Die
Erfindung betrifft einen Turbomolekularpumpenrotor nach dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs.The
The invention relates to a turbomolecular pump rotor according to the preamble
of the first claim.
Im
Stand der Technik haben sich in den Jahrzehnten einige wenige Prinzipien
herausgebildet, nach denen Turbomolekularpumpenrotoren aufgebaut
sind.in the
Prior art has a few principles in the decades
emerged after which turbomolecular pump rotors constructed
are.
Eine
erste gängige Bauart besteht darin, Scheiben mit einer
Reihe Turboschaufeln zu versehen und diese auf eine Welle aufzuschrumpfen
oder zu klemmen. Einen solchen Aufbau zeigt die EP-A-1559914 . Gerade bei
Turbomolekularpumpen mit großem Saugvermögen und
fünfachsig aktiver Magnetlagerung führt dies zu
großen Baulängen.A first common design is to provide disks with a series of turbo blades and to shrivel or clamp them onto a shaft. Such a structure shows the EP-A-1559914 , Especially in turbomolecular pumps with high pumping speed and five-axis active magnetic bearing this leads to large overall lengths.
Eine
andere gängige Bauform schafft eine kürzere Bauweise,
indem eine zentrale Welle mit den notwendigen Antriebs- und Lagerkomponenten
von einem Rotorkörper umgeben ist, wobei Welle und Rotorkörper
stirnseitig miteinander verbunden sind. Der Rotorkörper
kann aus mehreren Scheiben aufgebaut sein, wie beispielsweise die DE 1728487 zeigt. Es ist
jedoch üblicher, den Rotorkörper als einstückiges
Teil zu schaffen, wie es in der ersten Abbildung der EP-A-1517042 vorgestellt
wird. Dieser Aufbau ist zwar günstig in Bezug auf die Baulänge,
schafft aber andere Probleme, beispielsweise das im Folgenden beschriebene
Burstproblem. Die Drehzahlen der Turbomolekularpumpen liegen im
Bereich von einigen zehntausend Umdrehungen in der Minute. Gerade bei
großen Pumpen mit einem Saugvermögen von mehreren
hundert Litern pro Sekunde, bei denen diese Art Rotorkörper
vorteilhaft sind, erreichen die in diesem gespeicherten Rotationsenergien
sehr hohe Werte. Bei einem so genannten Wurst, bei dem der Rotorkörper
zerreißt und die in ihm gespeicherte Energie schlagartig
an das Gehäuse abgegeben wird, kann eine Gefährdung
der Umgebung nicht vollkommen ausgeschlossen werden, da die abgegebene Energie
die Verbindung von Gehäuse und abzupumpenden Rezipienten überlasten
kann.Another common design creates a shorter design by a central shaft is surrounded by the necessary drive and bearing components of a rotor body, the shaft and rotor body are connected to each other frontally. The rotor body may be constructed of a plurality of disks, such as the DE 1728487 shows. However, it is more common to provide the rotor body as an integral part, as in the first figure of the EP-A-1517042 is presented. While this construction is favorable in terms of length, it creates other problems such as the burst problem described below. The speeds of turbomolecular pumps are in the range of tens of thousands of revolutions per minute. Especially with large pumps with a pumping speed of several hundred liters per second, in which this type of rotor body are advantageous, the rotational energies stored in this reach very high values. In a so-called sausage, in which the rotor body ruptures and the energy stored in it is abruptly discharged to the housing, a risk to the environment can not be completely excluded because the energy released can overload the connection of the housing and the recipient to be pumped.
Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Turbomolekularpumpenrotor
vorzustellen, durch den insbesondere die genannten Gefährdungen
vermieden werden.It
Therefore, the object of the invention is a turbomolecular pump rotor
to introduce, in particular, the mentioned hazards
be avoided.
Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Turbomolekularpumpenrotor
mit den Merkmalen des ersten Anspruchs, einer Turbomolekularpumpe
nach Anspruch 6 und einem Rotorbauteil nach Anspruch 8. Die Ansprüche
2 bis 5 und 7 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.These
Task is solved by a turbomolecular pump rotor
having the features of the first claim, a turbomolecular pump
according to claim 6 and a rotor component according to claim 8. The claims
2 to 5 and 7 indicate advantageous developments of the invention.
Die
Sicherheit im Falle des Bursts wird erhöht, da der Turbomolekularpumpenrotor
nach Anspruch 1 keinen durchgängigen Rotorkörper
darstellt. Dies reduziert die Größe der Bruchstücke
und zieht den Zerreißprozess in die Länge. Hierdurch
wird eine Überlastung der Verbindung von Gehäuse
der Turbopumpe und abzupumpenden Rezipienten verhindert. Das erste
Rotorteil, welches die erste Pumpstruktur und die zweite Pumpstruktur
umfasst, kann aus flachem Material hergestellt werden, welches bei
gegebenem Kostenrahmen mit höherer Festigkeit erhältlich
ist. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der
Sicherheit.The
Safety in the case of the burst is increased as the turbomolecular pump rotor
according to claim 1 no continuous rotor body
represents. This reduces the size of the fragments
and lengthen the tearing process. hereby
will overload the connection of housing
prevents the turbo pump and the recipient to be pumped down. The first
Rotor part, which the first pumping structure and the second pumping structure
can be made of flat material which is included in
available at a higher cost
is. This leads to a further increase in the
Safety.
