WO2012121247A1 - スパー型浮体構造物 - Google Patents

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structure according
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治樹 吉本
裕治 粟島
鈴木　英之
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University of Tokyo NUC
IHI Marine United Inc
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University of Tokyo NUC
IHI Marine United Inc
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to a spar type floating body structure, and more particularly to a spar type floating body structure capable of reducing shaking while ensuring restoration performance.
  • a spar type that always keeps the center of gravity below the buoyancy and ensures static stability
  • a TLP (Tension Leg Platform) type that tensions the floating body with tension legs
  • a deck and a lower hull
  • Various types such as a semi-sub type that reduces the oscillation by utilizing the phase difference of wave force acting on the submerged part while reducing the water line area (cross-sectional area at the waterline) by connecting the Has been proposed.
  • the spar type is considered to be advantageous over other floating structures in terms of cost.
  • Such a spar type floating body structure generally has an elongated substantially cylindrical floating body part and a ballast part disposed at a lower part of the floating body part, and the floating body part standing upright on the sea by the weight of the ballast part. It is moored by a mooring line (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • Patent Document 1 discloses a spar-type floating structure having an upper floating body exposed to a water line, a lower floating body having a larger diameter than the upper floating body, and a ballast tank formed below the lower floating body.
  • Patent Document 2 discloses a spar having an upper floating body exposed to a water line, a lower floating body having a diameter larger than that of the upper floating body, and a ballast tank connected to a lower surface of the lower floating body via a connecting steel pipe.
  • a mold floating structure is described.
  • the present invention was devised in view of the above-described problems, and provides a spar-type floating structure that can ensure restoration performance, can reduce shaking, and can reduce drafts. With the goal.
  • the floating body portion is suspended upright by the weight of the ballast portion.
  • the floating body includes a first extension part disposed in a lower part and horizontally expanded, a second extension part disposed in an intermediate part and horizontally expanded, the first extension part, and the second extension part. And a column portion extended to the water line, the first extension portion constitutes the ballast portion, and the second extension portion constitutes a buoyancy body that imparts buoyancy to the floating body portion.
  • the floating body portion may include a third extension portion that is disposed on the column portion and extended in the horizontal direction.
  • the third extension portion may have a water line area of 10 to 300% with respect to an average area determined by a drainage volume / draft of the floating body portion.
  • a columnar member reduced in the horizontal direction is connected to the upper portion of the third extension portion.
  • a mooring line for mooring the floating body portion may be connected to the third extension portion.
  • the second extension portion may have a volume of 1/4 to 3/4 with respect to the drainage volume of the floating body portion.
  • a fair leader that guides the mooring line of the floating body portion may be disposed on a side surface of the second extension portion.
  • a resistor for adjusting the dynamic response characteristic of the floating body portion may be disposed on the outer surface of the first extension portion. Moreover, the said resistor may have the cyclic
  • the waveless point can be easily formed by forming the first extension part and the second extension part in the floating part, and the spar type floating structure Vertical shaking can be reduced.
  • the ballast part is used as the lower first extension part
  • the buoyancy body is used as the second extension part in the middle part, making it easy to adjust the balance between the center of gravity height and the buoyancy height, making restoration performance easy.
  • pitching (or rolling) can be reduced. Therefore, according to the spar type floating structure according to the present invention, the restoration performance can be ensured, the fluctuation can be reduced, and the draft can be made shallower.
  • the waterline is positioned at the third extension part during small waves and normal waves, and a portion that is smaller than the third extension part during high waves (column part or superstructure).
  • the waterline can be positioned on the object columnar member), and the vertical oscillation synchronization cycle inversely proportional to the waterline area can be adjusted in accordance with the state of the wave, and the vertical oscillation can be effectively reduced.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a spar type floating structure according to the first embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are diagrams for explaining the operation of the third expansion portion, in which FIG. 2A shows a normal wave, FIG. 2B shows a high wave, and FIG. 2C shows a wave forcing characteristic curve.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the operation of the second extension portion, in which FIG. 3A shows a principle explanatory view and FIG. 3B shows a wave forcing force characteristic curve diagram.
  • the spar type floating structure 1 includes a floating body portion 2 having an elongated shape, and a ballast portion 3 disposed on the floating body portion 2.
  • This is a spar-type floating body structure in which the floating body portion 2 is made to stand upright and float by the weight of the ballast portion 3.
  • the floating body 2 includes a first extended portion 21 disposed in the lower portion and expanded in the horizontal direction, a second expanded portion 22 disposed in the intermediate portion and expanded in the horizontal direction, the first expanded portion 21 and the second expanded portion. And a column part 23 that extends to the water line.
  • the first extension part 21 constitutes the ballast part 3
  • the second extension part 22 constitutes a buoyancy body that gives buoyancy to the floating body part 2.
  • the spar type floating structure 1 is, for example, a floating structure for offshore wind power generation, and includes a support column 91, a nacelle 92, and a blade 93 as the upper structure 9.
  • the support column 91 is erected on the upper part of the floating body 2 and supports the nacelle 92 and the blade 93.
  • the nacelle 92 has a generator inside, and generates electric power by the rotation of the blade 93.
  • the blade 93 is rotationally driven by wind power.
  • a solar panel 94 may be arranged on the support column 91. By arranging such a solar panel 94, a combined power generation facility using wind power and sunlight can be configured, and the redundancy of the entire structure can be improved.
  • the above-described wind power generation equipment is an example of the upper structure 9 installed in the spar type floating structure 1, and is a wind condition observation device such as an anemometer and an anemometer, a solar power generation device, a lighting device, and wireless communication.
  • a device or the like may be installed.
  • the column portion 23 is a part of a buoyant body that gives buoyancy to the floating body portion 2 and has a hollow cylindrical shape including a draft D.
  • the column portion 23 constitutes a shaft portion of the floating body portion 2.
