DE4327506C2 - Turbovakuumpumpe - Google Patents
TurbovakuumpumpeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Turbovakuumpumpe nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 36 13 198 ist eine gattungsgemäße Turbova
kuumpumpe mit einem Gehäuse bekannt, welches eine Ansaug
öffnung und eine Förderöffnung aufweist. In dem Gehäuse
ist vertikal ein Rotor angeordnet. In einem Abschnitt des
Gehäuses zwischen der Ansaugöffnung und der Förderöffnung
sind aufeinanderfolgend eine radiale Turboverdichterstufe
und eine Seitenkanalpumpenstufe angeordnet.
Die Turboverdichterstufe hat ein Radiallaufrad, das von
dem Rotor getragen wird, und einen Zentrifugalstator, der
ortsfest das Laufrad umgibt. Die Seitenkanalpumpenstufe
hat ein Seitenkanallaufrad, das an dem Rotor befestigt
ist, und einen Seitenkanalstator, der das Laufrad orts
fest umgibt. Die Pumpenstufen werden von einem Motor
angetrieben, der mit dem Rotor gekoppelt ist.
Die bekannte Pumpe hat den Vorteil, daß sie aufgrund des
einfachen Aufbaus ohne großen Aufwand hergestellt werden
kann. Sie hat jedoch den Nachteil, daß keine Mittel zur
Beseitigung einer großen Axialkraft vorgesehen sind, die
durch die hydrodynamische Kraft des geförderten Gases
erzeugt wird.
Aus der DE 23 37 226 A1 ist eine Vakuumpumpe, insbesonde
re Turbomolekularpumpe bekannt, die ein Gehäuse mit einer
Ansaugöffnung und zwei Förderöffnungen aufweist. Auf
einem sich durch den Ansaugkanal erstrecken Rotor sind
beidseitig von der Ansaugöffnung zwei Pumpabschnitte
angeordnet, von denen jeder zu einer Auslaßöffnung för
dert. Der Rotor ist im Bereich seiner Enden aktiv magne
tisch gelagert. Diese Vakuumpumpe bildet eine zweiflutige
Axialpumpe, bei welcher der Strömungsaxialschub auf den
Rotor sehr klein ist.
Die DE 28 08 125 C2 zeigt eine Molekularpumpe mit einem
Gehäuse mit einer Ansaugöffnung und einer Förderöffnung.
In dem Gehäuse ist ein Rotor gelagert, dessen Außenseite
mit der Innenseite des Gehäuses einen engen Spalt bildet.
Eine der beiden Seiten des Spaltes ist mit einer durch
gehenden schraubenförmigen Nut versehen, die einen vor
stehenden Steg bildet. Bei einem hohen Gasdruck, der zu
einer viskosen Gasströmung führt und bei dem die Moleku
larpumpe als Gaslager arbeitet, wirken nur geringe Kräfte
auf den Rotor ein, so daß keine Gefahr besteht, daß der
Rotor Präzessionsbewegungen ausführt, da die außerhalb
und innerhalb des Gewindegangs zentrierenden Gaskräfte
den Rotor gegenüber dem Gehäuse zentrieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv
einfachen Mitteln eine Turbovakuumpumpe zu schaffen, bei
der nur geringe Axialkräfte durch das geförderte Gas
ausgeübt werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der Turbovakuumpumpe der
gattungsgemäßen Art mit den im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbo
vakuumpumpe sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 10.
Durch die Positionierung der erfindungsgemäßen schrau
benförmigen Dichtungseinrichtung wird eine Abdichtung
zwischen dem niedrigen Druck auf der Ansaugseite und der
Außenseite der Dichtungseinrichtung geschaffen. Dadurch,
daß das Druckausgleichsrohr eine Verbindung der Außen
seite der Dichtungseinrichtung zur Förderöffnung der
Pumpe herstellt, wird ein Ausgleich des Drucks zwischen
der Außenseite der Dichtungseinrichtung und der Förder
öffnung geschaffen, d. h. auf der der Ansaugöffnung gegen
überliegenden Seite steht auch die Dichtungseinrichtung
unter Atmosphärendruck. Dadurch wird die Dichtungsein
richtung zu der zuerst genannten auf die Pumpe wirkenden
Kraft in entgegengesetzter Richtung gedrückt, es wird also
eine entgegengesetzte Axialkraft an dem die Dichtungsein
richtung tragenden Rotor erzeugt, was neben der gewünsch
ten Dichtungswirkung zu einem wesentlichen Ausgleich der
Axialkraft am Rotor beiträgt.
