JP2015086756A - 蒸気加減弁 - Google Patents

Abstract

【課題】扱われる高温蒸気により生じる弁室の熱変形を抑制して、可動部の支持方向の変位を防止して可動部材を昇降可能に支持する支持部材の偏摩耗を抑制するようにした、蒸気加減弁を提供する。【解決手段】弁室２と、高温蒸気が導入される弁室内空間と、弁室内空間に設けた吐出口と、吐出口を開閉する開閉弁と、弁室頂部にブッシュを介して昇降可能に挿通され、開閉弁を上下動させる弁揚棒と、弁室頂部にブラケットと７、を具備する蒸気加減弁で１０あって、弁室頂部のブラケット基部近傍に、弁室内空間からブッシュと弁室頂部との隙間を経由して漏洩する蒸気を通過させる漏洩蒸気管２０が配設されている。【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気加減弁に関し、特に、蒸気タービンに用いられる蒸気加減弁において、扱われる高温蒸気により生じる弁室の温度偏差によって生じる熱変形を抑制して、可動部の熱変位を防止するようにした、蒸気加減弁に関する。

従来、蒸気タービンに用いられる蒸気加減弁１としては、例えば図６に示すものがある。
かかる蒸気加減弁１は、弁室２と、高温蒸気（略５００度）が導入される弁室内空間２ｓと、弁室内空間２ｓに設けた複数の吐出口３と、吐出口３を開閉する開閉弁４と、弁室頂部２ｔにブッシュＢｕを介して昇降可能に挿通され、開閉弁４を弁揚板５を介して上下動させる弁揚棒６と、図７に示すように弁室頂部２ｔにはブラケット７と、を具備する。
また、弁室頂部２ｔには、ブラケット７の配置位置と対向する位置に、弁室頂部２ｔに挿通した弁揚棒６のブッシュＢｕを介して漏洩する蒸気を排出する漏洩蒸気管８が横設されている。

しかしながら、扱われる蒸気が略５００度の高温であることから、弁室頂部２ｔは、漏洩蒸気管８が通過する片側は高温化し、その一方でブラケット７が取り付けられている側の領域は、ブラケット７の放熱作用から表面温度が低下し、弁室頂部２ｔにおいて温度格差が生じる。
そうすると、弁室頂部２ｔが熱膨張の違いから、漏洩蒸気管８が設けられる領域がブラケット７が取り付けられている側の領域に比較して拡大して、弁室頂部２ｔに挿通される弁揚棒６の貫通孔の軸心がずれ、ブラケット７が取り付けられている側の領域側に傾斜する（図８参照）。これによって、弁揚棒６、ブッシュＢｕ共々に傾斜し、貫通孔に片当たりして上下動に支障を来たし、ブッシュＢｕ、および貫通孔に偏摩耗を引き起こす。

ところで、特許文献１では、蒸気加減弁において、蒸気の流れを安定した蒸気流となし、弁開口時であっても、弁体に騒音や振動が発生することなく、弁体の損傷また弁棒の折損や弁棒を結合するピンに損傷を与えることのないようにした構成が開示されている。

また、特許文献２では、ガスタービンの車室ケーシングにおいて、車室内の上層部が下層部に比べて高温となり、この車室内の温度偏差の影響により、タービンのロータの上半部の温度が下半部に比べて高くなる。また、ロータだけでなく蒸気加減弁にも影響を与える。そのため、蒸気加減弁の上部が湾曲し、熱変形を起こす。この蒸気加減弁の熱変形の変形量が許容値を超えると、ターニング運転中のロータと蒸気加減弁との接触事故が発生する。この接触事故を防ぐために、上部車室ケーシングより車室ケーシングの内部に外部空気を導入して、上部車室ケーシングを冷却して、車室ケーシングの熱変形を防ぐとしている。

