RU2115481C1

RU2115481C1 - Gas centrifuge

Info

Publication number: RU2115481C1
Application number: RU97100874/13A
Authority: RU
Inventors: Б.И. Кантин; В.И. Кирюшкин; В.В. Кураев; В.П. Лисейкин; нд А.П. Фридл; А.П. Фридлянд
Original assignee: Центральное конструкторское бюро машиностроения
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: separation of gas mixtures such as isotope ones. SUBSTANCE: centrifuge has housing, vertical cylindrical rotor with cover provided with gas header incorporating gas mixture inlet and gas fraction outlet pipe. Rotor has bottom support and top magnetic support incorporating ferromagnetic bushing mounted on rotor cover, as well as axially magnetized cylindrical magnet mounted in housing above mentioned bushing. Top magnetic support is provided with additional ferromagnetic bushing mounted on rotor cover coaxially to main one and to additional axially magnetized magnet installed on external pipe of gas header for magnetic interaction with additional bushing, its polarity being reverse to that of main magnet. EFFECT: improved operating reliability of centrifuge in the course of rotor running during its acceleration period. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газовым ультрацентрифугам и касается верхней магнитной опоры высокооборотного ротора, посредством которой ротор удерживается в вертикальном положении и осуществляется осевая нагрузка нижнего подшипника. The invention relates to gas ultracentrifuges and relates to the upper magnetic support of a high-speed rotor, by which the rotor is held in a vertical position and the axial load of the lower bearing is carried out.

Известна газовая центрифуга, содержащая полый вертикальный ротор, установленный в корпусе на нижнем механическом и верхнем магнитном подшипниках, при этом на обоих торцах ротора выполнены кольцевые осевые выступы, а корпус снабжен ответными осевыми выступами, размещенными с зазором против выступов ротора. Корпус, ротор и осевые выступы выполнены из ферромагнитного материала, а в промежутках между стенкой корпуса и его выступами установлены верхний и нижний радиально намагниченные постоянные кольцевые магниты, с помощью которых корпус, вращающийся ротор и выступы образуют магнитную цепь [1]. Known gas centrifuge containing a hollow vertical rotor mounted in the housing on the lower mechanical and upper magnetic bearings, while at both ends of the rotor are made of axial axial protrusions, and the housing is equipped with reciprocal axial protrusions placed with a gap against the protrusions of the rotor. The casing, the rotor and axial protrusions are made of ferromagnetic material, and in the spaces between the casing wall and its protrusions, upper and lower radially magnetized permanent ring magnets are installed, with which the casing, the rotating rotor and the protrusions form a magnetic circuit [1].

В магнитной подвеске ротора данной центрифуги кольцо осевого выступа на его нижнем торце расположено на значительном расстоянии от оси вращения, равном радиусу ротора, и вблизи нижней игольчатой опоры ротора, вследствие чего даже малые угловые отклонения ротора относительно центра вращения опорной иглы вызовут достаточно большие вертикальные перемещения нижнего выступа роторов, которые будут изменять осевой зазор между нижними выступами корпуса и ротора. В диаметрально противоположных точках изменения зазоров имеют разные знаки, вследствие чего магнитное взаимодействие между выступами корпуса и ротора приводит к ухудшению стабилизации ротора. Так как увеличивающаяся сила притязания на стороне уменьшающегося зазора препятствует восстановлению вертикального положения оси ротора, что равносильно уменьшению поперечной жесткости магнитной подвески. Кроме того, для изготовления высокооборотных роторов ультрацентрифуг ферромагнитные неприемлемы из-за их большой удельной массы и недостаточной прочности. In the rotor’s magnetic suspension of this centrifuge, the axial protrusion ring at its lower end is located at a considerable distance from the axis of rotation equal to the radius of the rotor and near the lower needle support of the rotor, as a result of which even small angular deviations of the rotor relative to the center of rotation of the supporting needle will cause sufficiently large vertical movements of the lower protrusions of the rotors, which will change the axial clearance between the lower protrusions of the housing and the rotor. At diametrically opposite points, the changes in the gaps have different signs, as a result of which the magnetic interaction between the protrusions of the housing and the rotor leads to a deterioration in the stabilization of the rotor. Since the increasing force of claim on the side of the decreasing gap prevents the restoration of the vertical position of the axis of the rotor, which is equivalent to a decrease in the transverse stiffness of the magnetic suspension. In addition, for the manufacture of high-speed rotors of ultracentrifuges, ferromagnetic are unacceptable because of their large specific gravity and insufficient strength.

