JP3765740B2

JP3765740B2 - 弁装置

Info

Publication number: JP3765740B2
Application number: JP2001282890A
Authority: JP
Inventors: 昌之新谷
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: JP2003090458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダム等から水を減勢槽内などの水中に放流する際に使用される放流弁などの弁装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、放流弁の一つとして、ホロージェットバルブがあり、このバルブＶは、図１１に示すように、ダム等の放流管１の下流側開口部に設けられ、開口部の上壁の開閉装置２によりその操作杆３を回すことにより作動される。そのバルブＶの構造は、実公昭５８−３８２０９号公報などに示され、図１２及び図１３に示すように、スリーブ状弁箱１０内にスプリッタ１１を介してシリンダ１２を設け、このシリンダ１２のプランジャ１３先端にニードル状弁体１４を設けている。プランジャ１３は傘歯車機構３ａを介して操作杆３に連結されており、操作杆３の回転により、シリンダ１２に対しプランジャ１３が矢印のごとく移動して弁体１４が進退する。
【０００３】
弁体１４は水流方向に沿って（下流側に）徐々に拡大するテーパ面を外周面とし、弁箱１０との対向部が弁座１８となり、この弁座１８に弁体１４が接離し、その接離度合によって弁孔１５の流通面積が制御される。すなわち、流量調整される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１２及び図１３に示すホロージェットバルブ装置（弁装置）において、放流管１からの水流は高圧のため、弁体１４の背面部ａが負圧となり、これによって渦キャビテーションが発生する。この渦キャビテーションは、弁孔（流路）１５に対向する弁箱１０の内面ｂ及びスプリッタ１１の前縁部ｃを壊食する。
【０００５】
このため、従来では同図に示すように、弁箱１０の外部から、スプリッタ１１、シリンダ１２と給気路１６を形成してシリンダ１２の前面全周に給気孔１７を形成し、この給気孔１７から負圧領域となる弁体背面部ａに給気するようにしている。
【０００６】
しかしながら、この給気のみでは、十分な壊食防止効果はなく、さらなるその防止策が望まれる。
【０００７】
この発明は、給気以外の壊食防止策を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、この発明は、渦キャビテーションが発生する弁座の周縁部又は弁体の周縁部を流体の流れ方向全長に亘って広がる流線形同一曲面に形成し、かつ、その周縁部の端縁にその全周に亘って複数のスリットを形成することとしたのである。流線形同一曲面及びスリットは弁座及び弁体の両者共に形成することができる。
【０００９】
流線形とは、「物体の流体抵抗の大部分が主として表面摩擦のみによって占められるような形」をいうため、弁座又は弁体の周縁部から流体が剥離する所は、その流線形の後縁、すなわち、端縁に近い所で生じる。そして、その端縁にはスリットが形成されているため、流体の剥離に基づく渦キャビテーションは、スリットの奥部（上流側）から発生し、スリットの側縁に沿って先端まで移動し、その途中で剥離したり、先端から剥離する。また、隣り合うスリットから発生する渦キャビテーションはスリットのピッチだけ離れて発生する。この渦キャビテーションの移動、途中剥離及びスリットピッチだけ離れて発生することにより、渦キャビテーション同士は、繋がりにくく、このため、渦キャビテーションの合体成長が抑えられる（図４の剥離個所ａ参照）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態としては、弁座に対し弁体が相対的に進退して、弁孔を開閉又は弁孔流通面積を拡縮する弁装置において、前記弁座の周縁部又は弁体の周縁部を、流体の流れ方向全長に亘って広がる流線形状に形成するとともに、その周縁部の端縁にその全長に亘って複数のスリットを形成した構成を採用し得る。
【００１１】
この構成において、上記スリットの隙間（図１０の符号ｔ参照）を流れ方向に徐々に広がるようにすれば、スリットのピッチが徐々に変化して、隣り合うスリットから発生する渦キャビテーションはより繋がりにくくなり、渦キャビテーションの合体成長が円滑に抑えられる。この徐々に広がるスリットの形状としては、三角状、半円形などが考えられる。
【００１２】
上述構成の弁装置を放流弁装置とする場合には、放流管の下流側開口部に設けられ、下流側に徐々に拡大するテーパ面を外周面とする弁体と、この弁体に接離する弁座を有するスリーブ（弁箱）とから成り、その弁体とスリーブの一方を他方に対し移動させて弁座に対し弁体が相対的に進退し、この進退により、放流管からの放流量を制御する構成を採用し得る。
【００１３】
