(57)【要約】【課題】  弁開度を大きくして絞り圧力損失を低減でき、かつ急速閉鎖できる弁装置を得ることにある。【解決手段】弁本体１１と、前記弁本体１１の内部に収容された弁体１４と、前記弁本体１１の内部に設けられ、弁閉時に前記弁体１４と接する弁座１３と、前記弁体１４と接続され、摺動部が前記弁本体１１に取り付けられた弁蓋１２を貫通する弁棒１５と、前記弁棒１５と連結されたピストン１６を収納し、このピストン１６の移動により前記弁棒１５を介して前記弁体１４を前記弁座１３に対し開閉移動させるシリンダ１７と、前記シリンダ１７内に配置され、第１バネ２１及び第２バネ２３を含む閉鎖用バネ５０とを備え、弁全閉からの弁開時よりも、予め定められた途中開度より大きな弁開度で、前記閉鎖用バネ５０の全体のバネ定数が大きくなるようにしたことを特徴とする弁装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁本体と、
前記弁本体の内部に収容された弁体と、
前記弁本体の内部に設けられ、弁閉時に前記弁体と接する弁座と、
前記弁体と接続され、摺動部が前記弁本体に取り付けられた弁蓋を貫通する弁棒と、
前記弁棒と連結されたピストンを収納し、このピストンの移動により前記弁棒を介して前記弁体を前記弁座に対し開閉移動させるシリンダと、
前記シリンダ内に配置され、第１バネ及び第２バネを含む閉鎖用バネとを備え、
弁全閉からの弁開時よりも、予め定められた途中開度より大きな弁開度で、前記閉鎖用バネの全体のバネ定数が大きくなるようにしたことを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記第１バネと第２バネが直列に配置されていることを特徴とする請求項１記載の弁装置。
【請求項３】
前記第１バネと第２バネが並列に配置されていることを特徴とする請求項１記載の弁装置。
【請求項４】
前記弁体のストロークをＬ、前記弁座のシート径をＤｏとするとき、弁全開時は、
Ｌ／Ｄｏ≧０．２０
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の弁装置。
【請求項５】
前記弁体は、前記弁体と前記弁座との間に形成される部分の断面積を蒸気通路断面積としたとき、この蒸気通路断面積が前記弁座の断面積よりも大きくなるストロークまで動くことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば蒸気タービンの蒸気入口に設けられる蒸気加減弁のような弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、蒸気タービンプラントの系統図である。
【０００３】
ボイラ７００からの蒸気は主蒸気止め弁７０１、蒸気加減弁７０２を通過し高圧タービン７１０で仕事をしたあと、逆止弁７０７を経由して再びボイラ７００の再熱器にて加熱され、再熱蒸気止め弁７０３、インターセプト弁７０４を経て中圧タービン７１１、低圧タービン７１２へ流入し仕事をする。低圧タービン７１２の後は復水器７１３にて水に戻され、給水ポンプ７１４にて昇圧して再びボイラ７００に供給されるように循環する。
【０００４】
また、プラントの運用効率を高めるために、プラントによっては主蒸気止め弁７０１の蒸気入口側とボイラ７００の再熱蒸気入口側との間に接続された高圧タービンバイパス弁７０５を備えたバイパスや、ボイラ７００の再熱蒸気の出口側と復水器７１３との間に接続された低圧タービンバイパス弁７０６を備えたバイパスが設置され、タービンの運転に係わらずボイラ系統単独の循環運転が出来るようになっている。
【０００５】
図７は、蒸気タービンに使用されている従来の蒸気弁装置の説明図である。
【０００６】
蒸気タービンの非常時等に、蒸気タービンに流入する蒸気を瞬時に止めることができる主蒸気止め弁７０１と、蒸気流量を制御するための蒸気加減弁７０２を示す。
【０００７】
主蒸気止め弁７０１の弁本体１０１は、その側方部と蒸気加減弁７０２とが連結連通されている。弁本体１０１の上端部には弁蓋１０２が設けられ、弁本体１０１内方部には隆起状をなす弁座１０４が設けられ、その弁座１０４に当接する弁体１０５が収容されている。弁体１０５の弁棒１０６は、弁本体１０１を貫通して油筒１０７内に組み込まれている。油筒１０７内にはピストン１１０とバネ１０９が配置されており、このピストン１１０の下部には給油口を兼ねた排油口１０８が設けてある。この排油口１０８には図示しないサーボ弁やダンプ弁等の油圧機器が接続されている。
【０００８】
