DE2046692A1 - Schaufelrad fur eine Turbomole kularpumpe - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmann, 2046692

Dipl.-Ing. H."Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 SAHA MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

SARGENT-WLCH SCIENTIFIC COMPANY, 7300 North linder Avenue,

Skokie, Cook, Illinois, Y.SiJ₀Ao

Schaufelrad für eine Turbomolekularpumpe

Die Erfindung "bezieht sich auf sogenannte Turbomolekularpumpen, doho Hochvakuumpumpen, die in Druckbereichen arbeiten, in denen die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle verhältnismäßig groß ist im Vergleich zu allen wesentlichen Abmessungen der Schaufeln, die in den Statoren oder Rotoren einer Pumpe vom Axialturbinentyp enthalten sind. In typischer Weise umfaßt eine derartige Pumpe ein Gehäuse, in dem eine rechte und eine linke Turbineneinheit untergebracht ist, die jeweils aus einer Anzahl von Stufen zusammengesetzt ist, von denen jede aus einem Rotor und einem zugeordneten Stator besteht. Die rechte und die linke Einheit sind einander % gleich, abgesehen davon, daß sie für eine entgegengesetzte Bewegungsrichtung der auf sie auftreffenden Moleküle bei gleicher Drehrichtung des Schaufelrades ausgebildet sind. Der Einlaß ist zwischen der linken und der rechten Turbinen« einheit angeordnet und der Auslaß jeweils an jedem axialen Ende des Gehäuses,,

Nach bisheriger Übung werden derartige Schaufelräder zur

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Erzielung der notwendigen Geschwindigkeit der Schaufelenden mit extrem hohen Geschwindigkeiten gedreht, etwa mit 10 000 bis 20 000 u/min, oder mehr«. Bei solchen Geschwindigkeiten und besonders wenn man die beträchtliche axiale Länge solcher Schaufelräder im Vergleich zu ihrem Durchmesser in Betraoht zieht, ist das dynamische Gleichgewicht sehr gefährdet. Bin Schaufelrad für eine Turbomolekularpumpe muß also den durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit verursachten Belastungen standhalten können, zu denen nicht nur die Wirkung der Zentrifugalkraft sondern auch die durch eine dynamische Unwucht hervorgerufenen Kräfte gehören_P Bei Strukturen von ,unzureichender Festigkeit wird das dynamische Ungleichgewicht oft nicht richtig zum Verschwinden gebracht, sondern häufig noch durch harmonische Schwingungen auf ein solches Maß verstärkt, daß eine merkliche Deformation des Schaufelrades eintritt, die die Gefahr einer unerwünschten Vibration und sogar eines Bruches des Schaufelrades hervorruft· Daher besteht Bedarf an Schaufelradwellen mit ausreichender Steifigkeit, um einer solchen Gefahr vorzubeugen_o Man erreicht die Steifigkeit in derartigen Schaufelrädern normalerweise dadurch, daß man eine Hohlwelle mit dem größtmöglichen Durchmesser vorsieht, der sich mit der Größe der an dem Umfang der Welle anzubringenden Schaufeln verträgt, wobei die Wandstärke der Welle verhältnismäßig dünn ist, um das Gewioht, soweit praktisch möglich, herabzusetzen,, Die hohle Mitte der Welle ist ebenfalls zweckmäßig, da die innersten Teile einer massiven Welle nicht wesentlich zur Steifigkeit beitragen·

Im Pail einer zylindrischen Welle oder eines Abschnittes einer solchen Welle tritt jedoch durch die Zentrifugalkraft eine starke Belastung konzentriert am Innendurchmesser der Welle auf, da ja bekanntlich unter gleicher Belastung an weiten Bohrungen größere Spannungskonsentrationen auftreten

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als an engen_o

Das erfindungsgemäße Schaufelrad besteht aus einer zentralen Kernwelle, auf der mehrere Rotorelemente derart angeordnet sind, daß ringförmige Kontaktflächenöffnungen jedes Rotorelementes Gegenflächenstücke benachbarter Rotoren berühren, wobei jedes Rotorelement in seiner Mitte eine verengte Öffnung hat, durch die die Kernwelle tritt, und wobei Befestigungsmittel auf der Kernwelle die Rotorelemente unverschiebbar festlegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in t Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschriebene Es zeigen:

RLg₀1 eine Seitenansicht, teilweise in Aufsicht und teilweise im Schnitt, die eine Vakuumpumpe und einen Teil eines erfindungsgemäßen Schaufelrades zeigt;

3Pigo2 eine fragmentarische, vergrößerte Ansicht des erfindungsgemäßen zusammengebauten Schaufelrades, teilweise im Schnitt und teilweise in Aufsicht, die den rechten Turbinenteil eines Doppelschaufelrades zeigt;

Figo5 eine vergrößerte, fragmentarische Ansicht in auseinandergezogener Anordnung, teilweise in Aufsicht und- g teilweise im Schnitt, die das zusammengebaute Schaufelrad gemäß der Erfindung, sowie einige seiner Bestandteile und die Art des Zusammenbaus veranschaulicht!

