JP2014152827A - 開閉弁 - Google Patents

Abstract

【課題】開閉弁において、熱応力の発生を抑制可能とすると共に構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制可能とする。
【解決手段】主蒸気が流通可能な流路１２が設けられるケーシング１１と、ケーシング１１における流路１２の上方に設けられる空間部１３と、流路１２を閉塞する位置と流路１２から空間部１３に退避する位置とに回動可能な弁体２２と、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材としての凹凸部３１とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、蒸気タービンシステムにおける蒸気供給ラインに主蒸気止め弁などとして使用される開閉弁に関するものである。

一般的な蒸気タービンシステムは、ボイラ、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービン、発電機などを有して構成されている。そして、ボイラで発生した主蒸気を高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの順に送り、発電機を駆動して発電を行っている。

このように構成された蒸気タービンシステムにて、主蒸気が６００℃以上の高温となることから、発生した蒸気が各ラインを流れるとき、この各ラインに設けられた各主要弁が高温状態に加熱されることとなる。即ち、蒸気タービンシステムに設けられる主要弁は、ケーシング内に弁体が移動自在に支持され、蓋がボルトにより締結された構造となっている。そのため、メンテナンスなどの観点から蓋に断熱材を設けて完全に保温することができず、ケーシングと蓋との間に温度差が発する。また、ケーシングは、高温の蒸気が流れることから早期に温度が上昇するが、蓋は、この高温の流路から離間していることから、温度が上昇しにくく、この点でも、ケーシングと蓋との間に温度差が発生する。特に、タービンの起動時に、ケーシングと蓋との間の温度差が発生しやすい。このようにケーシングと蓋との間に温度差が発生すると、局所的な熱伸びが偏在することとなり、ケーシングや蓋に熱応力が発生して耐久性が低下してしまう。

このような問題を解決するものとして、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

特開２０１０−０４３５９１号公報 特開２０００−０３９０７６号公報

上述した従来の主要弁では、ケーシングを二重化したり、内部をサイクロン形状としたりすることで、熱応力の発生を抑制している。そのため、構造が複雑化して製造コストが増加してしまうという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、熱応力の発生を抑制可能とすると共に構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制可能とする開閉弁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の開閉弁は、流体が流通可能な流路が設けられるケーシングと、前記ケーシングにおける流路の側方に設けられる空間部と、前記流路を閉塞する位置と前記流路から前記空間部に退避する位置とに移動可能な弁体と、前記流路と前記空間部との温度差を近似させる熱伝達部材と、を有することを特徴とするものである。

従って、流路に高温の流体が流れ始めたとき、流路の温度が上昇して空間部との間で温度差が生じやすいが、熱伝達部材によりこの流路と空間部との温度差が近似されることから、両者の間における熱応力の発生を抑制することができると共に、構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制することができる。

本発明の開閉弁では、前記熱伝達部材は、前記空間部の内壁面に設けられる凹凸部を有することを特徴としている。

従って、流路に高温の流体が流れ始めたとき、空間部は、内壁面に設けられた凹凸部により表面積が大きくなって主蒸気から熱が伝達しやすくなり、簡単な構造で、流路と空間部における熱応力の発生を抑制することができる。

本発明の開閉弁では、前記凹凸部は、フィン形状をなすことを特徴としている。

従って、凹凸部がフィン形状をなすことで空間部の表面積が大きくなって流路から熱伝達しやすくなることから、流路と空間部における熱応力の発生を効果的に抑制することができる。

本発明の開閉弁では、前記凹凸部は、前記流路から前記空間部に侵入した流体の流れを乱す乱流促進部材を有することを特徴としている。

従って、流路から空間部に侵入した流体は、乱流促進部材によりその流れが乱されることから、流路から空間部へ熱伝達しやすくなり、流路と空間部における熱応力の発生を効果的に抑制することができる。

