CN104538064A - 一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，涉及压水核反应堆设计领域，本发明所述的平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，包括下格板、支撑框架和过滤结构，所述下格板位于所述支撑框架上部，所述过滤结构在所述下格板的上部或下部，所述下格板上贯穿设置了用于安装燃料组件导向管的导向管孔、用于安装燃料组件仪表管的仪表管孔以及用于冷却剂流通和对流量进行再分配的流水孔群；针对堆芯下板大流水孔射流造成的堆芯下部区域在等高截面上流量分配不均现象，进行了结构设计优化，以获得堆芯下部冷却剂更均匀的流动。
Description
技术领域
本发明涉及压水核反应堆设计领域，尤其涉及一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座。
背景技术
压水核反应堆燃料组件通常由若干燃料棒、导向管部件、仪表管部件、格架、上下管座等构成，其中，下管座作为燃料组件骨架的重要组成部分，是燃料组件的主要承载部件之一，其可靠性直接影响燃料组件在操作、运输和运行状态下的安全性。同时下管座也是重要的接口部件，其结构设计对燃料组件的操作性能以及与堆内构件兼容性有直接影响。作为堆芯冷却剂的入口，下管座的水力学性能也是其综合性能的重要指标之一，对堆芯入口冷却剂流量分配均匀性、燃料组件压降有重要影响。
通过对现有的燃料组件下管座的分析发现，世界各主要燃料公司在下管座设计上主要考虑其高强度、低压降、防异物等方面的性能。目前主流的下管座设计可分为两类。第一类以西屋公司的DFBN下管座为代表，将主要承载结构与防异物结构合二为一，使用小流水孔下格板。小流水孔下格板的流通比低，保持了很强的防异物能力以及充足的强度裕量，同时通过西屋公司核心专利技术的文丘里管专利(授权公告号CN100592434C)，在较低的流通比的情况下大幅度降低格板整体的压降；第二类为目前其它燃料公司使用的主流设计思路，即通过尽可能高流通比的框架结构实现主要的结构承载功能，同时保持较低的压降，通过各类特色的滤网或滤板结构以较小的压降确保较高的过滤性。
上述现有的两类下管座设计，其存在的缺点是：缺少对平衡流量分配的优化设计。当冷却剂通过堆芯下板流入燃料组件时，流量是不均匀的。在正对堆芯下板流水孔的区域，形成射流区，流量较大；在堆芯下板流水孔周边区域，形成紊流区，流量较小。现有的下管座设计中，下管座格板上均采用孔型相同，均匀分布的流水孔，该设计形式下，冷却剂通过下管座后再分布时流量分布仍欠均匀，容易产生横向流，增加燃料棒振动磨损失蚀的风险。
因此，为了解决该问题，本领域的技术人员致力于开发一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，针对入口流量的不均匀性，在下管座下格板上安排不均匀分布的流水孔，实现流量再分配后的流量平衡，减少横向流，降低燃料棒因振动磨蚀而失效的风险。本发明所述下管座除具备基本的支撑定位、低压降、防异物功能外，还具备相对现有下管座设计来说更优异的流量平衡分配特性。
为实现上述目的，本发明提供了一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，包括下格板、支撑框架和过滤结构，所述下格板位于所述支撑框架上部，所述过滤结构在所述下格板的上部或下部，所述下格板上贯穿设置了用于安装燃料组件导向管的导向管孔、用于安装燃料组件仪表管的仪表管孔以及用于冷却剂流通和对流量进行再分配的流水孔群，其特征在于，所述过滤结构、所述下格板及其所述流水孔群被配置成根据冷却剂流入时的流量分布差异平衡流出流量。
进一步地，所述流水孔群由一组横截面形状不同的流水孔组成，所述流水孔的横截面形状包括三角形、正方形、五边形、六边形和圆形；对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，所述流水孔选用所述横截面面积较小的形状，在四周流量较小区域，所述流水孔选用相同孔特征尺寸下所述横截面面积较大的形状；所述孔特征尺寸是指圆孔的直径或非圆孔的外接圆的直径。
进一步地，所述流水孔群由一组纵向截面形状不同的流水孔组成，所述纵向截面形状包括直孔、两边倒角或双倒角、内径为台阶状和圆滑过渡的缩颈孔；对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，所述流水孔选用所述纵向截面面积较小的形状，在四周流量较小区域，所述流水孔选用相同特征尺寸下纵向截面积较大的形状；所述孔特征尺寸是指圆孔的直径或非圆孔的外接圆的直径。
