JP6071831B2 - 開閉弁及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、例えば、蒸気タービンシステムにおける蒸気供給ラインに主蒸気止め弁などとして使用される開閉弁、並びに、この蒸気タービンに関するものである。

一般的な蒸気タービンシステムは、ボイラ、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービン、発電機などを有して構成されている。そして、ボイラで発生した主蒸気を高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの順に送り、発電機を駆動して発電を行っている。

このように構成された蒸気タービンシステムで使用される蒸気弁は、ケーシング内に弁体が移動自在に支持され、蓋がボルトにより締結された構造となっている。このような従来の蒸気弁として、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

特開２０１０−０４３５９１号公報 特開２００５−０４８６３９号公報

このように構成された蒸気タービンシステムにて、主蒸気が６００℃以上の高温となることから、発生した蒸気が各ラインを流れるとき、この各ラインに設けられた蒸気弁が高温状態に加熱されることとなる。蒸気弁は、ケーシングに入口と出口が９０度の角度をなして形成されており、入口から流入した高温の蒸気を適正に出口に案内するため、入口に対向するケーシングの内面にバッフルが形成されている。ところが、このバッフルは、ケーシングより厚さが薄いことから、蒸気タービンの起動時に早期に高温となり、ケーシングの内面とバッフルの基端部との間に熱応力が作用（応力集中）し、寿命が低下してしまうという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、熱応力の発生を抑制可能とする開閉弁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の開閉弁は、内部に流路が設けられるケーシングと、前記ケーシングにおける前記流路に連通するように略直角方向を向いて設けられる蒸気入口部及び蒸気出口部と、前記蒸気入口部に対向する前記ケーシングの内面に配置されて前記蒸気入口部から流入する蒸気を前記蒸気出口部側に案内するバッフルと、前記バッフルを前記ケーシングに固定する締結ボルトと、を有することを特徴とするものである。

従って、ケーシングに対してバッフルを別部材とし、このバッフルが締結ボルトによりケーシングの内面に固定されている。そのため、ケーシング内に高温の蒸気が流入してケーシングよりバッフルの方が高温となっても、ケーシングとバッフルが別部材であることから、両者の熱伸び量が相違しても、ケーシングの内面とバッフルの基端部との間に大きな熱応力が作用することはなく、この熱応力の発生を抑制することで高寿命化することができる。

本発明の開閉弁では、前記ケーシングは、前記蒸気出口部に対向する位置から内部に延出する支持部が設けられ、前記支持部に前記蒸気出口部の中心軸方向に沿って移動自在で前記流路を開閉可能な弁体が支持され、前記バッフルは、前記蒸気入口部から流入して前記支持部の両側を流れる蒸気の干渉を防止する２つの案内面を有することを特徴としている。

従って、バッフルは、２つの案内面により蒸気入口部から流入して支持部の両側を流れる蒸気の干渉を防止することができ、蒸気の安定した流れを確保することができる。

本発明の開閉弁では、前記ケーシングは、前記バッフルの取付面から外方に向けて貫通しないねじ孔が形成され、前記バッフルは、貫通する取付孔が形成され、前記締結ボルトは、前記ケーシングの内部から前記取付孔を貫通して前記ねじ孔に螺合することで、前記バッフルが前記ケーシングに固定されることを特徴としている。

従って、ケーシングの内面に形成されたねじ孔は、外方に貫通していないことから、ケーシングの内部を流れる蒸気の漏洩を防止することができる。

本発明の開閉弁では、前記バッフルは、前記取付孔に連通して前記締結ボルトの頭部が侵入する凹部が設けられることを特徴としている。

従って、締結ボルトの頭部が凹部に隠れることから、バッフルにより蒸気入口部からケーシングの内部に流入した蒸気を適正に蒸気出口部に案内することができる。

本発明の開閉弁では、前記ケーシングは、外方から前記バッフルの取付面に向けて貫通する取付孔が形成され、前記バッフルは、前記ケーシングへの取付面から外方に向けて貫通しないねじ孔が形成され、前記締結ボルトは、前記ケーシングの外部から取付孔を貫通して前記ねじ孔に螺合することで、前記バッフルが前記ケーシングに固定されることを特徴としている。

