CN110473640B - 一种子通道滑移式横向压降测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种子通道滑移式横向压降测量系统，涉及滑移式子通道横向压降测量技术领域，包括子通道横向压降测量装置、三维位移平台及夹持装置、微压差表和数据采集系统。所述子通道横向压降测量装置包括棒束，出口水箱，流道和进口段；所述棒束与和所述出口水箱之间使用螺纹连接和密封圈密封，所述出口水箱和所述流道之间使用法兰连接和密封圈密封，所述流道和所述进口段之间使用法兰连接和密封圈密封。本发明可直接测量子通道间的压差值，可同时测量相邻两组子通道间的压差值，且可以通过高度调节在垂直方向不同截面进行测量。

Description

一种子通道滑移式横向压降测量系统

技术领域

本发明涉及压降测量技术领域，尤其涉及一种子通道滑移式横向压降测量系统。

背景技术

在核电蓬勃发展的同时，研究人员越来越重视核电站设计时候的安全问题。我们知道在典型的压水堆核电站中，堆芯是产生热量的地方，因此，随着核电站的升级及功率的提高，能否更加有效地带走反应堆堆芯的热量、保证核燃料组件的温度不过高已经成为核燃料组件设计时候考虑的重要因素。

在常规压水核反应堆中，核燃料组件中最常用的结构是棒束结构。燃料棒按17×17排列并被固定成一束作为核燃料组件，每四根燃料棒之间围成一定间隙的流道通常称为子通道。在进行核燃料组件的设计时，研究者通常需要借助反应堆中原本用来固定燃料棒的定位格架实现流动的有效交混，在两个相邻的子通道之间会产生横向压降，即子通道横向压降。冷却剂流经子通道带走由燃料棒束产生的热量，从而保证燃料棒四周的温度不超过其限值，子通道横向压降会驱动流体横掠燃料棒束，大大促进燃料棒和冷却剂之间的换热，同时横向流动还能促进子通道之间的热量输运，增强子通道之间的热交混，达到冷热流体混合降低温度的效果。这对核反应堆的安全有着重要的影响。因此，子通道横向压降成为核反应堆研究的重点和热点。

但是由于核燃料组件内部空间有限，难以直接测量子通道横向压降，目前仅有一篇关于子通道压降的测量。该设计的压力测量实验回路由测试部分，包括蓄水池，15千瓦离心泵，流量控制阀和不锈钢管道组成，形成一个闭环。在压力测量杆上钻五个引压孔，沿垂直直线对齐。压力测量杆可沿其轴线旋转，并在±250mm的范围内轴向移动。孔的位置和横动范围能够测量测试部分中详细的垂直压力分布。压力接头从带有塑料管的棒内部连接到一组压差传感器，位于上压力通风系统中自由表面的高度上，从而补偿垂直测试部分中的重力压头。柔性塑料管是半透明的，以确保在测试之前适当地清除气泡。而实验装置只能测量压力值，无法直接测出子通道间的压差值，且其引压孔朝向完全一致，一次只能测量一个子通道的压力值。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种测量系统，可直接测量子通道间的压差值，可同时测量相邻两组子通道间的压差值，且可以通过高度调节在垂直方向不同截面进行测量。

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由于核燃料组件内部空间有限，难以直接测量子通道横向压降子通道，以及如何提高测量效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种子通道滑移式横向压降测量系统，包括子通道横向压降测量装置、三维位移平台及夹持装置、微压差表和数据采集系统；

所述子通道横向压降测量装置包括棒束，出口水箱，流道和进口段；所述棒束与和所述出口水箱之间使用螺纹连接和密封圈密封，所述出口水箱和所述流道之间使用法兰连接和密封圈密封，所述流道和所述进口段之间使用法兰连接和密封圈密封；

所述棒束由三根测压棒和二十二根非测压棒，共二十五根棒子按5*5正方形排列组成，每四根所述棒子之间围成一个子通道，并以定位格架固定所述棒束，所述三根测压棒包括一根位于所述棒束中心的中心测压棒及其相邻斜对角位置的两根对角测压棒，其余位置为二十二根所述非测压棒；所述中心测压棒和所述对角测压棒均由中空圆管，以及所述中空圆管下端的密封螺丝螺帽和锥形塞组成，在所述中空圆管指定位置开有引压孔，三个所述引压孔分别指向相邻的三个所述子通道；

