DE2046693A1 - Vacuum pump - Google Patents
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,Patent attorneys Dipl.-Ing. F. Weickmann,
Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A."Weιckmann, Dipl.-Chem. B. HuberDipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A. "Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber
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VakuumpumpeVacuum pump
Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumpumpen, die als Turbomolekularpumpen bekannt sind und so genannt werden, weil sie mit einer oder mehreren axial durchströmten Turbinenstufen 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 Zustand der freien Molekularströmung befindet, wie er durch sehr niedrige Drucke verursacht wird0 Zwar war bereits bekannt, daß sich das Prinzip mehrstufiger Axialverdichter für Gasturbinen und andere Strömungseinrichtungen ausnützen läßt, doch hat man vermutet, daß solche Kompresso- * τ en 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 angestrebtes hohes Vakuum zu erzeugen.The invention relates to vacuum pumps, which are known as turbo molecular pumps and are so called because they work with one or more axially flowed turbine stages that act as compressors, and because they are effective when the gas flow present in them is in relation to the important ones dimensions of Pumpenbeschaufelung is located in the state of free molecular flow, as it is caused by very low pressures 0 Although that the principle can take advantage of multi-stage axial compressor for gas turbines and other flow devices was already known, but it has been suggested that such compressors * τ In practice, s are not suitable for creating a high vacuum because the pressure rise in each stage in the continuous flow was so small that far too many stages were considered necessary to create a desired high vacuum.
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 Praxis zufriedenstellende Vakuumhöhen mit einer ver-Recently, however, it has been discovered that turbo pumps, when operated under proper conditions, have one can generate sufficient pressure increase per stage in order to achieve satisfactory vacuum levels in practice with a
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nünftigen Anzahl von Stufen zu erreichen. Normalerweise haben Pumpen dieses Typs ein Laufrad mit mehreren'Rotoren, das in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht ist, welches in der Kitte einen Einlaß und an jedem seiner axialen Enden einen Auslaß hat» Das Vakuum wird durch Drehung der zentral angeordneten Laufradwelle in der V/eise erzeugt, daß sich die Rotoren zwischen benachbarten Statoren mit hoher Geschwindigkeit bewegen, wobei die Rotor- und Statorpaare 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 Kompressoreinheit 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 Statoren gewöhnlich etwa spiegelbildlich zu den Rotoren angeordnet, denen sie zugeordnet sind, jedoch ist dies nicht unbedingt notwendige Reach a reasonable number of levels. Usually pumps of this type have an impeller with several rotors, which is housed in a cylindrical housing which has an inlet in the cement and at each of its axial Ends has an outlet. The vacuum is created by rotating the centrally arranged impeller shaft in the manner that the rotors move at high speed between adjacent stators, with the rotor and stator pairs are arranged in mirror image on both sides of the central inlet with respect to the angle. A typical pump like this Art thus has a ten to twenty stage left compressor unit consisting of many groups and one in the axial direction oppositely arranged right compressor unit, the left unit with a corresponding rotation of the The impeller shaft moves the gas molecules to the left and the right unit to the right with the same direction of rotation. In Following the known practices, the stators are usually arranged in approximately a mirror image of the rotors, which they are assigned, but this is not strictly necessary
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 Rotor oder Stator gehören, und zu Schaufeln mehr oder weniger benachbarter Rotor-Statorpaare·Presumably to this day the factors that influence the design and function of turbo pumps are not properly understood. Hence, there is considerable room for improvement in component design such vacuum pumps, such as the design of the blades and their arrangement and, above all, the shape and angle the blades, their position in relation to other blades belonging to the same rotor or stator, and more blades or fewer neighboring rotor-stator pairs
Da die bisherigen Vakuumpumpen bekannter Art nach verschiedenen Lehren des derzeitigen Standes der Technik konstruiert wurden, haben die sogenannten Turbomolekular-Vakuum-Since the previous vacuum pumps of the known type are constructed according to various teachings of the current state of the art the so-called turbo-molecular vacuum
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pumpen, "bisher nicht die Eigenschaften entwickelt, deren sie bei richtiger Konstruktion fähig wären. Die Erfindung schafft nun eine verbesserte Turbomolekular-Vakuumpumpe mit hohen Volumendurchsätzen, einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser und einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Stufen, die in der Lage ist, ein Vakuum in der Größenordnung von 10 ° Torr zu erzielen. Dies wird durch neue Konstruktionsmerkmale erreicht, die besonders die Konstruktion der Schaufeln betreffen.pumping, "has not yet developed the properties of which they are would be capable with proper construction. The invention now provides an improved turbomolecular vacuum pump with high Volume flow rates, a relatively small diameter and a relatively small number of stages, which is able to achieve a vacuum on the order of 10 ° Torr. This is due to new design features achieved, which particularly affect the construction of the blades.
Eine erfindungsgemäße Pumpe weist im typischen Fall ein zy- | lindrisches Außengehäuse auf mit einem Einlaß und mindestens einem Auslaß, und mit mindestens einer Kompressoreinheit, die in der Gegend des Einlasses einen Gasfluß im Druckbereich der freien Molekularströmung bewirkt. Dabei weist wenigstens eine Kompressorstufe ein Rotorelement mit mehreren Rotorschaufeln auf und der hintere Rand von wenigstens einem Segment einer Schaufel hat vom vorderen Rand der unmittelbar nachfolgenden Schaufel - gesehen in Drehrichtung der Schaufel - einen Abstand, der bei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Stufen kleiner wird. Schließlich kann sogar eine Überlappung vom hinteren Rand und vorderen Rand in Drehrichtung erfolgen. Die Arbeitsflächen der Rotor- und Statorschaufeln haben stufenweise eine kleinere radiale Erstreckung | und einen kleineren Winkel zur Drehebene, je näher die den Schaufeln zugehörigen Rotor- oder Statorelemente zum Auslaß der Maschine liegen. Die Schaufeln, besonders jene, die zu den näher dem Einlaßende zu gelegenen Rotoren und Statoren gehören, haben einen dünnen Querschnitt im Yerhältnis zu den Zwischenräumen zwischen den Schaufeln»A pump according to the invention typically has a zy- | cylindrical outer casing with an inlet and at least one outlet, and with at least one compressor unit, which in the area of the inlet causes a gas flow in the pressure range of the free molecular flow. At least one point a compressor stage a rotor element with a plurality of rotor blades on and the trailing edge of at least one segment of a blade has the leading edge of the immediate following vane - seen in the direction of rotation of the vane - a distance that is in the flow direction successive Steps becomes smaller. Finally, there can even be an overlap between the rear edge and the front edge in the direction of rotation take place. The working surfaces of the rotor and stator blades gradually have a smaller radial extension | and a smaller angle to the plane of rotation, the closer it is to the Blades associated rotor or stator elements lie to the outlet of the machine. The shovels, especially those that are too the rotors and stators closer to the inlet end belong, have a thin cross-section in relation to the spaces between the blades »