蒸気加減弁７０２の弁本体２０１は、その側方部が主蒸気止め弁７０１と連結連通されており、弁本体２０１上端部に弁蓋２０２を有し、弁本体２０１内方部に隆起状をなす弁座２０３が設けられ、その弁座２０３に当接する弁体２０４が収容されている。弁体２０４の弁棒２０５は、弁蓋２０２を貫通して油筒２０７内に組み込まれている。油筒２０７内にはピストン２０６とバネ２０９が配置されており、このピストン２０６の下部には給油口を兼ねた排油口２０８が設けてある。この排油口２０８には図示しないサーボ弁やダンプ弁等の油圧機器が接続されている。
【０００９】
図示しないボイラ等からの蒸気流は、主蒸気止め弁７０１の油筒１０７内に油圧が作用することにより、弁棒１０６を介して弁体１０５が上下動し、主蒸気止め弁７０１は開閉動作をなし、開動作時に蒸気が入口Ｉから流入する。同様に油筒２０７内に油圧が作用することによって、弁棒２０５を介して弁体２０４が上下動し、蒸気加減弁７０２は開閉動作をなし、その開閉動作によって、蒸気流量の制御がなされ、開動作時に蒸気が出口Ｏから流出し、図示しない蒸気タービンへと流れる。
【００１０】
図４は、負荷遮断のような非常事態が発生した場合の油筒２０７の急速閉鎖時間特性を示したもので、縦軸はピストン２０６のストローク、横軸は蒸気加減弁７０２の全開から全閉までの急速閉鎖時間を表している。
【００１１】
図４の曲線ａは従来の特性を示している。弁全開のピストンストロークがＬ１の時、図示しない蒸気タービンの制御装置から急閉動作指令が入力されると、図示しないサーボ弁やダンプ弁が動作するとともに、バネ２０９の復元力によりピストン２０６の下部の油が排油口２０８から放出され、時間Ｔ秒後に弁は全閉となる。
【００１２】
なお、蒸気止め弁７０１の油筒１０７についても、蒸気加減弁７０２の動作と同様であるため、説明を省略する。
【００１３】
ここで弁全開とは、弁体と弁座が接する弁座シート径をＤｏ、弁体のストロークをＬとした時、約
Ｌ／Ｄｏ＝０．２
を上限に設定されている。この為、弁体と弁座の間に形成される蒸気通路を通過する蒸気が弁体と弁座で絞られるように作用しており、当該部での絞り圧力損失が存在していた。
【特許文献１】特開平９−７２４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
最近の蒸気タービンでは、性能向上（効率向上）が強く求められている。
【００１５】
ところで、この蒸気タービンの効率の内訳として、蒸気タービンそのものの内部効率もあるが、蒸気タービンの入口に設置された蒸気弁の絞り圧力損失が、熱力学に有効な仕事をする前の蒸気タービン入口の蒸気圧力を低下させ、結果的に蒸気タービンの効率に大きな影響（効率低下）を与えていた。
【００１６】
蒸気弁の絞り圧力損失を低減させるには、弁開度を増加させればよい。しかし、蒸気タービンに負荷遮断のような非常事態が発生した場合、蒸気タービンのオーバースピード抑制のために、タービンに流入する蒸気を遮断する必要があり、蒸気弁を短時間で急速に閉鎖させなければならず、無制限に弁開度を大きくすることは出来ない。従来の構造では、弁を大きく開けるために油筒への給油量を増加させる必要があるが、弁急閉時に閉鎖用バネの戻りに時間がかかるため、弁体が弁座に当接するまでに時間がかかり、急速閉鎖することができなかった。
【００１７】
本発明の目的は、弁開度を大きくして絞り圧力損失を低減でき、かつ急速閉鎖できる弁装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明における弁装置は、弁本体と、前記弁本体の内部に収容された弁体と、前記弁本体の内部に設けられ、弁閉時に前記弁体と接する弁座と、前記弁体と接続され、摺動部が前記弁本体に取り付けられた弁蓋を貫通する弁棒と、前記弁棒と連結されたピストンを収納し、このピストンの移動により前記弁棒を介して前記弁体を前記弁座に対し開閉移動させるシリンダと、前記シリンダ内に配置され、第１バネ及び第２バネを含む閉鎖用バネとを備え、弁全閉からの弁開時よりも、予め定められた途中開度より大きな弁開度で、前記閉鎖用バネの全体のバネ定数が大きくなるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、シリンダに、弁の開度を大きくしても弁を急閉できる閉鎖用バネを設けたので、弁の開度を大きくし、絞り圧力損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の組み立て断面図である。蒸気加減弁を例に説明する。
【００２２】
