KR101688194B1 - 해상풍력발전 플랜트의 하부구조물용 트러스의 분기부 노드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1,2지관(3)이 중공된 주관(1)의 중심선으로부터 각각 센터각만큼 기울여져 연결되는 트러스 용 분기부노드에 있어서, 상기 제1,2지관이 연결되는 상기 주관의 일측면에 상기 제1,2지관을 향해 대칭되도록 형성된 제1,2라이저(5,riser); 상기 제1,2라이저 각각에 원기둥형상으로 연장되어 형성된 지지부(7); 상기 지지부의 단부에 상기 제1,2지관에 각각 삽입되어 체결되는 구형상의 삽입부(9); 상기 제1,2라이저가 서로 접하는 대칭면(11)은 상기 주관에 대해 수직면(13)을 이루고, 상기 수직면이 상기 지지부와 이루는 각도는 90도-센터각을 이루며, 상기 분기부노드는 주조공정에 의해 제조되는 트러스의 분기부 노드에 관한 것이다.

Description

해상풍력발전 플랜트의 하부구조물용 트러스의 분기부 노드{Junction Node of Truss for Offshore Wind Power Generation Plant}

본 발명은 해상풍력발전 플랜트의 하부구조물용 트러스의 분기부 노드에 관한 것으로, 강관으로 되어 트러스를 이루는 주관과 지관을 결합하기 위한 트러스 조인트로서, 일체로서 주관과 지관을 안정되도록 결합하기 위한 트러스 용 분기부 노드에 관한 것이다.

해상풍력발전은 육상풍력발전에 비해 대단위 풍력단지 조성 및 대형 풍력터빈 설치가 용이한 반면에 하부구조물의 설치 시간 및 비용이 과다 소요된다. 여러 하부구조물 중 가장 폭넓게 쓰이는 Jacket type의 하부구조물은 넓은 공간에 걸쳐서 강관이 상호 교차되게 배열되는 격자 모양으로 형성되는 구조물이다. Jacket type의 하부구조물을 제작하기 위해서는 강관의 끝단을 상호 교차 각에 맞추어 절단하여야 하며, 절단된 강관을 정확히 용접하기 위하여 강관을 지지하는 구조물을 별도로 제작한다. 또한 용접환경이 나쁜 곳이 많아 작업자의 높은 숙련 기술이 필요로 하고, 용접부가 겹쳐져 접합부에 큰 잔류응력이 발생하며, 얇은 부재의 접합부에 의한 응력집중 현상을 피할 수 없어 하부구조물의 구조적 안전성이 약해지는 문제점이 있다. 최근에는 이를 주조방법을 통해 Jacket type의 하부구조물의 트러스 조인트를 제작하여 하부구조물 제작시간 단축, 용접품질 확보를 통한 구조물 전체의 안정성을 확보할 수 있는 방안도 제시되고 있다.

국내공개특허 2011-0113444(2011.10.17)

강관을 상호 교차되는 각도에 맞추어 가공하여 용접하는 방법을 사용하지 않고, 또한 용접부의 강도를 증가시켜 구조물 전체의 안정성을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 주조방법을 사용하는데 있어서, 주관과 지관의 안정적 결합을 위해서는 주관과 지관을 조인트하기 위해서는 주관과 지관의 결합으로 인해 형성되는 다양한 각도와 결합에 의해 발생되는 곡면에 대해 잔류응력, 응력집중이 발생되지 않고, 접합부의 강도를 증가시켜야 하며 또한 구조물 제작 시간을 단축시킬 수 있는 트러스트 조인트를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1,2지관(3)이 중공된 주관(1)의 중심선으로부터 각각 센터각만큼 기울여져 연결되는 트러스 용 분기부노드에 있어서,

상기 제1,2지관이 연결되는 상기 주관의 일측면에 상기 제1,2지관을 향해 대칭되도록 형성된 제1,2라이저(5,riser); 상기 제1,2라이저 각각에 원기둥형상으로 연장되어 형성된 지지부(7);

상기 지지부의 단부에 상기 제1,2지관에 각각 삽입되어 체결되는 구형상의 삽입부(9);

상기 제1,2라이저가 서로 접하는 대칭면(11)은 상기 주관에 대해 수직면(13)을 이루도록 상기 분기부노드는 주조공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1,2라이저의 내부공간이 상기 주관의 중공부와 하나의 중공공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

주관과 지관이 일체가 되도록 주조 방법으로 트러스 용 분기부 노드를 형성하고, 주관과 지관이 이루는 각도에 따라 주관과 분기부 노드와의 결합면을 특정 각도, 특정 곡률반경으로 형성시킴으로서 주관과 각도가 변화하더라도 잔류응력, 응력집중이 발생하지 않고, 접합부의 강도가 증가하시켜 구조물 전체의 안전성을 향상시킬 수 있으며 또한 자동원주 용접이 가능하여 하부구조물 제작시간 단축 및 용접품질을 향상 시킬 수 있는 일정한 수준의 분기부 노드를 설계 할 수 있다.

