JP2018168706A

JP2018168706A - 蒸気弁装置

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Publication number: JP2018168706A
Application number: JP2017064495A
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Inventors: 亮 ▲高▼田; Akira Takada
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-11-01
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP6705085B2

Abstract

【課題】性能評価点における弁の圧力損失の合計が小さい蒸気弁装置を提供する。【解決手段】蒸気弁装置において、弁室内に設けられ、複数の弁の各々を対応する弁ポートから順次離間させるように複数の弁棒をリフトするための弁揚板を備え、複数の弁は、第１弁と、第１弁が弁ポートから離間するタイミングよりも後に弁ポートから離間する第２弁と、を含み、複数の弁の各々について、弁ポートと弁との間に形成される蒸気流路のスロート面積Ｓｑと弁ポートのスロート面積Ｓｐとの比Ｓｑ／Ｓｐを弁の開度として定義し、第１弁の圧力損失と第２弁の圧力損失とを各弁の同一開度で比較した場合に、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失が第１弁の圧力損失よりも大きい。【選択図】図１

Description

本開示は、蒸気弁装置に関する。

蒸気タービンの代表的な運転方式として仕切り調速方式が知られている。仕切り調速方式は、負荷の増加に応じて複数の弁を順次開いて蒸気流量を制御する方式であり、絞り調速方式と比較して部分負荷における弁の圧力損失を小さくすることができる。

特許文献１には、仕切り調速方式で運転される蒸気タービンの蒸気量を調整するための蒸気弁装置が開示されている。特許文献１に記載される蒸気弁装置は、弁室を有する弁ハウジングと、弁室内に設けられ弁室に形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、複数の弁の各々を対応する弁ポートから順次離間させるように複数の弁棒をリフト可能に構成された弁揚板とを備えている。

国際公開第２０１４／１５５５７９号

上記のように負荷の増加に応じて複数の弁を順次開く場合に、例えば蒸気タービンの定格運転時などの高い性能が要求される性能評価点で完全に開ききっていない弁が存在すると、複数の弁の圧力損失の合計が絞り調速方式の場合に比べて大きくなることがある。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、性能評価点における弁の圧力損失の合計が小さい蒸気弁装置を提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気弁装置は、蒸気タービンに供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置であって、弁室を有する弁ハウジングと、前記弁室に設けられ、前記弁ハウジングに形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、前記複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、前記弁室内に設けられ、前記複数の弁の各々を対応する前記弁ポートから順次離間させるように前記複数の弁棒をリフトするための弁揚板と、を備え、前記複数の弁は、第１弁と、前記第１弁が前記弁ポートから離間するタイミングよりも後に前記弁ポートから離間する第２弁と、を含み、前記複数の弁の各々について、前記弁ポートと前記弁との間に形成される蒸気流路のスロート面積Ｓｑと前記弁ポートのスロート面積Ｓｐとの比Ｓｑ／Ｓｐを前記弁の開度として定義し、前記第１弁の圧力損失と前記第２弁の圧力損失とを各弁の同一開度で比較した場合に、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、前記第２弁の圧力損失が前記第１弁の圧力損失よりも大きい。

上記（１）に記載の蒸気弁装置では、定格運転時などの性能評価点における第２弁のリフト量は、該性能評価点における目標流量が得られるように予め調整される。このため、性能評価点における第２弁の圧力損失を大きくすることにより、目標流量を得るために必要な第２弁の開度が大きくなる結果、該性能評価点における第１弁の開度も大きくなる。

ここで、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失が第１弁の圧力損失よりも大きいため、性能評価点における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁（第２弁よりも先に弁ポートから離間した弁）へ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の蒸気弁装置において、前記第１弁の圧力損失と前記第２弁の圧力損失とを各弁の同一開度で比較した場合に、０．１≦Ｓｐ／Ｓｑ≦０．９の範囲に亘って、前記第２弁の圧力損失が前記第１弁の圧力損失よりも大きい。

上記（２）に記載の蒸気弁装置によれば、０．１≦Ｓｐ／Ｓｑ≦０．９の範囲に亘って第２弁の圧力損失を第１弁の圧力損失よりも大きくすることができるため、性能評価点における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁（第２弁よりも先に弁ポートから離間した弁）へ流れる蒸気の流量の割合を効果的に増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の蒸気弁装置において、前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第１弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ１とし、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第２弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ２とすると、Δｈ１＜Δｈ２を満たす。

