(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体を弁座に対して相対移動させることで、前記弁座と前記弁体との間の流路の面積を変化させて該流路を流れる蒸気量を調節する蒸気タービン用加減弁であって、
蒸気流れ方向における上流側から下流側に向かって拡径する弁座と、
開弁状態において前記弁座のシート部から離れ、閉弁状態において前記弁座のシート部に当接する弁体とを備え、
前記弁体の弁頭部が凹形状であり、該凹形状は、該弁体の前記上流側の流路に面していることを特徴とする蒸気タービン用加減弁。
【請求項２】
前記弁体の外周に設けられ、前記弁体を案内する円筒状の弁体ガイドをさらに備え、
前記弁体の弁頭部には、前記弁体及び前記弁体ガイドで囲まれた内部空間を前記弁体の上流側の空間に連通するバランス穴が形成されており、
前記弁座のシート部の直径よりも、前記弁体ガイドの内径が大きいことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン用加減弁。
【請求項３】
前記弁体の中心軸方向が、前記シート部から上流側に延ばした前記シート部における接線方向に対してなす角度が２５〜５０度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン用加減弁。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蒸気タービン用加減弁と、
前記蒸気タービン用加減弁の上流側に配置された蒸気タービン用止め弁とを備え、
前記蒸気タービン用加減弁と前記蒸気タービン用止め弁とが共通の弁ケーシングに設けられたことを特徴とする組合せ蒸気弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電所や原子力発電所等の蒸気タービンに供給する蒸気量を調節するための蒸気タービン用加減弁およびこれを用いた組合せ蒸気弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
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したり、異常時に蒸気の供給を遮断したりするために、多数の蒸気弁が設けられている。このうち、負荷変化に応じて蒸気量を調節するものは、加減弁と呼ばれており、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、蒸気量を調節可能としたものが一般的である。
【０００３】
加減弁は、蒸気量の調節機能を有するという性質上、常に途中開度（微開状態）で運転されるから、加減弁の通過後に蒸気流が乱れやすい傾向がある。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、弁体と弁座との間隙を流れる蒸気が遷音速状態となる際に発する衝撃波に伴う流れの乱れが、加減弁各部の振動を引き起こすことが問題になっていた。
【０００４】
そこで、従来から、弁体及び弁座の形状を工夫することで、加減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及び２には、弁体の曲率半径をシート径の０．５２〜０．６倍とし、弁座の曲率半径をシート径の０．６倍よりも大きくした蒸気弁が開示されている。
図３は、特許文献１及び２に記載された蒸気弁を模式的に示す断面図である。図３に示すように、弁体１０２の曲率半径ｒはシート径Ｄ０の０．５２〜０．６倍であり、弁座１０４の曲率半径Ｒはシート径Ｄ０の０．６倍よりも大きくなっている。よって、蒸気弁が微小開されたときの蒸気の流線１００は、弁体の移動方向Ｙに比較的沿った状態（いわゆる、流線１００が立った状態）となるので、蒸気流が弁座１０４側に付着したアニュラーフロー（環状流れ）が形成され、蒸気流が安定化し、蒸気弁各部の振動を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５８−４４９０９号公報
