JP5148458B2

JP5148458B2 - 蒸気弁

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Publication number: JP5148458B2
Application number: JP2008296735A
Authority: JP
Inventors: 優一中村; 朋男大藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010121558A

Description

本発明は、蒸気タービン等に使用される蒸気弁に係り、特に高圧・高温化した蒸気に対応するケーシングを有する蒸気弁に関する。

従来から、火力・原子力発電所プラント等で使用される蒸気タービンにおいては、タービン回転エネルギーとしての蒸気は、一般的に蒸気弁を介してタービンに供給される。この蒸気弁は、タービンの入口に設置されるものであるから、高温高圧の蒸気にさらされる。

この高温高圧で使用される蒸気タービンの蒸気弁について、図１１、図１２を用いて説明する。

図１１は、蒸気弁を有する発電設備の概略を示す系統図である。

機械駆動や発電用蒸気タービンおよび火力・原子力発電所プラントの蒸気タービンにおいては、タービン回転エネルギーとしての蒸気は、蒸気弁を介してタービンに供給される。

この蒸気弁は、図１１に示す蒸気タービンを備えた発電設備に使用されている。ボイラー１００からの蒸気は、蒸気弁である主蒸気止め弁１０１、蒸気加減弁１０２を通過し高圧タービン１１０で仕事をした後に、逆止弁１０７を経由して再びボイラー１００の再熱器にて加熱され、再熱蒸気止め弁１０３、インターセプト弁１０４を経て中圧タービン１１１、低圧タービン１１２へ流入し仕事をする。低圧タービン１１２で仕事をした後は、復水器１１３にて水に戻され、給水ポンプ１１４にて昇圧して再びボイラー１１０に供給されるように循環する。

また、プラントの運用効率を高めるために、プラントによっては主蒸気止め弁１０１の前からボイラー１００の再熱器の前に接続された高圧タービンバイパス弁１０５やボイラー１００の再熱器の後方から復水器１１３に接続された低圧タービンバイパス弁１０６が設置され、タービンの運転に拘らずボイラー系統単独の循環運転が出来るようになっている。

図１１に例示した発電設備に用いられる従来の蒸気弁の構成を図１２に示す。

図１２において、１１は弁内蔵物を収納する弁ケーシング、１２は弁ケーシング１１の上蓋を示している。上蓋１２は、上蓋取付けボルト２０を介して弁ケーシング１１の上面に設置される。上蓋取付けボルト２０の上部にも図示しないねじ山が切られており、このねじ山部に上蓋ナット２１締結されている。この弁ケーシング１１及び上蓋１２により蒸気弁の蒸気室が構成される。

弁ケーシング１１の内部には、弁ケーシング１１内に設けられた弁座１３、弁座１３に接触し開閉する主弁１４を有している。主弁１４には、弁棒１６が取り付けられ、主弁キャップ１５により固定される。この弁棒１６は、ガイドブッシュ１７に案内されて、弁ケーシング１１の外部より操作される。弁ケーシング１１には、蒸気を導入する蒸気入口管３０、蒸気を導出する蒸気出口管３１が設けられている。このような蒸気タービンの蒸気弁について、主蒸気や再熱蒸気の高圧化・高温化に対応するため、本体ケーシングに上蓋および内蓋によって本体内の蒸気室を冷却する冷却室を設け、この冷却室に低温の蒸気を導く技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０８−９３４０７号公報

蒸気タービン発電機の発電効率向上のため、タービンに供給される蒸気の温度・圧力は上昇する傾向にある。また、近年環境問題の観点から蒸気タービンの一層の効率化が要求されており、そのため蒸気温度が益々高温化される傾向にある。この蒸気の高圧化に伴い蒸気弁が受ける内圧が大きくなり負荷される荷重が大きくなる。また、蒸気の高温化に伴い使用環境温度が上昇するため蒸気弁の各部材料の許容荷重が低下する傾向にある。

特に、図１１における上蓋１２を固定する上蓋取付けボルト２０が締め付けられる弁ケーシング１１のねじ穴部は、上蓋１２の内面へ付加される内圧により発生する荷重にねじ締結構造にて耐える必要があるため蒸気の高圧化による影響がその他部位に比べて大きい。上蓋取付けボルト２０が締め付けられるねじ穴部が設置されている弁ケーシング１１が常に蒸気に接する部位であるため蒸気の高温化によりねじ穴部の温度が上昇し許容応力が低下する。

