RU2072887C1 - Gas centrifuge rotor - Google Patents

Abstract

FIELD: separation of gas mixtures and isotopes. SUBSTANCE: gas centrifuge rotor has pipe consisting of at least two parts interconnected by means of bellows made in form of circular corrugation whose convexity is directed towards axis of rotor and two circular cylindrical beads located on outer surface of ends of pipe being connected. Reinforcing winding is located on outer surfaces of pipe and beads. Walls of bellows are thickened in recess of corrugation and at areas where beads change into corrugation. Length L of bead over outer surface exceeds length 1 of bead over inner surface directed to surface of pipe by magnitude nh, where h is minimum thickness of corrugation wall and n=1-3. EFFECT: enhanced reliability. 8 dwg

Description

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газовых смесей и изотопов. The invention relates to gas centrifuges for the separation of gas mixtures and isotopes.

Известен ротор надкритической газовой центрифуги, состоящий из двух или более жестких трубных участков, разделенных гибкими элементами (сильфонами), выполненный целиком из композиционного материала путем намотки /Выложенная заявка N 60-94119, Япония, 1985/. Known rotor supercritical gas centrifuge, consisting of two or more rigid pipe sections separated by flexible elements (bellows), made entirely of composite material by winding / Laid-open application N 60-94119, Japan, 1985 /.

Недостатком ротора с сильфоном из композита является низкая прочность и надежность вследствие одновременного нагружения тонкого композита на растяжение и изгиб. The disadvantage of a rotor with a composite bellows is its low strength and reliability due to the simultaneous loading of a thin composite in tension and bending.

Известен также ротор газовой центрифуги, выбранный за прототип, в котором сильфон изготовлен отдельно из металла и прикреплен к трубам, причем места соединения армированы обмоткой из волокна /Выложенная заявка N 56-147916, Япония, 1981/. Also known is the rotor of a gas centrifuge, selected for the prototype, in which the bellows are made separately of metal and attached to the pipes, the joints being reinforced with a fiber winding / Laid-open application N 56-147916, Japan, 1981 /.

Недостатком этого ротора является низкая прочность сильфона в местах перегибов гофра из-за возникновения больших значений изгибных напряжений. Кроме этого, наличие радиусного перехода от цилиндрической поверхности бортика к внутренней поверхности гофра не позволяет армировать обмоткой из волокна эту часть сильфона, что приводит к снижению прочности ротора. The disadvantage of this rotor is the low strength of the bellows in the places of corrugation of the corrugation due to the occurrence of large values of bending stresses. In addition, the presence of a radius transition from the cylindrical surface of the side to the inner surface of the corrugation does not allow reinforcing this part of the bellows with a fiber winding, which reduces the strength of the rotor.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение прочности и надежности ротора газовой центрифуги. The problem to which the invention is directed, is to increase the strength and reliability of the rotor of a gas centrifuge.

Для решения поставленной задачи в роторе газовой центрифуги, содержащем трубу, состоящую из двух или более частей, соединенных между собой сильфоном, выполненным из упругого материала, где цилиндрические участки трубы с внешней стороны армированы обмоткой, сильфон выполнен с утолщениями стенок во впадине гофра со стороны, противоположной оси сильфона, и в переходе бортика в гофр, причем геометрические параметры сильфона удовлетворяют соотношению: L l + n•h, где L длина внешней цилиндрической поверхности сильфона (мм), l длина бортика сильфона (мм), h минимальная толщина стенки гофра (мм), n коэффициент, равный 1-3. To solve the problem in a gas centrifuge rotor containing a pipe consisting of two or more parts interconnected by a bellows made of elastic material, where the cylindrical sections of the pipe are reinforced by a winding from the outside, the bellows is made with wall thickenings in the corrugation cavity from the side, the opposite axis of the bellows, and in the transition of the side to the corrugation, and the geometric parameters of the bellows satisfy the relation: L l + n • h, where L is the length of the outer cylindrical surface of the bellows (mm), l is the length of the side of the bellows a (mm), h minimum wall thickness of the corrugation (mm), n factor of 1-3.

