JP5535768B2 - 蒸気弁 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、火力発電所や原子力発電所の蒸気タービン等に供給する蒸気量を調節するための蒸気弁に関する。

火力発電所や原子力発電所等の蒸気タービンは、負荷変化に応じて蒸気量を調節するために、アクチュエータで弁棒を動かし、弁座と弁体との間の流路面積を変化させることで蒸気量を調節する蒸気弁が多数設けられている。

蒸気弁には、蒸気量調節のために円筒状の弁体ガイド（マフラ）の内周面に沿って弁体を摺動させる構成のものがある。ここで弁体ガイドは弁体案内機能及び消音機能を兼ね備える部材であり、複数の開口部およびリブが周方向に交互に配設され、該リブをその先端側で互いに連結し、弁座に設けられた環状溝に嵌合するリング部が設けられている。これにより、リング部によって弁座に固定された弁体ガイドの内周を弁体が摺動し、該弁体が弁座から離れることで、蒸気弁の出入口の差圧によって蒸気が開口部を通過して弁体と弁座との間の流路へと流れるようになっている。

この種の蒸気弁では、弁体と弁座との間の流路を流れる蒸気流の乱れによって蒸気弁の各部に振動が発生し、蒸気弁が損傷してしまうことがあった。特に、蒸気タービンの高圧室の上流に配置される蒸気加減弁や、中圧室の上流に配置されるインターセプト弁は、高圧かつ大流量の蒸気を扱うため、蒸気流の乱れに起因する蒸気弁各部の振動を如何にして抑制するかが問題になっていた。
そこで、従来から、弁体ガイドのリング部の形状等を工夫することで、蒸気弁各部の振動を低減する試みがなされている。例えば、特許文献１には、弁体ガイドのリング部をテーパ状に形成し、開口部から流入する蒸気流の乱れを防止し、蒸気弁各部の振動を抑制するようにした蒸気弁が開示されている。

また、従来から、弁体ガイドのリング部の上流と下流との圧力差によって、蒸気の一部がリング部と環状溝との間の隙間を流れること（いわゆる、隙間流れ）が弁体ガイドの振動の一因として問題視されていた。
そこで、特許文献２には、弁座の環状溝とマフラ（弁体ガイド）のリング部との隙間にシールリングや金網メッシュ消音材等の流体流れ阻止手段を設け、該隙間の蒸気流（隙間流れ）に起因する弁体ガイドの振動を防止するようにした蒸気弁が開示されている。

実開昭６２−１５４２０３号公報 実開平３−５６８０２号公報

しかしながら、最近の蒸気タービンは超々臨界圧に対応可能なものまで開発が進んでおり、特許文献１及び２に記載の蒸気弁では、弁体ガイドの振動を十分に抑制することが難しい場合がある。

このため、本願発明者らは、弁体ガイドのリブを束ねるリング部の断面積を大きくして、リング部を強化することで、弁体ガイドの振動を抑制しようとしたが、リング部の断面積を増加しても弁体ガイドの振動の抑制効果を十分に得ることはできなかった。
そこで、本願発明者らは、弁体ガイドの振動の原因を調べる目的で、蒸気弁内における蒸気流の圧力分布についてシミュレーションを行ったところ、蒸気流とリング部との干渉によって、該リング部の下流側で蒸気流が剥離してウェークが生じるという知見を得るととともに、このウェークによるリング部の励振が弁体ガイドの振動の一因であることを認識するに至った。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、弁体ガイドの振動を確実に抑制することができる蒸気弁を提供することを目的とする。

本発明に係る蒸気弁は、シート部および該シート部の上流側に形成された環状溝を有する弁座と、複数の開口部およびリブが周方向に交互に配設され、該リブをその先端側で互いに連結するとともに前記弁座の前記環状溝に嵌合するリング部を有する円筒状の弁体ガイドと、前記弁体ガイドの内側に配設され、前記弁座の前記シート部に対して離接することで前記弁座との間を流れる蒸気量を調節可能な弁体とを備える蒸気弁であって、前記環状溝は、前記シート部の上流側に形成された内周縁と、該内周縁よりも外周側であって前記弁体の開弁方向に位置する外周縁と、の間に形成され、前記弁体ガイドの前記リング部は、前記開口部を通って前記シート部に向かう蒸気主流と干渉しないように、前記環状溝の前記内周縁よりも前記弁体の閉弁方向に完全に収まって形成されていることを特徴とする。

