TWI453345B - 用於渦輪分子泵之多級泵轉子 - Google Patents

Description

用於渦輪分子泵之多級泵轉子

本發明係關於一種用於渦輪分子泵之多級泵轉子。

現有技術之渦輪分子泵係以高達每分鐘數萬轉(rpm)的旋轉速度操作。於大型渦輪分子泵中，泵轉子在此一標稱轉速下的動能介於小型汽車行駛在時速50至70公里(km/h)的運動速度，倘使一轉子斷裂，轉子的高動能將導致高度潛在的破壞與損壞，唯有以相當多的費用裝設轉子的機械防護板才能加以控制。

該等用於磁力支撐式渦輪分子泵的該等懸臂式泵轉子存在對斷裂敏感的特殊問題。磁力支撐式的該等懸臂式泵轉子較佳配置成至少將一個徑向軸承和該驅動馬達裝設在該泵轉子的重心區域內。為了這個目的，該泵轉子須有鐘形構形，以使泵轉子內的鐘形腔可以用來容納該磁性軸承配置以及本例的驅動馬達。由於物理學上的諸多原因，該泵轉子呈鐘形構形會減低該轉子的機械強度，而用於該等渦輪分子泵的諸多泵轉子，其等轉子通常為單件式(one-pieced)設計，要彌補這種機械性條件的減弱，唯有使用極堅固的鋁合金才可以實現，然而非常昂貴。

本發明之目的在於提供一種堅固性改善的用於渦輪分子泵之多級泵轉子。

本發明的泵轉子，揚棄單件式設計的觀念，包括至少兩個分離的輪葉碟式環，該等輪葉碟式環分別包含一個轉子環以及至少一個輪葉碟片。該等相鄰的輪葉碟式環其兩個轉子環的末端外側被柱形強化管無餘隙地包圍，該柱形強化管介於該等相鄰輪葉碟式環之相鄰輪葉碟片間。該強化管並不需要將該兩個轉子環在軸向或徑向彼此相互固定，然而其足以牢固地包圍該兩個轉子環以承受至少一部分由該轉子環的離心力產生的切線力，從而允許該等轉子環的機械保險。

該泵轉子不再以單一零件製成而是多零件(multi-part)設計。該泵轉子可以由複數個轉子環組成，各轉子環分別包括獨立的輪葉碟片。即使轉子環在高離心力影響下萬一切線地斷裂，此斷裂也將局部地限制在個別的轉子環而不易擴大至整個泵轉子。

藉由將該泵轉子在軸向分段以及利用強化管包圍該等轉子環以承受切線力，其即可能一方面大幅減少泵轉子斷裂的危險，另一方面一旦泵轉子真的斷裂也可以大幅減少伴隨的破壞性力量以及對人員和機器產生的危險。

藉由提供複數個轉子環與該等強化管，可以針對個別構成元件的不同功能需求施以特別化，這就提供了一個機會將該轉子環與該強化管其等的特別功能施以最佳化，亦即一方面與固定該轉子環有關，另一方面則與承受該等切線力有關。例如，該轉子環可以用適當價格的鋁合金與其他具有普通抗拉強度的材料製成；對照之下，被選擇作為該強化管的材料則應可以承受高抗拉強度。

又在諸大型渦輪分子泵中，如在該等單件式泵轉子的多個實驗與計算所呈現，作用在該等轉子輪葉的離心負載並非指定其旋轉速度上限之決定因素，因此，該等輪葉本身的確允許更高的旋轉速度。如果發生該鐘型泵轉子斷裂，通常其裂縫大體上會在軸向進行，因此產生諸多相當大的轉子破片，在該等情形下，該轉子的全部旋轉能量會在一極短時間內釋放而如同一發射體之飛行。

一多零件式轉子其一單獨之輪葉碟式環如果發生斷裂，對照於一單件式泵轉子的斷裂，其合成的彈道式拋射體將不可忽視地更小，而其轉子由於和該輪葉碟式環相接觸也將非常緩慢地減速。

因為該泵轉子由多個單獨的輪葉碟式環構成，所以能利用比較簡單的製造技術生產更為複雜形狀的該輪葉碟片與個別的該等轉子輪葉，此能導致在該容納泵轉子的渦輪分子泵內出現較大壓力之彼等情況時，改善該等泵級(pump stages)內的流動力學。

該強化管使用重量較輕的材料將導致該泵轉子整體的重量減少。

輪葉碟式環之每一者能夠做成單件式構件，但此並非必要，替代的方案也可以將該輪葉碟式環用複數個分段(segment)組成。在一種將該轉子環細分成複數個分段的配置中，該轉子環內實際上並不會產生切線力，而彼等被產生出的切線力將完全被導入該強化管。

