Случайные гидродинамические нагрузки, вибрации и демпфирование колебаний пучков твэлов твс реакторов ввэр в турбулентном потоке теплоносителя

Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 — 2010 годы и на перспективу до 2015 года» предусматривает строительство с 2009 года не менее двух энергоблоков атомных электростанций с реакторной установкой типа ВВЭР мощностью 1000 МВт ежегодномодернизацию действующих энергоблоков атомных электростанций с целью продления сроков их эксплуатации. Развитие атомной энергетики России до 2025;2030 гг. предусматривает также преимущественное строительство АЭС с реакторами типа ВВЭР. Для реализации запланированных программой задач необходимо проведение широкомасштабных НИОКР, направленных, в том числе, на повышение надежности и безопасности как действующих, так и разрабатываемых энергоблоков. К числу таких задач относится и обеспечение вибропрочности тепловыделяющих сборок (TBC). В рамках работ по совершенствованию ядерного топлива всех типов реакторов и в России, и других развивающих ядерную энергетику странах, большое внимание уделяется изучению вибраций твэлов в турбулентном потоке теплоносителя.

Актуальность работы.

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 TBC. TBC размещены в шахте, которая закреплена в верхней и нижней частях в корпусе реактора. С течением времени изменяются условия крепления внутрикорпусных устройств (ВКУ) реакторов ВВЭР: ослабляются крепления шахты в зоне разделителя потока и в области шпоночных соединений «шахта-корпус», уменьшается жесткость верхнего узла крепления шахты. Эти изменения приводят к снижению собственных частот вертикальных и горизонтальных маятниковых колебаний шахты с повышением их амплитуды [1]. Влияние таких изменений на вибрационные процессы имеет большое значение для обоснования продления сроков эксплуатации реакторных установок (РУ) первого и второго поколений. Колебания шахты реактора, а, следовательно, и вложенных в нее тепловыделяющих сборок (TBC) обусловлены динамическим воздействием турбулентного потока теплоносителя вдоль тракта его подвода к активной зоне. Осредненные и пульсационные характеристики этих течений и, в первую очередь, неравномерность распределения осредненных скоростей, уровни и частотный состав пульсаций скоростей, определяют трехмерную вихревую структуру потока, воздействующего на обтекаемые поверхности. От структуры течения внутри TBC, в свою очередь, зависят гидродинамические нагрузки на продольно обтекаемые пучки тепловыделяющих элементов (твэлов). В связи с задачей повышения мощности реакторных установок (РУ) ВВЭР-440 на (5. 10)% с соответствующим изменением действующих на ВКУ и TBC гидродинамических нагрузок, большое значение имеют вопросы обоснования вибропрочности элементов TBC и, прежде всего, пучка твэлов [2]. Совершенствование TBC реакторов ВВЭР в значительной степени связано с повышением их вибропрочности. Так, например, жесткая механическая связь дистанционирующих решеток с каркасом из шести уголков в ТВСА обеспечила значительное повышение изгибной жесткости, а следовательно, и снижение интенсивности вибраций твэлов в турбулентном потоке теплоносителя. В конструкции ТВС-2М для уменьшения интенсивности вибраций твэлов в области высокой турбулентности потока вблизи нижней опорной решетки предусмотрена дополнительная «антивибрационная» дистанционирующая решетка. Каркас из направляющих каналов для органов регулирования в TBC.

ВВЭР-1000 также выполняет функции усиления жесткости конструкции на изгиб.

TBC реакторов ВВЭР как механическая колебательная система состоит из пучка цилиндрических, расположенных по треугольной решетке, твэлов жестко закрепленных одним концом в нижней опорной решетке. Твэлы объединены в пучок несколькими промежуточными дистанционирующими решетками сотового типа [3- 4]. В чехловых TBC ВВЭР-440 верхняя дистанционирующая решетка снабжена широким ободом для центрирования пучка твэлов в верхней его части посредством выступов на чехле. Остальные дистанционирующие решетки не имеют механического контакта с чехлом. Таким образом, реализуются условия упругой опоры в верхней части пучка твэлов. В безчехловых TBC жесткость пучка твэлов обеспечивается, в основном, каркасом либо из направляющих каналов, либо уголков жесткости. Теплоноситель через хвостовик поступает в пучок твэлов и при продольном обтекании цилиндрических поверхностей возбуждает их колебания за счет воздействия случайных распределенных по длине гидродинамических нагрузок.

