JP5830445B2

JP5830445B2 - 蒸気弁

Info

Publication number: JP5830445B2
Application number: JP2012156033A
Authority: JP
Inventors: 広大井上; 杉田　克紀; 克紀杉田; 藤原　優; 優藤原; 裕樹田邉; 哲高野
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: JP2014020200A

Description

本発明は、発電と工場用蒸気供給機能を備えた蒸気タービンの流入部などの、高温蒸気の配管途中に装備される蒸気弁に関するものである。

この種の蒸気弁は、例えば、特許文献１において開示されるように、蒸気タービンの主蒸気流入部に装備されたものが知られている。即ち、前記特許文献１の図２になどに示されるように、蒸気弁〔蒸気加減弁〕（１０）は、弁体（１０ａ）、ディフューザと一体な弁座（１０ｂ）、弁棒（１０ｃ）、弁体駆動用の油圧シリンダ（１０ｄ）との組立体で、弁ケーシング〔弁箱〕（１２）に形成した球殻構造の弁箱部分に組み込まれている。

蒸気弁は、高温の蒸気での配管途中に設置されるため、弁軸と弁箱との間をシールする軸封機構には高温の蒸気に対する配慮が必要である。その軸封機構として、従来では、特許文献２や特許文献３において開示される手段が知られている。即ち、従来の軸封機構は、金属材とマイカとを積層してなるシールリング（リング状シール）と、膨張黒鉛でなるグランドパッキンとのそれぞれを単数又は複数組合わせて配列するとともに、パッキン押えで押付ける構造のものであった。

しかしながら、前記従来技術による構成の軸封機構では、時間の経過と共にグランドパッキンにおける膨張黒鉛の酸化による重量減少が生じることが分ってきた。その原因としては、大気側から酸素（空気）が侵入することによるものであると考えられ、前記重量減少により体積減少となり、延いては許容できない漏洩を招くおそれがあるため、何らかの対策が必要になってきた。

特開２０１０−０４８２１６号公報特開平０４−３４７０６８号公報特開２０１２−０４１８８６号公報

本発明の目的は、金属材及びマイカとでなるシールリングと膨張黒鉛製グランドパッキンとの組み合わせでなる軸封機構を備える蒸気弁において、良好なシール性を維持しながらも、酸化によるグランドパッキンの重量減少に起因する漏洩増大が抑制又は防止され、弁としての長寿命化や信頼性の向上が図れるようにする点にある。

請求項１に係る発明は、弁箱１に装備される弁座２と、前記弁座２との間を通る蒸気量を調節可能な弁体３と、前記弁体３を前記弁座２に対して遠近移動させるために前記弁体３に一体化される弁軸４と、前記弁軸４と前記弁箱１との間をシールする軸封機構Ｓとを有する蒸気弁において、
前記軸封機構Ｓは、パッキン押え１２と、金属材１７とマイカシート１６との積層体でなるシールリングｒの４個と、膨張黒鉛製のグランドパッキン１３の１個と、前記シールリングｒの２個と、前記グランドパッキン１３の１個と、前記シールリングｒの２個とが、この順で大気側から流体側に向かって並ぶ状態で前記弁軸４と前記弁箱１とで形成される筒状のシール用空間部１１に装填される構成を有していることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の蒸気弁において、前記シールリングｒは、前記弁軸４の軸心Ｑに対する径方向で切断した場合の断面形状が、前記軸心Ｑ方向に突出するＶ字形となる状態に形成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、複数のシールリングと複数のグランドパッキンとを備える軸封機構による優れたシール性を備えるとともに、大気側に配列した４個のシールリングにより、大気側からの酸素のシール用空間部への侵入を極力なくしてグランドパッキンの酸化による重量減少を激減させることが可能になる。
その結果、軸封機構においては、良好なシール性を維持しながらも、酸化によるグランドパッキンの重量減少に起因する漏洩増大が抑制又は防止され、従って、長寿命化や信頼性の向上が図れる蒸気弁を提供することができる。