この弁ケーシング１１に従来使用されている鋳造材では、上述した蒸気の高圧化・高温化に伴うねじ穴部への影響である負荷の増加及び許容荷重の低下に対して強度が不足し適用が不可能になっているという課題があった。

このような課題に対し、上述の特許文献１のように弁ケーシング内に低温の蒸気を導き冷却を行ない対処することも可能であるが、このような構成では弁ケーシング内に低温の蒸気を導入する必要があり、設備が拡大する可能性があるという課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、設備を拡大することがなくとも蒸気の高圧化・高温化に適用できる蒸気弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の蒸気弁においては、弁内蔵物を収納する弁ケーシングと、この弁ケーシングの上部開口部を上蓋取付けボルトにより閉じる上蓋と、を備え、鍛造材より製造され前記上蓋取付けボルトが締め込まれるねじ部弁ケーシングと鋳造材より製造される下部弁ケーシングとが溶接されて前記弁ケーシングが形成されて、前記ねじ部弁ケーシングの外周側下面全周および前記下部弁ケーシングの外周側上面全周のうち、いずれか一方のみに溶接開先が設けられて、この溶接開先が溶接されて前記弁ケーシングが形成されること、を特徴とする。

本発明の蒸気弁によれば、蒸気の高圧化・高温化に対応できる。

以下、本発明に係る蒸気弁の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１２に示した従来の蒸気弁と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の蒸気弁９０の構成を示す縦断面図である。

まず、蒸気弁９０の構成について、図１を用いて説明する。

本図に示すように、蒸気弁９０は、弁内蔵物を収納する弁ケーシング１１、この弁ケーシング１１の上部開口部９１の蓋である上蓋１２を備えている。上蓋１２は、上蓋取付けボルト２０を介して弁ケーシング１１の上面に設置される。上蓋取付けボルト２０の上部にも図示しないねじ山が切られており、このねじ山部に上蓋ナット２１が締結されている。この弁ケーシング１１及び上蓋１２により蒸気弁９０の蒸気室が構成される。

弁ケーシング１１の内部には、弁ケーシング１１内に設けられた弁座１３、弁座１３に接触し開閉する主弁１４を有している。主弁１４には、弁棒１６が取り付けられ、主弁キャップ１５により固定される。この弁棒１６は、ガイドブッシュ１７に案内されて、弁ケーシング１１の外部より操作される。弁ケーシング１１には、蒸気を導入する蒸気入口管３０、蒸気を導出する蒸気出口管３１が設けられている。

上記弁ケーシング１１は、上蓋１２が上蓋取付けボルト２０により固定されるねじ部弁ケーシング１１ａと、この隣接部分である下部弁ケーシング１１ｂにより形成される。ねじ部弁ケーシング１１ａと下部弁ケーシング１１ｂとは、接合面における溶接により溶接部４４が形成されて一体化されている。なお、ねじ部弁ケーシング１１ａ及び下部弁ケーシング１１ｂの両方に、しかも、弁ケーシング１１の内外面に溶接開先４４ａ、４４ｂが設けられている。そして、上蓋１２とねじ部弁ケーシング１１ａとの間にはガスケット２２を設けることによりシール性を向上させている。

このように構成された本実施の形態において、蒸気入口管３０から蒸気室内に蒸気が流入すると、上蓋１２の内面に蒸気圧力が付加され、上蓋取付けボルト２０に引張力が発生する。これと同時に、ねじ部弁ケーシング１１ａに設けられたねじ穴部にせん断応力および面圧が発生する。これらの応力に対応するために、ねじ部弁ケーシング１１ａに鍛造材を使用し高温環境下での強度を確保する。下部弁ケーシング１１ｂの材料は従来通りの鋳造材とする。また、上蓋取付けボルト２０、および上蓋ナット２１についても鍛造材を使用している。

なお、鍛造とは、金属の塑性加工法の一種で、金属をハンマー等で叩いて圧力を加えることで、金属内部の空隙をつぶし、結晶を微細化し、結晶の方向を整えて強度を高めると共に目的の形状に成形するか、あるいは、金属の素材を金型などで圧力を加えて塑性流動させて成形するものである。鍛造では、このように金属に圧力を加えた際、輪郭に従った結晶組織の流れが生じることによって鍛流線が連続して形成されるために組織が緻密になり、鋳造に比べて鋳巣（空洞）ができにくいので、強度に優れた粗形材をつくることができる。