従って、締結ボルトがケーシングの外部から取付孔を貫通してねじ孔に螺合してバッフルをケーシングに固定するため、作業性を向上することができる。

本発明の開閉弁では、前記ケーシングの内面と前記バッフルとの間にシール部材が介装されることを特徴としている。

従って、ケーシングとバッフルとの間にシール部材が介装されることで、ケーシングの内部を流れる蒸気の漏洩を防止することができる。

また、本発明の蒸気タービンは、蒸気ラインに開閉弁が設けられることを特徴とするものである。

従って、開閉弁を有する蒸気タービンを高寿命化することができる。

本発明の開閉弁及び蒸気タービンによれば、蒸気入口部から流入する蒸気を蒸気出口部側に案内するバッフルを締結ボルトによりケーシングに固定するので、ケーシングの内面とバッフルの基端部との間に大きな熱応力が作用することはなく、この熱応力の発生を抑制することで高寿命化することができる。

図１は、第１実施形態の開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図である。 図２は、主蒸気止め弁の断面を表す図１のII−II断面図である。 図３は、バッフルの取付構造を表す断面図である。 図４は、蒸気タービンシステムを表す概略構成図である。 図５は、第２実施形態の開閉弁としての主蒸気止め弁におけるバッフルの取付構造を表す断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る開閉弁及び蒸気タービンの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の開閉弁としての主蒸気止め弁を表す断面図、図２は、主蒸気止め弁の断面を表す図１のII−II断面図、図３は、バッフルの取付構造を表す断面図、図４は、蒸気タービンシステムを表す概略構成図である。

第１実施形態の蒸気タービンシステムにおいて、図４に示すように、高圧タービン１０１と中圧タービン１０２と低圧タービン１０３は、同軸上に連結されると共に、発電機１０４が同軸上で連結されている。ボイラ１０５は、主蒸気ライン１０６により高圧タービン１０１に連結され、主蒸気ライン１０６に主蒸気止め弁（ＭＳＶ）１０７と蒸気加減弁（ＧＶ）１０８が設けられている。

高圧タービン１０１は、低温再熱ライン１０９によりボイラ１０５の再熱器（図示略）に連結され、更に高温再熱ライン１１０により中圧タービン１０２に連結され、高温再熱ライン１１０に再熱蒸気止め弁１１１とインターセプト弁１１２が設けられている。中圧タービン１０２は、クロスオーバライン１１３により低圧タービン１０３に連結されている。そして、この低圧タービン１０３は、復水器１１４が設けられ、この復水器１１４は、復水ライン１１５によりボイラ１０５に連結され、復水ライン１１５に給水ポンプ１１６が設けられている。

従って、ボイラ１０５で発生した主蒸気は、主蒸気ライン１０６を通り、主蒸気止め弁１０７及び蒸気加減弁１０８を経て高圧タービン１０１に送られて膨張仕事を行う。そして、高圧タービン１０１で仕事をした蒸気は、低温再熱ライン１０９を経て再熱器に送られて再熱され、高温再熱ライン１１０を通り、再熱蒸気止め弁１１１及びインターセプト弁１１２を経て中圧タービン１０２に送られる。その後、中圧タービン１０２で仕事をした蒸気は、クロスオーバライン１１３を通って低圧タービン１０３に送られる。この低圧タービン１０３で仕事をした蒸気は、復水器１１４で復水にされ、給水ポンプ１１６により復水ライン１１５を通ってボイラ１０５に還流される。そして、発電機１０４は、各タービン１０１，１０２，１０３により駆動されることで発電を行う。

ここで、本発明の開閉弁として適用される主蒸気止め弁１０７について詳細に説明する。

主蒸気止め弁１０７において、図１及び図２に示すように、ケーシング１１は、中空形状をなし、下部に蒸気入口部１２が形成され、側部に蒸気出口部１３が形成されている。即ち、ケーシング１１は、中心線Ｏ１方向に沿って形成される蒸気入口部１２と、中心線Ｏ２方向に沿って形成される蒸気出口部１３とが直交する方向をなして形成されることで、内部に９０度で屈曲する流路１４が設けられており、この流路１４に流体としての主蒸気が流通可能となっている。また、ケーシング１１は、側部に蒸気出口部１３に対向する位置に開口部１５が形成されており、この開口部１５を閉塞するように蓋１６が固定されている。即ち、この蓋１６は、フランジ部１７と、このフランジ部１７から開口部１５に嵌合してケーシング１１内に延出するボス部（支持部）１８とが一体に形成されて構成されている。そして、この蓋１６は、ボス部１８が開口部１５に嵌合し、フランジ部１７がケーシング１１に密着した状態で、複数のボルト１９によりケーシング１１に固定されている。