蒸気加減弁１０は、弁本体１１と、この弁本体１１の内方部に隆起状をなす弁座１３と、この弁座１３に当接する弁体１４と、この弁体１４と接続し、摺動部を備える弁棒１５と、弁本体１１の上端部に弁棒１５の摺動部を貫通させる弁蓋１２とを有している。
【００２３】
弁体１４は、弁棒１５を介してシリンダとしての油筒１７内のピストン１６に連結されている。油筒１７内には、ピストン１６が配置されており、このピストン１６の反弁棒１５側と油筒１７の端面側にバネ受２２が配置されている。そしてこのバネ受２２とピストン１６の対向面間に第１バネ２１が配置されている。また、バネ受２２と油筒１７の端面間に、第１バネ２１の例えば２倍のバネ定数を有する第２バネ２３が、第１バネ２１と直列に配置されている。ピストン１６の反弁棒１５側面には、バネ受２２に向かうピストン１６に一体化されたストッパー２４が設けられている。すなわち、本実施の形態では、油筒１７内のピストン１６の反弁棒側に第１バネ２１、第２バネ２３、バネ受２２、およびストッパー２４が設けられて閉鎖用バネ５０を形成している。油筒１７の弁体１４側の側面には給油口を兼ねた排油口１８が設けられ、この排油口１８には図示しないサーボ弁やダンプ弁等の油圧機器が接続されている。
【００２４】
また、本実施の形態における弁装置については、弁蓋１２の一部が弁本体１１の内部に突出するように形成され、その突出部に弁体１１が全開した時に弁体１１を内部に収納するチャンバー３０を形成している。弁体１４は、弁座１３との対向面の縁辺に、エッジ１４１を備えた凹陥部１４２が形成されている。
【００２５】
ボイラ等からの蒸気流は、図示しない蒸気止め弁から流入し、蒸気加減弁１０の出口Ｏから流出する。そして油筒１７内のピストン１６には閉鎖用バネ５０による復元力が作用しているから、油圧機器からの油圧が排油口１８を介してピストン１６に作用し、または、排油口１８から油が流出することにより、弁棒１５を介して弁体１４は上下動し、蒸気加減弁１０が開閉動作をなし、その開閉動作によって、蒸気流量の制御がなされ図示しない蒸気タービンへと流れる。
【００２６】
ここで、弁体１４と弁座１３で構成される蒸気通路部の説明を図２、図３を用いて行う。
【００２７】
弁座シート径（Ｄｏ）における弁座断面積（Ａ１）は
Ａ１＝π／４  x  Ｄｏ2
で求められ、弁体１４のストローク（Ｌ）に係わりなく常に一定の固有値である。
【００２８】
弁体１４のストロークがＬの時、弁体１４と弁座１３によって構成される蒸気通路断面積（Ａ２）は、幾何学的にその最小値、すなわち最小絞り断面積を求めることが出来る。
【００２９】
即ち、図２、図３において、弁体１４と弁座１３で構成された蒸気通路には無数の円錐台が仮想され、その円錐台の上底面と下底面を除いた外表面積の最も少ない部位がそのストロークＬにおける最小値、すなわち最小絞り断面積であり蒸気通路断面積（Ａ２）となり、次式で表される。
【００３０】
ここで円錐台の下底面の半径をＲ1、上底面の半径をＲ２、高さをｈとする。
【００３１】
Ａ２＝π  x  （（ｈ2＋（Ｒ１−Ｒ２）2）1/2  x  （Ｒ１＋Ｒ２）
以上の説明から、弁体１４と弁座１３にて構成される蒸気通路部において、全開状態の弁開度では最小絞り部を常に一定の固有値である弁座断面積（Ａ１）となるように設定することが好ましい。
【００３２】
また、本実施の形態においては、全開の概念を従来装置における全開よりも大きく弁を開けた状態を言い、弁体１４のストロークＬを、
Ｌ／Ｄｏ≧０．２
の範囲に設定している。
【００３３】
これにより、弁体１４と弁座１３にて構成される蒸気断面通路Ａ２は弁座シート径における弁座断面積Ａ１よりも大きくなるため、絞り圧力損失を低減することができる。
【００３４】
このように、弁体１４のストロークを増加させれば、弁体１４の開度を従来装置における全開よりも大きく開くことができるが、ここで蒸気タービンに負荷遮断のような非常事態が発生した場合、蒸気タービンのオーバースピード抑制のために、流入する蒸気を遮断しなくてはならないので、蒸気弁を急速閉鎖させる必要があることから、予め定められた途中開度よりも大きい開度のときに、油筒１７に設置された閉鎖用バネ５０のバネ定数を、従来のバネのバネ定数よりも、全体として大きくしている。
【００３５】
上述の通り、本実施の形態では、閉鎖用バネ５０は第１バネ２１と第２バネ２３を組合せた構成となっている。弁体１４が全閉の時、油筒１７内に排油口１８から油圧を作用させると、ピストン１６は、最初に主にバネ定数の小さい第１バネ２１を圧縮しながら開弁を開始し、ストッパー２４がバネ受２２に接触するまで開弁する。ストッパー２４がバネ受２２に接触した後は、ピストン１６とストッパー２４とバネ受２２と第１バネ２１が一体（剛体）となる。さらにピストン１６に油圧が作用すると、今度はバネ定数の大きい第２バネ２３をも圧縮しながら開弁するように動作する。