Ближайшим техническим решением к предложенному является 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 [2]. The closest technical solution to the proposed one is a gas centrifuge, including a housing, a thin-walled cylindrical rotor installed in it, equipped with a cover and a gas manifold placed in its cavity, consisting of fixed tubes concentrically arranged with gaps for supplying the gas mixture and removing gas fractions, the lower rotor support and its upper magnetic support, containing a ferromagnetic sleeve mounted on the rotor cover, covering the outer tube of the gas manifold with a gap and a cylindrical axial but a magnetized magnet installed in the housing above the specified sleeve [2].

Магнитная опора данной центрифуги обеспечивает вращение ротора без механического контакта с элементами верхней части корпуса, разгружает нижний подшипник от части силы веса ротора и при колебаниях стабилизирует вертикальное положение оси его вращения за счет радиальной жесткости, создаваемой осесимметричным магнитным полем, в котором взаимодействуют магнит и ферромагнитная втулка. Для расширения диапазона частот колебаний, при которых верхняя магнитная опора надежно стабилизирует ротор, надо увеличить радиальную жесткость магнитной опоры. The magnetic support of this centrifuge ensures rotation of the rotor without mechanical contact with the elements of the upper part of the housing, unloads the lower bearing from part of the weight of the rotor and stabilizes the vertical position of its axis of rotation due to the radial rigidity created by the axisymmetric magnetic field in which the magnet and the ferromagnetic sleeve interact . To expand the range of vibration frequencies at which the upper magnetic support reliably stabilizes the rotor, it is necessary to increase the radial stiffness of the magnetic support.

Однако в данной центрифуге для этой цели нельзя устанавливать более сильный магнит и уменьшать зазор между торцами магнита и втулки из-за опасности отрыва ротора от подпятника нижней опоры и "прилипания" к нижнему торцу магнита. However, in this centrifuge for this purpose it is impossible to install a stronger magnet and reduce the gap between the ends of the magnet and the sleeve because of the danger of the rotor coming off the thrust bearing of the lower support and “sticking” to the lower end of the magnet.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности работы центрифуги в процессе вращения ротора при его разгоне и возможности ее работы на номинальном режиме путем повышения радиальной жесткости верхней магнитной опоры без существенного изменения степени осевой разгрузки нижнего подшипника. The technical result of the invention is to increase the reliability of the centrifuge during the rotation of the rotor during acceleration and the possibility of its operation in the nominal mode by increasing the radial stiffness of the upper magnetic support without significantly changing the degree of axial unloading of the lower bearing.

Этот результат достигается тем, что в газовой центрифуге, включающей корпус, установленный в нем тонкостенный цилиндрический вертикальный 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, верхняя магнитная опора снабжена дополнительной ферромагнитной втулкой, укрепленной на крышке ротора соосно с основной, и дополнительным цилиндрическим аксиально намагниченным магнитом, установленным на наружной трубке газового коллектора с возможностью магнитного взаимодействия с дополнительной ферромагнитной втулкой и с полярностью, противоположной полярности основного магнита. This result is achieved in that in a gas centrifuge comprising a housing, a thin-walled cylindrical vertical rotor installed in it, provided with a cover and a gas manifold placed in its cavity, consisting of fixed tubes concentrically arranged with gaps for supplying the gas mixture and removing gas fractions, the lower support rotor and its upper magnetic support, containing a ferromagnetic sleeve mounted on the rotor cover, covering the outer tube of the gas manifold with a gap, and a cylindrical axially lambered magnet installed in the housing above the specified sleeve, the upper magnetic support is equipped with an additional ferromagnetic sleeve, mounted on the rotor cover coaxially with the main one, and an additional cylindrical axially magnetized magnet mounted on the outer tube of the gas manifold with the possibility of magnetic interaction with the additional ferromagnetic sleeve and with polarity opposite polarity of the main magnet.

На торцах дополнительного магнита следует расположить полюсные наконечники, имеющие вертикальные кольцевые выступы. Ферромагнитная втулка также должна иметь кольцевые выступы, расположенные с зазором относительно кольцевых выступов полюсных наконечников. At the ends of the additional magnet, pole pieces having vertical annular protrusions should be positioned. The ferromagnetic sleeve must also have annular protrusions located with a gap relative to the annular protrusions of the pole pieces.

На фиг. 1 изображен продольный разрез центрифуги; на фиг. 2 - разрез верхней магнитной опоры ротора. In FIG. 1 shows a longitudinal section through a centrifuge; in FIG. 2 - section of the upper magnetic support of the rotor.