上記（３）に記載の蒸気弁装置によれば、Δｈ２をΔｈ１よりも大きくすることにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗を第１弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗よりも大きくすることが可能となる。これにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失を第１弁の圧力損失よりも大きくすることができるため、性能評価点における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁へ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかに記載の蒸気弁装置において、前記第１弁の表面は、前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含まず、前記第２弁の表面は、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含む。

上記（４）に記載の蒸気弁装置によれば、弁ポートの表面に沿って湾曲するよう第２弁の凹曲面を形成することにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗を第１弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗よりも大きくすることが可能となる。これにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失を第１弁の圧力損失よりも大きくすることができるため、性能評価点における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁へ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかに記載の蒸気弁装置において、前記蒸気タービンの定格運転時において、前記複数の弁のうちｍ個の弁が前記弁ポートから離間しており、前記定格運転時において、前記弁揚板による前記ｍ個の弁の各々のリフト量のうち前記第２弁のリフト量が最も小さい。

上記（５）に記載の蒸気弁装置では、定格運転時における第２弁のリフト量は、定格運転時における目標流量が得られるように予め調整される。このため、定格運転時における第２弁の圧力損失を大きくすることにより、目標流量を得るために必要な第２弁の開度が大きくなる結果、定格運転時における第１弁の開度も大きくなる。

ここで、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失が第１弁の圧力損失よりも大きいため、定格運転時における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁へ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかに記載の蒸気弁装置において、前記複数の弁は、ｎ個の弁からなり、前記第２弁は、ｎ−１番目に前記弁ポートから離間するよう構成される。

上記（６）に記載の蒸気弁装置によれば、ｎ番目に弁ポートから離間する弁を非常用の弁として使用することができる。ｎ番目に弁ポートから離間する弁は、例えば、定格運転時には弁ポートに当接しており、定格運転時よりも高い出力が必要な場合にのみ弁ポートから離間するよう構成してもよい。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかに記載の蒸気弁装置において、前記複数の弁のうち少なくとも一つの前記弁の周りに設けられ、前記弁の径方向及び前記弁の周方向の各々に対して交差する斜め方向に沿ってそれぞれ延在する複数の板状部を更に備える。

上記（７）に記載の蒸気弁装置によれば、上記斜め方向に沿ってそれぞれ設けられた複数の板状部を設けることにより、弁の周囲から複数の板状部の間を通過して弁ポートへ流入する流れが旋回流となり、該旋回流によって、弁ポートの下流側のディフューザ部内における流れの対称性を高めることができる。これにより、ディフューザ部内の流動を安定化し、ディフューザ部内における剥離流れの発生を抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の蒸気弁装置において、前記複数の板状部の各々は、前記弁の軸方向視において滑らかな曲線に沿って湾曲する湾曲形状を有する。

上記（８）に記載の蒸気弁装置によれば、板状部におけるインシデンスロスを低減しつつディフューザ部内の流動を安定化することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）に記載の蒸気弁装置において、前記複数の板状部は多孔板を含む。

上記（９）に記載の蒸気弁装置によれば、板状部に形成された多数の孔によって蒸気中の異物を除去しつつ、上記旋回流を形成することによりディフューザ部における剥離流れの発生を抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかに記載の蒸気弁装置において、前記複数の弁のうち少なくとも一つの弁の表面には、前記弁の径方向及び前記弁の周方向の各々に対して交差する斜め方向に沿ってそれぞれ延在する複数の溝部が形成される。

上記（１０）に記載の蒸気弁装置によれば、上記斜め方向に沿って延在する溝部に沿って蒸気が流れることにより、上述した旋回流を強めることができる。これにより、ディフューザ部内の流れの対称性を高めてディフューザ部内の流動を安定化し、ディフューザ部内における剥離流れの発生を効果的に抑制することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）に記載の蒸気弁装置において、前記複数の溝部は、前記弁の前記表面のうち前記弁ポートと当接する部分を除く領域に形成される。

上記（１１）に記載の蒸気弁装置によれば、弁が弁ポートに当接した状態において、弁における漏れ流れの発生を抑制しつつ、上述した旋回流を強めてディフューザ部内における剥離流れの発生を効果的に抑制することができる。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気弁装置は、蒸気タービンに供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置であって、弁室を有する弁ハウジングと、前記弁室に設けられ、前記弁ハウジングに形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、前記複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、前記弁室内に設けられ、前記複数の弁の各々を対応する前記弁ポートから順次離間させるように前記複数の弁棒をリフトするための弁揚板と、を備え、前記複数の弁は、第１弁と、前記第１弁が前記弁ポートから離間するタイミングよりも後に、前記弁ポートから離間する第２弁と、を含み、前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第１弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ１とし、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第２弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ２とすると、Δｈ１＜Δｈ２を満たす。