进一步地，所述下格板为方形结构，所述下格板厚度不均匀，对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，所述下格板采用较四周大的厚度；在四周流量较小区域，所述下格板采用较中心小的厚度。
进一步地，所述滤板为方形结构，所述滤板上布置有方形孔、圆形孔的片式或网式过滤结构；对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，采用较大的流阻系数的所述过滤结构，在四周流量较小区域，采用较小流阻系数的所述过滤结构。
进一步地，所述滤板厚度为0.5mm～10mm，由板材机加工或板材冲压制造，所述下格板和所述滤板通过焊接或铆接等方式进行连接。
进一步地，所述过滤结构为过滤条带，由带材机加工或冲压制造，所述过滤条带通过所述下格板上开的槽进行机械装配并焊接连接。
进一步地，所述孔特征尺寸在4.5mm～11mm之间。
在本发明的较佳实施方式中，本发明所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，主要由方形的下格板、下格板下部的支撑框架以及下格板上部或下部的过滤结构构成；所述下格板上贯穿设置了导向管孔用于安装燃料组件导向管、仪表管孔用于安装燃料组件仪表管、以及流水孔孔群用于冷却剂流通和对流量进行再分配。
所述流水孔孔群，其中流水孔根据制造工艺不同，其中流水孔的横截面形状可以采用不同形状。由于流水孔横截面形状不同，将影响冷却剂通过后的流量再分配。所述孔型可以为三角形、正方形、五边形、六边形或圆形等，上述孔型流通面积与湿周的比值不同，相同特征尺寸下，上述孔型其对冷却液的流量限制作用由大到小变化，造成局部阻力系数不同。对应堆芯下板大流水孔射流中心区域处，入口流量较大，流水孔可选用横截面积较小的横截面形状，增强流量限制作用；在四周流量较小区域，流水孔可选用相同特征尺寸下横截面积较大的形状，减小流量限制作用，实现下管座流量再分配后冷却剂的流量更加均匀的作用。
所述流水孔孔群，可以选择为圆孔或非圆形孔，孔特征尺寸(圆孔孔径，其它等边非圆形孔外接圆直径等)根据堆芯入口冷却剂流量分布进行设计。对应堆芯下板大流水孔射流中心区域处，入口流量较大，流水孔可采用较小的特征尺寸，加强流量限制作用；四周区域流量较小区域，流水孔采用较大的特征尺寸，放宽流量限制作用。通过不同孔型及特征尺寸的组合，实现下管座流量再分配后冷却剂的流量分配更加均匀，减少横向流产生，降低燃料棒振动磨蚀风险。所述孔特征尺寸可在4.5mm～11mm之间选择。
所述流水孔孔群，其中流水孔的纵截面形状可以采用不同形状。由于纵向截面形状不同，将影响冷却剂通过后的流量再分配。所述纵向截面形状，流水孔可以为简单直孔、两边倒角或双倒角、内径为台阶状或圆滑过渡的缩颈孔等，相同特征尺寸下，根据分析及试验评估，上述孔型对冷却液的流量限制作用由小到大变化。根据不同纵向截面形状对冷却剂流通流量的限制作用的大小，安排到流量大小不同的区域，以实现平衡流量的作用。
所述下格板，为方形结构，其厚度可以采用不均匀厚度。由于下格板的厚度对冷却剂流通的压降有一定程度的影响，厚度越大压降越大，因此在流量较大区域，下格板采用较大厚度；在流量较小区域，下格板采用较小厚度。使冷却剂的流量更加均匀，从而达到减小横向流的作用。
所述滤板，为方形结构，厚度为0.5mm～10mm，其上布置有方形孔、圆形孔、异型孔或其它片式或网式过滤结构。流通过滤结构针对堆芯入口冷却剂流量分布进行设计，流量较大区域的流水孔采用较大的流阻系数的结构，加强流量限制作用，流量较小区域的流水孔采用较小流阻系数的结构，放宽流量限制作用。通过不同流阻系数结构的组合，实现单个燃料组件范围内流量再分配，使冷却剂的流量更加均匀，从而达到减小横向流的作用。
上述流水孔孔群、下格板、滤板上的特征可以采用一种或多种组合实现下管座流量再分配后冷却剂的流量分配更加均匀的目的。
本发明所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，优点如下：
(1)本发明通过下管座下格板上流水孔孔群的不同的横截面形状、纵向截面形状、特征尺寸和排布方式，可以使下管座流量再分配后冷却剂在堆芯入口处等高截面上流量更加均匀，减少横向流产生，弱化燃料棒及格架振动激励源，降低燃料棒振动磨蚀风险。
(2)本发明通过下管座下格板的不均匀的厚度分布，可以使下管座流量再分配后冷却剂在堆芯入口处等高截面上流量更加均匀，减少横向流产生，弱化燃料棒及格架振动激励源，降低燃料棒振动磨蚀风险。
