KR20220117298A - 개선된 터렛 무어링 시스템 - Google Patents

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KR20220117298A
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mooring line
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제이슨 헤이맨
크리스토퍼 버든
니콜라스 크리스웰
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서스테이너블 마린 에너지 리미티드
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Abstract

본 명세서에서는 터렛(100)과 터렛(100)에 무어링된 어셈블리(150) 사이의 마찰력들에 대한 터렛(100)에 의해 가해지는 토크의 비율을 증가시키는 조력 터빈 어셈블리(150)를 위한 터렛 무어링 시스템이 개시된다. 일부 예들에서, 마찰력들은 피칭 모멘트들에도 또한 저항하는 상향력을 어셈블리가 어셈블리에 제공하는 것에 의해 감소된다. 다른 예들에서, 터렛(100)에 의해 가해지는 토크는 터렛(100)의 체인 테이블(104) 상의 2개의 이격된 어태치먼트 포인트들(128)에 그리고 워터 베드 상의 단일 포인트(114)에 커플링되는 분기형 무어링 라인(106, 108)의 사용에 의해 증가된다.

Description

개선된 터렛 무어링 시스템
본 발명은 터렛 무어링 시스템(turret mooring system)에 관한 것이며, 특히 조수 흐름(tidal flow)들로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈 어셈블리들에 사용하도록 구성된 터렛 무어링 시스템에 관한 것이다.
터렛 무어링은 무어링된 선박이 로컬 조류들에 대응하여 (요(yaw) 축에 대해) 스윙(swing)할 수 있도록 하는 무어링이다. 일반적으로 이것은 지배적인 흐름 방향이 없는 위치에서 사용되며, 이는 무어링된 선박이 로컬 바람과 파도의 힘에 대응하여 스윙함을 의미한다. 원칙적으로, 이러한 조류와 힘은 어느 방향에서나 올 수 있기 때문에, 터렛 무어링은 일반적으로 원형 배열로 워터 베드(water bed)에 앵커링되거나 고정되어, 그렇지 않았다면 바람과 파도에 의해 야기될 수 있는 표류(drifting)에 전방위적으로 저항하기 위해 중심 지점(터렛)으로 컨버징한다.
조력 시스템(tidal power system)들에서, 흐름은 강한 양방향이다 - 즉, 조수가 들어올 때 이 흐름은 강하게 제 1 방향이고, 만조 시에는 실질적으로 제로이고, 조수가 나갈 때는 강하게 제 2 방향(제 1 방향과 실질적으로 반대)이고, 간조 시에 실질적으로 제로이며, 그 지점에서 사이클이 반복된다. 따라서 터렛 무어링은 조력 발전 시스템의 이상적인 후보인 것처럼 보일 수 있으며, 그 이유는 터렛 무어링은 전력 시스템이 스윙하여 조류 흐름들에 정렬될 수 있도록 하고 워터 베드에 다음과 같은 두 개의 앵커링 포인트들만 필요하기 때문이다: 양방향 로컬 흐름을 구성하는 두 기본 방향 각각에서의 흐름에 의해 도입되는 표류 운동에 저항하기 위한 상류 및 하류 앵커링 포인트들.
그러나, 전형적인 터렛 무어링 시스템들은 일반적으로 비교적 깊은 수심의 위치들에 설치되고, 예를 들어 여기서 평균 수심 dM = (dH + dL)/2는 만조와 간조 사이의 깊이 차이
Figure pct00001
보다 훨씬 크며, 여기서
Figure pct00002
및
Figure pct00003
는 각각 평균 수심; 깊이의 차이; 만조의 깊이; 및 간조의 깊이이다. 이러한 경우들에 있어서, 무어링된 선박의 상승 및 하강은 워터 베드 위의 선박의 일반적인 거리에 비해 작고 무어링 시스템의 구성은 조수의 사이클 동안 상대적으로 변하지 않는다.
이것은 일반적으로 조력 발전 시스템이 무어링되어 있는 위치에 해당되지 않는다. 여기에서는 발전 잠재력을 최대화하기 위해 상대적으로 큰 조수 범위가 선택된다. 이것은 큰 조수 범위들 및 흐름들을 생성하는 경향이 있는 해안선들과 관련된 지리적 특징이기 때문에 일반적으로 어셈블리를 해안 가까이에 앵커링하는 것을 의미한다. 또한, 어셈블리를 해안 가까이에 설치하면 설치가 간편해지고 생성된 전력을 해안으로 더 쉽게 전달할 수 있다. 이것은
Figure pct00004
대
Figure pct00005
의 상대적으로 큰 비율로 이어지는 경향이 있으며, 이것은 궁극적으로 무어링 라인들이 간조 때 느슨해지게 한다. 느슨한 라인들은 회전을 잘 견디지 못하며 워터 베드에 대해 터렛을 고정하는데 실패할 수 있다. 전체적인 결과는 조수가 바뀔 때, 어셈블리가 터렛을 스윙하여 로컬 흐름과 정렬되는 대신에, 터렛을 포함한 전체 어셈블리가 요잉한다는 것이다. 여러 사이클에 걸쳐 이것은 무어링 라인들이 엉키거나 꼬이는 결과를 초래할 수 있다. 흐름의 강한 양방향 특성으로 인해 무어링 라인들의 수를 늘리는 것은 엉킴을 방지하는데 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는다. 실제로, 추가 무어링 라인들을 워터 베드에 고정하는 비용과 복잡성이 증가하는 것과는 별개로, 더 많은 무어링 라인들은 단순히 더 많은 무어링 라인들이 서로 엉키기 때문에 엉킴을 악화시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 문제들을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서는 상기 문제들과 밀접하게 관련된 일련의 솔루션들을 제시한다.
본 명세서에서는 조력 터빈 어셈블리(tidal turbine assembly)를 위한 터렛 무어링 시스템(turret mooring system)이 개시되며, 이 터렛 무어링 시스템은 터렛(turret)으로서, 조력 터빈 어셈블리에 장착하여, 회전축을 중심으로 터렛과 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 운동을 허용하기 위한 샤프트; 및 샤프트의 하단에 고정되는 체인 테이블(chain table)을 포함하는, 상기 터렛; 워터 베드 상의 단일 상류 앵커링 포인트(single upstream anchoring point)를 체인 테이블의 상류 부분에 커플링하기 위한 상류 무어링 라인(mooring line); 및 워터 베드 상의 단일 하류 앵커링 포인트(single downstream anchoring point)를 체인 테이블의 하류 부분에 커플링하기 위한 하류 무어링 라인을 포함하며, 상류 무어링 라인은 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 이격된 상류 어태치먼트 포인트(spaced apart upstream attachment point)들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인(bifurcated mooring line)이거나/이며; 하류 무어링 라인은 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 이격된 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인인이다.
본 명세서에 사용되는, "상류" 및 "하류"라는 용어는 대략 반대 방향인 상승 및 하강 조수 동안의 지배적인 흐름 방향을 광범위하게 지칭한다. 조수가 썰물에서 밀물로 바뀔 때(그 반대의 경우도 가능) 상류 방향과 하류 방향이 바뀐다는 것은 명백하다. 그러나, 항상 명확하게 정의된 상향(및 하향) 방향이 존재한다. 또한, 지배적인 흐름 방향은 상류-하류 축을 정의하는 수평 축이며, 경우에 따라 x 방향 또는 x 축이라고도 한다. 다음 설명에서, "전방", "앞", "앞쪽", "선수(bow)" 및 관련 용어는 상류 방향 및 양의 x 방향을 나타낸다. 마찬가지로 "후방", "뒤", "후방쪽", "뒤쪽", "선미(stern)" 및 관련 용어는 하류 방향 및 음의 x 방향을 나타낸다.
이격된 어태치먼트 포인트들은 수평이면서 상류-하류 축을 가로지르는 방향(간격 축, y 방향 또는 y 축이라고도 함)으로 이격된다. 예를 들어, 이 간격은 상류-하류 축에 수직일 수 있다. y 축의 양의 방향과 음의 방향을 각각 "오른쪽" 또는 "우현" 및 "왼쪽" 또는 "포트"라고 한다. 따라서 x 축과 y 축은 집합적으로 수평면을 형성한다(이 경우 수평은 국부 중력장에 대략 수직임을 의미함). 이 좌표 시스템에서, 터렛 샤프트는 수직 방향(이 경우 수직은 국부 중력장에 대략 평행함을 의미함)으로 연장되며, 경우에 따라 z 축이라고도 한다. z 축의 양의 방향은 "위", "상단", "상부", "높은", "더 높은" 등과 같은 용어로 지칭된다. 마찬가지로, 음의 z 축 방향은 "아래", "하단", "하부", "낮은" 등으로 지칭된다. 명백한 바와 같이, 그리고 일반적으로 사용되는 것과 일관되게, 물 밖으로 나오도록 의도된 부분들(어셈블리가 제 자리에 앵커링되었을 때)은 물에 잠기도록 의도된 부분들보다 높다. 따라서 세 개의 축(x, y 및 z)은 시스템의 다양한 부분들이 서로 공간적으로 어떻게 관련되어 있는지 일관되게 설명하기 위한 편리하고 일관된 좌표 시스템을 형성한다.
어셈블리가 설치될 경우, 터렛이 어셈블리에 장착되어, 터렛과 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 회전을 허용하도록 커플링이 배열된다. 또한, 상류 및 하류 무어링 라인들이 체인 테이블 상의 각각의 어태치먼트 포인트들에 커플링되며, 체인 테이블 상의 어태치먼트 포인트들 사이의 간격(y 방향에서)은 터렛 상의 무어링 시스템의 레버 암을 증가시킨다. 워터 베드에 대해 어느 방향으로든 터렛을 회전하려면 터렛이 분기형 무어링 라인의 두 분기 가닥 중 하나의 장력(tension)에 대항하여 작용해야 한다. 궁극적으로 분기 가닥들의 장력이 터렛의 회전에 저항한다. 이것은 내부 마찰을 극복하기 위해 터렛과 어셈블리 사이에 불충분한 토크를 제공하고, 분기형 무어링 라인을 사용하여 어태치먼트 포인트들의 간격을 유지하고 양쪽 방향의 회전에 대응하기 위해 무어링 라인 장력이 존재하도록 하여 터렛에 의해 제공되는 토크를 증가시키는 것에 의해 터렛과 어셈블리 사이의 상대 회전 운동을 발생시키는 워터 베드 상의 앵커링 포인트가 두 개뿐인 문제에 접근한다. 다시 말해서, 이격된 어태치먼트 포인트들과 분기형 무어링 라인이 터렛을 안정적으로 유지할 수 있으며 또한 터렛이 워터 베드에 대해 회전하는 것을 억제할 수 있다(터렛 및 워터 베드에 대해 터빈 어셈블리가 회전함을 의미함).
또한, 분기형 무어링 라인을 사용하면 각 무어링 라인에 대한 워터 베드 상의 단일 앵커링 포인트만으로 이러한 효과를 얻을 수 있으므로, 워터 베드에 대한 회전에 대한 터렛의 안정성을 손상시키지 않으면서 설치 비용을 절감할 수 있다. 이것은 무어링 시스템이 엉키게될 가능성을 줄이는데 도움이 된다.
