CN113539526B - 一种三周期极小曲面空间多孔流道一体式下管座 - Google Patents

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Abstract

一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，包括框体，框体位于整个下管座最外层，框体包围着三周期极小曲面阵列，三周期极小曲面阵列中设有导向孔和仪表孔；三周期极小曲面阵列由多个组合单元通过矩形线性阵列得到，每个组合单元沿着冷却剂流动方向分为上、下层三周期极小曲面单元，上、下层三周期极小曲面单元通过光滑过渡连接；每4个组合单元几何实体包络构成单个空间流道单元，单个空间流道单元之间互相连接，共同构成空间多孔流道；冷却剂进入堆芯后，被空间多孔流道分流为多股流体，冷却剂中包含的金属丝等异物，在经过空间多孔流道时将被拦截；本发明具有高流通、低压降、强过滤、高承载、防堵性能优异、结构紧凑的优点。

Description

一种三周期极小曲面空间多孔流道一体式下管座
技术领域
本发明属于核反应堆燃料组件下管座技术领域，具体是指一种三周期极小曲面空间多孔流道一体式下管座。
背景技术
下管座是核反应堆燃料组件的重要组成部分，是支撑和承载燃料组件的主要结构，其运行可靠性和安全性对核反应堆而言意义重大。作为堆芯底部关键部件，其作用可概括如下：1)定位作用，通过其上预留通孔确定平行放置的24根导向管和1根仪表管的相对位置，进而确定燃料组件相对于堆芯的位置以及燃料组件栅距；2)承载作用，将燃料组件在堆芯装卸料、转运过程中所受的外载荷传递到堆芯底板，保护燃料组件；3)流量分配与防异物的作用，将堆芯入口冷却剂平均分配，同时过滤冷却剂中携带的异物，避免高速的异物与燃料棒包壳摩擦碰撞，保证反应堆安全运行。
现有的燃料组件设计主要考虑了其高强度、低压降、防异物等方面功能，可大致分为一下两大类：第一类组合式主要将承载结构与防异物结构合二为一，使用小孔径小流量下格板既能够极其高效地拦截异物，又能作为承载结构的一部分，因此可以大大简化下管座构型，具有高过滤效率、结构紧凑等优势；但是由于孔径大小的限制，该类下管座适用于流通比较低的堆芯，且压降损失较大。第二类分离式是利用高流通比的支撑框架实现承载功能，并搭配以各具特色的滤网等过滤结构以达到有效阻拦异物的目的；该类下管座使用不同的结构分别满足不同的功能要求，在设计过程中两者分开设计，互不干扰；虽然设计结果能分别满足设计要求，但是承载结构并未起到过滤的功能，过滤结构也未参与载荷承载，因此会造成一定的材料浪费，不利于实现下管座轻量化，并造成结构多余、复杂。
三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)具有优良的物理特性，如高比刚度、高比体积、全连通性、高光滑度、空间多孔流道和全数学表达；高比刚度意味着三周期极小曲面结构具有优异的承载能力；高比体积有利于提高异物与过滤结构碰撞接触的几率，从而提高过滤效率；全连通性则意味着即使有个别空间流道单元被异物所堵塞，其后流道依旧能有冷却剂流入，从而大大延长下管座使用寿命；高光滑度有利于降低冷却剂流经三周期极小曲面结构受到的阻力；空间多孔流道有利于均分冷却剂；而全数学表达则允许设计人员根据实际工况要求精确控制结构特征尺寸，设计出最符合的结构形式。
目前还没有三周期极小曲面空间多孔流道一体式下管座的文献公开。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种三周期极小曲面空间多孔流道一体式下管座，具有高流通、低压降、强过滤、高承载、防堵性能优异、结构紧凑的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，包括框体1，框体1位于整个下管座最外层，框体1包围着三周期极小曲面阵列2，三周期极小曲面阵列2中设有导向孔3和仪表孔4；
所述的三周期极小曲面阵列2由多个组合单元21通过矩形线性阵列得到，每个组合单元21沿着冷却剂流动方向分为一个上层三周期极小曲面单元211和一个下层三周期极小曲面单元212，上层三周期极小曲面单元211和下层三周期极小曲面单元212通过光滑过渡213连接；每4个组合单元21几何实体包络构成单个空间流道单元51，单个空间流道单元51之间互相连接，共同构成空间多孔流道5。
冷却剂进入堆芯后，被空间多孔流道5分流为多股流体，每股流体流量完全一致，冷却剂中包含的金属丝等异物6，在经过空间多孔流道5时将被拦截。
所述的下层三周期极小曲面单元212下部呈“圆锥状”流线外形214。
