CN101828040A - 用于涡轮分子泵的多级泵转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮分子泵的多级泵转子(10)。泵转子(10)具有至少两个分开的叶片盘环(17)，各个叶片盘环都具有转子环(12)和至少一个叶片盘(14)。无间隙地在外侧围绕叶片盘环(17)的转子环(12)的圆筒形的增强管(18)设置在相邻的叶片盘环(17)的叶片盘(14)之间。增强管(18)吸收在操作期间产生的大部分切向力，从而泵转子(10)在高的转子速度下具有改善的稳定性。

Description

用于涡轮分子泵的多级泵转子
技术领域
本发明涉及一种涡轮分子泵的多级泵转子。
背景技术
现有的涡轮分子泵以数万r/min(转/分)的旋转速度运转。在相对较大的涡轮分子泵中，以这种标称旋转速度运转的泵转子的动能处于以50km/h(公里/小时)到70km/h速度行驶的小型汽车的动能范围内。当转子爆裂时，此高动能将很可能导致严重的破坏和伤害，这种破坏和伤害只有通过对转子的机械防护进行可观的投入才能保持受控。
特别是对于受磁性支撑的用于涡轮分子泵的悬臂泵转子，将会由于它们极易爆裂的特性而产生很大问题。在悬臂型的受磁性支撑的泵转子中，设计者将致力于在泵转子的重心区域内设置至少一个径向轴承和驱动电机。为此，要求泵转子具有钟形构型，使得磁性轴承以及，可选地，驱动电机都可以容纳于泵转子内的钟形腔体中。泵转子的所述钟形构型将导致转子的固有设计弱化。在涡轮分子泵的泵转子中，由于通常形成为单件式单元，所以这种固有设计弱化只能通过使用极昂贵的高抗力铝合金来进行补偿。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于涡轮分子泵的、且具有改善的稳定性的多级泵转子。
本发明的泵转子不再设计为单件式单元，而是包括至少两个分开的叶片盘环，每个叶片盘环都具有至少一个转子环和至少一个叶片盘。相邻叶片盘环的两个转子环的端部由圆筒形的增强管以无间隙的方式在外侧围绕，该增强管设置在相邻的转子盘环的相邻叶片盘之间。所述增强管并不是一定要用于将两个转子环相对彼此轴向以及径向固定；然而，其紧紧地围绕两个转子环，从而将吸收由转子环中的离心力所产生的切向力的至少一部分，并且由此将机械地为转子环提供帮助。
泵转子不再是单件式单元而是具有多部件设计。泵转子可以由分别具有唯一的叶片盘的多个转子环形成。即使转子环在大离心力的作用下切向断裂，这种断裂也会被局部限制于相应的转子环而不会有机会轻易扩展到整个泵转子上。
通过泵转子的轴向分段并且通过使用围绕转子环并吸收切向力的增强管，能够实现下述目标：即，一方面，显著减少泵转子爆裂的危险，另一方面，在转子环爆裂的情况下，将显著减小所伴随的破坏力以及对操作者及设备的最终危害。
通过使用多个转子环，并且由于增强管，可以目标明确地将相应的部件零件设计为适于它们的预期功能。因此，有可能就转子环和增强管的功能，即，一方面承载转子叶片而另一方面吸收切向力，来对转子环和增强管进行优化。转子环可以由例如不昂贵的并且具有相当大的抗拉性的铝合金或其它材料制成。然而，对于增强管而言，选择能够吸收高拉力的材料。
即使在大尺寸的涡轮分子泵中，正如在单件式泵转子上所进行的试验及计算所显示的，由转子叶片中的离心力所产生的应力并不是限定旋转速度的因素。因此，叶片本身允许较高的旋转速度。当钟形泵转子发生爆裂时，裂缝将大致在轴向方向上延伸，从而，以这种方式，将产生较大的转子碎片。转子的全部旋转能量将随后在非常短的时间内以类似于抛射体的方式释放。
在多件式转子的单个叶片盘环爆裂的情况下，最终的抛射体将显著较小，并且由于各个叶片盘环与定子的接触，转子的减速将显著比单件式泵转子爆裂的情况更慢。
通过由多个单个的叶片盘环形成泵转子，在生产技术方面，能够更加方便地制造叶片盘及相应的转子叶片，并且能够赋予它们更加复杂的形状。当包含泵转子的涡轮分子泵内的较高压力的情形下，这能够导致泵的各级(stages)中的流动机械性的改善。