また、鋳造とは、（主に鉄・アルミ合金・銅・真鍮などの金属）を融点よりも高い温度で熱して液体にしたあと、型に流し込み、冷やして目的の形状に固める加工方法である。

上述のように、蒸気弁９０の弁ケーシング１１において、蒸気の高圧化・高温化に伴う上蓋取付けボルト２０が締結されるねじ穴部の負荷の増加及び許容荷重の低下に対して、従来使用されていた鋳造材は強度が不足し適用できない。これを解決するために、上蓋取付けボルト２０が締結されるねじ穴部周辺の弁ケーシングであるねじ部弁ケーシング１１ａの材料に、鋳造材よりも高温でより大きい強度を実現できる鍛造材を採用する。鍛造材を使用したねじ穴部周辺のねじ部弁ケーシング１１ａとそれ以外の部位である下部弁ケーシング１１ｂとを溶接にて接合し一体化することによって弁ケーシング１１を形成する。ねじ穴部周辺の部位以外のねじ穴部周辺の下部弁ケーシング１１ｂには従来の鋳造材を採用する。

本実施の形態によれば、弁ケーシングのねじ穴部周辺のねじ部弁ケーシング１１ａの材料に鍛造材を使用し、それ以外の部分の下部弁ケーシング１１ｂには従来より使用している鋳造材を適用し、ねじ部弁ケーシング１１ａと下部弁ケーシング１１ｂとを溶接にて一体化する。かくして、異種材料の組み合わせで弁ケーシング１１を形成することによって、蒸気の高圧化・高温化に適用できる蒸気弁を実現することができる。

図２は、図１の蒸気弁９０の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、本変形例に係る蒸気弁９０は、ねじ部弁ケーシング１１ａと下部弁ケーシング１１ｂとの溶接部４０の開先形状を工夫して、図１に示す溶接部４４における溶接に比較して容易に溶接することを目的としたものである。すなわち、ねじ部弁ケーシング１１ａの外周側下面全周及び下部弁ケーシング１１ｂの外周側上面全周に溶接開先４０ａを設けている。ねじ部弁ケーシング１１ａと下部弁ケーシング１１ｂとを、弁ケーシング１１の外側から溶接にて接合して一体化することによって弁ケーシング１１を形成する。

本変形例によれば、図１に示した第１の実施の形態に比べ、溶接開先４０ａを外周側のみに設けたことにより溶接による接合が容易になる。また、ねじ部弁ケーシング１１ａの外周側下面全周及び下部弁ケーシング１１ｂの外周側上面全周に溶接開先４０ａの角度についても、ねじ部弁ケーシング１１ａの外周側下面全周あるいは下部弁ケーシング１１ｂの外周側上面のいずれか一方のみに溶接開先４０ａを設けたものよりも大きく取ることができる。かくして、ねじ部弁ケーシング１１ａに鍛造材を使用し高温環境下での強度を確保し、下部弁ケーシング１１ｂの材料は従来通りの鋳造材として、異種材料の組み合わせで弁ケーシング１１を形成することにより、蒸気の高圧化・高温化に適用可能な蒸気弁９０を実現できる。

図３は、図１の蒸気弁９０の他の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、本変形例に係る蒸気弁９０は、図２に示す溶接部４０に比較して溶接量を低減することを目的としたものである。すなわち、本変形例では、ねじ部弁ケーシング１１ａの外周側下面全周のみに溶接開先４１ａを設けている。

本変形例によれば、溶接開先４１ａがねじ部弁ケーシング１１ａの外周側下面全周のみに設けられているため、溶接４０による接合が容易となり、溶接作業時間の短縮が可能になる。これにより、溶接４０の際にねじ部弁ケーシング１１ａ及び下部弁ケーシング１１ｂに加わる熱量を低減し、溶接熱による変形および残留応力を抑止することもできる。かくして、ねじ部弁ケーシング１１ａに鍛造材を使用し高温環境下での強度を確保し、下部弁ケーシング１１ｂの材料は鋳造材し、異種材料の組み合わせで弁ケーシング１１を形成することにより、蒸気の高圧化・高温化に適用可能な蒸気弁９０を得ることができる。

図４は、図１の蒸気弁９０のさらに他の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示した変形例は、ねじ部弁ケーシング１１ａの外周側下面全周のみに溶接開先を設けた図３に示した変形例に対し、下部弁ケーシング１１ｂの外周側上面全周のみに溶接開先４２ａを設けたものである。本変形例によっても、図３に示した変形例と同様な作用効果を奏することが可能である。

