JP4024125B2

JP4024125B2 - 高温用バタフライ弁

Info

Publication number: JP4024125B2
Application number: JP2002304737A
Authority: JP
Inventors: 英光真本; 章岡田
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004138202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高炉炉頂圧制御等の高温のガス流の制御等に使用する高温用バタフライ弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に高温用バタフライ弁は、例えば製鉄所の高炉の炉頂から放出される高炉ガスを利用した炉頂圧発電装置において、その発電装置への供給配管に流れる高温、高速のガス流の流量調整を行うセプタム弁等に利用される。
【０００３】
この炉頂圧発電装置による発電の流れは、図４に示すように、高炉１２で発生した高炉ガスが、炉頂１２ａを経て下降管１３を流動下降し、一次集塵装置１４ａ及び二次集塵装置１４ｂを通過して、供給配管１５によりガスタービン１６ａ及び発電機１６ｂから成る炉頂圧発電装置１６に導入される。この炉頂圧発電装置１６により、高炉ガスの圧力エネルギーが処理されて発電を行う。
【０００４】
このとき、高炉ガスが、炉頂１２ａから過剰に流出した場合、セプタム弁１７を開いてガスの一部をガス配管１８へ送り、供給配管１５への流量調整を図っている。
【０００５】
このセプタム弁１７に使用される従来の高温用バタフライ弁は、図５に示すように、弁箱１０を構成する外筒１の内周に耐熱性、耐磨耗性の高い材料からなる内筒２を設け、その弁箱１０内に、筒軸方向に直交して挿通した弁軸５に弁体４を取り付けたものである。
【０００６】
内筒２内を高温のガス流が通過すると、その熱の影響を受けて弁体４は直径方向外側に熱膨張し、また内筒２も直径方向外側に熱膨張しようとする。しかし、外筒２は、内筒２との接触面から熱を受けて、その熱を外周で接触している外気に放出するので、それほど熱膨張せず、熱を直接受けた内筒２が外側に熱膨張するのを拘束する。また、内筒２は、外筒１を介して幾分冷やされて、弁体４よりも温度が低くなる。このため、内筒２の膨張度合は弁体４のそれに対して相対的にかなり小さくなる。
【０００７】
そこで、弁体４が熱膨張した際に、弁体４の外周縁部４ａが、内筒２内周に密着して動かなくなることを防ぐため、この弁体４の外周縁部４ａと内筒２内周の間に、図５に示す隙間ｗを設け、閉弁時においても、この隙間ｗからある程度のガス流が漏れることを許容している。
【０００８】
また、外筒が加熱されにくい構造とした断熱構造のバタフライ弁としては、例えば、実開平５−３６１６８号公報に開示され、図６に示すように、外筒１と内筒２からなる弁箱１１の筒軸方向中程で筒軸に直交して挿通した弁軸５に弁体４を取り付け、筒軸方向中程において、前記外筒１内周と前記内筒２外周にそれぞれ突設したフランジ８，９を重合させ、そのフランジ８，９を貫通するボルトにより、外筒１と内筒２を結合し、その外筒１と内筒２の間に空間を設けて、その空間に断熱材３を配置したものである。断熱材３は、前記空間を筒軸方向両端部で密閉する保持板７に押さえられて、弁箱１１外に脱落しないようになっており、この断熱材３は、内筒２内を通過する高温のガス流の熱により、外筒１が加熱されるのを防いでいる。
【０００９】
図６に示す弁体４は、内筒２内を高温のガス流が通過すると、その熱の影響を受けて、図７に示す実線ａから鎖線ｂのごとく熱膨張する。また、内筒２は、直径方向外側に熱膨張しようとするが、前記フランジ８，９の重合により、外筒１は、内筒２が外側に膨張するのを幾分拘束しているので、その外筒１との結合方法に応じて内筒２の膨張度合が変化し、膨張量を把握し難い。
【００１０】
