(57)【要約】【課題】弁体の開閉過程時、弁体回りの蒸気流れの安定化の確保、維持を図った蒸気弁装置を提供する。【解決手段】本発明に係る蒸気弁装置は、弁棒２４で駆動される弁体３５と弁座３４とを備えるとともに、前記弁体３５の底部側に設けられ縁辺にエッジ３７を備えた凹陥部３６で構成される蒸気弁装置において、前記エッジ３７は、前記弁体３５と前記弁座３４とで形成する蒸気通路２８を流れる蒸気に衝撃波が発生する上流側の位置に設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記エッジは、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気に衝撃波が発生する上流側の位置に設けたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項２】
弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記エッジは、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置に設けたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項３】
エッジおよび弁座は、弁座シート径をＤｏとするとき、エッジ直径Ｄｉを、
［数１］
Ｄｉ≧０．９Ｄｏ
とし、弁座内径Ｄｔｈを、
［数２］
Ｄｔｈ≧０．８Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項４】
エッジおよび弁座は、弁座シート径をＤｏとするとき、エッジ直径Ｄｉを、
［数３］
Ｄｉ＝（０．９０〜１．０）Ｄｏ
弁座内径Ｄｔｈを、
［数４］
Ｄｔｈ＝（０．８０〜０．９０）Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項５】
凹陥部は、深さを、ｈ≦１５ｍｍにするとともに、エッジは、傾斜角θを、θ＝４５°に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項６】
弁体は、弁座シート径をＤｏとするとき、曲率半径Ｒを、
［数５］
Ｒ＝（０．５２〜０．６）Ｄｏ
とし、弁座は、曲率半径ｒを、
［数６］
ｒ≧０．６Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項７】
弁体は、弁座シート径をＤｏとするとき、曲率半径Ｒを、
［数７］
Ｒ＝（０．６〜０．８５）Ｄｏ
とし、弁座は、曲率半径ｒを、
［数８］
ｒ＝（０．４５〜０．６）Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項８】
弁体および弁座は、ともに弁座シート径をＤｏとするとき、弁体曲率半径Ｒおよび弁座曲率半径ｒを、
［数９］
Ｒ＝ｒ＝（０．４５〜０．８５）Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項９】
弁体は、弁棒と一体型の場合、弁座シート径をＤｏとするとき、弁体最大リフトＬａを、
［数１０］
Ｌａ＝（０．２５〜０．３５）Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項１０】
弁体は、弁棒と別体型の場合、弁座シート径をＤｏとするとき、弁体最大リフトＬｂを、
［数１１］
Ｌｂ≦０．２５Ｄｏ
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項１１】
弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁体は、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置の下流側に溝を設けたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項１２】
溝は、弁体の全周方向に沿って少なくとも一つ以上備えたことを特徴とする請求項１１記載の蒸気弁装置。
【請求項１３】
弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁体は、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置の下流側にジグザグ部を設けたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項１４】
ジグザグ部は、弁体の全周方向に亘って備えたことを特徴とする請求項１３記載の蒸気弁装置。
【請求項１５】
弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁座は、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置の下流側にジグザグ部を設けたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項１６】
弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁体、前記弁座および前記凹陥部のそれぞれに、硬化熱処理部および硬質合金盛金部のうち、いずれか一方を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気弁装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６記載の弁体、弁座、弁棒、エッジを備えた凹陥部のうち、少なくとも一つ以上を備えた蒸気弁を、発電プラントに適用することを特徴とする蒸気弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発電設備に適用する蒸気弁装置に係り、特に弁体に改良を加えて弁座との間を流れる蒸気の安定流れを確保、維持させる蒸気弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火力発電所、原子力発電所等の発電設備に適用される蒸気タービンには、負荷変化に応じて蒸気の流量を制御し、あるいは突発時事故の発生に伴って蒸気の供給を遮断するために、数多くの蒸気弁装置が設けられている。
【０００３】
火力発電所等に適用される蒸気弁装置のうち、例えば蒸気加減弁は、高温、高圧、大流量の蒸気を取扱い、頻繁に弁体を開閉させるため、弁体の開き始めの過程時、あるいは弁体の閉弁に至るまでの絞り過程時、蒸気流れに偏流や渦流等が発生し、流れの乱れに伴う騒音、振動、浸食、弁体を支持する弁棒の接続部分の亀裂等の事故が発生していた。
【０００４】
このような事故に対処して、例えば、特開昭５６−１０９９５５号公報（特許文献１）、特開平９−７２４３０号公報（特許文献２）、特開平９−２１０２４４号公報（特許文献３）、特開平１０−８９４９４号公報（特許文献４）、特開平１０−２９９９０９号公報（特許文献５）、特開平１０−２９９９１０号公報（特許文献６）等数多くの発明が開示されている。
【０００５】
開示された上述の特許文献のうち、特許文献１は、騒音や振動が深刻な問題になった時代に先駆けて開発されたもので、いわゆるパイオニア的な技術であった。
【特許文献１】特開昭５６−１０９９５５号公報
【特許文献２】特開平９−７２４３０号公報
【特許文献３】特開平９−２１０２４４号公報
【特許文献４】特開平１０−８９４９４号公報
【特許文献５】特開平１０−２９９９０９号公報
【特許文献６】特開平１０−２９９９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近の発電設備は、超々臨界圧の取組み計画によって蒸気タービンの単機容量の増加とともに、蒸気条件（温度、圧力）がより一層高くなり、これに伴って騒音や振動が深刻な問題として再びクローズアップされている。
【０００７】
従来、騒音や振動に対し、開発の成果である上述の特許文献１〜特許文献６等に基づく技術を用いて圧力１６９ａｔａ、温度５３８℃の亜臨界圧や、圧力２４６ａｔａ、温度５３８℃の超臨界圧に対処してきたが、超々臨界圧の導入計画によって上述特許文献に基づく技術では、もはや限界になりつつあり、新たな開発が求められていた。
【０００８】
特に、騒音や振動をより一層低下させるには、蒸気条件が如何に高くなっても、蒸気の安定流れの確保、維持につながる弁体のエッジ部分の寸法を決定することがタービンメーカ各社の共通の課題になっている。
【０００９】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、弁体の開閉過程時、弁体回りの蒸気流れの安定化の確保、維持を図った蒸気弁装置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】
【００１０】
本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記エッジは、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気に衝撃波が発生する上流側の位置に設けたものである。
【００１１】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記エッジは、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置に設けたものである。
