CN219696086U - 一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及燃料组件技术领域，具体公开了一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，所述并联流道结构由仿生鱼鳞形窄流道与并联连通流道构成；所述仿生鱼鳞形窄流道分为入口段、仿生鱼鳞段和出口段三部分；所述仿生鱼鳞段由单个仿生鱼鳞结构周期性层叠而成；所述仿生鱼鳞形窄流道的顶部与底部轮廓可完全拼接嵌合；所述并联连通流道采用阵列式圆柱形流道，用于连接上、下两仿生鱼鳞形窄流道，可实现两水隙间的并联连通。本实用新型提出的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，增大了传热壁面与冷却剂间的传热面积，增强了上、下两窄流道水隙间的横向湍流交混效应，可实现压水反应堆低雷诺数运行工况下的高效换热，增加了核反应堆的安全性与经济性。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料组件技术领域，特别的是涉及压水反应堆内堆芯燃料组件内的流道结构革新技术。
背景技术
核电站压水反应堆运行过程中，堆芯燃料组件的换热性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国内外一直将堆芯燃料组件的研究放在十分突出的地位，通过优化堆芯燃料组件设计、选用先进结构材料以及改进燃料组件制造工艺等方法，不断增强不同水隙间的横向交混，从而提高堆芯燃料组件的换热性能及热工安全裕量，促使压水反应堆向更安全和更经济的方向发展。
区别于压水堆中普遍装配的棒束燃料组件，扁平型燃料组件具有结构紧凑、传热性能优良、换热面积大的特点。在常规扁平型燃料组件中，燃料芯板之间平行布置，燃料组件中的空间被分割成互不连通的狭窄矩形通道。堆芯正常运行时，高压过冷水从窄矩形通道的一端进入，由另一端流出，并在通过前述窄矩形通道时主要以对流换热方式带走堆芯产热。然而，在低流量、高裂变热工况下，常规矩形窄流道结构的换热能力不足以满足堆芯换热需求，表现为堆芯出口冷却剂温度升高，堆芯燃料组件内部热点温度升高，导致堆芯过热，堆芯燃料组件寿命降低，对核反应堆安全造成挑战。
因此，如何设计出一种适用于堆芯燃料组件的可有效提升其换热性能的新型窄流道结构，以满足低雷诺数工况下压水反应堆堆芯的换热需求，具有重要的现实价值。
有鉴于此，特提出本实用新型。
实用新型内容
本实用新型的目的在于探索一种以强化换热为目标的异形窄流道结构革新设计方案，提出一种用于堆芯燃料组件的具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，可进一步增强窄流道内部或两窄流道之间的湍流交混效果，提高堆芯燃料组件的换热性能，改善堆芯燃料组件内的温度分布，提升反应堆的经济性与安全性。
本实用新型是通过下述技术方案实现的：
一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，由仿生鱼鳞形窄流道与并联连通流道构成；
所述仿生鱼鳞形窄流道为冷却介质(即高压过冷水)流动的主通道，为单独水隙；
所述并联连通流道介于上、下两仿生鱼鳞形窄流道之间，用于实现两窄流道水隙间的并联。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道的外部轮廓由单个仿生鱼鳞结构沿长度方向周期性层层堆叠而形成；所述仿生鱼鳞形窄流道在高度方向上呈现为非对称式结构，所述仿生鱼鳞形窄流道的顶部轮廓与底部轮廓可通过平移实现完全拼接嵌合，水隙高度在任意位置恒为定值。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道内的流体介质为高压过冷水，且所述仿生鱼鳞形窄流道的水隙高度不大于2mm。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道沿长度方向分为入口段、仿生鱼鳞段和出口段三部分；所述仿生鱼鳞形窄流道的入口段与出口段为常规矩形外部轮廓，且所述仿生鱼鳞形窄流道的入口段长度应满足流体充分发展要求，所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞段长度与出口段长度应根据压水反应堆的实际换热需求确定。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道在宽度方向上呈现为对称式结构，所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞结构位于包壳主体的中心，也即所述仿生鱼鳞阵列的中心线与窄流道主体宽度方向上的中心线相重合。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道沿宽度方向的左右两端，也即与仿生鱼鳞形外部轮廓相接的位置预设有水平段，以便于加工安装，所述水平段尺寸不小于0.5mm。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道与传热壁面的接触面积不小于相同总体尺寸下的传统矩形窄流道与传热壁面的接触面积。