【実施例】
この実施例は、図１２、図１３に示した従来例において、図１に示すように弁体１４の外周面は水の流れ方向全長に亘って徐々に広がる流線形同一曲面に形成され、その下流側端縁にはその全周に亘って三角錐形状のスリット２０が形成されている。このため、そのスリット２０の形成端縁（スリット２０間の面）２０ａも流線形状が連続する流線形同一面を維持する。この弁体１４の各部の寸法（ｍｍ）は、入口管径Ｒが７５の場合 (図１参照）、図２、図３に示すとおりであり、スリット２０は周囲６度間隔に形成され、全周に６０個ある。
【００１４】
この実施例と図１２、図１３の従来例はスリット２０の有無、及び端縁まで流線が連続しているか否か、即ち、流線形同一曲面となっているか否かの相違があるだけであり、プランジャ１３のストロークＳｐが全開で３０ｍｍとすると、弁開度βは（Ｓｐ／３０）×１００で表され、キャビテーション係数бは、水密部から下流側３００ｍｍの静圧Ｐ₂、弁体１４水密部を通過する平均流速ｖとして、試料水の飽和蒸気圧Ｐｖ、密度ρにより、（Ｐ₂−Ｐ_v）／（１／２）ρｖ²と定義し、β：３３．３、６６．７、１００でそれぞれ実験を行った。なお、ｖは上流側の検査ノズルにより秤量される流体（水）Ｑを弁体水密部と弁箱間壁との隙間の断面積で除して求めた。
【００１５】
その実験は、図６に示すように、図１のものにおいて、弁箱１０をアクリル樹脂製とした模型をそれぞれ製作して、高速写真撮影と高速ビデオカメラ撮影で行い、高速写真撮影の際には、せん光時間１．６μｓのクセノンフラッシュランプを用いた。得られた画像をもとに弁体１４後縁部分、特にキャビテーション発生直後の様相について、実施例と従来例の場合の相違点を調べた。そのとき、できる限りキャビテーション係数бを合わせて撮影を行った。また、渦キャビテーションによるＡＥ（アコースティック・エミッション）解析との関連で、キャビテーション初生近傍、サブキャビテーション、遷移キャビテーション、スーパーキャビテーションの各状態に対して撮影を行った。
【００１６】
高速ビデオ撮影の際には、連続光を使用し、撮影速度は９０００コマ／ｓとした。画像はいったん本体内の１６メモリに８ビット（グレースケール２５６階調）で記録された後、コンピュータに保存した。高速写真撮影と同様にできる限りキャビテーション係数бを合わせて撮影を行った。
【００１７】
この実験結果によると、渦キャビテーションは、キャビテーション初生近傍からサブキャビテーション状態、遷移キャビテーション状態、スーパーキャビテーション状態と移行し、その遷移キャビテーションおよびサブキャビテーション状態のとき、従来例に比べ、実施例は弁体１４後縁のスリット２０によって渦キャビテーションの合体、成長を抑制する働きが観察できた。このとき、渦キャビテーションの繋がりにくさは、前述のキャビテーションの移動・途中剥離及びスリットピッチだけ離れて発生することに加え、スリット２０が外側に広がる三角形状となって、剥離も斜め方向となっていることも起因していることが確認できた。このことから、スリット２０の形状は規則的でなく、不規則の方が、例えば、幅ｔが異なり、かつ形状も、三角、四角、半円形などと各種の形状が混在している方が好ましいとも考えられる。
【００１８】
但し、スーパーキャビテーション状態のときには、弁体１４後方がキャビテーション気泡に埋め尽くされるため、あまりスリット２０の効果は認められなかった。
【００１９】
なお、比較例として、図６の模型において、弁体１４の下流側端縁に別態様のスリット２０’を形成したものの実験を行ったが、図５に示すように、そのスリット２０’は、実施例と異なり、四角錐形状としたものであり、その弁体１４の下流側端縁Ｐが全周に円周線状の段差形状となっている。すなわち、スリット２０’の先端まで、弁体１４の外周面の流線形が徐々に縮小する連続形状２０ａでない（流線形同一曲面となっていない）。この比較例においては、下流側端縁Ｐが全周に円周線状の段差形状のため、その円周線縁全周から剥離が生じて渦キャビテーションが連続し、かつ、その剥離領域の内側にスリット２０’が入ってしまい、すなわち、渦キャビテーションが周方向に切断されず、かつスリット２０’の縁に沿って移動しないため、円周線状のキャビテーション気泡が繋がり合って成長しており、給気しない場合は、通常の図１２のバルブ形状と同様に抑制効果は認められなかった。一方、給気した場合には、通常形状のバルブよりも給気の効果を阻害した。このことから、弁体１４の外周面は流線形でスリット２０の端までその流線形が維持されていることが重要であることが理解できる。
【００２０】
つぎに、キャビテーションによる壊食・振動などの諸障害の予測のため、ＡＥ実験を行い、その実験は、図６に示すように、アクリル製弁箱１０外壁面にＡＥセンサＳを取り付け、そのＡＥセンサＳは、流れの上流側からセンサ位置〔０〕、センサ位置〔１〕、センサ位置〔２〕とした。また、給気の影響を調べるために、弁下流側の６枚のスプリッタ１１内部に、それぞれ十分広い断面積の給気路１６を設けて、十分給気が行われるようにし、その給気路１６のスプリッタ１１内周取り付け部のプランジャ１３の上流側に給気口１７を設けた。