Diese
Gestaltung lässt sich weiterbilden, indem das erste Rotorteil
eine Ausnehmung aufweist, welche sich in axialer Richtung erstreckt
und radial innen liegt, das heißt von der Symmetrie- und
Rotationsachse derart in radialer Richtung erstreckt, dass ein Hohlraum
entsteht. In diesem Hohlraum können dann vorteilhaft weitere
Komponenten angeordnet sein, beispielsweise eine Labyrinthdichtung
oder Teile der Lagerung und des Antriebs. Hierdurch wird Baulänge
eingespart.These
Design can be further developed by the first rotor part
has a recess which extends in the axial direction
and radially inward, that is from the symmetry and
Rotation axis extends in the radial direction such that a cavity
arises. In this cavity then more advantageous
Components may be arranged, for example, a labyrinth seal
or parts of the storage and the drive. This will length
saved.
Eine
andere Weiterbildung zielt drauf ab, die dritte Pumpstruktur als
beschaufelte Rotorscheibe zu gestalten. Dies erhöht zum
einen die Sicherheit, da sich solche Einzelscheiben im Burst unkritisch
verhalten, zum anderen erlaubt die Scheibenbauweise gerade im Hochvakuumbereich
größere Freiheiten bei der Gestaltung der Schaufeln.
Im Hochvakuumbereich sind die Schaufeln steil gegen die Bewegungsrichtung
angestellt und erstrecken sich lang in axialer und tangentialer
Richtung. Sind mehrere Schaufelreihen für diesen Druckbereich
an einem gemeinsamen Körper angeordnet, unterliegt die
Gestaltung Beschränkungen durch Fertigungsverfahren wie Fräsen
und Sägen. Dies gilt für Scheiben nicht, so dass
auf diese Weise bessere Vakuumdaten erreicht werden.A
Another training aims at it, the third pumping structure as
to design a bladed rotor disk. This increases to
one security because such single discs in the burst uncritical
behave, on the other hand allows the disc design just in the high vacuum range
greater freedom in the design of the blades.
In the high vacuum range, the blades are steep against the direction of movement
employed and extend long in axial and tangential
Direction. Are several rows of blades for this pressure range
arranged on a common body, subject to the
Design restrictions through manufacturing processes such as milling
and saws. This does not apply to discs, so that
in this way better vacuum data can be achieved.
In
einer weiteren Weiterbildung wird vorgschlagen, einen Armierungsring
zwischen den mit Schaufeln versehenen Tragringen anzuordnen, da hierdurch
das Burstverhalten weiter verbessert wird.In
Another development is vorgschlagen, a reinforcing ring
to arrange between the blades provided with blades, as a result
the burst behavior is further improved.
Eine
wiederum andere Weiterbildung schlägt vor, dass der Turbomolekularpumpenrotor
ein zweites Rotorteil mit wenigstens zwei Pumpstrukturen aufweist.
Hierdurch wird ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes
Burstverhalten erreicht, zudem die Zahl der zu fügenden
Teile gering gehalten. Aufgrund der verringerten Abmessungen der
Rohteile wird bei diesen an Kosten gespart.A
Yet another development suggests that the turbomolecular pump rotor
a second rotor part having at least two pump structures.
This is an improved over the prior art
Burst behavior achieved, also the number of joining
Parts kept low. Due to the reduced dimensions of the
Blanks are saved on these costs.
Anhand
von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung und ihre Weiterbildungen
näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile
vertieft werden. Es zeigen:Based
of embodiments, the invention and its developments
explained in more detail and the presentation of their advantages
be deepened. Show it:
1:
Schnitt durch einen Turbomolekularpumpenrotor und den Antriebsbereich
einer Turbomolekularpumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 1 : Section through a turbomolecular pump rotor and the drive range of a turbomolecular pump according to a first embodiment.
2:
Schnitt durch einen Turbomolekularpumpenrotor und den Antriebs-
und Lagerbereich einer Turbomolekularpumpe gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel. 2 : Section through a turbomolecular pump rotor and the drive and bearing area of a turbomolecular pump according to a second embodiment.
3:
Schnitt durch einen Turbomolekularpumpenrotor gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel. 3 FIG. 4: section through a turbomolecular pump rotor according to a third exemplary embodiment. FIG.
4:
Schnitt durch einen Turbomolekularpumpenrotor gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel. 4 FIG. 4: section through a turbomolecular pump rotor according to a fourth exemplary embodiment. FIG.
5:
Schnitt durch einen Turbomolekularpumpenrotor gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel. 5 FIG. 4: section through a turbomolecular pump rotor according to a fifth exemplary embodiment. FIG.
Ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Turbomolekularpumpenrotors
ist in einem Schnitt entlang der Drehachse in 1 gezeigt.A first embodiment of a turbomolecular pump rotor is in a section along the axis of rotation in 1 shown.
Die
Abbildung zeigt zunächst einen Teil 160 der Gehäuses
der Turbomolekularvakuumpumpe, im Folgenden Turbopumpe. Dieser Teil
nimmt die Motorspule 161 auf, welche ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt.
Dieses wirkt mit dem Motormagnet 162 zusammen und versetzt
den Turbomolekularpumpenrotor in schnelle Drehung. Der Motormagnet
ist von einer Hülse 163 verdeckt und gegen negative
Auswirkungen der einwirkenden Fliehkräfte gesichert auf der
Welle 132 des Turbomolekularpumpenrotors angeordnet. Die
Welle weist an einer ihrer Stirnseiten, vorzugsweise der Hochvakuumseite
zugewandt, eine Ausnehmung auf, in der wenigstens ein Permanentmagnetring 190 angeordnet,
welcher den rotorseitigen Teil eines schmiermittelfreien Magnetlagers zum
Tragen des Turbomolekularpumpenrotors bildet.The picture shows a part first 160 the housing of the turbomolecular vacuum pump, hereinafter turbopump. This part takes the motor coil 161 which generates a circulating magnetic field. This works with the motor magnet 162 together and puts the turbomolecular pump rotor in rapid rotation. The motor magnet is from a sleeve 163 hidden and protected against negative effects of the acting centrifugal forces on the shaft 132 arranged the turbomolecular pump rotor. The shaft has on one of its end faces, preferably facing the high vacuum side, a recess in which at least one permanent magnet ring 190 arranged, which forms the rotor-side part of a lubricant-free magnetic bearing for supporting the turbomolecular pump rotor.
