CN102209991B - 用于在核燃料组件中将导管连接至下端部管口的连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的这种类型的连接装置包括螺母(18)、螺杆(20)、主体(22)和用于防止螺杆(20)松动的螺杆锁定装置(24)，主体具有孔(26)，用于通过孔(26)将螺杆(20)旋在螺母(18)上且螺杆(20)邻接主体(22)的邻接面(32)。依据本发明的一方面，锁定装置(24)适于在旋开螺杆(20)后将螺杆(20)保持在主体(22)中。
Description
技术领域
本发明涉及用于在核燃料组件中将导管连接至下端部管口(nozzle)的连接装置，这种类型的连接装置包括螺杆、主体和锁定装置，该主体具有孔，用于通过该孔将螺杆旋在螺母上且螺杆邻接主体的邻接面，该锁定装置用于防止螺杆松动。
背景技术
用于压水反应堆(PWR)的核燃料组件包括一束燃料棒和一结构，该结构包括下部管口、上部管口、连接管口的多个导管和沿导管在管口之间分布的支承栅格，燃料棒由栅格支承在管口之间。
导管一般通过上述类型的连接装置与下部管口连接，孔设置在管口中，螺杆通过孔接合在设置于导管下端部的螺母中。
在一个传统的实施例中，螺杆头部具有直立的环形壁，该环形壁在螺杆被旋转到其拧紧位置时邻近孔延伸。螺杆头部上的环形壁的相对直径部分随后被凸伸进入设置在孔中的凹口中，从而提供了防止螺杆自旋开的锁定装置。
US4668469描述了一种上述类型的连接装置，其包括围绕螺杆的头部的环形锁定套管，该套管具有一对凸出部，所述凸出部接合在主体的相应凹口中用于锁定套管以防相对于主体旋转，该套管与螺杆的驱动头部摩擦接合以锁定螺杆以防相对于主体旋转。
在维护操作过程中，可能需要移除下部管口，比如为了更换燃料棒中的一个。因此必须旋开连接装置的螺杆以移除底部管口。
然而，具有锁定装置的现有技术的连接装置在维护操作过程中存在不便之处。为了移除下部管口，导管与底部管口的所有连接装置都需要被完全移除。由于形成在其中的螺杆头部的凸伸部分因旋开操作发生破损和裂开，锁定装置经常在使用一次后被丢弃并且需要更换。这样导致产生受到辐射的废弃材料，该废弃材料在排出和最终储存之前必须储存在一个核反应堆池中。连接装置的可再用部分(如果有的话)也要进行临时储存直到再次使用。在下部管口的拆卸和重新组装过程中存在连接装置下落的危险，这样可能会产生下落过程中的事故、额外的处理操作以及因此对操作者产生辐射剂量增加的危险。
发明内容
本发明的目的是提供一种方便维护操作的连接装置。
为此目的，本发明提出一种上述类型的连接装置，其中锁定装置适于在旋开螺杆后将螺杆保持在主体中。
在其它实施例中，连接装置包括独立采用或以任何技术可行的组合方式采用的一个或多个下述特征：
-锁定装置包括适于沿螺杆轴线朝向邻接面轴向推动螺杆的弹性锁定构件；
-锁定装置包括适于在拧紧螺杆时被起动并且适于沿螺杆轴线朝向邻接面轴向推动螺杆的弹性锁定构件；
-弹性锁定构件是安装在设置于主体或螺杆中的环形安装凹槽中的径向弹性环；
-锁定装置包括设置在主体和螺杆中的另一个之中的锁定凹槽，用于在将螺杆拧紧到螺母上时接收该环；
-锁定装置包括设置在主体和螺杆中的另一个之中的保持凹槽，用于在旋开螺杆时接收该环；
-保持凹槽适于允许借助施加足以使该环通过保持凹槽的轴向力而将螺杆拉出主体；
-连接装置包括弹性锁定构件，该弹性锁定构件被设置成沿着螺杆轴线朝向邻接面永久性地轴向推动螺杆；
