(57)【要約】【課題】蒸気タービン配管系において温度の異常な上昇を防止し、信頼性の高い蒸気タービン配管を提供する。【解決手段】実施形態の蒸気タービン配管１は、蒸気タービン設備における蒸気タービン配管である。蒸気タービン配管１は、ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気通路３０ａと、蒸気通路３０ａから分岐する分岐通路４０とを備える。また、蒸気タービン配管１は、分岐通路４０に介在する遮断弁３２と、蒸気通路３０ａと遮断弁３２との間の分岐通路４０の一部に設けられ、分岐通路４０の通路断面が縮小された縮小配管部３１ｂとを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン設備における蒸気タービン配管であって、
ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気通路と、
前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
前記分岐通路に介在する遮断弁と、
前記蒸気通路と前記遮断弁との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の通路断面が縮小された縮小部と
を具備することを特徴とする蒸気タービン配管。
【請求項２】
前記縮小部が、前記分岐通路の所定の位置から前記遮断弁に亘って設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン配管。
【請求項３】
前記縮小部が、前記分岐通路の所定の位置から前記遮断弁側に所定の長さ設けられ、前記縮小部よりも前記遮断弁側の前記分岐通路の通路断面が、前記縮小部の前記分岐通路の通路断面よりも拡大していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン配管。
【請求項４】
前記分岐通路の一部が、前記蒸気通路を構成する配管の管壁に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン配管。
【請求項５】
前記縮小部よりも前記蒸気通路側の前記分岐通路の一部が、前記縮小部よりも前記蒸気通路側で発生した熱を前記蒸気通路側に伝える熱伝導部材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン配管。
【請求項６】
前記分岐通路の少なくとも一部が、前記蒸気通路の下部から、蒸気の流れ方向に略垂直で、かつ略水平方向に延設されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン配管。
【請求項７】
前記分岐通路の少なくとも一部が、前記蒸気通路の下部から略鉛直下方に延設されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン配管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービン配管に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン配管系には、ボイラで発生した蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気管が備えられている。この主蒸気管には、蒸気の流量を調節するための主蒸気加減弁が設けられている。
【０００３】
主蒸気加減弁には、蒸気タービンを稼働させるためのウォーミングを行う際に主蒸気加減弁よりも下流側の主蒸気管で発生したドレンを排出するドレン管が設けられている。このドレン管には、遮断弁が設けられ、この遮断弁を開くことでドレンが復水器に導かれる。そして、遮断弁は、ウォーミング完了後に閉じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１８７５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の主蒸気加減弁に設けられたドレン管において、遮断弁が閉められた状態で蒸気タービンの定格運転まで負荷を上昇していくと、主蒸気加減弁と遮断弁との間のドレン管の温度が異常に上昇することがある。そして、このような異常な温度の上昇は、ドレン管の破損を引き起こす可能性がある。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、蒸気タービン配管系において温度の異常な上昇を防止し、信頼性の高い蒸気タービン配管を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の蒸気タービン配管は、蒸気タービン設備における蒸気タービン配管である。この蒸気タービン配管は、ボイラからの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気通路と、前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、前記分岐通路に介在する遮断弁とを備える。さらに、蒸気タービン配管は、前記蒸気通路と前記遮断弁との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の通路断面が縮小された縮小部を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態の蒸気タービン配管の構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の蒸気タービン配管に備えられる主蒸気止め弁および主蒸気加減弁の斜視図を示した図である。
