JP6457819B2 - 弁部材とシール組立体とを有する蒸気ターボ機械用弁 - Google Patents

弁部材とシール組立体とを有する蒸気ターボ機械用弁 Download PDF

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Description

本明細書に開示する主題は、蒸気ターボ機械の技術に関し、より詳細には、弁部材とシール組立体とを有する蒸気ターボ機械用弁に関する。
蒸気ターボ機械システムは、一般に、各々が蒸気の流れから仕事を抽出する多数のタービン部を含む。多数のタービン部は、高圧(HP)蒸気タービン部分と、中圧(IP)蒸気タービン部分と、低圧(LP)蒸気タービン部分とを含み得る。1以上の弁は、タービン部の1つからタービン部のその他のものへ、及び場合によっては、排熱回収ボイラ(HRSG)へ通過する蒸気の流れを制御する。1以上の弁の各々は、弁部材を支持する弁体を含む。弁部材の位置は、蒸気流の通過を遮断するか又は蒸気流の通過を可能にするように選択的に制御される。弁は、弁部材と弁体との間のシールを含む。ほとんどの場合、シールは、弁部材に設けられ、蒸気の流れが弁部材と弁体との間の間隙を通過するのを防止するように、また弁の上流側においてより低い圧力を維持するように位置決めされる。
例示的な実施形態の一態様によれば、蒸気ターボ機械用弁は、入口部分と出口部分と内側部分とを有する弁体を含む。内側部分は内壁を含む。弁部材は、弁体の内側部分に摺動自在に配置される。弁部材は外面を含む。シール要素は、弁部材の外面に取り付けられ、かつ弁部材の外面の周りに延在する。シール要素は、内壁からある間隙をもって離間している。シール組立体は、内壁に取り付けられる。シール組立体は、間隙にまたがって弁部材のシール要素と接するように構成及び配置される。
例示的な実施形態の別の態様によれば、蒸気ターボ機械は、高圧(HP)タービン部分と、HPタービン部分に動作可能に接続された中圧(IP)タービン部分と、HPタービン部分及びIPタービン部分のうちの少なくとも1つに動作可能に接続された低圧(LP)タービン部分と、HPタービン部分、IPタービン部分、及びLPタービン部分のうちの少なくとも1つに流体的に接続された蒸気弁とを含む。蒸気弁は、入口部分と出口部分と内側部分とを有する弁体を含む。内側部分は内壁を含む。弁部材は、弁体の内側部分に摺動自在に配置される。弁部材は外面を含む。シール要素は、弁部材の外面に取り付けられ、かつ弁部材の外面の周りに延在する。シール要素は、内壁からある間隙をもって離間している。シール組立体は、内壁に取り付けられる。シール組立体は、間隙にまたがって弁部材のシール要素と接するように構成及び配置される。
例示的な実施形態の更に別の態様によれば、蒸気ターボ機械システムは、高圧(HP)タービン部分と、HPタービン部分に動作可能に接続された中圧(IP)タービン部分と、HPタービン部分及びIPタービン部分のうちの少なくとも1つに動作可能に接続された低圧(LP)タービン部分と、HPタービン部分、IPタービン部分、及びLPタービン部分の各々に動作可能に接続された排熱回収ボイラ(HRSG)及びボイラーのうちの1つと、HPタービン部分、IPタービン部分、及びLPタービン部分のうちの少なくとも1つに流体的に接続された蒸気弁とを含む。蒸気弁は、入口部分と出口部分と内側部分とを有する弁体を含む。内側部分は内壁を含む。弁部材は、弁体の内側部分に摺動自在に配置される。弁部材は外面を含む。シール要素は、弁部材の外面に取り付けられ、かつ弁部材の外面の周りに延在する。シール要素は、内壁からある間隙をもって離間している。シール組立体は、内壁に取り付けられる。シール組立体は、間隙にまたがって弁部材のシール要素と接するように構成及び配置される。
これらもしくは他の利点及び特徴は、図面と併せて解釈される以下の説明からより明らかになるであろう。
本発明と見なされる主題は、本明細書の末尾にある特許請求の範囲において特に指摘され、明確に特許請求されている。本発明の前述もしくは他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかである。
例示的な実施形態による、弁部材とシール組立体とを有する弁に流体的に接続された蒸気ターボ機械を含む蒸気ターボ機械システムの概略図である。 図1の弁部材とシール組立体とを含む弁の一部切欠き斜視図である。 図2のシール組立体の平面図である。 図2のシール組立体の断面図である。
詳細な説明では、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に、本発明の実施形態を解説する。