然而，該單件式構形的輪葉碟式環較佳。這種封閉的單件式輪葉碟式環可以比較容易地生產與安裝。較佳地，該強化管的材料與該等輪葉碟式環的並不同，該強化管的較佳材料為CFRP，即碳纖維強化塑膠(carbon-fiber-reinforced plastic)，因為其重量輕又能承受大的張力，作為該強化管的材料極有助益。

根據一較佳實施例，至少一個轉子輪葉碟式環包括一由該等轉子輪葉製成之單獨的輪葉碟片。該(等)轉子環的輪葉碟片數目限制為只有一個，此輪葉碟片使得在相鄰輪葉碟片的每一輪葉碟片對之間可以裝設一各自的強化管，該泵轉子從而獲得最大的切線力強度。然而，並沒有必要要求該泵轉子所有的輪葉碟式環都只包括一個個別的輪葉碟片，例如只有一單一輪葉碟片的諸輪葉碟式環可以裝置在泵轉子遭遇非常高切線力的區域；反之，在泵轉子的其他軸向區域，該處遭遇的切線力比較小或該處能夠給予該轉子環比較大的徑向強度，該個別的輪葉碟式環也可以包括兩個或更多的輪葉碟片。

較佳地，該等輪葉碟式環在兩個轉子軸夾緊元件間被軸向地彼此夾緊。例如，藉由提供該等轉子環適當的軸向環狀溝槽與環狀網板，該等環可以藉一自我集中效應(self-centering effect)造成各自處於頂端，而根據該手段被前述兩個轉子軸夾緊元件軸向地相互夾緊。亦可替代地或額外地提供至少一個轉子支撐元件，並於其上裝設該等輪葉碟式環之眾轉子環。該等轉子支撐元件也可組成該等夾緊元件，不過，該等夾緊元件也只能個別地由支撐該等轉子環的諸轉子支撐元件提供。

該等轉子支撐元件也可以用與該等轉子環或該等強化管不同的材料製成。

該泵轉子較佳地包含一中空的空間，以容納一轉子軸承，其較佳地是一磁性軸承。用於該等渦輪分子泵的懸臂式與磁力支撐式之諸泵轉子已如上述詳盡解說，其目的在於在該泵轉子重心處設置一徑向軸承與該驅動馬達。為此目的，勢須在該泵轉子內提供一對應的中空空間，由於該空間有其指定的功能而需採一鐘形。特別是該等渦輪分子泵之諸磁力支撐式泵轉子，該泵轉子在軸向分割成數個獨立的轉子環具有極大優點，因為該泵轉子的結構尺寸受到限制，特別強調之該泵轉子的中空空間處將暴露於高度切線應力。

在第1圖與第2圖各圖中顯示用於渦輪分子泵之多級泵轉子10,40。泵轉子10,40適合在標稱轉速20,000至100,000rpm間旋轉，該兩個泵轉子10,40大體上具有相同的基本構造，彼此間唯一的不同在於其等之內部構形。

第1圖中該泵轉子10大體上由八個輪葉碟式環17組成，其係藉由兩個夾緊元件20,22軸向地彼此夾緊，該夾緊元件本身則利用一鎖緊螺栓28與一軸30的相互接合被軸向地彼此夾緊。更進一步地，緊鄰該等輪葉碟式環17，一霍爾威克汽缸32被裝置在轉子側。

與現有技術之該等泵轉子的常見設計相反，泵轉子10並非被做成單件式，而是由複數個輪葉碟式環17組成。每一輪葉碟式環17係由一閉合式轉子環12組成，該轉子環具有多個從該處徑向地伸展的轉子輪葉16，前述轉子輪葉16本身組成一輪葉碟片14。

該等轉子環12以兩個軸向夾緊元件20,22軸向地夾住，此兩個軸向夾緊元件被該鎖緊螺栓28與該軸30相互夾緊，該兩個夾緊元件20,22也分別組成外部柱形轉子支撐元件24,26，在其等支撐柱25,27,29,31上分別安裝該等轉子環12。該等轉子支撐元件24,26用來徑向定位與個別地固定該等轉子環12。出口側的該單件式夾緊元件22具有三台階形狀(three-stepped shape)，且其包括三個支撐柱27,29,31。該等轉子環12藉由微拉力配合(slightly tensioned fit)以及無間隙抵接，被安置在該等轉子支撐元件24,26及其等個別的支撐柱25,27,29,31上。

該夾緊螺栓28在該轉子軸30、該壓力側的轉子支撐元件26以及該入口側的轉子支撐元件24間有效地提供一軸向夾緊接合。

每一轉子環12在其軸向端點之一端或兩端分別提供一個別的軸向台階15，在互相相鄰的該等轉子環12其等台階15區域內，一個別的玻璃纖維強化塑膠(CFRP)之強化管18在偏移情形下被軸向地架設。在泵轉子10旋轉運動期間，該等強化管18將實質上承受在轉子環12內由離心力產生的切線力。該種配置允許使用比較不昂貴的鋁合金作為該等單件式輪葉碟式環17的材料。

