圧力脈動抑制弁、圧力脈動抑制弁の弁体、および弁の交換方法
【課題】中間開度で発生する振動を効果的に抑制する。弁体のリフト量と流体の流量の関係を変化させずに弁の交換を行う。
【解決手段】流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体５とを備え、弁体５は、弁座４に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体５の内部に中心を有する曲率の曲面になっている縮流部６と、縮流部６から流体通路２の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体５の外部に中心を有する曲率の曲面になっている逆曲率部７とを備えている。
【解決手段】流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体５とを備え、弁体５は、弁座４に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体５の内部に中心を有する曲率の曲面になっている縮流部６と、縮流部６から流体通路２の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体５の外部に中心を有する曲率の曲面になっている逆曲率部７とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力脈動抑制弁、圧力脈動抑制弁の弁体、および弁の交換方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、弁座に弁体を押し付けることで流体通路を閉じると共に、弁体のリフト量を変えることで流体の流量を変化させるタイプの弁とその弁体、および、既存設備に既に設置されている弁であって、弁座に弁体を押し付けることで流体通路を閉じると共に、弁体のリフト量を変えることで流体の流量を変化させるタイプの弁の交換方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、発電プラントの蒸気系の蒸気加減弁では、中間開度において振動が発生することが知られている。従来、このような振動を抑制するための蒸気加減弁として、例えば特公昭５８−４４９０９号公報に開示されたものがある。この蒸気加減弁を図２０に示す。蒸気加減弁１０１の弁体１０２の先端部分は、半球体の先端を流体通路１０３の軸線方向に対して垂直に切断した形状を成しており、その先端面に凹部１０８を形成することで全周にわたってエッジ部１０４を形成している。また、弁座１０５は、弁体１０２と当たる部分の付近では流体通路１０３を絞る形状を成しているが、その下流側は滑らかな曲線を有しながら徐々に広がる形状を成している。
【０００３】
この蒸気加減弁１０１は、中間開度において、流体の流れが短周期で繰り返し変化することに起因した振動を防止することを目的としたものである。つまり、蒸気加減弁１０１の中間開度においては、弁体１０２に沿って流れていた流体がそのまま弁体１０２に沿って流れる場合と、途中で弁体１０２側から剥離して弁座１０５側に沿って流れる場合とがあり、両者の流れが交互に切り換えられて繰り返されることで振動が発生すると考えられており、このような振動の発生防止を蒸気加減弁１０１は目的としている。このため、弁体１０２のエッジ部１０４を、弁体１０２に沿う流れが弁体１０２から剥離する剥離点よりも上流側に形成し、流体が安定して流れるようにすることで、振動の発生防止を図っている。
【０００４】
また、特公昭５８−４４９０９号公報において、従来技術として紹介されている蒸気加減弁１０６を図２１に示す。この蒸気加減弁１０６の弁座１０７は、図２０の蒸気加減弁１０１の弁座１０５とは異なった形状を成している。このため、既存の設備に図２１の蒸気加減弁１０６が既に設置されていた場合、この蒸気加減弁１０６を中間開度における振動を防止するために図２０の蒸気加減弁１０１に交換するには、弁体１０２のみならず弁座１０５をも交換する必要があり、このため、弁座１０５を設置する配管ごと交換する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特公昭５８−４４９０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の蒸気加減弁１０１のようにエッジを有する弁体では、弁体と弁座の曲率比によっては流れの振動が発生する可能性がある。また、既存設備に設置されている蒸気加減弁１０６を交換するためには、弁座１０５ごとの交換が必要であるため、弁座１０５を設置する配管も交換する必要があり、交換作業が大掛かりなものとなって交換に要する費用が高かった。また、弁座１０５ごと交換することから、交換によって弁体１０２のリフト量と流体の流量との関係が変化し、交換前と同じ運転方法で発電プラントを運転することができなかった。
【０００７】
本発明は、新しい知見に基づき中間開度で発生する振動を効果的に抑制することができる圧力脈動抑制弁とその弁体１０２を提供することを目的とする。また、振動抑制を十分考慮していなかった既存設備の弁を新しいものと交換する際、弁体のリフト量と流体の流量の関係を変えることがない弁の交換方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、例えば蒸気加減弁等の中間開度における振動をより効果的に防止すべく鋭意研究を行った結果、振動の原因が２種類の流れが短周期で切り換わることによるものではなく、弁体に沿う流れが合流する際の衝突による圧力脈動によるものであることを突き止めた。即ち、流体の流れは弁体の全周にわたって発生し、弁体を通過して合流する。このとき、中間開度においては、弁体を通過する流れは弁体に沿う流れとなり、弁体に比較的近い位置で衝突し、局所的な高圧領域が発生する。この局所的な高圧領域は常に一定の位置にとどまるものではなく、弁体の周方向に移動し、しかもその移動方向は突然逆方向になるので、高圧領域が不規則に変化することになり、これによって圧力脈動が生じて振動を発生させることを見出した。そして、このような圧力脈動を抑えることについて鋭意研究を継続し、弁体の下流側部分の形状を延長すると共に、この延長部分を従来の形状とは逆方向の曲率を付けた形状にすることで、圧力脈動をより効果的に抑制できることを知見し、本発明に到達したものである。
【０００９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の圧力脈動抑制弁は、流体通路の壁面に設けられた弁座と、弁座に対して弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備え、弁体は、弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、縮流部から流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備えるものである。
【００１０】
したがって、弁体に沿って流れる流体は、縮流部から逆曲率部へと流れて弁体を通過する。このとき、逆曲率部の周面はその縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっているので、流れの方向を緩やかに変えて流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けて流し、流体の流れが弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止する。
【００１１】
また、請求項２記載の圧力脈動抑制弁は、縮流部と弁座との間の隙間によって流体の流量が決定されるものである。
【００１２】
したがって、逆曲率部が流体の流量に影響を与えることがない。縮流部の周面はその縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっており、この形状は既存設備に設置されている弁の弁体と共通する。このため、弁体のリフト量（弁の開度）と流体の流量との関係が既存設備に設置されている弁のものと同じになる。
【００１３】
また、請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体は、流体通路の壁面に設けられた弁座に対して弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体であって、弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、縮流部から流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備え、縮流部と弁座との間の隙間によって流体の流量を決定するものである。
【００１４】
したがって、弁体に沿って流れる流体は、縮流部から逆曲率部へと流れて弁体を通過する。このとき、逆曲率部の周面はその縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっているので、流れの方向を緩やかに変えて流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けて流し、流体の流れが弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止する。また、逆曲率部が流体の流量に影響を与えることがなく、しかも縮流部の周面はその縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっていることから既存設備に設置されている弁の弁体の形状と共通するため、既に設置されている弁の弁体と交換しても、弁体のリフト量と流体の流量との関係を維持することができる。
【００１５】
さらに、請求項４記載の弁の交換方法は、既存設備に設置されており、流体通路の壁面に設けられた弁座と、弁座に対して弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備える弁の交換方法において、弁座を交換することなく弁体を請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換するものである。したがって、既に設置されている弁の弁体と交換しても、弁体のリフト量と流体の流量との関係を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
しかして、請求項１記載の圧力脈動抑制弁では、上述のように構成しているので、流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に流すことができる。このため、流体が弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止でき、この衝突に起因した圧力脈動を抑制することができる。この結果、中間開度での流体の圧力脈動を抑制することができ、圧力脈動による圧力感知センサの誤動作や、騒音、振動をより効果的に抑制することができる。
【００１７】
また、請求項２記載の圧力脈動抑制弁では、上述のように構成しているので、弁体のリフト量と流体の流量との関係を既存設備に既に設置されている弁のものと同じにすることができる。このため、既存の弁を設置した設備と同じ弁開度で同じ出力を得ることができ、同じ方法で設備、プラントを運転することができる。
【００１８】
また、請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体では、上述のように構成しているので、流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に流すことができる。このため、流体が弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止でき、この衝突に起因した圧力脈動を抑制することができる。この結果、中間開度での流体の圧力脈動を抑制することができ、圧力脈動による圧力感知センサの誤動作や、騒音、振動をより効果的に抑制することができる。そして、これらの効果は、既存設備に既に設置されている弁に対し、弁体のみの交換によって得ることができるので、交換作業が容易であり、また、交換に要する費用が安く済む。
