Эксплутационные режимы и расчетные случаи

Расчеты на прочность в процессе проектирования, изготовления, испытаний и эксплуатации реактора КЯЭУ

Расчеты на прочность являются одной из важнейших составляющих процесса создания конструкции реактора наряду с нейтронно-физическими, тепловыми и гидравлическими расчетами.

Для прочностного расчета источниками исходных данных по силовым и температурным нагрузкам являются тепловой и гидравлический расчет реактора.

Основные этапы прочностной отработки конструкции реактора соответствуют этапам проектирования. Каждый такой этап включает в себя серии расчетов, преследующие вполне конкретные цели. Расчеты на прочность на начальных стадиях формирования работоспособной конструкции носят итерационный характер.

Этап технического предложения, как правило, содержит расчеты на прочность по выбору основных размеров. Содержание таких расчетов, так же как и конструкторских разработок, имеет целью показать принципиальную возможность создания изделия, отвечающего требованиям технического задания.

На стадии эскизного проектирования расчеты на прочность позволяют подтвердить прочностную работоспособность основной несущей конструкции реактора на наиболее напряженных режимах, а также обеспечить количественный процесс оптимизации конструкции по массе с последующим неизбежным уточнением расчетных методик и детализацией расчетных схем.

На стадии эскизного проекта отработка прочности новых технических решений, помимо расчетно-теоретического анализа, проводится на специально создаваемых моделях и макетах.

На этапе технического и рабочего проектирования проводится поверочный расчет изделия в целом, узлов, агрегатов и отдельных деталей на всех эксплутационных режимах реактора КЯЭУ.

На примере реакторов КЯЭУ 2-го поколения рассмотрим режимы работы, на нагрузки которых выполняются прочностные расчеты.

Стационарный форсированный режим (режим повышенной мощности) в течение которого энергоустановка питает, помимо бортовой аппаратуры КА, электроракетные двигатели, обеспечивающие маневрирование на орбитах.

Стационарный номинальный режим – это режим когда КЯЭУ, главным образом, снабжает электроэнергией бортовую аппаратуру КА, при выполнении КА полетной программы.

Реактор испытывает также нагрузки эксплутационных и технологических режимов: режима пуска, режима останова, режима аварийной ситуации (режим, требующий экстренного останова реактора), режима выведения КА на орбиту, режимов технологических проверок при изготовлении реактора, режимов транспортирования и такелажных работ.

Перейдем к анализу нагрузок, характеризующих те или иные условия эксплуатации реактора.

Форсированный режим в своем начале характеризуется статическим нагружением конструкции при повышенных температурах. Длительность этого режима порядка нескольких тысяч часов. Напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции реактора определяется перепадами температур и нагрузками от избыточного давления в полостях.

Номинальный режим – основной рабочий режим длительностью до десятков тысяч часов при статическом нагружении конструкции температурным полем и давлением.

Режимы пуска и останова отличаются значительными перепадами температур по сечениям реактора и его длине, что вызывает значительные температурные напряжения и деформации. Алгоритм пуска (т.е. функции изменения рабочих параметров по времени) реактора во многом определяет его НДС. В случае чрезмерного нагружения конструкции на пусковом режиме требуется корректировка алгоритма пуска в сторону увеличения его продолжительности. Увеличение времени пуска позволяет получить более “сглаженное” НДС.

Поскольку время выхода реактора на режим занимает порядка нескольких часов, то режимы пуска-останова рассматриваются как статические. Прочность конструкции проверяется при максимальном перепаде температур по длине и радиусу реактора.

Основным требованием к алгоритму штатного или экстренного останова является требование сохранения прочности и герметичности внешней оболочки корпуса реактора, что необходимо для исключения выхода в окружающую среду теплоносителя или радиоактивных материалов. Таким образом, требования по прочности являются определяющими для нагрузок, реализующихся при срабатывании органов управления и аварийной защиты в процессе выключения реактора.

На режиме останова выполняется расчет на статическую прочность, так-так на этом режиме изменение температурного поля и давления происходит с умеренной скоростью. Все сказанное в отношении режима останова справедливо и для режима аварийной ситуации, когда правилами эксплуатации предусматривается экстренное выключение реактора.

С двумя последними рассмотренными режимами связаны расчеты динамики срабатывания стержней безопасности. Прочность элементов этих систем должна обеспечивать надежную фиксацию их в активной зоне реактора, а динамические нагрузки при их введении в АЗ не должны перегружать конструкцию, чтобы не нарушилась герметичность наружной оболочки корпуса.

Режим выведения КА на орбиту характеризуется действием как статических, так и динамических нагрузок на реактор.

Статические нагрузки – это нагрузки от действия линейных ускорений, которые вызваны маневрированием ракеты-носителя (РН). К динамическим нагрузкам относятся:

– синусоидальная вибрация в широком диапазоне частот, вызванная работой маршевых двигателей РН,

– удары одиночного действия от срабатывания пиросредств при разделении ступеней РН и т.п.

К технологическим режимам относятся:

– транспортирование автономное в пределах предприятия изготовителя,

– транспортирование в составе КЯЭУ в специальных транспортных контейнерах,

– различные такелажные работы, в том числе и на стартовой позиции РН.

Особую группу технологических режимов составляют проверки герметичности функциональных полостей и прочности сварных соединений при сборке реактора.

Прочностной расчет для этой группы режимов выполняется на этапе проектирования для того, чтобы убедиться в герметичности конструкции и прочности сварных соединений. Причем выбор допустимых значений проверочных давлений производится так, чтобы не повредить каждую последовательно образующуюся сборочную единицу.

В процессе указанных проверок при сборке реактора часто приходится прибегать к такому приему, как подкрепление специальными технологическими приспособлениями пластин и оболочек собираемой конструкции. Дело в том, что часть элементов конструкции может оказаться под действием опасной для них нагрузки. В то время как эта нагрузка требуется при проверках на герметичность и прочность для большинства других деталей в проверяемой сборочной единице и для этих деталей допустима. Такая ситуация обусловлена сложной, разветвленной конструкцией особенно термоэмиссионных реакторов-преобразователей.

На режимах транспортирования и такелажных работ выполняются расчеты на статическую прочность от действия соответствующих перегрузок. Прочность и работоспособность от действия динамических нагрузок, в любом случае, подтверждается соответствующими испытаниями.

Дата добавления: 2015-06-04