このとき、例えば、弁体４の膨張度合が内筒２に対して相対的に大きい場合は、弁体４が内筒２より大きく膨張するので、弁体４の外周縁部４ａが内筒２内周に密着して弁が開閉しなくなることがあり、前記内筒２の膨張度合が弁体４に対して相対的に大きい場合には、内筒２がより大きく膨張するので、閉弁時に両者のなす隙間が大きくなり、好ましくない。
【００１１】
このため、この弁箱１１においても、内筒２の内周と、前記弁体４外周縁部４ａの間に常温時に隙間ｗを設け、弁体４が内筒２より大きく熱膨張することにより、弁体４と内筒２内周が密着しないようにして、弁体４が開閉しなくなることを防いでいる。
【００１２】
また、この隙間ｗから、閉弁時にガス流が漏れることを防ぐため、前記内筒２内周には、弁軸５を挟んで前記内周の上周部と下周部に、それぞれ弁座突部６ａ，６ｂを、一方は弁体４の下流側、他方は弁体４の上流側に設けて、図６又は図７に示す弁体４の閉弁状態において、弁体４外周縁部４ａの筒軸方向側面がそれぞれ弁座突部６ａ，６ｂに当接して、隙間ｗを塞ぎ、ガス流の漏れを防いでいる。
【００１３】
【特許文献１】
実開平５−３６１６８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す従来の高温用バタフライ弁では、特に管路の温度が比較的低い場合は、隙間ｗが大きいため、閉弁時におけるガス流の漏れ量が多い。このため、このバタフライ弁を図４に示すセプタム弁１７として使用すると、発電出力に生じるロスが大きい。
【００１５】
また、図６に示す高温用バタフライ弁では、閉弁時に、弁体４の上流側あるいは下流側背面から流体圧ｐを受けた際に、その圧力変動や弁体４自体の筒軸方向へのたわみ等により、図６に鎖線ｃで示すように弁体４が僅かに微開し、弁体４外周縁部４ａと前記弁座突部６ａ，６ｂとが離れることがある。弁体４と弁座突部６ａ，６ｂとが離れると、図７に鎖線ｃで示すように、前記隙間ｗを通じて図中の矢印Ｑのごとく多量のガス流の漏れが発生する。
【００１６】
このため、このバタフライ弁をセプタム弁１７として使用すると、その漏れの発生の都度、前記発電装置１６の出力が変動するので、発電装置１６を一定の出力に制御することが難しくなる。
【００１７】
また、内筒２内を流れる高速のガス流には、集塵装置１４ａ，１４ｂで除去できなかったダスト類が含まれているので、そのダスト類が弁座突部６ａ，６ｂに衝突し、その突部６ａ，６ｂを磨耗させてしまう。
【００１８】
このため、この図６に示す弁座突部６ａ，６ｂを有するバタフライ弁は、高温、高速のガス流を扱うセプタム弁１７には不向きである。
【００１９】
そこで、この発明は、管路内の温度に関わらず、弁体４外周縁部４ａと内筒２内周の隙間ｗを常に小さくし、セプタム弁に使用できるバタフライ弁とすることを課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、外筒と内筒からなる弁箱内の筒軸方向中程で、その筒軸方向に直交して挿通した弁軸に弁体を取り付けたバタフライ弁において、前記内筒は、外筒に筒軸方向両端部で単純梁状に支持され、その外筒と内筒の間には断熱材を配置し、内筒と弁体は、熱膨張率の等しい材質としたものである。
【００２１】
内筒内を高温のガス流が通過すると、前記内筒は、外筒の筒軸方向両端部で支持されているので、その両端部では径方向外側への熱膨張が拘束され、その筒軸方向中程の弁体付近では、径方向外側に単純梁状に自由に撓んで熱膨張し、弁体も径方向外側に自由に熱膨張する。
【００２２】
このとき、前記内筒と弁体は、熱膨張率の等しい材質であり、それぞれ径方向外側への膨張度合が同程度となるので、温度変化による熱膨張を考慮する必要がなく、内筒内周と弁体との間に設ける隙間を小さくできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
一実施形態を図１乃至図３に示し、この実施形態の高温用バタフライ弁は、管路Ｐに介在して設けられ、外筒２１と内筒２２からなる弁箱２０内の筒軸方向中程で、その筒軸方向に直交して挿通した弁軸２５に弁体２４を取り付け、内筒２２は、外筒２１に筒軸方向両端部で単純梁状に支持され、その外筒２１と内筒２２の間にはグラスウ−ルからなる断熱材２３を配置したものである。
