KR20130035504A - 문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박 - Google Patents

Abstract

문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박은, 문풀을 구비하는 선체; 및 선체의 선저면으로부터 쐐기형으로 돌출되도록 문풀의 유체 유입구 측에 마련되며, 문풀로 유입되는 유체를 교란시킴으로써 문풀에 의한 유체 저항을 감소시키는 교란장치를 포함한다.

Description

문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박{Ship with disruptor for fluid into moonpool}

본 발명은, 문풀 유입류 교란장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 문풀이 구비된 선박의 문풀 저항을 감소시킬 수 있는 문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박에 관한 것이다.

산업이 급격하게 발전함에 따라 석유 사용량은 해마다 증가하고 있으며, 이에 따라 원유의 안정적인 생산과 공급이 더욱 중요해짐으로써 최근에는 기술적으로 시추가 어려울 뿐만 아니라 경제성이 없어서 무시되었던 군소의 한계유전이나 심해유전의 개발이 경제성을 가지게 되었으며, 해저자원의 개발기술이 발달함에 따라 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 선박인 시추선이 개발되고 있다.

도 1은 종래 문풀이 형성된 선박의 개략적인 사시도이다.

도 1을 참조하면, 자체동력으로 항해하도록 설계된 시추선의 선체(1) 중앙에는 시추(드릴링) 작업을 수행하기 위한 유정탑(2)이 설치되고, 유정탑(2)의 저부에는 시추파이프(3) 등 다양한 시추 장비를 해저 바닥으로 내려보내기 위한 대규모의 개구, 즉 문풀(moonpool, 1a)이 형성되어 있다.

이러한 문풀(1a)은 시추선의 용도 측면에서 필수 불가결한 구조이지만, 선박의 정박 시 작업 안정성이나 항해 안전성의 측면에서 매우 불리한 구조이다.

즉, 문풀(1a) 내부로 유입되고 유출되는 해수의 유동과, 선체 외부와의 상대적인 운동으로 야기되는 수면의 주기적 진동현상과, 이에 따른 선체운동으로 인하여 시추선의 항해 시 저항이 증가하게 된다.

이로 인해 속도의 감소 및 연료소모량의 증가를 가져오게 되는데, 이러한 저항증가는 문풀(1a)이 없는 경우에 비하여 크게는 50%까지 차이를 보이는 것으로 보고되고 있다.

도 2는 문풀 내로 유입되는 유입류의 유동상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.

전술한 바와 같이, 문풀(1a)과 같은 개구부를 갖는 선박은 운항 시 문풀(13) 내부로 유동장이 유입되고, 앞으로 진행하는 선박의 추진력에 따라 강한 볼텍스(vortex) 유동이 만들어진다. 이 볼텍스가 앞뒤(선수/선미방향)으로 이동하여 문풀(1a) 벽에 주기적으로 충돌하면서 선체 저항을 증가시키고 진동을 유발하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 문풀(1a)의 개구를 일시적으로 차폐하여 유동장을 억제하는 방법이 고려될 수 있으나, 문풀(13) 내부에 이러한 부가물을 설치하게 되면 시추 시 라이저 핸들링(riser handling)의 어려움을 초래하며, 수리가 빈번하게 요구되는 문제점이 발생하게 된다.

[특허문헌 1] KR 2000-0025585 A 2000.05.06 삼성중공업 [특허문헌 2] KR 2000-0004703 A 2000.01.25 삼성중공업

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 문풀 내부에 부가물을 설치함이 없이 문풀에 의한 저항증가를 감소시킬 수 있는 문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 문풀을 구비하는 선체; 및 상기 선체의 선저면으로부터 쐐기형으로 돌출되도록 상기 문풀의 유체 유입구 측에 마련되며, 상기 문풀로 유입되는 유체를 교란시킴으로써 상기 문풀에 의한 유체 저항을 감소시키는 교란장치를 포함하는 선박이 제공될 수 있다.

