一种变刚度板弹簧压紧系统的制作方法

本发明涉及燃料组件技术领域，特别是涉及一种变刚度板弹簧压紧系统。

背景技术：

现有压水堆核电站常用的燃料组件由若干燃料棒、导向管、定位格架、下管座以及包含压紧系统的上管座部件等组成(见图1)。压紧系统设置在燃料组件顶部，与上管座一起构成上管座部件。压紧系统的功能是实现对燃料组件的压紧，保持燃料组件与下堆芯板接触，并补偿燃料组件辐照伸长和燃料组件相对于堆芯板的热膨胀差。燃料组件压紧系统通常有螺旋弹簧结构和片状板弹簧结构两种，压水堆核电燃料组件采用板弹簧压紧系统的更多。

板弹簧压紧系统对燃料组件的结构稳定性至关重要，如何进一步优化板弹簧压紧系统的结构，以使得其工作时具有更好的稳定性，是现有技术中燃料组件压紧系统的重要研究方向。

技术实现要素：

本发明提供了一种变刚度板弹簧压紧系统，该弹簧压紧系统可改变板弹簧压紧系统的力学特性，缓解对燃料组件长期过度压紧状态。

为解决上述问题，本发明提供的一种变刚度板弹簧压紧系统通过以下技术要点来解决问题：一种变刚度板弹簧压紧系统，包括板弹簧组，所述板弹簧组包括由上至下依次重叠的a弹簧、b1弹簧及b2弹簧，所述a弹簧上设置有a弹簧竖直臂，所述b1弹簧包括b1弹簧倾斜臂，b1弹簧倾斜臂上设置有b1弹簧方形窗口，所述b2弹簧包括b2弹簧倾斜臂，b2弹簧倾斜臂上设置有b2弹簧方形窗口，所述a弹簧竖直臂依次穿过b1弹簧方形窗口和b2弹簧方形窗口，所述b1弹簧方形窗口为四周封闭的孔，所述b2弹簧方形窗口为设置于b2弹簧端部上的缺口，且b2弹簧方形窗口的开口端位于b2弹簧的端部；

所述b1弹簧倾斜臂与b2弹簧倾斜臂之间具有间隙。

常规技术的燃料组件板弹簧压紧系统见图2至图4。压紧系统由四组对称安装在上管座顶部的板弹簧组构成。每一组板弹簧组包含若干片弹簧片以及固定弹簧片的固定件。其中最上面的弹簧片由水平段、倾斜臂和带单侧勾爪的竖直臂三部分组成，水平段设有定位孔；位于下部的几片弹簧片由水平段和倾斜臂两部分组成，在倾斜臂的末端设有全封闭的方形窗口，水平段同样设有定位孔。所有弹簧片由上至下叠放后，顶部弹簧片的竖直臂依次穿过下部弹簧片倾斜臂上的方形窗口，并插入上管座开槽内配合固定，弹簧片水平段的定位孔重叠并通过压紧螺钉或销钉固定在上管座上。安装后，相邻弹簧片的水平段相互接触并压紧，相邻弹簧片的倾斜臂末端相互接触并有一定接触力，所有弹簧片均有一定压缩量，即存在预紧力。

图5给出了常规技术的板弹簧压紧系统的特性曲线。为了保证安全而出于保守设计考虑，该板弹簧压紧系统具有较大的压紧力余量，在整个运行区间内，板弹簧提供的实际压紧力大于燃料组件所需的压紧力，使得燃料组件在寿期内长期承受过度的压紧力，对保持燃料组件结构稳定性是不利的，实践也表明这种过度压紧引起了燃料组件辐照弯曲变形并进一步影响到控制棒落棒。另一方面，常规技术的板弹簧压紧系统在制造安装状态下和运行使用中，所有弹簧片均一直处于压缩状态，并在反应堆首次安装后即出现屈服，弹簧片内部存在较大应力，应力大其辐照松弛量因而也比较大，辐照松弛后弹簧压紧力降低，特别是燃料组件寿期的中后期的热态下存在压紧力不足的风险。

