JP6444746B2 - 蒸気タービン用計装配管 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービン用計装配管に関する。

蒸気タービン配管系には、ボイラで発生した蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気管が備えられている。この主蒸気管には、蒸気の流量を調節するための主蒸気加減弁が設けられている。

また、主蒸気管には、主蒸気管内の各部の管内圧力を計測するための計装配管が設けられている。この計装配管は、主蒸気管側に開口部を有し、計測器側は閉じられた閉止端になっている。このような計装配管は、主蒸気加減弁より下流側の主蒸気管にも備え付けられている。

特開昭５８−１８７５０５号公報

上記した従来の主蒸気加減弁に設けられた計装配管において、蒸気タービンの定格運転まで負荷を上昇していくと、計装配管の温度が異常に上昇することがある。そして、このような異常な温度の上昇は、計装配管の破損を引き起こす可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、温度の異常な上昇を防止し、高い信頼性を有する蒸気タービン用計装配管を提供するものである。

実施形態の蒸気タービン用計装配管は、蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管である。この蒸気タービン用計装配管は、前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、前記分岐通路に介在する計装部と、前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部とを備える。前記縮小部が、柱状の本体部と、前記本体部に前記本体部の軸方向に沿って直線状に形成され、前記本体部の一端側から他端側へ貫通する複数の貫通孔とを備える。そして、前記分岐通路の前記計装部側の端部の圧力変動Ｐ _２ と、前記分岐通路が前記蒸気通路から分岐する分岐部の上流側における前記蒸気通路の圧力変動Ｐｉとの比（Ｐ _２ ／Ｐｉ）に基づいて、前記貫通孔の長さ、および前記縮小部の通路断面積を前記縮小部が設けられた前記分岐通路の通路断面積で除した縮小比が設定されている。

第１の実施の形態の計装配管を備える蒸気タービン配管の構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態の計装配管を備える主蒸気加減弁の斜視図を示した図である。 第１の実施の形態の計装配管を備える蒸気タービン配管の配管構成を模式的に示した図である。 第１の実施の形態の計装配管および主蒸気加減弁の蒸気通路の断面を示す図である。 第１の実施の形態の計装配管における縮小配管部の斜視図である。 第１の実施の形態の計装配管における他の形状の縮小配管部の斜視図である。 第１の実施の形態の計装配管における他の形状の縮小配管部の斜視図である。 第１の実施の形態の計装配管における他の形状の縮小配管部の斜視図である。 第１の実施の形態の計装配管における他の形状の縮小配管部の斜視図である。 第２の実施の形態の計装配管および主蒸気加減弁の蒸気通路の断面を示す図である。 第１の実施の形態の計装配管の分岐通路に縮小配管部を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明するための模式図である。 図１１に示した第１の実施の形態の計装配管の分岐通路をモデルに基づいて、式（２３）から求められる比率（Ｐ_２／Ｐｉ）と変動周波数の関係を示した図である。 本実施の形態において、縮小配管部を備えない場合に比べて比率（Ｐ_２／Ｐｉ）が−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きく減衰する範囲を示した図である。 分岐通路の配管表面の温度変化の評価結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の計装配管５０を備える蒸気タービン配管１の構成を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態の計装配管５０を備える主蒸気加減弁３０の斜視図を示した図である。

図１に示すように、高圧タービン２００にボイラ（図示しない）からの蒸気を導入できるように、上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２を備えている。ここでは、上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２をそれぞれ２つ備えた一例を示している。

上半側主蒸気管１１および下半側主蒸気管１２には、高圧タービン２００に導く蒸気を遮断する主蒸気止め弁２０が介在している。また、この主蒸気止め弁２０の下流側に、高圧タービン２００に導く蒸気の流量を調整する主蒸気加減弁３０が介在している。

図１には、床部２１０を介して、上方のフロアには高圧タービン２００の上半部側および上半側主蒸気管１１（主蒸気止め弁２０および主蒸気加減弁３０を含む）を備え、下方のフロアには高圧タービン２００の下半部側および下半側主蒸気管１２（主蒸気止め弁２０および主蒸気加減弁３０を含む）を備えた一例を示している。

図１に示すように、例えば、蒸気タービン配管１や蒸気タービン建屋のコンパクト化などを図るため、上半側の主蒸気加減弁３０の下流側の上半側主蒸気管１１は、例えば、２つのエルボ管１１ａの間に直管１１ｂを有する複雑な配管構成となっている。一方、下半側の主蒸気加減弁３０の下流側の下半側主蒸気管１２は、例えば、水平管による構成が主となる配管構成となっている。

