WO2000060241A1 - Rotorbefestigung einer reibungsvakuumpumpe - Google Patents

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Christian Beyer
Ralf Adamietz
Dieter Haas
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/04Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/266Rotors specially for elastic fluids mounting compressor rotors on shafts

Definitions

  • the invention relates to a friction vacuum pump with a housing, with a shaft which is supported in the housing via bearings and with a rotor which has a central bore and is held on the shaft in the region of this bore.
  • Frictional vacuum pumps especially turbomolecular vacuum pumps, are operated at very high speeds (up to 100,000 revolutions per minute). This operation requires extremely precise balancing of the rotor unit consisting of shaft and rotor. Despite complex balancing processes, vibrations (vibration accelerations) were repeatedly observed, which occurred after a shorter or longer operating time and whose cause was initially unknown.
  • An annular groove at least in the area of one of the two end faces of the rotor ensures that the centrifugal forces which occur, which have high values in the area of the periphery of the rotor, do not have an effect, at least in the area of the rotor section which the ring groove according to the invention limited internally. Deformations leading to loosening of the joint are largely prevented at least in this area. If this area is also equipped with a reinforcement ring, the risk of loosening the joint is also eliminated for thermal reasons.
  • the material from which the reinforcement ring is made preferably has a relatively small coefficient of thermal expansion.
  • the figures show a partial section through a single-flow turbomolecular vacuum pump 1 with a housing 2, an end inlet flange 3, a rotor 4 and a stator 5, 6.
  • the exemplary embodiments shown are each a compound turbomolecular vacuum pump.
  • the pump-active elements consist of intermeshing rotor blades 7 and stator blades 8.
  • Stator rings 9, which form the inlet-side stator section 5, serve to hold and center the stator blades 8.
  • a Holweck pump section is provided, which is formed by a rotating cylinder section 11 and a fixed cylinder section 12 with a thread 13.
  • the cylinder section 12 forms the rotor section 6 on the stator side.
  • the rotor 4 is supported on a shaft 15.
  • the shaft 15 is supported via bearings 16 (only one is shown) in the bearing housing 17, in which the drive motor 18 is also located.
  • the rotor 4 is supported on the fore-vacuum side from a sleeve 23, which in turn rests on the inner ring of the bearing 16.
  • the rotor 4 On the high vacuum side, the rotor 4 is equipped with a central recess 25 into which the free end of the shaft 15 projects.
  • the rotor 4 is equipped with a conical section 27 which surrounds the shaft 15 and which is designed such that the conical section tapers in the direction of the high vacuum side.
  • a pressure piece 28 rests on this conical section, the inside of which is also designed conically, in such a way that it lies essentially over the entire surface of the conically designed section 27 of the rotor 4.
  • the rotor 4 is fastened on the shaft 15 by a nut 29 screwed onto the free end of the shaft 15, which presses the pressure piece 28 onto the conical section of the rotor 4.
  • a groove 31 embedded in the lower end face of rotor 4 which is delimited by an inner rotor section 32 and an outer rotor section 33.
  • the outer rotor section serves as the carrier of the cylinder section 11 of the Holweck pump.
  • the central depression 25 in the high-vacuum-side end face of the rotor 4 also has the shape of an annular groove 26 in the region of its bottom, in which the inner rotor section is conical and the outer rotor section carries the rotor blades 7.
  • the annular grooves described in the end faces of the rotor 4 have the effect that they relieve the joint between the rotor 4 and the shaft 15 of centrifugal forces at least in the region of the inner rotor sections 27, 32, ie that the centrifugal forces that occur in no gaps in these areas and thus loosening.
  • CFRP carbon or glass fiber composites
  • the pressure piece 28 is suitably made of steel. Gaps between the shaft 15 and the rotor section 27 are also avoided in this way.