도 1은 트러스에서의 주관과 지관의 관계를 나타낸다.
도2는 주관과 지관을 결합하는 트러스 용 분기부 노드의 세부구조를 나타낸다.
도3은 도2에 있어서 주관의 중공부와 지관의 중공부가 일체로 된 구조를 나타낸다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하면, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 트러스에서의 주관과 지관의 관계를 나타낸다. 트러스에서 주관과 지관이 이루는 각도를 센터각이라 하고, 주관과 지관의 중심선은 기준점에서 만나게 된다. 트러스 용 분지관노드는 주관과 지관이 결합되는 조인트부를 의미한다.

도2는 주관과 지관 간의 센터각에 따른 주관과 지관의 결합부에서의 세부구조로서, 주관과 지관을 결합하는 트러스 용 분지부 노드의 세부구조로서, 주관(1)은 중공(15)을 이루는 강관으로서 주관의 일측면에는 분기부 노드가 형성되고, 지관(3)을 수용할 수 있는 구조를 갖는다. 분기부 노드는 주조공법으로 제조되는데, 주관과 일체로 제조될 수도 있고, 별도로 제조된 뒤에 용접들의 결합방식에 의해 주관과 일체가 될 수도 있다.

분기부 노드의 구조를 살펴보면, 주관의 외면으로부터 각각의 지관에 대해 대칭되며, 특히, 주관에 대해 일정각도 기울여져서 결합되는 지관을 수용할 수 있도록 각각의 지관을 향해 돌출된 구조로서, 이를 통칭하여 라이저(5)라 하며, 기준점으로부터 제1,2지관의 중심을 향한 연장선을 따라 제1,2라이저(5)가 각각 형성된다. 제1,2라이저는 각각 원기둥형상의 지지부(7)가 있고, 지지부의 단부에는 제1,2지관의 중공부에 삽입되어 체결되는 삽입부(9)가 형성된다. 삽입부의 형상은 구형이며, 제1,2지관의 내경과 선접촉을 이룬다. 또한, 삽입부 중 제1,2지관을 향해 삽입되는 만큼은 구형의 일부를 유지하나, 삽입부가 지지부와 만나는 연결부분에는 구형 중 일부가 원기둥형상의 지지부 내로 중첩됨으로서, 삽입부는 구형의 일부 즉 반지름보다는 작은 원형 절단면이 원기둥 형상 지지부의 단부와 면접되는 구조일 수 있다.

제1,2지관의 내경은 구형을 이루는 삽입부의 직경과 동일하다. 이에따라 지지부로 함몰되는 삽입부의 깊이가 구형 삽입부의 반경보다 작음으로서 제1,2지관은 구형의 삽입부와 안정적으로 선접촉을 하게 된다. 만일 구형의 반지름보다 함몰되는 삽입부의 깊이가 더 깊으면 제1,2지관과는 접촉하지 않아 불안정한 구조가 될 수 있다.

제1,2라이저는 상호 대칭되면서도 일체로 형성되기 때문에 접촉면이 대칭면(11)을 형성한다. 이러한 대칭면은 주관에 대해 수직면(13)을 형성한다. 주관과 지관의 중심선이 형성되는 각도를 센터각이라 했으며, 이에 따라 수직면과 지관의 길이방향의 외관이 이루는 각도(a)는 '90도-센터각'을 이룬다. 본 특허발명에서의 각은 모두 '도(degree)'를 의미한다.

제1,2지관은 일정두께로서 내경(Din)과 외경(Dout)을 갖는 중공관이고, 중공관의 단부와 지지부가 용접결합되면 지관의 길이방향의 외관과 지지부는 동일한 외경을 이룬다.

제1,2지관의 단면 중 제1,2라이저의 대칭면으로부터 먼곳에 위치한 외형면은 주관의 외형면과 각각 제1곡률반경(R1),제2곡률반경(R2)을 이룬다. 제1,2지관의 내외경이 서로 동일하다면, 제1곡률반경과 제2곡률반경은 동일하다. 한편, 제1,2지관의 단면 중 제1,2라이저의 대칭면에 위치한 외형면은 수직면에 의해 위아래로 양분되는 곡면을 형성하며 제3곡률반경(R3)을 형성한다. 제1,2지관의 내외경이 서로 동일하다면, 제1곡률반경(R1), 제2곡률반경(R2), 제3곡률반경(R3)은 모두 동일하다.

만일 제1,2지관의 내외경이 상이하다면 제1곡률반경(R1), 제2곡률반경(R2)도 각각 상이하게 형성될 수 있다.