【００３６】
これにより、弁体１４は、図１に示すように全開状態となる。
【００３７】
図４は、負荷遮断のような非常事態が発生した場合の油筒１７の急速閉鎖時間特性を示したもので、縦軸はピストンストローク、横軸は蒸気加減弁１０の全開から全閉までの急速閉鎖時間を表している。
【００３８】
図４の曲線ｂは本実施の形態における特性を示している。弁体１４の開度を従来以上に大きくしてあるため、油筒１７のピストン１６のストロークを増加した弁全開のピストンストロークがＬ２の時、蒸気タービンの制御装置から急閉動作指令が入力されると、油筒１７に連通するサーボ弁やダンプ弁が動作して排油口１８を開口状態とし、図１の状態から閉鎖用バネ５０のうちの第１バネ２１と第２バネ２３の復元力によりピストン１６が弁本体方向に移動し、油筒１７内の油が排油口１８から放出され、時間Ｔ秒後に全閉となる。
【００３９】
ここで急速閉鎖時間は、従来の特性を示す曲線ａと本実施の形態における特性の曲線ｂは同一の時間Ｔ秒後に全閉となるように設定されている。
【００４０】
本実施の形態における特性を示した図４の曲線ｂは、特性の途中に折点が存在している。この折点は開弁時では、主に第１バネ２１を圧縮しながら開弁を開始した後、ストッパー２４がバネ受２２に接触するまでのピストンストロークＬ０の点である。
【００４１】
すなわち、本実施の形態において、急速閉鎖時間が従来と同じＴ秒後に全閉とするために、バネ定数の大きな第２バネ２３を追加し、ピストンストロークの増加分（Ｌ２−Ｌ１）による閉鎖時間の増加を相殺するように構成されており、閉鎖用５０全体としては途中開度以下の弁開度でバネ定数が小さくなるようになっている。更には急速閉鎖時の弁体１４の衝撃力が弁座１３に作用するが、全閉近傍で閉鎖速度が低下するので弁座１３に作用する衝撃力が大幅に緩和される。
【００４２】
一方、蒸気弁は、弁体１４が開き始める直前の全閉位置において、弁体１４には最大の差圧が作用するので弁体１４を開弁するための大きな駆動力が要求される。このような要求に対して、弁体１４が開き始める全閉点から常に第２バネ２３のみによる大きな復元力が作用することになると、ピストン１６の口径も増大させる必要がある。しかし、本実施の形態では、閉鎖用バネ５０を複数の組合せで構成し、弁開度が小さい時にバネ定数の小さい第１バネ２１を作用させることで全体としてのバネ定数を小さくしている。そして、弁開度が大きくなるとともに弁体１４の下流を通過する蒸気量が多くなると、その蒸気圧力により、弁体１４を開方向に動かしやすくなるので、その後、バネ定数の大きい第２バネ２３の復元力を作用させるように構成されている。よって、ピストン１６の口径も大きな設計変更が生じず、従来と同一にすることが可能である。
【００４３】
このように本実施の形態においては、負荷遮断時等に、蒸気タービンがオーバースピードとならないように弁を急速閉鎖することができる。弁を急速閉鎖できることによって、弁を従来装置の全開状態よりもさらに大きく開けることが可能となり、蒸気加減弁の絞り圧力損失を低減することができる。これにより、蒸気タービンの効率を向上させることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、第２バネ２３のバネ定数を、第１バネ２１のバネ定数の２倍としているが、第１の閉鎖用バネのバネ定数よりも大きければよく、弁装置の急速閉鎖特性に応じて適宜決定される。
【００４５】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る弁装置の示す組み立て断面図である。
【００４６】
第１の実施の形態においては、閉鎖用バネ５０の第１バネと第２バネをそれぞれ直列に配置したが、本実施の形態においては、第１バネと第２バネをそれぞれ並列配置とした閉鎖用バネ５０とした点が相違する。そして第１の実施の形態と同様箇所の説明は省略する。
【００４７】
