CN107646076B - 真空泵转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空泵转子，特别是一种用于涡轮分子泵的真空泵转子，具有用于连接到转子轴或者用于形成转子轴的轮毂元件(10)。多个转子叶片(12)连接到轮毂元件(10)。为了形成能够实现高叶片端速的真空泵转子，轮毂元件(10)和/或转子叶片(12)由多个材料层制成。

Description

真空泵转子

技术领域

本发明涉及一种真空泵转子，特别是一种用于涡轮分子真空泵的转子。

背景技术

例如涡轮分子泵的真空泵包含布置在转子轴上的转子。转子轴由电动机驱动。转子的叶片与通常固定在泵壳体中的定子盘协作。特别地，在涡轮分子泵中使用的快速旋转的转子中，已知由铝、钢或者相应的合金制造转子。特别地，为了获得少于10^-4毫巴的高真空，转子必须在高转速下运转。当使用钢、铝或者类似材料的转子时，限制因素存在于转子叶片的叶片端速，即发生在叶片尖端的切向速度。使用已知的转子能够获得400m/s的叶片端速。当输送例如氦气或者氢气的轻质气体时，在这方面存在问题，因为这些气体具有高热速，并且为了输送需要转子的高转速，即特别是高的叶片端速。

发明内容

本发明的目的是提供一种适应于达到高叶片端速的真空泵转子。

根据本发明，上述目的由一种用于涡轮分子泵的真空泵转子实现。该真空泵转子包含：轮毂元件，其用于连接到转子轴和/或用于形成转子轴，以及多个转子叶片，其连接到所述轮毂元件,所述转子叶片的每一个包含连接到所述轮毂元件的叶脚以及连接到所述叶脚的叶头。其中，所述轮毂元件和/或所述转子叶片包含多个材料层；所述轮毂元件包含至少一个包含纤维增强材料的保持元件；提供加强元件，其包含纤维增强材料，所述加强元件通过面对面接触的方式连接到所述保持元件并且延伸进入所述叶脚而不进入所述叶头，所述真空泵转子包括作为一个材料层的基本元件，所述至少一个保持元件连接至所述基本元件，所述保持元件和所述基本元件至少部分地彼此重叠，以便形成至少两个材料层。

本发明的真空泵转子包含轮毂元件，其可连接到真空泵的轴和/或形成所述轴。转子叶片连接到轮毂元件，优选地以倾斜方向连接。

为了根据本发明增加叶片端速，转子元件和/或轮毂元件包含多个材料层。以这种方式用于在高应力区域运转时，可以通过布置不同材料的材料层提供不同的材料。在这里，特别优选的是材料层的至少一个包含纤维增强材料。特别地，通过提供至少一个具有纤维增强材料的材料层，可以在高转速下运转真空泵转子。特别地，由此可以实现超过400m/s的叶片端速，优选地超过500m/s，并且最优选地超过600m/s。

真空泵转子包含用于连接到转子轴的轮毂元件，其中转子轴还可以由多个轮毂元件形成。多个围绕转子元件的转子叶片连接到转子元件。优选地，每个转子叶片包含连接到轮毂元件的叶脚以及连接到叶脚的叶头。优选地，轮毂元件包含至少一个包含纤维增强材料的保持元件。轮毂元件的保持元件具有连接到其的基本元件，所述基本元件被直接或者间接地连接到叶脚，并且分别被连接到各转子叶片的叶头。优选地，以这种方式提供保持元件与基本元件之间的连接：这两个元件彼此部分地重叠，这样就可以形成至少两个材料层。在这种布置中，两个元件的至少一个包含纤维增强材料，其中优选地为两个元件都包含纤维增强材料。通过这样的设计，真空泵转子的高抗应力以及特别是高叶片端速是可能的。

特别地，根据下文所述的本发明的优选实施例，可以生产出将承受高应力的真空泵转子。作为结果，可以生产高转速的真空泵转子。同时，可以减少真空泵的直径，由于转速的可能增加，可以达到所要求的超过400m/s的叶片端速。

优选地，轮毂元件包含两个相互相反的保持元件，其中在两个保持元件之间布置基本元件的轮毂部件。到目前为止，在该区域中实现三层结构，其中再次优选的是轮毂元件和/或轮毂部件均由纤维增强材料制成。优选地，整个基本元件由纤维增强材料制成。

