KR20190059685A - 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폰툰이 이동 또는 예항시 받는 마찰저항과 조파저항을 감소시키기 위해, 선수 및 선미 형상을 변형하여이동 또는 예항시 받는 저항을 줄이는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 폰툰을 포함하는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조에 있어서, 상기 폰툰은 선수, 선측 및 선미가 연결되어 구성되며, 상기 폰툰 저면의 각 모서리는 라운딩하게 만곡부가 형성되며, 상기 선수 및 선측 만곡부의 곡률반경은 R1이며, 상기 선미 만곡부의 곡률반경은 선측에서 선미 단부로 갈 수록 R1에서 R2로 연속적으로 변하여 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조에 관한 것이다.

Description

저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조{pontoon of semi-rig for resistance reduction.}

본 발명은 반잠수식 시추선의 이동 또는 예항시, 유체와의 마찰저항 및 조파저항을 감소시키기 위한 폰툰 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 저항을 줄이기 위해 선수에 저항 감소 부재를 추가로 설치하고, 선미의 형상을 변형한 반잠수식 시추선의 폰툰 구조에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

본 발명은 드릴링 작업동안 해상에 떠서 정박한 상태로 유지되는 형태의 드릴링 유니트와 같은 반잠수식 시추선(semi-rig)에 관한 것이다.

일반적으로, 해양 구조물은 파랑, 조류, 바람 등의 외력을 받아 동요를 발생하지만, 구조물의 안정성 및 설비의 성능을 유지하기 위하여 선박의 동요를 저감시킬 필요가 있다. 이 대책으로서 부체식 구조물의 경우에는 구조물의 수면 아래의 형상을 다양하게 고려하고 있으며, 예를들어 부체의 흘수선(water line)면적을 작게 하고, 흘수선면 아래의 몰수부에 큰 배수량을 갖게 한 구조로 함으로써, 임의의 특정 범위의 주기의 파도에 대한 동요를 저감하는 방법이 있다.

반잠수식 구조물은 이러한 방법을 채용한 부체식 구조물이며, 석유 굴삭 시추선(rig), 크레인 바지, 파이프 부설선, 채유 처리 설비 플랫폼, 대형 해양 구조물 등에 이용되고 있다.

반잠수식 구조물의 일 예로, 도 1은 반잠수식 시추선(1)의 몸체 부분만을 개략적으로 도시한 것이며, 드릴링 장비가 탑재되는 상부 헐(10), 잠수되는 부분인 하부 헐(30), 상부 헐(10)과 하부 헐(30)을 연결하도록 설치되는 칼럼(20)을 포함하며, 하부 헐(30)은 부유체인 폰툰(pontoon)과 폰툰 사이에 작용하는 스플릿력, 피치 커넥팅 모멘트, 랙킹력으로 인하여 시추선이 파손되는 것을 방지하기 위한 브레이스(40)를 포함한다.

이러한 반잠수식 시추선은 하부 헐에 의해 해상에 뜬 상태로 이동하고, 목적지에서 하부 헐의 내부나 칼럼의 일부에 밸러스트를 주수하여 침하시켜 반잠수 상태로 하여 해양의 한 지점에 두고 굴삭 작업을 진행한다.

시추선은 종래 다른 예인선에 의해서 예인하여 목적지로 이동하였으나, 최근에는 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 시추선이 개발되고 있다.

시추선이 이동하거나 예항되는 경우, 유체의 저항 및 파랑의 저항을 받게 되는데, 특히 반잠수식 시추선의 경우 낮은 건현(Free board)으로 인해 이동시 선수부에서 발생된 파도가 폰툰(pontoon) 상부면 위로 올라와 칼럼에 부딪히는 현상이 발생한다. 이는 시추선의 마찰저항과 조파저항을 증가시키게 되어 운항시 저항 및 자항면에서 상당히 열악한 조건을 만든다.

따라서 마찰저항 및 조파저항을 줄이기 위한 다양한 시도가 진행되고 있으며, 일예로 하기 특허문헌 1에서는 폰툰의 선수부에 파랑 감쇄 구조물을 설치한 것을 개시하고 있다.