Die
Turbopumpe weist einen Pumpenstator auf, der als statorseitige Pumpstrukturen
mit Schaufeln versehene Statorscheiben 112, 116, 120 und 124 umfasst,
welche mittels Distanzringe 113, 117, 121 und 125 axial
voneinander beabstandet sind. Der Pumpenstator umfasst als weitere
statorseitige Pumpstruktur zudem einen Holweckstator 128.The turbopump has a pump stator, the stator disks provided with blades as stator-side pump structures 112 . 116 . 120 and 124 includes, which by means of spacers 113 . 117 . 121 and 125 axially spaced from each other. The pump stator also includes a Holweckstator as a further stator-side pumping structure 128 ,
Der
Turbomolekularpumpenrotor umfasst als rotorseitige Pumpstrukturen
Rotorschaufelkränze 111, 115, 119 und 123 sowie
eine Rotorhülse 127. Die Rotorschaufelkränze
werden jeweils von Schaufeln gebildet, die sich am Rotor radial
auswärts erstrecken und für jeden der Rotorschaufelkränze
in einer der Ebenen 150, 151, 152 und 153 liegen.
Die Bestigungsebene der Rotorhülse bildet die Ebene 154.
Die Ebenen 150, 151, 152, 153 und 154 sind
in axialer Richtung voneinander beabstandet.The turbomolecular pump rotor comprises rotor blade rings as rotor-side pumping structures 111 . 115 . 119 and 123 and a rotor sleeve 127 , The rotor blade rings are each formed by blades which extend radially outward on the rotor and for each of the rotor blade rings in one of the planes 150 . 151 . 152 and 153 lie. The Bestigungsebene the rotor sleeve forms the plane 154 , The levels 150 . 151 . 152 . 153 and 154 are spaced apart in the axial direction.
Die
Pumpstrukturen 111 und 112 wirken zusammen und
bilden eine erste Pumpstufe 110, welche ansaugseitig angeordnet
ist und im Hochvakuumbereich arbeitet. Die Pumpstrukturen 115 und 116, 119 und 120,
sowie 123 und 124 bilden weitere Pumpstufen 114, 118 und 122 für
den mittleren Druckbereich. Rotorhülse 127 und
Holweckstator 128 bilden zusammen eine Holweckstufe.The pump structures 111 and 112 work together and form a first pumping stage 110 , which is arranged on the suction side and works in the high vacuum range. The pump structures 115 and 116 . 119 and 120 , such as 123 and 124 form further pump stages 114 . 118 and 122 for the middle pressure range. rotor sleeve 127 and Holweckstator 128 together form a Holweck stage.
Die
Welle trägt das erste Rotorbauteil 101, welches
die Schaufeln der Rotorschaufelkränze 119 und 123 umfasst,
vorteilhaft sind die Schaufeln einstückige Bestandteile
des ersten Rotorbauteils. Das erste Rotorbauteil trägt
zudem die Rotorhülse 127, welche einen Kohlefaserverbundwerkstoff
umfasst. Das erste Rotorteil weist eine Ausnehmung 130 auf. Diese
erstreckt sich in axialer und radialer Richtung derart, dass ein
Hohlraum entsteht. In diesen ragen Teile des Gehäuses 160 und
der Motorspule 161 hinein, so dass eine kurze Baulänge
der Turbopumpe erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass
die Rotorschaufelkränze für den Druckbereich angepasst
sind, der zwischen dem Druckbereich für die Holweckpumpstufe
und der Hochvakuumpumpstufe liegt. In diesem Druckbereich sind die
Schaufelwinkel flach, das heißt die Schaufel ist nur leicht
gegen die Rotorschaufelkranzebene geneigt. Zusammen mit der geringeren radialen
Tiefe der Schaufel als im Hochvakuumbereich erlaubt dies eine kostengünstige
Herstellung durch Einsägen von Kanälen in einen
zylindrischen Ausgangskörper.The shaft carries the first rotor component 101 which the blades of the rotor blade rings 119 and 123 Advantageously, the blades are integral components of the first rotor component. The first rotor component also carries the rotor sleeve 127 which comprises a carbon fiber composite material. The first rotor part has a recess 130 on. This extends in the axial and radial directions such that a cavity is formed. In these parts of the housing protrude 160 and the motor coil 161 into it, so that a short length of the turbo pump is achieved. A further advantage results from the fact that the rotor blade rings are adapted to the pressure range which lies between the pressure range for the Holweckpumpstufe and the high vacuum pumping stage. In this pressure range, the blade angles are flat, that is, the blade is only slightly inclined to the rotor blade ring plane. Together with the lower radial depth of the blade than in the high vacuum range, this allows cost-effective production by sawing channels into a cylindrical starting body.