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:The invention is described below with the aid of exemplary embodiments in connection with the accompanying drawings. Show it:
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Fig.1 eine vertikale Sohnittansieht, teilweise schematisch, einer erfindungsgemäßen Turbomolekular-Hochvakuumpumpej 1 shows a vertical view, partly schematically, of a turbomolecular high vacuum pump according to the invention
Pig·2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors;Pig 2 is an enlarged perspective view of one embodiment a rotor according to the invention;
Pig»5 eine weiter vergrößerte fragmentarische Vorderansicht eines Teiles des die Schaufeln enthaltenden Rotorteils von Fig· 2 mit Blickrichtung stromaufwärts;Pig »5 is a further enlarged fragmentary front view a portion of the rotor part containing the blades of FIG. 2 as viewed upstream;
Pig.4 eine Ansicht einiger der Rotorschaufeln von Pig«3 mit Blickrichtung radial einwärts nach den Linien 4-4 der Jig·3lPig.4 is a view of some of the rotor blades from Pig «3 with Looking radially inwards along lines 4-4 of Jig 3l
Pig.5 eine Schnittansicht der Schaufeln, geschnitten nach der Linie 5-5 der PIg03;Pig.5 is a sectional view of the blades, cut along the line 5-5 of PIg 0 3;
Pig·6 eine Schnittansicht der Schaufeln, geschnitten nach der Linie 6-6 der Figo3;Pig 6 is a sectional view of the paddles, cut after the line 6-6 of Figo3;
Pig.7 einen Schnitt nach der Linie 7*-7 der Figo4, der eine typische Schaufelanordnung der Fig.2 zeigt;Pig.7 a section along the line 7 * -7 of Figo4, the one shows typical blade arrangement of Figure 2;
Pig.8 eine Schnittansicht des Schaufelzwisohenraumes im Rotor der Fig.2 und 3 nach der Linie 8-8 der Fig.4, d.i. rechtwinkelig zu einer schrägen Schaufelvorderfläche;Pig. 8 a sectional view of the blade space in the rotor of Figures 2 and 3 along the line 8-8 of Figure 4, i.e. perpendicular to an inclined blade face;
Pig·9 eine fragmentarische vergrößerte Seitenansicht eines Teiles eines Stators, der dem Rotor der Fig.2-7 zugeordnet ist, mit Blickrichtung stromabwärts;Pig 9 is a fragmentary enlarged side view of a Part of a stator, which is assigned to the rotor of Figure 2-7, looking downstream;
Fig.10 eine Vorderansicht eines Rotors aus einer mittleren Stufe der Pumpe, mit Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung;Fig.10 is a front view of a rotor from a middle Stage of the pump, looking against the direction of flow;
Pig.11 eine Teilvorderansicht eines funktionell zum Rotor der Flg.10 gehörenden Stators mit Blick in Strömung sriohtung;Pig.11 is a partial front view of a functional to the rotor the stator belonging to wing 10 with a view of the flow direction;
Pig»i2 eine fragmentarische Vorderansicht eines Rotors für die Verwendung in der Nähe des Auslaßendes der Pum··Pig »i2 a fragmentary front view of a rotor for use near the outlet end of the Pum
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pe, mit Blickrichtung stromaufwärtsjpe, looking upstream j
Pig.13 eine radial nach innen gerichtete Ansicht einesPig.13 a radially inward view of a
Teils des Rotors der Fig.12 nach der Linie 15-13 dieser figur;Part of the rotor of Figure 12 along the line 15-13 of this figure;
Fig« 14 einen Schnitt des Schaufelendes des Rotors der 3?±ge 15 nach der Linie 14-14 dieser Figur j14 shows a section of the blade end of the rotor of FIG. 3? E 15 along the line 14-14 of this FIG
Fig.15 eine vertikale Schnittansioht des SchaufelZwischenraumes
in dem Rotor der Fig»i3» geschnitten nach der
Linie 15-15 dieser Figur, dei. im rechten Winkel
zur schrägen Schaufelvorderfläche;15 is a vertical Schnittansioht the vane interspace 15-15 this figure, d i e cut in the rotor of Figure "i3" on the line. at a right angle
to the sloping front surface of the blade;
Fig.16 eine schematische Projektion der Schaufelteile
eines Rotors, um die Punkte kenntlich zu machen,
auf welche einige der erwähnten Abmessungen bezogen sind;16 shows a schematic projection of the blade parts
a rotor to mark the points,
to which some of the dimensions mentioned are related;
Fig.17 eine schematische Ansicht einer Rohranordnung, zur
Kennzeichnung der Punkte, an welchen einige andere
Maße abgenommen sind«Fig.17 is a schematic view of a pipe arrangement to identify the points at which some others
Dimensions have been taken "
Die Erfindung wird an einem speziellen Ausführungsbeiapiel
■beschrieben, bei dem ein zylindrisches Gehäuse zwei Kompressor
einheit en enthält, eine auf der linken und eine auf der
rechten Seite, die beide Gasiaaleküle in einem der freien g
Molekularströmung entsprechenden Bruckbereich aus einem
Mittelteil des Gehäuses nach den entgegengesetzten axialen. Enden des Gehäuses abziehen, wobei die Moleküle einen an«
nähemä axial verlaufende.;! iitromirngsvieg nehmen* Me Lehre
der Erfindung ist aber au oh a;.f aahlreiühö andere Pumpen iConstruktionen
anwendbar©The invention is described on a special Ausführungsbeiapiel ■, in which a cylindrical housing contains two compressor units, one on the left and one on the right side, the two Gasiaaleküle in one of the free g molecular flow corresponding bridging area from one
Central part of the housing after the opposite axial. Pull off the ends of the housing, leaving the molecules in a «
closer axially.;! iitromirngsvieg take * Me teaching
However, the invention can also be used in a number of other pump designs
Im eijiäselaeii zeigt iUg*1 eiiioi teilweia^ a aiiemati sollen. lzr tikalscimitt einer verbesserten Vakuumpumpe 30«. Die 'furbomolekularpumpe seibat, die mit Ύ? cft3ö:lchnet ist, ist mitIn the eijiäselaeii shows iUg * 1 eiiioi teilweia ^ a aiiemati shall. lzr tikalscimitt an improved vacuum pump 30 ". The 'furbomolecular pump seibat, which starts with Ύ? cft3ö: l is calculated, is with
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ihrem Einlaß unmittelbar an einen zu evakuierenden Bereich 34 ansohlleßbar, beispielsweise ein Gefäß mit einer Glocke oder dergleichen, das nicht dargestellt ist. Der Ausstoß der Pumpe gelangt durch eine oder mehrere bei 38 schematiech angedeutete Leitungen von Ausgangsleitungen 40 zweier axial sich gegenüberliegender ringförmiger Sammelkanäle 42 zu einer sogenannten Vorvakuumpumpe 36 bekannter Art·their inlet directly to an area to be evacuated 34 can be attached to the sole, for example a vessel with a bell or the like not shown. The output of the pump passes through one or more at 38 schematically Indicated lines of output lines 40 of two axially opposite annular collecting channels 42 to a so-called backing pump 36 of known type
Im einzelnen weist die Pumpe 32 ein Anschlußstück 44 auf, das mit dem zu evakuierenden Bereich verbunden wird, ferner eine große Spirale 46, die die Außenflächen 48 eines zylin- ^ arischen Gehäuses 50 umgibt, das mehrere weite Einlaßöffnungen 52 hat, die teilweise von in der Mitte angeordneten, sich in Achsrichtung gegenüberstehenden 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 mehrerer Statorelemente 62 axial festlegen. Jedes Statorelement 62 hat eine durchgehende, ringförmige Nabe 64, deren innerer Band 66 eine runde Öffnung begrenzt. An jedem Statorelement 62 sind ferner mehrere Statorschaufeln 67 vorgesehen, deren Konstruktion noch genauer beschrieben wird. Die axiale Reihe von beabstandeten Statorelementen 62 bildet den Stator 68.In detail, the pump 32 has a connection piece 44 which is connected to the area to be evacuated a large spiral 46, which the outer surfaces 48 of a cylindrical ^ Arischen housing 50 surrounds the several wide inlet openings 52 has, which are partially arranged in the center, axially opposite edges 54 of the housing 50 are formed. The inside 56 of the housing 50 receives a plurality of support rings 58, each of which is adjacent Pairs axially define the outer edges 60 of a plurality of stator elements 62. Each stator element 62 has a continuous, annular Hub 64, the inner band 66 of which delimits a round opening. There are also a plurality of stator blades on each stator element 62 67 provided, the construction of which will be described in more detail. The axial row of spaced apart stator elements 62 forms the stator 68.