図1では、例示的な実施形態による蒸気ターボ機械システムが、全体的に2で示される。蒸気ターボ機械システム2は、中圧(IP)タービン部分6に動作可能に接続された高圧(HP)タービン部分4と、低圧(LP)タービン部分8とを含む。HPタービン部分4、IPタービン部分6及びLPタービン部分8は、排熱回収ボイラ(HRSG)10に流体的に接続される。代替的に、HPタービン部分4、IPタービン部分6及びLPタービン部分8をボイラーに流体的に接続することができる。HPタービン部分4、IPタービン部分6及びLPタービン部分8をボイラー(図示せず)にも流体的に接続できることを理解すべきである。この時点では、HPタービン部分4、IPタービン部分6及びLPタービン部分8は、シャフト12に機械的に連結されるものとして示されているが、別個の機構とすることもできることを理解すべきである。「動作可能に接続される」という用語は、機械的接続及び/又は流体的接続を含むと理解されるべきである。
HPタービン部分4は、HPタービン入口14を通して蒸気を受け、HP出口16を通して蒸気をHRSG10のHP部分(別個には参照符号を付さず)へ流す。IPタービン部分6は、IP入口17及びIP出口18を通してHRSG10のIP部分(同じく別個には参照符号を付さず)に流体的に接続される。LPタービン部分8は、LP入口20及びLP出口22を通してHRSG10のLP部分(別個には参照符号を付さず)に流体的に接続される。LPタービン部分8はまた、発電機、ポンプ又は同様のものなどの機械的負荷24に機械的に連結された状態で示されている。
例示的な実施形態によれば、蒸気弁30は、IP入口17に流体的に接続される。当然ながら、追加の弁(図示せず)を蒸気ターボ機械システム2とHRSG10及び/又はボイラーとの間に接続できることを理解すべきである。また、弁(図示せず)をHP入口14に設けることができる。図2に示すように、蒸気弁30は、HRSG10に流体的に接続された入口部分42と、IPタービン部分6に流体的に接続された出口部分44とを含む弁体40を含む。弁体40はまた、バランス室50を囲む第1の内壁48を有する第1の内側部分46を含む。バランス室50は、410型ステンレス鋼、416型ステンレス鋼、コストE、コストB及び/又は12クロムなどの約10%〜16%のクロム含有量を有する高合金ステンレス鋼から形成することができ、第2の内壁54を有する第2の内側部分52を含む。第1の弁部材58は、バランス室50内に移動可能に配設される。第1の弁部材58は、制御弁ディスク又はインターセプト弁ディスクの形態をとることができ、第1の弁軸60に動作可能に接続される。第1の弁軸60は、蒸気弁30の上部分(別個には参照符号を付さず)に配設することができるアクチュエータ(図示せず)に接続される。
第1の弁部材58は、第1の内面部62を有する第1の部分61と、第2の内面部64を有する反対側の第2の部分63と、外面65とを含む。第1の部分61は、第2の部分63から壁67によって分離される。壁67は、以下により完全に詳述するように、第1の弁軸60に動作可能に接続される。第1の弁部材58は、410型ステンレス鋼、416型ステンレス鋼、コストE、コストB及び/又は12クロムなどの約10%〜16%のクロム含有量を有する高合金ステンレス鋼から形成され、第1の位置、すなわち閉弁位置と、第2の位置、すなわち開弁位置との間で移動可能である。閉弁位置では、第1の弁部材58が、入口部分42における第1の内側部分46に形成された弁座68に着座する。開弁位置では、蒸気が入口部分42から出口部分44へ自由に流れることができる。図示の例示的な実施形態では、第1の弁部材58は、外面65に取り付けられたシール要素70を含む。シール要素70は、外面65に形成された凹部72(図3)内に取り付けられ、第1の弁部材58の周りに延在する。支持要素73は、凹部72内にシール部材70を保持し、分割リング74は、支持要素73を第1の弁部材58に固定する。シール要素70は、Inoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金から形成される。
止め弁の形態で示す第2の弁部材75は、弁座68における第1の弁部材58内に配設される。第2の弁部材75は、第2の弁軸76に動作可能に接続され、第1の弁部材58が完全に閉弁することに失敗した場合に、蒸気弁30を通って流れるすべての蒸気流を停止するように選択的に閉弁される。蒸気弁30はまた、バランス室50の周りに配置されたストレーナ78を含むように示されている。バランス室50内の蒸気は、上流側弁部材58、75と下流側出口部分44との間のより小さな圧力差を達成するために選択的に排出される。蒸気の排出によって、第1の弁軸60及び第2の弁軸76のそれぞれにかかるより小さな液圧力で、第1の弁部材58及び第2の弁部材75を開弁位置に移動させることができる。弁30の開閉を更に容易にするために、第1の弁部材58の外面65と第2の内壁54と間に隙間又は間隙84(図3)が存在する。
間隙84は、排出された蒸気に置き換わる可能性のある蒸気漏れを抑制すると同時に、第1の弁部材58の動作を容易にするような大きさとされる。蒸気弁30の動作寿命にわたって間隙84を所定の寸法に維持することが望ましい。よって、以下に詳述するように、蒸気弁30の正常な動作を確実にするために境界を成す構成要素における酸化成長を抑制することが望ましい。
