KR20130122801A

KR20130122801A - 스파형 부체 구조물

Info

Publication number: KR20130122801A
Application number: KR1020137024657A
Authority: KR
Inventors: 하루키 요시모토; 유지 아와시마; 히데유키 스즈키
Original assignee: 재팬 마린 유나이티드 코포레이션; 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-11-08
Also published as: WO2012121247A1; JP5697117B2; KR101621806B1; EP2684792A1; CN103517850A; ES2654602T3; KR20150088897A; US9132894B2; EP2684792A4; JPWO2012121247A1; EP2684792B1; CN103517850B; US20140026798A1

Abstract

본 발명은, 길고 가는 형상을 갖는 부체부(2)와, 부체부(2)에 배치되는 밸러스트부(3)를 갖고, 밸러스트부(3)의 무게에 의해 부체부(2)를 직립시켜 부유시키는 스파형 부체 구조물로서, 부체부(2)는, 하부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 1 확장부(21), 중간부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 2 확장부(22) 및 제 1 확장부(21) 및 제 2 확장부(22)를 연결하면서 흘수선까지 연신된 컬럼부(23)를 갖고, 제 1 확장부(21)는, 밸러스트부(3)를 구성하고, 제 2 확장부(22)는, 부체부(2)에 부력을 부여하는 부력체를 구성한다.

Description

스파형 부체 구조물{SPAR TYPE FLOATING STRUCTURE}

본 발명은, 스파형 부체 구조물에 관한 것으로, 특히, 복원 성능을 확보하면서 동요를 저감시킬 수 있는 스파형 부체 구조물에 관한 것이다.

최근, 지구 환경 보전이나 자연 에너지 유효 활용의 관점에서, 해상 풍력 발전이 주목받고 있다. 이러한 해상 풍력 발전용 부체 구조물로서, 무게 중심을 부심보다 항상 아래에 두어 정적 안정성을 확보하는 스파형, 텐션 레그에 의해 부체를 긴장 계류시키는 TLP(Tension Leg Platform) 형, 갑판과 낮은 선체(lower hull)를 복수의 컬럼(column)으로 접속시켜 수선 면적{흘수선(喫水線, waterline)에서의 단면적}을 축소시키는 동시에, 몰수부(submerged part)에 작용하는 파력의 위상차를 이용하여 동요를 저감시키는 세미 서브형 등, 여러 가지 형식의 것들이 제안되고 있다. 이들 부체 구조물 중에서, 스파형은, 비용적으로 다른 부체 구조물보다 유리하다고 생각된다.

이러한 스파형 부체 구조물은, 일반적으로, 길고 가느다란 대략 원주 형상의 부체부, 및 그 부체부의 하부에 배치되는 밸러스트부를 갖고, 상기 밸러스트부의 무게에 의해 해상에 직립된 상기 부체부를 계류삭으로 계류시킨 것이다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 참조).

예를 들어, 특허 문헌 1에는, 흘수선에 노출되는 상부 부체, 그 상부 부체보다 직경이 큰 하부 부체, 및 그 하부 부체의 하측에 형성된 밸러스트 탱크를 갖는 스파형 부체 구조물이 기재되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에는, 흘수선에 노출되는 상부 부체, 그 상부 부체보다 직경이 큰 하부 부체, 및 그 하부 부체의 아랫면에 연결 강관을 통해 접속된 밸러스트 탱크를 갖는 스파형 부체 구조물이 기재되어 있다.

(특허 문헌 1) 일본특허 공개공보 제2009－18671호 (특허 문헌 2) 일본특허 공개공보 제2009－248792호

그러나, 상술한 바와 같은 스파형 부체 구조물에서는, 복원 성능을 확보하기 위해 흘수가 깊어지는 경향이 있어서, 얕은 해역에는 설치하기 어려운 문제가 있었다. 또한, TLP형 부체 구조물과 비교하면, 상하 동요 및 뒷질(또는 옆질)이 커서 안정성의 확보가 어려운 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재된 스파형 부체 구조물에서는, 수선 면적이 작기 때문에 동조 주기가 짧아 파(波)와 공진하기 쉬운, 흘수선 부근에 큰 부체가 배치되기 때문에 파의 영향을 받기 쉽다는 등의 문제가 있어, 상술한 스파형 부체 구조물의 단점을 극복하는 것이 어려웠다.

