一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构及燃料组件的制作方法

1.本发明属于核反应堆燃料组件技术领域，具体涉及一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构及燃料组件。


背景技术：

2.核燃料组件由若干燃料棒、定位格架、导向管、上下管座及其连接结构等构成。连接结构将导向管与上管座(以下简称上部连接)、导向管与下管座(以下简称下部连接)连接成为一个整体，实现燃料组件结构的连续性和载荷传递等功能。
3.目前在役燃料组件多采用螺纹拧紧然后胀形防松的可拆结构连接，这种连接方式需要施加螺纹预紧载荷，给本身结构薄弱的导向管增加了很大的载荷负担，从而降低了导向管运行过程中的承载能力。另外在需要更换燃料棒时，两端均用螺纹连接时，拆卸后的螺钉不可重复使用成为松脱件，存在掉落成为异物的风险；同时辐照后燃料组件水下远距离的螺纹拆卸和复装也较为困难。
4.另外，现有技术如cn107610785b《导向管与上管座快速可拆连接装置及方法》也公开了一种快速可拆连接结构，但是同一燃料组件中不同导向管与上管座的连接间隙无法保证一致，从而导致间隙较小的导向管过度承载，间隙较大的导向管悬空不受载，依然没有发挥出所有导向管的承载能力。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构及燃料组件。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构，包括上部连接结构和下部连接结构；
8.所述上部连接结构包括上管座安装孔、开口悬挂套和承载套管；带有限位环的导向管通过所述开口悬挂套和承载套管可拆卸连接在所述上管座安装孔中；所述下部连接结构包括下管座安装孔；导向管端塞与所述下管座安装孔连接构成非轴对称配合结构。
9.本发明通过导向管端塞与下管座安装孔非轴对称配合消除下部连接中导向管的扭转载荷，结合上部连接结构，实现了连接的双向锁紧和均匀性承载，消除了上部连接中导向管的扭矩以及松脱件，使各导向管均匀受载，提高了燃料组件连接结构及导向管的承载能力，降低了运行过程中的应力水平，缓解热蠕变和辐照蠕变，避免了受载不均引起的燃料组件运行弯曲，适应高燃耗长循环燃料组件的应用，提高了安全裕量和可靠性。
10.优选的，本发明的上管座安装孔沿轴向由下自上依次为支撑孔、贯穿孔和悬挂孔；
11.其中，所述贯穿孔的孔径尺寸小于所述支撑孔和悬挂孔的孔径尺寸，且所述贯穿孔开设有供所述开口悬挂套和承载套管穿过的槽；
12.所述支撑孔与所述导向管的限位环配合，支撑上管座并限制其往下移动；
13.所述悬挂孔与所述开口悬挂套相配合，用于悬挂所述开口悬挂套并限制上管座往上移动。本发明通过导向管上的限位环限制了上管座的下限位移，开口悬挂套限制了上管座的上限位移，通过开口悬挂套与承载套管的锥面配合结合调节开口悬挂套的开口大小实现连接间隙的无极调节，实现了每根导向管上部连接的上下双向锁紧，克服了现有燃料组件快速可拆连接结构只能单向锁紧的缺陷以及众多导向管无法均匀承载的难题。
14.优选的，本发明的开口悬挂套与所述承载套管采用锥面配合，通过调节所述开口悬挂套的开口大小实现连接间隙的无极调节，用于补偿所述上管座安装孔和连接结构的高度公差。消除了各导向管载荷的非均匀分布，可降低导向管上端部最大应力达59％。
15.优选的，本发明的开口悬挂套的内径与所述承载套管直管段的外径相配合，所述开口悬挂套能够从所述贯穿孔中自由穿过；
16.所述开口悬挂套的上表面为锥面，与所述承载套管下表面相配合。
17.优选的，本发明的承载套管由直管段和突出段构成；