При продольном обтекании пучка тепловыделяющих элементов (твэлов) в TBC динамическое воздействие теплоносителя связано с несколькими различными механизмами:

• формированием в циркуляционном контуре акустических стоячих волн давления (АСВ), которые, в частности, воздействуют и на пучок твэловобразованием и развитием по длине циркуляционного контура бегущих акустических волн давления, связанных с работой насоса и влиянием запорно-регулирующий арматуры;

• формированием случайной гидродинамической нагрузки на поверхностях оболочек твэлов за счет неравномерности полей пульсационных давлений в турбулентном потоке теплоносителя;

• развитием по длине начального гидродинамического участка в пучке (на первых пролетах) профиля осредненной скорости с образованием поперечных перетоков теплоносителя, как правило, от центра пучка к периферийным рядам.

Вибрации пучка твэлов в TBC приводят к инициированию и развитию:

1. циклических изгибных деформаций оболочек твэлов и, как следствие к коррозионно-усталостным процессам, способствующим разгерметизации оболочек и выходу радиоактивных элементов-продуктов деления в теплоноситель;

2. динамического взаимодействия оболочек твэлов с пуклевками в зоне дистанционирующих решеток и, как следствие, фреттинг-износу оболочек твэлов;

3. напряжений в зоне крепления хвостовиков твэлов в нижней опорной решетки, и механическому износу хвостовиков при их продольном и радиальном смещении в отверстиях нижней опорной решетки.

В практике эксплуатации ядерных реакторов неоднократно наблюдались случаи:

• повреждений оболочек твэлов в зоне их взаимодействия с пуклевками дистанционирующих решеток (фреттинг-износ) [5- 6],.

• повреждений оболочек твэлов дебриз-частицами, которые переносятся теплоносителем в область пучка твэлов [5- 6],.

• повреждений оболочек за счет коррозионно-усталостных процессов, обусловленных знакопеременными напряжениями в оболочках при вибрациях твэлов и коррозионным воздействием обтекающего их теплоносителя [7].

По данным [8] в зарубежных ядерных реакторах с водой под давлением (PWR) повреждения оболочек, связанные с фреттинг-износом в зоне контакта «оболочка-пуклевка дистанционирующей решетки» составляют (40.45)%, повреждения оболочек дебриз-частицами — также (40.45)%. Причины других повреждений связывают либо с технологическими процессами изготовления твэлов и TBC, либо они неизвестны. Металлические дебриз-частицы (в том числе частицы износа поверхностей) переносятся потоком теплоносителя в область пучка твэлов и могут задерживаться в его объеме, в частности, из-за фиксации в зоне дистанционирующих решеток. Вибрации пучка твэлов способствуют истиранию оболочек за счет их взаимодействия с дебризчастицами. На рис. В.1 приведены данные по относительному вкладу различных механизмов [8- 9] повреждений оболочек в реакторах PWR, из которого следует определяющее значение процессов фреттинг-износа и истирания дебриз — частицами. В свою очередь, указанные процессы зависят от вибраций, возбуждаемых турбулентным потоком теплоносителя. В соответствии с рядом предложенных моделей глубина фреттинг — износа поверхностей зависит от частоты, амплитуды колебаний и усилия прижатия трущихся поверхностей друг к другу [5]. Так, например, в работе [10] предложена модель, в соответствии с которой скорость фреттинг-износа описывается соотношением где hглубина фреттинг-износаК- коэффициент износактркоэффициент трения скольженияРс — давление в области контакта оболочки твэла с пуклевкой дистанционирующей решетки- / - частота поперечных колебаний твэла- 8С — амплитуда продольных виброперемещений в области контакта.

Таким образом, явления фреттинг-износа определяются вибрационными процессами в TBC и, в первую очередь, амплитудами и характерными частотами вибраций. На рис.В.2 показаны типичные повреждения оболочек твэлов ВВЭР-440, вызванные фреттинг- - износом в зоне контакта с пуклевками дистанционирующих решеток [12].

Обоснование работоспособности конструкций TBC традиционно проводится в три этапа: дореакторные стендовые имитационные испытанияотработка опытных TBC в реакторных петлевых экспериментахзагрузка опытной опытной партии TBC новой конструкции в активную зону. Особое.

В.1) значение в решении указанной проблемы имеют дореакторные стендовые испытания при частичном моделировании реакторных условий эксплуатации. Очевидно, стендовые эксперименты не позволяют моделировать акустические 7.