공개특허번호 "10-2011-0026091", 발명의 명칭 "반잠수식 시추선의 파랑 감쇄장치

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 더욱 상세하게는 폰툰이 이동 또는 예항시 받는 마찰저항과 조파저항을 감소시키기 위해, 선수 및 선미 형상을 변형하여이동 또는 예항시 받는 저항을 줄이는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 폰툰의 선수에 파랑을 감쇄하는 구조물을 추가하여 폰툰이 받는 마찰저항과 조파저항을 감소시키는 폰툰 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 폰툰이 받는 마찰저항 및 조파저항을 감소시키기 위하여 개선된 브레이스 형상을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조는, 폰툰을 포함하는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조에 있어서, 상기 폰툰은 선수, 선측 및 선미가 연결되어 구성되고, 상기 폰툰 저면의 각 모서리는 라운딩하게 만곡부가 형성되며, 상기 선수 및 선측 만곡부의 곡률반경은 R1이며, 상기 선미 만곡부의 곡률반경은 선측에서 선미 단부로 갈 수록 R1에서 R2로 연속적으로 변하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, R1보다 상기 R2가 더 큰 것을 특징으로 하여 폰툰의 선미로 갈 수록 만곡부의 곡률반경이 커지게 형성할 수 있다. 이러한 형상에 의하여 폰툰이 받는 저항을 감소시킬 수 있다.

나아가, R2는 상기 폰툰의 높이의 0.1~0.5배인 것을 특징으로 할 수 있으며, 이 경우 R1은 폰툰 톺이의 0.1배 이하인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 일 실시예로서 상기 폰툰 선수의 상면에 설치되는 저항감쇄부재를 더 포함할 수 있으며, 상기 저항감쇄부재는 부채꼴 형상을 포함하는 플레이트이되, 상면 및 하면은 평행하게 형성되고, 상기 부채꼴을 형성하는 측면은 선수방향으로 설치되되 상부가 폰툰의 외측 방향으로 돌출되도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하여 파도가 폰툰의 상부로 범람하는 것을 방지하며 파랑을 감쇄시켜주는 역할을 한다.

나아가 본 발명의 일 실시예로서, 상기 저항감쇄부재는 폰툰의 길이 방향으로 이동 가능하게 마련하여 반잠수식 구조물의 이동 속도 등 운항 조건을 고려하여 선수 측으로 돌출되는 정도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 반잠수식 구조물은 복수 개의 폰툰을 포함하며, 각 폰툰을 연결하도록 설치되는 복수 개의 브레이스를 더 포함하고, 상기 브레이스의 단면은 원형인 것을 특징으로 하여 폰툰이 받는 저항을 줄일 수 있다.

본 발명 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조는 선미 만곡부의 형상을 선수 만곡부의 형상과 달리 함으로써 폰툰이 받는 저항이 5%정도 개선되는 효과가 있다.

또한 폰툰의 선수부에 저항감쇄부재를 설치하여 파도의 흐름을 개선함으로써 폰툰이 받는 저항이 3% 개선되며, 폰툰의 자항성능을 향상시키는 효과가 있다. 나아가 저항감쇄부재를 폰툰의 길이방향으로 이동가능하게 설치하여 폰툰의 이동속도에 따라 유리한 위치로 이동시키는 것이 가능하다.

또한 브레이스의 형상을 사각형으로 할 때보다 원형으로 하는 경우 폰툰이 받는 저항을 10%정도 감소시키는 효과가 있다.

또한 선미의 형상을 변화시키고 선수부에 저항감쇄부재를 설치함으로써 폰툰의 전면(선수측)으로 부터 동요되는 히브모션이 4%정도 개선되는 효과가 있다.

따라서 폰툰이 받는 저항을 줄임으로써 선속이 증가하므로 연료 저감의 효과를 얻을 수 있고 이동시간의 단축으로 생산성이 향상될 수 있다.

