采用声歧管谐振器的核反应堆的噪声及振动消减系统的制作方法与工艺

本发明涉及核能发电厂，例如（但不限于），沸水反应堆（BWR）型核能发电厂，并且特别地涉及用于消减由驻波由于蒸汽流过系统的主蒸汽管线而在核反应堆系统（例如，BWR系统）的闭合歧管内激发所导致的潜在破坏性的噪声和振动的系统。

背景技术：
BWR包括部分填充有用作热传输介质的冷却水的反应堆容器。含有用于产生热量的核燃料的反应堆芯由冷却水包围。多个“喷射”泵被布置于容器内，用于增大冷却剂通过反应堆芯的速度，以便有效地去除由反应堆芯中的核燃料产生的热量。由核燃料产生的热量被周围的水吸收，这些水因热量而汽化以产生蒸汽。主蒸汽管线将蒸汽从容器引导到涡轮发电机以通过本技术领域所熟知的方式来产生电力。在蒸汽通过涡轮发电机之后，它被管道输送到用于使蒸汽冷凝成液态水的冷凝器。冷凝水通过冷却剂馈入管道被送回到反应堆容器，用于补充因核燃料的热量而汽化的水。有时，BWR型核能发电厂会遇到声驻波由于蒸汽流过主蒸汽管线而在主蒸汽管道之外的闭合歧管（例如，包括安全卸压阀的立管）内激发。更具体地，当蒸汽向下流入主蒸汽管线时，在闭合歧管的开口处的漩涡脱落（vortexshedding）导致声驻波以闭合歧管的谐振频率在闭合歧管内激发。这些声驻波引起通过主蒸汽管线传播的压力波动并且导致BWR上的蒸汽干燥器及其他设备（例如，安全卸压阀和涡轮停止阀（turbinestopvalve））性能降级。

技术实现要素：
在一种实施例中，本发明提供了一种用于设计/制造被构造成与核能发电厂的立管耦接的声歧管谐振器的方法，其中声歧管谐振器包括起阻尼作用的多个金属丝网元件。该方法包括：确定立管的谐振频率，使用谐振频率来确定声歧管谐振器的有效长度（activelength），以及使用可压缩流体的动量方程和连续性方程来确定将要用于声歧管谐振器中的金属丝网元件的具体数量以及各个金属丝网元件的间距。在另一种实施例中，本发明提供了一种被构造成与核能发电厂的立管耦接的声歧管谐振器，该声歧管谐振器包括：外壳以及用于将外壳耦接至立管的装置，该外壳以及用于耦接的装置被构造以限定声歧管谐振器的“有效”长度，其中有效长度使用立管的谐振频率来确定；以及设置于外壳内的具体数量的金属丝网元件，其中金属丝网元件的具体数量以及各个金属丝网元件的间距使用可压缩流体的动量方程和连续性方程来确定。在本文所描述的示例性实施例中，声歧管谐振器的“有效”长度对应于在立管的内壁与用于将金属丝网组件保持于原位的保持器弹簧之间的长度。因此，“有效”长度还包括管座（weldolet）或者用来将声歧管耦接至立管的任何其他装置或器件的长度。“有效”长度意指为匹配立管的谐振频率所必需的并且声波的传播和吸收发生其内的长度。本发明的这些及其他目的、特征和特性，以及结构的相关元件的操作方法和功能以及部件的组合和制造经济性，在参照附图来考虑下面的描述和所附的权利要求书的情况下将变得更加清楚，所有这些附图构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记在不同的附图中指示对应的部分。但是，应当清楚地认识到，附图仅用于说明和描述的目的，而非旨在作为对本发明范围的界定。如同本说明书及权利要求书使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确说明。附图说明图1是根据一种示例性实施例的可以用以实现本发明的沸水反应堆的示意图；图2是根据本发明的一种示例性实施例的构成图1的沸水反应堆的一部分的ASB谐振器的截面图；图3是根据一种示例性实施例的构成图1的沸水反应堆的一部分的闭合歧管的顶部截面图；图4是示出根据本发明的一种示例性实施例的一种用于设计核反应堆（例如，沸水反应堆）的ASB谐振器的方法的流程图；图5是示出图2和3所示的ASB谐振器的集总参数模型（lumpedparametermodel）的示意图；以及图6是根据一种示例性实施例的图2的ASB谐振器的金属丝网元件的前视图。