JP3652970B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流量制御弁に関し、主に発電プラントに用いられ、弁の駆動力を小さくなるように駆動力を調整可能として信頼性を向上させたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は蒸気タービンの一般的な蒸気系統図であり、蒸気発生器６０で発生した蒸気は制御弁６２を介して蒸気タービン６１へ導かれ、蒸気タービン６１で膨張して仕事をすることにより蒸気タービンのロータに回転力を与え、発電機７０から電力を得る。膨張して低温となった蒸気は復水器６３へ導かれ、水となり再び蒸気発生器６０へ戻される。ここで、６４は蒸気バイパス系統であり、流量制御弁６５を介して復水器６３に接続されている。この流量制御弁６５は通常の運転中には閉じており、運転の立ち上がり時や緊急時、又、定期点検時に開き蒸気を蒸気タービン６１をバイパスさせて復水器６３へ流入させる役目をするものである。このバイパス系統６４及び流量制御弁６５は１プラント当り、例えば１２台設けられており、年に数回作動するものである。
【０００３】
図３は上記に説明した流量制御弁６５を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図である。（ａ）において、流量制御弁６５は全体が圧力容器７１内に収納されており、円筒状の本体４０内には、弁体部４２が本体４０の周壁とシールリング４６を介して上下摺動可能に組み込まれている。弁体部４２の中心には弁棒４１が上下動可能に挿通され、弁棒４１の下部にはフランジ５０、弁棒下部４８が形成されている。弁棒４１のフランジ５０にはリング状の係止材５１が取付けられている。
【０００４】
弁体部４２内部には空洞部４７が形成されており、この空洞部４７には弁棒４１の弁棒下部４８、フランジ５０、係止材５１が配設され、更に係止材５１と空洞部４７下面との間にはバネ４９が介装されている。４３はケージ孔であり、図４に示すように周囲に均等に８ヶ所設けられ、弁棒４１が上方へ動き、弁棒下部４８が上方へ移動し、更に弁体部４２が上方へ移動すると、蒸気が内部へ流入し、底面を通って流れる構成である。４４は弁体部４２の上面に設けられた孔であり、（ｂ）図に示すように、弁棒４１の周囲に均等に８個程度が、空洞部４７へ連通して設けられている。４５は圧力バランス孔であり、弁体部４２の底面中心に設けられ、空洞部４７へ貫通し、弁棒下部４８底面が当接している。
【０００５】
図４は図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図であり、前述のように、本体４０には８ヶ所のケージ孔４３が設けられ、弁体部４２の外周囲により閉じられており、弁体部４２が上昇することによりケージ孔４３が本体４０内部へ連通する構造である。又、中心には圧力バランス孔４５が設けられ下部が底面に開口している。
【０００６】
上記構成の流量制御弁６５において、弁が開く場合には、弁棒４１を図示していない空気駆動装置の空気圧を調整し、バネ４９の弾性力により引き上げると、弁棒下部４８と圧力バランス孔４５とが離れて開口し、弁下面と空洞部４７とが連通し、更に孔４４を介して弁上面とが連通し、弁下面と弁上面の圧力をほぼ等しくする。これにより弁体部４２の上下動が小さな駆動力で作動するようになり、弁棒４１を小さな空気圧でも上方へ引き上げ、フランジ５０を空洞部４７上面に当接させて弁体部４２を上方へ移動させ、ケージ孔４３から蒸気を弁本体４０の下部へ流入させ、弁の開放がなされる。弁を閉じる時にも弁上面と下面との圧力はほぼ等しいので弁棒４１を空気圧により押すことにより弁棒下部４８が圧力バランス孔４５を閉じると共に、弁体部４２も下方へ移動させケージ孔４３を弁体部４２で閉じることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す従来型の流量制御弁の構造では、弁底面中心部に圧力バランス孔４５を設け、弁底面５２の中心部の圧力を弁上面５３に導くことにより、弁を開けるための駆動力を低減する方式としていた。しかるに、特定の弁開度では、ケージ孔４３からの対向噴流５４の特性により、弁中心部での弁底面５２の圧力が図示のように高くなるため、この圧力が圧力バランス孔４５、空洞部４７、孔４４を介して弁上面へ伝わり、弁上面５３の圧力が弁底面５２の平均圧力よりも高くなり、必ずしも全使用圧力範囲にて駆動力が小さくならない、という課題があった。
