JP4039561B2 - ガバナーバルブのための高安定性バルブ装置 - Google Patents

ガバナーバルブのための高安定性バルブ装置 Download PDF

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Description

【0001】
発明の背景
1.発明の分野
本発明はバルブにおける流体フローの制御に関し、特に、一定の流体流量範囲にわたって安定性を提供するバルブ装置に関する。
【0002】
2.従来技術の説明
ガバナーバルブは、蒸気タービンシステムなどの流体システムにおける作動圧の制御に利用することが知られている。蒸気タービンシステムにおいて、蒸気タービンの取入口は、蒸気タービンに流入する流体フローを規制または制御するガバナーバルブの吐出口に接続されている。
【0003】
従来技術では、蒸気タービン用ガバナーバルブは、作動位置によっては(すなわち、リフト位置)、しばしばフローが不安定になる場合があり、騒音や過剰な振動を引き起こしたり、バルブの故障の原因となる可能性もある。蒸気タービン用ガバナーバルブは、一般的に、蒸気流を規制するために、バルブシートに係合する遮断プラグを採用している。バルブシートは、トロイドの一部に似たものが一般的である。作動時の遮断プラグは、トロイドのバルブ中心軸に沿って動き、トロイダル型開口部を通る流体の移動を遮断したり許容したりする。シートスロートは、この開口部の最もくびれた部分である。
【0004】
フローにより誘発される不安定性は、従来技術で公知の蒸気タービン用ガバナーバルブの致命的な故障の原因として、最も可能性の高いものと考えられている。従来技術で実際に見られる損傷は、定常の力からは説明のつかないものである。破損分析は周期的な負荷の発生を示し、それは時間により変わる力の存在を示し、周波数分析は単純な共振の可能性を否定している。
【0005】
バルブを流れるフローパターンは、バルブ形状や流量によって異なる。図1A及び2Bは、環状フローパターンとコアフローパターンの相違を示している。望ましい環状フローパターンでは、バルブ出口の中央においてジェット流の衝突がない。その代わり、環流つまりフローリングが生じて、プラグ下方のバルブ出口の中央に上向き流が生じ、下向き流がバルブ出口の内壁に制限されることにより、壁に「接着」または「付着」する。不都合なコアフローパターンでは、ジェット流がそれ自身に衝突してできる広がりが不安定で、プラグ下方に変動パターンが生じる。変動するジェット流の衝突から生じると予測される回転屈曲流は、バルブ軸破損分析と一致する。
【0006】
図2A及び2Bと3A及び3Bは、2つの従来技術のプラグ構造の計算流体力学(CFD)分析図である。これらの図では、フローは下向き流である。すじ状の線は各プラグから下流方向のフローパターンを示している。各図の中央における領域は、環状フローに生じる逆流領域である。
【0007】
図2A及び2Bに関して、プラグ表面がぷっつりと切断された(つまり、鋭い遮断角部を有する)遮断プラグが、低リフト位置において良好に作動することが知られている。遮断角部は遮断プラグの先端に位置しており、一般的に、遮断プラグの側壁と底部との間に形成された角度として形成することができる。フローは、遮断角部でプラグから分離し、シート壁に沿って環状に流れる。しかし、高リフト位置(つまり高い流量)では、遮断プラグとシート壁との間の開口は、シートの曲率半径に較べて大きくなる。この状態では、シートは、フローがシート壁に付着したままで、フローを環状で下方に案内することはできない。結果として、遮断プラグ下方に、シート壁からトロイド型開口部の中央まで、不安定なフローの広がりが生じる。このフローパターンは不安定であり、遮断プラグの下方の流体フロー体積に乱流を発生させる。
【0008】