18.直管段外径与导向管内径相配合，并为所述开口悬挂套的轴向移动提供导向；
19.突出段外径能够自由穿过所述贯穿孔，且大于所述开口悬挂套的内径，以便其能悬挂在所述开口悬挂套上；
20.突出段下表面设置为锥面与所述开口悬挂套的上表面相配合。
21.优选的，本发明的承载套管的突出段径向开有定位槽，用于所述开口悬挂套径向设置的弹性定位结构穿过从而实现所述开口悬挂套周向定位；
22.所述悬挂孔在周向上设置有限位结构，提供所述开口悬挂套的工作位置限位。
23.安装前，调节开口悬挂套的开口大小，使导向管限位环上表面到开口悬挂套下表面的距离与上管座安装孔的贯穿孔高度一致；
24.安装时，将所述开口悬挂套穿过所述贯穿孔侧壁，顺时针旋转至所述悬挂孔侧壁靠紧限位结构，此时承载套管的定位槽正好容纳开口悬挂套中处于自由状态的弹性定位结构，从而实现周向限位和锁紧，完成安装；
25.拆卸时，压下弹性定位结构，将所述开口悬挂套逆时针旋转至所述贯穿孔侧壁，所述开口悬挂套失去支撑而实现拆卸。
26.本发明通过对开口悬挂套的旋转起始和终止位置设计限位结构，使得安装和拆卸过程中无需进行角度控制，简化操作，有利于远距离水下操作。
27.优选的，本发明的贯穿孔设置有过渡斜面，使所述开口悬挂套能够旋转至工作位置。本发明通过在贯穿孔角部设计斜面，降低承载套管的初始轴向位置控制要求，确保堆内运行发生腐蚀和沉淀现象造成间隙改变后依然能够实现安装，并降低连接结构安装过程中的难度。
28.优选的，本发明的开口悬挂套底部沿周向设置有限位槽，用于与所述承载套管上设置的限位凸起相配合，限制所述开口悬挂套的周向位置。
29.优选的，本发明的承载套管直管段是阶梯外径结构，以保证需要连接时，开口悬挂套处于所需的轴向高度位置；或者承载套管直管段是直管通过外套复位弹簧支撑开口悬挂套处于所需的轴向高度位置。
30.优选的，本发明还包括设置在所述开口悬挂套和所述承载套管之间用于替换锥面配合的弹性结构，用于补偿所述上管座安装孔和上部连接结构的高度公差。当连接载荷相
对较小时，在开口悬挂套和承载套管之间设置弹性结构替代锥面配合，补偿上管座安装孔和连接结构的高度公差，简化了连接结构的制造，降低成本。优选地，所述弹性结构为蝶形弹簧。
31.优选的，本发明的承载套管和导向管通过焊接或胀接进行连接。当采用胀接形式进行连接时，在新燃料组件制造阶段先将导向管和上管座就位，然后装入开口悬挂套和承载套管，可靠连接后，再统一进行胀接，以减少逐根导向管连接时的开口悬挂套调节量，同时确保开口悬挂套具有最优的间隙调节能力。
32.优选的，本发明下部连接的非轴对称配合结构可为圆形加凸台结构、三角形结构、四边形结构等非轴对称结构。
33.另一方面，本发明还提出了一种燃料组件，采用本发明所述的连接结构。
34.本发明具有如下的优点和有益效果：
35.1、本发明通过由设置有限位环的导向管、开口悬挂套、承载套管以及对应的上管座安装孔构成上部快速可拆连接，能够补偿上管座安装孔和连接结构的高度公差，无极调节连接间隙，实现了每根导向管上部连接的上下双向锁紧。克服了常规燃料组件快速可拆连接通常只单向锁紧的缺陷，以及众多导向管无法均匀承载的难题。消除了各导向管载荷的非均匀分布，可降低导向管上端部最大应力达50％。
36.2、本发明由导向管端塞上设置有伸入下管座安装孔结构使导向管端塞与下管座成为非轴对称配合结构，并配合螺钉连接的下部连接结构，消除了燃料组件薄弱环节导向管下部的扭转载荷，可降低导向管下端部最大应力达30％。
37.13、本发明通过设置由开口悬挂套、承载套管和上管座安装孔构成的上部快速可拆连接结构，提升了燃料组件拆装效率，实现了连接结构的反复拆卸和安全自锁，避免了拆卸过程中产生放射性废物，取消了松脱件，消除了安全隐患，降低了燃料组件维修成本。
