KR20160045849A - 증기 가감 밸브 장치 및 발전 설비 - Google Patents

증기 가감 밸브 장치 및 발전 설비 Download PDF

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Abstract

부품 수를 적게 한 간단한 구조에 의해, 미소 개방도로부터 중간 개방도 부근에 있어서 소음이나 진동의 발생을 방지할 수 있고, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에 있어서 압력 손실을 저감해서 증기터빈의 효율을 향상시킬 수 있는 것. 증기 가감 밸브 장치에 있어서, 증기가 공급되는 밸브실(31)이 형성된 밸브 본체(30)와, 이 밸브 본체(30)에 마련되며 밸브실(31)을 향하는 위치에 구형 곡면이 형성된 밸브 시트(32)와, 밸브실(31)에 수용되며 구형 곡면이 형성된 밸브체(34)와, 이 밸브체(34)에 대하여 상류측에 마련되며 밸브 시트(32) 및 밸브체(34)의 각각의 구형 곡면이 접리하도록 구동해서 밸브 개방도를 설정하는 밸브봉(33)을 구비하고, 밸브체(34)의 바닥부는, 그 중앙 위치로부터 밸브 시트(32) 측으로 돌출한 돌기부(35)와, 이 돌기부(35)의 주위에 요함부(37)가 형성되도록 가장자리변에 형성된 에지(36)를 갖고 있다.

Description

증기 가감 밸브 장치 및 발전 설비{GOVERNING VALVE DEVICE AND POWER GENERATING EQUIPMENT}
본 발명의 실시형태는, 증기터빈에 유입되는 증기의 양을 제어하는 증기 가감 밸브 장치, 및 이 증기 가감 밸브 장치를 구비한 발전 설비에 관한 것이다.
일반적으로, 화력발전소나 원자력발전소 등의 발전 설비에 적용되는 증기터빈에는, 부하 변화에 따른 증기 유량 제어나 긴급시의 증기 공급 차단을 위하여, 증기터빈의 상류측에는 증기 가감 밸브 장치가 설치되어 있다. 고압 터빈의 상류에 설치되는 증기 가감 밸브 장치는, 주증기 스톱 밸브와 직렬로 배치된다.
도 14는 증기터빈에 사용되고 있는 종래의 증기 가감 밸브 장치의 설명도이다. 이 도 14에는, 증기터빈의 비상시 등에 증기터빈에 유입되는 증기를 순간적으로 중지시키는 주증기 스톱 밸브(110)와, 증기 유량을 제어하기 위한 증기 가감 밸브(120)가 나타나 있다. 증기 가감 밸브(120)의 밸브 본체(121)는, 그 측방부가 주증기 스톱 밸브(110)와 연통해서 연결되어 있고, 밸브 본체(121)의 상단부에 상부 덮개(122)를 가지며, 밸브 본체(121)의 내방부에 융기(隆起) 형상을 하는 밸브 시트(123)가 마련되어져, 이 밸브 시트(123)에 맞닿는 밸브체(124)에 결합된 밸브봉(125)이, 상부 덮개(122)를 관통해서 기름통(127)에 연결되어 있다.
도면에 나타나 있지 않은 보일러 등으로부터의 증기류는, 주증기 스톱 밸브(110)에 화살표 I와 같이 유입되고, 증기 가감 밸브(120)로부터 화살표 O와 같이 유출된다. 증기 가감 밸브(120)의 기름통(127)에 유압이 작용하면, 밸브봉(125)을 통해서 밸브체(124)가 상하 이동하여 증기 가감 밸브(120)는 개폐 동작을 하고, 이 개폐 동작에 의해 증기 유량이 제어되어, 도시되지 않은 증기터빈으로 증기가 흐른다. 또, 증기 가감 밸브(120)의 기름통(127)에는, 피스톤(126)과 폐쇄용 스프링(129)이 조립되어 있으며, 이 피스톤(126)의 하부에 급배유구(128)가 설치되어 있다. 이 급배유구(128)에는, 서보밸브나 덤프밸브 등의 유압기기가 접속되지만, 도 14에서는 도시를 생략하고 있다.
한편, 주증기 스톱 밸브(110)도 증기 가감 밸브(120)와 마찬가지로 구성되며, 밸브 본체(111)의 상단부에 상부 덮개(112)를 갖고, 밸브 본체(111)의 내포부에 융기 형상을 하는 밸브 시트(114)가 마련되어져, 이 밸브 시트(114)에 맞닿는 밸브체(115)가, 밸브봉(116)을 통해 기름통(117)에 연결되어 있다. 이 기름통(117)에 유압이 작용하면, 밸브봉(116)을 통해서 밸브체(115)가 상하 이동하여 주증기 스톱 밸브(110)는 개폐 동작을 하며, 이 개폐 동작에 의해 증기의 공급, 차단이 실시된다. 한편, 도 14 중의 부호 113은 스트레이너를 나타낸다.
