(57)【要約】【課題】蒸気弁装置のガイド部材とブッシュの線膨張係数の差から前記ガイド部材とブッシュ間に酸化スケールＳが堆積し、弁の冷機時に前記堆積した酸化スケールＳによってブッシュの内径が大きく収縮し、ブッシュが弁棒を締め付けることに起因する弁棒のスティックを防止する。【解決手段】蒸気弁装置において、弁装置の冷機時にガイド部材８およびブッシュ９間に堆積した酸化スケールＳによってガイド部材８のブッシュ９に対する嵌合締め代が増加したときにガイド部材８からブッシュ９への嵌合面となる外周部が弾性変形するように、ブッシュ９の外周部に任意の傾斜角度θを持たせた溝９１を設けたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁ケーシング内の弁座に対向配置された弁体を駆動する弁棒と、前記弁ケーシングに固定された弁棒用ガイド部材と、前記弁棒用ガイド部材の内周部に嵌合配置されて前記弁棒を摺動可能に支持する円筒状のブッシュとを備えた蒸気弁装置において、
前記ブッシュの外周部に径方向に対して任意の傾斜角度を有する溝を設け、当該ブッシュの外周部を弾性変形可能にしたことを特徴とする蒸気弁装置。
【請求項２】
前記ブッシュの外周部に設けた溝は、長手方向に複数列設けた環状溝または螺旋状溝であることを特徴とする請求項１記載の蒸気弁装置。
【請求項３】
前記ブッシュの外周部に設けた溝は、当該ブッシュの径方向に対して４５°以下の傾斜角度を有する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】
前記ブッシュの外周部に設けた溝の相互間に残存する歯状の接触片に対して、円周方向に沿って複数個のスリットを設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の蒸気弁装置。
【請求項５】
前記ブッシュは、長手方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の蒸気弁装置。
【請求項６】
複数個の前記ブッシュを、溝の傾斜角度が互いに逆向きとなるように前記ガイド部材に嵌合することを特徴とする請求項５記載の蒸気弁装置。
【請求項７】
前記ブッシュの内周面に保護皮膜処理層または表面硬化処理層を施したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の蒸気弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンプラントなどに用いられる蒸気弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８乃至図１１は従来技術における各部の状態変化を示す説明図であって、弁棒のスティック発生メカニズムを示す説明図である。  
図８に示す高温蒸気弁装置の弁棒部では、弁棒７の移動を案内し、かつ摺動部の蒸気をシールする弁棒用ガイド部材（以下、ガイド部材）８の内側にブッシュ９を嵌合配置し、このブッシュ９の内周面で弁棒７を摺動させるように構成している。そして、弁棒部の組立時には図８に示すように、ブッシュ９とガイド部材８間には間隙が無く、ブッシュ９と弁棒７間には酸化スケールＳの発生を考慮して間隙を設けている。この状態であれば、弁棒７はブッシュ９に拘束されることなく、スムーズに動作することが可能である。
【０００３】
次に、使用時に高温蒸気が流入して弁装置全体が高温状態になると、図９に示すように、ガイド部材８およびブッシュ９それぞれの部材は共に熱膨張する。このとき、ブッシュ９とガイド部材８の材質が異なっている場合には、それぞれの線膨張係数の差から、ブッシュ９とガイド部材８との間に間隙が生じる。
【０００４】
前述のごとく、ブッシュ９とガイド部材８との間に間隙が発生した状態で、高温雰囲気中での使用が継続されると、弁棒７、ブッシュ９およびガイド部材８の表面に図１０に示すように、酸化スケールＳが発生し、これが次第に堆積して間隙を埋めていくことになる。
【０００５】
その後、酸化スケールＳが堆積した状態で弁の使用を停止し、弁が冷却（弁の冷機時）されていくと、ガイド部材８、ブッシュ９の各部材が収縮し、に戻ろうとする力が働く。この場合、図８の状態に比べてブッシュ９とガイド部材８との間に堆積した酸化スケールＳの分だけ、ガイド部材８のブッシュ９に対する嵌合締め代が増加した状態となり、ブッシュ９をその直径方向の中心に向かって圧縮する作用を惹き起こすことになる。