Die
Welle trägt auf der dem Hochvakuum zugewandten Seite des
ersten Rotorbauteils einen ersten Tragring 108 und einen
zweiten Tragring 109. Der erste Tragring trägt
die als Rotorschaufelkranz ausgebildete Pumpstruktur der ersten
Pumpstufe 110 welche für den Hochvakuumdruckbereich
ausgelegt ist. Der zweite Tragring trägt die als Rotorschaufelkranz
gestaltete Pumpstruktur der zweiten Pumpstufe 114. In dem
Druckbereich dieser beiden Pumpstufen sind die Schaufelwinkel steiler,
das heißt, die Schaufel ist stärker als bei den
Pumpstufen 118 und 122 gegen die Rotorschaufelkranzebene
geneigt. Daher ist die Herstellung als Scheibe, welche Tragring
und Rotorschaufelkranz aufweist, kostengünstig und weniger
durch die Herstellungsweise eingeschränkt. Die Einschränkung
besteht bei mehrreihiger Bauweise darin, dass das bearbeitende Werkzeug
bei der Bearbeitung der Schaufeln der einen Reihe auf die Schaufeln
der andere Reihen Rücksicht nehmen muss.The shaft carries on the high vacuum side facing the first rotor component, a first support ring 108 and a second support ring 109 , The first support ring carries the designed as a rotor blade ring pump structure of the first pumping stage 110 which is designed for the high vacuum pressure range. The second support ring carries the designed as a rotor blade ring pump structure of the second pumping stage 114 , In the pressure range of these two pumping stages, the blade angles are steeper, that is, the blade is stronger than in the pumping stages 118 and 122 inclined towards the rotor blade ring plane. Therefore, manufacturing as a disc having a support ring and rotor blade ring is inexpensive and less restricted by the method of manufacture. The limitation with multi-row design is that the machining tool must take into account the blades of the other rows when machining the blades of one row.
Die
Bauweise mit einem ersten Rotorbauteil sowie erstem und zweitem
Tragring bringt große Vorteile für das Burstverhalten
mit sich. Dies liegt zum einen daran, dass die Größe
des größten Bruchstückes in dieser Bauweise
im Vergleich zur vollständig einstückigen Glocke
deutlich verringert wird. Zum anderen können bei gleichem
Ausgangspreis höherwertige, insbesondere festere, Ausgangsmaterialien für
die Rotorbauteile benutzt werden. Außerdem wird der zeitliche
Ablauf des Bursts günstig beeinflusst, da ein sich bildender
Riss in einem Bauteil auf die Grenzen zum nächsten Bauteil
trifft. Hierdurch ergibt sich eine zeitliche Streckung, die bei
gleicher gespeicherter Energie zu einer Verringerung der auftretenden Kräfte
führt.The design with a first rotor component and first and second support ring brings great benefits for the burst behavior with it. This is partly due to the fact that the size of the largest fragment in this construction compared to the completely one-piece bell is significantly reduced. On the other hand, with the same starting price higher valent, especially firmer, starting materials are used for the rotor components. In addition, the timing of the burst is favorably influenced, since a forming crack in a component meets the limits of the next component. This results in a temporal extension, which leads to a reduction of the forces occurring at the same stored energy.
Das
Burstverhalten kann dadurch noch verbessert werden, dass zwischen
erstem und zweiten Tragring und zweitem Tragring und erstem Rotorbauteil
ein Armierungsring angeordnet ist.The
Burst behavior can be further improved by that between
first and second support ring and second support ring and first rotor component
a reinforcing ring is arranged.
Vorteilhaft
sind Bohrungen 172 für Wuchtgewichte 173 zwischen
den Rotorschaufelkränzen 119 und 123 angeordnet.
Zusammen mit Bohrungen 170 und Wuchtgewichten 171 in
der Stirnseite der Welle kann der Rotor mit gut zugänglichen
Gewichten gewuchtet werden.Advantageous are holes 172 for balancing weights 173 between the rotor blade rings 119 and 123 arranged. Along with holes 170 and balance weights 171 in the front of the shaft, the rotor can be balanced with easily accessible weights.
Das
erste Rotorteil kann je nach Anforderungen an Vakuumdaten der Turbopumpe
mehr als zwei Rotorschaufelkränze aufweisen, zudem kann
die Zahl der Tragringe gegenüber der Figur erhöht
oder verringert werden.The
first rotor part can, depending on the requirements of the vacuum data of the turbopump
more than two rotor blade rings, also can
increases the number of support rings relative to the figure
or reduced.
Ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Turbomolekularpumpenrotors
ist in einem Schnitt entlang der Drehachse in 2 gezeigt.A second embodiment of a turbomolecular pump rotor is in a section along the axis of rotation in 2 shown.
Dieses
Beispiel betrifft eine mit aktiven Magnetlagern ausgestalte Turbomolekularpumpe.
Im Gehäuseteil 260 sind, die Welle 232 umgebend,
ein Fanglager 295, eine Radiallagerspule 291,
ein Radialsensor 293 und die Motorspule 261 angeordnet. Die
Motorspule wirkt mit dem auf der Welle befindlichen und durch eine
Hülse 263 gesicherten Motormagneten 262 zusammen,
so dass bei Bestromung der Motorspule die Welle in schnelle Drehung
versetzt wird. Der Radialsensor wirkt mit dem wellenseitigen Radialsensortarget 294 zusammen
und ermöglicht einer nicht gezeigten Magnetlagersteuerelektronik
die Bestimmung der radialen Auslenkung des Rotors und damit der
Ansteuerung der Radiallagerspule. Diese wirkt mit dem wellenseitigen
Radiallagertarget 292 zusammen und erlaubt durch Bestromen
der Radiallagerspule die radiale Positionierung der Welle das heißt
des Grades der Auslenkung von der Mittelachse. Das Fanglager dient
der Vermeidung des Kontaktes von Gehäuse und Welle im Falle
großer Auslenkungen.This example concerns a turbomolecular pump equipped with active magnetic bearings. In the housing part 260 are, the wave 232 surrounding, a fishing camp 295 , a radial bearing coil 291 , a radial sensor 293 and the motor coil 261 arranged. The motor coil acts on the shaft and through a sleeve 263 secured motor magnet 262 together so that when energized the motor coil, the shaft is set in rapid rotation. The radial sensor works with the shaft-side Radialsensortarget 294 together and allows a magnetic bearing control electronics, not shown, the determination of the radial deflection of the rotor and thus the control of the radial bearing coil. This acts with the shaft-side radial bearing target 292 together and allows by energizing the radial bearing coil, the radial positioning of the shaft that is the degree of deflection from the central axis. The safety bearing serves to avoid the contact of housing and shaft in case of large deflections.