請求項２の発明によれば、シールリングの断面形状をＶ字状としてあるので、内径はシール用空間部の内径よりも大きめに、かつ、外径はシール用空間部の外径よりも小さめにできて、軸封機構としての組付け時には組付け易いとももに、組付後には平たくなって径方向に拡がり変形し、より確実なシール性を発揮できる利点が追加される。

蒸気弁の概略構造を示す全体図（実施例１）図１の蒸気弁における軸封機構部位を示す要部の断面図軸封機構のシール要素群における配列構造を示す要部の断面図（ａ）第１シールリングの構造を示す拡大断面、（ｂ）は第２シールリングの構造を示す拡大断面各種構造のシール要素群と重量減少及び漏れとの関係を示す図表軸封機構の重量減少（膨張黒鉛）に関する第１試験装置を示す模式図軸封機構の漏れに関する第２試験装置を示す模式図

以下に、本発明による蒸気弁の実施の形態を、蒸気タービンに用いられる蒸気加減弁として図面を参照しながら説明する。

〔実施形態１〕
蒸気加減弁Ｖは、図１に示すように、弁箱１、弁箱１に装備される弁座２、弁座２との間を通る蒸気量を調節可能な弁体３、弁体３を弁座２に対して遠近移動させるために弁体３に一体化される弁軸４、弁軸４と弁箱１との間をシールする軸封機構Ｓ、及び、弁軸４を駆動移動操作するためのアクチュエータ５などを有して構成されている。

弁箱１は、蒸気を流入する流入路６が形成されている弁ケーシング１Ａと、先端側に弁座２を有して筒状部１ｂが弁ケーシング１Ａに嵌装される状態で弁ケーシング１Ａに固定される支持箱部１Ｂと、軸封機構Ｓが設けられる状態で支持箱部１Ｂに内嵌装備される軸封箱部１Ｃとを有して構成されている。
弁ケーシング１Ａの流出側となる部分には、タービンロータ（図示省略）を形成する内ケーシング７と外ケーシング８とが連結されている。
また、支持箱部１Ｂの筒状部１ｂには、流入路６から来る蒸気を先端側の流出路１０に流動可能とするための流路孔９が複数箇所に形成されている。

図１は、弁体３の先端に形成される円盤状の弁蓋部３ａが弁座２に当接して密着して、流入路６と流出路１０とが分断（遮断）された閉弁状態を示している。この閉弁状態からアクチュエータ５を駆動して弁軸４を介して弁体３をアクチュエータ５側に離反移動させることにより、弁蓋部３ａが弁座２から離れた開弁状態や、流入路６から流路孔９及び弁蓋部３ａと弁座２との間を通って流出路１０へ流れる蒸気の量を加減調節可能な状態に移行させることができる。

次に、軸封機構Ｓについて説明する。軸封機構Ｓは、図２，図３に示すように、弁軸４の小径軸部４ａと軸封箱部１Ｃとの間をシールするものであり、軸封箱部１Ｃと弁軸４とで形成されるシール用空間部１１に設けられている。
具体的には、軸封機構Ｓは、弁軸４の軸心Ｑ方向におけるアクチュエータ５側（図２の紙面上側）から弁体３側に向けて、パッキン押え１２、シールリングｒの４個、単一のグランドパッキン１３、シールリングｒの２個、単一のグランドパッキン１３、シールリングｒの２個をこの順に並べてシール用空間部１１に装填することで構成されている。
シール用空間部１１は、軸封箱部１Ｃの内周面１ｃ及び環状端面１ｄと、弁軸４の小径軸部４ａとで形成される略無蓋筒状の空間部である。

グランドパッキン１３は、図２，３に示すように、膨張黒鉛テープを巻回して金型成形した成形パッキンであり、径方向で切った断面の形状は矩形を呈している。このグランドパッキン１３は次のような工程を経て作製される。
まず、密度１．０ｇ／ｃｍ^３、厚さ０．３８ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ１９００ｍｍに切断された膨張黒鉛テープを所定の長さに切断する。膨張黒鉛の厚さに限定はないが、０．２５ｍｍ〜０．５０ｍｍが好適である。
次に、所定の長さに切断された膨張黒鉛テープを巻回して金型に投入し、所定の成形面圧で成形し、内径３８．１ｍｍ、外径４７．９ｍｍの帯環状で断面が正方形となる見掛け密度１．５ｇ／ｃｍ^３の成形体、即ち膨張黒鉛製のグランドパッキンが形成される。