본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로, 복원 성능을 확보할 수 있고, 동요를 저감시킬 수 있고, 흘수(喫水)를 얕게 할 수 있는 스파형 부체 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 길고 가는 형상을 갖는 부체부; 및, 그 부체부에 배치되는 밸러스트부; 를 갖고, 상기 밸러스트부의 무게에 의해 상기 부체부를 직립시켜 부유시키는 스파형 부체 구조물로서, 상기 부체부는, 하부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 1 확장부; 중간부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 2 확장부; 및, 상기 제 1 확장부 및 상기 제 2 확장부를 연결하면서 흘수선까지 연신된 컬럼부; 를 갖고, 상기 제 1 확장부는, 상기 밸러스트부를 구성하고, 상기 제 2 확장부는, 상기 부체부에 부력을 부여하는 부력체를 구성하는 것을 특징으로하는 스파형 부체 구조물이 제공된다.

상기 부체부는, 상기 컬럼부의 상부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 3 확장부를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 3 확장부는, 상기 부체부의 배수 용적/흘수에 의해 구해지는 평균 면적 대비 10~300% 크기의 수선 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 3 확장부의 상부에는, 예를 들어, 수평 방향으로 축소된 기둥 모양 부재가 접속된다. 또한, 상기 제 3 확장부에는, 상기 부체부를 계류하는 계류삭(係留索)이 접속될 수 있다.

상기 제 2 확장부는, 상기 부체부의 배수 용적 대비 1/4~3/4의 용적을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 확장부의 측면에는, 상기 부체부의 계류삭을 안내하는 페어리더가 배치될 수 있다.

상기 제 1 확장부 및 상기 제 2 확장부의 크기는, 예를 들어, GM=Iw/(△×tanθ)의 조건(단, GM은 메터센터 높이, Iw는 바람 전도 모멘트, △는 배수량, θ는 최대 허용 경사 각도를 의미한다)을 만족시키도록 설정된다.

상기 제 1 확장부의 바깥면에는, 상기 부체부의 동적 응답 특성을 조정하는 저항체가 배치될 수 있다. 또한, 상기 저항체는, 상기 부체부의 계류삭이 말려드는 것을 억제하는 환상의 가드 부재를 가질 수 있다.

상술한 본 발명에 의한 스파형 부체 구조물에 의하면, 부체부에 제 1 확장부 및 제 2 확장부를 형성함으로써 무파(無波) 지점을 용이하게 형성할 수 있어, 스파형 부체 구조물의 상하 동요를 저감시킬 수 있다. 또한, 하부의 제 1 확장부를 밸러스트부로 하고, 중간부의 제 2 확장부를 부력체로 함으로써, 무게 중심 높이와 부심 높이의 균형을 조정하기 쉽게 할 수 있고, 복원 성능을 용이하게 확보하는 동시에, 뒷질(또는 옆질)을 작게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 스파형 부체 구조물에 의하면, 복원 성능을 확보할 수 있고, 동요를 저감시킬 수 있고, 더욱이 흘수를 얕게 할 수 있다.

또한, 컬럼부의 상부에 제 3 확장부를 형성함으로써, 소파(小波)~일반파(通常波)일때에는 제 3 확장부에 흘수선을 위치시키고, 고파(高波)일 때에는 제 3 확장부보다 축소된 부분(컬럼부 또는 상부 구조물의 기둥 모양 부재)에 흘수선을 위치시킬 수 있고, 수선 면적에 반비례하는 상하 동요 동조 주기를 파의 상태에 맞추어 조정할 수 있어, 효과적으로 상하 동요를 저감시킬 수 있다. 특히, 고파시에서의 상하 동요 동조 주기를 길게 함으로써, 고파시의 스파형 부체 구조물의 공진을 회피할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물의 전체 구성도이다.
도 2a는, 제 3 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 일반파시를 나타내고 있다.
도 2b는, 제 3 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 고파시를 나타내고 있다.
도 2c는, 제 3 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 파강제력 특성 곡선도를 나타내고 있다.
도 3a는, 제 2 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 원리 설명도를 나타내고 있다.
도 3b는, 제 2 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 파강제력 특성 곡선도를 나타내고 있다.
도 4a는, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물을 나타내는 도면으로, 제 2 실시 형태를 나타내고 있다.
도 4b는, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물을 나타내는 도면으로, 제 3 실시 형태를 나타내고 있다.
도 5a는, 도 4b에 나타낸 저항체의 설명도로, 상면도를 나타내고 있다.
도 5b는, 도 4b에 나타낸 저항체의 설명도로, 변형예의 단면도를 나타내고 있다.
도 5c는, 도 4b에 나타낸 저항체의 설명도로, 변형예의 상면도를 나타내고 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물에 대하여, 도 1 내지 도 5를 이용하여 설명한다. 여기서, 도 1은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물의 전체 구성도이다. 도 2는, 제 3 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 도 2a는 일반파시, 도 2b는 고파시, 도 2c는 파강제력 특성 곡선도를 나타내고 있다. 도 3은, 제 2 확장부의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 원리 설명도, 도 3b는 파강제력 특성 곡선도를 나타내고 있다.