^ Ein weiterer Hauptbestandteil der Pumpe 32 ist ein rotierendes Schaufelrad 70, das aus einem linken Kompressorteil 72 und einem rechten Kompreasorteil 74, sowie einem zylindrischen Mittelstück 76 ohne Schaufeln besteht, das in einem Abstand einwärts von den Einlaßöffnungen 52 des Gehäuses liegt. Die beiden Kompressorteile 72, 74 weisen mehrere Rotorelemente 78 auf und sind spiegelbildlich zueinander angeordnet» so daß bei einer vorgegebenen Brehriohtung des Schaufelrades der eine eine Strömung der Gasmoleküle naoh links in Pig„1 erzeugt und der andere die Gasmoleküle naoü rechts^ Another major component of the pump 32 is a rotating one Impeller 70, which consists of a left compressor part 72 and a right compressor part 74, as well as a cylindrical Center piece 76 without vanes, which is spaced inwardly from the inlet openings 52 of the housing lies. The two compressor parts 72, 74 have several rotor elements 78 and are arranged in mirror image to one another »so that with a given width of the paddle wheel one of them creates a flow of the gas molecules near the left in Pig "1 and the other the gas molecules near the right
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evakuiert. Es wird deshalb nur aer linke Kompressor 72 genauer beschrieben, da der rechte Kompressor 74 bis auf spiegelbildliche Anstellwinkel der Schaufeln mit ihm identisch ist«,evacuated. Therefore, only the left compressor 72 is described in more detail, since the right compressor 74 except for mirror images The blade angle is identical to it «,
Der linke Kompressor 72 weist, wie erwähnt, mehrere Rotorelemente 78 auf, die an der Habe 80 des Schaufelrades 70 befestigt sind und mit dieser rotieren. Jedes Rotorelement 78 bildet zusammen mit dem zugehörigen, unmittelbar benachbarten Statorelement 62 eine eigene Stufe und mehrere nebeneinanderliegende Stufen der gleichen Beschaufelung in Form und Größe bilden eine mehrstufige Arbeitsgruppe 82· Mehrere Ar- " beitsgruppen 82, 84, 86 sind in Achsrichtung nach außen aufeinanderfolgend angeordnet, wobei jedes Stator-Rotor-Paar einer bestimmten G-ruppe die gleiche Konfiguration hat, sich aber von den Stator-Rotor-Paaren einer benachbarten Arbeitsgruppe in seiner Konstruktion unterscheidet, wie weiter unten noch genauer ausgeführt wirdeAs mentioned, the left compressor 72 has a plurality of rotor elements 78 which are fastened to the hub 80 of the impeller 70 and rotate with it. Each rotor element 78 forms together with the associated, immediately adjacent Stator element 62 has its own step and several adjacent Levels of the same blading in shape and size form a multi-level working group 82 · Several ar- " Working groups 82, 84, 86 are consecutive outward in the axial direction arranged, with each stator-rotor pair of a certain group having the same configuration but differs in its construction from the stator-rotor pairs of a neighboring working group, as further below was set out in more detail
Das Schaufelrad 70 ist in Lagern 88, 90 gelagert und wird von einem Schrägzahnrad 92 angetrieben, das seinerseits von einem nicht gezeigten motorgetriebenen Zahnrad mit viel grösserem Durchmesser, o,dglo angetrieben wird. Die in Pig»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« The paddle wheel 70 is mounted in bearings 88, 90 and is driven by a helical gear 92 which is driven in turn by a not-shown motor-driven gear with a much larger diameter, o, o the like. The components of the | Pump 32 are common components and not essential to the invention, so that they are not explained in more detail below.