【００１２】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、エッジおよび弁座は、弁座シート径をＤｏとするとき、エッジ直径Ｄｉを、
［数１２］
Ｄｉ≧０．９Ｄｏ
とし、弁座内径Ｄｔｈを、
［数１３］
Ｄｔｈ≧０．８Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００１３】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、エッジおよび弁座は、弁座シート径をＤｏとするとき、エッジ直径Ｄｉを、
［数１４］
Ｄｉ＝（０．９０〜１．０）Ｄｏ
弁座内径Ｄｔｈを、
［数１５］
Ｄｔｈ＝（０．８０〜０．９０）Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００１４】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、凹陥部は、深さを、ｈ≦１５ｍｍにするとともに、エッジは、傾斜角θを、θ＝４５°に設定したものである。
【００１５】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、弁体は、弁座シート径をＤｏとするとき、曲率半径Ｒを、
［数１６］
Ｒ＝（０．５２〜０．６）Ｄｏ
とし、弁座は、曲率半径ｒを、
［数１７］
ｒ≧０．６Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００１６】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、弁体は、弁座シート径をＤｏとするとき、曲率半径Ｒを、
［数１８］
Ｒ＝（０．６〜０．８５）Ｄｏ
とし、弁座は、曲率半径ｒを、
［数１９］
ｒ＝（０．４５〜０．６）Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００１７】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、弁体および弁座は、ともに弁座シート径をＤｏとするとき、弁体曲率半径Ｒおよび弁座曲率半径ｒを、
［数２０］
Ｒ＝ｒ＝（０．４５〜０．８５）Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００１８】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、弁体は、弁棒と一体型の場合、弁座シート径をＤｏとするとき、弁体最大リフトＬａを、
［数２１］
Ｌａ＝（０．２５〜０．３５）Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００１９】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、弁体は、弁棒と別体型の場合、弁座シート径をＤｏとするとき、弁体最大リフトＬｂを、
［数２２］
Ｌｂ≦０．２５Ｄｏ
の範囲に設定したものである。
【００２０】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁体は、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置の下流側に溝を設けたものである。
【００２１】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、溝は、弁体の全周方向に沿って少なくとも一つ以上備えたものである。
【００２２】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁体は、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置の下流側にジグザグ部を設けたものである。
【００２３】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、ジグザグ部は、弁体の全周方向に亘って備えたものである。
【００２４】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁座は、前記弁体と前記弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気の臨界の位置の下流側にジグザグ部を設けたものである。
【００２５】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１６に記載したように、弁棒で駆動される弁体と弁座とを備えるとともに、前記弁体の底部側に設けられ縁辺にエッジを備えた凹陥部で構成される蒸気弁装置において、前記弁体、前記弁座および前記凹陥部のそれぞれに、硬化熱処理部および硬質合金盛金部のうち、いずれか一方を備えたものである。
