KR20160003041U - 와류기 진동 방지 장치 - Google Patents

Abstract

와류기 진동 방지 장치에 관한 것으로, 단면이 다각 형상인 다각 기둥 형상으로 형성되는 몸체를 포함하고, 상기 몸체의 중앙부에는 상기 구조부재에 설치 가능하도록 설치공이 형성되며, 상기 몸체의 일측면에는 절개선이 형성되는 구성을 마련하여, 와류기 진동 방지 장치를 구조부재에 설치해서 단면 형상을 변화시켜 유동장 패턴과 주기를 변경함으로써, 와류기 진동을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

와류기 진동 방지 장치{ANTI-VORTEX INDUCEDVIBRATION DEVICE}

본 고안은 와류기 진동 방지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 구조물에 적용되는 원형 단면의 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 방지하는 와류기 진동 방지 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 해양 구조물에는 튜브(tube)나 실린더(cylinder) 타입 부재로 구성되는 트러스형 구조물이 활용되고 있다.

해양에서는 상시적으로 강한 바람과 조류가 발생함에 따라, 해양 구조물에 적용되는 트러스형 구조물에서는 와류기 진동(Vortex Induced Vibration)이 발생한다.

상기 와류기 진동은 유체의 상대 흐름 속에 놓인 물체 주위에서 발생하는 변동 와류에 의한 진동 현상을 말한다.

이러한 와류기 진동은 주로 유체가 지나가는 길이가 늘어나는 원형 단면을 가진 구조부재에서 발생한다.

예를 들어, 도 1은 원통 단면을 가진 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 예시한 도면이다.

도 1의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 물체 주변 유동 중에 와류가 비대칭적 주기로 발생하여 물체에 진동 항력(Oscillatory lift and drag force)에 의해 규칙적 진동, 즉 와류기 진동이 발생한다.

따라서 해양 구조물에 적용되는 튜브나 실린더 타입 부재로 구성되는 트러스형 구조물은 바람 또는 조류에 상시적으로 노출되기 때문에, 와류기 진동 가능성을 내포하고 있다.

하기의 특허문헌 1 내지 특허문헌 3 등에는 와류기 진동을 방지하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1에는 해상 풍력발전장치에 적용되는 강재 구조물의 외주면 일측에 소정 간격만큼 이격설치되는 배플을 통해 강재 구조물의 주변에서 발생하는 조류의 흐름을 원활하게 유도함으로써 조류의 흐름을 와류에서 난류로 변경하여 코안다 효과를 발생하는 해상 풍력발전장치의 구성이 개시되어 있다.

상기 배플은 횡단면이 'ㄱ' 형상으로 절곡 또는 '(' 형상으로 만곡된 평판부재 및 평판부재를 강재 구조물로부터 이격시키는 고정리브를 포함한다.

특허문헌 2에는 빌딩의 코너에 외부로 일부가 돌출되도록 설치되고 기류에 따라 회전 방향의 전환이 가능하며 기류와 동일한 방향으로 회전하도록 제어되는 회전부재, 빌딩에 고정되도록 설치되고 회전부재와 연결되어 회전부재를 지지하고 회전부재의 원활한 회전을 위한 베어링 부재를 포함하는 지지수단, 회전부재에 연결되고 회전부재에 회전력을 전달하는 동력발생수단을 포함하여 빌딩면에 발생하는 부압의 크기를 감소시키는 건축물 풍진동 제어기의 구성이 기재되어 있다.

특허문헌 3에는 풍력발전기 타워의 외주면에 장착 설치되어 바람 흐름에 따라 타워의 후면으로 발생하는 와류를 교란시켜 와류의 진동수를 바꾸고 와류에 의한 힘을 감소시킬 수 있는 와류감소부재를 포함하는 풍력발전기 타워의 와류에 의한 진동 감쇠장치의 구성이 기재되어 있다.