【特許文献２】特許第４１８５０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１及び２に記載の蒸気弁では、弁座１０４と弁体１０２とが接触する位置（シート位置１０３）における弁座１０４の接線方向が比較的立っている（弁体１０２の移動方向Ｙに比較的沿っている）ため、弁座１０４と弁体１０２との間の流路面積が小さく、圧力損失が大きい傾向にある。このため、圧力損失を減少させるために、弁体１０２のリフト量を大きく設定する必要がある。ところが、弁体１０２のリフト量が大きくなると、シート位置１０３の下流側で蒸気流の干渉が起こり、上述のアニュラーフローが乱れてしまい、蒸気弁各部の振動が生じてしまう。
このように、特許文献１及び２に記載の蒸気弁では、圧力損失の低減と振動の低減とを両立することが難しい。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、圧力損失の低減と振動抑制とを両立しうる蒸気タービン用加減弁およびこれを用いた組合せ蒸気弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る蒸気タービン用加減弁は、弁体を弁座に対して相対移動させることで、前記弁座と前記弁体との間の流路の面積を変化させて該流路を流れる蒸気量を調節する蒸気タービン用加減弁であって、蒸気流れ方向における上流側から下流側に向かって拡径する弁座と、開弁状態において前記弁座のシート部から離れ、閉弁状態において前記弁座のシート部に当接する弁体とを備えることを特徴とする。
【０００９】
従来から、上流側から下流側に向かって徐々に縮径する弁座を用い、弁体の基部から弁頭部に向かって蒸気を流すようにした蒸気弁の構成が当業者間で定着していた。しかし、このような構成の蒸気弁では、圧力損失の低減と振動の低減とがトレードオフの関係にあり、弁座および弁体の形状を工夫により両者を同時に改善することは困難であった。そこで、本願発明者は、当業者間で定着していた蒸気弁の構成を見直し、鋭意検討を重ねることで、本発明を着想するに至った。
【００１０】
本発明に係る蒸気タービン用加減弁によれば、蒸気流の上流側から下流側に向かって拡径する弁座を設けたので、弁座のシート部の上流側よりも該シート部の下流側のほうが蒸気の流路面積が大きい。このため、加減弁の上流側から供給される蒸気は、弁座のシート部を通過する際に流速が遅くなり、シート部下流側における蒸気流の乱れが抑制される。よって、圧力損失の低減のために弁体のリフト量を大きくしても、シート部通過後の蒸気流は弁座に付着したままのアニュラーフローの状態が維持されるから、加減弁各部の振動を抑制できる。
なお、アニュラーフローとは、蒸気流が弁座に沿って環状に流れることをいう。一般的に、アニュラーフローの形成によって、蒸気流が安定化し、加減弁各部の振動を抑制可能であると言われている。
【００１１】
上記蒸気タービン用加減弁において、前記弁体の弁頭部は凹形状であることが好ましい。
【００１２】
これにより、シート部の上流側において弁頭部の凹部に蒸気流が一旦滞留し、蒸気流が弁座に沿うように整流されるので、アニュラーフローをより一層安定化することができる。
【００１３】
上記蒸気タービン用加減弁は、前記弁体の外周に設けられ、前記弁体を案内する円筒状の弁体ガイドをさらに備え、前記弁体の弁頭部には、前記弁体及び前記弁体ガイドで囲まれた内部空間を前記弁体の上流側の空間に連通するバランス穴が形成されており、前記弁座のシート部の直径よりも、前記弁体ガイドの内径が大きいことが好ましい。
【００１４】
このように、バランス穴を設けることで、弁体及び弁体ガイドで囲まれた内部空間と、弁体の上流側の空間とにおける蒸気圧力が同等になる。ここで、弁座のシート部の直径よりも、弁体ガイドの内径が大きいから、全体として弁体に作用する正味の蒸気力は、蒸気流の下流側から上流側に向かう方向（すなわち、加減弁の閉弁方向）である。こうして、弁体に作用する正味の蒸気力によって、加減弁が閉まる方向に弁体が常に引っ張られるから、弁体の調心性が向上し、蒸気流の乱れをより一層抑制できる。