38.4、本发明采用开口悬挂套旋转操作替代传统螺纹连接中的力矩控制螺纹拆装，且无需进行角度控制，拆装工具简单，拆装操作方便，有利于远距离水下操作。
39.5、本发明通过承载套管直管段设计为阶梯外径结构，实现需要连接时开口悬挂套处于所需的轴向高度位置，相比复位弹簧方案，简化了结构，消除了辐照弹簧松弛后支撑力不足导致无法复装的风险，提高了复装可靠性。
40.6、本发明通过上管座安装孔中的悬挂孔角部设计斜面，降低承载套管的初始轴向位置控制要求，确保堆内运行发生腐蚀和沉积等现象造成间隙改变后依然能够实现安装，并降低连接结构安装过程中的难度。
41.7、本发明承载套管和导向管采用胀接形式进行连接时，在新燃料组件制造阶段先将导向管和上管座就位，然后装入开口悬挂套和承载套管等连接结构零部件，可靠连接后，再统一进行胀接，以减少逐根导向管连接时的开口悬挂套调节量，降低安装制造难度。
42.8、本发明连接结构将导向管、格架、管座、燃料棒等连接组装成的燃料组件，提高了燃料组件薄弱环节的连接结构及导向管的承载能力，大幅度降低了运行过程中的应力水平，有效缓解热蠕变和辐照蠕变，显著提高结构稳定性，避免了受载不均引起的燃料组件运行弯曲，适应高燃耗长循环燃料组件的应用，提高了安全裕量和可靠性。
43.9、采用本发明提出的可拆连接结构，大幅度降低了燃料组件薄弱环节的连接结构及导向管的初始载荷和应力水平。在不影响中子经济性和成本的情况下，为运行过程中承
受地震等事故载荷预留了更大的裕量空间，显著提升了燃料组件抵抗地震等事故载荷的能力，适应高抗震、抗弯曲燃料组件的应用，提高了安全裕量和可靠性。
附图说明
44.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
45.图1为压水堆燃料组件示意图。
46.图2为现有连接结构示意图。
47.图3为本发明的上部连接结构示意图。
48.图4为本发明的上管座安装孔结构示意图。
49.图5为本发明的开口悬挂套结构示意图。
50.图6为本发明的导向管限位环和承载套管连接结构示意图。
51.附图中标记及对应的零部件名称：
52.(a)：螺纹连接；(b)：可拆连接；a1:管座；1-上管座安装孔，11-支撑孔，12-贯穿孔，121-开口悬挂套穿过槽，122-过渡斜面，13-悬挂孔，131-限位结构，2-导向管，21-导向管限位环，3-开口悬挂套，31-开口悬挂套上表面，32-悬挂套开口，33-开口悬挂套限位槽，34-弹性定位结构，4-承载套管，41-突出段下表面，42-定位槽，43-直管段，44-限位凸起。
具体实施方式
53.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
54.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
55.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
56.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
57.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意
在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
58.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
59.实施例1
60.如图2所示，现有的连接结构存在各导向管受载不均匀，承载能力受限等问题，本实施例提出了一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构。