  • the column portion 23 has a shape that is reduced in the horizontal direction as compared with the first extension portion 21 and the second extension portion 22, that is, a shape having a smaller diameter than the first extension portion 21 and the second extension portion 22.
  • a ballast tank for pouring and draining ballast water and adjusting the weight of the floating body portion 2 may be disposed in a part of the column portion 23.
  • the floating body portion 2 has a third extension portion 24 that is arranged on the upper portion of the column portion 23 and extended in the horizontal direction. That is, the third extended portion 24 is formed with a larger diameter than the column portion 23.
  • the third extension portion 24 has a hollow cylindrical shape and constitutes a part of a buoyancy body that gives buoyancy to the floating body portion 2.
  • the third extended portion 24 is a portion that is exposed to the water line during normal waves.
  • the third extension 24 constitutes a pedestal that connects the support column 91 of the upper structure 9.
  • a columnar member (a column 91) that is reduced in the horizontal direction is connected to the upper portion of the third extension portion 24.
  • the upper surface of the third extension 24 constitutes a work table for performing the installation of the upper structure 9 and the maintenance of the floating body 2.
  • a mooring line 25 for mooring the floating body portion 2 is connected to the third extension portion 24.
  • the floating body 2 is configured such that the water line is located on the peripheral surface of the third expansion portion 24 during normal waves. Similarly, the water line is located on the peripheral surface of the third extension portion 24 when the wave is calmer than the normal wave. Further, as shown in FIG. 2B, the floating body 2 is configured such that the water line is located on the peripheral surface of the support column 91 on the upper part of the third extension 24 at the time of high wave height. In the case of high waves and low times, the draft line is located on the peripheral surface of the column portion 23 below the third extension portion 24. Therefore, as shown in FIG. 2A and FIG. 2B, the water line area Sa in the normal wave is configured to be larger than the water line area Sb in the high wave.
  • the vertical oscillation synchronization period of the floating body 2 is uniquely determined by the structure of the floating body 2, and when the synchronization period and the wave period coincide with each other, the floating body 2 resonates and generates a large vertical oscillation.
  • the horizontal axis indicates the period T (s)
  • the vertical axis indicates the wave forcing force F.
  • the wave forcing force F is a forced external force in the vertical direction caused by the wave, and is made dimensionless here.
  • periods T1 and T2 are waveless points where the wave forcing force F is not generated.
  • the normal wave has a period within the range of the period T1 to the period T2.
  • the period T3 is a tuning period that causes resonance.
  • the tuning period is longer than the period T 1 to T 2 in the normal wave so that the tuning period changes from the period T 3 to the period T 4. It is preferable to shift in this direction.
  • the tuning period is inversely proportional to the waterline area. That is, increasing the tuning period is equivalent to reducing the waterline area.
  • the vertical swing at the normal wave time range of the period T1 to T2 becomes large. Arise. Therefore, there is a demand to increase the waterline area during normal waves.
  • the third extension 24 is formed in the upper portion of the column portion 23, the water line at the time of normal wave is located at the third extension 24, and the water line at the time of high wave is a column 91.
  • the floating body 2 having a large water line area Sa during normal waves and a small water line area Sb during high waves can be formed by being configured to be positioned in the column part 23. With this configuration, it is possible to suppress resonance during high waves while reducing vertical vibration during normal waves.
  • the third extended portion 24 has a water line area Sa having a size of 10 to 300% with respect to the average area Sav obtained by the drainage volume droop / draft D of the floating body portion 2, for example.
  • the water line area Sa is set within a range of 17 to 170 m 2 on condition that the water line area Sa is larger than the water line area Sb.
  • the specific ratio or numerical value of the waterline area Sa is set in consideration of the amount of drainage ⁇ of the floating body 2, the balance with the waterline area Sb, and the environment of the installation sea area (changes in wave period, amplitude, etc.).
  • the first expansion portion 21 is disposed at the lowermost end of the column portion 23 and constitutes the ballast portion 3.
  • the first expansion portion 21 may be a ballast portion 3 constituted by a fixed ballast that loads a constant weight on the floating body portion 2, and can adjust the weight of the floating body portion 2 by pouring and draining ballast water.
  • the ballast part 3 comprised by the ballast tank which was made, and the ballast part 3 which combined the fixed ballast and the ballast tank may be sufficient.
  • the second expansion portion 22 is disposed in the column portion 23 between the first expansion portion 21 and the third expansion portion 24.
  • the second expanded portion 22 having a shape expanded in the horizontal direction in the middle portion of the column portion 23, that is, a shape having a diameter larger than that of the column portion 23, a resistance surface against wave up and down is provided.
  • a plurality of points can be formed, and a waveless point that is not affected by the wave forcing force can be formed effectively.
  • the vertical swing of the floating body 2 can be effectively reduced.
  • the floating body 2 includes a lower surface 21a (area S1) and an upper surface 21b (area S2) of the first expansion portion 21, and a lower surface 22a (area S3) and an upper surface 22b (area) of the second expansion portion 22. S4) and five resistance surfaces of the lower surface 24a (area S5) of the third extension 24.
  • Each lower surface 21a, 22a, 24a forms a resistance surface against the wave forcing force generated in the upward direction
  • each upper surface 21b, 22b forms a resistance surface against the wave forcing force generated in the downward direction.
  • the wave forcing force F tends to increase as the water depth decreases and decrease as the water depth increases.
  • the wave forcing force at the water depth of the lower surface 21a of the first expansion portion 21 is F1
  • the wave forcing force at the water depth of the upper surface 21b is F2
  • the wave forcing force at the water depth of the lower surface 22a of the second expansion portion 22 is F3
  • the wave forcing force at the water depth is F4
  • the wave forcing force at the water depth of the lower surface 24a of the third extension 24 is F5.
  • the inclined surfaces for example, the upper surfaces 21b and 22b
  • the wave forcing force at the average water depth is illustrated for convenience.