本発明の開閉弁では、前記熱伝達部材は、前記空間部に隣接する前記流路に設けられる遮熱部材を有することを特徴としている。

従って、流路に高温の流体が流れ始めたとき、流路に設けられた遮熱部材により、流路の温度変化が抑制されることとなり、簡単な構造で、流路と空間部における熱応力の発生を抑制することができる。

本発明の開閉弁では、前記弁体は、前記空間部側における流体の流通方向の下流側に支持軸を有し、前記流路を閉塞する位置と前記空間部に退避する位置とに回動可能であることを特徴としている。

従って、弁体が流路を閉塞する位置と空間部に退避する位置とで回動可能としたことで、流路の開閉操作を効率的に行うことができる。

本発明の開閉弁によれば、ケーシングに流路と空間部を設けると共に、流路を閉塞する位置と流路から空間部に退避する位置とに移動可能な弁体を設け、流路と空間部との温度差を近似させる熱伝達部材を設けるので、この熱伝達部材により流路と空間部との温度差が近似されることから、両者の間における熱応力の発生を抑制することができると共に、構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制することができる。

図１は、本発明の実施例１に係る開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図である。 図２は、実施例１の主蒸気止め弁の開放状態を表す断面図である。 図３は、図２のIII−III断面図である。 図４は、蒸気タービンシステムを表す概略構成図である。 図５は、本発明の実施例２に係る開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図である。 図６は、実施例２の主蒸気止め弁の開放状態を表す断面図である。 図７は、図６のVII−VII断面図である。 図８は、本発明の実施例３に係る開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る開閉弁の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の実施例１に係る開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図、図２は、実施例１の主蒸気止め弁の開放状態を表す断面図、図３は、図２のIII−III断面図、図４は、蒸気タービンシステムを表す概略構成図である。

実施例１の蒸気タービンシステムにおいて、図４に示すように、高圧タービン１０１と中圧タービン１０２と低圧タービン１０３は、同軸上に連結されると共に、発電機１０４が同軸上で連結されている。ボイラ１０５は、主蒸気ライン１０６により高圧タービン１０１に連結され、主蒸気ライン１０６に主蒸気止め弁（ＭＳＶ）１０７と蒸気加減弁（ＧＶ）１０８が設けられている。

高圧タービン１０１は、低温再熱ライン１０９によりボイラ１０５の再熱器（図示略）に連結され、更に高温再熱ライン１１０により中圧タービン１０２に連結され、高温再熱ライン１１０に再熱蒸気止め弁１１１とインターセプト弁１１２が設けられている。中圧タービン１０２は、クロスオーバライン１１３により低圧タービン１０３に連結されている。そして、この低圧タービン１０３は、復水器１１４が設けられ、この復水器１１４は、復水ライン１１５によりボイラ１０５に連結され、復水ライン１１５に給水ポンプ１１６が設けられている。

従って、ボイラ１０５で発生した主蒸気は、主蒸気ライン１０６を通り、主蒸気止め弁１０７及び蒸気加減弁１０８を経て高圧タービン１０１に送られて膨張仕事を行う。そして、高圧タービン１０１で仕事をした蒸気は、低温再熱ライン１０９を経て再熱器に送られて再熱され、高温再熱ライン１１０を通り、再熱蒸気止め弁１１１及びインターセプト弁１１２を経て中圧タービン１０２に送られる。その後、中圧タービン１０２で仕事をした蒸気は、クロスオーバライン１１３を通って低圧タービン１０３に送られる。この低圧タービン１０３で仕事をした蒸気は、復水器１１４で復水にされ、給水ポンプ１１６により復水ライン１１５を通ってボイラ１０５に還流される。そして、発電機１０４は、各タービン１０１，１０２，１０３により駆動されることで発電を行う。