상기 교란장치는 복수로 마련되며, 상기 문풀의 폭 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

상기 교란장치는, 상기 유체의 흐름 방향에 대하여 기울어진 면을 갖는 전면 경사부; 및 상기 전면 경사부 및 상기 선저면과 접하며, 상기 선저면으로부터 돌출된 형태로 마련되는 후면 경사부를 포함할 수 있다.

상기 교란장치는, 상기 전면 경사부 및 상기 후면 경사부에 접하며, 상기 전면 경사부와 상기 후면 경사부의 접선으로부터 상기 선저면으로 갈수록 폭 방향으로 확장되는 기울기를 가지는 측면 경사부를 더 포함할 수 있다.

상기 후면 경사부는 상기 선저면으로부터 수직 방향으로 돌출되도록 마련될 수 있다.

상기 후면 경사부의 상기 선저면으로부터의 높이는 유체 흐름의 경계층 두께와 동일하게 마련될 수 있다.

상기 교란장치의 높이는 0.4m~0.6m, 폭은 1m~5m, 길이는 2m~10m로 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 문풀에 유입되는 유체의 양을 감소시키고, 문풀에 유입되는 유체를 교란시켜 문풀 내의 자유수면 유동을 안정화시킴으로써 문풀에 의한 유체의 저항을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 문풀이 형성된 선박의 개략적인 사시도이다.
도 2는 종래 문풀 내부로 유입되는 유동장의 개략적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 문풀 유입류 교란장치가 선박의 개략적인 구조도이다.
도 4는 교란장치의 저면 사시도이다.
도 5는 교란장치의 (a)평면도, (b)정면도 및 (c)우측면도이다.
도 6은 교란장치의 측면 경사부를 따라 유동하는 유체 흐름 방향을 나타낸 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 문풀 유입류 교란장치가 선박의 개략적인 구조도이고, 도 4는 교란장치의 저면 사시도이며, 도 5는 교란장치의 (a)평면도, (b)정면도 및 (c)우측면도이고, 도 6은 교란장치의 측면 경사부를 따라 유동하는 유체 흐름 방향을 나타낸 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박은, 문풀(moonpool, 1a)이 구비된 선체(1)와, 문풀(1a)의 유체 유입구 측에 설치되는 교란장치(10)를 포함한다.

선체(1)는 드릴쉽(drill ship) 또는 천연가스 저장 및 생산설비선(FPSO; Floating Production, Storage and Offloading) 등과 같이 시추용 파이프, 드릴링 장치 등을 데크(deck)로부터 해저 바닥으로 이동시키기 위한 통로를 제공하기 위한 문풀(1a)을 가진 다양한 해상구조물의 선체(1)일 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 교란장치(10)는 문풀(1a)의 전방 측인 유체의 흐름 방향의 상류측에 설치되어, 선박 진행 시 유입구(1a) 측으로 이동하는 유체의 흐름을 교란시킴으로써 문풀(1a)에 의해 발생되는 저항을 감소시키는 것이다.

부연 설명하면, 교란장치(10)는 유체가 유입되는 문풀(1a)의 전방에서 선박의 진행에 따른 유체의 흐름을 교란시키고, 교란된 유체의 흐름이 문풀(1a)로 유입되면 일부는 슬로싱 모션(sloshing motion)을 하게 되고, 일부는 슬로싱 모션을 억제하는 역할을 하여 저항 감소를 발생시키게 되는 것이다.

이러한 교란장치(10)는 복수로 마련되며, 문풀(1a)의 폭 방향 즉, 유체 유입구 측의 모서리와 평행하게 소정 간격으로 이격되어 배치된다. 그리고 교란장치(10)는 선저면(1b)에 용접이나 볼트, 리벳, 스크루 등의 체결부재를 사용하여 고정될 수 있다.

