防振条约束失效对蒸汽发生器传热管面内流弹失稳的影响研究

根据防振条布置以及面内支承连续失效个数,将防振条面内约束失效分析划分为多种工况,分析了不同工况下面内约束失效对传热管面内模态的影响,采用各位置阻尼在振型函数上进行加权平均的方法计算了各阶模态的阻尼比,进而研究了防振条面内不同约束对传热管面内流弹失稳的影响。分析结果表明,随着面内支承连续失效位置的增多,弯管段面内首阶模态频率不断降低,出现在弯管段的振型越加明显;弯管段面内首阶模态不一定是最大流弹失稳比值出现的模态,最大流弹失稳比值出现模态的振型几乎都出现在弯管段;随着面内支承连续失效位置的增多,面内流弹失稳比值不断增大,当连续3个及以上防振条面内约束失效时,将出现流弹失稳现象。     

抗振条面内接触刚度对蒸汽发生器传热管流致振动的影响

流弹性失稳是引起蒸汽发生器传热管管束失效的一种主要原因。在相同流场条件下,传热管是否出现流弹性失稳与其模态频率直接相关。在实际结构中,抗振条对U型传热管弯管段面内支撑机理与面外的方向上不同,是通过摩擦约束实现的。这使得在模态分析计算中,传热管弯管段支撑处的边界条件设置非常重要。本文将传热管与抗振条接触点处的面外边界条件假设为简支,而在面内方向上用弹簧来模拟抗振条对传热管的摩擦约束。同时,通过改变弹簧刚度,讨论了不同强弱的面内支撑对传热管流致振动的影响。分析结果表明,当抗振条与传热管面内接触刚度较弱时,面内流弹性失稳可能较面外流弹性失稳出现得更早。     

蒸汽发生器传热管面内流体弹性失稳分析

流体弹性失稳是蒸汽发生器内最严重的传热管流致振动机理,一旦发生就会使传热管发生大幅振动并快速失效。流体弹性失稳可能在U形传热管束的面内及面外两个方向发生,为研究面内及面外流体弹性失稳发生的先后顺序,通过将蒸汽发生器U形传热管防振条支撑假设为单向简支,即仅在传热管面外方向对U形管进行约束,建立了完整的U形管模型;计算了弯曲半径及防振条支撑数量对U形管面内外固有频率的影响,基于成熟的流体弹性失稳经验模型,得到了面内流体弹性失稳先于面外方向发生的条件。结果表明,对弯曲半径在0.5 m-1.75 m范围内的U形传热管,当其弯管段支撑点超过4 h,面内流体弹性失稳将先于面外方向发生。     

防振条间隙对蒸汽发生器U形管固有频率影响敏感性分析

为满足安装与制造的要求，在蒸汽发生器U形管部位防振条与换热管之间存在一定量的间隙，从而导致了防振条约束强度的不确定性，因此对其间隙进行敏感性分析十分必要。通过数值模拟中的模态分析，采用弹簧刚度表征防振条间隙对支撑强度的影响。结果显示，当防振条全部完全失效时，对1阶固有频率的影响较大，可使其减小88.15%；单点约束失效对固有频率影响较小，最大仅可使1阶固有频率减小2.65%；各个支撑位置中，临近直管段且连续的2点约束失效时影响最大，可使1阶固有频率减小23.58%。      

蒸汽发生器传热管束流弹失稳现象中的基础力学问题研究

为探讨管束的流弹失稳机理以及支承方式、内流载荷对流弹失稳的影响机制,本文综合考虑定常流弹力、内流激励和非定常流体力对传热管流致振动的影响,建立了复杂流体激励作用下传热管流致振动的理论模型,通过特征值稳定性理论获得了两相横流作用下的传热管流弹失稳机制,系统地分析了内流激励和非定常流体力对传热管流弹失稳机制的影响。研究表明,支承方式会影响失稳临界流速,但不会影响流弹失稳机制;管内流会使管束各阶模态耦合,高速内流会改变管束的失稳机制;非定常流体力作为一种强迫力在流弹失稳之前,可能引起管束的“拍振”现象,在工程设计时应考虑避免。     

格架夹持失效对燃料棒流弹稳定性及漩涡脱落影响的数值研究

流弹稳定性和漩涡脱落是流致振动分析的两个重要机理。由于制造工艺、运输、辐照影响，格架对燃料棒的夹持作用可能失效。以I、II型燃料组件为例，研究了夹持失效对燃料棒固有频率和振型、流弹稳定性以及漩涡脱落的影响。结果表明:刚凸支承失效对固有频率的影响与振型有直接关系，原振幅较大的位置附近刚凸支承失效对固有频率的影响明显。刚凸支承失效对两种型号燃料棒固有频率的影响类似。对于I型组件，燃料棒顶部和底部的流速较大，大小相当，顶部和底部格架的刚凸支承失效对流弹稳定性及漩涡脱落比值有较大影响。对于II型组件，顶部格架刚凸支承失效对流弹稳定性及漩涡脱落比值的影响明显。      

蒸汽发生器U形传热管动态特性影响因素分析

采用理论和数值模拟方法对多种工况和影响因素下蒸汽发生器U形传热管的固有频率、模态振型进行了数值模拟.给出了U形管在管内外压力作用和质量随空间位置非均匀分布下的固有频率计算公式.数值模拟结果表明:支撑边界约束处理模式、传热管工作压力、支撑板厚度、防振条支撑点数以及U形弯头曲率半径对U形传热管动态特性影响较大,压力和质量分布的非均匀性、自重及热膨胀等因素影响较弱.     