【図３】第１の実施の形態の蒸気タービン配管における主蒸気加減弁の弁座後ドレン管の配管構成を模式的に示した図である。
【図４】第１の実施の形態の蒸気タービン配管における主蒸気加減弁の蒸気通路および分岐通路の断面を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の蒸気タービン配管における主蒸気加減弁の蒸気通路および他の構成の分岐通路の断面を示す図である。
【図６】第１の実施の形態の蒸気タービン配管における主蒸気加減弁の蒸気通路および他の構成の分岐通路の断面を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の蒸気タービン配管における主蒸気加減弁の蒸気通路および分岐通路の断面を示す図である。
【図８】第３の実施の形態の蒸気タービン配管における主蒸気加減弁の蒸気通路および分岐通路の断面を示す図である。
【図９】図４に示した第１の実施の形態の蒸気タービン配管において、熱伝導部材を備えた場合における、主蒸気加減弁の蒸気通路および分岐通路の断面を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態の分岐通路に縮小部を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明するための模式図である。
【図１１】第２の実施の形態の分岐通路に縮小部を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明するための模式図である。
【図１２】図１０に示した第１の実施の形態の分岐通路をモデルおよび図１１に示した第２の実施の形態の分岐通路をモデルに基づいて、式（２１）から求められる比率（Ｐ２／Ｐｉ）と変動周波数の関係を示した図である。
【図１３】分岐通路の配管表面の温度の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１の構成を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１に備えられる主蒸気止め弁２０および主蒸気加減弁３０の斜視図を示した図である。
【００１１】
図１に示すように、高圧タービン２００にボイラ（図示しない）からの蒸気を導入できるように、上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２を備えている。ここでは、上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２をそれぞれ２つ備えた一例を示している。
【００１２】
上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２には、高圧タービン２００に導く蒸気を遮断する主蒸気止め弁２０が介在している。また、この主蒸気止め弁２０の下流側に、高圧タービン２００に導く蒸気の流量を調整する主蒸気加減弁３０が介在している。
【００１３】
図１には、床部２１０を介して、上方のフロアには高圧タービン２００の上半部側および上半側主蒸気管１１（主蒸気止め弁２０および主蒸気加減弁３０を含む）を備え、下方のフロアには高圧タービン２００の下半部側および下半側主蒸気管１２（主蒸気止め弁２０および主蒸気加減弁３０を含む）を備えた一例を示している。
【００１４】
図１に示すように、例えば、蒸気タービン配管１や蒸気タービン建屋のコンパクト化などを図るため、上半側の主蒸気加減弁３０の下流側の上半側主蒸気管１１は、例えば、２つのエルボ管１１ａの間に直管１１ｂを有する複雑な配管構成となっている。一方、下半側の主蒸気加減弁３０の下流側の下半側主蒸気管１２は、例えば、水平管による構成が主となる配管構成となっている。
【００１５】
図２に示すように、主蒸気止め弁２０には、弁座の上流側のドレンを排出するための弁座前ドレン管２１、および弁座の下流側のドレンを排出するための弁座後ドレン管２２が備えられている。主蒸気加減弁３０には、弁座の下流側のドレンを排出するための弁座後ドレン管３１が備えられている。
【００１６】
各ドレン管には、遮断弁（図示しない）が設けられ、各ドレン管の終端は、例えば復水器に連通している。各ドレン管の遮断弁を開くことで、ドレンが復水器に導かれる。各ドレン管の遮断弁は、高圧タービン２００のウォーミングの際には開かれ、例えば、上半側主蒸気管１１や下半側主蒸気管１２で発生するドレンを復水器に導く。各ドレン管の遮断弁は、ウォーミング完了後、閉じられる。
【００１７】
次に、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成について説明する。
【００１８】
図３は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の配管構成を模式的に示した図である。なお、図３には、上半側の主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の構成を例示して説明するが、下半側の主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管３１の構成も同じである。図４は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａおよび分岐通路４０の断面を示す図である。なお、図４では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。