선택적으로, 분기는 워터 베드보다 터렛에 더 가깝게 발생한다(또는 대안적으로 브라이들이 위치됨). 예를 들어 분기(또는 브라이들)는 워터 베드에서 측정했을 때 무어링 라인의 길이를 따라 90% 이상에 위치된다.
어떤 경우들에 있어서는, 국지적 지형과 조수 흐름 패턴들에 따라, 하나의 분기된 무어링선만 사용하는 것이 가능할 수 있다(예를 들면 조수 흐름이 비대칭이며, 이에 따라 위에서 설명한 엉킴 문제가 한쪽 흐름 방향에서 발생할 가능성이 가장 높지만, 다른쪽 흐름 방향에서는 발생할 가능성이 거의 없는 경우). 예를 들어, 무어링 라인들은 조수가 썰물로 되기 시작할 때 상대적으로 팽팽한 경향이 있으며, 따라서 터렛이 합리적으로 견고하게 유지되어 엉킴 문제가 덜 심각하다. 대조적으로, 조수가 밀물로 될 경우, 양쪽 라인들이 느슨해져서, 문제가 가장 심각해진다. 그러나, 흐름 방향으로 인해, 조력 터빈 어셈블리가 하류 방향으로 밀려 상류 라인이 팽팽해진다. 이 경우, 원하는 효과를 제공하기 위해 조수가 밀물로 될 때 상류에 있는 무어링 라인만이 분기되어야 할 수도 있다. 다른 경우들에서, 적절한 설계들은 하류 무어링 라인에서만 분기를 가질 수 있다(조수가 밀물일 때). 물론, 많은 응용들에서 두 무어링 라인이 분기되어 해저(sea bed)에 대해 회전하는 터렛에 대한 우수한 수준의 저항을 제공한다(따라서 엉킴이 방지됨).
선택적으로 체인 테이블 상의 이격된 상향 및/또는 하향 어태치먼트 포인트들은 적어도 1미터 이격된다. 상대적으로 큰 간격은 터렛의 주어진 회전 각도로 인해 분기형 무어링 라인의 두 분기 가닥 중 하나의 장력 증가가 무어링 라인 간격의 증가에 따라 증가한다는 점에서 레버 작용을 증가시키게 되며 이에 따라 워터 베드에 대한 터렛의 선회 저항을 향상시킨다.
선택적으로 상류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 상류 앵커링 포인트를 브라이들(bridle)에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 브라이들을 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 상류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가지거나/가지며; 하류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 하류 앵커링 포인트를 브라이들에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 브라이들을 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가진다. 다시 말해서, 무어링 라인의 제 2 부분은 병렬 하중 경로들을 제공하면서, 서로 분기되며, 하나는 체인 테이블 상의 이격된 각각의 어태치먼트 포인트들에 연결되는 한 쌍의 라인을 포함한다. 브라이들에는 세 개의 어태치먼트 포인트가 있으며, 하나는 무어링 라인의 제 1 부분에 연결하기 위한 것이고 두 개는 제 2 부분에 연결하기 위한 것이다. 브라이들은 무어링 라인이 분기할 수 있도록 하는 부분이다. 선택적으로 상류 또는 하류 무어링 라인의 제 1 및 제 2 부분들은 서로 다른 재료로 만들어진다. 이것은 무어링 라인의 하부 부분들(앵커링 포인트에 연결된 것들)과 무어링 라인의 상부 부분들(체인 테이블에 연결된 것들)이 각각 수행하고자 하는 역할에 특정한 방식으로 설계될 수 있도록 한다.
예를 들어, 상류 또는 하류 무어링 라인의 제 1 부분은 체인일 수 있고/있거나 상류 또는 하류 무어링 라인의 제 2 부분은 한 쌍의 저중량 합성 케이블일 수 있다. 체인 연결은 강한 연결을 형성하여, 내마모성이 중요한 경우에 유용할 수 있으며(예를 들면, 라인이 워터 베드와 접촉할 수 있는 장소), 저질량 합성 케이블(low mass synthetic cable)은 가볍고 적응 가능한 무어링 시스템을 제공하여, 핸들링 특성을 개선한다.
선택적으로 터렛은 체인 테이블이 물에 잠길 때 상향력을 제공하도록 구성된다. 상향력은 터렛의 중량(터렛 질량으로 인한)과 무어링 라인 장력의 하향 성분으로 인한 하향력을 상쇄할 수 있다. 이것은 궁극적으로 선회 마찰을 줄이게 되며 이에 따라 조력 터빈 어셈블리가 터렛에 대해 회전할 수 있게 하여 엉킴 가능성을 줄이는데 도움이 된다.
선택적으로 상향력은 물에서 부력이 있는 요소에 의해 제공된다. 이 부력(buoyancy)은 물의 흐름에 관계없이 존재하는 상향력을 발생시킨다. 특히, 엉킴 문제가 가장 심한 시점은 느슨한 간조 시, 조수 흐름이 0일 때, 다른 국부 흐름이 없을 수 있는 때이다. 부력 요소(예를 들면, 에어 포켓, 폼, 채워진 영역 등)를 제공하면 흐름이 없을 때에도 위에서 설명한 마찰 감소 효과가 나타난다. 부력 요소는 체인 테이블에 하우징될 수 있으며, 이에 따라 샤프트를 바로 아래에서 들어 올리고 비틀림 동작의 도입을 피하기 위해 샤프트의 베이스에 상향력이 제공되도록 허용한다. 다른 예들에서, 부력 요소는 샤프트의 하부에 위치될 수 있다. 부력 요소는 용도에 맞는 재료를 선택하여 원하는 부력을 갖도록 선택할 수 있다. 또한, 설치 장소에서 예상되는 물의 밀도가 결정에 고려될 수 있다.
요소는 가변 부력을 가질 수 있다. 예를 들어, 부력은 수중에서 조력 터빈 어셈블리의 자세 및/또는 배향을 변경하기 위해 변동될 수 있다. 이러한 변동은 예를 들어 알려진, 예측된, 규칙적 또는 주기적 효과에 적응하기 위해 한 사이클 상에서 변경될 수 있다. 다른 예들에서, 부력은 조력 터빈 어셈블리의 자세 및/또는 배향이 측정되고 요소의 부력이 자세 및/또는 배향의 원하는 변화를 일으키도록 조정될 수 있는 적응적 방식으로 변동될 수 있다. 요소의 부력은 샤프트를 통해 공기를 예를 들어 부력 요소, 예를 들어 체인 테이블로 펌핑하는 것에 의해 가변될 수 있다. 공기를 사용하는 것은 공기가 풍부하고 쉽게 구할 수 있다는 점에서 편리한 옵션이다. 샤프트는 체인 테이블에 공기를 전달하는 편리한 방식을 제공한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상향력은 체인 테이블 상의 유체역학적 페어링(hydrodynamic fairing)에 의해 제공될 수 있다. 페어링은 체인 테이블의 전체 또는 일부만 덮을 수 있다. 유체역학적 페어링의 사용은 조류가 가장 강할 때 가장 강한 상향력을 제공하며, 정확한 관계는 유체역학적 페어링의 형태에 따른다. 이것은 위에서 확인된 엉킴 문제를 방지하는데 유용할 수 있지만, 전력을 생성하는 동안 조력 터빈 어셈블리를 안정적으로 유지하는데도 도움이 될 수 있다. 이것은 구동되는 터빈들이 크고 시간에 따라 변화하는 추력(thrust)을 생성하기 때문이다(시간에 따라 달라지는 유속에 의존한다는 의미에서 시간에 따라 변화함). 이 추력은 궁극적으로 피칭 모멘트를 생성한다. 유체역학적 표면은 터렛이 피칭 모멘트를 상쇄할 수 있도록 한다. 유체역학적 양력(hydrodynamic lift)과 터빈 추력은 모두 유속에 의존하기 때문에, 유체역학적 페어링은 편리한 수동적 안정화 효과를 제공한다. 유체역학적 페어링은 터빈들에 대한 항력(drag)으로 인해 조력 터빈 어셈블리에서 예상되는 피칭 모멘트를 상쇄하도록 더 형상화될 수 있다. 다시 말해서, 페어링은 유속에 대해 상향력 프로파일을 제공하고 유속에 대해 터빈들에 의해 생성된 추력의 프로파일과 대략 일치하도록 형상화될 수 있다.
고정 부력과 결합하여, 부력과 유체역학적 페어링의 주어진 설계로 인한 상향력은 FZ = B + L(v) 형식을 가지며, 여기서 B는 고정 부력으로 인한 일정한 상향력이고, L(v)는 적어도 유속 v와 페어링의 형상의 함수인 가변 양력을 나타낸다. 부력이 가변적일 때, 방정식은 F(t) = B(t) + L(v)가 되며, 여기서 총 상향력과 부력은 시간(t)에 따라 달라진다. 유체역학적 페어링의 양력은 또한 유속의 시간 의존성을 통해 시간에 따라 달라진다(예를 들면, 조수 변화와 로컬 조류로 인해). 이러한 기본 방정식들은 원하는 효과를 얻기 위해 부력 요소와 유체역학적 페어링의 설계를 안내하는데 사용될 수 있다.
특히, 유체역학적 페어링만으로는 터빈 추력(힘의 크기 및/또는 유속에 대한 힘의 프로파일 관점에서)으로 인한 피칭 모멘트의 정확한 제거를 달성하기 어려울 수 있다. 이러한 경우들에 있어서는, 고정 부력을 사용하여 유체역학적 양력을 피칭 모멘트의 완전한 반작용에 더 가깝게 만들 수 있다.
또한 유체역학적 양력의 프로파일(유속에 대한 양력의 의존성)이 터빈 추력의 프로파일과 일치하지 않는 경우, 가변 부력을 사용하여 예상되는 유량 조건에 맞추거나 실시간 측정을 기반으로 조정함으로써 일치를 개선할 수 있다.
일부 예들에서는, 수직 마찰력이 실질적으로 0이 되도록 고정 부력을 사용하여 간조 시에 터렛 질량과 무어링 라인 장력의 하향 성분을 정확하게 밸런싱하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이것은 조류가 흐를 때 유체역학적 양력과 결합하여 터렛의 질량과 무어링 라인들의 장력의 하향 성분으로 인해 터렛의 하향력을 초과하는 상향력을 유발할 수 있다. 이것은 터렛이 조력 터빈 어셈블리를 국부적으로 들어 올리게 하고, 터빈 추력으로 인한 피칭 모멘트가 상쇄되고 어떤 경우에는 완전히 취소되도록 한다. 이것은 터렛과 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 회전 운동에 회전 마찰을 도입하지만, 일반적으로 상향력이 피칭 모멘트들을 상쇄하는 조건들은 조수가 상승하거나 하강할 때 조류는 일반적으로 방향을 바꾸지 않기 때문에, 실질적으로 상대 회전이 예상되지 않는 조건들이다. 실제에 있어서, 마찰의 증가는 회전에 저항함으로써 터빈 어셈블리를 흐름에서 안정적으로 유지하는데 도움이 될 수 있으며, 동시에 원하는 만큼의 피치 밸런싱 양력과 부력을 공급할 수 있다. 이러한 방식으로 부력과 양력이 유속의 함수로서 터빈으로부터 예상되는 피칭 모멘트에 맞춰질 수 있다.
