Axiale Turbomolekularpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumpumpen, die als Turoomolekutarpumpen Ibekannt sind und so ge nannt werden, weil sie mit einer oder mehreren axial durchströnten Turbostufen arbeiten, die als Kompressoren wirken, und weil sie effektiv sind, wenn die in ihnen vorhandene Gasströmung in Relation zu den wichtigen Abmessungen der Pumpenbeschaufelung sich im Zu stand der freien Molekularströmung befindet, wie er durch sehr niedrige Drucke verursacht wird.
Zwar war bereits bekannt, dass sich das Prinzip mehrstufiger Axialverdichter für Gasturbinenanlagen und andere Strömungseinrichtungen ausnützen lässt, doch hat man vermutet, dass solche Kompressoren in der Praxis sich nicht zur Erzeugung eines hohen Vakuums eignen, da der Druckanstieg in jeder Stufe in der kontinuierlichen Strömung so gering war, dass man viel zu viele Stufen als notwendig erachtete, um ein angestreb tes hohes Vakuum zu erzeugen.
In jüngster Zeit hat man jedoch entdeckt, dass
Turbopumpen, wenn sie unter richtigen Bedingungen betrieben werden, einen ausreichenden Druckanstieg pro Stufe erzeugen können, um in der Praxils zufrieden stellende Vakuumhöhen mit einer vernünftigen Anzahl von Stufen zu erreichen. Normalerweise haben Pumpen dieses Typs einen Rotor mit mehreren Laufrädern der in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht ist, welches in der Mitte einen Einlass und an jedem seiner axialen
Enden einen Auslass hat. Das Vakuum wird durch Drelmnig der zentral angeordneten Laufradwelle in der
Weise erzeugt, dass sich die Laufräder zwischen benachbarten Leiträdern mit hoher Geschwindigkeit bewegen, wobei die Laufrad- und Leitradpaare zu beiden Seiten des Mitteneinlasses bezüglich des Winkels spiegelbildlich angeordnet sind.
Eine typische Pumpe solcher Art weist also eine aus vielen Gruppen bestehende, zehn- bis zwanzigstufige linke Kompressoreinheit und eine in Achsrichtung entgegengesetzt angeordnete rechte Kom- pressoreinheit auf, wobei die linke Einheit bei entsprechender Drehung der Laufradwelle die Gasmoleküle nach links und die rechte Einheit bei gleicher Drehrichtung nach rechts befördert. In Befolgung der bekannten Praktiken sind die Leiträder gewöhnlich etwa spiegelbildlich zu den Laufrädern angeordnet, denen sie zugeordnet sind, jedoch ist dies nicht unbedingt notwen dig.
Vermutlich sind bis zum heutigen Tag die Faktoren, die die Konstruktion und Funktion von Turbopumpen beeinflussen, nicht richtig verstanden worden. Daher gibt es beträchtlichen Raum für Verbesserungen in der Ausbildung der Bestandteile solcher Vakuumpumpen, etwa der Konstruktion der Schaufeln und ihrer Anordnung und vor allem der Form und des Winkels der Schaufeln, ihrer Stellung zu anderen Schaufeln, die zum gleichen Laufrad oder Leitradagehören, und zu Schaufeln mehr oder weniger benachbarter Laufrad-Leitradpaare.
Da die bisherigen Vakuumpumpen bekannter Art nach verschiedenen Lehren des derzeitigen Standes der Technik konstruiert wurden, haben die sogenannten Turbomolekular- Vakuumpumpen bisher nicht die Eigenschaften entwickelt, deren sie bei richtiger Kon striuktion fähig wären. Die Erfindung schafft nun eine Vakuumpumpe mit hoher Volumendurohsätzen, einem verhältnismässig kleinen Durchmesser und einer verhältnismässig geringen Anzahl von Stufen, die in der Lage ist, ein Vakuum in der Grössenordnung von 10-10 Torr zu erzielen. Dies wird durch neue Konstruktionstnerk- male erreicht, die besonders die Konstruktion der Schaufeln betreffen.