교란장치(10)의 구체적인 형상을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서 교란장치(10)는 대략 쐐기형상으로서, 선박 진행 시 유체의 흐름 방향을 향하여 경사진 전면 경사부(11)와, 전면 경사부(11)와 접하며 선저면(1b)으로부터 돌출되는 후면 경사부(12)와, 전면 경사부(11)와 후면 경사부(12)에 접하여 측면을 이루는 측면 경사부(13)를 포함한다.

전면 경사부(11)는 유체가 자연스럽게 타고 넘을 수 있는 각도로 유체의 흐름 방향인 선수 측을 향하여 경사져 있으며, 전면 경사부(11)를 타고 넘은 유체는 흐름 각도가 선저면(1b)으로부터 멀어지는 방향으로 바뀌게 되므로 문풀(1a)로 유입되는 유체의 양이 감소될 수 있다.

후면 경사부(12)는 문풀(1a) 내부의 수직벽체의 연장면과 일치하도록 선저면(1b)과 수직을 이루도록 마련될 수 있다.

또한, 연장면의 전방에 위치하도록 함으로써 문풀(1a)을 관통하여 설치되는 시추관련 장비와 간섭되지 않도록 마련될 수 있다.

이러한 후면 경사부(12)의 높이는 유체 흐름의 경계층의 두께와 동일 또는 유사하게 설정될 수 있다. 문풀(1a)로 인한 마찰저항에 영향을 미치는 것은 주로 유체 흐름의 경계층에서 발생하기 때문에 이러한 경계층을 교란시킬 필요가 있기 때문이다.

후면 경사부(12)의 높이는, 예를 들어, 길이 200m 선박의 경우 약 0.4~0.6m 범위에서 설정될 수 있는데, 이러한 수치범위는 유동수치해석이나 실험에 의해 결정될 수 있다. 따라서 선박의 길이 및 선박의 목표 속도에 따라 변경될 수 있는 값이다.

아울러, 후면 경사부(12)가 상기와 같은 높이를 가지는 경우, 교란장치(10)의 폭은 1m~5m로 마련될 수 있으며, 전체 길이는 2m~10m로 마련될 수 있다.

측면 경사부(13)는 전면 경사부(11) 및 후면 경사부(12)와 인접하여 교란장치(10)의 양 측면을 형성하는 면으로, 전면 경사부(11)와 후면 경사부(12)의 접선으로부터 선저면(1b)으로 갈수록 양 측면 경사부(13) 사이의 간격이 점점 넓어지는 형태로 마련된다. 즉, 측면 경사부(13)는 선저면(1b)으로부터 하부로 갈수록 교란장치(10)의 폭이 좁아지도록 소정 각도로 기울어진 면으로 마련된다.

이러한 측면 경사부(13)를 따라 유동하는 유체는, 도 6에 도시된 바와 같이, 두 가지 흐름 방향을 보일 수 있다.

측면 경사부(13)를 따라 유동하는 유체 중 일부는 측면 경사부(13)의 기울어진 면을 따라 이동하되 문풀(1a) 입구측으로부터 멀어지는 방향으로 유체 흐름이 전환된다. 따라서 전면 경사부(11)의 역할과 같이 문풀(1a)에 유입되는 유체의 양이 감소할 수 있다.

유체의 유동을 좀 더 자세히 설명하면, 측면 경사부(13)가 선저면(1b)에 근접할수록 확장됨에 따라 측면 경사부(13)와 선저면(1b)이 만나는 접선은 유체 흐름 방향에 대하여 소정 각도로 기울어지게 된다. 따라서 하나의 교란장치(10)의 측면 경사부(13)와 인접하는 교란장치(10)의 측면 경사부(13)가 만드는 선저면(1b) 측의 공간은 선미측 보다 문풀(1a) 유입구 측의 폭이 좁은 형태가 된다.

이에 따라 인접하는 두 교란장치(10) 사이로 유입되는 유체는 폭이 좁아지는 구간을 지나면서 정체되며, 정체된 유체는 압력에 의해 측면 경사부(13)를 타고 선저면(1b)을 기준으로 하강하는 방향으로 전환된다. 따라서 문풀(1a) 유입구 측으로 유입되는 유체의 양이 감소할 수 있다.