特開平１０−２９９９０９号公報 特開２００６−３７８５５号公報

しかしながら、いずれにしても、特許文献１および２では、扱われる高温蒸気により生じる弁室の温度格差によって生じる熱変形を抑制して、可動部の熱変位を防止する技術を提供するものではない。
本発明は、以上のような課題を解決するために提案されたものであって、扱われる高温蒸気により生じる弁室の温度格差によって生じる熱変形を抑制して、可動部の熱変位を防止するようにした、蒸気加減弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明では、弁室と、高温蒸気が導入される弁室内空間と、弁室内空間に設けた吐出口と、吐出口を開閉する開閉弁と、弁室頂部にブッシュを介して昇降可能に挿通され、開閉弁を上下動させる弁揚棒と、弁室頂部にブラケットと、を具備する蒸気加減弁であって、弁室頂部のブラケット基部近傍に、弁室内空間からブッシュと弁室頂部との隙間を経由して漏洩する蒸気を通過させる漏洩蒸気管が配設されている、ことを特徴とする。

これにより、弁室頂部のブラケット基部近傍に、弁室内空間からブッシュと弁室頂部との隙間を経由して漏洩する蒸気を通過させる漏洩蒸気管が配設されているため、漏洩蒸気管の外周面に接触するブラケット基部近傍は、漏洩蒸気管からの入熱によって、ブラケットから放熱されても、温度低下を抑制することができる。
したがって、弁室頂部にブッシュを介して昇降可能に挿通された弁揚棒は、弁室頂部の熱的変形に起因する弁揚棒の支持方向の歪みを取り除いて、弁揚棒の上下動による弁揚棒およびブッシュの偏摩耗を防止することができる。

また、請求項２記載の本発明では、漏洩蒸気管は、漏洩蒸気管からの入熱量がブラケットからの放熱量に同等となるように長さと径とが設定されていることを特徴とする。

これにより、弁室頂部のブラケット基部近傍の入出熱の均衡が図られ、弁室頂部の温度分布を略均一なものとすることができ、弁室頂部の熱的変形による様々な不都合を排除することができる。

また、請求項３にかかる本発明では、ブラケットからの放熱量は、次式
Ｑ=Η×（Ｔ−Ｔ_０）×Ｓ，（ただし、Ｑ：フィン（ブラケット）の放熱量、Η：フィン効率、Ｔ：フィンの根元温度、Ｔ_０：外気温度、Ｓ：フィンの表面積）により算出される、ことを特徴とする。

これにより、ブラケットからの放熱量は、具体的にフィンの表面積を基に、算出することができる。

さらに、請求項４にかかる本発明では、漏洩蒸気管からの入熱量は、次式
Ｑ’＝Ａ×Ｎｕ×ｋ／ｄ，（ただし、Ｑ’：漏洩蒸気管からの入熱量、Ａ：管の表面積、Ｎｕ：ヌセルト数（対流による熱伝達と流体（静止している流体）の熱伝導の比率）、ｋ：熱伝導率、ｄ：管内径）により算出される、ことを特徴とする。

これにより、漏洩蒸気管からの入熱量は、具体的に管の表面積を基に、算出することができる。

本発明によれば、漏洩蒸気を利用して、支持部分であるブラケットの放熱作用により生じた弁室頂部の温度格差を吸収することができ、弁室頂部の熱変形を防止し、可動要素である開閉弁と弁揚棒の熱変形による影響を回避することができる。
その場合、ブラケットからの放熱量と漏洩蒸気管からの入熱量とから、漏洩蒸気管の設計寸法を導き出すことができるので、装置全体に有効な所望の蒸気加減弁を提供することができる。