Bevor auf die Konstruktionsdetails der in den Mg·2 - 15 gezeigten Vorrichtung näher eingegangen wird, sei erwähnt, daß die spezifischen Formen der veranschaulichten Rotor-Stator-Konstru* tion mit in Segmenten geteilten Schaufeln sich strukturell ausführbar und bequem herstellbar erwiesen haben· So kann beispielsweise ein herkömmlicher einzigerBefore proceeding to the construction details of those shown in Figs Device is discussed in more detail, it should be mentioned that the specific shapes of the illustrated rotor-stator construction * tion with blades divided into segments have proven to be structurally feasible and easy to manufacture For example, a conventional single
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Scheibenfräser mit drei Schneidflächen von unterschiedlichem Radius ohne weiteres die in den Figo2-11 dargestellte Schaufel in einem einzigen 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 Rotoren, Statoren und dergleichen mit den beanspruchten Merkmalen im Rahmen der Erfindung vorteilhaft anwendbare 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 Rotorgruppen 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 mußοDisk milling cutters with three cutting surfaces of different radius easily have the blade shown in FIGS. 2-11 Manufacture in a single work step «This is possible because each work surface is parallel to its assigned Area is because the smallest gaps exist between the innermost surfaces in the radial direction and because the cuts lie radially or otherwise in a straight line «However, other forms of rotors, stators, are also possible and the like with the claimed features within the scope of the invention which can advantageously be used in this context For example, it is obvious to a person skilled in the art that blades divided into segments are not absolutely necessary and that although three rotor groups are illustrated, a turbo pump according to the invention also have only two groups can or four or more, and that each group consists of an equal or approximately the same number of stages can, but does not necessarily have to exist
Wie aus den Figo 2-8 ersichtlich, weist ein Rotorelement 78 des Typs, wie er vorzugsweise in der am 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 derselben bildet. In der Nabenmitte innerhalb des Hauptkörpers 104 der Nabe 98 ist eine Öffnung 100 vorgesehen, die von radial naoh innen laufenden Wänden 102 der Nabe gebildet ist·As can be seen in Figures 2-8, a rotor element 78 of the type preferably used in the one closest to the inlet located group 82 is used, a series of blades 94 on. Each blade 94 terminates in an internal one Base 96 by which it is firmly attached to the hub 98 so that it forms part of the same. In the center of the hub inside The main body 104 of the hub 98 has an opening 100 formed by walls 102 running radially close to the inside the hub is formed
Jede Schaufel 94 in der ersten oder in Strömungsrichtung obersten Rotorstufe ist eine in Segmente unterteilte Sohaufel mit einem Randsegment A, einem mittleren Segment B und einem inneren Segment C, Das äußere oder Randsegment A weist eine naoh außen gekehrte Stirnfläche 106 und eine ebene Vorderfläohe 108 auf. Das Segment B hat eine Fläche 110 undEach blade 94 in the first or uppermost rotor stage in the direction of flow is a blade divided into segments with an edge segment A, a middle segment B and an inner segment C, the outer or edge segment A has a nearly outwardly turned end face 106 and a flat front face 108 on. The segment B has a surface 110 and
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das Segment G eine Fläche 112O 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 bzwo G, die etwa stromabwärts gerichtet sind» Die Flächen 114, 116, 118 sind gegeneinander in Drehrichtung schräg versetzt, so daß beispielsweise die äußerste stromabwärts gelegene Fläche 114 von der ihr vorauslaufenden Fläche 120 merklich beabstandet ist0 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 ί 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 stromaufwärts gelegenen Fläche 124 und der stromabwärts gelegenen Fläche 118, die ihr unmittelbar folgt. Da die in radialer Richtung weiter außen liegenden Flächen die größere !Lineargeschwindigkeit haben, muß der lineare Abstand in tangentialer Richtung am Umfang des Rotors 78 am größten sein. Aus Fig.7 ist ersichtlich, daß die innersten Teile 126, 128, 130 jedes Schaufelsegmentes A, B, 0 schmaler sind als die äußeren Teile 132, 134, 136 des gleichen Segmentes, und daß der dickste innere Teil 130 der Habe 98 am nächsten ist, während der dünnste innere Teil 126 zum äußersten Sohaufelsegment A gehört« ™the segment G a surface 112 O All surfaces 108, 110, 112 lie in a common plane parallel to the direction of rotation of the blade. Furthermore, each blade 94 also has inclined working surfaces 114, 116, 118 on the segments A or ", B or G, which are directed approximately downstream" downstream surface is spaced significantly from the 114 its leading end surface 120 0 the latter is parallel but directed, on the other side of the vane 94 to downstream. The surface 122, which is located radially inward of the surface 120, is a smaller distance ί from the downstream surface 116 immediately following it than the surface 120 is from the surface 114, and the last distance in the direction of rotation is between that located upstream Face 124 and the downstream face 118 immediately following it. Since the surfaces lying further out in the radial direction have the greater linear velocity, the linear distance in the tangential direction must be greatest at the circumference of the rotor 78. From Figure 7 it can be seen that the innermost parts 126, 128, 130 of each vane segment A, B, 0 are narrower than the outer parts 132, 134, 136 of the same segment, and that the thickest inner part 130 of the hub 98 is closest while the thinnest inner portion 126 belongs to the outermost pile segment A «™
Fig.8 läßt erkennen, daß der Abstand auf der Linie A-A der größte zwischen entgegengesetzt geriohteten vorauslaufenden und nachlaufenden Flächen 120, 114 ist, und daß der Abstand in tangentialer und senkrechter Richtung zwischen den Flä*· chenpaaren 122, 116 und 118, 124 stufenweise kleiner ist· Nichtsdestoweniger ist der Abstand zwischen den Schaufelsegmenten selbst an deren innersten Absohnitten noch beträoht« lieh und widerspricht dem bisherigen Stand der Technik«Fig.8 shows that the distance on the line A-A of largest between oppositely aligned leading and trailing surfaces 120, 114, and that the distance in tangential and vertical direction between the surfaces pairs of blades 122, 116 and 118, 124 is gradually smaller · Nonetheless, the distance between the blade segments is even pissed off at their innermost absurdities " borrowed and contradicts the current state of the art «
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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 Figo 3 - 6 ist ersichtlich, daß für die Rotoren 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·Likewise, the blade is thicker at the base of each segment, as stated above, but the blades are still in Very thin compared to previous technology »From the Figo 3-6 it can be seen that for the rotors of the first group the included acute angle is between an upstream lying surface 120 and the plane of rotation is relatively steep or of great slope, in the shown Embodiment, for example, 40 °. The importance of this point will be explained later