(3)本发明通过过滤装置上的不同的形状、尺寸和排布方式的滤片、滤网或其它过滤结构的布置，可以使下管座流量再分配后冷却剂在堆芯入口处等高截面上流量更加均匀，减少横向流产生，弱化燃料棒及格架振动激励源，降低燃料棒振动磨蚀风险。
(4)本发明涉及的用于核燃料组件的下管座，通过下格板流水孔和过滤装置上过滤结构的交叉组合，有效地过滤冷却剂中的异物；通过下格板上流水孔的布局使应力分布合理化，满足结构强度要求；通过下格板上流水孔的孔型孔径特征，满足低压降的功能要求；同时通过下格板流水孔孔群的不同的形状和布置、下格板的厚度不均匀布置、过滤装置上的不同阻力系数的过滤结构和布置，三种方式的配合，实现对堆芯入口冷却剂流量分配更加均匀的目的。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明所述下管座和堆芯下板装配和冷却剂流向示意图；
图2是本发明所述堆芯下板俯视图；
图3是本发明所述堆芯下板流量不同的区域示意图；
图4是本发明所述下管座一个较佳实施例的正面立体结构示意图；
图5是本发明所述下管座一个较佳实施例的反面立体结构示意图；
图6是本发明所述下格板一个较佳实施例的平面示意图；
图7是本发明所述下管座一个较佳实施例的仰视图；
图8是本发明所述下管座一个较佳实施例的下格板剖视图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-下管座；2-堆芯下板；3-流量较大区域；4-流量较小区域；5-滤板；6-下格板；7-支撑框架；8-流水孔群；9-过滤条带。
具体实施方式
如图1所示，本发明的较佳实施例中的下管座1，安装在堆芯下板2上，冷却剂通过堆芯下板2上的三个(未图示)或四个(如图1和图2所示)流水孔流入下管座1。如图3所示，正对堆芯下板2上流水孔的区域为流量较大区域3；四周区域为流量较小区域4。
实施例1：
如图4和图5所示，本发明中的较佳实施例的下管座1，由方形的滤板5、下格板6和支撑框架7组成。其中最上层的滤板5主要起过滤异物的作用，由板材机加工或板材冲压制造。滤板5由边框、圆孔板、板条等组成，滤板5的边框外围与下格板大小配合，为边长约180mm～220mm的正方形，边框宽度约为5～10mm，厚度约为0.5～2mm。滤板5的圆孔板分为9块，每块上分布有直径约为5～7mm的圆形孔，该圆形孔一方面起到防异物的作用，另一方面起到控制流量的作用，圆孔板的厚度约为0.5～2mm。滤板5的板条连接边框和圆孔板，并且4等分下格板6的流水孔。板条厚度约为0.5～2mm，宽度约为1～1.5mm。下格板6由板材机加工而成，为边长约180mm～220mm的正方形，厚度约为15～25mm，下格板6上通过机加工的方式开有圆形流水孔8，流水孔8的直径约为9～15mm。支撑框架7通过铸造或机加工的方式制造，起到支承的作用。下格板6与支撑框架7通过焊接连接；下格板6与滤板5通过焊接或铆接等方式进行连接。
由上述结构可以看出，通过在滤板5对应流量较大区域3的位置上开设孔径较小的流水孔，实现限制流量的作用；在滤板5对应流量较小区域4的位置上使用板条，减少流量限制作用；既能优化流量平衡，又能实现防异物功能。通过下格板6上开设较大孔径的流水孔8保证了下管座1较低的压降。
上述结构只是一种总的构思，即在滤板5的不同区域使用不同的过滤结构。在流量较大区域3使用特征尺寸较小的过滤结构，在流量较小区域4使用特征尺寸较大的过滤结构。
实施例2：
如图7所示，本发明中的较佳实施例的下管座1，由下格板6、支撑框架7、过滤条带9组成。
其中下格板6由板材机加工制造，为边长约180mm～220mm的正方形，厚度约为15～25mm，下格板6上通过机加工的方式开有孔径不同的圆形流水孔8。如图6所示，流水孔8具有3种不同孔径，在流量较大区域3对应位置上开设孔径较小的流水孔8，孔径约为5～7mm；在流量较大区域4对应位置上开设孔径较大的流水孔8，孔径约为9～14mm；在这两个区域的交界处开设孔径约为7～9mm的流水孔8。过滤条带9由带材机加工或冲压制造，过滤条带9厚度约为0.5～1.5mm，安装在孔径较大的流水孔8上，4等分流水孔8，起到过滤异物的作用。支撑框架7通过铸造或机加工的方式制造，起到支承的作用。下格板6与支撑框架7通过焊接连接；过滤条带9通过下格板6上开的槽进行机械装配并焊接连接。
