CN115112323A - 一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置及方法 - Google Patents

一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置及方法 Download PDF

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    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Abstract

一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置及方法，实验装置包括由电磁泵、电磁流量计、储铅罐、预热段、实验段、管壳式换热器、铅铋充装排气箱、高压供氩系统及相关连接部件组成的主循环回路系统，由管壳式换热器、导热油箱、导热油循环泵组成的冷却油系统，由热电偶、压力传感器、双轴加速度计、应力应变传感器组成的测量系统，由电加热丝、加热棒组成的电加热系统；本发明还提供了该系统的实验方法；本发明能够满足高温、高流速工况下液态铅铋冲刷绕丝定位棒束的流致振动原理性实验研究，同时基于先进测量技术捕捉绕丝棒束振动响应过程中位移、速度、加速度等特征参数变化规律，获取一定热工及结构参数下燃料棒的时频响应。

Description

一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置及方法
技术领域
本发明属于核动力设备性能验证性实验研究技术领域，具体涉及一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置及方法。
背景技术
作为技术成熟度较高的第四代先进反应堆型之一，铅冷快堆具有优良的燃料增殖与废料嬗变能力。铅冷快堆中子利用率高、热效率高，经济性较好；其冷却剂具备化学性质稳定、高沸点和负空泡系数的明显安全优势。近年来随着反应堆安全性要求日益提高和抗腐蚀技术高速发展，铅冷快堆再次成为研究热点。
铅冷快堆燃料组件主要采用金属螺旋绕丝定位维持棒束径向间隙以紧凑堆芯并提高换热效率，液铅/铅合金冷却剂密度大且流速较快，堆芯稠密布置燃料棒束中存在类似振动失效现象。随燃耗加深，芯块肿胀和包壳热膨胀使绕丝与相邻燃料棒间隙缩小甚至接触，高密度冷却剂冲刷燃料棒束产生显著附加作用力而诱发振动；定位绕丝扰动边界层造成强烈湍流搅混、流动扫掠与转向横流，燃料组件流场轴向及周向各向异性更显著，高湍动能强度与强压力脉动加剧振动，高频高幅度振动响应导致燃料元件疲劳损伤，绕丝与邻棒间切削和冲击相对运动磨损氧化层从而加速燃料元件包壳腐蚀破损。
目前还缺少铅冷快堆燃料组件流致振动机理相关研究，无法准确解释堆芯高温条件下液铅/铅合金高速冲刷下绕丝棒束的响应机制。
发明内容
为准确解释堆芯高温条件下液铅/铅合金高速冲刷下绕丝棒束的响应机制，弥补铅冷快堆燃料组件流致振动机理研究短板，本发明的目的在于提供一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置及方法，基于先进测量技术捕捉绕丝棒束振动响应过程中位移、速度、加速度等特征参数变化规律，获取一定热工及结构参数下燃料棒的时频响应，为铅冷快堆绕丝燃料组件流致振动机理研究提供实验数据支撑。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，包括主循环回路系统、冷却油系统、测量系统和电加热系统；
所述主循环回路系统由电磁泵5、电磁流量计6、储铅罐7、预热段1、实验段2、管壳式换热器3、液态铅铋充装排气箱4、高压供氩系统8、两个排气阀9和排气口20组成，所述实验段2内部布置带绕丝的棒束用于模拟燃料棒束，实验段2通过快拆式绝缘法兰19连接在主循环回路的上升段中，预热段1、主循环回路上升段、管壳式换热器3的管侧、液态铅铋充装排气箱4、大功率电磁泵5依次相连，储铅罐7与预热段1入口段连通，高压供氩系统8与液态铅铋充装排气箱4连通，两个排气阀9分别与铅铋充装排气箱4顶部与储铅罐7顶部连通并通向排气口20，电磁流量计6安装于电磁泵5出口段；
所述冷却油系统由导热油箱10、导热油循环泵11、管壳式换热器3、V锥流量计21和两个调节阀16组成，导热油循环泵11入口与导热油箱10连通，导热油循环泵11出口与管壳式换热器3的壳侧入口连通，有一条管道连接导热油循环泵11出口与管壳式换热器3的壳侧出口用以调节流量，两个调节阀16分别安装于导热油循环泵11出口和与导热油循环泵11并联的管道上，V锥流量计21安装于导热油循环泵11入口；
所述测量系统由热电偶12、压力传感器13、双轴加速度计14和应力应变传感器15组成，热电偶12和压力传感器13沿实验段和主循环回路轴向布置，双轴加速度计14和应力应变传感器15布置于实验段棒束内部；
所述电加热系统由电加热丝17、加热棒18组成，电加热丝17包裹主循环回路为主循环回路系统提供加热功率，加热棒18设置在预热段1上，为预热段1提供加热功率。
