JPH0370087B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蒸気タービンに流入する蒸気流量を
制御する蒸気加減弁に関するものである。

〔従来の技術〕

第１１図は従来の蒸気加減弁を示す。弁ケース
１と上蓋２とで固定された円筒状スリーブ３の内
面に摺動可能な弁体４を設け、弁棒５が上方へ移
動した場合に弁棒肩部１２と弁体４に設けられた
突起部１３とが係合して弁体４が上昇し、大弁座
９が開状態になる。第１１図において中心線２０
よりも左側は弁全開状態を示し、右側は弁全開状
態を示している。本図から明らかなように、全開
状態では弁棒５を下方に押しつけられることによ
つて小弁座８と大弁座９とが閉止状態となり、入
口蒸気室６と圧力室７とは、スリーブ３と弁体４
との間隙によつて連通するため同一圧力となる。
次いで弁棒５が上方に移動すると、弁棒肩部１２
と突起部１３とが接触するまでは、小弁座のみが
開くことになり、弁体４は圧力室７と出口流路１
１との圧力差によつて下方に押しつけられて大弁
座９は閉止状態にある。さらに弁棒が上昇すると
弁棒肩部１２と突起部１３とが係合して弁体４を
上方に移動させることになるので、大弁座９が開
くことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような弁の開閉状態における入口蒸気室
６、圧力室７および出口流路１１における圧力の
状況を図示すると第１２図のようになる。第１２
図においてはP₁は入口蒸気室６の圧力、P₂は圧
力室７の圧力、P₃は出口流路１１の圧力である。
このような従来装置においては、圧力状態と弁棒
移動量との関係によつて、弁の振動・騒音が激し
くなり、蒸気タービンの運転上支障が生じる場合
がある。この現象を生じるのは、小弁座８が全開
し、大弁座９が開き初めてある程度流量が増加し
た特定の範囲（図示のＡ部付近）であり、この場
合、入口蒸気室６の圧力P₁と出口流路１１の圧
力P₃との関係では、大弁座９の下流の状態が超
音速流である。元来、蒸気流量を制御する蒸気加
減弁においては、大弁座９の下流が超音速流にな
るという条件が避けられないものであるため、
種々の構造上改良が行われている。

特公和５−44263は、大弁座９の流れと弁体４
の内部に形成されている空間と干渉による共鳴現
象を防ぐ構造を提供している。また、特公昭47−
20891は、スリーブ３と弁体との間隙部に弁棒５
の移動方向に複数個の溝を設け、この溝によつて
入口蒸気室６と圧力室７とを連通させ、小弁座８
が全開しても圧力室７の圧力P₂の低下を少なく
して圧力差P₂−P₃を大きくし、弁体４の下方に
押しつける力を大きくすることによつて、流体か
ら受ける加振力による弁体４の振動振幅を軽減す
る構造となつている。

なお、弁体のまわりの流れを改善して振動を軽
減する構造を提案している関連公知例として、特
開昭52−126530、特開昭54−54332および特開昭
54−54333などがある。

しかし、超音速流が衝撃波の発生とこれの流路
壁との干渉などによつて、複雑な非定常性を有し
ているために、前述の各公知技術は使用条件の異
る場合にも適用できる一般性のあるものではな
い。したがつて、根本的には超音速流の流れの安
定化を図るための構造の開発が切望されている。

本発明の目的は、蒸気タービンの運転時に遭遇
する蒸気加減弁の振動と騒音とを低減するための
蒸気加速弁構造を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は第１１
図について説明したスリーブ３と弁体４とが弁の
開閉時に相互に位置関係の変わることを利用し、
スリーブ３と弁体４とに、入口蒸気室６と圧力室
７とを連通させるための孔を設け、弁の開閉時に
スリーブ３と弁体４との孔の開口面積が変化する
ようにするとともに、圧力室７の圧力P₂が出口
流路１１の圧力P₃の２倍以上になるように、ス
リーブ３の孔と、弁体４の孔の面積および弁棒５
と弁体４とで形成される流路面積を構成して圧力
室７の圧力を調節して、弁の振動、騒音の激しい
弁開度において、流通路１０から出口流路１１へ
圧力流体を積極的に噴出させる。これによつて、
弁体の下流における流れのパターンは、大弁座９
を通過した高マツハ数の超音速流が環状流にな
り、中心部はこれよりも低マツハ数の超音速流と
なつて、両超音速流の環状境界における干渉効果
により、出口流路１１の流れが安定化して低振
動、低騒音が達成される。

