연결되고 하부가 해저면에 삽입 설치되는 모노파일(Monopile)을 포함한다.

여기서 상기 트랜지션피스(200) 및 모노파일(300)의 연결구조는 상기 트랜지션피스(200)의 하단에 실링부(240)를 형성하여 모노파일(300)과의 사이를 기밀(Seal)하고, 상기 모노파일(300)의 상부와 트랜지션피스(200)의 하부를 그라우트(Grout)를 통해 연결하여 그라우팅 접합부(400)를 형성하되, 상기 트랜지션피스(200)의 하부와 모노파일(300)의 상부를 경사지게 형성하여 원뿔(Cone)형상으로 그라우팅 접합부(400)를 구성하고, 그 내부에 전단 키(Shear Keys)를 구비하게 된다.

따라서 상기 원뿔형 그라우팅 접합부(400)를 포함하는 트랜지션피스(200) 및 모노파일(300)은 상기 모노파일(300)의 상부에 트랜지션피스(200)를 설치 후 자중 및 외부하중에 의해 그라우팅 접합부(400)에 그라우트 파괴가 발생하면, 상기 트랜지션피스(200)가 미끄러져 밑으로 내려앉게 되는데, 이러한 트랜지션피스(200)의 침하는 마찰력과 더불어 트랜지션피스(200)와 그라우트 사이의 접촉에 의한 압축력을 발생시켜 더 이상의 침하진행을 방지하게 된다.

즉 이와 같은 원뿔형 그라우팅 접합부(400)를 통해 연결되는 트랜지션피스(200) 및 모노파일(300)은 종래의 원통형 연결구조의 문제점인 상기 트랜지션피스(200)의 미끄러짐의 발생을 방지할 수 있으며, 또한 종래의 원통형 연결구조와 달리 전단 키(500)로 인한 할렬파괴(Split failure)와 같은 바람직하지 않은 파괴모드가 발생하지 않게 된다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 2에서 보듯이, 상기 트랜지션피스(200)는 타워(100)가 연결되는 상부에 원통형으로 형성된 결합부(210)가 형성되고, 모노파일(300)이 연결되는 하부에 상기 결합부(210)보다 외향으로 경사지게 형성되어 치마(Skirt)형태의 스커트부(220)가 형성된다.

이러한 트랜지션피스(200)는 강관으로 형성되어 상부를 원통형으로 형성함으로써, 해수면의 상부로 노출되는 결합부(210)를 형성하게 되고, 상기 결합부(210)의 하측을 외향으로 경사지게 확장하여 하부에 스커트부(220)를 형성하게 된다. 그리고 고강도 콘크리트를 포함하는 그라우트를 통해 결합부(210)의 내측에 사각형상으로 서포트부(230)를 형성되는데, 상기 서포트부(230)는 타워(100)의 하부를 지지하게 된다.

한편 상기 트랜지션피스(200)의 하단에 형성되는 실링부(240)는 그라우트를 트랜지션피스(200)의 하부에 도포 후 링(Ring) 형상으로 정착시키는 방식으로 실시하게 되며, 이를 통해 트랜지션피스(200)의 하단과 모노파일(300)의 외면 사이를 기밀하게 된다.

상기 트랜지션피스(200)에 상부가 연결되는 모노파일(300)은 해저면에 삽입되는 고정부(310)가 하부에 형성되고, 상기 고정부(310)보다 내측으로 경사지게 형성되어 스커트부(220)에 삽입되는 경사부(320)가 상부에 형성된다.

상기 모노파일(300)은 일 예로써, 구경이 6m 정도이고, 두께가 150㎜이상으로 형성된 일종의 강재 파이프 말뚝으로 구성되어 하부에 형성된 고정부(310)가 해저면에 삽입되는 방식으로 기립 설치되어 해상풍력발전기(10)의 하부기초를 형성하게 된다. 그리고 고정부(310)보다 내측으로 경사지게 형성된 경사부(320)를 스커트부(220)에 삽입하는 방식으로 트랜지션피스(200)에 연결하게 된다.

즉 모노파일(300)의 경사부(320)를 트랜지션피스(200)의 하부로부터 삽입하여 스커트부(220)의 내측에 위치시켜 연결하게 되며, 이후 상기 트랜지션피스(200)의 상부로부터 그라우트를 부어 채움으로써, 그라우팅 접합부(400)를 구성하게 되는데, 따라서 상기 그라우팅 접합부(400)는 전체적으로 볼 때, 원뿔(Cone)형상으로 형성된다.

여기서 상기 모노파일(300)과 트랜지션피스(200)를 연결하는 그라우트는 고강도 콘크리트는 물론이고, 시멘트 풀, 시멘트 모르타르, 플라이 애쉬 또는 아스팔트를 포함하는데, 물리적 특성이 혼합재료에 따라 변하기 때문에 합성재의 특징이 있다. 이러한 그라우트는 재료의 비율, 모래입자와 철근강도 등에 의해 영향을 받는다.

