-
Die
Erfindung betrifft ein Rotorelement für Turbopumpenrotoren sowie
einen Turbopumpenrotor für
Turbomolekularpumpen mit derartigen Rotorelementen.
-
Turbopumpenrotoren,
die insbesondere in Turbomolekularpumpen zur Vakuumerzeugung eingesetzt
werden, werden mit einer hohen Drehzahl im Bereich von 24.000 rpm–120.000
rpm betrieben. Um Beschädigungen
der Rotoren im Betrieb zu vermeiden, bzw. eine möglichst hohe Lebensdauer der
Rotoren gewährleisten
zu können,
ist es für
jeden Pumpentyp erforderlich, die Lagerung für den entsprechenden Rotor
und die Maximaldrehzahl auszulegen. Zwar ist es möglich, vorhandene
Lagerungen auch für
beispielsweise leichtere und mit geringerer Drehzahl drehende Rotoren
zu verwenden (downscaling), jedoch erhöht dies die Kosten.
-
Die
maximal mit einem Turbopumpenrotor erzielbare Drehzahl ist insbesondere
durch die Materialwahl begrenzt. Hierbei haben sich bei modernen Turbopumpenrotoren
Aluminiumwerkstoffe etabliert, da diese das beste Verhältnis von
Reißfestigkeit
zu den Kosten haben. Ferner wurden Versuche durchgeführt, das
Gewicht der Rotoren zu verringern, indem der gesamte Rotor aus kohlefaserverstärktem Material
hergestellt wird. Diese Versuche waren bisher jedoch nicht erfolgreich,
da keine geeigneten Fertigungsverfahren gefunden wurden und insbesondere
eine Anordnung der Fasern in Belastungsrichtung nur bedingt möglich ist.
Das Herstellen von Rotorelementen für Turbomolekularpumpen aus
kohlefaserverstärktem
Material ist bisher nicht möglich.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Rotorelement für Turbopumpenrotoren zu schaffen,
durch das aufgrund einer Drehzahlerhöhung die Pumpleistung gesteigert
werden kann.
-
Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Rotorelement nach
Anspruch 1 sowie einen mehrere Rotorelemente aufweisenden Turbopumpenrotor
gemäß Anspruch
8.
-
Ein
Rotorelement für
Turbopumpenrotoren weist mehrere mit einer Rotornabe verbundene
Flügel
auf. Die Flügel
erstrecken sich nach außen
im Wesentlichen in radiale Richtung. Mehrere derartige Rotorelemente
sind zur Ausbildung eines Pumpenrotors in Förderrichtung hintereinander
auf einer gemeinsamen Rotorwelle angeordnet. Erfindungsgemäß sind zumindest
ein Teil, vorzugsweise alle Flügelspitzen
miteinander durch ein Versteifungselement verbunden. Das insbesondere
als Versteifungsring ausgebildete Versteifungselement umgibt somit das
Rotorelement. Hierdurch ist es möglich,
die im Betrieb beim Drehen des Rotorelements auftretenden Belastungen,
insbesondere die auftretenden Spannungen besser in den Flügeln zu
verteilen. Bei bekannten Rotorelementen treten die größten Belastungen
im Flügelfuß, d. h.
im Bereich der Verbindung zwischen dem Flügel und der Rotornabe auf.
Aufgrund des Versteifungselements kann ein Teil der im Flügelfuß auftretenden
Zugspannungen in an der Flügelspitze
auftretende Druckspannungen umgewandelt werden. Hierdurch kann erfindungsgemäß eine verbesserte
Verteilung bzw. Vergleichmäßigung der
in den Flügeln
auftretenden Belastungen erzielt werden. Eine Reduzierung der auftretenden
Belastungen im Bereich des Flügelfußes führt ferner
zu einer Reduzierung der Belastungen in der Rotornabe. Durch die
verbesserte Verteilung der auftretenden Belastungen kann eine effektivere
Materialausnutzung erfolgen, da die mögliche Maximalbelastung des
Rotorelements durch lokal auftretende Belastungsspitzen begrenzt
ist. Gerade diese im Flügelfuß auftretenden
lokalen Belastungsspitzen werden durch das erfindungsgemäße Vorsehen
des Versteifungselements geglättet
bzw. verteilt.
-
Das
insbesondere als Versteifungsring ausgebildete Versteifungselement
weist vorzugsweise einen umlaufenden konstanten Querschnitt auf.
Das Versteifungselement weist vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt
auf.
-
In
besonders bevorzugter Ausführungsform weist
das Versteifungselement einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen
Faserverbundwerkstoff auf. Dies hat den Vorteil, dass durch das
Vorsehen des Versteifungselementes nur eine geringe Gewichtserhöhung des
Rotorelements hervorgerufen wird. Bezogen auf die Drehzahl ist ein
erfindungsgemäßes Rotorelement
mit Versteifungselement leichter als bekannte Rotorelemente, mit
denen nur geringe Drehzahlen erzielt werden können.
-
Vorzugsweise
weist der Faserverbundwerkstoff Glas- und/oder Kohlefasern auf.