本方案中，所述a弹簧、b1弹簧及b2弹簧即为板弹簧压紧系统中的弹簧片，在使用时，所述a弹簧、b1弹簧及b2弹簧均固定于燃料组件顶部的上管座上，a弹簧竖直臂作用于燃料组件上，通过a弹簧与b1弹簧被压缩后，或a弹簧、b1弹簧及b2弹簧被压缩后，为燃料组件提供压紧力。

本方案中，相当于将多片弹簧片设置成了多篇贴合加单片独立的组合方式，其中，限定为b1弹簧方形窗口为四周封闭的孔、b2弹簧方形窗口为一端开口的槽、b1弹簧倾斜臂与b2弹簧倾斜臂之间具有间隙，同时通过对所述槽开口方向的限定，旨在实现以下目的：可避免在板弹簧组下压过程中由于a弹簧和b1弹簧两者相对于下层的b2弹簧运动或变形不一致导致的a弹簧竖直臂与b2弹簧方形窗口相互干涉的问题，即只有在a弹簧和b1弹簧两者被压缩到一定程度后，a弹簧竖直臂才与b2弹簧方形窗口相互作用，此时，b2弹簧才发生弹性变形为燃料组件提供压紧力，即板弹簧组的压缩量大于某设定值后，下层的b2弹簧才依次开始承受压力，使板弹簧组的刚度增大。

这样，在冷态启动时，燃料组件需要较大的压紧力，此时板弹簧组的压缩量较大，a弹簧、b1弹簧、b2弹簧均承受压力，板弹簧组刚度相对较大，可提供一个相对大的压紧力以满足燃料组件的压紧需求。由于下层的b2弹簧是在顶部a弹簧和中间的b1弹簧压缩到一定程度后才开始受压，因此，相较于现有技术，在采用相同的总弹簧片数和相同力学性能弹簧片的条件下，本方案中下层b2弹簧的压缩量比常规技术的板弹簧组中下层的弹簧片的压缩量要小，其提供的压紧力也相对要小，整组板弹簧组提供的总压紧力也比常规技术的板弹簧组提供的压紧力要小，这样，即降低了压紧系统的压紧力余量，有效缓解由于对燃料组件过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

在热态满功率运行时，燃料组件需要相对小一些的压紧力，此时板弹簧组的压缩量较小，只有顶部的a弹簧和中间的b1弹簧承受压力，而下层的b2弹簧仍处于自由状态，板弹簧组刚度相对较小，此时可提供一个相对小而恰好满足燃料组件压紧需求的压紧力。在采用相同的总弹簧片数和相同力学性能弹簧片的条件下，由于b2弹簧与a弹簧竖直臂没有相互作用，本方案中在热态满功率运行时受压的弹簧片数比常规技术的板弹簧组少，其提供的压紧力相对更小一些，降低了压紧系统的压紧力余量，有效缓解由于对燃料组件过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

综上，本方案区别于现有技术，通过调整弹簧片的角度，即所述b1弹簧倾斜臂与b2弹簧倾斜臂之间具有间隙，同时设置为b2弹簧方形窗口为带缺口的窗口设计，使位于下层的b2弹簧的倾斜臂与相邻的b1弹簧倾斜臂分离，使得板弹簧组在运行区间内在a弹簧和b1弹簧在变形量不大的情况下，使得a弹簧竖直臂与b2弹簧方形窗口不发生干涉，使得板弹簧组在整个变形过程中其力学性能呈现变刚度力学特性，在满足燃料组件压紧功能需求的条件下降低了压紧力余量，有效缓解了由于对燃料组件长期过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

