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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbinenpumpen und insbesondere
betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung einer Statorstufe für eine solche
Pumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe.
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Die
herkömmlichen
Statorstufen solcher Pumpen werden, selbst wenn sie mit radialen
Flügeln ausgestattet
werden, im Allgemeinen durch Form- und Fräsverfahren hergestellt.
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Eine
gleichzeitig anhängige
Patentanmeldung im Namen des Anmelders, eingereicht am gleichen
Datum wie die vorliegende Anmeldung, offenbart eine Turbomolekularpumpe
mit mindestens einer Statorstufe, die mit einem Abstandshalterring
integriert ist, welcher in Übereinstimmung
mit einer Übergangskammer
auf Zwischendruck angeordnet ist. Eine solche Stufe umfasst eine
Scheibe mit einer Vielzahl von radialen Flügeln, die an ihren inneren Enden
mit dem zentralen Scheibenbereich und an ihren äußeren Enden mit dem Abstandhalterring
verbunden sind. Die Flügel
bilden einen sehr schmalen Winkel mit der Scheibenebene in der Größenordnung
von 10° und überlappen
einander, um sehr schmale Kanäle
in der Größenordnung
von 1 mm dazwischen zu belassen. Diese Werte ermöglichen das Aufrechterhalten
einer molekularen Gasströmung
in der Richtung vom Pumpeneinlass zum Auslaß bis zu etwa 100 mTorr, das
heißt
13,33 Pa (oder anders ausgedrückt,
die Pumpe kann den obigen Druck in der Übergangskammer tolerieren),
ohne die Kompressionsfähigkeit
der oberen Stufen zu verlieren.
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Eine
solche Statorstufe, bei der die Flügel an beiden Enden gebunden
sind, können
nicht durch die Fräs-
und Formverfahren hergestellt werden, die üblicherweise zur Herstellung
von herkömmlichen
Statorstufen verwendet werden, da das Fräsen nicht zur Herstellung von
Trennkanälen
mit verringerter Dicke zwischen den Flügeln verwendet werden kann,
wohingegen das Formen nicht die Herstellung von überlappenden Flügeln gestattet.
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Somit
besteht das Ziel der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung
von Statorstufen mit teilweise überlappenden
radialen Flügeln
bereitzustellen, wobei die Flügel
keine freien Enden aufweisen und durch sehr schmale Kanäle getrennt
sind.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Verfahren auf der Basis einer
Bearbeitung mit elektrischer Entladung gemäß der Erfindung verwendet. Ein
solches Verfahren wird bereits auf dem Gebiet von Turbinenpumpen
verwendet, um Laufräder
und Rotoren herzustellen, wie z.B. in
EP-A-0 426 233 offenbart. Gemäß diesem
Dokument wird ein Werkstück,
in dem ein Laufrad erhalten werden soll, in einer Vorrichtung zur
Bearbeitung mit elektrischer Entladung der Wirkung eines Werkzeugs
mit mindestens einer Platte, in der radiale Schlitze ausgebildet
sind, die in einem zentralen hohlen Bereich enden, ausgesetzt. Durch
eine relative kombinierte Dreh- und Parallelverschiebungsbewegung
des Werkstücks
und des Werkzeugs, die die zwei Elektroden der Vorrichtung bilden,
wird ein radialer Flügel
des Laufrades für jeden
Schlitz hergestellt. Dennoch weisen die radialen Flügel ein freies
Ende auf, somit sehen die Lehren des Dokuments keinen nützlichen
Hinweis vor, um das obige Ziel zu erreichen.
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Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren mit einem Vorschritt erreicht, bei
dem ein Werkstück,
das der zu erhaltenden Statorstufe entspricht, vorbereitet wird
und in einer Vorrichtung zur Bearbeitung mit elektrischer Entladung,
von welcher das Werkstück eine
Elektrode bildet, vor einem Bearbeitungswerkzeug zur elektrischen
Entladung, das die andere Elektrode bildet, angeordnet wird, und
eine relative kombinierte Dreh- und Parallelverschiebungsbewegung
des Werkzeugs und des Werkstücks
erzeugt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur
Herstellung einer Statorstufe mit einer Scheibe mit einer Vielzahl
von radialen Flügeln,
die mit der Scheibe an sowohl einem radial inneren Ende als auch
einem radial äußeren Ende
verbunden sind und durch sehr schmale Kanäle getrennt sind, das Werkzeug
mindestens eine Platte umfasst, die mit mindestens einem zungenförmigen langgestreckten Element
ausgestattet ist, das an einem Ende mit der Werkzeugplatte verbunden
ist und sich entlang einer Umfangskante der Platte in einer Ebene,
die relativ zur Platte selbst geneigt ist, in einem solchen Abstand
von der Achse der kombinierten Dreh- und Parallelverschiebungsbewegung
erstreckt, dass die Zunge immer innerhalb der Scheibe bleibt, so
dass durch die relative kombinierte Dreh- und Parallelverschiebungsbewegung
des Werkzeugs und des Werkstücks
mindestens ein Kanal, der an beiden Enden radial begrenzt ist und
eine Form, Größe und Neigung
aufweist, die jenen des Zungenelements entsprechen, in dem Werkstück erzeugt
wird.