본 발명의 제 1 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물(1)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 길고 가는 형상을 갖는 부체부(2); 및, 부체부(2)에 배치되는 밸러스트부(3); 를 갖고, 밸러스트부(3)의 무게에 의해 부체부(2)를 직립시켜 부유시키는 스파형 부체 구조물이다. 부체부(2)는, 하부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 1 확장부(21); 중간부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 2 확장부(22); 및, 제 1 확장부(21) 및 제 2 확장부(22)를 연결하면서 흘수선까지 연신된 컬럼부(23);를 갖고 있다. 여기서, 제 1 확장부(21)는, 밸러스트부(3)를 구성하고, 제 2 확장부(22)는, 부체부(2)에 부력을 부여하는 부력체를 구성하고 있다.

상기 스파형 부체 구조물(1)은, 예를 들어, 해상 풍력 발전용 부체 구조물로, 상부 구조물(9)로서, 지주(91), 나셀(nacelle, 92), 및 블레이드(93)를 갖는다. 지주(91)는, 부체부(2)의 상부에 입설(立設) 되어 나셀(92) 및 블레이드(93)를 지지한다. 나셀(92)은, 내부에 발전기를 갖고, 블레이드(93)의 회전에 의해 전력을 발생시킨다. 블레이드(93)는, 풍력에 의해 회전 구동한다. 또한, 지주(91)에는, 태양광 패널(94)을 배치하도록 할 수 있다. 이러한 태양광 패널(94)을 배치함으로써, 풍력과 태양광에 의한 복합 발전 설비를 구성할 수 있고, 구조물 전체의 용장성(redundancy)을 향상시킬 수 있다. 그리고, 상술한 풍력 발전 설비는, 스파형 부체 구조물(1)에 설치되는 상부 구조물(9)의 일례로, 풍향계나 풍속계 등의 풍황(風況) 관측 장치, 태양광 발전 장치, 조명 장치, 무선 통신 장치 등이 설치되어 있을 수 있다.

상기 컬럼부(23)는, 부체부(2)에 대하여 부력을 부여하는 부력체의 일부인 동시에, 흘수(D)를 구비하는 중공 원통 형상을 갖는다. 이러한 컬럼부(23)는, 부체부(2)의 축부를 구성한다. 또한, 컬럼부(23)는, 제 1 확장부(21) 및 제 2 확장부(22)보다 수평 방향으로 축소된 형상, 즉, 제 1 확장부(21) 및 제 2 확장부(22)보다 직경이 작은 형상을 갖는다. 이와 같이, 컬럼부(23)를 길고 가는 형상으로 형성함으로써, 파(波)나 조류로부터의 외력을 경감시킬 수 있다. 그리고 컬럼부(23)의 일부에, 밸러스트 수를 주배수(注排水)하여 부체부(2)의 무게를 조정하기 위한 밸러스트 탱크가 배치될 수 있다.

또한, 부체부(2)는, 컬럼부(23)의 상부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 3 확장부(24)를 갖는다. 즉, 제 3 확장부(24)는, 컬럼부(23) 보다 큰 직경으로 형성된다. 제 3 확장부(24)는, 중공 원통 형상을 갖고, 부체부(2)에 대하여 부력을 부여하는 부력체의 일부를 구성하고 있다. 이러한 제 3 확장부(24)는, 일반파 시에 흘수선에 노출되는 부분이다. 또한, 제 3 확장부(24)는, 상부 구조물(9)의 지주(91)를 접속하는 받침대를 구성한다. 즉, 제 3 확장부(24)의 상부에는, 수평 방향으로 축소된 기둥 모양 부재(지주(91))가 접속된다. 또한, 제 3 확장부(24)의 아랫면에는, 부체부(2) 설치시에 작업선의 크레인 등의 걸림부를 걸도록 할 수 있다.