本発明における蒸気加減弁の第１実施形態にかかる模式的な斜視図である。 図１に示す蒸気加減弁のＡ−Ａ線に沿う、切断断面図である。 本発明にかかる蒸気加減弁の漏洩蒸気管の具体的な配置構成を決定するために、ブラケットからの放熱量を算出するための諸条件を列記した一覧表である。 本発明にかかる蒸気加減弁の漏洩蒸気管の具体的な配置構成を決定するために、漏洩蒸気管からの入熱量を算出するための諸条件を列記した一覧表である。 本発明における蒸気加減弁の第２実施形態にかかる模式的な斜視図である。 従来の蒸気加減弁の一例を示す、断面図である。 従来の蒸気加減弁において、漏洩蒸気管を弁室頂部のブラケット取り付け側と反対側に設けた一例を示す、断面図である。 図７に示す蒸気加減弁に生じる、弁室頂部の熱的変形の状態を示した、模式的断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。
ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（第１実施形態）
図１、図２に、第１実施形態にかかる蒸気加減弁１０を示す。
図１の蒸気加減弁１０は、図６に示す蒸気加減弁１と実質的に同様に配置された構成要素を具備し、かかる同様に配置された構成要素に対しては同符号を付して説明するものとする。
すなわち、蒸気加減弁１０は、弁室２と、高温蒸気（略５００度）が導入される弁室内空間２ｓと、弁室内空間２ｓに設けた複数の吐出口３（図６参照）と、吐出口３を開閉する開閉弁４（図６参照）と、弁室頂部２ｔにブッシュＢｕを介して昇降可能に挿通され、開閉弁４を弁揚板５を介して上下動させる弁揚棒６と、弁室頂部２ｔに弁室２を支持するブラケット７と、を具備する。

弁室２は、一軸方向に伸びる船体胴部形状をなし、一軸方向の一端側から高温蒸気を弁室内空間２ｓに導入する高温蒸気導入管１１が弁室内空間２ｓと連通するように一体的に設けられている。

また、弁室２の上部に配設される弁室頂部２ｔには、弁揚棒６をブッシュＢｕを介して鉛直方向に案内して昇降するための弁揚棒案内突部２Ｐが突設されている。かかる弁揚棒案内突部２Ｐには、鉛直軸方向に昇降案内長孔２ｈが穿設され、昇降案内長孔２ｈは、弁室内空間２ｓに連通させている。また、昇降案内長孔２ｈは、弁室頂部２ｔの弁室内空間２ｓに面する底部側に、内径が大きく段差形成された下部拡開部２ｈｂを有する。また、弁揚棒案内突部２Ｐ内の昇降案内長孔２ｈには、拡径部２ｈｔが２段、形成されている。
下部拡開部２ｈｂは、装入されるブッシュＢｕを上下方向に移動しないように保持する。

また、弁揚棒６の下端側には、弁室内空間２ｓにおいて、弁揚板５が取着され、かかる弁揚板５を介して開閉弁が取り付けられる。

次に、弁室２を支持するブラケット７は、弁室頂部２ｔの長手側側部２ｔｓに、鉛直方向に突設されている。かかるブラケット７は、例えば断面Ｔ型フレームの柱状部７Ｐと上端に取付用挿通孔７ｈを有する。
かかるブラケット７の柱状部７Ｐは、長さ（高さ）がＷとし、また肉厚を２ｙとして、後述する放熱量を算出するための入力値（設計パラメータ）としている。

そして、弁室頂部２ｔの長手側側部２ｔｓにおけるブラケット７の取付基部の下部に直近の側面側には、弁室頂部２ｔ内の昇降案内長孔２ｈに装入されたブッシュＢｕから、弁室頂部２ｔ内の昇降案内長孔２ｈとブッシュＢｕとの隙間を経由して漏洩する蒸気を通過させる漏洩蒸気管２０が弁室頂部２ｔを横断するように配設されている。
この場合、漏洩蒸気管２０は、後述する入熱量を算出するための、入力値（設計パラメータ）が設定されている。すなわち、漏洩蒸気管２０は、弁室頂部２ｔを通過する長さをＢとし、管内径をｄとしている。

