CC BY
41
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-Q40S
Пульсации давления, случайные гидродинамические нагрузки и вибрации пучков твэлов в ТВС ВВЭР
# 09, сентябрь 2011 автор: Перевезенцев В. В.
УДК 621.039.524
МГТУ им. Н.Э. Баумана vpereves@power.bmstu.ru vladimirperevezencev@rambler.ru
Вибрационные процессы в ядерных реакторах в значительной степени определяют надежность оборудования и безопасность эксплуатации энергоблока в целом. Динамическое воздействие потока теплоносителя на конструктивные элементы реакторных систем инициирует и поддерживает их механические колебания (вибрации). Одними из наиболее важных механических систем, определяющих безаварийную работу реакторных установок ВВЭР, являются ТВС. Вибрации в продольном турбулентном потоке теплоносителя приводят к повреждениям и образованию дефектов оболочек твэлов и выходу радиоактивных продуктов деления в контур циркуляции теплоносителя. Выявление механизмов возникновения вибраций ТВС является важнейшим этапом создания методик расчетных и экспериментальных анализов вибрационных процессов и выработки научно обоснованных рекомендаций по конструктивным решениям, направленным на повышение устойчивости ТВС в целом и ее отдельных элементов к динамическим воздействиям теплоносителя. Анализ гидродинамически возбуждаемых вибраций невозможен без описания процессов взаимодействия потока с обтекаемыми поверхностями механической колебательной системы. Такая информация в большинстве случаев может быть получена только на базе экспериментальных исследований. В турбулентном потоке теплоносителя на обтекаемых поверхностях твэлов формируются случайные гидродинамические нагрузки, от которых и зависят характеристики вибраций твэлов и пучка в целом. В свою очередь, случайные гидродинамические полностью определяются распределением пульсаций давления по обтекаемой поверхности. В частности, для вектора случайной гидродинамической нагрузки, действующей на единичную длину твэла в сечении г в момент времени т в плоскости перпендикулярной оси ТВС, можно записать выражение [1]
Д.(^г) = -1 р'Л^ Р,г) ■ П ■ ё/2 • йф,
1 р
где р'(2, р, г) - распределение пульсаций давления по периметру (по углу р) 1 - го твэла в
момент времени г в сечении пучка 2 .
Таким образом, для решения рассматриваемой проблемы необходимы одновременные измерения полей пульсаций давления по периметру и длине всех твэлов пучка. Получение таких экспериментальных данных практически не возможно. Однако уровни виброперемещений пучка в целом, как механически и гидродинамически связанной системы, будут определяться вектором случайных гидродинамических нагрузок, воздействующих на внешний ряд твэлов пучка (рис. 1) [2].
Тогда случайная гидродинамическая нагрузка, действующая на единичную длину пучка твэлов в сечении г в момент времени г в плоскости перпендикулярной оси ТВС определяется распределением мгновенных значений пульсаций давления по периметру внешнего ряда твэлов пучка
Д (г,г) = -| р'( г, Р,г) ■ п ■ йР,
(2)
р
где р'( г, Р, г) - мгновенные значения пульсаций давления на грани пучка;
Р, п - периметр внешнего ряда твэлов пучка и нормаль к внешней границе этого ряда.
Рис. 1. Схема определения случайных гидродинамических нагрузок по распределениям пульсацийям давления по периметру внешнего ряда твэлов пучка 1- внешний ряд твэлов пучка; 2- точки измерений пульсаций давления
Измерения пульсаций давления проводились одновременно на внутренней поверхности шести граней чехла полномасштабного макета ТВС ВВЭР-440 в двух сечениях по длине пучка. Первое сечение г = 72 мм соответствует середине первого пролета между нижней опорной решеткой и первой дистанционирующей решеткой. Второе сечение 2 - 1527 мм расположено в середине пролета между пятой и шестой дистанционирующими решетками. Таким образом, были получены одновременно двенадцать сигналов датчиков пульсаций давления. Точки отборов давления располагались в середине по ширине грани пучка. Практически взаимно перпендикулярные составляющие гидродинамических нагрузок на единицу длины пучка твэлов по осям X и у определялись суммированием мгновенных значений пульсаций давления на
внутренних поверхностях всех шести граней чехла с учетом соответствующих тригонометрических функций [2, 3]:
Л (г, т) = Е р'(г, т) • ^ ( • а;
х г=1
6 ;
Л (г,т) = 1 р'(г,т) • •а
1=1
(3)
где а - ширина грани пучка твэлов по внешнему его ряду.
