JP2018509565A - 調整バルブおよびタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、バルブハウジング（３）と、バルブシート（５）と、移動軸線（７）に沿ってバルブシート（５）対して移動できるバルブ絞り要素（６；１０６；２０６）とを有する、気体体積流れ量、特に蒸気体積流れ量を制御するための制御バルブ（１）に関するものである。バルブハウジング（３）はバルブシート（５）を形成し、可動バルブ絞り要素（６；１０６；２０６）は、バルブシート（５）と相互作用する絞り縁部領域（１０；１１０；２１０）を有する。制御バルブ（１）は、絞り縁部領域（１０；１１０；２１０）と相互作用する複数の体積流れ量スワール要素（１５；１１５；２１５）を有しており、これら要素は、ガス体積流れ量の壁ジェット領域と気体体積流れ量のコア流動領域との間の剪断層における剪断層不安定性を防止または少なくとも低減する。

Description

本発明は、ガス体積流れ、特に蒸気体積流れを調整するための調整バルブに関し、バルブハウジングを有し、バルブシートを有し、かつバルブシートに対して所定の変位軸線に沿って変位可能なバルブ絞り要素を有する調整バルブに関するものである。このバルブでは、バルブハウジングがバルブシートを形成しており、また当該バルブにおいて、変位可能なバルブ絞り要素は、バルブシートと相互作用する絞り縁部領域を有する。

本発明はさらに、多数のバルブ装置を有するタービン、特に蒸気タービンに関するものである。

市販されているタイプの調整バルブは、特に蒸気タービンにおいてよく知られている。そうした調整バルブが、例えば絞り作動状態でつまり調整バルブが完全には開いていない状態または閉じられていない状態で操作される場合、体積流れのコア流れ領域の流速よりもかなり高い流速を伴う壁ジェット領域の形成によって実質的に特徴付けられる特徴的な流れパターンが、実質的に常に、調整バルブの流れ内部空間に形成される。

これに関し、異なる流速が、調整バルブを通って流れる体積流れの壁ジェット領域とこの体積流れのコア流れ領域との間に、多くの場合に無視できない高速勾配を伴う剪断層を生じさせる。

そうした調整バルブでの流動挙動の実験的な研究および数値的研究の両方から、剪断層において、調整バルブの流れ空間に重大な共振効果を生じさせるような流動不安定が引き起こされ得ることが知られている。最悪の場合、これは、調整バルブ構造に損傷を与え得るような望ましくない性質のある調整バルブ構造の励振につながる可能性がある。

共振効果を打ち消すために、バルブハウジング上のバルブシートの領域に整流器を設けることが知られており、この整流器は、剪断層に肯定的な影響を与えることができる。しかしながら、整流器の形態の固定具は、ほぼ常にかなりの流れ損失をもたらし、その結果、タービンまたは蒸気タービンの全出力が低下する。

特許文献１には、円筒形のバルブ閉鎖部材と環状のバルブシートとを有するバルブが開示されている。

米国特許第５，１５０，７３６号明細書

本発明の目的は、包括的なタイプの調整バルブをさらに開発することである。

この目的は、特許請求の範囲の独立請求項１および１０に記載の特徴によって達成される。

この目的は、バルブハウジングを有し、バルブシートを有し、かつバルブシートに対して所定の変位軸線に沿って変位可能なバルブ絞り要素を有する、ガス体積流れ、特に蒸気体積流れを調整するための調整バルブであって、このバルブにおいて、バルブハウジングはバルブシートを形成し、かつ、このバルブにおいて、変位可能なバルブ絞り要素は、バルブシートと相互作用する絞り縁部領域を有しており、調整バルブは、絞り縁部領域と相互作用する複数の体積流れスワール要素を有しており、複数の体積流れスワール要素は、ガス体積流れの壁ジェット領域とガス体積流れのコア流れ領域との間の剪断層における剪断層不安定性を防止するかあるいは少なくとも低減させる、調整バルブによって達成される。