【０００６】
前述のごとく、ブッシュ９の内周面と弁棒７との間には酸化スケールＳの堆積を考慮した間隙Ｇを設けてブッシュ９と弁棒７の固着を防止しているが、図１１に示すように、弁装置の冷機時にブッシュ９が直径方向の中心に向かって圧縮され内径が収縮すると、さらにブッシュ９と弁棒７間の間隙Ｇが小さくなり、ブッシュ９が弁棒７を締め付け、弁棒７のスティックを惹き起こすことが懸念される。
【０００７】
一方、高温高圧の蒸気のもとで用いられる蒸気弁装置は、可動する弁棒７とブッシュ９間の間隙Ｇは蒸気リークおよび弁棒７の振動抑制のために、できるだけ小さくする必要がある。
【０００８】
このような問題に対処するため、例えば特許文献１では、前記ガイド部材８とブッシュ９の嵌合部に突起を設け、この突起を介して前記ガイド部材８とブッシュ９とを部分的に嵌合させるように構成した技術が開示されている。  
また特許文献２では、前記ガイド部材８とブッシュ９の嵌合部において、ブッシュ９の外周面に耐酸化性の被膜を設ける技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１９３４０４号公報
【特許文献２】特開平８−９３４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、弁棒７はその強度、酸化スケールＳの発生の防止を考慮して１２Ｃｒ鋼等により形成され、さらに弁棒７を摺動支持するブッシュ９も弁棒７と同じ材料で形成されているが、ガイド部材８は弁ケーシング１との取り合いの関係で、弁ケーシング１と同じ低合金鋼で形成されているため、ブッシュ９とガイド部材８との間には、その線膨張係数の差から前記間隙が生じることになる。
【００１１】
そこで、従来、ブッシュ９や弁棒７の材料を１２Ｃｒ鋼から、ニッケル−クロム−鉄が主成分のＮｉ基合金のインコロイ（登録商標）に換えたり、弁棒７の表面をステライト（登録商標）盛りするなど、弁棒７が高温蒸気に触れても酸化スケールが発生しないような対策が講じられているが、これらは全て弁棒７とブッシュ９との間の酸化スケールＳの発生を防止しようとする対策にほかならない。
【００１２】
近年、エネルギー問題等の観点から火力発電プラント及びその設備に対する高効率化が求められており、このような高効率化への需要の高まりを受け、蒸気温度６００℃以上の火力発電プラントが建設され、更には蒸気温度７００℃以上の火力発電プラントの検討が開始されている。
【００１３】
このような蒸気温度の高温化に伴い、前記従来技術ではそのいずれもガイド部材８とブッシュ９の線膨張係数の差から高温状態での使用時に両者間に間隙が生じ、これに伴いガイド部材８とブッシュ９間に酸化スケールＳが堆積し、これが弁の冷機時に各部材が収縮したとき、前記堆積した酸化スケールＳの分、ブッシュ９を径方向の中心に向かって圧縮し、このためブッシュ９の内径が収縮し、ブッシュ９がその内面全体で弁棒７を締め付けることによって惹き起こされる弁棒７のスティック事象がますます顕著に発生するという問題がある。
【００１４】
また、従来の弁ケーシング１やガイド部材８の材料として使用されてきた低合金鋼、特にそれがフェライト系耐熱鋼では６００℃以上の蒸気温度条件下で使用した場合の酸化スケールの成長が特に顕著となることが知られており、ますますガイド部材８とブッシュ９間の酸化スケールＳの堆積量が増加するという問題も懸念される。
【００１５】
そこで、本実施形態は、弁の高温状態での使用時にガイド部材とブッシュ間に堆積した酸化スケールによって弁装置の冷機時にガイド部材とブッシュとの嵌合締め代が増加し、ブッシュが弁棒を締め付けることによって弁棒のスティック事象の発生を防止するようにした蒸気弁装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本実施形態によれば、弁ケーシング内の弁座に対向配置された弁体を駆動する弁棒と、前記弁ケーシングに固定された弁棒用ガイド部材と、前記弁棒用ガイド部材の内周部に嵌合配置されて前記弁棒を摺動可能に支持するブッシュとを備えた蒸気弁装置において、前記ブッシュの外周部に径方向に対して任意の傾斜角度を有する溝を設け、当該ブッシュの外周部を弾性変形可能にしたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す要部の拡大断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態で採用したブッシュの機能を説明するための一部拡大断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態で採用したブッシュの一部拡大平面図。
