WO2001057403A1 - Dynamische dichtung - Google Patents

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WO2001057403A1
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blades
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Heinrich Engländer
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Leybold Vakuum Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/083—Sealings especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps

Definitions

  • the invention relates to a dynamic seal between a rotating and a fixed component, in which at least one of the components is equipped with projections projecting into the sealing gap.
  • Labyrinth seals are usually used for this purpose, as is also known, for example, from US Pat. No. 3,399,827.
  • gap seals which extend approximately radially
  • purging gases nitrogen, argon or the like
  • the purge gas is let into the bearing / motor compartment and reaches the delivery chamber through the gap seal, see above it is ensured that gases from the delivery chamber cannot get into the engine compartment.
  • the present invention has for its object to provide an effective dynamic seal for approximately radially extending gaps between a rotating and a fixed component.
  • the rows of blades or the angle of attack of the blades forming the rows of blades can be chosen so that the seal has a conveying direction which is opposite to the undesirable direction of flow of the harmful gases.
  • FIGS. 1 and 2 sections through an embodiment of the seal according to the invention, Figures 3 and 4 sections through a double flow design,
  • Figures 1 and 2 show a seal 1 according to the invention with fixed blade rows 2 and rotating blade rows 3, the longitudinal axes of which extend parallel to the axis of rotation 4 of the rotating component. They are arranged in concentric rows around the axis of rotation 4 and extend into the gap 5 to be sealed. The spaces to be sealed off from one another, which are separated by the sealing gap 5, are generally designated 8 and 9.
  • the rows of rotor blades 2 and the rows of stator blades 3 alternate with one another. They engage in the area of the gap 5 to be sealed and, if a conveying effect is desired, have an angle of attack which changes in the flow direction in a manner known per se.
  • FIG. 2 shows that the blades 2, 3 are components of the adjacent rotating or stationary components 6 and 7, between which the gap 5 to be sealed is located.
  • FIGS. 3 and 4 show a double flow design of a seal 1 according to the invention.
  • An inner group of blade rows conveys gases radially inwards (arrow 11), an outer group of blade rows from inside out (arrow 12). This also effectively separates the rooms 8 and 9 to be sealed.
  • This arrangement has the advantage that in the space to be protected (e.g. 8) the vapor pressures of components in this space are not inadmissible.
  • this separation can be supported by the introduction of inert gas between the two groups.
  • the inert gas is supplied via the fixed component 6.
  • An inlet bore is shown (several can also be provided) and designated 14.
  • Figure 5 shows the application of the invention to a blower 20. It consists of the drive part 21, in which the drive motor, not shown, is housed, and the gas delivery part 22.
  • the drive motor drives a shaft 23, which is as gas-tight (labyrinth seal 24) through the Flange 25 of the drive housing is passed through.
  • the impeller 26 is attached to the free end of the shaft 23.
  • the seal 1 according to the invention is implemented in the gap 5 between the underside of the impeller 26 and the flange 25.
  • the flange 25 carries stator blade rows 2, the impeller 25 rotating blade rows 3, which are arranged concentrically around the shaft 23 and engage in the area of the gap 5.
  • FIG. 6 a partial section through a turbomolecular pump 31 is shown, the base part of which is designated by 32.
  • the shaft 34 In the base part 32 with the drive motor 33, the shaft 34 is supported by bearings 35.
  • the shaft 34 carries the rotor 36 with its rotor blades 37, which are located in the delivery chamber 39 together with the stator blades 38.
  • a sealing system 1 designed according to the invention is provided.
  • stator blades 2 which are arranged on two levels and which carry a ring-shaped ring component 42 which is fixed to the housing and is L-shaped in section and surrounds the shaft 34.
  • the rotor 36 is equipped with a recess 43 which is adapted to the shape of the ring component 42.
  • the rotor blades 3 assigned to the stator blades 2 are fastened to the rotor 36. Should be in an execution of this type z. B. a safe separation of the spaces 39 and 41 can be achieved, it is expedient to design the seal 1 so that the inner (upper) blade row group 2, 3 a conveying effect in the direction of the engine compartment 41 and the outer (lower) blade row group 2, 3 a Has direction of conveyance in the direction of the conveying space 39.
  • FIG. 7 shows the use of a seal according to the invention in an axially compressing friction pump 51 according to the prior art.
