CN115458196A - 一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置及方法 - Google Patents

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马翊超
王明军
巫英伟
田文喜
秋穗正
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Abstract

一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置及方法，实验装置包括由实验段、动力泵、孔板流量计、电动调节阀、电加热器及相关连接部件组成的主回路系统，由温度传感器、压力传感器、液位计、示踪粒子、激光源、高速摄像机和加速度传感器组成的测量系统，由稳压罐、氮气罐、水箱组成的压力控制系统；本发明还提供了该系统的实验方法；本发明能够满足不同工况下压水堆棒束燃料组件流致振动机理性实验研究，能够准确测量燃料棒束的流场演化和振动响应，同时采取了多种减震措施避免了实验回路系统的震动对实验段的影响。

Description

一种压水堆棒束燃料组件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，具体涉及一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置及方法。
背景技术
为减轻对化石燃料的依赖和解决环境问题，我国持续在安全高效发展核电，目前已成为世界在运第三、在建第一、装机容量第二的核电大国，其中占比最大的就是压水堆核电站。但是压水堆燃料组件处于340℃高温、15.5MPa高压、4.5m/s高流速、1022n/cm2强辐照的严苛环境中，核燃料不断发生核裂变引发肿胀、密实、裂变产物迁移和释放、重熔结晶等辐照改性现象，锆合金包壳和定位格架等结构材料经受辐照引发或加速生长、蠕变、应力腐蚀、腐蚀、吸氢、脆化等性能退化行为，加上大梯度高温温度场和多重复杂非线性结构及其应力场等的交织耦合作用，引起燃料棒包壳和定位格架夹持结构的尺寸形状在运行过程中不断发生细微变化进而改变行为特性；同时冷却剂经过格架形成湍流激发振动，引起燃料棒包壳相对格架的冲切多形态、多自由度、多相位微幅运动，造成燃料棒与格架磨蚀，长期磨蚀将引起包壳破损，破坏最重要的核安全屏障，引发放射性物质泄露事件；
因此准确阐释压水堆棒束燃料组件流致振动机理和行为预测，对提升燃料包壳屏障能力进而提高核安全水平具有重要的理论意义和工程价值，但目前压水堆棒束燃料组件流致振动机理相关研究较少，无法准确地解释燃料棒束所受的流体激振力对流场特性的影响。
发明内容
为准确解释压水堆棒束燃料组件所受的流体激振力对流场特性的影响机制，弥补压水堆棒束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压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置及方法，捕捉多种流场不同条件下复杂流场演化行为及燃料棒振动响应特性，为压水堆棒束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：
一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：包括主回路系统、测量系统和压力控制系统；
所述主回路系统由实验段1、动力泵5、孔板流量计9、第一电动调节阀17-1和电加热器6组成，所述实验段1内部布置棒束用于模拟压水堆燃料棒束，实验段1通过柔性软管15连接在主回路的上升段中，动力泵5、孔板流量计9、电加热器6、主回路上升段、主回路下降段依次相连，在动力泵5的出口设置第一电动调节阀17-1和旁路用来调节流量，在实验段1的旁路设置孔板流量计9调节流量；
所述测量系统由温度传感器7、压力传感器8、液位计10、示踪粒子11、激光源12、高速摄像机13和加速度传感器14组成，温度传感器7和压力传感器8安装在电加热器6出口的管道和稳压罐3上，液位计10安装在稳压罐3上，示踪粒子11在动力泵5出口处注入到主回路中，激光源12和高速摄像机13安装在实验段1旁，，加速度传感器14位于实验段2内部；
所述压力控制系统由水箱2、稳压罐3、氮气罐4、安全阀16、第二电动调节阀17、主回路排气阀18-1、稳压器排气阀18-2、排水阀19和水系统20组成，水箱2通过排水阀19连接在主回路下降段上，稳压罐3连接在动力泵5入口的管道上，氮气罐4通过第二电动调节阀17-2连接在稳压罐3上部，安全阀16和稳压器排气阀18-2连接在稳压罐3上部。
上述实验装置对应的实验方法，其特征在于：第一步，打开主回路排气阀18-1和稳压器排气阀18-2，把水系统20的水向主回路注入，当液位计10显示稳压罐3腔充满水后关闭稳压器排气阀18，继续注水至主回路排气阀18-1漏水，表明主回路系统内管道腔内、设备腔内充满水，之后切断水系统20；
第二步，待主回路充满水后，关闭稳压罐3和主回路连接的阀门，开启稳压罐底部的排水阀19和连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2使稳压罐3中的水排到水箱2中，通过氮气罐4充入氮气使罐内建立气相空间，液位计10显示当稳压罐内气相空间达到罐内空间60％时，关闭稳压罐底部的排水阀19和连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2；