  • the pressure generated on the lower surface 21a of the first expansion portion 21 is S1 ⁇ F1
  • the pressure generated on the lower surface 22a of the second expansion portion 22 is S3 ⁇ F3
  • the pressure generated on the lower surface 24a of the third expansion portion 24 is S5 ⁇ F5.
  • the pressure generated on the upper surface 21b of the first expansion portion 21 is S2 ⁇ F2
  • the pressure generated on the upper surface 22b of the second expansion portion 22 is S4 ⁇ F4.
  • waveless points Z1 and Z2 where the wave forcing force F does not occur can be formed in a certain period (for example, periods T1 and T2).
  • the horizontal axis and the vertical axis are the same as the parameters shown in FIG.
  • KB means the buoyancy height (see FIG. 1)
  • BM means the metacenter radius
  • KG means the center of gravity height (see FIG. 1).
  • Ix means the moment of inertia around the floating body center line on the water surface.
  • the metacenter height GM is one parameter indicating the restoration performance.
  • the GM is large, the spar type floating structure 1 is difficult to tilt and easily returns to its original state.
  • the GM is small, the spar type floating structure 1 is easily tilted and returns slowly. It shows the property.
  • the pitching or rolling period is shortened, resulting in vibrations that vibrate finely.
  • the large 2nd expansion part 22 approaches the water surface, it will become easy to receive to the influence of a wave forcing force. Therefore, with the buoyancy height KB as large as possible and the center of gravity height KG as low as possible, the buoyancy height is set so as to have a restoration performance equal to or higher than the conventional one while suppressing the drainage amount ⁇ of the floating body 2.
  • the positions of KB and center of gravity height KG are determined.
  • the second expansion portion 22 is gradually raised upward from a state close to the first expansion portion 21, which is optimal for reducing fluctuations.
  • the positions of the floating height KB and the center-of-gravity height KG may be determined.
  • the second extension portion 22 is located at a substantially central portion of the draft D, and is set to a position that can include the floating height KB or the center of gravity height KG.
  • the second expansion portion 22 has a volume of 20 to 80%, preferably a volume of 1/4 to 3/4, for example, with respect to the drainage volume of the floating body portion 2.
  • the second extension 22 is formed in a size that does not interfere with the mooring line 25. This is because when the mooring line 25 and the second extension portion 22 interfere with each other, the mooring line 25 is worn or cut.
  • the horizontal size of the second extension portion 22 (in the case of a cylindrical shape) Can determine the diameter or radius), and can also determine the height (vertical width) of the second extension 22.
  • a fair leader 26 for guiding the mooring line 25 of the floating body portion 2 is disposed on the side surface of the second extension portion 22.
  • the fair leader 26 includes, for example, a pair of arms connected to the side surface of the second extension 22, and has a configuration in which a roller is rotatably supported by the arms.
  • the mooring line 25 is inserted between the side surface of the second extension portion 22 and the roller.
  • the fair leader 26 is arrange
  • the point of action on the floating body 2 due to ocean currents and tidal currents is generally located near the center of the draft D.
  • the fair leader 26 by disposing the fair leader 26 at a position that coincides with such an action point, the floating body 2 can be effectively supported by the mooring cable 25, and the influence of ocean currents and tidal currents can be minimized.
  • the illustrated configuration of the fair leader 26 is merely an example, and various configurations can be applied.
  • FIG. 4 is a figure which shows the spar type
  • FIG. 4A has shown 2nd embodiment
  • FIG. 4B has shown 3rd embodiment.
  • 5A and 5B are explanatory diagrams of the resistor shown in FIG. 4B.
  • FIG. 5A is a top view
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a modification
  • FIG. 5C is a top view of the modification.
  • symbol is attached
  • the spar type floating structure 1 according to the second embodiment shown in FIG. 4A is obtained by omitting the third extension 24 in the spar type floating structure 1 according to the first embodiment.
  • the first extension portion 21 and the second extension portion 22 are arranged in the floating body 2 and the third extension portion 24 is omitted, at least the effect when the second extension portion 22 is formed is obtained.
  • the spar type floating body structure 1 according to the third embodiment shown in FIG. 4B is the spar type floating body structure 1 according to the first embodiment.
  • a resistor 27 for adjusting the above is disposed. 4B and 5A, for example, the resistor 27 includes a plurality of fins 271 arranged so as to extend radially from the side surface of the first extension portion 21, and a bottom portion of the first extension portion 21. It has a bilge keel 272 projecting in an annular shape in the horizontal direction and an annular guard member 273 that suppresses the entrainment of the mooring line 25 of the floating body 2.
  • the yawing (rotation) of the floating body 2 can be suppressed by the fins 271.
  • the fins 271 are, for example, a fin body part 271a connected so that a surface is arranged in the vertical direction on the side surface of the first extension part 21, an outer edge part 271b connected so as to surround the outer periphery of the fin body part 271a,
  • the fins 271 are, for example, a fin body part 271a connected so that a surface is arranged in the vertical direction on the side surface of the first extension part 21, an outer edge part 271b connected so as to surround the outer periphery of the fin body part 271a,
  • the bilge keel 272 can form a resistance surface against the vertical swing of the floating body 2.
  • the bilge keel 272 may be omitted in some cases.
  • the guard member 273 on the upper surface and the outer edge portion of the fin 271, the mooring line 25 can be prevented from entering between the fins 271.
  • the modification of the resistor 27 shown in FIGS. 5B and 5C is such that the resistor 27 is composed only of the bilge keel 272.
  • the bilge keel 272 in this modified example is configured by a plate member having a conical surface inclined obliquely downward from the bottom of the first extension portion 21. Further, the space surrounded by the conical surface of the bilge keel 272 forms a recess, and the surrounding fluid can be retained in this space, and the resistance against the vertical swing of the floating body 2 can be effectively increased.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the shapes of the first extension portion 21, the second extension portion 22, and the third extension portion 24 can be appropriately changed within a range that satisfies the above-described conditions.