抗振条-传热管大间隙多跨直管束流致振动试验研究

针对抗振条-传热管大间隙的4跨传热管直管束开展了流致振动试验研究。传热管束转角正三角形排列，3处抗振条将直管束分为4跨，中间其中1跨的局部区域受到横向流体的冲刷。试验测试获得了管间流速在3.3～14.7 m/s区间内传热管振动位移和振动频率响应特性。结果表明，随着管间流速逐渐增大，传热管在来流方向和升力方向的振动频率依次增大，传热管的振动模态从抗振条1处有效支撑、2处未有效支撑的状态，转换为3处抗振条均有效支撑的状态。试验观测到传热管流弹失稳，其临界流速为14.5 m/s，与5种经验关系式预测结果的对比表明，Chen关系式能较好地预测流弹失稳的发生，预测结果较保守，与试验值间的相对偏差为21.4%。     

抗振条-传热管大间隙多跨直管束流致振动试验研究

针对抗振条-传热管大间隙的4跨传热管直管束开展了流致振动试验研究。传热管束转角正三角形排列,3处抗振条将直管束分为4跨,中间其中1跨的局部区域受到横向流体的冲刷。试验测试获得了管间流速在3.3～14.7 m/s区间内传热管振动位移和振动频率响应特性。结果表明,随着管间流速逐渐增大,传热管在来流方向和升力方向的振动频率依次增大,传热管的振动模态从抗振条1处有效支撑、2处未有效支撑的状态,转换为3处抗振条均有效支撑的状态。试验观测到传热管流弹失稳,其临界流速为14.5 m/s,与5种经验关系式预测结果的对比表明,Chen关系式能较好地预测流弹失稳的发生,预测结果较保守,与试验值间的相对偏差为21.4%。     

蒸汽发生器防振条偏移对管束流致振动及磨损的影响分析

某电厂蒸汽发生器在进行役前涡流检查时发现第3组防振条向冷侧偏移约10°。基于蒸汽发生器管束流致振动专用分析软件GERBOISE分别对防振条偏移前后管束的流弹特性、湍流激励响应以及微振磨损进行计算;通过对比防振条偏移前后的计算结果,评估防振条偏移对管束流致振动和微振磨损的影响。评估结果表明,防振条的偏移不会导致传热管出现不可接受的流致振动和过量的微振磨损。     

传热管与支撑件随机碰撞实验研究

针对蒸汽发生器中传热管与支撑件的碰撞行为,对悬臂梁固定的传热管在不同支撑条件下开展了激振实验,获得了传热管均方根位移与接触率,分析了传热管与支撑件磨损功率的变化规律,并探究了传热管固有频率对振动特性的影响。结果表明,防振条支撑与波纹带支撑时传热管的法向均方根位移均随激振力增加逐渐放缓,而防振条支撑对应的切向位移呈线性增长。防振条支撑与波纹带支撑时的接触率均表现为随激振力增大趋于稳定,其中间隙对防振条支撑的接触率影响更明显。在以冲击为主导的激励方式下,激振力与磨损功率表现为明显的正相关。支撑间隙对磨损功率的影响相对复杂,防振条支撑下磨损功率在0.1 mm和0.25 mm间隙存在极值,而波纹带支撑磨损功率仅在0.2 mm间隙存在极值。传热管固有频率对振动响应结果的影响很小。     

蒸汽发生器传热管在泵致脉动压力载荷下的动力学响应研究

泵致脉动压力是核电站中引起主设备部件疲劳失效的主要原因之一。本文建立了蒸汽发生器传热管的泵致脉动压力载荷表达式，并建立不同弯曲半径的传热管有限元模型，对蒸汽发生器传热管在泵致脉动压力载荷下的动力学响应进行了研究。结果表明：34、64、94、114、124、144排传热管附近的频率、振型对泵致脉动压力最为敏感；包络泵致脉动压力作用下，最大应力出现在32排传热管上；传热管在泵致脉动压力载荷作用下，泵致脉动压力载荷的轴频频率对结构响应的贡献最大。本文分析结果为蒸汽发生器传热管在泵致脉动压力载荷下的磨损分析提供了参考。     

