KR20200114635A - 부유식 수상구조물의 수위조절시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 수상 구조물의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도를 구속하여 수위 변화에 의한 계류장치의 부하를 최소화할 수 있고, 이를 통해 구조물의 내구성과 수명을 현저히 연장시킬 수 있으며, 설치비용을 현저히 절감할 수 있는 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템을 개시한다.

Description

부유식 수상구조물의 수위조절시스템{WATER LEVEL CONTROL SYSTEM OF FLOATING MARINE STRUCTURE}

본 발명은 수면 위에 부유되는 장방형의 메인 샤프트와; 상기 메인 샤프트의 각 측면에 구비되는 것으로, 상단이 개방형성되며 내부가 비어있고 바닥면에 배수홀이 형성되는 "ㄴ"자 형태로서 수위 증가시에는 내부에 물이 채워지고 수위 감소시에는 내부에 채워진 물이 배수홀을 통해 외부로 배출되면서 수위 변화의 영향을 최소화하면서 상기 메인 샤프트의 부력 중심이 유지되도록 하는 부력탱크와; 직교상태로 배치되는 한 쌍의 부력탱크가 서로 맞닿는 각 모서리에 수평방향을 따라 결합되는 연결바와; 상기 각 연결바의 타측 단부를 연결하도록 수직으로 결합되며, 저면에는 부력을 제공하기 위한 부력체가 구비되어 수상에서 부유되는 부력바와; 상기 부력바와 대응되는 형상의 홀이 관통형성되며 부력바를 따라 상하로 이동 가능하도록 하는 부싱이 일측 모서리에 구비되어 상기 부력바와 결합되면서 횡동요(ROLLING), 종동요(PITCHING), 선수동요(YAWING), 상하동요(HEAVING), 전후동요(SURGING), 좌우동요(SWAYING)의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도가 구속되어 수위 변화시 상기 부력바를 따라 상하방향으로만 이동되는 판형의 부유식 수상 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 부유식 수상 구조물이라 함은 하천, 강 또는 바다의 연안 등의 수면에 시공되는 수상휴게소, 부잔교, 바지선, 수상가옥, 수상 낚시터, 하역시설, 교량, 인공섬, 그 외 수상양식장 등과 같은 다양한 구조물을 지칭하는 것으로, 횡동요(ROLLING), 종동요(PITCHING), 선수동요(YAWING), 상하동요(HEAVING), 전후동요(SURGING), 좌우동요(SWAYING)의 6자유도 운동을 하게 된다.

물 위에 부유되는 수상 구조물의 안정화를 위해서는 상기의 6자유도를 모두 구속하는 것이 가장 이상적인데, 종래에 개시된 계류장치의 경우 구조가 복잡하고 고가의 설치비용이 발생하기 때문에 현실적으로 6자유도를 모두 구속한다는 것은 불가능하였다.

한편, 종래의 수상부유구조물의 계류방식에는 일점계류방식, 다점계류방식, 동적위치유지방식의 세 가지가 있다.

먼저, 일점계류방식이라 함은 석유 하역에 많이 사용되는 방식으로서, 특히 깊은 수심에 있어서는 고정식 구조물 방식 대신 널리 사용되고 있다. 고정식 구조물 방식은 유지비가 적고 석유 하역작업의 가동률이 높은데 비해, 일점계류방식은 유지비는 많이 드나 설비의 초기투자가 적은 것이 특징이다.

다음으로, 다점계류방식은 해양 구조물을 일정 위치에 정확히 유지하고 큰 계류력을 준비하기 위한 계류방식으로서, 해양작업선과 석유 굴삭 리그(oil drilling rig) 등에 채용되고 있다. 계류삭의 배치 방법에는 몇 가지 형식이 있다. 계류삭에는 와이어로프와 체인이 사용되며, 또한 중간싱커 혹은 중간 부이를 설치하여 계류삭을 안정시키는 일도 행한다. 닻은 수평력(해저면에서의 접선각 θ=0)을 대상으로 하고 있는데 비해, 싱커는 수평력 및 연직력(접속각 θ>0)을 대상으로 한다.

