空間核動力裝置控制鼓系統(tǒng)試驗樣機熱態(tài)性能試驗

郭志家，張金山，衣大勇，彭朝暉，范月容，馮嘉敏，趙守智

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部， 北京 102413)

在空間核動力裝置開展航天飛行試驗前必須進行地面工程樣機的研制和考驗，驗證其總體及各組成部分在試驗設(shè)定壽期內(nèi)的性能和可靠性[1-2]?？刂乒南到y(tǒng)作為執(zhí)行反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、緊急停堆的重要核安全設(shè)備[3-4]，需要驗證它在各種工況下是否都能保證運行平穩(wěn)和性能可靠。真實工況下，控制鼓系統(tǒng)在高溫環(huán)境中運行，其熱態(tài)下的性能顯得尤為重要[5-6]。

本文旨在通過控制鼓系統(tǒng)試驗樣機的熱態(tài)性能試驗來判斷現(xiàn)行機構(gòu)的設(shè)計是否滿足功能要求。

1 控制鼓系統(tǒng)試驗樣機

空間核動力裝置地面工程樣機控制鼓系統(tǒng)與傳統(tǒng)核電站壓水堆的控制棒驅(qū)動機構(gòu)有著顯著不同，受限于整個空間核動力裝置輕量化要求，整個控制鼓系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)緊湊，零部件繁多，長徑比較大，薄壁管殼和焊接接頭較多，裝配和傳動精度要求非常高?？刂乒南到y(tǒng)試驗樣機完全按照真實的控制鼓系統(tǒng)進行1∶1全尺寸設(shè)計和制造[7]。

圖1示出控制鼓系統(tǒng)試驗樣機工作原理圖[8]?？刂乒南到y(tǒng)試驗樣機由驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、分配機構(gòu)和控制鼓組件組裝而成，各部件有著共同的腔室。正常工況下，系統(tǒng)由驅(qū)動機構(gòu)中的步進電機提供轉(zhuǎn)矩，通過電磁離合器的吸合將其傳遞到輸出軸，再通過花鍵連接軸傳遞到傳動機構(gòu)，在分配機構(gòu)上實現(xiàn)扭矩的平均分配，分別傳遞到3根控制鼓組件上，實現(xiàn)控制鼓組件的旋轉(zhuǎn)，進而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。在事故工況下，電磁離合器斷電，驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)的彈簧瞬間釋放，迫使控制鼓組件快速復(fù)位，反應(yīng)堆緊急停閉。驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)含兩臺電機，主電機運行時，備電機作為負(fù)載隨動，雙電機互為備份，保證轉(zhuǎn)矩的可靠性輸出。分配機構(gòu)內(nèi)部設(shè)置有極限位置止擋塊，用以防止機構(gòu)誤操、失電等動作引起的控制鼓組件無限制任意轉(zhuǎn)動?？刂乒慕M件上設(shè)置有平面渦卷彈簧[9]，即用來消除傳動鏈因齒輪嚙合、鍵槽配合等產(chǎn)生的傳動空程問題[10-11]，也用來作為事故停堆時的復(fù)位動力。

圖1 控制鼓系統(tǒng)試驗樣機工作原理圖

2 試驗裝置

控制鼓系統(tǒng)試驗樣機如圖2所示?？刂乒南到y(tǒng)貫穿整個堆本體，為保證試驗樣機驗證的真實性和可靠性，更好地呈現(xiàn)控制鼓系統(tǒng)的運行特性，在臺架設(shè)計時，模擬了與控制鼓系統(tǒng)在堆本體上的安裝關(guān)系和運行行程。

