CN106531230B - 一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,解决了现有压紧系统运行时弹簧内部存在较大应力,导致容易辐照松弛,进而使弹簧压紧力降低,存在燃料组件寿期的中后期压紧力不足的问题。本发明包括安装在管座(2)上的若干弹簧组,其特征在于,所述弹簧组内增设有预设弹簧,在燃料组件热态正常运行时,该预设弹簧处于自然状态,在燃料组件受到瞬态外载荷将跳起时或在燃料组件燃耗加深后,该预设弹簧处于压缩状态。本发明具有减小燃料组件运行期间的弯曲变形,提高燃料组件运行稳定性和使用寿命等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压紧系统,具体涉及一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统。
背景技术
现有反应堆燃料组件通常由若干燃料棒、导向管、定位格架、下管座部件以及包含压紧系统的管座部件等组成,如图1所示。压紧系统设置在燃料组件顶部,轴向压紧燃料组件,保持其与下堆芯板接触,并补偿燃料组件辐照生长和燃料组件相对于堆内构件的热膨胀差。
常规技术的燃料组件压紧系统由若干组对称安装在管座顶部的弹簧组构成,如图1所示。以板弹簧压紧系统为例,其每一组板弹簧组最上面一片弹簧由水平段、倾斜臂和带单侧勾爪的竖直臂三部分组成,水平段设有定位孔;位于下部的若干片弹簧由水平段和倾斜臂两部分组成,在倾斜臂的末端设有全封闭的方形窗口,水平段同样设有定位孔;所有弹簧片由上至下叠放后,顶部弹簧片的竖直臂依次穿过下部弹簧片倾斜臂上的方形窗口,并插入管座开槽内配合固定,弹簧片水平段的定位孔重叠并通过压紧螺钉或销钉固定在管座上,如图2所示;安装后,所有弹簧片均有一定压缩量,即存在预紧力。
为了保证压紧功能,该压紧系统具有较大的压紧力余量,在整个运行区间内,提供的实际压紧力大于燃料组件所需的压紧力,使得燃料组件在寿期内长期承受过度的压紧力,对保持燃料组件结构稳定性是不利的,运行经验表明这种过度压紧引起了燃料组件辐照弯曲变形并进一步影响到控制棒落棒。另一方面,常规技术的压紧系统运行时弹簧内部存在较大应力,应力大其辐照松弛量因而也比较大,辐照松弛后弹簧压紧力降低,存在导致燃料组件寿期的中后期压紧力不足的风险。
发明内容
本发明主要解决了现有压紧系统运行时弹簧内部存在较大应力,导致容易辐照松弛,进而使弹簧压紧力降低,存在燃料组件寿期的中后期压紧力不足的问题,提供解决上述问题的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统。
本发明通过下述技术方案实现:
一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,包括安装在管座(2)上的若干弹簧组,其特征在于,所述弹簧组内增设有预设弹簧,在燃料组件热态正常运行时,该预设弹簧处于自然状态,在燃料组件受到瞬态外载荷将跳起时或在燃料组件燃耗加深后,该预设弹簧处于压缩状态。
所述弹簧组为板弹簧组,螺旋弹簧组,蝶形弹簧组、扭转弹簧组或其相互组合;所述预设弹簧为设置在板弹簧内的预设板弹簧或/和设置在螺旋弹簧内的预设内弹簧。
