JPS5844909B2 - 蒸気加減弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、例えば火力発電所等に使用される蒸気加減弁
に係り、特に弁閉成時から弁全開時に至る途中開塵にお
いて、蒸気が安定流となるようにする蒸気加減弁の改良
に関する。

〔従来技術〕

従来、この種弁は、蒸気圧力がおよそ１７０ｋｇ／−以
上、流速が３００〜６００瓶／ｓｅｅのものを当該弁を
通過する際、略８０ｋｇ／ｉ以上に圧力降下する亜臨界
圧または超臨界圧の蒸気を取扱っている関係上、弁開口
時、蒸気の流れが不安定だと弁構成機器が事故を起すこ
とがある。

第１図は、従来の蒸気加減弁の概略を示すものであって
、符号１は弁ケーシングを示し、この弁ケーシング１に
は主弁体２がおさめられており、この主弁体２はスリー
ブ３を通して摺動自在に組み込まれている。

また、主弁体２内には弁棒４と一体結合する副弁体５が
おさめられており、弁棒４はクロスヘッド７のネジ結合
部８を通して接続されている。

しかして、上記構成の蒸気加減弁において、起動時、ま
ず、レバー９を矢印のように動かすと、これに伴って副
弁体５は上方に移動する。

すると、入口１０を通過する蒸気Ｓは、スリーブ３と主
弁体２との隙間Ｃを通してチャンバ１１に入り、ここか
ら主弁体２の開口部１２を通で図示しない蒸気タービン
に流れるようになっている。

このように、弁を通過した蒸気Ｓは、蒸気タービンを十
分に暖機した後、今度は主弁体２が上方に移動し、これ
によって蒸気Ｓはこの全量が蒸気タービンに流れ、定格
負荷に至る。

第２図は、副弁体をもたないタイプの蒸気加減弁の概略
を示すものであって、弁体２０と弁棒２１との結合は、
ピン２３を通して接続したものである。

他の構成部分は第１図示の実施例とほぼ同じ構成を有し
ている。

〔従来技術の問題点及びその原因の分析〕ところで、上
記第１図および第２図に示す蒸気加減弁は、いずれも、
弁開口時、蒸気の流れが高速流（亜音速または超音速）
となって主弁体ないし弁体と弁座との開口部を通るから
、この高速流の蒸気衝撃によって主弁体ないし弁体は横
断方向、垂直方向に極めて激しい振動が加えられ、この
ため弁棒のネジ結合部ないしピン結合部は損傷すること
がある。

かかる問題は、次のような原因によって発生するものと
考えられている。

以下この原因について説明する。

（第２図参照）。すなわち、同図において、弁微開時、
弁体２０と弁座２４との開口部を通る蒸気は、弁体の入
口・出口の圧力差が極めて高いから、蒸気は流線ａとな
る自由噴流で流れ、安定流が得られている。

ところが、弁体２０のリフト（弁開口度合）が高くなり
、その入口・出口の圧力差が少なくなり、流速が下って
くると、蒸気は弁座２４側に付着して流れる流線ｂ′に
なったり、あるいは弁体２０側に付着して流れる流線す
になったりして、これらが交互に繰り返され、乱流の発
生原因になっている。

さらに、弁体２０のリフトを上げていくと上述現象はお
さまり、安定流Ｃが得られている。

第３図は第２図に示す弁体のリフトと弁出口圧力／弁入
口圧力との関係を示す弁開度特性であって、領域Ａ、
Ｃは流線ａｓＣに対応し、安定した流れになっている。

ところが、領域Ｂは上述したように、弁体側に流線すが
付着して流れたり、弁座側に流線ｂ′が付着して流れた
り、これらが瞬時瞬時繰り返され、不安定流になってい
る。

かかる原因を今少し詳述するに、一般に、亜音速または
超音速に使用されるこの種弁は、弁微開時、弁体の入口
・出口の圧力差がおよそ１７ ｏｋｇ／／ｄ以上にもな
ってお０、流線の慣性力が極めて高いから、直進性を有
し、安定流となっている。

ところが、弁開度が増し、前述Ｂ領域に入ると、弁体の
入口・出口の圧力差が減ってくることに伴い、今まで弁
体ないし弁座に付着して流れていた流体は、その壁面と
境界層表面との間に圧力変化が生起し、この圧力変化に
よって境界層剥離があられれる。