シールリングｒは、図３，４に示すように、その径方向で切断した場合の断面形状が、軸心Ｑ方向に突出するＶ字形となる状態に形成されるとともに、第１シールリング１４と第２シールリング１５との２種類がある。
第１シールリング１４は、図４（ａ）に示すように、Ｖ字形の折れ曲がりにおける谷側に位置する環状のマイカシート１６と、山側に位置する環状のステンレス箔などの金属材１７とが接着剤を用いて積層一体化されて成る構造のシールリングｒである。
第２シールリング１５は、図４（ｂ）に示すように、Ｖ字形の折れ曲がりにおける谷側に位置する環状のステンレス箔などの金属材１７と、山側に位置するマイカシート１６とが接着剤を用いて積層一体化されて成る構造のシールリングｒである。

マイカシート１６はシート状のマイカから打ち抜かれて形成された環帯状体であリ、その厚さは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に設定される。ステンレス箔１７の厚さは、０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲に設定される。マイカシート１６もステンレス箔１７も断面がＶ字形状に形成され、接着剤は熱硬化性の接着剤が望ましいが、熱可塑性の接着剤や粘着剤でも良い。

軸封機構Ｓを組付けるには、図３に示すように、シール用空間部１１に、２個の第１シールリング１４、１個のグランドパッキン１３、１個の第２シールリング１５及び１個の第１シールリング１４、１個のグランドパッキン１３、４個の第２シールリング１５をこの順で入れ込み（落とし込み配置し）、それからパッキン押え１２の押圧筒部１２Ａを入れ込む。

それから、パッキン押え１２のフランジ部１２ａに通されている植込みボルト１８にナット１９を螺着して締め込み、それによって軸心Ｑ方向で弁体３側に螺進するパッキン押え１２でシール要素群ｇ（この場合は、８個のシールリングｒと２個のグランドパッキン１３とでなる）を軸心Ｑ方向に圧縮することにより、軸封機構Ｓをシール用空間部１１に装填しての組付が行われる。

なお、組付前の自由状態においては、図３に示すように、各シールリングｒ及び各グランドパッキン１３それぞれの内径は小径軸部４ａの径よりも僅かに大きく、かつ、それぞれの外径は内周面１ｃの径よりも僅かに小さい寸法に形成されている。従って、各シールリングｒ及び各グランドパッキン１３は、シール用空間部１１への装填が軽く行える好都合なものとなっている。

パッキン押え１２による所定の圧力が作用した組付状態では、図２の吹き出し図のように、断面Ｖ字形の各シールリングｒが軸心Ｑ方向に圧縮されて径方向に拡がり変形した平らなリングとなり、小径軸部４ａの外周面及び内周面１ｃに圧接されるとともに、各グランドパッキン１３も軸心方向の圧縮によって径方向に拡がり変形し、小径軸部４ａの外周面及び内周面１ｃに圧接される。これにより、弁軸４と軸封箱部１Ｃとの間が良好にシールされる。

次に、軸封機構Ｓに用るシール要素群ｇを、シールリングｒとグランドパッキン１３の組み合わせの配列や個数を変えたものとして複数種類用意し、そして試験装置にてテストした。次に、その試験方法や試験結果について説明する。
軸封機構Ｓの試験装置としては、グランドパッキン１３における膨張黒鉛の重量減少に関する第１試験装置Ａ（図６参照）と、漏れに関する第２試検装置Ｂ（図７参照）とを用いた。そして、それら各試験装置Ａ，Ｂによる試験結果を図５に示す。