Die Fasern sind hierbei vorzugsweise in eine Kunststoffmatrix eingebettet.
Um die auftretenden Belastungen möglichst gut aufnehmen zu können, verlaufen
die Fasern vorzugsweise in Umfangsrichtung des insbesondere ringförmigen Versteifungselements.
-
Die
Flügel
des Rotorelements sind aus bekannten Werkstoffen, insbesondere Aluminiumlegierungen
hergestellt. Die Verwendung des Versteifungselements mit den Flügelspitzen
der Flügel
erfolgt vorzugsweise derart, dass bei stillstehendem Rotorelement
im Wesentlichen eine kraftlose oder geringe kraftschlüssige Verbindung
realisiert ist. Hierdurch sind negative Einflüsse des Versteifungselements
auf die Flügel
vermieden. Derartige Verbindungen können auch durch formschlüssige Verbindungen
oder Kleben realisiert werden.
-
Ferner
betrifft die Erfindung einen Turbopumpenrotor, der insbesondere
für Turbomolekularpumpen
geeignet ist. Der Turbopumpenrotor weist mehrere der vorstehend
beschriebenen erfindungsgemäßen Rotorelemente
auf. Die Rotorelemente sind in Förderrichtung
der Pumpe hintereinander auf einer Rotorwelle angeordnet.
-
Da
in den einzelnen Rotorelementen unterschiedliche Belastungen auftreten,
sind in besonders bevorzugter Ausführungsform für die einzelnen
Rotorelemente unterschiedliche Verbindungselemente vorgesehen. Hierbei
sind die Verbindungselemente derart konstruiert, dass sie an die
zu erwartenden Belastungen angepasst sind. Hierdurch kann eine Optimierung
des Gewichts der einzelnen Rotorelemente und somit des Turbopumpenrotors
realisiert werden.
-
Hohe
Spannungen treten beispielsweise bei langen dünnen Flügeln auf der Saugseite eines
Turbopumpenrotors auf. Nach dem Stand der Technik ist es daher erforderlich
derartige Flügel
im Fußbereich zu
verdicken, um die Spannungen auf eine größere Fläche zu verteilen. Dies bringt
den Nachteil einer Gewichtserhöhung
sowie einer schlechteren Pumpeigenschaft im Nabenbereich mit sich.
Das erfindungsgemäße Vorsehen
von Versteigungselementen ist ein Verdicken des Fußbereichs
nicht mehr oder zumindest nur in geringem Maße erforderlich. Hierdurch
kann das Gewicht reduziert und die Pumpeigenschaften im Nabenbereich
verbessert werden.
-
Auch
bei glockenförmigen
Rotoren, die im Bereich der Kompressionsstufe auslassseitig eingesetzt
werden, können
auch bei kurzen Flügeln
hohe Flügelfußspannungen
auftreten. Dies liegt darin begründet,
dass sich die Glocke durch die Flügelbelastung stark dehnt, der
Flügelfuß diese
Dehnung jedoch behindert. Nach dem Stand der Technik ist es zur
Aufnahme der auftretenden Belastungen erforderlich, die Glockenwandstärke zu erhöhen, um
die Dehnungen gering zu halten. Dies führt zu einer Gewichtserhöhung. Durch
das erfindungsgemäße Vorsehen
von Versteifungselementen kann die Glockenwand dünner ausgebildet und somit
eine Gewichtsreduzierung erzielt werden.
-
Die
Anpassung der Versteifungselemente kann beispielsweise durch die
Art der Materialwahl, wie die Art der verwendeten Fasern erfolgen.
Auch die Anzahl, d. h. die Dichte der Fasern kann variiert werden.
Zusätzlich
oder anstatt der Materialwahl kann eine Anpassung auch durch eine
Querschnittsveränderung
erfolgen.
-
Durch
das Vorsehen eines Versteifungselements, insbesondere eines Versteifungsrings,
ist zusätzlich
im Schadensfall ein Auseinanderfliegen des Rotors vermieden, so
dass beispielsweise Folgeschäden
am Rotorgehäuse
durch sich lösende
Flügel vermieden
sind. Ferner bewirkt das Vorsehen des Versteifungselements eine
Erhöhung
der Eigenfrequenz des Rotorelements durch ein größeres polares Trägheitsmoment.
Des Weiteren wird die Flügeleigenfrequenz
vor allem bei langen Flügeln
der Saugstufe erhöht.
Da durch das Versteifungselement eine Vergleichmäßigung der Materialbelastung
erfolgt, kann die Flügelfußgeometrie
einfacher ausgestaltet werden. Ferner ist es möglich, günstigere Materialien für die Flügel sowie
die Rotornabe zu verwenden.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1 eine
schematische Draufsicht eines Rotorelements,
-
2 ein
schematischer Längsschnitt
eines Turbopumpenrotors mit mehreren Rotorelementen,
-
3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der auftretenden Kräfte und
Spannungen und
-
4 eine
vergrößerte Darstellung
des Bereichs IV. in 3.