上記（１２）に記載の蒸気弁装置では、定格運転時などの性能評価点における第２弁のリフト量は、該性能評価点における目標流量が得られるように予め調整される。このため、性能評価点における第２弁と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗を大きくすることにより、目標流量を得るために必要な第２弁の開度が大きくなる結果、該性能評価点における第１弁の開度も大きくなる。

ここで、Δｈ１＜Δｈ２を満たすことにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗を第１弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗よりも大きくすることが可能となる。これにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失を第１弁の圧力損失よりも大きくすることができるため、性能評価点における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁へ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気弁装置は、蒸気タービンに供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置であって、弁室を有する弁ハウジングと、前記弁室に設けられ、前記弁ハウジングに形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、前記複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、前記弁室内に設けられ、前記複数の弁の各々を対応する前記弁ポートから順次離間させるように前記複数の弁棒をリフトするための弁揚板と、を備え、前記複数の弁は、第１弁と、前記第１弁が前記弁ポートから離間するタイミングよりも後に、前記弁ポートから離間する第２弁と、を含み、前記第１弁の表面は、前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含まず、前記第２弁の表面は、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含む。

上記（１３）に記載の蒸気弁装置では、定格運転時などの性能評価点における第２弁のリフト量は、該性能評価点における目標流量が得られるように予め調整される。このため、性能評価点における第２弁と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗を大きくすることにより、目標流量を得るために必要な第２弁の開度が大きくなる結果、該性能評価点における第１弁の開度も大きくなる。

ここで、弁ポートの表面に沿って湾曲するよう第２弁の凹曲面を形成することにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗を第１弁の表面と弁ポートとの間に形成される蒸気流路の流路抵抗よりも大きくすることが可能となる。これにより、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、第２弁の圧力損失を第１弁の圧力損失よりも大きくすることができるため、性能評価点における目標流量に占める、第２弁よりも開度が大きく圧力損失の小さい第１弁へ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、各弁の圧力損失の合計を低減することができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、性能評価点における弁の圧力損失の合計が小さい蒸気弁装置が提供される。

一実施形態に係る蒸気弁装置１００の概略構成を示す断面図である。定格運転時における蒸気弁装置１００の状態を示す断面図である。弁８ａ，８ｂの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ａ，８ｂが弁ポート６に当接した状態すなわち弁８ａ，８ｂの閉状態を示す図である。弁８ｃの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ｃが弁ポート６に当接した状態すなわち弁８ｃの閉状態を示す図である。弁８ａ〜８ｃの各々における、弁ポート６からの弁８のリフト量と弁８の圧力損失との関係を示す図である。弁８ａ，８ｂの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ａ，８ｂが弁ポート６から離間した状態すなわち弁８ａ，８ｂの開状態を示す図である。弁８ｃの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ｃが弁ポート６から離間した状態すなわち弁８ｃの開状態を示す図である。比較形態に係る蒸気弁装置１００の概略構成を示す断面図である。蒸気弁装置２００と蒸気弁装置１００について、定格運転時における弁８ａ〜８ｃの各々の圧力損失の解析結果の一例を示す図である。蒸気弁装置２００と蒸気弁装置１００について、定格運転時における弁８ａ〜８ｃの各々の流量の解析結果の一例を示す図である。蒸気弁装置２００における弁８ａ〜８ｃの下流側のディフューザ部２８の圧力を示す図である。蒸気弁装置１００における弁８ａ〜８ｃの下流側のディフューザ部２８の圧力を示す図である。蒸気弁装置２００と蒸気弁装置１００について、定格運転時における弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計の解析結果を示す図である。弁８の軸方向に沿った断面における複数の板状部２６の形状及び配置の一例を示す図である。弁８の軸方向視における複数の板状部２６の形状及び配置の一例を示す図である。蒸気弁装置１００が複数の板状部２６を備えていない場合における弁ポート６の下流側のディフューザ部２８内の圧力を示す図である。蒸気弁装置１００が複数の板状部２６を備えている場合における弁ポート６の下流側のディフューザ部２８内の圧力を示す図である。弁８の軸方向視における複数の板状部２６の形状及び配置の一例を示す図である。弁８の軸方向視における複数の板状部２６の形状及び配置の一例を示す図である。弁８の軸方向に沿った断面における複数の溝部３４の形状及び配置の一例を示す図である。弁８の軸方向視における複数の溝部３４の形状及び配置の一例を示す図である。弁８の軸方向に沿った断面における複数の溝部３４の形状及び配置の一例を示す図である。弁８の軸方向視における複数の溝部３４の形状及び配置の一例を示す図である。弁８ａ，８ｂの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ａ，８ｂが弁ポート６に当接した状態すなわち弁８ａ，８ｂの閉状態を示す図である。弁８ｃの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ｃが弁ポート６に当接した状態すなわち弁８ｃの閉状態を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る蒸気弁装置１００の概略構成を示す断面図である。
図１に示す蒸気弁装置１００は、蒸気タービン３００に供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置である。

