WO2009089958A1 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

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    • 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
    • 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
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers

Definitions

  • the invention relates to a turbomolecular pump
  • Turbomolecular pumps have a multi-rotor rotor coupled to a drive shaft.
  • Stationary stator disks are arranged between the individual rotor blades. Often, the stator discs are not directly connected to the pump housing, but supported by stator rings.
  • a stator ring is provided per rotor blade, wherein the stator rings are slipped over the rotor for mounting. There must be a gap between the rotor blades or rotor rotor tips and the stationary housing or the stator rings. This is required in all operating conditions touching the rotor! on the stationary components, ie the housing or the stator rings to prevent.
  • the width of the gap must be so large that in all operating conditions, the thermal expansion of the rotor blades occurring is possible without touching the stationary components. Furthermore, it must be taken into account in the width of the intended gap that skewing of the rotor can occur due to the rotor dynamics. In particular, in magnetgeiagerten drive shafts, the Ausienkung must also be considered due to the game to the backup bearings. Furthermore, strains of the rotor occur in particular in the radial direction by centrifugal forces. Furthermore, if necessary, adding tolerances _ _
  • the gap between the rotor blades and the housing or the stator rings is approximately 200 mm - 2 mm in turbomolecular pumps with a rotor diameter of approx. Due to the existing gap, part of the pumped gas flows back. By this backflow, the efficiency of the turbomolecular pump is significantly deteriorated.
  • the object of the invention is to provide a turbomolecular pump with which a reduction of the recirculating gas volume and thus an improvement in the efficiency can be achieved.
  • the turbomolecular pump according to the invention has a rotor with a plurality of rotor blades.
  • the rotor is connected to a drive shaft and surrounded by a stator element.
  • the cylindrically shaped stator element may be the housing of the turbomolecular pump itself or one, in particular a plurality of stator rings.
  • the stator element has at least one annular groove.
  • the circumferential annular groove is associated with a Rotorfiügel and arranged in the corresponding plane of flight of this rotor.
  • the annular groove is thus arranged at the level of the associated rotor blade in the operating state. This makes it possible that an expansion of the rotor blade takes place during operation in the radial direction in the annular groove.
  • the dimensions of the annular groove are in this case selected such that in all operating conditions, contact of the rotor blade is avoided both on the ground and on the side walls of the annular groove. Since the tip of the rotor blade protrudes into the annular groove during operation of the turbomolecular pump, the gap at the tip of the rotor blade is U-shaped in cross-section. This is significantly reduces the volume of the recirculating gas and thus improves the efficiency of the turbomolecular pump.
  • the rotor blades on a radial approach.
  • This pointing in the direction of the annular groove approach is particularly annular.
  • the annular projection thus surrounds the individual blades of the rotor blades, so that preferably during operation only the annular projection and not the blades are inserted into the annular groove.
  • Each rotor blade is preferably assigned an annular groove, wherein each rotor blade preferably has an annular projection.
  • annular grooves for a plurality, in particular at least two rotor blades, a further improvement of the tightness can be achieved. Since, in a particularly preferred embodiment, an annular groove is provided per rotor blade, a meander-shaped gap is formed during operation, which serves as a non-contact labyrinth seal, so that a considerable improvement in the efficiency of the turbomolecular pump can be achieved.
  • the at least one annular groove may be formed on an inner side of a housing designed as a stator element.
  • a plurality of stator rings are provided within a pump housing.
  • a stator ring is provided per rotor blade, wherein the stator rings are arranged one behind the other in the axial direction.
  • the stator rings are thus arranged one behind the other in the direction of the drive shaft or in the main conveying direction of the gas.
  • the annular groove according to the invention is provided in one or more stator rings.
  • an annular groove is provided in all stator rings, in particular in the associated with the corresponding rotor blades annular approach in operation penetrates.
  • the ring groove height depends on the blade heights decreasing from the inlet side to the outlet side (following the compression).
  • the groove depth varies from approx. 0.5 mm for small to approx. 4 mm for large rotors.
  • the groove width varies from 2 mm for flat blades of small rotors to 15 mm for steep blades of large rotors.
  • FIG. 1 is an enlarged schematic sectional view of part of a part of a turbomolecular pump according to the prior art
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of an inventive
  • FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view of the region III in FIG.
  • FIG. 1 shows a rotor 12 arranged on a drive shaft 10 (FIG. 2).
  • the rotor 12 has radially extending rotor blades 16 with respect to a longitudinal axis 14 and the axis of rotation of the shaft 10, respectively on. Every rotor fly! has rotor blades 18 which are inclined so that in the gas to be transported a main flow direction parallel to the longitudinal axis, i. is generated in Fig. 1 down in the direction of arrow 20.
  • the rotor 12 is arranged in a housing 22, wherein the housing for receiving the rotor has a cylindrical, optionally, stepped recess 24.
  • stator rings 26 are arranged one behind the other in the longitudinal direction 14 and thus clothe an inner side of the cylindrical recess 24 of the housing 22. Between adjacent stator rings 26 are facing inwardly in the direction of the rotor Stator discs 28 are provided. Each Statorschesbe 28 is thus arranged between two adjacent rotor wings 16.
  • a gap a In operation of the turbomolecule suction pump, to prevent the radially outer ends of the rotor ball 16, i. the tips of the rotor vanes 16 which contact the stator rings 26 are between the radial ends of the rotor fins 16 and the inner sides, i. formed in the direction of the rotor blades 16 facing sides 30, a gap a. Through this gap a gas to be delivered during operation flows counter to the conveying direction 20 back into a suction chamber, from which the gas is to be sucked.
  • the turbomolecular pump according to the invention also has a drive shaft 10, which carries the rotor 12.
  • the rotor 12 also has rotor blades 16 which support rotor blades 18.
  • stator rings 26 are also disposed within the housing 22.
  • 16 stator discs 28 are arranged in the illustrated embodiment between adjacent rotor blades.
  • all the stator rings have an annular groove 32 on their inner side pointing in the direction of the rotor 12.
  • the annular groove 32 is self-contained and extends along the entire inner side of each individual stator ring 26.
  • the RotorfSugei 16 have at the outer in the direction of the stator 26 facing ends in the illustrated embodiment, in each case an annular projection 34.
  • annular projection 33 shifts due to the thermal expansion of the centrifugal forces, etc. in the corresponding annular groove 32nd
  • the annular grooves 32 and the annular projections 34 are thus per rotor flights! on a common, in Fig. 3 each horizontally extending plane of flight 36, of which in Fig. 3 for clarity only one is shown.
  • the upper rotor wing 16 in FIG. 3 is not surrounded by a stator ring.
  • an annular groove 38 is provided in the housing 22.
  • a projection 34 of the upper rotor fissure 16 projects into the annular groove 38.
  • a mounting gap b is provided between the radial ends of the Rotorflugei 16 and an inner side of the stator 26. This is required to stuipen the stator 26 for mounting on the rotor 12.