試驗臺架主要由測試平臺、溫控系統(tǒng)和角度編碼器及其他附件連接組成，如圖3所示。測試平臺主要由控制模塊、輔助測量模塊、工作站等部分組成：控制模塊由兩個獨立的單元組成，即步進電機驅(qū)動單元和電磁離合器驅(qū)動單元；輔助測量模塊主要是指將角度編碼器信號實時發(fā)送至工作站；工作站用于測試平臺的調(diào)試和控制鼓系統(tǒng)的試驗。在工控機上安裝有相關(guān)的控制軟件及操作界面。測試平臺直接控制機構(gòu)的運行，并監(jiān)測驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)電流、溫度、旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)動角度和復(fù)位時間等參數(shù)，通過以上參數(shù)記錄并分析試驗樣機的熱態(tài)運轉(zhuǎn)性能。真實情況下控制鼓系統(tǒng)在反應(yīng)堆內(nèi)的溫度場如圖4所示。在試驗樣機驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、分配機構(gòu)和控制鼓組件等不同溫度區(qū)布置熱電偶，用以實時監(jiān)測該處溫度，每個點在圓周范圍內(nèi)布置3個熱電偶，依據(jù)“3取2”原則，保證溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性，再通過電加熱絲分區(qū)纏繞升溫，不同溫區(qū)間保留約100 mm間隔，用于布置保溫層，試驗樣機整體外表面再另行完全包裹，如圖5所示?？刂乒慕M件作為控制鼓系統(tǒng)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率的執(zhí)行部件，其位置精度直接影響反應(yīng)堆的反應(yīng)性，因此在試驗樣機熱態(tài)性能試驗時，設(shè)置一套編碼器，通過鍵配合安裝在控制鼓組件端頭，用于監(jiān)測控制鼓組件角度的真實轉(zhuǎn)動情況。

a——安裝在堆本體的示意圖；b——安裝在臺架照片圖2 控制鼓系統(tǒng)試驗樣機

圖3 測試臺架組成示意圖

圖4 控制鼓系統(tǒng)的溫度場分布

圖5 電加熱安裝分布

3 熱態(tài)性能試驗

控制鼓系統(tǒng)試驗樣機整個傳動鏈長度約為2 000 mm，傳動桿最細(xì)直徑為7 mm，長徑比非常大，在熱態(tài)下，受限于材料本身扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撓度，可能會出現(xiàn)控制鼓組件落后于驅(qū)動機構(gòu)的輸出軸。傳動鏈上雖設(shè)置有理論上可消除傳動空程的渦卷彈簧，但實際制造工藝的影響和熱態(tài)下的膨脹，可能會產(chǎn)生不可預(yù)見的現(xiàn)象。因此，熱態(tài)性能試驗的重復(fù)性考驗是檢查和確保樣機可靠性的必要程序?？紤]控制鼓系統(tǒng)的安全功能，根據(jù)壽期內(nèi)反應(yīng)堆運行情況及預(yù)計停堆次數(shù)等因素，熱態(tài)性能試驗主要包括全行程往復(fù)試驗、電機切換試驗和控制鼓組件快速復(fù)位試驗，具體試驗次數(shù)及樣機主要設(shè)計參數(shù)列于表1。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

溫控和測試系統(tǒng)通電就緒后，在冷態(tài)工況下進行多次調(diào)試，確保試驗樣機運轉(zhuǎn)和試驗臺架配套系統(tǒng)一切正常后，根據(jù)表1所列各部件的設(shè)計溫度將其按照50 ℃/h的升溫速率加熱，每升溫50 ℃后，保溫20 min。在此過程中每隔100 ℃對其進行運轉(zhuǎn)測試。檢查機構(gòu)的運轉(zhuǎn)性能和參數(shù)是否正常，直至整個試驗樣機達(dá)到預(yù)設(shè)的設(shè)計溫度，保溫4 h后，確保溫度場分布不超過預(yù)設(shè)，開始進行熱態(tài)性能試驗。

圖6示出升溫過程的調(diào)試數(shù)據(jù)。由圖6可見，在常溫20 ℃下，驅(qū)動機構(gòu)采用閉環(huán)控制，自0°轉(zhuǎn)至180°時，作為調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率和執(zhí)行停堆功能的控制鼓組件轉(zhuǎn)至179.1°，快速復(fù)位后，控制鼓組件可回到0.1°。隨著溫度的升高，控制鼓組件相對于驅(qū)動機構(gòu)而言，滯后角度越來越明顯，達(dá)到2.6°，快速復(fù)位后的角度也越來越大，從0.1°增加至2.1°。這恰恰說明樣機熱態(tài)下的性能不可預(yù)估，與理論設(shè)想存在一定差距，需多次試驗來驗證其數(shù)據(jù)的重復(fù)性，并分析其可能原因。