第三步，打开稳压罐3和主回路连接的阀门，开启动力泵5使介质在主回路系统内达到稳定运行状态；
第四步，根据需要的实验工况参数，开启电加热器6增温、开启连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2为主回路系统增压，待主回路系统调试到所需工况，观察记录实验段数据。
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不同温度、压力、流量的压水堆棒束燃料组件流致振动实验研究；
2、示踪粒子、激光源和高速摄像机可以精细地捕捉实验段的复杂流场特性，获取不同工况下的流场演化行为；
3、实验段内部布置的加速度传感器可以对燃料棒束振动响应特性进行准确地测量。
4、采取了一系列减震措施，减小实验装置的运行震动对实验结果的影响。
附图说明
图1为本发明实验装置示意图。
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，本发明是一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，包括主回路系统、测量系统和压力控制系统；
主回路系统由实验段1、动力泵5、孔板流量计9、第一电动调节阀17-1和电加热器6组成，所述实验段1内部布置棒束用于模拟压水堆燃料棒束，实验段1通过柔性软管15连接在主回路的上升段中，动力泵5、孔板流量计9、电加热器6、主回路上升段、主回路下降段依次相连，在动力泵5的出口设置第一电动调节阀17-1和旁路用来调节流量，在实验段1的旁路设置孔板流量计9调节流量；
测量系统由温度传感器7、压力传感器8、液位计10、示踪粒子11、激光源12、高速摄像机13和加速度传感器14组成，温度传感器7和压力传感器8安装在电加热器6出口的管道和稳压罐3上，液位计10安装在稳压罐3上，示踪粒子11在动力泵5出口处注入到主回路中，激光源12和高速摄像机13安装在实验段1旁，，加速度传感器14位于实验段2内部；
压力控制系统由水箱2、稳压罐3、氮气罐4、安全阀16、第二电动调节阀17-2、主回路排气阀18-1、稳压器排气阀18-2、排水阀19、水系统20组成，主回路排气阀18-1连接在主回路系统的管路上，水箱2通过排水阀19连接在主回路下降段上，稳压罐3连接在动力泵5入口的管道上，氮气罐4通过第二电动调节阀17-2连接在稳压罐3上部，安全阀16和稳压器排气阀18-2连接在稳压罐3上部。
实验段1通过柔性软管15连接在主回路的上升段中、实验段支架的混凝土基座采用钢筋混凝土基座、管道连接采用可曲挠橡胶接头、动力泵5的混凝土基座与实验段1支架的混凝土基座分别独立设计布置，能够减小主回路系统的震动对实验段的影响。
动力泵5、孔板流量计9、第一电磁调节阀17-1和旁路用来调节主回路流量，第一电磁调节阀17-1根据孔板流量计9的流量调整阀门开度，从而满足不同流量的实验工况需求。
电加热器6用来调节主回路温度，电加热器6根据安装在电加热器6出口管道上的温度传感器7的温度改变加热功率，从而满足不同温度的实验工况需求。
由水箱2、稳压罐3、氮气罐4、安全阀16、电动调节阀17、排气阀18、排水阀19、水系统20组成的压力控制系统用来调节回路压力，连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2根据安装在稳压罐3上的压力传感器8的压力调整阀门开度，安全阀16防止回路压力过高发生危险，能够满足不同压力的实验工况需求。
示踪粒子11注入主回路后，实验段1旁的激光源12和高速摄像机13对粒子运动轨迹进行追踪，从而获得精细流场特性。
实验段1使用透明玻璃套管，从而激光源12和高速摄像机13能够对实验段内流场特性进行测量。
如图1所示，本发明涉及一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验方法：第一步，打开主回路排气阀18-1和稳压器排气阀18-2，把水系统20的水向主回路注入，当液位计10显示稳压罐3充满水后关闭稳压器排气阀18-2，继续注水至主回路排气阀18-1漏水，表明主回路系统内管道腔内、设备腔内充满水，之后切断水系统20；
第二步，待主回路充满水后，关闭稳压罐3和主回路连接的阀门，开启稳压罐底部的排水阀19和连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2使稳压罐3中的水排到水箱2中，通过氮气罐4充入氮气使稳压罐内建立气相空间，液位计10显示当稳压罐内气相空间达到罐内空间60％时，关闭稳压罐底部的排水阀19和连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2；
第三步，打开稳压罐3和主回路连接的阀门，开启动力泵5使介质在主回路系统内达到稳定运行状态；
第四步，根据需要的实验工况参数，开启电加热器6增温、开启连接氮气罐4的第二电动调节阀17-2为主回路系统增压，待主回路系统调试到所需工况，观察记录实验段数据。

Claims (8)