도 1은 반잠수식 시추선의 일반적인 형상을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명 폰툰 구조의 개선된 하부 형상의 사시도이다.
도 3은 본 발명 폰툰 구조의 정면도, 좌측면도, 우측면도 및 저면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 선미 형상 변형시의 저항 감소 효과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명 폰툰 구조의 저항감쇄부재를 설치한 정면도, 좌측면도 및 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 저항감쇄부재 설치시 저항 감소 효과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 폰툰 구조의 선미 형상 개선 및 저항감쇄부재 설치시 히브모션이 개선되는 효과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

종래 반잠수식 구조물의 폰툰(100) 구조는 선체의 측면에서 봤을 때 직사각형에 근사한 형태였으며, 본 발명은 이 형상을 변경하여 폰툰(100)이 해상에서 이동시 받는 유체의 마찰저항 및 조파저항을 감소하고자 하는 것이다.

본 발명은 반잠수식 구조물에 관한 것이며, 도 1과 같은 반잠수식 시추선(1)을 예로 들어 설명한다. 반잠수식 시추선(1)은 상술한 바와 같이, 상부 헐(10)과 하부 헐(30) 및 상부 헐(10)과 하부 헐(30)을 연결하는 복수 개의 칼럼(20)으로 형성된다. 하부 헐(30)은 구조물의 부유를 위한 폰툰(100)과, 복수 개의 폰툰(100)을 연결하여 하부 헐(30)을 구조적으로 보강하는 브레이스(40)를 포함한다. 폰툰(100)은 반잠수식 시추선(1)의 길이방향, 즉 선수 선미 방향으로 배치되며, 두 개 이상을 구비하는 것이 바람직하다.

편의상 폰툰(100)이 일반적인 선박과 같이 선수, 선측, 선미 일체로 형성되는 것으로 보며, 이는 반잠수식 시추선(1)의 선수, 선측, 선미 방향과 일치하는 것으로 본다.

본 발명은 폰툰(100)의 하부 형상을 변형시키고, 선수에 저항감쇄부재(200)를 설치하여 유체의 마찰저항 및 조파저항을 감소시킨다. 나아가, 브레이스(40)의 단면 형상을 원형으로 하여 상기의 목적을 달성할 수 있다.

먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여 폰툰(100)의 하부 형상에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명 폰툰(100) 구조의 개선된 하부 형상의 사시도이며, 도 3은 본 발명 폰툰(100) 구조의 정면도, 좌측면도, 우측면도 및 저면도이다. 도 3에서 폰툰(100)을 선측 방향에서 바라본 것을 정면도, 선수 방향에서 본 것을 좌측면도, 선미방향에서 본 것을 우측면도라 한다.

일반적인 폰툰(100)은 직사각 기둥 형태로 형성되며, 각 모서리가 라운딩하게 형성되지 않는다. 다만 선수 및 선미는 테이퍼 경사면을 갖도록 형성된 사례가 있다.

폰툰(100) 선측을 형성하는 모서리를 평행부, 폰툰(100)의 선수를 형성하는 모서리를 선수부, 폰툰(100)의 선미를 형성하는 모서리를 선미부라고 할 때, 본 발명은 선수부와 선미부가 일정한 곡률반경(R)을 가지도록 형성된다. 다시 말해, 폰툰(100)의 선수 및 선미는 선측과 라운딩하게 연결된다. 선수부 및 선미부의 곡률반경은 다르게 형성될 수 있으나, 동일하게 형성하는 것도 가능하다. R은 폰툰(100) 길이의 0.1 내지 0.2배의 값을 갖는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.14배의 값을 가질 수 있다.

또한, 폰툰(100)의 저면을 형성하는 모서리는 둥글게 모깎기 된 형상을 가질 수 있다. 폰툰(100) 저면의 둥글게 형성되는 부분을 만곡부라고 하며, 선수부, 선측부, 선미부 하부에 형성된 만곡부를 각각 선수 만곡부(110), 선측 만곡부(120), 선미 만곡부(130)라고 칭한다.