所述的下层三周期极小曲面单元212构型为Schwarz P型，其隐函数表达式如下：
Figure BDA0003148586540000031
式中，c(z)为等值面参数的值，通过改变c(z)的值即控制三周期极小曲面的空间形状，c(z)值需要限制在[-0.99,0.99]区间之内；将在冷却剂入口处三周期极小曲面单元外形构造成流线形，利用三周期极小曲面全数学表达的特点，将等值面参数c(z)构造为沿着冷却液流动方向呈某一函数关系变化，表述为下式：
c(z)＝f(z) (2)
式中，函数映射f应根据压降、连续性约束选择函数关系表达式；其表达式如下：
c(z)＝a*z+b (3)
式中，a、b均为常数，数值大小应依据单元尺寸大小、等值面参数范围、连通性要求等选择；
X、Y、Z表示为下式：
Figure BDA0003148586540000041
式中，x、y、z为三周期极小曲面上点的函数值，Tx、Ty、Tz为沿着各坐标轴方向单元排列周期。
所述的上层三周期极小曲面单元211构型为SchwarzP型，其隐函数表达式如下：
Figure BDA0003148586540000042
式中，cT为等值面参数，在此处为某一确定值，X、Y、Z与上述相同；
为保证上层三周期极小曲面单元211和下层三周期极小曲面单元212连接处的光滑过渡213，上层Schwarz P单元在过渡处的等值面参数值需要与下层Schwarz P单元等值面参数值相同，即有下式：
Figure BDA0003148586540000043
式中，
Figure BDA0003148586540000044
为在组合单元整体坐标系下，上层三周期极小曲面单元211与下层三周期极小曲面单元212过渡处竖直方向的坐标值。
所述的导向孔3轴线位置与组合单元21几何中心轴线共线，导向孔高度与组合单元21高度一致，孔径大小与导向管外径一致，其余导向管安装尺寸应满足实际要求。
所述的仪表孔4位于三周期极小曲面阵列2几何中心，高度与组合单元21高度一致，孔径大小视仪表外形尺寸而定。
所述的三周期极小曲面阵列2、导向孔3和仪表孔4整体采用增材制造技术一体化成型得到。
所述的框体1空间三维坐标取向与三周期极小曲面阵列2空间三维取向一致，组合单元21上表面与框体1上表面高度一致。
所述的框体1所用材料与三周期极小曲面阵列2所用材料相同，两者接触面采用焊接工艺连接。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，充分发挥三周期极小曲面具有高比刚度、高比体积、全连通性、高光滑度、空间多孔流道和全数学表达等特点，使设计的下管座在满足高强度、低压降、防异物等功能要求的同时，具有传统下管座所不具备的优异的防堵性能，大大延长下管座的使用寿命，减少下管座维护检修次数，同时一体化设计成型、结构紧凑，有利于实现下管座轻量化设计等优势。
附图说明
图1是本发明的轴测图。
图2是本发明三周期极小曲面阵列结构示意图。
图3是本发明空间多孔流道结构示意图。
图4是本发明组合单元示意图。
图5是本发明上层三周极小曲面单元和下层三周期极小曲面单元示意图。
图6是本发明空间流道单元示意图。
图7是本发明异物防堵流动方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1和图2所示，一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，包括框体1，框体1位于整个下管座最外层，框体1包围着三周期极小曲面阵列2，三周期极小曲面阵列2中设有导向孔3和仪表孔4，导向孔3和仪表孔4分布位置视导向管和仪表管位置而定；
参照图3、图4、图5、图6和图7，所述的三周期极小曲面阵列2由多个组合单元21通过矩形线性阵列得到，阵列数量沿x、y方向各25个；每个组合单元21沿着冷却剂流动方向分为一个上层三周期极小曲面单元211和一个下层三周期极小曲面单元212，上层三周期极小曲面单元211和下层三周期极小曲面单元212通过光滑过渡213连接；每4个组合单元21几何实体包络构成单个空间流道单元51，单个空间流道单元51之间互相连接，共同构成空间多孔流道5；
冷却剂进入堆芯后，被空间多孔流道5分流为多股流体，由于空间流道单元51几何外形完全一致，因此每股流体流量完全一致，同时由于空间流道单元51孔径完全可控，冷却剂中包含的诸如金属丝等异物6，在经过空间多孔流道5时将被有效拦截；即使此时该空间流道单元51被金属丝等异物阻塞，由于空间流道单元51之间完全连通，冷却剂依旧可以沿着周围空间流道单元51进入被堵塞的流道，不仅能尽最大限度保证流量均匀，而且能极大延长下管座使用寿命，降低清理维护的次数；此外，利用三周期极小曲面高比刚度的特点，使所设计阵列具有一定的承载能力，将燃料组件在反应堆堆芯装卸料、转运过程中所受的外载荷传递到框体1，进而传递给堆芯底板，从而起到保护燃料组件的作用。
