ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА Российский патент 1998 года по МПК B04B5/08 B04B9/00 B01D59/20 

Изобретение относится к высокоскоростным центрифугам, предназначенным для разделения смесей газов и газообразных изотопных смесей.

Создание демпфирующего устройства, которое эффективно работает в широком диапазоне возможных частот и амплитуд колебаний надкритического ротора, в принципе возможно. Однако такой демпфер должен быть оснащен системой автоматического регулирования с достаточным быстродействием для перенастройки его функциональных параметров, что в целом усложняет конструкцию, снижает надежность работы, увеличивает габариты и стоимость.

В связи с этим в конструкциях современных и перспективных центрифуг с высокооборотными роторами предусматриваются демпфирующие устройства для гашения колебаний ротора в зонах критических частот вращения, демпферы для ограничения амплитуд отклонений ротора при случайных внешних ударных воздействиях и демпферы для гашения колебаний на номинальном режиме работы центрифуги, вызванных прецессией, нутацией и остаточным дисбалансом ротора. Первые два из упомянутых выше демпферов работают как демпферы-ограничители, а при отсутствии возмущающих сил они обеспечивают свободный ход ротора.

Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе полый вертикальный ротор, опирающийся на нижний механический и верхний магнитный подшипники, на боковой стенке ротора в середине ее высоты закреплен внешний усиливающий пояс в виде кольца, а на корпусе напротив кольца установлены кулачки из износостойкой резины с зазором относительно усиливающего пояса [2].

Данный демпфер ограничивает амплитуду и поглощает энергию колебаний ротора при прохождении критических частот вращения во время разгона и выбега. Но при этом контакт ротора с неподвижными кулачками демпфера происходит на периферии боковой стенки ротора, т.е. контактирующие поверхности взаимодействуют при достаточно больших окружных скоростях, что вызывает повышенный износ материала кулачка и большой тормозящий момент, неблагоприятно действующий на приводной двигатель, работающий в период разгона на переходном режиме, а наличие дополнительной массы усиливающего пояса может вызвать в высокооборотном роторе неравномерные напряжения и местные деформации в боковой стенке.

Ближайшим техническим решением к предложенному является газовая центрифуга, включающая корпус, установленный в нем на нижнем механическом и верхнем магнитном подшипниках цилиндрический вертикальный ротор с горловиной, размещенной в его полости и горловине газовый коллектор, состоящий из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси и отвода ее фракций и укрепленный на наружной трубке с зазором относительно горловины ротора демпфер его колебаний [3].

Этот демпфер содержит упругую прокладку с антифрикционным покрытием, размещенную снаружи или внутри защитной трубы, установленной вокруг наружной трубы газового коллектора в зоне горловины крышки ротора.

Антифрикционное покрытие может быть нанесено непосредственно на защитную трубу.

Защитная труба с прокладкой и антифрикционным покрытием образуют демпфер-ограничитель, который при отсутствии колебаний ротора и при колебаниях с малой амплитудой не препятствует свободному вращению ротора, а при больших амплитудах колебаний, вызванных, например, ударными воздействиями на центрифугу, поверхность горловины ротора взаимодействует с антифрикционным покрытием защитной трубы, что уменьшает амплитуды и гасит колебания, предотвращая тем самым контактирование других частей ротора с неподвижными элементами центрифуги, обеспечивает в этот период вращение ротора с малым трением и сохраняет работоспособность центрифуги во время и после прекращения действия внешней ударной нагрузки. Однако демпфер-ограничитель данной центрифуги не функционирует при резонансных колебаниях с малыми амплитудами высокооборотного ротора, который при разгоне должен пройти несколько зон критических частот вращения. Действие таких колебаний может быть настолько значительным, что вибрирующий ротор не в состоянии преодолеть резонансную зону и выйти на номинальный режим вращения.

Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы газовой центрифуге, снабженной демпфером-ограничителем колебаний ротора от действия случайных ударных нагрузок при ее работе на номинальном режиме, обеспечить плавный разгон ротора и выход его на рабочую частоту вращения.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности гашения колебаний ротора при его разгоне и выходе на рабочую частоту вращения.