각각의 만곡부는 각기 다른 곡률반경을 가질 수 있다. 바람직하게는 선수 만곡부(110)와 선측 만곡부(120)의 곡률반경이 동일하게 형성될 수 있으며, 이 때 선수 만곡부(110) 및 선측 만곡부(120)의 곡률반경을 이하 R1이라 한다. R1은 폰툰(100) 높이의 0.1배 내외, 더욱 바람직하게는 0.08배로 형성될 수 있다.

선미 만곡부(130)는 곡률반경을 달리함이 유체 저항 감소의 측면에서 바람직하다. 구체적으로는, 선미 만곡부(130)는 R1 내지 R2의 곡률 반경을 갖도록 형성된다. 구체적으로는 선측과 접하는 선미 만곡부(130)는 R1, 선미 단부의 만곡부는 R2의 곡률반경을 갖고, 선측과 접하는 부분에서 선미 단부로 갈수록 만곡부의 곡률반경은 R1에서 R2로 연속적으로 변하게 된다.

이 때, R2는 R1보다 크게 형성됨이 바람직하다. 따라서 선미의 단부 쪽으로 만곡부의 곡률반경이 커지므로 갈수록 더 많이 모깎기 된 형태가 된다.

이 때 선미의 저면은 선측과 접하는 부분부터 선미 단부까지 경사지게 형성될 수 도 있고, 도 2 및 도 3과 같이 선측과 접하는 부분과 상관없이 선미의 저면 모서리를 따라 둥글게 형성될 수 있다. 선미의 저면 모서리를 따라 둥글게 형성되는 경우, R2는 폰툰(100) 높이의 0.4 내지 0.5배 정도로 형성됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.46배의 값을 가질 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 선미 형상 변형시의 저항상수(Cr)를 반잠수식 구조물의 이동속도에 따라 나타내는 그래프이다. 그래프에서 F1A1은 종래의 폰툰(100) 형상에 의한 결과이며, F1A2는 본 발명과 같이 폰툰(100)의 하부 형상을 변형한 반잠수식 구조물의 결과이다. 이를 참조하면, 본 출원인이 실험한 속도 범위 내에서 본 발명이 종래의 발명보다 이동시 받는 저항이 감소한 것을 알 수 있다.

이하 도 5를 참조하여, 폰툰(100)의 선수부에 설치되는 저항감쇄부재(200)에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명 폰툰(100) 구조의 저항감쇄부재(200)를 설치한 정면도, 좌측면도 및 평면도이다.

저항감쇄부재(200)는 폰툰(100)의 선수부 상면에 설치된다. 반잠수식 시추선(1)의 경우 칼럼(20)과 간섭되지 않는 범위에 설치된다.

저항감쇄부재(200)는 일부가 부채꼴 형상으로 형성되는 플레이트이되, 상면 및 하면은 평행하게 형성되고, 상기 부채꼴의 원호를 형성하는 측면은 선수방향으로 설치된다. 일 실시예로서, 저항감쇄부재(200)의 상부가 폰툰(100)의 외측 방향으로 돌출되도록 경사지게 형성될 수 있으며, 선수의 전방으로 돌출됨이 바람직하다. 이러한 형상으로 형성되므로 파도가 폰툰(100) 상면으로 범람하는 것을 방지하고, 파도의 흐름을 개선할 수 있다.

저항감쇄부재(200)의 높이(h)는 폰툰(100)의 높이의 약 0.1배로 형성됨이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예로서, 저항감쇄부재(200)는 폰툰(100)의 길이 방향으로 이동할 수 있게 마련된다. 즉, 도 5에는 저항감쇄부재(200)의 후면과 칼럼(20) 사이의 길이(l)을 표시하고 있는데, 저항감쇄부재(200)는 도면상 l만큼 후방으로 이동할 수 있다. 저항감쇄부재(200)를 폰툰(100)의 길이 방향으로 이동가능하게 마련함에 있어, 저항감쇄부가 폰툰(100)의 길이 방향으로 형성된 레일상에 설치되고, 저항감쇄부에 모터를 연결하여 이동시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 저항감쇄부재(200) 설치시 저항 감소 효과를 반잠수식 구조물의 이동 속도에 따라 나타내는 그래프이다. 그래프에서 F'cle는 저항감쇄부재(200)를 뜻하며, F1A2는 폰툰(100)의 하부 형상만을 개선한 것이고, F3A2는 F1A2에 저항감쇄부재(200)를 설치한 것이다. 이를 참조하면, 5 노트(note) 정도를 기준으로 하여 이보다 빨리 이동하는 경우 저항감쇄부재(200)를 부착하였을 때 저항 감소 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