Wenn die erfindungsgemäße Turbovakuumpumpe gemäß den
Patentansprüchen 7 bis 10 ausgebildet ist, kann korrodie
rendes Gas, das nicht in den Lagerraum bzw. den Motorraum
gelangen darf, gefördert werden.
Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer
Turbovakuumpumpe und
Fig. 2 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform einer
Turbovakuumpumpe.
Die in Fig. 1 gezeigte Turbovakuumpumpe hat ein Gehäuse 1
mit einer Ansaugöffnung 2 und einer Förderöffnung 3. In
dem Gehäuse 1 ist ein Rotor 4 aufgenommen. Der Rotor 4
ist an seinem einen Endabschnitt 4A durch eine Kombina
tion aus einem aktiven magnetischen Radiallager 5 und
einem aktiven magnetischen Axiallager 7 und an seinem
anderen Endabschnitt 4B durch eine Kombination aus einem
aktiven magnetischen Radiallager 6 und einem passiven
magnetischen Axiallager 8 gelagert, welches einen Perma
nentmagneten hat. Auf den axial außen liegenden Seiten
der aktiven magnetischen Radiallager 5 und 6 ist jeweils
ein Aufsetz- bzw. Endlager 15 bzw. 16 angeordnet.
Das aktive magnetische Radiallager 5, das aktive magneti
sche Axiallager 7 und das Aufsetzlager 15 sind in einer
ersten, in dem Gehäuse 1 ausgebildeten Lagerkammer 9
aufgenommen. In gleicher Weise sind das aktive magneti
sche Radiallager 6, das passive magnetische Axiallager 8
und das Aufsetzlager 16 in einer zweiten, ebenfalls in
dem Gehäuse 1 ausgebildeten Lagerkammer 10 installiert.
Der Rotor 4 wird von einem Motor 13 angetrieben, der in
einer in dem Gehäuse 1 ausgebildeten Motorkammer 12
angeordnet ist. In der Nähe der aktiven magnetischen
Radiallager 5 und 6 sind Sensoren 17 und 18 für die
radiale Position des Rotors 4 angeordnet, während in der
Nähe des aktiven magnetischen Axiallagers 7 ein Sensor 19
für seine axiale Position vorgesehen ist.
In dem Gehäuse 1 ist zwischen der Ansaugöffnung 2 und der
Förderöffnung 3 eine Evakuierpumpe 20 angeordnet. Die
Evakuierpumpe 20 hat eine Zentrifugalverdichtungsstufe
21 und eine
Seitenkanalpumpenstufe 22, welche
stromab von der Zentrifugalverdichtungsstufe 21 gesehen
in Strömungsrichtung des Gases angeordnet ist. Die Zen
trifugalverdichtungsstufe 21 hat eine Vielzahl von zen
trifugalen Laufrädern bzw. radialen Laufrädern 21A, die
an dem Rotor 4 sitzen, sowie einen zentrifugalen bzw.
radialen Stator 21B, der stationär von dem Gehäuse 1 so
gehalten ist, daß er die radialen Laufräder 21A um
schließt. Die Seitenkanalpumpenstufe 22 hat eine Vielzahl
von Seitenkanallaufrädern 22A, die an dem Rotor 4 sitzen,
und einen Seitenkanalstator 22B, der stationär gehalten
ist, so daß er die Seitenkanallaufräder 22A umschließt.
Auf der von der von der Förderöffnung 3 abgewandten Seite
der Ansaugöffnung 2 ist eine erste Dichtungseinrichtung
25 vorgesehen. Die erste Dichtungseinrichtung 25 hat
einen radial erweiterten Abschnitt 25A des Rotors 4 und
eine Schraubengewindedichtung 25B, die an der Innenfläche
des Gehäuses 1 so vorgesehen ist, daß sie dem radial
erweiterten Abschnitt 25A des Rotors 4 gegenüberliegt.
Das Schraubengewinde der Dichtung 25B ist in der Richtung
ausgebildet, daß, wenn sich der Rotor dreht, ein Teil des
durch die Ansaugöffnung 2 angesaugten Gases angesaugt und
zur Motorkammer 12 durch das Schraubengewinde gefördert
wird.
Der Durchmesser der Schraubengewindedichtung 25B ist an
seiner kleinsten Stelle größer als der Außendurchmesser
des abschließenden oder am stromabseitigen Ende befindli
chen Laufrads der Evakuierpumpe 20. Bei dieser Anordnung
ist es möglich, in einem bestimmten Ausmaß die Axial
kraft, welche von der hydrodynamischen Kraft des Gases in
der Evakuierpumpe 20 erzeugt wird, zu beseitigen. Das
Schraubengewinde, welches die Schraubengewindedichtung
25B bildet, kann auf der äußeren Umfangsfläche des Rotors
4 ausgebildet sein, bei der gezeigten Ausführung befindet
es sich jedoch an der inneren Umfangsfläche des Gehäuses
1.