図２に示すように、主蒸気止め弁２０には、弁座の上流側のドレンを排出するための弁座前ドレン管２１、および弁座の下流側のドレンを排出するための弁座後ドレン管２２が備えられている。主蒸気加減弁３０には、弁座の下流側のドレンを排出するための弁座後ドレン管３１が備えられている。また、主蒸気加減弁３０には、主蒸気加減弁３０の下流の管内圧力を計測するための計装配管５０が設けられている。

次に、第１の実施の形態の計装配管５０を備える蒸気タービン配管１における主蒸気加減弁３０の配管構成について説明する。

図３は、第１の実施の形態の計装配管５０を備える蒸気タービン配管１の配管構成を模式的に示した図である。なお、図３には、上半側の主蒸気加減弁３０の計装配管５０の構成を例示して説明するが、下半側の主蒸気加減弁３０の計装配管５０の構成も同じである。図４は、第１の実施の形態の計装配管５０および主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａの断面を示す図である。なお、図４では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。図５は、第１の実施の形態の計装配管５０における縮小配管部７０の斜視図である。

図３および図４に示すように、計装配管５０は、分岐通路４０と、縮小配管部７０と、計装部６０とを備えている。分岐通路４０は、蒸気通路３０ａに連通する貫通孔３０ｂおよびこの貫通孔３０ｂの外部開口に連通するように設けられた分岐管４１で構成される。このように、分岐通路４０の一部は、例えば、蒸気通路３０ａを構成する配管の管壁に設けられている。

縮小配管部７０は、分岐通路４０に備えられている。具体的には、縮小配管部７０は、例えば、貫通孔３０ｂに備えられる。なお、縮小配管部７０は、縮小部として機能する。

分岐管４１の一端側は、貫通孔３０ｂの外部開口に接続され、蒸気通路３０ａに連通している。分岐管４１の他端側には、計装部６０が設けられている。この計装部６０が設けられた分岐管４１の他端側は、閉止端となる。計装部６０は、例えば、圧力計等の計測器で構成されている。このように計装部６０を備えることで、主蒸気加減弁３０内の圧力と均圧となる。そのため、主蒸気加減弁３０内の圧力を計装部６０で検知することができる。

分岐通路４０は、図４に示すように、例えば、蒸気通路３０ａの下部から、蒸気の流れ方向に垂直方向に延設されている。分岐管４１は、例えば、貫通孔３０ｂの通路断面形状と同じ通路断面形状を有する。なお、ここでは、蒸気通路３０ａの下部から分岐された分岐通路４０の一例を示しているが、この構成に限られるものではない。例えば、分岐通路４０は、蒸気通路３０ａの上部から、蒸気の流れ方向に垂直方向に延設されてもよい。

貫通孔３０ｂの分岐管４１側に備えられた縮小配管部７０の通路断面は、貫通孔３０ｂの通路断面よりも縮小されている。すなわち、縮小配管部７０の通路断面積は、分岐管４１の通路断面積よりも小さい。

なお、ここでは、縮小配管部７０を貫通孔３０ｂの分岐管４１側に備えた一例を示したが、縮小配管部７０は、蒸気通路３０ａと計装部６０との間に備えることができる。また、通路断面とは、通路軸方向に垂直な、通路の断面である。なお、ここで通路軸方向とは、貫通孔３０ｂにおいては貫通孔３０ｂの中心軸に沿う方向、縮小配管部７０においては縮小配管部７０の貫通孔の中心軸に沿う方向、分岐管４１においては分岐管４１の中心軸に沿う方向をいう（以下、同じ）。

縮小配管部７０は、図４および図５に示すように、円柱体の本体部７１と、この本体部７１に形成された複数の貫通孔７２とを備える。貫通孔７２は、例えば、本体部７１の軸方向に直線的に貫通している。

なお、軸方向とは、円柱体の中心軸に平行な方向をいう。貫通孔３０ｂや分岐管４１の通路断面の形状は円形に限らず、楕円、矩形、多角形などであってもよい。この場合、縮小配管部７０の軸方向に垂直な断面形状も、貫通孔３０ｂや分岐管４１の通路断面形状と同じ形状に設定される。

ここで、貫通孔７２の長さや通路断面積は、例えば、後述する式（２３）によって算出される比率（Ｐ_２／Ｐｉ）に基づいて設定される。なお、式（２３）については後に詳しく説明するが、Ｐｉは、分岐通路４０の分岐部の上流側における蒸気通路３０ａの圧力変動である。また、Ｐ_２は、分岐管４１の計装部６０側の端部の圧力変動である。なお、式（２３）において、貫通孔７２の長さ、および貫通孔３０ｂの通路断面積に対する縮小配管部７０の通路断面積の割合（縮小比ｍ）が設計パラメータに含まれる。ここで、縮小比ｍは、縮小配管部７０の通路断面積を貫通孔３０ｂの通路断面積で除した値である。

