해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 및 이를 포함하는 선박 또는 해양구조물

해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 및 이를 포함하는 선박 또는 해양구조물{APPARATUS FOR DAMPING AND GENERATING VORTEX INDUCED VIBRATION OF OCEAN RISER, AND VESSEL OR OCEAN CONSTRUCTION COMPRISING THE SAME}

본 발명은 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 및 이를 포함하는 선박 또는 해양구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라이져의 진동을 감쇠시킬 수 있는 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 및 이를 포함하는 선박 또는 해양구조물에 관한 것이다.

시추선에는, 심해의 석유 자원 개발용으로 라이져가 이용된다.

석유자원 개발에 사용되는 라이져는, 크게 석유 자원 생산용 라이져와 드릴링 라이져로 분류된다.

이러한 라이져는, 해수의 유동에 의해 해저에서 하중을 받게 되며, 이러한 해저에서의 하중으로 인해 와류유발진동(VIV, vortex induced vibration; 이하 VIV라 함)이 발생될 수 있다.

전술한 VIV 현상은, 라이져의 피로수명을 현저하게 단축시킬 수 있어, 라이져의 설계 단계에서 고려해야 할 요소이다.

현재 라이저의 VIV를 저감시켜 주는 장비로는, 라이저 외경에 부착시키는 날개형상의 스트레이크(strake)와 페어링(faring)과 같은 장치가 개발되어 있다.

본 발명의 일 실시 예는, 라이져의 VIV 현상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전을 수행하여 전기를 생산할 수 있는 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 및 이를 포함하는 선박 또는 해양구조물을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선체로부터 해저로 배치되는 관로 형상의 라이져유닛; 상기 라이져유닛에 회전 가능하게 배치되는 발전로터유닛; 상기 발전로터유닛의 상부에서 하부까지 상기 발전로터유닛에 배치되되, 해수의 유동에 의해 회전되도록 그리고 상기 발전로터유닛을 회전시키도록 상기 발전로터유닛에 결합되는 복수의 블레이드유닛; 및 상기 블레이드유닛에 의해 회전되는 상기 발전로터유닛의 회전력에 의해 전기를 생산하도록 마련되는 해수발전유닛을 포함하는 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치가 제공될 수 있다.

상기 블레이드유닛은, 해수의 유동에 의해 회전되도록 상기 발전로터유닛으로부터 이격되어 배치되되, 상기 발전로터유닛을 감싸는 나선 형상으로 배치되는 나선블레이드; 및 상기 나선블레이드를 상기 발전로터유닛에 결합시키는 수평블레이드를 포함할 수 있다.

상기 나선블레이드는, 상기 발전로터유닛에 대해 180도 간격으로 배치될 수 있다.

상기 발전로터유닛은, 상기 라이져유닛을 따라 복수개로 배치될 수 있다.

상기 해수발전유닛은, 발전을 수행하는 발전모듈; 및 상기 발전로터유닛의 회전력을 상기 발전모듈로 전달하도록 상기 발전로터유닛에 결합되는 기어모듈을 포함할 수 있다.

상기 해수발전유닛은, 상기 라이져유닛과 상기 발전로터유닛 중 어느 하나에 배치되는 영구자석; 및 상기 라이져유닛과 상기 발전로터유닛 중 다른 하나에 배치되되, 전기를 생산하도록 상기 영구자석에 상응하여 배치되는 발전코일을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 상기 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치에 의해 발전을 수행할 수 있도록 마련되는 선박 또는 해양구조물이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 라이져의 VIV 현상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발전을 수행하여 전기를 생산할 수 있는 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치 및 이를 포함하는 선박 또는 해양구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치의 개략도이다.

이하, 첨부된 도면에 도시된 특정 실시 예들에 의해 본 발명의 다양한 실시 예들을 설명한다. 후술되는 본 발명의 실시 예들에 차이는 상호 배타적이지 않은 사항으로 이해되어야 한다. 즉 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은, 일 실시 예에 관련하여 다른 실시 예로 구현될 수 있으며, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 변경될 수 있음이 이해되어야 하며, 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 해양 라이져 와류유발 진동저감장치는, 선체로부터 해저로 배치되는 관로 형상의 라이져유닛(100)과, 라이져유닛(100)에 회전 가능하게 배치되는 발전로터유닛(110)과, 발전로터유닛(110)의 상부에서 하부까지 발전로터유닛(110)에 배치되되 해수의 유동에 의해 회전되도록 그리고 발전로터유닛(110)을 회전시키도록 발전로터유닛(110)에 결합되는 복수의 블레이드유닛(120)과, 블레이드유닛(120)에 의해 회전되는 발전로터유닛(110)의 회전력에 의해 전기를 생산하도록 마련되는 해수발전유닛(130)을 포함한다.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 해양 라이져 와류유발 진동저감장치는, 라이져유닛(100) 측으로 해수가 유동될 때, 해수에 의해 블레이드유닛(120)이 회전될 수 있으며, 블레이드유닛(120)에 의해 발전로터유닛(110)이 회전될 수 있다.