Для достижения этого результата газовая центрифуга, включающая корпус, установленный в нем на нижнем механическом и верхнем магнитном подшипниках цилиндрический вертикальный ротор с горловиной, размещенный в его полости и горловине газовый коллектор, состоящий из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси и отвода ее фракций и укрепленный на наружной трубке с зазором относительно горловины ротора демпфер его колебаний, снабжена дополнительным демпфером колебаний ротора, выполненным в виде радиально-подвижного кольца из антифрикционного материала, расположенного в горловине ротора концентрично наружной трубке газового коллектора. Трубка имеет дисковый выступ и указанное кольцо размещено на нем таким образом, что величина радиального зазора между кольцом и горловиной меньше, чем зазор между основным демпфером колебаний и горловиной.

Радиально подвижное кольцо следует снабдить ограничителем его поворота относительно вертикальной оси. На наружной боковой поверхности радиально-подвижного кольца может быть укреплена тонкостенная втулка из износостойкого антифрикционного материала, например бронзы. Радиально подвижное кольцо должно быть снабжено устройством для его центрирования, содержащее шарики, расположенные в конической кольцевой канавке, выполненной на нижнем торце кольца, и равномерно размещенные по окружности в углублениях, выполненных на дисковом выступе наружной трубки газового коллектора.

На фиг. 1 изображен продольный разрез центрифуги; на фиг. 2 - разрез верхней опоры ротора с дополнительным демпфером; на фиг. 3 - устройство для центрирования кольца.

В корпусе 1 размещен полый вертикальный цилиндрический ротор 2, опирающийся на нижний механический подшипник 3 и на верхний магнитный подшипник, включающий в себя установленный в корпусе 1 аксиально намагниченный кольцевой магнит 4, взаимодействующий с закрепленной соосно с ротором 2 на его верхней крышке 5 ферромагнитной втулкой, образующей горловину 6 ротора. В полости ротора по его оси расположен неподвижный газовый коллектор, образованный концентрично размещенными одна в другой с зазорами трубкой 7 подачи исходной газовой смеси и трубками 8 и 9 отбора и вывода разделенных фракций.

На стенке внешней трубки 9 коллектора установлен основной демпфер 10 для уменьшения амплитуд отклонений ротора при ударных воздействиях на центрифугу. На той же трубке 9 установлен дополнительный демпфер 11 колебаний ротора, выполненный в виде охватывающего с зазором трубку 9 радиально-подвижного кольца 12 из антифрикционного материала, например из фторопласта. Кольцо 12 своим нижним торцом опирается на дисковый выступ 13 на трубке 9. Радиальный зазор S₁ между внутренней поверхностью горловины 6 и наружной поверхностью кольца 12 меньше, чем зазор S₂ между горловиной и основным демпфером 10. Дополнительный демпфер 11 снабжен ограничителем поворота кольца 12 относительно вертикальной оси, выполненным, например, в виде по меньшей мере двух размещенных по окружности вертикальных штифтов 14, закрепленных на дисковом выступе 13 и входящих с зазорами в отверстия на кольце 12. Диаметры отверстий на кольце 12 под штифты 14 и внутренний диаметр кольца 12 выбираются из условия, чтобы радиальные перемещения кольца 12 обеспечивали взаимодействие горловины 6 с демпфером 10 при воздействии на работающую центрифугу ударных нагрузок, при которых отклонения горловины относительно демпфера 10 превышают начальный зазор S₂. На внешней боковой поверхности кольца 12 может быть установлена тонкостенная втулка 15 из износостойкого антифрикционного материала, например из бронзы. Дополнительный демпфер 11 снабжен устройством для центрирования кольца 12, содержащим, например, из равномерно размещенных по окружности в углублениях на дисковом выступе 13 по меньшей мере трех шариков 16, контактирующих с поверхностью конической кольцевой канавки 17 на нижнем опорном торце радиально-подвижного кольца 12. Ротор 2 центрифуги приводится во вращение электродвигателем 18.