根据另外优选的实施例，提供加强元件，其优选地包含纤维增强材料。优选地，至少一个加强元件通过面对面接触的方式连接到轮毂元件的保持元件，特别优选的是加强元件延伸进入各转子叶片的叶脚。因此，加强元件形成另外的材料层。特别优选的是，提供两个加强元件，它们在两个相互相反的侧面连接到基本元件，并且特别地连接到基本元件的轮毂部件。根据特别优选的实施例，这里的基本元件是中间材料层，其中至少在轮毂部件的区域，在相互相反的位置分别布置一个加强元件，其优选地延伸进入叶脚并且优选地通过面对面接触的方式连接到基本元件。根据优选实施例，由两个保持元件提供两个另外的材料层，它们自己布置在加强元件的外侧并且形成轮毂元件的实质部分。两个保持元件彼此相对布置，并且优选地通过面对面接触的方式直接或者间接地连接到各加强元件的上侧。为了转子叶片的抗应力的进一步增强，可以提供另外的中间层，特别是不同材料和/或具有不同方向的纤维的中间层。

此外，至少一个加强元件，优选地为两个加强元件，可以在内侧提供固定元件。固定元件优选地形成为轴向延伸的突起。优选地，突起在径向方向上的各保持元件之后接合。

根据另一优选实施例，提供至少一个附加的叶片元件，其优选地包含纤维增强材料。至少一个附加的叶片元件间接地或者直接地连接到保持元件。另外，附加的叶片元件间接地或者直接地连接到叶脚和/或基本元件的轮毂部件。另外，附加的叶片元件还可以优选地通过面对面接触的方式连接到叶头。在这里，作为另一材料层的附加的叶片元件优选的为面形状。

附加的叶片元件还在内侧提供固定元件，其能够再次相对于突起部分地轴向地延伸和/或优选地在保持元件之后径向地接合。

在这个实施例中，也优选地提供两个附加的叶片元件，其布置在基本元件的不同侧，其中特别是对称配置是优选的，其中基本元件构成中心面。

根据真空泵转子的另一优选实施例，提供另一材料层。在这个实施例中，附加的叶片元件被设计作为内部附加的叶片元件，并且另外提供了至少一个外部附加的叶片元件。后者优选地通过面对面接触的方式连接到内部附加的叶片元件，特别优选的是两个附加的叶片元件的外形尺寸是相同的。可选地，然而，外部附加的叶片元件仅能够覆盖内部附加的叶片元件的一部分。内部附加的叶片元件的外型尺寸小于外部附加的叶片元件的外形尺寸也是可能的。例如，外部附加的叶片元件可以延伸进入叶头，并且可选地可以完全覆盖叶头，其中内部附加的叶片元件仅在叶脚区域布置和/或可选地仅覆盖部分叶头。

优选地，基本元件以及至少一个附加的叶片元件，优选地为所有附加的叶片元件，具有基本相同的外部轮廓，特别是叶片形状的外部轮廓。

进一步优选的是，在叶脚的区域，至少一个加强元件是直接面对面邻接在基本元件和/或附加的叶片元件的一个上，并且优选地为与其紧密连接。另外优选的是，在叶脚或者叶头的区域，内部附加的叶片元件是直接面对面邻接在外部附加的叶片元件上，并且优选地为与其连接。单个转子叶片以及轮毂元件优选地具有多层构造，以这种方式使得该构造与基本元件对称。

通常为环形形状的轮毂元件包含在其外围的转子叶片，优选地为多个转子叶片，优选地为倾斜的。

为了增加本发明所提供的叶片端速，轮毂元件和/或转子叶片优选地包含纤维增强材料。在这里，纤维主要以应力适应的方式布置。这样的结果是本发明的真空泵转子能够在较高转速下运转。特别地，因此可能达到超过400m/s的叶片端速，优选地超过500m/s并且更优选地超过600m/s。

优选地，所使用的材料包含具有1到50mm的纤维长度的长纤维增强材料，或者具有超过50mm长度的连续的纤维。

纤维的应力适应布置优选地通过纤维的合适的方向实现，使得纤维能够承承受在这样高速下发生的力量以及力矩。可选地，应力适应布置还可以通过根据各自的运转应力另外改变所使用纤维的方向、密度、硬度和/或厚度来实现。特别地，这取决于在轮毂元件和/或在转子叶片上的应力的区域。另外，特别优选的是，为了应力适应布置的目的，使用特别适用于相应应力类型的纤维。