Рис. В.1. Распределение повреждений оболочек твэлов в реакторах PWR по характерным их причинам: 1-истирание оболочек поврежденными упругими элементами дистанционирующих решеток- 2- фреттингизнос оболочек твэл периферийных TBC- 3- фреттингизнос, обусловленный другими причинами- 4- износ оболочек дебризчастицами- 5- дефекты изготовления (производственные дефекты) — 6-повреждения, связанные с манипулированием TBC (перегрузка, транспортировка и т. д.) — 7 — неустановленные причины процессы из-за невозможности реализовать аналогичные реакторным условиям длины контура циркуляции теплоносителя. В то же время при таких испытаниях имеются широкие возможности изменения гидродинамики потока на входе в TBC, в частности, за счет размещения дроссельных шайб или антидебризных фильтров.

Выявление механизмов возникновения вибраций TBC и ВКУ в реакторных установках ВВЭР является важнейшим этапом создания методик расчетных и экспериментальных анализов вибрационных процессов и выработки научно обоснованных рекомендаций по конструктивным решениям, направленным на повышение устойчивости TBC в целом и ее отдельных элементов к динамическим воздействиям теплоносителя. В рамках работ по повышению вибропрочности TBC за счет ряда конструктивных решений предпринимались меры по увеличению жесткости конструкции TBC. К таким конструктивным решениям для ВВЭР-440 следует отнести [3- 4]:

• уменьшение расстояния от нижней опорной решетки до первой ДР со 186 до 168 мм. Это решение направлено на увеличение собственной частоты твэла на указанном участке, т. е. в пределах первого пролета пучка, а, следовательно, и уменьшение уровней виброперемещений;

• организация механической связи пучка твэлов с внутренней поверхностью шестигранного чехла за счет расположенных по всей длине пучка упругих опор;

• повышение жесткости закрепления хвостовиков твэлов в нижней опорной решетке.

Для TBC ВВЭР-1000 основные конструктивные решения были связаны с организацией жесткого каркаса TBC из направляющих каналов для органов регулирования или шести уголков, жестко связанных с дистанционирующими решетками. В конструкции ТВСА дистанционирующие решетки жестко связаны с каркасом из уголков, что существенно увеличивает изгибную жесткость пучка твэлов.

Следует отметить, что вопросам моделирования TBC как механической колебательной системы уделялось значительное внимание. При этом широкое распространение получили конечно-элементные методы, как наиболее универсальные для дискретизации пространственных континуальных систем [13−15]. Однако анализ гидродинамически возбуждаемых вибраций невозможен без описания процессов взаимодействия потока с обтекаемыми поверхностями механической колебательной системы. Такая информация в большинстве ч I случаев может быть получена только на базе экспериментальных исследований. В настоящее время отсутствуют результаты систематических исследований динамических воздействий теплоносителя на конструктивные элементы TBC, в частности, нет количественных данных о гидродинамическом нагружении пучка твэлов при их обтекании турбулентным потоком теплоносителя. Не определены динамические характеристики пучков твэлов в продольном потоке теплоносителя (собственные частоты колебаний пучка, присоединенные массы, демпфирующие свойства пучков). Не изучено влияние структуры потока теплоносителя на входе в пучок на его вибрационные характеристики.

Рис. В.2. Типичный вид повреждений оболочек твэл в ВВЭР-440 из-за фреггинг-износа в области контактов с дистанционирующми решетками [12].

Проводимые в течение длительного времени экспериментальные исследования на фрагментарных моделях пучков твэлов не позволяют, как правило, получить надежные эмпирические или полуэмпирические расчетные соотношения для оценки интенсивности и спектрального состава вибраций и, поэтому, не могут быть положены в основу анализа вибрационных процессов в эксплуатационных условиях. При частичном моделировании невозможно воспроизвести конструкционное демпфирование для натурных TBC, а также полностью смоделировать эффекты гидроупругости. Структура осредненного течения и пульсационные характеристики потока формируются во всем тракте подвода теплоносителя к TBC и их достаточно сложно воспроизвести на фрагментарных моделях. Все это приводит к необходимости использовать, в первую очередь, полномасштабные макеты TBC в экспериментальных исследованиях вибрационных процессов.