일반적으로, 발전 설비용 증기터빈에 사용되는 증기 가감 밸브 장치, 특히 증기 가감 밸브(120)에 있어서는, 소음, 진동, 이로전(erosion) 혹은 재료열화 등의 부적합한 사례가 알려져 있다. 이러한 증기 가감 밸브(120)는, 밸브체(124) 및 밸브 시트(123)를 구비한 밸브실에 있어서 밸브체(124)를 이동시키는 것에 의하여, 밸브체(124)와 밸브 시트(123) 사이의 스로틀 기능에 의해 증기 유량을 제어하도록 구성되어 있다. 상기의 소음이나 진동은, 밸브체(124) 둘레 흐름의 난류나 불안정한 흐름 등에 유발되어서 발생하는 것으로 생각된다(예를 들면 특허문헌 1 참조).
최근에는, 발전 설비의 증기 조건의 상승(초임계압력 플랜트)이나 증기터빈의 단기(單機) 용량의 증가에 따라, 더 큰 개선이 행해진 개량 기술이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 2, 3 참조).
상기의 특허문헌 1, 2에 있어서의 증기 가감 밸브(120)는, 도 15 및 도 16에 나타나 있는 바와 같이, 구형 곡면으로 형성되며, 가장자리변에 에지(131)를 구비한 요함부(凹陷部)(130)를 가진 밸브체(124)와, 이 밸브체(124)가 접촉하는 위치로부터 하류측을 향해 점차적으로 확구(擴口)하도록 구형 곡면을 갖는 밸브 시트(123)를 구비하고, 이들 밸브체(124)와 밸브 시트(123)의 구형 곡면끼리가 접촉하도록 구성되어 있다. 따라서, 이 증기 가감 밸브(120)에서는, 밸브체(124)의 바닥부측에, 가장자리변에 에지(131)를 구비한 요함부(130)가 마련되어진 것으로부터, 도 17의 (A)에 나타나 있는 바와 같이 미소 개방도(微小開度)로부터 중간 개방도(中間開度) 부근에 있어서, 밸브체(124)를 따르는 증기의 흐름이 이 밸브체(124)의 에지(131)로 박리되어서, 밸브 시트(123)를 따르는 안정한 흐름이 되고, 이에 따라 소음이나 진동의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 특허문헌 3에 있어서의 증기 가감 밸브는, 밸브 본체의 요함부 내에 플로우 가이드가 마련되며, 이 플로우 가이드가 밸브 본체측에 장착된 것이다.
특허문헌 1: 일본국 특개소56-109955호 공보 특허문헌 2: 일본국 특개2006-63957호 공보 특허문헌 3: 일본국 특개2008-175267호 공보
그러나, 특허문헌 1, 2에 있어서의 증기 가감 밸브(120)의 밸브체(124)는, 가장자리변에 에지(131)를 구비한 요함부(130)를 갖는 형상이며, 밸브체(124)가 개방되기 시작하고 나서 중간 개방도 부근의 영역에서는, 본래의 기능인 소음·진동의 방지에 유효하지만, 도 17의 (B)에 나타나 있는 바와 같이 밸브 개방도 완전 개방 상태 또는 그 근방 등의 고(高) 밸브 개방도 상태에 있어서는, 밸브체(124)의 바로 아래가 데드 스페이스(dead space)가 되며, 도 17의 (B)의 화살표로 나타나 있는 바와 같이 이 데드 스페이스 내에 소용돌이(132)가 발생해서 압력 손실이 생기게 된다.
그런데, 최근의 증기터빈에서는, 발전 사업주들에 의한 시장의 요구로서 성능 향상(효율 향상)이 강하게 요청되고 있다. 이 증기터빈의 효율의 내역으로서는, 증기터빈 그 자체의 내부 효율의 향상도 중요하지만, 증기터빈의 입구에 설치된 증기 가감 밸브(120) 등에 있어서의 상기의 압력 손실의 저감도 매우 중요하다. 즉, 증기 가감 밸브(120) 등에 생기는 압력 손실은, 열역학적으로 유효한 일을 하기 전의 증기터빈 입구의 증기압력을 저하시키는 것을 의미하며, 결과적으로, 증기터빈의 효율에 큰 영향(효율 저하)을 주는 것으로 되어 있다. 이 때문에, 증기 가감 밸브(120)에서는, 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 압력 손실을 어떻게 저감할 것인지가 오랜 세월의 현안이었다.
