JP2024510451A - 極めて高温で使用するための安全弁の改良 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 安全弁は、７６０℃（１４００°Ｆ）以上の温度で使用するように構成されている。安全弁は、自己増力金属間シールを形成することができる閉鎖アセンブリを含む。一実施態様では、この閉鎖アセンブリは、座部を通る流体流の軸を取り囲む弓形フィンガを有するディスクを含む。弓形フィンガは、この軸に向かって内向きに、かつ座部に向かって下向きに延在してもよい。この幾何学的形状により、フィンガは、ディスクの下流側に衝突する流体の圧力に応じて屈曲することができ、このような屈曲により、ディスク上の第１のシール面が座部上の第２のシール面により強く接触する。【選択図】図５

Description

流量制御装置は、無数の用途で使用される。圧力逃がし弁、すなわち「安全」弁は、流動流体の圧力の急激な増加から保護するタイプの流量制御装置である。これらのデバイスは、多くの場合、熱水力発電所（及び同様の設備）全体を流れる過熱蒸気の過圧状態を回避するために必要である。過圧を封じ込めることができないと、機器又は設備の部品に大規模な、更には破局的な損傷をもたらす可能性がある。しかしながら、安全弁が必要とされるが、プラント設計のための出力効率の改善は常時７６０℃（１４００°Ｆ）を超える先進超々臨界（Advanced Ultra－Supercritical、ＡＵＳＣ）蒸気を含む動作条件をもたらし、これは最もロバストな設計さえも凌駕している。

本開示の主題は、これらの新しい要件を満たすために安全弁を装備する改良に関する。特に興味深いのは、１，４００°Ｆ超で４，２００ｐｓｉ以上の圧力でシール緊密性を維持することができる独自のディスク／座部界面を採用する実施形態である。この界面は、デバイスの設定圧力で接触応力を最大化する、ディスク及び座部の両方に重複する幾何学形状を組み込む。

ここで、添付図面を簡単に参照する。

図１は、安全弁用の閉鎖アセンブリの例示的な実施形態を示す。 図２は、図１の閉鎖アセンブリのためのディスク及び座部の一例を示す。 図３は、図２のディスクの一例を示す。 図４は、例示的な安全弁の一部として、図２のディスク及び座部の一例を示す。 図５は、図４の例示的な安全弁を示す。

適用可能な場合、同様の参照文字は、他の指示がない限り、縮尺どおりではない、いくつかの図全体を通して同一又は対応する構成要素及びユニットを指定する。本明細書に開示される実施形態は、いくつかの図のうちの１つ以上に、又は複数の図の組み合わせで現れる要素を含み得る。その上、方法は単なる例示であり、例えば、個々の段階を順序換え、追加、除去、及び／又は変更することによって修正され得る。

本明細書における図面及び任意の説明は、本発明を開示するために実施例を使用する。これらの実施例は、最良の形態を含み、当業者が、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用することと、任意の組み込まれた方法を実行することと、を含む、本発明を実施することを可能にする。単数形で記載され、「ａ」又は「ａｎ」という語で進められた要素又は機能は、そのような排除が明示的に記載されていない限り、複数の当該要素又は機能を除外しないものとして理解されるべきである。「一実施形態」又は「一実施態様」への言及は、列挙された特徴も組み込む追加の実施形態又は実施態様の存在を除外するものとして解釈されるべきではない。

次に、上記図面に示される実施形態の特徴について説明する。これらの実施形態は、そのシール界面に見られる独自の幾何学的形状のために、極限条件下でより良好に機能する。この幾何学形状は、圧力下で屈曲又は湾曲することができる特徴を組み込む。これらの特徴は、安全弁の動作圧力又は設定圧力の非常に近くでその完全性を維持する、より強力なシールを生成する。他の実施形態は、本開示の範囲内であり得る。