ここで、本発明の開閉弁として適用される主蒸気止め弁１０７について詳細に説明する。

主蒸気止め弁１０７において、図１及び図３に示すように、ケーシング１１は、円筒形状をなし、内部にほぼ直線形状をなす流路１２が設けられており、この流路１２に流体としての主蒸気が流通可能となっている。また、ケーシング１１は、この流路１２の側方（本実施例では、上方）に空間部１３が設けられている。即ち、ケーシング１１は、上方に突出するように円筒部１４が一体に形成され、上部に蓋１５がボルト１６により固定されている。そして、この円筒部１４と蓋１５により、流路１２に連通する空間部１３が形成される。

ケーシング１１は、円筒部１４に支持軸２１が回動自在に支持されている。この支持軸２１は、空間部１３における主蒸気の流通方向の下流側であって、水平をなすと共に流路１２の長手方向（流体の流通方向）に交差する方向に沿って設けられている。弁体２２は、基端部が支持軸２１に固定される支持アーム２２ａと、円板形状をなして支持アーム２２ａの先端部にボルト２２ｂにより固定される本体部２２ｃとを有している。この場合、弁体２２は、支持アーム２２ａが支持軸２１に連結部材（図示略、例えば、キーなど）をもって固定されていることから、ケーシング１１内で、支持軸２１と一体に回動自在となっている。

また、支持軸２１は、一端部がケーシング１１の外部に延出しており、アクチュエータ２３の出力軸が支持軸２１に連結されている。そのため、アクチュエータ２３を駆動すると、支持軸２１を介して弁体２２を回動することができる。

また、弁体２２は、流路１２を閉塞する位置（図１に示す位置）と、空間部１３に退避する位置（図２に示す位置）とに回動可能となっている。即ち、アクチュエータ２３により支持軸２１を介して弁体２２を回動し、図１に示すように、流路１２を閉塞する位置に回動すると、流路１２における主蒸気の流れを停止することができる。一方、アクチュエータ２３により支持軸２１を介して弁体２２を回動し、図２に示すように、空間部１３に退避する位置に回動すると、流路１２に主蒸気を流すことができる。

そして、実施例１では、図１及び図３に示すように、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材として、空間部１３の内壁面に凹凸部３１が設けられている。この凹凸部３１は、フィン形状をなしている。即ち、円筒部１４は、支持軸２１側を除く内壁面に水平方向に沿ってフィン３２が形成され、このフィン３２は、鉛直方向に所定間隔で複数形成されている。但し、この各フィン３２は、その高さを弁体２２に回動軌跡外に制限することで、この弁体２２と干渉しないようになっている。

なお、本実施例では、凹凸部３１としてのフィン３２を、空間部１３における水平方向に沿って鉛直方向に所定間隔で複数形成することで構成したが、この配置や形状が限定されるものではない。例えば、フィン３２を、円筒部１４の内壁面に鉛直方向に沿うと共に水平方向に所定間隔で複数形成してもよい。そして、フィン３２の方向は、水平方向や鉛直方向に限らず傾斜した方向であってもよい。また、フィン３２を円筒部１４に設けたが、蓋１５の下面（内面）に設けてもよい。

従って、図１に示すように、弁体２２が流路１２を閉塞する位置にあるとき、アクチュエータ２３により支持軸２１を介して弁体２２を回動し、図２に示すように、空間部１３に退避する位置に回動すると、流路１２に主蒸気が流れる。このとき、主蒸気の熱により流路１２の温度が上昇するが、主蒸気が空間部１３に流れにくいことからこの空間部１３の温度が上昇しにくくなり、流路１２と空間部１３との間に大きな温度差が発生しやすい。

ところが、本実施例では、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材として、円筒部１４の内壁面に凹凸部３１、つまり、フィン３２が形成されている。そのため、空間部１３は、多数のフィン３２によりその表面積が大きくなることから、流路１２から空間部１３に流れ込む少量の主蒸気から効率的に熱を受けて温度上昇することができる。その結果、流路１２と空間部１３、即ち、円筒部１４や蓋１５を含むケーシング１１全体として、局部的な高温部の発生が抑制され、局部的な熱応力の発生が抑制される。

