Демпфер вертикального ротора
DAMPER OF A VERTICAL ROTOR

Изобретение относится к машиностроению, к устройствам подавления механических колебаний быстровращающихся роторов с вертикальной осью вращения, и может быть использовано в качестве элемента демпфирующей нижней опоры в газовых центрифугах.
Для устройств, содержащих быстровращающийся ротор, длина которого превышает его диаметр, характерно проявление набора различных колебаний, приводящих к его неустойчивому вращению: прецессионных, нутационных, изгибных, вертикальных, автоколебаний. Совершенствование центрифужных технологий неразрывно связано с увеличением значений рабочих скоростей вращения ротора и его габаритных размеров. Следствием этих тенденций является расширение диапазонов частот неустойчивости ротора, возникновение сложных совместных резонансных колебаний его элементов одновременно в разных направлениях, увеличение значений частот проявления неустойчивости. Это приводит к усложнению демпфирующих устройств, назначением которых является обеспечение устойчивости и надежности вращения ротора. Известны демпферы [Патент № RU 2405988 С1 МПК F16F 9/10 (2006.01) Демпфер для высокоскоростного вертикального ротора, Заозерский Ю.П., Зозин В.В., Волкова ЭЛ. и др.; патент № RU 2298121 С2 МПК F16F 15/023 (2006.01), Демпфер вертикального ротора, Калитеевский А.К, Лисейкин В.П., Фридлянд А.П. и др., патент № RU 2564485 С2 МПК F16F 9/10 (2006.01), F16C 27/08 (2006.01), Демпфер, Воробьев С.А. Скворцов B.C., Трофимов К.И. и др., патент № RU 2405989 С1 МПК F16F 9/10 (2006.01), Демпфер для вертикального ротора, Заозерский Ю.П., Зозин В.В., Волкова Э.П. и др.], которые состоят из подвижных элементов различной конфигурации, погруженных в резервуар с демпфирующей жидкость.
Недостатком таких демпферов является сложность конструкции их подвижных элементов и высокая чувствительность к изменениям температуры внешней среды. Сложность конструкции подвижных элементов демпфера заключается в наличии нескольких сборочных единиц, требованиях к высокой точности изготовления этих сборочных единиц, требованиях к высокой точности и прочности их сопряжений друг с другом. Сложность конструкции подвижных элементов демпфера обусловлена необходимостью обеспечения оптимального демпфирования колебаний ротора в точно заданном диапазоне частот или нескольких диапазонах частот, а также необходимостью демпфирования разных форм колебаний ротора, с разной частотой и амплитудой.
Сравнительно простую конструкцию имеет известный демпфер, содержащий подвижный элемент с подшипником для опоры ротора и центрирующими пружинами в верхней части, шарнирно опертый нижней частью в резервуаре, заполненном демпфирующей жидкостью, отличающийся тем, что подвижный элемент выполнен ступенчатой формы, нижняя утолщенная часть которого образует демпфирующий элемент [Патент № RU 2044936 С1 МПК F16F 9/10 (1995.01), F16F 15/023 (1995.01), Демпфер, Глухов Н.П., Григорьев О.Л., Сергеев В.И.], и который взят за прототип.
Чувствительность известных демпферов к изменениям температуры внешней среды связана с характером поведения демпфирующей жидкости, входящей в их состав, в зависимости от изменения ее температуры. В применяемых демпфирующих жидкостях изменение температуры существенно изменяет ее вязкость, поэтому если из-за каких-либо факторов внешней среды происходит изменение температуры демпфера, то, как правило, эффективность его демпфирования уменьшается, выходя из диапазона подобранных оптимальных значений. К таким факторам, например, можно отнести изменение температуры производственного помещения, в котором эксплуатируется газовая центрифуга, увеличение трения между вращающимися и не вращающимися элементами газовой центрифуги, в том числе процессы, связанные с изнашиванием контактных пар трения, эксплуатационное изменение температуры ротора для обеспечения заданной газодинамики и т.д.
Из-за высокой чувствительности эффективности демпфера к изменению температуры в течение всего срока эксплуатации газовой центрифуги поддерживается и контролируется заданная температура демпфера. Для уменьшения стоимости периферийного оборудования, предназначенного для этих целей, и упрощения конструкции коммуникаций должен быть обеспечен минимальный перепад температур между демпфером, корпусными элементами газовой центрифуги и производственным помещением, в котором они эксплуатируются. Выполнение такого условия является отдельной трудоемкой задачей, решаемой при проектировании и эксплуатации газовой центрифуги, так как требования к температуре эксплуатации ее отдельных элементов могут существенно различаться. Например, получение изотопов неодима газоцентрифужным методом [Патент RU 2638858 С2 МПК B01D 59/00 (2006.01), B01D 59/20 (2006.01), Способ получения изотопов неодима, Годисов О.Н, Мязин Л.П., Тютин Б.В. и др.] связано с эксплуатацией газообразного соединения химического элемента (рабочего газа), удовлетворяющего ряду условий по молекулярной массе соединения, упругости насыщенного пара, уровню термической стабильности, уровню допустимой химической активности по отношению к материалам центробежной установки, возможности разработки технологии проведения разделительного процесса и т.д. Разработанные в настоящее время принципиально пригодные для разделения рабочие газы имеют приемлемое для эксплуатации давление насыщенных паров при температурах газовой центрифуги около 150°С. В процессе вращения ротора газовой центрифуги требуется поддерживать и регулировать температуру ее отдельных узлов, в том числе для обеспечения устойчивости вращения ротора и оптимальной циркуляции потоков рабочего газа. Для узлов, расположенных близко друг к другу, требуется обеспечивать большое значение градиента температуры. В частности, для обеспечения оптимальной циркуляции потоков рабочего газа требуется обеспечить температуру большинства корпусных деталей газовой центрифуги равной 120-150°С, а для устойчивого вращения ротора требуется обеспечить температуру демпфера около 70-100°С. При этом, демпфер располагается в непосредственной близости к корпусным деталям газовой центрифуги, что способствует интенсивному теплообмену и затрудняет поддержание требуемых стабильных температур демпфера.