Die Erfindung betrifft eine axiale Turbomolekularpumpe, mit mindestens einem mehrstufigen Abschnitt, mit einem Einlass und mindestens einem Auslass, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufelflächen im wesentlichen und mindestens abschnittsweise eben sind, wobei einen Kanal begrenzende Flächenpaare parallel zueinander verlaufen und mit der Umfangs- richtung einen Winkel einschliessen, und dass die Laufschaufeln mindestens eines Laufrades voneinander in Umfangsrichtung soweit beabstandet sind, dass mindestens im Bereich des Laufrades nahe den radial aussen liegenden Teilen der Schaufel eine ungehinderte Sichtlinie durch die Schaufelzwischenräume in einer zur Rotationsachse parallelen Richtung gegeben ist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht, teilweise schematisch, einer erfindungsgemässen Vakuumpumpe;
Fig. 2 eine vergrösserte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Laufrads;
Fig. 3 eine weiter vergrösserte fragmentarische Vorderansicht eines Teiles des die Schaufeln enthaltenden Laufradteiles von Fig. 2 mit Blickrichtung stromaufwärts;
Fig. 4 eine Ansicht einiger der Laufradschaufeln von Fig. 3 mit Blickrichtung radial einwärts nach den Linien 1 4 der Fig. 3;
Fig. 5 eine Schnittansicht der Schaufeln, geschnitten nach der Linie 5-5 der Fig. 3;
Fig. 6 eine Schnittansicht der Schaufeln, geschnitten nach der Linie 6-6 der Fig. 3;
;
Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 der Fig. 4, der eine typische Schaufelanordnung der Fig. 2 .zeigt;
Fig. 8 eine Schnittansicht des Schaufelzwiscllen- raumes im Laufrad der Fig. 2 und 3 nach der Linie 8-8 der Fig. 4, d. i. rechtwinkling zu einer schrägen Schaufelvorderfläche;
Fig. 9 eine fragmentarische vergrösserte Seitenansicht eines Teiles eines Leitrades, der dem Laufrad der Fig. 2-7 zugeordnet ist, mit Blickrichtung stromab wärts;
Fig. 10 eine Vorderansicht eines Laufrades aus einer mittleren Stufe der Pumpe, mit Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung;
;
Fig. 11 eine Teilvorderansicht eines funktionell zum Laufrad der Fig. 10 gehörenden Leitrades mit Blick in Strömungsrichtung;
Fig. 12 eine fragmentarische Vorderansicht eines Laufrades für die Verwendung in der Nähe des Aus lassendes der Pumpe, mit Blickrichtung stromaufwärts;
Fig. 13 e:
:ne radial nach innen gerichtete Ansicht eines Teils des Laufrads der Fig. 12 nach der Linie 13-13 dieser Figur;
Fig. 14 einen Schnitt des Schaufelendes des Laufrads der Fig. 13 nach der Linie 14-14 dieser Figur;
Fig. 15 eine vertikale Schnittansicht des Schaufel zwischenraumes in dem Laufrad der Fig. 13, geschnitten nach der Linie 15-15 dieser Figur, d. i. im echten Winkel zur schrägen Scllaufelvorderfläclle;
Fig. 16 eine schematische Projektion der Schaufelteile eines Laufrads, um die Punkte kenntlich zu machen, auf welche einige der erwähnten Abmessungen bezogen sind;
Fig. 17 eine schematische Ansicht einer Laufradanordnung, zur Kennzeichnung der Punkte, an welchen einige andere Masse abgenommen sind.
Die Erfindung wird an einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein zylindrisches Gehäuse zwei Kompressoreinh.iten enthält, eine auf der linken und eine auf der rechten Seite, die beide Gasmoleküle in einem der freien Molekularströmung entsprechenden Druckbereich aus einem Mittelteil des Gehäuses nach den entgegengesetzten axialen Enden des Gehäuses abziehen, wobei die Moleküle einen annähernd axial verlaufenden Ström-ungsweg nehmen. Die Lehre der Erfindung ist aber auch auf zahlreiche andere Pumpenkonstruktionen anwendbar.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen teilweise sche'mati- sehen Vertikalschnitt einer Vakuumpumpe 30. Die Turbomolekularpumpe selbst, die mit 32 bezeichnet ist, ist mit ihrem Einlass unmittelbar an einen zu evakuierenden Bereich 34 anschliessbar, beispielsweise ein Gefäss mit einer Glocke oder dergleichen, das nicht dargestellt ist. Der Ausstoss der Pumpe gelangt durch eine oder mehrere bei 38 schematisch angedeutete Leitungen von Ausgangsleitungen 40 zweier axial sich gegenüberliegender ringförmiger Sammelkanäle 42 zu einer sogenannten Vorvakuumpumpe 36 bekannter Art.
In einzelnen weist die Pumpe 32 ein Anschlussstück 44 auf, das mit dem zu evakuieren den Bereich verbunden wird, ferner eine grosse Spirale 46. die die Aussenflächen 48 eines zylindrischen Gehäuses 50 umgibt, das mehrere weite Einlassöffnungen 52 hat. die teilweise von in der Mitte angeordneten. sich in Achsrichtung gegen überstehenden Rändern 54 des Gehäuses 50 gebildet werden. Die Innenseite 56 des Gehäuses 50 nimmt mehrere Stützringe 58 auf, von denen jeweils benachbarte Paare die Aussenränder 60 mehrere Leiträder 62 axial festlegen. Jedes Leitrad 62 hat eine durchgehende, rin,gförilliee Nabe 64, deren innerer Rand 66 eine runde Öffnung begrenzt.
An jedem Leitrad 62 sind ferner mehrere Statorsehaufeln 67 vorgesehen. deren Konstruktion noch genauer bevehrieben wird. Die axiale Reihe von beabstandeten Leiträdern 62 bildet den Stator 68.
Ein weiterer Haupiliestandtel der Pumpe 32 ist eine rotierende Schaufelradwelle 70. die aus einem linken Kompressorteil 72 und einem rechten Kompressorteil 74, sowie einen' zylindrischen Mittelstück 76 ohne Schaufeln besteht. das in einen Abstand einwärts von den Einlassöffnunaen 52 des Gehäuses 50 liegt.