【図５】図４に示したブッシュの正面図。
【図６】本発明の第３の実施形態で採用したブッシュの一部拡大断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態を示す要部の拡大断面図。
【図８】従来技術における弁装置の組立時の各部の様子を示す図。
【図９】従来技術における弁装置の高温使用状態での各部の様子を示す図。
【図１０】従来技術における弁装置の高温使用状態での酸化スケール発生の様子を示す図。
【図１１】従来技術における弁装置の冷機状態での各部の様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。  
なお、各図を通して、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は適宜省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。  
図１は本実施形態による蒸気弁装置の縦断面図、図２は本実施形態の主要部の拡大断面図、図３はブッシュの機能を説明するための一部拡大断面である。
【００２０】
図１において、１は蒸気弁装置の弁ケーシングであり、図示左側上部に主蒸気入口部２を設け、また反対側の図示右側下部に主蒸気出口部３を設け、さらにこれら主蒸気入口部２および主蒸気出口部３間に弁室４を形成し、この弁室４内に弁座５を配置し、この弁座５に対して上下方向に接離可能に弁体６を配置している。この弁体６は、図示下面部を弁棒７の一端に固定されている。
【００２１】
弁棒７の中間部は弁ケーシング１の下部開口部から弁室４の内部に突出するように形成されている筒状のガイド部材８に冷やし嵌め等の手段により嵌合した円筒状のブッシュ９によって摺動自在に支持されており、他端部は弁ケーシング１の下部に設置されている図示していない駆動部に連結されるようになっている。
【００２２】
ここで、本実施形態の弁棒７およびブッシュ９の材料は、一般の高温蒸気弁装置と同様に互いに類似材料、例えばニッケル、クロム、鉄が主成分のＮｉ基合金（例えば、インコロイ（登録商標））で形成されており、また、弁ケーシング１およびガイド部材８は弁棒７やブッシュ９よりも線膨張係数の大きな材料、例えば、フェライト系耐熱合金で形成されている。
【００２３】
なお、本実施形態のブッシュ９については、詳細を後述するが、筒状のガイド部材８の内周面に嵌合する外周部分が弾性変形できるように、径方向（すなわち、円筒状ブッシュ９の軸方向に直交する方向）に対して任意の角度θだけ下向きに傾斜した環状の溝９１を長手方向に複数列設けている。この溝９１を長手方向に複数列設けた結果、ブッシュ９の外周部には環状の溝９１相互間に櫛の歯の形状の接触片（以下、便宜上「歯」と呼ぶ）９２が残存し、この歯９２によってブッシュ９はガイド部材８の内周面に嵌合される。なお、溝９１の底部は丸みをおびており、溝９１相互間に残存する歯９２が弾性変形しても歯９２の付根にひびが入り難いようにしてある。
【００２４】
図３は、本実施形態のブッシュ９の一部拡大断面図であり、実線はブッシュ９を高温の蒸気のもとで外周部を拘束せずに自由に膨張させたときの形状を示す。これに対して破線はブッシュ９とガイド部材８との線膨張係数の差により、ブッシュ９の歯９２がガイド部材８の内周部によって外側に向かって膨張することを拘束されて下側に弾性変形した様子を示している。  
ここで、δは歯９２の弾性変形量、ｔは歯９２の厚さ、θは溝９１の傾斜角度、Ｄは溝９１の内径寸法、Ｌは歯９２の奥行き長さ（溝９１の深さ）をそれぞれ表す。
【００２５】
なお、以下のｉ〜ivの条件のもと、歯９２の１枚あたりの弾性変形量δから歯９２の厚さｔを試算した結果を以下に示す。  
ｉ．溝の内径寸法（Ｄ）    ・・・１００ｍｍ、
ii．歯の奥行き長さ（Ｌ）  ・・・１０ｍｍ、
iii．歯の弾性変形量（δ）  ・・・０．５ｍｍ（Ｍａｘブッシュ９の直径隙間の半分）、