Утолщения стенок сильфона во впадине гофра и в переходе бортика в гофр приводят к уменьшению внутренних напряжений в сильфоне при заданном центробежном нагружении ротора. Утолщения стенок во впадине гофра выполнены со стороны, противоположной оси сильфона, поскольку известно, что даже незначительное увеличение препятствия потоку газа, движущемуся вдоль стенок ротора, приводит к снижению производительности центрифуги. Величина жесткости сильфона является существенным параметром для ротора центрифуги, поэтому сравнение прочности различных сильфонов корректно производить при условии их одинаковой жесткости. Увеличение жесткости сильфона за счет относительного утолщения стенок в указанных местах может быть компенсировано соответствующим выбором абсолютной величины толщины стенок. Прочность ротора увеличивается также за счет армирования обмоткой участка сильфона в месте перехода бортика в гофр, поскольку длина внешней цилиндрической поверхности превосходит длину бортика на величину, равную от одной до трех минимальных толщин стенки гофра. Указанный диапазон изменения длины внешней цилиндрической поверхности сильфона обеспечивает надежность армирования в зависимости от технологии изготовления сильфона и намотки. The thickening of the walls of the bellows in the cavity of the corrugation and in the transition of the side into the corrugation leads to a decrease in internal stresses in the bellows at a given centrifugal loading of the rotor. Thickening of the walls in the corrugation cavity is made from the side opposite to the axis of the bellows, since it is known that even a slight increase in obstruction to the flow of gas moving along the walls of the rotor leads to a decrease in the performance of the centrifuge. The magnitude of the stiffness of the bellows is an essential parameter for the centrifuge rotor, therefore, the comparison of the strength of the various bellows is correctly performed provided that they are of the same stiffness. The increase in the rigidity of the bellows due to the relative thickening of the walls in these places can be compensated by the appropriate choice of the absolute value of the wall thickness. The strength of the rotor also increases due to the winding reinforcement of the bellows portion at the junction of the rim in the corrugation, since the length of the outer cylindrical surface exceeds the length of the rim by an amount equal to one to three minimum corrugation wall thicknesses. The specified range of changes in the length of the outer cylindrical surface of the bellows ensures the reliability of the reinforcement depending on the manufacturing technology of the bellows and winding.

На фиг. 1 изображен ротор газовой центрифуги. На фиг. 2,3 показан в разрезе узел ротора с сильфоном. На фиг. 4 показан в разрезе узел с сильфоном известного ротора (прототип). На фиг. 5 приведены напряжения при центробежном нагружении вдоль поверхности гофра сильфона внутри ротора. На фиг. 6 приведены напряжения вдоль поверхности гофра сильфона снаружи ротора. На фиг. 7 приведены напряжения вдоль поверхности гофра сильфона внутри ротора-прототипа. На фиг. 8 приведены напряжения вдоль поверхности гофра сильфона снаружи ротора-прототипа. In FIG. 1 shows the rotor of a gas centrifuge. In FIG. 2,3 shows a sectional view of a rotor assembly with a bellows. In FIG. 4 shows a section through a knot with a bellows of a known rotor (prototype). In FIG. Figure 5 shows the stresses under centrifugal loading along the surface of the bellows corrugation inside the rotor. In FIG. 6 shows the stress along the surface of the bellows corrugation outside the rotor. In FIG. 7 shows the stress along the surface of the bellows corrugation inside the prototype rotor. In FIG. 8 shows the stress along the surface of the bellows corrugation outside the prototype rotor.

Ротор газовой центрифуги (фиг. 1) состоит из двух или более участков жестких труб 1, между которыми расположен гибкий сильфон 2. Сильфон 2 с помощью своих бортиков 3 прикреплен к трубам 1 с их внешней стороны. На трубах намотана армирующая обмотка 4, которая размещена и на внешней цилиндрической поверхности бортика сильфона. Утолщение стенки сильфона во впадине гофра 5 выполнено со стороны, противоположной от сильфона (ротора). Утолщение стенки сильфона в месте перехода бортика в гофр выполнено таким образом, чтобы при этом длина внешней цилиндрической поверхности L превосходила длину бортика l на величину, равную от одной до трех минимальных толщин стенки гофра h. The rotor of a gas centrifuge (Fig. 1) consists of two or more sections of rigid pipes 1, between which a flexible bellows 2 is located. The bellows 2 is attached to the pipes 1 from their outer sides by means of its bumps 3. A reinforcing winding 4 is wound on the pipes, which is also located on the outer cylindrical surface of the bellows rim. The thickening of the wall of the bellows in the cavity of the corrugation 5 is made from the side opposite to the bellows (rotor). The thickening of the wall of the bellows at the junction of the rim in the corrugation is made in such a way that the length of the outer cylindrical surface L exceeds the length of the rim l by an amount equal to one to three minimum wall thicknesses of the corrugation h.