所述出口水箱由出口水箱筒体和盖板组成，所述出口水箱筒体包含两个成180度水平对称分布的DN50管道和法兰，中心设有一个垂直于两个所述DN50管道的DN150管道和法兰，所述盖板上开有三个沉头式通孔，用于安装固定所述中心测压棒和所述对角测压棒；

所述流道由流道筒体、流道上法兰和流道下法兰三部分组成，所述流道筒体横截面为正方形，所述流道筒体上下两端成凸台形式，与所述流道上法兰和所述流道下法兰配合安装；所述流道上法兰包括中心区域、端面连接区域和法兰区域，所述中心区域设置成与所述子通道形状相对应的格珊形式，所述端面连接区域使用螺栓和螺栓内外侧双密封槽的形式，将所述流道上法兰和所述流道筒体对应端面连接起来，在连接处开设凹槽，与所述流道筒体端面凸台形式配合安装，在所述法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在所述法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封；所述流道下法兰包括中心区域、端面连接区域和法兰区域，所述中心区域设置成与所述子通道形状相对应的格珊形式，所述端面连接区域使用螺栓和螺栓内外侧双密封槽的形式，将所述流道下法兰和所述流道筒体端面连接起来，在连接处开设凹槽，与所述流道筒体端面凸台形式配合安装，在所述法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在所述法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封；

所述进口段由进口段筒体、进口段上法兰和进口段下法兰三部分组成，所述进口段筒体横截面为正方形，所述进口段上法兰设置了三个耳朵结构，用于安装到钢结构上，所述进口段上法兰上下两个端面的中心区域都设有凹槽，一面与所述流道下法兰配合安装，另一面与所述进口段筒体连接，所述进口段下法兰仅在一个端面的中心区域设有凹槽，与所述进口段筒体配合连接，所述进口段筒体上下端与所述进口段上法兰和所述进口段下法兰通过焊接方式连接成整体；

所述中心测压棒和所述对角测压棒通过所述夹持装置与所述三维位移平台连接，所述中心测压棒和所述对角测压棒上端通过硬质橡皮管与所述微压差表连接，所述微压差表得到的数据由所述数据采集系统进行数据处理分析。

进一步地，所述定位格架为金属栅格。

进一步地，所述中心测压棒的所述中空圆管长长2000mm，内径6mm，外径9.5mm，在距顶端926.2(±0.05mm)的位置设有所述引压孔，孔径1mm，材料为304不锈钢。

进一步地，所述对角测压棒的所述中空圆管长1850mm，内径6mm，外径9.5mm，在距顶端776.2(±0.05mm)的位置设有所述引压孔，孔径1mm，材料为304不锈钢。

进一步地，所述非测压棒长1100mm，外径9.5mm，材料为实心铝合金棒。

进一步地，所述流道筒体和所述进口段筒体四面设有透明视窗。

进一步地，所述夹持装置包括夹具和转接板。

进一步地，所述夹具由带有一对转接孔的L型工装和杯型固定孔组成，所述杯型固定孔上开有四个螺纹孔，两两成180度对称布置，并在高度上错开，用M3内六角丝牙穿过所述螺纹孔，固定所述测压棒，所述L型工装上的所述转接孔用于连接所述转接板。

进一步地，所述转接板上设有一对中心测压棒夹具通孔和两对对角测压棒夹具通孔，用于和所述夹具上的所述转接孔配合安装，另外还设有一排安装孔，用于连接所述三维位移平台。

进一步地，所述三维位移平台由上海联谊光纤激光器械有限公司的一组行程500mm的一维位移平台和一组行程80mm的二维位移平台拼装制造而成，所述微压差表为日本横河电机有限公司型号为EJX-120A的微差表，所述数据采集系统包括美国国家仪器公司的型号为cDAQ-9174的机箱和型号为NI-9219的采集卡。

本发明提供一种子通道滑移式横向压降测量系统至少具有以下有益的技术效果：

1、本发明实现了直接测量子通道间的压差值。

2、本发明可同时测量两组子通道间的压差值，且可以通过高度调节在垂直方向不同截面进行测量。

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是本发明的一个较佳实施例的子通道横向压降测量装置结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的棒束结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的中心测压棒结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的对角测压棒结构示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的引压孔布置示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的出口水箱结构示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的出口水箱俯视图；