圖6 升溫過程的調(diào)試數(shù)據(jù)

3.1 全行程往復(fù)試驗

全行程往復(fù)試驗中，驅(qū)動機構(gòu)中主電機通電，根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，輸出軸按(1±0.1) °/s的速度輸出到傳動鏈上，從而通過傳動機構(gòu)和分配機構(gòu)帶動控制鼓組件旋轉(zhuǎn)，一次全行程往復(fù)試驗從0°轉(zhuǎn)至180°，再轉(zhuǎn)至0°，主備電機各運轉(zhuǎn)100次，傳動鏈累積全行程運轉(zhuǎn)200次。為更好監(jiān)測試驗樣機在往復(fù)試驗過程中的位置重復(fù)性，分別在0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、150°、120°、60°和0°記錄驅(qū)動機構(gòu)輸出軸角度和控制鼓組件角度、驅(qū)動機構(gòu)電流，表2列出每隔20次試驗選取的控制鼓組件角度。

由表2可看出[12-13]：1) 從0°～180°過程中，執(zhí)行功率調(diào)節(jié)的控制鼓組件運行無卡頓現(xiàn)象，但與驅(qū)動機構(gòu)角度不一致，隨旋轉(zhuǎn)角度的增加，滯后現(xiàn)象越來越明顯，可能是由于傳動桿扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的撓度越來越大；2) 驅(qū)動機構(gòu)回轉(zhuǎn)至0°時，控制鼓組件停留在約10°的位置上，并成為下一次全行程試驗的起始空行程，分析認(rèn)為是彈簧末端的回復(fù)力已無法克服傳動鏈本身的阻力矩；3) 試驗過程中，隨試驗次數(shù)的增加電流越來越小，主要是因為試驗樣機采用恒壓控制，試驗次數(shù)的累積導(dǎo)致驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)電機、電磁離合器部件溫度有上升趨勢，電阻隨之增加，電流變??；4) 100次全行程試驗中，主副電機均無任何異常和失效情況，其可靠性完全滿足設(shè)計要求，后期可考慮采用單電機運行模式；5) 控制鼓組件在120°～60°反轉(zhuǎn)回程中存在明顯的滯后偏差，有階躍跳動的現(xiàn)象，分析認(rèn)為此范圍內(nèi)，樣機薄壁殼體焊縫在高溫下產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致傳動鏈上軸承受力不均勻，瞬間摩擦阻力矩太大；6) 從180°～0°與0°～180°，控制鼓組件正反轉(zhuǎn)過程同一角度重復(fù)精度差，由120°和150°時的角度跟隨曲線(圖7)可看到，在120°時最大差值為5.1°，在150°時最大差值為5.7°，均超出設(shè)計指標(biāo)中±1°的要求。隨試驗次數(shù)的增加，同一角度時，控制鼓組件正反過程相對于驅(qū)動機構(gòu)角度差值不穩(wěn)定，但其趨勢基本越來越大。分析認(rèn)為可能是由于彈簧的變形或高溫疲勞失效，導(dǎo)致回程動力越來越小，下一次起始空程增加，角度逐漸變大，差值進而變大。

表2 全行程往復(fù)試驗的控制鼓組件角度

圖7 120°和150°時的角度跟隨曲線

3.2 電機切換試驗

試驗樣機選擇雙電機互為備份運行的模式，目的是通過電機的可靠性來滿足機構(gòu)的可靠性，雖然電機的失效并不影響整個反應(yīng)堆核動力裝置的安全性，但從經(jīng)濟性的角度考慮不希望出現(xiàn)電機失效、控制鼓組件反轉(zhuǎn)復(fù)位等非計劃停堆的意外事故發(fā)生。電機處于真空、高溫環(huán)境下工作，雖不驗證其真空下的性能，但高溫條件下的可靠性需進行試驗驗證。