Yokoyamaらの米国特許第5,312,085号は、鋭い遮断角部を備えたプラグを組み込んだ代表的な制御バルブを開示している。Yokoyamaらのバルブが開くと、プラグシートスロートの位置が変わる。プラグシートスロートは、流路の断面が最小になる位置である。従って、プラグシートスロートは、プラグとシートとの間の最も狭い開口部である。プラグが設けられている閉止バルブは、接触箇所でバルブシートに接当する。プラグが上昇すると、プラグシートスロートが接触箇所から、プラグ及びシートの上方へ、シートの最も狭い開口部近傍に位置する鋭い角部まで移動するが、鋭い角部がシートに接触できないように、シートより小径になっている。バルブがより完全に開いても、プラグシートスロートは鋭い角部から移動しない。この制御用の鋭い角部は、それが設けられているシャフトより大径のフランジの端部に位置している。これによって、低リフト時の流路が、鋭い角部で狭くなり、急速に広がってから、再び接触箇所近傍において狭くなる。この特徴により、低リフト時に生じる高圧低下が二段階で起こり、このバルブが蒸気ではなく、液体供給のために意図されたものであるため、空洞化が防止される。
【0009】
2箇所のスロート(すなわち、連続した2つの狭いくびれ部)を有する流路は、Yokoyamaらのバルブの重要な特徴であるが、蒸気フローを制御するように構成されたバルブには不適当である。蒸気は圧縮性流体であり、連続した2つのスロートを組み込んだ流路は、圧縮性フローにおけるフロー不安定性の周知の原因である。さらに、Yokoyamaらのバルブは、蒸気タービン用ガバナーバルブにおいて、プラグ下方で、それ自体に衝突するフローから生じる不安定性の問題を解決するものではない。蒸気タービン用ガバナーバルブにおけるフローの方向は、プラグとシートとの接触箇所からシートの最も狭い開口部に向う。Yokoyamaらのバルブのフローの方向は、シートの最も狭い開口部からプラグとシートの接触箇所に向かっている。蒸気タービン用ガバナーバルブにおけるプラグ下方の体積に類似するYokoyamaらのバルブの体積は、固体の閉止バルブによって占有されているため、ここにはフローは生じない。
【0010】
図3A及び3Bのように、遮断プラグはフローを環状で下方に案内する形状にもできる。例えば、凹状フロー面を備えた遮断プラグが従来から公知である。この形状は、プラグの底部がシートスロートと同じ高さになるリフト位置、あるいはそれより高いリフト位置において良好に作動する。これらの高リフト位置では、フローは遮断角部でプラグから分離し、シート壁に沿って流れる、すなわち「付着」する。しかし、それより低いリフト位置(すなわち、低い流量)では、フローは、遮断角部までプラグ壁に沿って流れ、シート壁から離れるよう案内される。フローは、依然として環状パターンでプラグから離れるが、その後すぐにシート壁から分離し、環状流を急速に消散させる。図3A及び3Bは、それぞれ、「凹状」遮断プラグの特徴である、低リフト時における小さい中央逆流領域と、高リフト時における大きい逆流領域を示している。プラグに均一の力を発生させる環状フローパターンは安定しやすい。プラグ下方でフローがそれ自体に衝突するフローパターンは、プラグ上に、急速に変化する力を無秩序に発生させる。従って、フローがあらゆるリフト状態において環状になるようなプラグ及びシート形状を利用することが望ましい。
【0011】
Pluvoiseの米国特許第4,688,755号及び同第4,735,224号は、やや凹状のフロー面を持つプラグを組み込んだ制御バルブを開示している。プラグの側面の一部が凹状であるが、この側面は、プラグの端部、すなわち先端と直角をなす延長筒状部で終端している。この終端筒状部のために、シートとプラグの間の開口部のスロートは、遮断角部の近傍にはない。従って、遮断角部はフローをシート壁に沿わす、すなわち「付着」させることができないため、望ましい環状フローパターンが作り出されない。Pluviose特許によって開示された制御バルブは、異なる速度分布を有する2つの連続的なフローの流れを形成する形状になっている。これは、バルブシートに、6つの長手方向凹部を等間隔で設けることによって達成される。この長手方向凹部は、超音波ジェット流間に介在する低周波ジェット流を発生させて、強い混合作用を生じさせ、ジェット流を安定させ、ジェット流の長さを減少させ、ノイズを低減する。図3A及び図3Bは、それぞれ、凹状プラグの特性である、低リフト時における小さい逆流領域と、高リフト時における大きい逆流領域を示している。