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Abstract

Eine Turbomolekularpumpe weist einen mit einer Antriebswelle (10) verbundenen Rotor (12) auf. Der Rotor ( 12) weist mehrere Rotorflügel (16) auf. Der Rotor (12) ist von Statorringen (26) umgeben, wobei je Rotorflügel (16) ein Statorring (26) vorgesehen ist. Um im Betrieb ein radiales Ausdehnen des Rotorflügels zu ermöglichen, weisen die Statorringe (26) Ringnuten (32) auf.

Description

Unser Zeichen: 082140WO KB/cd
Ihr Zeichen : P 08.01 WO
28.11.2008
Turbomolekularpumpe
Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe,
Turbomolekularpumpen weisen einen mit einer Antriebswelle verbundenen Rotor mit mehreren Rotorflugein auf. Zwischen den einzelnen Rotorflugeln sind stationäre Statorscheiben angeordnet. Häufig sind die Statorscheiben nicht unmittelbar mit dem Pumpengehäuse verbunden, sondern von Statorringen getragen. Hierbei ist je Rotorflugel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe zur Montage über den Rotor gestülpt werden. Zwischen den Rotorflugeln bzw. den Rotorflugeispitzen und dem stationären Gehäuse bzw. den Statorringen muss ein Spalt vorgesehen sein. Dieser ist erforderlich, um in allen Betriebszuständen ein Berühren der Rotorfluge! an den stehenden Komponenten, d.h. dem Gehäuse oder den Statorringen, zu verhindern. Hierbei muss die Breite des Spalts derart groß sein, dass in allen Betriebszuständen die auftretenden thermischen Ausdehnungen der Rotorflügel ohne Berührung der stehenden Komponenten möglich ist. Ferner muss bei der Breite des vorgesehenen Spaltes berücksichtigt werden, dass Schiefstellungen des Rotors durch die Rotordynamik auftreten können. Insbesondere bei magnetgeiagerten Antriebswellen muss ferner die Ausienkung aufgrund des Spiels zu den Fanglagern berücksichtigt werden. Des Weiteren treten Dehnungen des Rotors insbesondere in radialer Richtung durch Fliehkräfte auf. Ferner müssen sich ggf. addierende Toleranzen _ _
berücksichtigt werden. Der Spalt zwischen den Rotorflügeln und dem Gehäuse bzw, den Statorringen beträgt bei Turbomolekularpumpen mit einem Rotordurchmesser von ca. 200 mm - 2 mm. Aufgrund des vorhandenen Spalts strömt ein Teil des gepumpten Gases zurück. Durch diese Rückströmung wird der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe deutlich verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, mit der eine Reduzierung des zurückströmenden Gasvolumens und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäB durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe weist einen Rotor mit mehreren Rotorflugeln auf. Der Rotor ist mit einer Antriebswelle verbunden und von einem Statorelemeπt umgeben. Bei dem insbesondere zylindrisch ausgebildeten Statorelement kann es sich um das Gehäuse der Turbomolekularpumpe selbst oder um einen, insbesondere mehrere Statorringe handeln. Erfindungsgemäß weist das Statorelement mindestens eine Ringnut auf. Die umlaufende Ringnut ist einem Rotorfiügel zugeordnet und in der entsprechenden Flugelebene dieses Rotors angeordnet. Die Ringnut ist somit auf Höhe des zugeordneten Rotorflügels im Betriebszustand angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Ausdehnung des Rotorflügels während des Betriebs in radiale Richtung in die Ringnut hinein erfolgt. Da im Betrieb insbesondere eine radiale Ausdehnung des Rotorflugeis aufgrund thermischer Beanspruchungen und aufgrund der auftretenden Fliehkräfte erfolgt, dringt die in Richtung der Ringnut weisende Spitze des Rotorflugels in die Ringnut ein. Hierdurch entsteht eine Art beruhrungslose Labyrinthdichtung, so dass im Betriebszustand bei in radialer Richtung ausgedehntem RotorfSugei eine Art Selbstabdichtung erfolgt.