계류삭에 의한 계류는 수심의 제한을 받고 있어 석유 굴삭 리그에 있어서도 수백 미터 이상의 수심에 대한 실적은 많지 않다. 해양 구조물을 계류삭의 사용 없이 일정 위치에 유지하기 위해서는 동적위치유지방식(dynamic positioning method)에 의한다. GPS(global positioning system)을 이용하여 해양 구조물의 위치검지를 행하고, 소정의 위치를 유지하기 위하여 필요한 추진기, 보조추진기(thruster)의 작동량을 계산, 작동시키는 것이다. 동적위치유지방식의 정도는 수심에 대한 수평이동량의 비율(%)로 표시되는데, 100미터 정도의 수심에서 1% 정도이다. 수심의 증대와 함께 이 비율도 증대된다. 특히 라이저를 가지는 해양 구조물에서는 이것이 5% 정도까지가 한계로, 10%가 되면 라이저에 굽힘과 파손이 생기기 때문에 동적위치유지방식의 정도는 신중히 유지하는 것이 필요하다. 계류방식에 의한 해양 구조물의 위치 유지는 백 미터 이상의 수심에서 적용되는 예도 있으나, 수심의 증대와 함께 동적위치유지방식의 이용이 유리하다.

그런데, 현재까지 설치되어 사용 중인 계류장치들에 대한 설계 및 해석이 대부분 해외기술에 전적으로 의존해 왔다. 실제로 설치지역 환경에 맞는 설계가 제대로 이루어지지 못하고 있고, 해외로부터 계류장치들에 대한 해석 프로그램을 수입하여 해석에 이용하고 있기 때문에, 막대한 외화를 지출하고 있는 실정이다.

또한, 선행기술로서 개시된 종래의 다양한 계류장치들은 수상부유구조물과 수중의 바닥에 배치된 심관을 연결하는 로프에서 수면에 노출된 일부위가 수상부유구조물의 스크류에 감겨 안전을 해치는 문제점이 있었다.

아울러, 수면이 낮아지면서 팽팽해 졌던 로프가 느슨해지면 수상부유구조물의 유동이 그만큼 커지고 흔들림에 의한 하자가 발생하는 문제점이 있었다.

그리고 강관파일을 통해 고정하는 구조는, 지반조사 등이 선행되어야 하며, 설치기간이 길고 파일가이드의 설치되는 시공효율이 떨어져 시공비용이 비싸기 때문에 비경제적인 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0126022호(수상구조물의 계류장치) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0109947호(수상 태양광 발전 부유 구조물의 계류장치) 대한민국 등록특허공보 제10-1453901호(수상구조물용 계류장치)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 부유식 수상 구조물의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도를 구속하여 수위 변화에 따라 부유식 수상 구조물이 부력 중심을 신속원활하게 유지하도록 함으로써 계류장치의 부하를 최소화할 수 있는 부유식 수상구조물의 수위 조절 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 수면 위에 부유되는 장방형의 메인 샤프트와; 상기 메인 샤프트의 각 측면에 구비되는 것으로, 상단이 개방형성되며 내부가 비어있고 바닥면에 배수홀이 형성되는 "ㄴ"자 형태로서 수위 증가시에는 내부에 물이 채워지고 수위 감소시에는 내부에 채워진 물이 배수홀을 통해 외부로 배출되면서 수위 변화의 영향을 최소화하면서 상기 메인 샤프트의 부력 중심이 유지되도록 하는 부력탱크와; 직교상태로 배치되는 한 쌍의 부력탱크가 서로 맞닿는 각 모서리에 수평방향을 따라 결합되는 연결바와; 상기 각 연결바의 타측 단부를 연결하도록 수직으로 결합되며, 저면에는 부력을 제공하기 위한 부력체가 구비되어 수상에서 부유되는 부력바와; 상기 부력바와 대응되는 형상의 홀이 관통형성되며 부력바를 따라 상하로 이동 가능하도록 하는 부싱이 일측 모서리에 구비되어 상기 부력바와 결합되면서 횡동요(ROLLING), 종동요(PITCHING), 선수동요(YAWING), 상하동요(HEAVING), 전후동요(SURGING), 좌우동요(SWAYING)의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도가 구속되어 수위 변화시 상기 부력바를 따라 상하방향으로만 이동되는 판형의 부유식 수상 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 부력탱크의 바닥면은 원활한 배수가 이루어지도록 할 수 있고, 잔존 해수에 의한 부식을 방지할 수 있도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 바람이나 너울 또는 파도를 포함한 환경요인에 의한 상기 부유식 수상 구조물의 좌우동요(SWAYING)를 방지할 수 있도록 상기 부력바는 사각 파이프 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 바람이나 너울 또는 파도가 빈번한 지역이나 수위의 변화 폭이 넓은 해상에 설치시 급격한 수위변화에 대하여 신속하게 부력 중심을 유지하여 안정성을 확보할 수 있도록 상기 부력탱크는 메인 샤프트의 외주면을 따라 상하 다단으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 부유식 수상 구조물의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도를 구속하여 수위 변화에 의한 계류장치의 부하를 최소화할 수 있고, 이를 통해 구조물의 내구성과 수명을 현저히 연장시킬 수 있으며, 설치비용을 현저히 절감할 수 있고, 유지 보수에 따른 인력과 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템의 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 메인 샤프트와, 부력탱크와, 연결바 부력바의 결합상태를 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 부력탱크의 바닥면의 확대 예시도.
도 4는 본 발명의 사용상태를 나타내는 개략적인 예시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부력바를 설명하기 위한 개략적인 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 부유식 수상 구조물의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도를 구속함으로써 수위 변화에 의한 계류장치의 부하를 최소화할 수 있도록 한 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템을 개시한다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 메인 샤프트(10)와, 부력탱크(20)와, 연결바(30)와, 부력바(40)와, 부유식 수상 구조물(50)을 포함한다. 여기에서, 상기 메인 샤프트와, 부력탱크와, 연결바 및 부력바는 상기 부유식 수상 구조물을 계류시키기 위한 계류장치의 역할을 한다.