由上述结构可以看出，通过在下格板6对应流量较大区域3的位置上开设孔径较小的流水孔8，实现限制流量的作用；在滤板5对应流量较小区域4的位置开设孔径较大的流水孔8，减少流量限制作用；通过不同孔径流水孔的配合，既保证较低压降，同时实现优化流量平衡的功能。并通过在较大流水孔处安装过滤条带9，实现过滤异物的作用；孔径较小的流水孔8本身就具有防异物的功能。
上述结构是另一种构思，即利用下格板6上不同区域使用不同孔径的流水孔8。在流量较大区域3使用特征尺寸较小的流水孔8，在流量较小区域4使用特征尺寸较大的流水孔8。
实施例3：
本实施例与实施例2不同之处在于，所述下格板6的厚度不同。下格板6在不同区域采用不同的厚度。如图8所示，下格板6在流量较大区域3对应位置采用较大厚度，约为22～26mm；在流量较小区域4对应位置采用较小厚度，约为18～22mm。上述结构的下格板6，既提高了支承强度，又实现优化流量分配的作用。较厚区域可采用图示的梯形结构和圆形结构。
如上所述，便能较好的实现本发明，但上述实施例仅为实现本发明的代表性结构。为加强本发明的效果，在实施过程中可将上述实施例中几种结构综合使用，也可根据本发明的原理使用其它方式进行局部阻力系数的调整从而达到平衡流量，减小堆芯入口横向流，降低燃料组件燃料棒和格架条带流致振动的目的，从而增强燃料组件的安全性和可靠性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，包括下格板、支撑框架和过滤结构，所述下格板位于所述支撑框架上部，所述过滤结构在所述下格板的上部或下部，所述下格板上贯穿设置了用于安装燃料组件导向管的导向管孔、用于安装燃料组件仪表管的仪表管孔以及用于冷却剂流通和对流量进行再分配的流水孔群，其特征在于，所述过滤结构、所述下格板及其所述流水孔群被配置成根据冷却剂流入时的流量分布差异平衡流出流量。
2.如权利要求1所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述流水孔群由一组横截面形状不同的流水孔组成，所述流水孔的横截面形状包括三角形、正方形、五边形、六边形和圆形；对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，所述流水孔选用所述横截面面积较小的形状，在四周流量较小区域，所述流水孔选用相同孔特征尺寸下所述横截面面积较大的形状；所述孔特征尺寸是指圆孔的直径或非圆孔的外接圆的直径。
3.如权利要求1所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述流水孔群由一组纵向截面形状不同的流水孔组成，所述纵向截面形状包括直孔、两边倒角或双倒角、内径为台阶状和圆滑过渡的缩颈孔；对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，所述流水孔选用所述纵向截面面积较小的形状，在四周流量较小区域，所述流水孔选用相同特征尺寸下纵向截面积较大的形状；所述孔特征尺寸是指圆孔的直径或非圆孔的外接圆的直径。
4.如权利要求1所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述下格板为方形结构，所述下格板厚度不均匀，对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，所述下格板采用较四周大的厚度；在四周流量较小区域，所述下格板采用较中心小的厚度。
5.如权利要求1所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述滤板为方形结构，所述滤板上布置有方形孔、圆形孔的片式或网式过滤结构；对应所述下格板中心区域处，入口流量较四周区域大，采用较大的流阻系数的所述过滤结构，在四周流量较小区域，采用较小流阻系数的所述过滤结构。
6.如权利要求5所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述滤板厚度为0.5mm～10mm，由板材机加工或板材冲压制造，所述下格板和所述滤板通过焊接或铆接等方式进行连接。
7.如权利要求5所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述过滤结构为过滤条带，由带材机加工或冲压制造，所述过滤条带通过所述下格板上开的槽进行机械装配并焊接连接。
8.如权利要求3所述的一种平衡堆芯入口冷却剂流量的燃料组件下管座，其特征在于，所述孔特征尺寸在4.5mm～11mm之间。
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