KR20180079936A - 비대칭 구조의 viv 저감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 와류에 의하여 대상체에 유발되는 진동을 저감하는 장치에 있어서: 상기 대상체의 외면에 지지관(22)을 회전 가능하게 지지하는 지지수단(20); 및 상기 지지수단(20) 상에서 대향되는 위치에 연결체(34)를 개재하여 상호 다른 평면상에 이격 설치되는 날개판(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 부유식 플랫폼 등에서 라이저 주변에 발생하는 와류를 멀리 이격시킴으로써 와류에 의한 영향을 감소시키고 VIV 저감용 부가물 부착에 의하여 드래그 하중 증가를 최소화시켜 라이저의 피로수명을 증대하는 효과가 있다.

Description

비대칭 구조의 VIV 저감장치{Apparatus for reducing vortex induced vibration with asymmetric structure}
본 발명은 진동을 저감하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 해양구조물의 구조 개선을 통하여 VIV에 대응한 라이저의 피로 수명을 늘리는 비대칭 구조의 VIV 저감장치에 관한 것이다.
해저 유정 및 해저 광물 자원을 개발하기 위해서는 부유식 플랫폼이 필요하다. 그리고 이러한 플랫폼에는 세장체의 구조물이 해저 바닥까지 연결되어 석유 자원 및 해저 바닥의 광물을 플랫폼 위까지 이송시키는 역할을 한다. 이러한 구조물을 라이저라고, 하며 조류(current)나 조파(wave)와 같은 외력에 의해 설계 수명 동안 끊임없이 환경 하중을 받게 된다. 이러한 current의 영향으로 라이저에 와류유발진동이 발생하여 라이저의 피로 수명에 많은 영향을 미친다.
이에 대한 대책과 관련되는 선행기술문헌으로서 하기의 한국 공개특허공보 제2011-0117096호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2015-0052486호(선행문헌 2) 등의 특허문헌을 참고할 수 있다.
선행문헌 1은 적어도 3 개의 구조체를 포함하는, 유동 유체 환경 하의 구조체 어레이; 및 상기 구조체 중 적어도 2 개에 와유기 진동 억제 장치를 포함하고, 상기 어레이는 적어도 하나의 내부 구조체와, 이 내부 구조체를 중심으로 둘레부를 형성하는 복수 개의 외부 구조체를 포함한다. 이에, 구조체의 항력을 감소시키고 보다 적은 비용으로 와유기 진동을 감소시키는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 발전로터유닛의 상부에서 하부까지 발전로터유닛에 배치되되, 해수의 유동에 의해 회전되도록 그리고 발전로터유닛을 회전시키도록 발전로터유닛에 결합되는 복수의 블레이드유닛을 제안한다. 이에, 라이져의 VIV 현상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전을 수행하여 전기를 생산하는 효과를 기대한다.
다만, 상기한 선행문헌에 의하면 리프트 하중(lift force)과 드래그 하중(drag force)의 동시 저감이 미흡하고, 대상 해역의 환경 하중이 변동되는 상태에 대응하는 VIV 저감의 유연성을 기대하기도 미흡하다.
1. 한국 공개특허공보 제2011-0117096호 "라이저 어레이의 와유기 진동의 억제" (공개일자 : 2011.10.26.) 2. 한국 공개특허공보 제2015-0052486호 "해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 … 해양구조물" (공개일자 : 2015.05.14.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 대상 해역에서 환경 하중에 의하여 유발되는 VIV를 저감함에 리프트 하중(lift force)과 드래그 하중(drag force)을 모두 감소시켜 동적 안정성을 극대화하기 위한 비대칭 구조의 VIV 저감장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 와류에 의하여 대상체에 유발되는 진동을 저감하는 장치에 있어서: 상기 대상체의 외면에 지지관을 회전 가능하게 지지하는 지지수단; 및 상기 지지수단 상에서 대향되는 위치에 연결체를 개재하여 상호 다른 평면상에 이격 설치되는 날개판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 날개판은 힌지 또는 볼조인트 방식의 연결체를 개재하여 지지관 또는 회전대에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 날개판은 서포트암과 변위체를 개재하여 지지관의 반경방향으로 위치이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 날개판은 변부에 회동 가능한 구조의 보조판을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 회전대와 변위체는 제어기의 출력단에 연결되고, 제어기는 조류의 변동을 감지하여 날개판의 자세를 변동하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 부유식 플랫폼 등에서 라이저 주변에 발생하는 와류를 멀리 이격시킴으로써 와류에 의한 영향을 감소시키고 VIV 저감용 부가물 부착에 의하여 드래그 하중 증가를 최소화시켜 라이저의 피로수명을 증대하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 라이저에 대한 VIV 저감 장치를 나타내는 예시도
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 장치의 기본적인 구조를 나타내는 사시도 및 평면도
도 4는 본 발명에 따른 장치를 다양한 실시예로 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 성능 시험 결과를 나타내는 도표
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 와류에 의하여 대상체에 유발되는 진동을 저감하는 장치에 관하여 제안한다. 도 1에서 대상체는 해상에 설치되는 라이저(10)를 예시하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 라이저는 수면 위 플랫폼과 해저 바닥을 연결하는 배관, 해저 유정으로부터 생산되는 석유 및 가스의 이송 통로 등으로 이용되는 원형의 관체를 통칭한다. 라이저(10)는 파도, 조류 등과 같은 외력에 견딜 수 있도록 설계되어 있으나, 환경 하중의 영향으로 와류유발진동(VIV)이 발생하면 급격한 내구성 약화를 초래할 수 있다.
