DE2229724B2

DE2229724B2 - Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE2229724B2
Application number: DE2229724A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dr.-Ing. Dr. 5000 Koeln Frank
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1980-06-04
Also published as: US3826588A; FR2190184A5; GB1397179A; CH564692A5; DE2229724A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe, bei der art Rotor und Stator ineinandergreifende Schaufelkränze mit gegenüber der Schaufelkranzebene schräg liegenden Schaufeln vorgesehen sind, deren Anstellwinkel in radialer Richtung verändert ist.

Die bekannten Ausführungsformen von Turbomolekularpumpen besitzen einen mit hoher Drehgeschwindigkeit antreibbaren Rotor, dessen Schaufelkränze als Laufräder mit den feststehenden Schaufelkränzen des am Pumpengehäuse befestigten Stators turbinenartig zusammenwirken.

Derartige Turbomolekularpumpen zeigen hinsichtlich der auszuwählenden Beschaufelung verschiedene Schwierigkeiten. Wegen der hohen Drehzahlen, die gegebenenfalls 40 000 Umdrehungen/Min, und mehr betragen, muß die Anordnung zunächst unter dem Gesichtspunkt einer ausreichenden Festigkeit gegenüber den einwirkenden Zentrifugalkräften getroffen werden. Weiterhin ist es zur Erzeugung einer hinreichenden Saugleistung erforderlich, innere Verluste im Strömungsweg der Gasmoleküle zwischen den aus jeweils einem drehbaren und einem feststehenden Schaufelkranz gebildeten Pumpenstufen zu vermeiden. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit bei vereinfachtem Herstellungsverfahren ist es bereits bekannt, Schaufelkränze mit geraden Schaufeln derart auszubilden, daß sich der Anstellwinkel zwischen der Schaufelobcrfläche und der Schaufelradebene vom Befestigungspunkt der Schaufel am Rotor bis zum Schaufelrand verringert (vgl. DE-OS 20 35 063). Dadurch soll eine Abnahme der Fliehkraftbeanspruchung erreicht werden.

Eine Betrachtung der Strömungsverhältnisse innerhalb einer Pumpenstufe zeigt, daß die Saugleistung und das Kompressionsverhältnis im wesentlichen von der Umfangsgeschwindigkeit, dem Anstellwinkel und dem Überlappungsgrad (d. h. dem Verhältnis von Schaufelabstand zur Schaufelbreite) abhängig sind Da jedoch die Umfangsgeschwindigkeit längs des Schaufelradius linear ansteigt, ergeben sich unterschiedliche Werte der Saugleistung und des Kompressionsverhältnisses längs der Schaufeln einer Pumpenstufe, wenn der Anstellwinkel der Schaufeln konstant ist Dadurch entsteht im Randbereich eine höhere Saugleistung und ein höheres Kompressionsverhältnis, das zu einer Druckausgleichsströmung gegenüber dem Ansatzbereich der Schaufel

ίο nut geringerer Umfangsgeschwindigkeit Anlaß gibt Bei relativ langen Schaufelblättern, wie sie in der Hochvakuumstufe zur Erzielung eines genügend großen Ansaugspaltes verwendet werden müssen, ist daher gegebenenfalls die Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten und deren Auswirkung auf die Pumpenkenngrö-Qen nicht mehr vernachlässigbar. Die Ausgleichsströmung zwischen dein Bereich höheren Kompressionsverhältnisses am Schaufelrand und dem Bereich geringeren Kompressionsverhältnisses am Schaufelansatz wirkt der Erreichung eines optimalen Pumpeffektes entgegen.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabenstellung aus, eine innere Ausgleichsströmung wie sie durch das in radialer Schaufelrichtung unterschiedliche Kompressionsverhältnis hervorgerufen wird, zu verhindern, und die Saugleistung einer Turbomolekularpumpe zu verbessern. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Anstellwinkel der Schaufeln wenigstens in einer einen Rotorschaufelki anz und einen Stator-

jo schaufelkranz enthaltenden Pumpenstufe in radialer Richtung nach außen derart vergrößert ist, daß das Kompressionsverhältnis der Pumpenstufe in radialer Richtung wenigstens annähernd konstant bleibt. Eine solche Ausbildung vermeidet unerwünschte Ausgleichs-

J5 strömungen und verbessert die Pumpwirkung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, daß die Schaufein wenigstens einer hochvakuumseitigen Pumpenstufe wenigstens in ihrem Randbereich nicht mit optischer Überdeckung, d. h. mit einem Verhältnis von Schaufelabstand zu Schaufelbreite größer 1 ausgebildet sind. Das Verhältnis von Schaufelabstand zu Schaufelbreite, das Überlappungsgrad genannt wird, kann aber zweckmäßig über die ganze Schaufellänge konstant bzw. annähernd konstant gewählt werden. Es bietet sich ferner die zweckmäßige Möglichkeit, den Anstellwinkel bei über den Radius gleichbleibendem Kompressionsverhältnis gegenüber den bekannten Ausführungsformen zu vergrößern und dadurch eine zusätzliche Steigerung des Saugvermö-

M gens zu erreichen.