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Die
Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
besser ersichtlich, das als nicht-begrenzendes Beispiel angegeben wird
und in den zugehörigen
Zeichnungen gezeigt ist, in welchen gilt:
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1 ist eine Draufsicht auf
ein zum Durchführen
des Verfahrens der Erfindung verwendetes Werkzeug;
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2 ist eine Vorderansicht
des in 1 gezeigten Werkzeugs;
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3 ist eine schematische
perspektivische Ansicht des Verfahrens der Erfindung;
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4 ist eine perspektivische
Ansicht einer gemäß der Erfindung
hergestellten Statorstufe;
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5 ist eine schematische
Draufsicht auf den in 4 gezeigten
Stator;
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6 ist eine Querschnittsansicht
gemäß einer
Ebene, die durch die Linie VI-VI in 5 verläuft; und
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7 ist eine schematische
Draufsicht auf den Stator, der zum Montieren am Rotor bereit ist.
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Mit
Bezug auf die 1 bis 3 wurde das Verfahren der
Erfindung im Fall seiner Anwendung auf die Herstellung eines Turbinenpumpenstators
durch Bearbeitung mit elektrischer Entladung, welcher eine Scheibe
mit radialen Flügeln
umfasst und mit einem Abstandhalterring an seiner Außenkante
versehen ist, schematisch dargestellt. Das Werkzeug ist mit 1 bezeichnet
und das Werkstück
ist mit 2 bezeichnet. Beide Elemente befinden sich in einer
Vorrichtung zur Bearbeitung mit elektrischer Entladung, die nicht dargestellt
ist, da sie an sich gut bekannt ist und kein Teil der vorliegenden
Erfindung ist. Das Werkzeug 1 bildet eine Elektrode und
das Werkstück 2 die
andere Elektrode dieser Vorrichtung.
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Das
aus Kupfer hergestellte Werkzeug 1 besteht aus einer Platte 3,
die im Wesentlichen wie ein gleichschenkliges Dreieck geformt ist,
von welchem die Basis 4 ein Bogen mit einem Umfang mit
einem Radius ist, der im Wesentlichen jenem der herzustellenden
Statorscheibe entspricht (und genauer einem Radius, der im Wesentlichen
gleich dem Abstand der äußeren Flügelkanten
von der Scheibenachse ist). Die Platte 3 weist eine zur
Basis 4 koaxiale Bohrung 5 auf, die es ermöglicht,
dass das Werkzeug 1 an einer Welle 6, die an einem
Werkzeugkopf montiert ist, der entlang der drei kartesischen Achsen
parallelverschoben und um die Z-Achse gedreht werden kann, festgekeilt
wird.
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Die
Platte 3 weist auf einer Seite eine Zunge 7 auf,
die sich entlang eines Teils der Basis 4 erstreckt und
an einem Ende mit der Platte 3 verbunden ist, wohingegen
das andere Zungenende frei ist. Die Zunge 7 weist ebene
Oberflächen
und eine konstante Dicke auf und bildet mit der Ebene der Platte 3 einen
Winkel α in
Abhängigkeit
vom Neigungswinkel, der für
die Flügel
des herzustellenden Stators erwünscht
ist.
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Das
Werkstück 2 ist
ein im Wesentlichen becherartiges Aluminiumstück mit einer Scheibe 8 mit einer
Umfangskante 9, die in beiden Richtungen axial vorsteht.
Die axiale Ausdehnung der Kante 9 ist an den entgegengesetzten
Scheibenkanten verschieden und sie ist vorzugsweise auf der Seite
größer, die während der
Bearbeitung vom Werkzeug 1 abgewandt ist. Eine Öffnung 10 ist
in einem solchen Teil mit größerer Ausdehnung
vorgeformt, und wenn der Stator in einer Pumpe montiert ist, die
in einem Leckdetektor verwendet wird, steht sie mit einem Zwischendruckeinlass
für ein
Testgas in Verbindung, das in einem Gegenstromfluss in Richtung
eines mit einem Niederdruckeinlass der Pumpe verbundenen Gasdetektors
strömt.
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Durch
Parallelverschieben des Werkzeugs 1 entlang der Z-Achse und Drehen
desselben um einen Winkel β um
diese Achse wird eine kombinierte schraubenförmige Dreh- und Parallelverschiebungsbewegung
erhalten, durch die veranlasst wird, dass das Werkzeug 1 mit
dem durch die Kante 9 festgelegten Hohlraum in Eingriff
kommt und durch das Werkstück 2 hindurchgeht.