このように実施例１の主蒸気止め弁１０７にあっては、主蒸気が流通可能な流路１２が設けられるケーシング１１と、ケーシング１１における流路１２の上方に設けられる空間部１３と、流路１２を閉塞する位置と流路１２から空間部１３に退避する位置とに回動可能な弁体２２と、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材としての凹凸部３１とを設けている。

従って、流路１２に高温の主蒸気が流れ始めたとき、この高温の主蒸気により流路１２が早期に加熱されて温度上昇する一方、主蒸気が流れにくい空間部１３では早期に温度上昇せず、この流路１２と空間部１３との間で温度差が生じやすい。しかし、空間部１３に熱伝達部材としての凹凸部３１が設けられていることから、この凹凸部３１により主蒸気による温度上昇が促進されることとなり、流路１２と空間部１３との温度差が近似される。そのため、流路１２と空間部１３との間における熱応力の発生を抑制することができ、また、円筒部１４の内壁面に凹凸部３１を形成するという簡単な構成であり、構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制することができる。

この場合、熱伝達部材として、空間部１３を形成する円筒部１４の内壁面に凹凸部３１を設けており、流路１２に高温の主蒸気が流れ始めたとき、空間部１３は、この凹凸部３１により表面積が拡大されて主蒸気から熱が伝達しやすくなり、簡単な構造で、流路１２と空間部１３における熱応力の発生を抑制することができる。

そして、この凹凸部３１をフィン３２としており、更なる構造の簡素化を可能とすることができる。

実施例１の主蒸気止め弁１０７では、弁体２２を空間部１３側における主蒸気の流通方向の下流側に設けられた支持軸２１により回動自在とし、流路１２を閉塞する位置と空間部１３に退避する位置とに回動可能としている。従って、弁体２２が流路１２を閉塞する位置と空間部１３に退避する位置とで回動可能としたことで、流路１２の開閉操作を効率的に行うことができる。

図５は、本発明の実施例２に係る開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図、図６は、実施例２の主蒸気止め弁の開放状態を表す断面図、図７は、図６のVII−VII断面図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例２において、図５及び図７に示すように、主蒸気止め弁２０１は、ケーシング１１と、このケーシング１１内に設けられてほぼ直線形状をなす流路１２と、流路１２の上方に円筒部１４及び蓋１５により形成される空間部１３と、支持軸２１により回動自在に支持されてアクチュエータ２３により流路１２を閉塞する位置（図５に示す位置）と空間部１３に退避する位置（図６に示す位置）とに回動可能な弁体２２とを有している。

そして、実施例２では、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材として、空間部１３の内壁面に凹凸部４１が設けられている。この凹凸部４１は、流路１２から空間部１３に侵入した流体の流れを乱す乱流促進部材４２により構成されている。即ち、円筒部１４は、流路１２（主蒸気の流れ方向）に沿った内壁面に円柱形状をなす乱流促進部材４２が突出するように形成され、この各乱流促進部材４２は、所定間隔で複数形成されている。但し、この各乱流促進部材４２は、その高さを弁体２２に回動軌跡外に制限することで、この弁体２２と干渉しないようになっている。

なお、本実施例では、凹凸部４１としての乱流促進部材４２を、空間部１３を形成する円筒部１４における流路１２に沿った内壁面に円柱形状をなして構成したが、この配置や形状が限定されるものではない。例えば、円筒部１４における支持軸２１の配置側を除く全ての内壁面に形成してもよい。また、乱流促進部材４２の形状を円柱に限らず、角柱や球面突起などとしてもよい。

従って、図５に示すように、弁体２２が流路１２を閉塞する位置にあるとき、アクチュエータ２３により支持軸２１を介して弁体２２を回動し、図６に示すように、空間部１３に退避する位置に回動すると、流路１２に主蒸気が流れる。このとき、主蒸気の熱により流路１２の温度が上昇するが、主蒸気が空間部１３に流れにくいことからこの空間部１３の温度が上昇しにくくなり、流路１２と空間部１３との間に大きな温度差が発生しやすい。

