CN110993127B - 一种核燃料组件及变刚度压紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核燃料组件及变刚度压紧装置，该变刚度压紧装置，包括多个压紧单元；每个压紧单元包括由上至下依次层叠设置的第一板弹簧以及第二板弹簧；第一板弹簧包括第一连接臂、在第一连接臂一端倾斜延伸设置的第一倾斜臂、以及设置在第一倾斜臂远离第一连接臂一端的竖直臂；第二板弹簧包括第二连接臂、以及在第二连接臂一端倾斜延伸并与第一倾斜臂层叠设置的第二倾斜臂，第二倾斜臂远离第二连接臂的一段设有供竖直臂穿过的第一窗口；第二倾斜臂的长度大于第一倾斜臂的长度，以使第二倾斜臂的最高点高于第一倾斜臂的最高点；该变刚度压紧装置能够减少或消除板弹簧的塑性变形、减少燃料组件弯曲风险，减少辐照应力蠕变松弛。

Description

一种核燃料组件及变刚度压紧装置

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，更具体地说，涉及一种核燃料组件及变刚度压紧装置。

背景技术

现有压水堆燃料组件由燃料棒、上下管座、格架、导向管等组成。其中压紧装置与上管座组成上管座部件，压紧装置主要实现对燃料组件的压紧，保持燃料组件与下堆芯板的接触以及补偿燃料组件辐照生长后燃料组件相对于上下堆芯板之间的热膨胀差。

压紧装置，尤其是压紧板弹簧，是压水堆燃料组件中的一种重要部件，燃料组件压紧系统由四个板弹簧组组成。板弹簧组的主要功能是提供适当的压紧力以保持燃料组件在运行过程中被压紧于堆芯支撑下板上表面，防止水流冲刷下引起组件跳起而损坏燃料组件。在正常寿期内，压紧板弹簧的变形可补偿燃料组件高度与堆腔高度的不同生长。另外，板弹簧所提供的压紧力也不宜过大，否则导致燃料组件产生较大弯曲，从而影响控制棒组件的正常插入，且会增加吊装过程中的相邻燃料组件格架之间的钩挂风险。

为了保证安全，在现有板弹簧压紧系统设计中，其具有较大的压紧力裕量，特别是在冷态启动的情况下，板弹簧提供的实际压紧力远远大于所需要的压紧力，会导致板弹簧出现屈服，从而使得弹簧片内部存在较大应力。而所受到的应力大，其辐照松弛量因而也比较大，弹簧松弛后会导致压紧力变小，在燃料组件运行中后期存在压紧力不足的风险。

现有压紧装置为恒定刚度设计，冷态工况下压紧力裕量过大，会导致板弹簧出现塑性变形，严重时会导致燃料组件弯曲，导致辐照应力蠕变松弛较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的变刚度压紧装置，进一步提供一种改进的核燃料组件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种变刚度压紧装置，包括多个压紧单元；每个所述压紧单元包括由上至下依次层叠设置的第一板弹簧以及第二板弹簧；

所述第一板弹簧包括第一连接臂、在所述第一连接臂一端倾斜延伸设置的第一倾斜臂、以及设置在所述第一倾斜臂远离所述第一连接臂一端的竖直臂；

所述第二板弹簧包括第二连接臂、以及在所述第二连接臂一端倾斜延伸并与所述第一倾斜臂层叠设置的第二倾斜臂，所述第二倾斜臂远离所述第二连接臂的一段设有供所述竖直臂穿过的第一窗口；所述第二倾斜臂的长度大于所述第一倾斜臂的长度，以使所述第二倾斜臂的最高点高于所述第一倾斜臂的最高点；

所述变刚度压紧装置包括热态工况状态以及冷态工况状态；在所述热态工况状态下，所述第二倾斜臂的最高点和所述第一倾斜臂的最高点之间的高度差大于所述压紧单元的压缩量，所述第一板弹簧处于自由状态；