상기 와류감소부재는 상기 타워의 외주면을 감싼 후 고정되도록 양단에 체결부가 마련되는 벨트 형태 또는 자석 체결 형태로 마련된다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1273967호(2013년 6월 12일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0994671호(2010년 11월 16일 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2011-0045711호(2011년 5월 4일 공개)

상기한 바와 같이, 종래에는 구조물에 배플이나 와류감소부재를 설치하거나 동력을 이용해서 회전부재를 회전시켜 와류기 진동을 감소시키는 방법을 이용함에 따라, 구조물에 용접 작업이나 조립 작업을 수행하는 과정에서 경제적, 시간적, 인적 비용이 상승하는 문제점이 있있다.

또한, 해양 구조물에 적용되는 트러스형 구조물과 같은 대형 구조물에 설치 작업을 수행하는 경우, 작업자의 낙상 등 안전사고의 위험이 있으며, 설치작업이 어려운 문제점이 있었다.

본 고안의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 튜브나 실린더 타입 부재의 단면 형상을 변화시켜 와류기 진동을 방지하는 와류기 진동 방지 장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 구조물 주변의 시간적인 불규칙적 압력분포를 완화시켜 와류기 진동을 방지하는 와류기 진동 방지 장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 물체 주변에 유동이 머무는 시간을 감소시켜 유동을 보다 단순화하여 와류기 진동을 방지하는 와류기 진동 방지 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에 따른 단면이 다각 형상으로 형성되고 원형 단면을 갖는 구조부재에 설치되어 전체 단면 형상을 다각 형상으로 변경해서 유체의 상대 흐름 속에서 상기 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 방지하는 것을 특징으로 한다 .

본 고안은 단면이 다각 형상인 다각 기둥 형상으로 형성되는 몸체를 포함하고, 상기 몸체의 중앙부에는 상기 구조부재에 설치 가능하도록 설치공이 형성되며, 상기 몸체의 일측면에는 절개선이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체는 외력에 의한 변형을 방지하고, 탄성을 이용해서 상기 절개선의 양측 부분을 벌려서 상기 구조부재에 설치 가능하도록 고탄성 수지 재질의 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체의 표면에는 유체가 신속하게 지나가도록 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체의 내주면에는 상기 구조부재의 표면과의 사이에서 마찰력을 발생시키는 마찰층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체는 상기 마찰층과 구조부재의 표면 사이의 마찰력을 조절해서 바람이 불어오는 방향을 향해 회전 가능한 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 와류기 진동 방지 장치에 의하면, 와류기 진동 방지 장치를 구조부재에 설치해서 단면 형상을 변화시켜 유동장 패턴과 주기를 변경함으로써, 와류기 진동을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 고안에 의하면, 단면이 다각 형상인 와류기 진동 방지 장치를 이용해서 물체 주변의 시각적인 불규칙적 압력 분포를 완화할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 고안에 의하면, 유체가 지나가는 길이를 감소시켜 구조부재 주변에 유동이 머무는 시간을 최소화함으로써, 유체의 유동을 보다 단순화해서 와류기 진동을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 고안에 의하면, 와류기 진동에 의한 트러스형 구조물의 손상이나 변형을 미연에 예방할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 원통 단면을 가진 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 예시한 도면,
도 2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 방지 장치의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 A-A'선에 대한 단면도,
도 4는 와류기 진동 방지 장치를 트러스형 구조물에 설치하는 과정을 보인 동작 상태도,
도 5는 본 고안의 다른 실시 예에 따른 와류기 진동 방지 장치의 예시도,
도 6 및 도 7은 본 고안에 따른 와류기 진동 방지 장치의 와류기 진동 방지 성능을 시험한 결과를 보인 도면,
도 8 및 도 9는 와류기 진동 방지 장치 적용 시 바람의 입사각에 따른 항력의 변화를 예시한 도면.

이하 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 방지 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 방지 장치의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 A-A'선에 대한 단면도이다.