【００１９】
図３および図４に示すように、弁座後ドレン管３１には、遮断弁３２が備えられている。また、図４に示すように、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから分岐する分岐通路４０は、蒸気通路３０ａに連通する貫通孔３０ｂおよびこの貫通孔３０ｂの外部開口に連通するように設けられた弁座後ドレン管３１（弁座後ドレン管３１内の通路）で構成される。
【００２０】
このように、分岐通路４０の一部は、例えば、蒸気通路３０ａを構成する配管の管壁に設けられている。また、分岐通路４０は、図４に示すように、例えば、蒸気通路３０ａの下部から、蒸気の流れ方向に垂直で、かつ略水平方向に延設されている。
【００２１】
弁座後ドレン管３１は、貫通孔３０ｂの通路断面形状と同じ通路断面形状を有する配管部３１ａと、通路断面が配管部３１ａの通路断面よりも縮小された縮小配管部３１ｂを備える。このように、縮小配管部３１ｂは、蒸気通路３０ａと遮断弁３２との間の分岐通路４０の一部に設けられている。具体的には、縮小配管部３１ｂは、分岐通路４０の一端側（蒸気通路３０ａ側）よりも他端側（遮断弁３２）の分岐通路４０の一部に設けられている。例えば、図４に示すように、縮小配管部３１ｂは、配管部３１ａと遮断弁３２との間に亘って設けられている。
【００２２】
この縮小配管部３１ｂは、縮小部として機能する。ここでは、縮小配管部３１ｂは、配管部３１ａの遮断弁３２側の端部の中央に接続された一例を示している。なお、通路断面とは、流れ方向に垂直な、通路の断面である（以下、同じ）。
【００２３】
ここで、配管部３１ａの通路断面積を１とした場合、縮小配管部３１ｂの通路断面積は、ドレンの流量が最大時でも円滑に流れるようにするため、１／２５〜１／４程度にすることが好ましい。また、分岐通路４０は、ドレンを遮断弁３２側に流下させるために、例えば、０．５〜１度程度、下方に傾斜されている。上記した略水平方向には、水平方向以外にも、この下方傾斜角度で延設された方向も含むものとする（以下、同じ）。
【００２４】
なお、分岐通路４０の少なくとも一部が、蒸気通路３０ａの下部から、蒸気の流れ方向に垂直で、かつ略水平方向に延設されていればよい。そのため、さらに下流側の分岐通路４０が、例えば、鉛直下方に曲げられていてもよい。
【００２５】
また、分岐通路４０は、蒸気の流れ方向に対して垂直な方向に設けられることに限られず、蒸気の流れ方向に対して略垂直な方向であればよい。この略垂直な方向には、垂直な方向以外にも、垂直方向に対して、例えば、±４５度程度傾けた方向も含むものとする（以下、同じ）。
【００２６】
このように、縮小配管部３１ｂを備えることで、蒸気通路３０ａと遮断弁３２との間の弁座後ドレン管３１における、共振振動を減衰することができる。これによって、遮断弁３２が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制し、弁座後ドレン管３１の破損を防止することができる。
【００２７】
ここで、図４には、縮小配管部３１ｂを、配管部３１ａの遮断弁３２側の端部の中央に接続した一例を示したが、分岐通路４０の構成は、この構成に限られるものではない。図５は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａおよび他の構成の分岐通路４０の断面を示す図である。なお、図５では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。
【００２８】
例えば、縮小配管部３１ｂを、配管部３１ａの遮断弁３２側の端部の中央よりも下方に接続してもよい。具体的には、図５に示す断面において、縮小配管部３１ｂの内壁面の下部が、配管部３１ａの内壁面の下部と同一平面になるように、縮小配管部３１ｂを、配管部３１ａの遮断弁３２側の端部に接続してもよい。
【００２９】
このように縮小配管部３１ｂを接続することで、配管部３１ａと縮小配管部３１ｂとの接続部でドレンが滞留することを防止できる。これによって、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制するとともに、分岐通路４０におけるハンマリングなどの発生を防止することができる。
【００３０】
また、図４には、分岐通路４０を、蒸気の流れ方向に垂直で、かつ略水平方向に延設した一例を示したが、分岐通路４０の構成は、この構成に限られるものではない。図６は、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１における主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａおよび他の構成の分岐通路４０の断面を示す図である。なお、図６では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。
【００３１】
図６に示すように、分岐通路４０を蒸気通路３０ａの下部から略鉛直下方に延設してもよい。このように分岐通路４０を構成することで、ドレンは重力落下するため、ドレンが縮小配管部３１ｂの上流側に滞留することはない。これによって、弁座後ドレン管３１の異常な温度上昇を抑制するとともに、分岐通路４０におけるハンマリングなどの発生を防止することができる。