유체역학적 페어링은 물이 두 가지 주요 흐름 방향 각각에서 페어링 위에서 흐를 때 페어링이 양력을 제공하도록 구성된다는 점에서 양방향성일 수 있다. 어떤 경우에는, 유체역학적 페어링이 상류-하류 방향에서 대칭이다. 일반적으로 대칭 페어링들은 단방향 페어링들보다 성능이 낮지만(양력 생성이 적음), 흐름이 두 가지 주요 방향을 따라야 할 것으로 예상되는 본 경우에 있어서는, 양방향 흐름의 안정적인 시스템이 한 방향으로만 생성될 수 있는 더 큰 양력보다 더 중요할 수 있다. 페어링이 고정되거나 가변적인 부력 요소와 함께 제공되는 경우, 부력 요소는 페어링 내부에 하우징될 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 조력 터빈 어셈블리를 위한 터렛 무어링 시스템이 개시되어 있으며, 이 터렛 무어링 시스템은 조력 터빈 어셈블리에 장착하여 회전축을 중심으로 터렛과 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 운동을 허용하기 위한 샤프트 및 샤프트의 하단에 고정되는 체인 테이블을 가지는 터렛을 포함하며, 여기서 터렛은 체인 테이블이 물에 잠길 때 상향력을 제공하도록 구성된다. 상향력은 터렛의 중량(터렛 질량으로 인한)과 무어링 라인 장력의 하향 성분으로 인한 하향력을 상쇄할 수 있다. 이것은 궁극적으로 선회 마찰을 줄여 조력 터빈 어셈블리가 터렛에 대해 회전할 수 있게 하며 엉킴 가능성을 줄이는데 도움이 된다.
이것은 내부 마찰을 극복하기 위해 터렛과 어셈블리 사이에 불충분한 토크를 제공하고 터렛과 조력 터빈 어셈블리 사이의 운동에서 내부 마찰을 줄임으로써 터렛과 어셈블리 사이의 상대 회전 운동을 초래하는 워터 베드 상의 앵커링 포인트가 두 개뿐인 문제에 접근한다. 이것은 마찰의 수직 성분을 감소시키는 터렛에 의해 제공되는 상향력에 의해 발생한다. 터렛과 터빈 어셈블리의 상대 회전을 방해하는 마찰력이 감소했기 때문에, 상대 회전 운동이 더 용이하며 터빈 어셈블리는 터렛과 워터 베드에 대해 회전할 수 있다.
선택적으로 상향력은 물에서 부력이 있는 요소에 의해 제공된다. 이 부력은 물의 흐름에 관계없이 존재하는 상향력을 발생시킨다. 특히, 엉킴 문제가 가장 심한 시점은 느슨한 간조 시, 조수 흐름이 0일 때, 다른 국부 흐름이 없을 수 있는 때이다. 부력 요소(예를 들면, 에어 포켓, 폼, 채워진 영역 등)를 제공하면 흐름이 없을 때에도 위에서 설명한 마찰 감소 효과가 나타난다. 부력 요소는 체인 테이블에 하우징될 수 있으며, 이에 따라 샤프트를 바로 아래에서 들어 올리고 비틀림 동작의 도입을 피하기 위해 샤프트의 베이스에 상향력이 제공되도록 허용한다. 다른 예들에서, 부력 요소는 샤프트의 하부에 위치될 수 있다. 부력 요소는 용도에 맞는 재료를 선택하여 원하는 부력을 갖도록 선택할 수 있다. 또한, 설치 장소에서 예상되는 물의 밀도가 결정에 고려될 수 있다.
요소는 가변 부력을 가질 수 있다. 예를 들어, 부력은 수중에서 조력 터빈 어셈블리의 자세 및/또는 배향을 변경하기 위해 변동될 수 있다. 이러한 변동은 예를 들어 알려진, 예측된, 규칙적 또는 주기적 효과에 적응하기 위해 한 사이클 상에서 변경될 수 있다. 다른 예들에서, 부력은 조력 터빈 어셈블리의 자세 및/또는 배향이 측정되고 요소의 부력이 자세 및/또는 배향의 원하는 변화를 일으키도록 조정될 수 있는 적응적 방식으로 변동될 수 있다. 요소의 부력은 샤프트를 통해 공기를 예를 들어 부력 요소, 예를 들어 체인 테이블로 펌핑하는 것에 의해 가변될 수 있다. 공기를 사용하는 것은 공기가 풍부하고 쉽게 구할 수 있다는 점에서 편리한 옵션이다. 샤프트는 체인 테이블에 공기를 전달하는 편리한 방식을 제공한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상향력은 체인 테이블 상의 유체역학적 페어링에 의해 제공될 수 있다. 페어링은 체인 테이블의 전체 또는 일부만 덮을 수 있다. 유체역학적 페어링의 사용은 조류가 가장 강할 때 가장 강한 상향력을 제공하며, 정확한 관계는 유체역학적 페어링의 형태에 따른다. 이것은 위에서 확인된 엉킴 문제를 방지하는데 유용할 수 있지만, 전력을 생성하는 동안 조력 터빈 어셈블리를 안정적으로 유지하는데도 도움이 될 수 있다. 이것은 구동되는 터빈들이 크고 시간에 따라 변화하는 추력을 생성하기 때문이다(시간에 따라 달라지는 유속에 의존한다는 의미에서 시간에 따라 변화함). 이 추력은 궁극적으로 피칭 모멘트를 생성한다. 유체역학적 표면은 터렛이 피칭 모멘트를 상쇄할 수 있도록 한다. 유체역학적 양력과 터빈 추력은 모두 유속에 의존하기 때문에, 유체역학적 페어링은 편리한 수동적 안정화 효과를 제공한다. 유체역학적 페어링은 터빈들에 대한 항력으로 인해 조력 터빈 어셈블리에서 예상되는 피칭 모멘트를 상쇄하도록 더 형상화될 수 있다. 다시 말해서, 페어링은 유속에 대해 상향력 프로파일을 제공하고 유속에 대해 터빈들에 의해 생성된 추력의 프로파일과 대략 일치하도록 형상화될 수 있다.
고정 부력과 결합하여, 부력과 유체역학적 페어링의 주어진 설계로 인한 상향력은 FZ = B + L(v) 형식을 가지며, 여기서 B는 고정 부력으로 인한 일정한 상향력이고, L(v)는 적어도 유속 v와 페어링의 형상의 함수인 가변 양력을 나타낸다. 부력이 가변적일 때, 방정식은 F(t) = B(t) + L(v)가 되며, 여기서 총 상향력과 부력은 시간(t)에 따라 달라진다. 유체역학적 페어링의 양력은 또한 유속의 시간 의존성을 통해 시간에 따라 달라진다(예를 들면, 조수 변화와 로컬 조류로 인해). 이러한 기본 방정식들은 원하는 효과를 얻기 위해 부력 요소와 유체역학적 페어링의 설계를 안내하는데 사용될 수 있다.
특히, 유체역학적 페어링만으로는 터빈 추력(힘의 크기 및/또는 유속에 대한 힘의 프로파일 관점에서)으로 인한 피칭 모멘트의 정확한 제거를 달성하기 어려울 수 있다. 이러한 경우들에 있어서는, 고정 부력을 사용하여 유체역학적 양력을 피칭 모멘트의 완전한 반작용에 더 가깝게 만들 수 있다. 또한 유체역학적 양력의 프로파일(유속에 대한 양력의 의존성)이 터빈 추력의 프로파일과 일치하지 않는 경우, 가변 부력을 사용하여 예상되는 유량 조건에 맞추거나 실시간 측정을 기반으로 조정함으로써 일치를 개선할 수 있다.
일부 예들에서는, 수직 마찰력이 실질적으로 0이 되도록 고정 부력을 사용하여 간조 시에 터렛 질량과 무어링 라인 장력의 하향 성분을 정확하게 밸런싱하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이것은 조류가 흐를 때 유체역학적 양력과 결합하여 터렛의 질량과 무어링 라인들의 장력의 하향 성분으로 인해 터렛의 하향력을 초과하는 상향력을 유발할 수 있다. 이것은 터렛이 조력 터빈 어셈블리를 국부적으로 들어 올리게 하고, 터빈 추력으로 인한 피칭 모멘트가 상쇄되고 어떤 경우에는 완전히 취소되도록 한다. 이것은 터렛과 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 회전 운동에 회전 마찰을 도입하지만, 일반적으로 상향력이 피칭 모멘트들을 상쇄하는 조건들은 조수가 상승하거나 하강할 때 조류는 일반적으로 방향을 바꾸지 않기 때문에, 실질적으로 상대 회전이 예상되지 않는 조건들이다. 실제에 있어서, 마찰의 증가는 회전에 저항함으로써 터빈 어셈블리를 흐름에서 안정적으로 유지하는데 도움이 될 수 있으며, 동시에 원하는 만큼의 피치 밸런싱 양력과 부력을 공급할 수 있다. 이러한 방식으로 부력과 양력이 유속의 함수로서 터빈으로부터 예상되는 피칭 모멘트에 맞춰질 수 있다.
유체역학적 페어링은 물이 두 가지 주요 흐름 방향 각각에서 페어링 위에서 흐를 때 페어링이 양력을 제공하도록 구성된다는 점에서 양방향성일 수 있다. 어떤 경우에는, 유체역학적 페어링이 상류-하류 방향에서 대칭이다. 일반적으로 대칭 페어링들은 단방향 페어링들보다 성능이 낮지만(양력 생성이 적음), 흐름이 두 가지 주요 방향을 따라야 할 것으로 예상되는 본 경우에 있어서는, 양방향 흐름의 안정적인 시스템이 한 방향으로만 생성될 수 있는 더 큰 양력보다 더 중요할 수 있다. 페어링이 고정되거나 가변적인 부력 요소와 함께 제공되는 경우, 부력 요소는 페어링 내부에 하우징될 수 있다.
선택적으로 체인 테이블의 상류 부분은 상류 무어링 라인을 통해 워터 베드 상의 단일 상류 앵커링 포인트에 커플링하도록 구성되고, 체인 테이블의 하류 부분은 하류 무어링 라인을 통해 워터 베드 상의 단일 하류 앵커링 포인트에 커플링하도록 구성된다. 이 예는 상류 및 하류 무어링 라인들을 추가로 포함할 수 있다. 이것은 완전한 무어링 시스템을 제공한다.
선택적으로, 상류 무어링 라인은 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 이격된 상류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인이거나/이며; 하류 무어링 라인은 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 이격된 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인이다. 워터 베드에 대해 어느 방향으로든 터렛을 회전하려면 터렛이 분기형 무어링 라인의 두 분기 가닥 중 하나의 장력에 대항하여 작용해야 한다. 결과적으로 분기 가닥들의 장력이 터렛의 회전에 저항하며, 이에 다라 엉킴 가능성을 감소시킨다.
선택적으로, 분기는 워터 베드보다 터렛에 더 가깝게 발생한다(또는 대안으로 브라이들이 위치함). 예를 들어 분기(또는 브라이들)는 워터 베드에서 측정했을 때 무어링 라인의 길이를 따라 90% 이상에 위치된다.