ところが、本実施例では、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材として、円筒部１４の内壁面に凹凸部４１、つまり、乱流促進部材４２が形成されている。そのため、流路１２を流れる主蒸気は、その一部が空間部１３に侵入したとき、各乱流促進部材４２に衝突して乱流となって空間部１３を流れることから、空間部１３は、流路１２から空間部１３に流れ込む少量の主蒸気から効率的に熱を受けて温度上昇することができる。その結果、流路１２と空間部１３、即ち、円筒部１４や蓋１５を含むケーシング１１全体として、局部的な高温部の発生が抑制され、局部的な熱応力の発生が抑制される。

このように実施例２の主蒸気止め弁２０１にあっては、主蒸気が流通可能な流路１２が設けられるケーシング１１と、ケーシング１１における流路１２の上方に設けられる空間部１３と、流路１２を閉塞する位置と流路１２から空間部１３に退避する位置とに回動可能な弁体２２と、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材としての凹凸部４１とを設けている。

従って、流路１２に高温の主蒸気が流れ始めたとき、この高温の主蒸気により流路１２が早期に加熱されて温度上昇する一方、主蒸気が流れにくい空間部１３では早期に温度上昇せず、この流路１２と空間部１３との間で温度差が生じやすい。しかし、空間部１３に熱伝達部材としての凹凸部４１が設けられていることから、この凹凸部４１により主蒸気による温度上昇が促進されることとなり、流路１２と空間部１３との温度差が近似される。そのため、流路１２と空間部１３との間における熱応力の発生を抑制することができ、また、円筒部１４の内壁面に凹凸部４１を形成するという簡単な構成であり、構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制することができる。

この場合、凹凸部４１として複数の乱流促進部材４２を設けており、流路１２に高温の主蒸気が流れ始めたとき、主蒸気の一部が空間部１３に侵入し、各乱流促進部材４２に衝突して乱流となって空間部１３を流れることから、空間部１３は、主蒸気から熱が伝達しやすくなり、簡単な構造で、流路１２と空間部１３における熱応力の発生を効果的に抑制することができる。

なお、この実施例２でも、実施例１と同様に、熱伝達部材として凹凸部４１を設けていることから、凹凸部４１により空間部１３の表面積が拡大されて主蒸気から熱が伝達しやすくなり、この点でも、流路１２と空間部１３における熱応力の発生を抑制することができる。

図８は、本発明の実施例３に係る開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例３において、図８に示すように、主蒸気止め弁３０１は、ケーシング１１と、このケーシング１１内に設けられてほぼ直線形状をなす流路１２と、流路１２の上方に円筒部１４及び蓋１５により形成される空間部１３と、支持軸２１により回動自在に支持されてアクチュエータ２３により流路１２を閉塞する位置と空間部１３に退避する位置とに回動可能な弁体２２とを有している。

そして、実施例３では、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材として、空間部１３に隣接する流路１２に遮熱部材５１を設けている。この遮熱部材５１は、流路１２における空間部１３の下方の領域に固定されており、円筒形状をなすと共に、弁体２２の回動軌跡に対応して部分的に切欠部５１ａが形成されている。遮熱部材５１は、ケーシング１１の材料より熱伝達率の低い材料により構成されるものであり、例えば、ＳＵＳ３０４により形成されている。但し、ＳＵＳ３０４に限定されるものではなく、その他、ハステロイ（登録商標）などを用いてもよい。

従って、弁体２２が流路１２を閉塞する位置にあるとき、アクチュエータ（図示略）により支持軸２１を介して弁体２２を回動し、空間部１３に退避する位置に回動すると、流路１２に主蒸気が流れる。このとき、主蒸気の熱により流路１２の温度が上昇するが、主蒸気が空間部１３に流れにくいことからこの空間部１３の温度が上昇しにくくなり、流路１２と空間部１３との間に大きな温度差が発生しやすい。