図５は、図１の蒸気弁のさらに他の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、本変形例に係る蒸気弁９０は、図１乃至図３に示した蒸気弁の溶接の溶接開先４０ａ，４１ａ，４２ａ，４４ａ，４４ｂの機械加工時間を低減することを目的としたものである。すなわち、本変形例においては、鍛造材を使用し高温環境下での強度を確保したねじ部弁ケーシング１１ａの外形を、下部弁ケーシング１１ｂに対して小さく形成し、ねじ部弁ケーシング１１ａ及び下部弁ケーシング１１ｂの接合部に段差を設けている。そしてこの段差部を溶接部４３として、ねじ部弁ケーシング１１ａと下部弁ケーシング１１ｂとを溶接により接合する。

本変形例によれば、ねじ部弁ケーシング１１ａの外径寸法を下部弁ケーシング１１ｂよりも小さくし、これによりできた段差を溶接部４３とすることにより、溶接開先加工が不要となり、製作時間の低減が可能とし、かつ図１乃至図４に示したものと同様に蒸気の高圧化・高温化に適用可能な蒸気弁９０を得ることができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態の蒸気弁９０の構成を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、蒸気弁９０は、図１に示す弁ケーシング１１に対して、上蓋１２との接合面である弁ケーシング１１の上部に弁ケーシングツバ部５１が設けられている。下部弁ケーシング１１ｂの材料は鋳造材とし、弁ケーシングツバ部５１も同一の材料の鋳造材で作製されている。この弁ケーシングツバ部５１を貫通した上蓋取付けボルト２０に鍛造材で作製された袋ナット６１を取り付け、弁ケーシング１１と上蓋１２とを締め付けている。

そして、本実施の形態においては、この袋ナット６１と上蓋取付けボルト２０、および上蓋ナット６１について鍛造材が使用されている。このように、袋ナット２１を使用して上蓋取付けボルト２０と締結させることにより、ねじ穴からの蒸気の漏れを防止することが可能である。また、袋ナット６１は、上蓋取付けボルト２０を締結することにより弁ケーシングツバ部５１の内面に押し付けられ、そこがシール面となり蒸気の漏れが防止される。

本実施の形態によれば、弁ケーシング１１の上部に弁ケーシングツバ部５１を設けることにより、この弁ケーシングツバ部５１を貫通した上蓋取付けボルト２０を介して弁ケーシング１１と上蓋１２とを締め付けている。そして、弁ケーシング１１の部位の中で最も材料強度が要求される上蓋取付けボルト２０を締結するねじ穴部を有する袋ナット６１、上蓋取付けボルト２０、上蓋ナット２１を高強度材料の鍛造材としている。かくして、弁ケーシングツバ部５１を貫通した上蓋取付けボルト２０を介して弁ケーシング１１と上蓋１２とを締め付けることにより、製造コストアップを抑制しつつ、蒸気の高圧化・高温化に適用可能な蒸気弁９０を得ることができる。

図７は、図６に示した第２の実施の形態に係る蒸気弁の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、本変形例に係る蒸気弁９０は、図６に示した蒸気弁９０において、袋ナット６１と弁ケーシングツバ部５１の内面との間に、ガスケット７１を設けている。このガスケット７１を設けることにより、キリ穴からの蒸気の漏れを防ぐことが可能である。

本変形例によれば、図６に示した蒸気弁９０と同様な作用効果をそうするとともに、袋ナット６１と弁ケーシングツバ部５１の内面との間にガスケット７１を設けることにより、さらにシール性を向上させ、袋ナット６１を使用することによりねじ穴からの蒸気の漏れを防止することが可能である。

図８は、図６の蒸気弁９０の他の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、蒸気弁９０は、図７に示した蒸気弁９０と同様、袋ナット６１と弁ケーシングツバ部５１の内面との間にガスケット７１を設けている。さらに、本変形例においては、袋ナット６１の下面の弁ケーシング１１の内側面に脱落防止板８１が設けられている。