そして、貫通孔７２の長さや通路断面積は、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、例えば、比率（Ｐ_２／Ｐｉ）において−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きな減衰が得られるように設定されることが好ましい。このように設定されることによって、計装配管５０の異常な温度上昇を抑制し、計装配管５０の分岐管４１の破損を防止することができる。

このように、縮小配管部７０を備えることで、通路断面積が縮小され、蒸気通路３０ａと計装部６０との間の計装配管５０における共振振動を減衰することができる。これによって、計装配管５０の異常な温度上昇を抑制し、計装配管５０の分岐管４１の破損を防止することができる。

また、貫通孔７２を複数備えることで、例えば、一つの貫通孔７２が詰まった場合でも、他の貫通孔７２が連通しているため、計装部６０において圧力を計測することができる。

ここで、縮小配管部７０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図６〜図９は、第１の実施の形態の計装配管５０における他の形状の縮小配管部７０の斜視図である。

図６に示すように、縮小配管部７０を、円柱体の本体部７１と、この本体部７１に形成された複数の屈曲した貫通孔７３とで構成してもよい。すなわち、貫通孔７３は、屈曲部を有しつつ、蒸気通路３０ａ側と計装部６０側とを連通させている。なお、貫通孔７３の通路断面積は、いずれの位置においても同じである。

ここで、貫通孔７３の長さ（貫通孔７３の通路長さ）や通路断面積は、前述したように、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、例えば、比率（Ｐ_２／Ｐｉ）において−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きな減衰が得られるように設定されることが好ましい。

縮小配管部７０での共振振動の減衰は、貫通孔７３の通路長さが長いほど減衰効果が大きい。そのため、貫通孔７３を屈曲させることで、計装配管５０の分岐管４１の異常な温度上昇をより抑制することができる。なお、一つの貫通孔７３における通路長さは、例えば、図５に示した一つの貫通孔７２における通路長さの１．５〜２倍程度である。

図７に示すように、縮小配管部７０を、円柱体の本体部７１と、この本体部７１に形成された螺旋状の貫通孔７４とで構成してもよい。なお、図７には、図面を明確に示すため、一つの貫通孔７４を示しているが、貫通孔７４は複数備えられている。また、各貫通孔７４は、蒸気通路３０ａ側と計装部６０側とを連通させている。

ここで、貫通孔７４の長さ（貫通孔７４の通路長さ）や通路断面積は、前述したように、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、例えば、比率（Ｐ_２／Ｐｉ）において−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きな減衰が得られるように設定されることが好ましい。

このように、貫通孔７４を螺旋状に形成することで、貫通孔７４の通路長をより長くすることができる。これによって、縮小配管部７０における共振減衰効果をさらに高めることができる。なお、一つの貫通孔７４における通路長は、例えば、図５に示した一つの貫通孔７２における通路長の５〜１０倍程度である。

図８に示すように、縮小配管部７０を、円環状の外筒部７５と、この外筒部７５の内部に収容され、外筒部の内面と所定の間隙をあけて配置された円柱状の内筒部７６とで構成してもよい。この場合、外筒部７５と内筒部７６との間には、環状の貫通路７７が形成される。なお、内筒部７６は、外筒部７５に少なくとも一箇所において支持され固定されている。

ここで、貫通路７７の長さ（貫通路７７の軸方向の長さ）や通路断面は、前述したように、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、例えば、比率（Ｐ_２／Ｐｉ）において−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きな減衰が得られるように設定されることが好ましい。

このように、貫通路７７を備えることで、通路断面積が縮小され、共振振動を減衰することができる。これによって、計装配管５０の分岐管４１の異常な温度上昇を抑制し、計装配管５０の破損を防止することができる。

図９に示すように、縮小配管部７０を、円柱体の本体部７１と、この本体部７１に形成された小径孔部７８と、この小径孔部７８に連通する大径孔部７９とで構成してもよい。大径孔部７９は、小径孔部７８よりも通路断面積が大きい。

また、縮小配管部７０における蒸気通路３０ａ側および計装部６０側は、小径孔部７８で構成されている。そして、これらの小径孔部７８よりも軸方向の内側、すなわちこれらの小径孔部７８間は、大径孔部７９と小径孔部７８とが交互に形成されている。そして、縮小配管部７０における蒸気通路３０ａ側および計装部６０側は、小径孔部７８と大径孔部７９からなる通路によって連通されている。