In Fig« 9 ißt ein Sektor eines Statorelementes 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 Statorelement 62 sind ebenfalls in Segmente unterteilt, und zwar in die Segmente D, E und F, denen jeweils eine ebene Vorderfläche 138, 140, 142 zugehörtο 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 Rotorschaufeln 94. Bei Betrachtung der Fig»? -· 9 sieht man, daß das Rotorelement 78 und das Statorelement 62 gleichgeartet sind. Um dies besser zu veranschaulichen, ist in Fig.3 die Blickrichtung auf das Rotorelement 78 von unterhalb nach stromaufwärts gewählt, wogegen Figo9 eine axiale Ansioht des Statorelementes von der stromaufwärts gelegenen Seite in Stromriohtung zeigt, um die Ähnlichkeit der Konstruktionen zu betonen, obwohl Rotor und Stator, in einer Arbeitsmaschine eingebaut, bezüglich des Anstellwinkels spiegelbildlich sind. Beim Statorelement 62 ragen jedoch die Außenränder 60 jeder Schaufel in radialer Richtung etwas weiter naoh außen als ihre Gegenstücke 132 an den Rotorelementen 78, da diese Außenränder 60 von den Stützringen 58 festgehalten werden sollen (Fig,1). Wo also Statoren und Rotoren einander zugekehrt angeordnet sind, sindIn Fig. 9 a sector of a stator element 62 of the first group is shown. It has several blades 67, which are from a hollow hub 64 protrude outwards · An edge 66 of the hub delimits a wide opening. The blades 67 on the stator element 62 are also divided into segments, namely into segments D, E and F, each of which has a flat front surface 138, 140, 142 belonging o obliquely positioned upstream Work surfaces 144, 146, 148 are provided on segments D, E and F in the same way as their counterparts 114, 116 and 118 on rotor blades 94. As viewed the fig »? - · 9 it can be seen that the rotor element 78 and the stator element 62 are of the same kind. In order to better illustrate this, the direction of view of the rotor element is shown in FIG 78 selected from below to upstream, whereas FIG. 9 shows an axial view of the stator element from the upstream side in flow direction to emphasize the similarity of the constructions, although rotor and Stator, installed in a machine, are mirror images of the angle of attack. In the case of the stator element 62 however, the outer edges 60 of each blade protrude somewhat closer to the outside in the radial direction than their counterparts 132 the rotor elements 78, since these outer edges 60 of the support rings 58 are to be recorded (Fig, 1). So where stators and rotors are arranged facing each other, are
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- it -- it -
entsprechende Teile zueinander spiegelbildlichecorresponding parts mirror images of one another
In Figo 10 ist ein Rotorelement 78a für eine mittlere Gruppe der Turbopumpe gezeigt. Es gleicht dem Rotorelement 78 der ]?ige2 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 nachlaufenden Kanten 154 und vorlaufenden Kanten 156 der Schaufelsegmente B und das Glei·* λ ehe gilt für die Kanten der Segmente O0 In FIG. 10, a rotor element 78a for a middle group of the turbo pump is shown. It is similar to the rotor element 78 of the]? Ig e 2 and 3 with the exception that the distances between the working surfaces 114a, 116a, 118a and the surfaces 120a, 122a, 124a in the rotational direction are somewhat smaller, so that a slight overlap between a trailing Edge 150 of a segment A and the leading edge 152 of the immediately following segment A is present. The same situation exists for the corresponding trailing edges 154 and leading edges 156 of the blade segments B and the equation * * λ before applies to the edges of the segments O 0
Weiter ist aus Pig«. 10 ersichtlich, daß die Anstellung der Arbeitsflächen 114a, 116a, 118a zur Rotationsebene etwas flacher ist als bei einem in der Mhe des Pumpeneinlasses lie« genden Rotorelement; der Winkel zwischen einer Pläche und der Rotationsebene beträgt in diesem Pail vorzugsweise etwa 20°. Die Flächen 114a, 116a, 118a sind breiter als ihre Gegenflächen 108, 110, 112 in der ersten Gruppe und demgemäß ist die Gesamt breite, gemessen r-arallel zur Vorderseite der Flächen, für die flächen 114a, 116a, 118a merklieh größer als diejenige ihrer Gegenstücke 114» 116, 118 in der ersten Stufe, wobei die axiale Dicke der Rotorelemente 78 und 78a die I gleiche ist. Dagegen ist die Dicke jedes Schaufelsegmentes A, B, 0 in der zweiten Gruppef gemessen senkrecht zu einer Pläche desselben, gegenüber der gleichen Abmessung für die Schaufeln der ersten Stufe etwas kleiner»Next is from Pig «. 10 shows that the inclination of the working surfaces 114a, 116a, 118a in relation to the plane of rotation is somewhat flatter than in the case of a rotor element which is close to the pump inlet; the angle between a plane and the plane of rotation is preferably about 20 ° in this pail. The surfaces 114a, 116a, 118a are wider than their mating surfaces 108, 110, 112 in the first group and accordingly the total width, measured r-parallel to the front of the surfaces, for the surfaces 114a, 116a, 118a is markedly larger than that of theirs Counterparts 114 »116, 118 in the first stage, the axial thickness of the rotor elements 78 and 78a being the same. On the other hand, the thickness of each blade segment A, B, 0 in the second group f, measured perpendicular to a surface thereof, is somewhat smaller than the same dimension for the blades of the first stage »
Pig. 11 zeigt ein Statorelement 62a, das etwa spiegelbild*· lieh zum Rotorelement- 78a ausgeführt ist» ausgenommen die größere radiale Erstreckung des Außenrandes 60a des Schaufelsegmentes D und die Ausdehnung nach innen, die durch eine Pig. 11 shows a stator element 62a, which is approximately a mirror image * Borrowed to the rotor element 78a is carried out »with the exception of the greater radial extension of the outer edge 60 a of the blade segment D and the inward expansion, which is through a
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Fläohe 64a begrenzt ist. Sonst ist dieses Statorelement genau gleich konstruiert wie das zugehörige Rotorelement 78a.Area 64a is limited. Otherwise this stator element is constructed in exactly the same way as the associated rotor element 78a.
In den Fig.12 - 15 ist ein Rotorelement 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 Vorderflache 108b, eine vorlaufende Kante 152b und eine nachlaufende Kante 150b hato Die radiale Erstreckung der Arbeitsfläche 114b ist, verglichen mit dem Gesamtdurchmesser des Rotorelementes 78b, verhältnismäßig schmal und die Überlappung zwischen der nachlaufenden und der vorlaufenden Kante ist erheblich und liegt merklioh über der in den Rotoreiernenten der mittleren Stufen vorhandenen.In FIGS. 12-15, a rotor element 78b is for a near The group located at the outlet of the pump is shown * It has a blade 94b with only a single segment G, the a downstream face 114b, a flat front face 108b, a leading edge 152b and a trailing edge Edge 150b has the radial extent of the working surface 114b compared to the overall diameter of the rotor element 78b, relatively narrow and the overlap between the trailing and leading edges is considerable and is merklioh above that in the Rotoreiernenten der middle stages existing.
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 10°. Weiter ist aus Mg.14 ersichtlich, daß, wie bei den anderen Rotorschaufeln, der innere Teil oder die Basis 154 des Segmentes G schmaler ist als das Endstück 106b des Segmentes φAs can be seen in FIGS. 13 and 14, they are upstream and downstream vane surfaces 114b and 120b relatively flat, in this case about 10 °. It can also be seen from Mg.14 that, as with the others Rotor blades, the inner portion or base 154 of the Segment G is narrower than the end piece 106b of the segment φ
In Figoi5 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 Rotoren, obwohl wegen der geringen Steigung der Schaufeln der Abstand dazwischen, in Fortbewegungs« riohtung gemessen, wesentlich größer ist. Wie aber schon er«- vräiuit, Bind 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 zuwiderlaufenIn Figoi5 it is made clear that the distance between the Areas 120b and 114b measured at right angles to the Blade areas, is small in relation to the corresponding dimensions on those in the inlet stage and the middle Stage rotors used, although because of the small pitch of the blades the distance between them, in locomotion « direction measured, is much larger. But like him «- vräiuit, Bind the proportions of the blade depth to the distance and the thicknesses of the blades of such dimensions and relationships that they meet the previous professional rules and run counter to the known constructions
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Das Statorelement für jede dritte Gruppe, das zu einem Rotor im höheren Druckbereich gehört, ist nicht dargestellt. Es ist selbstverständlich, wie die anderen Statorelemente, etwa ein Spiegelbild des zugehörigen Rotorelements0 The stator element for every third group, which belongs to a rotor in the higher pressure range, is not shown. It goes without saying, like the other stator elements, for example a mirror image of the associated rotor element 0