具体实施方式本文所使用的方向性短语，例如（但不限于），顶部、底部、左侧、右侧、上、下、前、后以及它们的派生词，涉及附图所示的元件的取向，而非对权利要求的限定，除非文中明确说明。如同本文所使用的，关于两个或更多个部分或构件被“耦接”在一起的表述应当意指这些部分直接地或者通过一个或多个中间部分或构件来接合或一起操作。如同本文所使用的，关于两个或更多个部分或构件相互“接合”的表述应当意指这些部分直接地或者通过一个或多个中间部分或构件来对彼此施加力。如同本文所使用的，术语“数字”应当意指1或大于1（即，多个）的整数。图1是根据一种示例性实施例的可以用以实现本发明的沸水反应堆1的示意图。沸水反应堆1包括在压力容器5内的核堆芯3。此外，设置于压力容器5之内的还有流分离器7和蒸汽干燥器9。冷却水向上循环通过堆芯，如箭头所示，堆芯的热量产生与在流分离器7中的再循环水分离开的饱和蒸汽。蒸汽在压力容器5的顶部的蒸汽干燥器9内进行干燥，并且被引导通过主蒸汽管线11以至汽轮发电机12。蒸汽，在用于汽轮发电机12内之后，在冷凝器13中冷凝并且通过主给水管线14返回到压力容器5，用于向下在反应堆芯3附近再循环并且然后向上通过其中。此外还提供多个（通常为两个）再循环回路15、15’，用于使冷却水循环并冷却反应堆。再循环回路15、15’分别包括通向第一阀门19、19’的管线17、17’，从第一阀门19、19’通向再循环泵23、23’的管线21、21’，以及从含有第二阀门27、27’的再循环泵23、23’回到压力容器5的返回管线25、25’。喷射泵29被设置于压力容器5内，该喷射泵29使主给水与来自外部再循环泵23、23’的再循环的冷却水混合。通过堆芯3的冷却水的流量是来自主给水管线13的流量与来自再循环回路15和15’的再循环流量之和。在所示出的实施例中，主蒸汽管线11包括至少一个闭合歧管30，该闭合歧管30包括主蒸汽管线11之外的具有安全卸压阀34的立管32以及与立管32耦接的声歧管（ASB）谐振器36。安全卸压阀34为主蒸汽管线11提供超压保护。如同本文更详细地描述的，ASB谐振器36修改已完工的（asbuilt）立管32，并且使包括安全卸压阀34的立管32的谐振频率有效地偏移。结果，由跨闭合歧管30的开口的漩涡脱落生成的驻波被减少或被消除，由此减少或消除沸水反应堆1的构件（例如，蒸汽干燥器9）的性能降级。另外，在本文所描述的示例性实施例中，ASB谐振器36设置有网筛（meshscreen）以便提供输入系统之内的声能的减振机制。图2是根据本发明的一种示例性实施例的ASB谐振器36的截面图。ASB谐振器36包括由例如（但不限于）ASMEA106、GrB制成的圆柱形外壳38，尽管也可以使用其他材料。外壳38包括第一端部40以及与第一端部40相对的第二端部42。外来物质排除（FME）屏障体44在第一端部40处设置于外壳38内。在示例性的实施例中，FME屏障体44是具有设置于其内的多个孔口的圆板。保持组件46在第二端部42处设置于外壳38内。保持组件46包括丝网压缩板48、平垫圈50、弹簧垫圈52、平垫圈54和固定筛板56。多个金属丝网元件58被设置于外壳38内的FME屏障44与固定组件46之间处。在示例性的实施例中，每个金属丝网元件58都包括具有用于界定丝线之间的多个均匀间隔的、一致的小开口的互锁的或交织的金属丝线的布置的盘形丝网部件。在图6中示出根据一种示例性实施例的金属丝线元件58的前视图。每个金属丝网元件58都将具有与其关联的规定间距，该规定间距是每单位长度的丝线数量（例如，丝线数/英寸）。