ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА Российский патент 2009 года по МПК B01D59/00 B01D59/20 B04B5/08 

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газов и изотопных смесей и, в частности, к приводам ультрацентрифуг, используемых для разделения изотопов урана.

Известна газовая центрифуга для разделения изотопов урана (Патент ФРГ №1071593, В04В 5/08, опубл. 09.06.1960), выполненная в виде вертикального тонкостенного цилиндра, приводимого во вращение двигателем торцевого исполнения, расположенным в нижней части корпуса центрифуги.

Известна газовая центрифуга для разделения изотопов урана (Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. "Управляемый гистерезисный привод". Москва: Энергоатомиздат, 1983 г., с.102), выполненная в виде вертикального тонкостенного цилиндра, приводимого во вращение гистерезисным двигателем торцевого исполнения в нижней части корпуса. Якорь закреплен на корпусе центрифуги, а ротор в виде плоского диска установлен на валу цилиндра.

Недостаток такой конструкции центрифуги состоит в том, что при параллельной работе тысяч таких центрифуг на разделительном заводе из-за разброса электрических и гидравлических параметров центрифуг и возможного снижения параметров питающего тока часть газовых центрифуг периодически работает в подсинхронном режиме, что снижает производительность разделительного оборудования.

Известна газовая центрифуга, выбранная за прототип (Патент Российской Федерации RU №2123378, D01D 59/20, В04В 5/08, Н02К 19/08, 22.11.1996), содержащая вращающуюся полость в виде вертикального тонкостенного цилиндра и торцевой гистерезисный двигатель с дисковым гистерезисным ротором, установленным на валу цилиндра. На дисковом роторе выполнены два симметричных относительно оси диска сегментных выреза с отношением оставшейся ширины диска к диаметру 0,5÷0,7, а на оси симметрии диска, расположенной между вырезами, выполнены два симметричных относительно оси диска отверстия диаметром 0,2÷0,3 диаметра диска и расстоянием между центрами 0,5÷0,7 диаметра диска.

В этой известной конструкции величина мощности опрокидывания для ротора в синхронном режиме увеличивается по сравнению с мощностью опрокидывания в центрифуге со сплошным диском гистерезисного двигателя, что обеспечивает синхронную работу сотен тысяч центрифуг на рабочей скорости вращения. Одновременно увеличивается и коэффициент мощности, и возможная предельная скорость вращения ротора. Однако дальнейшее увеличение скорости вращения ротора в этой конструкции центрифуги, от которого существенно увеличивается производительность центрифужного оборудования, ограничена прочностью материала диска, выполненного из магнитного материала.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение производительности разделительного центрифужного оборудования.

Технический результат изобретения состоит в создании газовой центрифуги, гистерезисный привод которой обеспечивает увеличенную скорость вращения разделительной полости, а следовательно, и увеличенную производительность центрифуги при выполнении диска ротора гистерезисного привода из того же материала, как и в известных конструкциях, или в увеличении гистерезисного и синхронного момента при сохранении скорости вращения центрифуги и, соответственно, увеличении производительности центрифуги за счет, например, дополнительного увеличения ее газонаполнения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в газовой центрифуге, содержащей вращающуюся полость в виде вертикального тонкостенного цилиндра и торцевой гистерезисный двигатель с установленным на валу цилиндра дисковым гистерезисным ротором с двумя симметричными относительно центра диска вырезами периферийной части и двумя отверстиями, симметричными относительно центра диска и оси симметрии диска, расположенной между вырезами, вырезы выполнены в виде кругового серпа, а отверстия выполнены в виде прорези между большой и малой дугами окружностей с радиусами в центре диска, сопряженными между собой по эллиптическим кривым, большие оси которых расположены по радиусу диска.

Дополнительно, в газовой центрифуге вырезы выполнены в виде кругового серпа по дуге окружности с радиусом, составляющим 1,2÷1,5 от величины диаметра диска.

Кроме того, в газовой центрифуге радиус малой дуги прорези составляет 0,16÷0,24 от величины диаметра диска, а радиус большой дуги прорези составляет 0,34÷0,46 от величины диаметра диска.

Дополнительно, в газовой центрифуге угол между большими осями эллиптических кривых составляет 5÷7°.

Кроме того, в газовой центрифуге отношение малой и большой полуосей эллиптических кривых составляет величину 0,6÷0,9.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 схематично изображен вертикальный разрез нижней части газовой центрифуги, а на фиг.2 показан дисковый гистерезисный ротор привода центрифуги.