상기 메인 샤프트(10)는 물속에 소정깊이까지 잠기도록 부유되는 장방형의 부력체로서, 하단에는 계선줄(11)과 무게추(12)가 구비된다.

상기 메인 샤프트(10)의 각 측면에는 부력탱크(20)가 구비된다.

상기 부력탱크(20)는 내부에 물이 채워칠 수 있도록 상단이 개방형성되며 내부가 비어있는 "ㄴ"자 형태로 이루어지되, 수위 변화에 따라 내부에 채워진 물을 외부로 배출할 수 있도록 바닥면에는 배수홀(21)이 형성된다.

상기의 수학식 1과 같이 부력은 유체의 밀도(kg/m₃)와 유체 속에 잠긴 물체의 부피(m³)와 중력가속도(m/s²)를 곱한 값으로서, 유체의 밀도와 중력가속도가 일정하다고 하였을 때 부력은 유체 속에 잠긴 물체의 부피에 비례하게 된다.

상기의 부력탱크(20)가 구비되는 메인 샤프트(10)는 수위 증가시에는 부력탱크(20) 내부에 물이 채워지고, 수위 감소시에는 부력탱크(20) 내부에 채워진 물이 배수홀(21)을 통해 외부로 배출되면서 수위 변화의 영향을 최대한 적게 받으면서 부력 중심을 유지할 수 있다.

한편, 상기 부력탱크(20)는 바람이나 너울 또는 파도가 빈번하게 발생하거나 수위의 변화 폭이 넓은 해상에 설치시 신속원활하게 부력 중심을 유지할 수 있도록 메인 샤프트(10)의 각 측면에 상하 다단으로 복수개로 구비될 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위한 도면에서는 상기 메인 샤프트(10)의 측면에 상하 다단으로 3개의 부력탱크(20)가 구비되는 것으로 도시하였다.

또한, 상기 부력탱크(20)는 내부에 채워진 물이 신속원활하게 배수될 수 있고, 부력탱크의 내벽이나 바닥면이 잔존 해수에 의한 부식을 방지할 수 있도록 바닥면이 일측에서 타측으로 하향 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 연결바(30)는 직교상태로 배치되는 한 쌍의 부력탱크(20)가 서로 맞닿는 각 모서리에 수평방향을 따라 결합되어, 동일선상에 네 개의 연결바가 90°간격으로 구비된다.