〔作用〕 上述のように構成すると、弁の開度に応じて圧
力室７の圧力を調節する動作として、小弁座８が
全開し、大弁座９が開き始める時点から入口蒸気
室６と圧力室７と連通させるためのスリーブ３と
弁体４とに設けられた孔の蒸気通過面積が増加す
るように構成されるので、大弁座９の開度が小さ
い条件で圧力室７の圧力を従来技術による場合と
比較して高くすることが可能であり、流通路１０
からの超音速噴流に必要な流量が確保されるた
め、出口流路１１における二つの超音速流の干渉
作用が満足されて流れの安定化が達成できる。

ところで、同心で中心部とその周りに環状に噴
出される二つの超音速流の両者の境界における干
渉現象は、(a)両噴流の衝撃波（高圧）と膨張波と
が衝突することによる流れ方向の圧力が均一化さ
れ境界における衝撃波の反射強度が弱められる。
(b)環状噴流において中心部に集中し、強度の強く
なる衝撃波が中心部の噴流によつて消滅し、単純
な二次元流れに近い軸対称流になるという効果が
得られる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例について詳細
に説明する。

第１図は本発明に係る蒸気加速弁の一実施例を
示す断面図である。なお、第１図では可動部分を
分割し、左半に全開時状態を、右半に全開時状態
を示す。第１図において、弁ケース２１と上蓋２
２によつて加速弁本体が形成されており、その内
部にスリーブ２３、弁体２４および外部から操作
可能な弁棒２５が収納されている。また、弁棒２
５には肩部２６が設けられており、該弁棒２５が
上昇して肩部２６が弁体２４の突起部２７に当接
すると、弁体２４と弁棒２５とが一体となつて移
動する構造になつている。スリーブ２３と弁体２
４との接触面は摺動可能な程度の間隙を有するよ
うに構成される。さらに、弁体２４には小弁座３
０よりも上流側に弁体２４の外周面から内周面に
貫通する複数個の孔２８を設けるとともに、スリ
ーブ２３においても外周面から内周面（弁体２４
との摺動面）に貫通する孔２９を複数個設ける。
なお、孔２８と孔２９とは円周方向に同一位置と
なるように設置される。第１図の右半に示した全
開時状態では、小弁座３０と大弁座３１とは閉止
状態になり、入口蒸気室３２と出口流路３５とは
遮断された状態となる。上蓋２２、スリーブ２３
および弁体２４で形成される圧力室３３は、スリ
ーブ２３と弁体２４との摺動面の間隙によつて入
口蒸気室３２と連通することになる。ここで、閉
止状態では孔２８と孔２９とはわずかに連通する
状態となるように設定する。さらに、閉止状態で
弁棒肩部２６と突起部２７とは間隙ｇを有するよ
うに構成される。