10MW高温气冷堆蒸汽发生器传热小螺旋管流致振动分析

根据10MW高温气冷堆（HTR－10）蒸汽发生器传热小螺旋管的具体结构,提出了相应的计算模型;针对传热管振动的主要机理、流体弹性不稳定、旋涡脱落和湍流激励,依据目前所能够查阅到的文献资料中提供的半经验模型,做了详细分析和校核计算。分析结果表明,HTR－10蒸汽发生器在设计工况下运行时,不会发生流体弹性不稳定所导致的大振幅振动,也不会产生旋涡脱落引起的联锁共振;湍流激励对小螺旋管振动的影响很小。它在避免流致振动方面的设计是安全、可靠的。     

Flow-induced vibration and fretting-wear predictions of steam generator helical tubes

This paper addresses the potential flow-induced vibrations and fretting-wear of helically coiled tubes of the once-through steam generator employed at an integral type nuclear reactor, where the tubes are subjected to liquid cross-flow externally and multi-phase flow internally. The thermal-hydraulic conditions of both tube side and shell side flow fields are predicted using a general purpose computational fluid dynamics code using the finite volume element modeling. To get the natural frequency and corresponding mode shape of the helically coiled tubes with various conditions, a finite element analysis code is used. Based on the results of both the thermal-hydraulic analysis of helically coiled tube steam generator and the modal analysis of the tubes, predictions of turbulence-induced vibration, fluidelastic instability and fretting-wear of the helically coiled tubes are performed. In the predictions, special emphasis is placed on determining the effects of the number of supports, coil diameter and helix pitch on the natural vibration mode, turbulence vibration amplitude, fluidelastic instability and fretting-wear characteristics of the tubes. The results provide the technical information and bases needed by designers and regulatory reviewers for evaluating the design.     

螺旋管管束流体诱发振动的实验研究

根据200MW高温气冷堆蒸汽发生器的结构参数建立了实验研究模型,并针对相邻两层旋向相同的螺旋管管束,在横向流的冲刷下,对管子的动态响应进行了实验研究。实验结果表明,螺旋管管束的流体诱发振动响应与直管相比存在一定的差别;200MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计避免了管束的大振幅振动。     

CPR1000蒸汽发生器二次侧三维稳态热工水力分析

采用三维稳态分析软件GENEPI,对CPR1000蒸汽发生器二次侧管束区进行了热工水力计算,利用多孔介质及局部阻力系数来表征传热管及各几何部件的复杂结构和压降影响,得到了二次侧管束区流场、温度场等的分布情况。计算结果表明:管束区最大干度为0.3;将典型传热管的动能数据提供给流致振动软件进行计算分析,结果显示在本工况下,传热管的流致振动在可接受范围内;对管板附近的流场及温度场进行分析,预测了此模型及工况下的泥渣沉积区域,为排污管的设计提供了输入数据。计算结果验证了CPR1000蒸汽发生器二次侧管束区设计的合理性。     

多头螺旋管式蒸汽发生器的设计计算

本文从实际工程设计需要出发,对高温气冷堆用多头螺旋管式蒸汽发生器的设计进行了研究,提出了多头螺旋管束受热面结构的设计方法,推荐了螺旋管内、管外传热,阻力设计计算关系式以及防止管间脉动,发生流动不稳定性的方法,给出了设计计算的基本步骤。     

快堆钠-水直流蒸汽发生器七管样机热工水力特性分析

钠-水直流蒸汽发生器是钠冷快堆主热传输系统的关键设备之一,其结构及内部的传热现象是十分复杂的。管内外侧的介质及压力不同,管内侧为高温高压的水/蒸汽,存在复杂的两相流动传热传质现象;管外侧为高温液态金属钠,沿换热管高度方向存在较大的钠温变化。本文以钠-水直流蒸汽发生器七管样机为研究对象,对其热工水力特性进行了CFD分析和实验研究,CFD分析结果和实验结果吻合较好,验证了CFD分析所采用的数学模型和数值方法的可靠性。结果表明,钠-水直流蒸汽发生器七管样机的传热面积是足够的,达到了设计指标要求,其界限质量含汽率约为0.42,临界热流密度约为451.98 kW/m²,从而确定了蒸干点的位置。     

Dynamic characteristics of steam generator U-tubes with defect

This study investigates the fluid elastic instability characteristics of steam generator (SG) U-tubes with defect and the safety assessment of the potential for fretting-wear damages caused by foreign object in operating nuclear power plants. To get the natural frequency, corresponding mode shape and participation factor, modal analyses are performed for the U-tubes either with axial or circumferential flaw with different sizes. Special emphases are on the effects of flaw orientation and size on the modal and instability characteristics of tubes, which are expressed in terms of the natural frequency, corresponding mode shape and stability ratio. Also, the wear rate of U-tube caused by foreign object is calculated using the Archard formula and the remaining life of the tube is predicted, and discussed in this study is the effect of the flow velocity and vibration of the tube on the remaining life of the tube. In addition, addressed in this study is the effect of the internal pressure on the vibration and fretting-wear characteristics of the tube.