蒸気弁装置１００は、弁室２を有する弁ハウジング４と、弁室２に設けられ、弁ハウジング４に形成された複数の弁ポート６に対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁８（８ａ〜８ｄ）と、複数の弁８にそれぞれ連結された複数の弁棒１０と、弁室２に設けられ、複数の弁８の各々を対応する弁ポート６から順次離間させるように複数の弁棒１０をリフトするための弁揚板１６と、を備える。

弁ハウジング４の入口ポート２２を介して弁室２へ流入した蒸気は、複数の弁ポート６を介して弁ハウジング４の出口ポート２４から蒸気タービン３００へ供給される。蒸気弁装置１００では、複数の弁８について、対応する弁ポート６からのリフト量（弁ポート６と弁８との間の流路面積）を調節することによって、蒸気タービン３００へ供給する蒸気量が調整される。

図１に示す例示的形態では、弁室２の蒸気流れの上流側から順に、弁８ｃ、弁８ａ、弁８ｂ、弁８ｄが直列的に配置されている。また、弁揚板１６が上昇するにつれて、弁８ａ、弁８ｂ、弁８ｃ、弁８ｄの順に対応する弁ポート６から離間するよう構成されている。このため、弁８ｃは、弁８ａが弁ポート６から離間するタイミング、及び弁８ｂが弁ポート６から離間するタイミングよりも後に、弁ポート６から離間する。

図示する形態では、弁揚板１６には、複数の貫通孔３０が設けられている。弁棒１０の各々は、対応する貫通孔３０を貫通して設けられており、対応する貫通孔３０を挟んで弁８とは反対側に貫通孔３０の径よりも大きな径を有する大径部３２を含んでいる。この構成において、弁揚板１６は上昇すると弁棒１０の大径部３２に当接するため、弁揚板１６の更なる上昇によって弁揚板１６が大径部３２を介して弁棒１０を順次リフトする。

また、図示する形態では、複数の弁棒１０における大径部３２と弁８との間の部分の軸方向長Ｌが弁棒１０毎に異なっている。これにより、複数の弁８の上昇タイミングを異なるタイミングにすることが可能となり、簡易な構成で蒸気タービン３００に供給する蒸気の流量を細やかに調整することができる。なお、大径部３２は、弁棒１０の棒材と一体で（一つの部材で）形成されてもよいし、別体で（別の部材で）形成されてもよい。別体で形成する場合は、例えば、大径部３２は、棒材に設けられたネジ部と螺合するナットであってもよい。

かかる構成において、蒸気タービン３００の定格運転時には、図２に示すように、複数の弁８のうち弁８ａ〜８ｃが弁ポート６から離間しており、該定格運転時において、弁揚板１６による弁８ａ〜８ｃの各々のリフト量のうち弁８ｃのリフト量が最も小さい。なお、弁８ｄは、非常用の弁であり、上記定格運転時には弁ポート６に当接しており、定格運転時よりも高い出力が必要な場合にのみ弁ポート６から離間するよう構成されている。

次に、弁８ａ〜８ｃの形状について説明する。図示する例示的形態では、弁８ａ，８ｂの各々が同一形状を有しているのに対し、弁８ｃは、後述するように、弁８ａ，８ｂの各々と比較して同一開度における圧力損失が大きい形状を有している。なお、本明細書における弁８ａ〜８ｃの各々における「圧力損失」とは、蒸気が弁８ａ〜８ｃの各々を通過する際の単位時間単位流量あたりのエネルギー損失を意味する。

図３は、弁８ａ，８ｂの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ａ，８ｂが弁ポート６に当接した状態すなわち弁８ａ，８ｂの閉状態を示す図である。図４は、弁８ｃの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ｃが弁ポート６に当接した状態すなわち弁８ｃの閉状態を示す図である。