  • the friction pump 51 consists of a turbomolecular pump stage 52 arranged on the suction side and a molecular pump stage 53 arranged on the pressure side, which can be designed as a Holweck pump (as shown) or as a Gaede, Siegbahn, English or side channel pump.
  • the seal 1 and the friction pump 51 are located in a common, approximately cylindrical housing 55 with a lateral inlet 56.
  • a shaft 59 mounted on both end faces (bearings 57, 58) carries the respective rotating components (rotor disk 6 of the seal 1, rotor 61 of the Turbomolecular pump stage 52, cylinder 62 of the Holweck pump stage 53).
  • the lateral inlet 56 of the pump 51 opens between the seal 1 and the axially compressing pump stages 52, 53.
  • the outlet 64 of the pump 51 is located on the pressure side of the molecular pump stage 53.
  • the peculiarity of the solution according to FIG. 7 is that the drive motor 68 is located on the high vacuum side of the axially conveying pump 51 (and not, as is customary, on the pressure side of the Holweck pump stage 53). Because the seal 1 is located between the inlet 56 and the drive motor 68, a relatively high pressure can be maintained in the engine compartment 41 (for example 1 ⁇ 10 ⁇ 2 bar). The use of highly vacuum-compatible materials in the engine compartment 41 is not necessary.
  • the embodiment according to FIG. 8 differs from the embodiment according to FIG. 7 in that the seal 1 has a radially promoting effect from the outside inwards.
  • a bypass 67 is connected to the engine compartment 41, which is connected to the suction side of the molecular pump stage 62.
  • the gases conveyed by the seal 1 pass through the engine compartment 41 into the bypass 67 and from there to the molecular pump stage 53.
  • the maintenance of a fore-vacuum pressure in the engine compartment 41 is thereby ensured.
  • the seal 1 supports the delivery capacity of the turbomolecular pump stage 52 without the overall length of the pump 51 being significantly increased.
  • Figure 9 shows an embodiment of a pump 51 for use in multi-chamber systems, here two-chamber systems. It is e.g. B. analyzers with several chambers that have to be evacuated to different pressures. As a result, the distance between the intake manifolds is predetermined, which in the prior art frequently leads to the need for relatively long, overhung rotor systems which require complex bearing systems.
  • the embodiment according to FIG. 9 has two side inlets 56, 56 '. They are separated from one another by at least one seal 1.
  • the seal 1 is designed so that it has a promoting effect from the outside inwards.
  • the inlet 56 "sees” the inlet area of the axially conveying friction pump 51 as well as the periphery of the radially inwardly conveying sealing device 1.
  • the outlet of the radially conveying seal 1 opens into the inlet region of a second turbomolecular pump stage 52 ', to which the second inlet 56' is connected.
  • the seal 1 causes the pressure at inlet 56 to be lower than at inlet 56 '.
  • the drive motor 68 is located on the pressure side of the turbomolecular pump stage 52 ′. This pressure side is connected via the bypass 67 to the suction side of the molecular pump stage 53.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil, bei welcher zumindest eines der Bauteile mit in den Dichtspalt hineinragenden Vorsprüngen ausgerüstet ist; um sich etwa radial erstreckende Dichtspalte wirksam abdichten zu können, wird vorgeschlagen, dass sich der Dichtspalt (5) etwa radial erstreckt, dass beide Bauteile mit sich axial erstreckenden, konzentrisch zur Drehachse des rotierenden Bauteils angeordneten, ineinander greifenden Vorsprüngen ausgerüstet sind, welche als Schaufelreihen ausgebildet sind.

Description

Dynamische Dichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine dynamische Dichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil, bei welcher zumindest eines der Bauteile mit in den Dichtspalt hineinragenden Vorsprüngen ausgerüstet ist .
Insbesondere bei Vakuumpumpen besteht häufig die Forderung, Wellen abzudichten, die eine Trennwand zwischen zwei Räumen mit unterschiedlichen Drücken durchsetzen. Üblicherweise werden dazu Labyrinthdichtungen eingesetzt, wie es beispielsweise auch aus der US-A-33 99 827 bekannt ist.