선택적으로 체인 테이블 상의 이격된 상향 및/또는 하향 어태치먼트 포인트들은 적어도 1미터 이격된다. 이것은 터렛의 주어진 회전 각도로 인해 분기형 무어링 라인의 두 분기 가닥 중 하나의 장력 증가가 무어링 라인 간격의 증가에 따라 증가한다는 점에서 레버 작용을 증가시키게 되며 이에 따라 워터 베드에 대한 터렛의 선회 저항을 향상시킨다. 선회 마찰 감소와 함께, 이것은 엉킴이 훨씬 적은 시스템을 제공한다.
선택적으로 상류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 상류 앵커링 포인트를 브라이들(bridle)에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 브라이들을 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 상류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가지거나/가지며; 하류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 하류 앵커링 포인트를 브라이들에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 브라이들을 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가진다. 다시 말해서, 무어링 라인의 제 2 부분은 병렬 하중 경로들을 제공하면서, 서로 분기되며, 하나는 체인 테이블 상의 이격된 각각의 어태치먼트 포인트들에 연결되는 한 쌍의 라인을 포함한다. 브라이들에는 세 개의 어태치먼트 포인트가 있으며, 하나는 무어링 라인의 제 1 부분에 연결하기 위한 것이고 두 개는 제 2 부분에 연결하기 위한 것이다. 브라이들은 무어링 라인이 분기할 수 있도록 하는 부분이다. 선택적으로 상류 또는 하류 무어링 라인의 제 1 및 제 2 부분들은 서로 다른 재료로 만들어진다. 이것은 무어링 라인의 하부 부분들(앵커링 포인트에 연결된 것들)과 무어링 라인의 상부 부분들(체인 테이블에 연결된 것들)이 각각 수행하고자 하는 역할에 특정한 방식으로 설계될 수 있도록 한다.
예를 들어, 상류 또는 하류 무어링 라인의 제 1 부분은 체인일 수 있고/있거나 상류 또는 하류 무어링 라인의 제 2 부분은 한 쌍의 저중량 합성 케이블일 수 있다. 체인 연결은 강한 연결을 형성하여, 내마모성이 중요한 경우에 유용할 수 있으며(예를 들면, 라인이 워터 베드와 접촉할 수 있는 장소), 저질량 합성 케이블은 가볍고 적응 가능한 무어링 시스템을 제공하여, 핸들링 특성을 개선한다.
다음과 같은 선택적 특징들이 위에서 설명한 무어링 시스템의 변형에 포함될 수 있다.
선택적으로 샤프트는 조력 터빈 어셈블리와 결합하기 위한 상부 레이디얼 베어링 및 하부 레이디얼 베어링을 포함한다. 이것은 비틀림이나 넘어지는 모션들에 대한 지지를 제공하여 부드러운 회전을 보장하는데 도움이 될 수 있다.
선택적으로 터렛은 조력 터빈 어셈블리에 장착된다. 이것은 설치 및 작동 준비가 완료된 완전한 장치를 제공한다.
선택적으로, 터렛은 조력 터빈 어셈블리에 대해 수직 방향으로 슬라이딩 가능하다. 예를 들어, 터렛은 조력 터빈 어셈블리에 대해 체인 테이블을 상승 또는 하강시키기 위해 샤프트의 길이의 일부에 대해 슬라이딩하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에 있어서는, 이것은 어셈블리를 운반함에 있어서 감소된 드래프트를 제공할 수 있다.
선택적으로 샤프트는 파이프들의 클러스터이다. 다시 말해서, 샤프트는 복합 구조체를 형성하기 위해 함께 유지되는 복수의 파이프를 포함한다. 복합 구조체는 외부 보호 케이싱을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 샤프트를 형성하는 것은 강하고 견고한 샤프트를 형성하는 간단하고 저렴한 방식이다. 또한 파이프들의 루멘들은 터빈 어셈블리와 체인 테이블 또는 해안 사이에 제어 신호를 전송하고, 어셈블리에서 생성된 전력을 해안으로 전달하고, 부력을 조정하기 위해 체인 테이블에 공기를 공급하거나, 또는 다른 관심 기능들을 수행하는데 사용될 수 있다. 복수의 파이프들을 사용하여 이러한 역할들을 분리하여 공기를 펌핑하여 전기 케이블들의 손상을 줄이거나, 제어 라인들 간 또는 제어 라인들과 대용량 전력 라인들 간의 혼선 및 간섭을 줄일 수 있다. 파이프들의 중공 코어들은 샤프트 하단에 부력을 제공하는데 사용될 수도 있다.
또한, 임의의 선행 청구항의 터렛 무어링 시스템을 사용하여 워터 베드에 조력 터빈 어셈블리를 무어링하는 방법이 개시되며, 이 방법은 (i) 조력 터빈 어셈블리를 설치 장소로 운반하는 단계; (ii) 터렛의 체인 테이블의 상류 부분을 단일 상류 앵커링 포인트에서 워터 베드에 커플링하고, 터렛의 체인 테이블의 하류 부분을 단일 하류 앵커링 포인트에서 워터 베드에 커플링하는 단계; 및 (iii) 터렛을 조력 터빈 어셈블리에 고정하는 단계를 포함한다. 이것은 원하는 위치에 설치되는 완전한 어셈블리를 제공한다.
선택적으로 단계 (iii)은 단계 (i) 및 (ii) 전에 수행되고, 단계 (iii)은 부두 또는 육지에서 수행된다. 이를 통해 경우에 따라 작업자가 안전 점검을 수행할 수 있도록 제어된 환경에서 복잡한 장착 프로세스를 수행할 수 있다.
선택적으로, 단계 (iii)이 완료되고 나면, 터렛이 상승 위치에 있을 때보다 하강 위치에 있을 때 조력 터빈 어셈블리의 드래프트(draft)가 더 크게 되도록, 터렛이 상승 위치와 하강 위치 사이에서 조력 터빈 어셈블리에 대해 수직 방향으로 슬라이딩 가능하다. 선택적으로, 터렛은 단계 (i) 동안 상승 위치에 있다. 이것은 운송 중 어셈블리의 드래프트를 줄여, 운송 프로세스를 더 쉽고 효율적으로 만들 수 있다. 어셈블리가 목적지에 도착하면, 터렛을 하강시켜 체인 테이블이 물 표면 아래에 충분히 낮아지도록 함으로써 터빈들이 조류에서 스윙하는 경우를 피할 수 있다. 설치하는 동안, 예를 들어 변화하는 물 조건들에 적응하기 위해, 터렛의 높이를 조정하는 것도 유리할 수 있다.
선택적으로, 터렛은 체인 테이블이 물에 잠기고 터렛이 수직 방향으로 슬라이딩 가능한 경우 상향력을 제공하도록 구성되며; 또한 터렛의 수직 위치는 운송 중 조력 터빈 어셈블리의 피치(pitch)를 제어하기 위해 단계 (i) 이전 또는 단계 (i) 동안에 조정된다. 이것은 운송 중 조력 터빈 어셈블리에 안정성을 제공하는데 도움이 될 수 있다.
선택적으로, 조력 터빈 어셈블리는 하나 이상의 터빈들을 포함하며, 하나 이상의 터빈들은 터빈들이 예상 워터 라인(water line) 아래(및 선택적으로 터빈 어셈블리의 선체(hull) 아래)에 있게 되는 전개 배치(deployed arrangement), 및 터빈들이 예상 워터 라인 위에 완전히 있게 되는(그리고 선택적으로 조력 터빈 장치, 예를 들어 데크 상에 지지되는) 상승 배치로 구성 가능하다. 터빈들은 단계 (i) 동안 상승 배치로 더 구성될 수 있다. 이를 통해 운송 중에 터빈들을 상승시킴으로써 어셈블리를 설치 장소로 견인하는 동안 항력들을 감소시켜, 설치 효율성을 향상시킨다.
이제 도면을 참조하여 예 및 실시예에 대하여 상세하게 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 조류가 흐를 때 터렛 무어링 시스템과 무어링되는 조력 터빈 어셈블리의 측면도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 터렛의 측면도를 상세하게 나타낸다.
도 3은 조력 터빈 어셈블리와 별도로 도 1의 터렛의 상세 사시도를 나타낸다.
도 4는 도 1의 터렛을 포함하는 무어링 시스템의 평면도를 나타낸다.
도 5는 터렛의 제 2 예의 세부 사시도를 나타낸다.
도 6은 도 5의 터렛을 포함하는 무어링 시스템의 평면도를 나타낸다.
도 1은 워터 베드(도시되지 않음)에 무어링되는 조력 터빈 어셈블리(150)를 나타낸다. 조력 터빈 어셈블리(150)는 부력이 있고 실질적으로 강성이며, 어셈블리가 수면에서 부유할 수 있도록 하는 선체(hull)에 의해 캡슐화된 본체(152)를 포함한다. 어셈블리(150)가 편의를 위해 표시된 x 축 및 z 축과 함께 측면도로 나타나 있으며, 여기서 화살표들은 해당 축의 양의 방향을 가리킨다. y 축은 x 축 및 z 축 모두에(따라서 본 도면의 평면에도) 수직이다. 어셈블리(150)의 후방(rear) 또는 선미(stern)(음의 x 방향)를 향하여, 터빈 배치 모듈(154)이 하나 이상의 터빈들(158)을 물 밖으로 또는 물 속으로 상승 및 하강시키기 위해 위치된다. 터빈(들)(158)은 빔(beam)(156)의 원위 단부에 장착되고, 빔(156)은 터빈(들)(158)을 물 밖으로 상승시키기 위해 물 밖으로 상향 스윙하도록 터빈 배치 모듈(154)에 의해 구동될 수 있다. 이것은 어셈블리(150)의 드래프트를 감소시켜 어셈블리(150)를 설치 장소로 또는 그로부터 쉽게 운반하는 것을 도울 수 있다. 다른 예들에서, 터빈(들)(158)은 거친 바다에 의한 손상을 방지하거나 터빈(들)(158)을 수리 또는 검사하기 위해 물 밖으로 들어올려질 수 있다. 임의의 경우에 있어서, 반대 동작이 터빈 배치 모듈(154)에 의해 실시됨으로써 터빈(들)(158)을 다시 물 속으로, 예를 들어 선체 아래로 스윙할 수 있으며, 이에 따라 전력 발전이 시작될 수 있다(또는 경우에 따라 전력 발전이 재개될 수 있음).
터빈 어셈블리(150)의 전방(front) 또는 선수(bow)(양의 x 방향)를 향해 무어링 시스템의 일부를 형성하는 터렛(100)이 있다. 터렛 무어링 시스템은 조력 터빈 어셈블리(150)에 고정되는 샤프트(102)를 포함한다. 샤프트(102)는 터렛(100)과 조력 터빈 어셈블리(150) 사이의 상대 회전 운동을 허용하는 방식으로 조력 터빈 어셈블리(150)에 장착된다. 체인 테이블(104)은 샤프트(102)의 하단(음의 z 방향)에 고정된다. 체인 테이블(104) 및 샤프트(102)의 모션들은 모두 일반적으로 강성 구조체들이며, 체인 테이블(104) 및 샤프트(102) 중 하나의 회전 및 수직 움직임들이 체인 테이블(104) 및 샤프트(102) 중 다른 하나에서의 동일한 모션을 야기하게 되도록 함께 커플링된다.