ここで、図３に示すように、弁８ａが弁ポート６と当接した状態における、弁８ａと弁ポート６との当接箇所Ｐと弁８ａの下端１４との弁８ａの軸方向における距離をΔｈ１ａとし、弁８ｂが弁ポート６と当接した状態における、弁８ｂと弁ポート６との当接箇所Ｐと弁８ｂの下端１４との弁８ｂの軸方向における距離をΔｈ１ｂとする。また、図４に示すように、弁８ｃが弁ポート６と当接した状態における、弁８ｃと弁ポート６との当接箇所Ｐと弁８ｃの下端１４との弁８ｃの軸方向における距離をΔｈ２とする。図３及び図４に示す構成において、弁８ａ〜８ｃは、Δｈ１ａ＜Δｈ２、及び、Δｈ１ｂ＜Δｈ２を満たすよう構成されている。

また、図３に示すように、弁８ａの表面１７は、弁８ａが弁ポート６と当接した状態における弁８ａと弁ポート６との当接箇所Ｐよりも下方において、下方に凸となる凸曲面１８のみで構成されており、凹曲面を含まない。弁８ｂの表面１７も同様に、弁８ｂが弁ポート６と当接した状態における弁８ｂと弁ポート６との当接箇所Ｐよりも下方において、下方に凸となる凸曲面１８のみで構成されており、凹曲面を含まない。これに対し、図４に示すように、弁８ｃの表面１７は、弁８ｃが弁ポート６と当接した状態における弁８ｃと弁ポート６との当接箇所Ｐよりも下方において、弁ポート６の表面１９に沿って湾曲するよう形成された環状の凹曲面２０と、凹曲面２０の下端に接続するとともに下方に凸となる凸曲面２１とを含む。

図５は、弁８ａ〜８ｃの各々における、弁ポート６からの弁８のリフト量と弁８の圧力損失との関係を示す図である。図６は、弁８ａ，８ｂの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ａ，８ｂが弁ポート６から離間した状態すなわち弁８ａ，８ｂの開状態を示す図である。図７は、弁８ｃの軸方向に沿った断面形状の一例を示す図であり、弁８ｃが弁ポート６から離間した状態すなわち弁８ｃの開状態を示す図である。

まず、図６及び図７に示すように、弁８ａ〜８ｃの各々について、弁ポート６と弁８との間に形成される環状の蒸気流路のスロート面積Ｓｑ（該環状の蒸気流路における最小流路面積）と、弁ポート６のスロート面積Ｓｐ（弁ポート６の最小流路面積）との比Ｓｑ／Ｓｐを各弁８の開度として定義する。ここで、弁ポート６のスロート面積Ｓｐは、弁８の開度に関わらず一定であるのに対し、弁ポート６と弁８との間に形成される環状の蒸気流路のスロート面積Ｓｑは、弁８のリフト量が大きくなるにつれて大きくなる。

蒸気弁装置１００では、図５に示すように、弁８ａの圧力損失と弁８ｃの圧力損失とを各弁８ａ，８ｃの同一開度で比較した場合に、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において（好ましくは、０．１≦Ｓｐ／Ｓｑ≦０．９の範囲に亘って）、弁８ｃの圧力損失は弁８ａの圧力損失よりも大きい。また、弁８ｂの圧力損失と弁８ｃの圧力損失とを各弁８ｂ，８ｃの同一開度で比較した場合に、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において（好ましくは、０．１≦Ｓｐ／Ｓｑ≦０．９の範囲に亘って）、弁８ｃの圧力損失は弁８ｂの圧力損失よりも大きい。

かかる構成において、定格運転時（性能評価点）における弁８ｃのリフト量は、定格運転時に目標流量が得られるように予め調整される。このため、定格運転時における弁８ｃの圧力損失を大きくすることにより、目標流量を得るために必要な弁８ｃの開度が大きくなる結果、定格運転時における弁８ａ，８ｂの各々の開度も大きくなる。

そこで、蒸気弁装置１００では、定格運転時に弁ポート６から離間している弁８ａ〜８ｃのうち、定格運転時に最も開度の小さい弁８ｃについて、弁８ａ，８ｂと比較して０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部における圧力損失が大きい形状を採用している。これにより、定格運転時における目標流量に占める、弁８ｃよりも開度が大きく圧力損失の小さい弁８ａ，８ｂへ流れる蒸気の流量の割合を増加させて、弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計を低減し、全体性能を向上することができる。