Als
ruhende Pumpstrukturen weist die Turbomolekularpumpe dieses Beispiels
dem Vorvakuum zugewandt einen Holweckstator 228 auf, in
welchem schraubenlinienartig Kanäle verlaufen, die mit
der am Rotor angeordneten Hülse 227 zusammenwirken und
zusammen eine Holweckstufe 226 bilden.As a stationary pumping structures, the turbomolecular pump of this example facing the pre-vacuum has a Holweckstator 228 on, in which run helical channels, with the sleeve arranged on the rotor 227 work together and together a Holweckstufe 226 form.
Weitere
ruhende Pumpstrukturen sind die mit Schaufelkränzen versehenen
Statorscheiben 212, 216, 220 und 224,
welche durch zwischen ihnen angeordneten Distanzringen 213, 217, 221 und 225 axial
beabstandet sind. In die axialen Zwischenräume zwischen
den Statorscheiben tauchen die als Rotorschaufelkränze 211, 215, 219 und 223 gestalteten Pumpstrukturen
ein. Ruhende und rotorseitige Pumpstrukturen wirken paarweise zusammen.
Der Rotorschaufelkranz 211 bildet mit der Statorscheibe 212 zusammen
die erste, der Kammer zugewandte und im Hochvakuum arbeitende Pumpstufe 210.
Entsprechend bilden Statorscheibe 216 und Rotorschaufelkranz 215 die
nachfolgende zweite Pumpstufe 214, Statorscheibe 220 und
Rotorschaufelkranz 219 die dritte Pumpstufe 218 und
schließlich Statorscheibe 224 und Rotorschaufelkranz 223 die
am Übergabedruck zur Holweckstufe arbeitende vierte Pumpstufe 222.
Die Rotorschaufelkränze sind jeweils in voneinander axial
beabstandeten Ebenen 250, 251, 252 und 253 angeordnet,
der Befestigungsbereich der Rotorhülse bildet die Ebene 254.Other stationary pumping structures are the stator disks provided with blade rings 212 . 216 . 220 and 224 , which by spacer rings arranged between them 213 . 217 . 221 and 225 axially spaced. In the axial spaces between the stator discs dive as rotor blade rings 211 . 215 . 219 and 223 designed pump structures. Dormant and rotor-side pump structures interact in pairs. The rotor blade ring 211 forms with the stator disc 212 together the first, the chamber facing and operating in a high vacuum pumping stage 210 , Correspondingly form stator disc 216 and rotor blade ring 215 the subsequent second pumping stage 214 , Stator disc 220 and rotor blade ring 219 the third pumping stage 218 and finally stator disk 224 and rotor blade ring 223 the fourth pump stage operating at the transfer pressure for the Holweck stage 222 , The rotor blade rings are each in axially spaced apart planes 250 . 251 . 252 and 253 arranged, the mounting portion of the rotor sleeve forms the plane 254 ,
Die
rotorseitigen Pumpstrukturen in Form der Rotorschaufelkränze 219 und 223 sind
am ersten Rotorteil 201 angeordnet und bilden mit diesem
einen einstückigen Körper. Die Rotorhülse 227 ist
mit dem ersten Rotorteil verbunden. Das erste Rotorteil weist eine
Ausnehmung 230 in ihrem Zentrum auf. Dieser sich axial
und radial von der Mitte aus erstreckende Hohlraum nimmt das Fanglager
wenigstens teilweise auf, so dass vorteilhaft die Baulänge
der Turbopumpe reduziert ist. Der Hohlraum kann so weit vergrößert
werden, dass sich das Gehäuseteil 260, welches Radiallager,
Radialsensor und Motorspule beinhaltet, über einen Teil
seiner axialen Ausdehnung darin befindet. Dies führt zu
einer weiteren Verringerung der sich in Richtung Rotorsymmetrieachse
erstreckenden Baulänge der Turbopumpe.The rotor-side pumping structures in the form of the rotor blade rings 219 and 223 are on the first rotor part 201 arranged and form with this a one-piece body. The rotor sleeve 227 is connected to the first rotor part. The first rotor part has a recess 230 in their center. This axially and radially extending from the center cavity takes the catch bearing at least partially, so that advantageously the overall length of the turbo pump is reduced. The cavity can be enlarged so that the housing part 260 , which includes radial bearing, radial sensor and motor coil, is located over part of its axial extent therein. This leads to a further reduction in the length of the turbopump extending in the direction of the rotor axis of symmetry.
Das
erste Rotorteil ist mit einem Sicherungsmittel, im Beispiel einer
Schraube 280, mit der Stirnseite der Welle 232 verbunden.
Die Welle weist eine Ausnehmung auf, mit der ein Zapfen 289 des
ersten Rotorteils in Eingriff steht, wodurch die radiale Positionierung
vereinfacht wird.The first rotor part is with a securing means, in the example of a screw 280 , with the front of the shaft 232 connected. The shaft has a recess with which a pin 289 of the first rotor part is engaged, whereby the radial positioning is simplified.
