Исследование гидравлического сопротивления проточного тракта ВВЭР-1500

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование гидравлического сопротивления проточного тракта ВВЭР-1500

Д.В. Зайцев, С.Г. Сергеев, Ю.А. Безруков,

Е.А. Лисенков, В.Н. Ульяновский,

Л.А. Салий ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск, Россия

Геометрия проточного тракта ВВЭР-1500 имеет отличия от ВВЭР-1000, что не позволяет использовать величины коэффициентов гидравлического сопротивления (КГС), полученные на моделях и АЭС с ВВЭР-1000. Кроме того, проточный тракт реакторов типа ВВЭР имеет сложную геометрию и достоверно определить его гидравлическое сопротивление, а также сопротивление ряда его участков возможно только экспериментальным путём. Поэтому в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» были проведены эксперименты на аэродинамической модели реактора ВВЭР-1500, выполненной в масштабе 1:5, а также на моделях фильтров-стояков шахты внутрикорпусной и нижней части канала блока защитных труб (БЗТ), выполненных в масштабе 1:1. Таким образом, целью настоящих исследований являлось уточнение используемых в теплогидравлических расчётах значений КГС участков проточного тракта реактора ВВЭР-1500.

Конструкция аэродинамической модели реактора показана на рисунке 1. Её проточный тракт в масштабе 1:5 геометрически подобен проточному тракту ВВЭР-1500 за исключением фильтров-стояков, активной зоны и нижней части каналов БЗТ, которые в масштабе 1:5 смоделировать затруднительно. На модели они имитировались гидравлическими сопротивлениями, предварительно оцененными расчетным путем. Модель устанавливалась на металлоконструкциях стенда на опорном кольце. Подключение модели к стенду показано на рисунке 2.

1 - корпус, 2 - днище корпуса, 3 - шахта, 4 - днище шахты, 5 - выгородка, 6 - БЗТ,

7 - крышка, 8 - входные патрубки,

9 - выходные патрубки, 10 - опорное кольцо, 11-21 - отборы статического давления

Рис. 1 - Аэродинамическая модель реактора ВВЭР-1500

1 - модель реактора, 2 - воздуховоды,
3 - коллектор, 4 - входной участок воздуховода

Рис. 2 - Установка аэродинамической модели реактора на стенде

На входных патрубках модели были установлены прямые участки воздуховодов Ду170 длиной один метр с плавным входом. Выходные патрубки модели при помощи четырёх симметричных петель из воздуховодов Ду170 соединялись со сборным коллектором, подключённым к контуру стенда.

Для обеспечения условий входа потока воздуха в межтрубный объём БЗТ, аналогичным натурным, на модели смоделирована перфорация нижней плиты и труб БЗТ. На входе труб БЗТ установлены имитаторы головок ТВС, гидравлическое сопротивление которых было равно гидравлическому сопротивлению выходных участков натурных ТВС.

Основными элементами стенда, на котором проводились испытания аэродинамической модели ВВЭР-1500 в масштабе 1:5, являлись: вентилятор, хонейкомб, успокоительная камера, расходомерное устройство, система воздуховодов Ду 400. При этом модель реактора подключалась к всасу вентилятора стенда.

Производительность вентилятора, установленного на стенде, составляла 15000 м³/ч, напор - 12 кПа. Расход воздуха через модель регулировался путём изменения частоты тока на шинах питания электродвигателя вентилятора при помощи преобразователя частоты.

Для измерения расходов воздуха через модель использовался вихревой расходомер YEWFLO DY400 с пределом измерения 15000 м³/ч.

Испытания моделей фильтров-стояков и нижней части канала БЗТ проводились на малом аэродинамическом контуре, который предназначен для испытаний при расходах воздуха до 3600 м³/ч.

Принципиальная гидравлическая схема малого аэродинамического контура представлена на рисунке 3. Основными его элементами являются: вентилятор, коллектор, расходомерное устройство и успокоительная камера.

Вентилятор, установленный на стенде, обеспечивал производительность до 3600 м³/ч и напор - 8,3 кПа. Расход воздуха через испытываемые модели регулировался при помощи заслонки поз.7 с электроприводом поз.8.

Испытываемая модель устанавливались на успокоительной камере, которая могла подключаться как ко всасу, так и к нагнетанию вентилятора. Так, модели фильтров-стояков устанавливалась на всасе вентилятора, а модель нижней части канала БЗТ устанавливалась на нагнетании вентилятора.