次に前記のように構成された蒸気加減弁におけ
る動作について説明する。第１図の右半の閉止状
態から左半の全開状態までの過程において、弁棒
２５が上方へ移動した場合に間隙ｇがなくなるま
では弁棒２５のみが移動し、弁体２４は圧力室３
３と出口流路３５との圧力差による力によつて下
方に押しつけられているので移動することなく、
大弁座３１は閉止状態を保持している。一方、小
弁座３０では弁棒２５の移動量が大きくなるにつ
れて蒸気の通路流路が増加し、間隙ｇがゼロにな
つた状態で全開状態にな。蒸気流は入口蒸気室３
２から、スリーブ２３と弁体２４との摺動面の間
隙を通つて圧力室３３に入り、小弁座３０の流路
から流通路３４を通つて出口流路３５に排出され
る。この場合に、スリーブ２３と弁体２４との摺
動面の間隙による流路面積よりも小弁座３０にお
ける流路面積が大きいために、間隙ｇが減少して
ゼロになり、小弁座３０が全開になる過程では圧
力室３３の圧力が次第に低下する。次に、弁棒肩
部２６と弁体２４と突起部２７とが接触（間隙ｇ
＝０）し、さらに弁棒２５が上昇すると、弁棒２
５と弁体２４とは一体となつて移動するために、
この移動量につれて大弁座３１が全開状態に向う
とともに孔２８と孔２９との連通する流路面積が
増加する。この結果、圧力室３３の圧力は、孔２
８からの流入蒸気量が増加するために上昇する。
このような動作状態を各部の圧力変化の状況で示
すと、第２図のようになつて第１２図に示した従
来技術の場合と大幅に相違する。すなわち、入口
蒸気室３２の圧力P₁と出口流路３５の圧力P₃と
は、第１２図と第２図とで同様であるが、圧力室
の圧力P₂が相違することになり、本発明の実施
例を示した第２図において、図に示した小弁座全
開の位置よりも図の右方（弁棒が更に上昇した状
態）で、弁振動が発生する虞れのある範囲（図示
のＡ部）においてP₂／P₃≧２となる関係をもつ
ようにしていることである。このP₂／P₃の関係
を保持するためには孔２８、孔２９および小弁座
３０の流路面積の関係を適切に決定することによ
つて可能であり、従来技術の構成と最も相違する
点である。なお、第２図における圧力P′₂は第１
図の流通路３４の圧力である。このような従来技
術と相違した動作状態である本発明における流動
状況を従来技術の場合と比較して示すと第３図の
ようになる。第３図ａは第１１図の従来技術にお
ける出口流路１１内の流れの様相を示したもので
あり、流れ４１は小弁座からの流れ、流れ４２は
大弁座を通過した流れである。この場合に流れ４
１はスリーブ３と弁体４との摺動面の間隙を通過
した流量であるために、大弁座を通過した流量に
比較して非常に少ない。したがつて、大弁座を通
過した流れは点ａで合流し、点ａよりも上流側で
は不安定な渦流４３が発生して、超音速流におい
て発生する衝撃波４４および剪断流境界４５の位
置が揺動して出口流路の圧力変動の源になつてい
る。第３図ｂは第１図に示した本発明の構造にお
ける出口流路内の流れの様相を示したものであ
り、流れ５１は小弁座を通過した流れ、流れ５２
は大弁座を通過した流れである。本発明では第２
図に示したようにP₂／P₃の値が２以上に保たれ
るので小弁座を通過した流れ５１は超音速流とな
り、適切に開口した孔２８，２９を通過するため
に比較的大流量の流れが、大弁座を通過した超音
速流と出口流路内で混合することになる。超音速
流の平行流れにおいては、それぞれの流れのマツ
ハ数が相違することによつて相互に干渉し、流れ
に発生している衝撃波の構造が変化する。本発明
では、上記の二つの超音速流の干渉現象を有効に
活用することによつて、弁下流での圧力変動およ
び騒音を減少させるものであり、そのための大弁
座３１からの流れ（第３図ｂの５２）と小弁座３
０からの流れ（第３図ｂの５１）との条件とし
て、振動・騒音の発生する範囲の流れ５２のマツ
ハ数が1.3〜1.8であるのに対して、流れ５１のマ
ツハ数は1.05〜1.10程度でマツハ数１をわずかに
越えていることが必要である。このような条件で
は、第３図ｂに示すように小弁座からの流れ５１
における衝撃波５３はマツハ数が小さいために比
較的弱いものであるが、大弁座からの流れ５２と
剪断流層５４を介して干渉することによつて、大
弁座からの流れ５２内の衝撃波５５が非周期的に
発生するとともに、衝撃波５５の構造が不明確に
なる。その結果として流路全域にわたる流れの状
態が改善され、超音速による圧力変動および騒音
が低減される。

以上のような第１図の実施例と同様な作用効果
を有する変形された実施を第４図に示す。第４図
の実施例での動作状態は第１図と同様であるが、
弁体４６の大弁座４７よりも下流側に流通路４８
を延長させ、その外周側の大弁座４７からの流れ
の流路内に複数個の溝４９を設けた構造となつて
いる。