絞り縁部領域と相互作用する体積流れスワール要素は、ガス体積流れの剪断層の領域における重大な不安定性が低減または防止されるように、ガス体積流れの壁ジェット領域とガス体積流れのコア流れ領域との間の剪断層のコントロールを可能にするかまたは当該剪断層に積極的に作用できるようにする。

特にここでは、剪断層は著しく良好に混合される。

その結果、構造的に非常に簡単な様式で、調整バルブにおける望ましくない共振効果を防止することができ、または調整バルブにおける望ましくない共振効果を少なくとも調節することができ、特に調整バルブ構造の損傷を防止することができる。

剪断層の混合は、体積流れスワール要素が周方向において少なくとも部分的に異なる長さのものである場合に、さらに向上させることができる。

本発明の調整バルブは、ガス体積流れを遮断するかまたは少なくとも絞るよう機能し得る場合に、幅広い多様なデザインを有することができる。

蒸気タービンにおける好ましい応用分野に関して、ガス体積流れが蒸気体積流れであることが規定される。

したがって、本発明の目的は、複数のバルブ装置を有するタービン、特に蒸気タービンによって達成され、バルブ装置の少なくとも１つは、本明細書に記載の複数の特徴のうちの１つに基づく調整バルブを備える。

有利なことに、特に蒸気タービンであるタービンの効率の程度は、少なくともタービンまたは蒸気タービンの関連するバルブ装置が本発明の文脈において形成される調整バルブを有する場合に著しく増加する。

干渉体としてガス体積流れに作用する体積流れスワール要素は、−流れ方向に見た場合に−、絞り縁部領域の直前において、例えばバルブハウジング上に配置することができる。

バルブハウジングの内側において上方に突出する体積流れスワール要素の高さは、調整バルブ内の流れ損失を可能な限り低く保つために、できるだけ小さく形成されるべきである。

重大な剪断層は、調整バルブの絞り作動状態においてのみ実質的に生じるため、体積流れスワール要素の高さの制限は、その有効性に悪影響を及ぼさないかまたはわずかにしか及ぼさない。

さらに、調整バルブにおける圧力損失を許容可能なレベルまたは無視できるレベルに維持することができる。

体積流れスワール要素が、絞り縁部領域の反対側において、変位軸線のまわりで同軸状に、バルブハウジングに配置される場合、特に効果的な様式で剪断層を周方向にコントロールできる。スワール要素は、周方向に非対称的に配置することもできる。

累積的または代替的に、複数の体積流れスワール要素が、変位軸線の周りにおいて同心状に、変位可能なバルブ絞り要素の絞り縁部領域に配置されることは有利である。絞り縁部領域に直接一体化された体積流れスワール要素を用いた場合であっても、本発明の有利な効果を実現できる。これら体積流れスワール要素は、実質的に任意の所望の様式で、特に均一に分散された様式で、変位軸線の周りに同心状に配置することができることは明らかである。ここで、体積流れスワール要素がバルブシート上に配置されるか絞り縁部領域に配置されるかは重要ではない。

剪断層に関する効果、特に剪断層の混合に関する効果は、変位可能なバルブ絞り要素の絞り縁部領域がバルブシートに面する側において非対称的に形成されている場合に特に顕著となる。

これは、変位可能なバルブ絞り要素の絞り縁部領域が、当該領域の周方向において非対称的に形成されている場合に有利である。これによって、非常に効果的に剪断層の混合に影響を及ぼすことが可能となる。

絞り縁部領域の幾何学的形状の変更は、実現されるべき剪断層に好ましい影響、特に当該剪断層の改善された混合を可能にする。

明らかなことに、体積流れスワール要素は、幅広い多様な方法で実現できる。

体積流れスワール要素は、変位可能なバルブ絞り要素の絞り縁部領域が材料くぼみおよび／または材料ウェブを有する場合に、構造的に非常に簡単な方法で実現できる。

材料くぼみおよび／または材料ウェブがバルブシートに面している場合、材料くぼみおよび／または材料集積部は、特に調整バルブの絞り状態において、とりわけ効果的に作用できる。

