CN101281796A - 带纵向涡发生器的定位格架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带纵向涡发生器的定位格架，该结构基于传统定位格架结构，在传统定位格架的条带上设置了三角形或矩形纵向涡发生器，构成三角形或矩形纵向涡发生器定位格架。本发明由若干内条带和外条带按照十字交叉，相互垂直组装起来形成栅元，由内条带和外条带构成独立栅格单元，在每个独立栅格单元的四个壁面上设置纵向涡发生器，每个栅格单元布置有两组相对的纵向涡发生器，其中一组在上部，另一组在下部，形成完整的定位格架。该格架既能强化换热、又能起定位作用，在维持良好热交换性能的同时简化定位格架的结构，从而更便于制造。
Description
技术领域
本发明涉及压水堆核电站核反应堆堆芯燃料组件内的定位格架，特别涉及带三角形(或矩形)纵向涡发生器的定位格架。
背景技术
在核燃料元件组件中，用定位格架组件精确地保持核反应堆堆芯内燃料棒之间的间距，防止燃料棒振动和为燃料棒提供侧向支撑。一般的定位格架组件设计包括许多金属格架条带互相连成蛋篮型以形成栅元，燃料棒和控制棒导向管分别通过这些栅元中的标准栅元和导向管栅元。常常利用窄槽来实现格架条带之间的相互啮合连接。每个标准栅元通过使用金属格架条带或与金属格架条带连接的弹性格架弹簧和刚性凸起对一根燃料棒在给定的轴向位置提供支撑。为了对燃料组件提供强度和刚度以及为外围栅元格架弹簧和刚性突起提供位置，还使用外围条带把相互连接的格架条带包围起来。为了尽量减小运行期间的燃料棒侧向位移和改善燃料组件的燃料特性，可沿燃料组件高度按规定的间隔设置若干个这样的定位格架组件。这些格架通常是通过众所周知的胀接技术或同类的技术把它们与控制棒导向管连接起来以保持其特定的位置。
例如，美国专利3.389.056；3.713.971；3.944.467；和4.224.107透露了这种定位格架组件。
在这种传统的定位格架中，整个燃料组件包含了大量的弹簧和刚性突起，弹簧和刚性突起的存在虽然也能在一定程度上扰动流体，增强燃料组件的换热能力，但是弹簧和刚性突起的存在大大地增加了流体的流动阻力，使流体沿程压降大大增加，所以也增加了反应堆一回路的能耗。
当流体横向流过一个障碍物时，往往在障碍物的背面空间产生涡旋，这些涡旋并不一定是有益的，也不一定能被利用。进一步研究表面，当障碍物的横向尺寸有限，并且与来流相交成合适角度，则产生的涡旋将不会滞留在某一空间，而会随着主流向前运动，从而形成一系列有序的纵向涡旋，此时的障碍物称为纵向涡发生器。因此，可以认为强化传热的实际效果与这一系列的纵向涡有密切关系。纵向涡发生器的几何形状、尺寸、与来流的冲角以及在空间的布置形式规律都是影响涡旋大小强弱，决定传热强化的重要因素。
在国外，将搅混叶片用于定位格架以增加传热性能的相关专利有：专利US 6,845,138在定位格架顶部设置了沿各个方向不同排列的搅混叶片，叶片结构比较复杂，大致成梯形状，并且向不同方向突出，以此来搅混流体，形成更强烈的湍流流动；专利US5,299,245中，两个相互交叉的条带顶部有4个搅混叶片，使流体在流动过程中产生比较弱的横流以及中等强度的涡流；专利US6,236,702中，在定位格架交错条带顶部设计了四个三角形状的突出的搅混叶片，叶片的存在使得流体的旋度大大增加，产生了纵向涡，同时通道内的横向流动很小。在以上这些专利中都设计了搅混叶片，使得燃料组件的换热能力大大增加，但是叶片的存在增加了流体的阻力，使通道压降大大增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种带三角形(或矩形)纵向涡发生器的定位格架，该格架既能强化换热、又能起定位作用，在维持良好热交换性能的同时简化定位格架的结构，从而更便于制造。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明由若干内条带和外条带按照十字交叉，相互垂直组装起来形成栅元，由内条带和外条带构成独立栅格单元，在每个独立栅格单元的四个壁面上设置纵向涡发生器，每个栅格单元布置有两组相对的纵向涡发生器，其中一组在上部，另一组在下部，形成完整的定位格架。