В корпусе 1 установлен тонкостенный цилиндрический вертикальный ротор 2 с верхней крышкой и расположенным в его полости неподвижным газовым коллектором, образованным концентрично размещенными с зазором трубкой 4 подачи исходной газовой смеси и трубками 5 и 6 отвода из центрифуги легкой и тяжелой фракций. Ротор 2 при помощи упругой иглы 7 опирается внизу на подпятник 8, а в верхней части бесконтактно с неподвижными элементами поддерживается верхней магнитной опорой, включающей в себя ферромагнитную втулку 9, укрепленную соосно на верхней крышке 3 ротора и охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора, и цилиндрический полый аксиально намагниченный магнит 10, установленный в корпусе 1 над втулкой 9 с зазором между верхним концом втулки 9 и немагнитной деталью корпуса 1, на которую опирается своим нижним торцом магнит 10. На нижнем торце магнита 10 может быть закреплен полюсный наконечник 11. Верхняя магнитная опора ротора снабжена дополнительным кольцевым аксиально намагниченным магнитом 12, закрепленным на неподвижной внешней трубке 6 газового коллектора, и дополнительной ферромагнитной втулкой 13, укрепленной на крышке 3 ротора 2 соосно с основной втулкой 9. Дополнительный магнит 12 размещен на трубке 6 так, что его полярность противоположна полярности основного магнита 10. Дополнительная втулка 13 может иметь два вертикальных кольцевых выступа 14, а магнит 12 на торцах снабжен двумя полюсными наконечниками 15 с одинаково направленными вертикальными кольцевыми выступами 16 и 17, расположенными с осевым зазором против кольцевых выступов 14 втулки 13. В этом случае дополнительный магнит 12 закреплен на своем нижнем полюсном наконечнике 15, который неподвижно установлен на внешней трубке 6 газового коллектора. Ротор 2 приводится во вращение электродвигателем 18. A thin-walled cylindrical vertical rotor 2 with a top cover and a stationary gas manifold located in its cavity formed by concentrically placed with a gap tube 4 for supplying the initial gas mixture and tubes 5 and 6 for removing light and heavy fractions from the centrifuge is installed in the housing 1. The rotor 2 with an elastic needle 7 rests on the bottom of the thrust bearing 8, and in the upper part is contactlessly with fixed elements supported by the upper magnetic support, which includes a ferromagnetic sleeve 9, mounted coaxially on the upper cover 3 of the rotor and covering the outer tube of the gas manifold with a gap, and a cylindrical hollow axially magnetized magnet 10 mounted in the housing 1 above the sleeve 9 with a gap between the upper end of the sleeve 9 and the non-magnetic part of the housing 1, on which the magnet 10 rests with its lower end The pole piece 11 can be fixed to the magnet 10. The upper magnetic support of the rotor is equipped with an additional annular axially magnetized magnet 12 mounted on the stationary outer tube 6 of the gas manifold, and an additional ferromagnetic sleeve 13 mounted on the cover 3 of the rotor 2 coaxially with the main sleeve 9. Additional the magnet 12 is placed on the tube 6 so that its polarity is opposite to the polarity of the main magnet 10. The additional sleeve 13 may have two vertical annular protrusions 14, and the magnet 12 at the ends of the sleep wives two pole pieces 15 with the same direction vertical annular projections 16 and 17 disposed with axial play against the annular projections 14 of the sleeve 13. In this case, an additional magnet 12 is fixed at its lower pole piece 15 which is fixedly mounted on the outer tube 6 of the gas collector. The rotor 2 is driven by an electric motor 18.

Газовая центрифуга работает следующим образом. Gas centrifuge operates as follows.

Подаваемая по трубке 4 во вращающийся с большой скоростью ротор 2 исходная газовая смесь (или газообразная изотопная смесь) вовлекается во вращение, а также, как правило, и в осевую циркуляцию, и под действием центробежных сил разделяется на легкую и тяжелую фракции, которые отбираются заборными участками трубок 5 и 6 и отводятся по ним из центрифуги. The feed gas mixture (or gaseous isotope mixture) supplied through the tube 4 to the rotor 2 rotating at high speed is involved in the rotation, and also, as a rule, in the axial circulation, and under the action of centrifugal forces is separated into light and heavy fractions, which are selected by intakes sections of tubes 5 and 6 and are removed along them from the centrifuge.

Опирающийся иглой 7 на подпятник 8 ротор 2 удерживается в вертикальном положении благодаря радиальной жесткости верхней магнитной опоры, создаваемой за счет взаимодействия осесимметричного магнитного поля магнита 10 и ферромагнитной втулки 9. При этом осевая сила тяжения магнита 10 частично разгружает подпятник 8 от веса ротора, уменьшая трение в опоре и износ ее элементов. The rotor 2, supported by the needle 7 on the thrust bearing 8, is held in a vertical position due to the radial stiffness of the upper magnetic support created by the interaction of the axisymmetric magnetic field of the magnet 10 and the ferromagnetic sleeve 9. In this case, the axial tensile force of the magnet 10 partially unloads the thrust bearing 8 from the weight of the rotor, reducing friction in the support and wear of its elements.