Die beiden Kemoresoreile 72, 7i weisen mehrere Laufräder 78 nnf und sind spiegelbildlich zueinander nase- ordnet. so dass bei einer voreeaebenen Drehrichtuna der S'aufe1rnd'elle der eine Komrtressorteil eine Strömung der Gasmoleküle nach links in Fig. 1 erzeugt und der andere die Gasmoleküle nach rechts evakuiert. Es wird deshalb nur der linke Kompressor 72 genauer beschrieben, da der rechte Kompressor 74 bis auf spiegelblldli- che Anstellwinkel der Schaufeln mit ihm identisch ist.
Der linke Kompressor 72 weist, wie erwähnt, mehrere Laufräder 78 auf, die an der Nabe 80 der Schaufelradwelle 70 befestigt sind und mit dieser rotieren. Jedes Laufrad 78 bildet zusammen mit dem zugehörigen, unmittelbar benachbarten Leitrad 62 eine eigene Stufe und mehrere nebeneinanderliegende Stufen der gleichen Beschaufelung in Form und Grösse bilden eine mehrstufige Arbeitsgruppe 82. Mehrere Arbeitsgruppen 82, 84, 86 sind in Achsrichtung nach aussen aufeinanderfolgend angeordnet, wobei jedes Leitrad-Laufrad-Paar einer bestimmten Gruppe die gleiche Konfiguration hat, sich aber von den Leitrad-Laufrad-Paaren einer benachbarten Arbeitsgruppe in seiner Konstruktion unterscheidet, wie weiter unten noch genauer ausgeführt wird.
Die Schaufelradwelle 70 ist in Lagern 8S, 90 gelagert und wird von einem Schrägzahnrad 92 angetrieben, das seinerseits von einem nicht gezeigten motorgetriebenen Zahnrad mit viel grösserem Durchmesser o. dgl. angetrieben wird. Die in Fig. 1 dargestellten, aber nicht eigens beschriebenen Bestandteile der Pumpe 32 sind übliche Bauteile und nicht erfindungswesentlich, so dass sie im folgenden nicht genauer erläutert werden.
Bevor auf die Konstruktionsdetails der in den Fig.
2-15 gezeigten Vorrichtung näher eingegangen wird, sei erwähnt, dass die spezifischen Formen der veranschaulichten Laufrad-Leitrad-Konstruktion mit in Segmenten geteilten Schaufeln sich strukturell ausführbar und bequem herstellbar erwiesen haben. So kann beispielsweise ein herkömmlicher einziger Scheibenfräser mit drei Schneidflächen von unterschiedlichem Radius ohne weiteres die in den Fig. 2-11 dargestellte Schaufel in einemaeinzigen Arbeitsgang herstellen. Dies ist möglich, weil jede Arbeitsfläche parallel zu ihrer zugeordneten Fläche ist, weil die kleinsten Zwischenräume zwischen den in radialer Richtung innersten Flächen vorhanden sind und weil die Schnitte radialwärts oder sonstwie geradlinig liegen. Jedoch sind auch andere Formen von Laufrädern.
Leiträdern und dergleichen mit den beanspruchten Merkmalen im Rahmen der Erfindung vorteilhaft anwendbar. In diesem Zusammenhang liegt es beispielsweise für den Fachmann auf der Hand, dass in Segmente unterteilte Schaufeln nicht unbedingt notwendig sind und dass, obwohl drei Laufradgruppen veranschaulicht sind, eine erfindungsgemässe Turbopumpe auch nur zwei Gruppen haben kann oder auch vier und mehr, und dass jede Gruppe aus einer gleichen oder annähernd gleichen Anzahl von Stufen bestehen kann, aber nicht unbedingt bestehen muss.
Wie aus den Fig. 2-8 ersichiltch, weist ein Laufrad 78 des Typs, wie er vorzugsweise in der a'm nächsten zum Einlass gelegenen Gruppe 82 verwendet wird, eine Reihe von Schaufeln 94 auf. Jede Schaufel 94 endigt in einer innen liegenden Basis 96. mit der sie an die Nabe 98 fest angefügt ist, so dass sie einen Teil derselbn bildet. In der Nabenmitte innerhalb des Hauptkörpers 104 der Nabe 98 ist eine Öffnung 100 vorgesehen, die von radial nach innen laufenden Wänden 102 der Nabe abildet ist.
Jede Schaufel 94 in der ersten oder in Strömungs richtung obersten Laufradstufe ist eine in Segmente unterteilte Schaufel mit einem Randsegment A, einem mittleren Segment B und einem inneren Segment C. Das äussere oder Randsegment A weist eine nach aussen gekehrte Stirnfläche 106 und eine ebene Vorderfläche 108 auf. Das Segment B hat eine Fläche 110 und das Segment C eine Fläche 112. Alle Flächen 108, 110, 112 liegen in einer gemeinsamen, zur Rotationsrichtung der Schaufel parallelen Ebene. Ferner hat jede Schaufel 94 auch noch schräge Arbeitsflächen 114, 116, 118 an den Segmenten A bzw. B bzw. C, die etwa stromabwärts gerichtet sind.