이에 따라 라이져유닛(100)에 가해지는 해수의 유동 에너지가 블레이드유닛(120)의 운동 에너지로 전환되어 흡수되면서, 발전로터유닛(110)을 회전시킬 수 있으며, 발전로터유닛(110)에 의해 가동되는 해수발전유닛(130)에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다.

이때에, 해수의 유동에 의해 라이져유닛(100)에 가해지는 충격 및 진동이 블레이드유닛(120)의 운동 에너지로 변환됨으로써 라이져유닛(100)의 VIV 현상이 줄어들 수 있으며, 이러한 VIV 발생 시에 진동에 의해 선체로 전달되어 소모되는 에너지는 해수발전유닛(130)에 의해 전기 에너지로 전환되어 선박의 가용 에너지로 저장될 수 있다.

본 실시 예에 따른 해양 라이져 와류유발 진동저감장치는, 해수의 유동 에너지를 수직축에 해당되는 발전로터유닛(110)의 운동 에너지로 전환시키는 기술로서, 해수가 발전로터유닛(110)의 어느 방향으로부터 유동되어 오더라도 블레이드유닛(120)이 회전될 수 있도록 구성되며, 해수의 침입을 방지하는 수밀 요소들이 적용될 수 있다.

이러한 블레이드유닛(120)은, 수직축 풍력발전장치와 거의 동일한 블레이드 형상을 갖도록 마련된다. 즉 블레이드유닛(120)은, 수직축 풍력발전장치에 사용되는 다양한 형상 및 배치양상의 블레이드를 사용할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 실시 예에 따른 블레이드유닛(120)은, 발전로터유닛(110)의 상부로부터 하부까지 나선형상을 가지면서 발전로터유닛(110)을 감싸는 나선 형상으로 배치된다. 이때에, 블레이드유닛(120)은 발전로터유닛(110)에 대해 180도 간격으로 배치될 수 있다.

본 실시 예에 따른 블레이드유닛(120)은, 발전로터유닛(110)을 반 바퀴 감싸는 180도 범위보다 작은 피치 간격으로 마련된다. 또한 블레이드유닛(120)은, 해수의 유동에 의해 회전되도록 발전로터유닛(110)으로부터 이격되어 배치되는 나선블레이드(121)와, 나선블레이드(121)를 발전로터유닛(110)에 결합시키는 수평블레이드(122)를 포함할 수 있다.

이러한 나선블레이드(121)와 수평블레이드(122)는, 해수의 유동에 의한 압력차이에 의해 움직임이 가능하되, 해수의 유동력을 받아 회전될 수 있는 날개 형상을 갖는다.

즉 나선블레이드(121)는, 날개 폭 방향이 발전로터유닛(110)에 외주면에 수직하는 날개 형상일 수 있으며, 수평블레이드(122)는 발전로터유닛(110)에 대해 날개 길이 방향으로 수직하는 날개 형상일 수 있다.

이러한 나선블레이드(121)는, 180도 간격으로 배치됨으로써 발전로터유닛(110)의 360도 범위에서 다가오는 해수의 유동 에너지를 흡수할 수 있으며, 수평블레이드(122)도360도 범위에 대해 대략 60도 간격으로 배치됨으로써 거의 모든 방향에서 다가오는 해수의 유동 에너지를 흡수할 수 있다.

이처럼 라이져유닛(100)은, 충격 및 진동을 가할 수 있는 해수의 유동 에너지가 블레이드유닛(120)에 의해 흡수되어 해수발전유닛(130)에 저장됨으로써, 선체로 전달되는 진동 및 충격이 감소될 수 있으며, 전기까지 생산할 수 있다.

한편, 전술한 블레이드유닛(120)과 발전로터유닛(110) 사이에는, 도시되진 않았으나 블레이드유닛(120)에 의한 발전로터유닛(110)의 회전토크를 증가시킬 수 있도록 링기어와, 태양기어와, 유성기어를 포함하는 토크증가를 위한 감속기가 배치될 수 있다.

또한 모두 도시되진 않았으나, 라이져유닛(100)은, 선체로부터 수중의 깊은 해저까지 배치되는 길이를 갖게 된다. 이러한 라이져유닛(100)은, 심해의 석유 자원 개발용으로 사용되는 석유 자원 생산용 라이져유닛과 드릴링 라이져유닛을 포함한다.

따라서, 본 실시 예에 따른 발전로터유닛(110)은, 수중의 해수 유동 에너지가 많이 발생되는 구간에 라이져유닛(100)을 따라 복수개로 배치될 수 있다. 이에 따라 발전로터유닛(110)에 대응하는 블레이드유닛(120)이 함께 배치되며, 해수발전유닛(130)에 의해 발전량이 증가될 수 있다.

본 실시 예에 따른 해수발전유닛(130)은, 발전을 수행하는 발전모듈(131)과, 발전로터유닛(110)의 회전력을 발전모듈(131)로 전달하도록 발전로터유닛(110)에 결합되는 기어모듈(136)을 포함할 수 있다.

