控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)緩沖設(shè)計方法研究

張吉斌，李垣明，黃春蘭，蒲曾坪

(中國核動力研究設(shè)計院核反應堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家重點實驗室，四川 成都 610041)

控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)主要功能是減小控制棒組件落棒時對燃料組件的落棒沖擊力，同時又保證落棒時間滿足相關(guān)要求，因此控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計是控制棒組件設(shè)計的關(guān)鍵，緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計應能同時滿足落棒沖擊力和落棒時間的要求。本文針對一種特定的控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)，通過理論分析和數(shù)值模擬等方法，計算分析控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖性能及緩沖效果，獲得影響控制棒組件緩沖器落棒沖擊力的規(guī)律，為控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)和參考。

1 緩沖性能計算分析

1.1 模型建立

為評估控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖效果，開展了緩沖結(jié)構(gòu)緩沖性能理論分析方法研究，在緩沖過程中控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)與上管座碰撞，碰撞過程中的位移、速度、加速度等的變化規(guī)律為建立動力學方程的基礎(chǔ)，并采用如下基本假設(shè)：

1)各部件之間的碰撞視為完全彈性碰撞，忽略碰撞阻尼；

2)接觸碰撞作用等效為彈簧的作用；

3)緩沖過程中，僅考慮外部流場對緩沖器的流體形狀阻力作用。

基于以上基本假設(shè)，得到控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)緩沖過程的力學簡化模型，如圖1所示?；谠摵喕Ｐ?，采用牛頓第二定律，建立相應的運動學方程，可求得控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)的加速度、速度、位移、沖擊力、落棒時間等下落特性參數(shù)。

圖1 緩沖過程示意圖Fig.1 Schematic of the buffering process

1.2 控制方程

①緩沖器豎向下落過程中的控制方程：

即：

其中，

②緩沖器緩沖過程中的控制方程：

其中，

d1=d(X10)

d3=d(X2>0);δ4=δ(X2≤He)

K3=d4Ke+(1-d4)Kr

緩沖頭與碰撞部件之間的沖擊力為：

F=K3[X2-(1-d4)He]d3+

KeHe(1-d4)d3

1.3 計算分析

計算分析時主要針對控制棒組件緩沖影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括緩沖結(jié)構(gòu)套筒側(cè)壁流水孔數(shù)量m，第一排流水孔直徑d1，第二排流水孔直徑d2，第三排流水孔直徑d3。

1.3.1 流水孔數(shù)量對緩沖效果的影響分析

分別針對緩沖結(jié)構(gòu)套筒側(cè)壁流水孔數(shù)量m=0，3，6，9，12共5種不同工況進行緩沖計算分析，表1給出了不同側(cè)壁流水孔數(shù)量工況下相關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果。

表1 流水孔數(shù)m對緩沖效果Table 1 The buffering effect of the number of flow holes m

圖2和圖3分別給出了側(cè)壁流水孔數(shù)m與沖擊力Fmax和落棒時間T的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，1)隨著m的增加，緩沖結(jié)構(gòu)對上管座碰撞的最大沖擊力先減小后增大，且m=0，即側(cè)壁不存在流水孔時，最大沖擊力相對較大，m=6時，最大沖擊力最?。?)運動部件的下落時間T隨著m的增加而逐漸減小，但m≥3時，其減小程度不明顯。

圖2 最大沖擊力隨m變化Fig.2 The maximum impact force varying with m

圖3 下落時間隨m變化Fig.3 The falling time varying with m

1.3.2 第一排開孔直徑對緩沖效果的影響分析

分別針對第一排開孔直徑d1=1 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm共7種不同工況進行緩沖計算分析，表2給出了不同d1工況下相關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果。

表2 d1對緩沖效果的影響Table 2 The effect of d1 on the buffering effect

圖4和圖5分別給出了第一排開孔直徑d1與沖擊力Fmax和落棒時間T的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，隨著第一排開孔直徑d1的增大，最大沖擊力Fmax及運動部件下落之間T逐漸減小。但d1對Fmax和T的影響均只在較小的范圍內(nèi)變化。

圖4 最大沖擊力隨d1變化Fig.4 The maximum impact force varying with d1

圖5 下落時間隨d1變化Fig.5 The falling time varying with d1

1.3.3 第二排開孔直徑對緩沖效果的影響分析

分別針對第二排開孔直徑d2=1 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm共7種不同工況進行緩沖計算分析，表3給出了不同d2工況下相關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果。

表3 d2對緩沖效果的影響Table 3 The effect of d2 on the buffering effect

圖6和圖7分別給出了第二排開孔直徑d2與沖擊力Fmax和落棒時間T的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯弘S著第二排開孔直徑d2的增大，最大沖擊力Fmax和運動部件下落時間T逐漸減小，但由于流水孔直徑不能一直增大，因此最大沖擊力Fmax不能進一步減小。

圖6 最大沖擊力隨d2變化Fig.6 The maximum impact force varying with d2

圖7 下落時間隨d2變化Fig.7 The falling time varying with d2

1.3.4 第三排開孔直徑對緩沖效果的影響分析

分別針對第三排開孔直徑d3=1 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm共7種不同工況進行緩沖計算分析，表4給出了不同d3工況下相關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果。

表4 d3對緩沖效果的影響Table 4 The effect of d3 on the buffering effect

圖8和圖9分別給出了第三排開孔直徑d3與沖擊力Fmax和落棒時間T的關(guān)系曲線。可以看出：1)隨著第三排開孔直徑d3的增大，最大沖擊力Fmax先減小后增大，且當d3=3 mm時，F(xiàn)max最?。?)隨著第三排開孔直徑d3的增大，下落時間T逐漸減少。

圖8 最大沖擊力隨第d3變化Fig.8 The maximum impact force varying with d3

圖9 下落時間隨d3變化曲線Fig.9 The falling time varying with d3

1.4 結(jié)果分析

根據(jù)對下落過程及緩沖過程的分析結(jié)果，可知：

側(cè)壁開6個流水孔即m=6時，落棒沖擊力最?。幻繉觽?cè)壁流水孔單獨分析時，第一層和第二層流水孔直徑越大(直徑小于等于6 mm時)，落棒沖擊力越??；第三層流水孔直徑越大，落棒沖擊力先減小后增大，當直徑為3 mm時沖擊力最小。

2 結(jié)論

本文通過對控制棒組件水力緩沖結(jié)構(gòu)建立合適的模型和控制方程，對控制棒組件緩沖過程進行模擬計算分析，仿真計算通過簡化模型、建立控制方程和相關(guān)計算公式，獲得緩沖過程中流水孔數(shù)量及流水孔直徑對緩沖效果的影響規(guī)律；本文建立的針對控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖設(shè)計方法，可以對控制棒組件緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導和優(yōu)化。