Die Flächen 114, 116, 118 sind gegenein- ander in Drehrichtung schräg versetzt, so dass beispielsweise die äusserste stromabwärts gelegene Fläche 114 von der ihr vorauslaufenden Fläche 120 merklioh beabstandet ist. Letztere ist parallel, aber auf der anderen Seite der Schaufel 94 nach stromabwärts gerichtet angeordnet. Die Fläche 122, die radial einwärts von der Fläche 120 gelegen ist, hat einen kleineren Abstand von der stromabwärts gelegenen, ihr unmittelbar folgenden Fläche 116, als die Fläche 120 von der Fläche 114, und der letzte Abstand in Drehrichtung liegt zwischen der strom aufwärts gelegenen Fläche 124 und der stromabwärts gelegenen Fläche 118, die ihr unmitteilbar folgt.
Da die n radialer Richtung weiter aussen liegenden Flächen die grössere Lineargeschwindigkeit haben, muss der lineare Abstand in tangentialer Richtung am Umfang des Laufrades 78 am grössten sein.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass die innersten Teile 126, 128, 130 jedes Schaufelsegmentes A, B, C schmaler sind als die äusseren Teile 132, 134, 136 des gleichen Segmentes, und dass der dickste innere Teil 130 der Nabe 98 am nächsten ist, während der dünnste innere Teil 126 zum äussersten Schaufelsegment A gehört.
Fig. 8 lässt erkennen, dass der Abstand auf der Linie A-A der grösste zwischen entgegengesetzt gerichteten vorauslaufenden und nachlaufenden Flächen 120, 114 ist, und dass der Abstand in tangentialer und senkrechter Richtung zwischen den Flächenpaaren 122, 116 und 118, 124 stufenweise kleiner ist. Nichtsdestoweniger ist der Abstand zwischen den Sehaufelsegmenten selbst an deren innersten Abschnitten noch beträchtlich und widerspricht dem bisherigen Stand der Technik.
Ebenso ist die Schaufel an der Basis jedes Segmentes dicker, wie oben ausgeführt, aber die Schaufeln sind immer noch im Vergleich zur bisherigen Technik sehr dünn. Aus den Fig. 3-6 ist ersichtlich, dass für die Laufräder der ersten Gruppe der eingeschlossene spitze Winkel zwischen einer stromaufwärts liegenden Fläche 120 und der Rotationsebene verhältnismässig steil oder von grosser Steigung ist, in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise 40". Die Wichtigkeit dieses Punktes wird später noch erklärt.
In Fig. 9 ist ein Sektor eines Leitrades 62 der ersten Gruppe gezeigt. Es weist mehrere Schaufeln 67 auf, die von einer hohlen Nabe 64 nach aussen ragen. Ein Rand 66 der Nabe begrenzt eine weite Öffnung. Die Schaufeln 67 am Leitrad 62 sind ebenfalls in Segmente unterteilt, und zwar in die Segmente D, E und F, denen jeweils eine ebene Vorderfläche 138, 140, 142 zugehört. Schräg angestellte stromaufwärts gerichtete Arbeitsflächen 144, 146, 148 sind an den Segmenten D, E und F in gleicher Weise vorgesehen wie ihre Gegenstücke 114, 116 und 118 an den Rotorsehaufeln 94. Bei Betrachtung der Fig.
3-9 sieht man, dass das Laufrad 78 und das Leitrad 62 gleichgeartet sind. Um dies besser zu veranschaulichen, ist in Fig. 3 die Blickrichtung auf das Laufrad 78 von unterhalb nach stromaufwärts gewählt, wogegen Fig. 9 eine axiale Ansicht des Leitrades von der stromaufwärts gelegenen Seite in Stromrichtung zeigt, um die Ähnlich- keit der Konstruktionen zu betonen, obwohl Rotor und Stator, in einer Arbeitsmaschine eingebaut, bezüglich des Anstellwinkels spiegelbildlich sind .Beim Leitrad 62 ragen jedoch die Aussenränder 60 jeder Schaufel in radialer Richtung etwas weiter nach aussen als ihre Gegenstücke 132 an den Laufrädern 78, da diese Aussenränder 60 von den Stützringen 58 festgehalten werden sollen (Fig. 1).
Wo also Leiträder und Laufräder einander zugekehrt angeordnet sind, sind entsprechende Teile zueinander spiegelbildlich.
In Fig. 10 ist ein Laufrad 78a für eine mittlere Gruppe der Turbopumpe gezeigt. Es gleicht dem Laufrad 78 der Fig. 2 und 3 mit der Ausnahme, dass die Abstände zwischen den Arbeitsflächen 114a, 116a, 118a und den Flächen 120a, 122a, 124a in Drehrichtung etwas kleiner sind, so dass eine leichte Überlappung zwischen einer nachlaufenden Kante 150 eines Segmentes A und der vorlaufenden Kante 152 des unmittelbar folgenden Segmentes A vorhanden ist. Die gleiche Situation besteht für die entsprechenden nachlaufen den Kanten 154 und vorlaufenden Kanten 156 der Schaufelsegmente B und das Gleiche gllt für die Kanten der Segmente C.