도 1(a)을 참조하면 VIV는 라이저의 피로현상으로 수명을 현저하게 단축시키므로 설계 단계에서 고려해야 할 중요한 요소이다. 종래에 라이저의 VIV를 저감시키기 위해 도 1(b)의 스트레이크(strake)와 도 1(c)의 페이링(faring)과 같은 장비를 라이저(10)의 외주면에 부착한다. 전자는 나선형의 구조물로 설치되어 라이저 주변 유동을 교란하여 VIV 현상을 감소한다. 반면 후자의 경우 라이저의 후류에 설치되어 후류에 발생하는 와류를 멀리 떨어트려 그 영향을 축소한다. 다만, 이러한 종래의 구성에서 드래그 하중(Drag force)에 대한 고려가 미흡하다.
본 발명에서는 비대칭 와류유발진동 저감 장치로서 라이저(10) 발생하는 와류유발진동 현상을 효율적이고 경제적인 방법으로 감소시키고자 한다. 라이저(10)에 발생하는 리프트 하중(Lift force)을 효율적으로 상쇄시키고, 더불어 발생하는 드래그 하중(Drag force)을 저감시키는 효과를 목표로 한다.
본 발명에 따르면 지지수단(20)이 상기 대상체의 외면에 지지관(22)을 회전 가능하게 지지하는 구조를 지닌다. 대상체가 관형태의 라이저(10)인 경우 지지수단(20)의 지지관(22)은 설치 용이성을 감안하여 2분할 구조로 형성한다. 2분할된 지지관(22)은 회전 가능한 구조를 위해 라이저(10)보다 큰 내경으로 형성하고, 외면에서 다수의 밴드(26)를 이용하여 편심되지 않도록 고른 결합력을 유지한다. 지지관(22)을 회전 가능하게 지지하는 회전대(24)는 베어링 또는 부싱을 사용하며 후자의 경우 테프론 수지를 부가할 수도 있다.
한편, 지지관(22)은 날개판(30)의 회동 위치를 변동하기 위한 구동모터(도시 생략)를 더 구비할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 날개판(30)이 상기 지지수단(20) 상에서 대향되는 위치에 연결체(34)를 개재하여 상호 다른 평면상에 이격 설치되는 구조를 지닌다. 도 2에서 한 쌍의 날개판(30)이 상하 2층으로 배치되고, 각각의 날개판(30)이 2개의 연결체(34)에 의하여 지지된 상태를 예시한다. 날개판(30)은 해역의 조류 특성에 따른 분석(CFD 해석)을 통해 설계되지만 그 형태가 단순하므로 제작이 용이하고 설치작업의 편의성을 확보하고 원가부담을 경감할 수 있다. 도 3을 기준으로 보면 상하의 날개판(30)이 라이저(10)의 측면에 비대칭 구조로 배치된다. 도 2 및 도 3에서 날개판(30)과 직교하는 화살표가 상호 반대 방향으로 표시되는 것처럼 라이저(10)에 발생하는 리프트 하중이 효과적으로 상쇄된다.
이때, 원통형 지지관(22)은 조류의 방향에 따라 회전 가능하게 구성되어, 조류의 방향에 상관없이 와류유발진동 발생을 효율적으로 감소시킨다. 즉, 도 2 및 도 3에서 라이저(10)와 직교하는 화살표처럼 조류(current)에 의해 발생하는 드래그 하중을 감소시킴과 동시에 라이저(10) 전체에 작용하는 리프트 하중을 감소시키므로 와류유발진동 발생이 최소화된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 날개판(30)은 힌지 또는 볼조인트 방식의 연결체(34)를 개재하여 지지관(22) 또는 회전대(24)에 연결되는 것을 특징으로 한다. 연결체(34)로 힌지를 사용하고 지지관(22)에 연결하면 날개판(30)의 좌우 왕복운동이 가능하다. 연결체(34)로 볼조인트를 사용하고 회전대(24) 상에 설치하면 날개판(30)의 좌우 비틀림운동도 가능하다. 어느 경우에나 대상 해역에서 환경 하중에 의하여 유발되는 VIV의 저감에 기여한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 날개판(30)은 서포트암(32)과 변위체(36)를 개재하여 지지관(22)의 반경방향으로 위치이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 라이저(10)의 내부에 변위체(36)가 수용되고 변위체(36)의 서포트암(32)에 연결체(34)를 개재하여 날개판(30)이 연결된 상태를 예시한다. 변위체(36)는 솔레노이드와 같은 전기 구동원을 사용할 수 있고, 서포트암(32)은 솔레이노이드의 작동로드 또는 작동로드와 연결되는 링크로 구성할 수 있다.