상류 무어링 라인(106) 및 하류 무어링 라인(108)은 체인 테이블(104)을 각각의 상류 및 하류 앵커링 포인트들(도시되지 않음)에 있는 워터 베드에 커플링시킨다. 체인 테이블(104)은 무어링 라인들(106, 108)이 워터 베드에 대한 체인 테이블(104)의 회전에 저항하는 방식으로 워터 베드에 고정된다. 이것은 샤프트(102) 및 터렛(100) 전체가 워터 베드 위에서 제자리에 유지되며 무어링 라인들(106, 108)의 장력에 의해 회전하는 것이 방지된다는 것을 의미한다. 터렛(100)의 이러한 확실한 유지를 통해 조력 터빈 어셈블리(150)가 워터 베드에 대해 회전할 수 있으며, 예를 들어 변화하는 로컬 조류(local current)들에 적응할 수 있게 된다.
특히 어셈블리(150)는 조수가 방향을 변경할 경우 약 180°요잉(yawing)(z 축을 중심으로 회전)한다. 터렛 무어링 시스템(100)은 또한 조력 터빈 어셈블리(150)가 그 배향을 조정할 수 있게 하여 터빈(들)(158)을 로컬 조류 흐름 벡터와 더 잘 정렬하도록 한다(이 경우들에 있어서 조수 흐름 방향은 예를 들어 로컬 조류들로 인해 각 사이클마다 동일하지 않다). 이것은 고정된 배향 또는 자세에서(그러나 이렇게 하면 흐름 방향의 변화에 적응하는 능력이 반드시 희생됨) 어셈블리(150)를 엄격하게 유지할 수 있는 고정된 무어링 시스템에 비해 개선된 것이다.
조력 터빈 어셈블리(150)는 조류가 흘러서(양으로부터 음으로의 x 방향으로) 터빈(들)(158)을 구동하도록 사용 되는 것으로 나타나 있다. 이 프로세스와 관련된 다양한 힘들이 도면에 표시되어 있다. 특히, 선체의 항력, 빔의 항력 및 터빈 추력이 순 항력 하중, FD로 결합된다. 순 항력 하중(net drag load)은 항력들을 압도하는 터빈 추력으로 인해 터빈(들)(158)에 매우 가까운 유효 항력 중심에서 작용한다.
무게 중심을 CoG로 표시하고, 조력 터빈 어셈블리(150)의 전체 질량 M은 CoG를 통해 아래쪽으로 작용한다. 유사하게, 조력 터빈 어셈블리의 부력 BA는 종방향 부력 중심, LCB를 통해 위쪽으로 작용한다. 일반적으로 CoG와 LCB는 같은 지점에 있지 않음을 유의한다.
터렛에 대한 힘들은 무어링 라인들(106, 108)의 장력에 의해 가해지는 하향력으로 인한 순 수직 무어링 하중 Tz이다. 또한, 무어링 라인들(106, 108)에서의 장력의 수평 성분들로 인한 순 수평 무어링 하중 Tx가 존재한다. 조력 터빈 장치(150)가 가라앉지 않고 제자리에 남아 있어야 하는 경우, BA = M 및 Tx = FD 이며, 이것은 조력 터빈 어셈블리(150), 터렛(100) 및 무어링 라인들(106, 108)의 섬세한 설계에 의해 쉽게 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 제한은 정적 조건만 충족한다. 물의 흐름이 있을 때, 상기한 힘들만 작용한다면, 이러한 힘들 각각에 의해 생성되는 모멘트들을 계산하는 것이 가능하다. 이 힘들은 일반적으로 종방향 부력 중심을 통과하지 않기 때문에, 종방향 부력 중심을 중심으로 회전하는 경향이 있다.
시계 방향을 양의 방향(가장 짧은 호에서 양의 z 방향을 양의 x 방향에 매핑하는 방향)으로 취하면, 이러한 모멘트들은 다음과 같다. 순 항력 FD는 모멘트 FD·z2를 야기하며, 여기서 z2는 순 항력의 유효 작용점과 종방향 부력 중심 사이의 수직 오프셋이다. 조력 터빈 어셈블리(150)의 질량 M은 -M·x2의 모멘트를 제공하도록 작용하며, 여기서 x2는 무게 중심과 종방향 부력 중심 사이의 수평 간격(x 방향에서)이다.
마지막으로, 터렛은 Tzx1 - Txz1의 모멘트를 제공하며, 여기서 x1는 터렛(100)과 종방향 부력 중심 사이의 수평 간격(x 방향에서)이고, z1는 체인 테이블(구체적으로 체인 테이블(104)과 무어링 라인들(106, 108) 사이의 연결 위치)과 종방향 부력 중심 사이의 수직 간격이다.
안정된 배열들(힘들로 인해 회전하지 않는 배열들)은
Figure pct00006
Figure pct00007
인 배열들이며, 여기서 mi은 위에서 설명한 각 소스로부터의 모멘트들을 나타낸다. 그렇지 않으면 조력 터빈 어셈블리(150)는 종방향 부력 중심을 통과하지 않는 라인들을 따라 작용하는 힘으로 인해 회전하게 된다. 조력 터빈 어셈블리(150)는
Figure pct00008
이 양인 경우 시계 방향으로 회전하고, 이 합이 음인 경우 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이것에 의해 수중에서의 어셈블리(150)의 배향이 변경되고, x1, x2, z1, z2의 값들도 변경된다. 안정적인 구성을 찾을 때까지 이 회전은 계속된다. 예를 들어, 어셈블리(150)는 조류가 흐르지 않을 때 안정적인 구성에 있을 수 있으며, 이것은 FD 및 Tx가 제로(zero)임을 의미한다. 조류 흐름 속도가 증가함에 따라, 힘들 FD 및 Tx가 증가하게 되지만, 무어링 라인 다이나믹스로 인해 이들이 반드시 동일하지는 않다(예를 들어, 평형이 회복될 때까지 어셈블리(150)가 뒤로 약간 이동함을 의미함). 유사하게, 일반적으로 z1≠z2이고 그 순 결과 조류 흐름으로 인해 도입된 모멘트들이 일치하지 않게 되며, 따라서 어셈블리(150)가 회전하게 된다. 일반적으로 그 결과 시계 방향으로 회전하게 되어, 어셈블리(150)의 선수(양의 x 방향)를 물 속으로 밀어 넣고, 선미(음의 x 방향) 및 터빈(들)(158)이 들어올려진다. 전력 발전에 영향을 미치기 때문에, 터빈(들)(158)의 상당 부분이 물 밖으로 들어올려진다면 분명 문제가 된다. 터빈(들)(158)이 완전히 잠긴 상태로 남아 있는 경우에도, 터빈(들)(158)이 더 이상 전력을 생성하기 위한 스트림의 최적 부분에 있지 않을 수 있으므로, 이러한 움직임에 저항하는 것은 중요하다.
본 발명은 터렛(100)에 추가적인 모멘트를 제공함으로써 이 문제를 해결한다. 구체적으로, 터렛(100)은 조력 터빈 어셈블리(150)에 대하여 상향력을 제공하도록 구성된다. 일부 예들에서, 이것은 고정 부력이고, 다른 예들에서는 가변 부력이다. 또 다른 예들에서, 이것은 체인 테이블(104) 상의 유체역학적 페어링이고, 일부 예들에서 이것은 이들 중 둘 이상의 조합이다. 터렛(100)에 상향력을 추가하면 모멘트 방정식이
Figure pct00009
Figure pct00010
로 변경되며, 여기서 L 및 B는 각각 유체역학적 양력(lift)과 부력(buoyancy)이다. 이들은 터빈들(158)에 의해 야기되는 피칭(pitching)(y 축에 대한 회전)을 상쇄하도록 선택될 수 있다. 특히, L 및 FD는 모두 유속에 따라 달라지며, 따라서 유체역학적 표면은 터빈 추력에 의해 야기되는 피칭 모멘트를 동적으로 상쇄하는 L을 제공하도록 설계될 수 있다. 부력은 모멘트의 밸런싱을 미세 조정하기 위해, 시간에 따라 달라지는 추가 힘을 제공하도록 가변적일 수 있다. 다시 말해서, 터렛(100)에 상향력을 추가하면 조력 터빈 어셈블리(150)의 배향들이 변경되어 안정적인 배열이 생성될 수 있다. 특히, 이 안정적인 배열들은 평평한 배향(flat orientation)(선수-선미 라인이 대체로 수평)에 더 가까워질 수 있다.
도 1에 상세하게 도시되지 않았지만, 터렛(100)은 조력 터빈 장치(150)에 대해 수직으로 슬라이딩하도록 배열될 수 있다. 이것은 z1 거리를 변경하고 따라서 터렛(100)에 의해 생성되는 무어링 하중의 x-성분으로 인한 모멘트의 크기를 변경함으로써 장치(150)의 안정적인 위치 조정을 더 허용할 수 있다. 이러한 수직 운동은 또한 어셈블리(150)를 설치 장소로 운반하는 동안 터렛(100)을 들어올려서 어셈블리(150)를 설치 장소로 운반하는 동안 어셈블리(150)의 드래프트를 줄이는 데에도 유용할 수 있다. 이것은 궁극적으로 터렛(100)이 운송 프로세스의 효율성에 영향을 미치지 않으면서, 육지 상에서 또는 부두나 항구의 비교적 잔잔한 물에서 어셈블리(150)에 설치될 수 있도록 한다. 어셈블리(150)가 설치 장소에 도착하면, 터렛(100)은 무어링 라인들(106, 108)을 사용하여 워터 베드에 고정될 수 있다. 다른 예들에서, 터렛(100)은 설치 장소에 어셈블리(150)가 도착하기 이전에 워터 베드에 고정될 수 있다.
또한 도 1에는 터빈(들)(158)에 의해 생성된 전력이 해안으로 전달될 수 있도록 하는 전력 전달 장치가 상세하게 도시되어 있지 않다. 이러한 장치는 터빈 어셈블리(150)와 터렛(100) 사이의 슬립 링(slip ring)을 포함하며, 이에 따라 터렛(100)과 어셈블리(150) 사이의 회전 연결을 통해 전력이 터렛(100)으로 안전하게 전달될 수 있도록 한다. 전력은 워터 베드를 따라 해안으로 연장되는, 무어링 라인들(106, 108)을 따라 연장되는 라이저 케이블(riser cable)(도시되지 않음)에 의해 해안으로 전달될 수 있다. 필요한 경우, 하나 이상의 슬립 링들이 터렛에 대한 제어 신호들의 전송을 제어하는데 사용될 수도 있다. 대안적으로 단거리 무선 통신들이 어셈블리(150)와 터렛(100) 사이의 제어 신호들에 사용될 수 있다.