在所述冷态工况状态下，所述第二倾斜臂的最高点和所述第一倾斜臂的最高点之间的高度差小于或等于所述压紧单元的压缩量，所述第一板弹簧处于压缩状态。

优选地，所述第一倾斜臂与所述竖直臂的连接处设有第一弧形段。

优选地，所述第一倾斜臂与所述第二倾斜臂之间留设有间隔。

优选地，所述第二倾斜臂远离所述第二连接臂的一端设有第二弧形段。

优选地，所述第二倾斜臂远离所述第二连接臂的一段设有第一凸台；

所述第一窗口设置在所述第一凸台上；

所述第二弧形段设置在所述第一凸台的远离所述第二连接臂的一端。

优选地，所述竖直臂远离所述第一倾斜臂的一端设有钩头。

优选地，所述压紧单元还包括与所述第二板弹簧从上至下依次层叠设置的第三板弹簧。

优选地，所述第三板弹簧包括与所述第二倾斜臂层叠设置的第三倾斜臂以及设置在所述第三倾斜臂一端且与所述第二连接臂层叠设置的第三连接臂；

所述第三倾斜臂远离所述第三连接臂一段设有供所述竖直臂穿过的第二窗口。

优选地，所述第三倾斜臂远离所述第三连接臂的一段设有第二凸台；

所述第二窗口设置在所述第二凸台上。

优选地，还包括将所述第一板弹簧、第二板弹簧、第三板弹簧连接的连接组件。

本发明还构造一种核燃料组件，包括上管座、与所述上管座间隔设置的下管座、设置在所述上管座和所述下管座之间的格架、设置在所述格架中的导向管、以及设置在所述上管座上本发明所述的变刚度压紧装置；

所述变刚度压紧装置的多个压紧单元间隔设置在所述上管座上，且与所述上管座可拆卸连接。

优选地，所述上管座包括座体；

所述座体包括相互连接的多个侧壁，所述多个压紧单元对应设置在所述多个侧壁的顶部。

优选地，每个所述压紧单元的第一板弹簧的第一连接臂和第二板弹簧的第二连接臂连接于所述侧壁上；所述第一板弹簧的第一倾斜臂和所述第二板弹簧的第二倾斜臂与所述侧壁倾斜设置；

所述第一板弹簧的竖直臂插入所述侧壁中与所述侧壁可拆卸连接。

优选地，每个所述侧壁上设有供所述竖直臂插入的插槽，

所述竖直臂远离所述第一倾斜臂的一端设有钩头；

所述钩头卡入所述插槽中设置。

实施本发明的核燃料组件及变刚度压紧装置，具有以下有益效果：该变刚度压紧装置能够减少或消除板弹簧的塑性变形、减少燃料组件弯曲风险、减少辐照应力蠕变松弛，降低板弹簧根部断裂风险。

该核燃料组件通过在该上管座上设置该变刚度压紧装置，其可避免运行后期压紧力不足的风险，且其具有安全性能高的优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中核燃料组件上管座与压紧装置配合的立体结构示意图；

图2是图1所示上管座与压紧装置配合的侧视图；

图3是本发明压紧装置的压紧单元的立体结构示意图；

图4是图3所示压紧单元的侧视图；

图5是图3所示第一板弹簧的立体结构示意图；

图6是图3所示第二板弹簧的立体结构示意图；

图7是图3所示第三板弹簧的立体结构示意图；

图8是本发明压紧装置与现有的压紧装置的压紧力和变形量的关系曲线图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1及图2示出了本发明燃料组件的一些优选实施例。该燃料组件可以置于压水堆中，其可避免运行后期压紧力不足的风险，且其具有安全性能高的优点。本申请的燃料组件中的压紧装置通过根据冷热态下对于板弹簧压紧力的不同需求，采用变刚度的设计达到在不同的工况下均得到恰当的压紧力裕量的目的，有效缓解对当前燃料组件设计中冷态工况下压紧力裕量过大，会导致板弹簧出现塑性变形以及过度压紧导致燃料组件弯曲变形的问题。

进一步地，在一些实施例中，该燃料组件包括上管座20、下管座、格架导向管以及本发明的变刚度压紧装置。该上管座20和该下管座间隔设置，且该上管座20和该下管座相对设置。该格架设置在该上管座20和该下管座之间，其可供该导向管安装。该导向管穿设于该格架中，且两端分别与该上管座20和该下管座连接。该变刚度压紧装置可设置在该上管座20上，其可沿轴向压紧该燃料组件，保持其与该下管座上的下堆芯边接触，并补充燃料组件辐射生长和燃料组件相对于堆内构件的热膨胀差。

进一步地，在一些实施例中，该上管座20可包括座体，该座体可包括多个侧壁21，在一些实施例中，该座体可呈长方体状，其可包括四个侧壁21。每个侧壁21上可设置插槽211，该插槽211可用于与该变刚度压紧装置连接。