应当意识到，间距将确定在金属丝网元件58内的开口的尺寸和数量。如同本文其他地方所描述的，金属丝网元件58通过提高引入外壳38之内的声波的能量的粘性耗散来提供阻尼机制（ASB谐振器36在闭合歧管30内创建额外的空腔）。通过使用多个金属丝网圆盘（金属丝网元件58）来提高粘性耗散机制，声波的能量被转换成热量。在示例性的非限制性实施例中，物件44、58、48、50、54和56由316或304不锈钢制成，而物件52由InconelX-75制成，但是也可以使用其他材料。图3是根据一种示例性实施例的闭合歧管30的顶部截面图。如图3所示，闭合歧管30包括立管32和ASB谐振器36。ASB谐振器36通过附接于立管32的管座60与立管32耦接。另外，管帽62被设置于外壳38的端部42以封闭外壳38。理想地，ASB谐振器36与立管32耦接于沿着立管32的长度的受激声驻波在该处将为最大的位置处，该位置是立管32的顶部。但是，在实践中，在核能发电厂内用于构件的空间/空隙通常受限，并且因而ASB谐振器36的定位通常受空间/空隙因素所限制。因此，ASB谐振器36应当在所关注的给定的特定空间和空隙约束下沿着立管32的长度尽可能高地布置。在设计特定的ASB谐振器36时，为了有效地减少或消除声驻波在闭合歧管30内的激发并且提供所期望的减振作用（即，粘性耗散效果），存在必须要确定的多个关键参数。这些参数包括：（1）ASB谐振器36的有效长度（该有效长度在示例性的实施例中包括管座60和外壳38的长度），（2）ASB谐振器36的直径，并且因而金属丝网元件58的直径，（3）设置于外壳38内的金属丝网元件58的数量，以及（4）金属丝网元件58的间距。金属丝网元件58的直径、数量和间距确定着它们将提供的阻尼效果。ASB谐振器36的长度是重要的，因为它决定着ASB谐振器36将要谐振的频率。要有效率，ASB谐振器36必须在实践中与将要消除的频率尽可能地接近的频率下谐振，该频率是立管32的谐振频率，即，声驻波将被激发的频率。ASB谐振器36的谐振频率由下式给出：其中c是音速（一般地，该公式适用于“开闭型”歧管，在该“开闭型”歧管中，一侧是敞开的，而另一侧是封闭的）。在公式（1）中，Le是用于对在歧管的开口处加速的气体的质量予以考虑的歧管的等效长度。对于法兰形端部歧管的Le的表达式由下式给出：Le=L+8a3π,---(2)]]>其中a是ASB谐振器36的半径。实际上，将ASB谐振器36添加到系统内的作用是通过将谐振频率分成低频分量和高频分量来消除因立管32所致的谐振频率。有效地，ASB谐振器36的总尺寸能够使用几种方法来计算。如同下文所描述的，本发明在示例性的实施例中采用波动方程的特征值（eigenvalue）问题。图4是示出根据本发明的一种示例性实施例的用于为核反应堆（例如，沸水反应堆）的立管32设计ASB谐振器36的方法的流程图。参照图4，方法开始于步骤100，在该步骤100中，立管32的谐振频率使用声波方程的特征值来确定。然后，在步骤102，ASB谐振器36的尺寸使用刚确定的谐振频率和声波方程来确定。ASB谐振器36的有效长度使用方程1和2（在上文）来确定。通过这样做，ASB谐振器36和立管32将在声学上耦接，意味着在到ASB谐振器36的立管32内的开口将不产生波反射，这意味着ASB/立管系统的声阻抗几乎为零。ASB谐振器36的直径通过使用公式19（在下文）对期望声阻进行优化以及通过满足用于将该构件安装于具体工厂内的准则来确定。该后一准则基于如果具有很大直径的ASB谐振器36被制造则可能妨碍安装的事实。此外，注意，直径不应超过立管的直径，因为在这样的情况下将很难以用标准管道配件来安装ASB谐振器36。