図１は、閉鎖アセンブリ１００の一例の概略図を示す。この例は、閉鎖アセンブリ１００を調整する弁機構１０４を有する安全弁１０２の一部である。弁機構１０４は、閉鎖アセンブリ１００上に負荷Ｌを生成するように定位置に予圧ユニット１０６を含んでもよい。予圧ユニット１０６は、付勢構成要素１０８、典型的にはコイル状の圧縮ばね１１０を含み得る。また図示するように、閉鎖アセンブリ１００は、例えば発電所内の過熱蒸気などの過圧流体Ｆを放出する導管Ｃと結合することができる基部１１２内に存在することができる。

概して、閉鎖アセンブリ１００は、限界動作条件用に構成され得る。これらの構成は、「非放出」状態中にデバイスを通る流体Ｆの流れを阻止するために、金属間シールを作り出す部品を含んでもよい。これらの部品は、安全弁の設定圧力でシールの気密性を維持するためにシールが「自己増力（self－energizing）」するように配置される。この特徴は、入口圧力が、デバイスの部品間のシールを作り出す（かつ維持する）負荷に近づくときに生じ得る漏れを回避する。追加の利点として、提案された設計は、例えば、急速な過圧事象に続いて、負荷により弁が急に閉じた後に、シールの気密性を損なわない。

安全弁１０２は、これらの過圧状態から保護するように構成されてもよい。これらの構成は、高圧蒸気を流す熱水力発電所での使用を見出すことができる。しかしながら、本開示は、本明細書の概念が、高圧及び高温を有する流体を取り扱う用途を含む他の用途に適用され得ることを企図する。一実施態様では、弁機構１０４は、閉鎖位置と開放位置との間で閉鎖アセンブリ１００の動きを調整することができる。

予圧ユニット１０６は、閉鎖アセンブリ１００の上流の高圧下であっても金属間シールを維持するように構成され得る。これらの構成は、付勢構成要素１０８に予圧をかけるための機構を含み得る。機構は、安全弁１００をその閉位置に維持し、流体Ｆの流れが閉鎖アセンブリ１００を通らないようにするために、負荷Ｌを達成するのに必要なばね力を生成する量だけ圧縮ばね１１０を圧縮することができる。負荷Ｌを超える閉鎖アセンブリ１００の上流の圧力は、圧縮ばね１１０を圧縮して、安全弁１０２をその開放位置へと変化させ得る。流体Ｆは、この開位置において閉鎖アセンブリ１００を通って流れることになる。一実施態様では、閉鎖アセンブリ１００は、上流の圧力が負荷Ｌを下回るまで開いたままであり、これにより、圧縮ばね１１０がもとの偏向した位置（閉鎖アセンブリ１００の閉鎖位置に関連付けられる）に戻ることを可能にする。

図２は、閉鎖アセンブリ１００の一例の断面の立面図を示す。この例は、中心軸１２０を有する孔１１８を有する座部１１６を含む接触界面１１４を有する。孔１１８は、半径Ｒ_１を有する内面１２２を有することができる。内面１２２は、好ましくは丸みを帯びた、角部１２４で終端してもよく、角部１２４自体は平面又は平坦な座面１２６で終端する。座部１１６に隣接して、丸みを帯びた角部１３４に当接する平面又は平坦な接触肩部１３２を有する外面１３０を有するディスク１２８がある。ディスク１２８内のアンダーカット１３６は、中心軸１２０に向かって内側に湾曲する弓形フィンガ１３８を形成し得る。弓形フィンガ１３８は、内面１２２の半径Ｒ_１に厳密に一致する半径Ｒ_２を有することができる。閉位置では、弓形フィンガ１３８上の外面１３２は、座部１１６上の内面１２４に接触して、（本明細書で説明されるように、圧力が負荷Ｌに打ち勝つように増加しない限り）流体Ｆの流れがデバイスを通らないようにするシールを形成する。アンダーカット１３６は、流体Ｆが弓形フィンガ１３８に衝突することを可能にする。結果として生じる圧力は、弓形フィンガ１３８を外向きかつ下向きに（座部１１６の内面１２２に向かって）湾曲又は屈曲させ得る。これらの「自己増力」特性は、温度限界及び圧力条件下でシールの有効性を増大させる。一実施態様では、弓形フィンガ１３８上の外面１３２は、丸みを帯びた端部１４４に近接して「鋸歯状」又は「窪み」部分１４２を形成する一連の同心凹部１４０を含むことができる。なお、窪み部分１４２は、接触界面１１４における接触応力を増大させて、シールを更に向上させるのに役立ち得る。