更に例示的な実施形態によれば、蒸気弁30は、第2の内壁54に取り付けられたニッケル−クロム系シール組立体100を含む。ニッケル−クロム系シール組立体100は、間隙84に渡されて、入口部分42から出口部分44への蒸気漏れを抑制する。例示的な実施形態の態様によれば、ニッケル−クロム系シール組立体100は、第2の内壁54によって支持されたフローティングシール104を含む。フローティングシール104は、第1の弁部材58全体にわたる蒸気漏れを低減する。フローティングシール104は、環状リングの形態の複数のシール部材106として形成することができる。各シール部材106は、Inoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金から形成される。この時点では、各シール部材106は、環状のものとして説明されているが、第2の内壁54に設置し易くするための割れ目を有し得ることを理解すべきである。代替的に、各シール部材106は、1以上のシール部から形成することができる。また、シール組立体100が、取り付けを容易にするための割れ目を含んでも含まなくてもよい単一部品の環状リングを含み得ることを理解すべきである。更に、各シール部材106は、シール要素70との境界面を提供する複数の波形部110を含む。
図示の例示的な実施形態では、シール部材106は、第1のシール支持体116と第2のシール支持体118との間に配設される。第1のシール支持体116は、第2の内壁54に形成された第1の凹部120内に拘束される。同じように、第2のシール支持体118は、第2の内壁54に形成された第2の凹部122内に拘束される。シール部材106は、第1のシール支持体116と第2のシール支持体118との間に配設された第3の凹部125内に配設される。第1のシール支持体116及び第2のシール支持体118を凹部120及び122内に拘束することによって、酸化成長に関連する隙間の問題が軽減される。つまり、動作時に生じ得る酸化成長は、第1及び第2のシール支持体116、118とシール部材106との間の隙間にほとんど影響を及ぼさない。
第1のシール支持体116は、第1の複数の機械的締結具128によって第2の内壁54に固定される。同様に、第2のシール支持体118は、第2の複数の機械的締結具130によって第2の内壁54に固定される。第1のシール支持体116及び第2のシール支持体118は、第1の分割リング134及び第2の分割リング136の形態をとる。間隙140は、第1の分割リング134とシール部材106との間に存在する。間隙140は、熱成長及び/又は酸化成長の影響に対応する。加えて、間隙145は、シール組立体100とバランス室50との間に存在し得る。間隙145は、凹部125内でのシール組立体100の膨張に対応することができる。例示的な実施形態の態様によれば、第1の分割リング134及び第2の分割リング136は、Inoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金から形成される。ニッケル−クロム系超合金を使用することによって、シール組立体100がバランス室50及び第1の弁部材58の熱膨張に対応できるようになる。更に、シール組立体100を第2の内壁54に取り付けることによって、バランス室50を410型ステンレス鋼、416型ステンレス鋼、コストE、コストB及び/又は12クロムなどの約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成することができる。ニッケル基超合金以外の材料からバランス室50を形成することによって、蒸気弁30の製造及びメンテナンスのコストが大幅に削減される。ニッケル−クロム系シール組立体100はまた、非フローティングシールの形態及び/又は単一のシール部材から形成されたシールの形態をとることができることを理解すべきである。
また、シール要素70及びシール組立体100を形成するためにニッケル−クロム系超合金を使用することによって、蒸気弁30がより高温の蒸気流に対応できるようになることを理解すべきである。具体的には、シール組立体100と第1の弁部材58との間でのニッケル−クロム系超合金同士の接触は、外面65と第2の内壁54との間の隙間が、どんな動作温度及び動作圧力においても実質的に変わらないままであるように、かつ更に、この隙間によって、蒸気弁30が1150°F(621.1℃)以上の蒸気温度に対応できるように、シール要素70とフローティングシール104との間の酸化成長の抑制を促進する。その上、ニッケル−クロム系超合金製のシール要素70を外面65に取り付けることによって、第1の弁部材58が、より高温の蒸気流に対応すると同時に、約10%から16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成されることが可能となる。蒸気弁30全体をニッケル−クロム系超合金又はInoco(登録商標)系材料から形成するのに比べて、第1の弁部材58を形成するために約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼を使用することは、弁30のコストの大幅な削減及びサイクル時間の大幅な短縮につながる。
