ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ КОРРЕКТИРОВКИ ЗАЗОРА МЕЖДУ ОТБОРНОЙ ТРУБКОЙ И СТЕНКОЙ РОТОРА

Полезная модель относится к оборудованию для разделения газовых смесей изотопов элементов в поле центробежных сил и касается конструкции верхней магнитной опоры газовой центрифуги.
Известна 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 (DE 1071593 А, В01D 59/20, 1960).
Магнитная опора данной центрифуги обеспечивает вращение ротора без механического контакта с элементами верхней части корпуса, компенсирует часть веса ротора, приходящегося на нижнюю опору, и при колебаниях стабилизирует вертикальное положение оси его вращения за счет радиальной жесткости, создаваемой осесимметричным магнитным полем, в котором взаимодействуют магнит и ферромагнитная втулка.
Отбор разделенных фракций осуществляется неподвижными отборными трубками из слоя вращающегося газа вблизи боковой стенки ротора в противоположных концах ротора.
Производительность газовой центрифуги с фиксированными габаритами ротора, работающего на определенной скорости вращения, в общем случае зависит от газодинамических параметров, таких как расход смеси газов, подаваемой в полость ротора, соотношение расходов легкой и тяжелой фракции, выходящих из ротора, и концентраций этих фракций. Максимальная производительность газовой центрифуги обеспечивается при оптимальном сочетании газодинамических параметров, которое в значительной степени зависит от величин радиальных зазоров между входными отверстиями отборных трубок и стенкой ротора.
Оптимальные значения этих зазоров обеспечиваются технологией изготовления ротора и соответствующим положением оси ротора при эксплуатации, которое верхней магнитной опорой поддерживается постоянным. Для этого кольцевой магнит с симметричным магнитным полем устанавливается с высокой точностью на предварительно выверенную посадочную поверхность корпуса.
Ближайшим техническим решением к предложенному является газовая центрифуга, включающая вертикальный цилиндрический корпус с верхней крышкой, имеющей горловину, установленный в нем соосно цилиндрический ротор, на верхней крышке которого расположена ферромагнитная насадка, газовый коллектор, состоящий из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок для подачи газовой смеси в ротор и отвода газовых фракций из него, и аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником, размещенный над ферромагнитной насадкой ротора и образующий с ней верхнюю магнитную опору, установленный в горловине крышки корпуса с образованием кольцевого зазора для возможности его перемещения в горизонтальной плоскости и центровки ротора (RU 2115482 C1, B04B 9/12).
Установка магнита с кольцевым зазором относительно горловины крышки корпуса позволяет регулировать положение оси ротора, которая за счет взаимодействия магнитного поля с ферромагнитной насадкой на крышке ротора отслеживает регулировочные перемещения магнита. При совпадении оси ротора с вертикальной осью газового коллектора последний фиксируется в этом положении, которое обеспечивает требуемые радиальные зазоры между входными отверстиями неподвижных трубок до боковой стенки ротора.
При нарушениях технологии изготовления газовой центрифуги происходит отклонение от расчетных значений зазоров между входными отверстиями отборных трубок и боковой стенкой ротора. В процессе эксплуатации на номинальной скорости вращения значения газодинамических параметров такой центрифуги отличаются от оптимальных, что приводит к уменьшению эффекта разделения газовой смеси и, таким образом, к уменьшению производительности газовой центрифуги.
Недостатком выбранного прототипа является то, что центровка коллектора с отборными трубками относительно стенки ротора может проводиться только при изготовлении газовой центрифуги.
Задачей полезной модели является увеличение разделительной способности газовой центрифуги при эксплуатации. Техническим результатом является обеспечение возможности корректировки зазоров между входными отверстиями отборных трубок и стенкой вращающегося с номинальной скоростью ротора газовой центрифуги.
Технический результат достигается тем, что в известной газовой центрифуге, содержащей вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, установленный в нем соосно цилиндрический ротор, на верхней крышке которого расположена ферромагнитная насадка, газовый коллектор, содержащий расположенные с зазорами неподвижные трубки для отвода газовых фракций из ротора, и установленный на крышке корпуса аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником, размещенный над ферромагнитной насадкой ротора и образующий с ней верхнюю магнитную опору, которая содержит один или несколько дополнительных конструктивных элементов из магнитного материала (магнитов), магнитные оси которых могут не совпадать с направлением оси ферромагнитной втулки ротора. Наличие в верхней магнитной опоре газовой центрифуги хотя бы одного дополнительного магнита, предназначенного для изменения зазора между вращающимся ротором и неподвижными отборными трубками, является существенным признаком полезной модели.
Увеличение производительности газовой центрифуги достигается корректировкой до оптимальных значений зазоров между входными отверстиями отборных трубок и боковой стенкой ротора при эксплуатации за счет особой пространственной ориентации дополнительных магнитов.
Сущность полезной модели поясняется принципиальной конструктивной схемой на фиг.1.