상기 연결바(30)는 상하 다단으로 구비되는 상기 부력탱크(20)에 대응하여 상하 다단으로 복수개로 구비될 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위한 도면에서는 상기 메인 샤프트(10)의 각 측면마다 3개의 부력탱크(20)가 상하 다단으로 구비되고, 상기 연결바(30)는 상단을 제외한 나머지 2곳에 결합된 상태로 도시하였는데, 이는 후술할 부유식 수상 구조물(50)이 부력바와 끼움결합될 때 간섭이 발생되지 않고, 특히 해상에서 결합시 작업의 용이성을 확보할 수 있도록 하기 위한 것으로, 필요에 따라 부유식 수상 구조물(50)의 이탈을 방지할 수 있도록 연결바(30)의 상단을 마감하는 마감캡(미도시)이 구비될 수 있다. 이러한 구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 권리범위에는 한정하지 않는다.

또한, 상기 연결바(30)는 소정길이로 형성되며, 타측 단부가 상기 부력바(40)와 고정결합되어 메인 샤프트(10)와 부유식 수상 구조물(50)이 소정거리로 이격되게 배치되도록 한다.

상기 연결바(30)의 형상은 본 발명의 권리범위에 한정하지 않으며, 예를 들어 사각 파이프 형태로 이루어질 수 있다.

상기 부력바(40)는 상기 복수개의 연결바(30)를 연결하도록 수직으로 결합되는 것으로, 소정길이로 형성되며, 수상에서 부유될 수 있도록 저면에는 부력을 제공하기 위한 부력체(41)가 구비된다.

상기 부력바(40)는 후술할 부싱(51)을 매개로 부유식 수상 구조물(50)과 결합되어 부유식 수상 구조물(50)의 상하 이동을 안내한다.

상기 부유식 수상 구조물(50)은 하천, 강 또는 바다의 연안 등의 수면에 시공되는 수상휴게소, 부잔교, 바지선, 수상가옥, 수상 낚시터, 하역시설, 교량, 인공섬, 그 외 수상양식장 등과 같은 다양한 구조물을 통칭하는 것으로, 본 발명의 이해를 돕기 위한 도면에서는 사각 판형태로 단순화하였다.

상기 부싱(51)은 상기 부유식 수상 구조물(50)의 일측 모서리(연결바의 타측 단부와 마주보는 모서리)에 구비된다.

상기 부싱(51)은 상기 부력바(40)와 대응되는 형상의 홀이 관통형성되며, 상기 부유식 수상 구조물(50)은 상기 부싱(51)을 매개로 부력바(40)와 끼움결합된다.

단순히 수면 위에 부유식 수상 구조물이 부유할 경우 부유식 수상 구조물은 횡동요(ROLLING), 종동요(PITCHING), 선수동요(YAWING), 상하동요(HEAVING), 전후동요(SURGING), 좌우동요(SWAYING)의 6자유도가 모두 불구속 상태가 되므로 수위 변화시 계류장치에 상당한 부하가 가해지게 된다.

하지만, 상기 부싱(51)을 매개로 부유식 수상 구조물(50)이 부력바(40)와 끼움결합되면 횡동요(ROLLING), 종동요(PITCHING), 선수동요(YAWING), 상하동요(HEAVING), 전후동요(SURGING), 좌우동요(SWAYING)의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도가 구속된다.

따라서, 도 4와 같이 부유식 수상 구조물(50)은 수위 변화시 부력바를 따라 상하방향으로만 이동되므로 계류장치의 부하를 최소화하여 전체 설비의 내구성과 수명을 현저히 연장시킬 수 있으며, 종래에 개시된 계류장치를 통해 5자유도를 구속하는 것보다 설치비용을 현저히 절감할 수 있고, 유지 보수가 용이한 장점이 있다.

다음으로, 도 5의 a)와 같이 상기 부력바(40′)가 원형 파이프 형태로 이루어지는 경우 수위 변화가 급격하게 이루어지는 지역이나 바람이나 너울 또는 파도가 빈번하게 발생되는 지역에서는 상기 부유식 수상 구조물이 좌우동요(SWAYING)의 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 계류장치의 부하가 증가하여 내구성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.