通过对增强管使用相对较轻的材料，可以减少泵转子的总体重量。
叶片盘环可以(但并不是必须)形成为单件式单元。可替代地，叶片盘环可以由多个分段构成。如果转子环细分成多个分段，则在转子环中实际上将不再产生切向力，并且这种力将全部传递到增强管中。
然而，优选地，叶片盘环形成为一个部件。这种闭合的单件式叶片盘环可以更加容易地制造及安装。
优选地，增强管的材料不同于叶片盘环的材料。用于增强管的优选材料为CFK，即，碳纤维增强塑料，碳纤维增强塑料特别因为其能够吸收高的拉伸力并且因为其重量轻而适于用作增强管的材料。
根据优选的实施方式，至少一个转子叶片盘包括由转子叶片构成的唯一的叶片盘。通过将所述一个转子环或者多个转子环限定于唯一的叶片盘，就有可能将相应的增强管设置在彼此相邻的叶片盘的每对叶片盘之间。以这种方式实现了泵转子的关于切向力的最大稳定性。然而，没必要泵转子的所有叶片盘环都只包括一个叶片盘。因此，例如，在泵转子的尤其会产生高切向力的区域中，可以设置只包括一个叶片盘的叶片盘环，而在泵转子的产生较低切向力或者转子环可以设计为具有增强的径向强度的其它轴向区域中，相应的叶片盘环也可以包括两个或更多个叶片盘。
优选地，叶片盘环在两个转子轴夹紧体之间被彼此轴向夹紧。转子环可以以自动定心的方式(例如，在对应的轴向环形槽和环形条的辅助下)彼此倚靠，并且通过所述两个转子轴夹紧体相应地彼此轴向夹紧。可替代地或者另外地，还可以设置至少一个转子支撑体以将叶片盘环的转子环安装于其上。这种转子支撑体可以形成所述夹紧体；然而，夹紧体还可以与承载转子环的转子支撑体分开形成。
转子支撑体可以由与转子环或增强管的材料不同的材料制成。
优选地，泵转子包括腔体，用于容纳优选为磁性轴承的转子轴承。在悬臂型的受磁性支撑的涡轮分子泵转子中，正如前面已详述的，将努力在泵转子的重心附近设置径向轴承和驱动电机。为此，泵转子中的对应腔体是不可缺少的，因此赋予泵转子钟形构型。特别是在涡轮分子泵的受磁性支撑的泵转子中，将泵转子分成多个单个的转子环的所述轴向分段特别有利，这是因为，由于泵转子的构造空间的限制，正好是泵转子的腔体部分将承受大的切向应力。
附图说明
下面将参考附图更加详细地说明本发明的两个实施方式。
在图中，显示如下：
图1显示了涡轮分子泵的多级泵转子的第一实施方式，其包括单部件类型的转子支撑体，和
图2显示了涡轮分子泵的泵转子的第二实施方式，其包括两部件类型的转子支撑体。
具体实施方式
在图1和2中，分别显示了用于涡轮分子泵的多级泵转子10、40。所述泵转子10、40适于以20,000r/min到100,000r/min的标称旋转速度旋转。这两个泵转子10、40大致具有相同的设计，只有它们的内部构造彼此不同。
根据图1的转子10大致由八个叶片盘环17形成，这些叶片盘环17借助于两个夹紧体20、22而彼此轴向夹紧，这两个夹紧体20、22本身通过夹紧螺钉28和轴30而彼此轴向夹紧。此外，紧随所述叶片盘环17设有转子侧霍尔威克(Holweck)缸体32。
泵转子10并未像通常现有技术中的泵转子那样设计为单件式单元，而是由多个叶片盘环17构成。每个叶片盘环17都由具有转子叶片16的闭合的转子环12形成，转子叶片16从转子环12沿径向向外的方向延伸，所述转子叶片16又形成叶片盘14。
所述转子环12借助于所述两个夹紧体20、22而被轴向保持在一起，所述两个夹紧体20、22通过夹紧螺钉28和轴30彼此轴向夹紧。此外，两个夹紧体20、22形成了相应的外圆周转子支撑体24、26，在这些支撑体24、26的支撑圆筒25、27、29、31上安装有相应的转子环12。所述转子支撑体24、26用于对各个转子环12进行径向定位以及分别固定。设置在出口侧的单件式夹紧体22呈三-阶梯形并且包括三个支撑圆筒27、29、31。以轻微的夹紧力并且无间隙地将转子环12安装在所述转子支撑体24、26上，并分别安装在转子支撑体24、26的支撑圆筒25、27、29、31上。
