RU2394652C2

RU2394652C2 - Gas centrifuge

Info

Publication number: RU2394652C2
Application number: RU2008138299/12A
Authority: RU
Inventors: Михаил Павлович Бисярин (RU); Михаил Павлович Бисярин; Ирина Анатольевна Меньшенина (RU); Ирина Анатольевна Меньшенина; Геннадий Сергеевич Соловьев (RU); Геннадий Сергеевич Соловьев; Антон Викторович Якубовский (RU); Антон Викторович Якубовский; Виктор Андреевич Якубовский (RU); Виктор Андреевич Якубовский
Original assignee: Открытое акционерное общество УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-07-20
Also published as: RU2008138299A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to design of gas centrifuge to separate isotopic and gas mixes, primarily, for separation of gases with low molecular weight. Centrifuge comprises housing, cylindrical rotor with face covers, gas distributor manifold with bleed tubes, molecular pump consisting of axial seal and face seal made up of rotor top cover and fixed disk with spiral grooves secured on centrifuge housing top cover. Proposed invention relates in that said face seal is arranged inside the rotor. Note here that fixed disk with spiral grooves is secured on gas distributor manifold, arranged between rotor top cover and rotor top bleed tube and incorporates additional cylindrical sleeve rigidly attached to disk flat surface and furnished with spiral grooves facing rotor inner surface. Note also that rotary flat disk is arranged between fixed disk, on the side of its spiral grooves, and rotor top bleed tube, its outer flange being secured on rotor inner wall surface.

EFFECT: reduced power consumption, efficiency 1,5-times higher compared with known design.

2 dwg

Description

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом.The invention relates to the construction of a gas centrifuge for the separation of isotopic and gas mixtures, mainly for the separation of gases with low molecular weight.

Известна газовая центрифуга, содержащая в вакуумированном корпусе цилиндрический ротор с торцевыми крышками, через горловину верхней крышки которого внутрь введен неподвижный газораспределительный коллектор с изолированными каналами для прохода газа: один для ввода, два для вывода из ротора разделяемого газа через отборные трубки.A gas centrifuge is known, which contains a cylindrical rotor with end caps in a vacuum housing, through which a fixed gas distribution manifold with insulated channels for gas passage is introduced inside the top cover of the top cover: one for input, two for output of the separated gas from the rotor through selected tubes.

Для самооткачки и поддержания глубокого вакуума, а также для сведения к минимуму потерь мощности на трение быстровращающегося ротора о газ на внутренней поверхности корпуса центрифуги в районе верхней крышки ротора расположено осевое молекулярное уплотнение, выполняющее роль молекулярного насоса и представляющее собой цилиндрическую втулку со спиральными канавками, обращенными с радиальным зазором к внешней поверхности ротора [1].For self-pumping and maintaining a deep vacuum, as well as to minimize power losses due to friction of a rapidly rotating rotor against gas, an axial molecular seal located on the inner surface of the rotor cover is located on the inner surface of the centrifuge, acting as a molecular pump and consisting of a cylindrical sleeve with spiral grooves facing with a radial clearance to the outer surface of the rotor [1].

Наиболее близким аналогом заявляемой центрифуги является центрифуга фиг.1, в которой молекулярный насос, кроме осевого уплотнения, содержит расположенное над верхней крышкой ротора торцевое уплотнение в виде неподвижного диска со спиральными канавками, закрепленного на верхней крышке корпуса центрифуги, при этом спиральные канавки неподвижного диска обращены в сторону верхней крышки ротора [2]. Уплотняющее действие осуществляется посредством торцевого зазора, образованного указанным неподвижным диском, с одной стороны, и вращающейся плоской поверхностью верхней крышки, с другой стороны [3].The closest analogue of the inventive centrifuge is the centrifuge of figure 1, in which the molecular pump, in addition to the axial seal, contains a mechanical seal located above the upper rotor cover in the form of a fixed disk with spiral grooves, mounted on the upper cover of the centrifuge, with the spiral grooves of the fixed disk facing towards the upper rotor cover [2]. The sealing action is carried out by means of the end gap formed by the indicated fixed disk, on the one hand, and the rotating flat surface of the upper cover, on the other hand [3].