Die Ansaugöffnung 2, die Evakuierpumpe 20, die erste
Dichtungseinrichtung 25 und der Motor 13 befinden sich
alle innerhalb des axialen Bereichs zwischen dem Paar von
aktiven magnetischen Radiallagern 5 und 6.
Die Motorkammer 12, welche den Motor 13 für den Antrieb
des Rotors 4 aufnimmt, hat eine zweite Förderöffnung 26,
welche mit der Förderöffnung 3 über ein Druckausgleichs
rohr 27 in Verbindung steht. In die erste Lagerkammer 9
und in die zweite Lagerkammer 10 münden jeweils ein
erster Zuführungskanal 28 und ein zweiter Zuführungskanal
29 für Spülgas. Über ein externes Zuführungsrohr 30 wird
über die Zuführungskanäle 28 und 29 ein Inertgas, wie
gasförmiger Stickstoff, zugeführt, der als Spülgas dient.
Der Druck des auf diese Weise Zuge führten Gases wird so
festgelegt, daß das aus der Evakuierpumpe 20 und der
ersten Dichtungseinrichtung 25 abgeführte Gas nicht in
die Lagerkammern 9, 10 und die Motorkammer 12 strömt.
Zwischen der Motorkammer 12 und der zweiten Förderöffnung
26 ist eine zweite Dichtungseinrichtung 31 mit einer
Labyrinthdichtung vorgesehen, so daß die Motorkammer 12
gegenüber den Pumpenstufen in dem Gehäuse abgedichtet
ist. Zwischen der zweiten Lagerkammer 10 und der Förder
öffnung 3 ist eine dritte Dichtungseinrichtung 32, die
ebenfalls eine Labyrinthdichtung aufweist, vorgesehen,
wodurch eine Abdichtung zwischen der zweiten Lagerkammer
10 und den Pumpenstufen im Gehäuse 1 geschaffen wird.
Wenn im Betrieb der Motor 13 anläuft und den Rotor 4
antreibt, startet dadurch die Evakuierpumpe 20, wodurch
Gas durch die Ansaugöffnung 2 angesaugt und durch die
radiale Verdichtungsstufe 21 und die Seitenkanalpumpen
stufe 22 der Evakuierpumpe 20 fortschreitend verdichtet
wird. Das Gas wird dann in die Atmosphäre über die För
deröffnung 3 abgeführt. Die erste Dichtungseinrichtung 25
in Schraubengewindebauweise wirkt dann als eine Evakuier
pumpe mit kleiner Kapazität, so daß ein Teil des durch
die Ansaugöffnung 2 angesaugten Gases verdichtet und das
verdichtete Gas durch die zweite Förderöffnung 26 und das
Druckausgleichsrohr 27 gefördert wird. Das so geförderte
Gas tritt in das verdichtete Gas in der Förderöffnung 3
ein und wird daraus abgeführt.
Wenn das durch die Ansaugöffnung 2 angesaugte Gas korro
dierend wirkt, kann das Gas an dem Motor 13 und den
Lagern zu einer Korrosion oder anderen Problemen führen,
wenn das Gas in die Motorkammer 12 und in die erste
Lagerkammer 9 bzw. zweite Lagerkammer 10 eintreten kann.
Um zu verhindern, daß das korrodierend wirkende Gas in
die erste Lagerkammer 9 und die zweite Lagerkammer 10
eintritt, wird ein Inertgas, wie gasförmiger Stickstoff,
als Spülgas extern durch das Zuführungsrohr 30 und über
den ersten Zuführkanal 28 und den zweiten Zuführkanal 29
für Spülgas eingeführt.
Das in die erste Lagerkammer 9 eingeführte Spülgas mischt
sich in das Gas, das durch die erste Dichtungseinrichtung
25 gefördert worden ist, so daß es in die Förderöffnung 3
über den zweiten Förderkanal 26 und das. Druckausgleichs
rohr 27 eingeführt wird, während das in die zweite Lager
kammer 10 strömende Spülgas durch die Förderöffnung 3
zusammen mit dem Gas abgeführt wird, das durch die Evaku
ierpumpe 20 komprimiert worden ist. Die zweite Dichtungs
einrichtung 31 und die dritte Dichtungseinrichtung 32
ermöglichen eine Verringerung der zugeführten Mengen
ströme an Spülgas. Anstelle der für die Dichtungsein
richtungen 31 und 32 verwendeten Labyrinthdichtungen, wie
sie gezeigt sind, können auch andere Dichtungen, wie
Schwimmringdichtungen, eingesetzt werden, die einen sehr
kleinen Spalt bilden.