剪断層に関する効果は、材料くぼみおよび／または材料ウェブが絞り縁部領域の周方向に不均一に分散される様式でバルブ絞り要素上に配置される場合に、特に顕著になり得る。

剪断層の混合は、材料くぼみおよび／または材料ウェブが少なくとも部分的に周方向において異なる長さのものである場合に、さらに向上され得る。

本発明の特に有利な改良に関して、変位可能なバルブ絞り要素の絞り縁部領域は、バルブシートに面する側において鋸歯状のクラウン形状を有してもよい。

クラウン形状の歯は、材料くぼみと周方向に延在する材料ウェブとの間の相互作用によって構造的に簡単な様式で実現できる。

これに関して、クラウン形状を非対称的にまたは対称的に形成することができ、それによって均一または不均一なクラウン形状を提供できる。

本発明の更なる特徴、効果および利点は、添付の図面と、一例として調整バルブを示しかつ開示するとともに例示的に示されるさまざまに構成されるバルブ絞り要素の絞り縁部領域を示しかつ開示する以下の説明に基づいて説明される。

絞り縁部領域と相互作用するとともに、ガス体積流れの壁ジェットとガス体積流れのコア流れ領域との間の剪断層における剪断層の不安定性を防止する、複数の体積流れスワール要素を有する、蒸気体積流れを調節するための調整バルブのモデル図を概略的に示す図である。 絞り縁部領域において周方向に対称的に配置された複数の体積流れスワール要素を有する別のバルブ絞り要素を概略的に示す斜視図である。 絞り縁部領域において周方向に非対称的に配置された複数の体積流れスワール要素を有するさらなるバルブ絞り要素を概略的に示す斜視図である。

特に蒸気体積流れ２を調整するかあるいはまたは蒸気体積流れ２を少なくとも絞るための図１に示す調整バルブ１は、流れ内部空間４を有するバルブハウジング３を有しており、このハウジングの内側（別の参照符号は付与せず）には円錐形のバルブシート５が収容されるよう構成されている。

バルブハウジング３には、バルブシート５に対して変位可能なバルブ絞り要素６が配置されており、バルブ絞り要素６は、変位軸線７に沿って変位可能である。

ここで、蒸気体積流れ２は、調整バルブ１を貫流方向８に流れる。

バルブ絞り要素６は絞り縁部領域１０を有しており、この絞り縁部領域１０は、バルブ絞り要素６が移動されるとバルブシート５により近接して、バルブハウジング３内に導入されたバルブシート５とより強く相互作用し得る。これは、特に、バルブ絞り要素６が、調整バルブ１の開作動状態と比較して比較的小さな隙間だけを伴うように、バルブシート５から離間されて配置される絞り作動状態で調整バルブ１が作動する場合に当てはまる。絞り縁部領域１０は、円錐形バルブシート５に対応できるように、少なくとも部分的に円錐形またはドーナツ状に形成されている。

ここで、絞り縁部領域１０は、環状様式で変位軸線７周りに延在している。

さらに、絞り縁部領域１０は、絞りバルブ要素６の端部のうちバルブシート５に面した端部１１に明確に形成されている。

剪断層の不安定性を防止するかまたは少なくとも減少させるために、調整バルブ１は、絞り縁部領域１０と相互作用する複数の体積流れスワール要素１５（単なる例示として参照符号が付与されている）を有しており、これを用いて、蒸気体積流れ２の壁ジェット領域（図示せず）と蒸気体積流れ２のコア流れ領域（図示せず）との間の速度勾配が回避されるかまたは少なくとも低減されるように、剪断層（図示せず）の大きく向上された混合が実現される。

図１に示す例示的な実施形態では、複数の体積流れスワール要素１５は、絞り縁部領域１０の反対側において、変位軸線７の周りで同心状に、バルブハウジング３に配置されている。

