CN111613351A - 一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，包括用于围成定位栅格的条带，所述条带上设置有弹簧，还包括设置在条带上的多条应力释放槽，应力释放槽绕弹簧设置：弹簧位于多条应力释放槽所围成的区域内，且应力释放槽均为贯通条带内、外侧的条形槽。本定位栅格的结构设计，可有效将弹簧上的应力释放到条带上，从而降低弹簧疲劳断裂失效的可能性。

Description

一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格

技术领域

本发明涉及压水堆核电站燃料组件技术领域，特别是涉及一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格。

背景技术

燃料组件是压水堆的核心部件之一，其主要功能是通过燃料棒中核燃料的裂变而释放并通过冷却剂导出能量。

常用的压水堆燃料组件由燃料骨架和若干燃料棒组成。通常，燃料骨架由若干导向管、仪表管、若干定位格架和上下管座组成，定位格架被焊接固定在导向管和仪表管上，燃料棒由定位格架夹持。定位格架作为燃料组件的重要部件，其主要功能是保持燃料棒相互间的横向间隙以及与上下管座间的轴向间隙，而这些功能是通过定位栅格具体实现的。

目前，国际上的压水堆燃料组件定位栅格从材料上主要分单金属定位栅格和双金属定位栅格。通常，单金属定位栅格的弹簧直接从条带上冲压成型，与刚凸组成夹持结构，其结构形式简单、中子经济性高，是燃料组件定位栅格的重要发展方向。但单金属栅格随辐照松弛严重，一个燃料循环后，栅格夹持力可能会降为零。夹持力不足会使流致振动引起的栅格与燃料棒之间的微动磨蚀问题加剧。因此，燃料棒与栅格之间的磨蚀是单金属定位栅格设计需要考虑的重要问题。同时，由于单金属格架的快速松弛，燃料棒与夹持结构脱离后，作用方式由摩擦转变为撞击，造成夹持结构循环应力增大，更容易产生疲劳裂纹。因此，夹持结构的应力疲劳也是单金属定位栅格设计需要考虑的重要问题。

发明内容

针对上述提出的夹持结构的应力疲劳也是单金属定位栅格设计需要考虑的重要问题，本发明提供了一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格。本定位栅格的结构设计，可有效将弹簧上的应力释放到条带上，从而降低弹簧疲劳断裂失效的可能性。

针对上述问题，本发明提供的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格通过以下技术要点来解决问题：一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，包括用于围成定位栅格的条带，所述条带上设置有弹簧，还包括设置在条带上的多条应力释放槽，应力释放槽绕弹簧设置：弹簧位于多条应力释放槽所围成的区域内，且应力释放槽均为贯通条带内、外侧的条形槽。

现有技术中，为减轻对燃料棒的定位损伤、磨损，在进行燃料组件定位栅格设计时，一般采用设置为条带上的弹簧具有整体较低刚度的特点。更为具体的，针对以上整体较低刚度特点，如设计为弹簧整体为多弯结构，这样，不仅增大了弹簧成型难度，同时如针对单金属定位栅格，使得：为通过对条带局部进行冲压获得弹簧，冲压孔本身较长且较大，以上冲压孔在定位栅格使用时，为贯穿定位栅格内外侧的通孔，以上通孔增大了流体进出定位栅格的孔道面积，以上孔道面积对燃料棒在使用时的流致振动影响较大，不仅增大了弹簧的受力，同时容易造成弹簧在更大的应力疲劳，对弹簧的使用寿命影响较大。

本方案中，通过设置为还包括多条应力释放槽，且应力释放槽环绕弹簧设置，这样，可使得弹簧在使用过程中，可有效的将弹簧上的应力释放到条带上，从而降低了弹簧疲劳断裂失效的可能性；由于能够将弹簧上的应力释放到条带上，这样，弹簧本身可设置为具有更大的刚度，这样，对条带局部进行冲压以获得弹簧时，弹簧本身结构可更为简单，即采用本方案具有易于获得所需要求定位栅格的特点；相较于现有弹簧低刚度设计造成的冲压孔长且宽的特点，采用本方案相较于现有技术，在弹簧与燃料棒接触线长度一致的情况下，本方案由于不需要更多的考虑弹簧本身的低刚度设计，故使得弹簧的长度可设计得更短，这样，可减小第一回路中冷却剂因为进出定位栅格时的横向流动引起的流致振动，从而缓解定位栅格与燃料棒的微动磨蚀以及夹持结构的循环应力，特别是的弹簧上的循环应力，利于延长夹持结构的使用寿命。