この境界層剥離は、流体が弁体側に沿って流れたり、弁
座側に沿って流れたり、交互に繰り返される原因となり
、このために不安定流となると考えられる。

上述境界層剥離現象を実験によって検証したのが第４図
と第５図に示す流体の流れである。

これらの実験は、弁開度を一定にしておき、また弁体入
口側の流体圧を一定にし、弁体出口側の流体圧を図示し
ない調整弁の絞り操作により徐々に低めて行くものであ
る。

すなわち、第４図に示すステップＩは弁体入口側の圧力
と弁体出口側の圧力との差が極めて低いときであって、
流体は弁座側に付着しながら流れる。

しかしながら、弁の開度を一定にしておいて、弁体出口
側の圧力を徐々に低め、圧力差を大きくして行くと、ス
テップ■の左半分の状態からステップ■の右半分に示す
ような状態、すなわち弁座側の流体が剥離を起して弁体
に付着する。

さらに、圧力差を大きくすると、ステップ■に示すよう
に、流体の流れが弁体側と弁座側に対して交互に剥離・
付着を繰り返して振動という著しい不安定流となる。

不安定流の状態から、さらに弁体出口側の圧力を低める
と、ステップ■のように、流体は自由噴流となり、安定
流が得られる。

上述現象は、弁体の曲率Ｒ１弁座の曲率ｒとすると、 の関係（Ｒ＞ｒは現実にこの種弁に使用されている）に
なっているために、これに起因して発生するものと考え
られ、今度は の関係を満たすように弁体を作製し、実１験を試みた。

なお、この実験による弁体の曲率はＲ＝ ０．６５Ｄ
ｏ ｓ弁座の曲率はｒ ＝ ０．７３ Ｄ ｏとしであ
る。

ここでＤｏは弁体の弁座との接触点における弁座の口径
である。

第５図は、上記弁形状による流体の流れを示し、ステッ
プ■は第４図示のステップＩと全く同じであった。

ところが、弁体出口側の圧力を徐々に低めて行くと、第
４図示のステップ■と同じ現象になるのは、ステップ■
であり、このステップ■に至るまでは、流体は弁座の一
方側にまだ付着して流れていた。

さらに、弁体出口側の圧力を低めると、ステップＸは第
４図示Ｏステップ■に一致するものの、この間、流体は
まだ弁座側の一方に付着して流れていた。

上述以上に圧力を低めると、今度はステップＭのように
流体は自由噴流となり、第４図示のステップ■と一致し
た。

ところで、第５図示の各ステップの結果から、ｒ ＞
Ｒ の関係を満たす弁体は、流体が比較的弁座に付着して流
れる傾向が強いことがわかった。

かかる傾向は、流体が弁体側に付着して流れるよりも安
定流が得やすいと考えられる。

〔発明の目的〕

そこで、本発明は、主として上記流れのパターンが切り
換る中間リフト領域において、流れが弁座側から剥離し
ないようにすることによって、この種弁の上記不安定現
象の発生を防止することをその技術課題とするものであ
る。

〔発明の構成１ 上記技術課題を解決するために講じた技術的手段は次の
通りである。

（１）弁座のシート面の曲率ｒを、このシート面と当接
する弁体のシート面直径Ｄｏの０６倍以上とし、 （２）弁体の半球状面の曲率Ｒを、弁体のシート面の当
接面の直径Ｄｏの０５２〜０６倍とし、（３）弁体の下
端に凹陥部を削成し、凹陥部の両端に設けられたエツジ
部を、弁体が中間リフト領域にあるとき、弁体に付着し
て流れる流線が剥離する点よりも上流側に設けること、 である。

上記技術的手段は、次のように作用する。

蒸気加減弁が徐々に開き始めると、この開度初期におい
ては、第７図に示すステップへのように、蒸気が安定し
た状態で弁座側に付着して流れる。

さらに、弁リストを上げて弁体が中間リフト領域に入る
と、従来技術による弁においては、弁体と弁座との通路
を通る流体の速度が徐々に下り、これに起因して弁座壁
と境界層表面との間に圧力変化が生起し、このため境界
層剥離を透発し、流れのパターンが弁座へ付着した流れ
と弁体に付着した流れに交互に変わるというパターンを
呈していた。

しかしながら、本発明は、弁座のシート面の曲率を とし、弁体の半球状面の曲率 とし、弁体下端の凹陥部の両端に設けたエツジ部は弁体
に付着して流れる流体が剥離する点よりも上流側に設け
たため、流線は上記剥離点よりも上流側において弁体表
面から離れる。