또한, 제 3 확장부(24)의 윗면은, 상부 구조물(9)의 설치나 부체부(2)의 유지 보수 등을 실행하는 작업대를 구성한다. 예를 들어, 제 3 확장부(24)에는, 부체부(2)를 계류하는 계류삭(25)이 접속된다. 이와 같이, 제 3 확장부(24)에 계류삭(25)을 접속시킴으로써, 제 3 확장부(24)의 윗면에서 용이하게 작업을 실행할 수 있다.

여기서, 제 3 확장부(24)의 작용에 대하여 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 부체부(2)는, 일반파 시에, 흘수선이 제 3 확장부(24)의 둘레면에 위치하도록 구성되어 있다. 그리고, 일반파 시보다 평온한 소파 시에도 마찬가지로, 제 3 확장부(24)의 둘레면에 흘수선이 위치한다. 또한, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 부체부(2)는, 고파가 높을 때, 흘수선이 제 3 확장부(24) 상부의 지주(91)의 둘레면에 위치하도록 구성되어 있다. 그리고 고파가 낮을 때에는, 제 3 확장부(24) 하부의 컬럼부(23)의 둘레면에 흘수선이 위치한다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 일반파 시의 수선 면적(Sa)은, 고파 시의 수선 면적(Sb)보다 커지도록 구성되어 있다.

또한, 부체부(2)의 상하 동요 동조 주기는, 부체부(2)의 구조에 의해 일의적으로 정해져, 이러한 동조 주기와 파의 주기가 일치할 경우에는, 부체부(2)가 공진하여 큰 상하 동요를 일으킨다. 여기서, 도 2c에 나타낸 파강제력 특성 곡선도에 있어서는, 가로축이 주기(T(s)), 세로축이 파강제력(F)을 나타내고 있다. 파강제력(F)은, 파에 의한 상하 방향의 강제 외력으로, 여기에서는 무차원화되어 있다. 이러한 파강제력(F)은, F=｜Ft｜／ρgζ▽^2/3와 같이 표현된다. 단, Ft는 어떤 주기t에서의 파강제력, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도, ζ는 입사파의 파진폭, ▽은 배수 용적이다. 또한, 도 2c에 있어서, 주기T1, T2는, 파강제력(F)이 발생하지 않는 무파 지점이다. 일반적으로, 일반파는 주기T1~주기T2의 범위내의 주기를 갖는다. 주기T2를 초과하면 고파를 일으킨다. 여기서, 부체부(2)의 파강제력 특성 곡선이 실선으로 표현되는 경우, 주기T3가 공진을 일으키는 동조 주기가 된다.

부체부(2)의 공진을 억제하고자 하는 경우에는, 동조 주기를 파의 주기와 겹치지 않게 할 필요가 있다. 여기서, 소파의 주기는 일반파 시의 주기보다 짧고, 고파의 주기는 일반파 시의 주기보다 길고, 고파의 발생율은 일반적으로 소파의 발생율보다 낮다. 따라서, 부체부(2)의 공진을 억제하기 위해서는, 도 2c에서 일점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 동조 주기가 주기T3에서 주기T4로 변하도록, 일반파 시의 주기T1~T2보다 길어지는 방향으로 비켜 놓는 것이 바람직하다.

그리고, 동조 주기는, 수선 면적에 반비례하는 것으로 알려져 있다. 즉, 동조 주기를 길게 한다는 것은, 수선 면적을 작게 하는 것과 같다. 그러나, 고파시를 상정하여 수선 면적을 작게 하면, 도 2c에서 파선으로 나타낸 바와 같이, 일반파시(주기T1~T2의 범위)에서의 상하 동요가 커져 버리는 문제가 생긴다. 따라서, 일반 파시에는 수선 면적을 크게 하고자 하는 요구가 있다.

따라서, 도 1및 도 2에 나타낸 바와 같이, 컬럼부(23)의 상부에 제 3 확장부(24)를 형성하여, 일반파 시에서의 흘수선은 제 3 확장부(24)에 위치하고, 고파시에서의 흘수선은 지주(91) 또는 컬럼부(23)에 위치하도록 구성함으로써, 일반파시에는 큰 수선 면적(Sa)을 갖고, 고파 시에는 작은 수선 면적(Sb)을 갖는 부체부(2)를 구성할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 일반파 시에서의 상하 동요를 저감시키면서, 고 파시에서의 공진을 억제할 수 있다.