Weiter ist aus Fig. 10 ersichtlich, dass die Anstellung der Arbeitsflächen 114a, 116a, 118a zur Rotationsebene etwas flacher ist als bei einem in der Nähe des Pumpeneinlasses liegenden Laufrad; der Winkel zwischen einer Fläche und der Rotationsebene beträgt in diesem Fall vorzugsweise etwa 20". Die Flächen 114a, 116a, 118a sind breiter als ihre Gegenflächen 108, 110, 112 in der ersten Gruppe und demgemäss ist die Gesamtbreite, gemessen parallel zur Vorderseite der Flächen, für die Flächen 114a, 116a, 118a merklich grösser als diejenige ihrer Gegenstücke 114, 116, 118 in der ersten Stufe, wobei die axiale Dicke der Laufräder 78 und 78a die gleiche ist. Dagegen ist die Dicke jedes Schaufelsegmentes A, B, C in der zweiten Gruppe, gemessen senkrecht zu einer Fläche desselben, gegenüber der gleichen Abmessung für die Schaufeln der ersten Stufe etwas kleiner.
Fig. 11 zeigt ein Leitrad 62a, das etwa spiegelbildlich zum Laufrad 78a ausgeführt ist, ausgenommen die grössere radiale Erstreckung des Aussenrandes 60a des Schaufelsegmentes D und die Ausdehnung nach innen, die durch eine Fläche 64a begrenzt ist. Sonst ist dieses Leitrad genau gleich konstruiert wie das zugehörige Laufrad 78a.
In den Fig. 12-15 ist ein Laufrad 78b für eine nahe dem Auslass der Pumpe gelegene Gruppe dargestellt. Es weist eine Schaufel 94b mit nur einem einzigen Segment G auf, das eine stromabwärts gerichtete Fläche 114b, eine ebene Vorderfläche 108b, eine vorlaufende Kante 152b rund eine nachlaufende Kante 150b hat. Die radiale Erstreckung der Arbeitsfläche 114ob ist, verglichen mit dem Gesamtdurchmesser des Laufrades 78b, verhältnismässig schmal und die Überlappung zwischen der nachlaufenden und der vorlaufenden Kante ist erheblich und liegt merklich über der in den Laufrädern der mittleren Stufen vorhandenen.
Wie die Fig. 13 und 14 erkennen lassen, sind die stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Schaufelflächen 114b und 120b verhältnismässig flach angestellt, in diesem Fall etwa mit 100. Weiter ist aus Fig. 14 er sichtlich. dass, wie bei den anderen Rotorschaufeln, der innere Teil oder die Basis 154 des Segmentes G schmaler ist als das Endstück 106b des Segmentes.
In Fig. 15 ist verdeutlicht, dass der Abstand zwischen den Flächen 120b und 114b, gemessen im rechten Winkel zu den Schaufelflächen, klein ist im Verhältnis zu den entsprechenden Abmessungen an den in der Einlassstufe und der mittleren Stufe verwendeten Laufräder, obwohl wegen der geringen Steigung der Schaufein der Albstand dazwischen, in FFortbewegungsrichtung gemessen, wesentlich grösser ist. Wie aber schon erwähnt, sind die Verhältnisse der Schaufeltiefe zum Abstand und die Dicken der Schaufeln von solchen Abmessungen und Beziehungen, dass sie den bisherigen fachmännischen Regeln und den bekannten Konstruktionen zuwiderlaufen.
Das Leitrad für jede dritte Gruppe, das zu einem Laufrad im höheren Druckbereich gehört, ist nicht dargestellt. Es ist selbstverständlich, wie die anderen Laufräder etwa ein Spiegelbild des zugehörigen Laufrades.
Eine erfindungegemässe Pumpe umfasst etwa 2 bis 7 oder mehr Druckstufen, von denen jede aus einem Laufrad und einem Leitrad der in den Fig. 2-9 gezeigten Art zusammengesetzt ist, ferner eine gleiche Anzahl von Stufen, die aus Laufrad-Leitrad-Paaren des in den Fig. 10 und 11 gezeigten Typs bestehen, und eine ähnliche Anzahl von Stufen, die Laufräder nach Art der in den Fig. 12-15 gezeigten mit zugehörigen Leiträder umfassen. Es ist nicht notwendig, dass jede mehrstufige Gruppe die gleiche Anzahl von Laufrad-Leitrad-Paaren hat, aber es ist gemäss der Erfindung vorteilhaft, dass die an weitesten stromaufwärts gelegenen Stufen, die in den Fig. 2 bis 9 gezeigten Konfigurationen haben, dass die mittleren Stufen aus Laufrädern und Leiträdern der Fig.