  • the inner section of the annular groove 26 comprises not only the conical section 27 but also a cylindrical section 37. This section is also equipped with a reinforcement ring 38 in order to ensure a gap-free joint between the shaft 15 and the rotor 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe (1), insbesondere Turbomolekularvakuumpumpe, mit einem Gehäuse (2), mit einer sich im Gehäuse (2) über Lager (16) abstützenden Welle (15) und mit einem Rotor (4), der eine zentrale Bohrung (21) aufweist und im Bereich dieser Bohrung (21) auf der Welle (15) gehaltert ist; um die Gefahr von Lockerungen der Fügestelle zwischen Rotor und Welle zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass im Bereich mindestens einer der beiden Stirnseiten des Rotors (4) eine die Fügestelle zwischen Rotor (4) und Welle (15) umgebende Ringnut (26, 31) vorhanden ist.

Description

ROTORBEFESTIGUNG EINER REIBUNGSVAKUUMPUMPE
Die Erfindung betrifft eine Reibungsvakuumpumpe mit einem Gehäuse, mit einer sich im Gehäuse über Lager abstützenden Welle und mit einem Rotor, der eine zentrale Bohrung aufweist und im Bereich dieser Bohrung auf der Welle gehaltert ist.
ReibungsVakuumpumpen, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpen, werden mit sehr hohen Drehzahlen (bis zu 100000 Umdrehungen p/min) betrieben. Dieser Betrieb setzt ein extrem genaues Auswuchten der aus Welle und Rotor bestehenden Rotoreinheit voraus. Trotz aufwendiger Wuchtvorgänge wurden dennoch immer wieder Vibrationen (Schwingbeschleunigungen) beobachtet, die nach kürzerer oder längerer Betriebszeit auftraten und deren Ursache zunächst unbekannt war.
Die Erfinder hatten sich das Ziel gesetzt, diese störenden Vibrationserscheinungen zu reduzieren. Durch die in den Patentansprüchen angegebenen Massnahmen haben sie dieses Ziel erreicht.
Die angegebenen Lösungen beruhen auf der Erkenntnis, daß die Fügestelle zwischen Rotor und Welle häufig eine Quelle von Verschiebungen und damit der beobachteten Vibrationserscheinungen ist. In diesem Bereich können während des Betriebs einer Reibungsvakuumpumpe der hier betroffenen Art aus zwei Gründen Lockerungen auftreten. Einer der Gründe liegt darin, daß sich die auftretenden Zentrifugalkräfte auch im Bereich der Fügestelle auswirken. Eine weitere Ursache für Lockerungen im Bereich der Fügestelle beruht darauf, daß das Rotormaterial üblicherweise aus Aluminium, die Welle üblicherweise aus Stahl (mit gegenüber Aluminium kleinerem Ausdehnungskoeffizienten) besteht. Bei Temperaturerhöhungen kann die Welle den Temperaturbewegungen des Rotors nicht folgen. In beiden Fällen kommt es zu - wenn auch extrem kleinen - Spaltbildungen zwischen Welle und Rotor, die sich in Form von Unwuchten auswirken. Üblicherweise überlagern sich die beschriebenen Phänomene. Durch eine engere Passung könnten die beschriebenen Auswirkungen reduziert werden. Die Wahl ausreichend enger Passungen ist aber nicht möglich, da die Passung zwischen Rotor und Welle radial nicht so fest sein darf, dass eine Montage nicht möglich ist, bzw. die benötigten Axialkräfte zur Verspannung der Einheit durch Reibung aufgezehrt werden.
Durch die in den Patentansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen werden die beschriebenen nachteiligen Auswirkungen beseitigt. Deformationen des Rotors im Bereich der Welle - sei es aufgrund der Auswirkung von Zentrifugalkräften oder aufgrund von Temperaturbewegungen - können weitestgehend vermieden werden. Dieses hat in der Regel eine maßgebliche Reduzierung der beobachteten Vibrationserscheinungen, häufig sogar deren völlige Beseitigung, zur Folge.