Wenn das abzupumpende Gas nicht korrosiv ist, führt ein
Eintreten des Gases in die Motorkammer 12, die erste
Lagerkammer 9 und die zweite Lagerkammer 10 nicht zu
Problemen, da es zu keiner Korrosion des Motors 13 und
der Lager kommen kann. In diesem Fall braucht kein Spül
gas in die erste Lagerkammer 9 und die zweite Lagerkammer
10 geführt zu werden, so daß der erste Zuführkanal 28 und
der zweite Zuführkanal 29 für Spülgas weggelassen werden
können. Ebenfalls weggelassen werden können dann die
zweite Dichtungseinrichtung 31 und die dritte Dichtungs
einrichtung 32.
Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer
Turbovakuumpumpe ist der Rotor 4 an beiden Endabschnitten
4A, 4B der Welle durch Kugel- oder Rollenlager 40, 41
gelagert. Diese Lager 40, 41 erfordern eine Ölschmierung.
Es müssen deshalb geeignete Maßnahmen getroffen werden,
um das Eintreten von Schmieröl in die Evakuierpumpe 20 zu
unterbinden. Für diesen Zweck sind jeweils die zweite
Dichtungseinrichtung 31 und die dritte Dichtungseinrich
tung 32 in zwei Teile aufgeteilt, wobei der erste Zufüh
rungskanal 28 und der zweite Zuführungskanal 29 für
Spülgas so angeordnet sind, daß sie zwischen den beiden
Teilen der zugeordneten Dichtungseinrichtung 31 bzw. 32
münden.
Das durch den ersten Zuführungskanal 28 zugeführte Spül
gas zweigt sich parallel in die zwei Teile der zweiten
Dichtungseinrichtung 31 auf. Ein Teil des Gases wird
durch die zweite Förderöffnung 26 in die Förderöffnung 3
für komprimiertes Gas eingeführt und daraus abtranspor
tiert. Der restliche Teil des Gases wird in die erste
Lagerkammer 9 über die Motorkammer 12 eingeführt und
durch eine dritte Abführöffnung 42, die in die erste
Lagerkammer 9 mündet, und dann durch ein Abführrohr 44
abtransportiert. Das durch den zweiten Zuführungskanal 29
zugeführte Spülgas zweigt sich parallel in zwei Teile der
unterteilten dritten Dichtungseinrichtung 32 auf. Ein
Teil des Gases erreicht die Förderöffnung 3 für kompri
miertes Gas, aus der es abgeführt wird. Der restliche
Teil des Gases wird in die zweite Lagerkammer 10 einge
führt und über eine vierte Abführöffnung 43, die in diese
zweite Lagerkammer 10 mündet, und weiter über das erwähn
te Abführrohr 44 abtransportiert.
Der beschriebene Dichtungsaufbau spielt eine doppelte
Rolle. Einerseits verhindert er, daß Schmieröl in die
Evakuierpumpe 20 gelangt. Andererseits unterbindet er,
daß durch die Ansaugöffnung 2 angesaugtes Gas in die
Motorkammer 12 und die erste und zweite Lagerkammer 9
bzw. 10 strömt. Zusätzlich können die Kugel- oder Rollen
lager 40, 41 eine vergrößerte Lebensdauer haben, da die
von der Evakuierpumpe 20 erzeugte fluiddynamische Axial
kraft verringert ist.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform ist die
Evakuierpumpe 20 aus Radial- und Seitenkanalstufen zu
sammengesetzt. Die Evakuierpumpe der Turbovakuumpumpe
gemäß der Erfindung kann jedoch auch aus anderen Arten
von Turbopumpenelementen oder -stufen, beispielsweise aus
einer axialen Stufe, einer Schraubenstufe usw. zusammen
gesetzt sein.