【0012】
要約すると、鋭い遮断角部のプラグを有する制御バルブは、低フロー・低リフト状態では良好に作動するが、高フロー・高リフト状態では効果的に機能しない。逆に、凹状の遮断プラグを有する制御バルブは、高フロー・高リフト状態では良好に作動するが、低フロー・低リフト状態では効果的に機能しないことが知られている。従って、本発明の目的は、高リフト及び低リフトの両方の作動状態において効果的に作動するバルブ装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、高い流量及び作動圧で作動する制御バルブにおいて流体フローの不安定性を低減するバルブ装置を提供することにある。さらに、本発明の特別な目的は、鋭く切断されたプラグ面を有する遮断プラグの有利な特徴と、凹状のフロー面を有する遮断プラグの有利な特徴とを、ひとつの遮断プラグおよびバルブシート装置において組み合わせることにある。
【0013】
発明の要旨
上記の目的は、本発明によって製造されたガバナーバルブのための高安定性バルブ装置によって達成される。このバルブ装置は、曲率半径rの側部凹面を備えた遮断プラグを有している。側部凹面は、半径rの実質的に円形の断面を有する端部を形成するよう先細りとなっている。遮断プラグに対向してシートが設けられており、これはバルブ装置の中心軸心に沿った中心開口部を備えている。中心開口部の少なくとも一部は、曲率半径Rのシートの凸面によって形成されている。中心開口部は、半径Rのスロートを備えている。遮断プラグは、バルブ装置を開閉すべく、中心軸心に沿ってかつシートに対して軸方向に変位可能である。プラグの遮断角部が、遮断プラグの端部と側部凹面との交差部分に形成されている。端部の半径rは、スロートの半径Rより小さい。遮断プラグの凹面の曲率半径rは、シートの凸面の曲率半径Rより大きい。遮断角部は、少なくともおよそ90°の角度を形成している。
【0014】
/R比率は、約0.8〜1.0の範囲であってもよいが、好ましくは、0.9〜1.0の範囲、最も好ましくは、0.95〜1.0の範囲である。R/r比率は、約0.6〜1.0の範囲であってもよいが、好ましくは、0.9〜1.0の範囲、最も好ましくは、約0.95〜1.0の範囲である。遮断プラグの側部凹面と、中心軸心に平行であるとともに遮断角部を通る線との間に、角度θが形成されている。角度θは、約0°〜20°の範囲であってもよいが、好ましくは、0°〜10°の範囲、最も好ましくは、0°〜5°の範囲である。
【0015】
本発明は、さらに、遮断プラグ及びシートを備えたバルブ装置において流体フローを低減する方法に関する。この方法は、半径rの実質的に円形の断面を有する端部を形成するよう先細りとなっている曲率半径rの側部凹面を備えた遮断プラグを設けるステップと、バルブ装置の中心軸心に沿った中心開口部を備えるとともに遮断プラグに対向するシートを設け、中心開口部の少なくとも一部が曲率半径Rのシートの凸面によって形成され、中心開口部が半径Rのスロートを備え、シートが凸面の下流にシート壁を備えるステップと、圧縮性流体を、遮断プラグとシートとの間に形成されたプラグ・シートスロートを通過させて、流体フローがシート壁への付着を発生させるように方向づけられて、バルブ装置のすべての作動位置で、シートスロートに環状フロー流が形成されるようにするステップとを包含する。遮断プラグが、バルブ装置を開閉することによってバルブ装置の作動位置を変更すべく、中心軸心に沿ってかつシートに対して軸方向に変位可能である。従って、このバルブ装置は、複数の作動位置を取ることが可能である。この方法はさらに、バルブ装置のすべての作動位置で、シートスロートに環状フローが形成されるように、流体フローがシート壁への付着を発生させるべく方向づけられるよう、遮断プラグとシートとを形成するステップを包含する。
【0016】
本発明のさらなる詳細及び利点は、図面に関連して解釈される下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【0017】