在示例性的实施例中，ASB谐振器36的长度使用具有可变项的一维波动方程来确定。特别地，尺寸基于对具有可变面积项的一维波动方程的特征值问题的求解来确定。然后，在步骤104，待设置于ASB谐振器36内的金属丝网元件58的数量以及金属丝线元件58的间距使用可压缩流体的动量方程和连续性方程来确定。金属丝网元件58的数量以及金属丝网元件58的间距取决于ASB谐振器36的直径、流体的类型及声频。此外，这个方面是优化问题的一部分，在该优化问题中，对ASB谐振器36的直径进行“猜测”。通常，好的猜测是使用立管的1/2直径，并且然后使用下文所描述的公式（22）想方设法地使传输损耗最大化。损耗在公式（22）中给出的传输是达到在某一声阻下达到最大值的曲线，该某一声阻是在ASB谐振器36的某一直径、流体类型、频率以及金属丝网单元58的数量和间距下获得的优化声阻。将声阻增加到无穷大实际上会损害过程，因为传输损耗将变为零并且在ASB谐振器36内没有波耗散。在这种情况下，ASB谐振器36充当使波反射回到系统之内的“墙壁”。一种用于执行图4的步骤103的具体方法将在下文描述。一般地，在系统内的机械阻力由阻尼器（通常被认为是粘性或线性阻尼器）来提供，在该阻尼器中，在阻尼器上的力与速度成正比。模拟能够以声学系统来建立，在声学系统中定义了声阻（即，RA），单位为瑞利（rayl）（即，N-s/m3）。声阻是被定义为声压与在介质内产生的粒子速度之比的频率相关的参数。基于该模拟，可以开发出对因流体速度以及被引入ASB谐振器36之内的阻尼材料所致的声阻予以考虑的模型。闭合歧管30能够以图5所示的阻尼参数模型来描述。在图5中，下标1表示上游条件，下标2表示下游条件，而下标b表示ASB谐振器36的条件。基于图5所描述的系统，在ASB谐振器36的立管32上游处的瞬时声压p1(t)可以如同以下的公式（3）所示的那样来写出。p1(t)=A1ei(ωt-kx)+B1ei(ωt+kx)（3）在公式（3）中，第一项表示在接合部（ASB谐振器36与立管32的连接点）处的入射声波，而第二项表示朝来源处（即，其内可获得最大压力的立管32的上表面）反射回的声波。以类似的方式，在接合部的下游处的瞬时声压用以下的公式（4）来表示，假定被反射回到接合部之上的能量是可忽略的。p2(t)=A2ei(ωt-kx)（4）在点x=0处的声压，如图5所示，对于三个元件必须是相同的，即，压力的连续性，如下：p1(x=0)=p2(x=0)=pb（5）通过将公式（3）和（4）代入公式（5）内，我们获得了在接合点（参见图5）（即，x=0）处估计的下列恒等式：A1+B1=A2=pb（6）在歧管（ASB谐振器36）内的声压可以依据ASB谐振器36的声阻来写出，如下：pb(t)＝Ub(t)ZAb＝Ub(t)·(RA+iXA)（7）在接合部的上游处的体积流率可以依据声速u1(t)以及主管（立管32）的截面积S来写出：U1(t)=Su1(t)=(Sρ0c)[A1ei(ωt-kx)-B1ei(ωt+kx)]---(8)]]>因此，在接合部的下游处的体积流率可以以类似的方式来写出：U2(t)=Su2(t)=(Sρ0c)A2ei(ωt-kx)---(9)]]>在接合部（在图5中为x=0）处，能够类似地将基尔霍夫（kirchoff）原理能够应用于电路；因此，在节点处，进入的电流/声速之和必须等于退出的电流/声速之和，如下：U1(x=0)=U2(x=0)+Ub(x=0)（10）通过将公式（7）、（8）和（9）代入公式（10）内，我们获得了在接合点（参见图5）（即，x=0）处估计的下列恒等式：Sρ0c(A1-B1)=Sρ0cA2+pb(t)(RA+iXA)---(11)]]>通过将公式（6）的恒等式用于公式（11）内，我们获得：Sρ0c(A1-B1)=Sρ0cA2+A2(RA+iXA)---(12)]]>根据公式（6），即，B1=A2-A1，我们能够消去公式（12）中的B1，如下Sρ0c(A1-A2+A1)=Sρ0cA2+A2(RA+iXA)---(13)]]>以某一代数，我们得到了以下的公式（14），该公式（14）存在于在ASB谐振器36的接合部处的入射声波与传输声波之间的传递函数内。