JPS6295952A - 発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高圧流体の海底流路内に組み込まれ、流体エネ
ルギによって発電する発電機に係り、特に石油の自噴エ
ネルギ等を利用して、海底の坑口装置等の電力を洋上ｔ
Ｉｉ段からの送電なしに賄うようにしたものに関する。

〔従来の技術〕

従来、海底油田開発にあたって、海底石油生産用の坑ロ
装置ヤマ二ホールド装置等のための制御・情報伝送用あ
るいは計測等の電力供給は、海底のこれら装置へ洋上施
設から電カケープルを引っ張ることによって行って来て
おり、海底で発電して電力を賄うという考えはない。し
たがって、比較すべき従来の技術がない。

［発明の目的］ 本発明の目的は、簡単な構造で石油の自噴エネルギ等を
利用して海底の坑口装置等の内部で自己発電することが
でき、送電用の電カケープルを廃止することが可能な発
電機を提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的に沿う本発明は、坑井からの噴出流体等の高圧
流体の海底流路中に、７坑井の自噴圧力に耐え得る極め
て高耐圧でかつ生産流体及び外部環境に対して耐蝕性を
備えた円筒状本体をその軸芯が上記流路に沿うように配
設する。

円筒状本体の内部には磁気軸受を介して浮上し、本体軸
芯と同一軸芯で回転する回転子が設けられ、この回転子
の外周には極性の異なる永久磁石の磁極フィンを螺旋状
に偶数極一体形成する。

また、この螺旋状に形成した磁極フィンと対向する円筒
状本体の外周には固定コイルを密閉して抱き込んだ強磁
性体の固定子が取り付けられている。

これにより、高圧流体が円筒状本体内部に流れ込むと、
その流体圧が磁極フィンに作用して回転子を回転させる
。この回転は磁気軸受により非接触で行われる。回転に
よりフィンから出る磁束が固定コイルを切り、コイルに
電流が発生する。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第３図に基づいて説明すれば
以下の通りである。

図は本発明の発Ｎ機を示す。

１は発電機の円筒状本体であり、海底石油生産用坑口装
置の生産流体の流路と、坑井内サービスラインとの間を
結ぶ連通パイプラインに、本体１の両端開口を直結でき
るようになっている。この直結手段としては、図示例で
は、もつとも簡易且つ確実に行えるように、本体開口に
フランジ２を形成してフランジ結合できるようにしたも
のが示しであるが、突合せ溶接継手として信頼性を一層
向上させるようにしてもよい。

上記本体１の材質は、強磁性体材料以外で、且つ原油・
海水に対する耐蝕性を備えた強力材料から成り、例えば
純チタン又はチタン合金が最適である。また、耐圧構造
とするため十分な板厚を備えた円筒状になっている。

このような円筒状本体１の内部には本体軸芯と一致する
軸芯を中心に回転する円柱状の回転子３が設けられる。

回転子３は永久磁石材料で成形され、その内部は軽量化
を図るため中空になっている。また外周には磁極フィン
４が一体成形されている。磁極フィン４は、図示例では
２相交流を得るために、回転子３の同層りに９０度間隔
を隔てて交互にＮ極とＳ極を配した４極構造の永久磁石
で構成される。したがって、単相交流を得る場合には２
極で済み、また３相交流では６極必要となる。

これらの磁極フィン４は流体エネルギを回転エネルギに
変換するために、プロペラに類似して軸方向に螺旋状に
巻きつけられた構造になっている。

また、回転子３の両軸端部はこれを軸方向外方に突出さ
せて軸受支承部５となしている。これらの支承部５を支
承する軸受６は両端開口から本体１内に嵌め込まれ、凸
状支承部５と合致する凹状部を内側中央に有する。この
凹凸関係は逆にしてもよい。軸受６の外周は例えば窓を
開けた４本の腕７を径方向外方に等角度に張り出して、
これで本体１内に軸受６を固定する。軸受の外側中央は
軸受外方に突出させて、流路抵抗を減少させる。

軸受６の材料は本体１と同じチタン合金等から成形する
。

特に、回転子３を非接触で支持して長期間に厘って摩耗
を生じないように、軸受６を磁気軸受構造とする。その
ために、凸状支承部５と凹状軸受６との相対向するテー
パ而及び突合せ面に同一１１１極を向い合せた強力な永
久磁石片８を配設し、その反発力でラジアル及びスラス
ト荷重を受けられ　　イるようにして回転子３を浮上支
持する。なお、軸受６及び支承部５の対向面が仮に腐食
しても磁石片８が落下して下流へ流出しないように、対
向面に窪みを設け、ここに磁石片８を嵌め込んで接着す
る。

上述した磁極フィン４及び永久磁石片８の表面はメッキ
等により耐蝕処理を施す。

回転子３の凸状支承部５と軸受６の凹状部とがクリアラ
ンスを保持して合致する円環状の入口部には、クリアラ
ンス内に流体中の砂等が流れ込むのを防止するために、
プラスチックシールリング１０が設けである。このリン
グ１０は回転子側と軸受側とに設けた環状溝に跨って嵌
め込まれている。材料としては、テフロン、ナイロン等
が適当である。