본 고안에 따른 와류기 진동 방지 장치는 단면이 다각 형상으로 형성되고 튜브나 실린더 타입의 구조부재에 설치되어 유체의 상대 흐름 속에서 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 방지한다.

이를 위해, 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 와류기 진동 방지 장치는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 단면이 다각 형상인 다각 기둥 형상으로 형성되는 몸체(10)를 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3에서 몸체(10)는 삼각 기둥 형상으로 도시되어 있으나, 본 고안은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 고안은 몸체(10)의 단면을 삼각 형상뿐만 아니라, 사각 형상이나 오각 형상 등 다각 형상으로 형성하도록 변경될 수 있다.

다만, 몸체(10)의 각 수가 증가할수록 원형에 가까워짐에 따라, 본 고안에서 몸체(10)는 삼각 형상이나 사각 형상 등으로 형성되는 것이 바람직하다.

몸체(10)의 중앙부에는 튜브나 실린더 타입의 구조부재(11)에 설치 가능하도록 설치공(12)이 형성되고, 몸체(10)의 일측면에는 탄성을 이용해서 구조부재(11)에 설치 가능하도록 절개선(13)이 형성될 수 있다.

이러한 몸체(10)는 외력을 받아도 변형되지 않고, 탄성을 이용해서 절개선(13)의 양측 부분을 벌려서 구조부재(11)에 설치할 수 있도록, 고탄성 에폭시(epoxy)와 같은 고탄성 수지(high elasticity resin) 재질의 재료로 제조될 수 있다.

도 4는 와류기 진동 방지 장치를 트러스형 구조물에 설치하는 과정을 보인 동작 상태도이다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 몸체(10)의 일측면에는 절개선(13)이 형성된다.

그래서 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 절개선(13) 양측 부분을 외측으로 변형시킨 후 구조부재(11)에 설치한다.

그러면, 몸체(10)는 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 구조부재(11)에 설치된 후에는 탄성에 의해 본래의 형상으로 복원되어 구조부재(11)에 안정적으로 설치될 수 있다.

몸체(10)의 표면에는 도 3에 도시된 바와 같이, 바람이나 조류가 신속하게 지나갈 수 있도록 코팅층(14)이 형성될 수 있다.

그리고 몸체(10)의 내주면, 즉 설치공(12)의 외주면에는 구조부재(11)의 표면과의 사이에서 마찰력을 발생시키도록 마찰층(15)이 형성될 수 있다.

이에 따라, 본 고안은 와류기 진동 방지 장치에 작용하는 유체의 영향을 최소화하고, 마찰력을 이용해서 구조부재에 안정적으로 설치된 상태를 유지할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 구조부재(11)에 하나의 몸체(10)를 설치하는 것으로 설명하였으나, 본 고안은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도 5는 본 고안의 다른 실시 예에 따른 와류기 진동 방지 장치의 예시도이다.

몸체(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개로 분할되어 하나의 구조물(11)에 동시에 설치될 수도 있다.

이와 같이, 본 고안은 복수의 와류기 진동 방지 장치를 하나의 구조물에 동시에 설치해서 와류기 진동을 방지하도록 변경될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 고안에 따른 와류기 진동 방지 장치의 와류기 진동 방지 성능을 시험한 결과를 보인 도면이다.

도 6에는 단면이 원형인 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 실험한 결과가 도시되어 있고, 도 7에는 단면이 삼각 형상인 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 실험한 결과가 도시되어 있다.

유사한 레이놀즈 수(reynolds number)에서 도 6에 도시된 바와 같이 단면이 원통 형상인 구조부재(11)보다 도 7에 도시된 바와 같이 단면이 삼각 형상으로 변경된 경우 와류 발생의 정도가 낮아짐을 알 수 있다.