まず、第１試験装置Ａは、図６に示すように、軸心Ｘを持つ円形状で行き止まり状の軸封穴３２が形成されたパッキンボックス３１と、その軸封穴３２に嵌入されるテスト軸３３と、パッキンボックス３１とテスト軸３３とで形成される筒状のテスト用空間部３４に嵌合する押圧部３５ａを備えたテスト用パッキン押え３５、締付用のボルト・ナット４０などから構成されている。テスト軸３３の末端にはフランジ部３３Ａが形成され、その外径を軸封穴３２の内周面３２ａの径より僅かに小さく設定することで周状流路３８が形成されている。

テスト方法は次のとおりである。まず、テスト用空間部３４に装填されているシール要素群ｇ、即ち、シールリングｒとグランドパッキン１３との組み合わせを、ボルト・ナット４０を操作して締付けてテスト用パッキン押え３５で軸心Ｘ方向に圧縮し、所定のシール機能が発揮される状態に組付ける。図６は、実施例１の構造によるシール要素群ｇを描いてある。
上記の組付状態のパッキンボックス３１（図６に示す状態）を、温度７００℃の電気炉（図示省略）内に１０時間維持させてから取り出し、室温にて除冷する。そして、十分冷えてから、分解してシールリングｒとグランドパッキン１３とを取り出し、それぞれの重量を測定し、テスト前の値との差（重量変化）を求めた。

その結果、シールリングｒの重量変化は無視できるほど小さいものであったが、グランドパッキン１３の重量変化（重量減少）は、比較例や実施例においては無視できない程度の違いが見られた。第１試験装置Ａによる比較例１〜４及び実施例１におけるグランドパッキン１３の重量減少を、図５の図表に示す。
大気側からシール要素群ｇに酸素（空気）が侵入して膨張黒鉛製のグランドパッキン１３に及ぶと、膨張黒鉛が酸化してグランドパッキン１３の重量減少が生じる。この重量減少は、パッキン押えによる応力（シール機能を出すためのパッキン押え１２，３５による押圧力により、シール要素群ｇに作用する応力）が緩和されてしまい、シール性が低下して漏洩を引き起こすおそれがある。

次に、第２試験装置Ｂは、図７に示すように、パッキン箱４１と、ガスボンベＰと、圧調弁４４と、圧力計３６と、漏洩測定器４５などを備えて構成されている。パッキン箱４１には軸心Ｘを持つ円形状の軸封孔４２が形成され、その軸封穴４２に嵌入されるテスト軸４３、パッキン箱４１とテスト軸４３とで形成される筒状のテスト用空間部３４に嵌合す押圧部３５ａを備えたテスト用パッキン押え３５、ボルト・ナット４０などが装備されている。

テスト軸４３の末端にはフランジ部４３Ａが形成され、このフランジ部４３Ａには、軸心Ｘを有して軸端に開口し、かつ、フランジ外周面４３ａにも開口する内部流路３７が形成されている。また、フランジ部４３Ａの外径は軸封孔４２の内周面４２ａの径より僅かに小さく設定され、漏れ用の周状流路３８が形成されている。
パッキン箱４１には、ガスボンベＰの吐出側流路３９と内部流路３７とを連通させるための貫通孔４１ａが形成されており、圧調弁４４及び圧力計３６は吐出側流路３９に接続されている。

一方、テスト用空間部３４における押圧部３５ａとシール要素群ｇとの間には、内周溝路４６ａ、外周溝路４６ｂ、及びこれら両者の連通路４６ｃが形成されているランタンリング４６が嵌装される。パッキン箱４１には、外周溝路４６ｂに連通する取出路４１ｂが形成されており、その取出路４１ｂに漏洩測定器４５が連通接続されている。なお、押圧部３５ａには、テスト軸４３用の内Ｏリング４７と、パッキン箱４１用の外Ｏリング４８とが装備されている。