ところが、本実施例では、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材として、空間部１３に隣接する流路１２に遮熱部材５１を設けている。そのため、主蒸気が流路１２を流れとき、主蒸気の熱が遮熱部材５１により遮断されて流路１２を構成するケーシング１１に伝達されにくくなることから、ケーシング１１の温度上昇が抑制される。その結果、流路１２と空間部１３、即ち、円筒部１４や蓋１５を含むケーシング１１全体として、局部的な高温部の発生が抑制され、局部的な熱応力の発生が抑制される。

このように実施例３の主蒸気止め弁３０１にあっては、主蒸気が流通可能な流路１２が設けられるケーシング１１と、ケーシング１１における流路１２の上方に設けられる空間部１３と、流路１２を閉塞する位置と流路１２から空間部１３に退避する位置とに回動可能な弁体２２と、流路１２と空間部１３との温度差を近似させる熱伝達部材としての遮熱部材５１とを設けている。

従って、流路１２に高温の主蒸気が流れ始めたとき、この高温の主蒸気により流路１２が早期に加熱されて温度上昇する一方、主蒸気が流れにくい空間部１３では早期に温度上昇せず、この流路１２と空間部１３との間で温度差が生じやすい。しかし、流路１２に熱伝達部材としての遮熱部材５１が設けられていることから、この遮熱部材５１により主蒸気による温度上昇が抑制されることとなり、流路１２と空間部１３との温度差が近似される。そのため、流路１２と空間部１３との間における熱応力の発生を抑制することができ、また、流路１２の内壁面に遮熱部材５１を設けるという簡単な構成であり、構造の複雑化及び製造コストの増加を抑制することができる。

なお、上述した実施例では、本発明の開閉弁を、蒸気タービンシステムにおける主蒸気止め弁１０７に適用したが、蒸気加減弁１０８、再熱蒸気止め弁１１１、インターセプト弁１１２に適用することもできる。また、本発明の開閉弁は、蒸気タービンシステムに限らず、同様の構成を有する弁であれば、いずれの開閉弁にでも適用することができる。

１１ ケーシング
１２ 流路
１３ 空間部
２１ 支持軸
２２ 弁体
２３ アクチュエータ
３１ 凹凸部（熱伝達部材）
３２ フィン
４１ 凹凸部（熱伝達部材）
４２ 乱流促進部材
５１ 遮熱部材（熱伝達部材）
１０１ 高圧タービン
１０２ 中圧タービン
１０３ 低圧タービン
１０４ 発電機
１０７，２０１，３０１ 主蒸気止め弁（開閉弁）
１０８ 蒸気加減弁
１１１ 再熱蒸気止め弁
１１２ インターセプト弁

Claims (6)

1. 流体が流通可能な流路が設けられるケーシングと、
   前記ケーシングにおける流路の側方に設けられる空間部と、
   前記流路を閉塞する位置と前記流路から前記空間部に退避する位置とに移動可能な弁体と、
   前記流路と前記空間部との温度差を近似させる熱伝達部材と、
   を有することを特徴とする開閉弁。
2. 前記熱伝達部材は、前記空間部の内壁面に設けられる凹凸部を有することを特徴とする請求項１に記載の開閉弁。
3. 前記凹凸部は、フィン形状をなすことを特徴とする請求項２に記載の開閉弁。
4. 前記凹凸部は、前記流路から前記空間部に侵入した流体の流れを乱す乱流促進部材を有することを特徴とする請求項１に記載の開閉弁。
5. 前記熱伝達部材は、前記空間部に隣接する前記流路に設けられる遮熱部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の開閉弁。
6. 前記弁体は、前記空間部側における流体の流通方向の下流側に支持軸を有し、前記流路を閉塞する位置と前記空間部に退避する位置とに回動可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の開閉弁。

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