Durch eine Ringnut zumindest im Bereich einer der beiden Stirnseiten des Rotors wird erreicht, dass sich die auftretenden Zentrifugalkräfte, die im Bereich der Peripherie des Rotors hohe Werte haben, zumindest im Bereich desjenigen Rotorabschnittes nicht auswirken, der die erfindungsgemäße Ringnut nach innen begrenzt. Zu Lockerungen der Fügestelle führenden Deformationen werden zumindest in diesem Bereich weitgehend verhindert. Ist dieser Bereich ausserdem noch mit einem Armierungsring ausgerüstet, dann ist die Gefahr der Lockerung der Fügestelle auch aus thermischen Gründen beseitigt. Vorzugsweise hat der Werkstoff, aus dem der Armierungsring besteht, einen relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Die Figuren zeigen einen Teilschnitt durch eine einflutige Turbomolekularvakuumpumpe 1 mit einem Gehäuse 2, einem stirnseitigen Einlassflansch 3, einem Rotor 4 und einem Stator 5, 6. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich jeweils um eine Compound- Turbomolekularvakuumpumpe. Einlassseitig bestehen die pumpaktiven Elemente aus ineinander greifenden Rotorschaufeln 7 und Statorschaufeln 8. Der Halterung und Zentrierung der Statorschaufeln 8 dienen Statorringe 9, die den einlassseitigen Statorabschnitt 5 bilden. Vor- vakuumseitig ist ein Holweck-Pumpenabschnitt vorgesehen, der von einem rotierenden Zylinderabschnitt 11 und einem festen Zylinderabschnitt 12 mit einem Gewinde 13 gebildet wird. Der Zylinderabschnitt 12 bildet den sta- torseitigen Rotorabschnitt 6.
Der Rotor 4 ist auf einer Welle 15 gehaltert. Die Welle 15 stützt sich über Lager 16 (nur eines ist dargestellt) im Lagergehäuse 17 ab, in welchem sich auch der Antriebsmotor 18 befindet. Zur Befestigung des Rotors 4 auf der Welle 15 ist dieser mit einer zentralen Bohrung 21 versehen, die vom freien Ende der Welle 15 durchsetzt ist. Vorvakuumseitig stützt sich der Rotor 4 auf einer Hülse 23 ab, die ihrerseits dem Innenring des Lagers 16 aufliegt. Hochvakuumseitig ist der Rotor 4 mit einer zentralen Vertiefung 25 ausgerüstet, in die das freie Ende der Welle 15 hineinragt. Im Bereich der Vertiefung ist der Rotor 4 mit einem konischen Abschnitt 27 ausgerüstet, der die Welle 15 umgibt und der derart ausgebildet ist, dass sich der konische Abschnitt in Richtung Hochvakuumseite verjüngt. Diesem konischen Abschnitt liegt ein Druckstück 28 auf, dessen Innenseite ebenfalls konisch gestaltet ist, und zwar derart, dass es dem konisch gestalteten Abschnitt 27 des Rotors 4 im wesentlichen vollflächig aufliegt. Der Befestigung des Rotors 4 auf der Welle 15 dient eine auf das freie Ende der Welle 15 aufgeschraubte Mutter 29, die das Druckstück 28 auf den konischen Abschnitt des Rotors 4 auf- presst .
Eine der Maßnahmen, bei hohen Drehzahlen Lockerungen der Fügestelle zwischen Rotor 4 und Welle 15 zu verhindern, ist eine in der unteren Stirnseite des Rotors 4 eingelassene Nut 31, die von einem inneren Rotorabschnitt 32 und einem äußeren Rotorabschnitt 33 begrenzt ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel dient der äußere Rotorabschnitt als Träger des Zylinderabschnittes 11 der Holweck-Pumpe. Auch die zentrale Vertiefung 25 in der hochvakuumseitigen Stirnseite des Rotors 4 hat im Bereich ihres Bodens die Form einer Ringnut 26, bei der der innere Rotorabschnitt konisch ausgebildet ist und der äußere Rotorabschnitt die Rotorschaufeln 7 trägt .