【０００８】
そこで本発明は、流量制御弁の従来の圧力バランス孔の構造に改良を加え、弁作動の駆動力が全使用圧力範囲において小さくすることができる最適な孔位置となるようにして弁開閉作動が小さな駆動力で確実になされるようにした流量制御弁を提供することを課題としてなされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）〜（４）の手段を提供する。
【００１０】
（１）円筒状本体の周囲側面に流体が流入する複数の流入孔を設け、同本体内を上下に摺動可能な弁体部と、同弁体部の中心部を上下に貫通し同弁体部を上下動させる弁棒と、同弁体部に設けられた前記弁棒が作動時に前記弁体部の底面と上面間を連通させる圧力バランス用通路とを有し、前記弁体部の上下動により前記複数の流入孔から前記本体内底面へ流入する流体を開閉制御する流量制御弁において、前記弁体部の底面中心部には円形状の突設部を設け、同突設部の内部へは空間部を形成し同空間部を前記圧力バランス用通路へ連通させ、前記突設部底面から前記空間部へ貫通する複数の縦孔を設けると共に、前記突設部周側面から中心に向かって前記空間部へ貫通する複数の横孔を設けたことを特徴とする流量制御弁。
【００１１】
（２）前記縦孔は、前記本体底面の内径をＤ、円形に配置する縦孔中心間の距離をＤb として、Ｄb ／Ｄ＝０．３５〜０．４１となるように配置し、前記横孔は、前記突設部の外径をＤc として、Ｄc ／Ｄ＞０．５５を満足する範囲の配置とし、かつ、（前記横孔の全面積）／（縦孔の全面積）＝０．２２〜０．２８となるように前記横孔及び縦孔の径を設定することを特徴とする（１）記載の流量制御弁。
【００１２】
（３）上記（１）の発明と同じ前提の流量制御弁において、前記弁体部の底面中心部には円形状の突設部を設け、同突設部の内部へは空間部を形成し同空間部を前記圧力バランス用通路へ連通させ、前記突設部の底面中心位置から前記空間部へ貫通する１個の縦孔を設けると共に、前記突設部周側面から斜め上向きで中心に向かって前記空間部へ貫通する複数の横孔を設けたことを特徴とする流量制御弁。
【００１３】
（４）前記横孔は、前記本体底面の内径をＤ、前記突設部の外径をＤc として、Ｄc ／Ｄ＞０．５５を満足する範囲に配置し、かつ、（前記横孔の全面積）／（前記縦孔の全面積）＝０．１０〜０．１６となるように前記横孔及び縦孔の径を設定することを特徴とする（３）記載の流量制御弁。
【００１４】
本発明の（１）においては、流入孔より流入する流体の対向噴流の特性により弁底面の中心部の圧力が高まり、この圧力が弁上面に伝わり、弁上面の圧力が弁下面の平均圧力よりも高くなり、弁の駆動力に大きな力が必要となって不具合となる。そこで本発明の（１）では、複数の縦孔から流入し横孔へ流出するバイパス流れが生じ、この流れが突設部の空間部、圧力調整通路を通って弁上面へ導かれる圧力をコントロールし、弁の開閉に必要となる駆動力を調整することができる。従って、従来のように弁開放時の弁底面中央部に生ずる高圧力を抑え、結果として小さな弁駆動力で弁の開閉が可能となる。
【００１５】
本発明の（２）では、上記（１）の発明において、弁底面中央部の圧力は縦孔、横孔の位置や個数、孔径によって大きく変化するので最適な配置を決定する必要がある。そこで、これら孔を、弁底面の圧力分布を考慮し、縦孔の位置はＤb ／Ｄ＝０．３５〜０．４１とし、横孔の位置はＤc ／Ｄ＞０．５５とし、かつ、（横孔全面積）／（縦孔全面積）＝０．２５〜０．２８となるように個数及び孔径を選択する。これにより使用全圧力範囲にわたって弁底面と弁上面の圧力を最も効果的にバランスさせ、小さな駆動力で弁を作動させることができる。
【００１６】
本発明の（３）では、上記（１）の発明と比べて、縦孔は弁の弁体部の突設部の中央に１個のみとし、縦孔は斜め上向きの配置としている。このような構成においても、１個の縦孔から複数の横孔へ向かって流れるバイパス流れにより突設部の空間部、圧力バランス用通路を通って弁体部の上面へ導かれる圧力をコントロールすることができ、弁の開閉に必要な駆動力を調整できる。従って弁底面中央部に生ずる高圧力を抑え、結果として、小さな弁駆動力で弁の開閉ができる。