なお、ここでは、小径孔部７８および大径孔部７９からなる通路を一つ設けた一例を示しているが、この通路を複数備えてもよい。

ここで、縮小配管部７０の長さや通路断面積は、前述したように、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、例えば、比率（Ｐ_２／Ｐｉ）において−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きな減衰が得られるように設定されることが好ましい。この場合、設計パラメータにおいて、縮小配管部７０の長さとしては、小径孔部７８の長さの総和を用い、通路断面積としては、小径孔部７８の通路断面積を用いる。なお、小径孔部７８および大径孔部７９からなる通路を複数備えた場合には、通路断面積として、小径孔部７８の通路断面積の平均を用いる。

このように、小径孔部７８および大径孔部７９からなる通路を備えることで、通路断面積が縮小され、共振振動を減衰することができる。これによって、計装配管５０の異常な温度上昇を抑制し、計装配管５０の分岐管４１の破損を防止することができる。また、小径孔部７８と大径孔部７９とを蒸気が通過する際の拡大流れおよび縮小流れの損失によっても、共振減衰をさらに増加させる。

（第２の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態の計装配管５１および主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａの断面を示す図である。なお、図１０では、蒸気通路３０ａの流れ方向に垂直な断面が示されている。また、以下の実施の形態において、第１の実施の形態の計装配管５０を備える蒸気タービン配管１の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

第２の実施の形態では、計装配管５１の構成が、第１の実施の形態の計装配管５０の構成と異なる。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。

図１０に示すように、計装配管５１は、分岐通路４０と、縮小配管部７０と、計装部６０と、熱伝導部材９０とを備えている。分岐通路４０は、蒸気通路３０ａに連通する貫通孔３０ｂ、この貫通孔３０ｂの外部開口に連通する熱伝導部材９０の貫通孔９１、およびこの貫通孔９１に連通するように設けられた分岐管４１で構成される。すなわち、熱伝導部材９０は、主蒸気加減弁３０と分岐管４１との間に設けられている。

縮小配管部７０は、分岐通路４０に備えられている。具体的には、縮小配管部７０は、例えば、熱伝導部材９０の貫通孔９１に備えられる。なお、縮小配管部７０は、縮小部として機能する。また、ここでは、縮小配管部７０として、図４および図５に示した構成を示しているが、図６〜図９に示した縮小配管部７０の構成であってもよい。

熱伝導部材９０の貫通孔９１の通路断面形状は、蒸気通路３０ａを構成する配管の管壁に設けられた貫通孔３０ｂの通路断面形状と同じである。また、熱伝導部材９０の貫通孔９１の通路断面形状は、分岐管４１の通路断面形状と同じである。

熱伝導部材９０の一端は、蒸気通路３０ａを構成する配管に、例えば、溶接などによって接合されている。熱伝導部材９０の他端は、分岐管４１に、例えば、溶接などによって接合されている。

ここで、熱伝導部材９０は、分岐通路４０で発生した熱を、蒸気通路３０ａを構成する配管（主蒸気加減弁３０）に伝える。そのため、熱伝導部材９０は、例えば、耐熱性に優れ、蒸気通路３０ａを構成する配管（主蒸気加減弁３０）を構成する材料よりも熱伝導性に優れた材料などで構成されることが好ましい。ここで、蒸気通路３０ａを構成する配管（主蒸気加減弁３０）は、熱伝導部材９０を介して伝導された熱量を吸収するだけの十分な熱容量を有している。

熱伝導部材９０は、例えば、金属材料などで形成される。熱伝導部材９０を形成する金属材料として、例えば、銅や炭素鋼などの高い熱伝導率を有する金属が使用される。

このように熱伝導部材９０を備えることで、分岐通路４０で発生した熱を、蒸気通路３０ａを構成する配管（主蒸気加減弁３０）に逃がすことができる。すなわち、第２の実施の形態の計装配管５１においては、縮小配管部７０を設けることで得られる異常な温度上昇の抑制効果と、熱伝導部材９０を備えることで得られる熱を逃がす効果の双方を得ることができる。

（実施の形態における分岐通路の温度上昇の抑制に係る説明）
上記したように、前述した実施の形態においては、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから分岐する分岐通路４０に、通路断面が縮小する縮小配管部７０を備えることで、分岐通路４０が異常に温度上昇することを抑制することができる、これによって、分岐通路４０の破損を防止することができる。

ここで、分岐通路４０に縮小配管部７０を備えることで、分岐通路４０の異常な温度上昇を抑制することができる理由について説明する。

（１）管内圧力変動による発熱（熱音響効果）の説明
ここで、内径がＲの円筒の管内圧力変動の周波数をｆ（Ｈｚ）とする。文献１（荒川、川橋、機械学会論文集、６２巻５９８号、Ｂ（１９９６）、ｐ.２２３８−２２４５）によれば、管内圧力変動振幅Ｐを管内平均圧力Ｐ_０で割って無次元化した式（１）の関係を用いて、管壁近傍の境界層内で圧力変動による熱音響効果で発生する熱流束ｑ（Ｗ／ｍ^２）は、式（２）で求められる。

