газовая центрифуга

Формула изобретения

1. ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА, содержащая расположенный в корпусе вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную отборную трубку с входным отверстием на концевом участке, ориентированном против направления вращения ротора, отличающаяся тем, что на концевом участке трубки выполнен срез, образующий два клиновидных выступа, вершины которых расположены на разных радиусах от оси ротора.

2. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что вершины клиновидных выступов расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси ротора.

3. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что вершина клиновидного выступа, расположенная на меньшем радиусе от оси ротора, смещена относительно вершины другого клиновидного выступа по направлению вращения ротора.

4. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что клиновидные выступы выполнены усеченными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения смесей газов в поле центробежных сил и касается конструкции высокооборотной газовой центрифуги, у которой для отбора разделенных газовых фракций внутри ротора размещены неподвижные трубки с входными отверстиями на концевых участках, расположенных в сверхзвуковом потоке газа.

Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе полый ротор, внутри которого размещена неподвижная отборная трубка с входным отверстием на конце, расположенном на некотором расстоянии от оси вращения ротора и ориентированном против направления вращения ротора [1]

Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе вертикальный ротор, через верхнюю торцевую крышку которого в его полость введены две трубки отбора разделенных фракций, каждая из которых имеет три участка: вертикально проходящий по оси ротора, горизонтальный и концевой, расположенный вблизи стенки ротора и имеющий входное отверстие, ориентированное против направления вращения ротора [2]

В данных центрифугах у входного отверстия отборных трубок происходит преобразование скоростного напора вращающегося газа в статическое давление, под действием которого осуществляется отбор фракций из ротора. При недостаточной изгибной жесткости отборной трубки дополнительные усилия, возникающие на ее конце от скоростного напора вращающегося газа, возбуждают механические колебания трубки, вызывающие изменения статического давления, которые вносят возмущения в поток циркулирующего в роторе газа, снижая эффективность разделения газовой смеси. Возможность появления колебаний отборной трубки в центрифуге согласно [2] устраняют выбором формы поперечного сечения горизонтального участка трубки с неравными моментами инерции сечения по взаимно перпендикулярным направлениям.

Однако в центрифугах согласно [1] и [2] плоскость входного отверстия на заборном торце трубки перпендикулярна направлению потока газа, вследствие чего при сверхзвуковых скоростях газа у входа в трубку образуется прямой отсоединенный скачок уплотнений, неустойчивость положения которого также возбуждает колебания давления газа в трубке и в роторе, что снижает разделительную способность центрифуги.

Наиболее близкой к изобретению является газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную отборную трубку с входным отверстием на конце ее горизонтального участка, ориентированным против направления вращения ротора, причем трубка имеет различную изгибную жесткость по двум взаимно перпендикулярным направлениям, [3]

В данной центрифуге возникновение механических колебаний отборной трубки под действием сверхзвукового потока разделяемого газа затруднено из-за повышенной изгибной жесткости трубки.

Однако концевой участок трубки с входным отверстием, расположенный вблизи стенки ротора, имеет плоский торец, перпендикулярный направлению движения газа, вследствие чего у торца трубки образуется прямой скачок уплотнений с неустойчивым положением относительно входного отверстия. Неустойчивость скачка уплотнений инициирует низкочастотные колебания давления в газовом потоке ротора и в отборной трубке, что снижает разделительную способность центрифуги.

Задача изобретения состоит в повышении разделительной способности газовой центрифуги. Технический результат, обеспечиваемый использованием изобретения, заключается в устранении низкочастотных колебаний давления газа в магистралях и внутри ротора центрифуги, вызываемых образованием отсоединенного скачка уплотнений на входе в отборную трубку, путем выполнения ее концевой части оптимальной аэродинамической формы.

Указанный технический результат достигается тем, что в газовой центрифуге, содержащей расположенный в корпусе вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную отборную трубку с входным отверстием на концевом участке, ориентированном против направления вращения ротора, на концевом участке трубки выполнен срез, образующий два клиновидных выступа, вершины которых расположены на разных радиусах от оси ротора. При этом вершины клиновидных выступов целесообразно расположить в одной плоскости, перпендикулярной оси ротора, а вершину выступа, расположенную на меньшем радиусе, выполнить со смещением относительно вершины другого выступа по направлению вращения ротора. Клиновидные выступы могут быть выполнены с усеченными вершинами.

Выполнение на концевом участке отборной трубки среза, образующего два клиновидных выступа на разных радиусах от оси ротора, способствует при обтекании газом кромок входного отверстия образованию на них устойчивой системы присоединенных (косых) скачков уплотнений, что устраняет возможность возникновения низкочастотных колебаний давления в газовых магистралях и внутри ротора, снижающих разделительную способность центрифуги. Расположение вершин обоих клиновидных выступов в плоскости, перпендикулярной оси ротора и смещение по направлению вращения ротора вершины выступа, находящейся на меньшем радиусе, обеспечивают формирование у кромок входного отверстия трубки в набегающем газовом потоке поверхности возмущений, близкой к оптимальной форме поверхности конуса, вершина которого присоединена к вершине клиновидного выступа, расположенной на большем радиусе от оси ротора. Усечение (притупление) клиновидных выступов благоприятствует улучшению их температурного режима: снижает нагрев за счет улучшения теплоотвода от наиболее нагреваемой части клина.