さて、テスト方法は次のとおりである。まず、テスト用空間部３４に装填されているシール要素群ｇを、ランタンリング４６を介した状態で、ボルト・ナット４０を操作して締付けてテスト用パッキン押え３５で軸心Ｘ方向に圧縮し、所定のシール機能が発揮される状態に組付ける。
それからガスボンベＰを作動させ、試験用流体（ガス）を所定の圧状態で、吐出側流路３９及び内部流路３７を通して周状流路３８に供給する状態を維持させ、ランタンリング４６に到達する漏れ流体が漏洩測定器４５にて計測される。ガスボンベＰで供給される試験用流体は窒素ガスを用い、圧力０．１ＭＰａ、常温の条件とした。

この試験では、グローブ弁のグランド部を模した圧力容器である前述のパッキン箱４１に、比較例１〜４、及び実施例１それぞれのシール要素群ｇを挿入して組付状態とすること可能である。図７では、実施例１の構造によるシール要素群ｇが描かれている。
図５の図表に、各シール要素群ｇを用いた場合における第２試験装置Ｂによる試験結果、即ち、漏洩量を、単位：ｃｃ／分として示してある。

〔比較例１〕
比較例１による軸封機構は、図５に示すように、大気側から第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、第２シールリング１５（ｒ）の順で並べた構造のシール要素群ｇを持つ。グランドパッキン１３は正方形などの矩形の断面形状を備えている。大気側及び流体側の各第２シールリング１５は、組付状態におけるグランドパッキン１３の周辺隙間への食み出しを防止する役割も有している。

この比較例１による軸封機構の第１及び第２試験装置Ａ，Ｂによる試験結果（図５参照）では、グランドパッキン１３の重量減少が２６％もあり、とても実用に耐えるものではなかった。また、漏れ量（ｃｃ／分）も許容できないほど大きな値であった。なお、図５における「膨張黒鉛成形パッキンとは、グランドパッキン１３のことである。

〔比較例２〕
比較例２による軸封機構は、図５に示すように、大気側から第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、２個の第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、第２シールリング１５（ｒ）の順で並べた構造のシール要素群ｇを持つ。つまり、比較例１のシール要素群ｇの２組を並べた構成である。

比較例２による軸封機構の第１及び第２試験装置Ａ，Ｂによる試験結果（図５参照）では、グランドパッキン１３の重量減少が１６％であり、比較例１に比べると大幅に改善されているが、実用上では依然として難しい。また、漏れ量（ｃｃ／分）は比較例１に比べて激減したので、グランドパッキン１３は２個以上必要であると予測できる。

〔比較例３〕
比較例３による軸封機構は、図５に示すように、大気側から２個の第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、第１シールリング１４（ｒ）、第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、２個の第１シールリング１４（ｒ）の順で並べた構造のシール要素群ｇを持つ。

比較例３のシール要素群ｇとの変更点は、次の（１），（２）のとおりである。
（１）大気側に第２シールリング１５を追加して２個並べることにより、大気側からの酸素の侵入可能性をより減少させる手段である。
（２）一対のグランドパッキン１３，１３間のシールリングｒ２個の組み合わせを、２個の第２シールリング１５から第１シールリング１４と第２シールリング１５に変更した。これは、シールリングｒにおけるステンレス箔１７がグランドパッキン１３に接触しないようにするためのである。
これは、ステンレス箔１７がグランドパッキン１３に接触する場合に比べて、酸化による重量減少が少なくなるのではないか、という予測からである。

比較例３による軸封機構の第１及び第２試験装置Ａ，Ｂによる試験結果（図５参照）は、グランドパッキン１３の重量減少が１１％であって比較例２の場合よりも少なくなっている。つまり、大気側のシールリングｒの数を増やすことで、シール要素群ｇへの酸素の侵入をより少なくすることができている。しかしながら、重量減少の絶対値としては依然として大きいように思える。

〔比較例４〕
比較例４による軸封機構は、図５に示すように、大気側から３個の第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、第１シールリング１４（ｒ）、第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、２個の第１シールリング１４（ｒ）の順で並べた構造のシール要素群ｇを持つ。つまり、比較例３のものと比べて、大気側の第２シールリング１５の個数を２個から３個の増やしたのみであり、それ以外は同じ構造である。