ここで、Ｐ_１は無次元圧力振幅、Ｋは配管形状で決まる定数、γは比熱比、μは粘性係数、ａは音速、δは境界層の厚さ、Ｒは円筒の内径である。

円筒の内周長は、πＲであるので、円筒の単位長さあたりの発熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）は、式（３）によって求められる。

ここで、角振動数ωを２πｆとすると、境界層の厚さδは、式（４）で求められる。

ここで、νは動粘性係数である。

すなわち、管内圧力変動による発熱（熱音響効果）は式（３）から明らかなように、無次元圧力振幅の２乗に比例している。そのため、管内圧力変動を抑制することで、発熱が抑えられることがわかる。

（２）分岐通路に縮小配管部を備えることで管内圧力変動が抑えられることの説明
次に、図１１を参照して、分岐通路４０に縮小配管部７０を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明する。図１１は、第１の実施の形態の計装配管５０の分岐通路４０に縮小配管部７０を備えることで管内圧力変動が抑えられることを説明するための模式図である。図１１に示された模式図は、図７に示した第１の実施の形態の計装配管５０の分岐通路４０をモデルとしている。

図１１に示すように、通路断面積Ｓ_０の、主蒸気加減弁３０の蒸気通路３０ａから、分岐通路４０が分岐している。

分岐通路４０は、蒸気通路３０ａに連通する貫通孔３０ｂおよびこの貫通孔３０ｂの外部開口に連通するように設けられた分岐管４１で構成される。そして、縮小配管部７０は、貫通孔３０ｂに備えられている。

貫通孔３０ｂの通路断面積はＳ_１、貫通孔３０ｂの長さはＬ_１であり、縮小配管部７０の通路断面積はｍＳ_１、縮小配管部７０の長さはＬ_２（螺旋状の通路長）である。ここで、貫通孔３０ｂの長さＬ_１は、縮小配管部７０が備えられた部分の長さを除いた長さである。なお、このｍは、縮小比であり、１よりも小さな定数である。縮小比ｍは、貫通孔３０ｂの通路断面積Ｓ_１に対する縮小配管部７０の通路断面積の割合を示す。

分岐管４１の長さはＬ_３、分岐管４１の通路断面積はＳ_３とする。計装部６０側の分岐管４１での圧力変動をＰ_２とする。

蒸気の圧力変動と速度変動について、貫通孔３０ｂと蒸気通路３０ａとの接続部に蒸気通路３０ａの上流側から流入する分をＰｉ、Ｕｉとし、接続部から蒸気通路３０ａの上流側に反射する分をＰｒ、Ｕｒとし、接続部から蒸気通路３０ａの下流側に流出する分をＰｔ、Ｕｔとし、貫通孔３０ｂから接続部を介して蒸気通路３０ａに流出する分をＰ_１、Ｕ_１とする。

蒸気通路３０ａの接続部よりも上流側の領域をＩとし、蒸気通路３０ａの接続部よりも下流側の領域をIIとする。領域Ｉの蒸気の圧力変動と速度変動をＰ_Ｉ、Ｕ_Ｉとし、領域IIの蒸気の圧力変動と速度変動をＰ_II、Ｕ_IIとする。

蒸気通路３０ａにおける圧力変動を平面進行波と仮定し、蒸気密度をρ_０、蒸気音速をＣ_０とすると、Ｕ＝Ｐ／（ρ_０Ｃ_０）が成り立つため、次の式（５）〜式（８）の関係が得られる。

ここで、接続部では、上流側と下流側の音圧は等しく、体積速度は、貫通孔３０ｂから接続部を介して蒸気通路３０ａに流出する分（Ｓ_１Ｕ_１）を考慮して、次の式（９）および式（１０）の関係が得られる。

ここで、Ｚ_１は、貫通孔３０ｂの開口部における貫通孔３０ｂ内の反射を含めた音響インピーダンス（Ｐ_１／（Ｓ_１Ｕ_１））である。

式（６）から次の式（１１）が成り立つ。

接続部における圧力変動Ｐ_１は、Ｐ_１＝Ｐ_１＝（Ｐｉ＋Ｐｒ）の関係より、式（１２）で示される。

そして、図１１に示す配管構成では、貫通孔３０ｂと縮小配管部７０と分岐管４１とを備えた計装配管５０において次の式（１３）が成り立つ。

文献２（市川、高山、機械学会論文集、３９巻３２５号、（１９７３）、ｐ．２８０７−２８１５）によれば、伝播定数γｉ（ｉ＝１，２，３）は、貫通孔３０ｂ内、縮小配管部７０内、分岐管４１内の流動の粘性摩擦を近似した次の式（１４）、式（１５）、式（１６）で近似される。

ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数である。

また、特性インピーダンスＺｉ（ｉ＝１，２，３）は、次の式（１７）、式（１８）、式（１９）で近似される。

そして、伝達マトリクスＴを次の式（２０）のように定義する。

また、式（１３）より、Ｚ_１＝ｔ_１１／ｔ_２１が得られる。Ｔの逆行列をＴ’を次の式（２１）で表わす。

そして、次の式（２２）の関係が得られる。

この式（２２）より、接続部上流側の蒸気通路３０ａの圧力変動Ｐｉと、分岐管４１の計装部６０側の端部の圧力変動Ｐ_２との比率（Ｐ_２／Ｐｉ）が次の式（２３）として求められる。

なお、ここでは、図１１に示すように、図７に示した第１の実施の形態の計装配管５０の分岐通路４０をモデルとして上記式（２３）を求めたが、図５、図６、図８、図１０に示した構成をモデルとしても上記同様に比率（Ｐ_２／Ｐｉ）を求めることができる。

図１２は、図１１に示した第１の実施の形態の計装配管５０の分岐通路４０をモデルに基づいて、式（２３）から求められる比率（Ｐ_２／Ｐｉ）と変動周波数の関係を示した図である。また、図１２には、比較例として、縮小配管部７０を有しない場合についても示している。なお、縦軸に示された管端での応答倍率は、Ｐ_２の絶対値をＰｉの絶対値で除した（Ｐ_２／Ｐｉ）について常用対数をとり１０倍したｄＢで示している。

蒸気条件としては、温度を５００℃、圧力を１ＭＰａ、密度ρ_０を２．８３ｋｇ／ｍ^３、音速Ｃ_０を６７２ｍ／ｓ、動粘性係数νを１．０×１０^−５ｍ^２／ｓとした。

実施例として使用した、図１１に示したモデルの配管形状としては、蒸気通路３０ａの通路断面積Ｓ_０を０．０５１ｍ^２（内径０．２５４ｍ相当）とした。貫通孔３０ｂの通路断面積Ｓ_１を０．００１６ｍ^２（内径０．０４５ｍ相当）、貫通孔３０ｂの長さＬ_１を０．２ｍとし、縮小配管部７０の長さＬ_２を１．３５ｍ（貫通孔３０ｂの内径の３０倍）とした。ｍを１／１５とした。分岐管４１の通路断面積Ｓ_３は、Ｓ_１と同じとし、長さＬ_３は４ｍとした。

比較例では、縮小配管部７０が無い代わりに、分岐管４１の長さを４．８ｍとし、全長５ｍ、通路断面積Ｓ_１の蒸気通路が形成されるものとした。なお、この比較例の配管形状においては、上記した蒸気条件で使用すると、蒸気通路の定在波周波数である約３４Ｈｚで大きな圧力変動が発生する。そして、圧力変動に伴う熱音響現象で分岐通路の異常な温度上昇が生じ、配管が破損する。

図１２に示すように、比較例では管端での比率（Ｐ_２／Ｐｉ）は、３４Ｈｚで極大化し、約２５ｄＢに達する。

極大化周波数は、計装部６０までの分岐通路４０の全長（以下、分岐通路全長という。）と音速Ｃ_０によって決まる定在波周波数である。内径が一様な配管において、一端が閉じられ他端が開いている条件では、音速を分岐通路全長の４倍で除した値を基本周波数とし、その奇数倍の周波数が定在波周波数となる。

音速Ｃ_０（６７２ｍ／ｓ）を、分岐通路全長（５ｍ）の４倍である２０ｍで割った値である約３４Ｈｚが基本周波数となる。比較例において、その基本周波数の奇数倍が定在波周波数となり、図１２に示した極大化周波数と一致していることがわかる。比較例においては、実施例と比べて、定在波の管内圧力変動が大きくなっている。

ここで、熱音響効果による発熱は、基本定在波による発熱が最大となることが知られている。これは前述した文献１や文献３（Sprenger, H., “On thermal effects in resonance tubes”, NTRS ，1964）において、ハルトマンチューブの特徴として示されている。

実施例では、図１２に示すように、比率（Ｐ_２／Ｐｉ）の極大化周波数は、２０．６Ｈｚである。比率（Ｐ_２／Ｐｉ）の最大値は、比較例の最大値のより１０ｄＢ（振幅にして１／１０）抑制されている。式（３）からわかるように、熱音響効果による発熱は、圧力変動の２乗に比例する。そのため、圧力変動が１／１０に抑制されると、発熱は１／１００となり、十分な発熱抑制効果が得られる。

（３）縮小配管部の長さや通路断面積などの設定
ここで、前述した熱音響効果による発熱の抑制は、保温された計装配管の放熱量とのバランスから、１／１０程度であれば配管の温度上昇を十分に防ぐことができると考えられる。