Bei Spaltdichtungen, die sich etwa radial erstrecken, ist es bekannt, (vergleiche EP-A-408791, Spaltdichtung 43 in Figur 5) Spülgase (Stickstoff, Argon oder dergleichen) einzusetzen, um z.B. einen Lager-/Motorraum vor dem Eindringen schädlicher Gase zu schützen. Das Spülgas wird in den Lager/-Motorraum eingelassen und gelangt durch die Spaltdichtung in den Förderraum, so dass sichergestellt ist, dass Gase aus dem Förderraum nicht in den Motorraum gelangen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame dynamische Dichtung für sich etwa radial erstreckende Spalte zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Durch den Einsatz von Vorsprüngen, die als ineinander greifende Schaufelreihen ausgebildet sind, kann nicht nur die gewünschte Dichtwirkung verbessert werden; darüber hinaus besteht die Möglichkeit, der Dichtung Fördereigenschaften zu geben, die für die jeweilige Applikation von Vorteil sind. Soll z. B. ein Raum vor dem Eindringen von Gasen geschützt werden, können die Schaufelreihen bzw. die Anstellwinkel der die Schaufelreihen bildenden Schaufeln so gewählt werden, daß die Dichtung eine Förderrichtung hat, die der unerwünschten Strömungsrichtung der schädlichen Gase entgegengerichtet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 10 erläutert werden. Es zeigen
Figuren 1 und 2 Schnitte durch eine Ausführung der • erfindungsgemäßen Dichtung, Figuren 3 und 4 Schnitte durch eine zweiflutige Ausführung,
Figuren 5 und 6 Anwendungen bei Maschinen nur fliegend gelagerten Rotoren, sowie
Figuren 7 bis 9 Anwendungen bei einer Vakuumpumpe mit auf beiden Stirnseiten gelagertem Rotorsystem.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Dichtung 1 nach der Erfindung mit feststehenden Schaufelreihen 2 und rotierenden Schaufelreihen 3, deren Längsachsen sich parallel zur Drehachse 4 des rotierenden Bauteils erstrecken. Sie sind in konzentrischen Reihen um die Drehachse 4 angeordnet und erstrecken sich in den abzudichtenden Spalt 5. Die durch den- Dichtspalt 5 getrennten, gegenseitig abzudichtenden Räume sind generell mit 8 und 9 bezeichnet. Die Reihen der Rotorschaufeln 2 und die Reihen der Statorschaufeln 3 wechseln einander ab. Sie greifen im Bereich des abzudichtenden Spaltes 5 ineinander und haben - wenn eine Förderwirkung gewünscht ist - in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung wechselnde Anstellwinkel. Figur 2 lässt erkennen, dass die Schaufeln 2, 3 Bestandteile der angrenzenden rotierenden bzw. feststehenden Bauteile 6 bzw. 7 sind, zwischen denen sich der abzudichtende Spalt 5 befindet.
In Figuren 3 und 4 zeigen eine zweiflutige Ausführung einer Dichtung 1 nach der Erfindung. Eine innere Gruppe von Schaufelreihen fördert Gase radial nach innen (Pfeil 11), eine äußere Gruppe von Schaufelreihen von innen nach außen (Pfeil 12) . Dadurch wird ebenso eine wirksame Trennung der abzudichtenden Räume 8 und 9 erreicht. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass im zu schützenden Raum (z. B. 8) Dampfdrücke von Komponenten in diesem Raum nicht unzulässig unterschritten werden. Zusätzlich kann diese Trennung durch Einlass von Inertgas zwischen den beiden Gruppen unterstützt werden. Die Inertgaszufuhr erfolgt über das feststehende Bauteil 6. Eine Einlassbohrung ist dargestellt (auch mehrere können vorgesehen sein) und mit 14 bezeichnet.