특허문헌 3에 있어서의 증기 가감 밸브는, 고 밸브 개방도 상태에서의 밸브체의 바로 아래의 데드 스페이스를 플로우 가이드에 의해 해소해서 소용돌이(132)의 발생을 억제하고, 압력 손실을 저감하는 것이지만, 이 플로우 가이드가 밸브체와는 별개이기 때문에 부품 수가 증대하고, 장치 구성의 번잡화를 면치 못한다.
본 발명에 있어서의 실시형태의 목적은, 전술한 사정을 고려해서 이루어진 것으로서, 부품 수를 적게 한 간단한 구조에 의해, 미소 개방도로부터 중간 개방도 부근에 있어서 소음이나 진동의 발생을 방지할 수 있고, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에 있어서 압력 손실을 저감해서 증기터빈의 효율을 향상시킬 수 있는 증기 가감 밸브 장치, 및 이 증기 가감 밸브 장치를 구비한 발전 설비를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실시형태에 있어서의 증기 가감 밸브 장치는, 증기가 공급되는 밸브실이 형성된 밸브 본체와, 상기 밸브 본체에 마련되며 상기 밸브실을 향하는 위치에 구형(球形) 곡면이 형성된 밸브 시트와, 상기 밸브실에 수용되며 구형 곡면이 형성된 밸브체와, 상기 밸브체에 대하여 상류측에 마련되며 상기 밸브 시트 및 상기 밸브체의 각각의 상기 구형 곡면이 접리(接離)하도록 구동해서 밸브 개방도를 설정하는 밸브봉을 구비하는 증기 가감 밸브 장치에 있어서, 상기 밸브체의 바닥부는, 그 중앙 위치로부터 상기 밸브 시트측으로 돌출한 돌기부와, 상기 돌기부의 주위에 요함부(凹陷部)가 형성되도록 가장자리변(緣邊)에 형성된 에지를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서의 발전 설비는, 상기 본 발명의 실시형태의 증기 가감 밸브 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
전술한 바와 같이 설명한 실시형태에 의하면, 부품 수를 적게 한 간단한 구조에 의해, 미소 개방도로부터 중간 개방도 부근에 있어서 소음이나 진동의 발생을 방지할 수 있고, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에 있어서 압력 손실을 저감해서 증기터빈의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 증기 가감 밸브 장치인 증기 가감 밸브를 장착한 발전 설비를 나타내는 계통도.
도 2는 도 1의 증기 가감 밸브에 있어서의 완전 폐쇄 개방도 상태를 나타내는 단면도.
도 3은 도 1의 증기 가감 밸브에 있어서의 미소 개방도 상태를 나타내는 단면도.
도 4는 도 1의 증기 가감 밸브에 있어서의 완전 개방 개방도 상태를 나타내는 단면도.
도 5의 (A)는 도 2 내지 도 4의 증기 가감 밸브가 미소 개방도 상태에 있어서의 증기의 흐름 상태의 설명도, (B)는 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기의 흐름 상태의 설명도.
도 6은 도 4에 나타내는 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기 통로부의 유로 면적을 구하기 위한 설명도.
도 7은 도 4에 나타내는 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기 통로부의 유로 면적을 구하기 위한 설명도.
도 8은 도 4에 나타내는 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기 통로부의 유로 면적을 구하기 위한 설명도.
도 9는 도 2 내지 도 4에 나타내는 증기 가감 밸브에 있어서의 유로 면적의 변화 특성을 나타내는 그래프.
도 10은 도 2 내지 도 4에 나타내는 증기 가감 밸브에 있어서의 각 부재의 치수를 나타내는 개략 단면도.
도 11은 도 2 내지 도 4에 나타내는 증기 가감 밸브에 있어서의 돌기부의 근원 직경 Da 및 각도 THa와 압력 손실의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는 도 2 내지 도 4에 나타내는 증기 가감 밸브에 있어서의 돌기부의 각도 THa와 압력 손실의 관계를 나타내는 그래프.
도 13의 (A)는 도 2 내지 도 4에 나타내는 증기 가감 밸브에 있어서의 돌기부의 각도가 THa=40°일 때의 증기의 흐름 상태를 나타내는 설명도, (B)는 THa=44°일 때의 증기의 흐름 상태를 나타내는 설명도, (C)는 THa=60°일 때의 증기의 흐름 상태를 나타내는 설명도.