一方、円筒状本体１の外部には固定子コイル１１と固定
子１２とが取り付けられている。即ち、コ転子３の磁極
フィン４と対向する本体１の外周ヒ深く挾り取って形成
した環状溝１３内に磁束変二により電流を発生する固定
コイル１１を装着する。このコイル１１は磁極フィン４
の螺旋形状と同一の捩れ角で配置されて、Ｎｌ又はＳ極
のみが同時に対向するコイルを切るようにする。また、
コイル１１はエポキシ樹脂等の高強度・耐絶縁性・耐水
性・耐蝕性の樹脂で固めてブロック化する。

そして、環状１１１１３内に装着したコイル１１を抱き
込むように、環状溝幅よりも幅広の円環状の固定子１２
が本体１の外周に０リング１４を介して密嵌合されてい
る。この固定子１２は、強磁性体材料からなる固定子ヨ
ークとして機能する。また、本体１との接続部周辺及び
固定子表面には電食防止のために表面型防蝕塗装を施し
である。

上記コイル１１で発生する電流は、固定子１２に設けら
れた止水金具１５に海水が侵入しないようにシールされ
て挿通されたリード線１６より取り出され、蓄電池用充
電電源装置に導かれる。

このようにして本発電機は構成されている。

ところで、上記のように構成された発電機は、既述した
ように高圧流体路に直結され、主として石油の自噴エネ
ルギを動力源として回転子３を回転させ、発電するもの
である。したがって、通常の発電機と比較して、次のよ
うな種々の条件を満たす必要がある。

■　適用坑井によっては３５０　ｋｇｆ　／ｃｅ”以上
の内圧にもなる坑井の自噴圧力に充分耐えること。

■　使用環境が海中であるため、水深に応じた外圧に十
分耐え、また生物の付着等で汚損されても機能障害が生
じないこと。

■　原油、天然ガス、ＣＯ２，Ｈｚ　Ｏ等の生産流体に
腐食されにくい内部構造を有していること。

■　海水腐食を生じにくい外部構造を有していること。

■　井戸によって異なるが１００℃以上　にもなる生産
流体の温度に耐えられること。

■　生産流体と共に砂が流出しても故障しにくいこと。

■　スルーフローライン及びワイヤライン作業の支障に
ならない位置に組み込めること。即ち、生産ラインとサ
ービスライン間のバイパスラインに組み込める程の小型
形状をしていること。

■　発電機の故障が石油生産の停止、公害発生、他の機
械装置、パイプライン等に重大な影響を及ぼさないこと
。即ち、システム全体の基本機能に影響を及ぼさないこ
と。

■　本機を海底に設置した後は、長年月に厘って回収せ
ず、そのまま使用できること。坑口装置の回収・保守時
に本機を交換するようにするため、長期間、例えば５年
以上の寿命を有すること。したがって、特に軸受等の摩
耗が生じず、潤滑油が不要で極力低摩擦係数であること
。

ところで、上記実施例の発電機は、本体１形状が耐圧構
造に遺した円筒状で、適圧な板厚になっていること、及
び材質がチタン等で製作されているため、■■■■■■
■■の条件を満す。また、本体１及び軸受６が上記した
材質で製作されており、回転子３．磁極フィン４．永久
磁石片８の表面が耐蝕処理されているため、条件■■■
■■■■を満足する。

また、条件■についてはプラスチックシールリング１０
がこれを保証する。即ち、プラスチックシールリング１
０は、回転子３の回転によって長ｗＪ間の運転猪には当
然摩耗を生じる。しかし、永久磁石片８周士の反発力に
よって、プラスチックシールリング１０に付加されてい
る荷重は、リングの長さが減るにつれて減少する。この
ため、プラスチックシールリング１０が完全に摩滅する
ことは起り得ない。しかも、プラスチックシールリング
１０は軸受６及び回転子３に跨っているため、永久磁石
片８間に噛み込んで回転の支承となるような大きな砂の
侵入を防止することができる。

一方、条件■の小形化については、内部の回転子３が磁
極フィン４を一体形成した永久磁石であって簡素な構造
となっており、外部も本体１とこれに嵌装した固定子１
２とから成るという簡単な構成であるから、小型化の要
請に充分応えることができる。

また、発電機で最も故障しやすい回転子３の軸受部分を
磁気軸受としたので、摩耗が生じにくい。

仮に、軸受が故障したとしても、回転子３の磁極フィン
の間を生産流体が通過可能な構造となっているので、回
転子の停止がもたらす生産流体のストップという最悪の
事態を回避できるため、上記■の条件を満足する。即ち
、海底発電機能が停止するのみであり、石油生産は継続
可能である。

そして、固定子コイル１１は、内外圧の影響を受けない
密閉された環状溝１３内に収納され、しかもエポキシ樹
脂等の高強度、耐絶縁性、耐蝕性、耐水性の樹脂ブロッ
ク内に固めたので、仮に海水が侵入しても絶縁低下、断
線等の事故が起りにくく、上述した磁気軸受構造ととも
に高寿命となり、したがって、条件■を満す。

