RU2445169C2 - Gas centrifuge - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to gas centrifuge intended for separating isotope and gas mixes, primarily, for separation of gases with low molecular weight. Proposed gas centrifuge comprises tight housing accommodating vertical cylindrical rotor with top and bottom face covers, gas distribution manifold with take-off tubes, molecular pump and rotor top cover. Molecular pump consists of axial seal and face seal comprising fixed disc with helical flutes. Face seal is arranged inside rotor on aforesaid gas distribution manifold. Aforesaid disc with helical flutes on one side and flat surface on opposite side is arranged between rotor top cover and its top take-off pipe and furnished with, at least, one vertical web. The latter is mounted on fixed disc flat surface and extends from gas distribution manifold to rotor periphery. Rotary flat disc with outer collar attached to rotor wall inner surface is arranged between fixed disc, on the side of helical flutes, and rotor top take-off tube.

EFFECT: reduced pressure between rotor and housing, power consumption and higher efficiency.

3 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 введен неподвижный газораспределительный коллектор с изолированными каналами для прохода газа: один для ввода разделяемого газа, два - для вывода из ротора разделенных фракций 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 through the neck of the upper cover: one for introducing the separated gas, two for withdrawing the separated gas fractions through the selected tubes from the rotor.

Для самооткачки и поддержания глубокого вакуума, а также для сведения к минимуму потерь мощности на трение быстровращающегося ротора, 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 frictional power losses of the rapidly rotating rotor, an axial molecular seal located on the inner surface of the centrifuge housing in the area of the rotor top cover acts as a molecular pump and is a cylindrical sleeve with spiral grooves facing radial clearance to the outer surface of the rotor [1].

Прототипом заявляемого изобретения является известная газовая центрифуга, в которой молекулярный насос, кроме осевого уплотнения, содержит расположенное под 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], (см. фиг.3).The prototype of the claimed invention is a known gas centrifuge, in which the molecular pump, in addition to the axial seal, contains a mechanical seal located in the form of a fixed disk with spiral grooves located under the upper cover of the centrifuge, located on the upper cover of the centrifuge, with the spiral grooves of the fixed disk facing the upper rotor covers [2], (see figure 3).

Недостатком известной конструкции газовой центрифуги является то, что с уменьшением молекулярного веса рабочего газа увеличивается давление в центре ротора за счет торможения газа о газораспределительный коллектор, что приводит к увеличению давления в центре ротора и, как результат, к увеличению утечки газа через молекулярный насос в зароторное пространство, так как в данном случае образуется обратный паразитный поток газа в зароторное пространство. При этом в свободном пространстве под верхней крышкой ротора образуется «застойная» зона с незначительной скоростью движения газа к периферии ротора из-за встречного обратного паразитного потока, что снижает эффективность работы молекулярного насоса. Увеличение давления в зароторном пространстве неизбежно приводит к непроизводительным энергетическим затратам на трение, что в конечном результате уменьшает производительность центрифуги.A disadvantage of the known design of a gas centrifuge 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 an increase in pressure in the center of the rotor and, as a result, to an increase in gas leakage through the molecular pump to the rotary space, since in this case a reverse parasitic gas flow is formed into the zarotor space. Moreover, in the free space under the upper cover of the rotor a “stagnant” zone is formed with an insignificant gas velocity to the periphery of the rotor due to the counter reverse parasitic flow, which reduces the efficiency of the molecular pump. An increase in pressure in the drive space inevitably leads to unproductive energy costs of friction, which ultimately reduces the performance of the centrifuge.

Задача заявляемого изобретения состоит в улучшении конструкции газовой центрифуги, в частности ее молекулярного насоса, которое обеспечивало бы существенное уменьшение давления в зароторном пространстве и уменьшение энергозатрат в центрифуге.The objective of the invention is to improve the design of a gas centrifuge, in particular its molecular pump, which would provide a significant reduction in pressure in the engine space and reduce energy consumption in the centrifuge.

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 на газораспределительном коллекторе, при этом его неподвижный диск со спиральными канавками с одной строны и плоской поверхностью с другой стороны размещен между верхней крышкой ротора и его верхней отборной трубкой и снабжен не менее чем одной вертикальной перегородкой, установленной на плоской поверхности неподвижного диска и направленной от газораспределительного коллектора к периферии ротора, при этом в пространство 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 placed inside the rotor on the gas distribution manifold, while its fixed disk with spiral grooves with the bottom of the side and a flat surface on the other hand is placed between the upper cover of the rotor and its upper sampling tube and is equipped with at least one vertical partition mounted on the flat surface of the fixed disk and directed from the gas distribution manifold to the periphery of the rotor, while in the space between the fixed disk with the sides of its spiral grooves and the top rotor tube are mounted mounted with an external shoulder on the inner surface of the rotor wall a flat disk.

Газовая центрифуга заявляемой конструкции обладает следующими преимуществами перед известной: за счет изменения взаимодействия элементов конструкции молекулярного насоса и введения нового элемента устраняется «застойная» зона движения газа под верхней крышкой к периферии ротора, что приводит к уменьшению энергозатрат и, как следствие, к увеличению эффективности работы молекулярного насоса и газовой центрифуги в целом.The gas centrifuge of the claimed design has the following advantages over the known one: by changing the interaction of the structural elements of the molecular pump and introducing a new element, the “stagnant” zone of gas movement under the upper cover to the periphery of the rotor is eliminated, which leads to a decrease in energy consumption and, as a result, to an increase in work efficiency molecular pump and gas centrifuge as a whole.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

фиг.1 - заявляемая центрифуга;figure 1 - the inventive centrifuge;

фиг.2 - вид сверху на неподвижный диск с вертикальной перегородкой.figure 2 is a top view of a fixed disk with a vertical partition.