ここで、体積流れスワール要素１５は、バルブシート５上に明確に形成された材料集積部１６として、バルブハウジング３に形成されている。

図１に示す調整バルブ１は、蒸気タービン１７のバルブ装置（ここではさらに図示せず）の絞り弁として使用される。

図２に示す他のバルブ絞り要素１０６は、図１に示す調整バルブ１の同様の構成要素であってもよく、図２には他のバルブ絞り要素１０６に関連する調整バルブは図示しない。

バルブ絞り要素１０６は、少なくとも部分的に円錐形に構成された絞り縁部領域１１０を有しており、この領域は、バルブシート５（一例として図１を参照されたい）に面する側１２０において対称的に形成されている。

この例示的な実施形態では、バルブ絞り要素１０６の絞り縁部領域１１０には、絞り縁部領域１１０上の材料くぼみ１２１として明確に形成された複数の体積流れスワール要素１１５が配置されている。

材料くぼみ１２１はまた、絞り縁部領域１１０上に材料ウェブ１２２をもたらし、いずれの場合においても、２つの材料ウェブ１２２は、絞り縁部領域１１０の周方向１２３において材料くぼみ１２１を横方向に画定しており、また同様に、材料くぼみ１２１は、絞り縁部領域１１０の周方向１２３において材料ウェブ１２２を横方向に画定する。

材料くぼみ１２１は、ポケット領域として絞り縁部領域１１０に導入されており、これら材料くぼみ１２１は、蒸気体積流れの壁ジェット領域と蒸気体積流れのコア流れ領域との間の剪断層における剪断層の不安定性を防止する。

材料くぼみ１２１または材料ウェブ１２２は、絞り縁部領域１１０の周方向１２３に均等に分散される様式でバルブ絞り要素１０６上に配置される。

いずれの場合においても、変位可能なバルブ絞り要素１０６の絞り縁部領域１１０は、バルブシート５に面する前記領域の側１２４に鋸歯状のクラウン形状１２５の形態で実現されており、これら歯は、材料ウェブ１２２によって形成される。この様式で形成されたバルブ絞り要素１０６によって、蒸気体積流れ２の壁ジェット領域（例示的に図１を参照されたい）と蒸気体積流れ２のコア流れ領域との間の剪断層における剪断層不安定性を累積的または代替的を防止できる。

図３に示すさらなるバルブ絞り要素２０６は、図２に示す他のバルブ絞り要素１０６とほぼ構造的に同一であり、さらなるバルブ絞り要素２０６においては、絞り縁部領域２１０に設けられた材料くぼみ２２１または材料ウェブ２２２は、絞り縁部領域２１０の周方向２２３に不均一に分散される様式でバルブ絞り要素２０６上に配置されており、それによって、蒸気体積流れ２の壁ジェット領域と蒸気体積流れ２のコア流れ領域と間の剪断層における剪断層不安定性の防止に関する効果をさらに高めることができる。

絞り縁部領域２１０における形成された材料くぼみ２２１と、これに関してくぼみに対応する材料ウェブ２２２とは、絞り縁部領域２１０の周方向２２３において異なる長さを有している。

さらなるバルブ絞り要素２０６は、図１に示すような同様の調整バルブ１の構成要素であってもよく、他のバルブ絞り要素２０６に関連する調整バルブも図示されていない。

そのためバルブ絞り要素２０６は、少なくとも部分的に円錐形に構成された絞り縁部領域２１０を有しているが、これはバルブシート５に面する側２２４において非対称的に形成されている（例として図１を参照されたい）。

この点において、バルブ絞り要素２０６の絞り縁部領域２１０には同様に複数の体積流れスワール要素２１５が設けられており、図３に示される例示的な実施形態では、これら体積流れスワール要素２１５は、絞り縁部領域２１０におけるポケット領域の形状で材料くぼみ２２１として明瞭に形成されている。

材料くぼみ２２１または材料ウェブ２２２は、絞り縁部領域２１０の周方向２２３において不均一に分散される様式でバルブ絞り要素２０６上に配置される。

また、変位可能なバルブ絞り要素２０６の絞り縁部領域２１０は、バルブシート５に面する領域の側２２４において鋸歯状のクラウン形状２２５の形態で実現される。

本発明について好ましい例示的な実施形態によって詳細に図示しかつ詳細に説明したが、本発明は、開示された例示的な実施形態に限定されず、他の変形例を、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によって本明細書から導き出すこともできる。