Модели фильтров-стояков в масштабе 1:1 по конструкции были полностью аналогичны натурным фильтрам-стоякам центральной зоны днища шахты внутрикорпусной ВВЭР-1500. Каждая из них имела 18 рядов пазов длиной 29^+0,21 мм (по внутреннему диаметру) с шириной 3^+0,25 и 2^+0,25 мм, по 30 и 46 пазов в ряду соответственно. Суммарная площадь проходного сечения перфорации модели с шириной пазов 3 мм составляла 46980 мм², с шириной пазов 2 мм - 48024 мм². Перфорация периферийных фильтров-стояков шахты внутрикорпусной ВВЭР-1500, имеющих по 14 рядов пазов, на моделях имитировалась путём перекрытия четырёх нижних рядов пазов скотчем.

Модели фильтров-стояков устанавливались (рисунок 4) на крышке успокоительной камеры и закреплялись прижимным фланцем.

Соотношение продольных и поперечных скоростей в районе перфорации моделей обеспечивалось при помощи разборной шестигранной выгородки. Изменяя количество граней выгородки с шести до трёх, на модели имитировались граничные условия входа теплоносителя как в фильтры-стояки центральной части днища шахты, так и в фильтры-стояки, расположенные в различных местах на периферии днища.

Варианты конфигурации выгородки во время испытаний моделей показаны в таблице 1.

Для измерения перепада давления по высоте перфорации моделей на их внутренней и наружной поверхностях имелись перфорированные направляющие каналы, в которые устанавливались зонды с отборами статического давления.

Таблица 1 - Варианты конфигурации выгородки во время испытаний модели

Проточный тракт модели нижней части канала блока защитных труб в масштабе 1:1 (рисунок 5) был идентичен проточному тракту натурных каналов. Основной элемент модели - труба 219х9 мм (труба БЗТ), на которой выполнено два пояса перфорации: по три ряда отверстий диаметром 30 мм в каждом поясе. В каждом ряду по 12 отверстий. Внутри трубы БЗТ устанавливался имитатор направляющих стержней СУЗ.

Соотношение продольных и поперечных скоростей в районе перфорации модели на стенде моделировалось при помощи разборной шестигранной выгородки из органического стекла. Путём изменения количества граней выгородки с шести до трёх имитировались граничные условия выхода теплоносителя как из каналов центрального массива БЗТ, так и из его периферийных каналов.

На нижней части канала модели была установлена головка макета ТВС. Она также имела шестигранную выгородку, направляющую поток воздуха на её входе аналогично течению потока теплоносителя в реакторе.

Модель устанавливалась на опорный фланец, который закреплялся на крышке успокоительной камеры малого аэродинамического контура.

Во время испытаний на модели рассматривался исследуемый канал с имитатором направляющих внутри трубы и без него. При наличии на модели имитатора направляющих его труба перекрывала нижний пояс перфорации трубы БЗТ и воздух выходил через три верхних ряда отверстий. При отсутствии на модели имитатора направляющих воздух выходил через нижний пояс перфорации трубы БЗТ, отверстия её верхнего пояса перфорации заклеивались скотчем.

Испытания модели с имитатором направляющих внутри трубы БЗТ проводились с шестигранной выгородкой. Варианты конфигурации выгородки во время испытаний модели без имитатора направляющих аналогичны приведенным в таблице 1.

Основными параметрами, которые регистрировались во время испытаний, являлись:

- расходы воздуха через испытываемую модель;

- температура воздуха;

- барометрическое давление;

- перепады давления на моделях или их исследуемых участках.

Первичные преобразователи расхода, температуры, разности давлений были подключены к измерительной системе SCXI фирмы National Instruments, управление которой осуществлялось с использованием прикладного программного пакета «LabVIEW 6.0».

Определяемые КГС на аэродинамической модели реактора приводились к средней скорости в ГЦТ модели, а КГС моделей фильтров-стояков и нижней части канала БЗТ приводились к средней скорости в ГЦТ натурной РУ:

реактор модель аэродинамический

, (1)

где - средняя скорость в ГЦТ модели реактора, м/с;

- средняя скорость в ГЦТ натурной РУ, м/с;

Q_МР - расход воздуха через модель реактора, м³/ч;

- площадь проходного сечения патрубков модели реактора, м²;

Q_мод - расход воздуха через модели фильтров-стояков и нижней части канала БЗТ, м³/ч;

F_гцт - площадь проходного сечения патрубков реактора, м²;

n = 241 - количество ТВС в активной зоне реактора.

Величины КГС определялись из уравнения Бернулли по измеренной величине перепада давления на исследуемом участке и представлялись в виде графиков зависимости КГС от числа Рейнольдса. При расчете чисел Рейнольдса модели реактора 1:5 за гидравлический диаметр принимался диаметр в ГЦТ модели, для моделей фильтров-стояков и нижней части канала БЗТ - диаметр ГЦТ натурной РУ. Относительная погрешность определения КГС, обусловленная погрешностями измерения расхода, перепада давления, температуры и атмосферного давления, составляла 4,2%.