도 14는 종래의 증기 가감 밸브 장치를 나타내는 단면도.
도 15는 도 14의 증기 가감 밸브에 있어서의 완전 폐쇄 개방도 상태를 나타내는 단면도.
도 16은 도 14의 증기 가감 밸브에 있어서의 완전 개방 개방도 상태를 나타내는 단면도.
도 17의 (A)는 도 14의 증기 가감 밸브가 미소 개방도 상태에 있어서의 증기의 흐름 상태의 설명도, (B)는 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기의 흐름 상태의 설명도.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면에 의거하여 설명한다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 증기 가감 밸브 장치인 증기 가감 밸브를 장착한 발전 설비를 나타내는 계통도이다. 또한, 도 2, 도 3, 도 4는, 도 1의 증기 가감 밸브에 있어서의 완전 폐쇄 개방도 상태, 미소 개방도 상태, 완전 개방 개방도 상태를 각각 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타내는 발전 설비(10)에서는, 보일러(11)의 증기는, 주증기 스톱 밸브(12), 증기 가감 밸브(13)를 통과하고 고압 터빈(14)에서 팽창하여 일을 한 후, 체크 밸브(15)를 경유해서 다시 보일러(11)의 재열기에서 가열되며, 재열 증기 스톱 밸브(16), 인터셉트 밸브(17)를 지나 중압 터빈(18), 저압 터빈(19)에 순차적으로 유입되어 팽창해서 일을 한다. 증기는, 저압 터빈(19)에서 일을 한 후, 복수기(復水器)(20)에서 물로 되돌려지며, 급수 펌프(21)에서 승압(昇壓)되어서 다시 보일러(11)로 공급되어 순환한다.
또한, 발전 설비(10)의 운용 효율을 높이기 위해, 발전 설비(10)에 따라서는, 고압 터빈 바이패스 관(22)이나 저압 터빈 바이패스 관(23)이 설치되어서, 터빈(14, 18, 19)의 운전 상태에 관계없이 보일러(11)를 운전할 수 있게 되어 있다. 고압 터빈 바이패스 관(22)은, 보일러(11)의 출구측에서 분기되어 보일러(11)의 재열기의 입구측에 접속되며, 고압 터빈 바이패스 밸브(24)를 구비한다. 또한, 저압 터빈 바이패스 관(23)은, 보일러(11)의 재열기의 출구측에서 분기되어 복수기(20)의 입구측에 접속되며, 저압 터빈 바이패스 밸브(25)를 구비한다.
상기의 발전 설비(10)에 장착된 증기 가감 밸브 장치로서의 증기 가감 밸브(13)는, 도 2 내지 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 증기가 공급되는 밸브실(31)이 형성된 밸브 본체(30)와, 이 밸브 본체(30)에 마련되며 밸브실(31)을 향하는 위치에 구형 곡면이 형성된 밸브 시트(32)와, 밸브실(31)에 수용되며 구형 곡면이 형성된 밸브체(34)와, 이 밸브체(34)에 대하여 상류측에 마련되며 밸브 시트(32) 및 밸브체(34)의 각각의 구형 곡면이 접리(接離)하도록 구동해서 밸브 개방도를 설정하는 밸브봉(33)을 구비하고 있다. 그리고, 밸브체(34)의 바닥부는, 그 중앙 위치로부터 밸브 시트(32) 측으로 돌출한 돌기부(35)와, 이 돌기부(35)의 주위에 요함부(37)가 형성되도록 가장자리변에 형성된 에지(36)를 갖고 있다. 이들 밸브 본체(30)의 내면, 밸브 시트(32), 밸브체(34) 및 후술의 가이드 통(39)에 의해, 밸브 개방도를 완전 개방으로 설정한 상태(이하, 「완전 개방 개방도」라고 함) 또는 그 근방의 상태에서 증기 통로부(38)가 형성된다.
즉, 밸브 본체(30)의 상단부에 상부 덮개(29)를 구비하며, 밸브 본체(30)의 내부에 밸브 시트(32)가 마련된다. 이 밸브 시트(32)에 접촉하는 밸브체(34)에는 밸브봉(33)이 결합되며, 이 밸브봉(33)이 상부 덮개(29)를 관통하여, 도시되지 않은 기름통에 연결되어 있다. 이 기름통에 유압이 작용하면, 밸브봉(33)을 통해서 밸브체(34)는 도 2 내지 도 4에 있어서 상하 이동한다. 상부 덮개(29)에는, 밸브체(34)의 상하 이동을 안내하는 가이드 통(39)이 형성되며, 이 가이드 통(39) 내를 밸브체(34)가 상하 이동한다. 한편, 상부 덮개(29)에 있어서의 밸브봉(33)의 관통부는, 밸브봉(33)의 슬라이딩 면이 되는 것으로부터 부시가 조립되어 있지만, 본 실시형태에서는 도시를 생략하고 있다.