Газовая центрифуга включает корпус (1) с крышкой (2), установленный в нем тонкостенный цилиндрический ротор (3), снабженный верхней крышкой (4) и размещенным в его полости газовым коллектором (5), состоящим из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок подачи газовой смеси и отборных трубок (6, 7) тяжелой и легкой фракции, нижнюю опору (8) ротора и его верхнюю магнитную опору, содержащую укрепленную на крышке ротора ферромагнитную втулку (9), охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора, и цилиндрический аксиально намагниченный магнит (10) с полюсным наконечником (11), закрепленный над указанной втулкой на крышке корпуса. Верхняя магнитная опора включает дополнительный магнит (12), ось которого образует, к примеру, прямой угол с осью ферромагнитной втулки (9). Дополнительный магнит, как вариант, имеет форму кольца или цилиндра и установлен, например, на кронштейне (13) с втулкой (14) из немагнитного материала, закрепленном на крышке корпуса. Ротор приводится во вращение электродвигателем (15).
Газовая центрифуга работает следующим образом.
Подаваемая в полость ротора (3) через коллектор (5) исходная смесь газов вовлекается во вращение и под действием центробежных сил разделяется на легкую и тяжелую фракции. Легкая фракция газовой смеси отбирается трубкой легкой фракции (7) и отводится из центрифуги.
При взаимодействии вращающегося газа с неподвижной отборной трубкой тяжелой фракции (6) возникает его осевая циркуляция внутри ротора. При этом часть тяжелой фракции попадает во входное отверстие (16) отборной трубки тяжелой фракции. В связи с тем, что основная часть газового потока тяжелой фракции проходит у стенки ротора, особенно важно радиальное положение входного отверстия отборной трубки тяжелой фракции, которое должно быть обеспечено с высокой точностью (до сотых долей миллиметра). При исходном несоответствии оптимальному значению зазора между входным отверстием отборной трубки тяжелой фракции и стенкой ротора на выходе тяжелой фракции имеется несоответствие оптимальным значениям соотношения расходов и концентраций легкой и тяжелой фракции, при этом производительность газовой центрифуги меньше максимальной.
Дополнительный магнит предназначен для смещения ферромагнитной втулки ротора в горизонтальной плоскости. При неизменных параметрах верхней магнитной опоры направление смещения ферромагнитной втулки зависит от полярности обращенной к ней стороны дополнительного магнита, его коэрцитивной силы и пространственной ориентации магнитной оси.
Пространственное расположение стенки вращающегося ротора и входным отверстием неподвижной отборной трубки показано на фиг.2.
Ориентация оси дополнительного магнита в одной плоскости с прямой, проходящей через ось коллектора и входное отверстие отборной трубки тяжелой фракции (I-I), обеспечивает нужное направление изменения зазора между входным отверстием отборной трубки и стенкой ротора. Величина изменения зазора пропорциональна массе дополнительного магнита, которая подбирается из условий обеспечения соответствия газодинамических параметров оптимальным значениям и отсутствия контакта ротора с неподвижными деталями коллектора ротора. О соответствии газодинамических параметров оптимальным значениям судят, например, по давлению тяжелой фракции на выходе из центрифуги или значению мощности трения газа об отборные трубки при свободном выбеге ротора без подачи напряжения электропитания на обмотки электродвигателя. Пространственная ориентация дополнительных конструктивных элементов из магнитного материала (магнитов), приводящая к изменению зазора между стенкой вращающегося ротора и входным отверстием неподвижной отборной трубки газовой фракции, также является существенным признаком полезной модели.
Предлагаемая полезная модель характеризуется новой совокупностью существенных признаков, а именно наличием в верхней магнитной опоре газовой центрифуги дополнительных конструктивных элементов из магнитного материала, пространственная ориентация которых приводит к изменению зазора между стенкой вращающегося ротора и входным отверстием неподвижной отборной трубки газовой фракции.
Предлагаемая конструкция может применяться при оптимизации зазора между входным отверстием отборной трубки и стенкой ротора без остановки и переборки новых, перспективных моделей газовых центрифуг, что сокращает затраты времени и средств на проведение экспериментальных работ.
Кроме того, массовое применение предлагаемой конструкции в параллельных группах газовых центрифуг (агрегатах) за счет уменьшения разброса их газодинамических характеристик вблизи оптимального значения позволяет увеличить производительность ступеней каскада газовых центрифуг.
На серийных газовых центрифугах экспериментально проверено, что дополнительный магнит из сплава неодим-железо-бор массой 240 г.позволяет изменять зазор между входными отверстиями отборных трубок тяжелой фракции и стенкой вращающегося ротора в пределах от -0,2 мм до +0,2 мм от исходного значения, чего достаточно для достижения технического результата и увеличения производительности газовых центрифуг на 5-10%. При проведении экспериментов с перспективными газовыми центрифугами за счет применения полезной модели время оптимизации зазора между входным отверстием отборной трубки сократилось в ≈1,7 раза.