更进一步技术方案为：

作为一种具体的弹簧具体方案，设置为：所述弹簧呈椭圆球壳结构，且弹簧的长轴方向与条带的长度方向平行。本方案中，以上弹簧不仅结构简单，同时增大了定位栅格上弹簧与燃料棒的接触长度，从而减小相同磨蚀体积对应的磨蚀深度。采用本方案，弹簧的结构设计还具有便于抽插燃料棒的特点。结合以上包括应力释放槽的技术方案，为便于说明本方案的设计特点，提供以下现有技术：以美国燃烧工程公司的“H”形弹簧栅格、“I”形弹簧栅格，美国西屋公司的斜弹簧栅格，韩国原子力研究院的“OPT-H”型栅格为例。“H”形弹簧格架、“I”形弹簧栅格和“OPT-H”形栅格的横向流通面积较大，这在一定程度上会增大流体的横向流动，从而加剧流致振动和微动磨蚀；“H”形弹簧和“I”形弹簧与燃料棒的接触长度较小，无法减小相同磨蚀量下的微动磨蚀深度。斜弹簧栅格为减小横向流通面积，关闭了条带上的流水孔，虽然斜弹簧结构能增加弹簧与燃料棒的接触长度，但接触长度依然较小，对磨蚀的缓解作用有限。除斜弹簧栅格外，其它设计很少考虑夹持结构的应力疲劳问题。

作为具体的应力释放槽设置方式，设置为：所述弹簧的左侧及右侧均通过连接桥与条带相接，弹簧的上侧与条带之间、下侧与条带之间均具有冲压孔；

所述应力释放槽包括四条第一应力释放槽，各第一应力释放槽均呈长条状，且第一应力释放槽的长度方向均与条带的长度方向平行；

弹簧的上侧设置有两条第一应力释放槽，且处于弹簧上侧的两条第一应力释放槽均为：第一应力释放槽的下侧与处于上侧的冲压孔的端部相接，处于上侧的冲压孔的各端均设置有一条第一应力释放槽；

弹簧的下侧设置有两条第一应力释放槽，且处于弹簧下侧的两条第一应力释放槽均为：第一应力释放槽的上侧与处于下侧的冲压孔的端部相接，处于下侧的冲压孔的各端均设置有一条第一应力释放槽。本方案中的冲压孔即为条带与弹簧之间的间隙。本方案提供了一种的弹簧设置方案和第一应力释放槽的设置方案，采用本方案，可使得参与弹簧应力释放的条带面积更大，便于维持条带的整体形状，同时采用本方案便于加工第一应力释放槽。

作为一种可维持第一应力释放槽的有效性，同时尽可能避免来自第一应力释放槽引起的流致振动，设置为：所述第一应力释放槽的宽度为：0.4mm～1.0mm。更为完整的，设置为第一应力释放槽的长度为弹簧长轴长度的八分之一至三分之一。

以上提供了在弹簧的上下侧设置应力释放槽的技术方案，为使得弹簧上的应力能够更好的释放到条带上，设置为：所述应力释放槽还包括两条第二应力释放槽，所述第二应力释放槽均呈长条状，且第二应力释放槽的长度方向均与条带的长度方向平行；

所述弹簧的左侧和右侧均设置有一条第二应力释放槽。即本方案提供了一种在弹簧的左侧和右侧均设置有应力释放槽的技术方案。

作为一种可维持第二应力释放槽的有效性，同时尽可能避免来自第二应力释放槽引起的流致振动，设置为：所述第二应力释放槽的宽度为：0.5mm～1.6mm。更为具体的，设置为第二应力释放槽的长度与弹簧的长轴等长或长于弹簧的长轴长度，在等长情况下，第二应力释放槽与弹簧登高设置，在长于弹簧的长轴长度情况下，弹簧位于第二应力释放槽长度方向的中部。

作为一种便于第二应力释放槽加工的技术方案，设置为：所述第二应力释放槽与条带的边缘相接。

为优化定位栅格的受力，设置为：所述条带、连接桥、弹簧三者的表面光滑过渡。

作为定位栅格更为完整的技术方案，设置为：所述定位栅格为由四块条带围成的矩管结构，且定位栅格上设置有两个弹簧及四个刚凸，各弹簧均匹配有两个刚凸，相匹配的弹簧及刚凸具有如下关系：在条带的长度方向上，弹簧位于其中一块条带的中部，刚凸位于弹簧的对侧，且弹簧的上、下侧均具有一个刚凸。本方案即提供了一种呈矩形的定位栅格，本定位栅格在具体运用时，相匹配的弹簧及刚凸形成一个夹持燃料棒的夹持工位，即：本方案提供了两个加持工位，各夹持工位与燃料棒之间具有三个接触位置，便于实现对燃料棒的可靠定位和夹持。优选的，设置为：与同一弹簧匹配的两刚凸对称设置在弹簧的下侧和上侧。