밸브체(34)의 바닥부에, 가장자리변에 에지(36)를 구비한 요함부(37)가 마련된 것에 의해, 도 5의 (A)에 나타나 있는 바와 같이, 증기 가감 밸브(13)의 미소 개방도에 있어서, 밸브체(34)를 따르는 증기의 흐름이 이 밸브체(34)의 에지(36)에 의해 박리되어서, 밸브 시트(32)를 따르는 안정한 흐름이 되므로, 소음이나 진동의 발생이 방지된다. 이 때의 증기의 흐름은, 도 5의 (A)에 화살표 A로 나타나 있는 바와 같이, 전술한 바와 같이 밸브 시트(32)의 내주면을 따르는 부착류(付着流)가 되어 있으므로, 밸브체(34)의 돌기부(35)를 따른 흐름은 존재하지 않는다.
도 2 내지 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 밸브체(34)의 바닥부 중앙 위치에 마련되어지는 돌기부(35)는, 밸브체(34)와 일체적으로 형성된다. 이 돌기부(35)는, 하류의 밸브 시트(32) 측을 향해서 중앙부가 볼록 형상으로 돌출하며, 후술과 같이 설정되는 근원부의 직경 Da와 각도 THa에 의해 정의된다. 또한, 돌기부(35)의 최선단(最先端)은, 조립시의 안전성 등을 고려해서 대략 반구형(半球形) 형상으로 형성되어 있다.
완전 개방 개방도 또는 그 근방에서의 증기 통로부(38)의 유로 면적이, 밸브 시트(32)보다 상류측의 원환형(円環形) 형상 부분(38A)에서는 하류의 밸브 시트(32) 측의 원형 형상 부분(38B)에 비해서 약간 크며, 더군다나 전술한 바와 같이, 밸브체(34)의 바닥부에 돌기부(35)가 형성됨으로써 밸브체(34)의 바닥부에서의 휘말림 흐름이 소멸하기 때문에, 도 5의 (B)의 화살표 B에 나타나 있는 바와 같이, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에 있어서 증기가 흐르기 쉬워진다.
완전 개방 개방도 또는 그 근방에서의 증기 통로부(38)는, 전술한 바와 같이 밸브 본체(30)의 내면, 밸브 시트(32), 밸브체(34) 및 가이드 통(39)에 의해서 형성된다. 그리고, 이 증기 통로부(38)의 유로 면적은, 밸브 본체(30)의 내주면과 가이드 통(39)으로 구성되는 상류측의 원환형 형상 부분(38A)으로부터, 밸브 시트(32)로 구성되는 하류측의 원형 형상 부분(38B)을 향해서 점차 감소하여, 최종적으로 밸브 시트(32)의 개구 면적(밸브 시트(32)의 내경에 의해 규정되는 면적)에 이르기까지, 극단적인 변화가 없이, 연속해서 스무스하게 변화되도록 구성된다. 이에 따라, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에 있어서, 이 증기 통로부(38)를 흐르는 증기는, 도 5의 (B)의 화살표 B에 나타나 있는 바와 같이, 밸브체(34)의 바닥부 부근에서 소용돌이를 생기게 하지 않아 순조롭게 흐르므로, 압력 손실이 억제된다.
더 상세히 설명하면, 이 증기 통로부(38)의 유로 면적은, 상류의 가이드 통(39)과 밸브 본체(30)의 내주면 측으로부터 하류의 밸브 시트(32) 측을 향해서 점차 감소하여, 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분이 최소가 되도록 설정되고, 그 후 약간 증가하면서, 최종적으로는 밸브 시트(32)의 내경으로 규정되는 면적에 이르게 되어 있다. 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분에 최소의 유로 면적이 존재하는 것은, 증기 가감 밸브(13)가 이 부분에서 증기의 유량을 제어하기 때문이다.
여기에서, 도 6 내지 도 8을 이용하여, 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)의 유로 면적의 구하는 방법을 설명한다.
우선, 이 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)의 입구부(42)의 유로 면적은, 밸브체(34)의 에지(36)의 에지끝점(40)과 밸브 시트(32)의 입구끝점(41)으로 구성된 원환형 형상의 면적이다. 또한, 이 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)의 출구부(43)의 유로 면적은, 밸브 시트(32)의 내경 Dth(후술)에 의해 규정되는 원형 형상의 면적이다.