Характерные распределения среднеквадратичных значений пульсаций давления по периметру внешнего ряда твэлов пучка свидетельствуют о достаточно равномерном распределении уровней пульсаций давления по всем шести граням пучка как в близком к входу сечении, так и на достаточном удалении от нижней опорной решетки (рис. 2). Это свидетельствует о симметричности структуры осредненного и пульсационного течения по периметру пучка твэлов. При этом пульсации давления вблизи нижней опорной решетки выше, чем в удаленной от нее области. Очевидно, возмущающее воздействие дроссельной шайбы с формированием крупномасштабных вихревых структур перед нижней опорной решеткой (т.е. на входе в пучок твэлов) проявляется, прежде всего, на начальном гидродинамическом участке в пределах нескольких первых пролетов пучка. Вдали от нижней опорной решетки воздействие дроссельной шайбы на пульсационные характеристики потока распространяется в меньшей степени. Это подтверждается и практически одинаковыми пульсациями давления в обоих сечениях в условиях отсутствия дроссельной шайбы на входе в ТВС.
Рис. 2. Распределение среднеквадратичных значений пульсаций давления по периметру внешнего ряда твэлов пучка в сечениях г = 72 мм (а) и г = 1527 мм (б) при скорости течения
воды в пучке твэлов 3,14 м/с 1 - невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); 2 - дроссельная шайба 52 мм; 3 - 48,5 мм; 4 - 45 мм
Наряду с интенсивностью пульсаций давления гидродинамические нагрузки в любом сечении пучка определяются фазовыми сдвигами между пульсациями давления на противоположных гранях пучка [4]. Очевидно, наибольшие нагрузки будут формироваться при фазовом сдвиге Ар = 1800. При нулевом фазовом сдвиге и одинаковых мгновенных значениях пульсаций давления нагрузка не возникает. Наибольшие фазовые сдвиги между пульсациями давления на противоположных гранях пучка в сечениях на начальном гидродинамическом участке возникают в условиях формирования потока на входе в ТВС дроссельными шайбами (рис. 3). Это является одной из причин возникновения значительных случайных гидродинамических нагрузок в этих условиях, т.е. при размещении на входе в ТВС дроссельных шайб, и связано, по видимому, с ролью крупных вихрей, формируемых за дроссельными шайбами. В области установившегося течения (вдали от входа в пучок твэлов), где влияние возмущающих поток входных устройств проявляется незначительно, существенных фазовых сдвигов между импульсами давления на противоположных гранях пучка твэлов не наблюдается (рис. 4). Естественно, при этом и случайные гидродинамические нагрузки, возникающие из-за разности мгновенных значений пульсаций давления на противоположных гранях пучка, оказываются менее выраженными.