発明の詳細な説明
図4は、本発明によるバルブ装置10を示しており、これは水平断面形状が実質的に円形の端部16を形成するよう先細りになった側部凹面14を備えた遮断プラグ12を有している。遮断プラグ12の端部16と側部凹面14の交差部分は鋭い遮断角部18を形成している。バルブ装置10は、さらに、凸面32を備えたバルブシート30を有している。バルブシート30は、少なくとも一部が凸面32によって形成された中央開口部34を備えている。中央開口部34の上端は遮断プラグ12に面している。中央開口部34と遮断プラグ12の両方はバルブ装置の中心軸心Lに沿って整列している。流体はバルブ装置10の作動中に中央開口部34を流れる。凸面32は中央開口部34の側部を形成するシート壁36の一部である。遮断プラグ12の遮断角部18とシート30の凸面32は、後で詳述するように、バルブ装置10のプラグ・シートスロート40を形成している。凸面32の下流のシート壁36は中央開口部34から先広がりになっている。凸面32は、シートスロート50の周囲に円周状に設けられている。作動時に、遮断プラグ12は中心軸心Lに沿って移動可能であり、バルブシート30に対するバルブ装置10の様々な「リフト位置」すなわち開口操作位置になる。
【0018】
本発明のバルブ装置10は、凸状プラグの特性と同様に、鋭い遮断角部を備えた遮断プラグの特性を組み込んでおり、高リフト及び低リフト作動圧において環状フローをより強力に促すようになっている。本発明のバルブ装置10において、凹状プラグからの環状フロー特性は、「鋭い」遮断プラグ特性と相互に作用し、高リフトおよび低リフトの両方の状態における性能を向上させている。本発明のバルブ装置10の環状フロー性能は、低リフト状態において従来の凹状プラグのそれを上回るとともに、高リフト状態において鋭い遮断プラグの環状性能を上回っている。
【0019】
プラグ端面16の半径rは、中心軸心Lから遮断角部18まで計測したものである。プラグ端面16の半径rは、シートスロート50の半径Rよりもわずかに小径であり、鋭い遮断角部18とシート30との接触を避けながら環状フローを促すとともに、さらに、プラグ12が閉位置から上昇すると、プラグ・シートスロート40が、プラグ12の角部18へ急速に移行する。Rに対するrの比率(すなわち、r/R)は、約0.8〜約1.0であり、好ましくは約0.9〜約1.0、最も好ましくは、約0.95〜約1.0である。
【0020】
極端な低リフト位置では、バルブ装置10のプラグ・シートスロート40は、プラグ12の鋭い遮断角部18の上方に位置する。しかし、プラグ12の側部凹面14の曲率半径rおよびシート30の凸面32の曲率半径Rにより、フローは確実にシート壁36に沿って流れる。リフト量が増加すると、プラグ・シートスロート40は、プラグ12の鋭い遮断角部18の方へ向かって下方へ非常に急速に動き、極端な低リフト位置以外のどのリフト位置においても、プラグ・シートスロート40がプラグ12の鋭い遮断角部18に位置したままになる。特に、プラグ12の鋭い遮断角部18は、バルブ装置10の種々の作動リフト位置にわたって、シート30の凸面32の近傍に位置したままである。その結果として、プラグ12からの出口角度は、バルブ装置10の中心軸心Lとほぼ平行になる。この位置づけによって、プラグ・シートスロート40から離れる環状フローを促すフロー運動量と、シート30の凸面32の下流の先広がりシート壁36への流体フローの付着が生じる。そのことによって、シート30の凸面32の下流に環状フローが維持される。鋭い遮断角部を備えた遮断プラグは、バルブが閉じたときに鋭い遮断角部をシートに衝突させずに、この特徴を備えることはできない。凹状遮断プラグはこの特徴を有しているが、プラグの外形は、遮断角部がバルブ軸心からあまりにも短い半径に位置するため、またプラグ・シートスロートがこの遮断角部に位置していないため、流体フローのシート壁への付着を促すものではない。
【0021】