Claims (10)
1. Turbovakuumpumpe
- - mit einem Gehäuse (1), das mit einer Absaugöffnung (2) und einer ersten, in die Atmosphäre mündenden Förderöffnung (3) versehen ist,
- - mit einem in dem Gehäuse (1) gelagerten Rotor (4),
- - mit einer in dem Gehäuse (1) aufgenommenen und von dem Rotor (4) getragenen Evakuierpumpe (20) zum Komprimieren eines durch die Ansaugöffnung (2) angesaugten Gases und zum Abführen des komprimier ten Gases durch die erste Förderöffnung (3),
- - mit einem von dem Rotor (4) getragenen Motor (13) für den Antrieb der Evakuierpumpe (20) und
- - mit Lagereinrichtungen (5, 6, 7, 8, 15, 16) zum
Lagern beider axialer Endabschnitte (4A, 4B) des
Rotors (4) in dem Gehäuse (1),
gekennzeichnet durch - - durch eine wenigstens eine schraubenförmige Nut aufweisende erste dynamische Dichtungseinrichtung (25), die in der Nähe der Ansaugöffnung (2) an der der Evakuierpumpe (20) abgewandten Seite der An saugöffnung (2) vorgesehen ist, wobei die schrau benförmige Nut an der Umfangsfläche eines Ab schnitts des Rotor (4) oder an der inneren Umfangs fläche des Gehäuses (1) so vorgesehen ist, daß bei Drehung des Rotors (4) ein Teil des durch die An saugöffnung (2) angesaugten Gases durch die schrau benförmige Nut gefördert wird, und
- - durch eine zweite Förderöffnung (26), die in der Nähe der ersten dynamischen Dichtungseinrichtung (25) auf deren von der Ansaugöffnung (2) abgewand ten Seite vorgesehen ist und über ein Druckaus gleichsrohr (27) mit der ersten Förderöffnung (3) in Verbindung steht.
2. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erste Dichtungs
einrichtung (25) zwischen der Ansaugöffnung (2) und
dem Motor (13) angeordnet ist.
3. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Ansaugöffnung (2), die Evakuierpumpe (20), die erste
Förderöffnung (3), die erste Dichtungseinrichtung
(25) und der Motor (13) zwischen den Lagereinrichtun
gen (5, 6, 7, 8, 15, 16) zum Lagern beider axialer
Endabschnitte (4A, 4B) angeordnet sind.
4. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
deren Evakuierpumpe (20) mehrere Laufradstufen auf
weist, dadurch gekennzeichnet, daß
die die erste Dichtungseinrichtung (25) bildende
schraubenförmige Nut einen Durchmesser hat, der an
der kleinsten Stelle größer als der Außendurchmesser
der Endstufe der Laufräder der Evakuierpumpe (20)
ist.
5. Turbovakuumpumpe nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Motor (13) für den Antrieb der Evakuierpumpe (20)
in einer Motorkammer (12) in dem Gehäuse (1) aufge
nommen ist und daß die Motorkammer (12) über die
zweite Förderöffnung (26) und das Druckausgleichsrohr
(27) mit der Förderöffnung (3) für das komprimierte
Gas verbunden ist.
6. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Motor
(13) für den Antrieb der Evakuierpumpe (20) in einer
Motorkammer (12) in dem Gehäuse (l) aufgenommen ist
und daß zwischen der ersten Dichtungseinrichtung (25)
und der Motorkammer (12) eine zweite Dichtungsein
richtung (31) vorgesehen ist.
7. Turbovakuumpumpe nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lagereinrichtungen (5, 6, 7, 8, 15, 16) in einer
ersten bzw. zweiten Lagerkammer (9, 10) angeordnet
sind, in die jeweils ein Zuführkanal (28, 29) für
Spülgas mündet.
8. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen der Evakuier
pumpe (20) und der zweiten Lagerkammer (10) auf der
der Förderöffnung (3) zugewandten Seite der zweiten
Lagerkammer (10) eine dritte Dichtungseinrichtung
(32) angeordnet ist und daß die Zuführkanäle (28, 29)
für Spülgas in der Nähe der zweiten Dichtungsein
richtung (31) und in der Nähe der dritten Dichtungs
einrichtung (32) vorgesehen sind.
9. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Dich
tungseinrichtung (31) zwischen der ersten Dichtungs
einrichtung (25) und der Motorkammer (12) in wenig
stens zwei Teile unterteilt ist und daß die dritte
Dichtungseinrichtung (32) zwischen der Evakuierpumpe
(20) und der zweiten Lagerkammer (10) in wenigstens
zwei Teile unterteilt ist, und daß die Zuführkanäle
(28, 29) für Spülgas zwischen den benachbarten Teilen
der zweiten Dichtungseinrichtung (31) bzw. zwischen
den benachbarten Teilen der dritten Dichtungsein
richtung (32) angeordnet sind.
10. Turbovakuumpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
dritte Förderöffnung (42) und eine vierte Förderöff
nung (43) vorgesehen sind, von denen eine (42) in die
erste Lagerkammer (9) und die andere (43) in die
zweite Lagerkammer (10) mündet.
Applications Claiming Priority (1)
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