이와 같이, 본 고안은 와류기 진동 방지 장치를 구조부재에 적용해서 단면 형상을 변경함으로써, 와류 발생 양상에 변화를 주어 와류기 진동을 방지할 수 있다.

도 8 및 도 9는 와류기 진동 방지 장치 적용 시 바람의 입사각에 따른 항력의 변화를 예시한 도면이다.

도 8에는 단면이 이등변 삼각형 형상인 와류기 진동 방지 장치의 끼인각 측 모서리에 바람이 입사되는 경우가 도시되어 있고, 도 8에는 와류기 진동 방지 장치의 일측면에 바람이 입사되는 경우가 도시되어 있다.

표 1는 도 8 및 도 9에 도시된 와류기 진동 방지 장치의 이등변 삼각형의 끼인각 각도 및 항력 계수 테이블이다.

	끼인각 각도(θ)	항력 계수(Cd, Re=104)
도 8	30	1.1
	60	1.4
	90	1.6
	120	1.75
도 9	30	1.9
	60	2.1
	90	2.15
	120	2.05

표 1에 기재된 바와 같이, 단면이 삼각 형상인 와류기 진동 방지 장치를 구조부재(11)에 설치하는 경우, 바람의 입사각에 따라 구조부재(11)에 미치는 항력(Drag Force)의 변화가 심하게 나타난다.

따라서, 본 실시 예에서 몸체(10)는 구조부재(11)에 완전히 접합되지 않고, 마찰층(15)과 구조부재(11) 사이에서 발생하는 마찰력을 조절함으로써, 미리 설정된 기준 항력 값 이상으로 항력이 증가하는 경우, 바람이 불어오는 방향을 향해 회전 가능하게 설치될 수 있다.

이에 따라, 본 고안은 바람의 방향에 따라 와류기 진동 방지 장치가 회전 가능하게 설치해서 와류기 진동을 최소화할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 고안은 와류기 진동 방지 장치를 구조부재에 설치해서 단면 형상을 변화시켜 유동장 패턴과 주기를 변경함으로써, 와류기 진동을 방지할 수 있다.

그리고 본 고안은 단면이 삼각 형상 등 다각 형상의 와류기 진동 방지 장치를 이용해서 물체 주변의 시각적인 불규칙적 압력 분포를 완화하고, 유체가 지나가는 길이를 감소시켜 구조부재 주변에 유동이 머무는 시간을 최소화함으로써, 유체의 유동을 보다 단순화해서 와류기 진동을 방지할 수 있다.

이상 본 고안자에 의해서 이루어진 고안을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 고안은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10: 몸체
11: 구조부재
12: 설치공
13: 절개선
14: 코팅층
15: 마찰층

Claims (6)

1. 단면이 다각 형상으로 형성되고 원형 단면을 갖는 구조부재에 설치되어 전체 단면 형상을 다각 형상으로 변경해서 유체의 상대 흐름 속에서 상기 구조부재에서 발생하는 와류기 진동을 방지하는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 방지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   단면이 다각 형상인 다각 기둥 형상으로 형성되는 몸체를 포함하고,
   상기 몸체의 중앙부에는 상기 구조부재에 설치 가능하도록 설치공이 형성되며,
   상기 몸체의 일측면에는 절개선이 형성되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 방지 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 몸체는 외력에 의한 변형을 방지하고, 탄성을 이용해서 상기 절개선의 양측 부분을 벌려서 상기 구조부재에 설치 가능하도록 고탄성 수지 재질의 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 방지 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 몸체의 표면에는 유체가 신속하게 지나가도록 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 방지 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 몸체의 내주면에는 상기 구조부재의 표면과의 사이에서 마찰력을 발생시키는 마찰층이 형성되는 것을 특징으로 하는 와류기 진동 방지 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 몸체는 상기 마찰층과 구조부재의 표면 사이의 마찰력을 조절해서 바람이 불어오는 방향을 향해 회전 가능한 것을 특징으로 하는 와류기 진동 방지 장치.

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