蓋１６は、ボス部１８に中心線Ｏ２方向に沿って支持孔２０が形成されており、この支持孔２０内にブッシュ２１を介して支持軸２２が軸方向（中心線Ｏ２方向）に沿って移動自在に支持されている。この支持軸２２は、先端部に円盤形状をなす弁体２３が設けられている。一方、ケーシング１１は、蒸気出口部１３に弁座２４が形成されており、弁体２３が密着可能となっている。また、支持軸２２は、基端部がケーシング１１及び蓋１６の外部に延出されており、図示しないアクチュエータが連結されている。そのため、アクチュエータを駆動すると、支持軸２２を介して弁体２３を移動することができる。

また、この弁体２３は、弁座２４に密着して流路１４と蒸気出口部１３とを遮断する位置（図１に示す位置）と、弁座２４から流路１４側に移動して流路１４と蒸気出口部１３とを連通する位置（図１で右方に移動した位置）とに移動可能となっている。即ち、アクチュエータにより支持軸２２を介して弁体２３を前進すると、この弁体２３が弁座２４に密着して流路１４を閉塞し、主蒸気の流れを停止することができる。一方、アクチュエータにより支持軸２２を介して弁体２３を後退すると、この弁体２３が弁座２４から離間して流路１４を開放し、主蒸気を流すことができる。

また、ケーシング１１は、蒸気入口部１２に対向する内面に蒸気入口部１２から流入する主蒸気を蒸気出口部１３側に案内するバッフル２５が配置されている。そして、このバッフル２５は、ケーシング１１とは別部材として設けられ、締結ボルト２６によりケーシング１１に固定されている。

ケーシング１１は、湾曲した外面１１ａ及び内面１１ｂとを有し、蒸気入口部１２に対向する上部に外面１１ａ及び内面１１ｂを貫通する取付孔１１ｃが形成されている。バッフル２５は、図１から図３に示すように、長手方向に沿う端面３１と、この端面３１の両側で蒸気入口部１２から流入してボス部１８の両側を流れる主蒸気の干渉を防止する２つの案内面３２，３３と、ケーシング１１の内面１１ｂに密着可能な取付面３４と、この取付面３４から端面３１側に向けて形成されたねじ孔３５とを有している。

端面３１は、蒸気入口部１２に対向し、中心線Ｏ２方向に沿って形成されている。案内面３２，３３は、端面３１からケーシング１１の内面１１ｂに段差なく滑らかに連続する凹状の湾曲面である。取付面３４は、ケーシング１１の内面１１ｂと同様の曲率半径を有する凸状の湾曲面である。ねじ孔３５は、取付面３４から端面３１側に向けて形成されるものの、途中で閉塞して端面３１に貫通していない。

締結ボルト２６は、頭部４１と、軸部４２と、ねじ部４３を有し、軸部４２とねじ部４３を合せた長さは、取付孔１１ｃの長さより長く、取付孔１１ｃとねじ孔３５を合せた長さより短く設定されている。

また、ケーシング１１の内面１１ｂとバッフル２５の取付面３４との間にガスケット（シール部材）５１が介装されている。

そして、この締結ボルト２６は、ケーシング１１の外部から取付孔１１ｃ及びガスケット５１を貫通してねじ部４３がバッフル２５のねじ孔３５に螺合することで、バッフル２５は、ケーシング１１の内面１１ｂにおける所定の位置に固定される。

従って、図１及び図２に示すように、弁体２３が弁座２４に密着して流路１４を閉塞する位置にあるとき、流路１４に主蒸気が流れることはない。この状態から、アクチュエータにより支持軸２２を介して弁体２３を移動し、弁体２３が弁座２４から離れて流路１４を開放する位置にあるとき、流路１４に主蒸気を流すことができる。即ち、蒸気入口部１２から流路１４に流入した主蒸気は、ボス部１８の両側をケーシング１１の内面１１ｂに沿って流れ、各主蒸気の流れは、バッフル２５の各案内面３２，３３によって蒸気出口部１３側に案内されることで、両者の干渉による流れの乱れが防止される。そして、バッフル２５の各案内面３２，３３に案内された主蒸気は、弁体２３と弁座２４との隙間を通って蒸気出口部１３から排出される。

このとき、バッフル２５は、各案内面３２，３３に高温の主蒸気が当接することで高温となり、ケーシング１１との間に温度差が発生する。ところが、ケーシング１１に対してバッフル２５が別部材であることから、ケーシング１１とバッフル２５の熱伸び量が異なっても、ケーシング１１の内面１１ｂやバッフル２５の取付面３４側に大きな熱応力が作用することはない。