10 und 11 bestehen und dass die letzten Stufen Laufräder nach Art der in Fig. 12-15 gezeigten umfassen. Wie schon oben erwähnt, kann die Anzahl der Stufen in den Gruppen beträchtlich variieren und auch die Anzahl der Gruppen in jedem Kompressorabschnitt kann etwas variieren. Die Anzahl und die Art der Stufen und Gruppen wird in Abhängigkeit von den Anforderungen, die an die Pumpe gestellt werden, bestimmt. Mehr erste Stufen mit mehr offenen Schaufeln ergeben ein grösseres Volumen und mehr Stufen des in Fig. 12 gezeigten Typs ergeben beispielsweise einen höheren Druckanstieg pro Stufe.
In den Fig. 16 und 17 sind die Komponenten mit den charakteristischen Merkmalen schematisiert dargestellt, um die Punkte, an denen die in Frage kommenden Masse abgenommen sind, zu zeigen. In Fig. 16 ist beispielsweise die Schaufeltiefe mit > b bezeichnet, der Schaufelwinkel ist a genannt und bezeichnet den Winkel, der zwischen der Rotationsebene und der Arbeitsfläche der Rotorschaufel eingeschlossen ist.
Schaufeln mit einem höheren numerischen Wert dieses Winkels werden als steiler angestellt oder als Schaufeln mit grösserer Steigung bezeichnet, diejenigen mit kleineren numersichen Werten für a heissen flacher oder Schaufeln mit kleinerer Steigung. Der tangentiale Abstand zwischen Schaufeln ist mit s bezeichnet, der gesamte tangentiale Abstand zwischen entsprechenden Teilen benachbarter Schaufeln ist sO . Das Verhältnis des Schaufelzwischenraums zur Schaufeltiefe ist s/b. Die Dicke einer Schaufel ist mit t bezeichnet.
Daher ist sO 5+ > . t
Bei einem Schaufelwinkel von beispielsweise 45" und t gleich 1 gilt s. = s + V2. Wenn a gleich 30 ist, gilt sO = s + 2. Der Schaufelzwischenabstand, gemessen im rechten Winkel zur Arbeitsfläche der
Schaufel, ist mit w bezeichnet; folglich gilt: s = w. sin a.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen von Schaufelzwisohenabstand und Schaufel didke gesprochen wird, sollen damit die Abmessungen an den äusseren Enden der Schaufel gemeint sein, d. i.
beispielsweise die Zwischenräume zwischen den Segmenten A oder D.
In Fig. 17 ist der Radius der Nabe mit rh und der Aussenradius des Rotors mit rt bezeichnet; diefDiffe- renz ist die radiale Schaufelspanne oder 4zange 1 . Die Länge 1 im Verhältnis zum Schaufelzwischenabstand s wird als das Aspektverhältnis l(Flügelstreckung) des betreffenden Abschnittes bezeichnet. Die örtliche Lage der Schaufeln an den Naben und die gewünschten Sohaufelspannen oder zwängen werden in Bezug auf den gesamten Rotorradins rt besprochen.
Nach der Lehre der Erfindung sind einige Verallgemeinerungen formuliert worden, die diese Winkel und Abmessungen und deren Beziehlungen zueinander betreffen. Typische angestrebte Werte für diese Winkel und Abmessungen kennzeichnen hierin veranschaulichte Komponenten, die erwiesenermassen beste Ergebnisse liefern. So sind allgemein bei in einem Hochvakuum eingeschlossenen Gasmolekülen eine Anzahl von Faktoren fwesentlich, die sich auf ihr Verhalten unter dem Einwirken einer Pumpe nach Art der beschriebenen beziehen.
.B. hängt die Geschwindigkeit der Moleküle einer speziellen Gasspezies von der absoluten Temperatur ab und vom Molekulargewicht der Gasmoleküle. Die Beschaffenheit des Gasflusses hängt von der relativen Häufigkeit der Zusammenstösse der Gasmolekel miteinander oder mit einer Rotor- oder Statorschaufel ab.
Diese Häufigkeit wird durch die mittlere freie Weglänge der Molekel in Relation zu den Abmessungen der Schaufeln und Schaufelzwischenräume bestimmt. Bei einer ausreichend grossen mittleren Weglänge im Vergleich zu den Schaufel- und Zwischenraumabmessungen wird daher das Verhalten der Moleküle vorherrschend, ja fast ausschliesslich, durch ihre Kollision mit den Arbeitsflächen der Vorrichtung, und nicht durch die Kollisionen untereinander beeinflusst. Aufgrund des herrschenden hohen Vakuums sind die Temperaturen in der Turbopumpe praktisch überall gleich, da die Ableitung und Abstrahlung der Energie von den Schaufeln sehr gross sind, verglichen mit der kinetischen Energie der auf die Schaufeln auftreffenden Moleküle.
Ein wichtiger Faktor für die Leistungsfähigkeit der Turbopumpe ist das Verhältnis der Schaufelgeschwindigkeit zur mittleren Molekulargeschwindigkeit, während andere Faktoren, etwa die Proportionen der Schaufeln und der Schaufelzwischenräume, die Wahrscheinlichkeit beeinflussen, mit der Gasmolekel durch ein Laufrad oder Leitrad eher in der einen als in der entgegengesetzten Richtung wandern.