本发明通过增设的预设弹簧,能有效改变板弹簧组的刚度,通过变刚度实现燃料组件轴向压紧力的按需供给,既能保证轴向压紧燃料组件,又能降低燃料组件的轴向载荷和应力水平,减小燃料组件运行期间的弯曲变形,进一步避免影响到控制棒落棒。并且通过上述变刚度的设置,还可以进一步优化燃料组件结构,减少燃料组件活性段内的结构材料,提高燃料组件的中子经济性。
由于预设弹簧在燃料组件热态正常运行时一直处于自然状态,因而在燃料组件热态正常运行时该预设弹簧内基本无应力,不会产生辐照松弛。本发明通过降低弹簧组的辐照松弛设计,保证燃料组件寿期内持续提供合适的压紧力,实现燃料组件寿期内压紧力基本稳定,解决辐照松弛导致燃料组件寿期的中后期压紧力不足的问题;同时结合变刚度设计,可以进一步减小运行期间的压紧力余量,减小燃料组件运行期间的弯曲变形,在轴向载荷方面保证燃料组件满足高燃耗和长寿期的要求,总体上提高燃料组件的可靠性和经济性,效果十分显著。
并且通过上述结构的优化设置,能保证压紧系统的特性曲线平滑,通过平滑的特性曲线设计,使燃料组件的轴向载荷连续变化,避免了压紧系统内的应力突变以及载荷突变对燃料组件造成冲击,提高压紧系统稳定性和燃料组件的可靠性。
进一步,所述弹簧组中包括板弹簧组时,板弹簧组包括由上至下层叠设置的A板弹簧和若干B板弹簧组成,板弹簧组设计为在靠近燃料组件活性段一侧去除材料,A板弹簧由水平段、倾斜臂和带单侧勾爪的竖直臂构成,各段连接处上表面光滑过渡,B板弹簧由水平段和倾斜臂组成,该B板弹簧的倾斜臂端部设置有用于竖直臂穿过的窗口,该水平段上均设置有便于安装的定位孔。
更进一步,所述预设板弹簧由水平段和倾斜臂组成,该倾斜臂顶端端部设置有用于竖直臂穿过且带缺口的窗口,该水平段上设置有便于安装的定位孔。
为了能更好地实现本发明压紧系统变刚度和低辐照松弛的目的,本发明对螺旋弹簧构成的螺旋弹簧组结构进行了优化,该螺旋弹簧组包括贯穿管座的压杆,设置在压杆上且位于管座内部顶端位置处的压帽,以及套接在压杆上且位于管座内部压帽下方的螺旋外弹簧;所述管座内压帽下方的压杆上还设置有台阶,该预设内弹簧设置在台阶与压帽之间,且位于螺旋外弹簧内。
通过上述结构的设置,当预设内弹簧的顶端与螺旋外弹簧顶端连接为一体时,有效实现螺旋弹簧组的变刚度设计,并有效降低螺旋弹簧组的辐照松弛,进一步解决辐照松弛导致的燃料组件寿期的中后期压紧力不足的问题,减小运行期间的压紧力余量,减小燃料组件运行期间的弯曲变形。
进一步,所述预设内弹簧为螺旋弹簧或碟形弹簧。
优选地,所述螺旋弹簧或碟形弹簧为变刚度弹簧。同时,本发明中的压紧系统还可以采用耐辐照的功能材料替换现有弹簧材料,进而降低本发明的辐照松弛。如:所述板弹簧组以及压紧弹簧均可采用因科镍718材料制造、或者具有变刚度特性的功能材料、或者耐辐照松弛的功能材料制造。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、本发明通过弹簧组和预设弹簧组合后的变刚度设计,实现燃料组件压紧力的按需供给,在保证可靠压紧的基础上,减小运行期间的压紧力余量,降低燃料组件的轴向载荷和应力水平,减小燃料组件运行期间的弯曲变形;