Die Abmessungen der Ringnut sind hierbei derart gewählt, dass in allen Betriebszuständen ein Berühren des Rotorflugels sowohl an dem Grund als auch an den Seitenwänden der Ringnut vermieden ist. Da die Spitze des Rotorflügels während des Betriebs der Turbomolekularpumpe in die Ringnut ragt, ist der Spalt an der Spitze des Rotorflügels im Querschnitt U-förmig ausgebildet. Hierdurch ist das Volumen des zurückströmenden Gases erheblich reduziert und somit der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe verbessert.
Da die zu erwartenden, insbesondere auf Grund thermischer Einflüsse hervorgerufenen Ausdehnungen der Rotorfiügel in axialer Richtung geringer sind als in radialer Richtung, kann in axialer Richtung eine geringere Spaltbreite vorgesehen sein als in radialer Richtung. Hierdurch kann die Dichtigkeit weiter verbessert werden.
Vorzugsweise weisen die Rotorflügel einen radialen Ansatz auf. Dieser in Richtung der Ringnut weisende Ansatz ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Der ringförmige Ansatz umgibt somit die einzelnen Schaufeln der Rotorflügel, so dass vorzugsweise während des Betriebs ausschließlich der ringförmige Ansatz und nicht die Schaufeln in die Ringnut eingeschoben werden.
Vorzugsweise ist jedem Rotorfiügel eine Ringnut zugeordnet, wobei jeder Rotorfiügel vorzugsweise einen ringförmigen Ansatz aufweist. Durch Vorsehen mehrerer Ringnuten für mehrere, insbesondere mindestens zwei Rotorflügel, kann eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit erzielt werden. Da in besonderes bevorzugter Ausführungsform je Rotorfiügel eine Ringnut vorgesehen ist, im Betrieb ein mäanderförmiger Spalt ausgebildet, der als berührungslose Labyrinthdichtung dient, so dass eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomolekularpumpe erzielt werden kann.
Die mindesten eine Ringnut kann an einer Innenseite eines als Statorelement ausgebildeten Gehäuses ausgebildet sein. Vorzugsweise sind jedoch innerhalb eines Pumpengehäuses insbesondere mehrere Statorringe vorgesehen. Üblicherweise ist je Rotorfiügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die Statorringe sind somit in Richtung der Antriebswelle bzw. in Hauptförderrichtung des Gases hintereinander angeordnet. Je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßeπ Turbomolekularpumpe ist in einem oder mehreren Statorringen die erfindungsgemäße Ringnut vorgesehen. Vorzugsweise ist in sämtlichen Statorringen eine Ringnut vorgesehen, in die insbesondere der mit den entsprechenden Rotorflügeln verbundene ringförmige Ansatz im Betrieb eindringt. Die Ringnuthöhe ist von den Flugelhöhen abhängig, die von der Einlassseite zur Auslassseite abnehmen (der Verdichtung folgend). Demzufolge variiert die Nuttiefe von ca. 0,5 mm bei kleinen bis ca. 4 mm bei großen Rotoren, Die Nutbreite variiert von 2mm bei flachen Flügeln kleiner Rotoren bis 15 mm bei steilen Flügeln großer Rotoren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführuπgsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teils eines Teils einer Turbomolekularpumpe gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Turbomolekularpumpe, und
Fig. 3 eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Bereichs III in Fig.
2,