iv．傾斜角度（θ）        ・・・３０度、
ｖ．歯の厚さ（ｔ）        ・・・１ｍｍ、
【００２６】
なお、諸条件を考慮すると、歯９２の厚さｔは５ｍｍ以下で１〜２ｍｍ程度が好ましい。また、歯９２を弾性変形させるうえでは溝９１の傾斜角度θは±９０°以下の任意の角度を設定することができるが、好ましくは±４５°以下、特に好ましくは±３０°が望ましい。
【００２７】
ところで、本実施形態の蒸気弁装置を組立てた状態では、筒状ガイド部材部８と、円筒状のブッシュ９および弁棒７の位置関係は概ね図２の拡大断面図で示すとおり、ガイド部材８の内周面とブッシュ９の外周面との間の嵌合面には間隙は無く、ブッシュ９と弁棒７間には前述した図１０、１１の酸化スケールＳの発生を考慮した間隙Ｇが存在するような寸法関係になっている。
【００２８】
前述したように、弁棒７およびブッシュ９の材料は、インコロイ（登録商標）等の鉄が主成分のＮｉ基合金（例えば、）形成されており、弁ケーシング１およびガイド部材８は弁棒７やブッシュ９よりも線膨張係数が大きいフェライト系耐熱合金で形成されているため、本実施形態の蒸気弁装置の場合も従来の蒸気弁装置と同様に、使用時に高温蒸気が流入して弁全体が高温状態になると、それぞれの部材が共に熱膨張する。この場合、前掲の図９の如く、ブッシュ９の線膨張係数よりもガイド部材８の線膨張係数の方が大きいので、両者の線膨張係数の差からブッシュ９とガイド部材８との嵌合面に間隙Ｇが生じる。
【００２９】
ブッシュ９とガイド部材８間に間隙Ｇが生じた状態において、高温雰囲気中での使用が継続されると、前掲の図１０と同様にガイド部材８、ブッシュ９および弁棒７の各表面（内外表面の全ての面）に酸化スケールＳが堆積する。
【００３０】
ついで、前掲の図１１と同様に酸化スケールＳが堆積した状態で蒸気弁装置の使用を停止すると、蒸気弁装置全体が冷却され、それによって各部材は収縮する。このとき、ブッシュ９およびガイド部材８間に堆積した酸化スケールＳの分だけガイド部材８のブッシュ９に対する嵌合締め代が増加する。
【００３１】
しかしながら、本実施形態によれば、ブッシュ９の外周面には任意の角度θだけ傾斜した環状の溝９１を長手方向に複数列加工し、溝９１相互間に接触片としての歯９２をブッシュ９の外周面に残しているので、ブッシュ９の外周部は弾性体として機能する。
【００３２】
このため、高温状態での弁装置の使用時に、ガイド部材８とブッシュ９間の間隙に酸化スケールＳが堆積し、弁の冷機時に各部材が収縮するに伴い堆積した酸化スケール分、ガイド部材からブッシュに対する嵌合締め代が増加したとしても、ガイド部材８のブッシュ９に対する圧縮力は、ブッシュ９の外周部に施された歯９２が弾性変形して緩和することからブッシュ９をその直径方向の中心に向かって圧縮する作用を惹き起こすことにならない。従って、弁棒７のスティックを防止することが可能となり、蒸気弁装置の弁棒７の円滑な動作を確保することができる。
【００３３】
本実施形態は、上記のようにガイド部材８に嵌合するブッシュ９の外周部を弾性変形可能に構成したことに加えて、ガイド部材８とブッシュ９の両者の嵌合面に硬質合金を施すようにしてもよい。この場合、ガイド部材８とブッシュ９間に堆積する酸化スケールＳの堆積量を軽減させることができるので、より一層弁棒７を円滑に動作させることが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態は、ガイド部材８に嵌合するブッシュ９の外周部を弾性変形可能に構成したことに加えて、弁棒７との摺接面となるブッシュ９の内周面に表面硬化処理層Ｃを形成し、この表面硬化処理層Ｃをコバルト基合金またはニッケル基合金からなる硬質合金の肉盛により形成するか、またはブッシュ９自体を硬質合金により一体に構成してもよい。
【００３５】
また、前述したブッシュ９の内面の表面硬化処理層Ｃとして、５００℃程度の温度環境下で処理される物理的蒸着法により、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）等の成分及びそれらの組合せたものを含む成分の保護皮膜Ｃを施すようにしてもよい。さらに、前述したブッシュ９の内面の表面硬化処理層Ｃとして、クロムカーバイド層などの熱処理による表面硬化処理を施すことも可能である。
【００３６】
［第２の実施形態］
