JP2006009860A - 圧力脈動抑制弁、圧力脈動抑制弁の弁体、および弁の交換方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流体通路2の壁面3に設けられた弁座4と、弁座4に対して弁座4の軸線方向上流側から当接して流体通路2を閉じる弁体5とを備え、弁体5は、弁座4に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体5の内部に中心を有する曲率の曲面になっている縮流部6と、縮流部6から流体通路2の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体5の外部に中心を有する曲率の曲面になっている逆曲率部7とを備えている。
【選択図】図1
Description
実際のプラントにおける主蒸気加減弁は直径数十cmで、流体も蒸気が用いられており、本実験とはスケール・作動流体が異なる(弁体径φ60、流体:空気)。また、圧力も実機では約7MPa、本実験は最大0.5MPaで異なり、弁形状も実験では実機の形状よりも単純化されている。そのため、実機における流れの状態を完全に再現する事は出来ないが、流れ場を支配するパラメータを実機に近づけ基本的な流れ場を模擬する事で、実機に起こりうる不安定現象を把握する事は可能であると言える。
弁座形状を変化させた時の流れ場の変化について述べる。なお、中間開度の時に弁体に生じる圧力脈動を表1に示す。
図6に実験装置の概略図(図6(a))及びテストセクションの拡大図(図6(b))を示す。蒸気加減弁を模擬した弁体・弁座を有するテストセクションに高圧の空気を送り込んで、外部へと放出される。また、弁体と弁座がちょうど接した部分を起点とし、そこから弁を開く方向に動かした距離をリフト量と定義する。
図9(a)〜(d)は、リフト量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中●は弁体部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。変動の発生の有無は、測定した圧力の平均値と標準偏差σを求め、測定の平均値よりも3σ以上離れている値が、測定結果から判断して1.5%以上あるものを、変動が発生している条件とした。なお、弁座半径90mm(弁座/弁体半径比3.0)の時は、リフト量を0mmから増加させて実験した時はスパイク状の変動が発生し、大開度から減少させて実験した時は安定した流れ場になるというヒステリシスが見られたので、保守側の結果としてスパイク状の圧力脈動が発生した時の値を採用した。図から、今回実験を行った全ての弁座の形状において、特定のリフト量の領域でスパイク状の圧力脈動が発生し、流入圧力が小さいほど変動が発生するリフト量の領域が広く、その圧力脈動の大きさが小さくなっていることが分かる。また、全ての流入圧力条件において、圧力脈動が発生している時、変動の発生位置がリフト量の増加と共に弁体部分から弁座部分へと移行しており、圧力脈動の位置がリフト量の増加と共に配管壁面側に移動しているという事がここからも分かる。弁座形状の変化の影響を見てみると、弁座半径が21〜39mm(弁座/弁体半径比0.7〜1.3)の範囲では流れ場の状態に殆ど変化は見られない。弁座半径を90mm(弁座/弁体半径比3.0)まで大きくすることで、ようやくスパイク状の圧力脈動が発生する領域が狭くなり、その大きさも小さくなったが、完全にスパイク状の圧力脈動を抑制する事は出来なかった。
弁体形状を変化させた時の流れ場の変化について述べる。
図12(a)〜(b)に、実験を実施した弁体形状の概略図を示す。弁体は、半球状の弁体形状(通常弁、normal valve)の他に、通常弁と同形状で45°の位置で切り落とした切断弁(cut valve)、45°の位置まで通常弁と同形状でその後の部分を半径18.4mmで逆に曲率半径を付けた延長弁(extendedvalve)の3種類である。前記(1)で述べたように、弁体形状を変更する事で積極的に弁体付着流を抑制する事を目的としているので、
(a)弁体に流れが沿う事のないようにする(切断弁、cut valve)
(b)弁体に流れが沿ったとしても、弁体通過後の流れが衝突することなく下流へと流れていく(延長弁、extended valve)
という考え方で2形状を決めた。ただし、シート径は通常弁と同じであり、リフト量に対して流れる質量流量は3形状とも同じである。また、弁座の形状に関しては、弁座/弁体半径比が最も小さな弁座(弁座半径=21mm、弁座/弁体半径比=0.7)形状と、最も弁座/弁体半径比が大きな弁座半径90mm(弁座/弁体半径比=3.0)の2種類で実験を実施した。新形状弁はその形状から弁体部に静圧孔を設けても乱れの少ない超音速領域しか測定できないため、以降の結果で示される圧力脈動は全て弁座壁面側(B1〜B4)の値である。
図13(a)〜(c)は質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である(弁体部には静圧孔を設けていないため、弁体部に変動が発生した条件は考慮していない)。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。図から、切断弁の変動発生領域は、弁座半径が21mm(弁座/弁体半径比0.7)の弁座での実験では、通常弁でスパイク状の圧力脈動が発生している領域と殆ど変化が無く、その変動の大きさにもあまり差がない。一方、延長弁では測定した全域においてスパイク状の圧力脈動は発生しておらず、安定した流れ場を形成している。
図17(a)〜(c)は質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である(弁体部には静圧孔を設けていないため、弁体部に変動が発生した条件は考慮していない)。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。図から、切断弁・延長弁ともに実験の範囲全域でスパイク状の圧力脈動は発生しておらず、安定した流れ場を形成している事が分かる。
表3に弁体・弁座形状が流れ場に与える影響をまとめておく。表からも明らかなように、通常弁では弁座形状を大きく変更(弁座/弁体半径比0.7→3.0)しても、弁体付着流によるスパイク状の圧力脈動を抑制する事が出来ない。また、切断弁では弁座/弁体半径比が3.0の時には弁体付着流を抑制する事は出来たが、弁座/弁体半径比0.7の時は、通常弁とほぼ同じ領域でスパイク状の圧力脈動が発生している。しかし、長尺弁を用いることで、弁座/弁体半径比に関係なく弁体付着流を抑制でき、安定した流れ場を形成できる事が判明した。
2 流体通路
3 流体通路の壁面
4 弁座
5 弁体
6 縮流部
7 逆曲率部
10 シート位置(弁座に当接する部分)
L3 弁座の軸線
Claims (4)
- 流体通路の壁面に設けられた弁座と、前記弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して前記流体通路を閉じる弁体とを備え、前記弁体は、前記弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が前記弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、前記縮流部から前記流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が前記弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備えることを特徴とする圧力脈動抑制弁。
- 前記縮流部と前記弁座との間の隙間によって前記流体の流量が決定されることを特徴とする請求項1記載の圧力脈動抑制弁。
- 流体通路の壁面に設けられた弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して前記流体通路を閉じる弁体であって、前記弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が前記弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、前記縮流部から前記流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が前記弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備え、前記縮流部と前記弁座との間の隙間によって前記流体の流量を決定することを特徴とする圧力脈動抑制弁の弁体。
- 既存設備に設置されており、流体通路の壁面に設けられた弁座と、前記弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備える弁の交換方法において、前記弁座を交換することなく前記弁体を請求項3記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換することを特徴とする弁の交換方法。
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