  • various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.

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Abstract

　細長い形状を有する浮体部２と、浮体部２に配置されるバラスト部３と、を有し、バラスト部３の重量によって浮体部２を直立させて浮遊させるスパー型浮体構造物であって、浮体部２は、下部に配置され水平方向に拡張された第一拡張部２１と、中間部に配置され水平方向に拡張された第二拡張部２２と、第一拡張部２１及び第二拡張部２２を連結するとともに喫水線まで延伸されたコラム部２３と、を有し、第一拡張部２１は、バラスト部３を構成し、第二拡張部２２は、浮体部２に浮力を与える浮力体を構成している。

Description

スパー型浮体構造物
　本発明は、スパー型浮体構造物に関し、特に、復原性能を確保しつつ動揺を低減することができるスパー型浮体構造物に関する。
　近年、地球環境の保全や自然エネルギーの有効活用の観点から、洋上風力発電が注目されている。かかる洋上風力発電用の浮体構造物として、重心を浮心よりも常に下にして静的安定性を確保するスパー型、張力脚により浮体を緊張係留するＴＬＰ（Tension Leg Platform）型、デッキとロワーハルとを複数のコラムにより接続して水線面積（喫水線における断面積）を縮小するとともに没水部に作用する波力の位相差を利用して動揺を低減するセミサブ型等、種々の形式のものが提案されている。これらの浮体構造物の中で、スパー型は、コスト的に他の浮体構造物よりも有利であると考えられている。
　かかるスパー型浮体構造物は、一般に、細長い略円柱形状の浮体部と、該浮体部の下部に配置されるバラスト部と、を有し、前記バラスト部の重量によって海上に直立した前記浮体部を係留索で係留したものである（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
　例えば、特許文献１には、喫水線に曝される上部浮体と、該上部浮体よりも大径の下部浮体と、該下部浮体の下側に形成されたバラストタンクと、を有するスパー型浮体構造物が記載されている。また、特許文献２には、喫水線に曝される上部浮体と、該上部浮体よりも大径の下部浮体と、該下部浮体の下面に連結鋼管を介して接続されたバラストタンクと、を有するスパー型浮体構造物が記載されている。
特開２００９－１８６７１号公報 特開２００９－２４８７９２号公報
　ところで、上述したようなスパー型浮体構造物では、復原性能を確保するために喫水が深くなる傾向にあり、浅い海域には設置し難いという問題があった。また、ＴＬＰ型の浮体構造物と比較すると上下揺れ及び縦揺れ（又は横揺れ）が大きく、安定性の確保が難しいという問題があった。
　また、特許文献１及び特許文献２に記載されたスパー型浮体構造物では、水線面積が小さいため同調周期が短く波と共振しやすい、喫水線付近に大きな浮体が配置されているため波の影響を受けやすい等の問題があり、上述したスパー型浮体構造物の短所を克服することが難しかった。
　本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、復原性能を確保することができ、動揺を低減することができ、喫水を浅くすることができるスパー型浮体構造物を提供することを目的とする。
　本発明によれば、細長い形状を有する浮体部と、該浮体部に配置されるバラスト部と、を有し、前記バラスト部の重量によって前記浮体部を直立させて浮遊させるスパー型浮体構造物において、前記浮体部は、下部に配置され水平方向に拡張された第一拡張部と、中間部に配置され水平方向に拡張された第二拡張部と、前記第一拡張部及び前記第二拡張部を連結するとともに喫水線まで延伸されたコラム部と、を有し、前記第一拡張部は、前記バラスト部を構成し、前記第二拡張部は、前記浮体部に浮力を与える浮力体を構成している、ことを特徴とするスパー型浮体構造物が提供される。
　前記浮体部は、前記コラム部の上部に配置され水平方向に拡張された第三拡張部を有していてもよい。また、前記第三拡張部は、前記浮体部の排水容積／喫水により求められる平均面積に対して１０～３００％の大きさの水線面積を有していてもよい。また、前記第三拡張部の上部には、例えば、水平方向に縮小された柱状部材が接続される。また、前記第三拡張部には、前記浮体部を係留する係留索が接続されていてもよい。
　前記第二拡張部は、前記浮体部の排水容積に対して１／４～３／４の容積を有していてもよい。また、前記第二拡張部の側面には、前記浮体部の係留索を案内するフェアリーダが配置されていてもよい。
　前記第一拡張部及び前記第二拡張部の大きさは、例えば、ＧＭ＝Ｉｗ／（Δ×ｔａｎθ）の条件（ただし、ＧＭはメタセンタ高さ、Ｉｗは風転倒モーメント、Δは排水量、θは最大許容傾斜角度、を意味する）を満たすように設定される。
　前記第一拡張部の外面には、前記浮体部の動的応答特性を調整する抵抗体が配置されていてもよい。また、前記抵抗体は、前記浮体部の係留索の巻き込みを抑制する環状のガード部材を有していてもよい。
　上述した本発明に係るスパー型浮体構造物によれば、浮体部に第一拡張部及び第二拡張部を形成したことにより波なし点を容易に形成することができ、スパー型浮体構造物の上下揺れを低減することができる。また、下部の第一拡張部をバラスト部とし、中間部の第二拡張部を浮力体としたことにより、重心高さと浮心高さとのバランスを調整しやすくすることができ、復原性能を容易に確保することができるとともに、縦揺れ（又は横揺れ）を小さくすることもできる。したがって、本発明に係るスパー型浮体構造物によれば、復原性能を確保することができ、動揺を低減することができ、引いては喫水を浅くすることができる。