【００１９】
さらに、請求項４記載の弁の交換方法では、弁座を交換することなく弁体を請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換するので、交換作業が容易で、交換費用が安くすむにもかかわらず、圧力脈動の防止が十分考慮されていなかった既存設備の弁を、圧力脈動の防止が十分考慮された弁に交換することができる。つまり、簡単な作業、安いコストで、既存設備の弁を圧力脈動の抑制をより効果的に行うことができる弁に交換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に、本発明の圧力脈動抑制弁の実施形態の一例を示す。圧力脈動抑制弁１は、流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線Ｌ３方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体５とを備えている。弁体５は、弁座４に当接する部分（シート位置１０）を有し、周面の縦断面形状が弁体５の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部６と、縮流部６から流体通路２の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体５の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部７とを備えている。
【００２２】
本実施形態では、円筒部８の下流側に縮流部６が設けられ、縮流部６の周面の縦断面形状は、弁体５の内部のＯ点を中心とする半径Ｒの曲線となっている。一方、逆曲率部７の周面の縦断面形状は、弁体５の外部のＯ１点を中心とする半径Ｒ１の曲線となっている。また、逆曲率部７の下流側の部分７ａの周面は、流体通路２の壁面３の直線部分３ａと平行又は平行に近い角度に形成されている。さらに、逆曲率部７の先端は弁体５の軸線Ｌ１に対して垂直な平面である端面９となっている。即ち、逆曲率部７の下流側部分７ａの周面は端面９に対して垂直又は垂直に近い角度に形成されている。端面９の直径（幅）Ｗは、圧力脈動抑制弁１が全開状態（図１は中間開度の状態を示す）になった場合に、弁体５の下流側部分７ａが流体通路２の通路面積の最も狭い部分(スロート)になることが無いように設定されている。
【００２３】
縮流部６と逆曲率部７との境界を、図１に符号Ｌ４で示す。また、境界Ｌ４の周面上の点を符号Ａで示す。弁体５の縦断面において、Ａ点はＯ点とＯ１点とを結ぶ線が弁体５の輪郭と交差する点である。境界Ｌ４より上流側の周面が半径Ｒの曲面、境界Ｌ４より下流側の周面が半径Ｒ１の曲面になっている。図中１点鎖線Ｌ２はＯを通りＬ１に垂直な線を示し、境界Ｌ２から角度θの位置にＡ点が設けられている。縮流部６の下流側端と逆曲率部７の上流側端の直径は同じであり、縮流部６と逆曲率部７との間にはほぼ段差はなく、両者の周面は連続している。このため、流体をスムーズに流しながらその方向を変えることができる。
【００２４】
シート位置１０即ち閉弁時に弁座４に当接する位置は、縮流部６に設けられている。本実施形態では、縮流部６のＡ点の近傍、好ましくは角度θよりも若干小さい角度θ１の位置に設けられている。例えば、角度θは４５度、角度θ１は４１度である。
【００２５】
この圧力脈動抑制弁１は、縮流部６と弁座４との間の隙間によって流体の流量を決定する。つまり、全閉状態から全開状態までの全開度において、流体通路２の流路面積が最も狭くなるのは縮流部６と弁座４との間であり、逆曲率部７と弁座４との間で流体通路２の流路面積が最も狭くならないようになっている。
【００２６】
全閉状態では、弁体５は弁座４に当接しており、流体は流れない。この状態から弁体５がリフトすると、弁体５と弁座４の間から流体が流れ始める。弁体５に沿って流れる流体は、縮流部６から逆曲率部７へと流れて弁体５を通過する。このとき、逆曲率部７の周面はその縦断面形状が弁体５の外部に中心を有する曲率の曲線になっており、いわば逆曲率を付けた形状となっているので、流体を流体通路２の壁面３に沿う方向又は弁体５から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けて流し、流体の流れが弁体５に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止する。
【００２７】
ここで、逆曲率部７が無い弁（以下、通常弁という）を図２に示す。なお、図１に示す部材と同一の部材に同一の符号を付している。通常弁１１は、例えば発電プラントの蒸気加減弁等、既存設備に既に設置されている一般的な弁である。通常弁１１の弁体１２の先端部分１３は半径Ｒの半球形状を成しており、その一部分と圧力脈動抑制弁１の弁体５の縮流部６とは同形状である。また、通常弁１１の弁座４と圧力脈動抑制弁１の弁座４も同形状である。つまり、通常弁１１と圧力脈動抑制弁１とを比較すると、圧力脈動抑制弁１の弁体５に当該弁体５を下流側に延長するようにして逆曲率部７を設けた点で相違する。
【００２８】
中間開度、例えば弁から流出する流体の圧力と弁に流入する流体の圧力の比（以下、流出／流入圧力比という）が約０．５以下の超音速流が発生する条件状態では、通常弁１１については、図２に矢印で示すように、弁体１２に沿う流れが弁体１２に近い位置で大きな角度で衝突するように合流する。この位置での合流は、流れの向きが大きく異なるもの同士の合流であるため激しい衝突となり、圧力脈動を発生させる。これに対し、本発明の圧力脈動抑制弁１では逆曲率部７が逆曲率を付けた形状となっているので、弁体５に沿う流体の流れの向きを効果的に変化させ、衝突するような合流を防止することができるので、圧力脈動の発生を効果的に抑制することができる。このため、圧力脈動による圧力感知センサの誤動作や、騒音、振動をより効果的に抑制することができる。
【００２９】
圧力脈動抑制弁１は、シート位置１０を縮流部６に設けており、また、全閉状態から全開状態までの全開度において、流体通路２の流路面積が最も狭くなるのは縮流部６と弁座４との間であり、逆曲率部７と弁座４との間で流体通路２の流路面積が最も狭くならない。これらのため、圧力脈動抑制弁１の弁体５のリフト量と流体の流量の関係は、通常弁１１の弁体１２のリフト量と流体の流量と関係と同じになり、同じ弁開度で同じ出力を得ることができる。したがって、同じ運転方法で設備やプラントの運転を行うことができる。
【００３０】
圧力脈動抑制弁１では、弁体５に沿う流れを弁体５の形状によって制御している。すなわち、弁座４の形状によらずに、逆曲率部７の形状によって弁体５に沿う流れを流体通路２の壁面３に沿う方向又は弁体５から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けている。このため、既存設備に設置されている弁を、本発明の圧力脈動抑制弁１に交換する場合、弁座４の交換を行う必要がなく、弁体５の交換を行えば足りる。このため、弁座４購入費用や、弁座４を交換するための配管工事費用が不要になり、また、交換作業自体も簡単なものとなるので、交換に要するコストが安く済む。
【００３１】
即ち、弁体５を交換用の弁体としても良い。また、既存設備に設置されており、流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線Ｌ３方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体８とを備える弁の交換方法において、弁座４を交換することなく弁体８を上述の弁体５に交換する弁の交換方法としても良い。
【００３２】
本発明の圧力脈動抑制弁１は、例えば発電プラントの蒸気系に設けられている蒸気加減弁として使用することができる。ただし、蒸気加減弁に限るものではなく、流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線Ｌ３方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体５を有する弁に適用可能である。
【００３３】
また、流体の種類は特に制限されるものではなく、蒸気、ガス、空気など、気体、液体のいずれの流体でも適用可能である。
【００３４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の説明では、中間開度で発生する圧力脈動を例にしていたが、中間開度で発生する圧力脈動に限るものではない。つまり、蒸気加減弁とは違う弁において中間開度以外の開度で同じ原理の圧力脈動が発生する場合にも適用できる。
【００３５】
また、上述の説明では、縮流部６の周面の縦断面形状を半径が一定（半径Ｒ）の曲線としたが、半径が変化する曲線としても良い。また、上述の説明では、縮流部６の周面の縦断面形状を中心位置が一定（Ｏ点）の曲線としていたが、中心位置が変化する曲線としても良い。
【００３６】
また、上述の説明では、逆曲率部７の周面の縦断面形状を半径が一定（半径Ｒ１）の曲線としたが、半径が変化する曲線としても良い。また、上述の説明では、逆曲率部７の周面の縦断面形状を中心位置が一定（Ｏ１点）の曲線としていたが、中心位置が変化する曲線としても良い。
【００３７】
また、本発明は、弁座に対して該弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体を備える全ての弁の弁体に対して適用可能であり、例えば図２０や図２１に示す弁のように、弁体と弁棒とを別々に形成して連結したタイプの弁についても適用可能である。
【実施例１】
【００３８】
（１）発電プラント等の蒸気系の蒸気加減弁（図３）の中間開度での流体振動現象に関して、弁体周りの流れ場を高精度かつ安定に計算することができるＣＦＤコードＭＡＴＩＳ（Multi-Dimensional Accurately Time Integration Simulation）を使用して計算を行い、流体として空気を用いた弁体模擬実験を実施した。弁体の振動を考慮しない条件では、弁が中間開度の時に、弁体に流れが付着（弁体付着流、図４）し、それによって局所的なスパイク状の圧力脈動が発生して（図５）、それが配管の周方向に回転して弁に大きな変動力を与えることが新たに判明し、これが弁体の中間開度時に弁体・配管に生じる振動の原因の１つである事が分かった。
【００３９】
次に、これらの圧力脈動の抑制方法について検討した。中間開度における圧力脈動は、弁体付着流の発生が周期的な圧力脈動を引き起こす原因であり、流れを弁座に付着させるか、付着せずに噴流の状態で下流へと流れていけば、弁体付着流が発生しないので、この変動を抑制できるといえる。そこで、幾つかの弁体・弁座の形状を用いて、中間開度時に弁体・弁座の形状が流れ場に与える影響を実験的に調べ、流れ場の乱れが少ない最適な弁体形状の提案を試みた。
【００４０】
前述の通り、スパイク状の圧力脈動は、弁体に付着する流れ（弁体付着流）が原因である事が分かっている。流体が物体に沿って流れようとする効果（コアンダ効果）は、曲率半径の大きな方が大きくなるという事から考えると、弁座の曲率半径が弁体の曲率半径より大きい（弁体半径＜弁座半径）と、流れが弁座側に沿いやすくなり、弁体付着流が発生しにくくなるといえる。
【００４１】
まず、弁座の曲率半径変化の影響を見るために、弁座の曲率半径（即ち弁体と弁座の曲率半径比）をパラメータとして実験を行い、弁座形状のみを変化させた場合の流れ場に与える影響を調べた。次に、弁体そのものの形状を変更させ、積極的に弁体付着流を抑制した場合の効果を見るために、半球状の弁体の他に２種類の弁体を用意して幾つかの弁座形状で実験を行い、流れ場の変動の様子を調べた。その後、上述の実験結果から、スパイク状の圧力脈動を最も抑制できる形状を提案する事とした。