図３は、閉鎖アセンブリ１００で使用するためのディスク１２８の一例の断面の立面図を示す。この例は、端部１４６、１４８を有する略円筒形の形状を有する。外面１３２は、シリンダの外径ＯＤの変化に対応する階段状プロファイルを有してもよい。この階段状プロファイルは、弓形フィンガ１３８内の応力を低減するように、一定の割合の（a percentate of）ばね荷重を支持してもよい。一実施態様では、変化は、一対の同心部分１５０、１５２を形成するための外径ＯＤの増加を含み得る。肩部１５４は、２つの部分１５０、１５２を分離し得る。ディスク１２８の一方の端部１４６において、凹部１５６が材料内に貫通してもよい。凹部１５６は、様々な値の内径ＩＤを特徴としてもよい。好ましくは、凹部１５６は、ねじ切りされた部分Ｐを有してもよい。他方の端部１４８は、鈍端部１６０を有する円錐形突出部１５８を有してもよい。円錐形突出部１５８は、弓形フィンガ１３８を形成するアンダーカット１３６で終端してもよい。

図４及び図５は、図１の安全弁１０２の一例を示す。図４は、断面の立面図を示す。座部１１６は、孔１１８まで延びる貫通ボア１６４を有する入口ネックブッシング１６２の一部を形成することができる。入口ネックブッシング１６２は、略円筒形の底部１６６を有することができる。入口ネックブッシング１６２の上部１６８は、開口部１７６、１７８で終端する一対の直交ボアセクション１７２、１７４のうちの１つとしてここで示される、基部１１２の特徴部に挿入することができるネックダウンセクション１７０を特徴としてもよい。ボアセクション１６４、１７４は、流体Ｆが安全弁１０２を通過するための流路を形成する。基部１１２は、例えば、開口部１７６、１７８においてフランジ付き端部又は溶接された端部によって導管Ｃと接続することができる。閉位置において、ディスク１２８の円錐状突出部１５８は、座部１１６の孔１１８内に延在してもよい。ディスク１２８上の凹部１５６は、スピンドル１８０の一端を受け入れることができる。スピンドル１８０の他端は、キャップアセンブリ１８４に接続することができる圧縮ねじ１８２と結合することができる。アセンブリはまた、垂直軸Ｖに沿ってキャップアセンブリ１８４を移動させるように回転する（Ｒ）ことができるレバー１８６を含んでもよい。圧縮ばね１１０は、一対のばね座金１８８、１９０の間に存在してもよい。図５に最もよく示されているように、安全弁１０２は、圧縮ばね１１０の両側に配設されたヨークロッド１９２を含むことができる。支持体１９２は、基部１１２上の耳１９４及びヨークキャップアセンブリ１８４に近接するヨーク１９６に挿入される。締結具Ｆは、安全弁１０２のアセンブリを固定するために、支持体１９２の対向する端部に固定することができる。

前述のことを考慮すると、本明細書の改良は、限界動作条件下で機能するように安全弁を装備する。これらの改良は、発電所における過熱蒸気と一致する条件のような高圧及び高温下でその完全性を維持する金属間シールを形成するために独特の幾何学的形状を採用する。この幾何学的形状は、ディスクからの可撓性の指状突起を含み得る。この突起は、下流圧力下で外向きに屈曲し、金属間シールにおいて座部とより良好に係合する傾向がある。