图8是本发明的一个较佳实施例的流道上法兰俯视图；

图9是本发明的一个较佳实施例的流道下法兰俯视图；

图10是本发明的一个较佳实施例的进口段上法兰俯视图；

图11是本发明的一个较佳实施例的进口段下法兰俯视图；

图12是本发明的一个较佳实施例的夹具结构示意图；

图13是本发明的一个较佳实施例的转接板结构示意图。

其中，棒束1，出口水箱2，流道3，进口段4，中心测压棒5，对角测压棒6，非测压棒7，定位格架8，引压孔9，中空圆管51，密封螺丝螺帽52，锥形塞53，子通道A、子通道B，子通道C，出口水箱筒体21，盖板22，沉头式通孔23，流道筒体31，流道上法兰32，流道下法兰33，进口段筒体41，进口段上法兰42，进口段下法兰43，夹具10，杯型固定孔101，L型工装102，转接孔103，转接板11，中心测压棒夹具通孔111，对角测压棒夹具通孔112，安装孔113。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本实施例的子通道滑移式横向压降测量系统，包括子通道横向压降测量装置、三维位移平台及夹持装置、微压差表、数据采集系统。其中，三维位移平台购买自上海联谊光纤激光器械有限公司，由一组行程500mm的一维位移平台和一组行程80mm的二维位移平台拼装制造而成。微压差表购买自日本横河电机有限公司，型号为EJX-120A。数据采集系统购买自美国国家仪器公司，机箱型号为cDAQ-9174，采集卡型号为NI-9219。

如图1所示，子通道横向压降测量装置包括棒束1，出口水箱2，流道3和进口段4。所述棒束1与和所述出口水箱2之间使用螺纹连接和密封圈密封，所述出口水箱2和所述流道3之间使用法兰连接和密封圈密封，所述流道3和所述进口段4之间使用法兰连接和密封圈密封。流道3由流道筒体31、流道上法兰32和流道下法兰33三部分组成。进口段4由进口段筒体41，进口段上法兰42和进口段下法兰43三部分组成。

如图2所示，棒束1由中心测压棒5、对角测压棒6、非测压棒7组成，并以定位格架8固定，定位格架8为一种金属格栅。非测压棒7长1100mm，外径9.5mm，材料为实心铝合金棒。如图3所示，中心测压棒5由中空圆管51，密封螺丝螺帽52和锥形塞53组成。中心测压棒5的中空圆管51长2000mm，内径6mm，外径9.5mm。在距顶端926.2(±0.05mm)的位置开引压孔9，孔径1mm，对流动影响较小，材料为304不锈钢，数量为一根。中心测压棒5的中空圆管51下端用密封螺丝螺帽52和锥形塞53密封。如图4所示，对角测压棒6由中空圆管51，密封螺丝螺帽52和锥形塞53组成。对角测压棒6的中空圆管51长度1850mm，内径6mm，外径9.5mm，在距顶端776.2(±0.05mm)位置开引压孔9，孔径1mm，材料为304不锈钢，数量为两根。对角测压棒6的中空圆管51下端用密封螺丝螺帽52和锥形塞53密封。如图5所示，棒束1由三根测压棒和二十二根非测压棒7按5*5正方形排列组成，三根测压棒包括一根位于所述棒束1中心的中心测压棒5及其相邻斜对角位置的两根对角测压棒6，三根测压棒沿对角线布置，其余位置为二十二根非测压棒7，非测压棒7为实心铝合金棒。三个引压孔9分别指向被测量的子通道A、子通道B和子通道C。三根测压棒上端通过硬质橡皮管与微压差表连接，中心测压棒5的压力引出后，使用三通阀分别引到两台微压差表上，对角测压棒6的压力分别引出到两台微压差表，即可同时测量指定位置处子通道A和子通道B之间以及子通道B和子通道C之间的压差。

如图6所示，出口水箱2由出口水箱筒体21和盖板22组成。出口水箱筒体21包含两个成180度水平对称分布的DN50管道和法兰，中心设有一个垂直于水平DN50管道的DN150管道，DN150管道下方安装有法兰，出口水箱筒体21上表面设有密封槽，使用密封圈密封。如图7所示，盖板22上开有三个沉头式通孔23，用于安装固定中心测压棒5和对角测压棒6。三个沉头式通孔23上安装有的导向管，导向管内径比测压棒外径略大，需要通过螺栓螺母的形式配合密封圈密封。在有限的位置上布置三个螺母需要将螺母在高度方向上互相错开，本实施例采用中心测压棒5的螺栓位置高，对角测压棒6的螺栓位置低的方式布置。

