Influence of geometrical characteristics of mixing blades on hydraulic resistance of mixing grids of fuel assemblies of nuclear reactors

Full Text

Введение

В активных зонах ядерных реакторов с водяным теплоносителем для интенсификации процессов теплообмена и перемешивания теплоносителя используют специальные перемешивающие решетки различных конструкций [1-4]. Их применение позволяет сгладить неравномерность распределения температуры теплоносителя в ТВС и повысить запасы до кризиса теплообмена [5-8]. Данные эффекты достигаются за счет создания направленных конвективных течений и дополнительной турбулизации потока теплоносителя за счет различных конструктивных элементов решеток – смесительных лопаток, отгибов, отверстий, закручивающих каналов и т.д. Наиболее широкое распространение получили решетки с смесительными лопатками, которые могут иметь различную форму, площадь и угол наклона.

Одновременно с интенсификацией теплообмена и перемешивания теплоносителя повышается гидравлическое сопротивление ТВС, что приводит к повышению затрат на собственные нужды станции. Очевидно, что на все эти процессы ключевое значение оказывают геометрические характеристики смесительных лопаток – форма, угол наклона, площадь затеснения проходного сечения. В НГТУ были проведены исследования по изучению влияния основных геометрических параметров лопаток (угла наклона и площади затеснения проходного сечения) на гидравлическое сопротивление перемешивающих дистанционирующих решеток ТВС-Квадрат реакторов PWR.

Описание исследовательского стенда и методики исследований

Исследования влияния геометрических параметров лопаток на гидравлическое сопротивление решеток проведены на аэродинамическом стенде, в состав которого входят: вентилятор высокого давления, ресиверная емкость, экспериментальная модель и измерительный комплекс с системой сбора, хранения и обработки информации. Циркуляция рабочей среды осуществляется за счет работы вентилятора, который нагнетает воздух в ресиверную емкость. Далее, пройдя успокоительный участок, стабилизированный поток воздуха с постоянным расходом поступает в экспериментальную модель и выбрасывается в атмосферу.

Экспериментальная модель представляет собой фрагмент ТВС-Квадрат размером 7х7 стержней с двумя дистанционирующими и одной перемешивающей дистанционирующей решетками. Относительный шаг твэльного пучка составляет S/d=1,3. Дистанционирующая решетка состоит из взаимно перпендикулярных пластин с пружинистыми элементами внутри ячеек, предназначенных для фиксации твэлов. Отличие конструкции перемешивающей дистанционирующей решетки от дистанционирующей заключается в установке на кромки решетки специальных смесительных лопаток. При проведении исследований поочередно варьировались угол наклона лопаток и площадь затеснения проходного сечения (рис. 1).

 

Рис. 1. Решетки экспериментальных моделей: а) дистанционирующая решетка; б) перемешивающая дистанционирующая решетка

Fig. 1. Grids of experimental models: a) spacer grid; b) mixing spacer grid

 

Конструкция экспериментальной модели обеспечивает возможность измерения статического давления в нескольких сечениях по длине экспериментальной модели. Схема расположения сечений отбора показана на рис. 2.

 

Рис. 2. Расположение сечения отбора статического давления в экспериментальной модели: 1) дистанционирующая решетка; 2) перемешивающая дистанционирующая решетка

Fig. 2. Location of the static pressure sampling section in the experimental model: a) spacer grid; b) mixing spacer grid

 

Полные потери давления $\Delta P_i^{полн}$ на i-ом участке экспериментальной модели складываются из потерь давления на трение $\Delta P_i^{трен.}$ и местных потерь $\Delta P_i^{мест.}$ на перемешивающей дистанционирующей решетке:

$\Delta P_i^{полн}=\Delta P_i^{трен.}+\Delta P_i^{мест.}=\lambda \cdot \frac{L_i}{d_{\text{г}}}\cdot \frac{\text{ρ}\cdot {\overline{w}}^2}{2}+{\xi }_{\text{ПДР}}\cdot \frac{\text{ρ}\cdot {\overline{w}}^2}{2}$, (1)

где L_i – расстояние между сечениями отбора статического давления, м;

$\overline{w}$ – среднерасходная скорость рабочей среду через экспериментальную модель, м/с.

Потери давления на трение определяются экспериментальным путем на модели без перемешивающей дистанционирующей решетки. Для определения коэффициента гидравлического сопротивления решетки исследуемая конструкция устанавливается в модель, после чего по измеренному перепаду давлений в модели определяется КГС по соотношению:

${\xi }_{\text{ПДР}}=\frac{2\cdot \left(\Delta P_i^{полн.}-\Delta P_i^{трен.}\right)}{\rho \cdot {\overline{w}}^2}$ . (2)

Результаты исследований

Исследования гидравлического сопротивления производились в диапазоне значений критерия Рейнольдса от 10 000 до 100 000. Широкий диапазон значений позволил определить нижнюю границу зоны автомодельности течения. Установлено, что сопротивление гладкого пучка стержней, дистанционирующих и перемешивающих дистанционирующих решеток начиная с значений критерия Рейнольдса 60 000 можно считать постоянным и не зависящим от критерия Рейнольдса, что свидетельствует об автомодельности течения [9].

