RU2767396C1

RU2767396C1 - Damper of a vertical rotor

Info

Publication number: RU2767396C1
Application number: RU2020144411A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Ерминсон; Иван Алексеевич Михайлов; Сергей Георгиевич Князев
Original assignee: Акционерное Общество "Производственное Объединение "Электрохимический завод" (АО "ПО ЭХЗ")
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-03-17

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: damper comprises a movable element with a bearing for rotor support and centering springs in the upper part. The movable element rests hingedly with the lower part thereof in a tank filled with a damping liquid. A sealed cavity filled with a constantly circulating heat carrier abuts against the body.

EFFECT: efficiency of damping the rotor oscillations in a given frequency range is increased, sensitivity of the damper to changes in the ambient temperature is reduced, permissible temperature drop between various elements of the gas centrifuge is increased.

1 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to mechanical engineering, to devices for suppressing mechanical vibrations of rapidly rotating rotors with a vertical axis of rotation, and can be used as an element of a damping lower support in gas centrifuges.

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.For devices containing a rapidly rotating rotor, the length of which exceeds its diameter, the manifestation of a set of various oscillations is characteristic, leading to its unstable rotation: precessional, nutation, bending, vertical, self-oscillations. The improvement of centrifuge technologies is inextricably linked with an increase in the values of the operating speeds of rotation of the rotor and its overall dimensions. The consequence of these trends is the expansion of the frequency ranges of the rotor instability, the occurrence of complex joint resonant oscillations of its elements simultaneously in different directions, and an increase in the frequencies of the manifestation of instability. This leads to the complication of damping devices, the purpose of which is to ensure the stability and reliability of the rotation of the rotor. Dampers are known [Patent No. RU 2405988 C1 IPC F16F 9/10 (2006.01) Damper for high-speed vertical rotor, Zaozersky Yu.P., Zozin VV, Volkova EL. and etc.; patent No. RU 2298121 C2 MPK F16F 15/023 (2006.01), Vertical rotor damper, Kaliteevsky A.K., Liseikin V.P., Fridlyand A.P. et al., patent No. RU 2564485 C2 IPC F16F 9/10 (2006.01), F16C 27/08 (2006.01), Damper, Vorobyov S.A. Skvortsov B.C., Trofimov K.I. et al., patent No. RU 2405989 C1 MPK F16F 9/10 (2006.01), Damper for a vertical rotor, Zaozersky Yu.P., Zozin V.V., Volkova E.P. etc.], which consist of moving elements of various configurations, immersed in a reservoir with a damping fluid.

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.The disadvantage of such dampers is the complexity of the design of their moving elements and high sensitivity to changes in ambient temperature. The complexity of the design of the movable elements of the damper lies in the presence of several assembly units, the requirements for high manufacturing accuracy of these assembly units, the requirements for high accuracy and strength of their mating with each other. The complexity of the design of the moving elements of the damper is due to the need to ensure optimal damping of rotor oscillations in a precisely specified frequency range or several frequency ranges, as well as the need to damp different forms of rotor oscillations, with different frequencies and amplitudes.

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.A well-known damper has a relatively simple design, containing a movable element with a bearing for supporting the rotor and centering springs in the upper part, pivotally supported by the lower part in a reservoir filled with damping liquid, characterized in that the movable element is made of a stepped shape, the lower thickened part of which forms a damping element [Patent No. RU 2044936 C1 IPC F16F 9/10 (1995.01), F16F 15/023 (1995.01), Damper, Glukhov N.P., Grigoriev O.L., Sergeev V.I.], and which is taken as a prototype.

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.The sensitivity of the known dampers to changes in the temperature of the environment is associated with the nature of the behavior of the damping fluid included in their composition, depending on the change in its temperature. In the damping fluids used, a temperature change significantly changes its viscosity, therefore, if the damper temperature changes due to any environmental factors, then, as a rule, its damping efficiency decreases, leaving the range of selected optimal values. Such factors, for example, include a change in the temperature of the production room in which a gas centrifuge is operated, an increase in friction between rotating and non-rotating elements of a gas centrifuge, including processes associated with wear of contact friction pairs, an operational change in the temperature of the rotor to ensure a given gas dynamics etc.

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.Due to the high sensitivity of the damper efficiency to temperature changes, the set temperature of the damper is maintained and controlled throughout the life of the gas centrifuge. To reduce the cost of peripheral equipment intended for these purposes, and to simplify the design of communications, a minimum temperature difference between the damper, gas centrifuge housing elements and the production room in which they are operated must be ensured. The fulfillment of such a condition is a separate time-consuming task, which is solved during the design and operation of a gas centrifuge, since the requirements for the operating temperature of its individual elements can vary significantly. For example, obtaining neodymium isotopes by gas centrifuge method [Patent RU 2638858 C2 IPC B01D 59/00 (2006.01), B01D 59/20 (2006.01), Method for producing neodymium isotopes, Godisov O.N., Myazin L.P., Tyutin B.V. etc.] is associated with the operation of a gaseous compound of a chemical element (working gas) that satisfies a number of conditions for the molecular weight of the compound, saturated vapor pressure, the level of thermal stability, the level of permissible chemical activity in relation to the materials of the centrifugal installation, the possibility of developing a technology for conducting a separation process and etc. The currently developed working gases that are fundamentally suitable for separation have a saturated vapor pressure acceptable for operation at gas centrifuge temperatures of about 150°C. During the rotation of the rotor of a gas centrifuge, it is necessary to maintain and regulate the temperature of its individual components, including to ensure the stability of the rotation of the rotor and the optimal circulation of the working gas flows. For nodes located close to each other, it is required to provide a large value of the temperature gradient. In particular, to ensure optimal circulation of working gas flows, it is required to ensure the temperature of most body parts of a gas centrifuge equal to 120-150°C, and for stable rotation of the rotor, it is required to provide a damper temperature of about 70-100°C. At the same time, the damper is located in close proximity to the body parts of the gas centrifuge, which contributes to intensive heat transfer and makes it difficult to maintain the required stable temperature of the damper.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить демпфирование собственных колебаний быстровращающегося ротора с вертикальной осью вращения.The technical problem of the present invention is to provide damping of natural oscillations of a rapidly rotating rotor with a vertical axis of rotation.

