一種蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架的制作方法

本實用新型屬于蒸汽發生器技術領域，具體涉及一種蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架。

背景技術：

蒸汽發生器是核電站的關鍵設備之一，作用是將一回路的熱量傳導給二回路，使二回路水受熱后蒸發，推動汽輪機工作，其安全穩定運行對于核電站正常運行起著至關重要的作用。

目前，國內外對蒸汽發生器傳熱管的流致振動研究分為兩種：數值計算和實驗研究。其中大多為數值計算，實驗研究較少。而振動實驗研究主要分為兩類：單向流和兩相流。目前來說，無論是數值計算還是實驗研究，都以單向流見多，兩相流較少。兩相流振動實驗又分為使用蒸汽模擬和使用空氣模擬兩種方法。其中，使用蒸汽模擬實驗時，不能有效地控制氣體流量，蒸汽含量偏低，無法有效模擬出實際含氣量。而實際上，溫度對于物體的流致振動影響不大，因而本實驗臺架采用空氣模擬，能十分有效地控制氣體流量，且可滿足大含氣量的實驗工況。

另一方面，目前對各行業的管殼式的蒸汽發生器的研究，大多針對直管式的傳熱管，針對核電廠使用的蒸汽發生器中特有的倒U型管的相當少。完全采用實際核電廠使用的傳熱管以及支撐板、且與原型保持如此高相似度的實驗臺架少之又少。

同時，國內雖然開展了一些流致振動試驗，如上海核工程研究設計院早期做過秦山核電廠(Ⅰ期)壓水堆吊籃組件流致振動試驗，成都核動力院也做過秦山核電廠(Ⅱ期)壓水堆吊籃組件流致振動實測試驗，現在上海核工程研究設計院正計劃AP1000項目的流致振動工程試驗，但這些試驗是主要針對個別部件的工程驗證性試驗，關于流致振動的基礎性研究及機理性研究在國內尚未廣泛開展。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架，采用1:1局部模型，可進行不同流速，不同含氣量的單相或兩相工況下的流致振動實驗，具體技術方案為：

一種蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架，包括實驗段和系統回路；實驗段由不銹鋼外罩、三根U型傳熱管、支撐板和進氣層組成；進氣層一共有四層，每一層又分為三層細進氣管，分別是第一進氣管、第二進氣管、第三進氣管；進氣層焊接固定在不銹鋼外罩上；三根U型傳熱管穿過支撐板的四葉梅花孔，并通過脹接方式與四層支撐板連接；三根U型傳熱管 通過焊接固定在實驗段的底部管板上；

系統回路由空氣壓縮機、壓力表、進氣流量調節閥、氣體流量計、進水流量調節閥、液體流量計、水泵、儲水箱、下部排水閥和排水系統組成；

其中，進水流量調節閥、液體流量計、水泵、儲水箱之間通過進水管道直接相連，所述進水管道和不銹鋼外罩焊接；排水閥與不銹鋼外罩的下部焊接，并通過排水軟管與排水系統連接；

空氣壓縮機的出口處安裝有壓力表，空氣壓縮機通過高壓進氣管與進氣流量調節閥連接，進氣流量調節閥、氣體流量計通過螺紋固定在進氣層上。

優選地，儲水箱與進水管道通過法蘭連接，進水流量調節閥、液體流量計通過螺紋與進水管道相連。

優選地，第一進氣管、第二進氣管、第三進氣管的進氣方向依次為向上、向內、向下，目的是使每層的進氣更加均勻，減少由于進氣方向而引起的振動，防止對實驗造成無關干擾。

本蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架針對核電廠蒸汽發生器特有的倒U型傳熱管的結構特點和運行條件，建立流固耦合試驗技術中的縮比模型和相似準則，詳細對核設備在不同工況下的流固耦合現象進行基礎性及機理性研究，并開發一套流固耦合分析方法和軟件，為核電站流固耦合作用下設備和結構抵抗流致振動設計和核安全評價提供服務。

本實驗系統的U型傳熱管模型不是使用常規的建立縮比模型的做法，而是采用了1:1的局部模型思路，直接截取蒸汽發生器傳熱管的上半部分作為實驗主體，避免了縮比造成的失真。本裝置采用的U型管為實際蒸汽發生器使用的因科鎳690傳熱管，因而材料的固有頻率等參數與實際相同。采用四葉梅花孔的支撐板，傳熱管與支撐板的配合方式為脹接，這些高度保真的措施提高了實驗的可信度。同時，本實驗系統采用強迫循環，以水和空氣作為二次側的工作工質，其中的空氣模擬實際蒸汽發生器中的蒸汽，能更加有效地控制含氣量，且可以滿足大氣含量的實驗要求。

利用本實驗系統進行流致振動實驗的具體過程為：

(一)進行單相實驗時，

1、連接并檢查實驗裝置，開啟進水流量調節閥，關閉進氣流量調節閥，開啟水泵，設置較低頻率運行，儲水箱里的水通過進水流量調節閥、液體流量計進入實驗段，形成強迫循環，檢查系統回路的封閉性；