Eine erfindungsgemäße Pumpe umfaßt etwa 2 bis 7 oder mehr Druckstufen, von denen jede aus einem Rotorelement und einem Statorelement der in den Mg02 - 9 gezeigten Art zusammengesetzt ist, ferner eine gleiche Anzahl von Stufen, die aus Rotor-Stator-Paaren des in den Fig.10 und 11 gezeigten Typs bestehen, und eine ähnliche Anzahl von Stufen, die Rotorelemente nach Art der in den Pig·12-15 gezeigten mit zugehörigen ' Statorelementen umfassen· Es ist nicht notwendig, daß jede mehrstufige Gruppe die gleiche Anzahl von Rotor-Stator-Paaren hat, aber es ist gemäß der Erfindung vorteilhaft, daß die am weitesten stromaufwärts gelegenen Stufen- die in den I1Ig0 2 bis 9 gezeigten Konfigurationen haben, daß die mittleren Stufen aus Rotoren und Statoren der Figo 10 und 11 bestehen und daß die letzten Stufen Rotoren 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 variiereno Die Anzahl und die Art der Stufen und Gruppen wird in Abhängigkeit von den Anforderungen, die an die Pumpe ge« i 3tellt werden, bestimmt. Mehr erste Stufen mit mehr offenen Schaufeln ergeben ein größeres Volumen und mehr Stufen des in Figo 12 gezeigten Typs ergeben beispielsweise einen höheren Druckanstieg pro Stufe«A pump according to the invention comprises from about 2 to 7 or more pressure stages, each of 2 of a rotor element and a stator in the Mg 0 - type shown 9 is composed, further comprising a same number of stages of rotor-stator pairs of in 10 and 11, and a similar number of stages comprising rotor elements of the type shown in Figures 12-15 with associated stator elements. It is not necessary for each multi-stage group to have the same number of rotors stator can stay in pairs, but has according to the invention it is advantageous that the farthest upstream have staged in the Ig I 1 0 2 to 9 configurations shown that the middle stages of the rotors and stators 10 and 11 consist Figo and that the last stages comprise rotors of the type shown in Figures 12-15. As mentioned above, the number of stages in the groups vary considerably and the number of groups in each compressor section can be somewhat variiereno The number and nature of levels and groups i depending on the requirements ge to the pump " 3 are determined. More first stages with more open blades result in a larger volume and more stages of the type shown in FIG. 12 result in, for example, a higher pressure increase per stage «
In den Figo 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 Figo 16 ist beispielsweise die Schaufeltiefe mit "b11 bezeichnet, der Schaufelwinkel ist "a11 genannt und bezeichnet den Winkel, der zwischen der Rotationsebene und der Arbeits«In Figo 16 and 17, the components having the characteristic features are shown schematically to the points at which the candidate measurements are taken to show "In Figo 16, the blade depth with", for example, b is designated 11, the blade angle is "a 11 called and denotes the angle between the plane of rotation and the working"
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fläche der Rotorschaufel eingeschlensen ist. Schaufeln mit einem höheren numerischen Wert dieses Winkels werden als steiler angestellt oder als Schaufeln mit größerer Steigung bezeichnet, diejenigen mit kleineren numerischen 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 "s ". Das Verhältnis des Schaufelzwischenraums zur Schaufeltiefe ist s/b. Die Dicke einer Schaufel ist mit "t" bezeichnet Daher istsurface of the rotor blade is closed. Shovels with a higher numerical value of this angle are employed as steeper or as blades with a greater pitch denotes, those with smaller numerical values for "a" are called flat or blades with a smaller pitch « The tangential distance between blades is denoted by "s", the total tangential distance between corresponding parts of adjacent blades is "s". The relationship the vane gap to the vane depth is s / b. The thickness of a blade is denoted by "t". Therefore, it is
an = s + —I . Bei einem Schaufelwinkel von beispiels- a n = s + -I. With a blade angle of for example
o sin a o sin a
weise 45 und t gleich 1 gilt s = s + r2. Wenn a gleich 50 ist, gilt s = s + 2. Der Schaufelzwischenabstand, gemessen im rechten Winkel zur Arbeitsfläche der Schaufel, ist mit "w" bezeichnet; folglich gilt: s = w . sin a.wise 45 and t equals 1, s = s + r2 applies. If a is the same 50, then s = s + 2. The distance between the blades, measured at right angles to the working surface of the blade, is denoted by "w"; consequently the following applies: s = w. sin a.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen von Schaufelzwischenabstand und Schaufeldicke gesprochen wird, sollen damit die Abmessungen an den äußeren Enden der Schaufel gemeint sein, doi· beispielsweise die Zwischenräume zwischen den Segmenten A oder D.When reference is made in the present specification and claims of blade spacing, and blade thickness, therefore is intended to mean at the outer ends of the blade, the dimensions, o d i ·, for example, the spaces between the segments A or D.
In Figo 17 ist der Radius der Nabe mit r, und der Außenradius des Rotors mit r, bezeichnet; die Differenz 1st die radiale Schaufelspanne oder -länge wl". Die länge "1" im Verhältnis zum Schaufelzwischenabstand s wird als das Aspektverhältnis (Flügelstreckung) des betreffenden Abschnittes bezeichnete Die örtliche lage der Schaufeln an den Naben und die gewünschten Schaufelspannen oder -längen werden in Bezug auf den gesamten Rotorradius r. besprocheneIn FIG. 17, the radius of the hub is denoted by r and the outer radius of the rotor is denoted by r; the difference is the radial blade span or length w 1 ". The length" 1 "in relation to the blade spacing s is referred to as the aspect ratio (blade extension) of the relevant section in relation to the total rotor radius r
Naoh der Lehre der Erfindung sind einige Verallgemeinerungen formuliert worden, die diese Winkel und Abmessungen und deren Beziehungen zueinander betroffene Typische angestrebte After teaching the invention, some generalizations are made that these angles and dimensions and their relationships to one another were typically aimed at
1 0 9 8 1 9 / 1 1 0 h 1 0 9 8 1 9/1 1 0 h
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Werte für diese Winkel und Abmessungen kennzeichnen hierin veranschaulichte Komponenten, die erwiesenermaßen beste Ergebnisse liefern. So sind allgemein bei in einem Hochvakuum eingeschlossenen G-asmolekülen eine Anzahl von Faktoren wesentlich, die sich auf ihr Verhalten unter dem Einwirken einer Pumpe nach Art der beschriebenen beziehen.Values for these angles and dimensions indicate components illustrated herein that have been shown to perform best deliver. In general, for gas molecules enclosed in a high vacuum, a number of factors are essential, which relate to their behavior under the action of a pump of the type described.
Z.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 Kollisionen 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 Paktor für die Leistungsfähigkeit der Turbopumpe ist das Verhältnis der Schaufelgeschwindigkeit zur mittleren Molekulargeschwindigkeit, während andere Faktoren, etwa die Proportionen der Schaufeln und der Schaufel« zwisohenräume, die Wahrscheinlichkeit beeinflussen, mit der Gasmolekel durch einen Rotor oder Stator eher in der einen als in der entgegengesetzten Richtung wandern. Da die Gasdichte in Strömungsrichtung um viele Größenordnungen zunimmt und damit der Volumenäurchsatz entsprechend abnimmt, werden für die verschiedenen Parameter, nämlich Ma", "s/b", "r,/r." undFor example, the speed of the molecules of a specific gas species depends on the absolute temperature and on the molecular weight of the gas molecules. The nature of the gas flow depends on the relative frequency of the collisions of the gas molecules with one another or with a rotor or stator blade. This frequency is determined by the mean free path of the molecules in relation to the dimensions of the blades and blade spaces. With a sufficiently large mean path length compared to the blade and gap dimensions, the behavior of the molecules is therefore predominantly, almost exclusively, influenced by their collisions with the working surfaces of the device and not by the collisions with one another. Due to the high vacuum, the temperatures in the turbo pump are practically the same everywhere, since the dissipation and radiation of the energy from the blades are very large compared to the kinetic energy of the molecules hitting the blades, an important factor for the efficiency of the turbo pump the ratio of the blade speed to the mean molecular speed, while other factors, such as the proportions of the blades and the space between the blades, influence the likelihood that gas molecules will travel in one direction rather than the other through a rotor or stator. Since the gas density increases by many orders of magnitude in the direction of flow and thus the volume throughput decreases accordingly, for the various parameters, namely M a "," s / b "," r, / r. "And
nt;nt;
"T/w", für die verschiedenen Stufen unterschiedliche Werte"T / w", different values for the different levels
109819/110/.109819/110 /.