2、本发明通过变刚度的设计,实现燃料组件压紧力的按需供给并降低燃料组件的轴向载荷后,可以优化燃料组件结构,减少燃料组件活性段内的结构材料,提高燃料组件的中子经济性;
3、本发明通过降低本辐照松弛的设计,实现燃料组件寿期内压紧力基本稳定;解决辐照松弛导致燃料组件寿期的中后期压紧力不足的问题;
4、本发明通过降低本辐照松弛和变刚度的共同作用,可以进一步减小运行期间的压紧力余量,减小燃料组件运行期间的弯曲变形;
5、本发明运行稳定、使用寿命长,效果十分显著。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为现有技术中压紧装置和燃料组件的结构示意图。
图2为现有技术中板弹簧组安装在燃料组件的管座上的结构示意图。
图3为现有技术中螺旋弹簧组在管座中的结构示意图。
图4为本发明中板弹簧组的结构示意图一。
图5为实施例2中螺旋弹簧组的结构示意图。
图6为实施例3中螺旋弹簧组的结构示意图。
图7为实施例1的压紧系统特性曲线与常规技术的压紧系统特性曲线的对比示意图。
图8为本发明中板弹簧组的结构示意图二。
附图中标记及对应的零部件名称:
1-板弹簧组,2-管座,3-螺旋弹簧组,4-预设板弹簧;
11-A板弹簧,12-B板弹簧;
31-压杆,32-压帽,33-螺旋外弹簧,34-预设内弹簧。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,如图1、图2和图3所示,包括安装在管座2上的板弹簧组1,以及安装在管座2中的螺旋弹簧组3。本发明中板弹簧组1安装在燃料组件管座2上,该管座2可以是燃料组件上端的上管座,也可以是其下端的下管座,本实施例中以上管座为例。
如图2所示,所述板弹簧组1包括由上至下层叠设置的A板弹簧11和一片以上的B板弹簧12组成,A板弹簧11由水平段、倾斜臂和带单侧勾爪的竖直臂构成,B板弹簧由水平段和倾斜臂组成,该B板弹簧的倾斜臂端部设置有用于竖直臂穿过的窗口,该水平段上均设置有便于安装的定位孔。
本实施例中该B板弹簧12的数量设置为一片,如图4所示。并且在该板弹簧组1与管座2之间还设置有预设板弹簧4。该预设弹簧可以直接采用螺旋弹簧,将螺旋弹簧套接在竖直臂上,且底端固定在上管座顶端;同时,该预设弹簧也可以采用预设板弹簧4。本实施例中该预设弹簧优选为采用预设板弹簧4,当预设弹簧采用板状弹簧结构时,该预设板弹簧4由水平段和倾斜臂组成,该倾斜臂顶端端部设置有用于竖直臂穿过的窗口,该水平段上也设置有便于安装的定位孔。安装时,A板弹簧的竖直臂穿过B板弹簧的窗口以及预设板弹簧4的窗口,通过弹性螺栓穿过板弹簧组1以及预设板弹簧4上的定位孔,然后固定在管座2上即可。
在燃料组件热态正常运行时,该预设板弹簧4处于自然状态,在燃料组件受到瞬态外载荷将跳起时或在燃料组件燃耗加深后,该预设板弹簧4处于压缩状态。
即,燃料组件热态正常运行时需要压紧力较小,此时板弹簧组1中的A板弹簧和B板弹簧受到压缩提供合适轴向压紧力,预设板弹簧4基本不受压缩,预设弹簧内基本无应力,不产生辐照松弛。
当燃料组件受到瞬态外载荷将跳起时,预设板弹簧4开始受压与A板弹簧11和B板弹簧12共同提供更大的压紧力,保证燃料组件在较大的外载荷下依然能够可靠压紧,但不会长期过度压紧燃料组件.
