ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА С УВЕЛИЧЕННЫМ РАССТОЯНИЕМ МЕЖДУ ОТБОРНЫМИ ТРУБКАМИ

Полезная модель относится к оборудованию для разделения газовых смесей изотопов элементов в поле центробежных сил и касается конструкции 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 вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную 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 (патент JP №54-4786, кл. В01D 59/20, 1979).
Наиболее близкой к полезной модели является 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 (выложенная заявка JP №58-57969, кл. В01D 59/20, 1983).
В данных противоточных центрифугах происходит непрерывный процесс разделения газовой смеси веществ, подаваемой в ротор в точке питания на легкую и тяжелую фракции, которые концентрируются в противоположных концах ротора. Точка питания расположена в средней части оси ротора. Отборные трубки разных фракций расположены в разных концах ротора. На входных отверстиях отборных трубок происходит преобразование скоростного напора вращающегося газа в статическое давление, под действием которого осуществляется движение фракций по внутренним полостям сначала горизонтальных участков, а потом и вертикальных участков отборных трубок на выход из газовой центрифуги.
Из уровня техники известно, что разделительная мощность центрифуги прямо пропорциональна длине ротора (Н.М.Синев. Экономика ядерной энергетики. М. - Энергоатомиздат. 1987, стр.282). Более точно, разделительная мощность центрифуги прямо пропорциональна осевому расстоянию между отборными трубками разных фракций ротора газовой центрифуги. Поэтому входные отверстия отборных трубок должны располагаться на максимальном удалении друг от друга.
В перечисленных центрифугах крышки имеют постоянную по радиусу толщину дисковой части, расположенную в горизонтальной плоскости, а отборные трубки располагаются также в горизонтальной плоскости с минимальным зазором, обеспечивающим не задевание дисковой части вращающейся крышки с неподвижной отборной трубкой.
В современных высокоскоростных центрифугах для обеспечения требуемой прочности дисковые части крышек выполняют с переменной по радиусу толщиной, при этом толщина в центре в несколько раз больше, чем на периферии. Кроме того, для компенсации осевого укорочения трубы ротора крышки выполняют конусными. Для этих крышек при горизонтальном расположении оси отборной трубки зазор между ней и торцевой внутренней поверхностью крышки на периферии оказывается больше, чем на оси ротора. В такой конструкции недостаточно полно используется длина внутренней полости ротора, ограниченная торцевыми крышками. Из-за этого разделительная мощность центрифуги на несколько процентов меньше, чем при минимальном зазоре между отборной трубкой и торцевой внутренней поверхностью крышки, то есть при максимальном расстоянии между отборными трубками разных фракций. Кроме того, при горизонтальном расположении радиальных участков отборных трубок их входные отверстия находятся близко от отверстий в диафрагмах, отделяющих отборные камеры ротора центрифуги, вследствие чего неравномерное по азимуту торможение газа отборными трубками в отборных камерах приводит к возмущениям циркуляционного потока в разделительной камере ротора, что также уменьшает разделительную мощность газовой центрифуги.
Задача полезной модели состоит в увеличении разделительной мощности газовой центрифуги. Технический результат, обеспечиваемый использованием полезной модели, заключается в увеличении осевого расстояния между отборными трубками разных фракций ротора газовой центрифуги. Технический результат достигается расположением по крайней мере одной отборной трубки в положении, отличающемся от горизонтального, при котором входное отверстие трубки максимально приближено к торцевой поверхности крышки.
В предлагаемой полезной модели конструкции газовой центрифуги новой является форма отборной трубки, которая имеет три участка: вертикально проходящий по оси ротора, радиальный (не горизонтальный) и концевой, расположенный вблизи стенки ротора и имеющий входное отверстие, ориентированное против направления вращения ротора. Но если осевое расстояние от точки питания до входного отверстия отборной трубки меньше, чем до места перехода радиального участка в вертикальный, то осевое расстояние между отборными трубками разных фракций ротора газовой центрифуги уменьшается. Следовательно, разделительная мощность уменьшается, и технический результат не достигается. Напротив, если осевое расстояние от точки питания до входного отверстия отборной трубки больше, чем до места перехода радиального участка в вертикальный, то осевое расстояние между отборными трубками разных фракций ротора газовой центрифуги увеличивается. Следовательно, разделительная мощность увеличивается, технический результат достигается. Поэтому существенным признаком полезной модели является форма радиального участка отборной трубки, имеющей большее осевое расстояние от точки питания до входного отверстия отборной трубки, чем до места перехода радиального участка отборной трубки в вертикальный участок. Только в совокупности эти признаки обеспечивают технический результат.
Предлагаемая конструкция поясняется схемами на фиг.1-4.
Фиг.1 - схема прототипа с торцевыми крышками, имеющими не постоянную по радиусу толщину дисковой части, имеющими утонение периферийной части, (продольный разрез) и горизонтальные отборные трубки;
Фиг.2, фиг.3 - варианты схем новой газовой центрифуги с отличиями конструкции верхней отборной трубки;
Фиг.4 вариант схемы новой газовой центрифуги с отличием конструкции верхней и нижней отборных трубок.
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 отвода газовых фракций и отборных трубок (6, 7) тяжелой и легкой фракции, нижнюю крышку ротора (8). Разделительная камера ротора (9) отделена от камеры тяжелой фракции верхней диафрагмой (10), от камеры легкой фракции нижней диафрагмой (11). Отборные трубки имеют определенные места переходов радиальных участков в вертикальные (12, 13).
Газовая центрифуга работает следующим образом.
3
2
1
4
5
Подаваемая в полость ротора (3) через коллектор (5) исходная газовая смесь вовлекается во вращательное движение. Под действием центробежных сил газовая смесь разделяется на легкую и тяжелую фракции. Легкая фракция газовой смеси концентрируется на нижнем конце ротора ближе к оси ротора, отбирается трубкой легкой фракции (7) и выводится из ротора. Тяжелая фракция концентрируется вблизи боковой стенки на верхнем конце ротора. При своем вращении тяжелая фракция попадает в область отборной трубки тяжелой фракции (6). В случае использования новой конструкции отборной трубки только тяжелой фракции, осевое расстояние от точки питания до свободного конца отборной трубки легкой фракции (l) не изменяется, но осевое расстояние от точки питания до свободного конца отборной трубки тяжелой фракции увеличивается на величину (l-l). В случае использования новой конструкции обеих отборных трубок, осевое расстояние между их свободными концами увеличивается на величину (l-l).
Экспериментально подтверждено, что в газовой центрифуге для разделения газовых смесей тяжелых изотопов с отборной трубкой тяжелой фракции, у которой осевое расстояние от точки питания до входного отверстия на ~10 мм больше, чем до места перехода радиального участка в вертикальный, разделительная мощность увеличивается на ~3%. С учетом того, что в промышленном процессе разделения газовых смесей используются газовые центрифуги в количествах, превышающих десятки тысяч, промышленное применение полезной модели в новых газовых центрифугах дает большой экономический эффект.