JP5185725B2

JP5185725B2 - 蒸気タービン用蒸気弁

Info

Publication number: JP5185725B2
Application number: JP2008206670A
Authority: JP
Inventors: 雄久 ▲浜▼田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-08-11
Also published as: JP2010043566A

Description

本発明は、蒸気タービンへの蒸気の流入を制御する蒸気タービン用蒸気弁に関し、特にステムリーク量を低減する蒸気タービン用蒸気弁に関する。

蒸気タービンに流入する蒸気を遮断する蒸気弁は、蒸気タービンと同様に重要な部分であって、弁を構成する耐熱材料と温度や圧力などの蒸気条件とは密接な関係がある。このような蒸気弁について図４に示す例を参照して説明する。図４において、符号６０で示される蒸気弁は、弁体６８を内包する弁室７０と、該弁室を形成するケーシング５６と、該ケーシング５６の蓋体であるボンネット５２と、前記ケーシング５６の内部に形成され弁体のシート面６８ｓと当接する弁座６６と、前記弁体６８を摺動自在に駆動させる弁軸５４と、該弁軸を支持するブッシュ５８などで構成されている。また、ボンネット５２はケーシング５６にボルト７２で締め付けられて設けられている。

図４の矢印Ａで示される蒸気タービンのボイラからの蒸気は、蒸気入口管６２を介して弁室７０内へ流入され、弁座２２より上流に設置された蒸気中の異物を取り除くストレーナ６５を通り、弁体のシート面６８ｓと弁座６６を接離自在となるように取付けられた弁体５の移動により蒸気の遮断及び流出が行われ、蒸気出口管６４から矢印Ｂのように蒸気タービンへ流れる。

現在、蒸気タービンプラントで採用されている蒸気温度５５０〜６００℃のもとで使用されている蒸気弁を構成する材料は、特許文献１（特開平６−２２１１０５号公報）に開示されるように、ブッシュに関しては弁軸と摺動する内面にステライト（コバルト基合金）を溶接肉盛した１２Ｃｒ鋼を用いている。また、弁軸に関しては１２Ｃｒ鋼に耐酸化性と耐摩耗性のサーミット材の溶斜層を形成し、酸化スケールの付着を防止し、さらに摺動面の焼付きを防止する。
さらに、特許文献２（特開２００７−２３９６６３号公報）には、ブッシュとしてＮｉ基合金又はコバルト合金を使用した発明が開示されており、酸化スケールの生成を抑制するとともに摺動性を確保している。

特開平６−２２１１０５号公報特開２００７−２３９６６３号公報

しかしながら、近年は、環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化が積極的に進められ、６００℃級程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されており、このような蒸気タービンにおいてはフェライト系耐熱鋼の諸特性では要求を満足できない部品が少なからずあるため、蒸気弁で用いる耐熱合金はより高温特性に優れた耐熱合金が望ましい。
よって、特許文献１に開示される発明では７００℃級の高温高圧蒸気条件下において、耐熱性に不安がある。また、特許文献１及び特許文献２は、弁室から弁軸を沿って漏洩するステムリークについては何ら記載がされていない。
さらに、高温高圧蒸気条件下における蒸気弁の弁軸及びブッシュは、良好な摺動性を確保してスティックの発生が低減するように設計されることが望まれる。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、酸化スケールの生成を抑制して蒸気弁摺動部のスティックの発生を低減するとともに、ステムリーク量を低減させる蒸気タービン用蒸気弁を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、ケーシングにより形成され弁体を内包する弁室と、該弁体を弁座に対して進退自在に駆動させる弁軸と、該弁軸の摺動管として機能するブッシュとを具備する蒸気弁において、
前記弁軸と前記ブッシュが同一の耐熱合金であるＮｉ基合金で形成されるとともに、該弁軸は該ブッシュとの摺動範囲の外表面に表面硬化処理を施され、前記ブッシュは前記弁軸との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンスが形成され、前記弁軸は、前記ブッシュとの摺動範囲に施された前記硬化処理の表面にスパイラル状の溝が前記ラビリンスに対向して形成されることを特徴とする。