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel einer Turbornolekuiarpurnpe nach dem Stand der Technik ist ein auf einer Antriebswelle 10 (Flg. 2) angeordneter Rotor 12 dargestellt Der Rotor 12 weist bezogen auf eine Längsachse 14 bzw. die Rotationsachse der Welle 10 radial verlaufende Rotorflugei 16 auf. Jeder Rotorflύge! weist Rotorschaufeln 18 auf, die derart geneigt sind, dass in dem zu transportierenden Gas eine Hauptströmungsrichtung parallel zur Längsachse, d.h. in Fig. 1 nach unten in Richtung eines Pfeils 20 erzeugt wird. Der Rotor 12 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des Rotors eine zylindrische, ggf, abgestufte Ausnehmung 24 aufweist.
Ein Teil der Rotorflügel 16 ist von Statorringen 26 umgeben. Die Statorringe 26 sind in Längsrichtung 14 hintereinander angeordnet und kleiden somit eine Innenseite der zylindrischen Ausnehmung 24 des Gehäuses 22 aus. Zwischen benachbarten Statorringen 26 sind in Richtung des Rotors nach innen weisende Statorscheiben 28 vorgesehen. Jede Statorschesbe 28 ist somit zwischen zwei benachbarten Rotorflugeln 16 angeordnet.
Um Im Betrieb der TurbomolekuSarpumpe zu verhindern, dass die radial äußeren Enden der Rotorfiugel 16, d.h. die Spitzen der Rotorflügel 16, die Statorringe 26 berühren, ist zwischen den radialen Enden der Rotorfiύgei 16 und den Innenseiten, d.h. die in Richtung der Rotorflügel 16 weisenden Seiten 30, ein Spalt a ausgebildet. Durch diesen Spalt a strömt während des Betriebs zu förderndes Gas entgegen der Förderrichtung 20 zurück in einen Schöpfraum, aus dem das Gas abgesaugt werden soll.
Bei dem nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispie! der Erfindung sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Entsprechend dem Stand der Technik weist auch die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe eine Antriebswelle 10 auf, die den Rotor 12 trägt. Der Rotor 12 weist ebenfaiis Rotorfiugel 16 auf, die Rotorschaufeln 18 tragen. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind ebenfalls Statorringe 26 innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet. Ferner sind in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel zwischen benachbarten Rotorflugeln 16 Statorscheiben 28 angeordnet.
Erfindungsgemäß weisen im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sämtliche Statorringe an ihrer in Richtung des Rotors 12 weisenden Innenseite eine Ringnut 32 auf. Die Ringnut 32 ist in sich geschlossen und erstreckt sich entlang der gesamten Innenseite jedes einzelnen Statorrings 26.
Die RotorfSugei 16 weisen an den äußeren in Richtung der Statorringe 26 weisenden Enden im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Ansatz 34 auf. Während des Betriebs verschiebt sich der ringförmige Ansatz 23 aufgrund der thermischen Ausdehnung der Fliehkräfte etc. in die entsprechende Ringnut 32. Die Ringnuten 32 und die ringförmigen Ansätze 34 befinden sich somit je Rotorfluge! auf einer gemeinsamen, in Fig. 3 jeweils horizontal verlaufenden Flugelebene 36, von der in Fig. 3 zur Verdeutlichung nur eine dargestellt ist.
Der in Fig. 3 obere Rotorflugel 16 ist nicht von einem Statorring umgeben. Um auch hinsichtlich dieses Rotorflugels 16 eine verbesserte Abdichtung zu erzielen, ist in dem Gehäuse 22 eine Ringnut 38 vorgesehen. In die Ringnut 38 ragt im Betrieb wiederum ein Ansatz 34 des oberen Rotorfiugeis 16.
In einem Zustand, in dem sich die Turbomolekularpumpe nicht im Betrieb befindet und somit auch keine Ausdehnung oder Verschiebungen der Rotorfluge! 16 erfolgen, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflugei 16 und einer Innenseite der Statorringe 26 ein Montagespalt b vorgesehen. Dieser ist erforderlich, um die Statorringe 26 zur Montage über den Rotor 12 zu stuipen.