Da die Gasdichte in Strömungsrichtung um viele Grössenordnungen zunimmt und damit der Volumendurchsatz entsprechend abnimmt, werden für die verschiedenen Parameter, nämlich a , s/ib , rh/rt und T/w , für die verschiedenen Stufen unterschiedliche Werte gewählt, um eine optimale Leistung hinsichtlich der Höhe des Vakuums und der Grösse des Volumendurchsatzes oder der Pumpgeschwindigkeit zu erzielen.
Um festzustellen, ob die mit Hilfe der Erfindung als möglich erachteten Verbesserungen auch tatsächlich eintreten, wurden Versuche durchgeführt, die zeigten, dass mit den in den Fig. 2-15 gezeigten Laufrad Leitrad-Konfigurationen unerwartet hohe Druckanstiege in den Stufen der mittleren und stromabwärts gelegenen
Rotorgruppen erzielbar waren, wobei ein ausgezeichne ter Volumendurchsatz erhalten blieb. Weiter wurde ein unerwartet grosser Volumendurchsatz spezieil mit den Laufrad-LeitradWaaren erreicht, die diejenigen Stufen ausmachten, welche die Gruppe nächst dem Hochvakuumende der Pumpe enthielten, aber auch noch in den Stufen der mittleren Gruppe.
Als Gesamtergebnis war die Gesamtleistung der Pumpe überlegen und übertraf um ein Vielfaches die Leistung bisher bekannter Pum- pen gleicher Grösse hinsichtlich des mit einer vorgegebenen Anzahl von Stufen erzielbaren Druckes, des Volu- mendurchsatzes oder der Pumpgeschwindigkeit.
Um die Ergebnisse der Versuche zusammenzufas- sen: Es wurde festgestellt, dass Laufräder und Leiträder nächst dem Einlass der Turbopumpe vorzugsweise einen verhältnismässig steilen Anstellwinkel von Ibeispielswei- se etwa 400 haben sollen, dass ferner die Schaufeldicke t im Verhältnis eu dem Abstand s zwischen den Schaufeln so klein als es im Hinblick auf die erforderliche Festigkeit und die Fertigungsbedingungen möglich ist, sein soll. Für Laufräder und Leiträder nahe dem Binlass soll das Verhältnis des Nabenradius rh zum Gesasmtra- dius rt im Bereich von etwa 0,4 bis 0,8 vorzugsweise bei 0,5 oder 0,6 liegen.
Die Länge oder Spanne einer Rotoroder IStatorschaufel am Einlassende soll im Verhältnis zum Schaufelzwischenabstand s mindestens 1,5 bis 1 betragen. Es wurde beispielsweise festgestellt, dass die Leistung etwas anstieg, wenn das Aspektverhältnis von etwa 1,5 bis zu etwa 4 oder 5 zunahm, danach aber, wenn ein Aspektverhältnis von etwa 4 oder 5 erreicht war, brachte eine weitere Steigerung keinen sichtbaren Vorteil mehr. Das Verhältnis des Schaufelzwischenabstandes s zur Dicke t muss für Laufräder und Leiträder nahe dem Einlass mindestens 1 betragen, vorzugsweise im Bereich von 4:1 bis 6: 1 oder mehr liegen, wobei es lediglich durch Erwägungen bezüglich der Festigkeit und der Fertigungsbedingungen begrenzt wird.
Für das Beispiel der Fig. 3 wäre die Abmessung t (gemessen im rechten Winkel zur sSchaufelfläche) für das Segment A etwa 1,4-2,7 mm (0,055 lbis 0,105 Zoll), während der Schaufelzwischenabstand s gemäss Fig. 16 etwa 11 mm (0,430 Zoll) betragen würde. Für die inneren Segmente B und C ist das Verhältnis, wie dargestellt, etwas kleiner, aber doch noch gross im Vergleich zu den bisherigen Konstruktionen und fachmännischen Regeln.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Verhältnis des Schaufelzwischenabstandes s zur Schaufeltiefe b.
Obwohl die bisherigen Regeln das Gegenteil lehrten, hat es sich als günstig erwiesen, wenn dieser Quotient für Laufräder und Leiträder nahe dem Einlass ebenfalls über 1 liegt. So haben beispielsweise Messungen des Durchlässigkeitsfaktors der Schaufeln der ersten Stufe gezeigt, dass, wenn das Verhältnis s/b von etwa 1 : 4 bis etwa 3 : 2 anstieg, sich der Durchlässigkeitsfaktor mehr als verdreifachte, nämlich von etwa 0,2 bis auf etwas über 0,6. Um die endgültigen Abmessungen der fraglichen Einheiten zu bestimmen, ist die Schaufelgeschwindigkeit ein wichtiger Faktor.
Hier sind Umfangsge schwindigkeiten am Schaufeiende von etwa 275 bis 428 als (900 bis 1400 Fuss/Sekunde) und mehr erwünscht die Grenze wird durch Festigkeitsüberlegungen gezogen, da ein Zerbersten durch die Zentrifugalkräfte vermieden werden muss. Bei den hier beschriebenen Pumpen wurden Laufräder von etwa 15 bis 18 cm (6 bis 7 Zoll) Durchmesser verwendet mit einer gesamten axialen Dicke von etwa 3 mm (0,120 Zoll), was eine Schaufeltiefe von etwa 4,5 mm (0,180 Zoll) für die Laufräder und Leiträder der ersten Stufe ergab. Doch sind diese Werte nur Beispiele, die nicht einschräkend gemeint sind.