이러한 그라우트에 의한 모노파일(300)과 트랜지션피스(200)의 접합은 접촉면, 즉 경사부(320)의 표면과 스커트부(220)의 내면 거칠기에 따른 정지마찰로 인해 얻어진다. 따라서 상기 모노파일(300)에 경사지게 형성된 경사부(320) 및 이와 인접하는 스커트부(220) 사이에 그라우트를 채워 구성되는 원뿔형 그라우트 접합부(400)는 원통형으로 형성된 종래의 그라우팅 접합부에 비해 정지마찰부위의 확대로 인해 뒤틀림, 각종모멘트, 압축하중에 대한 저항력이 향상되어 트랜지션피스(200)의 미끄러짐 방지가 더욱 용이하다.

상기 원뿔형 그라우팅 접합부(400)에 구비되는 전단 키(500)는 원뿔형 그라우팅 접합부(400)에 추가로 발생하는 전단에 저항하게 된다. 상기 전단 키(500)는 링으로 형성되고 용접에 의해 부착되어 경사부(320)의 표면에 구비된다. 이때 상기 전단 키(500)는 경사부(320)에 부착시 모노파일(300)의 구경보다 돌출되지 않도록 형성하게 되며, 이를 통해 상기 경사부(320)를 스커트부(220)에 삽입시 실링부(240)에 의한 간섭이 발생하지 않게 된다.

또한 상기 경사부(320)와 스커트부(220) 사이에 그라우트를 채우는 과정에서 전단 키(500)에 의한 미채움이 발생하여 원뿔형 그라우팅 접합부(400)의 전단저항력이 저하되는 것을 방지하게 된다. 이러한 전단 키(500)는 경사부(320)의 표면에 축 방향으로 배열될 수 있으며, 이 경우 서로 엇갈리게 배치된다.

즉 상기 전단 키(500)는 전술한 바와 같이, 용접에 의해 부착되는데, 용접 비드(Bead) 주위에 임계면적을 형성하는 응력집중이 생길 수 있고, 결론적으로, 구조물의 생애주기가 상당히 줄어들 수 있기 때문에 이를 방지코자 전단 키(500)를 축 방향으로 배열할 경우 서로 엇갈리게 배치하게 된다. 그리고 트랜지션피스(200)를 모노파일(300)의 상부에 연결시 좌,우로 비틀면서 연결하기에도 용이한 측면이 있다.

한편 상기 전단 키(500)를 통해 더욱 효율적으로 전단저항을 하기 위해서는 트랜지션피스(200)의 안쪽에도 적용하게 된다. 여기서 상기 트랜지션피스(200)의 안쪽에 구비되는 전단 키는 앞선 전단 키(500)와의 혼동을 방지코자 제2 전단 키(510)로 지칭하게 된다.

도 3에서 보듯이, 상기 제2 전단 키(510)는 트랜지션피스(200)의 하부에 형성된 스커트부(220)의 내면에 구비되며, 앞선 전단 키(500)와 마찬가지로 축 방향으로 배열될 수 있으며, 이 경우 서로 엇갈리게 배치될 수 있다. 따라서 이러한 제2 전단 키(510)를 통해 더욱 효율적인 전단저항이 가능하여 트랜지션피스(200)의 파괴모드의 발생을 방지할 수 있게 된다.

이상 본 발명을 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 - 해상풍력발전기 100 - 타워
200 - 트랜지션피스 210 - 결합부
220 - 스커트부 230 - 서포트부
240 - 실링부 300 - 모노파일
310 - 고정부 320 - 경사부
400 - 실링부 500 - 전단 키
510 - 제2 전단 키

Claims (4)

1. 타워가 연결되는 결합부가 상부에 형성되고, 상기 타워를 지지하는 서포트부가 결합부의 내측에 구비되며, 상기 결합부보다 외향 경사진 스커트부가 하부에 형성된 트랜지션피스;
   상기 스커트부에 삽입되는 경사부가 상부에 내측으로 경사지게 형성되고, 해저면에 설치되는 고정부가 하부가 형성된 모노파일;
   상기 스커트부의 하단에 형성되어 모노파일과의 사이를 기밀하는 실링부;
   상기 스커트부와 경사부 사이에 그라우트를 채워 구성된 원뿔형 그라우팅 접합부; 및
   상기 경사부의 표면에 모노파일의 구경보다 돌출되지 않도록 구비된 전단 키;
   를 포함하는 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전단 키는 경사부의 표면에 축 방향으로 배열되며, 서로 엇갈리게 배치된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 스커트부의 내면에 제2 전단 키가 구비된 것을 구비된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 전단 키는 스커트부의 내면에 축 방향으로 배열되며, 서로 엇갈리게 배치된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 트랜지션피스 및 모노파일 연결구조.

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