かかる発明によれば、７００℃級蒸気条件下においても高い耐熱性を持ち、酸化スケールが付着しにくいＮｉ基合金を前記弁軸とブッシュに用いることにより、高温高圧蒸気条件下においても、酸化スケールの生成を抑制することができる。ここでＮｉ基合金としては、Ｎｉ−Ｃｒ合金やＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金等のＮｉを主たる成分とした鉄の合金が用いられ、例えばインコネルが挙げられる。
また、弁軸とブッシュに同一の耐熱合金を用いた場合には酸化スケールが付着し、蒸気弁摺動部のスティックが発生する原因となるが、前記弁軸の表面に硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上するとともに、摺動性が向上して酸化スケールが付着しにくくなる。なお、表面硬化処理とは、耐摩耗性を向上させるものであれば浸炭処理でもよく、特に摺動性を向上させる窒化処理は好適に用いられる。

さらに、前記ブッシュの摺動面にラビリンスを形成することにより、弁室から漏洩するステムリーク量がブッシュの凹凸面によって徐々に減圧され、ステムリーク量を低減することができる。また、ラビリンス構造にすると接触面積が減るので摺動面積を減らすことができ、より摺動性が良好になる。
なお、このようなラビリンス構造は従来より用いられている１２Ｃｒ鋼にステライト肉盛させ、その表面を加工して形成することもできるが加工工数およびステライト肉盛量が多いため不向きである。よって、もともと酸化スケールが付着しにくいＮｉ基合金にラビリンスを形成することは手法的にも好適である。

また、前記弁軸は、前記ブッシュとの摺動範囲に施された前記硬化処理の表面にスパイラル状の溝が形成されることを特徴とする。
前記弁軸にスパイラル状の溝を形成することにより、ブッシュとの接触面積を減らすことができ、摺動性が良好になる。また、スパイラル状の溝に蒸気が流れることによる潤滑作用が期待できる。

かかる発明によれば、７００℃級蒸気条件下においても高い耐熱性を持ち、酸化スケールが付着しにくいＮｉ基合金を前記弁軸とブッシュに用いることにより、高温高圧蒸気条件下においても、酸化スケールの生成を抑制することができる。
また、前記弁軸の表面に硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上するとともに、摺動性が向上して酸化スケールが付着しにくくなる。
さらに、前記ブッシュの摺動面にラビリンスを形成することにより、弁室から漏洩するステムリーク量がブッシュの凹凸面によって徐々に減圧され、ステムリーク量を低減することができる。また、ラビリンス構造にすると接触面積が減るので摺動面積を減らすことができ、より摺動性が良好になる。
また、前記弁軸にスパイラル状の溝を形成することにより、ブッシュとの接触面積を減らすことができ、摺動性が良好になる。また、スパイラル状の溝に蒸気が流れることによる潤滑作用が期待できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。図１において、符号１０で示される蒸気弁は、蒸気タービンに供給される駆動用蒸気を制御するための蒸気弁であり、弁体１８を内包する弁室２０と、該弁室２０を形成するケーシング６と、該ケーシング６の蓋体であるボンネット２と、前記ケーシング６の内部に形成され弁体のシート面１８ｓと当接する弁座１６と、前記弁体１８を摺動自在に駆動させる弁軸４と、該弁軸４を支持するブッシュ８などで構成されている。また、ボンネット２はケーシング６にボルト２２で締め付けられて設けられている。

図１の矢印Ａで示される蒸気タービンのボイラからの蒸気は、蒸気入口管１２を介して弁室２０内へ流入され、弁座１６より上流に設置された蒸気中の異物を取り除くストレーナ１５を通り、弁体のシート面１８ｓと弁座１６を接離自在となるように取付けられた弁体１８の移動により蒸気の遮断及び流出が行われ、蒸気出口管１４から矢印Ｂのように蒸気タービンへ流れる。

また、弁軸４はその一端が弁体１８の下端中央部に連結され、またその他端が弁体１８の周壁で限定される内部空間を通して延び、細長い円筒状のブッシュ８の内部を摺動自在に貫通し、支持されている。このブッシュ８は、ケーシング６の上部開口部に取付けられたボンネット２の中央部分を貫通していると共に、このボンネットにより支持されている。
以上述べたような構成の蒸気弁１０においては、全閉時には、弁体のシート面１８ｓが弁座１６に当接し、ケーシング６に形成される蒸気入口管１２からケーシング６の内部に入る蒸気の流れは、弁体のシート面１８ｓと弁座１６との当接部分で遮断され、蒸気出口管１４を通して流れない。そして、弁体１８を弁軸４によって上方向へ動かすことにより開状態となり、蒸気は弁体のシート面１８ｓと弁座１６との間に形成された隙間を通って蒸気出口管１４から排出される。