Die beschriebenen Ringnuten in den Stirnseiten des Rotors 4 haben die Wirkung, dass sie die Fügestelle zwischen Rotor 4 und Welle 15 zumindest im Bereich der inneren Rotorabschnitte 27, 32 von Zentrifugalkräften entlasten, d.h., dass die auftretenden Fliehkräfte in diesen Bereichen keine Spaltbildungen und damit Lockerungen bewirken.
Zweckmäßig ist es, den inneren Rotorabschnitten 27, 32 weiterhin Armierungsringe 34, 35 aus einem Werkstoff mit hoher Festigkeit und geringer thermischer Dehnung zuzuordnen, insbesondere dann, wenn die Welle 15 aus Stahl und der Rotor 4 aus Aluminium besteht. Dadurch können Spaltbildungen im Bereich der Fügestelle vermieden werden, die nicht nur wegen der auftretenden Fliehkräfte sondern auch wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium entstehen können. Als Werkstoff für die Armierungsringe kommt zweckmäßig CFK (Kohle- oder Glasfaser-Verbundstoffe) in Frage .
Das Druckstück 28 besteht zweckmäßig aus Stahl. Spaltbildungen zwischen der Welle 15 und dem Rotorabschnitt 27 werden dadurch ebenfalls vermieden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 umfasst der innere Abschnitt der Ringnut 26 nicht nur den konischen Abschnitt 27 sondern auch noch einen zylindrischen Abschnitt 37. Auch dieser Abschnitt ist mit einem Armierungsring 38 ausgerüstet, um eine spaltfreie Fügestelle zwischen Welle 15 und Rotor 4 sicherzustellen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Reibungsvakuumpumpe (1), insbesondere Turbomoleku- larvakuumpumpe, mit einem Gehäuse (2), mit einer sich im Gehäuse (2) über Lager (16) abstützenden Welle (15) und mit einem Rotor (4), der eine zentrale Bohrung (21) aufweist und im Bereich dieser Bohrung (21) auf der Welle (15) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich mindestens einer der beiden Stirnseiten des Rotors (4) eine die Fügestelle zwischen Rotor (4) und Welle (15) umgebende Ringnut (26, 31) vorhanden ist.
Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (26, 31) seitlich von einem inneren (27, 32) und einem äußeren Rotorabschnitt (33) begrenzt ist und dass dem inneren Rotorabschnitt (27, 32, 37) ein Armierungsring (34, 35, 38) aus einem Werkstoff mit hoher Festigkeit und geringer thermischer Dehnung zugeordnet ist.
3. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Armierungsring (35, 38) einen zylindrischen Rotorabschnitt (32, 37) umgibt.
4. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Armierungsring (34) einem Druckstück (28) zugeordnet ist, das einen Rotorabschnitt (27) umfasst.
5. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen von Druckstück (28) und zugehörigem Rotorabschnitt (27) konisch gestaltet sind.
6. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der konische Rotorabschnitt (27) innerhalb einer hochvakuumseitigen Vertiefung (25) befindet und mit einem äußeren Rotorabschnitt eine Ringnut (26) bildet.
7. ReibungsVakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (15) in die Vertiefung (25) hineinragt und mit einem Gewinde ausgerüstet ist, und dass eine Mutter (29) dem Aufpressen des Druckstückes (28) auf den Rotorabschnitt (27) dient.
8. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichent, dass der innere Rotorabschnitt der Ringnut mit (26) den konischen Ab- schnitt (27) für das Druckstück (28) und einen weiteren zylindrischen Abschnitt (37) umfasst.
9. Reibungsvakuumpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl dem Druckstück (28) als auch dem zylindrischen Abschnitt (37) je ein Armierungsring (34 bzw. 38) zugeordnet ist.
10. Reibungsvakuumpumpe nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) aus Aluminium, Welle (15), Druckstück (28) und
Mutter (29) aus Stahl und die Armierungsringe (34, 35) aus CFK bestehen.
PCT/EP2000/000410 1999-04-03 2000-01-20 Rotorbefestigung einer reibungsvakuumpumpe WO2000060241A1 (de)

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