На аэродинамической модели реактора в масштабе 1:5 были получены КГС следующих участков проточного тракта: входных патрубков; опускного кольцевого канала; эллиптической решетки днища шахты; межтрубного объёма БЗТ; перфорации дроссельного цилиндра БЗТ и шахты; выходных патрубков; входного и выходного участков в целом.

Используемые для экспериментального определения КГС отборы статического давления на аэродинамической модели реактора показаны на рисунке 1.

Для измерения полей давления в опускном кольцевом канале на его входе и выходе

(поз. 12, 13 на рисунке 1) было расположено по 12 отборов статического давления (под патрубками и между ними). Отборы располагались на корпусе модели, на расстоянии 520 и 1248 мм от входных патрубков. Изменение перепада давления по периметру опускного канала показано на рисунке 6. Минимальные величины перепадов (и скоростей) имеют место под патрубками, максимальные - между ними, где происходит слияние потоков соседних петель. Для определения КГС канала использовалась средняя величина перепада давления на данном участке.

Средние величины давления в верхнем и нижнем сечениях опускного кольцевого канала использовались также для измерения перепадов давления соответственно на входных патрубках и днище шахты. Для измерения перепадов давления на входных и выходных патрубках использовались статические отборы трубок Пито-Прандтля, установленных на присоединенных к ним участках воздуховодов.

Изменение значений КГС исследованных участков, полученные на аэродинамической модели реактора в диапазоне чисел Рейнольдса от 200000 до 400000, показано соответственно на рисунках 7 и 8.

Измерение перепадов давления на данных участках проточного тракта для определения величин КГС проводилось при изменении расхода воздуха через модель от 6000 до 11500 м³/ч с шагом 200-300 м³/ч (при прямом и обратном ходе изменения расхода).

Из графиков на рисунках 7 и 8 видно, что значения КГС входных и выходных патрубков, перфорации дроссельного цилиндра и шахты при числах Рейнольдса от 200000 до 400000 практически постоянны, не зависят от числа Рейнольдса и равны:

- входных патрубков - 0,950,04;

- выходных патрубков - 0,600,02;

- перфорации дроссельного цилиндра БЗТ и шахты - 0,700,03.

Таким образом, данные элементы можно отнести к местным сопротивлениям, а полученные значения КГС консервативно можно использовать в теплогидравлических расчетах.

Величины КГС днища шахты и межтрубного объема БЗТ при росте числа Рейнольдса имеют тенденцию к некоторому уменьшению. Однако, сравнение результатов аналогичных испытаний на модели реактора в масштабе 1:5 и результатов испытаний во время пусконаладочных работ на АЭС при натурных числах Рейнольдса показало их достаточно хорошее совпадение, в том числе и КГС днища шахты и БЗТ. Поэтому в теплогидравлических расчётах с некоторым консерватизмом могут быть использованы их средние значения, полученные во время настоящих испытаний:

- для днища шахты - 1,760,08;

- для межтрубного объёма БЗТ - 0,3900,015.

Гидравлическое сопротивление опускного кольцевого канала в основном определяется трением на его границах и зависит от числа Рейнольдса (рисунок 9). В исследованном диапазоне величина КГС канала падает с 0,13 до 0,09.

Наряду с определением гидравлического сопротивления перфорации дроссельного цилиндра с помощью стационарных отборов было проведено измерение перепадов давления по высоте и периметру его перфорации (рисунок 10). Перепады давления измерялись между параллельно перемещаемыми зондами на входе и выходе цилиндра. Максимальные перепады давления на перфорации дроссельного цилиндра БЗТ против оси выходных патрубков примерно в 1,4 раза выше их среднего значения.

А, Б, В - места установки перемещаемых зондов для отборов статического давления, расположенные на крышке модели реактора ВВЭР-1500

Рис. 10 - Изменение перепадов давления на перфорации БЗТ

Результаты опытов по определению КГС моделей фильтров-стояков с пазами шириной

2 и 3 мм и шестигранной выгородкой, моделирующей течение теплоносителя на входе фильтров-стояков в центральной зоне днища шахты, показаны на рисунке 11.

Для определения КГС моделей фильтров-стояков с шестигранной выгородкой измерялись перепады давления между отборами, расположенными на входе в выгородку и на выходе моделей, на их центральной оси (поз. 7 на рисунке 4). Значения КГС моделей фильтров-стояков были получены в диапазоне чисел Рейнольдса от 2,5·10⁶ до 4,5·10⁶.