Ein sehr wichtiges Charakteristikum ist, dass ein merklicher tangentialer Abstand zwischen einer nachlaufenden Schaufelkante und der vorauslaufenden Kante der nächsten Schaufel vorhanden ist, das heisst, es gibt eine unversperrte axiale Sichtlinie durch mindestens einen Teil solcher Laufräder und/oder Leiträder. Diese Konstruktion liefert einen viel grösseren Volumendurchsatz durch die Einlassstufen als bisher vorgesehen oder mit den bisher bekannten Vorrichtungen in der Praxis erreicht wurde.
Zusammenfassend gilt also für die zweckmässigen Abmessungen eines Laufrades oder Leitrades nahe dem Einlassende: Der Winkel a muss 200 bis 50 , vorzugsweise etwa 40 getragen; s/b muss zwischen etwa
1,0 und etwa 2,5, vorzugsweise bei etwa 2,0 liegen; s,/rt soll etwa zwischen 0,4 und 0,8, vorzugsweise etwa 0,5 bis 0,6 betragen. Das Aspektverhältnis l/s muss mindestens 1,5 sein und braucht nicht grösser als 4 zu sein. Der Quotient t/w soll so klein als möglich sein, soweit es sich mit der Festigkeit und den Fertigungsbe dingungen vereinbaren lässt.
Die Parameter für das Laufrad oder Leitrad einer mittleren Stufe sollen folgende Werte haben: Der Schaufelwinkel a muss zwischen 15 und 30 , vorzugsweise etwa 200 betragen; s/b soll etwa 0,75 bis 1,5, vorzugsweise etwa 1,0 sein; rl,/rt kann etwa gleich dem Wert für die erste Stufe sein, nämlich etwa bis 0,5 bis 0,8, vorzugsweise etwa 0,5 oder 0,6. Eine Überlappung der nachlaufenden und vorlaufenden Schaufelkante ist zwar vorhanden, sollte aber nicht zu gross sein. Das Verhältnis t/w muss so klein als möglich sein, soweit es die Festigkeit und Herstellbarkeit erlaubt.
Für die Laufräder und Leiträder nahe dem Auslassende muss der Schaufelwinkel a noch kleiner sein, etwa zwischen 50 und 200, vorzugsweise etwa 100; s/b kann zwischen etwa 0,3 und etwa 1,0 liegen, vorzugsweise bei etwa 0,75; rJrt sollte etwa zwischen 0,75 und etwa 0,95 liegen, vorzugsweise tbei etwa 0,9. In den Auslassstufen, wo der Volumendurchsatz durch die Kolnpression des Gases stark reduziert ist, ist es nicht so kritisch, dass die Schaufeldicke sehr klein ist. Sie kann beispielsweise die Hälfte des Schaufelzwischenabstandes betragen. Die Überlappung der nachlaufenden und vorlaufenden Schaufelkante sollte beträchtlich sein, beispielsweise etwa die Hälfte der Schaufeltiefe.
Eine nach diesen Regeln konstruierte Pumpe ist in der Lage, bisher unerreichbare Gesamtdruckanstiege und auch grosse Druckanstiege in den einzelnen Stufen zu erzielen. Wenn man beispielsweise die erfindungsgemässe Pumpe an eine Vorpumpe heikömmlicher Bauart, die ein Vakuum von 10-3 Torr liefern kann, anschliesst, kann sie Druckanstiege bis zu 107 und mehr erzielen.
Man kann also mit einem Ausgangsdruck von 10 Torr Eingangsdrucke von 10¯in oder sogar noch darunter ohne weiteres erreichen. Das bedeutet, dass der Ausgangsdruck 10 000 000 mal grösser ist als der Druck am Einlass. Bei einem so extrem hohen Vakuum sind die mittleren freien Weglängen der Moleküle ausreichend gross, dass die Gasströmung in der Pumpe einen ganz anderen Charakter hat als die Gasströmung in dem Axialkompressor einer Gasturbine oder dergleichen, wo der Strömungsmechanismus völlig verschieden ist und wo Druckverhältnisse von beispielsweise nur etwa 1,25 : 1 üblich sind. Im Gegensatz dazu können die Druckanstiege über einzelne Druckstufen in einer Turbomolekularpumpe der beschriebenen Art 25 : 1 über schreiten.
Somit wurde gefunden, dass in einer nach den aufgezählten Kriterien konstruierten Vakuumpumpe vom Turbotyp unerwartet hervorragende Ergebnisse möglich geworden sind, die bisher als nicht erreichbar angesehen wurden und die tatsächlich mit Turbopumpen bekannter Bauart nicht erreicht werden konnten, vor allem nicht mit solchen Pumpen, die eine oberflächliche Ähnlichkeit mit den erfindungsgemässen Pumpen haben, aber sich von diesen in den wichtigen oben erwähnten Beziehungen unterscheiden.