このような蒸気弁１０において、本実施形態では図中の矢印Ｃに示されるステムリークの漏洩を防止、若しくはステムリーク量を低減させる構成とした。即ち、ブッシュ８にラビリンス構造を形成し、弁軸４にスパイラル状の溝２４を形成した。
ここで、図２に図１で示されるブッシュ８と弁軸４に形成される溝２４の拡大図を示した。図２において、４は弁軸、８は弁軸４を支持して円滑に摺動させるブッシュ、３０は該ブッシュに形成されるラビリンス構造、２４は弁軸４に形成されるスパイラル状の溝を示す。

本実施形態においては、ブッシュ８も弁軸４もインコネルで形成され、弁軸４はブッシュとの摺動範囲の外表面に表面硬化窒化処理を施している。ここでは、表面硬化処理として窒化処理を用いているおり、高温高圧蒸気条件下でも酸化スケールが付着しにくいインコネルで形成し、摺動性を向上させる。
また、ブッシュ８は、弁軸４との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンス構造３０が形成される。これにより、矢印Ｃで示されるステムリーク流れは、弁軸４に対して凹部にあたる受圧面３２を介して弁軸４の上端に向って流れるが、ステムリークは受圧面３２でその都度減圧されるのでステムリーク量を低減させることができる。さらに、ラビリンス構造３０により、接触面積が減るので摺動面積を減らすことができ、より摺動性が良好になる。

さらに、弁軸４に形成されるスパイラル状の溝２４により、ブッシュ８との接触面積を減らすことができ、摺動性が良好になる。そして、スパイラル状の溝に蒸気が流れることによる更なる潤滑作用が期待できる。

次に、３種類の異なる耐熱合金につき、時間経過による酸化スケール付着量の関係を図３で説明する。図３の耐熱合金は、Ａｌ,Ｃｒ,Ｍｏなどを含有し窒化処理して表面硬化させた窒化鋼（ここではＳＡＣＭ６４５）、１２％Ｃｒ鋼、Ｎｉ基合金（ここではインコネル）である。また、酸化スケール生成量は比率で示されており、最大時の１２％Ｃｒ鋼の酸化スケール付着量を１としたものである。
図３で示されるように、Ｎｉ基合金は、ＳＡＣＭ６４５や１２％Ｃｒ鋼に比べて酸化スケールが生成しにくいことがわかる。またＮｉ基合金は、長時間経過しても酸化スケールが生成しにくく、高温高圧蒸気条件下における長時間運転に適している。よって、Ｎｉ基合金のブッシュを適用することは高温状態での酸化スケール付着による弁軸の固着対策に関して非常に有効な手段であるといえる。

本発明によれば、酸化スケールの生成を抑制して蒸気弁摺動部のスティックの発生を低減するとともに、ステムリーク量を低減させる蒸気タービン用蒸気弁を提供できる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。前記実施形態に係るブッシュ及び弁軸の拡大断面図である。時間経過による酸化スケール付着量を示す図である。従来の蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。

符号の説明

２ボンネット
４弁軸
６ケーシング
８ブッシュ
１０蒸気弁
１２蒸気入口管
１４蒸気出口管
１６弁座
１８弁体
２０弁室
２４溝
３０ラビリンス構造

Claims

ケーシングにより形成され弁体を内包する弁室と、該弁体を弁座に対して進退自在に駆動させる弁軸と、該弁軸の摺動管として機能するブッシュとを具備する蒸気弁において、
前記弁軸と前記ブッシュが同一の耐熱合金であるＮｉ基合金で形成されるとともに、該弁軸は該ブッシュとの摺動範囲の外表面に表面硬化処理を施され、前記ブッシュは前記弁軸との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンスが形成され、
前記弁軸は、前記ブッシュとの摺動範囲に施された前記硬化処理の表面にスパイラル状の溝が前記ラビリンスに対向して形成されることを特徴とする蒸気タービン用蒸気弁。
前記ラビリンスの凸面の前記弁軸の軸方向に沿った長さは前記スパイラル状の溝のピッチよりも大きく、前記ラビリンスの凸面は、前記弁軸を取り囲む全周に亘って前記スパイラル状の溝が少なくとも一つの谷に対向していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用蒸気弁。