Общим недостатком конструкции известных газовых центрифуг является то, что с уменьшением молекулярного веса рабочего газа увеличивается давление в центре ротора за счет торможения газа о газораспределительный коллектор, что приводит к снижению компрессии в молекулярных уплотнениях и, как результат, к возрастанию утечки газа через молекулярный насос в зароторное пространство. Рост давления в зароторном пространстве неизбежно приводит к непроизводительным энергетическим затратам на трение газа о внешнюю поверхность вращающегося ротора, что, в свою очередь, существенно снижает производительность центрифуги.A common drawback of the design of known gas centrifuges is that with a decrease in the molecular weight of the working gas, the pressure in the center of the rotor increases due to the braking of the gas against the gas distribution manifold, which leads to a decrease in compression in molecular seals and, as a result, to an increase in gas leakage through the molecular pump in space for growth. The increase in pressure in the space inevitably leads to unproductive energy costs for the friction of the gas on the outer surface of the rotating rotor, which, in turn, significantly reduces the performance of the centrifuge.

Задача, на решение которой направлено изобретение - повышение эффективности работы центрифуги путем существенного усовершенствования конструкции ее молекулярного насоса.The problem to which the invention is directed is to increase the efficiency of the centrifuge by substantially improving the design of its molecular pump.

Поставленная задача достигается тем, что в газовой центрифуге, содержащей герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками и молекулярный насос, состоящий из осевого уплотнения и торцевого уплотнения, содержащего неподвижный диск со спиральными канавками и верхнюю крышку ротора, торцевое уплотнение размещено внутри ротора, при этом его неподвижный диск со спиральными канавками расположен на газораспределительном коллекторе между верхней крышкой ротора и его верхней отборной трубкой и снабжен дополнительной, жестко закрепленной на его плоской поверхности деталью в форме цилиндрической втулки со спиральными канавками, обращенными в сторону внутренней поверхности стенки ротора, а в пространстве между неподвижным диском со стороны его спиральных канавок и верхней отборной трубкой ротора установлен закрепленный внешним буртом на внутренней поверхности стенки ротора, вращающийся плоский диск.The problem is achieved in that in a gas centrifuge containing a sealed housing, a vertical cylindrical rotor with upper and lower end caps installed in it, a gas distribution manifold with selective tubes and a molecular pump consisting of an axial seal and an end seal containing a fixed disk with spiral grooves and the top cover of the rotor, the mechanical seal is located inside the rotor, while its fixed disk with spiral grooves is located on the gas distribution the collector between the top cover of the rotor and its upper selection tube and is equipped with an additional part, rigidly fixed on its flat surface, in the form of a cylindrical sleeve with spiral grooves facing the inner surface of the rotor wall, and in the space between the fixed disk from the side of its spiral grooves and the upper a rotor tube mounted mounted rotor flat disk fixed by an external collar on the inner surface of the rotor wall.

Газовая центрифуга заявляемой конструкции обладает следующими преимуществами перед известными: увеличивает осевую и радиальную скорости течения газа в молекулярных уплотнениях, обеспечивает резкое снижение энергетических затрат на откачку газа из зароторного пространства, существенно повышает эффективность работы молекулярного насоса и, как следствие, отличается высокой эффективностью и производительностью.The gas centrifuge of the claimed design has the following advantages over the known ones: it increases the axial and radial velocities of the gas flow in molecular seals, provides a sharp reduction in energy costs for pumping gas from the engine space, significantly increases the efficiency of the molecular pump and, as a result, is characterized by high efficiency and productivity.

Приводимые чертежи иллюстрируют предложенное изобретение.The drawings illustrate the invention.

Фиг.1 - известная центрифуга.Figure 1 is a known centrifuge.

Фиг.2 - заявляемая центрифуга.Figure 2 - the inventive centrifuge.

Газовая центрифуга содержит герметичный корпус 1 с осевым цилиндрическим уплотнением 13, внутри которого установлен вертикальный полый цилиндрический ротор 2 с верхней 3 и нижней 4 торцевыми крышками. Через отверстие горловины 5 в центральной части верхней крышки 3 внутрь ротора 2 проходит неподвижный газораспределительный коллектор 6 с отборными верхней 7 и нижней 8 трубками, под верхней крышкой 3 и над верхней отборной трубкой 7 установлен неподвижный диск со спиральными канавками 9, с закрепленной на нем дополнительной деталью в форме цилиндрической втулки 10, снабженной спиральными канавками 11 и обращенными в сторону внутренней поверхности ротора 2. Между неподвижным диском 9 и верхней отборной трубкой 7 газораспределительного коллектора 6 установлен вращающийся плоский диск 12, закрепленный внешним буртом 15 на внутренней поверхности стенки ротора 2.The gas centrifuge contains a sealed housing 1 with an axial cylindrical seal 13, inside of which is installed a vertical hollow cylindrical rotor 2 with upper 3 and lower 4 end caps. Through the opening of the neck 5 in the central part of the upper cover 3, a stationary gas distribution manifold 6 with selective upper 7 and lower 8 pipes passes through the rotor 2; a fixed disk with spiral grooves 9 is installed under the upper cover 3 and above the upper selective pipe 7, with an additional disk attached to it a piece in the form of a cylindrical sleeve 10, provided with spiral grooves 11 and facing the inner surface of the rotor 2. Between the stationary disk 9 and the upper selection tube 7 of the gas distribution manifold Ora 6 mounted rotating flat disk 12, mounted by an external shoulder 15 on the inner surface of the wall of the rotor 2.