【００４２】
（２）実機との対比
実際のプラントにおける主蒸気加減弁は直径数十ｃｍで、流体も蒸気が用いられており、本実験とはスケール・作動流体が異なる（弁体径φ６０、流体：空気）。また、圧力も実機では約７ＭＰａ、本実験は最大０．５ＭＰａで異なり、弁形状も実験では実機の形状よりも単純化されている。そのため、実機における流れの状態を完全に再現する事は出来ないが、流れ場を支配するパラメータを実機に近づけ基本的な流れ場を模擬する事で、実機に起こりうる不安定現象を把握する事は可能であると言える。
【００４３】
本実験で着目する現象は、超音速領域における流れ場の変動現象であるため、流入速度は流入圧力の大きさで決まるのではなく、流入圧力と流出圧力の比で決定される。更に、スロート部分で流れ場はチョークするので流量はスロート部分断面積で一意的に決定される。つまり、流入流量は弁体の開度によって決まる事となる。以上より、作動流体の違いを除くと、流れ場に最も影響を与えるパラメータは、流入圧力と流出圧力の比と弁体の開度であると考えられるため、これらの量を実機と合わせる事で、実機で起こりうる不安定現象を把握する事は可能であると考えられる。
【００４４】
実際、実機での各出力の流れ場条件は、弁体の開度を弁体シート径（弁中心から弁体と弁座が接触する位置（シート位置）までの距離）で割ったリフト比と流出／流入圧力比によって表され、これらの量をパラメータとして実機と整合を取る事は妥当であると言える。
【００４５】
スケールの違いによる影響に関しては、下流配管位置での流量と配管径を基にしたレイノルズ数が、実機も本研究のスケールも１０５以上であること、スパイク状の圧力脈動は弁体に流れが付着して生じる現象で、乱流が原因で生じる流動現象ではない事から考えて、弁体周辺の流れ場に与えるスケール（レイノルズ数）の影響はそこまで大きくないといえる。
【００４６】
また、流体の違いによる影響であるが、空気と比べると蒸気は密度・音速などが異なる他、比熱などが温度・圧力などに大きく依存する、超音速状態の蒸気の急激な凝縮（凝縮衝撃波）による圧力の上昇が生じる、などがあるが、スパイク状の圧力脈動は流体自身の変動によって発生している現象であるため、発生領域などが若干異なる事はあっても流体に蒸気を用いた際にも発生する事は十分に考えられる。つまり、基本的な現象の把握をするために空気を用いる事は妥当であるといえる。
【００４７】
以上より、リフト比と流出／流入圧力比を実機と合わせることで、基礎的な現象の把握としての空気によるスケール実験実施の妥当性は十分にあると言える。
【００４８】
（３）中間開度における圧力脈動現象の抑制−弁座形状の影響−
弁座形状を変化させた時の流れ場の変化について述べる。なお、中間開度の時に弁体に生じる圧力脈動を表１に示す。
【００４９】
【表１】
（３．１）実験の概要・条件
図６に実験装置の概略図（図６（ａ））及びテストセクションの拡大図（図６（ｂ））を示す。蒸気加減弁を模擬した弁体・弁座を有するテストセクションに高圧の空気を送り込んで、外部へと放出される。また、弁体と弁座がちょうど接した部分を起点とし、そこから弁を開く方向に動かした距離をリフト量と定義する。
【００５０】
図７に弁体（図７（ａ）〜（ｃ））及び弁座（図７（ｄ）〜（ｅ））の拡大図を示す。本実験では、弁体の形状は半径３０ｍｍの半球形状の弁体を用いた。中心から３０°の位置（半径１５ｍｍの位置）に周方向に９０°間隔で４カ所の圧力測定用の孔を設けており、そのそれぞれをＡ１〜Ａ４と呼ぶことにする。弁座は弁体と接する部分が、内側に凸の球面形状であり、曲面が終わる直下流部分に、弁体と同じ位置になるよう４カ所の静圧測定孔を設けている。そのそれぞれをＢ１〜Ｂ４と呼ぶことにする。
【００５１】
図８（ａ）〜（ｄ）に実験を行った弁座の形状を示す。弁座部の半径はｒ＝２１、３０、３９、９０ｍｍとなっており、弁座／弁体半径比はそれぞれ０．７、１．０、１．３、３．０となっている（シート径はそれぞれ４９．２、５０．８、５２．０、５５．４ｍｍ）。前述のように、スパイク状の圧力脈動は、弁体に付着する流れ（弁体付着流）が原因である事が分かったので、物体に沿って流れようとする効果（コアンダ効果）は、曲率半径のより大きな弁座ほど弁体付着流が抑制される事が予想される。パラメータとして、流入圧力を０．２５、０．３、０．４、０．５ＭＰａ（流出／流入圧力比０．４０、０．３３、０．２５、０．２０）と変化させ、そのそれぞれの流入圧力において、小〜中間開度にあたるリフト比領域で、リフト量を変えて何点か計測を実施した。表２に実験の主な条件をまとめておく。なお、今回対象としているのは、流れ場がチョークして超音速流となる弁体の小〜中間開度時であるため、実験もチョーク状態となる小〜中間開度時のリフト比の範囲で実施した。
【表２】
【００５２】
（３．２）実験結果
図９（ａ）〜（ｄ）は、リフト量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中●は弁体部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。変動の発生の有無は、測定した圧力の平均値と標準偏差σを求め、測定の平均値よりも３σ以上離れている値が、測定結果から判断して１．５％以上あるものを、変動が発生している条件とした。なお、弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）の時は、リフト量を０ｍｍから増加させて実験した時はスパイク状の変動が発生し、大開度から減少させて実験した時は安定した流れ場になるというヒステリシスが見られたので、保守側の結果としてスパイク状の圧力脈動が発生した時の値を採用した。図から、今回実験を行った全ての弁座の形状において、特定のリフト量の領域でスパイク状の圧力脈動が発生し、流入圧力が小さいほど変動が発生するリフト量の領域が広く、その圧力脈動の大きさが小さくなっていることが分かる。また、全ての流入圧力条件において、圧力脈動が発生している時、変動の発生位置がリフト量の増加と共に弁体部分から弁座部分へと移行しており、圧力脈動の位置がリフト量の増加と共に配管壁面側に移動しているという事がここからも分かる。弁座形状の変化の影響を見てみると、弁座半径が２１〜３９ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７〜１．３）の範囲では流れ場の状態に殆ど変化は見られない。弁座半径を９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）まで大きくすることで、ようやくスパイク状の圧力脈動が発生する領域が狭くなり、その大きさも小さくなったが、完全にスパイク状の圧力脈動を抑制する事は出来なかった。
【００５３】
図９のように、リフト量を横軸に取ると、圧力脈動の発生する領域が流入圧力に大きく依存しているため、リフト量から算出した質量流量を横軸として特性マップを描き直した。その図を図１０に示す。図から、スパイク状の圧力脈動の発生する質量流量の領域は流入圧力にあまり依存せず、各弁座で領域の大小はあるものの、特定の質量流量領域でスパイク状の変動が発生している事が分かる。つまり、半球形状の弁体では、今回実験を行った全ての弁座でスパイク状の変動が発生するといえる。
【００５４】
図１１は、横軸を質量流量とした時の、弁体壁面静圧（Ａ１〜Ａ４）、及び弁座壁面静圧（Ｂ１〜Ｂ４）のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（二乗平均振幅）をプロットしたものである。弁体（Ａ１〜Ａ４）の圧力脈動を見てみると、弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）以外の弁座形状では、０．１ｋｇ／ｓ付近で圧力脈動のピークを持ち、その後、なだらかに減衰している。また、弁座側の圧力脈動（Ｂ１〜Ｂ４）を見ると、０．２ｋｇ／ｓ近傍でピークを持っている。つまり、流量の増加と共に、圧力脈動のピークが弁体側から弁座側へと移動していると考えられる。これは、図１０と同様の結果となっており、Ｒ．Ｍ．Ｓ．振幅のピークはスパイク状の圧力脈動が原因であると考えられる。弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）では、スパイク状の圧力脈動が発生しない流入圧力０．２５ＭＰａの時は、Ｒ．Ｍ．Ｓ．振幅は全域において小さな値であり、その他の流入圧力でも若干の振幅の盛り上がりはあるものの、他の弁座に比べるとＲ．Ｍ．Ｓ．振幅は小さくなっており、スパイク状の圧力脈動の発生領域も狭くなっているといえる。以上より、弁座半径を大きく変化させる事でスパイク状の発生領域は狭くなり、また、その振幅も小さくなる事が判明したが、今回実施した弁座半径では、スパイク状の圧力脈動を完全に抑制できる事は出来なかった。言い換えると、半球状の弁体形状では、弁座／弁体半径比を３．０にまで大きくしてもスパイク状の圧力脈動を抑制できないため、極端に弁体形状を変更できない場合には新たな弁体形状を提案する必要があると言える。
【００５５】
（４）中間開度における圧力脈動現象の抑制−弁体形状の影響−
弁体形状を変化させた時の流れ場の変化について述べる。
【００５６】
（４．１）実験の概要・条件
図１２（ａ）〜（ｂ）に、実験を実施した弁体形状の概略図を示す。弁体は、半球状の弁体形状（通常弁、normal valve）の他に、通常弁と同形状で４５°の位置で切り落とした切断弁（cut valve）、４５°の位置まで通常弁と同形状でその後の部分を半径１８．４ｍｍで逆に曲率半径を付けた延長弁（extendedvalve）の３種類である。前記（１）で述べたように、弁体形状を変更する事で積極的に弁体付着流を抑制する事を目的としているので、
（ａ）弁体に流れが沿う事のないようにする（切断弁、cut valve）
（ｂ）弁体に流れが沿ったとしても、弁体通過後の流れが衝突することなく下流へと流れていく（延長弁、extended valve）
という考え方で２形状を決めた。ただし、シート径は通常弁と同じであり、リフト量に対して流れる質量流量は３形状とも同じである。また、弁座の形状に関しては、弁座／弁体半径比が最も小さな弁座（弁座半径＝２１ｍｍ、弁座／弁体半径比＝０．７）形状と、最も弁座／弁体半径比が大きな弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比＝３．０）の２種類で実験を実施した。新形状弁はその形状から弁体部に静圧孔を設けても乱れの少ない超音速領域しか測定できないため、以降の結果で示される圧力脈動は全て弁座壁面側（Ｂ１〜Ｂ４）の値である。
【００５７】
（４．２）実験結果−弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比＝０．７）−
図１３（ａ）〜（ｃ）は質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である（弁体部には静圧孔を設けていないため、弁体部に変動が発生した条件は考慮していない）。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。図から、切断弁の変動発生領域は、弁座半径が２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７）の弁座での実験では、通常弁でスパイク状の圧力脈動が発生している領域と殆ど変化が無く、その変動の大きさにもあまり差がない。一方、延長弁では測定した全域においてスパイク状の圧力脈動は発生しておらず、安定した流れ場を形成している。
【００５８】