如图5所示，所述的下层三周期极小曲面单元212下部呈“圆锥状”流线外形214。
为方便表示，所述的组合单元21尺寸大小采取归一化处理，x、y坐标轴范围为[-1,1]，z方向坐标轴范围为[-1,3]，其中下层三周期极小曲面单元212的z方向坐标轴范围为[-1,1]，上层三周期极小曲面单元211的z方向坐标轴范围为[1,3]，即上、下层三周期极小曲面单元尺寸均为2*2*2，实际组合单元大小只需放大一定倍数即可，光滑过渡213的z方向坐标值为1。
所述的下层三周期极小曲面单元212构型为Schwarz P型，其隐函数表达式如下：
Figure BDA0003148586540000071
式中，c(z)为等值面参数的值，通过改变c(z)的值即可控制三周期极小曲面的空间形状，为保证曲面在空间中连续，防止出现不能制造的悬空结构，c(z)值需要限制在[-0.99,0.99]区间之内；在此处为了进一步降低冷却剂压降损失，需要将在冷却剂入口处三周期极小曲面单元外形构造成流线形，利用三周期极小曲面全数学表达的特点，将等值面参数c(z)构造为沿着冷却液流动方向呈某一函数关系变化，可进一步表述为下式：
c(z)＝f(z) (2)
式中，函数映射f应根据压降、连续性等约束选择合适的函数关系表达式；在此处函数映射f选择一次函数，其表达式如下：
c(z)＝a*z+b (3)
式中，a、b均为常数，数值大小应依据单元尺寸大小、等值面参数范围、连通性要求等选择；如上所述，下层三周期极小曲面单元212三坐标轴数值范围均为[-1,1]，经计算可得a、b分别为0.5和-0.5，则c(z)取值范围为[-1,0]，虽然在此处等值面参数超出所给定连续范围[-0.99,0.99]，但是在小于z＝-1方向坐标轴方向并未设置更多三周期极小曲面单元，相反地此时，下层三周期极小曲面单元212在z＝-1坐标范围左右，曲面形状收敛为一点，并随着坐标轴增大逐渐扩展成为“圆锥状”流线外形214，这有利于进一步降低压降损失；X、Y、Z表示为下式：
Figure BDA0003148586540000081
式中，x、y、z为三周期极小曲面上点的函数值，Tx、Ty、Tz为沿着各坐标轴方向单元排列周期；在本实施例中，Tx＝Ty＝Tz＝1，即在每个单元三坐标轴数值范围之内，有且仅有一个单元；
所述的上层三周期极小曲面单元211构型为SchwarzP型，其隐函数表达式如下：
Figure BDA0003148586540000091
式中，cT为等值面参数，X、Y、Z与上述相同；为保证上层三周期极小曲面单元211和下层三周期极小曲面单元212连接处的光滑过渡213，上层Schwarz P单元在过渡处的等值面参数值需要与下层Schwarz P单元等值面参数值相同，即有下式：
Figure BDA0003148586540000092
式中，
Figure BDA0003148586540000093
为在组合单元整体坐标系下，上层三周期极小曲面单元211与下层三周期极小曲面单元212过渡处竖直方向的坐标值；如上所述，此时
Figure BDA0003148586540000094
代入式(3)可得
Figure BDA0003148586540000095
即上层三周期极小曲面单元211等值面参数为0，x、y坐标轴范围为[-1,1]，z坐标轴范围为[1,3]，单元大小为2*2*2。
所述的导向孔3位置应由导向管之间空间位置确定，理论上，导向孔3位置可以在三周期极小曲面阵列2的任意处；但是为了进一步提高三周期极小曲面阵列2的承载能力，导向孔3轴线位置应与组合单元21几何中心轴线共线，如图3所示，导向孔高度与组合单元21高度一致，孔径大小与导向管外径一致，其余导向管安装尺寸应满足实际要求。
所述的仪表孔4位于三周期极小曲面阵列2几何中心，如图2所示，高度与组合单元21高度一致，孔径大小视仪表外形尺寸而定。
所述的三周期极小曲面阵列2、导向孔3和仪表孔4整体采用增材制造技术一体化成型得到；框体1包含三周期极小曲面阵列2与其上的导向孔3、仪表孔4，三周期极小曲面阵列2结构四周与框体1内表面相接触，框体1空间三维坐标取向与三周期极小曲面阵列2空间三维取向一致，组合单元21上表面与框体1上表面高度一致；框体1所用材料与三周期极小曲面阵列2所用材料相同，两者接触面采用焊接工艺连接。