На протяжении всего периода развития ядерной энергетики вопросам обоснования вибропрочности конструкций уделялось значительное внимание. При этом развивались как расчетные, так и экспериментальные методы исследований. Большой вклад в решение проблем вибропрочности элементов конструкций РУ внесли отечественные (Махутов H.A., Патрашев А. Н., Троянов В. А., Каплунов С. М., Смирнов JI.B., Федотовский B.C.) и зарубежные исследователи (Paidoussis М.Р., Chen S.S., Wambsgans M.W., Reavis J.R.). Вопросам анализа повреждений и обеспечения работоспособности твэлов и TBC в условиях воздействия турбулентного потока теплоносителя и гидродинамического возбуждения вибраций уделяется серьезное внимание со стороны МАГАТЭ. Об этом свидетельствуют созванные МАГАТЭ специально для обсуждения этих проблем Международные совещания специалистов в Братиславе (Словакия) 17−21 июня 2002 г., в Кадараше (Франция) 22−26 ноября 2004 г., регулярные Международные конференции и совещания специалистов: International Conference on Flow-Induced Vibrations (FIV2008), 30 июня — 3 июля 2008 г. (Прага, Чехия) — 18th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 18) (г. Бьенг, Китай), 7−12 августа 2005 г.- The International Conference on Nuclear Engineering (16 ICONE), 11−15 мая 2005 г. (г.Орландо, Флорида, США) — International meeting on LWR fuel performance «Nuclear fuel: addressing the future», 22−26 октября 2006 г. (г. Саламанка, Испания) и др. В России также ведутся интенсивные исследования возбуждаемых турбулентным потоком вибрационных процессов, результаты которых докладываются и обсуждаются на научных конференциях и совещаниях специалистов: Международные научно-технические конференции концерна «Росэнергоатом» «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», (г. Москва) 22−24 февраля 2001 г., (г. Москва) 18−19 апреля 2002гМеждународные конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров». Обнинск, 2001, 2009 и 2011 г.- Всероссийский семинар «Динамика конструкций гидроупругих систем. Численные методы», ИМАШ РАН, Москва, 16−17 апреля 2008 г., Международные научно-технические конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», проводимые ОАО ОКБ «Гидропресс» и др.

Таким образом, из изложенного следует актуальность экспериментальных и расчетно-аналитических исследований вибраций TBC водоохлаждаемых реакторов в условиях гидродинамического воздействия турбулентного потока теплоносителя на TBC как сложную механическую систему. Представляется целесообразным проведение экспериментальных исследований с использованием полномасштабных макетов TBC.

Целями этих исследований являются:

• определение динамических характеристик пучка твэлов в турбулентном потоке теплоносителя;

• получение надежных количественных данных о вибрационном поведении пучка твэлов;

• изучение закономерностей формирования случайных гидродинамических нагрузок на пучки твэлов TBC ВВЭР;

• определение влияния структуры потока на интенсивность и спектральный состав вибраций пучка твэлов;

• исследование закономерностей нагружения пучка твэлов на начальном гидродинамическом участке (в пределах первых пролетов) и в области установившегося течения вдали от нижней опорной решетки;

• обобщение экспериментальных данных по вибрационным характеристикам;

• разработка модели гидродинамического нагружения пучка твэлов в потоке теплоносителя, позволяющей прогнозировать поведение TBC в условиях длительных кампаний;

• разработка модели диссипации энергии колебаний пучка твэлов в потоке теплоносителя, которая вместе с данными о случайных гидродинамических нагрузках позволит полностью описать гидроупругую систему «пучок твэлов — продольный поток теплоносителя» .

В целом на основании проведенных исследований можно получить комплексную информацию о вибрационном поведении TBC и условиях взаимодействия потока теплоносителя с пучком твэлов. В свою очередь, это позволит прогнозировать работоспособность конструкции в условиях повышенных мощностей и более длительных кампаний.

Научная новизна.

В рамках проведения теоретических и экспериментальных исследований разработаны следующие основные новые научные положения:

1. Впервые показано качественное и количественное влияние пульсаций давления теплоносителя на вибрационные процессы в TBC при продольном обтекании пучка твэлов. Скорость течения не определяют однозначно условия гидродинамического нагружения и характеристики вибраций пучка твэлов. На основе общих представлений о турбулентных течениях показана связь между пульсациями давления в любом сечении в каналах за решетками и такими характеристиками потока как статическое давление, осредненная и пульсационная скорости в том же сечении. С использование баланса пульсационной энергии в турбулентном потоке получено соотношение, описывающее распределение среднеквадратичных значений пульсаций давления при турбулентном течении в каналах за решетками или дроссельными шайбами.

2. Показано определяющее влияние амплитудно-частотных характеристик пульсаций давления теплоносителя, воздействующих на внешний ряд твэлов, на процессы гидродинамического возбуждения вибраций пучка в целом. С использованием баланса подводимой к пучку твэлов пульсационной энергии потока и рассеиваемой при механических колебаниях пучка энергии получено соотношение, для оценки среднеквадратичных значений виброперемещений. Полученное соотношение использовано для обобщения экспериментальных данных по виброперемещениям пучка твэлов.

3. На основе измерений пульсаций давления по периметру внешнего ряда твэлов пучка в двух сечениях по длине получены реализации удельных на единицу длины пучка случайных гидродинамических сил для различных условий по гидродинамике потока на входе в пучок. В широком диапазоне скоростей течения теплоносителя в TBC получены среднеквадратичные значения и спектральные характеристики случайных гидродинамических нагрузок.