更进一步的技术方案为：

作为a弹簧的具体实现方案，由所述a弹簧的一端至另一端，a弹簧的各段依次为a弹簧水平段、a弹簧倾斜臂、a弹簧竖直臂，所述a弹簧水平段上设置有a弹簧定位孔；

由a弹簧倾斜臂的一端至另一端，a弹簧倾斜臂的厚度线性变薄，且a弹簧倾斜臂的厚度最大端与a弹簧水平段相接。

作为b1弹簧的具体实现方案，由所述b1弹簧的一端至另一端，b1弹簧的各段依次为b1弹簧水平段、b1弹簧倾斜臂，所述b1弹簧水平段上设置有b1弹簧定位孔；

由b1弹簧倾斜臂的一端至另一端，b1弹簧倾斜臂的厚度线性变薄，且b1弹簧倾斜臂的厚度最大端与b1弹簧水平段相接。

作为b2弹簧的具体实现方案，由所述b2弹簧的一端至另一端，b2弹簧的各段依次为b2弹簧水平段、b2弹簧倾斜臂，所述b2弹簧水平段上设置有b2弹簧定位孔；

由b2弹簧倾斜臂的一端至另一端，b2弹簧倾斜臂的厚度线性变薄，且b2弹簧倾斜臂的厚度最大端与b2弹簧水平段相接。

以上三个方案中分别对a弹簧、b1弹簧和b2弹簧作了进一步限定，以上三个方案中，a弹簧定位孔、b1弹簧定位孔、b2弹簧定位孔分别作为a弹簧、b1弹簧和b2弹簧通过固定件与上管座连接的安装孔，即a弹簧水平段、b1弹簧水平段、b2弹簧水平段三者重叠后，a弹簧定位孔、b1弹簧定位孔、b2弹簧定位孔三者重叠，通过引入固定件，即可实现本板弹簧组与上管座的固定。

以上三个方案中，a弹簧倾斜臂、b1弹簧倾斜臂、b2弹簧倾斜臂均为由一端到另一端厚度线性变薄的结构，同时通过对各自厚度最大端的限定，可实现如下目的：通过限定厚度锥度比r，可有效降低各弹簧片的应力水平并使各弹簧片的屈服点后移，达到缓解弹簧片的辐照松弛现象，降低在燃料组件寿期的中后期出现热态压紧力不足风险的目的；以上厚度锥度比r配合b2弹簧方形窗口为缺口的设计，可使得板弹簧组的整体结构稳定性和力学稳定性进一步得到提高，达到提高了燃料组件在堆内使用的安全性能的目的。优选的，以上厚度锥度比r采用r大于2的设计。

作为b1弹簧的具体实现方式，所述b1弹簧的数量为一根或多根，在所述b1弹簧的数量为多根时，b1弹簧设置有b1弹簧方形窗口的一端相互接触，且b1弹簧相互接触的端部之间具有接触力。本方式中，可根据需要，选择合适数量的b1弹簧制作板弹簧组。

作为b2弹簧的具体实现方式，所述b2弹簧的数量为一根或多根，在所述b2弹簧的数量为多根时，各b2弹簧的b2弹簧倾斜臂之间具有间隙。本方式中，可根据需要，选择合适数量的b2弹簧制作板弹簧组，这样，b2弹簧相对分离呈自由状态安装后，改变了板弹簧组在运行区间的力学特性，降低了压紧力余量，有效缓解了由于对燃料组件长期过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

作为一种一体化设计方案，还包括用于板弹簧组与上管座连接的固定件，所述固定件为压紧螺钉或固定销定。

常规技术的板弹簧压紧系统中，顶部弹簧片竖直臂的末端为单勾爪结构，单勾爪与上管座开槽配合，不利于力的平衡，并且存在松脱风险；同时，由于安装方位的差异，四组板弹簧组的4片顶部弹簧的单勾爪结构存在差异，其中2片向左、2片向右，增加了弹簧片加工制造的管理难度和出错几率。作为一种优化设计方案，本方案中，所述a弹簧竖直臂的自由端上还设置有a弹簧双侧勾爪。以上a弹簧双侧勾爪即为将现有技术中单独的向左或向右的单勾爪进行融合，即a弹簧双侧勾爪同时包括了向左和向右的单勾爪。通过采用以上的双侧勾爪设计，可有效降低勾爪松脱风险，并使各弹簧的受力更加均匀，板弹簧组的整体结构稳定性更好；采用双侧勾爪后，四组板弹簧组的顶部a弹簧结构形式完全一致，实现了零部件的标准化，有效降低弹簧片加工制造的管理难度和弹簧片错装风险。