Техническая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить демпфирование собственных колебаний быстровращающегося ротора с вертикальной осью вращения.
Технический результат настоящего изобретения состоит в создании нового конструктивного элемента демпфера, выполняющего функции изменения и поддержания температуры демпфера. Изменение температуры демпфера может быть использовано для увеличения эффективности демпфирования колебаний ротора в заданном диапазоне частот в процессе вращения ротора. Это приведет к упрощению конструкции подвижных элементов существующих демпферов и снижению вероятности отказов газовой центрифуги по причине потери устойчивости вращения ротора. Поддержание заданной температуры демпфера, может быть использовано для уменьшения чувствительности демпфера к изменению температуры внешней среды, в том числе, к изменению температуры элементов газовой центрифуги, близко расположенных к демпферу, и к изменению температуры производственного помещения, что увеличивает надежность газовой центрифуги. Кроме того, поддержание заданной температуры демпфера, может быть использовано для увеличения допустимого температурного перепада между различными элементами газовой центрифуги, что приведет к расширению применимости газоцентрифужной разделительной технологии и упрощению периферийного оборудования, предназначенного для обеспечения эксплуатационных температур.
Технический результат достигается тем, что в демпфере, содержащем подвижный элемент с подшипником для опоры ротора и центрирующими пружинами в верхней части, шарнирно опертый нижней частью в резервуаре, заполненном демпфирующей жидкостью, находится герметичная полость, заполненная постоянно циркулирующим теплоносителем.
Подвижный элемент демпфера может быть любой конфигурации и может состоять из любого количества сборочных единиц.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором схематично изображен вертикальный разрез демпфера.
Ротор 1, расположенный в камере 2, с иглой 3 опирается на подпятник подшипника 4 подвижного элемента 5. Подвижный элемент 5 установлен на шарнире 6 в резервуаре 7 с демпфирующей жидкостью в корпусе 8. Корпус 8 закреплен к камере 2. Подвижный элемент 5 удерживается в вертикальном положении центрирующими пружинами 9. Вокруг корпуса 8 находится теплоизолятор 10. Теплоизолятор 10 закреплен к корпусу 8 соединительной втулкой 11 с уплотнителями 12. В нижней части теплоизолятора 10 находится отверстие, к которому подсоединена напорная трубка 13. В верхней части теплоизолятора 10 находится отверстие, к которому подсоединена сливная трубка 14. Корпус 8, теплоизолятор 10 и соединительная втулка 11 с уплотнителями 12 образуют герметичную полость, в которой находится теплоноситель 15.
Демпфер работает следующим образом.
При приведении ротора 1 во вращение его колебания, например, колебания от его неуравновешенности или его изгибные колебания, передаются через иглу 3 и подпятник подшипника 4 на подвижный элемент 5, в результате чего подвижный элемент 5 перемещается в резервуаре 7, качаясь на шарнире 6. При таких движениях подвижного элемента 5 возникает упругая восстанавливающая сила при деформации центрирующих пружин 9 и демпфирующие силы при перемещении демпфирующей жидкости в резервуаре 7.
В напорную трубку 13 под давлением подается теплоноситель 15 заданной температуры в жидком агрегатном состоянии. Проходя через полость, образованную корпусом 8, теплоизолятором 10 и соединительной втулкой И с уплотнителями 12, теплоноситель 15 заполняет ее и осуществляет конвективный теплообмен с корпусом 8, после чего сливается через сливную трубку 14.
Под воздействием теплоносителя 15 температура корпуса 8 изменяется, что приводит к изменению температуры демпфирующей жидкости в резервуаре 7. Изменение температуры демпфирующей жидкости в резервуаре 7 приводит к изменению ее вязкости и изменению демпфирующих сил при ее перемещении, следовательно, к изменению амплитуды качания подвижного элемента 5 на шарнире 6. Таким образом, изменение температуры теплоносителя 15, поступающего через напорную трубку 13, обеспечивает возможность получения оптимального демпфирования различных форм колебаний ротора 1, проявляющихся, например, в процессе его разгона. В то время, когда изменение эффективности демпфирования не требуется, в частности при стабильном вращении ротора на рабочей скорости, температура теплоносителя 15 поддерживается постоянной, что исключает недопустимое влияние на демпфер температуры близко расположенных элементов газовой центрифуги, таких как камера 2, и температуры производственного помещения, в котором эксплуатируется газовая центрифуга. При этом, чувствительность демпфера к изменениям температуры внешней среды возможно уменьшить за счет увеличения расхода теплоносителя 15.