如图1所示，流道3由流道筒体31、流道上法兰32和流道下法兰33三部分组成。流道筒体31横截面为正方形，在流道筒体31的四面开设透明视窗，使得整个流道筒体31的绝大部分区域都能够通过透明视窗实现可视化，流道筒体31的上下两端成凸台形式，通过流道上法兰32和流道下法兰33连接处的凹槽进行配合安装。

如图8所示，流道上法兰32包括中心区域、端面连接区域和法兰区域。在中心区域上，设置成与子通道形状相对应的格珊形式，尽可能减小出口对上游流动的影响。在端面连接区域，使用螺栓和螺栓内外侧双密封槽的形式，将流道上法兰32和流道筒体31端面连接起来，在连接处开设凹槽，与流道筒体31凸台形式端面配合安装。在法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封。

如图9所示流道下法兰33包含中心区域、端面连接区域和法兰区域。在中心区域上，设置成与子通道形状相对应的格珊形式，模拟核反应堆的堆芯入口的流量分配板。在端面连接区域，使用螺栓和螺栓内外侧双密封槽的形式，将流道下法兰33和流道筒体31端面连接起来，在连接处开设凹槽，与流道筒体31凸台形式端面配合安装。在法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封。

如图1所示，进口段4由进口段筒体41，进口段上法兰42和进口段下法兰43三部分组成。进口段筒体41横截面为正方形，在进口段筒体41四面开设透明视窗，实现可视化。在进口段筒体41上方的进口处设置了略大于流道筒体31内尺寸的槽口，用于安装蜂窝整流器，使进口段4的进口速度分布接近均匀入口流速边界条件。进口段上法兰42的上下两个端面的中心区域都设有凹槽，一面与流道下法兰33配合安装，另一面与进口段筒体41连接，保证安装精度。进口段下法兰43仅在一个端面的中心区域设有凹槽，与进口段筒体41配合连接。进口段筒体41上下端分别与进口段上法兰42和进口段下法兰43通过焊接方式连接成整体。如图10所示，进口段上法兰42设置了三个耳朵结构，用于安装到钢结构上。在法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封。如图11所示，进口段下法兰43在法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封。

子通道横向压降测量装置上部通过夹持装置连接三维位移平台。如图12所示，夹持装置包括夹具10，夹具10使用特别设计的工装进行夹持，由带有一对转接孔103的L型工装102和杯型固定孔101组成。杯型固定孔101上开有四个螺纹孔，两两成180度对称布置，并在高度上错开，用M3内六角丝牙穿过螺纹孔，压紧测压棒，即可固定。用三个夹具10分别固定一根中心测压棒5和两根对角测压棒6。如图13所示，夹持装置还包括转接板11，转接板11上设有一对中心测压棒夹具通孔111和两对对角测压棒夹具通孔112，用于与夹具10上的转接孔103配合安装。另外设有一排安装孔113，用于将转接板11连接到三维位移平台上，用三维位移平台拖动转接板11带动夹具10使得三根测压棒上下移动，且可根据需要设置移动的位移距离测量不同垂高度同一截面的压差值。

进行压差测量前，为消除轴向沿程压降的影响，三根测压棒上的引压孔9的高度要完全一致(±0.01mm)。初始安装时，在静水中安装不开泵。驱动三维位移平台精细调节三根测压棒，最终将三个引压孔9调节到同一高度(±0.01mm)，并通过压差表读数为零确定初始高度。进行测量时，中心测压棒5引压孔9的压力引出后，使用三通阀分别引到两台微压差表上，对角测压棒6引压孔9的压力分别引出到两台微压差表，即可同时测量同一高度两组子通道的压差值，三根测压棒可以通过三维位移平台实现在轴向500mm的范围内上下移动，以测量不同垂直高度同一截面上的子通道压差值。最后通过数据采集系统对压差数据进行数据处理分析。

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 (10)

1.一种子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，包括子通道横向压降测量装置、三维位移平台及夹持装置、微压差表和数据采集系统；

所述子通道横向压降测量装置包括棒束，出口水箱，流道和进口段；所述棒束与和所述出口水箱之间使用螺纹连接和密封圈密封，所述出口水箱和所述流道之间使用法兰连接和密封圈密封，所述流道和所述进口段之间使用法兰连接和密封圈密封；