比較例４による軸封機構の第１及び第２試験装置Ａ，Ｂによる試験結果（図５参照）は、グランドパッキン１３の重量減少が７．５％であって重量減少が比較例３のものよりも少なくできたことである。大気側のシールリングｒの数をさらに増やすことにより、シール要素群ｇへの酸素の侵入をより一層少なくすることができている。しかしながら、重量減少の絶対値は実用に耐える域に到達するには苦しい値であり、さらなる改善が必要である。

〔実施例１〕
実施例１による軸封機構は、図２，３、及び図５に示すとともに前述したように、４個の第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、第１シールリング１４（ｒ）、第２シールリング１５（ｒ）、グランドパッキン１３、２個の第１シールリング１４（ｒ）の順で並べた構造のシール要素群ｇを持つ。つまり、大気側からの酸素侵入をさらに減少させるべく、比較例４のものと比べて、大気側の第２シールリング１５の個数を３個から４個に増やしたものであり、それ以外は比較例４のものと同じ構造である。

実施例１による軸封機構Ｓの第１及び第２試験装置Ａ，Ｂによる試験結果（図５参照）は、グランドパッキン１３の重量減少が比較例４のものよりもさらに少なくなり、２．５％という低レベルにまで到達することができている。これは、大気側の第２シールリング１５の数を２個から３個に増やした比較例４の場合の減少率〔（１１−７．５）÷１１＝３１．８％〕に比べて、大になっている〔（７．５−２．５）÷７．５＝６６．７％〕ことから、シールリング数が３から４に変わる場合に臨界点があるように身受けられる。

因みに、大気側の第２シールリング１５の数を１個から２に増やした比較例３場合の減少率は、（１６−１１）÷１６＝３１．３％である。このことから、実用に耐える軸封機構Ｓとするには、大気側のシールリングｒは４個以上設けることが必要と考えられる。
また、図５より、漏洩量は０．０３ｃｃ／分という実用上で問題ないレベルにまで低減されていることが理解できる。

以上説明したように、本発明によれば、複数のシールリングｒと複数のグランドパッキン１３とでなるシール要素群ｇによる優れたシール性を備えるとともに、大気側に配列した４個のシールリングｒにより、大気側からの酸素のシール用空間部１１への侵入を極力なくしてグランドパッキン１３の酸化による重量減少が激減する。その結果、軸封機構Ｓに長期に亘って漏れが増大せず、全体としての長超寿化が図れるという優れた蒸気弁Ｖを提供することができる。

また、シールリングｒの断面形状をＶ字形状とする場合には、内径はシール用空間部１１の内径よりも大きめに、かつ、外径はシール用空間部１１の外径よりも小さめにできて、軸封機構Ｓとしての組付け時には組付け易いとももに、組付後には平たくなって径方向に拡がり変形し、より確実なシール力を発揮できるようになる利点がある。

１弁箱
２弁座
３弁体
４弁軸
１１シール用空間部
１２パッキン押え
１３グランドパッキン
１６マイカシート
１７金属材
Ｑ軸心
Ｓ軸封機構
ｒシールリング

Claims

弁箱に装備される弁座と、前記弁座との間を通る蒸気量を調節可能な弁体と、前記弁体を前記弁座に対して遠近移動させるために前記弁体に一体化される弁軸と、前記弁軸と前記弁箱との間をシールする軸封機構とを有する蒸気弁であって、
前記軸封機構は、パッキン押えと、金属材とマイカシートとの積層体でなるシールリングの４個と、膨張黒鉛製のグランドパッキンの１個と、前記シールリングの２個と、前記グランドパッキンの１個と、前記シールリングの２個とが、この順で大気側から流体側に向かって並ぶ状態で前記弁軸と前記弁箱とで形成される筒状のシール用空間部に装填される構成を有している蒸気弁。
前記シールリングは、前記弁軸の軸心に対する径方向で切断した場合の断面形状が、前記軸心方向に突出するＶ字形となる状態に形成されている請求項１に記載の蒸気弁。