図１４は、それぞれの弁体の圧力のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅である。先述のように、切断弁は弁座半径が小さいと通常弁と殆ど変わらない流れ場の特性を示すため、Ｒ．Ｍ．Ｓ．振幅も通常弁と殆ど変わらないことがこの図からも分かる。また、延長弁に関しては流れ場に大きな圧力脈動が発生しないために小さな振幅となっている事が分かる。
【００５９】
この状態の流れ場を確認するために、流入圧力０．５ＭＰａ、リフト量１．６ｍｍの条件（通常弁でスパイク状の圧力脈動が発生する条件）において、３次元流体解析コードＭＡＴＩＳで切断弁・延長弁の流れ場を計算した。その時の計算格子を図１５に、マッハ数等高線と静圧の分布を図１６に示す。図から、切断弁では、弁体を通過した流れが噴流となって互いに衝突している様子が分かる。また、それによって流れが偏って局所的な高圧が発生している。一方、延長弁では流れが強制的に弁座に付着させられており、噴流同士の衝突が起きていないため、大きな圧力脈動が生じていない。これらの理由として、弁体先端を切り取って弁体付着流を作らない切断弁でも、弁座側の曲率半径が弁体側より小さい、つまり弁座半径＜弁体半径の時には流れが配管中心方向に向かってしまい、弁体通過後の噴流が下流へとスムーズに流れずに、噴流同士が衝突して圧力脈動が生じてしまう。一方、流れを強制的に弁座側へと沿わせる延長弁では、弁体通過後の噴流同士を衝突させる事はないので圧力脈動が生じない、という事が考えられる。また、延長弁に関しては流れ場に大きな圧力脈動が発生しないために小さな振幅となっている事が分かる。
【００６０】
以上より、弁座半径が２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７）の時は、切断弁では流れが弁座側に沿いにくい為に弁体通過後の噴流が互いに衝突して通常弁と変わらない流れ場の傾向となり、延長弁では強制的に弁座付着流を形成するために流れ場に大きな圧力脈動が発生しない事が判明した。また、大きな圧力脈動が発生しない延長弁の流れ場では、スパイク状の圧力脈動が発生する通常弁や切断弁と比べるとその振幅がかなり小さくなる事も判明した。
【００６１】
（４．３）実験結果−弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比＝３．０）−
図１７（ａ）〜（ｃ）は質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である（弁体部には静圧孔を設けていないため、弁体部に変動が発生した条件は考慮していない）。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。図から、切断弁・延長弁ともに実験の範囲全域でスパイク状の圧力脈動は発生しておらず、安定した流れ場を形成している事が分かる。
【００６２】
図１８は、各弁体の圧力のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅である。通常弁では、前述の通り弁座半径９０ｍｍの時に、リフト増加時と減少時でヒステリシスが見られたので、リフト増加時と減少時でＲ．Ｍ．Ｓ．振幅が異なっている。図から、切断弁・延長弁のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅は、通常弁のリフト減少時、つまりスパイク状の圧力脈動が発生していない安定な流れ場の時とほぼ同じ値となっていて低い振幅となっており、切断弁・延長弁ともスパイク状の圧力脈動が発生しておらず、安定な流れ場を形成しているといえる。
【００６３】
この状態の流れ場を確認するために、先ほどと同様にＭＡＴＩＳコードを用いて計算を実施して流れ場の状況を確認した。その時のマッハ数等高線と静圧の分布を図１９に示す。図から分かるように、切断弁・延長弁共に弁座付着流となって噴流は衝突せずに安定した流れ場を形成している。これらから考えて、切断弁は、弁座半径が２１ｍｍ（弁座／弁体半径比＝０．７）の時には通常弁と同様の傾向であったが、弁座半径が９０ｍｍと大きくなった事で、流れが弁座側に沿いやすくなって弁座付着流となり、噴流が衝突しなくなったために安定な流れ場になったと考えられる。
【００６４】
以上より、弁座半径が９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）の時は、切断弁・延長弁ともに弁座付着流を形成し、スパイク状の圧力脈動が発生しない安定した流れ場となる事が判明した。
【００６５】
（５）中間開度での圧力脈動に対する弁体・弁座形状の影響のまとめ
表３に弁体・弁座形状が流れ場に与える影響をまとめておく。表からも明らかなように、通常弁では弁座形状を大きく変更（弁座／弁体半径比０．７→３．０）しても、弁体付着流によるスパイク状の圧力脈動を抑制する事が出来ない。また、切断弁では弁座／弁体半径比が３．０の時には弁体付着流を抑制する事は出来たが、弁座／弁体半径比０．７の時は、通常弁とほぼ同じ領域でスパイク状の圧力脈動が発生している。しかし、長尺弁を用いることで、弁座／弁体半径比に関係なく弁体付着流を抑制でき、安定した流れ場を形成できる事が判明した。
【表３】
【００６６】
以上から、弁の中間開度時に発生する弁体付着流によるスパイク状の圧力脈動を最も効果的に抑制できる弁形状は、流れの方向を強制的に変更させる延長弁であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の圧力脈動抑制弁の実施形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】既存設備に設置されている弁の縦断面図である。
【図３】既存設備に設置されている蒸気加減弁の中間開度における概略図である。
【図４】圧力分布と速度ベクトルを説明するための図で、（ａ）は安定な流れ場についての図、（ｂ）は不安定な流れ場についての図である。
【図５】スパイク状の圧力脈動の伝播を説明するための図で、（ａ）は弁座壁面のＢ１〜Ｂ４点の位置を説明する図、（ｂ）は弁座壁面のＢ１点における圧力の時間履歴を示す図、（ｃ）は弁座壁面のＢ２点における圧力の時間履歴を示す図、（ｄ）は弁座壁面のＢ３点における圧力の時間履歴を示す図、（ｅ）は弁座壁面のＢ４点における圧力の時間履歴を示す図である。
【図６】（ａ）は実験装置の概要図、（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は弁体の静圧測定位置を示し、（ａ）は弁体の縦断面図、（ｂ）は弁体の側面図、（ｃ）は弁体の底面図であり、（ｄ）〜（ｅ）は弁座の静圧測定位置を示し、（ｄ）は弁座の縦断面図、（ｅ）は弁座の底面図である。
【図８】弁座形状の概略を示し、（ａ）は半径２１ｍｍの弁座形状を示す縦断面図、（ｂ）は半径３０ｍｍの弁座形状を示す縦断面図、（ｃ）は半径３９ｍｍの弁座形状を示す縦断面図、（ｄ）は半径９０ｍｍの弁座形状を示す縦断面図である。
【図９】リフト量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップで、（ａ）は弁座半径が２１ｍｍの場合の特性マップ、（ｂ）は弁座半径が３０ｍｍの場合の特性マップ、（ｃ）は弁座半径が３９ｍｍの場合の特性マップ、（ｄ）は弁座半径が９０ｍｍの場合の特性マップである。
【図１０】図９のマップを質量流量を横軸として描き直した特性マップで、（ａ）は弁座半径が２１ｍｍの場合の特性マップ、（ｂ）は弁座半径が３０ｍｍの場合の特性マップ、（ｃ）は弁座半径が３９ｍｍの場合の特性マップ、（ｄ）は弁座半径が９０ｍｍの場合の特性マップである。
【図１１】各位置Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４における圧力脈動のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（横軸：質量流量）を示す図である。
【図１２】実験に使用した弁体の形状を示し、（ａ）は通常弁の縦断面図、（ｂ）は切断弁の縦断面図、（ｃ）は延長弁の縦断面図である。
【図１３】質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップ（弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７））で、（ａ）は通常弁の特性マップ、（ｂ）は切断弁の特性マップ、（ｃ）は延長弁の特性マップである。なお、比較のため弁体部分での圧力脈動発生は考慮していない。
【図１４】圧力脈動のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（横軸：質量流量）を示す図（弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７））である。
【図１５】ＭＡＴＩＳコード用計算格子を示す図である。
【図１６】マッハ数等高線と静圧の分布を示す図（弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７））である。
【図１７】質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップ（弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０））で、（ａ）は通常弁の特性マップ、（ｂ）は切断弁の特性マップ、（ｃ）は延長弁の特性マップである。なお、比較のため弁体部分での圧力脈動発生は考慮していない。
【図１８】圧力脈動のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（横軸：質量流量）を示す図（弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０））である。
【図１９】マッハ数等高線と静圧の分布を示す図（弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０））である。
【図２０】従来の蒸気加減弁の縦断面図である。
【図２１】従来の他の蒸気加減弁の縦断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 圧力脈動抑制弁
２ 流体通路
３ 流体通路の壁面
４ 弁座
５ 弁体
６ 縮流部
７ 逆曲率部
１０ シート位置（弁座に当接する部分）
Ｌ３ 弁座の軸線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力脈動抑制弁、圧力脈動抑制弁の弁体、および弁の交換方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、弁座に弁体を押し付けることで流体通路を閉じると共に、弁体のリフト量を変えることで流体の流量を変化させるタイプの弁とその弁体、および、既存設備に既に設置されている弁であって、弁座に弁体を押し付けることで流体通路を閉じると共に、弁体のリフト量を変えることで流体の流量を変化させるタイプの弁の交換方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、発電プラントの蒸気系の蒸気加減弁では、中間開度において振動が発生することが知られている。従来、このような振動を抑制するための蒸気加減弁として、例えば特公昭５８−４４９０９号公報に開示されたものがある。この蒸気加減弁を図２０に示す。蒸気加減弁１０１の弁体１０２の先端部分は、半球体の先端を流体通路１０３の軸線方向に対して垂直に切断した形状を成しており、その先端面に凹部１０８を形成することで全周にわたってエッジ部１０４を形成している。また、弁座１０５は、弁体１０２と当たる部分の付近では流体通路１０３を絞る形状を成しているが、その下流側は滑らかな曲線を有しながら徐々に広がる形状を成している。
【０００３】