-连接装置包括采用可轴向压缩弹簧的形式的弹性锁定构件，该弹簧被预加载以朝向邻接面轴向推动螺杆；
-弹簧是螺旋状的并且具有邻接螺杆的上部支座的上端部和邻接主体的下部支座的下端部，上端部的直径小于下端部的直径；以及
-主体与下部管口是分开的且不同。
-它包括螺母，螺杆适于通过孔旋在螺母上。
核燃料组件包括一束燃料棒和用于支承燃料棒的结构，该结构包括上部管口、下部管口和在上部管口和下部管口之间延伸的导管以及至少一个将导管的下端部连接至下部管口的连接装置。
本发明还涉及包括一束燃料棒和用于支承燃料棒的结构的核组件，该结构包括上部管口、下部管口和在上部管口和下部管口之间延伸的导管以及至少一个将导管的下端部连接至下部管口的如上所限定的连接装置。
附图说明
通过阅读下面仅作为示例及参照附图给出的描述，本发明及其优势将得到更好的理解，在附图中：
图1是包括依照本发明的连接装置的核燃料组件的侧视图；
图2和3是两种不同构造的连接装置之一的剖视图；
图4是图2和3所示连接装置的锁定装置的弹性构件的立体图；
图5和6是与图2所示视图相应的视图，示出了连接装置的其它实施例。
具体实施方式
图1所示核燃料组件2适用于PWR反应堆，其包括一束核燃料棒4和用于支承燃料棒4的结构6。
组件2沿纵向轴线L延伸。当组件2被安置在核反应堆内时，轴线L竖直延伸。在下文中，术语“上部”和“下部”是指组件2在核反应堆中的位置。
每根燃料棒4都包括管状包壳、堆叠在包壳中的核燃料芯块和封闭包壳的上下端部的帽。
结构6包括下部管口8、上部管口10、多个导管12和沿导管12分布的支承栅格14。
下部管口8和上部管口10沿着轴线L彼此间隔开。导管12在下部管口8和上部管口10之间纵向延伸并且连接管口8、10。导管12在管口8、10之间维持预定的纵向间隔。
栅格14沿导管12分布并与它们连接。燃料棒4通过栅格14在管口8、10之间纵向延伸。栅格14横向和纵向支承燃料棒4。
管口8、10设置有贯通开口，用于允许水从其下端部朝向上端部竖向流经组件2。
导管12的上端部以本身已知的方式与上部管口10刚性连接。每个导管12都向上开口，以允许控制棒向下插入到导管12之内。
导管12的下端部以类似的方式与下部管口8刚性连接。将参照图2-4仅对一个导管12及其与下部管口8的连接进行更详细的描述。
如图2和3所示，组件2包括将导管12的下端部连接至下部管口8的连接装置16。
连接装置16包括螺母18、螺杆20、管状主体22和螺杆锁定装置24。
螺母18具有内螺纹。它例如通过焊接或铜焊固定在导管12的下端部，以使得螺杆纵向轴线S与导管12的轴线重合。
主体22例如通过焊接固定于下部管口8。主体22轴向延伸通过下部管口8并具有纵向贯通孔26，孔26沿着螺杆轴线S延伸，以使螺杆20穿过主体22。
孔26是阶梯状的。它包括较大直径的下部部分28、较小直径的上部部分30和径向环形肩部32，肩部32在下部部分28和上部部分30的邻近端部之间延伸并且作为邻接面。
螺杆20适于插入到下部部分28之内并且在轴向邻接肩部32的状况下通过上部部分30旋在螺母18中。螺杆20具有上部螺纹柄部34、下部驱动头部36和位于柄部34与驱动头部36之间的中间止挡部分38。
止挡部分38的直径大于柄部34和驱动头部36的直径。止挡部分38具有用于接触肩部32的面向上的环形支承面40。