上記の効果について、簡単な式を用いてさらに説明する。
まず、定格運転時において、弁８ａの流量をＧ１、弁８ｂの流量をＧ２、弁８ｃの流量をＧ３、Ｇ１〜Ｇ３の合計をＧ、弁８ａの圧力損失をΔＰ１、弁８ｂの圧力損失をΔＰ２、弁８ｃの圧力損失をΔＰ３、弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計をΔＰとした場合、以下の式（Ａ）が成り立つ。
（Ｇ１×ΔＰ１＋Ｇ２×ΔＰ２＋Ｇ３×ΔＰ３）／Ｇ＝ΔＰ（Ａ）

ここで、図８に示す比較形態に係る蒸気弁装置２００（弁８ａ〜８ｃの各々が同一形状を有する蒸気弁装置）において、仮に、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３の値を、それぞれ４０、４０及び２０とし、ΔＰ１、ΔＰ２及びΔＰ３の値をそれぞれ３％、３％及び１０％とすると、ΔＰ＝４．４％となる。

これに対し、上述した蒸気弁装置１００の場合、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３の値がそれぞれ例えば４１、４１及び１８となり、ΔＰ１、ΔＰ２及びΔＰ３の値がそれぞれ例えば２．５％、２．５％及び１１％となれば、ΔＰ＝４．０％となり、蒸気弁装置２００と比較して弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計ΔＰを低減することができる。

次に、蒸気弁装置２００と蒸気弁装置１００について、定格運転時における弁８ａ〜８ｃの各々の圧力損失の解析結果の一例を図９にしめす。また、蒸気弁装置２００と蒸気弁装置１００について、定格運転時における弁８ａ〜８ｃの各々の流量の解析結果の一例を図１０に示す。また、蒸気弁装置２００における弁８ａ〜８ｃの下流側のディフューザ部２８の圧力を図１１に示し、蒸気弁装置１００における弁８ａ〜８ｃの下流側のディフューザ部２８の圧力を図１２に示す。また、蒸気弁装置２００と蒸気弁装置１００について、定格運転時における弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計の解析結果を図１３に示す。

図９に示すように、定格運転時において、蒸気弁装置１００の弁８ｃの圧力損失は蒸気弁装置２００の弁８ｃの圧力損失よりも大きくなっており、蒸気弁装置１００の弁８ｂの圧力損失は蒸気弁装置２００の弁８ａの圧力損失よりも小さくなっている。

また、図１０に示すように、定格運転時において、蒸気弁装置１００の弁８ｃの流量は蒸気弁装置２００の弁８ｃの流量よりも小さくなっており、蒸気弁装置１００の弁８ｂの流量は蒸気弁装置２００の弁８ｂの流量よりも大きくなっている。また、図１１及び図１２に示すように、定格運転時において、蒸気弁装置１００の弁８ｂの下流側のディフューザ部２８の圧力が蒸気弁装置２００の弁８ｂの下流側のディフューザ部２８の圧力より高くなっている。なお、定格運転時には、蒸気弁装置１００及び蒸気弁装置２００の何れにおいても弁８ａは開き切っているため、図９及び図１０に示すように、蒸気弁装置１００の弁８ａの圧力損失及び流量は蒸気弁装置２００の弁８ａの圧力損失及び流量と変わらない。

そして、図１３に示すように、定格運転時において、蒸気弁装置１００における弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計を、蒸気弁装置２００における弁８ａ〜８ｃの圧力損失の合計よりも小さくすることができ、全体性能を向上することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図１４及び図１５に示すように、蒸気弁装置１００は、複数の弁８ａ〜８ｄのうち少なくとも一つの弁８の周りに設けられた複数の板状部２６（旋回板）を更に備える。複数の板状部２６は、周方向に間隔をあけて設けられており、弁８の径方向に対して傾斜した斜め方向に沿ってそれぞれ延在している。

図１６は、蒸気弁装置１００が複数の板状部２６を備えていない場合における弁ポート６の下流側のディフューザ部２８内の圧力を示しており、図１７は、蒸気弁装置１００が複数の板状部２６を備えている場合における弁ポート６の下流側のディフューザ部２８内の圧力を示している。