【００２６】
また、本発明に係る蒸気弁装置は、上述の目的を達成するために、請求項１７に記載したように、請求項１〜１６記載の弁体、弁座、弁棒、エッジを備えた凹陥部のうち、少なくとも一つ以上を備えた蒸気弁を、発電プラントに適用するものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る蒸気弁装置は、弁体の底部側に設けた凹陥部のエッジを、弁体と弁座とで形成する蒸気通路を流れる蒸気に衝撃波が発生する上流側に設けたので、蒸気通路を通過する蒸気流れの騒音、振動を防止し、弁体回りの蒸気流れの安定化を確実に確保、維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る蒸気弁装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明するが、その説明に先立ち、まず、本発明に係る蒸気弁装置を適用する発電設備および蒸気弁装置の開閉過程時における蒸気流れの挙動等を説明し、本発明に係る蒸気弁装置へのより一層の理解に供する。
【００２９】
図１１は、本発明に係る蒸気弁装置を適用する発電設備を示す概略系統図である。
【００３０】
この発電設備は、ボイラ１、高圧タービン２、中圧タービン３、低圧タービン４、復水・給水系５を備え、ボイラ１から発生した蒸気を主蒸気止め弁６、蒸気加減弁７を通過させた後、高圧タービン２で膨張仕事をさせ、膨張仕事後の高圧タービン排気を低温再熱管８の逆止弁９を介してボイラ１の再熱器１０に供給する。
【００３１】
再熱器１０は、高圧タービン２から低温再熱管８を介して供給され、熱を失った高圧タービン排気を再び過熱して超々臨界圧の再熱蒸気にし、この再熱蒸気を再熱蒸気止め弁１１、インターセプト弁１２を介して中圧タービン３に供給し、ここで膨張仕事をさせ、さらに低圧タービン４でも膨張仕事をさせた後、復水・給水系５の復水器１３で凝縮させる。
【００３２】
復水器１３で凝縮して生成された復水は、復水・給水系５の給水ポンプ１４で昇圧され、給水として再びボイラ１に戻される。
【００３３】
また、この発電設備は、ボイラ１の出口側から分岐し、途中に高圧タービンバイパス弁１５を備えて低温再熱管８に接続する高圧タービンバイパス管１６と、再熱器１０の出口側から分岐し、途中に低圧タービンバイパス弁１７を介装させて復水器１３に接続する低圧タービンバイパス管１８とを備え、高、中、低の各タービン２，３，４の起動運転時等において、ボイラ１の単独運転ができるようにし、プラントの運用性を高めている。
【００３４】
一方、上述の主蒸気止め弁６、蒸気加減弁７等の蒸気弁装置は、例えば、図５に示すように、弁体、弁棒ピン結合一体型のもの、図６に示すように、弁体、弁棒削り出し一体型のもの、図７に示すように、弁体、弁棒別体型の副弁タイプのもののうち、いずれかが適宜選択して使用されている。
【００３５】
図５で示した蒸気弁装置は、弁ケーシング１９で囲われた弁室２０に設けた弁座２１に接離自在な球形状の弁体２２を収容させている。
【００３６】
この球形状の弁体２２は、ピン２３を介して接続する弁棒２４を備え、弁棒２４にレバー２６を介装して油筒２５に接続している。そして、油筒２５への圧力油の給排によって支点２７を支点にレバー２６を矢印ＡＲの方向に駆動させ、その駆動力を弁棒２４に伝えて弁体２２を、弁座２１に対し、接離自在に移動（開閉）させ、弁室２０を通過する蒸気の流量を制御する。
【００３７】
また、図６で示した弁体、弁棒削り出し一体型の蒸気弁装置は、素材から弁体２２と弁棒２４とを削り出したもので、スタンド２９内に組み込まれたブッシュ３０に弁棒２４を摺動させ、弁座２１に対し、弁体２２を接離自在に移動（開閉）させている。
【００３８】
また、図７に示した弁棒、弁体別体の副弁タイプの蒸気弁装置は、素材から削り出された弁棒２４と副弁体３１を主弁体３２に収容し、起動時、ブッシュ３０に弁棒２４を摺動させて副弁体３１を開弁させ、バランスチャンバ３３と主弁体３２との隙間から蒸気を供給し、その後、副弁体３１の肩部３８を主弁体３２に当接させて主弁体３２をバランスチャンバ３３内を摺動させ、弁座２１に対し、主弁体３２を接離自在に移動（開閉）させている。
【００３９】
このような構成を備える蒸気弁装置のうち、いずれかのタイプを選択してモデル化し、上述の特許文献１で得たデータを基にし、さらに超々臨界圧への挑戦を目指して発明者等は、実験を積み重ねた。
【００４０】