上述した第１の実施形態では、ブッシュ９の外周部に環状の溝９１を長手方向に沿って複数列設けることによって、溝９１の相互間に残存している歯９２が熱膨張差を吸収するように弾性変形するため、従来の蒸気弁装置に比べて、ブッシュに対する締め付け力を大幅に低減することができるが、もしも、ブッシュ９の歯９２が弾性変形し難い場合には、図４および図５で示すように、歯９２の円周方向に複数個の微細幅のスリット９３を加工するようにしてもよい。
【００３７】
このように歯９２の円周方向に複数個の微細幅のスリット９３を加工することによって前述した第１の実施形態よりも、より一層ブッシュ９外周部の歯９２が弾性変形し易くなる。
【００３８】
［第３の実施形態］
上述した第１の実施形態では、ブッシュ９に施した溝９１の傾斜角度θは、図示上部から下部に向かう向きであるが、図示とは逆方向の上部に向かって傾斜するようにしてもよい。すなわち、図２に示したブッシュ９を逆向きにしてガイド部材８に嵌合するようにしてもよい。
【００３９】
また、図６で示すように、ブッシュ９を長手方向に複数個、例えば９Ａ、Ｂに２分割し、その分割されたブッシュ９Ａと９Ｂの溝９１の傾斜角度が逆向きになるようにしてガイド部材８に嵌合してもよい。  
この第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００４０】
［第４の実施形態］
上述した第１の実施形態では、ブッシュ９に環状の溝９１を軸方向に複数列設けるようにしたが、環状の溝９１に替えて、螺旋状の傾斜溝（図示せず）を設けるようにしても良い。要はブッシュ９の外周部が弾性変形し易ければよい。  
この第４の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００４１】
［第５の実施形態］
以下、第５の実施形態について図面を参照して説明する。  
ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
図７は第５の実施形態を示す要部の拡大断面図であり、弁ケーシング１の内部に、弁棒部の蒸気をシールするガイド部材８が設けられている。
【００４２】
前述した第１の実施形態では、弁棒７の外周面とブッシュ９の内面とが摺接面となっていたが、この第５の実施形態ではブッシュ９を省き、ガイド部材８の内周面に弁棒７を直接摺動可能として構成したものである。
【００４３】
ガイド部材８の内周面には、表面硬化処理層Ｃとして、コバルト基合金またはニッケル基合金からなる硬質合金から成り、硬質合金の肉盛またはガイド部材８自体を硬質合金により一体に構成している。
【００４４】
また、ガイド部材８の内面はその他の表面硬化処理層Ｃとして、５００℃程度の温度環境下で処理される物理的蒸着法により、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、窒素（Ｎ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）等の成分及びそれらの組合せたものを含む成分の保護皮膜を施すことも可能である。
【００４５】
さらには、ガイド部材８の内面はその他の表面硬化処理層Ｃとして、クロムカーバイド層などの熱処理による表面硬化処理を施すことも可能である。  
なお、弁棒７の外周面にも必要に応じて表面硬化処理層Ｃや保護皮膜Ｃを施すようにしてもよい。
【００４６】
この第５の実施形態によれば、ブッシュ９を設けないため、ブッシュ９が弁棒７を締め付け、弁棒７のスティックを惹き起こすような不適合事象をなくすことができるため、弁棒７のスティックを防止することが可能となり、その得られる効果は大きい。
【００４７】
以上説明したとおり、本発明の各実施形態によれば、蒸気弁の弁棒のガイド部材とブッシュの間に酸化スケールが堆積することを防ぐことができ、これによりブッシュの圧縮による弁棒のスティック事象の発生を防止できる。
【符号の説明】
【００４８】
１…弁ケーシング、２…蒸気入口、３…蒸気出口、４…弁室、５…弁座、６…弁体、７…弁棒、８…ガイド部材、９…ブッシュ、９１…溝、９２…歯、９３…スリット、Ｃ…表面硬化処理層、保護皮膜、Ｓ…酸化スケール。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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