プラグ12の凹面14の曲率半径rは、シート30の凸面32の曲率半径Rよりわずかに大きくなっており、低リフト時におけるダブルスロートを防ぐ。ダブルスロートとは、流路に2つのスロートまたはくびれがある状態を言う。もし、rがRより小さければ、バルブ装置10が閉じたときに、プラグ12とシート30が接当する箇所の近傍に1つのスロートが、また、遮断角部18の近傍に別のスロートが存在することになる。ダブルスロート形状により誘発される乱流やフローの乱れは好ましくない。プラグ12の凹面14の曲率半径rは、プラグ12のリフト必要量が最小になるように、シート30の凸面32の曲率半径Rより、それ程大きくはない。rに対するRの比率(すなわち、R/r)は、約0.6〜約1.0であり、好ましくは約0.9〜約1.0、最も好ましくは、約0.95〜約1.0である。半径rの中心は、半径Rの中心よりも、中心軸心Lに近接しない位置にある。
【0022】
側部凹面14と中心軸心Lに平行な線Aとの間の角度θは、環状フローと、シート30のシート壁32に対するフローの付着を促進するため、最小になっている。線Aは遮断角部18を通る。しかし、ほとんどの用途において、リフト量対領域特性を改善するために、角度θ=0°は避けられる。角度θが小さくなると、特定のフロー面積を達成するために必要とされるリフト量が増加する。角度θが大きくなると、流体フローを方向づける遮断角部18の能力が低下する。角度θは、約0°〜約20°の範囲、好ましくは約0°〜約10°の範囲であり、約0°〜約5°の範囲であってもよい。
【0023】
図5A及び5Bは、それぞれ、本発明のバルブ装置10の特徴である、低リフト時と高リフト時の両方における大きな中心逆流領域を示している。図5A及び5Bの構成において、上流側圧力は一定であり、下流側圧力はリフト量とともに上昇する。
【0024】
本発明のバルブ装置10は、全リフト範囲にわたって(すなわち、すべての開放作動位置において)環状フローを達成する。すべてのリフト状態において、フローは、プラグ12の遮断角部18に達するまで、プラグ12の凹面14によって方向づけられ、遮断角部18はプラグ12からのフローの分離を発生させる。その後、フローは環状でシート壁32に沿う。プラグ12の凹面14からのフローの流出角がバルブ軸心とほぼ平行であるため、フローの運動量によって、フローのシート壁36への付着が生じ、その結果環状フローとなる。バルブ装置10は、圧縮性流体を規制するために利用されるあらゆるタイプのバルブ、特に、蒸気タービン用ガバナーバルブに使用するのに適している。
【0025】
本発明は好適な実施例に関して説明されているが、本発明の意図及び範囲から逸脱することなく、本発明の種々の改変や変更が可能である。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【図1A】図1Aは、遮断プラグを備えた代表的な従来のバルブ装置における環状フローパターンの概略図である。
【図1B】図1Bは、遮断プラグを備えた代表的な従来のバルブ装置におけるコアフローパターンの概略図である。
【図2A】図2Aは、鋭い遮断面を備えた遮断プラグを有する従来のバルブ装置の低リフト位置における流体フローパターンの概略図である。
【図2B】図2Bは、鋭い遮断面を備えた遮断プラグを有する従来のバルブ装置の高リフト位置における流体フローパターンの概略図である。
【図3A】図3Aは、凹状の遮断面を備えた凹状遮断プラグを有する従来のバルブ装置の低リフト位置における流体フローパターンの概略図である。
【図3B】図3Bは、凹状の遮断面を備えた凹状遮断プラグを有する従来のバルブ装置の高リフト位置における流体フローパターンの概略図である。
【図4】図4は、本発明によるバルブ装置の断面図である。
【図5A】図5Aは、図4のバルブ装置の低リフト位置における流体フローパターンの概略図である。
【図5B】図5Bは、図4のバルブ装置の高リフト位置における流体フローパターンの概略図である。

Claims (20)

  1. 圧縮性流体のためのバルブ装置であって、
    曲率半径rの側部凹面を備えた遮断プラグであって、前記側部凹面は半径rの実質的に円形の断面を有する端部を形成するよう先細りとなっている遮断プラグと、