【００２４】
前記外筒２１の筒軸方向両端部内周にそれぞれ突条２１ａ，２１ｂを、前記内筒２２の筒軸方向両端部外周にはそれぞれ突条２２ａ，２２ｂを設け、図１に示すように、突条２２ａ，２２ｂが径方向外側に成す側周面が、それぞれ外筒２１内周、又は突条２１ｂに係合して、外筒２１と内筒２２を同心軸に支持する。
【００２５】
また、その突条２２ｂが筒軸方向に成す側面が、突条２１ｂの筒軸方向に成す側面、又は管路Ｐの弁箱２０との接続部に設けたフランジ２６が筒軸方向に成す端面に係合して、外筒２１と内筒２２を筒軸方向に位置決めする。
【００２６】
弁体２４の外周縁部２４ａは、図１に示す閉弁状態で内筒２２の内周に接し、管路内のガス流を止める。このとき、内筒２２内径ｄと弁体２４外径ｅは、内径ｄが外径ｅより僅かに大きい寸法となっており、その寸法の違いにより、両者が図３に示す僅かな隙間ｗを成し、弁体２４の開閉をスム−スにしている。
【００２７】
また、前記内筒２２と弁体２４は、その材質に双方同一のものが用いられ、この材質は、例えば、ステンレス鋼、高クロム鋳鋼等の耐熱性、耐磨耗性の高い金属が望ましい。また、熱膨張率の等しいあるいは近い材質であれば、前記内筒２２と弁体２４が同一の材質でなくてもよい。
【００２８】
内筒２２内を高温のガス流が通過すると、前記内筒２２と弁体２４は、その熱の影響を受けて、それぞれ径方向外側へ膨張しようとする。このとき、内筒２２は、その筒軸方向両端部の突条２２ａ，２２ｂを外筒２１に外側から支持されているので、この両端部での内筒２２の径方向外側への熱膨張は、外筒２１により拘束される。
【００２９】
筒軸方向中程の弁体２４付近では、内筒２２は、外筒２１による両端部での前記拘束の影響を受けないので自由に熱膨張し、前記両端部を支点として、内筒２２の筒軸方向中程が、その径方向外側に単純梁状に撓みながら、外筒２１と内筒２２の間に介在する断熱材２３を圧縮して、図２に示す鎖線から実線へ図中の矢印のごとく熱膨張する。
【００３０】
また、弁体２４も、内筒２２と同様に径方向外側へ、図中の鎖線から実線のごとく熱膨張する。
【００３１】
一般的に、部材が拘束力を受けない場合、例えば、この内筒２２のような円筒部材が径方向外側へ熱膨張したときの径方向への膨張量Δｄは、その内筒２２の膨張前の内径ｄと加熱される温度差ｔにほぼ比例すると考えられ、その部材の材質の持つ熱膨張率αにより、
Δｄ＝αｄｔ
でほぼ近似される。
【００３２】
また、弁体２４のような円盤状の部材が径方向外側へ熱膨張したときの径方向への膨張量Δｅは、その膨張前の外径ｅと加熱される温度差ｔにほぼ比例すると考えられ、同じく部材の材質の持つ熱膨張率βにより、
Δｅ＝βｅｔ
でほぼ近似される。
【００３３】
内筒２２の外周は、筒軸方向両端部の前記突条でのみ外筒２１に接触し、それ以外の部分は、断熱材２３で覆われて保温されているので、内筒２２は、外気や外筒２１により冷やされ難い。このため、内筒２２は、弁体２４とほぼ同じ温度に維持されるので、前記近似式における加熱される温度差ｔは、内筒２２と弁体２４ともほぼ等しくなる。
【００３４】
内筒２２と弁体２４は熱膨張率の等しい材質からなるので、その熱膨張率α，βを等しいとし、さらに、前記隙間ｗは前記内径ｄに対して充分小さいので、前記内径ｄと前記外径ｅがほぼ等しいと近似すれば、前記近似式で求められる膨張量Δｄ，Δｅはほぼ等しくなる。つまり、前記筒軸方向中程での内筒２２と弁体２４の膨張度合が同程度となる。
【００３５】
このため、弁体２４と内筒２２内周の間に設定する隙間ｗの寸法は、温度変化による内筒２２と弁体２４の熱膨張を考慮することなく小さく設定できる。このように、隙間ｗを小さく設定すれば、その隙間ｗからのガス流の漏れ量を低減することができる。
【００３６】
また、その隙間ｗの寸法は温度変化によりあまり変わらないので、温度条件に関わらず閉弁状態でのガス流の漏れ具合が安定し、その量を把握し易い。