【００３２】
ここで、図６に示す構成では、ドレンを重力落下させて縮小配管部３１ｂの上流側に滞留させなければよい。そのため、略鉛直下方には、鉛直下方以外にも、鉛直下方に対して、例えば、±４５度程度傾けた下方方向も含むものとする。なお、分岐通路４０の少なくとも一部が、蒸気通路３０ａの下部から略鉛直下方に延設されていればよい。そのため、さらに下流側の分岐通路４０が、例えば、水平方向に曲げられていてもよい。
【００３３】
（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態の蒸気タービン配管２における主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａおよび分岐通路４１の断面を示す図である。なお、図７では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。また、以下の実施の形態において、第１の実施の形態の蒸気タービン配管１の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００３４】
第２の実施の形態では、弁座後ドレン管５０の構成が、第１の実施の形態の弁座後ドレン管３１の構成と異なる。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００３５】
図７に示すように、弁座後ドレン管５０には、遮断弁３２が備えられている。図７に示すように、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから分岐する分岐通路４１は、蒸気通路３０ａに連通する貫通孔３０ｂおよびこの貫通孔３０ｂの外部開口に連通するように設けられた弁座後ドレン管５０（弁座後ドレン管５０内の通路）で構成される。
【００３６】
このように、分岐通路４１の一部は、例えば、蒸気通路３０ａを構成する配管の管壁に設けられている。また、分岐通路４１は、図７に示すように、例えば、蒸気通路３０ａの下部から、蒸気の流れ方向に垂直で、かつ略水平方向に延設されている。分岐通路４１の一部は、図７に示すように、例えば、蒸気通路３０ａを構成する配管の管壁に設けられている。なお、分岐通路４１は、例えば、蒸気通路３０ａを流れる蒸気の流れ方向に対して略垂直な方向に設けられてもよい。
【００３７】
弁座後ドレン管５０は、貫通孔３０ｂの通路断面形状と同じ通路断面形状を有する配管部３１ａと、通路断面が配管部３１ａの通路断面よりも縮小された縮小配管部３１ｂと、通路断面が縮小配管部３１ｂよりも拡大された配管部３１ｃを備える。縮小配管部３１ｂは、配管部３１ａの遮断弁３２側に所定の長さ設けられている。そして、縮小配管部３１ｂよりも遮断弁３２側に、遮断弁３２に亘って配管部３１ｃが設けられている。
【００３８】
配管部３１ｃの通路断面積は、縮小配管部３１ｂの通路断面積よりも大きければよい。縮小配管部３１ｂの通路断面積を１とした場合、配管部３１ｃの通路断面積は、ドレンの流量が最大時でも円滑に流れるようにするため、４〜２５倍程度であることが好ましい。配管部３１ｃの通路断面積は、縮小配管部３１ｂの通路断面積よりも大きければ、例えば、配管部３１ａの通路断面積よりも大きくまたは小さくしてもよい。また、配管部３１ｃの通路断面積を配管部３１ａの通路断面積と同じとしてもよい。
【００３９】
このように、縮小配管部３１ｂは、蒸気通路３０ａと遮断弁３２との間の分岐通路４１の一部に設けられている。なお、縮小配管部３１ｂは、縮小部として機能する。ここでは、縮小配管部３１ｂは、配管部３１ａの遮断弁３２側の端部の中央および配管部３１ｃの蒸気通路３０ａ側の端部の中央に接続された一例を示している。
【００４０】
このように、縮小配管部３１ｂを備えることで、蒸気通路３０ａと遮断弁３２との間の弁座後ドレン管５０における、共振振動を減衰することができる。これによって、遮断弁３２が閉じられた後であっても、弁座後ドレン管５０の異常な温度上昇を抑制し、弁座後ドレン管５０の破損を防止することができる。
【００４１】
なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の図５の構成と同様に、縮小配管部３１ｂの内壁面の下部が、配管部３１ａおよび配管部３１ｃの内壁面の下部と同一平面になるように、縮小配管部３１ｂを、配管部３１ａと配管部３１ｃとの間に接続してもよい。
【００４２】
また、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の図６の構成と同様に、分岐通路４１を蒸気通路３０ａの下部から略鉛直下方に延設してもよい。なお、略鉛直下方の定義は、前述したとおりである。
【００４３】
（第３の実施の形態）
図８は、第３の実施の形態の蒸気タービン配管３における主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａおよび分岐通路４２の断面を示す図である。なお、図８では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。
【００４４】
図８に示すように、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから分岐する分岐通路４２は、蒸気通路３０ａに連通する貫通孔６０およびこの貫通孔６０の外部開口に連通するように設けられた弁座後ドレン管７０（弁座後ドレン管７０内の通路）で構成される。