Во время разгона высокооборотного ротора 2 при прохождении критических частот вращения, а также на рабочем режиме за счет нутации, остаточного дисбаланса и действия случайных внешних сил ротор может совершать колебания относительно нижней опоры, а составные и длинные роторы могут быть подвержены изгибным колебаниям. Благодаря радиальной жесткости верхняя магнитная опора амортизирует эти колебания, стабилизируя вертикальное положение оси вращения. During acceleration of a high-speed rotor 2 during the passage of critical rotation frequencies, as well as in the operating mode due to nutation, residual imbalance and the action of random external forces, the rotor can oscillate relative to the lower support, and composite and long rotors can be subject to bending vibrations. Due to radial stiffness, the upper magnetic support absorbs these vibrations, stabilizing the vertical position of the axis of rotation.

В центрифуге радиальная жесткость верхней опоры повышена за счет установки дополнительной ферромагнитной втулки 13 и дополнительного цилиндрического магнита 12. Магнитный поток, создаваемый последним, намного меньше, чем у основного магнита 10, и его осевая сила тяжения направлена противоположно силе тяжения магнита 10, что уменьшает степень разгрузки нижней опоры. In a centrifuge, the radial stiffness of the upper support is increased due to the installation of an additional ferromagnetic sleeve 13 and an additional cylindrical magnet 12. The magnetic flux generated by the latter is much smaller than that of the main magnet 10, and its axial gravity is directed opposite to the gravity of the magnet 10, which reduces the degree unloading the lower support.

Установка на торцах дополнительного магнита 12 полюсных наконечников 15 с кольцевыми вертикальными выступами 16 и 17, магнитно взаимодействующими с кольцевыми выступами 14 на дополнительной ферромагнитной втулке 13, способствует, во-первых, концентрации магнитного потока и увеличению силы магнитного взаимодействия, и, во-вторых, в результате замыкания магнитной цепи внутри указанных выше элементов уменьшается рассеивание магнитного потока и наводка вихревых токов в близко расположенных металлических элементах ротора. The installation on the ends of the additional magnet 12 of the pole pieces 15 with annular vertical protrusions 16 and 17, magnetically interacting with the ring protrusions 14 on the additional ferromagnetic sleeve 13, contributes, firstly, to the concentration of magnetic flux and increase the strength of magnetic interaction, and, secondly, as a result of the closure of the magnetic circuit inside the above elements, the dispersion of the magnetic flux and the eddy currents in the closely spaced metal elements of the rotor are reduced.

Конструкция верхней магнитной опоры ротора газовой центрифуги обеспечивает увеличение ее радиальной жесткости в 3-4 раза. Степень осевой разгрузки нижней опоры ротора при этом уменьшается незначительно (на 10-15%) при условии, что осевой зазор между торцами магнита 10 и ферромагнитной втулки 9 остается неизменным. Увеличение радиальной жесткости верхней магнитной опоры повышает эффективность стабилизации оси вращения высокооборотного ротора центрифуги. The design of the upper magnetic support of the rotor of the gas centrifuge provides an increase in its radial stiffness by 3-4 times. The degree of axial unloading of the lower support of the rotor decreases slightly (by 10-15%), provided that the axial clearance between the ends of the magnet 10 and the ferromagnetic sleeve 9 remains unchanged. An increase in the radial stiffness of the upper magnetic support increases the stabilization efficiency of the axis of rotation of the high-speed centrifuge rotor.

Claims

1. A gas centrifuge comprising a housing, a thin-walled cylindrical vertical rotor installed in it, provided with a cover and a gas manifold placed in its cavity, consisting of fixed tubes concentrically arranged with gaps for supplying the gas mixture and removing gas fractions, the lower rotor support and its upper magnetic a support comprising a ferromagnetic sleeve mounted on the rotor cover, covering the outer tube of the gas manifold with a gap, and a cylindrical axially magnetized magnet installed in the housing above said sleeve, characterized in that the upper magnetic support is provided with an additional ferromagnetic sleeve mounted on the rotor cover coaxially with the main one, and an additional cylindrical axially magnetized magnet mounted on the outer tube of the gas manifold with the possibility of magnetic interaction with the additional ferromagnetic sleeve, and with polarity opposite polarity of the main magnet.

2. The centrifuge according to claim 1, characterized in that at the ends of the additional magnet pole pieces are arranged having vertical annular protrusions, while the ferromagnetic sleeve also has annular protrusions arranged with a gap relative to the annular protrusions of the pole tips.