Fig,4 eine fragmentarische Vorderansicht eines Teils eines Rotoreiernentes gemäß der Erfindung«,

Die weitere Beschreibung bezieht sich auf ein Ausführungs«- beispiel der Erfindung, in dem ein Doppelschaufelrad vorgesehen ist, doh· eine Vorrichtung, bei der die Pumpe einen rechten und einen linken Turbinenteil hat und jeder Turbi~ nenteil aus einem Stator und einem mehrere Rotorelemente tra-

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genden Schaufelrad besteht.. Die Gasströmung geht von der Pumpenmitte nach entgegengesetzten axialen Richtungen, d.ho das Gas "betritt das Pumpengehäuse in der Mitte und wird nach beiden Enden der Pumpe hin abgesaugt«. Da die rechten und linken Hälften der Pumpe einander gleichen, abgesehen davon, daß sie derart spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, daß das Gas bei Drehung des Schaufelrades nach einer Richtung nach entgegengesetzten axialen Richtungen austritt, wird nur ein Ende des Schaufelrades im Detail beschriebene Das andere Ende ist dem beschriebenen praktisch gleich, aber gegensinnig angeordnet. Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf andere spezielle Konstruktionen anwendbare

]?ig·! zeigt eine Vakuumpumpe 20 mit einem Plansch 22 zum Anschluß an den zu evakuierenden Raum, mit einer Spirale oder einem torusförmigen Mantel 24, und mit einem zylindrischen Pumpengehäuse 26, das Stirnwände 28 hat, an denen ein Lager 30 zur Aufnahme der Enden einer im Gehäuse 26 drehbaren Sohaufelradwelle angebracht ist. Ein angetriebenes Zahnrad 34 kämmt mit einem nicht gezeigten antreibenden Zahnrad, um die Welle 32 in bekannter Weise zu drehen. In dem Gehäuse 26 sind mehrere Abstandsringe 36 angebracht, die dazu dienen, mehrere Statorelemente 38 zu stützen und an ihrem Platz zu halten. Jedes Statorelement trägt in bekannter Weise mehrere Schaufeln. Im linken Teil der Vakuumpumpe 20 ist von Rotorelementen 42 und den dazwischengreifenden Statorelementen 38 eine Turbine 40 gebildet. In der Darstellung liegt der Bereich des niedrigsten Druckes oder des höchsten Vakuums bei 44, d.ho nächst den in Achsrichtung am weitesten innen angeordneten Stufen der Turbine 40, wogegen sich die höheren Druckstufen 46 nahe dem Ringauslaß 48 befinden₀ In einem typischen Fall rotiert das Schaufelrad 50 einer solchen Pumpe mit 4000 bis 20 000 U/min und kann ein Vakuum von 10"⁹ bis 10 Torr erzeugen. Derartige Geschwindigkeiten erfordern ganz offensichtlich eine beträchtliche Festigkeit und eine

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hervorragende Auswuchtung des Schaufelrades.

Wie I¹Ig.2 zeigt, weist das Schaufelrad 50 eine Kernwelle 52 auf, die ein geriffeltes äußeres Ende 54 hat, das außerhalb einer Mutter 56 liegt, mit der ein Befestigungselement 58 fest gegen ein axial äußerstes Rotorelement 60 gepreßt wird ο In der Mitte des Schaufelrades 50 ist ein zylindrisches Abstandsstück 62 angeordnet, das an einer Stirnseite eine ringförmige Kontaktfläche 54a hat« An einer Innenfläche 68 des Abstand sabückes ist ein radial nach innen stehender Plansch 66 angefügte Eine schaufelfreie Außenfläche 70 des Abstands- | Stückes dient als Innenfläche des Hochvakuumabschnittes 44 der Pumpe 20·