この結果、弁座２１と弁体２２（主弁体３２）との間で形成される蒸気通路を通過する蒸気流れの挙動や圧力分布を観察、計測したところ、蒸気通路を流れる蒸気に衝撃波に基づく振動等、すなわち、弁体２２等への加振源となる大きな圧力変動を伴った不安定な衝撃波が発生していることがわかった。
【００４１】
この不安定な衝撃波の回避、防止は、蒸気の安定流の確保、維持につながるだけに、弁体２２（主弁体３２も含む）等に設けられた凹陥部のエッジの位置、寸法の変更を試行錯誤的に繰り返し行い、不安定な衝撃波の回避策等の分析、解明を行った。
【００４２】
実験、解析結果、解明された弁座２１、弁体２２との間に形成された、蒸気通路内の蒸気流れの挙動や圧力分布等を図１および図２を引用して、今少し詳しく説明する。
【００４３】
図１は、本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態のうち、弁開弁過程時、または弁閉弁過程時における、ある任意時刻の弁体と弁座との開度位置を示す概念図である
図中、符号３４は弁座を示し、３５は球形状の弁体（主弁体も含む）を示し、この球形状の弁体３５の底部側に弁体３５の内部に向って削成された凹陥部３６を備えている。この凹陥部３６は、縁辺にエッジ３７を備え、このエッジ３７で弁体３５の球面に沿って流れる蒸気を途中でカットさせている。
【００４４】
また、図中、Ｂは、弁体３５の曲率半径Ｒの中心Ｏ１と弁座３４の曲率半径ｒの中心Ｏ２とを結ぶ枢軸線であり、Ａは、枢軸線Ｂに平行移動し、蒸気通路２８の開始を示す弁座３４の位置Ａ１を通る線であり、Ｃは、枢軸線Ｂに平行移動し、弁体３５の凹陥部３６におけるエッジ３７の位置Ｃ１を通る線であり、Ｘは、位置Ａ１を通る線Ａと位置Ｃ１を通る線Ｃとの距離である。そして、枢軸線Ｂ上の円弧は、ある任意時刻の弁体と弁座との開度位置における蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈである。
【００４５】
また、ｈは、弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６の深さ（高さ）であり、θは、エッジ３７の位置Ｃ１を通る軸線Ｌに対し、エッジ３７の縁辺が内部側に向って傾斜する傾斜角である。
【００４６】
また、Ｄｉは、エッジ３７の直径であり、Ｄｏは、閉弁時、弁体３５と接する弁座３４の弁座シート径であり、Ｄｔｈは、弁座３４の曲率半径ｒに接する弁座内径である。
【００４７】
なお、Ｐ１は、弁体３５の入口側圧力（弁体前圧力）であり、Ｐ２は、弁体３５の出口側圧力（弁体後圧力）であり、Ｌａ（Ｌｂ）は、任意の時刻における弁体３５のリフト（弁体移動距離）である。
【００４８】
また、図２は、図１で示した任意の時刻における蒸気通路２８をラバール管に置き換えたときの理想状態における等エントロピー流れの圧力分布線図であり、縦軸に弁体３５の入口側圧力Ｐ１に対する弁体３５の出口側圧力Ｐ２との圧力比（Ｐ２／Ｐ１）を示し、横軸に、図１で示した距離Ｘを示す。
【００４９】
なお、距離Ｘのうち、識別子Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は、図１で示した位置Ａ２，Ｂ２，Ｃ２に対応させている。
【００５０】
この圧力分布線図を作成するにあたり、まず、弁体３５の入口側圧力Ｐ１を一定にし、弁体３５の出口側圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布は、破線で示すように、点ａ（（Ｐ２／Ｐ１））＝１．０）から点ｊ，点ｋを通る軌跡を採る。点ａ，点ｊ，点ｋの軌跡を採る圧力分布を持つ蒸気流れは、亜臨界流れ（亜音速流れ）である。
【００５１】
さらに、弁体３５の出口側圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布は、実線で示す軌跡を採り、図１で示した枢軸線Ｂにおける蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈで臨界点ｂになる。点ａから臨界点ｂまでの軌跡を採る圧力分布を持つ蒸気流れも亜臨界流れ（亜音速流れ）である。
【００５２】
さらに、弁体３５の出口側圧力Ｐ２を降下させると、圧力分布は、臨界点ｂから点ｃ３，点ｄ，点ｅを通る軌跡になる。この軌跡を採る圧力分布の蒸気流れは、臨界点ｂから点ｅに至るまで超臨界流れ（超音速流れ）になる。
【００５３】
蒸気流れが超臨界流れになると、臨界点ｂから点ｅまでの軌跡のうち、例えば点ｃ３，点ｄで蒸気流れと垂直方向に衝撃波が発生し、圧力がそれぞれ点ｆ，点ｈまで上昇（静圧の回復）する。そして、この圧力分布は、臨界点ｂから、点ｆ，点ｇ（最高圧力上昇点），点ｈ，点ｉを通る一点鎖線で示すＲ−Ｈ線（Rankine−Hugoniot線）を採る。
【００５４】