Работает центрифуга следующим образом. Ротор 2 разгоняется до рабочей частоты вращения приводным электродвигателем 10.

Подаваемая в полость ротора по трубке 7 исходная смесь газов вовлекается во вращение и под действием центробежных сил разделяется на легкую и тяжелую фракции, которые отбираются заборными отверстиями трубок 8 и 9 и выводятся по ним из центрифуги. Во время разгона ротора 2 при отсутствии его колебаний зазор между поверхностью горловины 6 и кольцом 12 демпфера 11 обеспечивает свободное вращение ротора.

При переходе зоны критической частоты вращения резонансные колебания ротора 2 увеличивают амплитуду колебаний настолько, что поверхность горловины 6 начинает взаимодействовать с кольцом 12, которое совершает радиальные перемещения и поворот вокруг вертикальной оси по ходу вращения ротора. Гашение колебаний ротора осуществляется за счет инерционности кольца 12, его трения о поверхность опорного дискового выступа 13 и трения горловины 6 о кольцо 12. Установка ограничителя поворота кольца 12 устраняет вращение кольца при его взаимодействии с горловиной вращающегося ротора, что увеличивает демпфирующий эффект.

В устройстве для центрирования кольца 12 при его радиальных перемещениях поверхность конической канавки 17 взаимодействует с неподвижными шариками 16, за счет чего кольцо приобретает вертикальную составляющую движения, а при отсутствии контакта кольца 12 с горловиной 6 под действием собственной силы тяжести кольцо самоустанавливается концентрично с трубкой 9.

Выбором антифрикционного материала для радиально-подвижного кольца 12, материала тонкостенной втулки 15 и массы кольца можно подобрать необходимые параметры дополнительного демпфера и обеспечить тем самым эффективное гашение резонансных колебаний высокооборотного ротора и его разгон до рабочей частоты вращения.

Изобретение предназначено для разделения смесей газов и газообразных изотопных смесей. Центрифуга включает корпус, цилиндрический вертикальный ротор и газовый коллектор , состоящий из концентрично расположенных трубок для подачи газовой смеси и отвода фракций. Ротор снабжен основным и дополнительным демпфером его колебаний. Последний выполнен в виде радиально-подвижного кольца из антифрикционного материала, расположенного в горловине ротора концентрично наружной трубке газового коллектора, имеющей дисковый выступ. Кольцо размещено на нем таким образом, что величина радиального зазора между ним и горловиной меньше чем зазор между основным демпфером колебаний и горловиной. Радиально-подвижное кольцо может быть снабжено ограничителем его поворота относительно вертикальной оси и устройством для его центрирования. Конструкция центрифуги обеспечивает повышение эффективности гашения колебаний ротора при его разгоне и выходе на рабочую частоту вращения. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Газовая центрифуга, включающая корпус, установленный в нем на нижнем механическом и верхнем магнитном подшипниках цилиндрический вертикальный ротор с горловиной, размещенной в его полости и горловине газовый коллектор, состоящий из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси и отвода ее фракций, и укрепленный на наружной трубке с зазором относительно горловины ротора демпфер его колебаний, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным демпфером колебаний ротора, выполненным в виде радиально подвижного кольца из антифрикционного материала, расположенного в горловине ротора концентрично наружной трубке газового коллектора, при этом трубка имеет дисковый выступ и указанное кольцо размещено на нем таким образом, что величина радиального зазора между кольцом и горловиной меньше, чем зазор между основным демпфером колебаний и горловиной. 2. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что радиально подвижное кольцо снабжено ограничителем его поворота относительно вертикальной оси. 3. Центрифуга по п.1 или 2, отличающаяся тем, что на наружной боковой поверхности радиально подвижного кольца укреплена тонкостенная втулка из износостойкого антифрикционного материала, например бронзы. 4. Центрифуга по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что радиально подвижное кольцо снабжено устройством для его центрирования, содержащее шарики, расположенные в конической кольцевой канавке, выполненной на нижнем торце кольца, и равномерно размещенные по окружности в углублениях, выполненных на дисковом выступе наружной трубки газового коллектора.