所述的纵向涡发生器是第一三角形纵向涡发生器和第二三角形纵向涡发生器或第一矩形纵向涡发生器和第二矩形纵向涡发生器。
第一三角形纵向涡发生器和第二三角形纵向涡发生器分别出现在每个栅元的四个壁面上，其中，出现在栅元上部相邻两个壁面上的两对三角形纵向涡发生器为第一三角形纵向涡发生器，出现在另外两个相邻壁面下部的两对三角形纵向涡发生器为第二三角形纵向涡发生器，第一三角形纵向涡发生器和第二三角形纵向涡发生器对称布置在每个栅元通道内。
第一矩形纵向涡发生器和第二矩形纵向涡发生器分布在每个栅元的四个壁面上，每个壁面含有一个纵向涡发生器。其中，在上部的相邻两个壁面上的紧挨在一起的第一矩形纵向涡发生器；在下部的第二矩形纵向涡发生器。第一矩形纵向涡发生器和第二矩形纵向涡发生器对称布置在每个栅元通道内。
第一三角形纵向涡发生器和第二三角形纵向涡发生器钣折到垂直于内、外条带，并且与冷却剂主流方向成15°-60°角，其中以冲角为30°的效果最好。
第一矩形纵向涡发生器和第二矩形纵向涡发生器钣折到垂直于内、外条带，并且与冷却剂主流方向成15°-75°之间，其中以冲角为45°的效果最好。
第一三角形纵向涡发生器和第二三角形纵向涡发生器每个栅格内包含有四对共八个纵向涡发生器。
第一矩形纵向涡发生器和第二矩形纵向涡发生器每个栅格内部都包含有两对共四个涡发生器。
对本发明和现有技术产品，进行计算对比分析，对计算结果定义了一个无量纲数A， 其意义在于对比本发明和传统定位格架在相同的换热能力下压降损失的大小，或者在相同的压降损失下换热能力的大小。在对比分析的范围内，A的值始终小于1，说明传统定位格架棒束通道与本发明定位格架棒束通道相比，在增加同样换热效果的情况下，前者的压降大于后者，也就是说，本发明定位格架的综合换热能力优于传统定位格架，并且本发明还具有制造简单的特点。
本发明采用三角形或者矩形纵向涡发生器的定位格架，格架包括外围挡板和内部条带，条带上冲压出纵向涡发生器，再由条带相互交叉形成栅格以容纳燃料棒或者控制棒导向管通过，每个栅格内部都包含有4对共8个纵向涡发生器，分上下两部分，并且朝向不同方向，以此卡住燃料棒或控制棒导向管，完成定位格架的侧向保持功能。同时，冲压出来的涡发生器还具有搅混冷却剂，产生纵向涡的功能。纵向涡的存在大大增加了燃料组件的换热能力，使本发明具有很好的综合换热能力。
附图说明
图1(a)是本发明燃料组件的正视图，其中包括三角形的定位格架；
图1(b)是本发明燃料组件的正视图，其中包括矩形的定位格架；
图2(a)是本发明三角形定位格架的等轴视图，不包含燃料棒；
图2(b)是本发明矩形定位格架的等轴视图，不包含燃料棒；
图3(a)是三角形纵向涡发生器定位格架的顶视图(部分)，包含有燃料棒；
图3(b)是矩形纵向涡发生器定位格架的顶视图(部分)，包含有燃料棒；
图4(a)是图2(a)中安装有三角形纵向涡发生器的条带的主视图(部分)；
图4(b)是图2(b)中安装有矩形纵向涡发生器的条带的主视图(部分)；
图5是矩形纵向涡发生器的结构图；