4. На базе представлений механической модели пучка твэлов как балки с низкой сдвиговой жесткостью (балки Тимошенко С.П.) разработана математическая модель, описывающая виброперемещения пучка твэлов под воздействием случайных гидродинамических нагрузок. Расчетные значения виброперемещений хорошо согласуются с экспериментальными данными.

5. Разработана методика обобщения экспериментальных данных по виброперемещениям пучка твэлов в зависимости от воздействующих на него случайных гидродинамических нагрузок, основанная на известных аналитических соотношениях для прогиба балки, нагруженной распределенной по ее длине статической нагрузкой. Обнаружены две характерные области случайных гидродинамических нагрузок с существенно различными темпами увеличения виброперемещений.

6. Предложена модель гидродинамического демпфирования колебаний пучка твэлов в макронеподвижной жидкости, в соответствии с которой совершаемая при колебаниях пучка работа затрачивается на перераспределение вязкой жидкости по периметру внешнего ряда твэлов. Полученные расчетные значения коэффициентов демпфирования колебаний согласуются с экспериментальными данными. Оценка влияния продольного течения жидкости в TBC на эффекты диссипации энергии колебаний выполнена также в рамках созданной модели с введением зависящей от скорости течения турбулентной вязкости вместо молекулярной для макронеподвижной жидкости.

Объекты исследования.

Объектами исследований являются TBC ВВЭР с точки зрения процессов возбуждения и поддержания вибраций твэл в продольном турбулентном потоке теплоносителя. Непосредственно в экспериментальных исследованиях использовались полномасштабные макеты TBC ВВЭР-440 различных конструктивных модификаций, изготовленные из штатных конструкционных материалов по штатной технологии. Это обеспечивало идентичность статических и динамических механических характеристик макетов аналогичным характеристикам натурных TBC. Полученные экспериментальные результаты и разработанные расчетные модели использовались для оценок вибрационных характеристик TBC ВВЭР-440 (РК-3), ВВЭР-1000, ВВЭР-1500 и АЭС 2006 (TBC ВВЭР-1200).

Методы исследований.

В работе использовались следующие методы исследований:

• методы анализа источников информации, в которых приведены сведения о поведении механических колебательных систем в условиях воздействия на них турбулентных течений;

• комплексные экспериментальные методы исследований гидродинамических и механических (вибрационных) процессов при турбулентном течении теплоносителя в пучке твэлов TBC ВВЭР;

• методы моделирования взаимодействия турбулентного потока теплоносителя с пучком твэлов как механической колебательной системой.

В связи с изложенными проблемами обеспечения работоспособности TBC ВВЭР, связанными с возбуждаемыми турбулентным потоком вибрациями сформулированы следующие цели и задачи диссертационной работы:

1. Исследование влияния осредненных и пульсационных характеристик (пульсаций давления) потока теплоносителя на вибрации пучков твэлов в TBC реакторов типа ВВЭР.

2. Определение случайных гидродинамических нагрузок на пучки твэлов при различных условиях формирования гидродинамики потока на входе в пучок.

3. Исследование закономерностей распределения уровней гидродинамических нагрузок и их спектрального состава по длине пучка твэлов.

4. Разработка механизма демпфирования колебаний пучка твэлов в потоке теплоносителя и модели рассеяния энергии колебаний пучка твэлов в макронеподвижной жидкости и в потоке теплоносителя.

5. Изучение закономерностей формирования характеристик пульсаций давления на обтекаемых поверхностях и использование их для анализа вибраций пучка твэлов.

6. Выработка общих принципов уменьшения гидродинамического нагружения и направлений создания виброустойчивых TBC реакторов ВВЭР.

Достоверность результатов работы подтверждается использованием в теоретических моделях фундаментальных физических законов, тщательным обоснованием методик экспериментальных исследований, использованием метрологически аттестованных средств измерений, апробированных алгоритмов обработки измерительной информации, а также сопоставлением результатов расчета на базе разработанных моделей с имеющимися экспериментальными данными.

Практическая ценность.

1. Результаты комплексного исследования гидродинамически возбуждаемых вибраций позволили показать, что проблемы снижения интенсивности вибраций должны решаться не только путем совершенствования механической части гудроупругой системы, т. е. конструкции TBC, но и правильной организацией течения в трактах подвода теплоносителя к пучку твэлов.