【００１７】
本発明の（４）では、上記（３）の発明において、縦孔と横孔との配置を最適化するため縦孔を弁体部の突設部の中心部へ１個とし、横孔の位置を、Ｄc ／Ｄ＞０．５５とし、かつ（横孔全面積））／（縦孔全面積）＝０．１０〜０．１６となるように個数及び孔径を選択する。これにより使用全圧力範囲にわたって弁底面と弁上面の圧力を最も効果的にバランスさせ、小さな駆動力で弁を作動させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係る流量制御弁を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。両図において、本実施の第１形態の流量制御弁の特徴部分は符号１２〜１６で示す部分にあり、その他の構造は図３，図４に示す従来の弁と基本的には同じである。
【００１９】
即ち、本体４０、弁棒４１、本体４０の周囲８ヶ所のケージ孔４３、弁体部１２の上面の８ヶ所の孔４４、圧力バランス孔４５、シールリング４６、空洞部４７、弁棒下部４８、バネ４９、弁棒４１のフランジ５０、係止材５１及び弁底面５２、弁上面５３の構造、作用は基本的には図３，図４のものと同じであるので、これらの説明は省略する。本実施の第１形態における弁体部１２の底面には突設部１３が形成されている。突設部１３の内部には空間部１６が形成され、この空間部１６は中心部の圧力バランス孔４５へ連通している。
【００２０】
突設部１３の周囲には空間部１６と弁底面５２の空間とを連通する横孔１５が４ヶ所、弁底面５２の空間と空間部１６とを連通する縦孔１４が４ヶ所、それぞれ設けられている。縦孔１４と横孔１５とは円周方向に均等となるように配置する。即ち、４ヶ所の縦孔１４のそれぞれの中間に横孔１５が４ヶ所配置されるようにする。これら縦孔１４、横孔１５の数は４個以上又は３個でも良く、次のように決定することが好ましい。
【００２１】
弁底面５２の内径をＤ、縦孔１４間の径をＤb 、突設部１３の外径（横孔１５の外側位置）をＤc とすると縦孔１５の位置をＤb ／Ｄ＝０．３５〜０．４１とし、横孔１４の位置をＤc ／Ｄ＞０．５５とし、かつ、両孔の面積比、即ち、（横孔１５の全面積）／（縦孔１４の全面積）＝０．２２〜０．２８程度となるように縦孔１４と横孔１５の数、孔径を決定する。
【００２２】
上記構成の実施の第１形態の流量制御弁において、弁棒４１を上方へ移動させ、弁体部１２を従来例と同じように上方へ移動するとケージ孔４３から蒸気の対向噴流の主流５４が噴出する。この対向噴流５４により弁底面５２の中心部の圧力が２点鎖線で図示のように高くなるが、縦孔１４からのバイパス流れ１ａが空間部１６へ流入し、１部は横孔１５より流出し、圧力バランス孔４５から弁上面５３へ導かれる圧力を調整し、弁底面５２中央部の圧力上昇により弁上面５３の圧力が高まるのが抑制される。
【００２３】
縦孔１４と横孔１５の個数及び孔径を、上記のように、Ｄb ／Ｄ＝０．３５〜０．４１、Ｄc ／Ｄ＞０．５５、（横孔１５全面積）／（縦孔１４全面積）＝０．２２〜０．２８を満足するように決定すると、対向噴流５４により弁底面５２中央部に生ずる高圧力による弁上面５３の圧力上昇を最も効果的に抑制することができ、これにより全使用圧力範囲にわたって弁の駆動力が大きくならずに弁作動の信頼性が著しく向上するものである。
【００２４】
図２は本発明の実施の第２形態に係る流量制御弁を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。両図において、本実施の第２形態の流量制御弁の特徴部分は符号２２〜２６で示す部分にあり、その他の構造は図３，図４に示す従来例と基本的には同じである。
【００２５】
即ち、本体４０、弁棒４１、本体４０周囲の８ヶ所のケージ孔４３、弁体部２２上面の８ヶ所の孔４４、圧力バランス孔４５、シールリング４６、空洞部４７、弁棒下部４８、バネ４９、弁棒４１のフランジ５０、係止材５１及び弁底面５２、弁上面５３の構造、作用は基本的には図３，図４のものと同じであるので、これらの説明は省略する。本実施の第２形態における弁体部２２の底面には突設部２３が形成され、その内部には空間部２６が設けられ、この空間部２６は中心部の圧力バランス孔４５へ連通している。
