DE2654055B2

DE2654055B2 - Rotor- und Statorscheibe für Turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE2654055B2
Application number: DE2654055A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Ing.(Grad.) 5170 Juelich Klatt; Eckard Ing.(Grad.) 5160 Dueren Kuessel
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-11-29
Filing date: 1976-11-29
Publication date: 1979-11-08
Also published as: JPS5368411A; FR2372335B1; DE2654055A1; FR2372335A1; US4309143A; GB1585674A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Rotor- und Staiorseheibe für eine Turbomolekularpumpe, die jeweils um einen Anstellwinkel verschränkte Rotor- und Statorschaufeln tragen.

Um mit TurbomolekularputYipen die gewünschten niedrigen Drücke von 10-' bis zu IO-"'mbar erzeugen zu können, sind hohe Relativgeschwindigkeiien zwischen Rotor und Statorschaufeln erforderlich. Die notwendigen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Turbinenrotors betiugen etwa 30 χ 10' bis 60 χ 10'Umdrehungen pro Minute. Di." Leistr-.gsfähigkeit der Turbomolekularpumpe wird nrben der Relativgeschwindigkeit zwischen den Schaufeln ;r ißgeblich auch vom Geometricfaktor der Rotor- und Stalorschaufeln beeinflußt. Es wird angestrebt, den Geometricfaktor so einzustellen, daß die Turbomolekularpumpe auf ihrer Hochvakuumseite das maximale Saugvermögen, auf der Gegenseite, der Vorvakuumseite der Turbomolekularpumpe das maximale Kompressionsvermögen aufweist. (Vergleiche Vakuumtechnik. 1974. 23. Jahrgang. Heft 1. Seiten 12 ff).

Die höchstmögliche Umdrehungsgeschwindigkeit des Turbinenrotors bestimmt das Verhältnis von Bruchfestigkeit des Werkstoffs der Rotorschaufeln zu dessen spezifischen Gewicht. Den Geometriefaktor beeinflussen vor allem der Anstellwinkel der Schaufeln und der sogenannte Überlappungsgrad, das heißt, das Verhältnis von Abstand der Schaufeln auf dem Schaulclkran/ zur Schaufelbreite. Von wesentlichem Einfluß ist auch die Dicke der Rotor- und Statorschaufeln. Für hohe Saugleistungen werden möglichst dünnwandige Schaufeln angestrebt (vergleiche Vakuumtechnik. 1974. 23. Jahrgang. Heft 4. Seiten 109 ff).

Aus der zuletzt genannten Veröffentlichung. Seite 110. ist es bekannt, die Turbinenrotoren und die Schaufelkränze aus Aluminiumlegierungcn herzustellen, die nicht nur ein günstiges Verhältnis von Bruchfestigkeit zu spezifischem Gewicht aufweisen, sondern die es auch gestatten, die Rotorschaufeln in spanabhebender Bearbeitung zu erstellen. Diese Art der Herstellung von Turbinenroloren und Schaufelkränzen ist jedoch sehr kostenintensiv. Um die Herstellungskosten in Grenzen zu halten, werden daher in Turbomolekularpumpen möglichst gleichförmige, zumindest aber nur wenige Sorten von .Schaufelkränzen vorgesehen, die sich im wesentlichen durch den AnstHlwinkcl der Schaufeln voneinander unterscheiden, wobei in Kauf genommen

wird, dall infolgedessen die Leistungsfähigkeit der Turbimmlekularpumpen vermindert ist.

Auch ist es aus der schon mehrfach zitierten Veröffentlichung. Vakuumtechnik. 1974. 23. Jahrgang. I left 4. Seiten 104 ff, insbesondere Seite 110. bekannt, die Schaufeln des Turbinenroiors und Turbinenstators nach dem Ausfräsen der .Schaufelform um einen vorgegebenen Anstellwinkel zu verschränken. Um die Belastbarkeit der Rotorschaufeln zu erhöhen, ist jedoch die Wanddicke der Schaufeln am Schaufelfuß verdoppelt, so daß in nachteiliger Weise das Verschränken der einzelnen Schaufeln erschwert ist. Infolge der ausgedehnten Torsionszone am Schaufelfuß der Schaufeln muß darüber hinaus mit einer unerwünschten Rüekströmung im Randbereich der Wandungen des die Schaufeln aufnehmenden Ringraumes der Turbomolekularpumpen gerechnet werden. Damit verschlechtern sich die Saugleistung der Turbomolekularpumpe sowie der erzeugbare niedrigste Druck.