この蒸気加減弁１０１は、中間開度において、流体の流れが短周期で繰り返し変化することに起因した振動を防止することを目的としたものである。つまり、蒸気加減弁１０１の中間開度においては、弁体１０２に沿って流れていた流体がそのまま弁体１０２に沿って流れる場合と、途中で弁体１０２側から剥離して弁座１０５側に沿って流れる場合とがあり、両者の流れが交互に切り換えられて繰り返されることで振動が発生すると考えられており、このような振動の発生防止を蒸気加減弁１０１は目的としている。このため、弁体１０２のエッジ部１０４を、弁体１０２に沿う流れが弁体１０２から剥離する剥離点よりも上流側に形成し、流体が安定して流れるようにすることで、振動の発生防止を図っている。
【０００４】
また、特公昭５８−４４９０９号公報において、従来技術として紹介されている蒸気加減弁１０６を図２１に示す。この蒸気加減弁１０６の弁座１０７は、図２０の蒸気加減弁１０１の弁座１０５とは異なった形状を成している。このため、既存の設備に図２１の蒸気加減弁１０６が既に設置されていた場合、この蒸気加減弁１０６を中間開度における振動を防止するために図２０の蒸気加減弁１０１に交換するには、弁体１０２のみならず弁座１０５をも交換する必要があり、このため、弁座１０５を設置する配管ごと交換する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特公昭５８−４４９０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の蒸気加減弁１０１のようにエッジを有する弁体では、弁体と弁座の曲率比によっては流れの振動が発生する可能性がある。また、既存設備に設置されている蒸気加減弁１０６を交換するためには、弁座１０５ごとの交換が必要であるため、弁座１０５を設置する配管も交換する必要があり、交換作業が大掛かりなものとなって交換に要する費用が高かった。また、弁座１０５ごと交換することから、交換によって弁体１０２のリフト量と流体の流量との関係が変化し、交換前と同じ運転方法で発電プラントを運転することができなかった。
【０００７】
本発明は、新しい知見に基づき中間開度で発生する振動を効果的に抑制することができる圧力脈動抑制弁とその弁体１０２を提供することを目的とする。また、振動抑制を十分考慮していなかった既存設備の弁を新しいものと交換する際、弁体のリフト量と流体の流量の関係を変えることがない弁の交換方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、例えば蒸気加減弁等の中間開度における振動をより効果的に防止すべく鋭意研究を行った結果、振動の原因が２種類の流れが短周期で切り換わることによるものではなく、弁体に沿う流れが合流する際の衝突による圧力脈動によるものであることを突き止めた。即ち、流体の流れは弁体の全周にわたって発生し、弁体を通過して合流する。このとき、中間開度においては、弁体を通過する流れは弁体に沿う流れとなり、弁体に比較的近い位置で衝突し、局所的な高圧領域が発生する。この局所的な高圧領域は常に一定の位置にとどまるものではなく、弁体の周方向に移動し、しかもその移動方向は突然逆方向になるので、高圧領域が不規則に変化することになり、これによって圧力脈動が生じて振動を発生させることを見出した。そして、このような圧力脈動を抑えることについて鋭意研究を継続し、弁体の下流側部分の形状を延長すると共に、この延長部分を従来の形状とは逆方向の曲率を付けた形状にすることで、圧力脈動をより効果的に抑制できることを知見し、本発明に到達したものである。
【０００９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の圧力脈動抑制弁は、流体通路の壁面に設けられた弁座と、弁座に対して弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備え、弁体は、弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、縮流部から流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備えるものである。
【００１０】
したがって、弁体に沿って流れる流体は、縮流部から逆曲率部へと流れて弁体を通過する。このとき、逆曲率部の周面はその縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっているので、流れの方向を緩やかに変えて流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けて流し、流体の流れが弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止する。
【００１１】
また、請求項２記載の圧力脈動抑制弁は、縮流部と弁座との間の隙間によって流体の流量が決定されるものである。
【００１２】
したがって、逆曲率部が流体の流量に影響を与えることがない。縮流部の周面はその縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっており、この形状は既存設備に設置されている弁の弁体と共通する。このため、弁体のリフト量（弁の開度）と流体の流量との関係が既存設備に設置されている弁のものと同じになる。
【００１３】
また、請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体は、流体通路の壁面に設けられた弁座に対して弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体であって、弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、縮流部から流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備え、縮流部と弁座との間の隙間によって流体の流量を決定するものである。
【００１４】
したがって、弁体に沿って流れる流体は、縮流部から逆曲率部へと流れて弁体を通過する。このとき、逆曲率部の周面はその縦断面形状が弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっているので、流れの方向を緩やかに変えて流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けて流し、流体の流れが弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止する。また、逆曲率部が流体の流量に影響を与えることがなく、しかも縮流部の周面はその縦断面形状が弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっていることから既存設備に設置されている弁の弁体の形状と共通するため、既に設置されている弁の弁体と交換しても、弁体のリフト量と流体の流量との関係を維持することができる。
【００１５】
さらに、請求項４記載の弁の交換方法は、既存設備に設置されており、流体通路の壁面に設けられた弁座と、弁座に対して弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備える弁の交換方法において、弁座を交換することなく弁体を請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換するものである。したがって、既に設置されている弁の弁体と交換しても、弁体のリフト量と流体の流量との関係を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
しかして、請求項１記載の圧力脈動抑制弁では、上述のように構成しているので、流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に流すことができる。このため、流体が弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止でき、この衝突に起因した圧力脈動を抑制することができる。この結果、中間開度での流体の圧力脈動を抑制することができ、圧力脈動による圧力感知センサの誤動作や、騒音、振動をより効果的に抑制することができる。
【００１７】
また、請求項２記載の圧力脈動抑制弁では、上述のように構成しているので、弁体のリフト量と流体の流量との関係を既存設備に既に設置されている弁のものと同じにすることができる。このため、既存の弁を設置した設備と同じ弁開度で同じ出力を得ることができ、同じ方法で設備、プラントを運転することができる。
【００１８】
また、請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体では、上述のように構成しているので、流体を流体通路の壁面に沿う方向、又は弁体から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に流すことができる。このため、流体が弁体に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止でき、この衝突に起因した圧力脈動を抑制することができる。この結果、中間開度での流体の圧力脈動を抑制することができ、圧力脈動による圧力感知センサの誤動作や、騒音、振動をより効果的に抑制することができる。そして、これらの効果は、既存設備に既に設置されている弁に対し、弁体のみの交換によって得ることができるので、交換作業が容易であり、また、交換に要する費用が安く済む。
【００１９】
さらに、請求項４記載の弁の交換方法では、弁座を交換することなく弁体を請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換するので、交換作業が容易で、交換費用が安くすむにもかかわらず、圧力脈動の防止が十分考慮されていなかった既存設備の弁を、圧力脈動の防止が十分考慮された弁に交換することができる。つまり、簡単な作業、安いコストで、既存設備の弁を圧力脈動の抑制をより効果的に行うことができる弁に交換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に、本発明の圧力脈動抑制弁の実施形態の一例を示す。圧力脈動抑制弁１は、流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線Ｌ３方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体５とを備えている。弁体５は、弁座４に当接する部分（シート位置１０）を有し、周面の縦断面形状が弁体５の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部６と、縮流部６から流体通路２の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が弁体５の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部７とを備えている。
【００２２】
本実施形態では、円筒部８の下流側に縮流部６が設けられ、縮流部６の周面の縦断面形状は、弁体５の内部のＯ点を中心とする半径Ｒの曲線となっている。一方、逆曲率部７の周面の縦断面形状は、弁体５の外部のＯ１点を中心とする半径Ｒ１の曲線となっている。また、逆曲率部７の下流側の部分７ａの周面は、流体通路２の壁面３の直線部分３ａと平行又は平行に近い角度に形成されている。さらに、逆曲率部７の先端は弁体５の軸線Ｌ１に対して垂直な平面である端面９となっている。即ち、逆曲率部７の下流側部分７ａの周面は端面９に対して垂直又は垂直に近い角度に形成されている。端面９の直径（幅）Ｗは、圧力脈動抑制弁１が全開状態（図１は中間開度の状態を示す）になった場合に、弁体５の下流側部分７ａが流体通路２の通路面積の最も狭い部分(スロート)になることが無いように設定されている。
【００２３】