複数の板状部２６が設けられていない場合、図１６に示すように、ディフューザ部２８内の流れが非対称な流れとなり、ディフューザ部２８内の圧力の低い領域（例えば図１６の領域Ａ）で剥離流れが発生することがある。この点、上記複数の板状部２６を設けることにより、図１５に示すように、弁８の周囲から複数の板状部２６の間を通過して弁ポート６へ流入する流れが旋回流Ｆとなり、該旋回流Ｆによって、図１７に示すように弁ポート６の下流側のディフューザ部２８内における流れの対称性を高めることができる。これにより、ディフューザ部２８内の流動を安定化し、ディフューザ部２８内における剥離流れの発生を抑制することができる。

なお、板状部２６の各々の形状は特に限定されず、弁８の軸方向視において、図１５に示すように長方形であってもよいし、図１８に示すように平行四辺形であってもよいし、図１９に示すように滑らかな曲線に沿って湾曲する湾曲形状（翼形状）であってもよいし、その他の形状であってもよい。

図１９に示すように板状部２６の各々が弁８の軸方向視において上記湾曲形状を有する場合には、板状部２６におけるインシデンスロスを低減しつつディフューザ部２８内の流動を安定化することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図１５、図１８又は図１９に示す構成において、複数の板状部２６の各々は、多孔板であってもよい。かかる構成によれば、板状部２６に形成された多数の孔によって蒸気中の異物を除去しつつ、上記旋回流Ｆを形成することによりディフューザ部２８における剥離流れの発生を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図１５、図１８又は図１９に示す構成において、複数の弁８ａ〜８ｄのうち少なくとも一つの弁８の表面には、図２０及び図２１に示すように、弁８の径方向及び弁８の周方向の各々に対して交差する斜め方向に沿ってそれぞれ延在する複数の溝部３４（旋回溝）が弁８の周方向に間隔をあけて形成されていてもよい。かかる構成によれば、蒸気が溝部３４に沿って流れることにより、上述した旋回流Ｆを強めることができる。これにより、ディフューザ部２８内の流れの対称性を高めてディフューザ部２８内の流動を安定化し、ディフューザ部２８内における剥離流の発生を効果的に抑制することができる。

なお、複数の溝部３４は、図２０及び図２１に示すように、弁８の表面１７のうち、弁ポート６との当接箇所Ｐの上方から下方に亘って延在していてもよいし、図２２及び図２３に示すように、弁８の表面１７のうち、弁ポート６との当接箇所Ｐを除く領域に形成されていてもよい。図２２及び図２３に示す例示的形態では、弁８の表面１７のうち、弁ポート６との当接箇所Ｐより上方の部分にのみ溝部３４が形成されている。

上記のように、弁８の表面１７のうち弁ポート６との当接箇所Ｐを除く領域に複数の溝部３４を形成することにより、弁８が弁ポート６に当接した状態において、弁８における漏れ流れの発生を抑制しつつ、上述した旋回流Ｆを強めてディフューザ部２８内における剥離流の発生を効果的に抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した弁８ａの表面１７は、他の実施形態では、図２４に示すように、弁８ａが弁ポート６と当接した状態における弁８ａと弁ポート６との当接箇所Ｐよりも下方において、環状の凸曲面１８と、環状の凸曲面１８の下端を接続する平面３６とを含んでいてもよい。また、図１及び図２等に示した弁８ｂの表面１７は、他の実施形態では、図２４に示すように、弁８ｂが弁ポート６と当接した状態における弁８ｂと弁ポート６との当接箇所Ｐよりも下方において、環状の凸曲面１８と、環状の凸曲面１８の下端を接続する平面３６とを含んでいてもよい。また、図１及び図２等に示した弁８ｃの表面は、他の実施形態では、図２５に示すように、弁８ｃが弁ポート６と当接した状態における弁８ｃと弁ポート６との当接箇所Ｐよりも下方において、弁ポート６の表面１９に沿って湾曲するよう形成された環状の凹曲面２０と、凹曲面２０の下端を接続する平面３８とを含んでいてもよい。

２弁室
４弁ハウジング
６弁ポート
８（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）弁
１０弁棒
１２部分
１４突出部
１６弁揚板
１７，１９表面
１８，２１凸曲面
２０凹曲面
２２入口ポート
２４出口ポート
２６板状部
２８ディフューザ部
３０貫通孔
３２大径部
３４溝部
３６，３８平面
１００，２００蒸気弁装置
３００蒸気タービン