特定の要素又は項目（それらのうちの１つ以上を他の要素及び項目と組み合わせ得る）を含む実施例が以下に現れ、本開示の範囲及び趣旨内で想到される実施形態を説明する。この範囲は、当業者に着想される他の実施例を含み、かつ想到し得る。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの文言と異ならない構造的要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の文字どおりの文言とほとんど相違がない同等の構造的要素を有する場合、特許請求の範囲の範囲内にあると意図される。

Claims (20)

1. 安全弁であって、
   基部と、
   前記基部に配設された座部であって、長手方向軸を有する孔を有する座部と、
   前記座部に対して移動可能なディスクであって、前記ディスクは、前記長手方向軸を取り囲み、前記長手方向軸に向かって内向きに、かつ前記座部に向かって下向きに湾曲する弓形フィンガを有する端部を有する、ディスクと、を備える、安全弁。
2. 前記ディスクは、一方の端部から延びて前記座部に近接する鈍端部で終端する円錐部を有する、請求項１に記載の安全弁。
3. 前記ディスクは、前記長手方向軸を取り囲む前記弓形フィンガ内に凹部を備える、請求項１に記載の安全弁。
4. 前記ディスクは、前記長手方向軸を取り囲む前記弓形フィンガ内に複数の凹部を含む、請求項１に記載の安全弁。
5. 弓形フィンガは、閉位置において前記座部に接触する外面を有する、請求項１に記載の安全弁。
6. 前記ディスクは、前記円錐状突出部の反対側の端部に凹部を含む、請求項１に記載の安全弁。
7. 前記座部は、前記長手方向軸を取り囲む弓形面を有する、請求項１に記載の安全弁。
8. 前記弓形面は、前記弓形フィンガの半径と一致する半径を有する、請求項７に記載の安全弁。
9. 前記座部は、前記長手方向軸を取り囲む前記孔の内面上に弓形面を有する、請求項１に記載の安全弁。
10. 前記弓形フィンガの反対側の端部で前記ディスクに結合されたスピンドルを更に備える、請求項１に記載の安全弁。
11. 前記ディスクに負荷を加えるために少なくとも部分的に偏向した圧縮ばねを更に備える、請求項１に記載の安全弁。
12. 安全弁であって、
    一対の開口部の間に流路を形成するボアセクションを備える基部と、
    前記基部に配設された閉鎖アセンブリであって、前記閉鎖アセンブリは、ディスクと、座部と、を備え、前記ディスクは、前記ディスクに作用する流体圧力に応じて前記座部と自己増力シールを形成するように構成されている、閉鎖アセンブリと、を備える、安全弁。
13. 前記自己増力シールは、前記ディスクの可撓性部分を備える、請求項１２に記載の安全弁。
14. 前記自己増力シールは、前記座部に向かって外向きに屈曲する前記ディスクの可撓性部分を備える、請求項１２に記載の安全弁。
15. 前記ディスク及び前記座部は、互いに接触して前記自己増力シールを形成する弓形接触面を形成する、請求項１２に記載の安全弁。
16. 前記自己増力シールは、同心凹部が配設された前記ディスク上の表面を含む、請求項１２に記載の安全弁。
17. 安全弁であって、
    一対の開口部間を流体が通過するための流路を形成する基部と、
    前記基部に配設され、前記一対の開口部の間に介在する閉鎖アセンブリであって、２つの構成要素を備え、各構成要素が、金属間シールを形成するように互いに接触する弓形接触面を有する、閉鎖アセンブリと、を備える、安全弁。
18. 前記弓形接触面のうちの一方が、前記構成要素の移動とは独立して、他方の弓形接触面に対して移動可能である、請求項１７に記載の安全弁。
19. 前記弓形接触面のうちの１つが、流体圧力下で可撓性である、請求項１７に記載の安全弁。
20. 前記弓形接触面のうちの１つが、流体圧力下で外向きかつ下向きに屈曲する、請求項１７に記載の安全弁。