螺杆20具有在其中心通过螺杆20从一端向另一端轴向延伸的纵向输水管42。输水管42设置成允许水流经螺杆20并在导管12内流动，以冷却接收在导管12内的控制棒。
锁定装置24适于防止螺杆20无意中松动。它包括环形安装凹槽44、置于安装凹槽44内的锁定环46和两个接收凹槽48、50。
安装凹槽44设置在螺杆20的外表面上。它定位在止挡部分38中。它朝向下部部分28的内表面径向向外开口。
环46安装在安装凹槽44内并且可以弹性方式径向扩张和收缩。
环46由具有高弹性极限的材料制成，比如镍基或铁基超级合金或者结构硬化不锈钢。
环46设置有在自由状态下大于下部部分28的内径的直径，以使得环46与下部部分28的内表面永久性地接触。
环46和安装凹槽44被布置成使得环46可回缩到安装凹槽44中。
环46可绕螺杆轴线S相对于螺杆20旋转。
如图4所示，使环46裂开，以增加径向弹性并使环46能够安装在安装凹槽44中。在所示实施例中，环46具有圆形截面。
如图2和3所示，接收凹槽48、50包括设置在下部部分28内表面中的锁定凹槽48和保持凹槽50。接收凹槽48、50沿着螺杆轴线S互相间隔并由平滑的圆柱形滑动面52分开。
锁定凹槽48邻近肩部32，保持凹槽50邻近下部部分28的下部开口端54。
每个接收凹槽48、50适于允许环46在安装凹槽44面向接收凹槽48、50时弹性扩张，以使得环46相对于主体22轴向锁定螺杆20。
锁定凹槽48具有向上定向的下部侧壁56。下部侧壁56是圆锥形的且向上发散。圆锥形表面与螺杆轴线S成例如近似15°的角。
保持凹槽50具有朝下的上部侧壁58和朝上的下部侧壁59(图2)。每个侧壁大致是圆锥形的并且与螺杆轴线S成一角度。下部侧壁59和螺杆轴线S之间的角例如近似为15°。上部侧壁58和螺杆轴线S之间的角优选等于或小于下部侧壁59和螺杆轴线之间的角。
螺杆20可相对于主体22在旋紧位置(图2)和旋开位置(图3)之间轴向移动。
在旋紧位置中(图2)，止挡部分38邻接肩部32并且安装凹槽44面向锁定凹槽48，以使得环46接触下部侧壁56。柄部34从孔26向上凸出以接合在螺母18中。
在螺杆20的旋开位置中(图3)，止挡部分38与肩部32轴向间隔开，而安装凹槽44面向保持凹槽50。柄部34回缩到孔26中。
在旋紧位置中(图2)，环46将螺杆20推靠在肩部32上并且通过防止螺杆20远离肩部32轴向移动来锁定螺杆20。
事实上，环46趋向于径向扩张并且因圆锥形下部侧壁56的倾斜而在螺杆20上施加轴向向上的力。螺杆20的向下轴向移动需要足以克服轴向预载并且将环46收缩到安装凹槽44中的轴向力。
因此，当螺杆20与螺母18接合时，螺杆20的旋开旋转需要足以迫使环46径向弹性收缩的初始扭矩。环46从而防止了螺杆的自旋开。
当环46回缩到安装凹槽44中时，环46沿滑动面52的滑动伴随着螺杆20的进一步轴向移动。
保持凹槽50与锁定凹槽48的作用相似并且防止螺杆20相对于主体沿两个方向(向上和向下)无意中的轴向移动。仅在最小的轴向力下，允许轴向移动。
一旦安装凹槽44面向保持凹槽50时，环46径向扩张到保持凹槽50中并且将螺杆20相对于主体22轴向锁定在旋开位置中(图3)。这样为螺杆20无意中完全退出主体22外部提供了保险。
如果必要，可从主体22向下拉螺杆20，例如为了更换螺杆20，但是这样必需施加足以使环46向下通过保持凹槽50的轴向力。
为了使螺杆20从旋开位置向旋紧位置移动，需要施加足以使环46向上通过保持凹槽50的轴向力。