【００１５】
上記蒸気タービン用加減弁において、前記弁体の中心軸方向が、前記シート部から上流側に延ばした前記シート部における接線方向に対してなす角度が２５〜５０度であることが好ましい。
【００１６】
このように、弁体の中心軸方向がシート部の接線方向に対してなす角度を２５度以上にすることで、シート部を境に流路面積を急拡大させて、シート部の上流側に比べて下流側の蒸気流の流速を十分遅くして、蒸気流の干渉をより確実に抑制できる。一方、同角度を５０度以下にすることで、噴流衝突が回避でき流体騒音が低下し、騒音を小さくすることができる。
【００１７】
本発明に係る組合せ蒸気弁は、上述の蒸気タービン用加減弁と、前記蒸気タービン用加減弁の上流側に配置された蒸気タービン用止め弁とを備え、前記蒸気タービン用加減弁と前記蒸気タービン用止め弁とが共通の弁ケーシングに設けられたことを特徴とする。
【００１８】
この組合せ蒸気弁は、上述の蒸気タービン用加減弁を備える。ここで、上述の蒸気タービン用加減弁では、蒸気流の上流側から下流側に向かって拡径する弁座を設けたので、弁座のシート部の上流側よりも該シート部の下流側のほうが蒸気の流路面積が大きい。このため、加減弁の上流側から供給される蒸気は、弁座のシート部を通過する際に流速が遅くなり、シート部下流側における蒸気流の乱れが抑制される。よって、圧力損失の低減のために弁体のリフト量を大きくしても、シート部通過後の蒸気流は弁座に付着したままのアニュラーフローの状態が維持されるから、組合せ蒸気弁各部の振動を抑制できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、蒸気流の上流側から下流側に向かって拡径する弁座を設けたので、弁座のシート部の上流側よりも該シート部の下流側のほうが蒸気の流路面積が大きい。このため、加減弁の上流側から供給される蒸気は、弁座のシート部を通過する際に流速が遅くなり、シート部下流側における蒸気流の乱れが抑制される。よって、圧力損失の低減のために弁体のリフト量を大きくしても、シート部通過後の蒸気流は弁座に付着したままのアニュラーフローの状態が維持されるから、加減弁各部の振動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の蒸気タービン用加減弁を備えた組合せ蒸気弁の構成例を示す断面図である。
【図２】図１の組合せ蒸気弁のうち蒸気タービン用加減弁の周辺を示す拡大図である。
【図３】従来の蒸気弁を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、本実施形態の蒸気タービン用加減弁を備えた組合せ蒸気弁の構成例を示す断面図である。図２は、図１の組合せ蒸気弁のうち蒸気タービン用加減弁の周辺を示す拡大図である。
なお、以下では、図１及び２を用いて、組合せ蒸気弁に組み込まれた蒸気タービン用加減弁について説明するが、本発明に係る蒸気タービン用加減弁はこの例に限定されず、蒸気タービン用止め弁とは独立した別個の弁であってもよい。
【００２３】
図１に示すように、組合せ蒸気弁１は、蒸気タービン用止め弁１０（以下、単に「止め弁１０」という。）及び蒸気タービン用加減弁２０（以下、単に「加減弁２０」という。）が共通の弁ケーシング４０に設けられた構成を有する。止め弁１０が緊急時に蒸気流を遮断する役割を担う一方で、加減弁２０は負荷変化に応じて蒸気量を調節するようになっている。
【００２４】
弁ケーシング４０は、蒸気流れの上流側から順に、蒸気入口部４６、止め弁室４２、中間流路４８、加減弁室４４及び蒸気出口部５０を有する。止め弁室４２には止め弁１０が収納され、加減弁室４４には加減弁２０が収納される。止め弁室４２及び加減弁室４４は、それぞれ、弁ケーシング４０に取り付けられたボンネット５２によって閉じられている。
蒸気入口部４６から供給される蒸気は、止め弁室４２を流れた後、中間流路４８を経て加減弁室４４に流入し、最終的に蒸気出口部５０から排出される。