    前記遮断プラグに対向し、前記バルブ装置の中心軸心に沿った中心開口部を有するシートであって、前記中心開口部の内周面全体が曲率半径Rのシートの凸面によって形成され、前記中心開口部が半径Rのスロートを有するシートと、
    を備え、
    前記遮断プラグが、前記バルブ装置を開閉すべく、前記中心軸心に沿ってかつ前記シートに対して軸方向に変位可能であり、
    前記プラグの遮断角部が、前記遮断プラグの前記端部と前記側部凹面との交差部分に形成されており、
    がRより小さく、
    がRより大きく、そして
    前記遮断角部が少なくとも約90°の角度を形成しているバルブ装置。
  2. /R比率が、約0.8〜1.0の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  3. /R比率が、約0.9〜1.0の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  4. /R比率が、約0.95〜1.0の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  5. R/r比率が、約0.6〜1.0の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  6. R/r比率が、約0.9〜1.0の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  7. R/r比率が、約0.95〜1.0の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  8. 前記側部凹面と、前記中心軸心に平行であるとともに前記遮断角部を通る線との間の角度θが、θ=約0°〜20°の範囲である請求項1に記載のバルブ装置。
  9. 前記角度θが、θ=約0°〜10°の範囲である請求項8に記載のバルブ装置。
  10. 前記角度θが、θ=約0°〜5°の範囲である請求項8に記載のバルブ装置。
  11. 遮断プラグ及びシートを備えたバルブ装置における流体フローの不安定性を低減する方法であって、
    前記遮断プラグのうち半径rの円形断面を有する端部と、この端部の方に延出する曲率半径rの側部凹面との交差部分に、少なくとも約90°の角度を有する遮断角部を設けるステップと、
    前記遮断プラグに対向し、前記バルブ装置の中心軸心に沿っており、中心開口部の内周面全体が前記曲率半径rより小さい曲率半径Rのシートの凸面によって形成され、前記中心開口部に前記半径rより大きい半径Rのスロートを備えるとともに前記凸面のシート壁下流を有するシートを設けるステップと、
    圧縮性流体を、前記遮断プラグと前記シートとの間に形成されたプラグ・シートスロートを通過させて、前記流体フローが前記シート壁への付着を発生させるよう方向づけられ、前記バルブ装置のすべての作動位置で、前記シートスロートに環状フロー流を形成するステップと
    を包含する方法。
  12. /R比率が、約0.8〜1.0の範囲である請求項11に記載の方法。
  13. /R比率が、約0.9〜1.0の範囲である請求項11に記載の方法。
  14. /R比率が、約0.95〜1.0の範囲である請求項11に記載の方法。
  15. R/r比率が、約0.6〜1.0の範囲である請求項11に記載の方法。
  16. R/r比率が、約0.9〜1.0の範囲である請求項11に記載の方法。
  17. R/r比率が、約0.95〜1.0の範囲である請求項11に記載の方法。
  18. 前記側部凹面と、前記中心軸心に平行であるとともに前記遮断角部を通る線との間の角度θが、θ=約0°〜20°の範囲である請求項11に記載の方法。
  19. 角度θが、θ=約0°〜10°の範囲である請求項18に記載の方法。
  20. 角度θが、θ=約0°〜5°の範囲である請求項18に記載の方法。
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