п
33 11 -11
-33
1 1
а 1
д
ЛЛ
У (1
О 80 160
50 0
-50 -100 -150 -200
в
во
40 О
-40 -80 -120 -160
160 Гц
во
г
160 Гц
Рис. 3. Фазовый сдвиг между пульсациями давления в сечении г = 72 мм на противоположных гранях пучка твэлов при скорости течения воды 3,14 м/с и различных условиях формирования
структуры потока на входе в ТВС а- невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); б- дроссельная шайба 52 мм; в- 48,5 мм; г- 45 мм
36 28 20 12 4 -4
0 80 160 /, Гц
36 28 20 12 4
-4
0 80 160/,
• \
1 • А
) Л
----- г
Рис. 4. Фазовый сдвиг между пульсациями давления в сечении г = 1527 мм на противоположных гранях пучка твэлов при скорости течения воды 3,14 м/с и при различных условиях формирования структуры потока на входе в ТВС а- невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); б-дроссельная шайба 52 мм; в- 48,5 мм; г- 45 мм
Способность случайных гидродинамических нагрузок возбуждать и поддерживать вибрации пучка твэлов определяется не только их абсолютными значениями, но и спектральным составом. Наибольшую опасность представляют резонансы в низкочастотной области, где и располагаются собственные частоты пучка. Характерной особенностью спектров случайных гидродинамических нагрузок на начальном гидродинамическом участке в условиях невозмущенного турбулентного течения является отсутствие существенных спектральных уровней в низкочастотной области. Практически вся энергия гидродинамических нагрузок сосредоточена в области высоких частот от 160 до 400 Гц (рис. 5). Очевидно, такие нагрузки обладают сравнительно невысокой способностью к возбуждению и поддержанию вибраций пучка твэлов с собственными частотами до 10 Гц. Дроссельные шайбы создают на входе в ТВС вихревые структуры, обладающие высокой энергией и сохраняющие свою индивидуальность и в области пучка твэлов. Обусловленные этими вихревыми структурами пульсации давления формируют случайные гидродинамические нагрузки с резонансами в низкочастотной области. Спектры случайных гидродинамических нагрузок в удаленной от нижней опорной решетки содержат резонансы в диапазоне высоких частот независимо от условий формирования структуры потока на входе в ТВС. Это свидетельствует о том, что в сечении г = 1527 мм поток практически утрачивает "информацию" о вихревой структуре, приобретенной им при течении через дроссельные шайбы или другие возмущающие поток устройства (рис. 6).
Рис. 5. Развитие спектров случайных гидродинамических нагрузок в направлении перпендикулярно грани пучка с увеличением скорости течения воды в пучке твэлов в сечении г = 72 мм при различных условиях формирования структуры потока на входе в ТВС а- невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); б- дроссельная шайба 52 мм; в- 48,5 мм; г- 45 мм
Рис. 6. Развитие спектров случайных гидродинамических нагрузок в направлении перпендикулярно грани пучка с увеличением скорости течения воды в пучке твэлов в сечении г = 1527 мм мм при различных условиях формирования структуры потока на входе в ТВС а- невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); б- дроссельная шайба 52 мм; в- 48,5 мм; г- 45 мм
Таким образом, образующиеся за дроссельными шайбами вихри в пристеночной области и струйное течение с разными скоростями в центральной области приводят к существенным отличиям в интенсивности и спектральном составе пульсаций давления в пучке твэлов и, как следствие, к разным уровням случайных гидродинамических нагрузок (рис. 7). При одинаковых скоростях потока воды в пучке наибольшие случайные гидродинамические нагрузки характерны для дроссельных шайб малых диаметров. При этом влияние дроссельной шайбы проявляется в наибольшей степени на начальном гидродинамическом участке пучка вблизи
нижней опорной решетки. Из рис. 7 видно, что уровни случайных гидродинамических нагрузок в сечении г = 72 мм в условиях размещения на входе в ТВС дроссельной шайбы 45 мм при скорости V = 3,14 м / с составляют около 235 Н/м, что более чем в 4 раза выше соответствующих значений в условиях невозмущенного потока на входе в ТВС (при отсутствии на входе дроссельных шайб). В области установившегося течения (2 = 1527 мм), где влияние входных устройств практически не проявляется, уровни случайных гидродинамических нагрузок существенно ниже. Таким образом, пучок твэлов в ТВС подвергается воздействию неравномерных распределенных по длине случайных нагрузок. При размещении на входе в ТВС возмущающих течение входных устройств (например, дроссельных шайб) вблизи нижней опорной решетки формируются повышенные уровни случайных гидродинамических нагрузок. Случайные нагрузки могут вызывать интенсивные вибрации пучка твэлов, причем именно в тех сечениях, где формируются наиболее высокие уровни таких нагрузок.