【００２６】
突設部２３の中心部には底面から空間部２６へ貫通する１個の縦孔２４が設けられ、突設部２３の周囲側面から空間部２６へ斜めに貫通する横孔２５が１０ヶ所周側面に均等に配設されている。この横孔２５の数は１０個に限定するものではなく、その位置、数、孔径は次のように決定することが好ましい。
【００２７】
弁底面の内径をＤ、縦孔２４を底面の中心位置に１個設け、横孔２４の外側間の長さ（突設部２３の外径）をＤc とすると、横孔の位置をＤc ／Ｄ＞０．５５とし、両孔の総面積比、即ち、（横孔２５の全面積）／（縦孔２４の全面積）＝０．１０〜０．１６程度となるように個数、孔径を決定する。
【００２８】
上記構成の実施の第２形態の流量制御弁において、弁棒４１を上方へ移動させ、弁体部２２を従来例と同じように上方へ移動するとケージ孔４３から蒸気の対向噴流の主流５４が噴出する。この対向噴流５４により弁底面５２の中心部の圧力が図示のように高まるが、中心の縦孔２４からのバイパス流れ２ａが生じ空間部２６へ流入して横孔２５から２ｂのように流出する。このバイパス流れにより圧力バランス孔４５から弁上面５３へ導かれる圧力を調整し、弁底面５２中央部の圧力上昇により弁上面５３の圧力が高まるのが抑制される。
【００２９】
縦孔２４を底面中心に、横孔２５の位置を、Ｄc ／Ｄ＞０．５５、（横孔２５の全面積）／（縦孔２４の全面積）＝０．１０〜０．１６を満足するように決定すると、対向噴流５４により弁底面５２中央部に生ずる高圧力による弁上部５３の圧力上昇を最も効率的に抑制することができ、これにより全使用圧力範囲にわたって弁の駆動力が大きくならずに弁作動の信頼性が著しく向上するものである。又、本実施の第２形態では、実施の第１形態と比較すると、縦孔２４は底面の中心に１ヶ所で良いので、製造面では優利となり、又、縦孔２４も底面中央部の圧力の高い部分に存在するので圧力調整の性能はより良好となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の流量制御弁は、（１）円筒状本体の周囲側面に流体が流入する複数の流入孔を設け、同本体内を上下に摺動可能な弁体部と、同弁体部の中心部を上下に貫通し同弁体部を上下動させる弁棒と、同弁体部に設けられた前記弁棒が作動時に前記弁体部の底面と上面間を連通させる圧力バランス用通路とを有し、前記弁体部の上下動により前記複数の流入孔から前記本体内底面へ流入する流体を開閉制御する流量制御弁において、前記弁体部の底面中心部には円形状の突設部を設け、同突設部の内部へは空間部を形成し同空間部を前記圧力バランス用通路へ連通させ、前記突設部底面から前記空間部へ貫通する複数の縦孔を設けると共に、前記突設部周側面から中心に向かって前記空間部へ貫通する複数の横孔を設けたことを特徴としている。
【００３１】
上記の構成により、複数の縦孔から流入し横孔へ流出するバイパス流れが生じ、この流れが突設部の空間部、圧力調整通路を通って弁上面へ導かれる圧力をコントロールし、弁の開閉に必要となる駆動力を調整することができる。従って、従来のように弁開放時の弁底面中央部に生ずる高圧力を抑え、結果として小さな弁駆動力で弁の開閉が可能となる。
【００３２】
本発明の（２）では、上記（１）の発明において、弁底面中央部の圧力は縦孔、横孔の位置や個数、孔径によって大きく変化するので最適な配置を決定する必要がある。そこで、これら孔を、弁底面の圧力分布を考慮し、縦孔の位置はＤb ／Ｄ＝０．３５〜０．４１とし、横孔の位置はＤc ／Ｄ＞０．５５とし、かつ、（横孔全面積）／（縦孔全面積）＝０．２２〜０．２８となるように個数及び孔径を選択する。これにより使用全圧力範囲にわたって弁底面と弁上面の圧力を最も効果的にバランスさせ、小さな駆動力で弁を作動させることができる。
【００３３】
本発明の（３）では、上記（１）の発明と比べて、縦孔は弁の弁体部の突設部の中央に１個のみとし、縦孔は斜め上向きの配置としている。このような構成においても、１個の縦孔から複数の横孔へ向かって流れるバイパス流により突設部の空間部、圧力バランス用通路を通って弁体部の上面へ導かれる圧力をコントロールすることができ、弁の開閉に必要な駆動力を調整できる。従って弁底面中央部に生ずる高圧力を抑え、結果として、小さな弁駆動力で弁の開閉ができる。