2. Экспериментальные данные по вибрационным характеристикам, полученные с использованием полномасштабных макетов TBC ВВЭР-440 в широких диапазонах скоростей течения воды вплоть до всплытия макета в восходящем потоке при размещении на входе дроссельных шайб, антидебризных фильтров и других возмущающих поток устройств, используются на отраслевых предприятиях: ОАО «ВНИИАЭС», ОАО ОКБ «Гидропресс», ОАО «Машиностроительный завод», ОАО «ТВЭЛ» и концерне «Росэнергоатом» для анализа поведения TBC ВВЭР в условиях эксплуатации, в том числе и при обосновании возможности продления сроков эксплуатации исчерпавших назначенные сроки службы блоков АЭС.

3. Полученные по измеренным пульсациям давления в TBC ВВЭР-440 случайные гидродинамические нагрузки позволяют расчетным путем оценить прогибы пучка твэлов и других конструкций TBC ВВЭР (ТВС-2М, УТВС, ТВСА, РК-3) при возбуждаемых турбулентным потоком теплоносителя колебаниях. На основе полученных данных по пульсациям давления и случайным гидродинамическим нагрузкам показана роль конструктивных элементов (дроссельные шайбы, антидебризные фильтры и др.) на входе в пучок твэлов в формировании структуры осредненного течения и пульсационных характеристик потока на вибрационные процессы.

4. Получены количественные данные по динамическим свойствам (собственным частотам, присоединенным массам, эффектам демпфирования) h Ь' пучка твэлов в воздухе, макронеподвижной жидкости и при течении воды в TBC.

5. Разработанная модель вибрационного поведения пучка твэлов на основе представлений балки с низкой сдвиговой жесткостью (балки Тимошенко С.П.), и полученные повышенные уровни гидродинамических сил на начальном гидродинамическом участке течения теплоносителя позволили впервые показать возможность возникновения более интенсивных вибраций в пределах первых нескольких пролетов пучка по сравнению с его серединой.

6. Полученное в экспериментах с высокой турбулизацией потока на входе в TBC и подтвержденное расчетным анализом существенное превышение виброперемещений в сечениях пучка вблизи нижней опорной решетки соответствующих значений в середине пучка объясняют наблюдавшуюся на ряде блоков АЭС с ВВЭР-440 массовую разгерметизацию твэлов именно на первых трех пролетах пучка.

1 7. Установленные в результате теоретических анализов и комплексных экспериментальных исследований закономерности возбуждаемых турбулентным потоком теплоносителя вибраций пучка твэлов переданы в отраслевые предприятия Росатома (ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь, ЗАО «ДИАПРОМ», концерн «Росэнергоатом» и ОАО «ТВЭЛ») и используются для дальнейшего совершенствования конструкций TBC ВВЭР, а также организации рациональной гидродинамики потока на входе в TBC с целью снижения гидродинамических нагрузок.

На защиту выносятся.

1. Результаты комплексных экспериментальных исследований гидродинамически возбуждаемых вибраций в TBC ВВЭР. Выявленные особенности распределения изгибных деформаций по длине пучка твэлов, заключающиеся в соизмеримых или даже более высоких уровнях его виброперемещений на начальном гидродинамическом участке вблизи нижней 1.

К' опорной решетки по сравнению с серединой пучка в условиях высокой турбулизации потока на входе в TBC.

2. Модель баланса подводимой к пучку пульсационной энергии и рассеиваемой при колебаниях пучка твэлов механической энергии, на базе которой получено соотношение для определения виброперемещений пучка твэлов по данным о пульсациях давления на входе в него.

3.Методика и результаты определения гидродинамических нагрузок по экспериментальным данным о пульсациях давления в зазоре между внутренней поверхностью шестигранного чехла и внешним рядом твэлов пучка чехловых TBC или между пучками соседних TBC.

4. Модель возбуждения вибраций пучка на базе его описания как балки с низкой сдвиговой жесткостью (балки Тимошенко С.П.) при воздействии случайных гидродинамических нагрузок на внешний ряд твэлов пучка. Результаты расчета виброперемещений пучка твэлов в широком диапазоне скоростей течения теплоносителя в TBC и различных условиях по структуре потока на входе в пучок твэлов.

5. Результаты обобщения экспериментальных данных по виброперемещениям твэлов в TBC ВВЭР-440 в зависимости от уровней случайных гидродинамических нагрузок и их использование для оценок интенсивности вибраций твэлов для других конструкций TBC ВВЭР (TBC- 2 М, УТВС, ТВСА, РК-3).