한편, 대칭면(11)의 높이는 제1,2지관의 외경에 의해 결정된다. 지지부의 단면에 평행하도록 가상의 삼각형 ABC를 설정해보면, 변AB와 변AC가 이루는 각도(a)는 '90도-센터각'과 동일하다. 따라서, 지관의 외경, 즉 지지부의 외경(Dout)은 변AB가 되며, 변BC는 Dout x Sin(각a)이고, '90도-센터각'이 '각a'이므로 변BC는 'Dout x Cos(센터각)'이다. 한편 삼각형 ABC 와 삼각형 A'B'C'은 합동이므로, 변B'C'가 'Dout x Cos(센터각)'가 된다.

도2는 주관과 지관이 중공관인 경우의 제1,2라이저를 나타낸 것인데 비해, 도3은 주관의 중공부와 제1,2라이저의 중공부가 일체로 중공공간을 이룬다. 제1,2라이저의 중공부는 대칭을 이루며, 지지부와 삽입부를 향해 기준점으로부터 제5곡률반경(R5)을 형성한다. 또한 제5곡률반경은 서로 대칭을 이루며 대칭면 혹은 수직면을 따라 연결된다. 따라서 제1,2라이저의 중공공간은 제1,2지관을 향해 절단 시, 'W' 형상의 면을 이룬다. 한편, 서로 대칭을 이루는 제5곡률반경의 연결부는 곡면을 이루며, 제1,2지관으로부터 제4곡률반경(R4)를 형성하고, 제1,2지관의 내외경이 동일하고, 센터각이 동일하면, 제4곡률반경은 제1곡률반경(R1), 제2곡률반경(R2), 제3곡률반경(R3)과 동일하다.

또한, 주관의 외경이 지관의 외경보다 크면, 제5곡류반경은 제1곡률반경(R1), 제2곡률반경(R2), 제3곡률반경(R3), 제4곡률반경(R4)보다 크다.

도3에서 제1,2지관과 주관이 연결되는 면의 제1,2곡률반경(R1,R2)은 그 저면에 위치한 제1,2라이저의 중공면에도 각각 동일하게 적용될 수 있다.

제1,2지관, 제1,2라이저 등은 각각 제1지관, 제2지관, 제1라이저, 제2라이저 등를 의미하며, 각각 지관, 라이저 등으로 통칭한다.

1 : 주관
3 : 지관
5 : 라이저
7 : 지지부
9 : 삽입부

Claims (7)

1. 제1,2지관(3)이 중공된 주관(1)의 중심선으로부터 기준점을 향해 각각 센터각만큼 기울여져 연결되는 트러스의 분기부노드에 있어서,
   상기 제1,2지관이 연결되는 상기 주관의 일측면에 상기 제1,2지관을 향해 대칭되도록 형성된 제1,2라이저(5,riser);
   상기 제1,2라이저 각각에 원기둥형상으로 연장되어 형성된 지지부(7);
   상기 지지부의 단부에 상기 제1,2지관에 각각 삽입되어 체결되는 구형상의 삽입부(9);
   상기 제1,2라이저가 서로 접하는 대칭면(11)은 상기 주관에 대해 수직면(13)을 이루고, 상기 수직면이 상기 지지부와 이루는 각도는 90도-센터각을 이루며,
   상기 제1지관의 내외경(Din,Dout)과 상기 제2지관의 내외경(Din, Dout)이 동일하고,
   상기 주관과 상기 제1,2라이저가 연결되는 외형에 의해서 각각 형성된 제1곡률반경(R1)과 제2곡률반경(R2)이 동일하고,
   상기 제1,2지관의 외경(Dout)과 상기 원기둥형상으로 연장되어 형성된 지지부의 외경은 동일하고,
   상기 주관의 외부면으로부터 상기 제1,2라이저의 높이는 상기 지지부의 외경(Dout)xCOS(센터각)이며,
   상기 삽입부의 직경은 상기 제1,2지관의 내경(Din)과 동일하고,
   상기 제1,2라이저의 내부공간이 상기 주관의 중공부와 하나의 중공공간을 형성하고,
   상기 분기부노드는 주조공정에 의해 제조되는 트러스의 분기부 노드.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1,2라이저의 내부공간을 형성하면서 상기 지지부 및 삽입부를 향한 각각의 내부면은 상기 기준점으로부터 일정한 제5곡률반경(R5)을 이루고, 상기 주관이 상기 제1,2지관의 직경보다 크면, 상기 제5곡률반경(R5)이 상기 제1,2곡률반경(R1,R2)보다 큰 것을 특징으로 하는 트러스의 분기부 노드.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1라이저의 내부면과 제2라이저의 내부면의 연결면은 상기 제1곡률반경(R1) 및 제2곡률반경(R2)과 동일한 것을 특징으로 하는 트러스의 분기부 노드.

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