ここで、リング部が「蒸気主流と干渉しない」とは、該リング部の下流側で、該リング部による蒸気流の剥離が生じないことを意味し、蒸気流の剥離の有無は、例えば、蒸気弁内における蒸気流の圧力分布についてのシミュレーション結果に基づいて判定可能である。

上記蒸気弁では、弁体ガイドのリング部は蒸気主流と干渉しないように、前記環状溝の前記内周縁よりも前記弁体の閉弁方向に完全に収まって形成されているので、該リング部の下流側における蒸気主流の剥離が起こらず、ウェークに起因する弁体ガイドの振動を防止することができる。
また、弁体ガイドのリング部が蒸気主流と干渉しないことから、リング部の上流と下流とでは圧力差がほとんど生じず、リング部と環状溝との間の隙間を流れる蒸気流（隙間流れ）が起こらないので、シールリングや金網メッシュ消音材等の隙間流れを阻止する部材を設けることなく、隙間流れに起因する弁体ガイドの振動を防止することができる。

本発明によれば、前記環状溝は、シート部の上流側に形成された内周縁と、該内周縁よりも外周側であって前記弁体の開弁方向に位置する外周縁と、の間に形成され、弁体ガイドのリング部が蒸気主流と干渉しないように、前記環状溝の内周縁よりも前記弁体の閉弁方向に完全収まって形成されるので、該リング部の下流側における蒸気主流の剥離が起こらず、ウェークに起因する弁体ガイドの振動を防止することができる。
また、弁体ガイドのリング部が蒸気主流と干渉しないことから、リング部の上流と下流とでは圧力差がほとんど生じず、リング部と環状溝との間の隙間を流れる蒸気流（隙間流れ）が起こらないので、シールリングや金網メッシュ消音材等の隙間流れを阻止する部材を設けることなく、隙間流れに起因する弁体ガイドの振動を防止することができる。

本実施形態に係る蒸気弁の構成例を示す断面図である。 図１におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 弁体ガイドのリング部周辺の拡大断面図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、本発明に係る蒸気弁の全体構成について説明する。図１は本実施形態に係る蒸気弁の構成例を示す断面図であり、図２は図１におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

図１に示すように、蒸気弁１は、弁座２を有する弁体ケーシング４と、円筒状の弁体ガイド（マフラ）６と、弁体ガイド６の内側に配置された弁体８と、弁体８に連結された弁棒１０と、弁体ケーシング４上に設けられたボンネット１２とより構成されている。

弁体ケーシング４の上部にはボルト３によってボンネット１２が固定され、弁体ケーシング４の開口がボンネット１２で閉じられている。すなわち、ボンネット１２の円筒状の円筒部１２Ａが弁体ケーシング４内に挿入された状態で、ボンネット１２の蓋板１２Ｂと弁体ケーシング４とがボルト３で締結され、蒸気弁１の内部空間を形成している。
また弁体ケーシング４には蒸気入口１４及び蒸気出口１６が形成されており、図中の矢印で示すように、蒸気入口１４から蒸気弁１の内部空間に流入した蒸気は、蒸気出口１６から流出し、蒸気弁１の後段に配設された蒸気タービン等（不図示）に供給されるようになっている。

弁体ケーシング４の弁座２は、蒸気入口１４と蒸気出口１６との間に、弁体ケーシング４の内面の一部として設けられている。弁座２のシート部１８の上流側には環状溝２０が形成されている。

弁体ガイド（マフラ）６は、弁体８の案内と消音のために設けられる円筒状の部材であり、図２に示すように、蒸気が通過する複数の開口部６Ａと、複数のリブ６Ｂとが周方向に交互に配設されている。また図１及び２に示すように、弁体ガイド６にはリング部６Ｃが設けられており、このリング部６Ｃによって複数のリブ６Ｂが互いに連結されている。
弁体ガイド６の下端側は、リング部６Ｃが環状溝２０に嵌合して弁座２に固定されている。一方、弁体ガイド６の上端側は、ピン２２によってボンネット１２の円筒部１２Ａに固定されている。

なお、弁座２の環状溝２０をできるだけシート部１８から離すため、弁体ガイド６は、図１及び２に示すように、リブ６Ｂで構成される部分が下端側に近づくにつれ拡径し、リブ６Ｂで構成される部分の外周側のみにリング部６Ｃが設けられていることが好ましい。
後述のようにリング部６Ｃを環状溝２０に完全に納め、主蒸気流とリング部６Ｃとの干渉を防止する場合、環状溝２０を従来よりも大きくして（幅広にして）リング部６Ｃの強度を確保する必要がある。しかし、このような幅広な環状溝２０がシート部１８の近傍に存在すると、弁開閉時にシート部１８周辺で弁座２が変形してしまうおそれがある。この点、弁体ガイド６を上記形状とすれば、弁座２の環状溝２０がシート部１８から比較的離れた位置に存在するため、弁開閉時にシート部１８周辺で弁座２が変形してしまうことがない。