61.如图3所示，本实施例的连接结构由上部连接结构和下部连接结构构成；上部连接结构主要由开口悬挂套3、承载套管4以及对应的上管座安装孔1组成，导向管2上端设置有限位环，导向管2上端通过开口悬挂套和承载套管可拆卸安装在所述上管座安装孔中，且开口悬挂套与承载套管采用锥面配合，通过调节开口悬挂套的开口大小实现连接间隙的无极调节；下部连接结构包括下管座安装孔、螺钉，导向管端塞上设置有伸入下管座安装孔结构使导向管端塞与下管座成为非轴对称配合结构。
62.本实施例的通过导向管端塞与下管座安装孔非轴对称配合消除下部连接中导向管的扭转载荷。上部连接结构的主体集成在导向管上部的可复用快速可拆连接，并设计了连接间隙可调结构，从而实现连接的双向锁紧和均匀承载，消除了上部连接中导向管的扭矩以及松脱件，使各导向管均匀受载；提高了燃料组件连接结构及导向管的承载能力，降低了运行过程中的应力水平，缓解热蠕变和辐照蠕变，避免了受载不均引起的燃料组件运行弯曲，适应高燃耗长循环燃料组件的应用，提高了安全裕量和可靠性。
63.如图4所示，本实施例的上管座安装孔沿轴向分为支撑孔11、贯穿孔12和悬挂孔13。贯穿孔12处于中间位置，为圆柱结构。贯穿孔12上对称设置有两个供开口悬挂套和承载套管头部穿过的开口悬挂套穿过槽121。下部的支撑孔11与导向管限位环21配合，支撑上管座并限制其往下移动；上部的悬挂孔13与开口悬挂套3相配合，用于悬挂开口悬挂套2并限制上管座往上移动。开口悬挂套3内径与承载套管4的直管段43的外径相配合，外形与上管座贯穿孔12相匹配以便其能够从该孔自由穿过。开口悬挂套上表面31为锥面，与突出段41相配合。在安装在燃料组件上之前，悬挂套开口32大小可调。承载套管4由直管段43和突出段构成，直管段43外径与导向管内径相配合，并为开口悬挂套的轴向移动提供导向。突出段外径能自由穿过上管座贯穿孔，并大于开口悬挂套的内径，以便其能悬挂在开口悬挂套上。突出段下表面41设置为锥面，与开口悬挂套3相配合。导向管上端部设置有导向管限位环21，其外径与上管座支撑孔11配合，用于承受通过上管座传递而来的压紧载荷。
64.本实施例的承载套管的直管段43为阶梯外径结构以保证需要连接时，开口悬挂套处于所需的轴向高度位置；或者为直管通过外套复位弹簧支撑开口悬挂套处于所述的轴向高度位置。
65.本实施例的上部连接结构安装前，调节开口悬挂套的开口大小，使导向管限位环
上表面到开口悬挂套下表面的距离与上管座安装孔的贯穿孔高度一致，以保证各导向管的连接双向锁紧和均匀承载。
66.导向管限位环限制了上管座的下限位移，开口悬挂套限制了上管座的上限位移，通过开口悬挂套与承载套管的锥面配合结合调节开口悬挂套的开口大小实现连接间隙的无极调节，实现了每根导向管上部连接的上下双向锁紧，克服了常规燃料组件快速可拆连接通常只单向锁紧的缺陷以及众多导向管无法均匀承载的难题；消除了燃料组件薄弱环节导向管上部的扭矩和对应的扭转应力，开口悬挂套与承载套管采用锥面配合，通过调节开口悬挂套的开口大小实现连接间隙的无极调节，消除了各导向管载荷的非均匀分布，降低导向管上端部最大应力达50％；非轴对称配合的下部连接结构，消除了燃料组件薄弱环节导向管下部的扭转载荷，降低导向管下端部最大应力达30％；实现了快速可拆，提升了燃料组件拆装效率；实现了连接结构的反复拆卸和安全自锁，避免了拆卸过程中产生放射性废物，取消了松脱件，消除了安全隐患，降低了燃料组件维修成本；通过简单的开口悬挂套旋转操作替代传统螺纹连接中的力矩控制螺纹拆装，拆装工具简单，拆装操作便利，有利于远距离水下操作；通过承载套管直管段43设计为阶梯外径结构，实现需要连接时开口悬挂套处于所需的轴向高度位置，相比复位弹簧方案，简化了结构，消除了辐照弹簧松弛后支撑力不足导致无法复装的风险，提高了复装可靠性。
