tvel (859138), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Материал стержней и накладок – плотный карбидниобия с избыточным по отношению к стехиометрическому содержанием углерода: х1∙ Nb+ x2 ∙ C.3.4. Обоймы нагревных секций (блоков) ТВЭЛ с функцией теплоизоляцииОбойма объединяет ТВЭЛ в секции, обеспечивает их радиальную и осевуюфиксацию ТВЭЛ и воспринимает действие газодинамических сил, приложенных кТВЭЛ, передает их корпусу ТВС.
При этом обойма нагревной секции (блока) выполняеттакже функцию теплоизоляции с тем, чтобы минимизировать тепловой поток между нагретым теплоносителем, текущим по каналам ТВС, и её металлическим корпусом (см. рис. 3) –допустимой можно считать утечку теплоты, не превышающую 1% от энерговыделения в ТВЭЛ секции.Для уменьшения теплового потока обойма может дополняться так называемым теплоизоляционным пакетом – набором деталей или специальных слоев материала обоймы,создающих дополнительно к тепловому сопротивлению её силовой (прочной) части заданное суммарное тепловое сопротивление.Исходя из задачи минимизации загрузки делящегося вещества, массы и габаритов активной зоны реактора ЯРД летательного аппарата, толщина теплоизоляциидолжна быть минимальной, что приводит к требуемому уровню градиентов темпераОглавлениеДорофеев А.А.
«Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»42тур в материале обоймы или пакете теплоизоляции около 1000 К/мм и соответствующим термическим напряжениям.Для большинства материалов требование высокой прочности и малой теплопроводности противоречивы: уменьшение теплопроводности с повышением пористости (снижением плотности) одновременно ведет к разупрочнению материала.Это противоречие может быть частично преодолено применением материаловсо значительной анизотропией свойств (например, обладающей ортотропной анизотропией пироуглерод или другие материалы, образуемые осаждением в тонких пленках или слоях) или путем сочетания в одной конструкции разных материалов, подбираемых, исходя из выполняемой им функции (принцип Ф-К-М-Т: «функцияконструкция-материал-технология») и формируемых в деталь сразу же при их образовании.Рис.15На рис.
15 показан продольный разрез обоймы нагревной секции с функцией теплоизоляционного стакана, выполненных из пиролитического углерода. Здесь следует обратитьвнимание на структуру буртика, несущего либо опорную решетку, либо непосредственноТВЭЛ (например, пластинчатые).Допустимые напряжения при нагружении пиролитического углерода перпендикулярно его слоям на два порядка превышают допустимые напряжения при нагружении паралОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»43лельно его слоям. По этой причине слои макроструктуры в буртике должны быть ориентированы перпендикулярно к оси блока. Это достигается соответствующей конфигурациейформы, в которой высаждается теплоизоляционный стакан.
При этом теплопроводностьпиролитического углерода в направлении, перпендикулярном его слоям, равна 1÷2 Вт/(м*К),т.е. материал ведет себя как теплоизолятор (конкретное значение зависит от параметров технологического процесса формирования детали: температуры, давления и состава газовойсреды).К числу искусственных материалов, пригодных для изготовления теплоизоляционного стакана нагревной секции (блока) ТВЭЛ, относятся также пенокарбид и карбоволокнитниобия и циркония. Эти материалы в среде водорода с незначительной углеводородной добавкой стойки до температуры 3500 К. Пористость этих материалов может достигать80…85%.
При такой пористости теплопроводность карбоволокнитов в области рабочих температур составляет 1…2,5 Вт/м.К), а пенокарбидов - 3…4 Вт/(м.К). Карбоволокниты и пенокарбиды, как и пиролитический углерод, допускают механическую обработку, уплотнениеприповерхностных слоев и нанесение покрытий. Но прочностные характеристики этих материалов (15…20% от расчетной прочности условно сплошного, т.е. непористого материала)не позволяют им воспринимать значительную механическую нагрузку, особенно при концентрации напряжений, например, в зоне контакта или острых кромок и в углах с малым радиусом сопряжения.
Поэтому такие и подобные по свойствам материалы целесообразноприменять в сочетании с более прочными, объединяемыми в одном изделии (детали).Рис.16ОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»44На рис. 16 изображена в разрезе обойма нагревной секции (блока) ТВЭЛ с функциейи силовой детали, и, одновременно – теплоизоляционного пакета.