为增大定位栅格与燃料棒的接触长度，从而减小相同磨蚀体积对应的磨蚀深度，设置为：所述刚凸呈跨度方向沿着条带宽度方向的桥拱状，且刚凸与燃料棒的接触线为贯通刚凸上下端的直线。结合以上为椭球壳状，且长轴平行于条带长度方向的弹簧设计，本方案提供的定位栅格对燃料棒具有6条接触线，相较于现有技术中的定位栅格设计，不仅横向流动引起的流致振动小，同时通过增加接触面积，对减小相同磨蚀体积对应的磨蚀深度非常有利。

本发明具有以下有益效果：

本方案中，通过设置为还包括多条应力释放槽，且应力释放槽环绕弹簧设置，这样，可使得弹簧在使用过程中，可有效的将弹簧上的应力释放到条带上，从而降低了弹簧疲劳断裂失效的可能性；由于能够将弹簧上的应力释放到条带上，这样，弹簧本身可设置为具有更大的刚度，这样，对条带局部进行冲压以获得弹簧时，弹簧本身结构可更为简单，即采用本方案具有易于获得所需要求定位栅格的特点；相较于现有弹簧低刚度设计造成的冲压孔长且宽的特点，采用本方案相较于现有技术，在弹簧与燃料棒接触线长度一致的情况下，本方案由于不需要更多的考虑弹簧本身的低刚度设计，故使得弹簧的长度可设计得更短，这样，可减小第一回路中冷却剂因为进出定位栅格时的横向流动引起的流致振动，从而缓解定位栅格与燃料棒的微动磨蚀以及夹持结构的循环应力，特别是的弹簧上的循环应力，利于延长夹持结构的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格一个具体实施例的结构示意图，该示意图为立体结构示意图；

图2为本发明所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格一个具体实施例的结构示意图，该示意图为俯视图；

图3为本发明所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格一个具体实施例的中，单个条带(单元条带)的主视图；

图4为本发明所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格一个具体实施例的中，单个条带(单元条带)的俯视图。

图中标记分别为：1、燃料棒；2、条带；3、弹簧；4、刚凸；5、连接桥；6、第一应力释放槽；7、第二应力释放槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1至图4所示，一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，包括用于围成定位栅格的条带2，所述条带2上设置有弹簧3，还包括设置在条带2上的多条应力释放槽，应力释放槽绕弹簧3设置：弹簧3位于多条应力释放槽所围成的区域内，且应力释放槽均为贯通条带2内、外侧的条形槽。

现有技术中，为减轻对燃料棒1的定位损伤、磨损，在进行燃料组件定位栅格设计时，一般采用设置为条带2上的弹簧3具有整体较低刚度的特点。更为具体的，针对以上整体较低刚度特点，如设计为弹簧3整体为多弯结构，这样，不仅增大了弹簧3成型难度，同时如针对单金属定位栅格，使得：为通过对条带2局部进行冲压获得弹簧3，冲压孔本身较长且较大，以上冲压孔在定位栅格使用时，为贯穿定位栅格内外侧的通孔，以上通孔增大了流体进出定位栅格的孔道面积，以上孔道面积对燃料棒1在使用时的流致振动影响较大，不仅增大了弹簧3的受力，同时容易造成弹簧3在更大的应力疲劳，对弹簧3的使用寿命影响较大。