일반적으로 반잠수식 구조물의 이동 및 예항 속도는 5노트 이상이므로, 본 발명은 반잠수식 구조물이 이동시 받는 유체의 마찰저항, 조파저항을 감소시키는 효과가 있다.

나아가, 본 발명의 저항감쇄부재(200)는 폰툰(100)의 길이 방향으로 이동 가능하게 마련되므로, 낮은 속도로 이동할 때에는 선수의 후방으로 저항감쇄부재(200)를 이동시켰다가, 빠르게 이동할 때에는 저항감쇄부재(200)를 선수의 전방으로 이동시켜 폰툰(100)이 받는 저항을 줄일 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 폰툰(100) 구조의 선미 형상 개선 및 저항감쇄부재(200) 설치시 히브모션이 개선되는 효과를 나타내는 그래프이다. 본 그래프는 선수의 전방에서 파도가 치는 경우 반잠수식 구조물의 히브모션을 측정한 것이며, 이를 파도의 주기에 따라 도시하고 있다. F1A1은 종래의 폰툰(100)을 사용한 것이고, F3A2는 하부 형상이 변형되고 선수에 저항감쇄부재(200)를 설치한 본 발명의 폰툰(100) 구조를 사용한 결과이다.

일반적으로 18 내지 22초의 주기를 갖는 일부 주파수 구간을 제외하면 본 발명에 의한 폰툰(100) 구조 이용시에 히브모션이 개선되는 것을 확인할 수 있다.

또한 폰툰(100)이 받는 유체 저항을 감소시키기 위한 본 발명의 일 실시예로서, 브레이스(40)의 단면형상을 원형으로 할 수 있다. 원형으로 하는 경우, 같은 단면적을 갖는 사각형으로 단면이 형성되는 경우보다 저항을 10% 정도 감소되는 장점이 있다.

1 : 반잠수식 시추선 10 : 상부 헐
20 : 칼럼 30 : 하부 헐
40 : 브레이스 100 : 폰툰
110 : 선수 만곡부 120 : 선측 만곡부
130 : 선미 만곡부 200 : 저항감쇄부재

Claims (6)

1. 폰툰을 포함하는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조에 있어서,
   상기 폰툰은 선수, 선측 및 선미가 연결되어 구성되며,
   상기 폰툰 저면의 각 모서리는 라운딩하게 만곡부가 형성되며,
   상기 선수 및 선측 만곡부의 곡률반경은 R1이며, 상기 선미 만곡부의 곡률반경은 선측에서 선미 단부로 갈 수록 R1에서 R2로 연속적으로 변하는,
   저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 R1보다 상기 R2가 더 큰 것을 특징으로 하는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 R2는 상기 폰툰의 높이의 0.1~0.5배인 것을 특징으로 하는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 폰툰 선수의 상면에는 저항감쇄부재가 설치되며,
   상기 저항감쇄부재는 부채꼴 형상을 포함하는 플레이트의 형상이며, 상면 및 하면은 평행하게 형성되고, 상기 부채꼴의 원호를 형성하는 측면은 선수방향으로 설치되되 상부가 폰툰의 외측 방향으로 돌출되도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 저항감쇄부재는 폰툰의 길이 방향으로 이동 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 반잠수식 구조물은 복수 개의 폰툰을 포함하며,
   각 폰툰을 연결하도록 설치되는 복수 개의 브레이스를 더 포함하고,
   상기 브레이스의 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 저항을 감소시키는 반잠수식 구조물의 폰툰 구조.
   

Images