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.The technical result of the present invention is to create a new structural element of the damper, which performs the functions of changing and maintaining the temperature of the damper. A change in damper temperature can be used to increase the efficiency of damping rotor oscillations in a given frequency range during rotor rotation. This will lead to a simplification of the design of the moving elements of the existing dampers and a decrease in the probability of gas centrifuge failures due to the loss of rotor rotation stability. Maintaining the set temperature of the damper can be used to reduce the sensitivity of the damper to changes in the ambient temperature, including changes in the temperature of gas centrifuge elements located close to the damper, and to changes in the temperature of the production room, which increases the reliability of the gas centrifuge. In addition, maintaining the damper at a predetermined temperature can be used to increase the allowable temperature difference between the various elements of the gas centrifuge, which will expand the applicability of the gas centrifuge separation technology and simplify the peripheral equipment designed to maintain operating temperatures.

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.The technical result is achieved by the fact that in the damper containing a movable element with a bearing for supporting the rotor and centering springs in the upper part, pivotally supported by the lower part in the reservoir filled with damping fluid, there is a sealed cavity filled with a constantly circulating coolant.

Подвижный элемент демпфера может быть любой конфигурации и может состоять из любого количества сборочных единиц.The movable damper element can be of any configuration and can consist of any number of assembly units.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором схематично изображен вертикальный разрез демпфера.The essence of the invention is illustrated by the drawing (Fig. 1), which schematically shows a vertical section of the damper.

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.The rotor 1, located in the chamber 2, with a needle 3 rests on the bearing thrust 4 of the movable element 5. The movable element 5 is mounted on a hinge 6 in the reservoir 7 with damping fluid in the housing 8. The housing 8 is fixed to the chamber 2. The movable element 5 is held in a vertical position by centering springs 9. A heat insulator 10 is located around the body 8. The heat insulator 10 is fixed to the body 8 by a connecting sleeve 11 with seals 12. In the lower part of the heat insulator 10 there is an opening to which a pressure tube 13 is connected. In the upper part of the heat insulator 10 there is a hole to which a drain pipe 14 is connected. The housing 8, the heat insulator 10 and the connecting sleeve 11 with seals 12 form a sealed cavity in which the coolant 15 is located.

Демпфер работает следующим образом.The damper works as follows.

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.When the rotor 1 is brought into rotation, its vibrations, for example, vibrations from its imbalance or its bending vibrations, are transmitted through the needle 3 and the bearing thrust 4 to the movable element 5, as a result of which the movable element 5 moves in the tank 7, swinging on the hinge 6. When such movements of the moving element 5, an elastic restoring force arises when the centering springs 9 are deformed, and damping forces arise when the damping fluid moves in the reservoir 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.The coolant 15 of a given temperature in a liquid state of aggregation is supplied to the pressure tube 13 under pressure. Passing through the cavity formed by the housing 8, the heat insulator 10 and the connecting sleeve And with seals 12, the coolant 15 fills it and carries out convective heat exchange with the housing 8, after which it drains through the drain tube 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.Under the influence of the coolant 15, the temperature of the housing 8 changes, which leads to a change in the temperature of the damping fluid in the reservoir 7. A change in the temperature of the damping fluid in the reservoir 7 leads to a change in its viscosity and a change in the damping forces during its movement, therefore, to a change in the swing amplitude of the moving element 5 by hinge 6. Thus, changing the temperature of the coolant 15 entering through the pressure tube 13 provides the possibility of obtaining optimal damping of various modes of oscillation of the rotor 1, which manifest themselves, for example, during its acceleration. At a time when a change in damping efficiency is not required, in particular with a stable rotation of the rotor at operating speed, the temperature of the coolant 15 is maintained constant, which eliminates the unacceptable effect on the damper of the temperature of closely located elements of the gas centrifuge, such as chamber 2, and the temperature of the production room, which operates a gas centrifuge. At the same time, the sensitivity of the damper to changes in the ambient temperature can be reduced by increasing the flow rate of the coolant 15.

Claims

A damper containing a movable element with a bearing for supporting the rotor and centering springs in the upper part, pivotally supported by the lower part in a reservoir filled with damping liquid, characterized in that a sealed cavity is adjacent to the housing, filled with a constantly circulating coolant.