67.实施例2
68.当连接载荷相对较小时，本实施例通过在开口悬挂套3和承载套管4之间设置一碟形弹簧等刚度适中的弹性结构，补偿上管座安装孔和连接结构的高度公差，进而取消上述实施例1提出的开口悬挂套的开口和锥面配合，简化连接结构的制造，降低成本。
69.实施例3
70.如图4-6所示，本实施例对上述实施例1进行了进一步优化，本实施例的上管座安装孔中的悬挂孔13在周向设计为非完整的限位结构131，提供开口悬挂套的工作位置限位。贯穿孔12角部设计有过渡斜面122，使开口悬挂套3能够顺利旋转至工作位置。安装时，将开口悬挂套3顺时针旋转至悬挂孔13侧壁，然后通过限位结构131进行限位；拆卸时，压下弹性限位结构34，将开口悬挂套3逆时针旋转至上管座安装孔的限位结构131，开口悬挂套失去支撑而实现拆卸。承载套管突出段径向开有定位槽42，用于弹性限位结构34穿过进而使开口悬挂套周向定位。承载套管和开口悬挂套设有开口悬挂套限位槽33和限位凸起44，用于限制开口悬挂套的周向位置，使其需要安装时逆时针旋转至限位结构即自然与上管座贯穿孔周向对正，无需进行角度控制。
71.本实施例的连接结构装配原理为：
72.首先，承载套管4与带导向管限位环21的导向管连接，承载套管4顶部穿过开口悬挂套3的孔将承载套管4的顶部挂接到开口悬挂套上表面31上。
73.安装时，将上述装配好的开口悬挂套3和承载套管4穿过贯穿孔12，开口悬挂套3的凸出部分通过开口悬挂套穿过槽121穿过；然后顺时针旋转开口悬挂套3至悬挂孔13的侧壁，通过贯穿孔12的顶部台阶挂接开口悬挂套3，并通过限位结构131限位；限位结构131使得开口悬挂套3仅能顺时针旋转90
°
；同时，当开口悬挂套3悬挂到相应位置时，开口悬挂套3上的弹性限位结构34能够插入承载套管4的定位槽42中实现开口悬挂套3与承载套管4的周向转动定位。
74.拆卸时，将开口悬挂套3逆时针旋转至贯穿孔12的侧壁，即开口悬挂套3的凸部转动贯穿孔12的贯穿槽121位置，开口悬挂套3则失去支撑实现拆卸。
75.本实施例通过增设限位结构和过渡结构，使连接结构在水下拆装时只需顺时针或逆时针旋转至限位结构，取消了角度控制，大幅度简化操作。
76.实施例4
77.本实施例对上述实施例进行了进一步优化，本实施例的承载套管和导向管可以采用胀接或焊接的方式进行连接，连接时应控制各导向管限位环上表面高度一致。
78.当采用胀接形式进行连接时，可以在新燃料组件制造阶段先将导向管和上管座就位，然后装入开口悬挂套和承载套管等连接结构零部件，可靠连接后，再统一进行胀接，以减少逐根导向管连接时的开口悬挂套调节量，降低安装制造难度。
79.实施例5
80.本实施例对上述实施例的下部连接结构进行了进一步优化，本实施例的下部连接结构，即非轴对称配合结构，可以采用圆形加凸台结构、三角形结构、四边形结构等非轴对称结构。
81.实施例6
82.本实施例提出了一种如图1所示的燃料组件，该燃料组件采用上述实施例提出的连接结构将导向管、格架、管座、燃料棒等连接组装成整体，提高了燃料组件薄弱环节的连接结构及导向管的承载能力，大幅度降低了运行过程中的应力水平，有效缓解热蠕变和辐照蠕变，显著提高结构稳定性，避免了受载不均引起的燃料组件运行弯曲，适应高燃耗长循环燃料组件的应用，提高了安全裕量和可靠性；同时大幅度降低了燃料组件薄弱环节的连接结构及导向管的初始载荷和应力水平，在不影响中子经济性和成本的情况下，为运行过程中承受地震等事故载荷预留了更大的裕量空间，显著提升了燃料组件抵抗地震等事故载荷的能力，适应高抗震、抗弯曲燃料组件的应用。
83.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。