伺服活塞式控制棒水力驱动机构工作特性研究

摘要

控制棒驱动机构是确保核反应堆安全可控的重要动作部件。目前压水堆电站中普遍采用磁力提升式控制棒驱动机构，它为步进式移动，动作不可微调。本文依据伺服调控的基本原理，设计出一种可连续移动的新型伺服活塞式控制棒水力驱动机构，并对其工作特性进行理论和实验研究。
　　本文首先确定伺服活塞式水力驱动机构及其辅助设备的设计方案，根据驱动机构的设计参数，建立1:1三维模型，应用数值计算软件ANSYS分别对驱动机构内部流场和可变节流口流场进行数值模拟。根据实验数据评价了各个网格模型和湍流模型的适用性，最终获得驱动机构的压力特性、阻力特性和结构强度特性。计算结果表明驱动缸内压力损失主要集中在可变节流口处，随着伺服盘直径增大，可变节流口阻力系数相应减小；驱动缸出入口压力与缸内压力分别存在一定的差异。数值计算结果不但说明了数值模拟方法用于伺服活塞式水力驱动机构研究的可信性，还获得了比实验更详细的结果，补充后文对驱动机构性能分析所必须的数据。
　　对单向水力驱动机构进行结构改进，设计出双向水力驱动机构，并建立其动力学方程。通过数值模拟研究双向机构静态流量与上下缸压力随可变节流口间隙值变化关系，分析固定节流孔阻力系数对活塞运动的影响，并进一步研究驱动缸临界流量与临界提升速度随结构参数与工作条件的变化情况。计算结果表明随可变节流口间隙增加，双向水力驱动机构的稳态工作流量小幅增大，缸内压差大幅减小；可变节流口工作零位间隙应大于3.0mm。减小上缸固定节流口直径可减小机构工作流量，增大机构提升力；增加下缸固定节流口直径可大幅提升驱动机构临界提升速度。
　　为更深层次揭示伺服活塞式驱动机构的工作机理，通过分析驱动机构基本工作原理和几何结构，分别建立驱动机构静态和动态运动过程的数学模型，对控制棒的保持、提升、下插等性能进行理论计算和分析。首先研究驱动机构运行过程中系统参数动态响应情况，并进一步分析运行参数和结构参数等对驱动机构性能的影响。仿真结果表明在极短时间内，伺服盘就可与控制棒达到同步运动，系统参数保持平衡状态，并得到相应实验结果的验证。驱动缸内径和导流孔直径对机构性能影响效果明显；温度升高会导致工作流量增大。
　　在伺服活塞式水力驱动机构性能实验研究过程中，总结了驱动机构的工作压力和流量随时间发展规律以及工作状态参数对机构性能的影响。实验表明驱动机构在提升初期驱动缸内压差增大，流量减小，然后分别趋于某一稳定值。控制棒质量和移动速度对驱动机构性能影响显著；在启动和制动阶段伺服盘受力达到最大值，电动执行器功率在23～35W之间即可满足设计要求。提升过程中水力驱动机构阻力系数逐渐变大，然后趋于某一定值。无论在提升还是下降过程中，伺服盘可实现对控制棒的精确定位，工作压力变化对定位精度无影响。停泵泄压可加快落棒。研究证明该设计思想具有研究开发价值，为控制棒驱动机构的设计领域提供了一种新思路。

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第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 控制棒驱动系统简介

1.3 相关领域研究动态

1.4 现有控制棒驱动机构优点与不足

1.5 本文主要研究内容

第 2 章 伺服活塞式控制棒水力驱动机构设计

2.1 水力驱动机构设计原理

2.2 水力驱动机构设计方案

2.3 辅助设备

2.4 本章小结

第 3 章 伺服活塞式控制棒水力驱动机构数值模拟

3.1 数值计算前处理

3.2 驱动缸内部流场数值计算

3.3 可变节流口阻力系数数值计算

3.4 驱动活塞强度分析

3.5 双向水力驱动机构性能研究

3.6 本章小结

第 4 章 伺服活塞控制棒水力驱动机构仿真研究

4.1 静态保持特性

4.2 提升过程分析

4.3 下插过程分析

4.4 本章小结

第 5 章 伺服活塞式控制棒水力驱动机构性能实验研究

5.1 伺服活塞式控制棒水力驱动机构实验系统

5.2 压力特性

5.3 流量特性

5.4 牵引器特性研究

5.5 阻力系数变化规律

5.6 工作稳定性分析

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