縮流部６と逆曲率部７との境界を、図１に符号Ｌ４で示す。また、境界Ｌ４の周面上の点を符号Ａで示す。弁体５の縦断面において、Ａ点はＯ点とＯ１点とを結ぶ線が弁体５の輪郭と交差する点である。境界Ｌ４より上流側の周面が半径Ｒの曲面、境界Ｌ４より下流側の周面が半径Ｒ１の曲面になっている。図中１点鎖線Ｌ２はＯを通りＬ１に垂直な線を示し、境界Ｌ２から角度θの位置にＡ点が設けられている。縮流部６の下流側端と逆曲率部７の上流側端の直径は同じであり、縮流部６と逆曲率部７との間にはほぼ段差はなく、両者の周面は連続している。このため、流体をスムーズに流しながらその方向を変えることができる。
【００２４】
シート位置１０即ち閉弁時に弁座４に当接する位置は、縮流部６に設けられている。本実施形態では、縮流部６のＡ点の近傍、好ましくは角度θよりも若干小さい角度θ１の位置に設けられている。例えば、角度θは４５度、角度θ１は４１度である。
【００２５】
この圧力脈動抑制弁１は、縮流部６と弁座４との間の隙間によって流体の流量を決定する。つまり、全閉状態から全開状態までの全開度において、流体通路２の流路面積が最も狭くなるのは縮流部６と弁座４との間であり、逆曲率部７と弁座４との間で流体通路２の流路面積が最も狭くならないようになっている。
【００２６】
全閉状態では、弁体５は弁座４に当接しており、流体は流れない。この状態から弁体５がリフトすると、弁体５と弁座４の間から流体が流れ始める。弁体５に沿って流れる流体は、縮流部６から逆曲率部７へと流れて弁体５を通過する。このとき、逆曲率部７の周面はその縦断面形状が弁体５の外部に中心を有する曲率の曲線になっており、いわば逆曲率を付けた形状となっているので、流体を流体通路２の壁面３に沿う方向又は弁体５から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けて流し、流体の流れが弁体５に近い位置で大きな角度で衝突するのを防止する。
【００２７】
ここで、逆曲率部７が無い弁（以下、通常弁という）を図２に示す。なお、図１に示す部材と同一の部材に同一の符号を付している。通常弁１１は、例えば発電プラントの蒸気加減弁等、既存設備に既に設置されている一般的な弁である。通常弁１１の弁体１２の先端部分１３は半径Ｒの半球形状を成しており、その一部分と圧力脈動抑制弁１の弁体５の縮流部６とは同形状である。また、通常弁１１の弁座４と圧力脈動抑制弁１の弁座４も同形状である。つまり、通常弁１１と圧力脈動抑制弁１とを比較すると、圧力脈動抑制弁１の弁体５に当該弁体５を下流側に延長するようにして逆曲率部７を設けた点で相違する。
【００２８】
中間開度、例えば弁から流出する流体の圧力と弁に流入する流体の圧力の比（以下、流出／流入圧力比という）が約０．５以下の超音速流が発生する条件状態では、通常弁１１については、図２に矢印で示すように、弁体１２に沿う流れが弁体１２に近い位置で大きな角度で衝突するように合流する。この位置での合流は、流れの向きが大きく異なるもの同士の合流であるため激しい衝突となり、圧力脈動を発生させる。これに対し、本発明の圧力脈動抑制弁１では逆曲率部７が逆曲率を付けた形状となっているので、弁体５に沿う流体の流れの向きを効果的に変化させ、衝突するような合流を防止することができるので、圧力脈動の発生を効果的に抑制することができる。このため、圧力脈動による圧力感知センサの誤動作や、騒音、振動をより効果的に抑制することができる。
【００２９】
圧力脈動抑制弁１は、シート位置１０を縮流部６に設けており、また、全閉状態から全開状態までの全開度において、流体通路２の流路面積が最も狭くなるのは縮流部６と弁座４との間であり、逆曲率部７と弁座４との間で流体通路２の流路面積が最も狭くならない。これらのため、圧力脈動抑制弁１の弁体５のリフト量と流体の流量の関係は、通常弁１１の弁体１２のリフト量と流体の流量と関係と同じになり、同じ弁開度で同じ出力を得ることができる。したがって、同じ運転方法で設備やプラントの運転を行うことができる。
【００３０】
圧力脈動抑制弁１では、弁体５に沿う流れを弁体５の形状によって制御している。すなわち、弁座４の形状によらずに、逆曲率部７の形状によって弁体５に沿う流れを流体通路２の壁面３に沿う方向又は弁体５から十分離れた位置で小さな角度で合流する方向に向けている。このため、既存設備に設置されている弁を、本発明の圧力脈動抑制弁１に交換する場合、弁座４の交換を行う必要がなく、弁体５の交換を行えば足りる。このため、弁座４購入費用や、弁座４を交換するための配管工事費用が不要になり、また、交換作業自体も簡単なものとなるので、交換に要するコストが安く済む。
【００３１】
即ち、弁体５を交換用の弁体としても良い。また、既存設備に設置されており、流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線Ｌ３方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体８とを備える弁の交換方法において、弁座４を交換することなく弁体８を上述の弁体５に交換する弁の交換方法としても良い。
【００３２】
本発明の圧力脈動抑制弁１は、例えば発電プラントの蒸気系に設けられている蒸気加減弁として使用することができる。ただし、蒸気加減弁に限るものではなく、流体通路２の壁面３に設けられた弁座４と、弁座４に対して弁座４の軸線Ｌ３方向上流側から当接して流体通路２を閉じる弁体５を有する弁に適用可能である。
【００３３】
また、流体の種類は特に制限されるものではなく、蒸気、ガス、空気など、気体、液体のいずれの流体でも適用可能である。
【００３４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の説明では、中間開度で発生する圧力脈動を例にしていたが、中間開度で発生する圧力脈動に限るものではない。つまり、蒸気加減弁とは違う弁において中間開度以外の開度で同じ原理の圧力脈動が発生する場合にも適用できる。
【００３５】
また、上述の説明では、縮流部６の周面の縦断面形状を半径が一定（半径Ｒ）の曲線としたが、半径が変化する曲線としても良い。また、上述の説明では、縮流部６の周面の縦断面形状を中心位置が一定（Ｏ点）の曲線としていたが、中心位置が変化する曲線としても良い。
【００３６】
また、上述の説明では、逆曲率部７の周面の縦断面形状を半径が一定（半径Ｒ１）の曲線としたが、半径が変化する曲線としても良い。また、上述の説明では、逆曲率部７の周面の縦断面形状を中心位置が一定（Ｏ１点）の曲線としていたが、中心位置が変化する曲線としても良い。
【００３７】
また、本発明は、弁座に対して該弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体を備える全ての弁の弁体に対して適用可能であり、例えば図２０や図２１に示す弁のように、弁体と弁棒とを別々に形成して連結したタイプの弁についても適用可能である。
【実施例１】
【００３８】
（１）発電プラント等の蒸気系の蒸気加減弁（図３）の中間開度での流体振動現象に関して、弁体周りの流れ場を高精度かつ安定に計算することができるＣＦＤコードＭＡＴＩＳ（Multi-Dimensional Accurately Time Integration Simulation）を使用して計算を行い、流体として空気を用いた弁体模擬実験を実施した。弁体の振動を考慮しない条件では、弁が中間開度の時に、弁体に流れが付着（弁体付着流、図４）し、それによって局所的なスパイク状の圧力脈動が発生して（図５）、それが配管の周方向に回転して弁に大きな変動力を与えることが新たに判明し、これが弁体の中間開度時に弁体・配管に生じる振動の原因の１つである事が分かった。
【００３９】
次に、これらの圧力脈動の抑制方法について検討した。中間開度における圧力脈動は、弁体付着流の発生が周期的な圧力脈動を引き起こす原因であり、流れを弁座に付着させるか、付着せずに噴流の状態で下流へと流れていけば、弁体付着流が発生しないので、この変動を抑制できるといえる。そこで、幾つかの弁体・弁座の形状を用いて、中間開度時に弁体・弁座の形状が流れ場に与える影響を実験的に調べ、流れ場の乱れが少ない最適な弁体形状の提案を試みた。
【００４０】
前述の通り、スパイク状の圧力脈動は、弁体に付着する流れ（弁体付着流）が原因である事が分かっている。流体が物体に沿って流れようとする効果（コアンダ効果）は、曲率半径の大きな方が大きくなるという事から考えると、弁座の曲率半径が弁体の曲率半径より大きい（弁体半径＜弁座半径）と、流れが弁座側に沿いやすくなり、弁体付着流が発生しにくくなるといえる。
【００４１】
まず、弁座の曲率半径変化の影響を見るために、弁座の曲率半径（即ち弁体と弁座の曲率半径比）をパラメータとして実験を行い、弁座形状のみを変化させた場合の流れ場に与える影響を調べた。次に、弁体そのものの形状を変更させ、積極的に弁体付着流を抑制した場合の効果を見るために、半球状の弁体の他に２種類の弁体を用意して幾つかの弁座形状で実験を行い、流れ場の変動の様子を調べた。その後、上述の実験結果から、スパイク状の圧力脈動を最も抑制できる形状を提案する事とした。
【００４２】
（２）実機との対比
実際のプラントにおける主蒸気加減弁は直径数十ｃｍで、流体も蒸気が用いられており、本実験とはスケール・作動流体が異なる（弁体径φ６０、流体：空気）。また、圧力も実機では約７ＭＰａ、本実験は最大０．５ＭＰａで異なり、弁形状も実験では実機の形状よりも単純化されている。そのため、実機における流れの状態を完全に再現する事は出来ないが、流れ場を支配するパラメータを実機に近づけ基本的な流れ場を模擬する事で、実機に起こりうる不安定現象を把握する事は可能であると言える。
【００４３】
本実験で着目する現象は、超音速領域における流れ場の変動現象であるため、流入速度は流入圧力の大きさで決まるのではなく、流入圧力と流出圧力の比で決定される。更に、スロート部分で流れ場はチョークするので流量はスロート部分断面積で一意的に決定される。つまり、流入流量は弁体の開度によって決まる事となる。以上より、作動流体の違いを除くと、流れ場に最も影響を与えるパラメータは、流入圧力と流出圧力の比と弁体の開度であると考えられるため、これらの量を実機と合わせる事で、実機で起こりうる不安定現象を把握する事は可能であると考えられる。
【００４４】
実際、実機での各出力の流れ場条件は、弁体の開度を弁体シート径（弁中心から弁体と弁座が接触する位置（シート位置）までの距離）で割ったリフト比と流出／流入圧力比によって表され、これらの量をパラメータとして実機と整合を取る事は妥当であると言える。
【００４５】
スケールの違いによる影響に関しては、下流配管位置での流量と配管径を基にしたレイノルズ数が、実機も本研究のスケールも１０５以上であること、スパイク状の圧力脈動は弁体に流れが付着して生じる現象で、乱流が原因で生じる流動現象ではない事から考えて、弁体周辺の流れ場に与えるスケール（レイノルズ数）の影響はそこまで大きくないといえる。
【００４６】
また、流体の違いによる影響であるが、空気と比べると蒸気は密度・音速などが異なる他、比熱などが温度・圧力などに大きく依存する、超音速状態の蒸気の急激な凝縮（凝縮衝撃波）による圧力の上昇が生じる、などがあるが、スパイク状の圧力脈動は流体自身の変動によって発生している現象であるため、発生領域などが若干異なる事はあっても流体に蒸気を用いた際にも発生する事は十分に考えられる。つまり、基本的な現象の把握をするために空気を用いる事は妥当であるといえる。
【００４７】
以上より、リフト比と流出／流入圧力比を実機と合わせることで、基礎的な現象の把握としての空気によるスケール実験実施の妥当性は十分にあると言える。
【００４８】
（３）中間開度における圧力脈動現象の抑制−弁座形状の影響−
弁座形状を変化させた時の流れ場の変化について述べる。なお、中間開度の時に弁体に生じる圧力脈動を表１に示す。
【００４９】
【表１】
（３．１）実験の概要・条件
図６に実験装置の概略図（図６（ａ））及びテストセクションの拡大図（図６（ｂ））を示す。蒸気加減弁を模擬した弁体・弁座を有するテストセクションに高圧の空気を送り込んで、外部へと放出される。また、弁体と弁座がちょうど接した部分を起点とし、そこから弁を開く方向に動かした距離をリフト量と定義する。