다음으로, 이 증기 통로부(38)의 입구부(42)로부터 출구부(43)까지의 도중의 유로 면적을, 기하학적으로 구한다. 입구부(42)로부터 출구부(43)에 걸쳐서 유로 면적을 2분하는 곡선(44)을 구하고, 그 곡선(44)에 대하여 수직선(예를 들면 수직선(45))을 작성하고, 이 수직선과 밸브체(34)의 교점(예를 들면 교점(46)), 수직선과 밸브 시트(32)의 교점(예를 들면 교점(47))을 구한다. 이들의 교점을 밸브 중심선 P에 대하여 회전시키면, 원뿔대(예를 들면 원뿔대(48))가 작성된다.
즉, 이 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)에서는, 흐름 방향을 따라 무수한 원뿔대(48)가 연속해서 가상(假想)된다. 이들의 원뿔대(48)(도 7 참조)의 상부 바닥면(49)과 하부 바닥면(50)의 면적을 제외한 측면(51)의 면적(측면적)이, 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)의 각 원뿔대(48) 위치에서의 유로 면적이 된다. 원뿔대(48)에 있어서의 하부 바닥면(50)의 반경을 R1, 상부 바닥면(49)의 반경을 R2, 높이를 h라고 하면, 각 원뿔대(48)의 측면적은,
원뿔대의 측면적=π×(R1+R2)×{h2+(R1-R2)2}1 / 2이 된다.
또한, 이 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)에 있어서의 밸브체(34)의 돌기부(35)의 하류측에서는, 원뿔대가 아니라 복수의 원뿔(53)이 가상된다. 이 원뿔(53)의 측면(55)의 면적(예를 들면 측면적)이, 이 증기 통로부(38)의 각 원뿔(53) 위치에 있어서의 유로 면적이다. 이 원뿔(53)(도 8 참조)의 바닥면(54)의 반경을 R0, 높이를 h0라고 하면, 원뿔(53)의 측면적은 하기 식에 의해 구해진다.
원뿔의 측면적=π×R0×(h02+R02)1/2
전술한 바와 같이 하여, 완전 개방 개방도 상태에 있어서의 증기 통로부(38)(주로 밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분)의 각 위치에서의 유로 면적을 구한다. 여기에서, 이 증기 통로부(38)의 유로 면적의 변화 특성과 밸브 개방도와의 관계를 도 9에 나타낸다. 이 도 9에 있어서, A0은 입구부(42)의 면적이고, L0은, 이 입구부(42)에 있어서의 밸브체(34)의 에지(36)의 에지끝점(40)과 밸브 시트(32)의 입구끝점(41)의 거리이다. 또한, Ai는, 입구부보다 하류에 있어서의 임의의 수직선(45)을 포함하는 면적이며, Li는, 임의의 수직선(45) 상의 교점(46, 47) 사이의 거리이다.
이 도 9에서는, 미소 개방도에 있어서의 유로 면적의 변화를 나타내는 곡선 X는 오른쪽 올라감의 경사각이 크고, 이 때에는 유로 면적이 확대되어, 증기가 밸브체(34)의 에지(36)를 통과 후에 박리되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 완전 개방 개방도에 있어서의 유로 면적의 변화를 나타내는 곡선 Y는 오른쪽 내려감의 경사를 나타내며, 이 때에는 밸브체(34)에 돌기부(35)가 형성된 것에 의해 유로 면적이 감소하고, 증기가 에지(36)에 의해 일단 박리된 후에 돌기부(35)에 부착되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 중간 개방도에 있어서의 유로 면적의 변화를 나타내는 곡선 Z는 경사각이 작고, 이 때에는 유로 면적이 대략 일정하며, 밸브체(34)의 에지(36)에 의해서도 박리가 발생하지 않고 있는 것을 알 수 있다.
증기 통로부(38)(밸브체(34)와 밸브 시트(32)로 구성되는 부분을 포함함)는, 완전 개방 개방도에 있어서 도 9의 곡선 Y로 나타내는 바와 같은 최적의 특성이 되도록, 이하의 파라미터 Di, Dth, R, r, Da, THa를 규정하고, 압력 손실을 저감하는 것을 주안으로 하여 최종적으로 결정된다.