ORiQhMAL H-43PECTEDORiQhMAL H-43PECTED
gewählt, um eine optimale Leistung hinsichtlich der Höhe des Vakuums und der Größe des Volumendurchsatzes oder der Pumpgeschwindigkeit zu erzielen.chosen to achieve optimum performance in terms of the level of vacuum and the size of the volume flow rate or the pumping speed to achieve.
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 Figo2 -15 gezeigten Rotor-Stator-Konfigurationen unerwartet hohe Druckanstiege in den Stufen der mittleren und stromabwärts gelegenen Rotorgruppen erzielbar waren, wobei ein ausgezeichneter Volumendurchsatz erhalten bliebe Weiter wurde ein unerwartet großer Volumendurchsatz speziell mit den Rotor-Stator-Paaren 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 Pumpen gleicher Größe hinsichtlich des mit einer vorgegebenen Anzahl von Stufen erzielbaren Druckes, des Volumendurchsatzes oder der Pumpgeschwindigkeit.To determine whether the considered by the invention as possible improvements actually occur, experiments were conducted, which showed that with the results shown in FIGS o 2 -15 rotor-stator configurations unexpectedly high pressure increases in the levels of the middle and downstream located rotor groups were achievable, whereby an excellent volume throughput would be maintained.Furthermore, an unexpectedly high volume throughput was achieved especially with the rotor-stator pairs, which made up those stages which contained the group next to the high vacuum end of the pump, but also in the stages of the middle one Group. As an overall result, the overall performance of the pump was superior and exceeded the performance of previously known pumps of the same size many times over with regard to the pressure, the volume throughput or the pumping speed that can be achieved with a given number of stages.
Um die Ergebnisse der Versuche zusammenzufassen: Es wurde festgestellt, daß Rotoren und Statoren nächst dem Einlaß der Turbopumpe vorzugsweise einen verhältnismäßig steilen Anstellwinkel von beispielsweise etwa 40 haben sollen, daß ferner die Schaufeldicke t im Verhältnis zu dem Abstand s zwischen den Schaufeln so klein als es im Hinblick auf die erforderliche Festigkeit und die Fertigungsbedingungen möglich ist, sein soll« Für Rotoren und Statoren nahe dem Einlaß soll das Verhältnis des Nabenradius r, zum Gesamtradius r, im Bereich von etwa 0,4 bis 0,8, vorzugsweise bei 0,5 oder 0,6 liegene Die Länge oder Spanne einer Rotor- oder Statorschaufel am Einlaßende soll im Verhältnis zum Schaufelzwischenabstand s mindestens 1,5 bis 1 betragene Es wurde bei- To summarize the results of the experiments: It was found that rotors and stators next to the inlet of the Turbopump should preferably have a relatively steep angle of attack of, for example, about 40 that furthermore the blade thickness t in relation to the distance s between the blades as small as possible in view of the required strength and the manufacturing conditions ist, sein shall «For rotors and stators near the inlet, the ratio of the hub radius r to the total radius r, in the range from about 0.4 to 0.8, preferably 0.5 or 0.6, the length or span of a rotor or stator blade at the inlet end should be at least 1.5 to 1 in relation to the distance between the blades s.
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spielsweise 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 Rotoren und Statoren nahe dem Einlaß raindestens 1 betragen, vorzugsweise im Bereich von 4:1 bis 6:1 oder mehr liegen, wobei es lediglich durch Erwägungen bezüglich der Festigkeit und der Fertigungsbe« dingungen begrenzt wird. Für das Beispiel der Figo3 wäre die Abmessung t (gemessen im rechten Winkel zur Schaufelfläche) für das Segment A etwa 1,4 - 2,7 mm (0,055 bis 0,105 Zoll), während der Schaufelzwischenabstand s gemäß Fig«16 etwa 11 mm (0,430 Zoll) betragen würde. Für die inneren Segmente B und G ist das Verhältnis, wie dargestellt, etwas kleiner, aber doch noch groß im Vergleich zu den bisherigen Konstruktionen und fachmännischen Regeln0 found, for example, that the performance increased somewhat when the aspect ratio increased from about 1.5 to about 4 or 5, but afterwards, when an aspect ratio of about 4 or 5 was reached, a further increase brought no more visible benefit «, Das The ratio of the blade spacing s to the thickness t must be at least 1 for rotors and stators near the inlet ra, preferably in the range from 4: 1 to 6: 1 or more, being limited only by considerations regarding strength and manufacturing conditions. For the example of FIG. 3, the dimension t (measured at right angles to the blade surface) for segment A would be about 1.4-2.7 mm (0.055 to 0.105 inches), while the blade spacing s according to FIG. 16 would be about 11 mm (0.430 Inches). For the inner segments B and G, the ratio is a little smaller, as shown, but still large compared to the previous constructions and professional rules 0
Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Verhältnis des Schaufelzwischenabstandes ö zur Schaufeltiefe be Obwohl die bisherigen Regeln das (regenteil lehrten, hat es sich als günstig erwiesen, wenn dieser Quotient für Rotoren und Statoren nahs denn Einlaß ebenfalls über 1 liegt. So haben beispiels« ä weise 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 ίichaufelgeachwindigkeit ein wichtiger Faktor. Hier sind Umfangsgeschwindigkeiten am Sehaufelende von etwa 275 bis 428 m/a (9OO bis 1400 Fuß/öe-Jcuridej und m-'hr erwünncnt, die Grenze wird durch Jj'eatigkoitaüb'-rletfungon μ,^ζα'ηη, da ein Zerberoben durch die "eutrifu~ galrcräfte vermieden vmruon MUlJ0 ßoi den hior beschriebenenAnother important parameter is the ratio of the intermediate blade distance ö the blade depth be Though the previous rules taught the (rain part, it has proven to be advantageous when this ratio for rotors and stators NaHS because intake also above 1. To have example "ä example Measurements of the permeability factor of the first stage blades showed that as the ratio s / b increased from about 1: 4 to about 3: 2, the permeability factor more than tripled, from about 0.2 to just over 0.6 In order to determine the final dimensions of the units in question, the bucket speed is an important factor. Here peripheral speeds at the bucket end of about 275 to 428 m / a (900 to 1400 feet per cent and m-'hr are suggested, the limit being suggested by Jj'eatigkoitaüb'-rletfungon μ, ^ ζα'ηη, since a Zerberoben avoided by the "eutrifu ~ gal powers vmruon MUlJ 0 ßoi the hior described
ι o ?) ß m / ι ι η /ι o?) ß m / ι ι η /
BAD ORiGiMALBAD ORiGiMAL
Pumpen wurden Rotoren 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 4,6 mm (0,180 Zoll) für die Rotoren und Statoren der ersten Stufe ergab. Doch sind diese Werte nur Beispiele, die nicht einschränkend gemeint sind. Ein sehr wichtiges üharakteristikutn 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 Rotoren und/oder Statoren=. Diese Konstruktion liefert einen viel größeren Volumendurchsatz durch die Einlaßstufen als bisher vorgesehen oder mit den bisher bekannten Vorrichtungen in der Praxis erreicht wurde.Pumps were rotors about 6 to 7 inches (15 to 18 cm) Diameter used with a total axial thickness of about 3 mm (0.120 inches), giving a blade depth of about 4.6 mm (0.180 in) for the first stage rotors and stators. However, these values are only examples that are not are meant to be restrictive. A very important characteristic is that there is a noticeable tangential distance between a trailing blade edge and the leading one Edge of the nearest vane is present, that is, there is an unobstructed axial line of sight through at least a part of such rotors and / or stators =. This design provides a much greater volume throughput through the Inlet stages as previously provided or achieved in practice with the previously known devices.