Заявляемая центрифуга работает следующим образом. При вращении ротора газ 16, находящийся в зазоре между наружной поверхностью ротора 2 и осевого уплотнения 13, под действием вращающегося усилия в направлении вращения ротора из-за наличия вязкости, проходит вдоль спиральных канавок уплотнения 13 и удаляется наружу из внутренней полости корпуса 1 через отверстие горловины 5 верхней крышки 3, через зазор между цилиндрической втулкой 10 и ротором 2, через зазор между неподвижным диском 9 и вращающимся плоским диском 12 в рабочую камеру 14, откуда через отборные трубки 7 и 8 выводится из центрифуги.The inventive centrifuge operates as follows. When the rotor rotates, the gas 16 located in the gap between the outer surface of the rotor 2 and the axial seal 13, under the action of a rotating force in the direction of rotation of the rotor due to the presence of viscosity, passes along the spiral grooves of the seal 13 and is removed outward from the inner cavity of the housing 1 through the opening of the neck 5 of the upper cover 3, through the gap between the cylindrical sleeve 10 and the rotor 2, through the gap between the fixed disk 9 and the rotating flat disk 12 into the working chamber 14, from where it is removed from the centrifuge through the selected tubes 7 and 8.

Сравнительные испытания заявляемой газовой центрифуги с известной показали, что при работе, например, на углекислом газе с молекулярным весом 44 а.е.м. при одинаковых технологических параметрах происходит снижение энергетических затрат на ~10 вт, что приводит к росту производительности центрифуги по изотопу углерод - 13 на ~50% при равный энергозатратах.Comparative tests of the inventive gas centrifuge with the known showed that when working, for example, on carbon dioxide with a molecular weight of 44 amu with the same technological parameters, energy costs decrease by ~ 10 W, which leads to an increase in the productivity of the centrifuge in the carbon-13 isotope by ~ 50% with equal energy costs.

Таким образом, заявляемая газовая центрифуга благодаря особому сочетанию новых и известных конструктивных элементов ее молекулярного насоса обладает существенным преимуществом перед известной центрифугой того же назначения как по эффективности, так и по производительности примерно в 1,5 раза.Thus, the inventive gas centrifuge due to the special combination of new and known structural elements of its molecular pump has a significant advantage over the well-known centrifuge for the same purpose both in efficiency and productivity by about 1.5 times.

Источники информацииInformation sources

1. Патент ФРГ №1071593, кл. В04В 5/08, опубл. 1960.1. The patent of Germany No. 1071593, cl. B04B 5/08, publ. 1960.

2. Разработка и создание газоцентрифужного метода разделения изотопов в СССР (России), С.Петербург, ЛНПП «Блик», 2002, стр.15, рис.2.2. Development and creation of a gas centrifuge method for isotope separation in the USSR (Russia), St. Petersburg, LNPP “Blik”, 2002, p. 15, Fig. 2.

3. Васильков Э.А. Бесконтактные уплотнения. Л. Машиностроение (Ленинградское отделение), 1974, стр.9, 13.3. Vasilkov E.A. Contactless seals. L. Mechanical engineering (Leningrad branch), 1974, p. 9, 13.

Claims

A gas centrifuge containing a sealed housing, a vertical cylindrical rotor with upper and lower end caps installed in it, a gas distribution manifold with selective tubes, a molecular pump consisting of an axial seal and an end seal containing a fixed disk with spiral grooves and a rotor top cover, characterized in that the mechanical seal is placed inside the rotor, while its fixed disk with spiral grooves is located on the gas distribution manifold between the upper the rotor cover and its upper selector tube and is equipped with an additional part, rigidly fixed on its flat surface, in the form of a cylindrical sleeve with spiral grooves facing the inner surface of the rotor, and is installed in the space between the stationary disk from the side of its spiral grooves and the upper rotor selector tube a rotating flat disk fixed by an external shoulder on the inner surface of the rotor wall.