【００３７】
さらに、弁体２４が管内の圧力変動や、弁体２４自体のたわみ等により微開した際に、前記隙間ｗは、図３に実線ａで示す閉弁状態の隙間ｗ１から、破線ｃで示す微開状態の隙間ｗ２に変動する。このとき、図に示すように、弁体２４の開度が微小であれば、隙間ｗの寸法ｗ１とｗ２はあまり変わらない。このため、前記隙間ｗからのガス流の漏れ量は微開によりさほど変動することなく、前記微開現象の有無に関わらず漏れ量を定量的に把握できる。
【００３８】
漏れ量を定量的に把握できるので、この高温用バタフライ弁を、例えば、図４に示す炉頂圧発電装置１６において、供給配管１５へのガス流の供給調整を行うセプタム弁１７に使用すれば、その発電装置１６の出力制御上便利である。
【００３９】
この実施形態では、前記断熱材２３の素材にグラスウールを用いたが、この実施形態以外にセラミックス等の他の断熱素材も使用できるが、この断熱材２３の素材は、前記内筒２２の直径方向外側への熱膨張をあまり阻害しない収縮可能なウール状のものが好ましい。
【００４０】
さらに、前記突条は、外筒２１内周及び内筒２２外周にそれぞれ設けたが、前記内筒２２が外筒２１の筒軸方向両端部で係合して同心軸に支持され、また筒軸方向に位置決めされていれば、突条の形態は自由である。例えば、外筒２１内周又は内筒２２外周のいずれか一方に突条を設ける形態であれば、前記内筒２２の外周に、外筒２１内周に係合する突条２２ａ，２２ｂを設けて同心軸に支持してもよいし、前記外筒２１の内周に、内筒２２外周に係合する突条２１ａ，２１ｂを設けて同心軸に支持してもよい。
【００４１】
このとき、前記内筒２２は、外筒２１に設けた突条２１ａ，２１ｂによって、筒軸方向に位置決めしてもよいし、管路Ｐのフランジ２６の端面に係合して筒軸方向に位置決めしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
この発明は、以上のように、ガス流の漏れ量を低減でき、また、その漏れ量を定量的に把握できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態のバタフライ弁の切断正面図
【図２】同実施形態の内筒と弁体の熱膨張の状態を示す概略図
【図３】同実施形態の弁体の微開時の状態を示す概略図
【図４】炉頂圧発電装置の構成を示す概略図
【図５】従来例のバタフライ弁の切断正面図
【図６】従来例のバタフライ弁の切断正面図
【図７】従来例の内筒と弁体の熱膨張の状態を示す概略図
【符号の説明】
１，２１外筒
２，２２内筒
３，２３断熱材
４，２４弁体
４ａ，２４ａ外周縁部
５，２５弁軸
６ａ，６ｂ弁座突部
７保持板
８，９フランジ
１０，１１，２０弁箱
１２高炉
１２ａ炉頂
１４ａ一次集塵装置
１４ｂ二次集塵装置
１５供給配管
１５ａ入口弁
１５ｂ出口弁
１６発電装置
１７セプタム弁
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ突条
Ｐ管路

Claims

管路Ｐに介在して設けられる、外筒２１と内筒２２からなる弁箱２０内の筒軸方向中程で、その筒軸方向に直交して挿通した弁軸２５に弁体２４を取り付けたバタフライ弁において、
内筒２２は、外筒２１に筒軸方向両端部で単純梁状に支持され、その外筒２１と内筒２２の間には断熱材２３を配置し、内筒２２と弁体２４は、熱膨張率の等しい材質であることを特徴とする高温用バタフライ弁。
外筒２１内周と内筒２２外周の筒軸方向両端部にそれぞれ突条２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂを設け、外筒２１と内筒２２のうちいずれか一方の両端の突条が、他方の両端に係合して、外筒２１に対して内筒２２を同心軸に支持し、内筒２２の一端の突条が、外筒２１の一端の突条又は管路Ｐのフランジ２６の筒軸方向側面に係合して、外筒２１に対して内筒２２を筒軸方向に位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の高温用バタフライ弁。