したがって、弁体が中間リフト領域にあっても流れを弁
体側に引きつける力が弁座側に引きつける力よりも常に
小さく、流体は、常にステップＸＸＩのように弁座側に
確実に付着して流れる。

すなわち、蒸気流が弁体側への移動と弁座側への移動を
繰り返すことが防止されるのである。

〔発明の特有の効果〕

蒸気流の不安定領域において、常に蒸気流を弁体側に付
着させることによっても、不安定領域における蒸気流の
上述振動は、防止することができるものであるが、この
発明においては、蒸気流を弁座側に付着させることがで
きるために、弁座が固定部になっているので、弁体側に
付着させるよりもその流れ自体がより安定し、さらに弁
リフトを上げても、ステップ京に示すパターンをそのま
ま持続して、安定した状態でステップＸＸＩ、ＸＸＩＩ
に移行するという、特有の効果を奏する。

〔発明の実症例〕

以下、添付図を参照しつつ、本発明の一実施例を説明す
る。

第６図において、符号６０は弁ケーシングを示し、この
弁ケーシング６０は蒸気室６１を形威し、この流出端は
絞り形状を有する弁座６２が固着されている。

また、この弁座６２は流出端において絞り形状を有する
が、その下流側は滑らかな曲線を有しながら徐々に拡口
するように形成されている。

上記弁座６２は、これに対設して弁体６３が設けられて
おり、この弁体６３はピン６４を通して弁棒６５が結合
されている。

また、弁棒６５は、スリーブ６６を通して上下に移動す
るように軸装されており、弁棒６５を上下動せしめるこ
とによって、弁体６３と弁座６２との開度が調整される
ようになっている。

しかして、上記弁体６３は、軸芯の基点Ｏ力】ら曲率を
Ｒとし、弁体６３と弁座６２との接点Ｐを基点に弁座口
径をＤｏとし、また接点Ｐにおける弁座６２の曲率をｒ
とすると、弁体６３の曲率Ｒと弁座６２の曲率ｒとは、
それぞれ と決定される。

これらの数値範囲は、実験によって求められた最も好ま
しい適用範囲であって、これらの数値範囲から外れた流
体の流れは、従来と同じように境界層剥離が生起し、安
定流域が得られないことが確認されている。

一方、弁体６３は、上述接点Ｐから比較的下流側に位置
し、かつ流体剥離が生起する点よりも上流側にエツジ部
６７を形成し、このエツジ部６７の頂点を境に内側に向
って角度θは、 の範囲に亘って切欠きを削成し、平坦状の凹陥部６８が
形成されている。

上記具体例によれば、弁リスト中間領域においても、流
体は弁座側に沿って確実に流れることが確認されている
から（第７図参照）、従来のように、不安定流域となる
弁体６３および弁座６２への付着が交互に繰り返される
境界層剥離はなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、従来の蒸気加減弁の要部構造を
示す一部切欠き断面図、第３図は従来の蒸気加減弁の弁
開度特性を示すグラフ、第４図は従来の蒸気加減弁のフ
ローパタンを示す模式図で、弁体の曲率を弁座の曲率よ
りも大きくしたものであり、第５図は弁座の曲率を弁体
の曲率よりも大きくした従来の蒸気加減弁のフローパタ
ンを示す模式図、第６図は本発明に係る蒸気加減弁の実
症例を示す概略縦断面図、第７図は本発明に係る蒸気加
減弁のフローパタンを示す模式図である。 ６０・・・・・・弁ケーシング、６１・・・・・・蒸気
室、６２・・・・・・弁座、６３・・・・・・弁体、６
５・・・・・・弁棒、Ｒ・・・・・・弁体の曲率、ｒ・
・・・・・弁座の曲率、Ｄｏ・・・・・・弁座口径。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 球形曲面に形成され、この曲面の下端に削成された
   凹陥部の両端面にエツジ部を有する弁体と、該弁体が接
   触する位置から下流側に向って徐々に拡口するように球
   形曲面を有する弁座とを具備し、これらの球面で弁体と
   弁座が当接する蒸気加減弁において、弁体の曲率をＲ１
   弁座の曲率をｒ、弁体と弁座との接触点における弁座口
   径をＤｏとするとき、上記弁体および弁座の曲率を、 にするとともに、上記弁体のエツジ部を、弁体が中間リ
   フト領域にあるとき、流体が境界層剥離を生起する点の
   上流側に設けたことを特徴とする蒸気加減弁。