更に例示的な実施形態によれば、第1の弁部材58の第1の部分61と第2の部分63を分割する壁67は、第1の面150と、反対側の第2の面152とを含む。第1の面150は第1の凹部分154を含み、第2の面152は第2の凹部分155を含む。壁67は、第1の凹部分154において第1の面150に取り付けられた第1の補強部材156を含む。壁67はまた、第2の凹部分155において第2の面152に取り付けられた第2の補強部材158を含む。例示的な実施形態の態様によれば、各補強部材156及び158は、Inoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金から形成される。複数の機械的締結具(それらの2つが164及び166で示されている)は、壁67を介して補強部材156を第2の補強部材158に結合する。更に例示的な実施形態によれば、第1の弁軸60は、第1の補強部材156を受ける凹部170を含む。この構成において、第1の補強部材156及び第2の補強部材158は、第1の弁部材58を410型ステンレス鋼、416型ステンレス鋼、コストE、コストB及び/又は12クロムなどの約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成できるように、壁67を支持する。
Inoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金から補強部材156及び158を形成することによって、例えば1150°F(621℃)を超える高温で弁30が動作することが可能となる。更に、Inoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金から補強部材156及び158を形成することによって、全蒸気圧に抗しての第1の弁部材58の開弁時に機械的締結具166がより高い剪断応力に耐えることが可能となる。また、第1の補強部材156を形成するためにInoco(登録商標)などのニッケル−クロム系超合金を使用することによって、締結具164及び166にかかる曲げ応力を低減するために補強部材158と適合する材料、ひいては熱膨張係数が与えられる。
本発明について限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明が、そのような開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで説明していないが、本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形形態、変更形態、置換形態、又は同等の構成を組み込むように修正することができる。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態のいくつかのみを含み得ることを理解されたい。よって、本発明は、前述の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
2 蒸気ターボ機械システム
4 高圧(HP)タービン部分
6 中圧(IP)タービン部分
8 低圧(LP)タービン部分
10 排熱回収ボイラ(HRSG)
12 シャフト
14 HP入口
16 HP出口
17 IP入口
18 IP出口
20 LP入口
21 LP出口
24 機械的負荷
30 蒸気弁
40 弁体
42 入口部分
44 出口部分
46 第1の内側部分
48 第1の内壁
50 バランス室
52 第2の内側部分
54 第2の内壁
58 第1の弁部材
60 第1の弁軸
61 第1の部分
62 第1の内面部
63 反対側の第2の部分
64 第2の内面部
65 外面
67 壁
68 弁座
70 シール要素、シール部材
72 凹部
73 支持要素
74 分割リング
75 第2の弁部材
76 第2の弁軸
78 ストレーナ
84 間隙
100 シール組立体
104 フローティングシール
106 複数の環状シール部材
110 複数の波形部
116 第1のシール支持体
118 第2のシール支持体
120 第1の凹部
122 第2の凹部
125 第3の凹部
128 第1の複数の機械的締結具
130 第2の複数の機械的締結具
134 第1の分割リング
136 第2の分割リング
140 間隙
145 間隙
150 第1の面
152 反対側の第2の面
154 第1の凹部分
155 第2の凹部分
156 第1の補強部材
158 第2の補強部材
164 複数の機械的締結具
166 複数の機械的締結具
170 凹部

Claims (13)

  1. 蒸気ターボ機械用弁であって、
    入口部分(42)と出口部分(44)と内側部分とを含む弁体(40)であって、内側部分が内壁を含む弁体(40)と、
    弁体(40)の内側部分に摺動自在に配置された弁部材であって、外面(65)を含む弁部材と、
    弁部材の外面(65)に取り付けられ、かつ弁部材の外面(65)の周りに延在するシール要素(70)であって、内壁からある間隙をもって離間しているシール要素(70)と、
    内壁に取り付けられたシール組立体(100)であって、間隙にまたがって弁部材のシール要素(70)と接するように構成及び配置されるシール組立体(100)と、
    を備え、