На фиг. 1 изображена схема центрифуги (продольный разрез); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 ротора; на фиг. 3 и 4 концевой участок отборной трубки с клиновидными выступами на торце; на фиг. 5 вид по стрелке на фиг. 3; на фиг. 6 вид концевого участка трубки в аксонометрической проекции.

Ротор 1 с вертикальной осью вращения расположен в корпусе 2 центрифуги. Внутрь ротора 1 по его оси неконтактно с ним введена по меньшей мере одна неподвижная отборная трубка, горизонтальный участок 3 которой имеет расположенный вблизи боковой стенки ротора концевой участок 4 с входным отверстием 5, ориентированный против направления вращения 6 ротора. На концевом участке 4 выполнен срез с образованием двух клиновидных выступов 7 и 8, вершины которых расположены на разных радиусах от оси вращения ротора. Вершина выступа 8 смещена относительно вершины выступа 7 по направлению вращения 6 ротора, т.е. при выполнении среза на концевом участке 4 путем его сечения, например, двумя пересекающимися между собой под углом ₁+ ₂ плоскостями Д-Д и Е-Е (фиг. 4) линия их пересечения Г-Г должная быть расположена под углом >0^о к перпендикуляру В-В на ось вращения ротора, проходящему через вершину выступа 7. Вершины обоих выступов 7 и 8 предпочтительно должны быть расположены в одной горизонтальной плоскости, проходящей через ось концевого участка 4 трубки, а углы ₁ и ₂ между упомянутой плоскостью и секущими плоскостями Д-Д и Е-Е должны быть равны между собой, т.е. срез симметричен относительно горизонтальной плоскости.

Наиболее подверженные нагреву сверхзвуковым потоком газа острые участки клиновидных выступов 7 и 8 могут быть выполнены усеченными (притупления 9 и 10 на фиг. 5). Притупление целесообразно выполнять только на выступе 7.

Работа центрифуги заключается в следующем. Исходная газовая смесь, непрерывно подаваемая во вращающийся высокооборотный ротор 1, вовлекается во вращательное движение. Под действием центробежных сил смесь разделяется на легкую и тяжелую фракции, из которых тяжелая концентрируется вблизи боковой стенки и на верхнем конце ротора и при своем вращении попадает через входное отверстие 5 в отборную трубку, по которой выводится из ротора. В зоне расположения концевого участка 4 отборной трубки линейная скорость вращающегося газа превышает скорость звука в нем. При обтекании торцевой части с входным отверстием 5 концевого участка 4 сверхзвуковым потоком газа в нем образуется поверхность возмущений, распространяющаяся по направлению потока от вершины клиновидного выступа 7. Газ, проходя поверхность возмущений и систему последующих скачков уплотнений, тормозится, а направление его движения изменяется. Часть газа, прошедшая через входное отверстие 5 внутрь трубки тормозится в наибольшей степени и движется по трубке под действием перепада давлений на выход из центрифуги. Другая часть газа движется снаружи трубки, выходя из зоны отбора в циркуляционный поток. Режим обтекания концевого участка 4 трубки и параметры потока в зоне входного отверстия 5 зависят от формы концевой части трубки, образуемой срезом, и от ее положения относительно набегающего потока газа. В итоге режим обтекания оказывается существенное влияние на разделительную способность центрифуги и характеризуется формой образующейся в потоке поверхности возмущений, структурой системы скачков уплотнений и устойчивостью их положения относительно кромок входного отверстия, лобовым сопротивлением, влияющим на энергетические затраты.

Образование торцевым срезом двух клиновидных выступов, вершины которых расположены на разных радиусах от оси ротора, и острых кромок по всему контуру входного отверстия 5 позволяет практически полностью устранить встречу набегающего потока газа с торцом отборной трубки и с кромками входного отверстия под прямым углом, т.е. предотвратить самый неэффективный вариант обтекания входного торца трубки сверхзвуковым потоком.

При расположении вершин клиновидных выступов 7 и 8 в одной горизонтальной плоскости и при смещении по потоку выступа 8 относительно выступа 7 обеспечивается наиболее благоприятный режим обтекания входной части отборной трубки сверхзвуковым потоком: в этом случае форма поверхности возмущений приближается к оптимальной форме поверхности конуса с вершиной, присоединенной к вершине выступа 7, а косые скачки уплотнений устойчиво "садятся" на выступы 7 и 8, благодаря чему устраняются низкочастотные колебания давления в роторе, у входного отверстия трубки и в связанных с ней газовых трассах.

Технология выполнения среза на концевом участке отборной трубки относительно простая, так как срез образуется преимущественно плоскими поверхностями. Получение необходимой формы среза обеспечивается выбором угла (фиг. 3) и углов ₁ и ₂ (фиг. 4). Однако срез может быть выполнен и криволинейными поверхностями, например, двумя пересекающимися между собой по образующей цилиндрическими поверхностями малой кривизны.

Установлено и экспериментально подтверждено, что в газовых центрифугах для разделения изотопных смесей тяжелых элементов наилучшие результаты обеспечивает отборная трубка со срезом на концевом участке, имеющим угол порядка 20^о и ₁= ₂=030^о. В этих центрифугах колебаний давления не наблюдается не только во всем рабочем диапазоне изменений гидравлических параметров, но и при значительно больших изменениях как расхода, так и давления рабочего газа.