さて、上記のような構成において、天然ガス又は石油が
噴出すると、この噴出流体は円筒状本体１内に流れ込み
、磁極フィン４に作用して回転子３を回転させる。この
回転に伴って磁極フィン４から固定子１２に抜ける磁束
が固定子コイル１１を切るため、コイル１１に電流が発
生する。この電流はリード線１６を介して取り出され電
源装置に供給される。

また、噴出前及び坑井が自噴能力を失・った後において
は、洋上施設から泥水流等の流体をサービスライン内に
圧送し本発電機を、圧送した流体エネルギによって回転
、発電させる。

このように、上記実施例によれば、海底からの流体エネ
ルギを駆動源とする発電機を、天然ガスや石油等の生産
流体が自噴能力を失った後は洋上から圧送する泥水のエ
ネルギによって駆動するようにしたので、噴出の前後に
かかわらず海底でいつでも発電を行うことができる。し
かって、洋上施設から海底の坑口装置までの間に電カケ
ープルを張設することなく、坑口装置の制御・情報伝送
用の電力を賄うことができ、洋上施設からは単に光信号
を伝送する光ケーブルのみを張設するだけで、坑口制御
装置の遠隔操作が可能となる。

また、本体を耐内圧性、かつ原油に対する耐蝕性を備え
た形状及び材質とし、これを流体路とフランジ結合する
完全密閉構造としたので、外部に原油やガスが漏洩する
おそれがなく、安全性に優れている。特に、回転子が磁
気軸受で支承されて回転するので、長期間、軸受の摩耗
が生じない。

また磁極フィンの間を流体が通過できるので仮に回転子
の回転が不能になっても、石油生産停止に至るような重
大事故は防止でき、発電機を取り外す必要もない。

なお、発電機の保守はツリー回収時に行うが、発電機の
運転は、生産ラインとサービスライン間を連通して流体
を流すときのみ行われるため、長期間の連続運転は通常
行われず、従って、軸受の摩耗をυｊ御でき保守期間も
長くすることができる。

なお、第４図は第１図の実施例の変形例を示すもので、
第１図と異なる点は、磁気軸受部を一体形の永久磁石で
構成した点である。即ち、軸受２６の内側中央に永久磁
石から成る凸状部を一体的に取り付けると共に、この凸
状部２７と合致する凹状支承部２５を回転子３の両軸端
部に一体形成したもので、これにより構造をより簡素化
できるという利点が得られる。

［発明の効果］ 以上述べたとおり本発明によれば次のような優れた効果
を発揮する。

（１）　　円筒状本体が高圧流体内圧及び海水外圧に耐
えるように高耐圧・耐蝕に形成されているので、加圧力
で破裂したり押し潰されたりすることがなく、また、回
転子は磁気軸受によって浮上支持されているので、長期
間に亙っでも軸受部に摩耗が生じることがなく、安全性
及び信頼性に優れている。

（２）　　流体エネルギを回転エネルギに変換する螺旋
状磁極フィンを回転子に一体に形成したので、構造を簡
素化できる。

（３）　　流れのある流体中に設茸すればよいので、石
油の自噴エネルギは勿論のこと、石油噴出前又は自噴能
力が失われた後であっても噴出ガスやあるいは洋上から
供給する泥水液体等のエネルギで発電することができる
。したがって、従来海底の坑口装置やマニホールド装置
等に洋上施設から引いていた送電用の電カケープルを廃
止することができる。

【図面の簡単な説明】

１１図は本発明の一実施例に係る発電機の縦断面図、第
２図は第１図の左側面図、第３図は第１図の■−■線矢
視断面図、第４図は本発明の他の実施例に係る発電機の
縦断面図である。 図中、１は円筒状本体、３は回転子、４は磁極フィン、
６は磁気軸受、８は磁気軸受の構成要素である永久磁石
片、１１は固定コイル、１２は固定子である。 特許出願人　　　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理
士　　　絹　　谷　　信　　雄１：円瀬技Ｎ本　　　　
　　　８：ぶ裂開−）Σ顧゛ゆ梱斤３’　回）―飲手　
　　　　　　　　　　　　　ｌ　Ｉ：　＠９ｉＬ３イ＋
ｔ。 ４：五珠七ヤフイレ　　　　　　　　　１２：固定子６
：勅受 第１図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高圧流体の海底流路内に組み込まれ流体エネルギによっ
   て発電する発電機において、その軸芯が上記流路に沿う
   ように高耐圧の円筒状本体を配設し、該本体の内部に磁
   気軸受を介して本体軸芯と同一軸芯で回転する回転子を
   設け、該回転子の外周に極性の異なる磁極フィンを螺旋
   状に偶数極一体形成し、該フィンと対向する上記本体の
   外周に固定コイルを抱き込んだ固定子を取付けてなるこ
   とを特徴とする発電機。