弁体１４は、弁棒１５を介して油筒５０７内のピストン５０６に連結されている。油筒５０７内には、ピストン５０６が配置されており、第１の実施の形態と同様に、ピストン５０６の反弁棒側に閉鎖用バネ５０が設けられる。ピストン５０６の反弁棒１５側に一体化されたストッパー５２４が設けられている。このストッパー５２４と油筒５０７端面側との間に第１バネ５２１が配置されている。この第１バネ５２１よりも外側で、ストッパー５２４と油筒５０７端面側との間にバネ受５２２が配置されている。そして、このバネ受５２２と油筒５０７端面側との間に、第１バネ５２１の例えば２倍のバネ定数を有する第２バネ５２３が第１の閉鎖用バネとは並列に配置されている。すなわち、本実施の形態に係る閉鎖用バネ５０は、第１バネ５２１、第２バネ５２３、バネ受５２２、およびストッパー５２４から構成されている。油筒５０７の弁体１４側の側面には給油口を兼ねた排油口５０８が設けられ、この排油口５０８には図示しないサーボ弁やダンプ弁等の油圧機器が接続されている。
【００４８】
弁体１４が全閉の時、油筒５０７内に排油口５０８から油圧を作用させると、ピストン５０６は、閉鎖用バネ５０のうち、最初にバネ定数の小さい第１バネ５２１を圧縮しながら開弁を開始し、ストッパー５２４がバネ受５２２に接触するまで開弁する。ストッパー５２４がバネ受５２２に接触した後は、ピストン５０６とストッパー５２４とバネ受５２２とが一体となる。さらにピストン５０６に油圧が作用すると、その後は第１バネ５２１と、バネ定数の大きい第２バネ５２３の両方を圧縮しながら開弁するように動作する。
【００４９】
これにより、弁体１４は、図５に示すように全開状態となる。
【００５０】
これによって、予め定められた途中開度より大きい弁開度のときに、閉鎖用バネ５０の全体としてのバネ定数が大きくなるので、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
なお、本実施の形態においては、第２バネ５２３のバネ定数を第１バネ５２１のバネ定数の２倍としているが、予め定められた途中開度よりも大きい弁開度にて、閉鎖用バネ５０全体のバネ定数が大きくなればよく、弁装置の急速閉鎖特性に応じて適宜決定される。
【００５２】
これらの実施の形態においては、説明図のバネは圧縮コイルバネにて作図しているが、更にコンパクトな皿バネ等を使用してもよい。また、上記各実施形態では、閉鎖用バネを第１バネと第２バネの２つの組合せとして構成したが、２つ以上の複数のバネを適宜直列あるいは並列に組合せて構成し、閉鎖用バネの全体としてのバネ定数が多段階に変化する構成としてもよい。
【００５３】
また、これらの実施の形態においては、油筒を弁棒に直結した直動型の構造を示しているが、レバーを介した駆動機構でもよい。
【００５４】
また、これらの実施の形態においては、弁体１４の先端に振動の発生を防止する目的でエッジ１４１を形成した構造を示しているが、例えば運用パターンや使用する蒸気条件等を勘案することにより、通常の球面体すなわちボール弁型にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の組み立て断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の蒸気通路部の説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の蒸気通路部の説明図。
【図４】従来と本発明の第１の実施の形態に係る弁装置の急速閉鎖特性の説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る弁装置の組み立て断面図。
【図６】蒸気タービンプラントの系統図。
【図７】従来の一体型蒸気弁の組み立て断面図。
【符号の説明】
【００５６】
１０、７０２…蒸気加減弁、１１、１０１、２０１…弁本体、１２、１０２、２０２…弁蓋、１３、１０４、２０３…弁座、１４、１０５、２０４…弁体、１５、１０６、２０５…弁棒、１６、１１０、２０６、５０６…ピストン、１７、１０７、２０７、５０７…油筒、１８、１０８、２０８、５０８…排油口、２１、５２１…第１バネ、２２、５２２…バネ受、２３、５２３…第２バネ、２４、５２４…ストッパー、３０…チャンバー、５０…閉鎖用バネ、１０９、２０９…バネ、１４１…エッジ、１４２…凹陥部、７００…ボイラ、７０１…主蒸気止め弁、７０３…再熱蒸気止め弁、７０４…インターセプト弁、７０６…低圧タービンバイパス弁、７０７…逆止弁、７１０…高圧タービン、７１１…中圧タービン、７１２…低圧タービン、７１３…復水器、７１４…給水ポンプ、Ｄｏ…弁座のシート径、I…入口、Ｏ…出口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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