ここで、図３、図４に、漏洩蒸気管２０の具体的な配置構成を決定するために、ブラケット７からの放熱量を算出するための諸条件を列記した一覧表と、漏洩蒸気管２０からの入熱量を算出するための諸条件を列記した一覧表とを示し、以下、算出方法について具体的に説明する。なお、これら一覧表は、伝熱工学資料を参考に記載しており、詳細は伝熱工学資料を参照されたい。
出典：伝熱工学資料 改訂第５版 （Ｐ８，９，５２，５３，２９４，２９５，２９６，２９７）
社団法人 日本機械学会 ２００９年５月２０日
このようにブラケット７からの放熱量と漏洩蒸気管２０からの入熱量を算出するのは、漏洩蒸気管２０を決定する手法、すなわち設計手法として、［ブラケット７からの放熱量Ｑ＝漏洩蒸気管２０からの入熱量Ｑ’］となるように設計することで弁室頂部２ｔの熱変形を抑制することができると考えられるからである。

先ず、図３に示すように、ブラケット７からの放熱量を算出するには、ブラケットからの放熱量Ｑは、次式
Ｑ=Η×（Ｔ−Ｔ_０）×Ｓ，（ただし、Ｑ：フィン（ブラケット）の放熱量、Η：フィン効率、Ｔ：フィンの根元温度、Ｔ_０：外気温度、Ｓ：フィンの表面積）により算出することができる。
上記式は、ブラケット７からの放熱量を算出するために、フィンの放熱量の算出方法を適用している。そのために、フィンの高さＷ、すなわちブラケット７の柱状部７Ｐの、長さＷと、フィン厚さの１／２、すなわち肉厚を２ｙとして、放熱量を算出するための入力値（設計パラメータ）としている。

さらに、図４に示すように、漏洩蒸気管２０からの入熱量は、次式
Ｑ’＝Ａ×Ｎｕ×ｋ／ｄ，（ただし、Ｑ’：漏洩蒸気管からの入熱量、Ａ：管の表面積、Ｎｕ：ヌセルト数（対流による熱伝達と流体（静止している流体）の熱伝導の比率）、ｋ：熱伝導率、ｄ：管内径）により算出することができる。
上記式は、漏洩蒸気管２０からの入熱量を算出するために、流体温度（蒸気温度）、圧力（蒸気圧力）、管断面内平均流速、管内径ｄ、管本数、管長さＢを、入熱量を算出するための入力値（設計パラメータ）としている。

第１実施形態にかかる蒸気加減弁１０は、以上のとおり構成されるものであり、次に、上述の決定方法で設計された蒸気加減弁１０の動作について説明する。
高温蒸気導入管１１を通じて弁室内空間２ｓに導入された高温蒸気（略５００度）は、複数の吐出口３を開閉する開閉弁４を介し、所望の吐出量に調整された蒸気をそれぞれ送給先へ送り込むことができる。
それぞれの開閉弁４は、弁揚棒案内突部２Ｐの昇降案内長孔２ｈを介して弁室内空間２ｓに達する弁揚棒６が装入されるブッシュＢｕを介して上下動することで弁揚棒６の下端側に取着された弁揚板５を介して開閉駆動される。

以上のような蒸気加減弁１０の運転動作が続行されると、弁室２が全体的に高温化していく。したがって、弁室頂部２ｔも高温化する。
ここで、弁室頂部２ｔには、ブラケット７が取り付けられているので、ブラケット７により、あたかも冷却フィンのように放熱現象が生じ、その分、弁室頂部２ｔのブラケット７の取付近傍の領域における表面温度が低下する。一方で、弁室頂部２ｔのブラケット７の取付近傍以外の領域の表面温度は熱の逃げ場はなく、高温状態が維持され、弁室頂部２ｔのブラケット７の取付近傍の領域における表面温度との温度格差が生ずることとなる。

しかしながら、弁室頂部２ｔの長手側側部２ｔｓにおけるブラケット７の取付基部の下部に直近の側面側には、漏洩蒸気管２０が弁室頂部２ｔを横断するように配設されているので、弁室頂部２ｔ内の昇降案内長孔２ｈに装入されたブッシュＢｕから、弁室頂部２ｔ内の昇降案内長孔２ｈとブッシュＢｕとの隙間を経由して漏洩する蒸気が漏洩蒸気管２０を通過する。
これにより、漏洩蒸気管２０近傍の弁室頂部２ｔには、漏洩蒸気管２０を通過する漏洩蒸気の熱が伝熱され、ブラケット７による放熱によって失われた放熱量が、漏洩蒸気管２０を通過する漏洩蒸気の熱量によって補われ、上述の温度格差は解消され、弁室頂部の熱変形を防止し、可動要素である開閉弁４と弁揚棒６の熱変形による影響を回避することができる。