На первом этапе исследований был определен коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) дистанционирующей решетки, который составил 0,8 (рис. 3).

 

Рис. 3. Гидравлическое сопротивление дистанционирующей решетки

Fig. 3. Hydraulic resistance of the spacer grid

 

Для исследований влияния угла наклона лопаток на гидравлическое сопротивление решеток использовались экспериментальные модели с решетками, в которых угол наклона лопаток составлял 15°, 20°, 25°, 27,5°, 30°, 35°. Форма и размер лопаток выбирались таким образом, чтобы, независимо от угла наклона, затеснение поперечного сечения элементарных ячеек оставалось постоянным (8,51 мм²). В результате проведенных исследований были установлены значения КГС для каждого угла наклона лопаток (рис. 4).

 

Рис. 4. Гидравлическое сопротивление решеток с различными углами наклона лопаток: а) угол наклона 15°; б) угол наклона 20°; в) угол наклона 25°; г) угол наклона 27,5°; д) угол наклона 30°; е) угол наклона 35°; ж) угол наклона 40°

Fig. 4. Hydraulic resistance of grids with different blade inclination angles: a) inclination angle of 15°; b) inclination angle of 20°; c) inclination angle of 25°; d) inclination angle of 27.5°; d) inclination angle of 30°; e) inclination angle of 35°; g) inclination angle of 40°

 

Увеличение угла наклона от 15 до 25° привело к росту коэффициента гидравлического сопротивления решетки менее 3 % с 1,05 до 1,08 (табл. 1). Зависимость КГС решетки от угла наклона описывается линейной функцией:

$\xi =\mathrm{0,004}\cdot \alpha +\mathrm{0,986}$. (3)

 

Таблица 1. Гидравлическое сопротивление решеток в зависимости от угла наклона лопатки

Table 1. Hydraulic resistance of grids depending on the blade inclination angle

Угол наклона лопатки	КГС решетки
15˚	1,05
20˚	1,07
25˚	1,08
27,5°	1,2
30˚	1,25
35˚	1,36
40˚	1,48

 

При изменении угла наклона от 27,5° до 40° наблюдается значительный рост КГС решетки (около 20 %) с 1,2 до 1,48. Зависимость КГС решетки от угла лопатки описывается линейной функцией:

$\xi =\mathrm{0,022}\cdot \alpha +\mathrm{0,589}$ (4)

В диапазоне углов наклона между 25 и 27,5° наблюдается скачкообразное увеличение сопротивления решетки на 10 % (рис. 5). Начиная с угла наклона лопатки 27,5°, рост гидравлического сопротивления решетки происходит более интенсивно, чем при меньших углах. Об этом можно судить по величине углового коэффициента в формулах аппроксимирующих прямых (3) и (4).

 

Рис. 5. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления перемешивающей дистанционирующей решетки от угла наклона смесительных лопаток

Fig. 5. Dependence of the hydraulic resistance coefficient of the mixing spacer grid on the inclination angle of the mixing blades

 

При установке смесительных лопаток на дистанционирующую решетку происходит увеличение гидравлического сопротивления от 31,3 до 85 % для углов наклона лопаток 15° и 40° соответственно. Результаты исследований показали, что при рассмотрении фактора гидравлического сопротивления нецелесообразно увеличивать угол наклона смесительных лопаток перемешивающих дистанционирующих решеток более 25°.

Набор экспериментальных данных послужил основой для создания базы данных, которая может быть использована для валидации расчетных кодов и программ комплексного математического моделирования с применением современных вычислительных машин [10]. Исследования влияния площади затеснения проходного сечения лопатками на гидравлическое сопротивление решеток проводилось для угла наклона лопаток 25°. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления перемешивающих решеток от площади затеснения проходного сечения лопатками имеет линейный характер (рис. 4) и описывается соотношением:

$\xi =\mathrm{0,05}\cdot S_{ЛОП}+\mathrm{0,9}$ (5)

Увеличение площади затеснения с 6,8 до 10,6 мм² приводит к росту КГС на 20 % с 0,96 до 1,17. При сравнении с дистанционирующей решеткой установка лопаток с площадью затеснения проходного сечения от 6,8 до 10,6 мм² и углом наклона 25° увеличивает гидравлическое сопротивление от 18,8 до 46,3 % соответственно (рис. 6).

 

Рис. 6. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления перемешивающей дистанционирующей решетки от площади затеснения лопатками проходного сечения (угол наклона лопаток 25°)

Fig. 6. Dependence of the hydraulic resistance coefficient of the mixing spacer grid on the area of the flow section obstruction by the blades (blade inclination angle 25°)

 

Заключение

Проведенные исследования позволили определить интегральные зависимости, характеризующие влияние геометрических характеристик смесительных лопаток на гидравлическое сопротивление решеток.

Набор экспериментальных данных послужил основой для создания базы данных, которая может быть использована для валидации расчетных кодов и программ комплексного математического моделирования с использованием современных вычислительных машин.

Работа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (тема № FSWE-2024-0003).

About the authors

A. N. Pronin

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alekseev

Author for correspondence.
Email: Proninaleksei@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7174-3643
Russian Federation, Nizhny Novgorod

S. M. Dmitriev

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alekseev

Email: dmitriev@nntu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0637-7004
Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files