2、調節進水流量調節閥，至液體流量計的示數達到目標工況給水流量；

3、通過傳感器測量直管段和彎管段各個測點的振動情況，通過信號采集系統采集數據； 多次測量，取平均值；

4、改變流量，重新進行實驗；

5、采集完成后，關閉水泵和進水流量調節閥，打開下部排水閥，進行排水，結束實驗。

(二)進行兩相實驗時，

1、連接并檢查實驗裝置，檢查回路封閉性，封閉性良好后，進行排水；

2、啟動空氣壓縮機，向裝置內通入空氣，調節每層的進氣流量調節閥，使四層進氣層分別通入不同進氣量的空氣，從而使實驗段的含氣量從底部到頂部有不同梯度的變化，至氣體流量計的示數達到目標工況；

3、待通氣穩定后，關閉下部排水閥，打開水泵和進水閥，調節進水流量調節閥，使進水量達到目標工況；

4、形成循環后，通過傳感器將各個測點的振動情況輸出給信號采集系統，進行數據采集；多次測量，取平均值；

5、改變流量，重新進行實驗；

6、采集完成后，保持繼續通氣，關閉水泵和進水流量調節閥，打開下部排水閥，進行排水；

7、排水完成后，關閉空氣壓縮機，結束實驗。

本實用新型的有益效果為：本實驗臺架能夠準確通過實驗得到不同工況下，核電廠蒸汽發生器傳熱管的流致振動參數，包括振幅、應變、頻率等，這對蒸汽發生器流致振動現象的振動規律研究和機理研究具有重要的意義，同時能夠為流致振動軟件開發提供數據支持。

附圖說明

圖1為蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架示意圖；

圖2為蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架的局部放大圖；

圖中各編號的含義如下：1-空氣壓縮機，2-壓力表，3-U型傳熱管，4-支撐板，5-進氣流量調節閥，6-氣體流量計，7-進氣層，8-第一進氣管，9-第二進氣管，10-第三進氣管，11-進水流量調節閥，12-液體流量計，13-水泵，14-儲水箱，15-下部排水閥，16-排水系統，17-不銹鋼外罩。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明，但并不因此而限制本實用新型的保護范圍。

如圖1和圖2所示，蒸汽發生器傳熱管流致振動實驗臺架包括實驗段和系統回路；實驗 段由不銹鋼外罩、三根U型傳熱管、支撐板和進氣層組成；進氣層一共有四層，每一層又分為三層細進氣管，分別是第一進氣管、第二進氣管、第三進氣管；進氣層焊接固定在不銹鋼外罩上；三根U型傳熱管穿過支撐板的四葉梅花孔，并通過脹接方式與四層支撐板連接；三根U型傳熱管通過焊接固定在實驗段的底部管板上；

系統回路由空氣壓縮機、壓力表、進氣流量調節閥、氣體流量計、進水流量調節閥、液體流量計、水泵、儲水箱、下部排水閥和排水系統組成；

其中，進水流量調節閥、液體流量計、水泵、儲水箱之間通過進水管道直接相連，所述進水管道和不銹鋼外罩焊接；排水閥與不銹鋼外罩的下部焊接，并通過排水軟管與排水系統連接；

空氣壓縮機的出口處安裝有壓力表，空氣壓縮機通過高壓進氣管與進氣流量調節閥連接，進氣流量調節閥、氣體流量計通過螺紋固定在進氣層上。

儲水箱與進水管道通過法蘭連接，進水流量調節閥、液體流量計通過螺紋與進水管道相連。

第一進氣管、第二進氣管、第三進氣管的進氣方向依次為向上、向內、向下，目的是使每層的進氣更加均勻，減少由于進氣方向而引起的振動，防止對實驗造成無關干擾。

利用本實驗系統進行流致振動實驗的具體過程為：

(一)進行單相實驗時，

1、連接并檢查實驗裝置，開啟進水流量調節閥，關閉進氣流量調節閥，開啟水泵，設置較低頻率運行，儲水箱里的水通過進水流量調節閥、液體流量計進入實驗段，形成強迫循環，檢查系統回路的封閉性；

2、調節進水流量調節閥，至液體流量計的示數達到目標工況給水流量；

3、通過傳感器測量直管段和彎管段各個測點的振動情況，通過信號采集系統采集數據；多次測量，取平均值；

4、改變流量，重新進行實驗；

5、采集完成后，關閉水泵和進水流量調節閥，打開下部排水閥，進行排水，結束實驗。

(二)進行兩相實驗時，

1、連接并檢查實驗裝置，檢查回路封閉性，封閉性良好后，進行排水；

2、啟動空氣壓縮機，向裝置內通入空氣，調節每層的進氣流量調節閥，使四層進氣層分別通入不同進氣量的空氣，從而使實驗段的含氣量從底部到頂部有不同梯度的變化，至氣體流量計的示數達到目標工況；

3、待通氣穩定后，關閉下部排水閥，打開水泵和進水閥，調節進水流量調節閥，使進水量達到目標工況；

4、形成循環后，通過傳感器將各個測點的振動情況輸出給信號采集系統，進行數據采集；多次測量，取平均值；

5、改變流量，重新進行實驗；

6、采集完成后，保持繼續通氣，關閉水泵和進水流量調節閥，打開下部排水閥，進行排水；

7、排水完成后，關閉空氣壓縮機，結束實驗。