【００２１】
この実験結果によると、実施例、比較例及び従来例において、センサ位置の比較により、センサ位置〔２〕のスプリッタ部、センサ位置〔０〕の水密部、センサ位置〔１〕の弁体１４を支えるスプリッタ１１までの中間ケーシング部分の順で壊食強さが大きく出ていることを示した。また、実施例は従来例に比べ、キャビテーションが抑制されるため、壊食強さを抑える働きがあった。これに対し、比較例は壊食強さを抑える働きは見られなかった。なお、実施例のキャビテーションを抑える効果は弁開度が大きい方が顕著である。
【００２２】
給気は実施例においても有用であり、給気だけでは使用条件によってはまだ壊食の危険性があるため、給気とスリット２０との併用が効果的と考えられる。その給気する場合には、スリット２０の谷線（スリット２０の縦断面の最も低い点の連続線）を流れ方向に徐々に深くなるようにして、例えば、その谷線の傾斜角θ（図２参照）を２０度とすれば、図４の剥離個所（点部分ａ）に給気が円滑に至って、給気された空気泡のクッション効果により、壊食等のキャビテーション障害を抑制できる。
【００２３】
図７乃至図９には、他の型式の弁装置にこの発明を採用した実施例を示し、図７の実施例は、フィックストコーンバルブによる水中放流の場合を示し、その弁体１４の下流側端縁全周にスリット２０を形成している。この実施例は、弁箱をなすスリーブ１０’が開閉装置２により操作杆３、ギヤボックス２’、作動杆３’を介して矢印のごとく移動されて弁開閉される。
【００２４】
図８の実施例は、コーンスリーブバルブの場合であり、固定コーン４２に対し弁体をなす移動スリーブ４１が昇降されて流量制御し、その移動スリーブ４１の下端全周に、同図（ｂ）に示すようにスリット２０を形成したものである。図９の実施例は玉形弁（グローブバルブ）の場合であって、その昇降する弁体５１の下流側端縁全周にスリット２０を形成したものである。なお、図７、図９においては、ｂの部分で弁座に接し、図８ではｂの部分でコーン４２に接して閉弁する。
【００２５】
これらのいずれの実施例も、スリット２０のないものに比べ、その存在によりキャビテーションが抑制される。
【００２６】
スリット２０の形状としては、図１０（ａ）乃至（ｅ）に示すように、半円波形、台形波形などの種々の態様を考えることができる。これらの各スリット２０も流れ方向に徐々に深くなるように形成する。
【００２７】
【発明の効果】
この発明は、以上のように、弁体下流側端縁全周にスリットを形成し、このスリットにより、渦キャビテーションの合体成長を抑えるようにしたので、弁体の壊食の防止及び振動による騒音などの問題を有効に抑制することができる。壊食が抑えられれば、メンテナンス時の修復作業が短縮・軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の概略断面図
【図２】同実施例の弁体部の側面図
【図３】同弁体部の一部正面図
【図４】同弁体部の端縁拡大部分斜視図
【図５】比較例の弁体部の端縁拡大部分斜視図
【図６】同実施例の実験説明図
【図７】他の実施例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は弁体の端縁部斜視図
【図８】他の実施例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はコーンの端縁部斜視図
【図９】他の実施例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は弁体の端縁部斜視図
【図１０】弁体スリット部の他例を示す部分図
【図１１】ホロージェットバルブの取付状態の概略断面図
【図１２】従来例の概略断面図
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面図
【符号の説明】
１放流管
２開閉装置
１０弁箱
１１スプリッタ
１２シリンダ
１３プランジャ
１４ニードル状弁体
１６給気路
１７給気孔
１８弁座
２０スリット
２０ａ端縁（流線形同一曲面）
４１移動スリーブ
４２固定コーン
５１弁体

Claims

弁箱から成るスリーブ（１０）内にスプリッタ（１１）を介してシリンダ（１２）が設けられ、そのシリンダ（１２）のプランジャ（１３）に弁体（１４）を設け、前記プランジャ（１３）を介して、前記弁体（１４）を弁座（１８）に対して進退させて弁孔（１５）を開閉又は弁孔流通面積を拡縮するとともに、前記シリンダ（１２）の弁体（１４）との対向面から弁体（１４）背面に向って給気する放流管（１）の下流側開口部に設けられる水中放流型ホロージェットバルブ装置において、
上記弁体（１４）の外周面を、流体の流れ方向全長に亘って広がる流線形同一曲面に形成するとともに、その外周面下流側端縁（２０ａ）にその全長に亘って複数のスリット（２０）を形成し、そのスリット（２０）は、その隙間（ｔ）が流れ方向に徐々に広がっているとともに、その谷線が流れ方向に徐々に深くなるようになっていることを特徴とするホロージェットバルブ装置。