图6是定位格架矩形纵向涡发生器原理结构图；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1(a)和图1(b)所示，燃料组件10由下部结构或下管座12、控制棒导向管14、定位格架16、燃料棒18、代表管20和上部结构或上管座22组成，燃料组件中的下管座12是用来支撑座落在堆芯(没示出)下堆芯板(没示出)上的组件；控制棒导向管14是从下管座12向上伸展的；横向的定位格架16是用来对以一定方式排列的燃料棒提供侧向支撑，上管座22连接在导向管14的上端，以形成完整组件可进行常规的不损坏燃料组件构件的操作。下管座12和上管座22上都有一块连接板，板上开孔可供液体冷却剂(如，水)从中流过。在上管座22的围板所确定的箱体内就位的是一组棒束控制组件28。众所周知，为了使控制棒32在控制棒导向管14内垂直运动，棒束控制组件28设有径向伸展布置的锚钩30与控制棒32顶端连接。当组装燃料组件10时，定位格架16与导向套管14在予先确定的轴向位置连接，燃料棒18通过相互连接的条带形成的各自的栅元插入就位，下管座12适于与导向套管14下端连接，上管座22与导向套管14上端连接。燃料组件10的一般零件的更详细地描述可参见美国专利4,061,536。常规的定位格架，例如，美国专利3,379,619和4,061,536所表明和描述的定位格架，都是由条带互相配插成蛋篮型来提供接收燃料棒的栅元。每个栅元借助于弹簧和刚性凸起支撑燃料棒，而每个栅元的弹簧和刚性凸起一般以6个点与燃料棒摩擦啮合。并且，众所周知，为了促使冷却剂流体混合，定位格架可包含交混翼。
参见图2(a)和图2(b)所示，定位格架16是由内条带24交织而成以形成让相应的燃料棒18从中延伸通过的栅元34。定位格架16也包括外条带36，外条带36在其末端采用搭接连接，从而把内条带24形成的栅元结构包围起来，同时内条带24的末端要与外条带36连接。正如由图2(a)和图2(b)所看到的，每个外条带36或内条带24都由主体部分40和上下两组、分别向不同方向开口(同一个栅元内)的第一三角形纵向涡发生器42和第二三角形纵向涡发生器44或第一矩形纵向涡发生器43和第二矩形纵向涡发生器45组成。第一三角形纵向涡发生器42和第二三角形纵向涡发生器44或第一矩形纵向涡发生器43和第二矩形纵向涡发生器45并不是安装上去的，而是在外条带36和内条带24上冲压钣折而成的。这样做的好处是大大的简化了定位格架的制造过程，降低格架的制造成本，另外，由于三角形(矩形)纵向涡发生器体积较小，使得格架对流经的冷却剂的阻力大大降低，同时，涡发生器还能搅混流体，使流体产生纵向涡，从而增强换热能力。
参见图3(a)和图3(b)、图4(a)和图4(b)、图5、图6所示，将详细介绍本发明定位格架中的三角形(或矩形)纵向涡发生器。正如上面指出的那样，本发明第一三角形纵向涡发生器42和第二三角形纵向涡发生器44或第一矩形纵向涡发生器43和第二矩形纵向涡发生器45是各自内条带24和外条带36的整体部件，每个三角形(或矩形)纵向涡发生器都是用相应内条带24和外条带36通过沿涡发生器纵向边缘冲出窄槽而冲成的。
三角形纵向涡发生器都垂直布置在内条带24和外条带36上，每个栅元通道如34都含有2组4对共8个三角形纵向涡发生器，这两组纵向涡发生器并不是出现在同一个条带上的，而是分别出现在每个栅元的四个壁面上。其中，出现在栅元上部相邻两个壁面上的2对三角形纵向涡发生器为第一三角形纵向涡发生器42，出现在另外两个相邻壁面下部的2对三角形纵向涡发生器为第二三角形纵向涡发生器44，分别称为第一三角形纵向涡发生器42和第二三角形纵向涡发生器44(见图2)，第一三角形纵向涡发生器42和第二三角形纵向涡发生器44对称布置在每个栅元通道内，以简化加工，并使燃料棒18受力均匀，第一三角形纵向涡发生器42和第二三角形纵向涡发生器44上下协作卡住燃料棒18，完成侧向保持功能。