在上述方面，优选地使用金属、塑料或者碳纤维。在这方面，可选地，反过来优选的是，在轮毂元件的区域或者面向轮毂元件的转子叶片的部分使用金属纤维，因为这些区域具有不同的破裂行为。

在轮毂区域，为了稳定纤维的位置或者为了创建体积，还可以提供大量的金属部分或者塑料部分来加工成层压板。进一步优选的是例如塑料、碳和/或金属纤维是浸渍的或者是预浸渍的。在这里，优选使用环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺和/或热塑性塑料还可以为聚氨酯来浸渍。另外，优选地以缠绕或者编织方式将纤维布置为织物、展开丝束、带层、TFP(定制纤维布置)和/或作为螺旋网。此外，特别是不同的纤维布置的应力适应混合形式是可能的并且也是优选的。

为了实现特别高的叶片端速，优选的是在轮毂元件中和分别在其上和/或在转子叶片中和分别在其上至少20％，优选的是至少30％的纤维以应力适应的方式布置，即特别是在应变的主要方向上。在叶片区域，纤维优选地在径向方向延伸以用于承受力量。在轮毂区域，优选的是部分纤维仅沿圆周方向排列，同时其他区域具有不同的方向以允许应变位移。在这里，相对于轮毂元件和/或转子叶片的总体积的纤维体积部分优选地大于50％，特别是大于60％。

在轮毂元件中或者其上布置的纤维优选地在圆周方向上定向，即在轮毂元件的旋转方向上。在这里，纤维优选地以允许它们承受在圆周方向上的力量的方式布置。在这方面，与圆周方向相关，在各纤维仍然基本上沿圆周方向延伸的意义上限定了±10°到±20°的角度范围的偏差。

在转子叶片中或者其上，纤维优选地基本上沿径向延伸。在叶片区域，纤维必须以其将承受在径向方向上的力量的方式布置。同样在这里，将±10°到±20°的角度范围的偏差定义与基本沿径向延伸的纤维相关。

特别是在转子叶片的叶片部分的倾斜区域，优选地使用相互交叉的纤维以实现纤维的应力适应布置，例如防止叶片的扭转。在这里，纤维优选地在相对于叶片纵轴的±30°到±45°的角度范围以及相对于彼此的±70°到±90°的角度范围内延伸。举例来说，例如贴片或者展开丝束的相应的纤维层适合于该目的。在轮毂元件以及转子叶片之间的过渡区域中，特别优选的是纤维从轮毂元件合并到转子叶片，使得在轮毂元件与转子叶片之间的连接区域是最好的应力适应设计。特别是在这样的设计中，优选的是轮毂元件和转子叶片整体地形成一体。然而，还可以通过钩住、插入相应的沟槽和类似的规定将转子叶片连接到轮毂。这些组合也是可能的，使得首先通过钩住或者其他的方式连接到轮毂元件的叶片元件将会通过在这区域中的纤维层被连接到轮毂元件。

纤维的连接可以通过随后的浇铸、树脂化等完成。然而，为了限定纤维的精确位置，还可以首先将纤维彼此粘合。纤维可以在所需的方向固定或者同样通过缝合、针织等彼此连接。

另外，优选的是转子叶片可以具有从8°到50°的倾斜角度。

借助于上述真空泵转子，可以实现超过400m/s的高叶片端速，优选的是超过500m/s并且最优选的是超过600m/s。这具有转子适合于输送特别是例如氦气和氢气的轻质气体的优点，该优点是本发明的本质。这进一步使得泵转子在提供高输送能力的同时，实现减少直径。

特别优选的是一个附加的叶片元件，最好为内部以及外部附加的叶片元件，包含纤维增强材料的径向层，特别是纤维增强塑料。另外，优选的是一个附加的叶片元件，最好为两个外部附加的叶片元件，包含展开丝束纤维层。

优选地，至少一个加强元件也包含纤维材料，优选的为塑料纤维材料。在这里，部分纤维优选地在圆周方向延伸。因此形成切向层。优选的是至少一个保持元件也包含在圆周方向延伸的纤维，因此形成另外的切向层。根据优选实施例，特别是内部附加的叶片元件包含关于主要纤维方向径向延伸的纤维，使得形成径向层。在优选的两个外部附加的叶片元件中，纤维以相互交叉配置进行布置，并且优选地提供展开丝束。