本変形例によれば、図７に示した蒸気弁９０と同様な作用効果を奏するとともに、袋ナット６１の下面に設けられた脱落防止板８１により、上蓋取付けボルト２０の締結作業が容易になり、上蓋１２を取り外した時に袋ナット６１が脱落しないようにすることができる。図９は、図６の蒸気弁９０のさらに他の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、本変形例に係る蒸気弁９０についても、図６に示した蒸気弁９０と同様、弁ケーシングツバ部５１対して、弁ケーシング１１の内面に鍛造材で作製された袋ナット６１を取り付けて上蓋取付けボルト２０と締結している。また、図７に示した蒸気弁９０と同様、本変形例においても、袋ナット６１と弁ケーシングツバ部５１の内面との間に、ガスケット７１を設けている。そして、本変形例においては、弁ケーシングツバ部５１の下面に、左ネジ穴５１ａが加工されるとともに、鍛造材で製作された袋ナット６１の外周に左ネジが加工されている。そして、本変形例においては、袋ナット６１を左ネジ穴５１ａにねじ込み、その後袋ナット６１と上蓋取付けボルト２０とを締結することを特徴としている。

本変形例によれば、袋ナット６１の外周に左ねじを加工し弁ケーシングツバ部５１の左ねじ穴５１ａにねじ込むため、上蓋取付けボルト２０の締結作業が容易になり、上蓋１２を取り外し時に袋ナット６１が脱落しない蒸気弁を得ることができる。そして、袋ナット６１と弁ケーシングツバ部５１の内面との間にガスケット７１を設けることにより、さらにシール性を向上させ、袋ナット６１を使用することによりねじ穴からの蒸気の漏れを防止することが可能である。

図１０は、図６の蒸気弁９０のさらに他の変形例を示す縦断面図である。図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、蒸気弁９０は、袋ナット６１を弁ケーシングツバ部の左ネジ部に締結させた図９の蒸気弁９０に対し、弁ケーシングツバ部５１の内面に鍛造材で製作された袋ナット６１を溶接にて取り付け、袋ナット６１と上蓋取付けボルト２０と締結することを特徴としている。

本変形例によれば、図７に示した変形例に係る蒸気弁９０の作用効果を奏するとともに、弁ケーシングツバ部５１の内面に鍛造材で製作された袋ナット６１を溶接にて取り付けているために、上蓋取付けボルト２０の締結作業が容易になり、上蓋１２を取り外し時に袋ナット６１が脱落しない蒸気弁を得ることができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態の蒸気弁の構成を示す縦断面図。図１の蒸気弁の変形例を示す縦断面図。図１の蒸気弁の他の変形例を示す縦断面図。図１の蒸気弁のさらに他の変形例を示す縦断面図。図１の蒸気弁のさらに他の変形例を示す縦断面図。本発明の第２の実施の形態の蒸気弁の構成を示す縦断面図。図６の蒸気弁の変形例を示す縦断面図。図６の蒸気弁の他の変形例を示す縦断面図。図６の蒸気弁のさらに他の変形例を示す縦断面図。図６の蒸気弁のさらに他の変形例を示す縦断面図。蒸気弁を有する発電設備の概略を示す系統図。従来の蒸気弁の構成を示す構成図。

符号の説明

１１…弁ケーシング、１１ａ…ねじ部弁ケーシング、１１ｂ…下部弁ケーシング、１２…上蓋、１３…弁座、１４…主弁、１５…主弁キャップ、１６…弁棒、１７…ガイドブッシュ、２０…上蓋取付けボルト、２１…上蓋ナット、２２…ガスケット、３０…蒸気入口管、３１…蒸気出口管、４０〜４５…溶接、４０ａ、４１ａ、４２ａ、４４ａ、４４ｂ…溶接開先、５１…弁ケーシングツバ部、５１ａ…左ねじ穴、６１…袋ナット、７１…ガスケット、８１…脱落防止板、９０…蒸気弁、９１…上部開口部、１００…ボイラー、１０１…主蒸気止め弁、１０２…蒸気加減弁、１０３…再熱蒸気止め弁、１０４…インターセプト弁、１０５…高圧タービンバイパス弁、１０６…低圧タービンバイパス弁、１０７…逆止弁、１１０…高圧タービン、１１１…中圧タービン、１１２…低圧タービン、１１３…復水器、１１４…給水ポンプ。

Claims

弁内蔵物を収納する弁ケーシングと、
この弁ケーシングの上部開口部を上蓋取付けボルトにより閉じる上蓋と、
を備え、
鍛造材より製造され前記上蓋取付けボルトが締め込まれるねじ部弁ケーシングと鋳造材より製造される下部弁ケーシングとが溶接されて前記弁ケーシングが形成されて、
前記ねじ部弁ケーシングの外周側下面全周および前記下部弁ケーシングの外周側上面全周のうち、いずれか一方のみに溶接開先が設けられて、この溶接開先が溶接されて前記弁ケーシングが形成されること、を特徴とする蒸気弁。