连接装置16可以重复使用。事实上，在再次旋紧螺杆20时，环46将重新锁定在锁定凹槽48中。锁定装置24的锁定功能在旋紧螺杆20时自动起动。事实上，在安装凹槽44将因旋紧而面向锁定凹槽48时锁定装置24将起动。
一旦被起动，锁定装置24抵靠肩部32轴向预加载螺杆20，从而防止螺杆20相对于主体22轴向移动。因为旋开动作是螺旋状的，即旋转和轴向平移的组合，所以这样使得螺杆20能够锁定。环46和锁定凹槽48之间当然也存在旋转摩擦。
螺杆20的轴向锁定代替螺杆20的旋转锁定使得在不损坏锁定装置24的情况下主动旋开螺杆20成为可能，这是由于锁定装置不会阻止螺杆20的旋转运动。连接装置16能够因此成为可重复使用的。
此外，通过弹性锁定构件(环46)的弹性变形来实现锁定和解锁，由此锁定构件恢复其初始状态，锁定装置24从而可以重复使用。
用于使环46通过接收凹槽48、50的轴向力取决于接收凹槽48、50的侧壁56、58、59相对于螺杆轴线S的倾斜度。倾斜度越大，所需的力越大。
锁定凹槽48的圆锥形下部侧壁56的倾斜度选择成能够获得足够的轴向预载和锁定作用，同时允许为了从导管12拆卸下部管口8而旋开螺杆20。
保持凹槽50的下部侧壁59的倾斜度选择成能够牢固地保持螺杆20，而且允许将螺杆20从主体22拉出。保持凹槽50的上部侧壁58的倾斜度可较小，以将螺杆20保持在旋开位置，而且易于允许将螺杆20推向旋紧位置。
图2-4的实施例因此允许有效且牢固地保持螺杆20，而且仍然允许将螺杆20从主体22中拉出，例如为了更换而拉出。
或者，下部侧壁59倾斜成能够防止移除螺杆20。下部侧壁59和螺杆轴线之间的角度例如为90°。
在图5的实施例中，锁定装置24包括螺旋弹簧60，所述螺旋弹簧60用作弹性锁定构件并且被安置成将螺杆20沿轴向推向肩部32。
弹簧60被接收在主体22的下部部分28之内并且围绕螺杆20的驱动头部36。弹簧60在设置在主体22上的下部支座62和设置在螺杆20上的上部支座64之间被轴向压缩。
弹簧60被预加载成使得它朝向肩部32施加螺杆20的永久轴向力。因此，旋开螺杆20需要克服弹簧60的轴向预载。弹簧60因此将螺杆20锁定在旋紧位置中。
弹簧60相对于螺杆20是可旋转的，从而为了主动旋开螺杆20而不会阻止螺杆20的旋转(当然弹簧60和螺杆20的上部支座64之间存在旋转摩擦)。
弹簧60由具有高弹性极限的材料制成，比如镍基或铁基超级合金或者结构硬化不锈钢。
该实施例非常简单和可靠。连接装置16是可以再度使用的。
弹簧60允许螺杆20相对于主体22在受限的行程(stroke)(对应于弹簧60的完全压缩)上轴向移动，以使得螺杆20不可从主体22移除。
为了将弹簧60插入下部部分28，可以例如接连地提供用于径向收缩弹簧60的护套、将由护套包围的弹簧60导入下部部分28、以及移除护套以使得弹簧60径向扩张并且采用最终的构造。
弹簧60具有直径大于上端部68的下端部66，以允许驱动工具插在围绕驱动头部36的主体22的下端部66内，不凸出到孔26之外。连接装置16因此能够在轴向方向L上变得非常紧凑。
如图5所示，弹簧60是圆锥形的。在图6所示的替代实施例中，弹簧60具有圆柱形的下部部分和直径减小的向上会聚的上部部分。这样允许提供较短长度的驱动头部36，同时仍然允许插入驱动工具。