本方案中，通过设置为还包括多条应力释放槽，且应力释放槽环绕弹簧3设置，这样，可使得弹簧3在使用过程中，可有效的将弹簧3上的应力释放到条带2上，从而降低了弹簧3疲劳断裂失效的可能性；由于能够将弹簧3上的应力释放到条带2上，这样，弹簧3本身可设置为具有更大的刚度，这样，对条带2局部进行冲压以获得弹簧3时，弹簧3本身结构可更为简单，即采用本方案具有易于获得所需要求定位栅格的特点；相较于现有弹簧3低刚度设计造成的冲压孔长且宽的特点，采用本方案相较于现有技术，在弹簧3与燃料棒1接触线长度一致的情况下，本方案由于不需要更多的考虑弹簧3本身的低刚度设计，故使得弹簧3的长度可设计得更短，这样，可减小第一回路中冷却剂因为进出定位栅格时的横向流动引起的流致振动，从而缓解定位栅格与燃料棒1的微动磨蚀以及夹持结构的循环应力，特别是的弹簧3上的循环应力，利于延长夹持结构的使用寿命。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图4所示，作为一种具体的弹簧3具体方案，设置为：所述弹簧3呈椭圆球壳结构，且弹簧3的长轴方向与条带2的长度方向平行。本方案中，以上弹簧3不仅结构简单，同时增大了定位栅格上弹簧3与燃料棒1的接触长度，从而减小相同磨蚀体积对应的磨蚀深度。采用本方案，弹簧3的结构设计还具有便于抽插燃料棒1的特点。结合以上包括应力释放槽的技术方案，为便于说明本方案的设计特点，提供以下现有技术：以美国燃烧工程公司的“H”形弹簧3栅格、“I”形弹簧3栅格，美国西屋公司的斜弹簧3栅格，韩国原子力研究院的“OPT-H”型栅格为例。“H”形弹簧3格架、“I”形弹簧3栅格和“OPT-H”形栅格的横向流通面积较大，这在一定程度上会增大流体的横向流动，从而加剧流致振动和微动磨蚀；“H”形弹簧3和“I”形弹簧3与燃料棒1的接触长度较小，无法减小相同磨蚀量下的微动磨蚀深度。斜弹簧3栅格为减小横向流通面积，关闭了条带2上的流水孔，虽然斜弹簧3结构能增加弹簧3与燃料棒1的接触长度，但接触长度依然较小，对磨蚀的缓解作用有限。除斜弹簧3栅格外，其它设计很少考虑夹持结构的应力疲劳问题。

作为具体的应力释放槽设置方式，设置为：所述弹簧3的左侧及右侧均通过连接桥5与条带2相接，弹簧3的上侧与条带2之间、下侧与条带2之间均具有冲压孔；

所述应力释放槽包括四条第一应力释放槽6，各第一应力释放槽6均呈长条状，且第一应力释放槽6的长度方向均与条带2的长度方向平行；

弹簧3的上侧设置有两条第一应力释放槽6，且处于弹簧3上侧的两条第一应力释放槽6均为：第一应力释放槽6的下侧与处于上侧的冲压孔的端部相接，处于上侧的冲压孔的各端均设置有一条第一应力释放槽6；

弹簧3的下侧设置有两条第一应力释放槽6，且处于弹簧3下侧的两条第一应力释放槽6均为：第一应力释放槽6的上侧与处于下侧的冲压孔的端部相接，处于下侧的冲压孔的各端均设置有一条第一应力释放槽6。本方案中的冲压孔即为条带2与弹簧3之间的间隙。本方案提供了一种的弹簧3设置方案和第一应力释放槽6的设置方案，采用本方案，可使得参与弹簧3应力释放的条带2面积更大，便于维持条带2的整体形状，同时采用本方案便于加工第一应力释放槽6。

作为一种可维持第一应力释放槽6的有效性，同时尽可能避免来自第一应力释放槽6引起的流致振动，设置为：所述第一应力释放槽6的宽度为：0.4mm～1.0mm。更为完整的，设置为第一应力释放槽6的长度为弹簧3长轴长度的八分之一至三分之一。

以上提供了在弹簧3的上下侧设置应力释放槽的技术方案，为使得弹簧3上的应力能够更好的释放到条带2上，设置为：所述应力释放槽还包括两条第二应力释放槽7，所述第二应力释放槽7均呈长条状，且第二应力释放槽7的长度方向均与条带2的长度方向平行；

所述弹簧3的左侧和右侧均设置有一条第二应力释放槽7。即本方案提供了一种在弹簧3的左侧和右侧均设置有应力释放槽的技术方案。

作为一种可维持第二应力释放槽7的有效性，同时尽可能避免来自第二应力释放槽7引起的流致振动，设置为：所述第二应力释放槽7的宽度为：0.5mm～1.6mm。更为具体的，设置为第二应力释放槽7的长度与弹簧3的长轴等长或长于弹簧3的长轴长度，在等长情况下，第二应力释放槽7与弹簧3登高设置，在长于弹簧3的长轴长度情况下，弹簧3位于第二应力释放槽7长度方向的中部。