进一步地，在一些实施例中，该变刚度压紧装置可包括多个压紧单元10，该多个压紧单元10可间隔设置在该上管座20上，且与该上管座20可拆卸连接。该多个压紧单元10可为四个，其可倾斜设置在该上管座20的顶部，且其可沿该上管座20的周向间隔设置，在一些实施例中，其可与该上管座20的侧壁一一对应设置，其可设置在该侧壁的顶部。相邻设置的两个压紧单元10的倾斜方向相反设置。

如图3至图4所示，在一些实施例中，每个所述压紧单元10可包括第一板弹簧11、第二板弹簧12、第三板弹簧13以及连接组件14；在一些实施例中，该第一板弹簧11、第二板弹簧12以及该第三板弹簧13可由上至下依次层叠设置。可以理解地，在一些实施例中，该第三板弹簧13可以省去，该压紧单元10可以仅包括该第一板弹簧11和第二板弹簧12；该第一板弹簧11、第二板弹簧12、以及第三板弹簧13可通过该连接组件14连接于该上管座20上。

如图5所示，在一些实施例中，该第一板弹簧11可包括第一倾斜臂111、第一连接臂112以及竖直臂113；该第一倾斜臂111在该第一连接臂112一端倾斜延伸以倾斜设置在该上管座20上，具体地，其与该上管座20的侧壁21倾斜设置。该第一连接臂112可设置在该上管座20上，其通过该连接组件14连接于该上管座20上。该竖直臂113可设置在该第一倾斜臂111远离该第一连接臂112的一端，其可垂直于该上管座20设置，其可与该上管座20连接。在一些实施例中，该第一倾斜臂111、第一连接臂112以及竖直臂113可一体成型，具体地，其可通过铸造成型。

在一些实施例中，该第一倾斜臂111包括主体部，该主体部可呈平板状，该第一倾斜臂111与该竖直臂113的连接处可设置第一弧形段1111，该第一弧形段1111凸出该主体部设置，该第一弧形段1111可用于与上堆芯板接触，从而便于该上堆芯板下压该第一板弹簧。

在一些实施例中，该第一连接臂112可呈平板状，其可通过该连接组件14连接于该侧壁21上，其上可设置第一通孔1121，该第一通孔1121可供该连接组件14穿过，以将该第一板弹簧11与该上管座20连接。

在一些实施例中，该竖直臂113可设置在该第一弧形段1111的末端，其可沿竖直方向设置，其可插入该上管座20中，具体地，其可插入该插槽211中，以与该上管座20连接。该竖直臂113远离该第一倾斜臂111的一端可设置钩头1131，该钩头1131可为两个，其可分别位于该竖直臂113的两侧，且其可与该竖直臂113一体成型。该钩头1131的宽度可与该插槽211的宽度相适配，其可卡入该插槽211中设置，从而可用于勾住该上管座，以防止板弹簧根部断裂时给燃料组件引入异物

如图6所示，在一些实施例中，该第二板弹簧12可包括第二倾斜臂121以及第二连接臂122；该第二倾斜臂121可设置在该第二连接臂122的一端且倾斜延伸并与该第一倾斜臂111层叠设置，具体地，其与该上管座20的侧壁21倾斜设置。该第二连接臂122可设置在该第一倾斜臂121的一端，且其可与该第一连接臂112层叠设置，其可通过该连接组件14与该第一连接臂112和该上管座20连接。在一些实施例中，该第二倾斜臂121和该第二连接臂122可一体成型，具体地，在一些实施例中，该第二倾斜臂121和该第二连接臂122可通过铸造成型。

在一些实施例中，该第二倾斜臂121的长度可大于该第一倾斜臂111的长度，从而使得该第二倾斜臂121的最高点高于该第二倾斜臂111的最高点，以便于与该上堆芯板接触。在一些实施例中，该第一倾斜臂111与该第二倾斜臂121之间留设有间隔，从而便于与该第一倾斜臂111产生弹性形变。

在一些实施例中，该第二倾斜臂121可呈板状，其远离该第二连接臂122的一段设于第一凸台1211；该第一凸台1211可与该第一倾斜臂111接触，从而使得该第二倾斜臂121与该第一倾斜臂111之间留设有间隔。在一些实施例中，该第二倾斜臂121远离该第二连接臂122的一端设有第二弧形段1212，该第二弧形段1212可设置在该第一凸台1211远离该第二连接臂122的一端，其可凸出设置，其可用于与上堆芯板接触，从而便于该上堆芯板下压该第二板弹簧12。该第二倾斜臂121远离该第二连接臂122的一段设有第一窗口1213，该第一窗口1213可设置在该第一凸台1211上，且其可贯穿该第一凸台1211设置，其可呈长条状，其可供该竖直臂113穿过，并便于该第一板弹簧11下压时该竖直臂113移动。