Rotorscheiben mit verschränkten Rotorschaufeln werden auch in der DE-OS 14 28 238 beschrieben. Um den Belastungen der mit hohen Umdrehungszahlen rotierenden Rotorscheiben gerecht zu werden, weisen die Scheiben neben einem verstärkten Schaufelfuß zusätzlich noch einen äußeren Metallkranz auf. der mit Rotorschaufeln aurh an der äußeren Peripherie der Rotorscheibe zusammenhält. Nachteilig ist dabei nicht nur der fertigungstechnische Aufwand, sondern auch die Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Turbomclekularpumpe.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, deren Saugleistung und Kompressionsverhältnis bei geringer Schaufeldicke und geringem Abstand zwischen Stator- und Rotorschaufeln optimal einstellbar ist. wobei zugleich aber auch die Herstellungskosten der Turbomolekularpumpe weitgehend reduziert werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei Rotor- und Statorscheiben der eingangs erwähnten Art gemuQ der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dicke d<?r Rotorscheibe der Wandstärke der Rotorschaufeln entspricht, wobei in an sich bekannter Weise ätztechnische hergestellte Rotor- und Statorscheiben aus einer Kupferberyliium- oder aus einer Aluminium enthaltenden Titanlegierung bestehen. Die genannten Werkstoffe weisen eine Bruchfestigkeit bezogen auf spezifisches Gewicht von mehr als 17 χ 10' m und einen Elastizitätsmodul größer als 10 χ lO'kp/mm² auf. Die Rotorscheiben der erfindungsgemäßen Art sind infolgedessen in vorteilhafter Weise für hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeignet. Sie lassen sich mit geringer Wandstärke ausführen, wobei die Wandstärke der Schaufeln von der Dicke der Rotorscheibe bestimmt wird. Rotor- und Statorscheiben der erfindungsgemäßen Art zeichnen sich aber auch durch günstigen Geometricfaktor aus. Zwischen Rotor- und Statorschaufeln sind geringe Abstände einstellbar, ohne daß bei Lufteinbruch die Gefahr einer Berührung besteht.

Für das Herstellen der Rotor- und Statorscheiben wird in vorteilhafter Weise ein an sich bekanntes Ätzverfahren angewendet. Dabei werden Scheiben aus Kupferberyllium- oder aus einer Aluminium enthaltenden Titanlegierung, deren Dicke der Wandstärke der Rotor- und Statorschaufeln entspricht, beidseitig mit einer Schaufelform und Schaufelanzahl bestimmenden atzfesten Maske abgedeckt und anschließend mit einem Ätzmittel in Berührung gebracht, das die nicht abgedeckten Teile der Scheiben auflöst, worauf die nach

Reinigung der Scheiben von Ätzmittelrosten und Entfernen der Maske verbleibenden Schaufeln um eine in der Scheibenebene liegende Drehachse um den vorgegebenen Anstellwinkel verschränkt werden. Nach diesem Herstellungsverfahren entfällt eine spanabhebende Bearbeitung der erfindungsgemäOen Rotor- und .Staiorscheiben. für deren Werkstoffe eine spanabhebende Bearbeitfing mit hohem Aufwand verbunden ist. Die geätzten Rotor- und Statorscheiben können nach dem Verschränken durch Wärmebehandlung noch gehärtet werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, jede Statorschaufel an der Slatorscheibe mittels eines Steges zu befestigen, dessen Breite geringer als die Schaufelbreite bemessen ist. Eine Torsion der Stator- ü schaufeln über einen ausgedehnten Bereich am Schaufelfuß biiim Verschränken und Einstellen des Anstellwinkels der Schaufeln wird hierdurch weitgehend vermieden.

Anhand von Ausführungsbeispielen, die in der _'n Zeichnung schematisch wiedergegeben sin«:', soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen im einzelnen

Fig. I Turbinenrotor und Turbinenstator einer Turbomolekularpumpe

Fig. 2 Rotorscheibe einer Turbomolekularpumpe, unverschränkt

F i g. 3 Statorscheibe einer Turbomolekularpumpe, unverschränkt

F i g. 4 Rolorscheibe einer Turbomolekularpumpe mit jo Schaufeln konstanter Breite, unverschränkt

Fig. 5 Statorscheibe einer Turbomolekularpumpe mit Schaufeln konstanter Breite, unverschrünki

Fig. 6 Seitenansicht einer Rotorscheibe nach Fig. 4 und einer Statorscheibe nach F i g. 3 mit jeweils zwei Ji verschränkten Schaufeln.