Claims

蒸気タービンに供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置であって、
弁室を有する弁ハウジングと、
前記弁室に設けられ、前記弁ハウジングに形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、
前記複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、
前記弁室内に設けられ、前記複数の弁の各々を対応する前記弁ポートから順次離間させるように前記複数の弁棒をリフトするための弁揚板と、
を備え、
前記複数の弁は、第１弁と、前記第１弁が前記弁ポートから離間するタイミングよりも後に前記弁ポートから離間する第２弁と、を含み、
前記複数の弁の各々について、前記弁ポートと前記弁との間に形成される蒸気流路のスロート面積Ｓｑと前記弁ポートのスロート面積Ｓｐとの比Ｓｑ／Ｓｐを前記弁の開度として定義し、
前記第１弁の圧力損失と前記第２弁の圧力損失とを各弁の同一開度で比較した場合に、０＜Ｓｐ／Ｓｑ＜１の範囲の少なくとも一部において、前記第２弁の圧力損失が前記第１弁の圧力損失よりも大きい、蒸気弁装置。
前記第１弁の圧力損失と前記第２弁の圧力損失とを各弁の同一開度で比較した場合に、０．１≦Ｓｐ／Ｓｑ≦０．９の範囲に亘って、前記第２弁の圧力損失が前記第１弁の圧力損失よりも大きい、請求項１に記載の蒸気弁装置。
前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第１弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ１とし、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第２弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ２とすると、Δｈ１＜Δｈ２を満たす、請求項１又は２に記載の蒸気弁装置。
前記第１弁の表面は、前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含まず、
前記第２弁の表面は、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載の蒸気弁装置。
前記蒸気タービンの定格運転時において、前記複数の弁のうちｍ個の弁が前記弁ポートから離間しており、
前記定格運転時において、前記弁揚板による前記ｍ個の弁の各々のリフト量のうち前記第２弁のリフト量が最も小さい、請求項１乃至４の何れか１項に記載の蒸気弁装置。
前記複数の弁は、ｎ個の弁からなり、
前記第２弁は、ｎ−１番目に前記弁ポートから離間するよう構成された、請求項１乃至５の何れか１項に記載の蒸気弁装置。
前記複数の弁のうち少なくとも一つの前記弁の周りに設けられ、前記弁の径方向及び前記弁の周方向の各々に対して交差する斜め方向に沿ってそれぞれ延在する複数の板状部を更に備える、請求項１乃至６の何れか１項に記載の蒸気弁装置。
前記複数の板状部の各々は、前記弁の軸方向視において滑らかな曲線に沿って湾曲する湾曲形状を有する、請求項７に記載の蒸気弁装置。
前記複数の板状部は多孔板を含む、請求項７又は８に記載の蒸気弁装置。
前記複数の弁のうち少なくとも一つの弁の表面には、前記弁の径方向及び前記弁の周方向の各々に対して交差する斜め方向に沿ってそれぞれ延在する複数の溝部が形成された、請求項１乃至９の何れか１項に記載の蒸気弁装置。
前記複数の溝部は、前記弁の前記表面のうち前記弁ポートとの当接箇所を除く領域に形成された、請求項１０に記載の蒸気弁装置。
蒸気タービンに供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置であって、
弁室を有する弁ハウジングと、
前記弁室に設けられ、前記弁ハウジングに形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、
前記複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、
前記弁室内に設けられ、前記複数の弁の各々を対応する前記弁ポートから順次離間させるように前記複数の弁棒をリフトするための弁揚板と、
を備え、
前記複数の弁は、第１弁と、前記第１弁が前記弁ポートから離間するタイミングよりも後に、前記弁ポートから離間する第２弁と、を含み、
前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第１弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ１とし、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における、前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所と前記第２弁の下端との前記弁の軸方向における距離をΔｈ２とすると、Δｈ１＜Δｈ２を満たす、蒸気弁装置。
蒸気タービンに供給する蒸気の量を調整するための蒸気弁装置であって、
弁室を有する弁ハウジングと、
前記弁室に設けられ、前記弁ハウジングに形成された複数の弁ポートに対してそれぞれ接離可能に構成された複数の弁と、
前記複数の弁にそれぞれ連結された複数の弁棒と、
前記弁室内に設けられ、前記複数の弁の各々を対応する前記弁ポートから順次離間させるように前記複数の弁棒をリフトするための弁揚板と、
を備え、
前記複数の弁は、第１弁と、前記第１弁が前記弁ポートから離間するタイミングよりも後に、前記弁ポートから離間する第２弁と、を含み、
前記第１弁の表面は、前記第１弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第１弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含まず、
前記第２弁の表面は、前記第２弁が前記弁ポートと当接した状態における前記第２弁と前記弁ポートとの当接箇所よりも下方に凹曲面を含む、蒸気弁装置。