도 1에는 이것을 상세히 나타내지 않았지만, 일부 경우들에서 터렛(100)은 샤프트(102) 길이의 적어도 일부에 있어서, 어셈블리(150)에 대해 수직(또는 z) 방향으로 슬라이딩 가능할 수 있다. 이러한 경우들에서, 슬라이딩 모션은 터렛(100)이 어셈블리(150)에 대해 고정된 높이로 유지될 수 있도록 선택적으로 로킹될 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 터렛(100)은 어셈블리(150)에 상향력을 부여하도록 구성될 수 있다. 로킹 메커니즘(locking mechanism)(도시되지 않음)은 로킹 메커니즘이 로킹 상태일 때 터렛(100)과 어셈블리(150) 사이의 상대 운동에 저항할 수 있을 만큼 충분히 강하며, 이러한 상향력이 가해지는 동안에도, 그 힘이 어셈블리(150)에 완전히 전달되도록 한다.
이제 도 2로 돌아가면, 터렛(100)이 조력 터빈 어셈블리(150)에 장착된 상태가 보다 더 상세하게 나타나 있다. 앞서와 같이, 힘 L 및 B가 터렛(100)에 작용하는 것으로 나타나 있으며, 이것은 터렛(100)의 유체역학적 양력 효과 및 부력을 각각 나타낸다. 힘 T1는 상류 무어링 라인(106)의 장력을 나타내고, T2는 하류 무어링 라인(108)의 장력을 나타낸다. 이들은 x(수평) 및 z(수직) 성분들 T1x, T1z, T2X, T2Z로 분해된다. 무어링 라인들은 어태치먼트 포인트들(128)에서 체인 테이블(104)에 커플링된다. 또한 도면들에는 터렛의 질량 M으로 인한 중량이 나타나 있다.
조력 터빈 어셈블리(150)는 터렛(100)을 수용하기 위한 원통형 장착 구멍을 갖는다. 터렛(100)은 원통형 장착 구멍의 내부 표면과 결합하기 위한 상부 레이디얼 베어링(upper radial bearing)(110) 및 하부 레이디얼 베어링(lower radial bearing)(112)을 갖는다. 각각의 레이디얼 베어링(110, 112)은 터렛(100)과 조력 터빈 어셈블리(150) 사이의 상대 회전 운동을 허용하도록 배열된다. 그러나, 위에서 논의된 다양한 힘들이 터렛(100)과 터빈 어셈블리(150) 사이의 마찰력들을 초래한다. 특히, 상부 레이디얼 베어링은 레이디얼 반력 R1x 및 수직 반력 R1z을 가지며, 하부 레이디얼 베어링은 레이디얼 반력 R2x을 갖는다. 이러한 반력들에 대한 마찰 계수들은 각각
Figure pct00011
및
Figure pct00012
로 표시된다.
이 반력들의 순 효과는 도 2에서 QF로 나타낸 마찰 토크(frictional torque)를 제공하는 것이다. 실제에 있어서, 이것은 어셈블리(150)가 터렛(100)에 대해 회전하여 의도한 요잉 효과를 달성하기 위해 터렛(100)과 터빈 어셈블리(150) 사이에 가해져야 하는 토크이다. 전체적으로 작성하면, 반경 r(레이디얼 베어링들이 터빈 어셈블리(150)와 접촉하는 유효 반경)을 갖는 터렛(100)의 마찰 토크는
Figure pct00013
이다.
레이디얼 베어링들(110, 112)이 마찰을 가능한 한 감소시키도록 설계될 수 있지만, 이것은 본 시스템에 대한 제한된 이점만을 갖게된다. 이것은 조력 터빈 어셈블리들(150)의 양방향 특성 및 조수가 낮고 순 조류가 없을 때 요잉 작용이 발생한다는 사실 때문이다. 느슨한 간조(low tide)에 이상적인 시스템에서, T1 = T2이고 따라서 R1x = R2X = 0이며, 이것은 마찰력에 대한 지배적인 기여가 수직 성분 때문임을 의미한다. 보다 구체적으로, 조류가 흐르지 않을 때 양력 L이 제로인 경우, 마찰 토크는
Figure pct00014
이다. 다시 말해서, 고정 부력이 각 무어링 라인(106, 108)에 대한 수직 장력 성분들의 합과 동일한 상향력을 생성하는 경우, 느슨한 간조에서의 마찰 토크는 최소이고, 터렛(100)과 어셈블리(150) 사이의 회전에 대한 임피던스도 최소가 된다. 따라서 고정 부력은 어셈블리(150)가 터렛(100)을 중심으로 회전할 수 없는 문제를 직접적으로 해결한다. 물론, 조수 변화 동안 조류가 전혀 흐르지 않는 기간은 비교적 짧다. 그러한 경우들에 있어서, 결과적인 마찰력이 최소가 되도록 하기 위해 분석에 고려될 수 있는 유체역학적 양력 L이 존재하게 된다. 부력 및 양력도 또한 위에서 설명한 피칭력들을 상쇄하는 효과를 가짐은 물론이다.
도 2는 또한 양력들, L을 제공하기 위한 유체역학적 표면(126)을 나타낸다. 보다 구체적으로, 유체역학적 표면(126)은 체인 테이블(104) 상의 페어링(fairing)으로서 형성된다. 다른 경우들에 있어서 유체역학적 표면은 합리적으로 작은 터렛(100)을 유지하면서 양력을 증가시키기 위해, 체인 테이블(104) 너머로 연장되는 부분들, 예를 들어 체인 테이블(104)로부터 y 방향으로 연장되는 기다란 날개형(wing-type) 구조를 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
도 2에서, 유체역학적 표면(126)은 물이 어느 방향으로든 표면 위에서 흐를 때 양력이 생성된다는 의미에서 양방향성이다. 보다 구체적으로, 표면(126)은 대칭형이며, 이것은 물이 양의 x 방향으로 흐르든 음의 x 방향으로 흐르든 주어진 유속에서 생성되는 양력이 동일함을 의미한다. 이것은 페어링(126)이 피칭 모멘트들을 상쇄하게 되는 전술한 효과가 조수가 들어오든 나가든 관계없이 존재하도록 배열될 수 있음을 의미한다. 다른 예들에서는, 유체역학적 표면이 반대 방향들의 흐름에 대응하여 다르게 거동하는 것이 유리할 수도 있다. 부력 요소(전술한 고정 또는 가변 부력을 제공하기 위함)가 그 부력 요소를 손상으로부터 보호할 수 있는 페어링(126) 내에 위치될 수 있으며, 그 부력이 잠긴 에어 포켓에 기초하는 경우, 페어링은 물 아래의 공기를 유지하기 위한 외부 엔벨로프를 제공할 수 있다.
이제 도 3을 고려한다. 여기에서는 터렛의 세부 도면이 명확하게 표시된 x, y 및 z 축들과 함께 볼 수 있다. 체인 테이블(104)은 일반적으로 강성이며, 체인 테이블(104)의 4개의 코너들에 위치되는, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같은, 무어링 라인들을 체인 테이블(104)에 커플링하기 위한 4개의 어태치먼트 포인트들(128)을 갖는다. 강성 체인 테이블(104)은 어태치먼트 포인트들(128)을 이격되게 유지하고, 어태치먼트 포인트들(128)의 상류 및 하류 쌍들은 x 방향으로 서로 이격되어 유지된다. 추가적으로, 각 쌍의 어태치먼트 포인트들(128)(상류 쌍 및 하류 쌍)은 y 방향으로 서로 이격되는 2개의 어태치먼트 포인트들(128)을 포함한다.
샤프트(102)는 외부 케이싱에 의해 둘러싸인 파이프들(122)의 클러스터로부터 형성되는 것으로 나타나 있다. 이것은 강한 샤프트(102)를 형성하는 저렴하고 용이한 방식을 제공한다. 파이프들(122) 및 외부 케이싱(124)의 일반적인 배열은 터렛(100)에 대한 항력(drag)을 감소시키도록 배열될 수 있다. 도시된 예에서, 외부 케이싱(124)은 샤프트(102)를 능률화 하기 위해, x 방향을 따라(즉, 흐름 방향을 따라) 기울어진 좁은 각도들을 갖는, 대략 다이아몬드 형상이다. 파이프들(122) 자체는 또한 체인 테이블(104)과 어셈블리(150) 사이에서 통신하기 위한 편리한 수단을 제공한다. 예를 들어, 체인 테이블(104)이 가변 부력 요소를 포함하는 경우, 부력은 이러한 목적을 위해 적응될 수 있는 파이프들(122) 중 하나를 통해 체인 테이블(104) 내로 공기를 펌핑하는 것에 의해 조정될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로 별도의 파이프들(122)을 사용하여, 터빈(들)(158)에 의해 생성된 전력을 어셈블리(150)로부터 해안으로 전달하고 또한 터빈 어셈블리(150)과 체인 테이블과 해안 사이에서의 통신 메시지들을 전달할 수 있다. 일부 예들에서, 해안과 어셈블리 사이의 통신을 통해 해안으로부터의 터빈 어셈블리(150)의 작동에 대한 다양한 측면들의 제어를 가능하게 할 수 있으며, 예를 들어 터빈(들)(158)을 물 밖으로 들어올려 거친 바다에서의 손상을 방지할 수 있고, 이것은 바다가 너무 거칠어서 어셈블리(150)의 설정 또는 배열을 변경하기 위해 보트에서 또는 심지어 공중에서 어셈블리(150)에 물리적으로 참석하는 것이 비실용적이거나 안전하지 않을 때 유리할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 도 3의 터렛(100)이 무어링 라인에 커플링되는 평면도로 나타나 있다. 도 4는 도면의 하단에 하나의 무어링 라인만 나타나 있지만, 전체 무어링 시스템에는 2개의 무어링 라인들이 포함됨(도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같음)에 유의한다. 도 4에 나타낸 무어링 라인은 도 1 및 도 2에 나타낸 무어링 라인들(106, 108) 중 하나에 대응한다.
도 4는 체인 테이블(104)에 커플링되는 무어링 라인을 나타낸다. 무어링 라인은 하단(lower end)에서 워터 베드 상의 앵커링 포인트(114)에 커플링하기 위한 제 1 부분(116)을 갖는다. 제 1 부분은 그것의 상단(upper end)에서 브라이들(bridle)(120)에 연결된다. 브라이들(120)은 3개의 어태치먼트 포인트들을 가지며, 그 중 하나는 제 1 부분(116)에 연결된다. 브라이들(120) 상의 나머지 2개의 어태치먼트 포인트는 무어링 라인의 제 2 부분(118)에 커플링된다. 무어링 라인의 제 2 부분(118)은, 병렬 하중 경로들을 제공하며 브라이들(120)에서 분기되어 체인 테이블(104)의 2개의 어태치먼트 포인트들(128)에 커플링되는 2개의 라인들을 포함한다. 다시 말해서, 상단에서 2개의 어태치먼트들로 분기되지만, 워터 베드 상의 단일 포인트(114)에 고정된다는 점에서, 무어링 라인은 분기형 무어링 라인이다.