　また、コラム部の上部に第三拡張部を形成することにより、小波～通常波時には第三拡張部に喫水線を位置させ、高波時には第三拡張部よりも縮小された部分（コラム部又は上部構造物の柱状部材）に喫水線を位置させることができ、水線面積に反比例する上下揺れ同調周期を波の状態に合わせて調整することができ、効果的に上下揺れを低減することができる。特に、高波時における上下揺れ同調周期を長くすることによって、高波時におけるスパー型浮体構造物の共振を回避することができる。
本発明の第一実施形態に係るスパー型浮体構造物の全体構成図である。 第三拡張部の作用を説明するための図であって通常波時を示している。 第三拡張部の作用を説明するための図であって高波時を示している。 第三拡張部の作用を説明するための図であって波強制力特性曲線図を示している。 第二拡張部の作用を説明するための図であって原理説明図を示している。 第二拡張部の作用を説明するための図であって波強制力特性曲線図を示している。 本発明の他の実施形態に係るスパー型浮体構造物を示す図であって第二実施形態を示している。 本発明の他の実施形態に係るスパー型浮体構造物を示す図であって第三実施形態を示している。 図４Ｂに示した抵抗体の説明図であって上面図を示している。 図４Ｂに示した抵抗体の説明図であって変形例の断面図を示している。 図４Ｂに示した抵抗体の説明図であって変形例の上面図を示している。
　以下、本発明の実施形態に係るスパー型浮体構造物について、図１～図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るスパー型浮体構造物の全体構成図である。図２は、第三拡張部の作用を説明するための図であり、図２Ａは通常波時、図２Ｂは高波時、図２Ｃは波強制力特性曲線図、を示している。図３は、第二拡張部の作用を説明するための図であり、図３Ａは原理説明図、図３Ｂは波強制力特性曲線図、を示している。
　本発明の第一実施形態に係るスパー型浮体構造物１は、図１に示したように、細長い形状を有する浮体部２と、浮体部２に配置されるバラスト部３と、を有し、バラスト部３の重量によって浮体部２を直立させて浮遊させるスパー型浮体構造物である。浮体部２は、下部に配置され水平方向に拡張された第一拡張部２１と、中間部に配置され水平方向に拡張された第二拡張部２２と、第一拡張部２１及び第二拡張部２２を連結するとともに喫水線まで延伸されたコラム部２３と、を有している。ここで、第一拡張部２１は、バラスト部３を構成し、第二拡張部２２は、浮体部２に浮力を与える浮力体を構成している。
　前記スパー型浮体構造物１は、例えば、洋上風力発電用の浮体構造物であり、上部構造物９として、支柱９１とナセル９２とブレード９３とを有する。支柱９１は、浮体部２の上部に立設され、ナセル９２及びブレード９３を支持する。ナセル９２は、内部に発電機を有し、ブレード９３の回転によって電力を発生させる。ブレード９３は、風力によって回転駆動する。また、支柱９１には、太陽光パネル９４を配置するようにしてもよい。かかる太陽光パネル９４を配置することにより、風力と太陽光による複合発電設備を構成することができ、構造物全体の冗長性を向上させることができる。なお、上述した風力発電設備は、スパー型浮体構造物１に設置される上部構造物９の一例であり、風向計や風速計等の風況観測装置、太陽光発電装置、照明装置、無線通信装置等が設置されていてもよい。
　前記コラム部２３は、浮体部２に対して浮力を与える浮力体の一部であるとともに、喫水Ｄを備える中空円筒形状を有する。かかるコラム部２３は、浮体部２の軸部を構成する。また、コラム部２３は、第一拡張部２１及び第二拡張部２２よりも水平方向に縮小した形状、すなわち、第一拡張部２１及び第二拡張部２２よりも小径の形状を有する。このように、コラム部２３を細長い形状に形成することにより、波や潮流からの外力を軽減することができる。なお、コラム部２３の一部に、バラスト水を注排水して浮体部２の重量を調整するためのバラストタンクが配置されてもよい。
　また、浮体部２は、コラム部２３の上部に配置され水平方向に拡張された第三拡張部２４を有する。すなわち、第三拡張部２４は、コラム部２３よりも大径に形成されている。第三拡張部２４は、中空円筒形状を有し、浮体部２に対して浮力を与える浮力体の一部を構成している。かかる第三拡張部２４は、通常波時において喫水線に曝される部分である。また、第三拡張部２４は、上部構造物９の支柱９１を接続する台座を構成する。すなわち、第三拡張部２４の上部には、水平方向に縮小された柱状部材（支柱９１）が接続される。また、第三拡張部２４の下面には、浮体部２の設置時に作業船のクレーン等の爪部を係止させるようにしてもよい。
　また、第三拡張部２４の上面は、上部構造物９の設置や浮体部２のメンテナンス等を行う作業台を構成する。例えば、第三拡張部２４には、浮体部２を係留する係留索２５が接続される。このように、第三拡張部２４に係留索２５を接続することにより、第三拡張部２４の上面から容易に作業を行うことができる。