Figur 5 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Gebläse 20. Es besteht aus dem Antriebsteil 21, in dem der nicht dargestellte Antriebsmotor untergebracht ist, und dem Gasförderteil 22. Der Antriebsmotor treibt eine Welle 23 an, die möglichst gasdicht (Labyrinthdichtung 24) durch den Flansch 25 des Antriebsgehäuses hindurch geführt ist. Auf dem freien Ende der Welle 23 ist das Gebläserad 26 befestigt. Zur Unterstützung der Labyrinthdichtung 24 ist im Spalt 5 zwischen der Unterseite des Gebläserades 26 und dem Flansch 25 die erfindungsgemäße Dichtung 1 realisiert. Der Flansch 25 trägt Statorschaufelreihen 2, das Gebläserad 25 rotierende Schaufelreihen 3, die konzentrisch um die Welle 23 angeordnet sind und im Bereich des Spaltes 5 ineinander greifen. Soll die Dichtung 1 die Wirkung haben, dass vom Gebläserad 26 geförderte Gase nicht in den Motorraum gelangen können, dann ist es zweckmäßig, die Dichtung so zu gestalten, dass sie eine radial nach außen fördernde Wirkung hat. In Figur 6. ist ein Teilschnitt durch eine Turbomolekularpumpe 31 dargestellt, deren Basisteil mit 32 bezeichnet ist. Im Basisteil 32 mit dem Antriebsmotor 33 stützt sich die Welle 34 über Lager 35 ab. Die Welle 34 trägt den Rotor 36 mit seinen Rotorschaufeln 37, die sich gemeinsam mit den Statorschaufeln 38 im Förderraum 39 befinden. Um diesen Förderraum 39 vom Motor- und Lagerraum 41 wirksam zu trennen, ist ein erfindungsgemäß gestaltetes Dichtungssystem 1 vorgesehen. Es umfasst auf zwei Ebenen angeordnete Statorschaufeln 2, die ein gehäusefestes, im Schnitt L-förmiges, die Welle 34 umgebendes Ringbauteil 42 trägt. Der Rotor 36 ist mit einer der Form des Ringbauteiles 42 angepassten Aussparung 43 ausgerüstet. Am Rotor 36 sind die den Statorschaufeln 2 zugeordneten Rotorschaufeln 3 befestigt. Soll bei einer Ausführung dieser Art z. B. eine sichere Trennung der Räume 39 und 41 erreicht werden, ist es zweckmäßig, die Dichtung 1 so auszubilden, dass die innere (obere) Schaufelreihengruppe 2, 3 eine Förderwirkung in Richtung Motorraum 41 und die äußere (untere) Schaufelreihengruppe 2, 3 eine Förderrichtung in Richtung Förderraum 39 hat. Durch Einlass eines Inertgases zwischen die beiden Schaufelreihengruppen kann die Trennwirkung noch verbessert werden. Sowohl das Eindringen von Kohlenwasserstoffen aus dem Motor- und Lagerraum 41 in den Förderraum 39 als auch das Eindringen schädlicher (z. B. korrosiver oder toxischer) Gase aus dem Förderraum 39 in den Motorraum 41 kann sicher vermieden werden. Der zu den Figuren 3 und 4 noch erwähnte Vorteil besteht ebenfalls. Figur 7 zeigt den Einsatz einer erfindungsgemäßen Dichtung in einer axial verdichtenden Reibungspumpe 51 nach dem Stand der Technik. Die Reibungspumpe 51 besteht aus einer saugseitig angeordneten Turbomolekularpumpenstufe 52 und einer druckseitig angeordneten Molekularpumpstufen 53, die als Holweckpumpe (wie dargestellt) oder auch als Gaede-, Siegbahn-, Engländer- oder Seiten- kanalpumpe ausgebildet sein kann.
Die Dichtung 1 und die Reibungspumpe 51 befinden sich in einem gemeinsamen, etwa zylindrischen Gehäuse 55 mit seitlichem Einlass 56. Eine auf beiden Stirnseiten gelagerte (Lager 57, 58) Welle 59 trägt die jeweils rotierenden Bauteile (Rotorscheibe 6 der Dichtung 1, Rotor 61 der Turbomolekularpumpstufe 52, Zylinder 62 der Holweckpumpstufe 53) . Der seitliche Einlass 56 der Pumpe 51 mündet zwischen der Dichtung 1 und den axial verdichtenden Pumpstufen 52, 53. Der Auslass 64 der Pumpe 51 befindet sich auf der Druckseite der Molekularpumpstufe 53.