このように第１実施形態の主蒸気止め弁にあっては、内部に流路１４が設けられるケーシング１１と、ケーシング１１における流路１４に連通するように略直角方向を向いて設けられる蒸気入口部１２及び蒸気出口部１３と、蒸気入口部１２に対向するケーシング１１の内面１１ｂに配置されて蒸気入口部１２から流入する主蒸気を蒸気出口部１３側に案内するバッフル２５と、バッフル２５をケーシング１１に固定する締結ボルト２６とを設けている。

従って、ケーシング１１内に高温の主蒸気が流入してケーシング１１よりバッフル２５の方が高温となっても、ケーシング１１とバッフル２５が別部材であることから、両者の熱伸び量が相違しても、ケーシング１１の内面１１ｂとバッフル２５の基端部との間に大きな熱応力が作用することはなく、この熱応力の発生を抑制することで高寿命化することができる。

第１実施形態の主蒸気止め弁では、ケーシング１１は、蒸気出口部１３に対向する位置から内部に延出するボス部１８を設け、このボス部１８に蒸気出口部１３の中心軸Ｏ２方向に沿って移動自在で流路１４を開閉可能な弁体２３を支持し、バッフル２５に蒸気入口部１２から流入してボス部１８の両側を流れる主蒸気の干渉を防止する２つの案内面３２，３３を設けている。従って、バッフル２５は、２つの案内面３２，３３により蒸気入口部１２から流入してボス部１８の両側を流れる主蒸気の干渉を防止することができ、主蒸気の安定した流れを確保することができる。

第１実施形態の主蒸気止め弁では、ケーシング１１に外方からバッフル２５の取付面３４に向けて貫通する取付孔１１ｃを形成し、バッフル２５にケーシング１１への取付面３４から外方に向けて貫通しないねじ孔３５を形成し、締結ボルト２６がケーシング１１の外部から取付孔１１ｃを貫通してねじ孔３５に螺合することで、バッフル２５をケーシング１１に固定している。従って、締結ボルト２６がケーシング１１の外部から取付孔１１ｃを貫通してねじ孔３５に螺合してバッフル２５をケーシング１１に固定することとなる。そのため、締結ボルト２６によるバッフル２５の締結作業をケーシング１１の外部で行うことが可能となり、作業性を向上することができる。

第１実施形態の主蒸気止め弁では、ケーシング１１の内面１１ｂとバッフル２５の取付面３４との間にガスケット５１を介装している。ガスケット５１によりケーシング１１の内部を流れる主蒸気の漏洩を防止することができる。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態の開閉弁としての主蒸気止め弁におけるバッフルの取付構造を表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態の主蒸気止め弁にて、図５に示すように、ケーシング１１は、蒸気入口部１２（図１参照）に対向する内面に蒸気入口部１２から流入する主蒸気を蒸気出口部１３（図１参照）側に案内するバッフル６１が配置されている。そして、このバッフル６１は、ケーシング１１とは別部材として設けられ、締結ボルト６２によりケーシング１１に固定されている。

ケーシング１１は、湾曲した外面１１ａ及び内面１１ｂとを有し、蒸気入口部１２に対向する上部に内面１１ｂから外面１１ａ側を向いて形成されたねじ孔１１ｄが形成されている。このねじ孔１１ｄは、内面１１ｂから外面１１ａ側に向けて形成されるものの、途中で閉塞して外面１１ａに貫通していない。バッフル６１は、長手方向に沿う端面７１と、この端面７１の両側に形成されて主蒸気の干渉を防止する２つの案内面７２，７３と、ケーシング１１の内面１１ｂに密着可能な取付面７４と、端面７１に形成された凹部７５と、この凹部７５から取付面７４に向けて貫通する取付孔７６とを有している。

端面７１は、蒸気入口部１２に対向し、中心線Ｏ２（図１参照）方向に沿って形成されている。案内面７２，７３は、端面７１からケーシング１１の内面１１ｂに段差なく滑らかに連続する凹状の湾曲面である。取付面７４は、ケーシング１１の内面１１ｂと同様の曲率半径を有する凸状の湾曲面である。凹部７５は、締結ボルト６２の頭部８１が侵入するものである。取付孔７６は、凹部７５から取付面７４に貫通して形成されている。