作为一种便于板弹簧压紧系统在上管座上安装，同时使得燃料组件周向上受压更为均匀的实现方案，所述板弹簧压紧系统包括四个板弹簧组。

本发明具有以下有益效果：

本方案区别于现有技术，通过调整弹簧片的角度，即所述b1弹簧倾斜臂与b2弹簧倾斜臂之间具有间隙，同时设置为b2弹簧方形窗口为带缺口的窗口设计，使位于下层的b2弹簧的倾斜臂与相邻的b1弹簧倾斜臂分离，使得板弹簧组在运行区间内在a弹簧和b1弹簧在变形量不大的情况下，使得a弹簧竖直臂与b2弹簧方形窗口不发生干涉，使得板弹簧组在整个变形过程中其力学性能呈现变刚度力学特性，在满足燃料组件压紧功能需求的条件下降低了压紧力余量，有效缓解了由于对燃料组件长期过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

附图说明

图1为燃料组件一个具体实施例的整体结构示意图；

图2为燃料组件一个具体实施例的上部结构示意图；

图3为现有技术中的板弹簧组中所包括的上侧弹簧片一个具体实施例的结构示意图；

图4为现有技术中的板弹簧组中所包括的下侧弹簧片一个具体实施例的结构示意图；

图5为现有技术中的板弹簧压紧系统一个具体实施例的特性曲线图；

图6为本方案提供的板弹簧压紧系统一个具体实施例与上管座的装配图；

图7为本方案提供的板弹簧组一个具体实施例的结构示意图；

图8为本方案提供的板弹簧组一个具体实施例中，a弹簧的结构示意图；

图9为本方案提供的板弹簧组一个具体实施例中，b1弹簧的结构示意图；

图10为本方案提供的板弹簧组一个具体实施例中，b2弹簧的结构示意图；

图11为本案提供的板弹簧压紧系统一个具体实施例的特性曲线图；

图12为本案提供的板弹簧组一个具体实施例的结构示意图，该具体实施例中包括三块b1弹簧，一块b2弹簧；

图13为本案提供的板弹簧组一个具体实施例的结构示意图，该具体实施例中包括两块b1弹簧，两块b2弹簧。

图中标记分别为：1、板弹簧压紧系统，2、上管座，3、板弹簧组，4、a弹簧，4a、a弹簧水平段，4a1、a弹簧定位孔，4b、a弹簧倾斜臂，4c、a弹簧竖直臂，4c1、a弹簧双侧勾爪，5、b1弹簧，5a、b1弹簧水平段，5a1、b1弹簧定位孔，5b、b1弹簧倾斜臂，5b1、b1弹簧方形窗口，6、b2弹簧，6a、b2弹簧水平段，6a1、b2弹簧定位孔，6b、b2弹簧倾斜臂，6b1、b2弹簧方形窗口，7、固定件。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1至图13所示，一种变刚度板弹簧压紧系统，包括板弹簧组3，所述板弹簧组3包括由上至下依次重叠的a弹簧4、b1弹簧5及b2弹簧6，所述a弹簧4上设置有a弹簧竖直臂4c，所述b1弹簧5包括b1弹簧倾斜臂5b，b1弹簧倾斜臂5b上设置有b1弹簧方形窗口5b1，所述b2弹簧6包括b2弹簧倾斜臂6b，b2弹簧倾斜臂6b上设置有b2弹簧方形窗口6b1，所述a弹簧竖直臂4c依次穿过b1弹簧方形窗口5b1和b2弹簧方形窗口6b1，所述b1弹簧方形窗口5b1为四周封闭的孔，所述b2弹簧方形窗口6b1为设置于b2弹簧6端部上的缺口，且b2弹簧方形窗口6b1的开口端位于b2弹簧6的端部；