Ｒ−Ｈ線上のそれぞれの点ｆ，点ｈまで圧力上昇した蒸気流れは、それぞれの点ｆから点ｍに、また点ｈから点ｏまで圧力上昇し、亜臨界流れ（亜音速流れ）になる。
【００５５】
このような圧力分布は、等エントロピー流れによる理想的な圧力分布線図である。
【００５６】
しかし、実際には、例えば、それぞれの点ｃ３，点ｄで発生する衝撃波がＲ−Ｈ線上の点ｆ，点ｈを超え、それぞれ点ｌ，点ｎまで延びる圧力上昇をしていることが実験でわかった。
【００５７】
それぞれ点ｌ，点ｎまで延びた衝撃波により圧力上昇した蒸気流れは、自身では安定状態に維持できない不安定な状態になっている。このため、それぞれの点ｌ，点ｎまで延びた衝撃波により圧力上昇した蒸気流れは、図３に示すように、それぞれの点ｌ，点ｎからＲ−Ｈ線上の上流側のそれぞれの点ｌ１，点ｎ１に移動し、安定状態を維持する。そして、衝撃波によるそれぞれの点ｌ，点ｎまで圧力上昇した蒸気流れは、見掛け上、あたかもＲ−Ｈ線上の点ｌ１，点ｎ１からそれぞれ点ｍ１，点ｏ１に向って圧力上昇する軌跡を採り、亜臨界流れになる。
【００５８】
このように、点ｌから点ｌ１に移動する領域Δ１、点ｎから点ｎ１に移動する領域において、圧力変動の影響を受けて蒸気流れは、騒音や振動が発生すると考えられる。しかも、衝撃波による移動は、Ｒ−Ｈ線上の上流側に向って順次行われ、臨界点ｂまで遡って続けられる。
【００５９】
すなわち、発明者等は、実験の結果、臨界点ｂから点ｅに至るまでの間に衝撃波が何回も発生し、その都度、衝撃波による圧力上昇がＲ−Ｈ線上を超え、超えた位置から再びＲ−Ｈ線上の上流側に移動し、このような移動が臨界点ｂまで連続して行われることを発見した。この臨界点ｂは、図１で示した蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈになっている。
【００６０】
発明者等は、このようなデータ、知識（情報）に基づき、弁体３５と弁座３４との間に形成される蒸気通路２８のうち、その入口側から最小通路面積Ａｔｈまでの蒸気流れが亜臨界流れ（亜音速流れ）になっており、この間、衝撃波が発生していないことに着目し、以下に示す発明の完成に至った。
【００６１】
すなわち、本実施形態は、弁体３５の底部側に形成される凹陥部３６のエッジ３７を蒸気通路２８中での衝撃波が発生する直前の上流側の位置に設定したものである。
【００６２】
また、このときの弁体３５と弁座３４との寸法は、エッジ３７の直径をＤｉ、弁座３４の曲率半径ｒに接する弁座内径をＤｔｈ、閉弁時、弁体３５と接する弁座３４の弁座シート径をＤｏとすると、エッジ直径Ｄｉおよび弁座内径Ｄｔｈを、
［数２３］
Ｄｉ≧０．９０Ｄｏ
Ｄｔｈ≧０．８０Ｄｏ
に設定したものである。
【００６３】
このエッジ直径Ｄｉおよび弁座内径Ｄｔｈは、実験で確認した適用範囲であるが、より一層好ましいのは、
［数２４］
Ｄｉ＝（０．９０〜１．０）Ｄｏ
Ｄｔｈ＝（０．８０〜０．９０）Ｄｏ
である。
【００６４】
エッジ直径Ｄｉおよび弁座内径Ｄｔｈを上述のように設定すると、蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈは、弁体３５の曲率半径Ｒの中心Ｏ１と弁座３４の曲率半径ｒの中心Ｏ２を結ぶ枢軸線で得られる幾何学的な最小通路面積と異なった任意の最小通路面積を設定することができる。
【００６５】
このときの、弁体３５の曲率半径Ｒと、弁座３４の曲率半径ｒは、弁座シート径をＤｏとすると、Ｒ＝（０．５２〜０．６）Ｄｏ、ｒ≧０．６Ｄｏ；Ｒ＝（０．６〜０．８５）Ｄｏ、ｒ＝（０．４５〜０．６）Ｄｏ；Ｒ＝ｒ＝（０．４５〜０．８５）Ｄｏのうち、いずれかが選択される。
【００６６】
これら弁体３５の曲率半径Ｒと、弁座３４の曲率半径ｒは、ともに実験によって確認された適正値である。
【００６７】
また、弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６のエッジ３７から弁体３５の内部に向う傾斜面の傾斜角θは、エッジ３７を通り、エッジ直径Ｄｉの基準となる軸線Ｌに対し、θ＝４５°に設定される。
【００６８】
さらに、凹陥部３６の深さ（高さ）ｈは、弁体３５と弁座３４の接触位置における弁座シート径Ｄｏに拘らず、ｈ≦１５ｍｍに設定される。
【００６９】
ところで、本実施形態に係る蒸気弁装置は、上述の衝撃波による騒音、振動のほかに、弁体の開弁中に発生する騒音、振動にも配慮する必要がある。
【００７０】
従来、蒸気弁装置は、弁体が全開位置に向って移動していくと、弁体の入口側圧力と出口側圧力との圧力差がなくなり、蒸気通路２８を流れる蒸気の偏流、乱流の影響をまともに受けて弁体３５が全開側に向って浮き上がり、このような事象が繰り返し行われ、この間、騒音、振動を発生させていた。特に、このような事象は、図５で示したピン結合による弁棒、弁体一体型、および図６で示した素材からの削り出しによる弁棒、弁体一体型に較べて、図７で示した弁棒、弁体別体型の方が著しい。