Обойма состоит из двухслойного материала: внутреннего, обладающего, высокой механической прочностью и относительно высокой теплопроводностью – несущий силовой слой 1, и наружного, прочность итеплопроводность которого весьма низки – теплоизолирующего слоя 2.Слой 1 обеспечивает радиальную и осевую фиксацию ТВЭЛ в блоке, а слой 2 - ограничение утечки тепла из блока. Первый слой делается из высококачественного и плотногографита, идущего на изготовление ТВЭЛ, а второй - из пористого графита, пиролитическогоуглерода, карбоволокнита, или из материала типа ткани или войлока (фетра), но из высокомодульной углеродной нити или из оксидов циркония, или бериллия (объект 5.5 и образцы5.15 и 15.16 на планшете «Элементы конструкции» стенда №2).Низкая теплопроводность газов (см. Приложение Б) и относительно высокое тепловоесопротивление в зоне контакта твердых тел делает возможным применять конструктивныерешения, в которых используются эти объективные особенности.Использование в качестве тепловой изоляции газофазного рабочего тела, находящегося в малопроточном зазоре, возможно в конструкции нагревной секции (блока) ТВЭЛ ввиде цилиндрической втулки («стакана»), на наружной поверхности которой выполнены канавки, разделанные узкими выступами с закругленными вершинами, а вблизи одного изторцев выполнен сплошной кольцевой поясок (объекты на планшетах 4.1, 4.2 и 4.4, а такжеобразцы 5.1 и 5.2 на стенде №2).Рис.17ОглавлениеДорофеев А.А.
«Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»45На рис. 17 приведен эскиз такой обоймы в разрезе, где силовые функции выполняеттвердотельный стакан, а тепловое сопротивление создается газообразным рабочим теломили охладителем, заполняющим канавки, и зоной контакта в виде линий, по которым вершины канавок касаются с охватывающим корпусом ТВС. Благодаря запирающему действиюкольцевого пояска и значительному гидравлическому сопротивлению зазоров проток заполняющего свободные сообщающиеся объемы газообразного рабочего тела на стационарныхрежимах практически исчезает вместе с соответствующим конвективным переносом теплоты.
Эффективная теплопроводность рабочего тела (водород с 5% добавкой метана) при этомне превышает 0,1…0,2 Вт/(м К).Малая площадь контакта вершин выступов – менее 10% от площади описанного цилиндра – и отсутствие сжимающих сил в площади контакта, повышает тепловое сопротивление, что в целом обеспечивает эффективную теплопроводность теплового пакета не выше,чем у карбоволокнита.Экспонаты, демонстрирующие конструктивную реализацию обойм нагревных секцийТВЭЛ с функцией тепловой изоляции, в основном сосредоточены на стенде №2.Экспонаты 5.1 и 5.2 представляют собой двухслойные обоймы, схематично представленные на рис.
17. Первый слой, несущий основную механическую нагрузку и, частичновыполняющий функцию теплоизолятора - пиролитический углерод; второй - пористый графит, создающий тепловое сопротивление в сочетании с сопротивлением «газового слоя»,образованного системой выступов и канавок на наружной поверхности (см. рис. 17). Внутренняя конфигурация обоймы 5.2 соответствует нагревной секции (блока) из карандашеподобных ТВЭЛ (см. объекты 1.3.1…1.3.3, 4.2 и 4.4).Образцы под номерами 5.3 и 5.4 – пример конструкции нагревных секций (блоков) соднослойной тепловой изоляцией в виде втулок из пористого графитаρ(= 1,5 * 103кг/м3).На поверхность втулки 5.4 нанесено защитное покрытие.Обойму нагревной секции (блока) двухслойной конструкции (см.
рис. 16) , где первый слой – графит, а второй - ткань из окиси циркония, представляет собой экспонат 5.5.Объект 5.6 – деталь обоймы нагревной секции (блока) в виде пористой втулки из материала крупнозернистой структуры, получаемого одновременно с изготовлением детали помодифицированным технологиям порошковой металлургии из спеченных дискретных частиц карбидов циркония и ниобия.Цилиндрическая тонкостенная гильза с видимым не сплошным, мотаным нитяным,связанным твердым каркасом черного угольного цвета – объект 5.7 – деталь теплоизоляцииОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»46нагревной секции (блока) из композиционного углерод-углеродного материала, близкого поструктуре, составу и характеристикам к материалам-деталям из КУП-ВМ3000(композици-онный углепластик высокомодульный с характерной температурой термообработки 3000 К).Материал и одновременно деталь получается намоткой и склеиванием полимернымисмолами исходного полимерного углеродосодержащего волокна с последующей термообработкой в специальных газовых средах с целью удаления водорода при сохранении внутри имежмолекулярных связей атомов углерода и его переструктуризации, например, частичнойграфитизации и других макро- и микроструктурных преобразований для придания углеродукак материалу заданных свойств.Теплоизоляция из такого материала отличается низким значением коэффициента теплопроводности в радиальном направлении – меньше 1…2 Вт/(м К), высокой термопрочностью, стабильностью свойств при наборе флюенса и высокой удельной прочностью.Экспонат 5.8 – теплоизолирующая втулка обоймы нагревной секции (блока) ТВЭЛ,выполнена из пенокарбида ниобия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