Zusammenfassend gilt also für die zweckmäßigen Abmessungen eines Rotors oder Stators nahe dem Einlaßende: Der Winkel "a" muß 20 bis 50°, vorzugsweise etwa 40 betragen; s/b muß zwischen etwa 1,0 und etwa 2,5, vorzugsweise bei etwa 2,0 liegen; r,/r. soll etwa zwischen 0,4 und 0,8, vorzugsweise etwa 0,5 bis 0,6 betragene Das Aspektverhältnis l/s muß mindestens 1,5 sein und braucht nicht größer als 4 zu seino Der Quotient t/w soll so klein als möglich sein, soweit es sich mit der Feucigkeit und den Pertigungsbedingungen vereinbaren läßt» In summary, the following applies to the appropriate dimensions of a rotor or stator near the inlet end: The angle "a" must be 20 to 50 °, preferably about 40; s / b must be between about 1.0 and about 2.5, preferably about 2.0; r, / r. should be between about 0.4 and 0.8, preferably about 0.5 to 0.6. The aspect ratio l / s must be at least 1.5 and need not be greater than 4 o The quotient t / w should be as small as be possible, as far as it can be agreed with the fuel and the production conditions »
Die Parameter für den Rotor oder Stator einei mittleren Stufe öollen folgende Werte haben: Der Sohaufelwinkel "a" muß zwischen 15 und 30 , vorzugsweise etwa 20 betragen; s/b soll etwa 0,75 bis 1,5, vorzugsweise etwa 1,0 3ein; T-./v, The parameters for the rotor or stator of a medium stage ought to have the following values: the blade angle "a" must be between 15 and 30, preferably about 20; s / b should be about 0.75 to 1.5, preferably about 1.0 3ein; T-./v,
η εη ε
kann etwa gleich dem Wert für die erste Stufe sein, nämlich etwa 0,5 bis 0,8, vorzugsweise etwa 0,5 odor C,6. Eine ÜberL ippunt': ti ^r mich lauf und on und vorlaufenden Sohraif elkante int /,war vorhanden, uo.LLtu aber nicht zu groß sein. Das Verhältnis t/w muß ου klein als möglich sein, r.owlit es diecan be approximately the same as the value for the first stage, namely approximately 0.5 to 0.8, preferably approximately 0.5 or C.6. An ÜberL ippun t ': ti ^ r me run and on and leading Sohraif elkante int /, was present, uo.LLtu but not be too big. The ratio t / w must ου be as small as possible, it r.owlit the
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Festigkeit und Herstellbarkeit erlaubt.Strength and manufacturability allowed.
Tür die Rotoren und Statoren nahe dem Auslaßende muß der Schaufelwinkel "a" noch kleiner sein, etwa zwischen 5 und 20°, vorzugsweise etwa 10°; s/b kann zwischen etwa 0,3 und etwa 1,0 liegen, vorzugsweise bei etwa 0,75} τγ/νχ sollte etwa zwischen 0,75 und etwa 0,95 liegen, vorzugsweise bei etwa 0,9. In den Auslaßstufen, wo der Volumendurchsatz durch die Kompression des Gases stark reduziert ist, ist es nicht so kritisch, daß die Schaufeldicke sehr klein ist. Sie kann beispielsweise die Hälfte des Schaufelzwisohenabstandes be- { tragen. Die Überlappung der nachlaufenden und vorlaufenden Schaufelkante sollte beträchtlich sein, beispielsweise etwa die Hälfte der Schaufeltiefeo For the rotors and stators near the outlet end, the blade angle "a" must be even smaller, approximately between 5 and 20 °, preferably approximately 10 °; s / b can be between about 0.3 and about 1.0, preferably about 0.75} τ γ / ν χ should be between about 0.75 and about 0.95, preferably about 0.9. In the outlet stages, where the volume throughput is greatly reduced by the compression of the gas, it is not so critical that the blade thickness is very small. You can wear for example, half of the Schaufelzwisohenabstandes loading {. The overlap of the trailing and leading blade edges should be considerable, for example about half the blade depth or the like
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 herkömmlicher Beuart, die ein Vakuum von 10 Torr liefern kann,A pump designed according to these rules is capable of hitherto unattainable total pressure increases as well as large pressure increases to achieve in the individual stages «If, for example, the pump according to the invention is connected to a conventional backing pump Beuart, which can deliver a vacuum of 10 torr,
7 anschließt, kann sie Druckanstiege bis zu 10 und mehr er-7, it can increase pressure by up to 10 and more.
—3 zielen. Man kann also mit einem Ausgangsdruck von 10 Torr—3 aim. So you can with an output pressure of 10 Torr
«10«10
Eingangsdrucke von 10 oder sogar noch darunter ohne wei- g teres 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 Druck-Verhältnisse 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 überschreiten*Input pressures of 10 or even lower without WEI g teres reach This means that the output pressure 10 million times greater than the pressure at the inlet. With such an extremely high vacuum, the mean free paths of the molecules are sufficiently large that the gas flow in the pump has a completely different character than the gas flow in the axial compressor of a gas turbine or the like, where the flow mechanism is completely different and where pressure ratios of for example only about 1.25: 1 are common. In contrast, the pressure increases over individual pressure stages in a turbomolecular pump of the type described can exceed 25: 1 *
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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 Besiehungen unterscheiden©Thus, it was found that a turbo type vacuum pump constructed according to the enumerated criteria was unexpected excellent results have become possible which were previously considered unachievable and which actually with turbopumps of known design could not be achieved, especially not with pumps that have a superficial Have similarity with the pumps according to the invention, but differ from these in the important relationships mentioned above
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