Рис. 7. Зависимость среднеквадратичных значений случайных гидродинамических нагрузок в направлении перпендикулярно грани пучка в сечениях г = 72 мм (а) и г = 1527 мм (б) от скорости течения воды для различных условий формирования структуры потока на входе в ТВС 1- невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); 2-дроссельная шайба 52 мм; 3 - 48,5 мм; 4 - 45 мм
Изгибные деформации пучка твэлов под действием случайных гидродинамических нагрузок можно трактовать как виброперемещения в плоскости перпендикулярной оси ТВС. Для заданной изгибной жесткости пучка твэлов среднеквадратичные значения виброперемещений пропорциональны уровням случайных гидродинамических нагрузок
(д2^ ~ ^. Как на начальном гидродинамическом участке вблизи нижней опорной решетки,
так и в области установившегося течения, можно выделить два характерных диапазона влияния случайных гидродинамических нагрузок на интенсивность вибраций (рис. 8). В сечении г = 72 мм при сравнительно низких случайных гидродинамических нагрузках < 80 Н/м
/ 2\!/2 / \ 0,2
виброперемещения пропорциональны \5 ) ~ (/) , а в области высоких значений
, 2\1/2 , \ 0,85
> 80 Н/м наблюдается более интенсивный рост вибраций {5 ) ~(/) . Вдали от
нижней опорной решетки в сечении 2 = 1527 мм виброперемещения пропорциональны (52)12 ~ (/ё)0'5 при < 80 Н/м и (З2)"2 ~ (/8)2'2 при > 80 Н/м.
Рис. 8. Зависимость среднеквадратичных значений виброперемещений в сечениях г = 72 мм (а) и г = 1527 мм (б) от уровней случайных гидродинамических нагрузок при различных
гидродинамических условиях на входе в ТВС а- невозмущенное турбулентное течение (без дроссельной шайбы на входе в ТВС); 2-дроссельная шайба 52 мм; 3- 48,5 мм; 4- 45 мм
Существенное повышение темпа роста виброперемещений в области > 80 Н/м
обусловлено, по-видимому, проскальзыванием твэлов в дистанционирующих решетках при их изгибных деформациях. Таким образом, при воздействии случайных гидродинамических нагрузок в области < 80 Н/м в местах сопряжений оболочки твэла с ячейкой
дистанционирующей решетки реализуется механизм трения покоя (проскальзывание отсутствует), а при более высоких значениях / > 80 Н/м - механизм трения скольжения
(оболочка проскальзывает в ячейке дистанционирующей решетки). Эффекты проскальзывания оболочки в местах сопряжения с дистанционирующей решеткой интенсифицируют процессы фреттинг-износа, что в итоге может привести к образованию сквозных дефектов в оболочке и выходу радиоактивных продуктов деления в контур циркуляции теплоносителя. В связи с эти необходимо ограничивать уровни случайных гидродинамических нагрузок на пучки твэлов со стороны турбулентного потока теплоносителя. Для этого необходимо формировать структуру течения на входе в ТВС без образования крупномасштабных вихревых структур, с равномерным распределением скорости перед нижней опорной решеткой. Размещаемые на входе в ТВС конструктивные элементы (например, дроссельные шайбы, антидебризные фильтры и т. п.) не должны обладать высокими гидравлическими сопротивлениями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вибрации элементов оборудования ядерных энергетических установок/ Е. Д. Федорович [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1989. 168 с.
2. Перевезенцев В.В., Солонин В.И., Сорокин Ф.Д. Нестационарные гидродинамические нагрузки и вибрации пучка твэлов в ТВС ВВЭР-440// Известия вузов. Ядерная энергетика. 2008. №4. С. 23-29.
3. Солонин В. И., Перевезенцев В. В. Влияние гидродинамических нагрузок на вибрации пучков твэлов тепловыделяющих сборок реакторов типа ВВЭР// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. №4. С. 92- 97.
4. Перевезенцев В. В. Возбуждение колебаний пучка твэлов реакторов ВВЭР турбулентным потоком теплоносителя// Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2009. №4. С.78-88.