Die Besonderheit der Lösung nach Figur 7 besteht darin, dass sich der Antriebsmotor 68 auf der Hochvakuumseite der axial fördernden Pumpe 51 befindet (und nicht wie üblich auf der Druckseite der Holweckpumpstufe 53) . Dadurch, dass sich die Dichtung 1 zwischen dem Einlass 56 und dem Antriebsmotor 68 befindet, kann im Motorraum 41 ein relativ hoher Druck aufrecht erhalten werden (z. B. 1 x 10~2 bar) . Die Verwendung hochvakuumtauglicher Werkstoffe im Motorraum 41 ist nicht erforderlich. Die Ausführung nach Figur 8 unterscheidet sich von der Ausführung nach Figur 7 dadurch, dass die Dichtung 1 eine radial von außen nach innen fördernde Wirkung hat. Außerdem ist ein Bypass 67 an den Motorraum 41 angeschlossen, der mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 62 in Verbindung steht. Entsprechend den eingezeichneten Pfeilen 69 gelangen die von der Dichtung 1 geförderten Gase durch den Motorraum 41 in den Bypass 67 und von dort aus zur Molekularpumpstufe 53. Die Aufrechterhaltung eines Vorvakuumdruckes im Motorraum 41 ist dadurch sichergestellt. Außerdem unterstützt die Dichtung 1 die Förderleistung der Turbomolekularpumpstufe 52, ohne dass sich damit die Baulänge der Pumpe 51 wesentlich vergrößert.
Figur 9 zeigt eine Ausführung einer Pumpe 51 für den Einsatz bei Mehrkammersystemen, hier Zweikammersystemen. Dabei handelt es sich z. B. um Analysengeräte mit mehreren Kammern, die auf unterschiedliche Drücke evakuiert werden müssen. Dadurch ist der Abstand der Ansaugstutzen vorgegeben, was beim Stand der Technik häufig dazu führt, dass relativ lange, fliegend gelagerte Rotorsysteme nötig sind, die aufwendige Lagersysteme erfordern.
Die Ausführung nach Figur 9 weist zwei seitliche Einlasse 56, 56' . Sie sind durch mindestens eine Dichtung 1 voneinander getrennt. Die Dichtung 1 ist so ausgebildet, dass sie eine von außen nach innen fördernde Wirkung hat. Der Einlass 56 "sieht" den Eintrittsbereich der axial fördernden Reibungspumpe 51 sowie die Peripherie der radial von außen nach innen fördernden Dich- tung 1. Der Auslass der radial fördernden Dichtung 1 mündet in den Einlassbereich einer zweiten Turbomolekularpumpenstufe 52', an den der zweite Einlass 56' angeschlossen ist. Die Dichtung 1 bewirkt, dass der Druck am Einlass 56 niedriger ist als am Einlass 56' . Auf der Druckseite der Turbomolekularpumpenstufe 52' befindet sich der Antriebsmotor 68. Diese Druckseite ist über den Bypass 67 mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 53 verbunden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Dichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Bauteil, bei welcher zumindest eines der Bauteile mit in den Dichtspalt hineinragenden Vorsprüngen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dichtspalt (5) etwa radial erstreckt, dass beide Bauteile mit sich axial erstreckenden, konzentrisch zur Drehachse des rotierenden Bauteils angeordneten, ineinander greifenden Vorsprüngen ausgerüstet sind, welche als Schaufelreihen ausgebildet sind.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelreihen (2, 3) eine fördernde Wirkung haben.
Di"htung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zweiflutig ausgebildet ist.
Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der die zweiflutig ausgebildete Dichtung bildenden Schaufelreihen (2, 3) derart gewählt sind, dass außen liegende. Schaufel- reihen in entgegengesetzter Richtung zu den innen liegenden Schaufelreihen fördern.
5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schaufelreihengruppen, die die zweiflutige Dichtung (1) bilden, ein Inertgaseinlass (14) vorgesehen ist.
6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Gebläses (20) oder einer Pumpe (31) ist und sich zwischen dem Förderraum und dem Motorraum befindet .
7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine fördernde Wirkung in Richtung Schöpfräum hat.
8. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil einer Turbomolekularvakuumpumpe ist, dass sie eine in Richtung Motorraum fördernde Wirkung hat und dass der Motorraum über einen Bypass (67) mit einer Vorvakuumpumpstufe in Verbindung steht.
9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Motorraum (41) auf der Saugseite der Turbomolekularvakuumpumpe befindet .
10. Dichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil einer Turbomolekularvakuumpumpe mit mindestens zwei Ein- lassen (56, 56' ) ist und dass sie sich zwischen den Einlassbereichen befindet.
11. Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine fördernde Wirkung hat und dass ihre Peripherie mit einem ersten und ihr Zentrum mit einem zweiten Einlassbereich verbunden ist.
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