前述したように、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、熱音響効果による発熱を１／１０にするためには、圧力変動をこの１／１０の二乗根（平方根）した値に抑制すればよい。すなわち、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、前述した式（２３）によって算出される比率（Ｐ_２／Ｐｉ）が−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きく減衰するように、縮小配管部７０の長さや通路断面積を設定すればよい。

図１３は、本実施の形態において、縮小配管部７０を備えない場合に比べて比率（Ｐ_２／Ｐｉ）が−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きく減衰する範囲を示した図である。図１３において、横軸は、縮小配管部７０の長さＬ_２を貫通孔３０ｂの内径Ｄ_１で除した値（Ｌ_２／Ｄ_１）を示している。なお、縮小配管部７０の長さＬ_２は、貫通孔や貫通路の通路長さである。縦軸は、縮小比ｍの逆数を示している。

図１３では、本実施の形態において、縮小配管部７０を備えない場合に比べて式（２３）によって算出される比率（Ｐ_２／Ｐｉ）が−５ｄＢとなる点を線Ｘで結んでいる。そして、図１３において、この線Ｘよりも上側、すなわち縮小比ｍの逆数が大きい側は、−５ｄＢより大きな減衰が得られる範囲である。図１３では、この範囲を斜線で示している。なお、図１３の結果を算出する際、縮小配管部７０の長さＬ_２および縮小比ｍ以外は、図１２に示した結果を算出する際に使用した値を使用している。

図１３の線Ｘ上または線Ｘよりも上側となるように、縮小配管部７０の貫通孔や貫通路における通路長さや通路断面積、貫通孔３０ｂの内径Ｄ_１、縮小比ｍなどを設定することが好ましい。このように設定することで、計装配管５０の異常な温度上昇を抑制し、計装配管５０の分岐管４１の破損を防止することができる。

なお、図１３では説明の都合上、図１３の結果を算出する際、縮小配管部７０の長さＬ_２および縮小比ｍ以外は、図１２に示した結果を算出する際に使用した値を使用したが、これらの値に限られるものではない。これらの値と異なっていても、式（２３）に基づいて図１３に示す斜線の領域内となるように設計することで、同様の効果が得られる。すなわち、例えば、縮小配管部７０の長さＬ_２、縮小比ｍ、貫通孔３０ｂの内径Ｄ_１などを、縮小配管部７０を備えない場合に比べて比率（Ｐ_２／Ｐｉ）が−５ｄＢまたは−５ｄＢよりも大きく減衰するように設計することで、同様の効果が得られる。

（４）分岐通路に縮小配管部を備えることで異常な温度上昇が抑えられることの評価
ここでは、縮小配管部７０（縮小部）を備えた場合と備えない場合とにおける、分岐通路の配管表面の温度変化を評価した。図１４は、分岐通路４０の配管表面の温度変化の評価結果を示す図である。図１４の縦軸には、噴流の初期温度からの温度変化分（ΔＴ）を示している。例えば、「ΔＴ＝０」よりも上側では温度上昇、下側では温度低下を意味する。

なお、図１４には、温度変化の評価結果とともに、本評価に使用された分岐通路４０の模試図を示している。分岐通路４０の一端は開口部であり、他端は閉端部である。

縮小配管部７０を備えた配管では、開口部（接続部に相当）から０．５ｍの長さまでは、内径を３０ｍｍとし、それより下流側（閉端側）では、内径を１０ｍｍとした。この内径が小さい部分が縮小配管部７０である。配管の全体の長さは２ｍとした。

縮小配管部７０を備えない配管では、開口部（接続部に相当）から閉端部まで、内径を３０ｍｍとした。配管の全体の長さは２ｍとした。縮小配管部７０を備えた場合も備えない場合も、開口部に噴出する噴流の温度は同じとした。

図１４に示すように、縮小配管部７０を備えない配管では、開口部から閉端部に向かって、温度上昇が大きくなり、閉端部で温度上昇が最大となる。

一方、縮小配管部７０を備えた配管では、縮小配管部７０では温度上昇がみられず、過熱が防止されている。しかしながら、開口部から縮小配管部７０までの部分では温度上昇が大きくなっている。これは、縮小配管部７０を設けた場合の閉端部では、式（２３）に示すように圧力変動を抑制して熱音響効果による過熱を防止できるのに対し、開口部から縮小配管部７０までの部分では、縮小配管部７０での圧力反射が開口部側に戻り、圧力変動が大きくなり、熱音響効果による発熱が生じるためと考えられる。