在一些实施例中，该第二连接臂122可呈平板状，其可与该上管座20水平设置，其可通过该连接组件14连接于该侧壁21上，其上可设置第二通孔1221，该第二通孔1221可供该连接组件14穿过，以将该第二板弹簧12与该上管座20和该第一板弹簧11连接。

如图7所示，在一些实施例中，该第三板弹簧13可包括第三倾斜臂131以及第三连接臂132；该第三倾斜臂131可设置在该第三连接臂132的一端且倾斜延伸并与该第二倾斜臂121层叠设置，具体地，其与该上管座20的侧壁21倾斜设置。该第二连接臂132设置在该第三倾斜臂131一端且与该第二连接臂122层叠设置，其可通过该连接组件14与该第一连接臂112、第二连接臂122连接。

在一些实施例中，该第三倾斜臂131可呈板状，且与该第二倾斜臂121之间留设有间隔，其远离该第三连接臂132的一段设于第二凸台1311；该第二凸台1311可与该第三倾斜臂111接触，从而使得该第二倾斜臂121与该第三倾斜臂131之间留设有间隔。在一些实施例中，该第二凸台1311可呈平板状，其与该第一凸台1211对应设置，其可与该第一凸台1211的底部接触，通过该第二凸台1311可使得该第三倾斜臂131与该第二倾斜臂121之间留设间隔。该第三倾斜臂131远离该第三连接臂132的一段设有第二窗口1312，该第二窗口1312可设置在该第二凸台1311上，与该第一窗口1213对应设置，且其可贯穿该第二凸台1311设置，其可呈长条状，其可供该竖直臂113穿过，并便于该第三板弹簧11下压时该竖直臂113移动。

在一些实施例中，该第三连接臂132可呈平板状，其可与该上管座20水平设置，其可通过该连接组件14连接于该侧壁21上，其上可设置第三通孔1321，该第三通孔1321可供该连接组件14穿过，以将该第三板弹簧13与该上管座20连接。

在一些实施例中，该连接组件14可为螺钉，其可穿设于该第一通孔1121、第二通孔1221、第三通孔1311中，且一端与该上管座20连接，其可将该压紧单元连接于该上管座20上。可以理解地，在其他一些实施例中，该连接组件14可不限于螺钉。

如图8所示，在一些实施例中，该变刚度紧装置可包括热态工况状态以及冷态工况状态。在热态工况下，由于冷却剂密度小等原因，燃料组件受到的水力载荷较小，燃料组件需要的压紧力较小。而由于上下堆芯板的热膨胀等影响，堆腔高度变大，该压紧单元的压缩量减小，此时，该第二倾斜臂121的最高点和该第一倾斜臂111的最高点之间的高度差大于该压紧单元10的压缩量，该压紧单元10中的第二板弹簧12与该上堆芯板接触，该第二板弹簧12与该第三板弹簧13承受压力，而该第一板弹簧11处于自由状态，其未受到上堆芯板的作用力，仅受到钩头1131勾住该上管座20的初始预紧力，此时压紧单元10的刚度相对较小，而实际会供一个相对较小且满足燃料组件压紧需求的压紧力。

在冷态工况状态下，由于冷却剂密度大等原因，燃料组件受到的水力载荷较大，燃料组件需要较大的压紧力。在冷态情况下，堆腔高度较小，此时全部板弹簧都会承受压紧，该第二倾斜臂121的最高点和该第一倾斜臂111的最高点之间的高度差小于或等于该压紧单元10的压缩量，该第一板弹簧111与该上堆芯板接触，处于压缩状态，燃料组件可以提供适当的压紧力满足压紧需要。但是由于第一板弹簧11是在弹簧压缩到一定时候才开始受压，因此，相比于常规设计的板弹簧，其提供的压紧力较小，即在满足燃料组件压紧需求情况下裕量较小，达到减小压紧力裕量的目的。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种变刚度压紧装置，其特征在于，包括多个压紧单元(10)；每个所述压紧单元(10)包括由上至下依次层叠设置的第一板弹簧(11)以及第二板弹簧(12)；

所述第一板弹簧(11)包括第一连接臂(112)、在所述第一连接臂(112)一端倾斜延伸设置的第一倾斜臂(111)、以及设置在所述第一倾斜臂(111)远离所述第一连接臂(112)一端的竖直臂(113)；