当燃料组件燃耗加深后,燃料组件辐照生长导致预设板弹簧4开始受压,补偿A板弹簧11和B板弹簧12由于辐照松弛导致的压紧力下降,从而使寿期内的压紧力合适并能维持长期可靠压紧,用于高燃耗长寿期燃料组件效果更为明显。
本发明对压紧系统的弹簧压紧力和弹簧变形量的曲线进行绘制,并与现有技术中不增加预设弹簧的压紧系统的弹簧压紧力和弹簧变形量的曲线进行对比,如图7所示。通过该对比可知,本发明一方面在保证可靠压紧的同时,压紧力余量明显减小,解决了过度压紧导致燃料组件运行弯曲的问题;另一方面本发明的特性曲线比较光顺,压紧载荷连续变化,避免载荷突变对燃料组件造成冲击。
本发明板弹簧组1中预设板弹簧4的窗口可选用封闭的方形窗口,如图4所示;也可优选采用带缺口的窗口结构设计,如图8所示。但优选为带缺口的窗口结构设计时,能使本发明的板弹簧组1具有适应更大变形量而不干涉的能力,拓展了本发明的适用范围。根据实际需要情况,B板弹簧12的窗口也可以采用类似预设板弹簧4中带缺口的窗口设置。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例优化了螺旋弹簧组3的结构,具体设置如下:
所述螺旋弹簧组3包括贯穿管座2的压杆31,设置在压杆31上且位于管座2内部顶端位置处的压帽32,以及套接在压杆31上且位于管座2内部压帽32下方的螺旋外弹簧33;所述管座2内压帽32下方的压杆31上还设置有台阶,预设内弹簧34设置在该台阶与压帽32之间,且预设内弹簧位于螺旋外弹簧33内。本实施例中该预设内弹簧34为螺旋弹簧,如图5所示。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于,本实施例中该预设内弹簧34的设置不同,本实施例中该预设内弹簧34为碟形弹簧,如图6所示。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于,本实施例中还优化了螺旋弹簧组3和板弹簧组1的设置。
压紧系统中的弹簧通过结构设计或功能材料的优化来降低辐照松弛。结构设计上一方面通过降低弹簧组的应力水平,另一方面使弹簧组整体尤其是高应力部位远离燃料组件活性段等高中子注量部位,能够减小压紧系统的辐照松弛,提高压紧系统稳定性和燃料组件的可靠性。材料上选用耐辐照材料,如板弹簧组1以及压紧弹簧3均采用因科镍718材料制造。
压紧系统中的弹簧还可以通过下述设置实现刚度变化,如:螺旋弹簧和碟形弹簧可通过变节距和中径等措施实现变刚度。
同时,本发明中使压紧系统与管座2的接触点光滑平顺,避免接触点的突变引起载荷突变造成压紧系统应力突变和冲击燃料组件,进一步提高压紧系统稳定性和燃料组件的可靠性。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,包括安装在管座(2)上的若干弹簧组,其特征在于,所述弹簧组内增设有预设弹簧,在燃料组件热态正常运行时,该预设弹簧处于自然状态,在燃料组件受到瞬态外载荷将跳起时或在燃料组件燃耗加深后,该预设弹簧处于压缩状态;
所述弹簧组为板弹簧组(1)、螺旋弹簧组(3)、蝶形弹簧组、扭转弹簧组或其相互组合;所述预设弹簧为设置在板弹簧(1)内的预设板弹簧(4)或/和设置在螺旋弹簧(3)内的预设内弹簧(34);
所述弹簧组包括螺旋弹簧组(3)时,该螺旋弹簧组(3)包括贯穿管座(2)的压杆(31),设置在压杆(31)上且位于管座(2)内部顶端位置处的压帽(32),以及套接在压杆(31)上且位于管座(2)内部压帽(32)下方的螺旋外弹簧(33);所述管座(2)内压帽(32)下方的压杆(31)上还设置有台阶,该预设内弹簧(34)设置在台阶与压帽(32)之间,且位于螺旋外弹簧(33)内。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,其特征在于,所述弹簧组中包括板弹簧组(1)时,板弹簧组(1)包括由上至下层叠设置的A板弹簧(11)和若干B板弹簧(12)组成,A板弹簧(11)由水平段、倾斜臂和带单侧勾爪的竖直臂构成,B板弹簧由水平段和倾斜臂组成,该B板弹簧(12)的倾斜臂端部设置有用于A板弹簧(11)的竖直臂穿过的窗口,该水平段上均设置有便于安装的定位孔。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,其特征在于,所述预设板弹簧(4)由水平段和倾斜臂组成,该倾斜臂顶端端部设置有用于竖直臂穿过且带缺口的窗口,该水平段上设置有便于安装的定位孔。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,其特征在于,所述预设内弹簧(34)为螺旋弹簧或碟形弹簧。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,其特征在于,所述螺旋弹簧或碟形弹簧为变刚度弹簧。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,其特征在于,所述弹簧组中包括板弹簧组(1)和螺旋弹簧组(3)。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度低辐照松弛的高稳定性燃料组件压紧系统,其特征在于,所述弹簧组采用因科镍718材料、或者具有变刚度特性的功能材料、或者耐辐照松弛的功能材料制造。
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