説明

蒸気タービン用蒸気弁

【課題】酸化スケールの生成を抑制して蒸気弁摺動部のスティックの発生を低減するとともに、ステムリーク量を低減させる蒸気タービン用蒸気弁を提供する。
【解決手段】ケーシング6により形成され弁体18を内包する弁室と、該弁体18を弁座16に対して進退自在に駆動させる弁軸4と、該弁軸4の摺動管として機能するブッシュ8とを具備する蒸気弁において、前記弁軸4と前記ブッシュ8が同一の耐熱合金であるNi基合金で形成されるとともに、該弁軸4は該ブッシュ8との摺動範囲の外表面に硬化処理を施され、前記ブッシュ8は前記弁軸との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンスが形成されることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、蒸気タービンへの蒸気の流入を制御する蒸気タービン用蒸気弁に関し、特にステムリーク量を低減する蒸気タービン用蒸気弁に関する。
【背景技術】
【0002】
蒸気タービンに流入する蒸気を遮断する蒸気弁は、蒸気タービンと同様に重要な部分であって、弁を構成する耐熱材料と温度や圧力などの蒸気条件とは密接な関係がある。このような蒸気弁について図4に示す例を参照して説明する。図4において、符号60で示される蒸気弁は、弁体68を内包する弁室70と、該弁室を形成するケーシング56と、該ケーシング56の蓋体であるボンネット52と、前記ケーシング56の内部に形成され弁体のシート面68sと当接する弁座66と、前記弁体68を摺動自在に駆動させる弁軸54と、該弁軸を支持するブッシュ58などで構成されている。また、ボンネット52はケーシング56にボルト72で締め付けられて設けられている。
【0003】
図4の矢印Aで示される蒸気タービンのボイラからの蒸気は、蒸気入口管62を介して弁室70内へ流入され、弁座22より上流に設置された蒸気中の異物を取り除くストレーナ65を通り、弁体のシート面68sと弁座66を接離自在となるように取付けられた弁体5の移動により蒸気の遮断及び流出が行われ、蒸気出口管64から矢印Bのように蒸気タービンへ流れる。
【0004】
現在、蒸気タービンプラントで採用されている蒸気温度550〜600℃のもとで使用されている蒸気弁を構成する材料は、特許文献1(特開平6−221105号公報)に開示されるように、ブッシュに関しては弁軸と摺動する内面にステライト(コバルト基合金)を溶接肉盛した12Cr鋼を用いている。また、弁軸に関しては12Cr鋼に耐酸化性と耐摩耗性のサーミット材の溶斜層を形成し、酸化スケールの付着を防止し、さらに摺動面の焼付きを防止する。
さらに、特許文献2(特開2007−239663号公報)には、ブッシュとしてNi基合金又はコバルト合金を使用した発明が開示されており、酸化スケールの生成を抑制するとともに摺動性を確保している。
【0005】
【特許文献1】特開平6−221105号公報
【特許文献2】特開2007−239663号公報
【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、近年は、環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化が積極的に進められ、600℃級程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されており、このような蒸気タービンにおいてはフェライト系耐熱鋼の諸特性では要求を満足できない部品が少なからずあるため、蒸気弁で用いる耐熱合金はより高温特性に優れた耐熱合金が望ましい。
よって、特許文献1に開示される発明では700℃級の高温高圧蒸気条件下において、耐熱性に不安がある。また、特許文献1及び特許文献2は、弁室から弁軸を沿って漏洩するステムリークについては何ら記載がされていない。
さらに、高温高圧蒸気条件下における蒸気弁の弁軸及びブッシュは、良好な摺動性を確保してスティックの発生が低減するように設計されることが望まれる。
【0007】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、酸化スケールの生成を抑制して蒸気弁摺動部のスティックの発生を低減するとともに、ステムリーク量を低減させる蒸気タービン用蒸気弁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】
本発明はかかる目的を達成するもので、ケーシングにより形成され弁体を内包する弁室と、該弁体を弁座に対して進退自在に駆動させる弁軸と、該弁軸の摺動管として機能するブッシュとを具備する蒸気弁において、
前記弁軸と前記ブッシュが同一の耐熱合金であるNi基合金で形成されるとともに、該弁軸は該ブッシュとの摺動範囲の外表面に表面硬化処理を施され、前記ブッシュは前記弁軸との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンスが形成されることを特徴とする。