【００５０】
図７に弁体（図７（ａ）〜（ｃ））及び弁座（図７（ｄ）〜（ｅ））の拡大図を示す。本実験では、弁体の形状は半径３０ｍｍの半球形状の弁体を用いた。中心から３０°の位置（半径１５ｍｍの位置）に周方向に９０°間隔で４カ所の圧力測定用の孔を設けており、そのそれぞれをＡ１〜Ａ４と呼ぶことにする。弁座は弁体と接する部分が、内側に凸の球面形状であり、曲面が終わる直下流部分に、弁体と同じ位置になるよう４カ所の静圧測定孔を設けている。そのそれぞれをＢ１〜Ｂ４と呼ぶことにする。
【００５１】
図８（ａ）〜（ｄ）に実験を行った弁座の形状を示す。弁座部の半径はｒ＝２１、３０、３９、９０ｍｍとなっており、弁座／弁体半径比はそれぞれ０．７、１．０、１．３、３．０となっている（シート径はそれぞれ４９．２、５０．８、５２．０、５５．４ｍｍ）。前述のように、スパイク状の圧力脈動は、弁体に付着する流れ（弁体付着流）が原因である事が分かったので、物体に沿って流れようとする効果（コアンダ効果）は、曲率半径のより大きな弁座ほど弁体付着流が抑制される事が予想される。パラメータとして、流入圧力を０．２５、０．３、０．４、０．５ＭＰａ（流出／流入圧力比０．４０、０．３３、０．２５、０．２０）と変化させ、そのそれぞれの流入圧力において、小〜中間開度にあたるリフト比領域で、リフト量を変えて何点か計測を実施した。表２に実験の主な条件をまとめておく。なお、今回対象としているのは、流れ場がチョークして超音速流となる弁体の小〜中間開度時であるため、実験もチョーク状態となる小〜中間開度時のリフト比の範囲で実施した。
【表２】
【００５２】
（３．２）実験結果
図９（ａ）〜（ｄ）は、リフト量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中●は弁体部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。変動の発生の有無は、測定した圧力の平均値と標準偏差σを求め、測定の平均値よりも３σ以上離れている値が、測定結果から判断して１．５％以上あるものを、変動が発生している条件とした。なお、弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）の時は、リフト量を０ｍｍから増加させて実験した時はスパイク状の変動が発生し、大開度から減少させて実験した時は安定した流れ場になるというヒステリシスが見られたので、保守側の結果としてスパイク状の圧力脈動が発生した時の値を採用した。図から、今回実験を行った全ての弁座の形状において、特定のリフト量の領域でスパイク状の圧力脈動が発生し、流入圧力が小さいほど変動が発生するリフト量の領域が広く、その圧力脈動の大きさが小さくなっていることが分かる。また、全ての流入圧力条件において、圧力脈動が発生している時、変動の発生位置がリフト量の増加と共に弁体部分から弁座部分へと移行しており、圧力脈動の位置がリフト量の増加と共に配管壁面側に移動しているという事がここからも分かる。弁座形状の変化の影響を見てみると、弁座半径が２１〜３９ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７〜１．３）の範囲では流れ場の状態に殆ど変化は見られない。弁座半径を９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）まで大きくすることで、ようやくスパイク状の圧力脈動が発生する領域が狭くなり、その大きさも小さくなったが、完全にスパイク状の圧力脈動を抑制する事は出来なかった。
【００５３】
図９のように、リフト量を横軸に取ると、圧力脈動の発生する領域が流入圧力に大きく依存しているため、リフト量から算出した質量流量を横軸として特性マップを描き直した。その図を図１０に示す。図から、スパイク状の圧力脈動の発生する質量流量の領域は流入圧力にあまり依存せず、各弁座で領域の大小はあるものの、特定の質量流量領域でスパイク状の変動が発生している事が分かる。つまり、半球形状の弁体では、今回実験を行った全ての弁座でスパイク状の変動が発生するといえる。
【００５４】
図１１は、横軸を質量流量とした時の、弁体壁面静圧（Ａ１〜Ａ４）、及び弁座壁面静圧（Ｂ１〜Ｂ４）のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（二乗平均振幅）をプロットしたものである。弁体（Ａ１〜Ａ４）の圧力脈動を見てみると、弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）以外の弁座形状では、０．１ｋｇ／ｓ付近で圧力脈動のピークを持ち、その後、なだらかに減衰している。また、弁座側の圧力脈動（Ｂ１〜Ｂ４）を見ると、０．２ｋｇ／ｓ近傍でピークを持っている。つまり、流量の増加と共に、圧力脈動のピークが弁体側から弁座側へと移動していると考えられる。これは、図１０と同様の結果となっており、Ｒ．Ｍ．Ｓ．振幅のピークはスパイク状の圧力脈動が原因であると考えられる。弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）では、スパイク状の圧力脈動が発生しない流入圧力０．２５ＭＰａの時は、Ｒ．Ｍ．Ｓ．振幅は全域において小さな値であり、その他の流入圧力でも若干の振幅の盛り上がりはあるものの、他の弁座に比べるとＲ．Ｍ．Ｓ．振幅は小さくなっており、スパイク状の圧力脈動の発生領域も狭くなっているといえる。以上より、弁座半径を大きく変化させる事でスパイク状の発生領域は狭くなり、また、その振幅も小さくなる事が判明したが、今回実施した弁座半径では、スパイク状の圧力脈動を完全に抑制できる事は出来なかった。言い換えると、半球状の弁体形状では、弁座／弁体半径比を３．０にまで大きくしてもスパイク状の圧力脈動を抑制できないため、極端に弁体形状を変更できない場合には新たな弁体形状を提案する必要があると言える。
【００５５】
（４）中間開度における圧力脈動現象の抑制−弁体形状の影響−
弁体形状を変化させた時の流れ場の変化について述べる。
【００５６】
（４．１）実験の概要・条件
図１２（ａ）〜（ｂ）に、実験を実施した弁体形状の概略図を示す。弁体は、半球状の弁体形状（通常弁、normal valve）の他に、通常弁と同形状で４５°の位置で切り落とした切断弁（cut valve）、４５°の位置まで通常弁と同形状でその後の部分を半径１８．４ｍｍで逆に曲率半径を付けた延長弁（extendedvalve）の３種類である。前記（１）で述べたように、弁体形状を変更する事で積極的に弁体付着流を抑制する事を目的としているので、
（ａ）弁体に流れが沿う事のないようにする（切断弁、cut valve）
（ｂ）弁体に流れが沿ったとしても、弁体通過後の流れが衝突することなく下流へと流れていく（延長弁、extended valve）
という考え方で２形状を決めた。ただし、シート径は通常弁と同じであり、リフト量に対して流れる質量流量は３形状とも同じである。また、弁座の形状に関しては、弁座／弁体半径比が最も小さな弁座（弁座半径＝２１ｍｍ、弁座／弁体半径比＝０．７）形状と、最も弁座／弁体半径比が大きな弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比＝３．０）の２種類で実験を実施した。新形状弁はその形状から弁体部に静圧孔を設けても乱れの少ない超音速領域しか測定できないため、以降の結果で示される圧力脈動は全て弁座壁面側（Ｂ１〜Ｂ４）の値である。
【００５７】
（４．２）実験結果−弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比＝０．７）−
図１３（ａ）〜（ｃ）は質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である（弁体部には静圧孔を設けていないため、弁体部に変動が発生した条件は考慮していない）。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。図から、切断弁の変動発生領域は、弁座半径が２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７）の弁座での実験では、通常弁でスパイク状の圧力脈動が発生している領域と殆ど変化が無く、その変動の大きさにもあまり差がない。一方、延長弁では測定した全域においてスパイク状の圧力脈動は発生しておらず、安定した流れ場を形成している。
【００５８】
図１４は、それぞれの弁体の圧力のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅である。先述のように、切断弁は弁座半径が小さいと通常弁と殆ど変わらない流れ場の特性を示すため、Ｒ．Ｍ．Ｓ．振幅も通常弁と殆ど変わらないことがこの図からも分かる。また、延長弁に関しては流れ場に大きな圧力脈動が発生しないために小さな振幅となっている事が分かる。
【００５９】
この状態の流れ場を確認するために、流入圧力０．５ＭＰａ、リフト量１．６ｍｍの条件（通常弁でスパイク状の圧力脈動が発生する条件）において、３次元流体解析コードＭＡＴＩＳで切断弁・延長弁の流れ場を計算した。その時の計算格子を図１５に、マッハ数等高線と静圧の分布を図１６に示す。図から、切断弁では、弁体を通過した流れが噴流となって互いに衝突している様子が分かる。また、それによって流れが偏って局所的な高圧が発生している。一方、延長弁では流れが強制的に弁座に付着させられており、噴流同士の衝突が起きていないため、大きな圧力脈動が生じていない。これらの理由として、弁体先端を切り取って弁体付着流を作らない切断弁でも、弁座側の曲率半径が弁体側より小さい、つまり弁座半径＜弁体半径の時には流れが配管中心方向に向かってしまい、弁体通過後の噴流が下流へとスムーズに流れずに、噴流同士が衝突して圧力脈動が生じてしまう。一方、流れを強制的に弁座側へと沿わせる延長弁では、弁体通過後の噴流同士を衝突させる事はないので圧力脈動が生じない、という事が考えられる。また、延長弁に関しては流れ場に大きな圧力脈動が発生しないために小さな振幅となっている事が分かる。
【００６０】
以上より、弁座半径が２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７）の時は、切断弁では流れが弁座側に沿いにくい為に弁体通過後の噴流が互いに衝突して通常弁と変わらない流れ場の傾向となり、延長弁では強制的に弁座付着流を形成するために流れ場に大きな圧力脈動が発生しない事が判明した。また、大きな圧力脈動が発生しない延長弁の流れ場では、スパイク状の圧力脈動が発生する通常弁や切断弁と比べるとその振幅がかなり小さくなる事も判明した。
【００６１】
（４．３）実験結果−弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比＝３．０）−
図１７（ａ）〜（ｃ）は質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップである。図中の×は流れ場にスパイク状の圧力脈動が発生しなかった条件、図中○は弁座部分にスパイク状の圧力脈動が発生した条件である（弁体部には静圧孔を設けていないため、弁体部に変動が発生した条件は考慮していない）。また、記号の大きさは、変動の大きさを表している。図から、切断弁・延長弁ともに実験の範囲全域でスパイク状の圧力脈動は発生しておらず、安定した流れ場を形成している事が分かる。
【００６２】
図１８は、各弁体の圧力のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅である。通常弁では、前述の通り弁座半径９０ｍｍの時に、リフト増加時と減少時でヒステリシスが見られたので、リフト増加時と減少時でＲ．Ｍ．Ｓ．振幅が異なっている。図から、切断弁・延長弁のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅は、通常弁のリフト減少時、つまりスパイク状の圧力脈動が発生していない安定な流れ場の時とほぼ同じ値となっていて低い振幅となっており、切断弁・延長弁ともスパイク状の圧力脈動が発生しておらず、安定な流れ場を形成しているといえる。