所述b1弹簧倾斜臂5b与b2弹簧倾斜臂6b之间具有间隙。

本方案区别于现有技术，通过调整弹簧片的角度，即所述b1弹簧倾斜臂5b与b2弹簧倾斜臂6b之间具有间隙，同时设置为b2弹簧方形窗口6b1为带缺口的窗口设计，使位于下层的b2弹簧6的倾斜臂与相邻的b1弹簧倾斜臂5b分离，使得板弹簧组3在运行区间内在a弹簧4和b1弹簧5在变形量不大的情况下，使得a弹簧竖直臂4c与b2弹簧方形窗口6b1不发生干涉，使得板弹簧组3在整个变形过程中其力学性能呈现变刚度力学特性，在满足燃料组件压紧功能需求的条件下降低了压紧力余量，有效缓解了由于对燃料组件长期过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图6至图10、图12、图13所示，作为a弹簧4的具体实现方案，由所述a弹簧4的一端至另一端，a弹簧4的各段依次为a弹簧水平段4a、a弹簧倾斜臂4b、a弹簧竖直臂4c，所述a弹簧水平段4a上设置有a弹簧定位孔4a1；

由a弹簧倾斜臂4b的一端至另一端，a弹簧倾斜臂4b的厚度线性变薄，且a弹簧倾斜臂4b的厚度最大端与a弹簧水平段4a相接。

作为b1弹簧5的具体实现方案，由所述b1弹簧5的一端至另一端，b1弹簧5的各段依次为b1弹簧水平段5a、b1弹簧倾斜臂5b，所述b1弹簧水平段5a上设置有b1弹簧定位孔5a1；

由b1弹簧倾斜臂5b的一端至另一端，b1弹簧倾斜臂5b的厚度线性变薄，且b1弹簧倾斜臂5b的厚度最大端与b1弹簧水平段5a相接。

作为b2弹簧6的具体实现方案，由所述b2弹簧6的一端至另一端，b2弹簧6的各段依次为b2弹簧水平段6a、b2弹簧倾斜臂6b，所述b2弹簧水平段6a上设置有b2弹簧定位孔6a1；

由b2弹簧倾斜臂6b的一端至另一端，b2弹簧倾斜臂6b的厚度线性变薄，且b2弹簧倾斜臂6b的厚度最大端与b2弹簧水平段6a相接。

本实施例中对各弹簧片的倾斜臂厚度限定，可使得各弹簧片内部的应力进一步降低，使整个压紧系统的运行性能更加稳定可靠。以上各个定位孔即用于实现板弹簧压紧系统1中的板弹簧组3通过固定件7与上管座2相连。

实施例3：

本实施例在实施例1提供的技术方案的基础上对本案作进一步限定：如图12至图13所示，作为b1弹簧5的具体实现方式，所述b1弹簧5的数量为一根或多根，在所述b1弹簧5的数量为多根时，b1弹簧5设置有b1弹簧方形窗口5b1的一端相互接触，且b1弹簧5相互接触的端部之间具有接触力。本方式中，可根据需要，选择合适数量的b1弹簧5制作板弹簧组3。

作为b2弹簧6的具体实现方式，所述b2弹簧6的数量为一根或多根，在所述b2弹簧6的数量为多根时，各b2弹簧6的b2弹簧倾斜臂6b之间具有间隙。本方式中，可根据需要，选择合适数量的b2弹簧6制作板弹簧组3，这样，b2弹簧6相对分离呈自由状态安装后，改变了板弹簧组3在运行区间的力学特性，降低了压紧力余量，有效缓解了由于对燃料组件长期过度压紧导致的燃料组件弯曲变形问题。

其中，图12和图13分别示出了包括三根b1弹簧5和两根b1弹簧5的实现方案，图12所提供的实现方案相较于图13提供的实现方案，相当于通过增加板弹簧组3的整体刚度，获得更大的压紧力值，可满足燃料组件在不同功率、更大流量要求的堆芯设计中的压紧功能需求。

其中，图12和图13分别示出了包括一根b2弹簧6和两根b2弹簧6的实现方案，图13所提供的实现方案相较于图12提供的实现方案，相当于板弹簧组3在运行区间内刚度特性变化层次更多。

实施例4：

本实施例在实施例1提供的技术方案的基础上对本案作进一步限定：如图6至图10、图12、图13所示，所述a弹簧竖直臂4c的自由端上还设置有a弹簧双侧勾爪4c1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。