6. Модель гидродинамического демпфирования колебаний пучка твэлов в макронеподвижной жидкости и при течении теплоносителя, основанная на определении затрат энергии механических колебаний на перераспределение жидкости по периметру внешнего ряда твэлов пучка.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Отраслевой конференции «Гидродинамика и безопасность АЭС» (Теплофизика-99), Обнинск, 28−30 сентября 1999 г.- Международном совещании по перспективам реакторов ВВЭР «Technical innovations for next century», Чехия, Прага 17−20 апреля 2000 г.- Отраслевом семинаре «Фундаментальные исследования по гидродинамике ЯЭУ», Обнинск, сентябрь 2000 г.- Пятой Международной конференции по проблемам колебаний, Москва, 8−10 октября 2001 г.- Отраслевой конференции «Теплогидравлические коды для энергетических реакторов (разработка и верификация). Теплофизические аспекты безопасности АЭС» (Теплофизика-2001), Обнинск, 29−31 мая 2001 г.- Седьмой Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 8−11 октября 2001 г.- Третьей научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 26−30 мая 2003 г.- Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, МГТУ им .Н. Э. Баумана, 16−19 мая 2005 г.- Всероссийском семинаре «Динамика конструкций гидроупругих систем. Численные методы», ИМАШ РАН, Москва, 16−17 апреля 2008 г.- Межведомственном семинаре «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами» (Теплофизика-2008), Обнинск, 15−17 октября 2008 г.- XI и XII Международных конференциях «Безопасность АЭС и подготовка кадров», г. Обнинск, 29 сентября- 2 октября 2009 г. и 3 — 5 октября 2011 г, а также на научно-технических семинарах кафедры «Ядерные реакторы и установки» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Автор выражает глубокие благодарности сотрудникам МГТУ им. Н. Э. Баумана и отраслевых организаций: доктору технических наук, профессору, Заслуженному деятелю науки РФ Солонину Владимиру Ивановичу — научному руководителю проводимых в течение многих лет на кафедре «Ядерные реакторы и установки» МГТУ им. Н. Э. Баумана научных исследований по обоснованию вибропрочности TBC ВВЭР за постоянное внимание, обсуждение и помощь в анализе результатов диссертационной работысотрудникам кафедры «Ядерные реакторы и установки» МГТУ им. Н. Э. Баумана доцентам Рекшне Н. Ф. и Крапивцеву В. Г., заведующему лабораторией Кутычкину С. Г., инженерам Гете С. И. и Матвееву А. Н., обеспечивавших работу гидродинамического стенда и участвовавших в проведении экспериментовсотрудникам отраслевых организаций Петрову И. В., Панюшкину А. К., Иванову A.B. (ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь), Лавренюку П. И., Молчанову B.JI. (ОАО «ТВЭЛ»), Шкаровскому А. Н. (Концерн «Росэнергоатом»), обеспечивших изготовление оборудования гидродинамического стенда, полномасштабных макетов TBC ВВЭР и финансирование экспериментальных исследованийсотрудникам ЛИИ им. М. М. Громова (г. Жуковский) Брехову P.C., Бокареву А. Д., Галаеву А. Ф. за разработку и изготовление малогабаритных высокочувствительных пьезорезистивных виброакселерометров и датчиков пульсаций давлениясотруднику ЗАО «Диапром» Павелко В. И. — разработчику программной системы комплексного анализа временных рядов «Wing» за предоставленную возможность использования указанного программного комплекса при обработке результатов измерений и помощь в интерпретации результатов расчетапрофессорам кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н. Э. Баумана Нарайкину О. С. и Сорокину Ф. Д. за помощь в анализе TBC как механической колебательной системы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Впервые проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования гидродинамического возбуждения вибраций пучков твэлов в TBC водоохлаждаемых реакторов, раскрывающие механизмы взаимодействия пучка твэлов как механической колебательной системы с гидродинамикой турбулентного потока теплоносителя. Установлено, что основные колебания с большими амплитудами характерны для пучка в целом, обладающего существенно более низкими собственными частотами по сравнению с собственными частотами отдельных твэлов между дистанционирующми решетками. Показано, что скорости течения теплоносителя не определяют однозначно вибрации пучка твэлов. Важное значение имеют пульсационные характеристики потока. Для снижения интенсивности вибраций твэлов в TBC ВВЭР необходимо совершенствовать тракты подвода теплоносителя к TBC с целью снижения уровней пульсаций давления на входе в пучок и формирования их спектров без резонансов в низкочастотной области.

1. Существенное влияние на вибрационные процессы оказывают структурные характеристики течения, пульсации давления на входе в пучок. Получены многочисленные систематические экспериментальные данные по виброускорениям и виброперемещениям в различных сечениях пучка твэлов с использованием полномасштабных макетов TBC ВВЭР-440 для гидродинамических условий с различными уровнями и спектральным составом пульсаций давления на входе в TBC.