进一步的，
所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞结构的鳞片半径、鳞片倾角、鳞片横向间距以及鳞片纵向间距等尺寸参数，应根据燃料芯体的宽度方向跨度与长度方向跨度以及压水反应堆的实际换热需求进行计算确定。
进一步的，
所述并联连通流道采用阵列式圆柱形流道，所述阵列式圆柱形流道沿宽度方向采用均匀阵列方式，任意两相邻圆柱形流道间的横向(宽度方向)间距相等；所述阵列式圆柱形流道沿长度方向采用双排均匀阵列方式，任意两相邻圆柱形流道间的纵向(长度方向)间距相等；且所述任意两相邻圆柱形流道间的横向间距等于任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距；所述阵列式圆柱形流道的纵向阵列间距远大于任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距。
进一步的，
所述阵列式圆柱形并联连通流道的高度由燃料芯体厚度及包壳厚度来确定；所述阵列式圆柱形流道的数量、直径、任意两相邻圆柱形流道间的横向间距与纵向间距以及所述阵列式圆柱形流道的纵向阵列间距，应根据燃料组件的长度方向跨度、宽度方向跨度以及实际湍流交混需求进行计算确定。
采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。
1.一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构采用仿生鱼鳞形外部轮廓，通过进一步增大传热壁面与仿生鱼鳞形窄流道之间的传热面积，以增加换热量。
2.一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构采用仿生鱼鳞形外部轮廓，通过增强仿生鱼鳞形窄流道内部的横向与垂向的湍流交混效应，以强化换热效果，可实现压水反应堆低雷诺数运行工况下的换热强化，提升压水反应堆的经济性。
3.一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构采用阵列式圆柱形并联流道，通过阵列式圆柱形并联流道的连通作用，可实现上、下两仿生鱼鳞窄流道间的附加湍流交混，以强化换热效果，提升反应堆的经济性。
4.一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构可有效增强换热并导出堆芯裂变产热，提高堆芯燃料组件的温度安全裕度，满足压水反应堆内低流量、高裂变产热工况下的换热需求，提升反应堆的安全性。
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构的整体示意图；
图2是本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构的轴测示意图；
图3是本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构的正视图与局部放大图；
图4是本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构的底部示意图；
图5是本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构的局部剖视图。
图中：1、仿生鱼鳞形窄流道；2、并联连通流道；3、仿生鱼鳞形窄流道的入口段；4、仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞段；5、仿生鱼鳞形窄流道的出口段；6、仿生鱼鳞形窄流道顶部的单个仿生鱼鳞凸起结构；7、仿生鱼鳞形窄流道两端的水平段；8、仿生鱼鳞形窄流道底部的单个仿生鱼鳞凹陷结构。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1至图5所示，本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构的结构示意，所述仿生鱼鳞形窄流道1沿长度方向分为入口段3、仿生鱼鳞段4和出口段5三部分，且所述仿生鱼鳞形窄流道1的入口段3与出口段5为常规矩形外部轮廓；所述仿生鱼鳞形窄流道1的仿生鱼鳞段4的顶部轮廓由单个仿生鱼鳞凸起结构6沿长度方向周期性层层堆叠而形成，所述仿生鱼鳞段4的底部轮廓由单个仿生鱼鳞凹陷结构8沿长度方向周期性层层堆叠而形成。通过调节仿生鱼鳞结构6的鳞片半径、鳞片倾角、鳞片横向间距以及鳞片纵向间距等尺寸参数，可改变传热壁面与仿生鱼鳞形窄流道1的传热面积，进而适应于不同的核反应堆换热需求。所述仿生鱼鳞形窄流道1的两端，也即与仿生鱼鳞阵列结构的相接处设有水平段7，通过调整水平段7的尺寸，以便于燃料组件的加工与安装。
所述并联连通流道2采用阵列式圆柱形流道，所述阵列式圆柱形流道2沿宽度方向采用均匀阵列方式，任意两相邻圆柱形流道间的横向(宽度方向)间距相等；所述阵列式圆柱形流道2沿长度方向采用双排均匀阵列方式，任意两相邻圆柱形流道间的纵向(长度方向)间距相等；且所述任意两相邻圆柱形流道间的横向间距等于任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距；所述阵列式圆柱形流道2的纵向阵列间距远大于任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距。