도 4(a)는 상측 날개판(30)의 하향 회동시킨 상태이고, 도 4(b)는 상측 날개판(30)을 상향 회동시킨 상태이다. 상측 날개판(30)은 물론 하측 날개판(30)에도 동일한 구성을 적용할 수 있다. 어느 경우에나 대상 해역에서 환경 하중에 대응하여 와류를 라이저(10)에서 이격시켜 피로수명 저하를 방지한다.
본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 날개판(30)은 변부에 회동 가능한 구조의 보조판(38)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 날개판(30)의 외측 변부 중간에 보조판(38)이 형성된 상태를 나타낸다. 보조판(38)도 날개판(30)과 동일한 기능을 수행하여 VIV 저감에 조력한다. 날개판(30) 및 보조판(38)은 해역의 특성에 맞게 단면 형상, 받음각(angle of attack) 등의 설계요소를 다양하게 선택하여 적용 가능하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 회전대(24)와 변위체(36)는 제어기(46)의 출력단에 연결되고, 제어기(46)는 조류의 변동을 감지하여 날개판(30)의 자세를 변동하는 것을 특징으로 한다. 제어수단(40)의 제어기(46)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력단을 지닌 마이컴 회로로 구성한다. 제어기(46)의 입력단에는 조류검출기(42)를 연결하고, 출력단에는 구동모터와 변위체(36)에 출력을 인가하는 구동기를 연결한다. 조류검출기(42)는 해당 해역의 조류 속도 외에, 방향, 온도, 밀도 등의 정보를 검출한다. 이와 같이 제어수단(40)의 제어기(46)를 기반으로 하기 때문에 대상 해역의 환경 하중이 변동되는 상태에 대응하는 VIV 저감의 유연성을 향상할 수 있다.
본 발명에 의한 장치의 성능을 파악하기 위하여 CFD tool 또는 실험 장치로 성능을 검증하고, 추가적인 CFD 해석을 통해 장치의 크기 및 위치를 최적화 시킬 수 있는 설계 요소를 도출할 수 있다.
도 5(a)는 FLUENT로 계산한 결과값으로서 드래그 하중이 감소된 내용을 나타내고, 도 5(b)는 FLUENT로 계산한 결과값으로서 리프트 하중의 상쇄로 진폭이 줄어든 것을 나타낸다. 도 5(a)에서 종래 및 본 발명의 장치에 결과를 대비하면 비대칭 와류유발진동 저감 장치 부착에 의하여 드래그 하중이 대략 13% 정도 저감되는 것을 알 수 있다. 도 5(b)에서 종래 및 본 발명의 장치에 결과를 대비하면 비대칭 와류유발진동 저감 장치 부착에 의하여 드래그 하중이 대략 40% 정도 저감되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 라이저 20: 지지수단
22: 지지관 24: 회전대
26: 밴드 30: 날개판
32: 서포트암 34: 연결체
36: 변위체 38: 보조판
40: 제어수단 42: 조류검출기
46: 제어기

Claims (5)

  1. 와류에 의하여 대상체에 유발되는 진동을 저감하는 장치에 있어서:
    상기 대상체의 외면에 지지관(22)을 회전 가능하게 지지하는 지지수단(20); 및
    상기 지지수단(20) 상에서 대향되는 위치에 연결체(34)를 개재하여 상호 다른 평면상에 이격 설치되는 날개판(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 VIV 저감장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 날개판(30)은 힌지 또는 볼조인트 방식의 연결체(34)를 개재하여 지지관(22) 또는 회전대(24)에 연결되는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 VIV 저감장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 날개판(30)은 서포트암(32)과 변위체(36)를 개재하여 지지관(22)의 반경방향으로 위치이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 VIV 저감장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 날개판(30)은 변부에 회동 가능한 구조의 보조판(38)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 VIV 저감장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전대(24)와 변위체(36)는 제어기(46)의 출력단에 연결되고, 제어기(46)는 조류의 변동을 감지하여 날개판(30)의 자세를 변동하는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 VIV 저감장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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