ОТБОРНАЯ ТРУБКА ГАЗОВОЙ ЦЕНТРИФУГИ Российский патент 1995 года по МПК B04B5/08 

Изобретение относится к устройствам отбора и вывода разделенных компонентов газовых и изотопных смесей из роторов газовых центрифуг, в которых окружающая скорость потока превышает скорость звука.

Известна газовая центрифуга, в которой для отбора отдаленной газообразной фракции из ротора имеется выводная трубка, расположенная внутри ротора, входное отверстие трубки находится на некотором расстоянии от оси ротора и ориентировано против направления его вращения. Отбор фракции осуществляется под действием скоростного напора [1]
Известна также отборная трубка газовой центрифуги, расположенная внутри вращающегося ротора и имеющая три участка вертикальный участок, проходящий вблизи оси вращения ротора и имеющий узел крепления в одной из торцевых крышек корпуса центрифуги, горизонтальный участок и расположенный вблизи стенки ротора концевой участок, ориентированный против направления вращения ротора и имеющий на торце входное отверстие [2]
Ближайшим техническим решением к предлагаемой отборной трубке является отборная трубка газовой центрифуги заборного типа, закрепленная в крышке корпуса и введенная внутрь вращающегося ротора. Трубка содержит вертикальный участок, расположенный вблизи оси вращения ротора, и горизонтальный участок, имеющий отогнутый против направления вращения ротора концевой участок с входным отверстием на торце. Поперечное сечение горизонтального участка имеет форму с неравными моментами инерции во взаимно перпендикулярных направлениях (эллипсовидную, веретенообразную, каплевидную и т. п.) [3]
В данной трубке благодаря повышению изгибной жесткости горизонтального участка уменьшаются механические колебания трубы трубки и вносимые этим возмущения в газовый поток внутри ротора, что повышает эффективность разделения газовой смеси. Однако данная отборная трубка, а также другие известные из уровня техники трубки отбора имеют плоский торцевой срез, перпендикулярный оси входного отверстия, на котором при сверхзвуковых скоростях набегающего на торец газового потока образуется отсоединенный скачок уплотнения с неустойчивым положением, вызывающий колебания давления в трубке и в роторе, что снижает эффективность разделения газовой смеси из-за перемешивания разделенных компонентов.

Одной из проблем, возникающих при конструировании отборных трубок газовых центрифуг, в которых окружная скорость газа в роторе превышает скорость звука, является ликвидация низкочастотных колебаний давления в отборной трубке тяжелой фракции и в роторе, возникающих вследствие образования у входного отверстия трубки отсоединенного скачка уплотнения. Например, для газовой смеси изотопов урана скачок уплотнения перед входным отверстием совершает колебания с частотой 0,5-2,0 Гц, что существенно (на 5-10%) снижает эффективность разделения изотопов, затрудняет процессы регулирования и измерения при эксплуатации каскадов центрифуг.

Задача изобретения заключается в том, чтобы уменьшить неблагоприятное влияние образующегося перед входным отверстием отборной трубки скачка уплотнения на разделительную способность газовой центрифуги.

В предложенной отборной трубке, содержащей вертикальный участок, проходящий вдоль оси вращения ротора, и горизонтальный участок с отогнутым против направления вращения ротора концевым участком, имеющем на торце входное отверстие и расположенным вблизи стенки ротора, на торце концевого участка выполнен срез по криволинейной поверхности, вогнутой в сторону входного отверстия и ориентированной так, что угол между осью входного отверстия и касательными к линии пересечения криволинейной поверхности с горизонтальной плоскостью является острым и увеличивается от периферийного по отношению к оси ротора края входного отверстия к его внутреннему краю. Для упрощения изготовления трубки торцевой срез целесообразно выполнять по поверхности прямого кругового цилиндра, ось которого параллельна оси вращения ротора, или по меньшей мере двумя пересекающимися между собой плоскостями, параллельными оси ротора с образованием ломаной линии среза.

На фиг. 1 показано расположение отборной трубки в роторе; на фиг. 2 разрез концевой части трубки с криволинейным срезом торца; на фиг. 3 вариант трубки со срезом ее торца пересекающимися плоскостями; на фиг. 4 трубка, вид в аксонометрии.

В крышке 1 корпуса газовой центрифуги неподвижно закреплен газораспределительный коллектор, включающий трубку 2 питания и по меньшей мере одну отборную трубку 3. Трубки 2 и 3 проходят внутрь ротора 4 вблизи оси его вращения. Отборная трубка 3 содержит вертикальный участок 5 и горизонтальный участок 6, имеющий на ориентированном против направления вращения ротора торце концевого участка входное отверстие 7. На торце концевого участка отборной трубки выполнен срез по криволинейной поверхности, вогнутой в сторону входного отверстия и ориентированном так, что углы β_1, β₂ между осью входного отверстия и касательными к линии 8 пересечения криволинейной поверхности среза с горизонтальной плоскостью являются острыми и увеличиваются от периферийного по отношению к оси ротора края 9 входного отверстия к его внутреннему краю 10, то есть величина углов находится в пределах 0^о ≅ β ≅ 90^о и β₂ > β₁.