-
Eine
Rotornabe 10 eines Rotorelements für Turbopumpenrotoren ist mit
mehreren am Umfang verteilt angeordneten Flügeln 12 verbunden. Üblicherweise
ist die Rotornabe 10 sowie die Flügel 12 einstückig ausgebildet
und aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die Flügel 12 verlaufen
im Wesentlichen radial nach außen
bezogen auf die Rotornabe 10. Sämtliche Flügelspitzen 14 sind
an ihrem äußeren Ende
mit einem ringförmigen
Versteifungselement 16 verbunden. Die Verbindung erfolgt
insbesondere durch Verkleben. Das ringförmige Versteifungselement bzw.
der Versteifungsring 16 ist aus Faserverbundwerkstoff hergestellt,
wobei die Glas- und/oder Kohlefasern umlaufend in Richtung eines Pfeils 18 umlaufen.
Durch Vorsehen des Versteifungsrings 16 können die
im Flügelfuß 20 im
Betrieb auftretenden Belastungen, insbesondere die Zugspannungen
reduziert werden.
-
Ein
Turbopumpenrotor (2) weist mehrere Rotorelemente 22 auf.
Die Rotorelemente 22 sind in Förderrichtung 24 der
Pumpe hintereinander angeordnet und fest mit einer Rotorwelle 26 verbunden. Zwischen
den einzelnen Rotorelementen 22 sind Statorelemente 28 angeordnet,
die mit einem Gehäuse 30 verbunden
sind.
-
Der
Effekt des erfindungsgemäßen Vorsehens
eines Versteifungselements 16 bei Rotorelementen für Turbopumpenrotoren
wird im Folgenden anhand der 3 und 4 in
einer vereinfachten theoretischen Betrachtung erläutert.
-
Von
der Annahme ausgehend, dass sich Flügel und Versteifungsring unabhängig voneinander dehnen
und lineare Zusammenhänge
für das
Dehnungsverhalten der Kompotenten bestehen, so ergibt sich bei einer
Nenndrehzahl n0 eine Dehnung des Versteifungsrings
von δArm0 und eine Dehnung des Flügels von δFI0.
Der Versteifungsring ist so ausgelegt, dass er sich bei Rotation
weniger stark dehnt als der Flügel.
Im Kraft-Dehnungsdiagramm werden nun die Punkte P1 und P2 durch
die entsprechenden Punkte P3 und P4 abgebildet. Der Flügel hat
demnach eine höhere
Belastung als der Versteifungsring. Nun stellt sich die Frage, wie
die Flügelbelastung
reduziert werden kann. Von der Annahme ausgehend, dass sich die
Kontaktflächen
der Flügelspitzen
und der Versteifungsring bei Drehzahl 0 nur gerade berühren und
damit kraftlos angekoppelt sind, so ändert sich dies offensichtlich
unter dem Einfluss der Drehzahl, da der Flügel sich stärker dehnt als der Versteifungsring.
Nimmt man weiterhin an, dass der Versteifungsring die Zusatzkraft
des Flügels
in Form der Differenz von P3 nach P4 alleine zu tragen hätte, würde dies
bedeuten, dass sich der Versteifungsring bis zum Punkt P5 weiter
dehnen würde.
Dies tut er aber nicht, da er Unterstützung durch die Steifigkeit
des Flügels
erfährt.
Um diese Unterstützung
qualitativ zu erfassen, verfährt
man analog zum Verspannungsschaubild einer Schraubenverbindung.
Hierzu legt man ein Hilfskoordinatensystem (in 4 gestrichelt dargestellt)
in den Punkt P4 und projiziert den Punkt P5 auf den Punkt P6 der
Abszisse des Hilfskoordinatensystems (4). Dieser
Punkt P6 ist der Punkt der zusätzlichen
Dehnung des Versteifungsrings bedingt durch die Zusatzkraft. Gleichzeitig
ist er aber auch der Punkt, in dem die Zusatzkraft wie angenommen
für den
Flügel
0 ist. Um den Beitrag des Flügels an
der Zusatzkraft zu ermitteln, legt man im Hilfskoordinatensystem
im Punkt P6 die gespiegelte Flügelkennlinie
an. Der Schnittpunkt P7 mit der Versteifungsringskennlinie ergibt
nun die resultierende Versteifungsring- und Flügelbelastung und damit die
entsprechende Belastungsreduktion des Flügels. Ebenso erhält man die
Dehnung δkombi der Kombination auf der Abszisse.
-
Aus
diesem Diagramm lässt
sich nun auch noch die neue erreichbare Drehzahl nneu ablesen. Dazu
projiziert man den Punkt P7 auf Punkt P8, verbindet Punkt P8 mit
dem Koordinatenursprung und hat nun die Drehzahlkennlinie der Kombination.
D. h., würde
man den Flügel
in der Kombination wieder der Belastung wie der ohne Versteifungsring
unterziehen, wäre
bei gleicher Drehung die Drehzahl nneu erreichbar.
In diesem Fall ist dann zu prüfen,
ob der Versteifungsring auch den Belastungsfall Punkt P5 ertragen
kann.