Die in Fig.] dargestellte Turbomolekularpumpe weist einen innen liegenden Turbinenrotor I auf. der SchaufelkräTie bildende Rotorschaufeln 2 iragt und sich rotierend um eine Rotorachse 3 zur Erzeugung der -to Saugwirkung mit hoher Geschwindigkeit relativ zu im Pumpengehäuse 4 fest angeordneten Statorschaufeln 5 bewegt. Die Rotorschaufeln 2 jeweils eines Schaufelkranzes sind Bestandteil von Rotorscheiben 6. die zwischen ?m Turbinenrotor 1 verspannten Distanzrin- ⁴^ gen 7 am Turbinenrotor befestigt sind. Die Dicke 8 der Rotorscheiben 6 entspricht der Wandstärke 9 der Rotorschaufeln 2(Fig. 6). Die .Statorschaufeln 5 werden von Statorscheiben 10 getragen. Diese sind am Pumpengehäuse 4 zwischen Distanzringen 11 ver- ίο spannt. Auch die Dicke der Statorscheiben 10 entspricht der Wandstärke der Statorschaufeln 5.

Zum gasdichten Anschluß eines für die Erzeugung von Vakuum geeigneten Rezipienten ist an tier Saugseite 12 der Turbomolekularpumpe ein Flansch S3 ü vorgesehen. Zum Vorvakuumraum führt ein Rohrstutzen 14, der an dem der Saugseite 12 entgegengesetzt gerichteten Ende des Turbinenrotor, I an der Vorvakuumseite 15 am Pumpengehäuse 4,7 befestigt ist. Die den Turbinenrotor I tragende Rotorwelle 16 ist m> außerhalb des Vakuumraumes des Pumpengehäuses 4 gelagert und mit einem Antriebsrotor verbunden, was in F i g. I jedoch nicht dargestellt ist.

Rotorscheiben 6 und Statorscheiben 10 bestehen im Ausführungsbeispiel aus einer Aluminium enthaltenden t>> Titanlegierung. Es wurde die TiAL7Mo4 mit einem Verhältnis von Bruchfestigkeit zu spezifischem Gewicht in der Größenordnung von 20 χ lO'm und einem Elastizitätsmodul von 11,4 χ lO'kp/mm-' verwendet. Als Titanlegierungen für die Herstellung der Rotor- und Statorscheiben eignen sich aber auch Aluminium und Vanadium oder Aluminium. Vanadium und Chrom enthaltende Tilanlegierungen, zum Beispiel TiAlfaV4 oder TiVI3Crl IAI3. Bevorzugt sind daneben auch Legierungen, die Kupfer und Beryllium enthalten, deren Verhältnis von Bruchfestigkeit zu spezifischem Gewicht etwa 17 χ 10^Jm beträgt und die einen F-Modul in der Größenordnung von 13 χ 10^Jkp/mm² aufweisen.

Die in der Turbomolekularpumpe nach Fig. I in axialer Richtung der Rotorachse 3 hintereinander geschaltet eingesetzten Rotor- und Statorscheiben unterscheiden sich voneinander jeweils durch einen Anstellwinkel 17 der Rotor- oder Statorschaufeln (Fig.6). Von Rotorscheibe zu Roterscheibe und von Statorscheibe zu Statorscheibe nimmt der Anstellwinkel 17 der Schaufeln von 35° auf der Saugseite 12 bis zu 10° auf der Vorvakuumseite 15 der Turbomolekularpumpe in gleichmäßigen Schritten stufenwetsP ab. Durch diese Ausbildung der Turbomolekularpumpe wird in vorteilhafter Weise mit verhältnismäßig geringer Anzahl von hintereinander geschalteten Rotor- und Statorscheiben ein hohes Saugvermögen erreicht. Eine Steigerung der Saugleistung wird zusätzlich durch Einsatz von Rotor- und Staiorscheiben erreicht, wie sie in Fig.4 bis 6 schematisch gezeigt sind. In F i g. 4 ist eine Rotorscheibe 6a mit Rotorschaufeln 2a dargestellt, die vom Schaufelgrund 18 bis zum Schaufelende 19 eine gleichmäßige Schaufelbreite 20 aufweisen. Eine Statorscheibe 10a mit entsprechend geformten Statorschaufeln 5a ist in F i g. 5 gezeigt. In den Ausführungsbeispielen sind die Rotorschaufeln 2, 2a und Statorschaufeln 5, 5a für einen äußeren Durchmesser von etwa 115 mm ausgelegt und nur 0,5 mm dick.