이러한 문제점을 방지하기 위하여 도 5의 b)와 같이 상기 부력바(40)는 사각 파이프 형태로 이루어질 수 있으며, 상기 부싱(51)의 홀은 부력바(40)와 대응되는 사각형의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 도면에는 도시하지 않았으나 상기 부싱(51)이 한 쌍이 부유식 수상 구조물의 대각 방향으로 마주보는 한 쌍의 모서리에 각각 구비되고, 도 2에 도시된 메인 샤프트, 연결바, 부력바가 상호 결합되어 구성되는 계류장치 한 쌍이 각 모서리의 부싱과 결합되어 부유식 수상 구조물이 좌우동요(SWAYING)를 더욱 완벽하게 구속할 수 있고, 계류장치의 부하를 최소화할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 수위 변화에 따라 메인 샤프트의 측면에 구비되는 부력탱크 내부에 물이 채워지거나 부력탱크 내부에 채워진 물이 배수되면서 메인 샤프트의 부력 중심이 일정하게 유지되며, 메인 샤프트와 연결바 및 부력바를 매개로 결합되는 부유식 수상 구조물이 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도가 구속되면서 수위 변화시 부력바를 따라 상하방향으로만 이동되므로, 수위 변화에 의한 계류장치(메인 샤프트, 부력탱크, 연결바 및 부력바)의 부하를 최소화하여 부유식 수상 구조물 및 계류장치의 내구성과 수명을 현저히 연장시킬 수 있는 장점이 있다.

10 : 메인 샤프트
11 : 계선줄 12 : 무게추
20 : 부력탱크 21 : 배수홀
30 : 연결바
40 : 부력바 41 : 부력체
50 : 부유식 수상 구조물 51 : 부싱

Claims (4)

1. 수면 위에 부유되는 장방형의 메인 샤프트(10)와;
   상기 메인 샤프트의 각 측면에 구비되는 것으로, 상단이 개방형성되며 내부가 비어있고 바닥면에 배수홀이 형성되는 "ㄴ"자 형태로서 수위 증가시에는 내부에 물이 채워지고 수위 감소시에는 내부에 채워진 물이 배수홀(21)을 통해 외부로 배출되면서 수위 변화의 영향을 최소화하면서 상기 메인 샤프트의 부력 중심이 유지되도록 하는 부력탱크(20)와;
   직교상태로 배치되는 한 쌍의 부력탱크가 서로 맞닿는 각 모서리에 수평방향을 따라 결합되는 연결바(30)와;
   상기 각 연결바의 타측 단부를 연결하도록 수직으로 결합되며, 저면에는 부력을 제공하기 위한 부력체가 구비되어 수상에서 부유되는 부력바(40)와;
   상기 부력바와 대응되는 형상의 홀이 관통형성되며 부력바를 따라 상하로 이동 가능하도록 하는 부싱이 일측 모서리에 구비되어 상기 부력바와 결합되면서 횡동요(ROLLING), 종동요(PITCHING), 선수동요(YAWING), 상하동요(HEAVING), 전후동요(SURGING), 좌우동요(SWAYING)의 6자유도 중에서 상하동요(HEAVING)을 제외한 나머지 5자유도가 구속되어 수위 변화시 상기 부력바를 따라 상하방향으로만 이동되는 판형의 부유식 수상 구조물(50);
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 부력탱크의 바닥면은 원활한 배수가 이루어지도록 할 수 있고, 잔존 해수에 의한 부식을 방지할 수 있도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템.
   
3. 제1항에 있어서, 바람이나 너울 또는 파도를 포함한 환경요인에 의한 상기 부유식 수상 구조물의 좌우동요(SWAYING)를 방지할 수 있도록 상기 부력바는 사각 파이프 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템.
   
4. 제1항에 있어서, 바람이나 너울 또는 파도가 빈번한 지역이나 수위의 변화 폭이 넓은 해상에 설치시 급격한 수위변화에 대하여 신속하게 부력 중심을 유지하여 안정성을 확보할 수 있도록 상기 부력탱크는 메인 샤프트의 외주면을 따라 상하 다단으로 구비되는 것을 특징으로 하는 부유식 수상 구조물의 수위조절시스템.
   

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