Благодаря этому обмотка 4 продолжена дальше в сторону сильфона и армирует участок перехода бортика сильфона в гофр. Для сравнения, на фиг. 3 приведен в разрезе узел ротора с сильфоном (прототип), имеющим одинаковую толщину стенок вдоль гофра и радиусный переход R от бортика сильфона к гофру. Due to this, the winding 4 is continued further towards the bellows and reinforces the transition section of the side of the bellows in the corrugation. For comparison, in FIG. Figure 3 shows in section a rotor assembly with a bellows (prototype) having the same wall thickness along the corrugation and a radius transition R from the bellows rim to the corrugation.

Эффективность предлагаемого ротора газовой центрифуги подтверждена расчетами методом конечных элементов внутренних напряжений в сильфоне ротора при его центробежном нагружении. В качестве примера на фиг. 4,5,6,7 приведены расчетные значения радиальной ((σ₂),), тангенциальной ((σ_Φ)) и осевой ((σ_z)) компонент напряжений вдоль поверхностей гофра, где возникают наибольшие значения напряжений, со стенками, имеющими утолщения согласно данному предложению, и со стенками, имеющими постоянную толщину (прототип). Все данные соответствуют одинаковой скорости вращения и одинаковому габаритному размеру сильфонов.The effectiveness of the proposed rotor of a gas centrifuge is confirmed by calculations by the finite element method of internal stresses in the rotor bellows during centrifugal loading. As an example in FIG. 4,5,6,7 are the calculated values of the radial ((σ ₂ ),), tangential ((σ _Φ )) and axial ((σ _z )) stress components along the corrugation surfaces, where the highest stress values arise, with walls having thickenings according to this proposal, and with walls having a constant thickness (prototype). All data correspond to the same rotation speed and the same overall size of the bellows.

Из сравнения данных на фиг. 4,6 и 5,7 следует, что в предлагаемом роторе газовой центрифуги максимальное значение внутренних напряжений, которые возникают в сильфоне ротора при его центробежном нагружении, уменьшается по крайней мере в 1,7 раза. Соответственно этому увеличивается прочность и надежность ротора газовой центрифуги. From a comparison of the data in FIG. 4.6 and 5.7 it follows that in the proposed rotor of the gas centrifuge, the maximum value of the internal stresses that occur in the bellows of the rotor during its centrifugal loading is reduced by at least 1.7 times. Accordingly, the strength and reliability of the rotor of the gas centrifuge increases.

Claims (1)

Ротор газовой центрифуги, содержащий трубу, состоящую по крайней мере из двух частей, соединенных между собой сильфоном, выполненным в виде кольцевого гофра, выпуклостью обращенного к оси ротора, и двух цилиндрических бортиков, размещенных на наружной поверхности концов соединяемых частей трубы, армирующую обмотку, расположенную на наружных поверхностях трубы и бортиков сильфона, отличающийся тем, что стенки сильфона выполнены утолщенными во впадине гофра и в местах перехода бортиков в гофр, при этом длина L бортика по внешней поверхности превышает длину l бортика по внутренней поверхности, обращенной к поверхности трубы, на величину nh, где h минимальная толщина стенки гофра и n 1 3. A gas centrifuge rotor containing a pipe consisting of at least two parts interconnected by a bellows made in the form of an annular corrugation, convex facing the rotor axis, and two cylindrical sides placed on the outer surface of the ends of the connected pipe parts, a reinforcing winding located on the outer surfaces of the pipe and the sides of the bellows, characterized in that the walls of the bellows are made thickened in the cavity of the corrugation and in the places of transition of the sides to the corrugation, while the length L of the side along the outer surface exceeds the length l and the collar on the inner surface facing the pipe surface by an amount nh, where h minimum wall thickness and corrugation n March 1st.

Images