Das
erste Rotorteil besitzt gemäß diesem Beispiel
einen Trägerabschnitt 201a. Dieser erstreckt sich
vom ersten Rotorteil aus axial in Richtung Hochvakuum, also in die
der Welle abgewandten Richtung. Auf diesem Trägerabschnitt
sind ein Tragring 208 angeordnet, mit welchem der Rotorschaufelkranz 211 verbunden
ist. Ein weiterer Tragring 209 und der Rotorschaufelkranz 215 sind
ebenfalls miteinander verbunden. Die Tragringe mit Rotorschraufelkranz
sind günstig herstellbar, beispielsweise durch Sägen
aus Vollmaterial. Hierfür steht kostengünstig
hochfestes Material zur Verfügung. Die Trennung zwischen
erstem Rotorteil und Tragringen erhöht die Burstsicherheit,
in dem das Zerreißen des Bauteils an dieser Trennung verzögert
wird. Zudem wird die maximale Größe der Fragmente
reduziert. Durch den Trägerabschnitt 201a ist
eine sichere und dauerhafte Zentrierung der Tragringe gewährleistet, so
dass eine Unwuchtsveränderung auf Grund verloren gehender
Zentrierung vermieden werden kann.The first rotor part according to this example has a support portion 201 , This extends axially from the first rotor part in the direction of high vacuum, ie in the direction away from the shaft. On this support section are a support ring 208 arranged, with which the rotor blade ring 211 connected is. Another support ring 209 and the rotor blade ring 215 are also connected. The support rings with rotor helix are inexpensive to produce, for example by sawing from solid material. For this purpose, inexpensive high-strength material is available. The separation between the first rotor part and Tragringen he Increases burst safety by delaying the tearing of the component from this separation. In addition, the maximum size of the fragments is reduced. Through the carrier section 201 ensures a secure and permanent centering of the support rings, so that an unbalance change due to lost centering can be avoided.
In
einer Weiterbildung ist ein Armierungsring 281 vorgesehen,
der so angeordnet ist, dass er beide Tragringe 208 und 209 auf
deren Oberfläche berührt und einem Aufweiten der
Tragringe in radialer Richtung durch Fliehkräfte entgegenwirkt.In a further development is a reinforcing ring 281 provided, which is arranged so that both support rings 208 and 209 touched on the surface and counteracts widening of the support rings in the radial direction by centrifugal forces.
Eine
andere Weiterbildung sieht vor, stirnseitig in den Trägerabschnitt 201a Wuchtbohrungen 270 vorzusehen,
in die Wuchtgewichte 271 eingesetzt werden können.
Zusammen mit zwischen den Rotorschaufelkränzen 219 und 223 vorgesehen
unteren Wuchtbohrungen 272 und darin je nach Bedarf befindlichen
Wuchtgewichten 273 wird eine sehr gute Wuchtung des Rotors
bei einfacher Zugänglichkeit der Wuchtbohrungen erreicht.Another development provides, frontally in the support section 201 balancing bores 270 to provide in the balancing weights 271 can be used. Together with between the rotor blade rings 219 and 223 provided lower balancing holes 272 and balance weights as needed 273 a very good balancing of the rotor is achieved with easy accessibility of the balancing bores.
Das
erste Rotorteil kann je nach Anforderungen an Vakuumdaten der Turbopumpe
mehr als zwei Rotorschaufelkränze aufweisen, zudem kann
die Zahl der Tragringe gegenüber der Figur erhöht
oder verringert werden.The
first rotor part can, depending on the requirements of the vacuum data of the turbopump
more than two rotor blade rings, also can
increases the number of support rings relative to the figure
or reduced.
Ein
drittes Ausführungsbeispiel eines Turbomolekularpumpenrotors
ist in einem Schnitt entlang der Drehachse in 3 gezeigt.
Es ist ein alternativer Aufbau des Turbomolekularpumpenrotors ohne
die weiteren Komponenten der Turbopumpe dargestellt.A third embodiment of a turbomolecular pump rotor is in a section along the axis of rotation in 3 shown. An alternative construction of the turbomolecular pump rotor without the other components of the turbopump is shown.
Der
Turbomolekularpumpenrotor umfasst eine Welle 332, mit deren
Stirnseite ein erstes Rotorteil 301 verbunden ist. Die
Welle weist eine Ausnehmung auf, mit der ein Zapfen 389 des
ersten Rotorteils in Eingriff steht, wodurch die radiale Zentrierung bewirkt
wird. Die Welle befindet sich mit einem Teil ihrer Länge
in einem Hohlraum 330, der von der Rotationsachse des ersten
Rotorteils ausgehend sich über einen Teil des Radiusses
und in axialer Richtung erstreckt. Dieser Hohlraum nimmt einen Teil
der weiteren Komponenten der Turbopumpe, zum Beispiel Teile von
Lager und Antrieb, auf, wodurch die Baulänge der Turbopumpe
reduziert wird. Das erste Rotorteil weist drei Rotorschaufelkränze 319, 323 und 329 auf,
die in drei Ebenen 352, 353 und 354 angeordnet sind.The turbomolecular pump rotor includes a shaft 332 , with the end face of a first rotor part 301 connected is. The shaft has a recess with which a pin 389 the first rotor part is engaged, whereby the radial centering is effected. The shaft is located in a cavity with part of its length 330 which extends from the axis of rotation of the first rotor part over a part of the radius and in the axial direction. This cavity receives a portion of the other components of the turbo pump, for example parts of bearing and drive, whereby the overall length of the turbo pump is reduced. The first rotor part has three rotor blade rings 319 . 323 and 329 on, in three levels 352 . 353 and 354 are arranged.
Auf
der der Welle abgewandten Seite des ersten Rotorteils befindet sich
ein zweites Rotorteil 302. Dieses wird durch Zentriermittel 382 gegenüber dem
ersten Rotorteil zentriert. Gemäß des Beispieles ist
das Zentriermittel als Ausnehmung im ersten Rotorteil gestaltet,
mit der das zweite Rotorteil in Eingriff steht. Das zweite Rotorteil
weist eine, dem ersten Rotorteil abgewandte, hochvakuumseitige Ausnehmung 383 auf,
in welcher eine Schraube 380 angeordnet ist, welche der
sicheren Verbindung von Welle, ersten und zweitem Rotorteil dient.
