РОТОР ГАЗОВОЙ ЦЕНТРИФУГИ Российский патент 1997 года по МПК B01D59/20 B04B7/08 

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газовых смесей и изотопов.

Известен ротор надкритической газовой центрифуги, состоящий из двух или более жестких трубных участков, разделенных гибкими элементами (сильфонами), выполненный целиком из композиционного материала путем намотки /Выложенная заявка N 60-94119, Япония, 1985/.

Недостатком ротора с сильфоном из композита является низкая прочность и надежность вследствие одновременного нагружения тонкого композита на растяжение и изгиб.

Известен также ротор газовой центрифуги, выбранный за прототип, в котором сильфон изготовлен отдельно из металла и прикреплен к трубам, причем места соединения армированы обмоткой из волокна /Выложенная заявка N 56-147916, Япония, 1981/.

Недостатком этого ротора является низкая прочность сильфона в местах перегибов гофра из-за возникновения больших значений изгибных напряжений. Кроме этого, наличие радиусного перехода от цилиндрической поверхности бортика к внутренней поверхности гофра не позволяет армировать обмоткой из волокна эту часть сильфона, что приводит к снижению прочности ротора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение прочности и надежности ротора газовой центрифуги.

Для решения поставленной задачи в роторе газовой центрифуги, содержащем трубу, состоящую из двух или более частей, соединенных между собой сильфоном, выполненным из упругого материала, где цилиндрические участки трубы с внешней стороны армированы обмоткой, сильфон выполнен с утолщениями стенок во впадине гофра со стороны, противоположной оси сильфона, и в переходе бортика в гофр, причем геометрические параметры сильфона удовлетворяют соотношению: L l + n•h, где L длина внешней цилиндрической поверхности сильфона (мм), l длина бортика сильфона (мм), h минимальная толщина стенки гофра (мм), n коэффициент, равный 1-3.

Утолщения стенок сильфона во впадине гофра и в переходе бортика в гофр приводят к уменьшению внутренних напряжений в сильфоне при заданном центробежном нагружении ротора. Утолщения стенок во впадине гофра выполнены со стороны, противоположной оси сильфона, поскольку известно, что даже незначительное увеличение препятствия потоку газа, движущемуся вдоль стенок ротора, приводит к снижению производительности центрифуги. Величина жесткости сильфона является существенным параметром для ротора центрифуги, поэтому сравнение прочности различных сильфонов корректно производить при условии их одинаковой жесткости. Увеличение жесткости сильфона за счет относительного утолщения стенок в указанных местах может быть компенсировано соответствующим выбором абсолютной величины толщины стенок. Прочность ротора увеличивается также за счет армирования обмоткой участка сильфона в месте перехода бортика в гофр, поскольку длина внешней цилиндрической поверхности превосходит длину бортика на величину, равную от одной до трех минимальных толщин стенки гофра. Указанный диапазон изменения длины внешней цилиндрической поверхности сильфона обеспечивает надежность армирования в зависимости от технологии изготовления сильфона и намотки.

На фиг. 1 изображен ротор газовой центрифуги. На фиг. 2,3 показан в разрезе узел ротора с сильфоном. На фиг. 4 показан в разрезе узел с сильфоном известного ротора (прототип). На фиг. 5 приведены напряжения при центробежном нагружении вдоль поверхности гофра сильфона внутри ротора. На фиг. 6 приведены напряжения вдоль поверхности гофра сильфона снаружи ротора. На фиг. 7 приведены напряжения вдоль поверхности гофра сильфона внутри ротора-прототипа. На фиг. 8 приведены напряжения вдоль поверхности гофра сильфона снаружи ротора-прототипа.

Ротор газовой центрифуги (фиг. 1) состоит из двух или более участков жестких труб 1, между которыми расположен гибкий сильфон 2. Сильфон 2 с помощью своих бортиков 3 прикреплен к трубам 1 с их внешней стороны. На трубах намотана армирующая обмотка 4, которая размещена и на внешней цилиндрической поверхности бортика сильфона. Утолщение стенки сильфона во впадине гофра 5 выполнено со стороны, противоположной от сильфона (ротора). Утолщение стенки сильфона в месте перехода бортика в гофр выполнено таким образом, чтобы при этом длина внешней цилиндрической поверхности L превосходила длину бортика l на величину, равную от одной до трех минимальных толщин стенки гофра h.

Благодаря этому обмотка 4 продолжена дальше в сторону сильфона и армирует участок перехода бортика сильфона в гофр. Для сравнения, на фиг. 3 приведен в разрезе узел ротора с сильфоном (прототип), имеющим одинаковую толщину стенок вдоль гофра и радиусный переход R от бортика сильфона к гофру.

Эффективность предлагаемого ротора газовой центрифуги подтверждена расчетами методом конечных элементов внутренних напряжений в сильфоне ротора при его центробежном нагружении. В качестве примера на фиг. 4,5,6,7 приведены расчетные значения радиальной ((σ₂),), тангенциальной ((σ_Φ)) и осевой ((σ_z)) компонент напряжений вдоль поверхностей гофра, где возникают наибольшие значения напряжений, со стенками, имеющими утолщения согласно данному предложению, и со стенками, имеющими постоянную толщину (прототип). Все данные соответствуют одинаковой скорости вращения и одинаковому габаритному размеру сильфонов.

Из сравнения данных на фиг. 4,6 и 5,7 следует, что в предлагаемом роторе газовой центрифуги максимальное значение внутренних напряжений, которые возникают в сильфоне ротора при его центробежном нагружении, уменьшается по крайней мере в 1,7 раза. Соответственно этому увеличивается прочность и надежность ротора газовой центрифуги.

Использование: для разделения газовых смесей и изотопов. Сущность изобретения: ротор газовой центрифуги содержит трубу, состоящую по крайней мере из двух частей, соединенных между собой сильфоном. Сильфон выполнен в виде кольцевого гофра, выпуклостью обращенного к оси ротора, и двух кольцевых цилиндрических бортиков, размещенных на наружной поверхности концов соединяемых частей трубы. На наружных поверхностях трубы и бортиков расположена армирующая обмотка. Стенки сильфона выполнены утолщенными во впадине гофра и в местах перехода бортиков в гофр. Длина L бортика по внешней поверхности превышает длину l бортика по внутренней поверхности, обращенной к поверхности трубы, на величину nh, где h - минимальная толщина стенки гофра и n = 1^oC3. 8 ил.

Ротор газовой центрифуги, содержащий трубу, состоящую по крайней мере из двух частей, соединенных между собой сильфоном, выполненным в виде кольцевого гофра, выпуклостью обращенного к оси ротора, и двух цилиндрических бортиков, размещенных на наружной поверхности концов соединяемых частей трубы, армирующую обмотку, расположенную на наружных поверхностях трубы и бортиков сильфона, отличающийся тем, что стенки сильфона выполнены утолщенными во впадине гофра и в местах перехода бортиков в гофр, при этом длина L бортика по внешней поверхности превышает длину l бортика по внутренней поверхности, обращенной к поверхности трубы, на величину nh, где h минимальная толщина стенки гофра и n 1 3.