한편, 교란장치(10)를 통과한 유체는 볼텍스 유동을 하게 되는데, 측면 경사부(13)를 따라 유동하는 유체 중 선저면(1b)에 접하여 유동하는 유체는 인접하는 교란장치(10)가 만드는 볼텍스 유동과 교차하게 된다.

즉, 하나의 교란장치(10)가 만드는 볼텍스 유동의 진행축은, 상술한 바와 같이 인접하는 교란장치(10) 사이의 폭이 선저면(1b) 측에서 점점 좁아지므로, 인접하는 교란장치(10)가 만드는 볼텍스 유동의 진행축과 교차하게 된다.

따라서 문풀(1a) 유입류 흐름이 방해를 받게 되어 문풀(1a) 내부 자유수면 유동이 안정화되어 선박 이동 시 선체저항 증가를 감소시킬 수 있게 된다.

이러한 교란장치(10)에 의한 저항감소 효과는 선박 속도에 따라 다음과 같은 저항감소 효과가 있음을 실험을 통해 확인할 수 있다.

속도(노트)	교란장치가 없는 경우 저항지수	교란장치가 부착시 저항지수	저항 감소율
11	53	52	1.1％
12	72	71	2.2％
13(목표속도)	100	96	4.4％
14	136	127	6.5％
15	179	166	6.9％

상기 저항지수 값들은 목표속도 13노트에서 문풀에 의한 저항값을 기준지수 100으로 하였을 때, 이에 대한 상대적인 저항값을 의미한다.

표 1에서 나타난 바와 같이, 선박의 속도가 증가할수록 저항 감소율이 커지게 되며, 본 실험의 목표 속도인 13노트에서의 저항 감소율은 4.4%임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 문풀 유입류 교란장치가 구비된 선박은, 문풀(1a)에 유입되는 유체의 양을 감소시키고, 문풀(1a)에 유입되는 유체를 교란시켜 문풀 내의 자유수면 유동을 안정화시킴으로써 문풀(1a)에 의한 유체의 저항을 크게 감소시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10: 교란장치 11: 전면 경사부
12: 후면 경사부 13: 측면 경사부

Claims (7)

1. 문풀을 구비하는 선체; 및
   상기 선체의 선저면으로부터 쐐기형으로 돌출되도록 상기 문풀의 유체 유입구 측에 마련되며, 상기 문풀로 유입되는 유체를 교란시킴으로써 상기 문풀에 의한 유체 저항을 감소시키는 교란장치를 포함하는 선박.
2. 제1항에 있어서,
   상기 교란장치는 복수로 마련되며, 상기 문풀의 폭 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는 선박.
3. 제2항에 있어서,
   상기 교란장치는,
   상기 유체의 흐름 방향에 대하여 기울어진 면을 갖는 전면 경사부; 및
   상기 전면 경사부 및 상기 선저면과 접하며, 상기 선저면으로부터 돌출된 형태로 마련되는 후면 경사부를 포함하는 선박.
4. 제3항에 있어서,
   상기 교란장치는, 상기 전면 경사부 및 상기 후면 경사부에 접하며, 상기 전면 경사부와 상기 후면 경사부의 접선으로부터 상기 선저면으로 갈수록 폭 방향으로 확장되는 기울기를 가지는 측면 경사부를 더 포함하는 선박.
5. 제4항에 있어서,
   상기 후면 경사부는 상기 선저면으로부터 수직 방향으로 돌출되도록 마련되는 선박.
6. 제5항에 있어서,
   상기 후면 경사부의 상기 선저면으로부터의 높이는 유체 흐름의 경계층 두께와 동일하게 마련되는 선박.
7. 제4항에 있어서,
   상기 교란장치의 높이는 0.4m~0.6m, 폭은 1m~5m, 길이는 2m~10m로 마련되는 선박.

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