特别地通过由优选的具有特别优选的材料纤维的不同取向的不同材料层制成的真空泵转子的多层设计，可以提供承受极高应力的真空泵转子，使得可以实现非常高的叶片端速。

根据本发明，上述真空泵转子的设计还优选的用于其它的快速旋转的转子，如在鼓风机、通风机、气体输送的领域中使用的转子，其中这构成了独立的发明。

附图说明

在下文中将根据参考附图的优选实施例对本发明进行更详细地解释。

附图示出了在组装状态并且部分在分解视图中的真空泵转子的局部视图，其中该表示简化为更概要的透视图。

具体实施方式

在附图中，首先示出包含材料层彼此连接的多层真空泵转子的部分。这里，示出了轮毂元件10的部分。圆环形状的轮毂元件10在这里仅示出一个圆环段。轮毂元件10围绕例如其固定连接到的转子轴。通常地，在轴向方向上连续地布置多个这样的环形轮毂元件，使得组装多个真空泵级并且形成例如用于涡轮分子泵的转子。因此，单个轮毂元件可以连接到转子轴或者它们自己通过以对应的方式彼此连接形成转子轴。轮毂元件10具有连接到其的转子叶片12，它们的每个在圆周方向径向地延伸并且倾斜，其中，为了更为清楚地说明，只示出一个这样的转子叶片12。

为了多层配置更好的可视化，附图还包括单层的分解图。在这个分解表示中所示出的基本元件14作为中间层。在所示出的优选实施例中的整个真空泵转子的构造与基本元件14对称。在基本元件14上布置加强元件16，其与基本元件14对称，在与所示出的加强元件16对称的对面布置另外的加强元件。以相应的方式也适用于由内部附加的叶片元件18形成的下一层，其中在与基本元件14对称的对面提供第二个附加的叶片元件18本身。相应地，也提供两个外部附加的叶片元件20并且再次与基本元件14对称地布置。作为另外的元件，提供两个保持元件22，其再次与基本元件14对称地布置。在这里，保持元件22是轮毂元件10的必要的元件。

在所示出的优选实施例中，形成对称平面的基本元件14具有对应于叶片12的外部轮廓的外部轮廓。在这里，基本元件14包含延伸进入轮毂元件10的轮毂部件24并且分别被布置在轮毂元件10的两个保持元件22之间。在这方面，应当考虑两个保持元件22优选地设计成环形，其中在这两个环形保持元件22之间，对应转子叶片12的数量布置多个轮毂元件。叶脚26连接到轮毂部件24，优选地整合为一体。所述叶脚26表示在轮毂部件和叶头28之间的连接元件。在这里，所述叶头28是转子叶片12的必要的组件。基本元件14优选地为一体的设计，并且根据优选实施例，其包含碳纤维非织造布。

下一层由两个相互相反的加强元件16形成。在所示出的示例性实施例中，加强元件16的外部轮廓与轮毂部件24和叶脚26的外部轮廓相对应。可选地，加强元件16仅延伸进入叶脚26的一部分。加强元件在内侧上包含固定元件。该固定元件轴向地向外延伸并且在两个保持元件22中的每一个之后接合。加强元件16优选地设计为切向层，并且到目前为止包含适应承受在圆周方向上的切向力的多个纤维。在该设计中，在轮毂的内部区域中的厚度梯度高。

下一材料层由两个内部附加的叶片元件18形成。内部附加的叶片元件的外部轮廓与基本元件的外部轮廓相对应。内部附加的叶片元件18再次包含固定元件32，其径向地在对应固定元件32的保持元件22之后接合。优选地，内部附加的叶片元件18的材料纤维是径向地定向，使得这些层可以被设想为径向层。

下一材料层由外部附加的叶片元件20形成。外部附加的叶片元件20的外部轮廓再次与基本元件14的外部轮廓相对应。另外，外部附加的叶片元件20也包含固定元件34，其再次径向地在两个保持元件22之后接合。优选的是，外部附加的叶片元件20由展开丝束织物制成。