【００７１】
本実施形態は、このような事象を配慮したもので、弁体３５が全開側に向うに従って弁体入口側圧力Ｐ１と弁体出口側圧力Ｐ２との圧力差が少なくなっても、弁体入口側圧力Ｐ１に常に押圧力が加わるように、弁体３５のリフト（ストローク）に制限を加えたものである。
【００７２】
すなわち、本実施形態は、図５および図６に示した弁棒、弁体一体型のものに対して、弁体３５の全開位置となる最大リフト（ストローク）をＬａとし、弁座シート径をＤｏとするとき、
［数２５］
Ｌａ＝（０．２５〜０．３５）Ｄｏ
に設定する一方、図７に示した弁棒、弁体別体型のものに対し、弁体３５の全開位置となる最大リフト（ストローク）をＬｂとするとき、
［数２６］
Ｌｂ≦０．２５Ｄｏ
の範囲内に設定したものである。
【００７３】
これら弁棒、弁体一体型の最大リフトＬａと弁棒、弁体別体型の最大リフトＬｂは、ともに実験によって確認された適用範囲である。
【００７４】
このように、本実施形態に係る蒸気弁装置は、球形状の弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６のエッジ３７の位置を、蒸気通路２８内での衝撃波が発生する直前の上流側に設定する一方、エッジ直径Ｄｉ、弁座内径Ｄｔｈを実験によって確認した好ましい数値範囲に設定するとともに、弁体３５の曲率半径Ｒ、弁座３４の曲率半径ｒの寸法も実験によって確認した適正値に設定したので、蒸気通路２８を通過する蒸気流れの騒音、振動を防止し、弁体３５回りの蒸気流れの安定化を確実に確保、維持することができる。
【００７５】
また、本実施形態に係る蒸気弁装置は、球形状の弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６におけるエッジ３７の傾斜面の傾斜角θを、エッジ直径Ｄｉの基準となる軸線Ｌに対し、θ＝４５°に設定し、エッジ３７を介して蒸気の凹陥部３６内への廻り込みの防止を図ったので、凹陥部３６内の蒸気の淀みによる浸食を防止することができる。
【００７６】
また、本実施形態に係る蒸気弁装置は、球形状の弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６の深さｈを、ｈ≦１５ｍｍの範囲に設定し、蒸気通路２８から凹陥部３６内へ繰り返し行われる噴流によって発生する加振力に抗するように図ったので、エッジ３７の亀裂等の発生を防止することができる。
【００７７】
また、本実施形態に係る蒸気弁装置は、弁体を全開させる際に発生する騒音、振動を抑制する弁リフト範囲を、弁体、弁棒一体化型のものと、弁体、弁棒別体型のものとに分けて設定したので、弁体３５回りの蒸気流れの安定化を確実に確保、維持することができる。
【００７８】
図４は、本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態を示す概念図である。なお、第１実施形態の要素と同一要素には同一符号を付す。
【００７９】
本実施形態に係る蒸気弁装置は、弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６のエッジ３７の位置を、蒸気の臨界点、すなわち弁リフト範囲において、騒音、振動が発生を開始する弁体リフト位置における蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈ（弁体３５の曲率半径Ｒの中心と弁座３４の曲率半径ｒの中心とを結ぶ枢軸線Ｂ（Ｃ））に設定したものである。弁体リフト位置を基準としたのは、蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈが弁体リフト位置によって変化（変動）するためである。
【００８０】
このように、本実施形態に係る蒸気弁装置は、弁体３５の底部側に設けた凹陥部３６のエッジ３７の位置を、図２でも示したように、衝撃波の発生しない蒸気の臨界点ｂに設定したので、蒸気通路３８を通過する蒸気流れの騒音、振動を防止し、弁体３５回りの蒸気流れの安定化を確実に確保、維持することができる。
【００８１】
図８は、本発明に係る蒸気弁装置の第３実施形態を示す概念図である。なお、第１実施形態の要素と同一要素には同一符号を付す。
【００８２】
本実施形態に係る蒸気弁装置は、弁体３５の中心と弁座３４の中心を通る枢軸線Ｂ（蒸気通路２８の最小通路面積Ａｔｈ）の位置よりも下流側に、弁体３５の周方向の全域に沿って環状に半径１ｍｍ以下の半円状の溝３９を少なくとも一つ以上設けたものである。
【００８３】