第一矩形纵向涡发生器43和第二矩形纵向涡发生器45都垂直布置在内条带24和外条带36上，每个栅元通道(如34)都含有2组2对共4个矩形涡发生器，并且对称布置在每个栅元通道内，以简化加工，并使燃料棒18受力均匀。第一矩形纵向涡发生器43和第二矩形纵向涡发生器45并不是处在同一个条带上的，而是分布在每个栅元的四个壁面上，每个壁面含有一个涡发生器。其中，在上部的相邻两个壁面上的紧挨在一起的是第一矩形纵向涡发生器43；在下部的是第二矩形纵向涡发生器45。
第一三角形纵向涡发生器42(42a、42b、42c、42d)和第二三角形纵向涡发生器44(44a、44b、44c、44d)与主流方向的夹角α介于15°-60°，其中30°时效果最好，并且其相邻垂直短边的长度是长边的一半，即W/H等于0.5，如图5所示。
第一矩形纵向涡发生器43(43a、43b)和第二矩形纵向涡发生器45(45a、45b)与主流方向的夹角α在15°-75°之间，其中以45°夹角为最佳。其长宽比约为2∶1，即C/B≈2∶1，第一矩形纵向涡发生器43的矩形中心在离定位格架顶部1/11处，即H/HC＝1/11；同样地，第二矩形纵向涡发生器45的矩形中心在离定位格架底部的1/11处。第一矩形纵向涡发生器43和第二矩形纵向涡发生器45的钣折角β为90°，即垂直于条带切割钣折。
Claims (8)
1.带纵向涡发生器的定位格架，由若干内条带(24)和外条带(36)按照十字交叉，相互垂直组装起来形成栅元，其特征在于，由内条带(24)和外条带(36)构成独立栅格单元，在每个独立栅格单元的四个壁面上设置纵向涡发生器，每个栅格单元布置有两组相对的纵向涡发生器，其中一组在上部，另一组在下部，形成完整的定位格架。
2.根据权利要求1所述的定位格架，其特征在于，所述的纵向涡发生器是第一三角形纵向涡发生器(42)和第二三角形纵向涡发生器(44)或第一矩形纵向涡发生器(43)和第二矩形纵向涡发生器(45)。
3.根据权利要求1所述的定位格架，其特征在于，第一三角形纵向涡发生器(42)和第二三角形纵向涡发生器(44)分别出现在每个栅元的四个壁面上，其中，出现在栅元上部相邻两个壁面上的两对三角形纵向涡发生器为第一三角形纵向涡发生器(42)，出现在另外两个相邻壁面下部的两对三角形纵向涡发生器为第二三角形纵向涡发生器(44)，第一三角形纵向涡发生器(42)和第二三角形纵向涡发生器(44)对称布置在每个栅元通道内。
4.根据权利要求1所述的定位格架，其特征在于，第一矩形纵向涡发生器(43)和第二矩形纵向涡发生器(45)分布在每个栅元的四个壁面上，每个壁面含有一个纵向涡发生器。其中，在上部的相邻两个壁面上的紧挨在一起的第一矩形纵向涡发生器(43)；在下部的第二矩形纵向涡发生器(45)。第一矩形纵向涡发生器(43)和第二矩形纵向涡发生器(45)对称布置在每个栅元通道内。
5.根据权利要求1所述的定位格架，其特征在于，第一三角形纵向涡发生器(42)和第二三角形纵向涡发生器(44)钣折到垂直于内、外条带(24、36)，并且与冷却剂主流方向成15°-60°角，其中以冲角为30°的效果最好。
6.根据权利要求1所述的定位格架，其特征在于，第一矩形纵向涡发生器(43)和第二矩形纵向涡发生器(45)钣折到垂直于内、外条带(24、36)，并且与冷却剂主流方向成15°-75°之间，其中以冲角为45°的效果最好。
7.根据权利要求1或2所述的定位格架，其特征在于，第一三角形纵向涡发生器(42)和第二三角形纵向涡发生器(44)每个栅格内包含有四对共八个纵向涡发生器。
8.根据权利要求1或2所述的定位格架，其特征在于，第一矩形纵向涡发生器(43)和第二矩形纵向涡发生器(45)每个栅格内部都包含有两对共四个涡发生器。
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