Газовая центрифуга содержит вращающуюся полость в виде вертикального тонкостенного цилиндра 1, установленного для вращения в корпусе 2 на опорной игле 3 и подпятнике 4. Гистерезисный двигатель расположен в нижней части центрифуги и имеет торцевое исполнение. Якорь 5 закреплен на корпусе 2, а дисковый гистерезисный ротор 6 установлен над якорем 5 на валу 7. Дисковый ротор 6 (фиг.2) с центром О имеет центральное отверстие 8 для установки на валу 7 и два отверстия 9, расположенных на оси симметрии 10 между двумя симметричными боковыми серповидными вырезами 11, выполненными по окружности радиусом R на периферийной части диска 6 с оставшейся частью окружности 12 диска 6. Причем радиус R составляет 1,2÷1,5 от величины диаметра D диска, т.е. выполняется соотношение R/D=1,2÷1,5.

Отверстия 9 выполнены в виде прорези между малой 13 и большой 14 дугами окружностей с радиусами в центре О диска, причем дуги сопряжены между собой по эллиптическим кривым 15, большие оси 16 которых расположены по радиусу диска 6. Радиус R1 малой дуги 13 и радиус R2 большой дуги 14 составляют соответственно 0,16÷0,24 и 0,34÷0,46 от величины диаметра D диска 6. Таким образом выполняются соотношения R1/D=0,16÷0,24 и R2/D=0,34÷0,46.

Отверстия 9 на диске 6 выполнены таким образом, что угол θ между большими осями 16 эллиптических кривых 15 составляет 5÷7°, т.е. выполняется соотношение θ=5÷7°. Соотношение полуосей Н2 и H1 эллиптических кривых 15 составляет 1,2÷1,5. Таким образом, выполняется соотношение Н2/Н1=1,2÷1,5, где Н2 большая полуось эллиптической кривой 15 и H1 малая полуось эллиптической кривой 15.

Работа газовой центрифуги происходит следующим образом. При подаче питающего тока в обмотку якоря 5 возникающий на роторе 6 момент приводит во вращение цилиндр 1 и он начинает увеличивать скорость вращения до достижения синхронной скорости, соответствующей рабочему режиму работы газовой центрифуги. После достижения цилиндром рабочей скорости вращения в цилиндр 1 подают рабочий газ, который подвергается разделению. Выполненные на диске серповидные вырезы и отверстия образуют на диске более благоприятное поле распределения напряжений от действия центробежной нагрузки. Максимальные рабочие напряжения в роторе 6 на 10% меньше максимальных рабочих напряжений в дисковом роторе с сегментными вырезами и круговыми отверстиями известной конструкции, а масса ротора 6 на ~40% меньше массы дискового ротора с сегментными вырезами и круговыми отверстиями известной конструкции. В результате этого рабочая скорость центрифуги может быть увеличена на ~5% или при той же скорости вращения ширина периферийной части диска может быть увеличена на ~70%. Соответственно увеличению скорости вращения центрифуги увеличивается ее производительность. Более благоприятное распределение напряжений в диске на рабочей скорости вращения позволяет увеличить ширину периферийной части диска 6, а при увеличении ширины периферийной части диска 6 увеличивается гистерезисный и синхронный момент, в результате чего увеличивается производительность за счет увеличения газонаполнения центрифуги и уменьшения времени выхода центрифуги на рабочий режим, что также повышает производительность центрифужного оборудования.

Изобретение может быть использовано для разделения газов и изотопных смесей, в частности для разделения изотопов урана. После достижения цилиндром 1 рабочей скорости вращения в цилиндр 1 подают рабочий газ, который подвергается разделению. На валу цилиндра 1 установлен дисковый гистерезисный ротор 6, имеющий два отверстия 9, расположенных на оси симметрии 10 между двумя симметричными боковыми серповидными вырезами 11. Отверстия 9 выполнены в виде прорези между малой 13 и большой 14 дугами окружностей. Изобретение позволяет повысить производительность разделительного оборудования для центрифугирования. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газовая центрифуга, содержащая вращающуюся полость в виде вертикального тонкостенного цилиндра и торцевой гистерезисный двигатель с установленным на валу цилиндра дисковым гистерезисным ротором с двумя симметричными относительно центра диска вырезами периферийной части и двумя отверстиями, симметричными относительно центра диска и оси симметрии диска, расположенной между вырезами, отличающаяся тем, что вырезы выполнены в виде кругового серпа, а отверстия выполнены в виде прорези между большой и малой дугами окружностей с радиусами в центре диска, сопряженными между собой по эллиптическим кривым, большие оси которых расположены по радиусу диска.

2. Газовая центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что вырезы выполнены в виде кругового серпа по дуге окружности радиусом, составляющим 1,2÷1,5 от величины диаметра диска.

3. Газовая центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что радиус малой дуги прорези составляет 0,16÷0,24 от величины диаметра диска, а радиус большой дуги прорези составляет 0,34÷0,46 от величины диаметра диска.

4. Газовая центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что угол между большими осями эллиптических кривых составляет 5÷7°.

5. Газовая центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что отношение малой и большой полуосей эллиптических кривых составляет величину 0,6÷0,9.