Der Teil der Scheibe 8, der vor der Zunge 7 liegt,
wird durch Bearbeitung mit elektrischer Entladung entfernt, wodurch
ein geneigter Kanal ausgebildet wird, der sich von der Kante 9 in
Richtung des Zentrums der Scheibe 8 in einem Ausmaß erstreckt,
das im Wesentlichen der Breite der Zunge 7 entspricht.
Die Länge
der Zunge 7 wird so gewählt, dass
sich die Bearbeitung auf die gesamte Dicke der Scheibe 8 auswirkt.
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Sobald
ein Kanal ausgebildet wurde, wird das Werkzeug 1 wieder
in seine Ruhestellung gebracht, es wird um einen Winkel gedreht,
der dem gewünschten
Winkelabstand zwischen den Kanälen entspricht,
und es wird dann wieder der kombinierten schraubenförmigen Dreh-
und Parallelverschiebungsbewegung unterzogen, um einen zweiten Kanal
zu graben. Die Vorgänge
werden wiederholt, bis die gewünschte
Anzahl an Kanälen
erhalten wurde. Die Bearbeitung der Scheibe 8 hinterlässt zwischen den
Kanälen
einen Satz von Flügeln,
die um den Winkel α geneigt
sind und mit der Scheibe nicht nur an ihren radial inneren Kanten,
sondern auch an ihren radial äußeren Kanten
verbunden sind; wenn die radiale Größe der Platte 3 und
die Position der Zunge 7 gegeben sind, ist die Umfangskante 9 des
Werkstücks
tatsächlich
von der Bearbeitung nicht betroffen.
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4 bis 6 zeigen den Stator 11, der
durch das beschriebene Verfahren erhalten wurde. Die Flügel sind
mit 12 bezeichnet, die Trennkanäle sind mit 13 bezeichnet
und die Bezugsziffer 14 bezeichnet eine vorgeformte zentrale Bohrung,
durch die die Welle des Pumpenrotors verläuft. Die Querschnittsansicht
in 6 zeigt deutlich
den schmalen Winkel der Flügel 12 relativ
zur Ebene der Scheibe 8 entsprechend dem Winkel α und die
begrenzte Dicke s der Kanäle 13,
die aufgrund der konstanten Dicke der Zunge 7 radial konstant
ist.
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Vorteilhafterweise
liegt der Winkel α in
der Größenordnung
von 10° und
die Dicke s liegt in der Größenordnung
von 1 mm. Eine solche begrenzte Dicke und die Tatsache, dass die
Flügel 12 keine
freien Enden aufweisen, hat zur Verwendung der Bearbeitung mit elektrischer
Entladung zur Herstellung des Stators geführt.
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Sobald
alle Flügel 12 und
Kanäle 13 ausgebildet
wurden, umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Schneidens
des Stators 11 in zwei Hälften 11', 11'', um eine anschließende Montage
innerhalb einer Pumpe um die Rotorwelle zu ermöglichen. Das Schneiden wird
auch durch Bearbeitung mit elektrischer Entladung, insbesondere
Bearbeitung mit elektrischer Drahtentladung unter Verwendung eines sehr
dünnen
Drahts (z.B. mit einem Durchmesser von 0,1 mm), durchgeführt, um
sicherzustellen, dass die engen Toleranzen eingehalten werden, die
für die Montage
in der Pumpe erforderlich sind. Das Endprodukt ist in 7 gezeigt.
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Es
ist offensichtlich, dass die obige Beschreibung nur als nicht-begrenzendes
Beispiel gegeben ist und dass Änderungen
und Modifikationen möglich sind,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Offensichtlich
gilt das Verfahren insbesondere nicht nur für die Herstellung einer Statorstufe,
die mit einem Abstandhalterring integriert ist, wie der in 4 gezeigten Stufe, sondern
es ermöglicht
im Allgemeinen das Ausbilden von Kanälen in einem Werkstück, die
an beiden Enden radial begrenzt sind (daher sind die Flügel an beiden
Enden mit dem Körper
des ausgebildeten Stücks
verbunden).
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Selbst
wenn ein Werkzeug, das für
das Ausbilden eines Kanals auf einmal geeignet ist, offenbart wurde,
könnte überdies
ein Werkzeug, das aus einer Scheibe mit mehreren Zungen 7 besteht,
ins Auge gefasst werden, um die gleichzeitige Herstellung von mehreren
und möglicherweise
allen Kanälen 13 zu ermöglichen.
Das Werkzeug könnte
natürlich
selbst im Fall einer einzelnen Zunge eine vollständige Scheibe sein.
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Schließlich könnten unter
Verwendung eines Werkzeugs mit einer Vielzahl von Platten oder Scheiben 3,
die an der Welle 6 montiert sind, alle Statorstufen der
Pumpe ausgebildet werden, ausgehend von einem geeignet geformten
Rohwerkstück,
das bereits in die zwei Hälften
unterteilt ist, um das Anordnen der Platten 3 vor den Statorscheiben
zu ermöglichen.