試驗樣機主電機通電運行，輸出軸按照(1±0.1) °/s的速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到90°，主電機斷電，記錄電機是否具備自持能力，防止反轉(zhuǎn)。一段時間后，副電機通電運行，記錄切換時間及反轉(zhuǎn)角度。從90°旋轉(zhuǎn)到180°，副電機斷電，記錄同樣的過程，一段時間后，再切換至主電機，如此反復(fù)10次。表3列出其中的6次試驗數(shù)據(jù)。

試驗數(shù)據(jù)表明，任意電機某一角度切斷電源，在備用電機切入運行前，都可通過電機本身的自持機構(gòu)防止控制鼓組件反轉(zhuǎn)，即使1臺電機出現(xiàn)故障失效，也不必?fù)?dān)心傳動鏈自由復(fù)位。

表3 電機切換試驗數(shù)據(jù)

3.3 斷電快速復(fù)位試驗

在反應(yīng)堆事故工況下，為滿足故障安全原則，驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)電磁離合器斷電，控制鼓組件在釋放彈簧和渦卷彈簧作用下，在規(guī)定的時間內(nèi)快速復(fù)位，實現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。因此對控制鼓系統(tǒng)的斷電快速復(fù)位特性進行試驗驗證十分必要，以驗證控制鼓組件快速復(fù)位的可靠性、有效性和控制鼓系統(tǒng)本身固有的安全特性。

斷電快速復(fù)位特性主要考核機電延遲時間[14]和機械復(fù)位的總時間，本試驗臺架主要研究控制鼓系統(tǒng)試驗樣機的機械運轉(zhuǎn)性能，采用的測試系統(tǒng)與實際工程控制系統(tǒng)不同，這里測試和記錄的時間為機械的快速復(fù)位時間。為驗證熱態(tài)下控制鼓系統(tǒng)試驗樣機快速復(fù)位時間的重復(fù)性和可靠性，共進行100次不同行程下的斷電復(fù)位試驗。表4列出5次全行程180°下的斷電復(fù)位試驗結(jié)果，表5列出3組不同行程下(30°、90°和150°)斷電快速復(fù)位的時間。

試驗結(jié)果表明，不同行程下的斷電快速復(fù)位時間均小于600 ms，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。隨快速復(fù)位行程的增加，控制鼓組件復(fù)位后的角度越來越小，這和理論情況相似，驅(qū)動機構(gòu)中的釋放彈簧和控制鼓組件內(nèi)的渦卷彈簧，在熱態(tài)條件下，隨溫度的升高，彈簧本身的剛度和性能都有一定程度的下降。因此在小角度行程下，彈簧的回復(fù)力必然會更低，導(dǎo)致彈簧力在快速復(fù)位過程中不足以克服傳動鏈上的摩擦阻力矩，復(fù)位能力更差。

表4 全行程下的快速復(fù)位時間

表5 不同行程下的快速復(fù)位時間

4 結(jié)論

1) 通過設(shè)計和建立1∶1全尺寸控制鼓系統(tǒng)試驗樣機的熱態(tài)性能試驗裝置，驗證了試驗樣機壽期內(nèi)熱態(tài)下的全行程往復(fù)、電機切換和斷電快速復(fù)位性能，試驗樣機基本滿足機械運轉(zhuǎn)的功能要求，運行無異響和卡頓現(xiàn)象。

2) 現(xiàn)有機構(gòu)因為熱態(tài)下傳動桿扭轉(zhuǎn)變形、傳動鏈局部摩擦阻力矩較大和彈簧高溫性能不足等原因?qū)е聵訖C存在旋轉(zhuǎn)角度滯后、位置重復(fù)精度超標(biāo)和小角度回復(fù)乏力的現(xiàn)象。

下一階段將進行理論分析和樣機零部件解剖，確定原因并優(yōu)化結(jié)構(gòu)與工藝，為控制鼓系統(tǒng)產(chǎn)品的定型奠定基礎(chǔ)。