　ここで、第三拡張部２４の作用について図２を参照しつつ説明する。図２Ａに示したように、浮体部２は、通常波時において、喫水線が第三拡張部２４の周面に位置するように構成されている。なお、通常波時よりも静穏な小波時も同様に、第三拡張部２４の周面に喫水線が位置する。また、図２Ｂに示したように、浮体部２は、高波高時において、喫水線が第三拡張部２４の上部の支柱９１の周面に位置するように構成されている。なお、高波低時の場合には、第三拡張部２４の下部のコラム部２３の周面に喫水線が位置する。したがって、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、通常波時における水線面積Ｓａは、高波時における水線面積Ｓｂよりも大きくなるように構成されている。
　ところで、浮体部２の上下揺れ同調周期は、浮体部２の構造により一義的に決まり、かかる同調周期と波の周期とが一致した場合には、浮体部２は共振して大きな上下揺れを生じる。ここで、図２Ｃに示した波強制力特性曲線図においては、横軸が周期Ｔ（ｓ）、縦軸が波強制力Ｆを示している。波強制力Ｆは、波による上下方向の強制外力であり、ここでは無次元化している。かかる波強制力Ｆは、Ｆ＝｜Ｆｔ｜／ρｇζ∇２／３のように表現される。ただし、Ｆｔはある周期ｔにおける波強制力、ρは液体の密度、ｇは重力加速度、ζは入射波の波振幅、∇は排水容積、である。また、図２Ｃにおいて、周期Ｔ１，Ｔ２は、波強制力Ｆが生じない波なし点である。一般に、通常波は周期Ｔ１～周期Ｔ２の範囲内の周期を有する。周期Ｔ２を超えると高波を生じる。いま、浮体部２の波強制力特性曲線が実線で表現される場合、周期Ｔ３が共振を生じる同調周期となる。
　浮体部２の共振を抑制したい場合には、同調周期を波の周期からずらすことが必要になる。ここで、小波の周期は通常波時の周期よりも短く、高波の周期は通常波時の周期よりも長く、高波の発生率は一般に小波の発生率よりも低い。そこで、浮体部２の共振を抑制するためには、図２Ｃにおいて一点鎖線で示したように、同調周期が周期Ｔ３から周期Ｔ４に変化するように、通常波時の周期Ｔ１～Ｔ２よりも長くなる方向にずらすことが好ましい。
　そして、同調周期は、水線面積に反比例することが知られている。すなわち、同調周期を長くするということは、水線面積を小さくするということに等しい。しかしながら、高波時を想定して水線面積を小さくしてしまうと、図２Ｃにおいて破線で示したように、通常波時（周期Ｔ１～Ｔ２の範囲）における上下揺れが大きくなってしまうという問題が生じる。したがって、通常波時には水線面積を大きくしたいという要求がある。
　そこで、図１及び図２に示したように、コラム部２３の上部に第三拡張部２４を形成し、通常波時における喫水線は第三拡張部２４に位置し、高波時における喫水線は支柱９１又はコラム部２３に位置するように構成することにより、通常波時は大きな水線面積Ｓａを有し、高波時は小さな水線面積Ｓｂを有する浮体部２を構成することができる。かかる構成により、通常波時における上下揺れを低減しつつ、高波時における共振を抑制することができる。
　かかる第三拡張部２４は、例えば、浮体部２の排水容積∇／喫水Ｄにより求められる平均面積Ｓａｖに対して１０～３００％の大きさの水線面積Ｓａを有する。第三拡張部２４の水線面積Ｓａの大きさをかかる範囲に限定することにより、上述した作用を効果的に生じさせることができる。なお、平均面積Ｓａｖ（＝排水容積∇／喫水Ｄ）は、浮体部２を一様な大きさの径を有する円柱とみなした場合における断面積を意味する。例えば、排水量Δを８５００トン、喫水Ｄを５０ｍ、比重を１とした場合、平均面積Ｓａｖは１７０ｍ２と求めることができる。したがって、水線面積Ｓａは、水線面積Ｓｂよりも大きくなることを条件として、１７～１７０ｍ２の範囲内で設定される。水線面積Ｓａの具体的な比率又は数値は、浮体部２の排水量Δ、水線面積Ｓｂとのバランス、設置海域の環境（波の周期や振幅等の変化）を考慮して設定される。
　前記第一拡張部２１は、図１に示したように、コラム部２３の最下端に配置され、バラスト部３を構成する。かかる第一拡張部２１は、一定の重量を浮体部２に負荷する固定バラストにより構成されたバラスト部３であってもよいし、バラスト水を注排水して浮体部２の重量を調整可能にしたバラストタンクにより構成されたバラスト部３であってもよいし、固定バラスト及びバラストタンクを組み合わせたバラスト部３であってもよい。
　前記第二拡張部２２は、第一拡張部２１と第三拡張部２４との間のコラム部２３に配置される。このように、コラム部２３の中間部に水平方向に拡張した形状、すなわち、コラム部２３よりも大径の形状を有する第二拡張部２２を形成することにより、波の上下揺れに対する抵抗面を複数形成することができ、波強制力の影響を受けない波なし点を効果的に形成することができる。また、波なし点を複数形成することにより、浮体部２の上下揺れを効果的に低減することができる。
　図３Ａに示したように、浮体部２は、第一拡張部２１の下面２１ａ（面積Ｓ１）及び上面２１ｂ（面積Ｓ２）、第二拡張部２２の下面２２ａ（面積Ｓ３）及び上面２２ｂ（面積Ｓ４）、並びに第三拡張部２４の下面２４ａ（面積Ｓ５）の五つの抵抗面を有する。各下面２１ａ，２２ａ，２４ａは、上方向に生じる波強制力に対する抵抗面を形成し、各上面２１ｂ，２２ｂは、下方向に生じる波強制力に対する抵抗面を形成する。
　一方、図３Ａに示したように、一般に、波強制力Ｆは、水深が浅いほど大きく、水深が深いほど小さくなる傾向にある。いま、第一拡張部２１の下面２１ａの水深における波強制力をＦ１、上面２１ｂの水深における波強制力をＦ２、第二拡張部２２の下面２２ａの水深における波強制力をＦ３、上面２２ｂの水深における波強制力をＦ４、第三拡張部２４の下面２４ａの水深における波強制力をＦ５とする。なお、傾斜している面（例えば、上面２１ｂ，２２ｂ）に関しては、便宜的に、その平均水深における波強制力を図示している。