In Fig. 3 ist eine Statorscheibe 10 dargestellt, deren noch unverschränkte Statorschaufeln 5 eine vom Schaufelende 19 zum Schaufelfuß 18 hin zunehmende Schaufelbreite 20 aufweisen. Die Statorschaufeln 5 sind an der Statorscheibe 10 jeweils mittels eines Steges 21 befestigt, dessen Breite 22 kleiner ist als die Schaufelbreite am Schaufelgrund 18. Diese Befestigung der Statorschaufeln erleichtert das Verschränken der Schaufeln, wobei zugleich eine sehr schmale To^rsionszone zwischen dem eingespannten Rand 23 der Statorscheibe 10 und den jeweils um den Anstellwinkel 17 verschränkten Statorschaufeln 5 geschaffen wird, was die Rückströmung im wandnahen Bereich der Statorscheiben vermindert und infolgedessen zur Verbesserung der Saugleistung der Turbomolekularpumpe und des erzeugDaren Vakuums beiträgt.

Die in der Zeichnung wiedergegebenen Rotor- und Statoi scheiben gemäß der Erfindung werden in vorteilhafter Weise im Ätzverfahren hergestellt Es werden im folgenden beispielhaft zwei veischiedene Arbeitsverfahren dieser Art angegegeben:

Nach dem ersten Verfahrensbeispiel werden auf die metallischen Scheiben zunächst fotoempfindliche Schichten aufgebracht und mit Hilfe einer von einer Lichtquelle durchstrahlten Abbildung der gewünschten Schaufelform und Schaufelanzahl eine dieser Abbildung entsprechende Maske gebildet, die gegebenenfalls über weitere zwischengeschaltete Verfahrensschritte ätzfest gemacht wird. Die so präparierte, mit einer der Schaufelform und Schaufelanzahl entsprechenden, ätzfesten Maske versehene metallische Scheibe wird mi! einem geeigemen Ätzmittel für die Legierung, aus der die Scheibe besteht, in Berührung gebracht, etwa durch

Aufspritzen des Ätzmittels oder durch liiiit.iuchcn in die Ätzflüssigkeit. Niich Auflösung der von der Maske nicht geschützten Bereiche der Scheibe wird die Scheibe gespült und von Äizmitielreslen befreit. Danach wird die ätzfeste Maske entfernt und die entstandenen Rotor- und Slatorschaufeln um eine in der Schcibenebcnc liegende Drehachse 24 (Fig. 4 bis 6) bis zur einstellung des gewünschten Anstellwinkels 17 verschränkt.

Nach einem anderen Herstellungsverfahren werden die Rolor- und Slalorscheiben elektrochemisch geat/l. Dabei werden metallische Scheiben, deren Dicke der Wandstärke der Rotor- be/iehungsweise Slatorschaufein entspricht, in gleicher Weise wie beim vorhergehend angegebenen Verfahren mit ätzfesten Masken versehen. Die präparierten Scheiben werden im Anschluß daran mit einem ionisierten P.leklrolvien besprüht, der !'artikeln enthält, zum Beispiel Graphit partikeln. die elektrisch aufgeladen sind. Die Partikeln bewirken den l.adtingstransport zur nicht von der

■ί Maske abgedeckten Oberfläche, der notwendig ist. um das Inlösunggehen der abzuätzenden Bereiche der metallischen Scheiben zu erreichen. Mit diesem elektrochemischen Verfahren ist es möglich, die Rotor- und .Statorscheiben elektrochemisch zu ätzen, ohne daß

im die Seheiben selbst mit einer P.lcktrode einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind.

Mn den vorgenannten Atzverfahren lassen sich nullt nur Rotor und Statorscheiben der erfindungsgemäUen Art herstellen. Diese Verfahren mihI mit Vorteil auch fur

ι ί die I lersielhmg von .Schaufelkränzen von Turin >molekularpumpen herkömmlicher Bauart geeignet.

merzu ο mail ^.eicnnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotor- und Statorscheibe für Turbomolekularpumpe, die jeweils um einen Anstellwinkel verschränkte Rotor- und Staiurschaufeln tragen, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e ι. daß die Dicke (8) der Roiorscheibe (6, 6u) der Wandstärke (9) der Rotorschaufeln (2,2u) entspricht, wobei die in an sich bekannter Weise ätziechnisch hergestellte Rotor- und Siatorseheibe aus einer Kupferberyliium oder aus einer Aluminium enthaltenden Titanlegierung bestehen.

2. Rotor- und Statorscheibc nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorschaufel (5) an der Statorscheibe (!0) mittels eines Steges (21) befestigt ist. dessen Breite (22) geringer als die Schaufelbreite am Schaufelgrund(l8)bemessen ist.