우선, 도 10에 나타나 있는 바와 같이, 밸브체(34)의 요함부(37)에 있어서의 에지(36)의 직경 Di는, 이 밸브체(34)와 밸브 시트(32)의 접촉원(接觸円)의 직경인 시트 직경을 Do로 할 때,
Do>Di≥0.9Do
의 범위로 설정되며, 또한 밸브 시트(32)의 내경(최소 내경) Dth는,
Di>Dth≥0.8Do
의 범위로 설정된다. 이에 따라, 미소 개방도로부터 중간 개방도 부근에 있어서, 증기 통로부(38) 내를 흐르는 증기는, 밸브 시트(32)를 따르는 안정한 흐름이 되어서(도 5의 화살표 참조), 소음이나 진동의 발생이 방지된다.
또한, 밸브체(34)의 곡률 반경 R은, 이 밸브체(34)와 밸브 시트(32)의 접촉원의 직경인 시트 직경을 Do로 할 때,
R=(0.52∼0.6)Do
의 범위로 설정되며, 또한 밸브 시트(32)의 곡률 반경 r은,
r≥0.6Do
의 범위로 설정된다. 이것에 의해서도, 미소 개방도로부터 중간 개방도 부근에 있어서 증기 통로부(38) 내를 흐르는 증기는, 밸브 시트(32)를 따르는 안정한 흐름이 되어서, 소음이나 진동의 발생이 방지된다.
또한, 밸브체(34)의 돌기부(35)에 있어서 증기 통로부(38)를 형성하는 표면의 종단면 형상은, 돌기부(35)의 근원 직경 Da와, 돌기부(35)의 각도 THa로 정의된다. 이 근원 직경 Da는, 밸브체(34)와 밸브 시트(32)의 접촉원의 직경인 시트 직경을 Do로 할 때,
Da=(0.40∼0.44)Do
의 범위로 설정되며, 또한 돌기부(35)의 각도 THa는,
THa=30∼50deg
로 설정된다. 밸브체(34)의 바닥부에 돌기부(35)가 마련되어짐으로써, 밸브 본체(30)의 내부에 불필요한 공간이 형성되는 경우가 없으므로, 밸브 시트(32)의 상류측 근방에 있어서 소용돌이의 발생이 억제된다. 또한, 돌기부(35)가 상기 범위로 설정됨으로써, 증기가 돌기부(35)에 과대히 부착되어서 마찰저항이 증가하고, 압력 손실이 증대되는 것이 방지된다.
수치 해석에 의해, 돌기부(35)의 근원 직경 Da와 각도 THa가 압력 손실에 미치는 영향을 조사했더니, 도 11에 나타낸 바와 같이 되었다. 이 도 11에 있어서, 가로축은 Da/Do 및 THa이며, 세로축은 압력 손실을 나타낸다. 본 실시형태에 의하면, 돌기부(35)의 근원 직경 Da가 0.40Do<Da<0.44Do로 설정되었으므로, 도 11로부터도 알 수 있는 바와 같이 압력 손실의 발생이 확실히 억제된다. 또한, 돌기부(35)의 각도 THa가 30°<THa<50°로 설정되었으므로, 도 11로부터도 알 수 있는 바와 같이, 압력 손실의 발생이 확실히 억제된다.
돌기부(35)의 각도 THa의 영향을 상세하게 조사하기 위해서, Da=0.44Do로 고정한 완전 개방 개방도 상태에서 수치해석을 행했더니, 도 12에 나타낸 바와 같이 되었다. 이 각도 THa의 영향을 시각적으로 파악하기 위해서 증기 흐름의 벡터(vector)도를 작성하고, THa=40°의 상태를 도 13의 (A)에, THa=44°의 상태를 도 13의 (B)에, THa=60°의 상태를 도 13의 (C)에 각각 나타낸다. 도 13의 (A)에 있어서는 밸브체(34)의 바닥부의 돌기부(35)에 증기의 흐름이 충분하게는 부착되지 않고 있다. 또한, 도 13의 (C)에서는, 증기가 돌기부(35)에 과대히 부착된 흐름이 되어서 압력 손실이 증대하고 있다. 압력 손실이 가장 작은 상태는 도 13의 (B)이며, 증기가 돌기부(35)에 적당한 상태로 부착되어서 흐르고 있다.
이상과 같이 구성된 것으로부터, 본 실시형태에 의하면, 다음의 효과 (1)∼(4)를 나타낸다.
(1) 도 2 내지 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 밸브체(34)의 바닥부의 돌기부(35)의 주위에, 가장자리변에 에지(36)를 구비한 요함부(37)가 마련되어진 것으로부터, 미소 개방도로부터 중간 개방도 부근에 있어서, 밸브체(34)를 따르는 증기의 흐름이 이 밸브체(34)의 에지(36)로 박리되어, 밸브 시트(32)를 따르는 안정한 흐름이 되므로, 소음이나 진동의 발생을 방지할 수 있다.