Wie auch aus Figo3 hervorgeht, weist die drehbare, zusammengebaute Turbine 40 mehrere Rotorelemente 42 auf, zu denen eine Reihe von Schaufeln 72 und eine Nabe 74 gehören,. Die Nabe 74 hat ein Randstück 76, an dem die Schaufeln 72 angefügt sind, sowie ein Zwischenstück 78 mit entgegengesetzten axialen Kontaktflächen 80, 82 und ein Mittelstüok 84, das am weitesten innen liegt und innere Randflächen 86 bildet, die eine Mittenöffnung 88 begrenzen,. Das Mittelstüok 84 wird zum Teil von entgegengesetzt gerichteten axialen Flächen 90, 92 begrenzt, und ist in Achsrichtung schmaler als das Zwi- ™ schenstück 78 zwischen den Kontaktflächen 80, 82_O Im zusammengebauten Zustand liegt jede Kontaktfläche 80 fest an der ihr gegenüberstehenden Kontaktfläche 82 an, während die weiter innen liegenden flächen 90, 92 nicht mit ihren Gegenflächen in Kontakt sind. Zwischen dem Außendurchmesser der Kernwelle 52 und der Öffnung 88, die durch die inneren Randflächen 86 des Mittelstückes 84 gebildet wird, ist nur ein geringer Spielraum Vorhand en«, Wie aus Figo 3 ersichtlich, weist das Befestigungselement 58 ein breiteres zylindrisches Teil 94 auf, das eine Kontaktfläohe 96 bildet, die sich gegen

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die Kontaktflache 82 des benachbarten Rotorelementes 42 an-, legt und mit dieser in einer Ebene liegt·

Die Figo3 und 4 lassen erkennen, daß jede Schaufel 72, die zu den in Achsrichtung innersten Stufen gehört, in Segmente unterteilt ist, und zwar in ein äußeres, mittleres und inneres Segment 98, 100, 102. Jedes Segment weist im typischen Pail eine ebene Fläche 104 und eine schräge Arbeitsfläche 106 auf. Aus Mg.3 ist ersichtlich, daß die Schaufeln 72 in einem Stück mit dem Randstück 76 der Nabe 74 ausgebildet sind und daß daher die Rotorelemente 42 aus einem einzigen Körper bestehen. Einige Rotorelemente 42, etwa die in Fig·3 rechts gezeigten, können nur an ihren Schaufelenden 108 Arbeitsflächen haben mit dem Resultat, daß die Schaufeln 72 sich in radialer Richtung zu ihren äußeren Enden hin verjüngen. Jedoch können derartige Schaufeln, wie auch solche mit einer größeren oder kleineren Zahl von Segmenten ebenfalls in einem Stück hergestellt sein₀

Fig.4 veranschaulicht eine Konstruktion, bei der die Schaufeln 72 gesondert von der Nabe 74 ausgebildet sind. In diesem Fall werden die Schaufeln 72 an dem Randstück 76 der Nabe 74 mit Hilfe von gekerbten Füßen 110 befestigt, deren axiale Flächen 112 parallel zu den Kontaktflächen 80, 82 des Nabenzwischenstückes 78 liegeno Die gekerbten Füße 110 dienen also in dem gezeigten Beispiel zur Sicherung der Schaufeln gegen ein Verschieben in radialer Richtung,und durch den Kontakt mit einem benachbarten Rotorelement 42 kann noch eine zusätzliche Haltekraft in einer axialen Richtung auf sie ausgeübt werden« Der Fuß 110 muß nicht in dem Zwischenstück 78 liegen, jedoch ist diese Konstruktion zweckmäßig, besonders wenn eine zusätzliche axiale Haltekraft gewünscht wird»

In dem gezeigten Beispiel ist der Fuß 110 mit Kerben oder Rillen versehen; die Teile können jedoch auch mit Hilfe

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eines einfachen Fußes in "!"-Form oder dergleichen gegeneinander festgelegt werden.