Das zweite Rotorteil umfasst die Rotorschaufelkränze 311 und 315,
welche in den Ebenen 350 und 351 angeordnet sind.
Auch dieser Aufbau führt zu einem günstigen Verhalten
im Falle eines Bursts aufgrund der Größe der entstehenden
Fragmente. Ein Vorteil dieser Anordnung ist die geringe Zahl der
Bauteile, so dass wenige Teile zu fügen sind. Gleichzeitig
ist das Ausgangsmaterial günstiger als im Falle einer Vollglocke, das
heißt eines einzelnen Grundkörpers, der alle Rotorschaufelkränze
umfasst.On the side facing away from the shaft of the first rotor part is a second rotor part 302 , This is done by centering 382 centered with respect to the first rotor part. According to the example, the centering means is designed as a recess in the first rotor part, with which the second rotor part is engaged. The second rotor part has a, the first rotor part remote, high vacuum side recess 383 on, in which a screw 380 is arranged, which serves the secure connection of shaft, first and second rotor part. The second rotor part comprises the rotor blade rings 311 and 315 which are in the levels 350 and 351 are arranged. This construction also leads to a favorable behavior in the case of a burst due to the size of the resulting fragments. An advantage of this arrangement is the small number of components, so that few parts are to be added. At the same time the starting material is cheaper than in the case of a full bell, that is, a single body, which includes all rotor blade rings.
Die
Zahl der Rotorschaufelkränze, die an jedem der Rotorteile
angeordnet ist, ist abhängig von der vakuumtechnischen
Auslegung der Turbopumpe größer oder gleich zwei.The
Number of rotor blade rings attached to each of the rotor parts
is arranged, depends on the vacuum technical
Design of turbopump greater than or equal to two.
Ein
viertes Ausführungsbeispiel eines Turbomolekularpumpenrotors
ist in einem Schnitt entlang der Drehachse in 4 gezeigt.
Es ist ein alternativer Aufbau des Turbomolekularpumpenrotors ohne
die weiteren Komponenten der Turbopumpe dargestellt.A fourth embodiment of a turbomolecular pump rotor is in a section along the axis of rotation in 4 shown. An alternative construction of the turbomolecular pump rotor without the other components of the turbopump is shown.
Neben
dem ersten Rotorteil 401, welches die in den axial beabstandeten
Ebenen 452, 453 und 454 angeordneten
Rotorschaufelkränze 419, 423 und 429 umfasst,
weist dieser Turbomolekularpumpenrotor ein zweites Rotorteil 402 mit
einem Fortsatz 402a auf. Auf diesem Fortsatz sind die Tragringe 408 und 409 angeordnet,
welche beispielsweise durch Aufschrumpfen oder Klemmen positioniert
sind. Der Rotorschaufelkranz 415 der Ebene 451 ist
einstückig mit dem Tragring 409 ausgeführt.
Der in der Ebene 450 befindliche Rotorschaufelkranz 411 ist
einstückig mit dem Tragring 408 ausgeführt.
Der Fortsatz 402a umgibt die hochvakuumseitige Ausnehmung 483,
in der eine Schraube 480 angeordnet ist. Diese verbindet erstes
Rotorteil 401, zweites Rotorteil 402 und die Welle 432 miteinander.
Das erste Rotorteil weist auf ihrer der Welle zugewandten Seite
eine Ausnehmung 430 auf, welche Raum für statorseitige
Komponenten, beispielsweise Lager und Motor, schafft. Diese Ausnehmung
reduziert die Baulänge der Turbopumpe. Der Aufbau aus zwei
Teilen und Tragringen verbessert das Verhalten im Falle eines Burst
sehr deutlich. Vorteilhaft sind Zentriermittel wie im dritten Beispiel
vorhanden, die eine sichere Zentrierung von erstem und zweiten Rotorteil
zueinander gewährleisten. Der Aufbau gemäß dieses
vierten Beispiels erlaubt durch die Gestaltung mit Tragringen große
Freiheiten bei der Wahl der Schaufelgeometrien der Rotorschaufelkränze 411 und 415.
Zudem wird eine gute Zentrierung der Tragringe erreicht, so dass
das Wuchtverhalten verbessert wird. Welle und erstes Rotorteil werden
durch einen Zapfen 489 zueinander zentriert, welcher mit
einer stirnseitigen Ausnehmung der Welle in Eingriff steht.Next to the first rotor part 401 which is in the axially spaced planes 452 . 453 and 454 arranged rotor blade rings 419 . 423 and 429 includes, this turbomolecular pump rotor has a second rotor part 402 with an extension 402a on. On this extension are the support rings 408 and 409 arranged, which are positioned for example by shrinking or clamping. The rotor blade ring 415 the level 451 is integral with the support ring 409 executed. The one in the plane 450 located rotor blade ring 411 is integral with the support ring 408 executed. The extension 402a surrounds the high vacuum side recess 483 in which a screw 480 is arranged. This connects first rotor part 401 , second rotor part 402 and the wave 432 together. The first rotor part has on its side facing the shaft a recess 430 which creates space for stator components, such as bearings and motor. This recess reduces the overall length of the turbo pump. The construction of two parts and support rings improves the behavior in case of a burst very clearly. Centering means are advantageous as in the third example, which ensure a safe centering of the first and second rotor part to each other. The structure according to this fourth example allows the design with support rings great freedom in the choice of blade geometries of the rotor blade rings 411 and 415 , In addition, a good centering of the support rings is achieved, so that the balancing behavior is improved. Shaft and first rotor part are by a pin 489 to each other centered, which is in engagement with a frontal recess of the shaft.