所述第二板弹簧(12)包括第二连接臂(122)、以及在所述第二连接臂(122)一端倾斜延伸并与所述第一倾斜臂(111)层叠设置的第二倾斜臂(121)，所述第二倾斜臂(121)远离所述第二连接臂(122)的一段设有供所述竖直臂(113)穿过的第一窗口(1213)；所述第二倾斜臂(121)的长度大于所述第一倾斜臂(111)的长度，以使所述第二倾斜臂(121)的最高点高于所述第一倾斜臂(111)的最高点；

所述变刚度压紧装置包括热态工况状态以及冷态工况状态；在所述热态工况状态下，所述第二倾斜臂(121)的最高点和所述第一倾斜臂(111)的最高点之间的高度差大于所述压紧单元(10)的压缩量，所述第一板弹簧(11)处于自由状态；

在所述冷态工况状态下，所述第二倾斜臂(121)的最高点和所述第一倾斜臂(111)的最高点之间的高度差小于或等于所述压紧单元(10)的压缩量，所述第一板弹簧(11)处于压缩状态。

2.根据权利要求1所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述第一倾斜臂(111)与所述竖直臂(113)的连接处设有第一弧形段(1111)。

3.根据权利要求2所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述第一倾斜臂(111)与所述第二倾斜臂(121)之间留设有间隔。

4.根据权利要求1所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述第二倾斜臂(121)远离所述第二连接臂(122)的一端设有第二弧形段(1212)。

5.根据权利要求4所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述第二倾斜臂(121)远离所述第二连接臂(122)的一段设有第一凸台(1211)；

所述第一窗口(1213)设置在所述第一凸台(1211)上；

所述第二弧形段(1212)设置在所述第一凸台(1211)的远离所述第二连接臂(122)的一端。

6.根据权利要求1所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述竖直臂(113)远离所述第一倾斜臂(111)的一端设有钩头(1131)。

7.根据权利要求1所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述压紧单元(10)还包括与所述第二板弹簧(12)从上至下依次层叠设置的第三板弹簧(13)。

8.根据权利要求7所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述第三板弹簧(13)包括与所述第二倾斜臂(121)层叠设置的第三倾斜臂(131)以及设置在所述第三倾斜臂(131)一端且与所述第二连接臂(122)层叠设置的第三连接臂(132)；

所述第三倾斜臂(131)远离所述第三连接臂(132)一段设有供所述竖直臂(113)穿过的第二窗口(1312)。

9.根据权利要求8所述的变刚度压紧装置，其特征在于，所述第三倾斜臂(131)远离所述第三连接臂(132)的一段设有第二凸台(1311)；

所述第二窗口(1312)设置在所述第二凸台(1311)上。

10.根据权利要求7所述的变刚度压紧装置，其特征在于，还包括将所述第一板弹簧(11)、第二板弹簧(12)、第三板弹簧(13)连接的连接组件(14)。

11.一种核燃料组件，其特征在于，包括上管座(20)、与所述上管座(20)间隔设置的下管座、设置在所述上管座(20)和所述下管座之间的格架、设置在所述格架中的导向管、以及设置在所述上管座(20)上权利要求1至10任一项所述的变刚度压紧装置；

所述变刚度压紧装置的多个压紧单元(10)间隔设置在所述上管座(20)上，且与所述上管座(20)可拆卸连接。

12.根据权利要求11所述的核燃料组件，其特征在于，所述上管座(20)包括座体；

所述座体包括相互连接的多个侧壁(21)，所述多个压紧单元对应设置在所述多个侧壁(21)的顶部。

13.根据权利要求12所述的核燃料组件，其特征在于，每个所述压紧单元的第一板弹簧(11)的第一连接臂(112)和第二板弹簧(12)的第二连接臂(112)连接于所述侧壁(21)上；所述第一板弹簧(11)的第一倾斜臂(111)和所述第二板弹簧(12)的第二倾斜臂(121)与所述侧壁(21)倾斜设置；

所述第一板弹簧(11)的竖直臂(113)插入所述侧壁(21)中与所述侧壁(21)可拆卸连接。

14.根据权利要求13所述的核燃料组件，其特征在于，每个所述侧壁(21)上设有供所述竖直臂(113)插入的插槽(211)，

所述竖直臂(113)远离所述第一倾斜臂(111)的一端设有钩头(1131)；所述钩头(1131)卡入所述插槽(211)中设置。

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