Для упрощения изготовления отборной трубки торцевой срез может быть выполнен по боковой поверхности, ось которого параллельна оси вращения ротора, кругового цилиндра, или же по меньшей мере двумя пересекающимися между собой плоскостями, параллельными оси ротора (фиг. 3).

При работе центрифуги исходная смесь газов, например газообразная смесь изотопов урана, через трубку 2 питания подается во вращающийся с большой скоростью ротор 4 (в современных центрифугах окружная скорость у боковой стенки ротора достигает 500-700 м/с), где газ раскручивается и вблизи стенки ротора, то есть на радиусе расположения входного отверстия 7 отборной трубки приобретает скорость, превышающую скорость звука. При набегании сверхзвукового потока на концевой участок трубки с предлагаемой формой торцевого среза на передней кромке входного отверстия формируется система присоединенных косых скачков уплотнения, при проходе через которые газ частично затормаживается, его давление и температура повышаются, а направление движения искривляется к внутреннему краю 10 входного отверстия 7. У внутреннего края 10, где угол β₂ близок к 90^о, формируется прямой скачок уплотнения, однако его интенсивность и влияние на параметры потока на входе в обратную трубку значительно слабее, чем в известных трубках со срезом на торце плоскостью, перпендикулярной оси входного отверстия. Малый угол заточки передней кромки входного отверстия способствует устойчивому положению системы косых скачков уплотнения, а увеличивающийся угол β₁ от периферийного края входного отверстия к его внутреннему краю обеспечивает благоприятные условия входа отбираемой фракции газа в трубку и эффективное преобразование скоростного напора в статическое давление.

Испытания газовых центрифуг с отборной трубкой предложенной конструкции выявили, что колебаний давления газа в трубке и в роторе не наблюдается не только на рабочих режимах, но и при расходах и давлениях разделяемого газа, значительно превышающих параметры номинального режима.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить разделительную способность газовой центрифуги на 5-10%

Использование: изобретение относится к устройствам отбора и вывода разделенных компонентов газовых и изотопных смесей из роторов газовых центрифуг со сверхзвуковыми окружными скоростями потока газа в них. Сущность изобретения: отборная трубка газовой центрифуги установлена неподвижно в корпусе и проходит внутрь вращающегося ротора вблизи оси его вращения. Трубка содержит вертикальный участок и горизонтальный участок с отогнутым против направления вращения ротора концевым участком, расположенным вблизи стенки ротора и имеющим на торце входное отверстие. На торце концевого участка отборной трубки выполнен срез по криволинейной поверхности, вогнутой в сторону входного отверстия и ориентированной так, что углы между осью входного отверстия и касательными к линии пересечения криволинейной поверхности среза с горизонтальной плоскостью являются острыми и увеличиваются от периферийного по отношению к оси ротора края входного отверстия к его внутреннему краю. Предложенная форма входного торца отборной трубки уменьшает колебания давления в роторе за счет образования на кромках входа системы присоединенных косых скачков уплотнения, благодаря чему повышается разделительная способность центрифуги. Для упрощения изготовления торцевой срез на трубке может быть выполнен по поверхности прямого цилиндра или по меньшей мере двумя пересекающимися между собой плоскостями, параллельными оси ротора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ОТБОРНАЯ ТРУБКА ГАЗОВОЙ ЦЕНТРИФУГИ, содержащая вертикальный участок, проходящий вдоль оси вращения ротора, и горизонтальный участок с отогнутым против направления вращения ротора концевым участком, расположенным вблизи стенки ротора и имеющим на торце входное отверстие, и закрепленная неподвижно в одной из торцевых крышек корпуса центрифуги, отличающаяся тем, что на торце кольцевого участка отборной трубки выполнен срез по криволинейной поверхности, вогнутой в сторону входного отверстия и ориентированной так, что углы между осью входного отверстия и касательным к линии пересечения криволинейной поверхности с горизонтальной плоскостью являются острыми и увеличиваются от периферийного по отношению к оси ротора края входного отверстия к его внутреннему краю. 2. Трубка по п. 1, отличающаяся тем, что торцевой срез выполнен по поверхности кругового цилиндра, ось которого параллельна оси вращения ротора. 3. Трубка по п. 1, отличающаяся тем, что торцевой срез выполнен по меньшей мере двумя пересекающимися между собой плоскостями, параллельными оси ротора.