2. Обнаружена особенность изгибного деформирования пучка твэлов, заключающуюся в том, что при высокой турбулизации потока на входе в пучок амплитуды виброперемещений вблизи нижней опорной решетки могут быть соизмеримы или даже превышать соответствующие значения в середине пучка.

Такая особенность реализуется, например, при размещении на входе в хвостовик TBC дроссельных шайб малого диаметра.

3. Разработанная «энергетическая» модель баланса подводимой пульсационной энергии турбулентного течения и рассеиваемой при колебаниях пучка твэлов механической энергии позволила обобщить экспериментальные данные по виброперемещениям при различных по уровням пульсаций давления гидродинамических условиях на входе в пучок.

4. Установлены общие закономерности формирования полей пульсаций давления при турбулентном течении за входными решетками: экспоненциальное снижение пульсаций давления в каналах за входными решетками, влияние ее гидравлического сопротивления на начальный уровень пульсаций давления.

5. Предложенный механизм возбуждения колебаний пучка твэлов заключается в том, что воздействие случайных гидродинамических нагрузок на внешний ряд твэлов пучка вызывает его изгибные деформации как единого целого. При этом случайные гидродинамические нагрузки формируются, в основном, турбулентным течением в зазоре между внутренней поверхностью шестигранного чехла (чехловые TBC ВВЭР-440) или в зазоре между TBC (безчехловые конструкции) и внешним рядом твэлов пучка.

6. Предложен способ экспериментального определения случайных гидродинамических нагрузок по измеренным одновременно пульсациям давления на внутренних поверхностях шести граней чехла в одном сечении пучка и получены их статистические характеристики. Показано, что высокие уровни случайных гидродинамических нагрузок характерны для начального гидродинамического участка пучка твэлов вблизи нижней опорной решетки в условиях высоких уровней турбулизации потока на входе в пучок твэлов.

7. В спектрах случайных гидродинамических нагрузок на начальном гидродинамическом участке при высоких уровнях турбулизации потока на входе присутствуют, главным образом, низкочастотные (до 100 Гц) составляющие. При низких уровнях возмущения потока на входе в TBC указанная низкочастотная резонансная область отсутствует. В области установившегося течения, где влияние входных условий не проявляется, в спектрах случайных гидродинамических нагрузок проявляется только высокочастотная (100.400 Гц) резонансная область.

8. Использование механической модели пучка твэлов на основе представлений о балке с пониженной сдвиговой жесткостью (балка Тимошенко С.П.), нагруженной распределенной случайной гидродинамической силой, позволило получить расчетные значения виброперемещений, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

9. Предложенная полуэмпирическая модель, позволила показать влияние различной структуры турбулентного потока на входе в пучок на распределение случайных гидродинамических нагрузок по длине пучка твэлов.

10. Разработанная методика обобщения экспериментальных данных по виброперемещениям позволила выявить две характерные области влияния случайных гидродинамических нагрузок на вибрации. Получены эмпирические зависимости, связывающие безразмерные среднеквадратичные виброперемещения с безразмерными среднеквадратичными случайными нагрузками.

11. Предложенный механизм гидродинамического демпфирования колебаний пучка твэлов в макронеподвижной воде и в турбулентном потоке, основанный на затратах энергии механических колебаний на перераспределение жидкости в зазоре между чехлом и пучком твэлов или между пучками соседних TBC, позволил разработать модель и получить количественные данные по коэффициентам демпфирования. Полученные результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными.

12. Обширная база экспериментальных данных по вибрационным характеристикам характеристикам пучков твэлов передана в отраслевые организации ОКБ «Гидропресс», ОАО «Машиностроительный завод», ЗАО «Диапром» и в концерны «Росэнергоатом» и «ТВЭЛ» для использования в работах по обоснованию работоспособности существующих конструкций TBC и дальнейшего совершенствования их конструкций. Впервые полученные данные по полям пульсаций давления используются в отраслевых организациях Росатома для анализа условий гидродинамического нагружения элементов конструкций TBC ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500.

Таким образом, выполненные комплексные теоретические и экспериментальные исследования вибраций пучков твэлов TBC ВВЭР, включающие одновременные измерения гидродинамических характеристик (пульсаций давления) турбулентного потока теплоносителя и вибраций твэлов, позволяют сформулировать рекомендации по организации структуры течения на входе в TBC для снижения интенсивности вибраций. Полученные результаты позволяют обеспечить надежную эксплуатацию TBC ВВЭР с точки зрения повреждаемости оболочек твэлов, вызванных вибрационными процессами.

I I,.