Das
erste Rotorteil kann je nach Anforderungen an die Vakuumdaten der
Turbopumpe mehr als zwei Rotorschaufelkränze aufweisen,
zudem kann die Zahl der Tragringe gegenüber der Figur erhöht oder
verringert werden.The
first rotor part can depending on the requirements of the vacuum data of the
Turbopump have more than two rotor blade rings,
In addition, the number of support rings relative to the figure increased or
be reduced.
Ein
fünftes Ausführungsbeispiel eines Turbomolekularpumpenrotors
ist in einem Schnitt entlang der Drehachse in 5 gezeigt.
Es ist ein alternativer Aufbau des Turbomolekularpumpenrotors ohne
die weiteren Komponenten der Turbopumpe dargestellt.A fifth embodiment of a turbomolecular pump rotor is in a section along the axis of rotation in 5 shown. An alternative construction of the turbomolecular pump rotor without the other components of the turbopump is shown.
Der
im Teilschnitt gezeigte Turbomolekularpumpenrotor weist Rotorschaufelkränze 511, 515 und 519 auf,
die in den axial beabstandeten Ebenen 550, 551 und 552 angeordnet
und Teil der ersten Rotorteils 501 sind. Jeder Rotorschaufelkranz
weist wie in den vorangegangenen Beispielen Schaufeln auf, die sich
radial erstrecken und gegen die Bewegungsrichtung angestellt sind.
Das erste Rotorteil ist mittels der Schraube 580 mit einer
Stirnseite der Welle 532 verbunden. Welle und erstes Rotorteil
werden durch einen Zapfen 589 zueinander zentriert, welcher
mit einer stirnseitigen Ausnehmung der Welle in Eingriff steht.
Mit der vorvakuumseitigen Stirnseite 586 des ersten Rotorteils
ist ein zweites Rotorteil 502 verbunden. Diese Verbindung
ist durch ein geeignetes Sicherungsmittel, beispielsweise einer
Verbindungsschraube 585, gewährleistet. Die Zentrierung von
erstem und zweitem Rotorteil wird mittels eines mit einer Ausnehmung
des ersten Rotorteils im Eingriff stehenden und an der Stirnseite
des zweiten Rotorteils befindlichen Vorsprungs 597 erreicht.
Bei der Gestaltung des Zentriermittels muss die Dynamik beachtet
werden. Bei schneller Drehung des Rotors versuchen Fliehkräfte
eine Aufweitung im Bereich der Verbindung von erstem und zweitem
Rotorteil zu bewirken. Hierdurch darf die Zentrierung nicht verlorengehen.
Gewährleistet wird dies in einer vorteilhaften Form durch
einen Armierungsring 581. Er ist in einer Ausnehmung angeordnet,
so dass er vorteilhaft keinen Einfluss auf den Spalt zwischen Rotor
und Stator hat. Das zweite Rotorteil umfasst die in den axial beabstandeten
Ebenen 553 und 554 angeordneten Pumpstrukturen
in Form eines Rotorschaufelkranzes 553 und eine Holweckhülse 584.
Das erste Rotorteil weist eine Ausnehmung 530 auf, welche
zusammen mit dem zentrischen Durchgangsloch 588 des zweiten
Rotorteils einen großen Hohlraum zu Aufnahme von Lager-
und Motorbauteilen der Turbopumpe ergibt. Der Turbomolekularpumpenrotor
dieses Beispiels vereint ein stark ausgeprägtes Vorteil der
Baulängenverkürzung mit einem sehr sicheren Burstverhalten,
denn auch bei diesem Rotor entstehen im Burstfall nur kleine Fragmente.
Die Anzahl der Rotorschaufelkränze am zweiten Rotorteil
kann höher sein und je nach Bedarf auf die Holweckhülse verzichtet
werden. Dies hängt von den erwünschten Vakuumdaten
ab.The turbomolecular pump rotor shown in partial section has rotor blade rings 511 . 515 and 519 on that in the axially spaced planes 550 . 551 and 552 arranged and part of the first rotor part 501 are. Each rotor blade ring, as in the previous examples, has blades which extend radially and are turned against the direction of movement. The first rotor part is by means of the screw 580 with a front side of the shaft 532 connected. Shaft and first rotor part are by a pin 589 centered with each other, which is in engagement with an end-side recess of the shaft. With the fore vacuum side front side 586 of the first rotor part is a second rotor part 502 connected. This connection is by a suitable securing means, such as a connecting screw 585 , guaranteed. The centering of the first and second rotor part is by means of a with a recess of the first rotor part engaged and located on the front side of the second rotor part projection 597 reached. When designing the centering device, the dynamics must be taken into account. With rapid rotation of the rotor centrifugal forces try to cause expansion in the region of the connection of the first and second rotor part. As a result, the centering must not be lost. This is ensured in an advantageous form by a reinforcing ring 581 , It is arranged in a recess so that it advantageously has no influence on the gap between rotor and stator. The second rotor part includes those in the axially spaced planes 553 and 554 arranged pump structures in the form of a rotor blade ring 553 and a Holweck sleeve 584 , The first rotor part has a recess 530 on, which together with the central through hole 588 of the second rotor part results in a large cavity for receiving bearing and engine components of the turbo pump. The turbomolecular pump rotor of this example combines a pronounced advantage of shortening the length with a very safe burst behavior, because even with this rotor, only small fragments are produced in the event of a burst. The number of rotor blade rings on the second rotor part can be higher and can be dispensed with as needed on the Holweckhülse. This depends on the desired vacuum data.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1559914
A [0003]
EP 1559914 A [0003]
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- DE 1728487 [0004]
- DE 1728487 [0004]
-
- EP 1517042 A [0004]
- EP 1517042 A [0004]
