Узел ротора центрифуги

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для узлов соединения трубы ротора с концевыми крышками. Устройство включает цилиндр и крышку. Крышка выполнена в виде центрального диска с переходным участком и цилиндрическим ободом. Обод установлен на внутреннюю поверхность цилиндра. Наружная поверхность цилиндра упрочнена обмоткой из высокопрочного пластика. Удельный модуль упругости пластика больше, чем удельный модуль упругости материала цилиндра и крышки. Между обмоткой и наружной поверхностью цилиндра установлена Г-образная в радиальном сечении втулка с наружным радиальным выступом. Техническим результатом является эффективная и надежная работа ротора центрифуги при обработке агрессивных сред. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к быстровращающимся роторам жидкостных или газовых центрифуг, а именно к узлам соединения трубы ротора с концевыми крышками.

Известно, что создание прочного и надежного соединения трубы быстровращающегося полого ротора, упрочненного по наружной поверхности высокопрочными волокнистыми материалами, и концевых крышек центрифуг представляет сложную проблему из-за разности деформаций этих деталей при быстром вращении ротора и действии агрессивной среды обрабатываемых материалов.

Известен быстровращающийся ротор центробежного сепаратора (Патент US 3797737, В 04 В 1/00; В 04 В 3/00, 1974.03.19), выполненный из внутреннего и установленного на него наружного барабана. Внутренний барабан выполнен из коррозионно-стойкого металла, а наружный барабан выполнен из армированного пластика, изготовленного с использованием круговой намотки высокопрочных волокон. Наружный барабан образует множество кольцеобразных элементов, установленных на внутреннем барабане один к другому.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что для выполнения плотного соединения трубы ротора и концевых крышек вблизи концов трубы необходимо установить кольца значительной толщины, что утяжеляет и удорожает конструкцию. Кроме того, агрессивная среда, проникая в виде паров в зароторное пространство, ухудшает прочностные свойства колец, попадая в места соединения между кольцами и разрушая отдельные волокна пластика.

Наиболее близкой к настоящему изобретению, его прототипом, является известная конструкция высокоскоростного ротора по патенту GB 1343945, В 04 В 7/08, 1974.01.16. Ротор центрифуги включает цилиндр и две крышки. Крышки выполнены в виде центрального диска, соединенного через закругление с цилиндрической частью, опертой на внутреннюю поверхность цилиндра между торцом цилиндра и диском крышки. На наружной поверхности цилиндра напротив цилиндрической части крышки выполнено кольцо, например, из армированного высокопрочным волокном углепластика или стеклопластика, удельный модуль упругости которого больше удельного модуля упругости материала цилиндра и крышки.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что для упрочнения концевых участков цилиндра необходимо выполнить утолщение по сравнению с остальной частью цилиндра упрочняющей намотки вплоть до торца цилиндра, что представляет сложную технологическую задачу. Кроме того, торец этого утолщения трудно защитить от действия паров или газовых фракций обрабатываемых внутри ротора агрессивных материалов, проникающих в зароторное пространство, что снижает надежность конструкции.

Цель настоящего изобретения состоит в повышении надежности конструкции ротора центрифуги и упрощении технологии его изготовления.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в упрощении выполнения утолщения на конце цилиндра ротора, повышении прочности и надежности обмотки утолщения и исключении проникновения агрессивной среды к нитям торца обмотки.

Поставленная цель достигается тем, что в узле ротора центрифуги, включающем цилиндр и крышку, выполненную в виде центрального диска с переходным участком и цилиндрическим ободом, установленным на внутреннюю поверхность цилиндра, наружная поверхность которого упрочнена обмоткой из высокопрочного пластика, удельный модуль упругости которого больше, чем удельный модуль упругости материала цилиндра и крышки, между обмоткой и наружной поверхностью цилиндра установлена Г-образная в радиальном сечении втулка с наружным радиальным выступом.

Кроме того, в узле ротора центрифуги обод установлен между диском и торцом цилиндра в осевом направлении.

Дополнительно, в узле ротора центрифуги обод установлен по одну сторону от диска и торца цилиндра в осевом направлении.

Кроме того, в узле ротора центрифуги на ободе выполнен наружный радиальный выступ.

Дополнительно, в узле ротора центрифуги втулка выступает в осевом направлении над торцом цилиндра.

Кроме того, в узле ротора центрифуги на втулке выполнен дополнительный внутренний радиальный выступ.

Дополнительно, в узле ротора центрифуги на внешней поверхности обода, контактирующей с цилиндром, выполнена круговая канавка, заполненная клеевым уплотнением.

Кроме того, в узле ротора центрифуги втулка выполнена из мартенситно-стареющей стали.

Дополнительно, в узле ротора центрифуги обмотка выполнена из стеклопластика.

Кроме того, в узле ротора центрифуги обмотка выполнена из углепластика.

Дополнительно, в узле ротора центрифуги обмотка выполнена из органопластика.

Кроме того, в узле ротора центрифуги обмотка закрыта дополнительной намоткой одного или нескольких слоев стеклопластика.