外部的材料层由两个保持元件22形成，其中它们不延伸进入转子叶片12，但是基本形成轮毂元件。保持元件22还优选地包含材料纤维，优选的为塑料纤维或者碳纤维。

本发明的本质是真空泵转子的多层配置。在这方面，在材料的最佳应力适应选择以及适应于操作需要的纤维布局的方面优选地选择设计以及各层的各自的材料。因此，可以制造出承受极大应力的真空泵转子并且可以实现超过400m/s的叶片端速，优选的超过500m/s并且更优选的超过600m/s。

Claims (19)

1.一种真空泵转子，用于涡轮分子泵，包含：

轮毂元件，其用于连接到转子轴和/或用于形成转子轴，以及

多个转子叶片，其连接到所述轮毂元件,所述转子叶片的每一个包含连接到所述轮毂元件的叶脚以及连接到所述叶脚的叶头，

其特征在于，

所述轮毂元件和/或所述转子叶片包含多个材料层；

所述轮毂元件包含至少一个包含纤维增强材料的保持元件；

提供加强元件，其包含纤维增强材料，所述加强元件通过面对面接触的方式连接到所述保持元件并且延伸进入所述叶脚而不进入所述叶头，

所述真空泵转子包括作为一个材料层的基本元件，所述至少一个保持元件连接至所述基本元件，所述保持元件和所述基本元件至少部分地彼此重叠，以便形成至少两个材料层。

2.根据权利要求1所述的真空泵转子，其特征在于，所述多个材料层的至少一个包含纤维增强材料。

3.根据权利要求1或2所述的真空泵转子，其特征在于，提供围绕所述轮毂元件的多个转子叶片。

4.根据权利要求1所述的真空泵转子，其特征在于，所述基本元件包含纤维增强材料，所述基本元件被直接或者间接地连接到所述至少一个保持元件。

5.根据权利要求1或4所述的真空泵转子，其特征在于，所述基本元件包含在所述轮毂元件中布置的轮毂部件，并且形成所述叶脚以及叶头。

6.根据权利要求1所述的真空泵转子，其特征在于，所述轮毂元件包含两个彼此相对的保持元件，其具有布置在它们之间的所述基本元件的轮毂部件。

7.根据权利要求1所述的真空泵转子，其特征在于，所述加强元件在内侧包含固定元件，其至少部分轴向地延伸和/或在所述保持元件之后接合。

8.根据权利要求1或7所述的真空泵转子，其特征在于，两个彼此相对的加强元件布置在所述基本元件的不同侧。

9.根据权利要求1所述的真空泵转子，其特征在于，提供至少一个附加的叶片元件，其包含纤维增强材料，所述附加的叶片元件连接到所述保持元件并且延伸进入所述叶脚并且延伸进入所述叶头。

10.根据权利要求9所述的真空泵转子，其特征在于，所述至少一个附加的叶片元件在内侧包含固定元件，其至少部分轴向地延伸和/或在所述保持元件之后接合。

11.根据权利要求9或10所述的真空泵转子，其特征在于，所述附加的叶片元件中的一个包含纤维增强材料的径向层。

12.根据权利要求9所述的真空泵转子，其特征在于，所述附加的叶片元件中的一个包含展开丝束织物层。

13.根据权利要求11所述的真空泵转子，其特征在于，所述附加的叶片元件中的至少一个被设计为内部附加的叶片元件，其通过面对面接触的方式连接到所述基本元件的叶头。

14.根据权利要求13所述的真空泵转子，其特征在于，所述附加的叶片元件中的至少一个被设计为外部附加的叶片元件，其通过面对面接触的方式连接到所述内部附加的叶片元件。

15.根据权利要求9所述的真空泵转子，其特征在于，所述基本元件和至少一个附加的叶片元件具有相同的外部轮廓。

16.根据权利要求15所述的真空泵转子，其特征在于，所述相同的外部轮廓为叶片形状的外部轮廓。

17.根据权利要求9所述的真空泵转子，其特征在于，在所述叶脚的区域中，所述加强元件直接面对面邻接在所述基本元件上和/或所述附加的叶片元件中的一个上。

18.根据权利要求14所述的真空泵转子，其特征在于，在所述叶脚和/或叶头的区域中，所述内部附加的叶片元件通过面对面接触的方式直接邻接在所述外部附加的叶片元件上。

19.根据权利要求1所述的真空泵转子，其特征在于，相对于所述基本元件的转子是对称的多层设计。

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