作为一种便于第二应力释放槽7加工的技术方案，设置为：所述第二应力释放槽7与条带2的边缘相接。

为优化定位栅格的受力，设置为：所述条带2、连接桥5、弹簧3三者的表面光滑过渡。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图4所示：作为定位栅格更为完整的技术方案，设置为：所述定位栅格为由四块条带2围成的矩管结构，且定位栅格上设置有两个弹簧3及四个刚凸4，各弹簧3均匹配有两个刚凸4，相匹配的弹簧3及刚凸4具有如下关系：在条带2的长度方向上，弹簧3位于其中一块条带2的中部，刚凸4位于弹簧3的对侧，且弹簧3的上、下侧均具有一个刚凸4。本方案即提供了一种呈矩形的定位栅格，本定位栅格在具体运用时，相匹配的弹簧3及刚凸4形成一个夹持燃料棒1的夹持工位，即：本方案提供了两个加持工位，各夹持工位与燃料棒1之间具有三个接触位置，便于实现对燃料棒1的可靠定位和夹持。优选的，设置为：与同一弹簧3匹配的两刚凸4对称设置在弹簧3的下侧和上侧。

为增大定位栅格与燃料棒1的接触长度，从而减小相同磨蚀体积对应的磨蚀深度，设置为：所述刚凸4呈跨度方向沿着条带2宽度方向的桥拱状，且刚凸4与燃料棒1的接触线为贯通刚凸4上下端的直线。结合以上为椭球壳状，且长轴平行于条带2长度方向的弹簧3设计，本方案提供的定位栅格对燃料棒1具有6条接触线，相较于现有技术中的定位栅格设计，不仅横向流动引起的流致振动小，同时通过增加接触面积，对减小相同磨蚀体积对应的磨蚀深度非常有利。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，包括用于围成定位栅格的条带(2)，所述条带(2)上设置有弹簧(3)，其特征在于，还包括设置在条带(2)上的多条应力释放槽，应力释放槽绕弹簧(3)设置：弹簧(3)位于多条应力释放槽所围成的区域内，且应力释放槽均为贯通条带(2)内、外侧的条形槽。

2.根据权利要求1所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述弹簧(3)呈椭圆球壳结构，且弹簧(3)的长轴方向与条带(2)的长度方向平行。

3.根据权利要求2所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述弹簧(3)的左侧及右侧均通过连接桥(5)与条带(2)相接，弹簧(3)的上侧与条带(2)之间、下侧与条带(2)之间均具有冲压孔；

所述应力释放槽包括四条第一应力释放槽(6)，各第一应力释放槽(6)均呈长条状，且第一应力释放槽(6)的长度方向均与条带(2)的长度方向平行；

弹簧(3)的上侧设置有两条第一应力释放槽(6)，且处于弹簧(3)上侧的两条第一应力释放槽(6)均为：第一应力释放槽(6)的下侧与处于上侧的冲压孔的端部相接，处于上侧的冲压孔的各端均设置有一条第一应力释放槽(6)；

弹簧(3)的下侧设置有两条第一应力释放槽(6)，且处于弹簧(3)下侧的两条第一应力释放槽(6)均为：第一应力释放槽(6)的上侧与处于下侧的冲压孔的端部相接，处于下侧的冲压孔的各端均设置有一条第一应力释放槽(6)。

4.根据权利要求3所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述第一应力释放槽(6)的宽度为：0.4mm～1.0mm。

5.根据权利要求3所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述应力释放槽还包括两条第二应力释放槽(7)，所述第二应力释放槽(7)均呈长条状，且第二应力释放槽(7)的长度方向均与条带(2)的长度方向平行；

所述弹簧(3)的左侧和右侧均设置有一条第二应力释放槽(7)。

6.根据权利要求5所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述第二应力释放槽(7)的宽度为：0.5mm～1.6mm。

7.根据权利要求5所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述第二应力释放槽(7)与条带(2)的边缘相接。

8.根据权利要求3所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述条带(2)、连接桥(5)、弹簧(3)三者的表面光滑过渡。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述定位栅格为由四块条带(2)围成的矩管结构，且定位栅格上设置有两个弹簧(3)及四个刚凸(4)，各弹簧(3)均匹配有两个刚凸(4)，相匹配的弹簧(3)及刚凸(4)具有如下关系：在条带(2)的长度方向上，弹簧(3)位于其中一块条带(2)的中部，刚凸(4)位于弹簧(3)的对侧，且弹簧(3)的上、下侧均具有一个刚凸(4)。

10.根据权利要求9所述的一种抗应力疲劳的压水堆燃料组件单金属定位栅格，其特征在于，所述刚凸(4)呈跨度方向沿着条带(2)宽度方向的桥拱状，且刚凸(4)与燃料棒(1)的接触线为贯通刚凸(4)上下端的直线。

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