1.一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：包括主回路系统、测量系统和压力控制系统；
所述主回路系统由实验段(1)、动力泵(5)、孔板流量计(9)、第一电动调节阀(17-1)和电加热器(6)组成，所述实验段(1)内部布置棒束用于模拟压水堆燃料棒束，实验段(1)通过柔性软管(15)连接在主回路的上升段中，动力泵(5)、孔板流量计(9)、电加热器(6)、主回路上升段、主回路下降段依次相连，在动力泵(5)的出口设置第一电动调节阀(17-1)和旁路用来调节流量，在实验段(1)的旁路设置孔板流量计(9)调节流量；
所述测量系统由温度传感器(7)、压力传感器(8)、液位计(10)、示踪粒子(11)、激光源(12)、高速摄像机(13)和加速度传感器(14)组成，温度传感器(7)和压力传感器(8)安装在电加热器(6)出口的管道和稳压罐(3)上，液位计(10)安装在稳压罐(3)上，示踪粒子(11)在动力泵(5)出口处注入到主回路中，激光源(12)和高速摄像机(13)安装在实验段(1)旁，加速度传感器(14)位于实验段(1)内部；
所述压力控制系统用来调节主回路压力，由水箱(2)、稳压罐(3)、氮气罐(4)、安全阀(16)、第二电动调节阀(17-2)、主回路排气阀(18-1)、稳压器排气阀(18-2)、排水阀(19)和水系统(20)组成，主回路排气阀(18-1)连接在主回路系统的管路上，水箱(2)通过排水阀(19)连接在主回路下降段上，稳压罐(3)连接在动力泵(5)入口的管道上，氮气罐(4)通过第二电动调节阀(17-2)连接在稳压罐(3)上部，安全阀(16)和稳压器排气阀(18-2)连接在稳压罐(3)上部。
2.根据权利要求1所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：所述实验段(1)通过柔性软管(15)连接在主回路的上升段中，实验段支架的混凝土基座采用钢筋混凝土基座、管道连接采用可曲挠橡胶接头，动力泵(5)的混凝土基座与实验段(1)支架的混凝土基座分别独立设计布置，能够减小主回路系统的震动对实验段的影响。
3.根据权利要求1所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：动力泵(5)、孔板流量计(9)、第一电磁调节阀(17-1)和旁路用来调节主回路流量，第一电磁调节阀(17-1)根据孔板流量计(9)的流量调整阀门开度，从而满足不同流量的实验工况需求。
4.根据权利要求1所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：电加热器(6)用来调节主回路温度，电加热器(6)根据安装在电加热器(6)出口管道上的温度传感器(7)的温度改变加热功率，从而满足不同温度的实验工况需求。
5.根据权利要求1所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：连接氮气罐(4)的第二电动调节阀(17-2)根据安装在稳压罐(3)上的压力传感器(8)的压力调整阀门开度，安全阀(16)防止回路压力过高发生危险，能够满足不同压力的实验工况需求。
6.根据权利要求1所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：示踪粒子(11)注入主回路后，实验段(1)旁的激光源(12)和高速摄像机(13)对粒子运动轨迹进行追踪，从而获得精细流场特性。
7.根据权利要求1所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置，其特征在于：所述实验段(1)使用透明玻璃套管，从而激光源(12)和高速摄像机(13)能够对实验段内流场特性进行测量。
8.权利要求1至7任一项所述的一种压水堆棒束燃料组件流致振动实验装置对应的实验方法，其特征在于：第一步，打开主回路排气阀(18-1)和稳压器排气阀(18-2)，把水系统(20)的水向主回路注入，当液位计(10)显示稳压罐(3)充满水后关闭稳压器排气阀(18-2)，继续注水至主回路排气阀(18-1)漏水，表明主回路系统内管道腔内、设备腔内充满水，之后切断水系统(20)；
第二步，待主回路充满水后，关闭稳压罐(3)和主回路连接的阀门，开启稳压罐底部的排水阀(19)和连接氮气罐(4)的第二电动调节阀(17-2)使稳压罐(3)中的水排到水箱(2)中，通过氮气罐(4)充入氮气使稳压罐内建立气相空间，液位计(10)显示当稳压罐内气相空间达到罐内空间60％时，关闭稳压罐底部的排水阀(19)和连接氮气罐(4)的第二电动调节阀(17-2)；
第三步，打开稳压罐(3)和主回路连接的阀门，开启动力泵(5)使介质在主回路系统内达到稳定运行状态；
第四步，根据需要的实验工况参数，开启电加热器(6)增温、开启连接氮气罐(4)的第二电动调节阀(17-2)为主回路系统增压，待主回路系统调试到所需工况，观察记录实验段数据。
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