(2) 밸브체(34)의 바닥부의 중앙 위치에 돌기부(35)가 마련되어진 것으로부터, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에서의 증기 통로부(38)에 있어서 밸브체(34) 부근의 유로 면적의 변화가 적어진다. 이 때문에, 이 증기 통로부(38)를 흐르는 증기의 흐름이 밸브체(34)의 바닥부 부근에서 소용돌이를 생기게 할 경우가 없으며, 따라서 압력 손실이 억제되므로, 증기터빈의 효율을 향상시킬 수 있다.
(3) 밸브체(34)의 바닥부의 중앙 위치에 돌기부(35)가 마련되고, 이 밸브체(34)의 바닥부의 돌기부(35) 주위에, 가장자리변에 에지(36)를 구비한 요함부(37)가 마련되어진 것으로부터, 돌기부(35)와 요함부(37)가 별개로 구성될 경우에 비해, 증기 가감 밸브(13)를, 부품 수를 적게 한 간단한 구조로 구성할 수 있다.
(4) 예를 들면 컴바인드 사이클(combined cycle)의 발전 설비에 있어서의 증기터빈에서는, 증기 가감 밸브(13)를 항상 완전 개방 개방도 상태로 운용하는 케이스가 많다. 한편, 본 실시형태의 증기 가감 밸브(13)에서는, 상기 (2)와 같이, 완전 개방 개방도 또는 그 근방에서 증기터빈의 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 컴바인드 사이클과 같은 고효율의 발전 설비에 본 실시형태의 증기 가감 밸브(13)를 채용함으로써, 발전 설비 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 본 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않고 있다. 이 실시형태는, 그 밖의 여러가지 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러가지 생략, 치환, 변경을 행할 수 있고, 또한 그 치환이나 변경은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 동시에, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 증기가 공급되는 밸브실이 형성된 밸브 본체와, 상기 밸브 본체에 마련되며 상기 밸브실을 향하는 위치에 구형(球形) 곡면이 형성된 밸브 시트와, 상기 밸브실에 수용되며 구형 곡면이 형성된 밸브체와, 상기 밸브체에 대하여 상류측에 마련되며 상기 밸브 시트 및 상기 밸브체의 각각의 상기 구형 곡면이 접리(接離)하도록 구동해서 밸브 개방도를 설정하는 밸브봉을 구비하는 증기 가감 밸브 장치에 있어서,
    상기 밸브체의 바닥부는, 그 중앙 위치로부터 상기 밸브 시트측으로 돌출한 돌기부와, 상기 돌기부의 주위에 요함부(凹陷部)가 형성되도록 가장자리변(緣邊)에 형성된 에지를 갖는 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는, 밸브체와 일체적으로 형성된 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 개방도를 완전 개방(全開)으로 설정한 상태에서 상기 밸브 본체, 상기 밸브 시트 및 상기 밸브체에 의해 형성된 증기 통로부는, 유로(流路) 면적이, 상류측에서 하류측의 상기 밸브 시트의 개구(開口)에 이르기까지 연속해서 감소하고 있는 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 개방도를 완전 개방으로 설정한 상태에서 상기 밸브 본체, 상기 밸브 시트 및 상기 밸브체에 의해 형성된 증기 통로부는, 최소가 되는 유로 면적이, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트에 의해 형성되는 부분에 존재하는 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부의 증기 통로부를 형성하는 표면의 종단면 형상은, 근원부(根元部)의 직경과 각도로부터 정의되는 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는, 하류의 밸브 시트 측을 향해서 중앙부가 볼록 형상으로 돌출하고, 최선단(最先端)이 대략 반구형(半球形) 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브체의 에지의 직경 Di는, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트의 시트 직경을 Do로 할 때,
    Do>Di≥0.9Do
    의 범위로 설정되며, 또한 상기 밸브 시트의 내경 Dth는,
    Di>Dth≥0.8Do
    의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브체의 곡률 반경 R은, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트의 시트 직경을 Do로 할 때,
    R=(0.52∼0.6)Do
    의 범위로 설정되며, 또한 상기 밸브 시트의 곡률 반경 r은,
    r≥0.6Do
    의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브체의 돌기부의 근원 직경 Da는, 상기 밸브체와 상기 밸브 시트의 시트 직경을 Do로 할 때,
    Da=(0.40∼0.44)Do
    의 범위로 설정되며, 또한 상기 돌기부의 각도 THa는,
    THa=30∼50deg
    의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는 증기 가감 밸브 장치.
  10. 제 1 항에 기재된 증기 가감 밸브 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 발전 설비.
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