弁体４６を抽出した単品を、第４図の−面
で切断して矢印Ｖ方向に見たところを第５図に示
す。溝４９と凸部５０との関係から断面は花弁状
の形になつて、大弁座からの流れが周方向に複数
個に分割されて流通路４８からの流れと合流す
る。このような構造にすることによつて第１図の
実施例に比して次のような効果を付加される。す
なわち、第４図において蒸気入口管５６から入口
蒸気室５７に流入した蒸気流は大弁座４７を通つ
て出口流路５８に流れるが、その場合に流れ状態
として螺旋状の流れとなつて出口流路５８に向う
のが一般であり、第４図の実施例では螺旋状の流
れを消滅させることが可能であり、出口流路５８
における流れが第１図の実施例に比較してより安
定化される。

次に本発明の目的を達成するための第２の実施
例を第６図に示した。第６図において第１の実施
例（第１図）と比較して相違する点は、第１図の
弁体２４が第６図での弁体６０のように形状が異
なることで、その他の部材および作動は第１図の
実施例と同じである。第６図の構造では、第１図
の流通路３４が小弁座３０から出口流路３５に開
放されているのに対して、流通路６１の下流側に
出口流路６３との隔壁６２を弁体６０と一体構造
となるように設け、隔壁６２の形状はほぼ円錐状
とし、この円錐面には大弁座６４からの流れに対
して、ほぼ直交す方向に流通路６１に貫通した小
孔径の噴出孔６５を複数個設け、小弁座６６から
の流れを出口流路６３に噴出出来る構造とする。
また、第２の実施例として示した第６図と同様な
作用をもたらす別構造の実施例を第７図に示す。
第７図において、第６図と相違する点は、第６図
では弁体６０と隔壁６２とが一体になつているの
に対して、第７図の実施例は弁体７０と隔壁７１
とが一体ではなく、両者は摺動面７２で分離され
ており、隔壁７１は支持板７３によつて弁ケース
７４に連結されているために、弁体７０の開閉動
作とは連動しない構造である。この隔壁７１の形
状は中空の円錐状であり、円錐の中空部７５は小
弁座７６の下流の流通路７７と連通しているとと
もに、円錐面に設けられた複数個の噴出孔７８に
よつて小弁座７６からの流れが大弁座７９からの
流れに噴出する構造となつている。なお、第７図
のＡ−Ａ断面図を第８図にした。以上の第６図お
よび第７図に示した実施例では、大弁座６４，７
９からの流れに対して小弁座６６，７６からの流
れを小孔径の複数個の噴出孔６５，７８からほぼ
直交して噴出することを特徴としているが、この
構造の作用効果は、(1)多孔性の壁面からの噴流が
あるために、超音速流中での衝撃波が壁面に衝突
することによつて発生する壁面上の圧力の不均一
性が減少し、壁面からの反射波が弱められて流れ
が安定化する。(2)従来形状における円筒状の噴流
から、壁面からの噴流によつて主流が円環状の噴
流となるため、円筒状噴流で発生する流路中心部
への衝撃波の集中強化が少なくなり、流れの均一
化が促進される。このような効果作用を図示する
と第９図のようになる。第９図ａにおいて、大弁
座からの流れ９１に対し、小弁座からの流れ９２
が隔壁９３に設けられた多数の噴出孔から直交し
て噴出する場合に、隔壁９３の表面における圧力
が流れ９１の衝撃波９４が衝突する位置で高くな
つているために噴出量が少なく、それ以外の表面
では圧力が低いために噴出量が多くなり、結果的
に隔壁９３の表面圧力の均一化が行われて流れ９
１に発生する衝撃波９４の強度（衝撃波前後の圧
力比）を弱めることになる。この衝撃波による圧
力変化を流れの中心線上で示すと第９図ｂのよう
になつて、従来構造では衝撃波による圧力変化が
下流側に長い範囲で継続するが、本案構造におい
ては、大弁座の下流側のわずかの範囲で圧力変化
が減少し、それよりも下流側では圧力変化の少な
い流れにできる。この結果、噴流で発生する騒音
が低減されるとともに、圧力変動と流れの不安定
性によつて発生する弁体の振動が軽減される。