【００２５】
止め弁室４２に収納された止め弁１０は、第１弁体１２と、第１弁体１２が閉弁時に当接する第１弁座１４と、第１弁体１２に取り付けられた第１弁棒１６と、第１弁棒１６を案内するガイドブシュ１８とを有する。
【００２６】
第１弁体１２は、止め弁１０の閉弁時に第１弁座１４のシート部１４Ａに当接する主弁１２Ａと、この主弁１２Ａに内包された副弁１２Ｂとにより構成される。なお、主弁１２Ａの内壁面１３は、副弁１２Ｂにとっての弁座として機能する。
【００２７】
第１弁棒１６は、一端が第１弁体１２の副弁１２Ｂに取り付けられ、他端がアクチュエータに連結されている。この第１弁棒１６を介して、アクチュエータの駆動力が第１弁体１２の副弁１２Ｂに伝わるようになっている。
【００２８】
第１弁棒１６を案内するガイドブシュ１８は、ボンネット５２に埋設されている。これにより、アクチュエータによって駆動される第１弁棒１６は、ガイドブシュ１８内を摺動し、第１弁棒１６の中心軸Ｃ１に沿って移動する。
【００２９】
止め弁１０では、第１弁棒１６が取り付けられた副弁１２Ｂは、所定のリフト量までは単独で進退するが、所定のリフト量に達すると主弁１２Ａとともに進退するようになっている。このため、アクチュエータによって第１弁棒１６を介して副弁１２Ｂを開弁方向（図１の上方向）に移動させると、所定のリフト量までは副弁１２Ｂのみが移動し、副弁１２Ｂが先に開く。この後、さらにアクチュエータによって第１弁棒１６を介して副弁１２Ｂを開弁方向に移動させると、所定のリフト量において副弁１２Ｂが主弁１２Ａとともに移動するようになり、主弁１２Ａも開かれる。このように、最初に副弁１２Ｂを開くことで、主弁１２Ａの前後の圧力差を低減することができ、副弁１２Ｂよりもシート径の大きい主弁１２Ａを小さな駆動力で開くことができる。
【００３０】
止め弁１０の外周には、蒸気に含まれる異物を除去する円筒状のストレーナ１７が設けられている。ストレーナ１７によって、所定のサイズ以上の異物が除去されるので、ストレーナ１７よりも下流側の組合せ蒸気弁１の各部（止め弁１０及び加減弁２０）および組合せ蒸気弁１が接続される蒸気タービンを異物による故障から保護することができる。
また、止め弁室４２の蒸気入口部４６から遠い側にはバッフルプレート１９が設けられている。バッフルプレート１９は、ストレーナ１７の外周面と止め弁室４２の内壁面との間に配置され、ストレーナ１７の外周を迂回してきた蒸気流を整流するようになっている。
【００３１】
止め弁１０の下流側には加減弁２０が設けられている。加減弁２０は、図１及び２に示すように、第２弁体２２（「弁体」に相当）と、第２弁体２２が閉弁時に当接する第２弁座２４（「弁座」に相当）と、第２弁体２２に取り付けられた第２弁棒２６と、第２弁棒２６を案内するガイドブシュ２８とを有する。
【００３２】
従来から、上流側から下流側に向かって徐々に縮径する弁座を用い、弁体の基部から弁頭部に向かって蒸気を流すようにした蒸気弁が当業者間で定着していた。これに対し、本実施形態では、アニュラーフローの安定化の観点から、加減弁２０の第２弁座２４を上流側から下流側に向かって拡径する形状にするとともに、第２弁体２２の弁頭部２３から基部に向かって蒸気を流すようにしている。
このように、加減弁２０の第２弁座２４は、蒸気流れ方向における上流側から下流側に向かって徐々に拡径する形状を有するから、第２弁座２４のシート部２４Ａの上流側よりも該シート部２４Ａの下流側のほうが蒸気の流路面積が大きい。このため、中間流路４８から供給される蒸気は、第２弁座２４のシート部２４Ａを通過する際に流速が遅くなり、第２弁座２４のシート部の下流側における蒸気流の乱れが抑制される。よって、第２弁座２４のシート部２４Ａを通過した蒸気流が第２弁座２４に付着したままのアニュラーフローの状態が維持され、組合せ蒸気弁１の各部の振動を抑制できる。
【００３３】