【００３４】
本発明の（４）では、上部（３）の発明において、縦孔と横孔との配置を最適化するため縦孔を弁体部の突設部の中心部へ１個とし、横孔の位置を、Ｄc ／Ｄ＞０．５５とし、かつ（横孔全面積））／（縦孔全面積）＝０．１０〜０．１６となるように個数及び孔径を選択する。これにより使用全圧力範囲にわたって弁底面と弁上面の圧力を最も効果的にバランスさせ、小さな駆動力で弁を作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る流量制御弁を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。
【図２】本発明の実施の第２形態に係る流量制御弁を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。
【図３】従来の流量制御弁を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図である。
【図４】図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。
【図５】流量制御弁が用いられる一般的な系統図である。
【符号の説明】
１２，２２ 弁体部
１３，２３ 突設部
１４，２４ 縦孔
１５，２５ 横孔
１６，２６ 空間部
４０ 本体
４１ 弁棒
４３ ケージ孔
４４ 孔
４５ 圧力バランス孔
４７ 空洞部
４８ 弁棒下部
４９ バネ
５０ フランジ
５１ 係止材
５２ 弁底面
５３ 弁上面
７１ 圧力容器

Claims (4)

1. 円筒状本体の周囲側面に流体が流入する複数の流入孔を設け、同本体内を上下に摺動可能な弁体部と、同弁体部の中心部を上下に貫通し同弁体部を上下動させる弁棒と、同弁体部に設けられた前記弁棒が作動時に前記弁体部の底面と上面間を連通させる圧力バランス用通路とを有し、前記弁体部の上下動により前記複数の流入孔から前記本体内底面へ流入する流体を開閉制御する流量制御弁において、前記弁体部の底面中心部には円形状の突設部を設け、同突設部の内部へは空間部を形成し同空間部を前記圧力バランス用通路へ連通させ、前記突設部底面から前記空間部へ貫通する複数の縦孔を設けると共に、前記突設部周側面から中心に向かって前記空間部へ貫通する複数の横孔を設けたことを特徴とする流量制御弁。
2. 前記縦孔は、前記本体底面の内径をＤ、円形に配置する縦孔中心間の距離をＤb として、Ｄb ／Ｄ＝０．３５〜０．４１となるように配置し、前記横孔は、前記突設部の外径をＤc ／Ｄ＞０．５５を満足する範囲の配置とし、かつ、（前記横孔の全面積）／（縦孔の全面積）＝０．２２〜０．２８となるように前記横孔及び縦孔の径を設定することを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
3. 円筒状本体の周囲側面に流体が流入する複数の流入孔を設け、同本体内を上下に摺動可能な弁体部と、同弁体部の中心部を上下に貫通し同弁体部を上下動させる弁棒と、同弁体部に設けられた前記弁棒が作動時に前記弁体部の底面と上面間を連通させる圧力バランス用通路とを有し、前記弁体部の上下動により前記複数の流入孔から前記本体内底面へ流入する流体を開閉制御する流量制御弁において、前記弁体部の底面中心部には円形状の突設部を設け、同突設部の内部へは空間部を形成し同空間部を前記圧力バランス用通路へ連通させ、前記突設部の底面中心位置から前記空間部へ貫通する１個の縦孔を設けると共に、前記突設部周側面から斜め上向きで中心に向かって前記空間部へ貫通する複数の横孔を設けたことを特徴とする流量制御弁。
4. 前記横孔は、前記本体底面の内径をＤ、前記突設部の外径をＤc として、Ｄc ／Ｄ＞０．５５を満足する範囲に配置し、かつ、（前記横孔の全面積）／（前記縦孔の全面積）＝０．１０〜０．１６となるように前記横孔及び縦孔の径を設定することを特徴とする請求項３記載の流量制御弁。

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