所述夹紧螺钉28对于将转子轴30、压力侧转子支撑体26以及入口侧转子支撑体24保持为彼此轴向夹紧是有效的。
每个转子环12都包括位于其一个或两个轴向端部上的轴向台肩15。在相邻的转子环12的台肩15的区域中，以偏置力轴向安装由玻璃纤维增强塑料(CFK)制成的相应的增强管18。在泵转子10旋转期间，增强管18将基本吸收由转子环12中的离心力所产生的切向力。因此，有可能使用相对较不昂贵的铝合金作为单件式叶片盘环17的材料。
压力侧转子支撑体26的内部设有为设置转子轴30的转子轴承提供足够空间的腔体38，所述转子轴承优选为磁性轴承。
如图1和图2所示，转子支撑体6的压力侧端部可紧随霍尔威克缸体32。
与前面依据图1的泵转子10相比，依据图2的泵转子40的不同之处仅在于转子支撑体和夹紧体的构造。在该实施方式中，设置了总共三个转子支撑体24、42、48。入口侧转子支撑体24和中间的转子支撑体42形成了通过三个入口侧叶片盘环17而彼此轴向夹紧的两个夹紧体20、43。其它叶片盘环17’并未彼此轴向夹紧，但是通过其它构造措施彼此轴向固定。
所述中间转子支撑体42以及压力侧转子支撑体48各自为两件式设计，并且各自由圆盘体44、52以及圆柱形支撑圆筒46、50构成。每个圆盘体44、52由铝制成，并且每个支撑圆筒46、50由碳纤维增强塑料制成。
两个转子支撑体42、48的两件式设计允许进一步减小转子40的质量，从而减少了旋转动能，这又使得在转子爆裂的情况下释放较少的能量，并且由于减小了离心力，因此能够实现更高的旋转速度。

Claims (9)

1.一种用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，所述泵转子包括：
至少两个分开的叶片盘环(17，17′)，所述叶片盘环分别具有转子环(12)和至少一个叶片盘(14)，以及
圆筒形的增强管(18)，所述增强管(18)设置在相邻的叶片盘环(17，17′)的叶片盘(14)之间并且无间隙地在外侧围绕所述叶片盘环(17，17′)的转子环(12)。
2.如权利要求1所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，其特征在于，所述增强管(18)的材料不同于所述叶片盘环(17)的材料。
3.如权利要求1所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，其特征在于，所述增强管(18)的材料为碳纤维增强塑料。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，其特征在于，至少一个叶片盘环(17)包括唯一的叶片盘(14)。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，其特征在于，所述叶片盘环轴向夹紧在两个转子轴夹紧体(20，22)之间。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，其特征在于，所述叶片盘环(17，17′)的转子环(12)安装在至少一个转子支撑体(24，26；42，48)上。
7.如权利要求6所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(40)，其特征在于，所述转子支撑体(42，48)至少部分地由碳纤维增强塑料制成。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的用于涡轮分子泵的多级泵转子(10；40)，其特征在于，所述泵转子(10；40)包括用于容纳转子轴承的腔体(38)。
9.如权利要求6所述的并且包括转子轴承的用于涡轮分子泵的多级泵转子(40)，其特征在于，所述转子轴承为磁性轴承。
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