이러한 제 3 확장부(24)는, 예를 들어, 부체부(2)의 배수 용적(▽)／흘수(D)에 의해 구해지는 평균 면적(Sav) 대비 10~300% 크기의 수선 면적(Sa)을 갖는다. 제 3 확장부(24)의 수선 면적(Sa)의 크기를 이러한 범위로 한정함으로써, 상술한 작용을 효과적으로 발생시킬 수 있다. 그리고 평균 면적(Sav)(=배수 용적(▽)／흘수(D))은, 부체부(2)를 한결같은 크기의 지름을 갖는 원주로 간주했을 경우의 단면적을 의미한다. 예를 들어, 배수량(Δ)을 8500톤, 흘수(D)를 50m, 비중을 1로 했을 경우, 평균 면적(Sav)은 170 m²로 구할 수 있다. 따라서, 수선 면적Sa는, 수선 면적Sb보다 커지는 것을 조건으로 하여, 17~170 m²의 범위 내에서 설정된다. 수선 면적Sa의 구체적인 비율 또는 수치는, 부체부(2)의 배수량(△), 수선 면적Sb와의 균형, 설치 해역의 환경(파의 주기나 진폭 등의 변화)을 고려하여 설정된다.

상기 제 1 확장부(21)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 컬럼부(23)의 최하단에 배치되어 밸러스트부(3)를 구성한다. 이러한 제 1 확장부(21)는, 일정한 무게를 부체부(2)에 부하하는 고정 밸러스트에 의해 구성된 밸러스트부(3)일 수 있고, 밸러스트 수를 주배수하여 부체부(2)의 무게를 조정 가능하게 한 밸러스트 탱크에 의해 구성된 밸러스트부(3)일 수 있고, 고정 밸러스트 및 밸러스트 탱크를 조합한 밸러스트부(3)일 수 있다.

상기 제 2 확장부(22)는, 제 1 확장부(21)와 제 3 확장부(24) 사이의 컬럼부(23)에 배치된다. 이와 같이, 컬럼부(23)의 중간부에 수평 방향으로 확장된 형상, 즉, 컬럼부(23)보다 직경이 큰 형상을 갖는 제 2 확장부(22)를 형성함으로써, 파의 상하 동요에 대한 저항면을 여러개 형성할 수 있어, 파강제력의 영향을 받지 않는 무파 지점을 효과적으로 형성할 수 있다. 또한, 무파 지점을 여러개 형성함으로써, 부체부(2)의 상하 동요를 효과적으로 저감시킬 수 있다.

도 3a에 나타낸 바와 같이, 부체부(2)는, 제 1 확장부(21)의 아랫면(21a)(면적 S1) 및 윗면(21b)(면적 S2), 제 2 확장부(22)의 아랫면(22a)(면적 S3) 및 윗면(22b)(면적 S4), 및 제 3 확장부(24)의 아랫면(24a)(면적 S5)의 5개의 저항면을 갖는다. 각 아랫면(21a, 22a, 24a)은, 윗방향으로 생기는 파강제력에 대한 저항면을 형성하고, 각 윗면(21b, 22b)은, 아랫방향으로 생기는 파강제력에 대한 저항면을 형성한다.

한편, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 일반적으로, 파강제력(F)은, 수심이 얕을 수록 크고, 수심이 깊을 수록 작아지는 경향이 있다. 여기서, 제 1 확장부(21)의 아랫면(21a)의 수심에서의 파강제력을 F1, 윗면(21b)의 수심에서의 파강제력을 F2, 제 2 확장부(22)의 아랫면(22a)의 수심에서의 파강제력을 F3, 윗면(22b)의 수심에서의 파강제력을 F4, 제 3 확장부(24)의 아랫면(24a)의 수심에서의 파강제력을 F5로 한다. 그리고 경사진 면(예를 들어, 윗면(21b, 22b))에 관해서는, 편의상, 그 평균 수심에서의 파강제력을 도시하고 있다.

따라서, 제 1 확장부(21)의 아랫면(21a)에 발생하는 압력은 S1×F1, 제 2 확장부(22)의 아랫면(22a)에 발생하는 압력은 S3×F3, 제 3 확장부(24)의 아랫면(24a)에 발생하는 압력은 S5×F5가 된다. 또한, 제 1 확장부(21)의 윗면(21b)에 발생하는 압력은 S2×F2, 제 2 확장부(22)의 윗면(22b)에 발생하는 압력은 S4×F4가된다. 이와 같이, 제 1 확장부(21) 및 제 3 확장부(24)에 더하여, 제 2 확장부(22)를 형성함으로써, 복수의 수압면(受壓面)을 부체부(2)에 형성할 수 있고, 이들 압력은 서로 상쇄시키게 된다. 그 결과, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 어떤 주기(예를 들어, 주기T1, T2)에 있어서, 파강제력(F)이 발생하지 않는 무파 지점(Z1, Z2)을 형성할 수 있다. 그리고 도 3b에 나타낸 파강제력 특성 곡선도에 있어서, 가로축 및 세로축은 도 2c에 나타낸 파라미터와 동일하므로, 여기에서는 설명을 생략 한다.