１ 調整バルブ
２ 蒸気体積流れ
３ バルブハウジング
４ 内部空間
５ バルブシート
６，１０６，２０６ バルブ絞り要素
７ 変位軸線
８ 貫流方向
１０，１１０，２１０ 絞り縁部領域
１５，１１５，２１５ 体積流れスワール要素
１７ 蒸気タービン
１２１，２２１ 材料くぼみ
１２１，２２２ 材料ウェブ
２２３ 周方向
２２５ 鋸歯状のクラウン形状

Claims (11)

1. バルブハウジング（３）を有し、バルブシート（５）を有し、かつ前記バルブシート（５）に対して変位軸線（７）に沿って変位可能なバルブ絞り要素（６；１０６；２０６）を有する、ガス体積流れを調整するための調整バルブ（１）であって、
   前記バルブにおいて、前記バルブハウジング（３）は前記バルブシート（５）を形成し、かつ前記バルブにおいて、前記変位可能なバルブ絞り要素（６；１０６；２０６）は、前記バルブシート（５）と相互作用する絞り縁部領域（１０；１１０；２１０）を有しており、
   前記調整バルブ（１）は、前記絞り縁部領域（１０；１１０；２１０）と相互作用する複数の体積流れスワール要素（１５；１１５；２１５）を有しており、前記体積流れスワール要素（１５；１１５；２１５）は、前記ガス体積流れの壁ジェット領域と前記ガス体積流れのコア流れ領域との間の剪断層における剪断層不安定性を防止するかまたは少なくとも低減し、
   前記変位可能なバルブ絞り要素（１０６；２０６）の前記絞り縁部領域（１１０；２１０）は、材料くぼみ（１２１；２２１）および／または材料ウェブ（１２２；２２２）を有しており、
   前記材料くぼみ（２２１）および／または前記材料ウェブ（２２２）は、前記周方向（２２３）において少なくとも部分的に異なる長さを有することを特徴とする調整バルブ（１）。
2. 前記体積流れスワール要素（１５）は、前記変位軸線（７）の周りで同心状に、かつ前記絞り縁部領域（１０）に対向して、前記バルブハウジング（３）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の調整バルブ（１）。
3. 前記体積流れスワール要素（１５）は、前記変位可能なバルブ絞り要素（１０６；２０６）の前記絞り縁部領域（１１０；２１０）上に、前記変位軸線（７）の周りに同心状に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の調整バルブ（１）。
4. 前記変位可能なバルブ絞り要素（２０６）の前記絞り縁部領域（２１０）は、前記バルブシート（５）に面する側（２２４）において非対称的に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）。
5. 前記変位可能なバルブ絞り要素（２０６）の前記絞り縁部領域（２１０）は、前記領域の前記周方向（２２３）において非対称的に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）。
6. 前記材料くぼみ（１２１；２２１）および／または前記材料ウェブ（１２２；２２２）は、前記バルブシート（５）に面していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）。
7. 前記材料くぼみ（１２１；２２１）および／または前記材料ウェブ（１２２；２２２）は、前記絞り縁部領域（２１０）の前記周方向（２２３）において不均一に分散される様式で前記バルブ絞り要素（２０６）上に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）。
8. 前記変位可能なバルブ絞り要素（１０６；２０６）の前記絞り縁部領域（１１０；２１０）は、前記バルブシート（５）に面した側（１２３；２２３）に鋸歯状のクラウン形状（１２５；２２５）を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）。
9. 前記ガス体積流れは、蒸気体積流れ（２）であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）。
10. 複製のバルブ装置を有するタービンであって、
    前記バルブ装置の少なくとも１つが、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の調整バルブ（１）を備えることを特徴とするバルブ装置。
11. 前記タービンが蒸気タービン（１７）であることを特徴とする請求項１０に記載のタービン。

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