Дополнительно, в узле ротора центрифуги место соединения конца втулки с цилиндром перекрыто дополнительной намоткой одного или нескольких слоев стеклопластика, поверх которых уложена обмотка.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показан разрез концевого узла ротора центрифуги с ободом крышки, установленным между диском и торцом цилиндра.

На фиг.2 показан разрез концевого узла ротора центрифуги с ободом крышки, установленным по одну сторону от диска и торца цилиндра.

На фиг.3 показан разрез концевого узла ротора центрифуги с наружным радиальным выступом на ободе.

На фиг.4 и фиг.5 показан разрез концевого узла ротора центрифуги, в котором втулка выступает в осевом направлении над торцом цилиндра.

На фиг.6 показан разрез концевого узла ротора центрифуги с дополнительным внутренним радиальным выступом на втулке.

На фиг.7 показан разрез концевого узла ротора центрифуги с круговой канавкой на внешней поверхности обода и дополнительной намоткой слоя стеклопластика на обмотке.

На фиг.8 и фиг.9 показан разрез концевого узла ротора центрифуги с дополнительной намоткой слоя стеклопластика под обмоткой.

Ротор центрифуги включает цилиндр 1 и две установленные по его концам крышки. В узле ротора на чертежах показан один из концов цилиндра 1 с установленной в нем крышкой. Крышка выполнена в виде центрального диска 2, соединенного через переходный участок 3 с ободом 4, который установлен в варианте узла, показанном на фиг.1, между диском 2 и торцом цилиндра 1 на внутреннюю поверхность цилиндра 1 и центрует крышку внутри цилиндра 1. Наружная поверхность цилиндра 1 упрочнена обмоткой 5 из высокопрочного пластика. Между обмоткой 5 и наружной поверхностью цилиндра 1 установлена Г-образная в радиальном сечении втулка 6 с наружным радиальным выступом 7.

В варианте узла на фиг.2 обод 4 установлен по одну сторону от диска 2 и торца цилиндра 1.

В варианте узла на фиг.3 на ободе 4 выполнен наружный радиальный выступ 8.

В вариантах узла на фиг.4 и фиг.5 втулка 6 выступает в осевом направлении над торцом цилиндра 1 на величину h.

В варианте узла на фиг.6 на втулке 6 выполнен дополнительный внутренний радиальный выступ 9.

В варианте узла на фиг.7 на внешней поверхности обода 4, контактирующей с цилиндром 1, выполнена круговая канавка 10, заполненная клеевым уплотнением, а обмотка 5 цилиндра 1 может быть закрыта дополнительной намоткой из одного или нескольких слоев 11 стеклопластика.

В вариантах узла, показанных на фиг.8 и фиг.9, место соединения конца втулки 6 с цилиндром 1 перекрыто дополнительной намоткой из одного или нескольких слоев 12 стеклопластика, поверх которых уложена обмотка 5.

Узел ротора центрифуги работает следующим образом.

Цилиндр 1 и крышки ротора обычно изготавливают из высокопрочных сталей или алюминиевых сплавов, удельный модуль которых составляет ˜2,5·10⁶ м. При сборке узла ротора центрифуги в цилиндр 1 вставляется крышка, обод 4 которой выполнен несколько большего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндра 1. После сборки обод за счет своей упругой деформации, а также упругой деформации переходного участка 3 и упругой деформации цилиндра 1 образует плотный контакт с цилиндром 1 по своей наружной цилиндрической поверхности и внутренней поверхности цилиндра 1. Величина переходного участка 3 в зависимости от назначения ротора центрифуги может быть различной длины и формы, например в виде небольшого радиуса сопряжения между диском 2 и ободом 4. После сборки крышки с цилиндром 1 на него устанавливают втулку 6 и обматывают соединение высокопрочными волокнами. Для упрочнения цилиндра 1 обмоткой используют высокопрочные пластики с удельным модулем 12·10⁶ м для углепластика, 5,3·10⁶ м для органопластика и 2,7·10⁶ м для стеклопластика (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998). При намотке упрочняющих нитей крайние витки слоев обмотки упираются в радиальный выступ 7 втулки 6, что позволяет создать необходимую толщину пластика непосредственно у конца цилиндра 1 и тем самым повысить прочность и надежность соединения деталей узла. После упрочнения узла высокопрочным пластиком диаметр всех деталей соединения уменьшается, однако они остаются плотно прижатыми друг к другу по контактирующим поверхностям, сохраняя плотность соединения под действием наружного давления от упрочняющей обмотки 5. При приведении ротора во вращение под действием центробежных нагрузок диаметры деталей узла увеличиваются. Поскольку удельный модуль упругости обмотки 5 больше, чем удельный модуль упругости материала цилиндра 1 и крышки, под действием центробежных сил от вращения ротора величина радиальной деформации отдельной обмотки 5 всегда меньше величины радиальной деформации отдельных деталей - цилиндра 1 и обода 4. В результате этого обод 4, цилиндр 1 и втулка 6 в узле стремятся прижаться к обмотке 5, которая ограничивает их радиальное перемещение и величину возникающих в этих деталях напряжений, так что между ободом 4 и цилиндром 1 под действием центробежных сил сохраняется надежный контакт.