在所示实施例中，连接装置16的主体22与下部管口8是分开的。这样通过能够与下部管口8分开地制造连接装置16而便于制造下部管口8。或者，借助于直接通过下部管口8设置孔26，使下部管口8作为连接装置16的主体22使用。
连接装置16可用于在PWR燃料组件2中将导管12连接至下部管口8，并且更一般地用于在任何类型的核燃料组件中将结构部件连接至管口8。
Claims (9)
1.一种用于在核燃料组件(2)中将导管(12)连接至下部管口(8)的连接装置，这种类型的连接装置包括螺杆(20)、主体(22)和锁定装置(24)，主体具有孔(26)，用于通过孔(26)将螺杆(20)旋在螺母(18)上且螺杆(20)邻接主体(22)的邻接面(32)，该锁定装置用于防止螺杆(20)松动，其中锁定装置(24)适于在旋开螺杆(20)后将螺杆(20)保持在主体(22)中，其中锁定装置(24)包括适于沿螺杆轴线(S)朝向邻接面(32)轴向推动螺杆(20)的弹性锁定构件(46，60)，其中弹性锁定构件是安装在设置于主体(22)或螺杆(20)中的环形安装凹槽(44)中的径向弹性环(46)，其中锁定装置(24)包括设置在主体(22)和螺杆(20)中的另一个之中的锁定凹槽(48)，用于在将螺杆(20)拧紧在螺母(18)上时接收该径向弹性环(46)，并且其中锁定装置(24)包括设置在主体(22)和螺杆(20)中的所述另一个之中的保持凹槽(50)，用于在旋开螺杆时接收该径向弹性环(46)。
2.如权利要求1所述的连接装置，其中所述弹性锁定构件在拧紧螺杆(20)时被起动。
3.如权利要求1所述的连接装置，其中保持凹槽(50)适于允许借助施加足以使该径向弹性环(46)通过保持凹槽(50)的轴向力而将螺杆(20)拉出主体(22)。
4.如权利要求1所述的连接装置，其中主体(22)与下部管口(8)是分开的且不同。
5.一种用于在核燃料组件(2)中将导管(12)连接至下部管口(8)的连接装置，这种类型的连接装置包括螺杆(20)、主体(22)和锁定装置(24)，主体具有孔(26)，用于通过孔(26)将螺杆(20)旋在螺母(18)上且螺杆(20)邻接主体(22)的邻接面(32)，该锁定装置用于防止螺杆(20)松动，其中锁定装置(24)适于在旋开螺杆(20)后将螺杆(20)保持在主体(22)中，其中锁定装置(24)包括适于沿螺杆轴线(S)朝向邻接面(32)永久性地轴向推动螺杆(20)的弹性锁定构件(46，60)，所述弹性锁定构件是能轴向压缩的弹簧(60)的形式，所述弹簧被预加载以朝向邻接面(32)轴向推动螺杆(20)，所述弹簧(60)具有邻接螺杆(20)的上部支座(64)的上端部(68)和邻接主体(22)的下部支座(62)的下端部(66)。
6.如权利要求5所述的连接装置，其中所述弹簧(60)是螺旋状的。
7.如权利要求6所述的连接装置，所述弹簧(60)的上端部(68)的直径小于所述弹簧(60)的下端部(66)的直径。
8.如权利要求5所述的连接装置，其中主体(22)与下部管口(8)是分开的且不同。
9.一种核燃料组件(2)，包括一束燃料棒(4)和用于支承燃料棒(4)的结构(6)，该结构(6)包括上部管口(10)、下部管口(8)、在上部管口(10)和下部管口(8)之间延伸的导管(12)、以及至少一个将导管(12)的下端部连接至下部管口(8)的如前述任一权利要求所述的连接装置。
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