締結ボルト６２は、頭部８１と、軸部８２と、ねじ部８３を有し、軸部８２とねじ部８３を合せた長さは、取付孔７６の長さより長く、取付孔７６とねじ孔１１ｄを合せた長さより短く設定されている。また、締結ボルト６２は、頭部８１の長さが凹部７５の長さより短く設定されている。

そして、この締結ボルト６２は、ケーシング１１の内部から凹部７５及び取付孔７６を貫通してねじ部８３がケーシング１１のねじ孔１１ｄに螺合することで、バッフル６１は、ケーシング１１の内面１１ｂにおける所定の位置に固定される。

なお、第２実施形態の主蒸気止め弁の作用は、第１実施形態と同様であることから、説明は省略する。

このように第２実施形態の主蒸気止め弁にあっては、ケーシング１１にバッフル６１の取付面７４から外方に向けて貫通しないねじ孔１１ｄを形成し、バッフル６１に貫通する取付孔７６を形成し、締結ボルト６２がケーシング１１の内部から取付孔７６を貫通してねじ孔１１ｄに螺合することで、バッフル６１をケーシング１１に固定している。

従って、ケーシング１１の内面１１ｃに形成されるねじ孔１１ｄは、このケーシング１１の外方に貫通していないことから、ケーシング１１の内部を流れる主蒸気の漏洩を防止することができる。

第２実施形態の主蒸気止め弁では、バッフルの端面７１に、取付孔７６に連通して締結ボルト６２の頭部８１が侵入する凹部７５を設けている。従って、締結ボルト６２の頭部８１が凹部７５に隠れることから、頭部８１が蒸気入口部１２からケーシング１１の内部に流入した蒸気の流れを阻害することはなく、バッフル６１によこの蒸気を適正に蒸気出口部１３側に案内することができる。

なお、上述した実施形態では、バッフルを１本のボルトにより固定したが、複数本のボルトにより固定してもよい。また、バッフルを板形状としたが、この形状に限定されるものではない。

また、上述した実施形態では、本発明の開閉弁を、蒸気タービンシステムにおける主蒸気止め弁１０７に適用したが、蒸気加減弁１０８、再熱蒸気止め弁１１１、インターセプト弁１１２に適用することもできる。また、本発明の開閉弁は、蒸気タービンシステムに限らず、同様の構成を有する弁であれば、いずれの開閉弁にでも適用することができる。

１１ ケーシング
１１ｃ 取付孔
１１ｄ ねじ孔
１２ 蒸気入口部
１３ 蒸気出口部
１４ 流路
１６ 蓋
２２ 支持軸
２３ 弁体
２４ 弁座
２５，６１ バッフル
２６，６２ 締結ボルト
３２，３３，７２，７３ 案内面
３４，７４ 取付面
３５ ねじ孔
７６ 取付孔
１０１ 高圧タービン
１０２ 中圧タービン
１０３ 低圧タービン
１０４ 発電機
１０７ 主蒸気止め弁（開閉弁）
１０８ 蒸気加減弁
１１１ 再熱蒸気止め弁
１１２ インターセプト弁

Claims (5)

1. 内部に流路が設けられるケーシングと、
   前記ケーシングにおける前記流路に連通するように略直角方向を向いて設けられる蒸気入口部及び蒸気出口部と、
   前記蒸気入口部に対向する前記ケーシングの内面に配置されて前記蒸気入口部から流入する蒸気を前記蒸気出口部側に案内するバッフルと、
   前記バッフルを前記ケーシングに固定する締結ボルトと、
   を有し、
   前記ケーシングは、前記バッフルの取付面から外方に向けて貫通しないねじ孔が形成され、前記バッフルは、貫通する取付孔が形成され、前記締結ボルトは、前記ケーシングの内部から前記取付孔を貫通して前記ねじ孔に螺合することで、前記バッフルが前記ケーシングに固定される、
   ことを特徴とする開閉弁。
2. 前記バッフルは、前記取付孔に連通して前記締結ボルトの頭部が侵入する凹部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の開閉弁。
3. 前記ケーシングは、前記蒸気出口部に対向する位置から内部に延出する支持部が設けられ、前記支持部に前記蒸気出口部の中心軸方向に沿って移動自在で前記流路を開閉可能な弁体が支持され、前記バッフルは、前記蒸気入口部から流入して前記支持部の両側を流れる蒸気の干渉を防止する２つの案内面を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開閉弁。
4. 前記ケーシングの内面と前記バッフルとの間にシール部材が介装されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の開閉弁。
5. 蒸気ラインに請求項１から請求項４のいずれか一項の開閉弁が設けられることを特徴とする蒸気タービン。

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