ここで、開口部から縮小配管部７０までの部分では温度上昇が大きくなる場合であっても、縮小配管部７０を備えない場合に比べて、前述した式（２３）から得られる圧力変動の比率（Ｐ_２／Ｐｉ）を、例えば、１／１０の二乗根以下になるように分岐通路の仕様を決定することで、異常な温度上昇が抑えられる。

また、例えば、第２の実施の形態における熱伝導部材９０を備えることで、開口部から縮小配管部までの部分で発生した熱を、蒸気通路３０ａを構成する配管（主蒸気加減弁３０）に逃がすことができる。

以上説明した実施形態によれば、温度の異常な上昇を防止し、高い信頼性を有する蒸気タービン用計装配管を提供することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…蒸気タービン配管、１１…上半側主蒸気管、１１ａ…エルボ管、１１ｂ…直管、１２…下半側主蒸気管、２１…弁座前ドレン管、２２…弁座後ドレン管、３０…主蒸気加減弁、３０ａ…蒸気通路、３０ｂ…貫通孔、３１…弁座後ドレン管、４０…分岐通路、４１…分岐管、５０，５１…計装配管、６０…計装部、７０…縮小配管部、７１…本体部、７２，７３，７４，７７，９１…貫通孔、７５…外筒部、７６…内筒部、７８…小径孔部、７９…大径孔部、９０…熱伝導部材、２００…高圧タービン、２１０…床部。

Claims (7)

1. 蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管であって、
   前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に介在する計装部と、
   前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部と
   を具備し、
   前記縮小部が、
   柱状の本体部と、
   前記本体部に前記本体部の軸方向に沿って直線状に形成され、前記本体部の一端側から他端側へ貫通する複数の貫通孔と
   を備え、
   前記分岐通路の前記計装部側の端部の圧力変動Ｐ _２ と、前記分岐通路が前記蒸気通路から分岐する分岐部の上流側における前記蒸気通路の圧力変動Ｐｉとの比（Ｐ _２ ／Ｐｉ）に基づいて、前記貫通孔の長さ、および前記縮小部の通路断面積を前記縮小部が設けられた前記分岐通路の通路断面積で除した縮小比が設定されていることを特徴とする蒸気タービン用計装配管。
2. 蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管であって、
   前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に介在する計装部と、
   前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部と
   を具備し、
   前記縮小部が、
   柱状の本体部と、
   前記本体部に屈曲部を有して形成され、前記本体部の一端側から他端側へ貫通する複数の貫通孔と
   を備えることを特徴とする蒸気タービン用計装配管。
3. 蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管であって、
   前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に介在する計装部と、
   前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部と
   を具備し、
   前記縮小部が、
   柱状の本体部と、
   前記本体部に螺旋状に形成され、前記本体部の一端側から他端側へ貫通する複数の貫通孔と
   を備えることを特徴とする蒸気タービン用計装配管。
4. 蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管であって、
   前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に介在する計装部と、
   前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部と
   を具備し、
   前記縮小部が、
   環状の外筒部と、
   前記外筒部の内部に収容され、前記外筒部の内面と所定の間隙をあけて配置された柱状の内筒部と
   を備えることを特徴とする蒸気タービン用計装配管。
5. 蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管であって、
   前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に介在する計装部と、
   前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部と
   を具備し、
   前記縮小部が、
   柱状の本体部と、
   前記本体部の軸方向の両端に小径孔部を有し、これらの小径孔部の間に、小径孔部よりも通路断面積が大きい大径孔部と小径孔部とが軸方向に交互に形成され、前記本体部の一端側から他端側へ貫通する通路と
   を備え、
   前記分岐通路の前記計装部側の端部の圧力変動Ｐ _２ と、前記分岐通路が前記蒸気通路から分岐する分岐部の上流側における前記蒸気通路の圧力変動Ｐｉとの比（Ｐ _２ ／Ｐｉ）に基づいて、各前記小径孔部の長さの総和、および前記小径孔部の通路断面積を前記縮小部が設けられた前記分岐通路の通路断面積で除した縮小比が設定されていることを特徴とする蒸気タービン用計装配管。
6. 前記分岐通路の一部が、前記蒸気通路を構成する配管の管壁に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン用計装配管。
7. 蒸気が流れる蒸気通路における圧力を計測するための計装配管であって、
   前記蒸気通路から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に介在する計装部と、
   前記蒸気通路と前記計装部との間の前記分岐通路の一部に設けられ、前記分岐通路の流路断面を縮小させる縮小部と
   を具備し、
   前記分岐通路の一部が、前記蒸気通路を構成する配管の管壁に設けられ、
   前記管壁よりも前記計装部側の前記分岐通路の一部が、前記分岐通路の一部よりも前記蒸気通路側で発生した熱を前記蒸気通路側に伝える熱伝導部材で形成されていることを特徴とする蒸気タービン用計装配管。

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