Из графиков на рисунке 11 видно, что из-за потерь на трение величины КГС моделей в исследованном диапазоне немного уменьшаются. Однако, результаты аналогичных испытаний партии из 20 фильтров-стояков ВВЭР-1000 на аэродинамическом стенде и испытаний на АЭС во время пусконаладочных работ показали, что полученные во время испытаний на моделях величины КГС фильтров-стояков с небольшим консерватизмом могут быть экстраполированы на натурные числа Рейнольдса.

Отклонение значений КГС отдельных фильтров-стояков от среднего значения КГС комплекта фильтров-стояков в днище шахты, обусловленное технологическими причинами и погрешностью определения, составляла около 10 %. Таким образом, с доверительной вероятностью 0,95 среднее значение КГС фильтров-стояков в центральной части днища шахты составляет:

- с пазами шириной 3 мм - 0,25±0,03;

- с пазами шириной 2 мм - 0,28±0,03.

Данные величины и рекомендуется использовать для определения суммарного КГС днища шахты вместе с фильтрами-стояками.

Далее, на рисунках 12 и 13, показаны результаты испытаний моделей фильтров-стояков после перекрытия четырёх нижних рядов перфорации скотчем (периферийных фильтров-стояков). Испытания проводились при всех вариантах выгородки, указанных в таблице 1.

Значения КГС моделей фильтров-стояков с различным количеством снятых граней выгородки, имитирующих условия входа теплоносителя в фильтры-стояки периферийного ряда днища шахты, приведены в таблице 2. Периферийные фильтры-стояки имеют более свободный вход для потока теплоносителя со стороны эллиптической решётки днища шахты и соответственно меньшее гидравлическое сопротивление.

Таблица 2 - Значения КГС моделей фильтров-стояков со снятыми гранями выгородки

Это ведет к повышению расходов теплоносителя на входе установленных на них ТВС. Особенно велики расходы на входе кассет 01-23, 01-33, 02-20 и т.п., условия входа в фильтры-стояки которых соответствуют условиям входа в модель с трёхгранной выгородкой.

Для оценки эффективности работы перфорации фильтров-стояков были проведены опыты с её перекрытием. Ряды перфорации моделей, начиная снизу, постепенно заклеивались скотчем. Испытания проводились при шестигранной выгородке. Видно, что влияние количества закрытых рядов перфорации на гидравлическое сопротивление моделей

фильтров-стояков начинается только после 50 % перекрытия перфорации (рисунок 14).

Данные опытов с перекрытием перфорации были подтверждены результатами измерений перепада давления на перфорированной части моделей фильтров-стояков. Измерение перепада проводились с помощью двух зондов с отборами статического давления, перемещаемых параллельно друг другу внутри перфорированных трубок на внутренней и наружной поверхностях перфорированной части модели (рисунок 4).

Изменение перепада давления по длине перфорации моделей фильтров-стояков показано на рисунке 15, из которого видно, что увеличение перепада начинается примерно с высоты 250 мм, то есть основная часть потока теплоносителя поступает на вход ТВС через верхнюю половину перфорации фильтров-стояков.

Наряду с определением КГС моделей фильтров-стояков было проведено измерение поля скоростей на их выходе (входе в ТВС), на цилиндрическом участке диаметром 180 мм. Скорости измерялись через 10 мм при помощи перемещаемой вдоль диаметра трубки Пито-Прандтля. Предельная относительная погрешность их измерения не превышала 5 %.

На рисунке 16 приведены результаты измерения поля скоростей на выходе моделей фильтров-стояков с 18 рядами пазов шириной 2 и 3 мм при шестигранной выгородке (на выходе фильтров-стояков в центральной зоне днища шахты).

Величины относительных скоростей на данном графике приведены к средней скорости потока в исследуемом сечении. Как видно из графика, поле скоростей на выходе обеих моделей практически одинаково.

Результаты измерения поля скоростей на выходе модели фильтра-стояка с 14 рядами пазов шириной 3 мм при различной конфигурации выгородки согласно таблице 1 (на выходе периферийных фильтров-стояков) приведены на рисунках 17 и 18. Из рисунка 17 видно, что оси эпюр скоростей сместились в сторону снятых граней, где вход для потока более свободен. Но в целом деформация поля скоростей невелика.

Следует отметить, что приведенные на рисунках 16, 17 и 18 эпюры скоростей на выходе моделей фильтров-стояков лишь схематично отражают реальное поле скоростей на входе ТВС. При весьма сложной картине течения теплоносителя в районе днища шахты на моделях с помощью выгородки или каких либо других устройств трудно смоделировать реальные условия входа теплоносителя в фильтры-стояки.