　したがって、第一拡張部２１の下面２１ａに生じる圧力はＳ１×Ｆ１、第二拡張部２２の下面２２ａに生じる圧力はＳ３×Ｆ３、第三拡張部２４の下面２４ａに生じる圧力はＳ５×Ｆ５となる。また、第一拡張部２１の上面２１ｂに生じる圧力はＳ２×Ｆ２、第二拡張部２２の上面２２ｂに生じる圧力はＳ４×Ｆ４となる。このように、第一拡張部２１及び第三拡張部２４に加えて、第二拡張部２２を形成することにより、複数の受圧面を浮体部２に形成することができ、これらの圧力は互いに打ち消し合うこととなる。その結果、図３Ｂに示したように、ある周期（例えば、周期Ｔ１，Ｔ２）において、波強制力Ｆが生じない波なし点Ｚ１，Ｚ２を形成することができる。なお、図３Ｂに示した波強制力特性曲線図において、横軸及び縦軸は図２Ｃに示したパラメータと同様であるため、ここでは説明を省略する。
　また、第一拡張部２１及び第二拡張部２２の大きさ（容量又は容積）は、ＧＭ＝Ｉｗ／（Δ×ｔａｎθ）の条件（ただし、ＧＭはメタセンタ高さ、Ｉｗは風転倒モーメント、Δは排水量、θは最大許容傾斜角度、を意味する）を満たすように設定される。ここで、メタセンタ高さＧＭは、ＧＭ＝ＫＢ＋ＢＭ－ＫＧの計算式により求められる。ただし、ＫＢは浮心高さ（図１参照）、ＢＭはメタセンタ半径、ＫＧは重心高さ（図１参照）、を意味している。また、メタセンタ半径ＢＭは、ＢＭ＝Ｉｘ／∇の計算式（ただし、∇は排水容積を意味する）により求められる。ただし、Ｉｘは水線面の浮体中心線まわりの慣性モーメント、を意味する。図１に示した浮体部２では、メタセンタ半径ＢＭはほぼゼロとなる。したがって、ここでは、ＧＭ＝ＫＢ－ＫＧと近似することができる。
　ところで、メタセンタ高さＧＭは、復原性能を示す一つのパラメータである。ＧＭが大きい場合には、スパー型浮体構造物１は傾き難く、すぐに元に戻りやすいという性質を示し、ＧＭが小さい場合には、スパー型浮体構造物１は傾きやすく、ゆっくりと元に戻るという性質を示す。また、最大許容傾斜角度θにおける復原モーメントＩｒは、Ｉｒ＝ＧＭ×（Δ×ｔａｎθ）の計算式により求めることができる。したがって、この復原モーメントＩｒとスパー型浮体構造物１を設置しようとする海域における風によって受ける風転倒モーメントＩｗとを釣り合うようにすることによって、スパー型浮体構造物１の復原性能を維持することができる。すなわち、Ｉｗ＝Ｉｒ＝ＧＭ×（Δ×ｔａｎθ）の関係式を満たすようにすることが好ましく、ＧＭ＝Ｉｗ／（Δ×ｔａｎθ）と求めることができる。かかるＧＭを大きくすることにより、より大きな風転倒モーメントＩｗに耐えることができ、スパー型浮体構造物１の復原性能を確保することができる。
　ここで、メタセンタ高さＧＭは、近似的に、ＧＭ＝ＫＢ－ＫＧの計算式により求めることができるから、浮心高さＫＢを大きくし、重心高さＫＧを低くすることが好ましい。しかし、メタセンタ高さＧＭを大きくし過ぎると縦揺れ又は横揺れの周期が短くなり細かく振動するような動揺を生じてしまう。また、容積の大きな第二拡張部２２が水面に近付くと波強制力の影響を受けやすくなってしまう。そこで、できるだけ、浮心高さＫＢを大きく、重心高さＫＧを低くすることを念頭に、浮体部２の排水量Δを抑制しながら従来と同等以上の復原性能を有するように、浮心高さＫＢ及び重心高さＫＧの位置が決定される。
　具体的には、例えば、所望のスパー型浮体構造物１において、第二拡張部２２を第一拡張部２１に近接した状態から徐々に上方に高くしていくシミュレーションが行われ、動揺低減に最適な浮心高さＫＢ及び重心高さＫＧの位置が決定されるようにすればよい。その結果、例えば、第二拡張部２２は、喫水Ｄの略中央部に位置し、浮心高さＫＢ又は重心高さＫＧを含み得る位置に設定される。
　また、第二拡張部２２は、例えば、浮体部２の排水容積∇に対して２０～８０％の容積を有し、好ましくは、１／４～３／４の容積を有する。第二拡張部２２の大きさ（容量又は容積）をかかる大きさに設定することにより、浮体部２に効果的に浮力を与えることができる。また、第二拡張部２２は、係留索２５と干渉しない大きさに形成される。係留索２５と第二拡張部２２が干渉する場合には、係留索２５が磨耗したり切断したりしてしまうためである。したがって、第二拡張部２２の大きさを設定し、第二拡張部２２の位置を上述した条件を満たすように決定すれば、第二拡張部２２の水平方向の大きさ（円柱形状の場合には直径又は半径）を決定することができ、第二拡張部２２の高さ（垂直方向の幅）も決定することができる。
　また、第二拡張部２２の側面には、浮体部２の係留索２５を案内するフェアリーダ２６が配置されている。フェアリーダ２６は、例えば、第二拡張部２２の側面に接続された一対のアームを有し、アームにローラが回転可能に支持された構成を有している。係留索２５は、第二拡張部２２の側面とローラとの間に挿通される。また、フェアリーダ２６は、例えば、喫水Ｄの中央部付近に相当する位置の第二拡張部２２の側面に配置される。海流や潮流による浮体部２への作用点は、一般に、喫水Ｄの中央部付近に位置する。したがって、かかる作用点と一致する位置にフェアリーダ２６を配置することにより、効果的に係留索２５で浮体部２を支持することができ、海流や潮流による影響を最小限に抑制することができる。なお、図示したフェアリーダ２６の構成は単なる一例であり、種々の構成のものを適用することができる。