    シール組立体(100)が、フローティングシール(104)と、第1のシール支持体(116)と、第2のシール支持体(118)とを備え、フローティングシール(104)が、第1のシール支持体(116)と第2のシール支持体(118)との間に配設され、
    第1のシール支持体(116)及び第2のシール支持体(118)の各々が、内壁内に延在し、かつ内壁によって拘束される、
    蒸気ターボ機械用弁。
  2. シール組立体(100)が、複数のシール部材を有するフローティングシール(104)を備える、請求項1に記載の蒸気ターボ機械用弁。
  3. シール組立体(100)が、ニッケル−クロム系超合金から形成される、請求項1に記載の蒸気ターボ機械用弁。
  4. 弁部材が、約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成され、シール要素(70)が、ニッケル−クロム系超合金から形成される、請求項3に記載の蒸気ターボ機械用弁。
  5. 蒸気ターボ機械であって、
    高圧(HP)タービン部分(4)と、
    HPタービン部分(4)に動作可能に接続された中圧(IP)タービン部分(6)と、
    HPタービン部分(4)及びIPタービン部分(6)のうちの少なくとも1つに動作可能に接続された低圧(LP)タービン部分(8)と、
    HPタービン部分(4)、IPタービン部分(6)、及びLPタービン部分(8)のうちの少なくとも1つに流体的に接続された、請求項1に記載の蒸気ターボ機械用弁と、
    を備える、蒸気ターボ機械。
  6. フローティングシール(104)が、複数のシール部材を備える、請求項5に記載の蒸気ターボ機械。
  7. 弁部材が、約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成され、シール要素(70)の各々が、ニッケル−クロム系超合金から形成される、請求項5に記載の蒸気ターボ機械。
  8. 弁部材が、約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成され、弁部材が、第1の面(150)と反対側の第2の面(152)とを有する壁を介して第2の内側部分から分離された第1の内側部分を有し、
    弁部材に動作可能に接続された弁軸と、壁の第1の面(150)及び第2の面(152)のうちの1つに取り付けられた1以上のニッケル−クロム系超合金の補強部材とを更に備え、
    弁軸が1以上のニッケル−クロム系超合金の補強部材に動作可能に接続される、
    請求項5に記載の蒸気ターボ機械。
  9. 蒸気ターボ機械用弁であって、
    入口部分(42)と出口部分(44)と内側部分とを含む弁体(40)であって、内側部分が内壁を含む弁体(40)と、
    弁体(40)の内側部分に摺動自在に配置された弁部材であって、外面(65)を含む弁部材と、
    弁部材の外面(65)に取り付けられ、かつ弁部材の外面(65)の周りに延在するシール要素(70)であって、内壁からある間隙をもって離間しているシール要素(70)と、
    内壁に取り付けられたシール組立体(100)であって、間隙にまたがって弁部材のシール要素(70)と接するように構成及び配置されるシール組立体(100)と、
    を備え、
    弁部材が、第1の面(150)と反対側の第2の面(152)とを有する壁を介して第2の内側部分から分離された第1の内側部分を有し、
    壁の第1の面(150)及び第2の面(152)のうちの1つに取り付けられた1以上の補強部材を更に備え、
    1以上の補強部材が、壁の第1の面(150)に取り付けられた第1の補強部材(156)と、壁の第2の面(152)に取り付けられた第2の補強部材とを含み、第1の補強部材(156)及び第2の補強部材(158)の各々が、ニッケル−クロム系超合金から形成される、
    蒸気ターボ機械用弁。
  10. シール組立体(100)が、複数のシール部材を有するフローティングシール(104)を備える、請求項9に記載の蒸気ターボ機械用弁。
  11. シール組立体(100)が、ニッケル−クロム系超合金から形成される、請求項9に記載の蒸気ターボ機械用弁。
  12. 弁部材が、約10%〜16%のクロム含有量を含む高合金ステンレス鋼から形成され、シール要素(70)が、ニッケル−クロム系超合金から形成される、請求項11に記載の蒸気ターボ機械用弁。
  13. 蒸気ターボ機械であって、
    高圧(HP)タービン部分(4)と、
    HPタービン部分(4)に動作可能に接続された中圧(IP)タービン部分(6)と、
    HPタービン部分(4)及びIPタービン部分(6)のうちの少なくとも1つに動作可能に接続された低圧(LP)タービン部分(8)と、
    HPタービン部分(4)、IPタービン部分(6)、及びLPタービン部分(8)のうちの少なくとも1つに流体的に接続された、請求項9から12のいずれかに記載の蒸気ターボ機械用弁と、
    を備える、蒸気ターボ機械。
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