Газовая центрифуга, фиг.1, содержит герметичный корпус 1 с осевым уплотнением 2, внутри которого установлен вертикальный полый цилиндрический ротор 3 с верхней 4 и нижней 5 торцевыми крышками. Через отверстие горловины 6 в центральной части верхней крышки 4 внутрь ротора 3 проходит неподвижный газораспределительный коллектор 7 с отборными верхней 8 и нижней 15 трубками, под верхней крышкой 4 и над верхней отборной трубкой 8 установлен неподвижный диск со спиральными канавками 9. На плоской поверхности неподвижного диска установлена вертикальная перегородка 10, идущая от газораспределительного коллектора 7 к периферии ротора. Между неподвижным диском 9 и верхней отборной трубкой 8 газораспределительного коллектора 7 установлен вращающийся плоский диск 11, закрепленный внешним буртом 12 на внутренней поверхности стенки ротора 3.The gas centrifuge, figure 1, contains a sealed housing 1 with an axial seal 2, inside of which is installed a vertical hollow cylindrical rotor 3 with upper 4 and lower 5 end caps. Through the opening of the neck 6 in the central part of the upper cover 4, a stationary gas distribution manifold 7 with selective upper 8 and lower 15 pipes passes through the rotor 3; a fixed disk with spiral grooves 9 is installed under the upper cover 4 and above the upper selective pipe 8. On a flat surface of the fixed disk a vertical partition 10 is installed, extending from the gas distribution manifold 7 to the periphery of the rotor. Between the fixed disk 9 and the upper sampling tube 8 of the gas distribution manifold 7, a rotating flat disk 11 is mounted, fixed by an external shoulder 12 on the inner surface of the wall of the rotor 3.

На фиг.2, вид сверху показано расположение вертикальной перегородки 10 на неподвижном диске 9.Figure 2, a top view shows the location of the vertical partitions 10 on the fixed disk 9.

Заявляемая центрифуга работает следующим образом. The inventive centrifuge operates as follows.

При вращении ротора газ 13, находящийся в зароторном пространстве, удаляется вдоль спиральных канавок осевого уплотнения 2 из внутренней полости корпуса 1 через отверстие горловины 6 верхней крышки 4, вдоль вертикальной перегородки 10, через зазор между неподвижным диском 9 и вращающимся плоским диском 11 в рабочую камеру 14, откуда через отборные трубки 8 и 15 выводится из центрифуги.When the rotor rotates, the gas 13 located in the engine space is removed along the spiral grooves of the axial seal 2 from the inner cavity of the housing 1 through the opening of the neck 6 of the top cover 4, along the vertical partition 10, through the gap between the stationary disk 9 and the rotating flat disk 11 into the working chamber 14, from where it is withdrawn from the centrifuge through selective tubes 8 and 15.

Сравнительные испытания заявляемой газовой центрифуги с известной (прототипом) показали, что при работе, например, на углекислом газе с молекулярным весом 44 а.е.м. при одинаковых расходных и газодинамических характеристиках заявляемая конструкция центрифуги обеспечивает уменьшение энергетических затрат на 10÷15%, а увеличение производительности - на 17%.Comparative tests of the inventive gas centrifuge with a known (prototype) showed that when working, for example, on carbon dioxide with a molecular weight of 44 amu with the same flow and gas-dynamic characteristics, the inventive centrifuge design provides a reduction in energy costs by 10 ÷ 15%, and an increase in productivity by 17%.

В результате выполнения молекулярного насоса газовой центрифуги в соответствии с настоящим изобретением позволяет уменьшить энергозатраты и обеспечить ее эффективную работу на газах с малыми молекулярными весами, что позволит уменьшить себестоимость получаемых изотопов.As a result of the molecular pump of the gas centrifuge in accordance with the present invention allows to reduce energy consumption and ensure its efficient operation on gases with small molecular weights, which will reduce the cost of the resulting isotopes.

Источники информацииInformation sources

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

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

Claims (1)

Газовая центрифуга, содержащая герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками, молекулярный насос, состоящий из осевого уплотнения и торцевого уплотнения, содержащего неподвижный диск со спиральными канавками и верхнюю крышку ротора, отличающаяся тем, что торцевое уплотнение размещено внутри ротора на газораспределительном коллекторе, при этом его неподвижный диск со спиральными канавками с одной стороны и плоской поверхностью с другой стороны размещен между верхней крышкой ротора и его верхней отборной трубкой и снабжен не менее чем одной вертикальной перегородкой, установленной на плоской поверхности неподвижного диска и направленной от газораспределительного коллектора к периферии ротора, при этом в пространстве между неподвижным диском со стороны спиральных канавок и верхней отборной трубкой ротора установлен закрепленный внешним буртом на внутренней поверхности стенки ротора вращающийся плоский диск. 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 a mechanical seal containing a fixed disk with spiral grooves and a rotor upper cover, characterized in that the mechanical seal is placed inside the rotor on the gas distribution manifold, while its stationary disk with spiral grooves on one side and flat the surface on the other hand is located between the upper cover of the rotor and its upper sampling tube and is equipped with at least one vertical partition mounted on the flat surface of the fixed disk and directed from the gas distribution manifold to the periphery of the rotor, while in the space between the fixed disk on the side of the spiral grooves and a rotary flat disk fixed by an external collar on the inner surface of the rotor wall is mounted with a rotor top tube;

Images