第２弁座２４のシート部２４Ａから上流側に延ばしたシート部２４Ａにおける接線Ｔが、第２弁体２２の中心軸（すなわち、第２弁棒２６の中心軸Ｃ２）に対してなす角度θ（図２参照）は、２５〜５０度であることが好ましい。このように、シート部２４Ａの接線Ｔが第２弁体２２の中心軸に対してなす角度θを２５度以上にすることで、シート部２４Ａを境に流路面積を急拡大させて、シート部２４Ａの上流側に比べて下流側の蒸気流の流速を十分遅くして、蒸気流の干渉をより確実に抑制できる。一方、同角度θを５０度以下にすることで、噴流衝突が回避でき流体騒音が低下し、騒音を小さくすることができる。
【００３４】
また、加減弁２０の第２弁座２４は、図１に示すように、止め弁１０の第１弁座１４と一体化された共通弁座４として設けられている。共通弁座４は、中間流路４８の全長にわたって設けられ、弁ケーシング４０の内壁に固定される。
このように、止め弁１０の第１弁座１４と加減弁２０の第２弁座２４を共通化することで、部品数が減少し、組合せ蒸気弁１の組立て作業の効率が向上する。また、第１弁座１４と第２弁座２４との間に継ぎ目がなく平滑面であるから、継ぎ目部分で蒸気流が乱れてしまうことがない。
【００３５】
共通弁座４は、第１弁座１４のシート部１４Ａよりも蒸気流れ方向における上流側においてのみ、弁ケーシング４０の内壁に固定されていることが好ましい。例えば、シート部１４Ａよりも上流側の位置で、締結部材６によって共通弁座４を弁ケーシング４０の内壁に固定してもよい。
このように、共通弁座４の弁ケーシング４０の内壁への固定は、止め弁１０のシート部１４Ａよりも上流側においてのみ行い、止め弁１０のシート部１４Ａよりも下流側では行わないようにすることで、固定用の締結部材６によって蒸気流が乱れることがない。また、共通弁座４の片側（止め弁１０側）のみが締結部材６により固定され、共通弁座４の反対側は締結部材６による固定点を始点として自由に熱膨張可能であるから、加減弁２０の起動停止時に、急激な温度変化によって発生する熱応力に起因した共通弁座４の損傷を防止できる。さらに、組合せ蒸気弁１を縦置き（鉛直方向に沿って配置）する場合、共通弁座４を止め弁１０側から抜き取ることで、下方の加減弁２０の第２弁体２２等を止め弁１０側に抜くことができ、組合せ蒸気弁１の分解作業が容易になる。
【００３６】
第２弁座２４に対して閉弁時に当接する第２弁体２２は、先端側（第２弁座２４に近い側）に凹形状の弁頭部２３を有する。このように、第２弁体２２の弁頭部２３を凹形状とすることで、図２の流線１００で示すように、第２弁座２４のシート部２４Ａの上流側において弁頭部２３の凹部に蒸気流が一旦滞留し、蒸気流が第２弁座２４に沿うように整流される。よって、アニュラーフローをより一層安定化することができる。
【００３７】
図２に示すように、第２弁体２２の外周には、第２弁体２２を案内する円筒状の弁体ガイド３０が設けられている。この弁体ガイド３０の内径ＤＧは、第２弁座２４のシート部２４Ａの直径（シート径）Ｄ０よりも大きい。また、第２弁体２２の弁頭部２３には、第２弁体２２及び弁体ガイド３０で囲まれた内部空間３２を中間流路４８に連通するバランス穴３４が形成されている。
【００３８】
このように、バランス穴３４を設けることで、第２弁体２２及び弁体ガイド３０で囲まれた内部空間３２と、第２弁体２２の上流側の中間流路４８とにおける蒸気圧力が同等になる。ここで、第２弁座２４のシート部２４Ａの直径Ｄ０よりも、弁体ガイド３０の内径ＤＧのほうが大きいから、全体として第２弁体２２に作用する正味の蒸気力は、蒸気流の下流側から上流側に向かう方向（すなわち、加減弁の閉弁方向）である。こうして、加減弁２０の第２弁体２２に作用する正味の蒸気力によって、加減弁２０が閉まる方向に第２弁体２２が常に引っ張られるから、第２弁体２２の調心性が向上し、蒸気流の乱れをより一層抑制できる。
【００３９】
第２弁体２２には第２弁棒２６が取り付けられる。加減弁２０の第２弁棒２６と、止め弁１０の第１弁棒１６とは、図１に示すように、中間流路４８を挟んで反対方向に延在している。よって、組合せ蒸気弁１の全体形状は、中間流路４８に沿って延びる略直線状であり、タービン車室の周囲に複数の組合せ蒸気弁１をレイアウトする際に、省スペース化を図ることが可能となる。