本実施形態は、図２および図３にも示したように、臨界点ｂの下流側に衝撃波が発生し、発生した衝撃波の圧力上昇がＲ−Ｈ線上を超えて点ｌ，点ｎまで延び、延びた圧力上昇がＲ−Ｈ線上の上流側に移動することに着目したもので、球形状の弁体３５の表面積を変化させた溝３９で衝撃波の圧力上昇を抑制して静圧を回復させ、衝撃波を消滅させ、衝撃波の圧力上昇をＲ−Ｈ線上の上流側に移動させないようにしたものである。
【００８４】
このように、本実施形態は、弁体３５の中心Ｏ１と弁座３４の中心Ｏ２を通る枢軸線Ｂの位置よりも下流側に、弁体３５の周方向に沿って環状に溝３９を設けて表面積を変化させ、衝撃波の圧力上昇を吸収させる構成にしたので、蒸気通路２８を通過する蒸気流れの騒音、振動を防止し、弁体３５回りの蒸気流れの安定化を確実に確保、維持することができる。
【００８５】
なお、本実施形態は、弁体３５の周方向に沿って環状に溝３９を設けて表面積を変化させたが、この例に限らず、図９に示すように、弁体３５および弁座３４のうち、少なくとも一方に表面積を変化させるジグザグ部４０ａ，４０ｂを弁体３５の全周に沿って、または弁座３４の全周に沿って設けてもよい。
【００８６】
この場合、弁体３５のジグザグ部４０ａの粗さＲ１は、０．８Ｓで、弁座３４のジグザグ部４０ｂの粗さＲ２は、１．６Ｓ〜５０Ｓまでが好ましい。
【００８７】
また、弁体３５および弁座３４のジグザグ部４０ａ，４０ｂは、ともに、第３実施形態と同様に、弁体３５の中心と弁座３４の中心を通る枢軸線Ｂよりも下流側の位置である。
【００８８】
図１０は、本発明に係る蒸気弁装置の第５実施形態を示す概念図である。なお、第１実施形態の要素と同一要素には同一符号を付す。
【００８９】
本実施形態は、弁体３５と弁座３４で形成する蒸気通路２８を通過する蒸気に含まれている酸化スケール（鉄粉）によって弁体３５、凹陥部３６、エッジ３７、弁座３４が損傷を受けないように、窒化による硬化熱処理部４１またはコバルトを含むステライト（商品名）等の硬質合金盛金部４２を備えたものである。
【００９０】
超々臨界圧の火力発電プラントの出現によってオーステナイト系材料がより多く適用され、より多くの酸化スケールの発生だけに、弁体３５、凹陥部３６、エッジ３７、弁座３４に硬質手段を備えることは、損傷防止上、極めて効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明に係る蒸気弁装置の第１実施形態を示す概念図。
【図２】弁体と弁座で形成される蒸気通路を流れる蒸気の圧力分布線図。
【図３】図２の部分拡大図。
【図４】本発明に係る蒸気弁装置の第２実施形態を示す概念図。
【図５】ピン結合による弁体、弁棒一体型を示す蒸気弁装置の概念図。
【図６】素材から削り出しによる弁体、弁棒一体型を示す蒸気弁装置の概念図。
【図７】弁体、弁棒別体型を示す蒸気弁装置の概念図。
【図８】本発明に係る蒸気弁装置の第３実施形態を示す概念図。
【図９】本発明に係る蒸気弁装置の第４実施形態を示す概念図。
【図１０】本発明に係る蒸気弁装置の第５実施形態を示す概念図。
【図１１】火力発電プラントの概略系統図。
【符号の説明】
【００９２】
１  ボイラ
２  高圧タービン
３  中圧タービン
４  低圧タービン
５  復水・給水系統
６  主蒸気止め弁
７  蒸気加減弁
８  低温再熱管
９  逆止弁
１０  再熱器
１１  再熱蒸気止め弁
１２  インターセプト弁
１３  復水器
１４  給水ポンプ
１５  高圧タービンバイパス弁
１６  高圧タービンバイパス管
１７  低圧タービンバイパス弁
１８  低圧タービンバイパス管
１９  弁ケーシング
２０  弁室
２１  弁座
２２  弁体
２３  ピン
２４  弁棒
２５  油筒
２６  レバー
２７  支点
２８  蒸気通路
２９  スタンド
３０  ブッシュ
３１  副弁体
３２  主弁体
３３  バランスチャンバ
３４  弁座
３５  弁体
３６  凹陥部
３７  エッジ
３８  肩部
３９  溝
４０ａ，４０ｂ  ジグザグ部
４１  硬化熱処理部
４２  硬質合金盛金部
【図１】
2006063957.tif 000003
【図２】
2006063957.tif 000004
【図３】
2006063957.tif 000005
【図４】
2006063957.tif 000006
【図５】
2006063957.tif 000007
【図６】
2006063957.tif 000008
【図７】
2006063957.tif 000009
【図８】
2006063957.tif 000010
【図９】
2006063957.tif 000011
【図１０】
2006063957.tif 000012
【図１１】
2006063957.tif 000013