すなわち、本実施形態の蒸気加減弁１０では、図３、図４のブラケット７からの放熱量を算出するための諸条件を列記した一覧表と、漏洩蒸気管２０からの入熱量を算出するための諸条件を列記した一覧表とに示すように、［ブラケット７からの放熱量Ｑ＝漏洩蒸気管２０からの入熱量Ｑ’］となる設計手法を採用したので、弁室頂部２ｔの熱格差を解消し、熱変形を抑制することができるのである。

（第２実施形態）
本発明は、図５に示すように実施することもできる。
すなわち、図５に示す蒸気加減弁１０においても、図３、図４に示す設計手法に基づいている。なお、構成は、第１実施形態と実質的に同様の構成であるので、同符号を付して、説明は省略する。
図５に示す蒸気加減弁１０では、漏洩蒸気管２０が２本、弁室頂部２ｔのブラケット７の取付近傍に設けられている。
これは、図４で示した漏洩蒸気管２０からの入熱量を算出する際に、設計パラメータとして管本数が挙げられている。この場合、各漏洩蒸気管２０の管内径ｄは、１／２ｄとなることに留意する。

本発明の蒸気加減弁は、開閉弁の数、および弁室を支持するブラケットの数は適宜である。かかるブラケットのそれぞれの取り付け基部近傍に、漏洩蒸気管を配設することができる。この場合も、［ブラケット７からの放熱量Ｑ＝漏洩蒸気管２０からの入熱量Ｑ’］となる設計手法を採用することで、蒸気加減弁の仕様、規格によらず実現することができる。

１０ 蒸気加減弁
２ 弁室
２Ｐ 弁揚棒案内突部
２ｔ 弁室頂部
２ｈ 昇降案内長孔
２ｈｂ下部拡開部
３ 吐出口
４ 開閉弁
５ 弁揚板
６ 弁揚棒
７ ブラケット
７Ｐ 柱状部
７ｈ 取付用挿通孔
１１ 高温蒸気導入管
２０ 漏洩蒸気管
Ｂｕ ブッシュ

Claims (4)

1. 弁室と、高温蒸気が導入される弁室内空間と、該弁室内空間に設けた吐出口と、該吐出口を開閉する開閉弁と、前記弁室頂部にブッシュを介して昇降可能に挿通され、前記開閉弁を上下動させる弁揚棒と、前記弁室頂部にブラケットと、を具備する蒸気加減弁であって、
   前記弁室頂部の前記ブラケット基部近傍に、前記弁室内空間から前記ブッシュと前記弁室頂部との隙間を経由して漏洩する蒸気を通過させる漏洩蒸気管が配設されている、ことを特徴とする蒸気加減弁。
2. 前記漏洩蒸気管は、前記漏洩蒸気管からの入熱量が前記ブラケットからの放熱量に同等となるように長さと径とが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気加減弁。
3. 前記ブラケットからの放熱量は、次式
   Ｑ=Η×（Ｔ−Ｔ_０）×Ｓ，（ただし、Ｑ：フィンの放熱量、Η：フィン効率、Ｔ：フィンの根元温度、Ｔ_０：外気温度、Ｓ：フィンの表面積）
   により算出される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気加減弁。
4. 前記漏洩蒸気管からの入熱量は、次式
   Ｑ’＝Ａ×Ｎｕ×ｋ／ｄ，（ただし、Ｑ’：漏洩蒸気管からの入熱量、Ａ：管の表面積、Ｎｕ：ヌセルト数（対流による熱伝達と流体（静止している流体）の熱伝導の比率）、ｋ：熱伝導率、ｄ：管内径）
   により算出される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気加減弁。

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