該壓力側的轉子支撐元件26包含一內部中空的空間38，其提供足夠的空間容納轉子軸30之一轉子軸承，較佳地為一磁性軸承。

如第1圖與第2圖所示，該壓力側的轉子支撐元件26之壓力側端下游可以裝設一霍爾威克汽缸(Holweck cylinder)32。

第2圖的替代泵轉子40與上述第1圖的泵轉子10不同處只在於修改了該等轉子支撐元件與該等夾緊元件的構形。在本具體實施例共提供了三個轉子支撐元件24,42,48，該入口側的轉子支撐元件24與該中間處的轉子支撐元件42合組成兩個夾緊元件20,43，此兩個夾緊元件係被位於入口側的三個輪葉碟式環17軸向地相互夾緊。其他諸輪葉碟式環17’並非被軸向地夾緊，而是以其他不同的構造方法被軸向地相互固定住。

該中間處的轉子支撐元件42以及該壓力側的轉子支撐元件48都是二零件式構形(two-part configuration)，而且每一個都由一碟片元件44,52以及一柱形支撐柱46,50構成。該等碟片元件44,52分別由鋁製成，而該支撐柱46,50係由碳纖維強化塑膠製成。

該兩個轉子支撐元件42,48的二零件式構形提供的優點在於進一步減少轉子40的質量，也減少了旋轉動能，由於減少離心力，因此，如果發生一轉子斷裂也將釋出比較少的能量，而就可能實現更高的旋轉速度。

10,40．．．泵轉子

12．．．轉子環

14．．．輪葉碟片

15．．．台階

16．．．轉子環

17,17’．．．輪葉碟式環

18．．．強化管

20,22．．．轉子軸夾緊元件

24,26,42,48．．．轉子支撐元件

25,27,29,31．．．支撐柱

28．．．夾緊螺栓

30．．．軸

32．．．霍爾威克汽缸

38．．．中空空間

40．．．轉子

42．．．轉子支撐元件

43．．．夾緊元件

44,52．．．碟片元件

46,50．．．支撐柱

本發明的兩個具體實施例將參照下文的附圖予以詳細解說。

第1圖為設有多個單一零件式轉子支撐元件之渦輪分子泵用多級泵轉子的第一具體實施例之局部剖面圖，以及

第2圖為用於渦輪分子泵，設有多個單一零件式轉子支撐元件之渦輪分子泵用泵轉子的第二具體實施例之局部剖面圖。

10．．．泵轉子

12．．．轉子環

14．．．輪葉碟片

15．．．台階

16．．．轉子環

17．．．輪葉碟式環

18．．．強化管

20,22．．．轉子軸夾緊元件

24,26．．．轉子支撐元件

25,27,29,31．．．支撐柱

28．．．夾緊螺栓

30．．．軸

32．．．霍爾威克汽缸

38．．．中空空間

Claims (9)

1. 一種用於渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其包括至少兩個分離的輪葉碟式環(17,17’)，該等輪葉碟式環分別包括一轉子環(12)與至少一輪葉碟片(14)；以及一柱形強化管(18)，其係裝設於該等相鄰的輪葉碟式環(17,17’)之輪葉碟片(14)間，該強化管(18)在該等輪葉碟式環(17,17’)的外側，以無餘隙的方式包圍該等輪葉碟式環的各轉子環(12)。
2. 如申請專利範圍第1項之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其中強化管(18)的材料與該等輪葉碟式環(17)的材料不同。
3. 如申請專利範圍第2項之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其中該強化管(18)的材料為碳纖維強化塑膠。
4. 如申請專利範圍第1項之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其中至少一個該輪葉碟式環(17)包括一單獨的輪葉碟片(14)。
5. 如申請專利範圍第1項之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其中該等輪葉碟式環(17)置於二轉子軸夾緊元件(20,22)間軸向地被夾緊。
6. 如申請專利範圍第1項之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其中該等輪葉碟式環(17,17’)的轉子環(12)被安裝到至少一個轉子支撐元件(24,26；42,48)。
7. 如申請專利範圍第6項之渦輪分子泵之多級泵轉子 (40)，其中該轉子支撐元件(42,48)至少部分由碳纖維強化塑膠製造。
8. 如申請專利範圍第1項之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)，其中該泵轉子(10；40)包括用以容納轉子軸承中空空間(38)。
9. 一種渦輪分子泵，其包括如申請專利範圍第8項所述之渦輪分子泵之多級泵轉子(10；40)與轉子軸承，其中該轉子軸承為磁性軸承。