ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА Российский патент 1998 года по МПК B04B5/08 B04B9/12 B01D59/20 

Изобретение относится к газовым ультрацентрифугам и касается верхней магнитной опоры высокооборотного ротора, посредством которой ротор удерживается в вертикальном положении и осуществляется осевая нагрузка нижнего подшипника.

Известна газовая центрифуга, содержащая полый вертикальный ротор, установленный в корпусе на нижнем механическом и верхнем магнитном подшипниках, при этом на обоих торцах ротора выполнены кольцевые осевые выступы, а корпус снабжен ответными осевыми выступами, размещенными с зазором против выступов ротора. Корпус, ротор и осевые выступы выполнены из ферромагнитного материала, а в промежутках между стенкой корпуса и его выступами установлены верхний и нижний радиально намагниченные постоянные кольцевые магниты, с помощью которых корпус, вращающийся ротор и выступы образуют магнитную цепь [1].

В магнитной подвеске ротора данной центрифуги кольцо осевого выступа на его нижнем торце расположено на значительном расстоянии от оси вращения, равном радиусу ротора, и вблизи нижней игольчатой опоры ротора, вследствие чего даже малые угловые отклонения ротора относительно центра вращения опорной иглы вызовут достаточно большие вертикальные перемещения нижнего выступа роторов, которые будут изменять осевой зазор между нижними выступами корпуса и ротора. В диаметрально противоположных точках изменения зазоров имеют разные знаки, вследствие чего магнитное взаимодействие между выступами корпуса и ротора приводит к ухудшению стабилизации ротора. Так как увеличивающаяся сила притязания на стороне уменьшающегося зазора препятствует восстановлению вертикального положения оси ротора, что равносильно уменьшению поперечной жесткости магнитной подвески. Кроме того, для изготовления высокооборотных роторов ультрацентрифуг ферромагнитные неприемлемы из-за их большой удельной массы и недостаточной прочности.

Ближайшим техническим решением к предложенному является газовая центрифуга, включающая корпус, установленный в нем тонкостенный цилиндрический ротор, снабженный крышкой и размещенным в его полости газовым коллектором, состоящим из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси и отвода газовых фракций, нижнюю опору ротора и его верхнюю магнитную опору, содержащую укрепленную на крышке ротора ферромагнитную втулку, охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора и цилиндрический аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над указанной втулкой [2].

Магнитная опора данной центрифуги обеспечивает вращение ротора без механического контакта с элементами верхней части корпуса, разгружает нижний подшипник от части силы веса ротора и при колебаниях стабилизирует вертикальное положение оси его вращения за счет радиальной жесткости, создаваемой осесимметричным магнитным полем, в котором взаимодействуют магнит и ферромагнитная втулка. Для расширения диапазона частот колебаний, при которых верхняя магнитная опора надежно стабилизирует ротор, надо увеличить радиальную жесткость магнитной опоры.

Однако в данной центрифуге для этой цели нельзя устанавливать более сильный магнит и уменьшать зазор между торцами магнита и втулки из-за опасности отрыва ротора от подпятника нижней опоры и "прилипания" к нижнему торцу магнита.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности работы центрифуги в процессе вращения ротора при его разгоне и возможности ее работы на номинальном режиме путем повышения радиальной жесткости верхней магнитной опоры без существенного изменения степени осевой разгрузки нижнего подшипника.

Этот результат достигается тем, что в газовой центрифуге, включающей корпус, установленный в нем тонкостенный цилиндрический вертикальный ротор, снабженный крышкой и размещенным в его полости газовым коллектором, состоящим из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси и отвода газовых фракций, нижнюю опору ротора и его верхнюю магнитную опору, содержащую укрепленную на крышке ротора ферромагнитную втулку, охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора, и цилиндрический аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над указанной втулкой, верхняя магнитная опора снабжена дополнительной ферромагнитной втулкой, укрепленной на крышке ротора соосно с основной, и дополнительным цилиндрическим аксиально намагниченным магнитом, установленным на наружной трубке газового коллектора с возможностью магнитного взаимодействия с дополнительной ферромагнитной втулкой и с полярностью, противоположной полярности основного магнита.

На торцах дополнительного магнита следует расположить полюсные наконечники, имеющие вертикальные кольцевые выступы. Ферромагнитная втулка также должна иметь кольцевые выступы, расположенные с зазором относительно кольцевых выступов полюсных наконечников.

На фиг. 1 изображен продольный разрез центрифуги; на фиг. 2 - разрез верхней магнитной опоры ротора.

В корпусе 1 установлен тонкостенный цилиндрический вертикальный ротор 2 с верхней крышкой и расположенным в его полости неподвижным газовым коллектором, образованным концентрично размещенными с зазором трубкой 4 подачи исходной газовой смеси и трубками 5 и 6 отвода из центрифуги легкой и тяжелой фракций. Ротор 2 при помощи упругой иглы 7 опирается внизу на подпятник 8, а в верхней части бесконтактно с неподвижными элементами поддерживается верхней магнитной опорой, включающей в себя ферромагнитную втулку 9, укрепленную соосно на верхней крышке 3 ротора и охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора, и цилиндрический полый аксиально намагниченный магнит 10, установленный в корпусе 1 над втулкой 9 с зазором между верхним концом втулки 9 и немагнитной деталью корпуса 1, на которую опирается своим нижним торцом магнит 10. На нижнем торце магнита 10 может быть закреплен полюсный наконечник 11. Верхняя магнитная опора ротора снабжена дополнительным кольцевым аксиально намагниченным магнитом 12, закрепленным на неподвижной внешней трубке 6 газового коллектора, и дополнительной ферромагнитной втулкой 13, укрепленной на крышке 3 ротора 2 соосно с основной втулкой 9. Дополнительный магнит 12 размещен на трубке 6 так, что его полярность противоположна полярности основного магнита 10. Дополнительная втулка 13 может иметь два вертикальных кольцевых выступа 14, а магнит 12 на торцах снабжен двумя полюсными наконечниками 15 с одинаково направленными вертикальными кольцевыми выступами 16 и 17, расположенными с осевым зазором против кольцевых выступов 14 втулки 13. В этом случае дополнительный магнит 12 закреплен на своем нижнем полюсном наконечнике 15, который неподвижно установлен на внешней трубке 6 газового коллектора. Ротор 2 приводится во вращение электродвигателем 18.