上述下管座实施例是在特定的设计条件下完成的，本发明应包括且不局限于所述实施例，本领域的技术人员可根据本发明公开的设计思路进行各种不脱离本发明实质的三周期极小曲面类型、尺寸、等值面参数、函数映射、阵列等进行相应改变，这些变形、组合、改变仍然在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，包括框体(1)，其特征在于：框体(1)位于整个下管座最外层，框体(1)包围着三周期极小曲面阵列(2)，三周期极小曲面阵列(2)中设有导向孔(3)和仪表孔(4)；
所述的三周期极小曲面阵列(2)由多个组合单元(21)通过矩形线性阵列得到，每个组合单元(21)沿着冷却剂流动方向分为一个上层三周期极小曲面单元(211)和一个下层三周期极小曲面单元(212)，上层三周期极小曲面单元(211)和下层三周期极小曲面单元(212)通过光滑过渡(213)连接；每4个组合单元(21)几何实体包络构成单个空间流道单元(51)，单个空间流道单元(51)之间互相连接，共同构成空间多孔流道(5)；
所述的下层三周期极小曲面单元(212)构型为Schwarz P型，其隐函数表达式如下：
Figure FDA0003895888840000011
式中，c(z)为等值面参数的值，通过改变c(z)的值即控制三周期极小曲面的空间形状，c(z)值需要限制在[-0.99,0.99]区间之内；将在冷却剂入口处三周期极小曲面单元外形构造成流线形，利用三周期极小曲面全数学表达的特点，将等值面参数c(z)构造为沿着冷却液流动方向呈某一函数关系变化，表述为下式：
c(z)＝f(z) (2)
式中，函数映射f应根据压降、连续性约束选择函数关系表达式；
其表达式如下：
c(z)＝a*z+b (3)
式中，a、b均为常数，数值大小应依据单元尺寸大小、等值面参数范围、连通性要求选择；
X、Y、Z表示为下式：
Figure FDA0003895888840000021
式中，x、y、z为三周期极小曲面上点的函数值，Tx、Ty、Tz为沿着各坐标轴方向单元排列周期；
所述的上层三周期极小曲面单元(211)构型为Schwarz P型，其隐函数表达式如下：
Figure FDA0003895888840000022
式中，cT为等值面参数，在此处为某一确定值，X、Y、Z与上述相同；
为保证上层三周期极小曲面单元(211)和下层三周期极小曲面单元(212)连接处的光滑过渡(213)，上层Schwarz P单元在过渡处的等值面参数值需要与下层Schwarz P单元等值面参数值相同，即有下式：
Figure FDA0003895888840000023
式中，
Figure FDA0003895888840000024
为在组合单元整体坐标系下，上层三周期极小曲面单元(211)与下层三周期极小曲面单元(212)过渡处竖直方向的坐标值。
2.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：冷却剂进入堆芯后，被空间多孔流道(5)分流为多股流体，每股流体流量完全一致，冷却剂中包含的金属丝异物(6)，在经过空间多孔流道(5)时将被拦截。
3.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：所述的下层三周期极小曲面单元(212)下部呈“圆锥状”流线外形(214)。
4.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：所述的导向孔(3)轴线位置与组合单元(21)几何中心轴线共线，导向孔高度与组合单元(21)高度一致，孔径大小与导向管外径一致。
5.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：所述的仪表孔(4)位于三周期极小曲面阵列(2)几何中心，高度与组合单元(21)高度一致。
6.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：所述的三周期极小曲面阵列(2)、导向孔(3)和仪表孔(4)整体采用增材制造技术一体化成型得到。
7.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：所述的框体(1)空间三维坐标取向与三周期极小曲面阵列(2)空间三维取向一致，组合单元(21)上表面与框体(1)上表面高度一致。
8.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面空间多孔流道一体化下管座，其特征在于：所述的框体(1)所用材料与三周期极小曲面阵列(2)所用材料相同，两者接触面采用焊接工艺连接。
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