【0009】
かかる発明によれば、700℃級蒸気条件下においても高い耐熱性を持ち、酸化スケールが付着しにくいNi基合金を前記弁軸とブッシュに用いることにより、高温高圧蒸気条件下においても、酸化スケールの生成を抑制することができる。ここでNi基合金としては、Ni−Cr合金やNi−Cr−Fe合金、Ni−Cr−Mo合金等のNiを主たる成分とした鉄の合金が用いられ、例えばインコネルが挙げられる。
また、弁軸とブッシュに同一の耐熱合金を用いた場合には酸化スケールが付着し、蒸気弁摺動部のスティックが発生する原因となるが、前記弁軸の表面に硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上するとともに、摺動性が向上して酸化スケールが付着しにくくなる。なお、表面硬化処理とは、耐摩耗性を向上させるものであれば浸炭処理でもよく、特に摺動性を向上させる窒化処理は好適に用いられる。
【0010】
さらに、前記ブッシュの摺動面にラビリンスを形成することにより、弁室から漏洩するステムリーク量がブッシュの凹凸面によって徐々に減圧され、ステムリーク量を低減することができる。また、ラビリンス構造にすると接触面積が減るので摺動面積を減らすことができ、より摺動性が良好になる。
なお、このようなラビリンス構造は従来より用いられている12Cr鋼にステライト肉盛させ、その表面を加工して形成することもできるが加工工数およびステライト肉盛量が多いため不向きである。よって、もともと酸化スケールが付着しにくいNi基合金にラビリンスを形成することは手法的にも好適である。
【0011】
また、前記弁軸は、前記ブッシュとの摺動範囲に施された前記硬化処理の表面にスパイラル状の溝が形成されることを特徴とする。
前記弁軸にスパイラル状の溝を形成することにより、ブッシュとの接触面積を減らすことができ、摺動性が良好になる。また、スパイラル状の溝に蒸気が流れることによる潤滑作用が期待できる。
【発明の効果】
【0012】
かかる発明によれば、700℃級蒸気条件下においても高い耐熱性を持ち、酸化スケールが付着しにくいNi基合金を前記弁軸とブッシュに用いることにより、高温高圧蒸気条件下においても、酸化スケールの生成を抑制することができる。
また、前記弁軸の表面に硬化処理を施すことにより、耐摩耗性が向上するとともに、摺動性が向上して酸化スケールが付着しにくくなる。
さらに、前記ブッシュの摺動面にラビリンスを形成することにより、弁室から漏洩するステムリーク量がブッシュの凹凸面によって徐々に減圧され、ステムリーク量を低減することができる。また、ラビリンス構造にすると接触面積が減るので摺動面積を減らすことができ、より摺動性が良好になる。
また、前記弁軸にスパイラル状の溝を形成することにより、ブッシュとの接触面積を減らすことができ、摺動性が良好になる。また、スパイラル状の溝に蒸気が流れることによる潤滑作用が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【0014】
図1は、本発明の実施形態に係る蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。図1において、符号10で示される蒸気弁は、蒸気タービンに供給される駆動用蒸気を制御するための蒸気弁であり、弁体18を内包する弁室20と、該弁室20を形成するケーシング6と、該ケーシング6の蓋体であるボンネット2と、前記ケーシング6の内部に形成され弁体のシート面18sと当接する弁座16と、前記弁体18を摺動自在に駆動させる弁軸4と、該弁軸4を支持するブッシュ8などで構成されている。また、ボンネット2はケーシング6にボルト22で締め付けられて設けられている。
【0015】
図1の矢印Aで示される蒸気タービンのボイラからの蒸気は、蒸気入口管12を介して弁室20内へ流入され、弁座16より上流に設置された蒸気中の異物を取り除くストレーナ15を通り、弁体のシート面18sと弁座16を接離自在となるように取付けられた弁体18の移動により蒸気の遮断及び流出が行われ、蒸気出口管14から矢印Bのように蒸気タービンへ流れる。
【0016】
また、弁軸4はその一端が弁体18の下端中央部に連結され、またその他端が弁体18の周壁で限定される内部空間を通して延び、細長い円筒状のブッシュ8の内部を摺動自在に貫通し、支持されている。このブッシュ8は、ケーシング6の上部開口部に取付けられたボンネット2の中央部分を貫通していると共に、このボンネットにより支持されている。
以上述べたような構成の蒸気弁10においては、全閉時には、弁体のシート面18sが弁座16に当接し、ケーシング6に形成される蒸気入口管12からケーシング6の内部に入る蒸気の流れは、弁体のシート面18sと弁座16との当接部分で遮断され、蒸気出口管14を通して流れない。そして、弁体18を弁軸4によって上方向へ動かすことにより開状態となり、蒸気は弁体のシート面18sと弁座16との間に形成された隙間を通って蒸気出口管14から排出される。