なお、図１に示す例では、加減弁２０の第２弁棒２６は、その中心軸Ｃ２が、止め弁１０の第１弁棒１６の中心軸Ｃ１と略一致するように配置されている。
【００４０】
また第２弁棒２６は、第２弁体２２が取り付けられた端部とは反対側の端部で、アクチュエータに連結されている。この第２弁棒２６を介して、アクチュエータの駆動力が第２弁体２２に伝わるようになっている。
【００４１】
第２弁棒２６を案内するガイドブシュ２８は、ボンネット５２に埋設されている。これにより、アクチュエータによって駆動される第２弁棒２６は、ガイドブシュ２８内を摺動し、第２弁棒２６の中心軸Ｃ２に沿って移動する。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態では、加減弁２０は、蒸気流れ方向における上流側から下流側に向かって拡径する第２弁座２４と、加減弁２０の開弁状態において第２弁座２４のシート部２４Ａから離れ、加減弁２０の閉弁状態において第２弁座２４のシート部２４Ａに当接する第２弁体２２とを備える。
本実施形態によれば、蒸気流の上流側から下流側に向かって拡径する第２弁座２４を設けたので、第２弁座２４のシート部２４Ａの上流側よりも該シート部２４Ａの下流側のほうが蒸気の流路面積が大きい。このため、加減弁２０の上流側から供給される蒸気は、第２弁座２４のシート部２４Ａを通過する際に流速が遅くなり、シート部２４Ａの下流側における蒸気流の乱れが抑制される。よって、圧力損失の低減のために第２弁体２２のリフト量を大きくしても、シート部２４Ａ通過後の蒸気流は第２弁座２４に付着したままのアニュラーフローの状態が維持されるから、加減弁２０各部の振動を抑制できる。
なお、本願発明者が行った数値流体力学（Computational Fluid Dynamics：ＣＦＤ）を用いた計算結果によれば、本実施形態の加減弁２０は、従来の構成の加減弁に比べて約１０ｄＢの騒音（振動）低下効果が得られた。
【００４３】
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。
【００４４】
例えば、上述の実施形態では、止め弁１０と共通の弁ケーシング４０に設けられた加減弁２０について説明したが、本発明に係る蒸気タービン用加減弁は止め弁と独立した別個の弁であってもよい。
【００４５】
また、上述の実施形態では、図２に示す構成を有する加減弁２０について説明したが、本発明に係る蒸気タービン用加減弁は、弁座が蒸気流れ方向における上流側から下流側に向かって拡径する形状であれば特に限定されず、種々の構成を採り得る。
【符号の説明】
【００４６】
１            組合せ蒸気弁
４            共通弁座
６            締結部材
１０          止め弁
１２          第１弁体
１２Ａ        主弁
１２Ｂ        副弁
１４          第１弁座
１４Ａ        シート部
１６          第１弁棒
１７          ストレーナ
１８          ガイドブシュ
１９          バッフルプレート
２０          加減弁
２２          第２弁体
２３          弁頭部
２４          第２弁座
２４Ａ        シート部
２６          第２弁棒
２８          ガイドブシュ
３０          弁体ガイド
３２          内部空間
３４          バランス穴
４０          弁ケーシング
４２          止め弁室
４４          加減弁室
４６          蒸気入口部
４８          中間流路
５０          蒸気出口部
５２          ボンネット
１００        流線
【図１】
0005611005.tif 000002
【図２】
0005611005.tif 000003
【図３】
0005611005.tif 000004