무어링 라인의 제 2 부분(118)이 커플링되는 2개의 어태치먼트 포인트들(128)은 y 방향으로 이격된다. 이것은 단일 무어링 라인이 체인 테이블(104) 상의 단일 어태치먼트 포인트(128)로 가능한 것보다 워터 베드에 대한 터렛(100)의 회전에 대해 더 큰 저항을 제공할 수 있게 한다. 일 예로서, 워터 베드에 대한 도 4에 나타낸 터렛(100)의 회전을 고려한다. 터렛(100)이 어느 방향으로 회전하든, 제 2 부분(118)의 2개의 분기 가닥들 중 하나 또는 다른 것은 장력을 받게 된다. 이것은 어느 방향으로든 터렛(100)의 회전이 무어링 시스템에 의해 저항된다는 것을 의미한다. 일 예로서, 무어링 라인들은 약 1미터의 어태치먼트 포인트들(128) 사이의 y 축 간격으로 체인 테이블(104)에 연결될 수 있으며, 이것은 대부분의 경우에 있어서 원하는 효과를 얻기에 충분히 큰 간격인 것으로 밝혀졌다. 다른 예들에서, 이 간격은 상정되는 특정 구현에 따라 더 크거나 더 작을 수 있다.
무어링 라인의 제 1 부분(116)은 강한 커플링을 제공할 수 있는 체인으로 형성된다. 무어링 라인의 제 2 부분(118)은 아라미드 섬유 라인들(예를 들어 Dyneema (RTM))과 같은 저질량 합성 재료로 형성된다. 이것은 체인 테이블(104)에 너무 많은 질량을 도입하지 않으면서 필요한 인장 하중들에 저항하는 적절한 재료로 라인들이 만들어질 수 있도록 한다. 분기점(즉, 도 4의 브라이들(120))의 위치는 터렛(100)에 비교적 가까운 것으로 나타나 있다(브라이들이 어태치먼트 포인트(114)에 대해 있는 것보다 터렛(100)에 확실히 더 가까움). 대부분의 경우들에 있어서, 브라이들(120) 또는 분기점은 터렛(100)으로부터(보다 구체적으로 체인 테이블(104) 상의 어태치먼트 포인트들(128)로부터) 무어링 라인의 전체 길이의 10% 이하로 떨어져 위치해 있다(즉, 워터 베드 상의 앵커링 포인트(114)에서 측정된 무어링 라인 길이의 90% 이상).
보다 더 상세히 설명하면, 무어링 라인의 제 1 부분(116)은 체인으로 되어 있어, 무거우며 터렛(100)에 복원력을 제공한다. 이것은 인장력 T1 및 T2가 각각의 무어링 라인들(106, 108)의 중량으로부터의 기여를 포함하는 도 2를 참조하여 가장 잘 알 수 있다. 무어링 라인에 분기점을 제공하면 이 장력이 2개의 어태치먼트 포인트들(128) 사이에 분산된다. 이 결과, 무어링 라인의 제 2 부분(118)의 2개의 분기 가닥들 각각의 장력이 (도 3에서 볼 수 있는 터렛(100)의 대칭성으로 인한, 회전축 주위의) 터렛(100)에서 동일 및 반대되는 회전 모멘트를 야기하는 터렛에 대한 평형 위치가 존재하게 되고, 따라서 토크를 밸런싱하여 회전을 일으키지 않는다는 것이다. 2개의 분기 가닥들의 길이가 동일한 경우, 이 평형 위치는 도 4에 나타낸 것과 같다.
구체적으로, 도 4에 도시된 평형 위치는 무어링 라인의 제 1 부분(116)의 방향(x-y 평면에서)으로 도시된 제 1 라인이 체인 테이블(140)에 도달할 때까지 연장되는 위치이다. 이 제 1 라인은 2개의 어태치먼트 포인트들(128) 사이에 도시된 제 2 라인과 직각으로 교차한다. 임의의 한 방향으로 터렛(100)이 회전하면 2개의 분기 가닥들 중 하나에서 장력이 증가하고 다른 것은 느슨해지며 장력이 감소한다는 것을 도 4에서 명백히 알 수 있다(일부 경우들에서는 극적으로, 심지어는 실질적으로 제로가 됨). 명시적으로 말하자면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 터렛(100)이 시계 방향으로 회전할 경우 2개의 가닥들의 왼쪽 가닥에서 장력이 증가하고 오른쪽 가닥에서 장력이 급격히 감소하며, 그 반대의 경우도 가능하다.
도 4의 분기형 무어링 라인은 개선된 설치 단순성과는 별개로, 워터 베드 상의 서로 다른 각각의 포인트에 커플링되는 한 쌍의 독립적인 단일 무어링 라인들에 비해 이점이 있다(예를 들면, 설치될 워터 베드에 절반의 앵커링 포인트 수가 필요함). 일반적으로 독립적인 무어링 라인들에서는, 라인들이 적당히 느슨할 때, 각 어태치먼트 포인트(128)에 상이한 크기의 장력을 제공한다. 이것은, 각 라인의 느슨함이 해당 라인의 장력에 영향을 미치며, 따라서 (예를 들면, 파도 아래의 드리프팅 또는 조류 움직임에 기인하는) 워터 베드 상의 앵커 포인트들(114)에 대한 터렛(100)의 위치가 2개의 무어링 라인들 사이에 차등 장력을 야기할 수 있고, 따라서 워터 베드에 대한 터렛(100)의 회전을 야기할 수 있기 때문이다. 반직관적으로, 따라서 이 작업을 위해 2개의 독립적인 무어링 라인을 사용하면 무어링 시스템이 방지하도록 의도된 바로 그 회전들이 발생할 수 있다.
대조적으로, 도 4의 분기형 무어링 라인들은 브라이들(120)까지 동일한 인장력을 제공하며, 이것은 앵커링 포인트(114) 및 브라이들(120) 위치로부터 직선으로 정의된 축에 대한 터렛(100)의 회전만이 차등 장력을 야기한다는 것을 의미한다. 결과적으로, 분기형 무어링 시스템은 터렛(100)을 의도된 방향으로 유지함에 있어서 더 우수하며, 이것은 무어링 시스템이 워터 베드에 대한 회전에 대해 터렛(100)을 바람직하게 지지하기 때문이다.
도시되지 않았지만, 체인 테이블(104)은 추가 어태치먼트 포인트들(128)을 통해 제 2 무어링 라인에 연결될 수 있다. 제 2 무어링 라인은 제 1 무어링 라인과 동일한 설계일 수 있으며 이것은 동일한 이점들이 있다. 다른 예들에서, 제 2 무어링 라인은 체인 테이블(104)에 단 하나의 어태치먼트 포인트(128)를 갖는 더 단순한 설계일 수 있다. 이것은 조수 흐림이 비대칭인 경우에 가능할 수 있으므로, 위에서 설명한 엉킴 문제가 한 흐름 방향에서 발생할 가능성이 가장 높지만 다른 흐름 방향에서는 상대적으로 발생할 가능성이 적다. 이러한 설치 장소는 또한 거의 같은 이유로 비대칭 유체역학 페어링들을 사용할 수 있다.
체인 테이블(104) 상에 이격된 어태치먼트 포인트들(128)을 갖는 이 무어링 시스템은 워터 베드에 대한 터렛(100)의 회전에 대해 더 강한 저항을 제공한다. 단독으로 또는 위에서 설명된 시스템과 조합하여(터렛(100)의 상향력들이 마찰을 감소시킴), 이것은 터렛(100)이 단단히 고정되기 때문에, 무어링 라인들(106, 108)의 엉킴 발생의 가능성을 감소시킨다. 실제에 있어서는, 조합해서, 터렛(100)과 조력 터빈 어셈블리(150) 사이에 가해지는 토크 증가의 효과(분기형 무어링 라인 배열로 인함) 및 마찰 감소(터렛(100)에 의해 제공되는 상향력으로 인함) 둘 모두가, 조류가 방향을 바꿀 때 조력 터빈 어셈블리(150)가 터렛(100)에 대해 회전하도록 함으로써 엉킴을 감소시킨다는 공통의 목표를 향해 작용한다.
도 5 및 도 6은 각각 사시도 및 평면도로 터렛(100)에 대한 대안적인 설계를 나타낸다. 도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4와 대체로 동일하며, 공통적인 특징에 대해서는 다시 상세히 설명하지 않는다. 그러나, 도 5 및 도 6에는 페어링(126)이 없고 체인 테이블(104)의 내부 구조가 보인다. 특히 도 3 및 도 4를 도 5 및 도 6과 비교하면 체인 테이블(104)의 볼륨(페어링(126) 내부 영역)의 대부분이 부력 요소를 저장하는데 사용할 수 있음을 나타낸다. 또한, 도 5 및 도 6에 나타낸 설계는 본 명세서의 개시 내용의 일부로 나타낸 바와 같이 사용될 수 있으며, 구체적으로 무어링 라인들용 어태치먼트 포인트들(128)이 y 방향으로 이격되어 있고, 이것은 위에서 설명한 방식으로 엉킴의 발생을 줄이는데 도움이 될 수 있다. 어떤 경우들에는 무어링 라인들에 의해 제공되는 효과가 너무 강력하여 부력이나 유체역학적 양력에 의해 제공되는 추가 효과가 필요하지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 출원은 여기에 일반적으로 요약된 많은 유리한 특징을 제시한다. 첫째, 터렛에 무어링된 조력 터빈 장치에 대한 체인 테이블의 특정 적응은, 터렛이 워터 베드에 대해 회전하는 것을 저항할 수 있다는 점에서 더 큰 안정성의 시스템들을 허용하고, 이에 의해 실제 터빈 어셈블리가 회전하여 국부적인 조류 흐름과 정렬될 수 있도록 한다.
이 효과는 이들의 큰 드래프트 및 항력(터빈이 표면 아래에 있기 때문에)으로 인해 부유식 구조, 특히 부유식 터빈 구조에서 달성하기가 특히 어렵다. 위에서 언급한 바와 같이 이것은 터렛이 터빈 장치와 함께 비틀어지고 무어링 라인들이 꼬이게 할 수 있다. 또한, 터빈들은 무어링 라인들 자체로 스윙하여, 터빈, 무어링 라인들 또는 둘 다를 손상시킬 위험이 있다.
조력 터빈 어레이들에 터렛 무어링 시스템들을 적용할 때, 딜레마가 발생한다: 한편으로 무어링 시스템의 복잡성을 줄이면(특히 워터 베드에 더 적은 앵커링 포인트들을 제공) 설치 비용이 절약되고, 터빈들의 움직임을 방해하는 더 적은 수중 장애물을 제공하며, 이것은 장치가 변화하는 조류 흐름에서 스윙하기 때문이다. 다른 한편으로, 무어링 라인이 적을수록, 터렛이 워터 베드에 대해 회전식으로 고정되지 않고 결과적으로 무어링 라인의 엉킴 및 뒤틀림이 발생할 가능성이 증가하는 경향이 있다.
본 출원은 체인 테이블 상의 이격된 어태치먼트 포인트들이 (워터 베드에 비해) 증가된 회전 저항을 제공하는데 도움이 되는 솔루션을 제시한다. 그 효과는 매우 뚜렷하여, 무어링 라인들이 체인 테이블과 같은 터렛의 상대적으로 작은 영역에 커플링되어야 하는 경우들에도, 상류 무어링 라인 및 하류 무어링 라인의 두 갈래로 갈라진 무어링 라인만을 사용하여 이러한 방식으로 조력 터빈 어셈블리들이 고정될 수 있다. 이 효과는 무어링 시스템의 일부로 케이블들이나 체인들만 사용하여 달성될 수 있다. 다시 말해서, 체인 테이블 외에, 무어링 시스템은 견고한 보강 요소가 거의 완전히 없어, 비용과 복잡성이 추가로 절감될 수 있다.