【００４５】
分岐通路４２は、図８に示すように、例えば、蒸気通路３０ａの下部から、蒸気の流れ方向に垂直で、かつ略水平方向に延設されている。また、弁座後ドレン管７０には、遮断弁３２が備えられている。なお、分岐通路４２は、例えば、蒸気通路３０ａを流れる蒸気の流れ方向に対して略垂直な方向に設けられてもよい。
【００４６】
貫通孔６０は、蒸気通路３０ａを構成する配管の管壁に設けられた貫通孔３０ｂと、弁座後ドレン管７０と蒸気通路３０ａを構成する配管との間に設けられた熱伝導部材９０に形成された貫通孔８０から構成されている。貫通孔３０ｂの、流れ方向に垂直な断面の形状は、例えば、貫通孔８０の、流れ方向に垂直な断面の形状と同じに構成されている。すなわち、貫通孔３０ｂと貫通孔８０とで同一の断面形状の分岐通路４２の一部を構成している。
【００４７】
熱伝導部材９０の一方の端部は、蒸気通路３０ａを構成する配管に、例えば、溶接などによって接合されている。熱伝導部材９０の他方の端部（遮断弁３２側の端部）には、弁座後ドレン管７０が接続されている。この弁座後ドレン管７０の通路断面は、貫通孔６０によって形成される通路断面よりも縮小されている。すなわち、弁座後ドレン管７０は、縮小配管部を構成し、縮小部として機能する。
【００４８】
ここで、熱伝導部材９０は、弁座後ドレン管７０よりも蒸気通路３０ａ側の分岐通路４２で発生した熱を、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に伝える。そのため、熱伝導部材９０は、例えば、耐熱性に優れ、蒸気通路３０ａを構成する配管（主蒸気加減弁３０）を構成する材料よりも熱伝導性に優れた材料などで構成されることが好ましい。ここで、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）は、熱伝導部材９０を介して伝導された熱量を吸収するだけの十分な熱容量を有している。
【００４９】
熱伝導部材９０は、例えば、金属材料などで形成される。熱伝導部材９０を形成する金属材料として、例えば、銅や炭素鋼などの高い熱伝導率を有する金属が使用される。
【００５０】
このように熱伝導部材９０を備えることで、縮小部として機能する弁座後ドレン管７０よりも蒸気通路３０ａ側で発生した熱を、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に逃がすことができる。すなわち、第３の実施の形態の蒸気タービン配管３においては、縮小部を設けることで得られる異常な温度上昇の抑制効果と、熱伝導部材９０を備えることで得られる熱を逃がす効果の双方を得ることができる。
【００５１】
ここで、縮小部よりも蒸気通路３０ａ側で発生した熱を、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に逃がすための構成は、この構成に限られるものではない。図９は、図４に示した第１の実施の形態の蒸気タービン配管１において、熱伝導部材９０を備えた場合における、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａおよび分岐通路４０の断面を示す図である。
【００５２】
図９に示すように、例えば、配管部３１ａの周囲に熱伝導部材９０を備えてもよい。熱伝導部材９０は、配管部３１ａの周囲に接触するとともに、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に接触している。これによって、熱伝導部材９０は、例えば、縮小配管部３１ｂよりも蒸気通路３０ａ側の配管部３１ａで発生した熱を、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に伝える。熱伝導部材９０は、配管部３１ａを構成する材料よりも高い熱伝導率を有する、例えば、銅などの金属で構成される。
【００５３】
また、熱伝導部材９０として、例えば、内部の中空部に液体などが充填された二重管構造体を備えてもよい。この場合、配管部３１ａで発生した熱を、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に逃がすことができる。
【００５４】
なお、上記した熱伝導部材９０を備える構成は、分岐通路４０を蒸気通路３０ａの下部から略鉛直下方に延設する場合にも適用できる。また、第２の実施の形態の蒸気タービン配管２にも適用することができる。これらの場合にも、上記した効果と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
ここで、前述した実施の形態においては、蒸気通路から分岐する分岐通路として、主蒸気加減弁３０の弁座後ドレン管を含む通路を例示して説明したが、分岐通路はこれに限られるものではない。例えば、ボイラからの蒸気を高圧タービン２００に導く蒸気通路から分岐され、遮断弁などの遮断部材を有する分岐通路（分岐管）などに、上記構成を適用してもよい。この場合においても、蒸気通路と遮断部材との間の分岐通路における共振振動の発生を抑制して、分岐通路の異常な温度上昇を抑制することができる。
【００５６】
（実施の形態における分岐通路の温度上昇の抑制に係る説明）
上記したように、前述した実施の形態においては、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから分岐する分岐通路４０、４１、４２に、通路断面が縮小する縮小部を備えることで、分岐通路４０、４１、４２が異常に温度上昇することを抑制することができる、これによって、分岐通路４０、４１、４２の破損を防止することができる。