Es kann ferner gegebenenfalls zweckmäßig sein, nur die hochvakuumseitigen Stufen der Turbomolekularpumpe mit radial verändertem Schaufelanstellwinkel und damit radial konstantem Kompressionsverhältnis auszurüsten. In den in Förderrichtung nachfolgenden Pumpenstufen erscheint eine solche Ausbildung wegen der bereits eingetretenen Vorverdichtung weniger wirkungsvoll, so daß in diesem Bereich gegebenenfalls eine einfacher aufgebaute Beschaufelung für Rotor und to Stator mit radial verändertem Kompressionsverhältnis zugelassen werden kann.

Die Änderung des Anstellwinkels der Schaufeln kann zweckmäßig wenigstens abschnittweise kontinuierlich erfolgen. Es sind jedoch für bestimmte Anwendungsö5 zwecke auch solche Schaufeln vorteilhaft herstellbar, bei denen die Änderung des Anstellwinkels abschnittsweise kontinuierlich, z. B. durch Verschränken in verschiedene Anstellwinkelbereiche erfolgt. Die Schau-

feikränze des Rotors und des Stators werden vorteilhaft in gleicher Weise mit radial verändertem Anstellwinkel ausgebildet

Bei Anwendung der Merkmaie der Erfindung wird durch die Erniedrigung des Kompressionsverhältnisses im Mittel- und Randbereich der Schaufeln eine unerwünschte Ausgleichsströmung des Fördermediums verhindert, und es ergibt sich eine wesentliche Verbesserung des Saugvermögens.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt. Aus diesem ergeben sich weitere Erfindungsmerkmale; es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Turbomolekularpumpe gemäß der Erfindung;

F i g. 2 einen abgewinkelten Schnitt durch einen Schaufelkranz in der Zylinderfläche 1;

Fig.3 einen Schnitt entsorechend Fig.2 in der Zylinderfläche II;

Fig.4 einen Schnitt entsprechend Fig.2 in der Zylinderfläche JII.

In der Ansicht der F i g. 1 ist ein mit dem Pumpengehäuse verbundener Stator 1 gezeigt, der einen vertikal drehbar gelagerten Rotor 2 umschließt. An dem Stator 1 befinden sich Statorschaufelkränze 3, während an dem Rotor 2 Rotorschaufelkränze 4 vorgesehen sind. Das mit dem Stator verbundene Pumpengehäuse geht hochvakuumseitig ι ι einen Anschlußflansch 5 über. Die weiteren technischen Einzelheiten der Anordnung entsprechen hinsichtlich der Antriebsaggregate, der Abdichtungen und der Rotorlagerung den üblichen Ausführungen, wie sie beispielsweise in der US-PS 31 68 977 dargestellt sind.

Die Betrachtung der Schnittdarstellungen nach F i g. 2,3 und 4 zeigt in der Zyiinderfläche I einen relativ geringen Anstellwinkel ot I von etwa 20°, während in der mittleren Zylinderfläche II ein vergrößerter Anstellwinkel χ II von etwa 35° und am Schaufelrand in der äußeren Zylinderfläche III ein größter Anstellwinkel

ίο von α III annähernd 45° gegeben ist Die Schaufelbreite b ist in den einzelnen radialen Bereichen bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Rücksicht auf die zunehmenden Schaufelabstände S\ < S2 < Si zur Erreichung des annähernd konstanten Überlappungsgrades und s: b ebenfalls zunehmend b\ < h < bi gehalten. Es sind jedoch auch andere Formgestaltungen mit radial konstanter Schaufelbreite anwendbar und gegebenenfalls zweckmäßig.
Die Schaufelkränze können nach verschiedenen bekannten Herstellungsverfahren vorteilhaft aus kreisförmigen, radial geschlitzten Blechzuschnitten gebildet sein. Die Anwendung des beschriebenen Prinzips beschränkt sich nicht auf die im Ausführungsbeispiel gezeigte einflutige Ausführungsform einer Turbomolekularpumpe mit vertikal drehbar gelagertem Rotor. Es kann auch bei den vorbekannten zweiflutigen Ausführungsformen angewendet werden, bei denen der Rotor im allgemeinen mit horizontal liegender Drehachse angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Turbomolekularpumpe, bei der an Rotor und Stator ineinandergreifende Schaufelkränze mit gegenüber der Schaufelkranzebene schräg liegenden Schaufeln vorgesehen sind, deren Anstellwinkel in radialer Richtung verändert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel der Schaufeln wenigstens in einer einen Rotorschaufelkranz (4) und einen Statorschaufelkranz (3), enthaltenden Pumpenstufe in radialer Richtung nach außen derart vergrößert ist, daß das Kompressionsverhällnis der Pumpenstufe in radialer Richtung wenigstens annähernd konstant bleibt

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch I₁ daduich gekennzeichnet, daß sich die Anwendung der Pumpenstufen mit radial verändertem Anstellwinkel auf die Hochvakuumseite der Pumpe beschränkt

3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens abschnittweise eine kontinuierliche Änderung des Anstellwinkels vorgesehen ist

4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdeckungsgrad innerhalb einer Pumpenstufe annähernd konstant ist