Для фиксации осевого положения крышки относительно цилиндра 1 на ободе 4 выполняют наружный радиальный выступ 8, которым обод 4 опирается на торец цилиндра 1. Для повышения упрочняющего эффекта обмотки на соединение деталей концевого узла ротора втулку 6 устанавливают в положение, при котором она перекрывает торец цилиндра 1 в осевом направлении на некоторую величину h. Эта величина h определяется расчетом в зависимости от геометрических параметров деталей узла, свойств материалов деталей и свойств упрочняющего пластика.

Для фиксации осевого положения втулки 6 относительно цилиндра 1 на втулке 6 выполняют внутренний радиальный выступ 9, которым втулка 6 опирается на торец цилиндра 1.

Для улучшения плотности соединения и обеспечения его герметичности в различных режимах работы ротора, при которых диаметры обода 4 и цилиндра 1 могут изменяться под действием центробежных сил и наружного давления обмотки 5, канавку 10 заполняют герметизирующим клеевым составом, который под действием центробежных сил прижимается к внутренней поверхности цилиндра 1 и дополнительно уплотняет соединение обода 4 и цилиндра 1.

Для повышения прочности и надежности узла ротора центрифуги втулка 6 выполняется из высокопрочной мартенситно-стареющей стали.

В зависимости от назначения ротора центрифуги, скорости вращения ее ротора и обрабатываемой среды упрочняющую обмотку 5 выполняют углепластиком, стеклопластиком или органопластиком, например, из арамидных синтетических волокон типа армос со связующим в виде эпоксидных композиций. Для защиты упрочняющей обмотки 5 из высокопрочного и высокомодульного, но недостаточно коррозионно-стойкого пластика, например, на основе армоса на нее укладывают дополнительную намотку из менее прочного в тангенциальном направлении и с меньшим удельным модулем, но более коррозионно-стойкого стеклопластика 11 с большей прочностью в осевом направлении. Это позволяет предотвратить образование расслоений между нитями обмотки под действием напряжений от центробежной нагрузки и температурных напряжений и исключить доступ агрессивной среды через периферию обмотки к высоконагруженным слоям менее коррозионно-стойкого пластика. Втулка 6 с радиальным выступом 7 защищает внутренние слои обмотки 5 от проникновения агрессивной среды со стороны торца трубы. Кроме того, выступ 7 втулки 6 дополнительно предохраняет торец пластика 6 от случайных механических повреждений при сборке ротора центрифуги, чем достигается повышение надежности утолщения обмотки 5 на конце цилиндра 1.

Для предотвращения проникновения агрессивной среды к внутренним слоям обмотки 5 по соединению наружной поверхности цилиндра 1 с внутренней поверхностью втулки 6 место соединения конца втулки 6 с цилиндром 1 перекрыто дополнительной намоткой одного или нескольких слоев 12 из более коррозионно-стойкого стеклопластика, на который укладывается обмотка 5. При этом слои 12 дополнительной намотки перекрывают часть наружной цилиндрической поверхности трубы, торец втулки 6 и часть наружной цилиндрической поверхности втулки 6.

Выполнение узла ротора центрифуги в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечить ее эффективную и надежную работу при обработке различных агрессивных сред.

1. Узел ротора центрифуги, включающий цилиндр и крышку, выполненную в виде центрального диска с переходным участком и цилиндрическим ободом, установленным на внутреннюю поверхность цилиндра, наружная поверхность которого упрочнена обмоткой из высокопрочного пластика, удельный модуль упругости которого больше, чем удельный модуль упругости материала цилиндра и крышки, отличающийся тем, что между обмоткой и наружной поверхностью цилиндра установлена Г-образная в радиальном сечении втулка с наружным радиальным выступом.

2. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что обод установлен между диском и торцом цилиндра в осевом направлении.

3. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что обод установлен по одну сторону от диска и торца цилиндра в осевом направлении.

4. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что на ободе выполнен наружный радиальный выступ.

5. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что втулка выступает в осевом направлении над торцом цилиндра.

6. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что на втулке выполнен дополнительный внутренний радиальный выступ.

7. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности обода, контактирующей с цилиндром, выполнена круговая канавка, заполненная клеевым уплотнением.

8. Узел ротора центрифуги по п.1, отличающийся тем, что втулка выполнена из мартенситно-стареющей стали.

9. Узел ротора центрифуги по пп.1-8, отличающийся тем, что обмотка выполнена из стеклопластика.

10. Узел ротора центрифуги по пп.1-8, отличающийся тем, что обмотка выполнена из углепластика.

11. Узел ротора центрифуги по пп.1-8, отличающийся тем, что обмотка выполнена из органопластика.

12. Узел ротора центрифуги по пп.1-8, отличающийся тем, что обмотка закрыта дополнительной намоткой одного или нескольких слоев стеклопластика.

13. Узел ротора центрифуги по пп.1-8, отличающийся тем, что место соединения конца втулки с цилиндром перекрыто дополнительной намоткой одного или нескольких слоев стеклопластика, поверх которых уложена обмотка.