図１に示す弁体８は、弁体ガイド６の内側に設けられ、弁体８に連結された弁棒１０の上下動に伴って、ボンネット１２の円筒部１２Ａと弁体ガイド６とに沿って上下動するようになっている。ここで、弁体８の外周側壁にはプレッシャーシールリング２４が設けられているので、ボンネット１２の円筒部１２Ａに対する弁体８の上下方向の摺動は円滑に行われる。また図１及び２に示すように、弁体８の頭頂部にはバランス孔８Ａが設けられており、弁体８とボンネット１２の円筒部１２Ａとで囲まれた内部空間２６とその外部との圧力バランスを取り、小さな駆動力で弁体８を上下動させることが可能になっている。
この弁体８が弁座２のシート部１８に対して離接することで、弁体８と弁座２との間の流路の面積が増減され、該流路を流れる蒸気量が調節される。

弁棒１０は、一端が弁体８に連結されており、他端が不図示のアクチュエータに連結されている。これにより、アクチュエータの駆動力を弁体８に伝えるようになっている。なお弁棒１０は、ボンネット１２の蓋板１２Ｂを貫通するスリーブ２８によって案内されている。

次に、本実施形態に係る蒸気弁１の弁体ガイド６の具体的な構成について説明する。図３は、弁体ガイド６のリング部６Ｃ周辺の拡大断面図である。同図に示すように、弁体ガイド６のリング部６Ｃは、開口部６Ａを通ってシート部１８に向かう蒸気主流（図中の矢印方向）と干渉しないように形成されている。
このように、本実施形態の蒸気弁１では、蒸気主流がリング部６Ｃと干渉しないので、リング部６Ｃの下流側において蒸気主流の剥離は起きず、ウェークに起因する弁体ガイド６の振動を防止することができる。また、蒸気主流がリング部６Ｃと干渉しないことから、リング部６Ｃの上流と下流とでは圧力差がほとんど生じず、リング部６Ｃと環状溝２０との間の隙間を流れる蒸気流（隙間流れ）は起きず、シールリングや金網メッシュ消音材等の隙間流れを阻止する部材を設けることなく、隙間流れに起因する弁体ガイド６の振動を防止することができる。

弁体ガイド６のリング部６Ｃは、図３に示すように、弁座２の環状溝２０に完全に収まっていることが好ましい。
これにより、リング部６Ｃの下流側におけるウェークに起因する弁体ガイド６の振動と、リング部６Ｃと環状溝２０との間の隙間流れに起因する弁体ガイド６の振動とをより確実に防止することができる。

以上、本発明の一例について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、図１に示す全体構成を有する蒸気弁１について説明したが、蒸気弁１の全体構成は、弁体ガイド６のリング部６Ｃが蒸気主流と干渉しないように形成されている限り特に限定されず、種々の構成を採り得る。

１ 蒸気弁
２ 弁座
４ 弁体ケーシング
６ 弁体ガイド
６Ａ 開口部
６Ｂ リブ
６Ｃ リング部
８ 弁体
８Ａ バランス孔
１０ 弁棒
１２ ボンネット
１２Ａ 円筒部
１２Ｂ 蓋板
１４ 蒸気入口
１６ 蒸気出口
１８ シート部
２０ 環状溝
２２ ピン
２４ プレッシャーシールリング
２６ 内部空間
２８ スリーブ

Claims (1)

1. シート部および該シート部の上流側に形成された環状溝を有する弁座と、
   複数の開口部およびリブが周方向に交互に配設され、該リブをその先端側で互いに連結するとともに前記弁座の前記環状溝に嵌合するリング部を有する円筒状の弁体ガイドと、
   前記弁体ガイドの内側に配設され、前記弁座の前記シート部に対して離接することで前記弁座との間を流れる蒸気量を調節可能な弁体とを備える蒸気弁であって、
   前記環状溝は、前記シート部の上流側に形成された内周縁と、該内周縁よりも外周側であって前記弁体の開弁方向に位置する外周縁と、の間に形成され、
   前記弁体ガイドの前記リング部は、前記開口部を通って前記シート部に向かう蒸気主流と干渉しないように、前記環状溝の前記内周縁よりも前記弁体の閉弁方向に完全に収まって形成されていることを特徴とする蒸気弁。

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