Измерения перепадов давления на модели нижней части канала БЗТ (см. рисунок 5) проводились с помощью отборов давления: 1 - под крышкой успокоительной камеры; 2 - на выходе головки; 3 - между трубой БЗТ и шестигранной выгородкой, между нижним и верхним поясами перфорации; 4 - в шестигранной выгородке над трубой БЗТ;

5 - из атмосферы.

На модели были проведены две серии опытов в диапазоне чисел Рейнольдса от 1,8?10⁶ до 3,2?10⁶: с закрытыми и открытыми отверстиями в опорном фланце, имитирующими перфорацию нижней плиты БЗТ. В опытах с закрытыми отверстиями опорного фланца весь воздух проходит через головку ТВС и нижнюю часть канала БЗТ. Поэтому полученные в этих опытах величины КГС можно считать их истинными значениями:

- головки (при наличии имитатора направляющих) - 0,480,02;

- головки (без имитатора направляющих) - 0,390,02;

- имитатора направляющих и перфорации трубы БЗТ - 0,770,03;

- перфорации трубы БЗТ - 0,230,01.

Гидравлическое сопротивление головки ТВС определялось на стенде массового пролива кассет, во время испытаний макета кассеты. Имитатор БЗТ на данном стенде имел имитатор направляющих и трубу БЗТ с идентичной перфорацией. Отверстия в его опорном фланце отсутствовали. Полученная при числе Рейнольдса 35?10⁶ величина КГС головки составляла 0,450,03, то есть достаточно хорошо совпадает с полученной на модели нижней части канала БЗТ.

Далее, в таблице 3, проведено сравнение экспериментальных величин КГС входного и выходного участков модели реактора ВВЭР-1500 и аэродинамической модели ВВЭР-1000, выполненной в том же масштабе.

Таблица 3 - Экспериментальные значения КГС участков ВВЭР-1500 и ВВЭР-1000

Как следует из таблицы 3, наибольшее отличие гидравлического сопротивления наблюдается у входных участков реакторов. Более низкое значение КГС эллиптического днища шахты у ВВЭР-1500 обусловлено как большей степенью перфорации, так и увеличением площади проходного сечения при неизменной площади патрубков.

Гидравлическое сопротивление фильтров-стояков ВВЭР-1500 относительно гидравлического сопротивления опорных труб ВВЭР-1000 практически не изменилось.

Но, ввиду увеличения их количества со 163 у ВВЭР-1000 до 241 у ВВЭР-1500, величина КГС фильтров-стояков в объеме днища шахты ВВЭР-1500 должна уменьшиться и может быть получена на основе испытаний фильтров-стояков ВВЭР-1000 из соотношения:

_{фильтров-стояков} = 0,56(163/241)² = 0,26, (2)

что хорошо согласуется с результатами испытаний на модели фильтра-стояка ВВЭР-1500 с пазами 3 мм.

Основная часть потока теплоносителя поступает на вход ТВС через верхнюю половину перфорации фильтров-стояков. Об этом свидетельствуют как эксперименты с измерением перепада давления вдоль перфорации фильтра-стояка, так и определение КГС при последовательном перекрытии снизу его перфорации. Значение среднего КГС фильтра-стояка начинается заметно повышаться только после 50 % перекрытия перфорации.

Опыт аналогичных испытаний на моделях ВВЭР-1000 свидетельствует о наличии широкой зоны турбулентной автомодельности, при которой для обеспечения подобия потоков достаточно геометрического подобия проточного тракта модели и натурного изделия. Поэтому полученные на моделях значения КГС, указанные в таблице 3 (графа - ВВЭР-1500), могут быть использованы в проектных теплогидравлических расчётах для натурных параметров.

Заключение

В ОКБ «ГИДРОПРЕСС» были проведены испытания на аэродинамической модели реактора ВВЭР-1500 в масштабе 1:5, на моделях фильтров-стояков с пазами 2 и 3 мм и модели нижней части канала блока защитных труб в масштабе 1:1.

Экспериментально определены КГС проточного тракта входного и выходного участков ВВЭР-1500.

Аналогичные испытания на моделях ВВЭР-1000 свидетельствует о наличии широкой зоны турбулентной автомодельности, при которой для обеспечения подобия потоков достаточно геометрического подобия проточного тракта модели и натурного изделия.

Полученные экспериментальные данные можно использовать для уточнения используемых в теплогидравлических расчётах значений КГС участков проточного тракта реактора ВВЭР-1500.

Размещено на Allbest.ru