【００５７】
ここで、分岐通路４０、４１、４２に縮小部を備えることで、分岐通路４０、４１、４２の異常な温度上昇を抑制することができる理由について説明する。
【００５８】
（１）管内圧力変動による発熱（熱音響効果）の説明
ここで、内径がＲの円筒の管内圧力変動の周波数をｆ（Ｈｚ）とする。文献１（荒川、川橋、機械学会論文集、６２巻５９８号、B（１９９６）、ｐ.２２３８−２２４５）によれば、管内圧力変動振幅Ｐを管内平均圧力Ｐ０で割って無次元化した式（１）の関係を用いて、管壁近傍の境界層内で圧力変動による熱音響効果で発生する熱流束ｑ（Ｗ／ｍ２）は、式（２）で求められる。
【数１】
2015140686.tif 000003
【数２】
2015140686.tif 000004
【００５９】
ここで、Ｐ１は無次元圧力振幅、Ｋは配管形状で決まる定数、γは比熱比、μは粘性係数、ａは音速、δは境界層の厚さ、Ｒは円筒の内径である。
【００６０】
円筒の内周長は、πＲであるので、円筒の単位長さあたりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）は、式（３）によって求められる。
【数３】
2015140686.tif 000005
【００６１】
ここで、角振動数ωを２πｆとすると、境界層の厚さδは、式（４）で求められる。
【数４】
2015140686.tif 000006
【００６２】
ここで、νは動粘性係数である。
【００６３】
すなわち、管内圧力変動による発熱（熱音響効果）は式（３）から明らかなように、無次元圧力振幅の２乗に比例している。そのため、管内圧力変動を抑制することで、発熱が抑えられることがわかる。
【００６４】
（２）分岐通路に縮小部を備えることで管内圧力変動が抑えられることの説明
次に、図１０を参照して、分岐通路４０、４１、４２に縮小部を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明する。
【００６５】
図１０は、第１の実施の形態の分岐通路４０に縮小部を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明するための模式図である。図１０に示された模式図は、図４に示した第１の実施の形態の分岐通路４０をモデルとしている。なお、遮断弁３２は閉じられているものとする。
【００６６】
図１０に示すように、通路断面積Ｓ０の、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから、分岐通路４０が分岐している。分岐通路４０は、配管部３１ａと縮小配管部３１ｂを備えている。なお、ここでは、説明の便宜のため、配管部３１ａの通路断面と同一形状の貫通孔３０ｂは、配管部３１ａに含まれるものとしている。
【００６７】
配管部３１ａの、通路断面積はＳ１、長さはＬ１であり、縮小配管部３１ｂの、通路断面積はｍＳ１、長さはＬ２である。なお、ｍは１よりも小さな定数である。縮小配管部３１ｂの遮断弁３２側の端部の圧力変動をＰ２とする。
【００６８】
蒸気の圧力変動と速度変動について、配管部３１ａと蒸気通路３０ａとの接続部に蒸気通路３０ａの上流側から流入する分をＰｉ、Ｕｉとし、接続部から蒸気通路３０ａの上流側に反射する分をＰｒ、Ｕｒとし、接続部から蒸気通路３０ａの下流側に流出する分をＰｔ、Ｕｔとし、配管部３１ａから接続部を介して蒸気通路３０ａに流出する分をＰ１、Ｕ１とする。
【００６９】
蒸気通路３０ａの接続部よりも上流側の領域をIとし、蒸気通路３０ａの接続部よりも下流側の領域をIIとする。領域Iの蒸気の圧力変動と速度変動をＰI、ＵIとし、領域IIの蒸気の圧力変動と速度変動をＰII、ＵIIとする。
【００７０】
蒸気通路３０ａにおける圧力変動を平面進行波と仮定し、蒸気密度をρ０、蒸気音速をＣ０とすると、Ｕ＝Ｐ／（ρ０Ｃ０）が成り立つため、次の式（５）〜式（８）の関係が得られる。
【数５】
2015140686.tif 000007
【数６】
2015140686.tif 000008
【数７】
2015140686.tif 000009
【数８】
2015140686.tif 000010
【００７１】
ここで、接続部では、上流側と下流側の音圧は等しく、体積速度は、配管部３１ａから接続部を介して蒸気通路３０ａに流出する分（Ｓ１Ｕ１）を考慮して、次の式（９）および式（１０）の関係が得られる。
【数９】
2015140686.tif 000011
【数１０】
2015140686.tif 000012
【００７２】
ここで、Ｚ１は、配管部３１ａの開口部における配管部３１ａ内の反射を含めた音響インピーダンス（Ｐ１／（Ｓ１Ｕ１））である。
【００７３】
式（６）から次の式（１１）が成り立つ。
【数１１】
2015140686.tif 000013
【００７４】
接続部における圧力変動Ｐ１は、Ｐ１＝ＰI＝（Ｐｉ＋Ｐｒ）の関係より、式（１２）で示される。
【数１２】
2015140686.tif 000014
【００７５】
そして、図１０に示す配管構成では、配管部３１ａと縮小配管部３１ｂを備えた分岐通路４０において次の式（１３）が成り立つ。
【数１３】
2015140686.tif 000015
【００７６】