以上に説明した実施例においては、弁下流の流
れの安定化が達成されるために、従来技術と比較
して弁棒および弁体等の可動部の振動が低減でき
るとともに、流れから発生する騒音の低減にも効
果的である。これらの効果を具体例で示すと第１
０図のようになる。第１０図ａは第２図に示した
弁棒リフトと各部圧力との関係を大弁座からの噴
流のマツハ数M_nと小弁座からの噴流のマツハ数
M_sとの関係で示したものであり、第１０図ｂは
弁体の振動加速度を示した。また、第１０図ｃ
は、マツハ数M_nとM_sの条件における騒音レベル
を示した。第１０図ｂ，ｃから明らかなように、
従来技術で振動発生のトラブルが頻発する範囲に
おいて、本発生では振動加速度を1/2程度に抑制
することが可能になる。

第１図の実施例の騒音レベルは、第１１図に示
した従来例の騒音レベルに比して、約10デシベル
の低減効果が確認された。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の蒸気制御弁は、
蒸気タービンの運転時における蒸気加減弁の振
動、並びに騒音の発生を格段に低減することがで
きるという優れた実用的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気制御弁の一実施例におけ
る断面図、第２図は上記実施例の作用効果を説明
するための図表、第３図は蒸気流れの定性的説明
図、第４図は前記と異なる実施例の断面図、第５
図は第４図の実施例における弁体を同図の下方か
ら見た底面図、第６図及び第７図はそれぞれ前記
と更に異なる実施例の断面図、第８図は第７図の
Ａ−Ａ断面図である。第９図及び第１０図はそれ
ぞれ上記実施例の作用、効果を説明するための図
表である。第１１図は従来の蒸気制御弁の断面
図、第１２図は上記従来例における作用説明のた
めの図表である。 ２３……スリーブ、２４……弁体、２５……弁
棒、２６……弁棒肩部、２７……突起部、２８…
…孔、２９……孔、３０……小弁座、３１……大
弁座、３２……入口蒸気室、３３……圧力室、３
４……流通路、３５……出口流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 弁ケース内に出口流路に接続する蒸気入口室
   を設け、上記蒸気入口室内には、スリーブを固定
   するとともに、上記スリーブ内には、摺動自在に
   内嵌し、先端部に形成された大弁座が上記弁ケー
   スの対向部に当接したとき、上記蒸気入口室内
   と、上記出口流路を遮断する円筒状弁体を設けて
   おり、かつ上記円筒状弁体内には、同心状に挿入
   し、外周に形成された肩部が上記円筒状弁体の内
   周に形成された突起部に当接したとき、双方の部
   材が連動するとともに、外周に形成された小弁座
   が上記円筒状弁体の対向部に当接したとき、上記
   円筒状弁体内と、上記出口流路とを遮断する弁棒
   を設けた蒸気制御弁において、前記スリーブの筒
   壁、及び前記円筒状弁体の筒壁にそれぞれ透孔を
   設け、上記弁体の開閉作動に伴つて上記双方の透
   孔の重なり合いが変化するように構成するととも
   に、前記円筒状弁体内部の圧力が弁体下流の圧力
   の２倍以上になるように、前記双方の透孔の面積
   および前記円筒状弁体内部に挿入された前記弁棒
   と、前記円筒状弁体の内面とで形成される流路面
   積とを構成したことを特徴とする蒸気制御弁。 ２ 前記双方の透孔の重なり具合の変化は、円筒
   状の弁体の外周を流れる主流のマツハ数が１以上
   である場合において、該円筒状弁体の中心孔から
   流出する噴流のマツハ数が、上記主流のマツハ数
   に比して1.05〜1.10となるように設定したもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の蒸気制御弁。 ３ 前記円筒状の弁体の周囲から流出する主流と
   該弁体の中心孔から流出する噴流とが合流する境
   界付近に位置せしめて円錐状の隔壁を設け、上記
   の隔壁に複数個の透孔を設けたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の蒸気制御弁。 ４ 前記円錐状の有孔の隔壁は、前記の弁体に対
   して固着したものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の蒸気制御弁。 ５ 前記円錐状の有孔の隔壁は弁ケーシングに対
   して固着したものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の蒸気制御弁。