Claims

Patentansprüche
1 Turbomolekuiarpumpe mit
einem auf einer Antriebswelle (10) angeordneten Rotor (12) mit mehreren Rotorflugein (16), und
einem den Rotor (12) umgebenden Statoreiement,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Statorelement mindestens eine einem der Rotorflugel ( 16) zugeordnete, umlaufende Ringnut (32, 38) aufweist, die in der Flugelebene (36) des zugeordneten Rotorflugels (16) angeordnet ist, um ein radiales Ausdehnen des Rotorflugels (16) im Betrieb zu ermöglichen.
2 Turbomoiekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotorflugel (16) einen radial in Richtung der Ringnut (32, 38) weisenden, insbesondere ringförmigen Ansatz (34) aufweist.
3. Turbomolekuiarpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren, insbesondere mindestens zwei Rotorflugein (16) mindestens eine Ringnut (32, 38) zugeordnet ist,
4 Turbomoiekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorelement durch ein Gehäuse (22) ausgebildet ist, so dass die mindestens eine Ringnut (38) an der in Richtung des Rotors (12) weisenden Gehäuseinnenseite vorgesehen ist.
5. Turbomoiekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das StatoreSement mehrere in axialer Richtung (14) hintereinander angeordnete Statorringe (26) aufweist, wobei die mindestens eine Ringnut (32) in einem der Statorringe (26) vorgesehen ist.
6. Turbomoiekularpurnpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Statorring (26) mit einer zwischen zwei benachbarten Rotorflugeln (16) angeordneten Statorscheibe (28) verbunden ist,
7. Turbomolekuiarpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass je Rotorflügei (16) ein Statorring (26) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise jeder Statorring (26) eine Ringnut (32) aufweist,
8. Turbomolekuiarpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Statorringe (26) gegenüber dem Außendurchmesser der RotorfSüge! (16) im Montagezustand um die Breite eines Montagespalts größer ist
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