文献２（市川、高山、機械学会論文集、３９巻３２５号、（１９７３）、ｐ．２８０７−２８１５）によれば、伝播定数γｉ（ｉ＝１，２，３）は、配管部３１ａ内の流動の粘性摩擦を近似した次の式（１４）、式（１５）で近似される。
【数１４】
2015140686.tif 000016
【数１５】
2015140686.tif 000017
【００７７】
ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数である。
【００７８】
また、特性インピーダンスＺｉ（ｉ＝１，２，３）は、次の式（１６）、式（１７）で近似される。
【数１６】
2015140686.tif 000018
【数１７】
2015140686.tif 000019
【００７９】
そして、伝達マトリクスＴを次の式（１８）のように定義する。
【数１８】
2015140686.tif 000020
【００８０】
また、式（１３）より、Ｚ１＝ｔ１１／ｔ２１が得られる。Ｔの逆行列をＴ’を次の式式（１９）で表わす。
【数１９】
2015140686.tif 000021
【００８１】
そして、次の式（２０）の関係が得られる。
【数２０】
2015140686.tif 000022
【００８２】
この式（２０）より、接続部上流側の蒸気通路３０ａの圧力変動Ｐｉと、縮小配管部３１ｂの遮断弁３２側の端部の圧力変動Ｐ２との比率（Ｐ２／Ｐｉ）が次の式（２１）として求められる。
【数２１】
2015140686.tif 000023
【００８３】
なお、ここでは、図１０に示すように、図４に示した第１の実施の形態の分岐通路４０をモデルとして上記式（２１）を求めたが、図８に示した第３の実施の形態の分岐通路４２をモデルとしても上記同様に比率（Ｐ２／Ｐｉ）を求めることができる。
【００８４】
また、図７に示した第２の実施の形態の分岐通路４１をモデルとしても上記同様に比率（Ｐ２／Ｐｉ）を求めることができる。図１１は、第２の実施の形態の分岐通路４１に縮小部を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明するための模式図である。図１１において、図１０に示された符号と同一の符号は、図１０に示された符号と同一の定義となる。
【００８５】
図１１において、縮小配管部３１ｂと遮断弁３２との間に設けられる配管部３１ｃの通路断面積は、縮小配管部３１ｂの通路断面積よりも大きい。配管部３１ｃの通路断面積は、ｎｍＳ１で示される。なお、ｎは１よりも大きな定数である。また、配管部３１ｃの長さはＬ３である。配管部３１ｃを有する図１１における構成においても、比率（Ｐ２／Ｐｉ）は、式（２１）で求められる。
【００８６】
図１２は、図１０に示した第１の実施の形態の分岐通路４０をモデルおよび図１１に示した第２の実施の形態の分岐通路４１をモデルに基づいて、式（２１）から求められる比率（Ｐ２／Ｐｉ）と変動周波数の関係を示した図である。また、図１２には、比較例として、縮小配管部３１ｂを有しない場合についても示している。なお、縦軸に示された比率（Ｐ２／Ｐｉ）は、Ｐ２の絶対値をＰｉの絶対値で除したものである。
【００８７】
蒸気条件としては、温度を３５０℃、圧力を５ＭＰａ、密度ρ０を１９．２ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ０を５７８ｍ／ｓ、動粘性係数νを１．１×１０−６ｍ２／ｓとした。
【００８８】
実施例１として使用した、図１０に示したモデルの配管形状としては、蒸気通路３０ａの通路断面積Ｓ０を０．０５１ｍ２（内径０．２５４ｍ相当）とした。配管部３１ａの通路断面積Ｓ１を０．００１６ｍ２（内径０．０４５ｍ相当）、長さＬ１を０．５ｍとし、縮小配管部３１ｂの長さＬ２を４．５ｍとした。ｍを１／９とした。
【００８９】
実施例２として使用した、図１１に示したモデルの配管形状において、蒸気通路３０ａの通路断面積Ｓ０を０．０５１ｍ２（内径０．２５４ｍ相当）とした。配管部３１ａの、通路断面積Ｓ１を０．００１６ｍ２（内径０．０４５ｍ相当）、長さＬ１を０．５ｍとした。縮小配管部３１ｂの長さＬ２を０．５ｍとし、配管部３１ａの長さＬ３を４ｍとした。ｍを１／９とし、ｎを４とした。
【００９０】
比較例として使用した、縮小配管部３１ｂを有しない分岐通路の配管形状において、通路断面積を０．００１６ｍ２（内径０．０４５ｍ相当）の一定とし、長さを５ｍとした。なお、この比較例の配管形状においては、上記した蒸気条件で使用すると、分岐通路の異常な温度上昇が生じ、配管が破損する。
【００９１】
図１２に示すように、比較例では、２９Ｈｚと８７Ｈｚで比率（Ｐ２／Ｐｉ）が極大化している。極大化周波数は、遮断弁３２までの分岐通路の全長（以下、分岐通路全長という。）と音速Ｃ０によって決まる定在波周波数である。内径が一様な配管において、一端が閉じられ他端が開いている条件では、音速を分岐通路全長の４倍で除した値を基本周波数とし、その奇数倍の周波数が定在波周波数となる。
【００９２】
音速Ｃ０（５７８ｍ／ｓ）を、分岐通路全長（５ｍ）の４倍である２０ｍで割った値である約２９Ｈｚが基本周波数となる。比較例において、その基本周波数の奇数倍が定在波周波数となり、図１２に示した極大化周波数と一致していることがわかる。また、比率（Ｐ２／Ｐｉ）は、基本周波数相当の２９Ｈｚで最大となっている。比較例においては、実施例１および実施例２と比べて、基本定在波の管内圧力変動が最も大きくなっている。
【００９３】