발전모듈(131)은, 도시되진 않았으나, 전기를 생산할 수 있도록 영구자석(141)과 이에 상응하는 발전코일(142)을 포함할 수 있으며, 영구자석(141)과 발전코일(142) 중 어느 하나는 기어모듈(136)에 연동되어 회전될 수 있다.

기어모듈(136)은, 간단하게 발전로터유닛(110)에 결합된 회전기어(137)와, 발전모듈(131)에 결합되는 발전기어(138)로 도시되어 있으나, 이러한 기어모듈(136)은 감속기를 포함하는 좀더 복잡한 구성을 가질 수 있다.

또한 발전모듈(131)과 기어모듈(136)은, 발전로터유닛(110)에 대해 박스형상으로 밀봉 처리될 수 있다. 발전모듈(131)에는 생산된 전기를 선체로 보낼 수 있는 케이블(139)이 연결된다. 이러한 케이블(139)은 라이져유닛(100)을 따라 내부에 배치될 수 있다.

전술한 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치는 기어모듈(136)이 외부에 개략적으로 도시되어 있었으나, 실질적으로 기어모듈(136)이 발전로터유닛(110)의 외부에 배치되기 보다는 발전로터유닛(110) 상에 함께 배치되거나, 배치되지 않아도 구조적으로 관계는 없다.

후술되는 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치는, 기어모듈(136)이 발전로터유닛(110)의 외부에, 또는 라이져유닛(100)과 발전로터유닛(110) 사이에 더 배치되거나, 혹은 설치되는 않는 경우를 상정하며, 다른 요소들에 대해서는 전술한 실시 예와 대동소이하다고 상정하며, 해수의 침입을 방지하는 수밀 요소들이 적용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 해수발전유닛(130)은, 라이져유닛(100)과 발전로터유닛(110) 중 어느 하나에 배치되는 영구자석(141)과, 라이져유닛(100)과 발전로터유닛(110) 중 다른 하나에 배치되되 전기를 생산하도록 영구자석(141)에 상응하여 배치되는 발전코일(142)을 포함할 수 있다.

이러한 다른 실시 예에 따르면, 라이져유닛(100)의 외부에는 발전로터유닛(110)이 회전 가능하게 배치되어 있으며, 발전로터유닛(110)과 라이져유닛(100)에는 영구자석(141)과 발전코일(142)이 상대 회전가능하게 배치된다.

일 예로, 발전로터유닛(110)에 영구자석(141)이 배치되며, 라이져유닛(100)에 발전코일(142)이 배치되는 경우, 블레이드유닛(120)에 의해 발전로터유닛(110)이 회전되며, 발전로터유닛(110)에 의해 영구자석(141)이 발전코일(142)에 대해 상대 회전되면, 영구자석(141)과 발전코일(142)의 상대 운동에 의해 전기가 생산될 수 있다.

이때에 영구자석(141)과 발전코일(142)의 반대적인 배치도 가능하며, 회전운동에 대한 회전관성 모멘트를 줄일 수 있는 요소가 발전로터유닛(110)에 설치되어야, 동력학적 측면에서 해수의 유동 에너지를 회전 에너지로 전환시키는 작용에서 유리하다.

이러한 다른 실시 예에 따른 발전로터유닛(110)의 외부에도, 회전기어(137)에 연동되어 전기를 생산하도록 도1 도시된 바와 같은 발전모듈(131)이 더 배치될 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 전술한 해양 라이져 와류진동유발 감쇠 및 발전장치에 의해 발전을 수행할 수 있도록 마련되는 선박 또는 해양구조물이 제공될 수 있다.

이러한 선박 또는 해양구조물은, 선체가 도시되어 있진 않으나 라이져유닛(100)으로부터 선체로 전달되는 충격 및 진동의 감소 측면에서 기존의 라이져유닛(100)만 있는 선박 또는 해양구조물보다 유리하다. 이때에 라이져유닛(100)의 VIV 현상이 블레이드유닛(120)과, 발전로터유닛(110)에 의해 VIV 현상에 따른 진동이 발생되지 않으며, 해수에 의한 충격 및 진동은 회전 에너지로 변환되어 전기 에너지로 저장된다.

즉, 이러한 선박 또는 해양구조물은, 해수의 유동에 따른 라이져유닛(100)에 대한 VIV 현상에 따라 쓸모 없이 소모되면서 피로감만 더하는 진동 및 충격에 의한 에너지가 회전 에너지로, 다시 회전 에너지가 전기 에너지로 저장되어, 유용한 가용 에너지가 증가된다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 이를 기초로 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다 할 것이다.

100: 라이져유닛 110: 발전로터유닛
120: 블레이드유닛 121: 나선블레이드
122: 수평블레이드 130: 해수발전유닛
131: 발전모듈 136: 기어모듈
139: 케이블 141: 영구자석
142: 발전코일