　次に、本発明の他の実施形態に係るスパー型浮体構造物１について説明する。ここで、図４は、本発明の他の実施形態に係るスパー型浮体構造物を示す図であり、図４Ａは第二実施形態、図４Ｂは第三実施形態、を示している。図５は、図４Ｂに示した抵抗体の説明図であり、図５Ａは上面図、図５Ｂは変形例の断面図、図５Ｃは変形例の上面図、を示している。なお、各図において、上述した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
　図４Ａに示した第二実施形態に係るスパー型浮体構造物１は、第一実施形態に係るスパー型浮体構造物１において、第三拡張部２４を省略したものである。このように、浮体部２に第一拡張部２１及び第二拡張部２２を配置し、第三拡張部２４を省略した場合であっても、少なくとも第二拡張部２２を形成した場合の効果を奏することができる。すなわち、復原性能を確保しつつ、従来の浮体構造物よりも動揺を低減することができ、引いては喫水を浅くすることができる。
　図４Ｂに示した第三実施形態に係るスパー型浮体構造物１は、第一実施形態に係るスパー型浮体構造物１において、第一拡張部２１の外面に、浮体部２の動的応答特性を調整する抵抗体２７を配置したものである。抵抗体２７は、例えば、図４Ｂ及び図５Ａに示したように、第一拡張部２１の側面から放射状に延出するように配置された複数のフィン２７１と、第一拡張部２１の底部から水平方向に環状に張り出したビルジキール２７２と、浮体部２の係留索２５の巻き込みを抑制する環状のガード部材２７３と、を有する。
　フィン２７１により、浮体部２のヨーイング（回転）を抑制することができる。フィン２７１は、例えば、第一拡張部２１の側面に鉛直方向に面が配置されるように接続したフィン本体部２７１ａと、フィン本体部２７１ａの外周を囲うように接続された外縁部２７１ｂと、を有する。このように、フィン本体部２７１ａの外周を板材により囲うことにより、フィン本体部２７１ａの両面に凹部を形成することができ、この空間に周囲の流体を滞留させることができ、浮体部２のヨーイング（回転）に対する抵抗を効果的に増大させることができる。また、ビルジキール２７２により、浮体部２の上下揺れに対する抵抗面を形成することができる。なお、ビルジキール２７２は場合によっては省略するようにしてもよい。また、ガード部材２７３をフィン２７１の上面かつ外縁部に配置することにより、フィン２７１の間に係留索２５が入り込まないようにすることができる。
　図５Ｂ及び図５Ｃに示した抵抗体２７の変形例は、抵抗体２７をビルジキール２７２のみにより構成したものである。かかる変形例におけるビルジキール２７２は、第一拡張部２１の底部から斜め下方に向かって傾斜した円錐面を有する板部材により構成したものである。また、ビルジキール２７２の円錐面により囲まれた空間は凹部を形成し、この空間に周囲の流体を滞留させることができ、浮体部２の上下揺れに対する抵抗を効果的に増大させることができる。
　本発明は上述した実施形態に限定されず、第一拡張部２１、第二拡張部２２及び第三拡張部２４の形状は上述した条件を満足する範囲内において適宜変更することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
　　　１　　スパー型浮体構造物
　　　２　　浮体部
　　　３　　バラスト部
　　２１　　第一拡張部
　　２２　　第二拡張部
　　２３　　コラム部
　　２４　　第三拡張部
　　２５　係留索
　　２６　フェアリーダ
　　２７　抵抗体
　　９１　支柱（柱状部材）
　２７３　ガード部材
 
 

Claims (10)

  1. 　細長い形状を有する浮体部と、該浮体部に配置されるバラスト部と、を有し、前記バラスト部の重量によって前記浮体部を直立させて浮遊させるスパー型浮体構造物において、
    　前記浮体部は、下部に配置され水平方向に拡張された第一拡張部と、中間部に配置され水平方向に拡張された第二拡張部と、前記第一拡張部及び前記第二拡張部を連結するとともに喫水線まで延伸されたコラム部と、を有し、
    　前記第一拡張部は、前記バラスト部を構成し、
    　前記第二拡張部は、前記浮体部に浮力を与える浮力体を構成しているスパー型浮体構造物。
  2. 　前記浮体部は、前記コラム部の上部に配置され水平方向に拡張された第三拡張部を有する請求項１に記載のスパー型浮体構造物。
  3. 　前記第三拡張部は、前記浮体部の排水容積／喫水により求められる平均面積に対して１０～３００％の大きさの水線面積を有する請求項２に記載のスパー型浮体構造物。
  4. 　前記第三拡張部の上部には、水平方向に縮小された柱状部材が接続される請求項２に記載のスパー型浮体構造物。
  5. 　前記第三拡張部には、前記浮体部を係留する係留索が接続される請求項２に記載のスパー型浮体構造物。
  6. 　前記第二拡張部は、前記浮体部の排水容積に対して１／４～３／４の容積を有する請求項１に記載のスパー型浮体構造物。
  7. 　前記第二拡張部の側面には、前記浮体部の係留索を案内するフェアリーダが配置されている請求項６に記載のスパー型浮体構造物。
  8. 　前記第一拡張部及び前記第二拡張部の大きさは、ＧＭ＝Ｉｗ／（Δ×ｔａｎθ）の条件（ただし、ＧＭはメタセンタ高さ、Ｉｗは風転倒モーメント、Δは排水量、θは最大許容傾斜角度、を意味する）を満たすように設定される請求項１に記載のスパー型浮体構造物。
  9. 　前記第一拡張部の外面には、前記浮体部の動的応答特性を調整する抵抗体が配置されている請求項１に記載のスパー型浮体構造物。
  10. 　前記抵抗体は、前記浮体部の係留索の巻き込みを抑制する環状のガード部材を有する請求項９に記載のスパー型浮体構造物。
     
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