上述实验装置对应的实验方法：首先电加热丝17加热主循环回路，通过抽真空和氩气反复置换降低氧和水含量至满足实验要求；
高压供氩系统8将储铅罐7中的液态铅铋压入主循环回路中直至没入顶部的液态铅铋充装排气箱4后关闭阀门，运行电磁泵5记录电磁流量数值，打开预热段1加热并调整管壳式换热器3以控制温度，实现液态铅铋冲排与主循环回路的运转；
液态铅铋充装排气箱4中的液态铅铋在电磁泵5驱动下通过电磁流量计6进入预热段1加热，高温液态铅铋进入实验段2冲刷模拟棒后经管壳式换热器3最终回到液态铅铋充装排气箱4，完成一个主循环回路循环；
通过改变不同的热工水力条件与更换光棒、单绕丝棒与绕丝棒束组成不同的实验段结构，完成相应的实验。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明所述实验系统及方法可以实现高温高流速下液态铅铋冲刷绕丝棒束流致振动特性实验研究，通过大功率电磁泵和电加热系统可以保证实验的流量温度与真实反应堆情况相似；
2、实验中设置光棒、单绕丝棒与绕丝棒束实验段，能够对不同粗糙度对流致振动特性的影响开展研究；
3、实验段棒束内部布置双轴加速度计和应力应变传感器，从棒束底部固定端引出，可以准确测量棒束冲刷振动下的时频特性；
4、高压供氩系统是实验回路压力边界维持实验回路压力稳定，同时又具备控制铅铋工质化学性质稳定的功能。
附图说明
图1为实验装置示意图。
图2a为实验段测点布置示意图。
图2b为图2a沿A-A向的剖视图。
图2c为图2a沿B-B向的剖视图。
具体实施方式
下面结合实例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，包括主循环回路系统、冷却油系统、测量系统、电加热系统；
主循环回路系统由电磁泵5、电磁流量计6、储铅罐7、预热段1、实验段2、管壳式换热器3、液态铅铋充装排气箱4、高压供氩系统8、两个排气阀9、排气口20组成，实验段2通过快拆式绝缘法兰19连接在主循环回路的上升段中，预热段1、主循环回路上升段、管壳式换热器3的管侧、液态铅铋充装排气箱4、大功率电磁泵5依次焊接相连，储铅罐7与预热段1入口段连通，高压供氩系统8与液态铅铋充装排气箱4连通，两个排气阀9分别与液态铅铋充装排气箱4顶部与储铅罐7顶部连通并通向排气口20，电磁流量计6安装于电磁泵5出口段；
冷却油系统由导热油箱10、导热油循环泵11、管壳式换热器3、V锥流量计21、两个调节阀16组成，导热油循环泵11入口与导热油箱10连通，导热油循环泵11出口与管壳式换热器3的壳侧入口连通，有一条管道连接导热油循环泵11出口与管壳式换热器3的壳侧出口用以调节流量，两个调节阀16分别安装于导热油循环泵11出口和与导热油循环泵11并联的管道上，V锥流量计21安装于导热油循环泵11入口；
测量系统由热电偶12、压力传感器13、双轴加速度计14、应力应变传感器15组成，热电偶12和压力传感器13沿实验段和主循环回路轴向布置，双轴加速度计14和应力应变传感器15布置于实验段棒束内部；
电加热系统由电加热丝17、加热棒18组成，电加热丝17包裹主循环回路全回路为主循环回路全回路提供加热功率，加热棒18为预热段1提供加热功率。
如图2a、图2b和图2c所示，作为本发明的优选实施方式，实验段2采用六边形套管，内部布置带绕丝的不锈钢棒束用于模拟燃料棒束，沿实验段布置多组热电偶12和压力传感器13用于温压测量，试验段棒束内部布置双轴加速度计14和应力应变传感器15，从棒束底部固定端引出，用于测量棒束冲刷振动下的时频特性。图中：T表示温度测点，P表示压力测点。
实验段2能够通过快拆式绝缘法兰19快速更换，设置光棒、单绕丝棒与绕丝棒束实验段进行多工况实验，实现对不同粗糙度情况下流致振动特性研究。
储铅罐7采用电加热丝17伴热保温和氩气保护，预热段1采用插入式加热棒18以避免壁面干烧，主循环回路系统全回路采用电加热丝17包裹以防止铅铋凝固。
铅铋充装排气箱4用于流量计标定和主循环回路高点充排气，保证实验测量准确和铅铋工质满足实验要求。
采用高性能铅铋合金电磁泵5与电磁流量计6控制回路流量，管壳式换热器3采用高温导热油调节主循环回路铅铋温度。
沿主循环回路轴向布置多组热电偶12和压力传感器13用于管路流体状态监测。
如图1所示，本发明涉及一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验方法：首先电加热丝17加热主循环回路，通过抽真空和氩气反复置换降低氧和水含量至满足实验要求；
高压供氩系统8将储铅罐7中的液态铅铋压入主循环回路中直至没入顶部的液态铅铋充装排气箱4后关闭阀门，运行电磁泵5记录电磁流量数值，打开预热段1加热并调整管壳式换热器3以控制温度，实现液态铅铋冲排与主循环回路的运转；
液态铅铋充装排气箱4中的液态铅铋在电磁泵5驱动下通过电磁流量计6进入预热段1加热，高温液态铅铋进入实验段2冲刷模拟棒后经管壳式换热器3最终回到液态铅铋充装排气箱4，完成一个主循环回路循环；
通过改变不同的热工水力条件与更换光棒、单绕丝棒与绕丝棒束实验段结构，完成相应的实验，形成相应的实验数据库。