在一些实施方式中，可通过调节仿生鱼鳞形窄流道1的流道高度、阵列式圆柱形并联连通流道2的数量、直径、流道间距与纵向阵列间距等结构参数，以改变仿生鱼鳞形窄流道1内以及上、下两仿生鱼鳞形窄流道1间的湍流交混效果，进而获得具有不同换热能力的窄流道结构，以满足不同的核反应堆换热需求。
具体的，本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，所述仿生鱼鳞形窄流道1的水隙高度为2mm，所述阵列式圆柱形并联连通流道2的直径和流道间距分别为3mm和5mm。根据压水反应堆低雷诺数运行工况，通过对本实用新型一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构进行数值计算验证，表明本实用新型的实施方式可强化仿生鱼鳞形窄流道1内的横向与垂向的湍流交混效应以及上、下两仿生鱼鳞形窄流道1间的湍流交混效果，有效提升堆芯燃料组件的换热能力和热工安全裕量，进而提高了压水反应堆的安全性与经济性。
以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。
Claims (8)
1.一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于，包括：
仿生鱼鳞形窄流道，所述仿生鱼鳞形窄流道为冷却介质流动的主通道，为单独水隙；所述仿生鱼鳞形窄流道的外部轮廓由单个仿生鱼鳞结构沿长度方向周期性层层堆叠而形成；所述仿生鱼鳞形窄流道在高度方向上呈现为非对称式结构，所述仿生鱼鳞形窄流道的顶部轮廓与底部轮廓可通过平移实现完全拼接嵌合，水隙高度在任意位置恒为定值；
并联连通流道，所述并联连通流道介于上、下两仿生鱼鳞形窄流道之间，用于实现两窄流道水隙间的并联；所述并联连通流道采用阵列式圆柱形流道，所述阵列式圆柱形流道沿宽度方向采用均匀阵列方式，任意两相邻圆柱形流道间的横向间距相等；所述阵列式圆柱形流道沿长度方向采用双排均匀阵列方式，任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距相等；且所述任意两相邻圆柱形流道间的横向间距等于任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距；所述阵列式圆柱形流道的纵向阵列间距远大于任意两相邻圆柱形流道间的纵向间距。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述仿生鱼鳞形窄流道内的流体介质为高压过冷水，且所述仿生鱼鳞形窄流道的水隙高度不大于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述仿生鱼鳞形窄流道沿长度方向分为入口段、仿生鱼鳞段和出口段三部分；所述仿生鱼鳞形窄流道的入口段与出口段为常规矩形外部轮廓，且所述仿生鱼鳞形窄流道的入口段长度应满足流体充分发展要求，所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞段长度与出口段长度应根据压水反应堆的实际换热需求确定。
4.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述仿生鱼鳞形窄流道在宽度方向上呈现为对称式结构，所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞结构位于包壳主体的中心，也即所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞结构的中心线与窄流道主体宽度方向上的中心线相重合。
5.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述仿生鱼鳞形窄流道沿宽度方向的左右两端，也即与仿生鱼鳞形外部轮廓相接的位置预设有水平段，以便于加工安装，所述水平段尺寸不小于0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述仿生鱼鳞形窄流道与传热壁面的接触面积不小于相同总体尺寸下的传统矩形窄流道与传热壁面的接触面积。
7.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述仿生鱼鳞形窄流道的仿生鱼鳞结构的鳞片半径、鳞片倾角、鳞片横向间距以及鳞片纵向间距，应根据燃料芯体的宽度方向跨度与长度方向跨度以及压水反应堆的实际换热需求进行计算确定。
8.根据权利要求1所述的一种具有仿生鱼鳞形轮廓的并联流道结构，其特征在于：
所述并联连通流道的高度由燃料芯体厚度及包壳厚度来确定；所述阵列式圆柱形流道的数量、直径、任意两相邻圆柱形流道间的横向间距与纵向间距以及所述阵列式圆柱形流道的纵向阵列间距，应根据燃料组件的长度方向跨度、宽度方向跨度以及实际湍流交混需求进行计算确定。
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