ここで、熱音響効果による発熱は、基本定在波による発熱が最大となることが知られている。これは前述した文献１や文献３（Sprenger, H., “On thermal effects in resonance tubes”, NTRS ，1964）において、ハルトマンチューブの特徴として示されている。
【００９４】
実施例１では、図１２に示すように、比率（Ｐ２／Ｐｉ）の極大化周波数は、３１．９Ｈｚと９５．４Ｈｚである。比率（Ｐ２／Ｐｉ）の最大値は、比較例の最大値の１／１０程度に抑制されている。式（３）からわかるように、熱音響効果による発熱は、圧力変動の２乗に比例する。そのため、圧力変動が１／１０に抑制されると、発熱は１／１００となり、十分な発熱抑制効果が得られる。
【００９５】
実施例２では、図１２に示すように、比率（Ｐ２／Ｐｉ）の極大化周波数は、２４．１Ｈｚと８２．３Ｈｚである。比率（Ｐ２／Ｐｉ）の最大値は、比較例の最大値の１／５程度に抑制されている。式（３）からわかるように、熱音響効果による発熱は、圧力変動の２乗に比例する。そのため、圧力変動が１／５に抑制されると、発熱は１／２５となり、十分な発熱抑制効果が得られる。
【００９６】
ここで、配管部３１ａの保温条件にもよるが、通常は発熱が１／９〜１／１０程度であれば、過熱破損は避けられると考えられる。そのため、圧力変動の抑制は、破損を生じる比較例の圧力変動の１／３以下であれば十分であると考えられる。これによって、異常な温度上昇による配管の破損を防止するためには、前述した式（２１）から得られる圧力変動の比率（Ｐ２／Ｐｉ）が、例えば１／３以下になるように、分岐通路の仕様を決定すればよい。
【００９７】
（３）分岐通路に縮小部を備えることで異常な温度上昇が抑えられることの評価
ここでは、縮小部を備えた場合と備えない場合とにおける、分岐通路の配管表面の温度変化を評価した。図１３は、分岐通路の配管表面の温度変化の評価結果を示す図である。図１３の縦軸には、噴流の初期温度からの温度変化分（ΔＴ）を示している。例えば、「ΔＴ＝０」よりも上側では温度上昇、下側では温度低下を意味する。
【００９８】
なお、図１３には、温度変化の評価結果とともに、本評価に使用された分岐通路の模試図を示している。分岐通路の一端は開口部であり、他端は閉端部である。
【００９９】
縮小部を備えた配管では、開口部（接続部に相当）から０．５ｍの長さまでは、内径を３０ｍｍとし、それより下流側（閉端側）では、内径を１０ｍｍとした。この内径が小さい部分が縮小部である。配管の全体の長さは２ｍとした。
【０１００】
縮小部を備えない配管では、開口部（接続部に相当）から閉端部まで、内径を３０ｍｍとした。配管の全体の長さは２ｍとした。縮小部を備えた場合も備えない場合も、開口部に噴出する噴流の温度は同じとした。
【０１０１】
図１３に示すように、縮小部を備えない配管では、開口部から閉端部に向かって、温度上昇が大きくなり、閉端部で温度上昇が最大となる。
【０１０２】
一方、縮小部を備えた配管では、縮小部では温度上昇がみられず、過熱が防止されている。しかしながら、開口部から縮小部までの部分では温度上昇が大きくなっている。これは、縮小部を設けた場合の閉端部では、式（２１）に示すように圧力変動を抑制して熱音響効果による過熱を防止できるのに対し、開口部から縮小部までの部分では、縮小部での圧力反射が開口部側に戻り、圧力変動が大きくなり、熱音響効果による発熱が生じるためと考えられる。
【０１０３】
ここで、開口部から縮小部までの部分では温度上昇が大きくなる場合であっても、前述した式（２１）から得られる圧力変動の比率（Ｐ２／Ｐｉ）を、例えば１／３以下になるように分岐通路の仕様を決定することで、異常な温度上昇が抑えられる。
【０１０４】
また、第３の実施の形態における熱伝導部材９０を備えることで、開口部から縮小部までの部分で発生した熱を、蒸気通路を構成する配管（主蒸気加減弁３０）に逃がすことができる。
【０１０５】
以上説明した実施形態によれば、蒸気タービン配管系において温度の異常な上昇を防止し、信頼性の高い蒸気タービン配管を提供することが可能となる。
【０１０６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０７】
１，２，３…蒸気タービン配管、１１…上半側主蒸気管、１１ａ…エルボ管、１１ｂ…直管、１２…下半側主蒸気管、２１…弁座前ドレン管、２２…弁座後ドレン管、３０…主蒸気加減弁、３０ａ…蒸気通路、３０ｂ，６０，８０…貫通孔、３１，５０，７０…弁座後ドレン管、３１ａ…配管部、３１ｂ…縮小配管部、３１ｃ…配管部、３２…遮断弁、４０，４１，４２…分岐通路、９０…熱伝導部材、２００…高圧タービン、２１０…床部。
【図１】
2015140686.tif 000024
【図２】
2015140686.tif 000025
【図３】
2015140686.tif 000026
【図４】
2015140686.tif 000027
【図５】
2015140686.tif 000028
【図６】
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【図７】
2015140686.tif 000030
【図８】
2015140686.tif 000031
【図９】
2015140686.tif 000032
【図１０】
2015140686.tif 000033
【図１１】
2015140686.tif 000034
【図１２】
2015140686.tif 000035
【図１３】
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