Claims (8)

1.一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：包括主循环回路系统、冷却油系统、测量系统和电加热系统；
所述主循环回路系统由电磁泵(5)、电磁流量计(6)、储铅罐(7)、预热段(1)、实验段(2)、管壳式换热器(3)、液态铅铋充装排气箱(4)、高压供氩系统(8)、两个排气阀(9)和排气口(20)组成，所述实验段(2)内部布置带绕丝的棒束用于模拟燃料棒束，实验段(2)通过快拆式绝缘法兰(19)连接在主循环回路的上升段中，预热段(1)、主循环回路上升段、管壳式换热器(3)的管侧、液态铅铋充装排气箱(4)、大功率电磁泵(5)依次相连，储铅罐(7)与预热段(1)入口段连通，高压供氩系统(8)与液态铅铋充装排气箱(4)连通，两个排气阀(9)分别与铅铋充装排气箱(4)顶部与储铅罐(7)顶部连通并通向排气口(20)，电磁流量计(6)安装于电磁泵(5)出口段；
所述冷却油系统由导热油箱(10)、导热油循环泵(11)、管壳式换热器(3)、V锥流量计(21)和两个调节阀(16)组成，导热油循环泵(11)入口与导热油箱(10)连通，导热油循环泵(11)出口与管壳式换热器(3)的壳侧入口连通，有一条管道连接导热油循环泵(11)出口与管壳式换热器(3)的壳侧出口用以调节流量，两个调节阀(16)分别安装于导热油循环泵(11)出口和与导热油循环泵(11)并联的管道上，V锥流量计(21)安装于导热油循环泵(11)入口；
所述测量系统由热电偶(12)、压力传感器(13)、双轴加速度计(14)和应力应变传感器(15)组成，热电偶(12)和压力传感器(13)沿实验段和主循环回路轴向布置，双轴加速度计(14)和应力应变传感器(15)布置于实验段棒束内部；
所述电加热系统由电加热丝(17)、加热棒(18)组成，电加热丝(17)包裹主循环回路为主循环回路系统提供加热功率，加热棒(18)设置在预热段(1)上，为预热段(1)提供加热功率。
2.根据权利要求1所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：所述实验段(2)采用六边形套管，内部布置带绕丝的不锈钢棒束用于模拟燃料棒束，沿实验段布置多组热电偶(12)和压力传感器(13)用于温度和压力测量，实验段棒束内部布置双轴加速度计(14)和应力应变传感器(15)，从棒束底部固定端引出，用于测量棒束冲刷振动下的时频特性。
3.根据权利要求1所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：所述实验段(2)能够通过快拆式绝缘法兰(19)快速更换，设置光棒、单绕丝棒与绕丝棒束实验段进行多工况实验，实现对不同粗糙度情况下流致振动特性研究。
4.根据权利要求1所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：储铅罐(7)采用电加热丝(17)伴热保温和氩气保护，预热段(1)采用插入式加热棒(18)以避免壁面干烧，主循环回路系统采用电加热丝(17)包裹以防止铅铋凝固。
5.根据权利要求1所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：液态铅铋充装排气箱(4)用于流量计标定和主循环回路高点充排气，保证实验准确和铅铋工质满足实验要求。
6.根据权利要求1所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：采用电磁泵(5)与电磁流量计(6)控制主循环回路流量，管壳式换热器(3)采用高温导热油调节主循环回路铅铋温度。
7.根据权利要求1所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置，其特征在于：沿主循环回路轴向布置多组热电偶(12)和压力传感器(13)用于管路流体状态监测。
8.权利要求1至7任一项所述的一种液态铅铋冲刷绕丝定位棒束流致振动实验装置对应的实验方法，其特征在于：首先电加热丝(17)加热主循环回路，通过抽真空和氩气反复置换降低氧和水含量至满足实验要求；
高压供氩系统(8)将储铅罐(7)中的液态铅铋压入主循环回路中直至没入顶部的液态铅铋充装排气箱(4)后关闭阀门，运行电磁泵(5)记录电磁流量数值，打开预热段(1)加热并调整管壳式换热器(3)以控制温度，实现液态铅铋冲排与主循环回路的运转；
液态铅铋充装排气箱(4)中的液态铅铋在电磁泵(5)驱动下通过电磁流量计(6)进入预热段(1)加热，高温液态铅铋进入实验段(2)冲刷模拟棒后经管壳式换热器(3)最终回到液态铅铋充装排气箱(4)，完成一个主循环回路循环；
通过改变不同的热工水力条件与更换光棒、单绕丝棒与绕丝棒束组成不同的实验段结构，完成相应的实验。
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