또한, 제 1 확장부(21) 및 제 2 확장부(22)의 크기(용량 또는 용적)는, GM=Iw/(△×tanθ)의 조건(단, GM은 메터센터 높이, Iw는 바람 전도 모멘트, △는 배수량, θ는 최대 허용 경사 각도를 의미한다)을 만족시키도록 설정된다. 여기서, 메터센터 높이(GM)는, GM=KB＋BM－KG의 계산식으로 구해진다. 단, KB는 부심 높이(도 1 참조), BM은 메터센터 반경, KG는 무게 중심 높이(도 1 참조) 를 의미하고 있다. 또한, 메터센터 반경(BM)은, BM=Ix/▽의 계산식(단, ▽은 배수 용적을 의미한다)으로 구해진다. 단, Ix는 수선면의 부체 중심선 주변의 관성 모멘트를 의미한다. 도 1에 나타낸 부체부(2)에서는, 메터센터 반경(BM)은 거의 0이 된다. 따라서, 여기에서는, GM=KB－KG와 유사할 수 있다.

또한, 메터센터 높이(GM)는, 복원 성능을 나타내는 하나의 파라미터이다. GM이 큰 경우에는, 스파형 부체 구조물(1)은 잘 안 기울어지고, 곧 원래대로 돌아가기 쉬운 성질을 나타내고, GM이 작은 경우에는, 스파형 부체 구조물(1)은 잘 기울어지고, 천천히 원래대로 돌아가는 성질을 나타낸다. 또한, 최대 허용 경사 각도(θ)에서의 복원 모멘트(Ir)는, Ir=GM×(△×tanθ)의 계산식으로 구할 수 있다. 따라서, 이 복원 모멘트(Ir)와, 스파형 부체 구조물(1)을 설치하고자 하는 해역에서의 바람에 의해 받는 바람 전도 모멘트(Iw)의 균형을 잡음으로써, 스파형 부체 구조물(1)의 복원 성능을 유지할 수 있다. 즉, Iw=Ir=GM×(△×tanθ)의 관계식을 만족시키는 것이 바람직하고, GM=Iw/(△×tanθ)로 구할 수 있다. 이러한 GM을 크게 함으로써, 보다 큰 바람 전도 모멘트(Iw)에 견딜 수 있고, 스파형 부체 구조물(1)의 복원 성능을 확보할 수 있다.

여기서, 메터센터 높이(GM)는, 근사적으로, GM=KB－KG의 계산식으로 구할 수 있으므로, 부심 높이(KB)를 크게 하고, 무게 중심 높이(KG)를 낮게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 메터센터 높이(GM)를 너무 크게 하면 뒷질 또는 옆질의 주기가 짧아져 미세하게 진동하는 것과 같은 동요를 일으켜 버린다. 또한, 용적이 큰 제 2 확장부(22)가 수면에 가까워지면 파강제력의 영향을 받기 쉬워져 버린다. 따라서, 가능한 한, 부심 높이(KB)를 크게, 무게 중심 높이(KG)를 낮게 하는 것을 염두에 두고, 부체부(2)의 배수량(△)을 억제하면서 종래와 동등 이상의 복원 성능을 갖도록, 부심 높이(KB) 및 무게 중심 높이(KG)의 위치를 결정한다.

구체적으로는, 예를 들어, 원하는 스파형 부체 구조물(1)에 있어서, 제 2 확장부(22)를 제 1 확장부(21)에 근접한 상태에서 서서히 윗쪽으로 높여 나가는 시뮬레이션이 실행되어, 동요 저감에 적합한 부심 높이(KB) 및 무게 중심 높이(KG)의 위치가 결정되도록 할 수 있다. 그 결과, 예를 들어, 제 2 확장부(22)는, 흘수(D)의 대략 중앙부에 위치하여, 부심 높이(KB) 또는 무게 중심 높이(KG)를 포함할 수 있는 위치에 설정된다.