该传递函数允许基于传输损耗系数来计算ASB谐振器36的有效性。A1A2=ρ0c2S+RA+iXARA+iXA---(14)]]>该项的量值被写出如下：|A1A2|2=(ρ0c2S+RA)2+XA2RA2+XA2---(15)]]>用于ASB谐振器36的声功率传输系数at被定义为所传输的声功率与入射到接合部上的声功率之比，并且可以表示如下：at=PtrPin=|A2A1|2=RA2+XA2(ρ0c2S+RA)2+XA2---(16)]]>闭合管（即，ASB谐振器36）的声抗能够被定义如下：XA=ρ0cπa2cot(kLe)---(17)]]>其中k是波数。消声器的传输损耗TL涉及声功率传输系数，如以下的公式（18）所示。注意，在公式（18）中的单位是分贝。TL=10log10(1at)---(18)]]>在许多设计情形（例如，本文所描述的ASB谐振器36）中，形式为网筛或其他元件的额外声阻必须加起来，以获得指定的声阻。总声阻RA涉及声阻率RS（单位面积的声阻），如下：RA=ρ0cσL+RSπa2---(19)]]>公式（19）在基于丝网层的存在以及由于管内的流体摩擦（以衰减系数σ表示）而耗散的能量来引入声阻率方面是特别有用的。因流体摩擦所致的衰减系数σ可以根据以下表达式来给出：σ=(πfμeρ0)0.5ac---(20)]]>在公式（20）中，参量μe是气体的有效粘度，该有效粘度包括热传导的作用：μe=μ[1+(γ-1)(γPr)0.5]---(21)]]>在公式（21）中，参量μ是气体（即，蒸汽）的粘度，γ是比热比，而Pr是气体的普朗特数（Prandtlnumber）。在引入Ns个丝网层（即，Ns个金属丝网元件58）后，总的声阻率将是RS=Ns*Rs1，其中Rs1是一层网筛（即，一个金属丝网元件58）的声阻率。在下面所提供的表1中示出了Rs1的多个值。表1ASB谐振器36的声功率传输损耗系数（TL）可以通过将声抗（公式17）及声阻（公式19）的表达式代入公式16之内来获得，其中我们获得：1at=PinPtr=|A1A2|2=(σL+RSρ0c+πa22S)2tan(kLe)2+1(σL+RSρ0c)2tan(kLe)2---(22)]]>因而，基于刚刚描述的具体方法，在特定的应用中可以通过确定ASB谐振器36的期望总声阻RA来确定金属丝网元件58的数量和间距。然后可以确定/选择金属丝网元件58的数量以及各个金属丝网元件58的间距，使得当它们被插入ASB谐振器36的外壳38之内时，ASB谐振器将具有所期望的总声阻RA。特别地，每个金属丝网元件58都将具有声阻率RS1，并且因此金属丝网元件58的集合将具有与RS1*此类元件的数量（NS）相等的总声阻率RS。各个金属丝网元件58的间距基于所期望的总声阻来具体地选择以提供声阻率RS1，使得RS将促使该ASB谐振器36具有所期望的总声阻。虽然本发明已经为了说明的目的基于当前被认为是最实用的且优选的实施例的那些实施例进行了详细描述，但是应当理解，这样的细节只是为了说明的目的，并且本发明并不限定于所公开的实施例，而是相反地旨在涵盖属于所附权利要求书的精神和范围之内的修改和等同布置。例如，应当理解，本发明可设想得到，任何实施例的一个或多个特征都能够尽可能地与任何其他实施例的一个或多个特征结合。另外，本发明还可以应用于核反应堆领域之外，例如，应用于例如（但不限于）燃煤发电厂的领域中。