【0017】
このような蒸気弁10において、本実施形態では図中の矢印Cに示されるステムリークの漏洩を防止、若しくはステムリーク量を低減させる構成とした。即ち、ブッシュ8にラビリンス構造を形成し、弁軸4にスパイラル状の溝24を形成した。
ここで、図2に図1で示されるブッシュ8と弁軸4に形成される溝24の拡大図を示した。図2において、4は弁軸、8は弁軸4を支持して円滑に摺動させるブッシュ、30は該ブッシュに形成されるラビリンス構造、24は弁軸4に形成されるスパイラル状の溝を示す。
【0018】
本実施形態においては、ブッシュ8も弁軸4もインコネルで形成され、弁軸4はブッシュとの摺動範囲の外表面に表面硬化窒化処理を施している。ここでは、表面硬化処理として窒化処理を用いているおり、高温高圧蒸気条件下でも酸化スケールが付着しにくいインコネルで形成し、摺動性を向上させる。
また、ブッシュ8は、弁軸4との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンス構造30が形成される。これにより、矢印Cで示されるステムリーク流れは、弁軸4に対して凹部にあたる受圧面32を介して弁軸4の上端に向って流れるが、ステムリークは受圧面32でその都度減圧されるのでステムリーク量を低減させることができる。さらに、ラビリンス構造30により、接触面積が減るので摺動面積を減らすことができ、より摺動性が良好になる。
【0019】
さらに、弁軸4に形成されるスパイラル状の溝24により、ブッシュ8との接触面積を減らすことができ、摺動性が良好になる。そして、スパイラル状の溝に蒸気が流れることによる更なる潤滑作用が期待できる。
【0020】
次に、3種類の異なる耐熱合金につき、時間経過による酸化スケール付着量の関係を図3で説明する。図3の耐熱合金は、Al,Cr,Moなどを含有し窒化処理して表面硬化させた窒化鋼(ここではSACM645)、12%Cr鋼、Ni基合金(ここではインコネル)である。また、酸化スケール生成量は比率で示されており、最大時の12%Cr鋼の酸化スケール付着量を1としたものである。
図3で示されるように、Ni基合金は、SACM645や12%Cr鋼に比べて酸化スケールが生成しにくいことがわかる。またNi基合金は、長時間経過しても酸化スケールが生成しにくく、高温高圧蒸気条件下における長時間運転に適している。よって、Ni基合金のブッシュを適用することは高温状態での酸化スケール付着による弁軸の固着対策に関して非常に有効な手段であるといえる。
【産業上の利用可能性】
【0021】
本発明によれば、酸化スケールの生成を抑制して蒸気弁摺動部のスティックの発生を低減するとともに、ステムリーク量を低減させる蒸気タービン用蒸気弁を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の実施形態に係る蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。
【図2】前記実施形態に係るブッシュ及び弁軸の拡大断面図である。
【図3】時間経過による酸化スケール付着量を示す図である。
【図4】従来の蒸気タービン用蒸気弁の断面図である。
【符号の説明】
【0023】
2 ボンネット
4 弁軸
6 ケーシング
8 ブッシュ
10 蒸気弁
12 蒸気入口管
14 蒸気出口管
16 弁座
18 弁体
20 弁室
24 溝
30 ラビリンス構造

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ケーシングにより形成され弁体を内包する弁室と、該弁体を弁座に対して進退自在に駆動させる弁軸と、該弁軸の摺動管として機能するブッシュとを具備する蒸気弁において、
前記弁軸と前記ブッシュが同一の耐熱合金であるNi基合金で形成されるとともに、該弁軸は該ブッシュとの摺動範囲の外表面に表面硬化処理を施され、前記ブッシュは前記弁軸との摺動面に少なくとも一対の凹凸形状からなるラビリンスが形成されることを特徴とする蒸気タービン用蒸気弁。
【請求項2】
前記弁軸は、前記ブッシュとの摺動範囲に施された前記硬化処理の表面にスパイラル状の溝が形成されることを特徴とする請求項1記載の蒸気タービン用蒸気弁。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2010−43566(P2010−43566A)
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−206670(P2008−206670)
【出願日】平成20年8月11日(2008.8.11)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】