또한, 제 2 확장부(22)는, 예를 들어, 부체부(2)의 배수 용적(▽) 대비 20~80%의 용적을 갖고, 바람직하게는, 1/4~3/4의 용적을 갖는다. 제 2 확장부(22)의 크기(용량 또는 용적)를 이러한 크기로 설정함으로써, 부체부(2)에 효과적으로 부력을 부여할 수 있다. 또한, 제 2 확장부(22)는, 계류삭(25)과 간섭하지 않는 크기로 형성된다. 계류삭(25)과 제 2 확장부(22)가 간섭할 경우에는, 계류삭(25)이 마모되거나 절단되어 버리기 때문이다. 따라서, 제 2 확장부(22)의 크기를 설정하고, 제 2 확장부(22)의 위치를 상술한 조건을 만족하도록 결정하면, 제 2 확장부(22)의 수평 방향의 크기(원주 형상의 경우에는 직경 또는 반경)를 결정할 수 있고, 제 2 확장부(22)의 높이(수직 방향의 폭)도 결정할 수 있다.

또한, 제 2 확장부(22)의 측면에는, 부체부(2)의 계류삭(25)을 안내하는 페어리더(26)가 배치된다. 페어리더(26)는, 예를 들어, 제 2 확장부(22)의 측면에 접속된 한 쌍의 암을 갖고, 암에 롤러가 회전 가능하게 지지된 구성을 갖고 있다. 계류삭(25)은, 제 2 확장부(22)의 측면과 롤러 사이에 끼워진다. 또한, 페어리더(26)는, 예를 들어, 흘수(D)의 중앙부 부근에 상당하는 위치의 제 2 확장부(22)의 측면에 배치된다. 해류나 조류에 의한 부체부(2)로의 작용점은, 일반적으로, 흘수(D)의 중앙부 부근에 위치한다. 따라서, 이러한 작용점과 일치하는 위치에 페어리더(26)를 배치함으로써, 효과적으로 계류삭(25)으로 부체부(2)를 지지할 수 있고, 해류나 조류에 의한 영향을 최소한으로 억제할 수 있다. 그리고 도시된 페어리더(26)의 구성은 단순한 일예로, 다양한 구성의 것들을 적용할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물(1)에 대해 설명한다. 여기서, 도 4는, 본 발명의 다른 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물을 나타내는 도면으로, 도 4a는 제 2 실시 형태, 도 4b는 제 3 실시 형태를 나타내고 있다. 도 5는, 도 4b에 나타낸 저항체의 설명도로, 도 5a는 상면도, 도 5b는 변형예의 단면도, 도 5c는 변형예의 상면도를 나타내고 있다. 그리고 각 도면에 있어서, 상술한 제 1 실시 형태와 동일한 구성부품에 대해서는, 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다.

도 4a에 나타낸 제 2 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물(1)은, 제 1 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물(1)에 있어서, 제 3 확장부(24)를 생략한 것이다. 이와 같이, 부체부(2)에 제 1 확장부(21) 및 제 2 확장부(22)를 배치하고, 제 3 확장부(24)를 생략할 경우에도, 적어도 제 2 확장부(22)를 형성할 경우의 효과를 나타낼 수 있다. 즉, 복원 성능을 확보하면서, 종래의 부체 구조물보다 동요를 저감시킬 수 있고, 더욱이 흘수를 얕게 할 수 있다.

도 4b에 나타낸 제 3 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물(1)은, 제 1 실시 형태에 의한 스파형 부체 구조물(1)에 있어서, 제 1 확장부(21)의 바깥면에, 부체부(2)의 동적 응답 특성을 조정하는 저항체(27)를 배치한 것이다. 저항체(27)는, 예를 들어, 도 4b 및 도 5a에 나타낸 바와 같이, 제 1 확장부(21)의 측면에서 방사상으로 연장되도록 배치된 복수의 핀(fin)(271), 제 1 확장부(21)의 저부에서 수평 방향으로 환상으로 뻗은 빌지킬(bilge keel,272), 및 부체부(2)의 계류삭(25)이 말려드는 것을 억제시키는 환상의 가드 부재(273)를 갖는다.