【００６３】
この状態の流れ場を確認するために、先ほどと同様にＭＡＴＩＳコードを用いて計算を実施して流れ場の状況を確認した。その時のマッハ数等高線と静圧の分布を図１９に示す。図から分かるように、切断弁・延長弁共に弁座付着流となって噴流は衝突せずに安定した流れ場を形成している。これらから考えて、切断弁は、弁座半径が２１ｍｍ（弁座／弁体半径比＝０．７）の時には通常弁と同様の傾向であったが、弁座半径が９０ｍｍと大きくなった事で、流れが弁座側に沿いやすくなって弁座付着流となり、噴流が衝突しなくなったために安定な流れ場になったと考えられる。
【００６４】
以上より、弁座半径が９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０）の時は、切断弁・延長弁ともに弁座付着流を形成し、スパイク状の圧力脈動が発生しない安定した流れ場となる事が判明した。
【００６５】
（５）中間開度での圧力脈動に対する弁体・弁座形状の影響のまとめ
表３に弁体・弁座形状が流れ場に与える影響をまとめておく。表からも明らかなように、通常弁では弁座形状を大きく変更（弁座／弁体半径比０．７→３．０）しても、弁体付着流によるスパイク状の圧力脈動を抑制する事が出来ない。また、切断弁では弁座／弁体半径比が３．０の時には弁体付着流を抑制する事は出来たが、弁座／弁体半径比０．７の時は、通常弁とほぼ同じ領域でスパイク状の圧力脈動が発生している。しかし、長尺弁を用いることで、弁座／弁体半径比に関係なく弁体付着流を抑制でき、安定した流れ場を形成できる事が判明した。
【表３】
【００６６】
以上から、弁の中間開度時に発生する弁体付着流によるスパイク状の圧力脈動を最も効果的に抑制できる弁形状は、流れの方向を強制的に変更させる延長弁であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の圧力脈動抑制弁の実施形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】既存設備に設置されている弁の縦断面図である。
【図３】既存設備に設置されている蒸気加減弁の中間開度における概略図である。
【図４】圧力分布と速度ベクトルを説明するための図で、（ａ）は安定な流れ場についての図、（ｂ）は不安定な流れ場についての図である。
【図５】スパイク状の圧力脈動の伝播を説明するための図で、（ａ）は弁座壁面のＢ１〜Ｂ４点の位置を説明する図、（ｂ）は弁座壁面のＢ１点における圧力の時間履歴を示す図、（ｃ）は弁座壁面のＢ２点における圧力の時間履歴を示す図、（ｄ）は弁座壁面のＢ３点における圧力の時間履歴を示す図、（ｅ）は弁座壁面のＢ４点における圧力の時間履歴を示す図である。
【図６】（ａ）は実験装置の概要図、（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は弁体の静圧測定位置を示し、（ａ）は弁体の縦断面図、（ｂ）は弁体の側面図、（ｃ）は弁体の底面図であり、（ｄ）〜（ｅ）は弁座の静圧測定位置を示し、（ｄ）は弁座の縦断面図、（ｅ）は弁座の底面図である。
【図８】弁座形状の概略を示し、（ａ）は半径２１ｍｍの弁座形状を示す縦断面図、（ｂ）は半径３０ｍｍの弁座形状を示す縦断面図、（ｃ）は半径３９ｍｍの弁座形状を示す縦断面図、（ｄ）は半径９０ｍｍの弁座形状を示す縦断面図である。
【図９】リフト量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップで、（ａ）は弁座半径が２１ｍｍの場合の特性マップ、（ｂ）は弁座半径が３０ｍｍの場合の特性マップ、（ｃ）は弁座半径が３９ｍｍの場合の特性マップ、（ｄ）は弁座半径が９０ｍｍの場合の特性マップである。
【図１０】図９のマップを質量流量を横軸として描き直した特性マップで、（ａ）は弁座半径が２１ｍｍの場合の特性マップ、（ｂ）は弁座半径が３０ｍｍの場合の特性マップ、（ｃ）は弁座半径が３９ｍｍの場合の特性マップ、（ｄ）は弁座半径が９０ｍｍの場合の特性マップである。
【図１１】各位置Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４における圧力脈動のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（横軸：質量流量）を示す図である。
【図１２】実験に使用した弁体の形状を示し、（ａ）は通常弁の縦断面図、（ｂ）は切断弁の縦断面図、（ｃ）は延長弁の縦断面図である。
【図１３】質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップ（弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７））で、（ａ）は通常弁の特性マップ、（ｂ）は切断弁の特性マップ、（ｃ）は延長弁の特性マップである。なお、比較のため弁体部分での圧力脈動発生は考慮していない。
【図１４】圧力脈動のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（横軸：質量流量）を示す図（弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７））である。
【図１５】ＭＡＴＩＳコード用計算格子を示す図である。
【図１６】マッハ数等高線と静圧の分布を示す図（弁座半径２１ｍｍ（弁座／弁体半径比０．７））である。
【図１７】質量流量と流入圧力を軸として流れ場の状況を記した特性マップ（弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０））で、（ａ）は通常弁の特性マップ、（ｂ）は切断弁の特性マップ、（ｃ）は延長弁の特性マップである。なお、比較のため弁体部分での圧力脈動発生は考慮していない。
【図１８】圧力脈動のＲ．Ｍ．Ｓ．振幅（横軸：質量流量）を示す図（弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０））である。
【図１９】マッハ数等高線と静圧の分布を示す図（弁座半径９０ｍｍ（弁座／弁体半径比３．０））である。
【図２０】従来の蒸気加減弁の縦断面図である。
【図２１】従来の他の蒸気加減弁の縦断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 圧力脈動抑制弁
２ 流体通路
３ 流体通路の壁面
４ 弁座
５ 弁体
６ 縮流部
７ 逆曲率部
１０ シート位置（弁座に当接する部分）
Ｌ３ 弁座の軸線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路の壁面に設けられた弁座と、前記弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して前記流体通路を閉じる弁体とを備え、前記弁体は、前記弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が前記弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、前記縮流部から前記流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が前記弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備えることを特徴とする圧力脈動抑制弁。
【請求項２】
前記縮流部と前記弁座との間の隙間によって前記流体の流量が決定されることを特徴とする請求項１記載の圧力脈動抑制弁。
【請求項３】
流体通路の壁面に設けられた弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して前記流体通路を閉じる弁体であって、前記弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が前記弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、前記縮流部から前記流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が前記弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備え、前記縮流部と前記弁座との間の隙間によって前記流体の流量を決定することを特徴とする圧力脈動抑制弁の弁体。
【請求項４】
既存設備に設置されており、流体通路の壁面に設けられた弁座と、前記弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備える弁の交換方法において、前記弁座を交換することなく前記弁体を請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換することを特徴とする弁の交換方法。
【請求項１】
流体通路の壁面に設けられた弁座と、前記弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して前記流体通路を閉じる弁体とを備え、前記弁体は、前記弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が前記弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、前記縮流部から前記流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が前記弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備えることを特徴とする圧力脈動抑制弁。
【請求項２】
前記縮流部と前記弁座との間の隙間によって前記流体の流量が決定されることを特徴とする請求項１記載の圧力脈動抑制弁。
【請求項３】
流体通路の壁面に設けられた弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して前記流体通路を閉じる弁体であって、前記弁座に当接する部分を有し、周面の縦断面形状が前記弁体の内部に中心を有する曲率の曲線になっている縮流部と、前記縮流部から前記流体通路の下流側に向けて突出し、周面の縦断面形状が前記弁体の外部に中心を有する曲率の曲線になっている逆曲率部とを備え、前記縮流部と前記弁座との間の隙間によって前記流体の流量を決定することを特徴とする圧力脈動抑制弁の弁体。
【請求項４】
既存設備に設置されており、流体通路の壁面に設けられた弁座と、前記弁座に対して前記弁座の軸線方向上流側から当接して流体通路を閉じる弁体とを備える弁の交換方法において、前記弁座を交換することなく前記弁体を請求項３記載の圧力脈動抑制弁の弁体に交換することを特徴とする弁の交換方法。
【図１】
【図２】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１７】
【図２０】
【図２１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１７】
【図２０】
【図２１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００６−９８６０（Ｐ２００６−９８６０Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８５０２１（Ｐ２００４−１８５０２１）
【出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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