또 다른 유리한 측면은 상향력을 제공하는 터렛 및/또는 체인 테이블의 제공이다. 이것은 (모든 터렛 무어링들에 대해 사소하게 사실인 것처럼) 무어링 라인들을 지지하기 위한 위치를 제공할 뿐만 아니라, 터빈 어셈블리 자체에 상향력을 제공한다. 다시 말해, (어셈블리에서 분리된) 터렛만 떠 있는 평형 깊이는 터빈 어셈블리에 장착될 때 터렛이 평형 상태로 떠 있는 깊이보다 높다.
이 기능은, 조류에 배치될 때 터빈이 겪는 큰 추력으로 인해 발생하는 어셈블리의 피칭 모멘트들을 터렛이 상쇄할 수 있도록 한다. 더욱이, 터렛으로부터의 상향력은 터빈으로부터의 다양한 추력으로 인한 가변적인 피칭 운동들을 상쇄하기 위해 가변적일 수 있다. 이러한 상향력 변화는 부력을 조정하거나 유체역학적 표면을 사용하거나 둘 다(또는 완전히 다른 방법으로)를 통해 달성될 수 있다. 이것은 어셈블리 전체의 자세가 제어될 뿐만 아니라 안정성을 제공할 수 있도록 한다.
이것은 대부분의 터렛-무어링 장치들이 강력하고 가변적인 추력을 경험하지 않기 때문에 조력 터빈 어셈블리들에 매우 특정한 문제이다. 이것은 대부분의 터렛 무어링 시스템에는 가변적인 것은 물론이고 상향력을 생성하는 터렛이 전혀 필요하지 않다는 것을 의미하며, 그렇게 하면 실제로 이러한 시스템들이 불안정해지거나 어셈블리의 원치 않는 피칭 또는 기울어짐을 야기하기 때문이다.

Claims (40)

  1. 조력 터빈 어셈블리를 위한 터렛 무어링 시스템(turret mooring system)에 있어서,
    터렛(turret)으로서,
    상기 조력 터빈 어셈블리에 장착하여, 회전축을 중심으로 상기 터렛과 상기 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 운동을 허용하기 위한 샤프트와,
    상기 샤프트의 하단에 고정되는 체인 테이블(chain table)을 포함하는, 상기 터렛;
    워터 베드(water bed) 상의 단일 상류 앵커링 포인트(anchoring point)를 상기 체인 테이블의 상류 부분에 커플링하기 위한 상류 무어링 라인(mooring line); 및
    상기 워터 베드 상의 단일 하류 앵커링 포인트를 상기 체인 테이블의 하류 부분에 커플링하기 위한 하류 무어링 라인;을 포함하며,
    상기 상류 무어링 라인은 상기 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 이격된 상류 어태치먼트 포인트(attachment point)들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인이거나/이며;
    상기 하류 무어링 라인은 상기 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 이격된 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인인, 터렛 무어링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 체인 테이블 상의 상기 이격된 상류 및/또는 하류 어태치먼트 포인트들은 적어도 1미터만큼 이격되는, 터렛 무어링 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 상기 상류 앵커링 포인트를 브라이들(bridle)에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 상기 브라이들을 상기 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 상류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가지거나/가지며;
    상기 하류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 상기 하류 앵커링 포인트를 브라이들에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 상기 브라이들을 상기 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가지는, 터렛 무어링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인 또는 상기 하류 무어링 라인의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분은 서로 다른 재료들로 이루어지는, 터렛 무어링 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인 또는 상기 하류 무어링 라인의 상기 제 1 부분은 체인이고/이거나 상기 상류 무어링 라인 또는 상기 하류 무어링 라인의 상기 제 2 부분은 한 쌍의 저질량 합성 케이블인, 터렛 무어링 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터렛은 상기 체인 테이블이 물에 잠길 때 상향력을 제공하도록 구성되는, 터렛 무어링 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상향력은 물에서 부력을 갖는 요소에 의해 제공되는, 터렛 무어링 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 요소는 상기 체인 테이블 내에 하우징되는, 터렛 무어링 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 요소는 가변 부력을 갖는, 터렛 무어링 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 요소의 부력은 상기 샤프트를 통해 공기를 펌핑하는 것에 의해 가변 가능한, 터렛 무어링 시스템.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상향력은 상기 체인 테이블 상의 유체역학적 페어링(hydrodynamic fairing)에 의해 제공되는, 터렛 무어링 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체역학적 페어링은 양방향성인, 터렛 무어링 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 유체역학적 페어링은 상류-하류 방향에서 대칭인, 터렛 무어링 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체역학적 페어링은 터빈들 상의 항력으로 인한 상기 조력 터빈 어셈블리의 예상되는 피칭 모멘트(pitching moment)들을 상쇄하도록 형상화되는, 터렛 무어링 시스템.
  15. 조력 터빈 어셈블리를 위한 터렛 무어링 시스템에 있어서,
    상기 조력 터빈 어셈블리에 장착하여 회전축을 중심으로 상기 터렛과 상기 조력 터빈 어셈블리 사이의 상대 운동을 허용하기 위한 샤프트 및 상기 샤프트의 하단에 고정되는 체인 테이블을 가지는 터렛을 포함하며,
    상기 터렛은 상기 체인 테이블이 물에 잠길 때 상향력을 제공하도록 구성되는, 터렛 무어링 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상향력은 물에서 부력을 갖는 요소에 의해 제공되는, 터렛 무어링 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 요소는 상기 체인 테이블 내에 하우징되는, 터렛 무어링 시스템.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 요소는 가변 부력을 갖는, 터렛 무어링 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 요소의 부력은 상기 샤프트를 통해 공기를 펌핑하는 것에 의해 가변 가능한, 터렛 무어링 시스템.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상향력은 상기 체인 테이블 상의 유체역학적 페어링에 의해 제공되는, 터렛 무어링 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 유체역학적 페어링은 양방향성인, 터렛 무어링 시스템.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 유체역학적 페어링은 상류-하류 방향에서 대칭인, 터렛 무어링 시스템.
  23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체역학적 페어링은 터빈들 상의 항력으로 인한 상기 조력 터빈 어셈블리의 예상되는 피칭 모멘트들을 상쇄하도록 형상화되는, 터렛 무어링 시스템.
  24. 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체인 테이블의 상류 부분은 상류 무어링 라인을 통해 워터 베드 상의 단일 상류 앵커링 포인트에 커플링하도록 구성되고, 상기 체인 테이블의 하류 부분은 하류 무어링 라인을 통해 워터 베드 상의 단일 하류 앵커링 포인트에 커플링하도록 구성되는, 터렛 무어링 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 상류 및 하류 무어링 라인들을 더 포함하는, 터렛 무어링 시스템.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인은 상기 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 이격된 상류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인이거나/이며;
    상기 하류 무어링 라인은 상기 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 이격된 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 분기형 무어링 라인인, 터렛 무어링 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 체인 테이블 상의 상기 이격된 상류 및/또는 하류 어태치먼트 포인트들은 적어도 1미터만큼 이격되는, 터렛 무어링 시스템.
  28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 상기 상류 앵커링 포인트를 브라이들에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 상기 브라이들을 상기 체인 테이블의 상류 부분 상의 2개의 상류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가지거나/가지며;
    상기 하류 무어링 라인은 해저(sea bed) 상의 상기 하류 앵커링 포인트를 브라이들에 커플링하기 위한 제 1 부분과, 상기 브라이들을 상기 체인 테이블의 하류 부분 상의 2개의 하류 어태치먼트 포인트들에 커플링하기 위한 제 2 부분을 가지는, 터렛 무어링 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인 또는 상기 하류 무어링 라인의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분은 서로 다른 재료들로 이루어지는, 터렛 무어링 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 상류 무어링 라인 또는 상기 하류 무어링 라인의 상기 제 1 부분은 체인이고/이거나 상기 상류 무어링 라인 또는 상기 하류 무어링 라인의 상기 제 2 부분은 한 쌍의 저질량 합성 케이블인, 터렛 무어링 시스템.
  31. 제 15 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트는 상기 조력 터빈 어셈블리와 결합하기 위한 상부 레이디얼 베어링 및 하부 레이디얼 베어링을 포함하는, 터렛 무어링 시스템.
  32. 제 15 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터렛은 상기 조력 터빈 어셈블리에 장착되는, 터렛 무어링 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 터렛은 상기 조력 터빈 어셈블리에 대해 수직 방향으로 슬라이딩 가능한, 터렛 무어링 시스템.
  34. 제 15 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트는 파이프들의 클러스터인, 터렛 무어링 시스템.
  35. 제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항의 터렛 무어링 시스템을 사용하여 워터 베드에 조력 터빈 어셈블리를 무어링(mooring)하는 방법으로서,
    (i) 상기 조력 터빈 어셈블리를 설치 장소로 운반하는 단계;
    (ii) 상기 터렛의 상기 체인 테이블의 상류 부분을 단일 상류 앵커링 포인트에서 상기 워터 베드에 커플링하고, 상기 터렛의 상기 체인 테이블의 하류 부분을 단일 하류 앵커링 포인트에서 상기 워터 베드에 커플링하는 단계; 및
    (iii) 상기 터렛을 조력 터빈 어셈블리에 고정하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    단계 (iii)은 단계 (i) 및 단계 (ii) 이전에 수행되며, 단계 (iii)은 부두 또는 육상에서 수행되는, 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    단계 (iii)이 완료되고 나면, 상기 터렛이 상승 위치에 있을 때보다 하강 위치에 있을 때 상기 조력 터빈 어셈블리의 드래프트(draft)가 더 크게 되도록, 상기 터렛이 상기 상승 위치와 상기 하강 위치 사이에서 상기 조력 터빈 어셈블리에 대해 수직 방향으로 슬라이딩 가능한, 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 터렛은 단계 (i) 동안 상기 상승 위치에 있는, 방법.
  39. 제 35 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터렛은 상기 체인 테이블이 물에 잠기고 상기 터렛이 수직 방향으로 슬라이딩 가능한 경우 상향력을 제공하도록 구성되며; 또한
    상기 터렛의 수직 위치는 운송 중 상기 조력 터빈 어셈블리의 피치(pitch)를 제어하기 위해 단계 (i) 이전 또는 단계 (i) 동안에 조정되는, 방법.
  40. 제 35 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조력 터빈 어셈블리는 하나 이상의 터빈들을 포함하며, 상기 하나 이상의 터빈들은 상기 터빈들이 예상 워터 라인(water line) 아래에 있게 되는 전개 배치(deployed arrangement), 및 상기 터빈들이 상기 예상 워터 라인 위에 완전히 있게 되는 상승 배치(raised arrangement)로 구성 가능하고; 상기 터빈들은 단계 (i) 동안 상기 상승 배치로 더 구성되는, 방법.
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