핀(271)에 의해, 부체부(2)의 요잉(yawing; 회전)을 억제할 수 있다. 핀(271)은, 예를 들어, 제 1 확장부(21)의 측면에 연직 방향으로 면이 배치되도록 접속된 핀 본체부(271a), 및 핀 본체부(271a)의 바깥 둘레를 둘러싸도록 접속된 바깥 둘레부(271b)를 갖는다. 이와 같이, 핀 본체부(271a)의 바깥 둘레를 판재로 둘러쌈으로써, 핀 본체부(271a)의 양면에 오목부를 형성할 수 있어, 이 공간에 주위의 유체를 체류시킬 수 있고, 부체부(2)의 요잉(회전)에 대한 저항을 효과적으로 증대시킬 수 있다. 또한, 빌지킬(272)에 의해, 부체부(2)의 상하 동요에 대한 저항면을 형성할 수 있다. 그리고 빌지킬(272)은 경우에 따라서는 생략할 수 있다. 또한, 가드 부재(273)를 핀(271)의 윗면 및 바깥 둘레부에 배치함으로써, 핀(271) 사이에 계류삭(25)이 말려 들어가지 않게 할 수 있다.

도 5b 및 도 5c에 나타낸 저항체(27)의 변형예는, 저항체(27)를 빌지킬(272)만으로 구성한 것이다. 이러한 변형예에서의 빌지킬(272)은, 제 1 확장부(21)의 저부에서 비스듬히 아래쪽을 향해 경사진 원추면을 갖는 판부재로 구성한 것이다. 또한, 빌지킬(272)의 원추면으로 둘러싸인 공간은 오목부를 형성하여, 이 공간에 주위의 유체를 체류시킬 수 있고, 부체부(2)의 상하 동요에 대한 저항을 효과적으로 증대시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 제 1 확장부(21), 제 2 확장부(22), 및 제 3 확장부(24)의 형상은 상술한 조건을 만족하는 범위내에서 적절하게 변경할 수 있는 등, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.

1 : 스파형 부체 구조물 2 : 부체부
3 : 밸러스트부 21 : 제 1 확장부
22 : 제 2 확장부 23 : 컬럼부
24 : 제 3 확장부 25 : 계류삭
26 : 페어리더 27 : 저항체
91 : 지주(기둥 모양 부재) 273 : 가드 부재

Claims

길고 가는 형상을 갖는 부체부와; 상기 부체부에 배치되는 밸러스트부; 를 갖고, 상기 밸러스트부의 무게에 의해 상기 부체부를 직립시켜 부유시키는 스파형 부체 구조물로서,
상기 부체부는, 하부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 1 확장부, 중간부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 2 확장부 및 상기 제 1 확장부 및 상기 제 2 확장부를 연결하면서 흘수선까지 연신된 컬럼부를 갖고,
상기 제 1 확장부는, 상기 밸러스트부를 구성하고,
상기 제 2 확장부는, 상기 부체부에 부력을 부여하는 부력체를 구성하는 스파형 부체 구조물.
제 1항에 있어서,
상기 부체부는, 상기 컬럼부의 상부에 배치되어 수평 방향으로 확장된 제 3 확장부를 갖는 스파형 부체 구조물.
제 2항에 있어서,
상기 제 3 확장부는, 상기 부체부의 배수 용적/흘수에 의해 구해지는 평균 면적 대비 10~300% 크기의 수선 면적을 갖는 스파형 부체 구조물.
제 2항에 있어서,
상기 제 3 확장부의 상부에는, 수평 방향으로 축소된 기둥 모양 부재가 접속되는 스파형 부체 구조물.
제 2항에 있어서,
상기 제 3 확장부에는, 상기 부체부를 계류하는 계류삭이 접속되는 스파형 부체 구조물.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 확장부는, 상기 부체부의 배수 용적 대비 1/4~3/4의 용적을 갖는 스파형 부체 구조물.
제 6항에 있어서,
상기 제 2 확장부의 측면에는, 상기 부체부의 계류삭을 안내하는 페어리더가 배치되는 스파형 부체 구조물.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 확장부 및 상기 제 2 확장부의 크기는, GM=Iw/(△×tanθ)의 조건(단, GM은 메터센터 높이, Iw는 바람 전도 모멘트, △는 배수량, θ는 최대 허용 경사 각도를 의미한다)을 만족시키도록 설정되는 스파형 부체 구조물.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 확장부의 바깥면에는, 상기 부체부의 동적 응답 특성을 조정하는 저항체가 배치되는 스파형 부체 구조물.
제 9항에 있어서,
상기 저항체는, 상기 부체부의 계류삭이 말려드는 것을 억제하는 환상의 가드 부재를 갖는 스파형 부체 구조물.