所述棒束由三根测压棒和二十二根非测压棒，共二十五根棒子按5*5正方形排列组成，每四根所述棒子之间围成一个子通道，并以定位格架固定所述棒束，所述三根测压棒包括一根位于所述棒束中心的中心测压棒及其相邻斜对角位置的两根对角测压棒，其余位置为二十二根所述非测压棒；所述中心测压棒和所述对角测压棒均由中空圆管，以及所述中空圆管下端的密封螺丝螺帽和锥形塞组成，在所述中空圆管指定位置开有引压孔，三个所述引压孔分别指向相邻的三个所述子通道；

所述出口水箱由出口水箱筒体和盖板组成，所述出口水箱筒体包含两个成180度水平对称分布的DN50管道和法兰，中心设有一个垂直于两个所述DN50管道的DN150管道和法兰，所述盖板上开有三个沉头式通孔，用于安装固定所述中心测压棒和所述对角测压棒；

所述流道由流道筒体、流道上法兰和流道下法兰三部分组成，所述流道筒体横截面为正方形，所述流道筒体上下两端成凸台形式，与所述流道上法兰和所述流道下法兰配合安装；所述流道上法兰包括中心区域、端面连接区域和法兰区域，所述中心区域设置成与所述子通道形状相对应的格珊形式，所述端面连接区域使用螺栓和螺栓内外侧双密封槽的形式，将所述流道上法兰和所述流道筒体对应端面连接起来，在连接处开设凹槽，与所述流道筒体端面凸台形式配合安装，在所述法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在所述法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封；所述流道下法兰包括中心区域、端面连接区域和法兰区域，所述中心区域设置成与所述子通道形状相对应的格珊形式，所述端面连接区域使用螺栓和螺栓内外侧双密封槽的形式，将所述流道下法兰和所述流道筒体端面连接起来，在连接处开设凹槽，与所述流道筒体端面凸台形式配合安装，在所述法兰区域，按照国家标准法兰设置法兰孔，在所述法兰孔内侧设置密封槽，与密封圈配合密封；

所述进口段由进口段筒体、进口段上法兰和进口段下法兰三部分组成，所述进口段筒体横截面为正方形，所述进口段上法兰设置了三个耳朵结构，用于安装到钢结构上，所述进口段上法兰上下两个端面的中心区域都设有凹槽，一面与所述流道下法兰配合安装，另一面与所述进口段筒体连接，所述进口段下法兰仅在一个端面的中心区域设有凹槽，与所述进口段筒体配合连接，所述进口段筒体上下端与所述进口段上法兰和所述进口段下法兰通过焊接方式连接成整体；

所述中心测压棒和所述对角测压棒通过所述夹持装置与所述三维位移平台连接，所述中心测压棒和所述对角测压棒上端通过硬质橡皮管与所述微压差表连接，所述微压差表得到的数据由所述数据采集系统进行数据处理分析。

2.如权利要求1 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述定位格架为金属栅格。

3.如权利要求1 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述中心测压棒的所述中空圆管长2000mm，内径6mm，外径9.5mm，在距顶端926.2(±0.05mm)的位置设有所述引压孔，孔径1mm，材料为304不锈钢。

4.如权利要求2 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述对角测压棒的所述中空圆管长1850mm，内径6mm，外径9.5mm，在距顶端776.2(±0.05mm)的位置设有所述引压孔，孔径1mm，材料为304不锈钢。

5.如权利要求1 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述非测压棒长1100mm，外径9.5mm，材料为实心铝合金棒。

6.如权利要求1 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述流道筒体和所述进口段筒体四面设有透明视窗。

7.如权利要求1 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述夹持装置包括夹具和转接板。

8.如权利要求7所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述夹具由带有一对转接孔的L型工装和杯型固定孔组成，所述杯型固定孔上开有四个螺纹孔，两两成180度对称布置，并在高度上错开，用M3内六角丝牙穿过所述螺纹孔，固定所述测压棒，所述L型工装上的所述转接孔用于连接所述转接板。

9.如权利要求8所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述转接板上设有一对中心测压棒夹具通孔和两对对角测压棒夹具通孔，用于和所述夹具上的所述转接孔配合安装，另外还设有一排安装孔，用于连接所述三维位移平台。

10.如权利要求1 所述的子通道滑移式横向压降测量系统，其特征在于，所述三维位移平台由一组行程500mm的一维位移平台和一组行程80mm的二维位移平台拼装制造而成，所述微压差表为日本横河电机有限公司型号为EJX-120A的微差表，所述数据采集系统包括美国国家仪器公司的型号为cDAQ-9174的机箱和型号为NI-9219的采集卡。

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