Wie Figo 2 zeigt, ist äas Schaufelrad 50, wenn die Mutter 56 aufgeschraubt ist, so konstruiert, daß im Effekt eine zylindrische Welle vorgesehen ist, deren Außendurchmesser gleich dem Durchmesser der Schultern 114 ist, die die äußere Begrenzung des Nabenzwisehenstückes 78 "bilden. Dadurch, daß der zwischen den Flächen 90 und 92 liegende Teil des Rotorelementes in axialer Richtung schmaler ist als die Rotorabmessung zwischen den Kontaktflächen 80 und 82, besteht mit Sicherheit radial innerhalb von diesen Kontaktflächen kein Kontakt mehr | und der Anpreßdruck ist auf den Bereich der Kontaktflächen 80, 82 beschränkt. Die an dem Abstandsstück 62 vorgesehene Kontaktfläche 54a hat ebenfalls diese Wirkung. Wie schon oben erwähnt, ist ein weiterer Vorzug dieser Konstruktion, daß die Öffnung 88 klein ist im Verhältnis zum effektiven Durohmesser der zusammengesetzten Welle und daher sind die Flächen 90, 92 notwendig, obwohl sie nicht mit ihren Gegenflächen in Kontakt sind,

Nach der Lehre der Erfindung konstruierte Wellen zeigen die Vorzüge der Steifigkeit zusammen mit Konstruktionen großen Wellendurchmessers. Durch die Konstruktion der einzelnen Rotorelemente wird die Auswuchtung und der Zusammenbau er« f leichtert und durch Verwendung der dünnen Kernwelle und nicht ungewöhnlicher Werkstoffe und Formungsverfahren sind niedrige Herstellungskosten möglich©

Erfindungsgemäße zusammengebaute Schaufelräder sind für einen Dauerbetrieb mit 16 000 bis 20 000 u/min oder mehr geeignet, ohne unzulässige Schwingungen, Verbiegungen oder dergleichen zu entwickeln, auch wenn sie aus Materialien konstruiert sind, die leicht zu verarbeiten und zusammenzubauen sinde

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Claims (1)

1. Ansprüche

   Schaufelrad zur Verwendung in einer axial durchströmten Turbomolekularpumpe für hohes Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer zentralen Kernwelle (52) mehrere Rotorelemente (42) in Achsrichtung gefluchtet angeordnet sind, von denen jedes einen radial nach außen abstehenden Schaufelkranz aufweist, bestehend aus mehreren voneinander in ihrer Drehrichtung beabstandeten Schaufeln (72), die zu ihrer Rotationsebene angestellte Arbeitsflächen (106) haben, sowie eine Nabe (74), an deren Randstüok (76) die Schaufeln fest angefügt sind und die außerdem noch ein Zwischenstück (78) mit vorgegebener Dioke in Achsrichtung und mit in Achsrichtung nach vorne und hinten gekehrten ringförmigen Kontaktflächen (80,82) von einer beträchtlichen radialen Abmessung, sowie ein ringförmiges Mittelstück (84) aufweist, das mit dem Zwischenstück als ein Körper ausgebildet ist und sich von diesem naoh innen erstreckt und das mit seiner inneren Randfläche (86) eine Mittenöffnung (88) begrenzt, in der die Kernwelle aufgenommen ist, auf der mindestens an einem Ende ein lösbares Befestigungselement (58) sitzt, das eine axialwärts gerichtete ringförmige Kontaktfläche (96) aufweist, die sich gegen eine Kontaktfläche (82) an einem der Rotorelemente anlegt und alle Rotorelemente mit ihren Kontaktflächen fest aneinanderpreßt.

   Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (84) der Nabe (74) in axialer Richtung sohmaler ist als das Zwischenstück (78)·

   Schaufelrad nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß die Schaufeln (72) von der Nabe (74) gesondert angefertigt sind und daß mehrere Schaufeln an ihrer zugehörigen Nabe in ihrer Arbeitsstellung mechanisch fest«

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   gelegt sind ο

   4« Schaufelrad nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet,
   daß die Schaufeln 3?üße (110) aufweisen, mit denen sie
   in dem Zwischenstück (76) der Nabe aufgenommen sind, wo-· bei die ringförmigen Kontaktflächen (80, 82) teilweise
   von den Füßen der Schaufeln gebildet sind·

   5· Schaufelrad nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der mehreren Rotorelemente einen ersten Schaufelradabschnitt und ein.
   anderer Teil der Rotorelemente einen zweiten Schaufelrad« f abschnitt bildet und daß die Schaufeln der beiden Schau·· felradabschnitte derart angeordnet sind, daß sie die auf sie auftreffenden Gasmoleküle in entgegengesetzten axialen Richtungen leiten, wenn sich das gesamte Schaufelrad nach einer Richtung dreht₀

   6· Schaufelrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, daduroh
   gekennzeichnet, daß die zentrale Kernwelle (52) nur ein
   geringes Betriebsspiel in der Mittenöffnung (88) in radialer Richtung hat·

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