Газовая центрифуга работает следующим образом.

Подаваемая по трубке 4 во вращающийся с большой скоростью ротор 2 исходная газовая смесь (или газообразная изотопная смесь) вовлекается во вращение, а также, как правило, и в осевую циркуляцию, и под действием центробежных сил разделяется на легкую и тяжелую фракции, которые отбираются заборными участками трубок 5 и 6 и отводятся по ним из центрифуги.

Опирающийся иглой 7 на подпятник 8 ротор 2 удерживается в вертикальном положении благодаря радиальной жесткости верхней магнитной опоры, создаваемой за счет взаимодействия осесимметричного магнитного поля магнита 10 и ферромагнитной втулки 9. При этом осевая сила тяжения магнита 10 частично разгружает подпятник 8 от веса ротора, уменьшая трение в опоре и износ ее элементов.

Во время разгона высокооборотного ротора 2 при прохождении критических частот вращения, а также на рабочем режиме за счет нутации, остаточного дисбаланса и действия случайных внешних сил ротор может совершать колебания относительно нижней опоры, а составные и длинные роторы могут быть подвержены изгибным колебаниям. Благодаря радиальной жесткости верхняя магнитная опора амортизирует эти колебания, стабилизируя вертикальное положение оси вращения.

В центрифуге радиальная жесткость верхней опоры повышена за счет установки дополнительной ферромагнитной втулки 13 и дополнительного цилиндрического магнита 12. Магнитный поток, создаваемый последним, намного меньше, чем у основного магнита 10, и его осевая сила тяжения направлена противоположно силе тяжения магнита 10, что уменьшает степень разгрузки нижней опоры.

Установка на торцах дополнительного магнита 12 полюсных наконечников 15 с кольцевыми вертикальными выступами 16 и 17, магнитно взаимодействующими с кольцевыми выступами 14 на дополнительной ферромагнитной втулке 13, способствует, во-первых, концентрации магнитного потока и увеличению силы магнитного взаимодействия, и, во-вторых, в результате замыкания магнитной цепи внутри указанных выше элементов уменьшается рассеивание магнитного потока и наводка вихревых токов в близко расположенных металлических элементах ротора.

Конструкция верхней магнитной опоры ротора газовой центрифуги обеспечивает увеличение ее радиальной жесткости в 3-4 раза. Степень осевой разгрузки нижней опоры ротора при этом уменьшается незначительно (на 10-15%) при условии, что осевой зазор между торцами магнита 10 и ферромагнитной втулки 9 остается неизменным. Увеличение радиальной жесткости верхней магнитной опоры повышает эффективность стабилизации оси вращения высокооборотного ротора центрифуги.

Центрифуга предназначена для разделения газовых смесей, например изотопных. Она включает корпус, цилиндрический вертикальный ротор с крышкой, снабженный газовым коллектором, содержащим трубку подачи газовой смеси и отвода газовых фракций. Ротор снабжен нижней опорой и верхней магнитной опорой, содержащей ферромагнитную втулку, укрепленную на крышке ротора, и цилиндрический аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над указанной втулкой. Верхняя магнитная опора снабжена дополнительной ферромагнитной втулкой, укрепленной на крышке ротора соосно с основной, и дополнительным аксиально намагниченным магнитом, установленным на наружной трубке газового коллектора с возможностью магнитного взаимодействия с дополнительной втулкой и с полярностью, противоположной полярности основного магнита. Конструкция центрифуги обеспечивает повышение надежности работы центрифуги в процессе вращения ротора при его разгоне. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Газовая центрифуга, включающая корпус, установленный в нем тонкостенный цилиндрический вертикальный ротор, снабженный крышкой и размещенным в его полости газовым коллектором, состоящим из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси и отвода газовых фракций, нижнюю опору ротора и его верхнюю магнитную опору, содержащую укрепленную на крышке ротора ферромагнитную втулку, охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора, и цилиндрический аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над указанной втулкой, отличающаяся тем, что верхняя магнитная опора снабжена дополнительной ферромагнитной втулкой, укрепленной на крышке ротора соосно с основной, и дополнительным цилиндрическим аксиально намагниченным магнитом, установленным на наружной трубке газового коллектора с возможностью магнитного взаимодействия с дополнительной ферромагнитной втулкой, и с полярностью, противоположной полярности основного магнита. 2. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что на торцах дополнительного магнита расположены полюсные наконечники, имеющие вертикальные кольцевые выступы, при этом ферромагнитная втулка также имеет кольцевые выступы, расположенные с зазором относительно кольцевых выступов полюсных наконечников.