EP2235377B1 - Turbomolekularpumpe - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D19/00—Axial-flow pumps
- F04D19/02—Multi-stage pumps
- F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
- F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
-
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- F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
- F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
- F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
- F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/542—Bladed diffusers
Definitions
- the object of the invention is to provide a turbomolecular pump, with which a reduction of the flowing back gas volume and thus an improvement in the efficiency can be achieved, with contacts between rotating rotor blades and stator elements to be avoided during operation.
- the rotor blades on a radial approach.
- This pointing in the direction of the annular groove approach is particularly annular.
- the annular projection thus surrounds the individual blades of the rotor blades, so that preferably during operation only the annular projection and not the blades are inserted into the annular groove.
- a mounting gap b is provided between the radial ends of the rotor blades 16 and an inner side of the stator rings 26. This is necessary in order to put the stator rings 26 over the rotor 12 for mounting.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert. Eine solche Turbomolekularpumpe ist aus der
EP-A-0 770 781 bekannt. - Turbomolekularpumpen, wie beispielsweise in
EP 1 498 612 beschrieben, weisen einen mit einer Antriebswelle verbundenen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf. Zwischen den einzelnen Rotorflügeln sind stationäre Statorscheiben angeordnet. Häufig sind die Statorscheiben nicht unmittelbar mit dem Pumpengehäuse verbunden, sondern von Statorringen getragen. Hierbei ist je Rotorflügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe zur Montage über den Rotor gestülpt werden. Zwischen den Rotorflügeln bzw. den Rotorflügelspitzen und dem stationären Gehäuse bzw. den Statorringen muss ein Spalt vorgesehen sein. Dieser ist erforderlich, um in allen Betriebszuständen ein Berühren der Rotorflügel an den stehenden Komponenten, d.h. dem Gehäuse oder den Statorringen, zu verhindern. Hierbei muss die Breite des Spalts derart groß sein, dass in allen Betriebszuständen die auftretenden thermischen Ausdehnungen der Rotorflügel ohne Berührung der stehenden Komponenten möglich ist. Ferner muss bei der Breite des vorgesehenen Spaltes berücksichtigt werden, dass Schiefstellungen des Rotors durch die Rotordynamik auftreten können. Insbesondere bei magnetgelagerten Antriebswellen muss ferner die Auslenkung aufgrund des Spiels zu den Fanglagern berücksichtigt werden. Des Weiteren treten Dehnungen des Rotors insbesondere in radialer Richtung durch Fliehkräfte auf. Ferner müssen sich ggf. addierende Toleranzen berücksichtigt werden. Der Spalt zwischen den Rotorflügeln und dem Gehäuse bzw. den Statorringen beträgt bei Turbomolekularpumpen mit einem Rotordurchmesser von ca. 200 mm - 2 mm. Aufgrund des vorhandenen Spalts strömt ein Teil des gepumpten Gases zurück. Durch diese Rückströmung wird der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe deutlich verschlechtert. - Aus
EP 0 770 781 ist eine Seitenkanalpumpe bekannt, die mehrere Seitenkanal-Pumpstufen aufweist, wobei alle Pumpstufen an einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomolekularpumpe zu schaffen, mit der eine Reduzierung des zurückströmenden Gasvolumens und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden kann, wobei Kontakte zwischen rotierenden Rotorflügeln und Statorelementen während des Betriebs vermieden werden sollen.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
- Die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe weist einen Rotor mit mehreren Rotorflügeln auf. Der Rotor ist mit einer Antriebswelle verbunden und von einem Statorelement umgeben. Das insbesondere zylindrisch ausgebildete Statorelement weist mehrere Statorringe auf. Erfindungsgemäß weist das Statorelement mindestens eine Ringnut auf. Die umlaufende Ringnut ist einem Rotorflügel zugeordnet und in der entsprechenden Flügelebene dieses Rotors angeordnet. Die Ringnut ist somit auf Höhe des zugeordneten Rotorflügels im Betriebszustand angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Ausdehnung des Rotorflügels während des Betriebs in radiale Richtung in die Ringnut hinein erfolgt. Da im Betrieb insbesondere eine radiale Ausdehnung des Rotorflügels aufgrund thermischer Beanspruchungen und aufgrund der auftretenden Fliehkräfte erfolgt, dringt die in Richtung der Ringnut weisende Spitze des Rotorflügels in die Ringnut ein. Hierdurch entsteht eine Art berührungslose Labyrinthdichtung, so dass im Betriebszustand bei in radialer Richtung ausgedehntem Rotorflügel eine Art Selbstabdichtung erfolgt. Zur Montage ist der Innendurchmesser der Statorringe gegenüber dem Außendurchmesser der Rotorflügel in Montagezustand um die Breite eines Montagespaltes größer.
- Die Abmessungen der Ringnut sind hierbei derart gewählt, dass in allen Betriebszuständen ein Berühren des Rotorflügels sowohl an dem Grund als auch an den Seitenwänden der Ringnut vermieden ist. Da die Spitze des Rotorflügels während des Betriebs der Turbomolekularpumpe in die Ringnut ragt, ist der Spalt an der Spitze des Rotorflügels im Querschnitt U-förmig ausgebildet. Hierdurch ist das Volumen des zurückströmenden Gases erheblich reduziert und somit der Wirkungsgrad der Turbomolekularpumpe verbessert.
- Da die zu erwartenden, insbesondere auf Grund thermischer Einflüsse hervorgerufenen Ausdehnungen der Rotorflügel in axialer Richtung geringer sind als in radialer Richtung, kann in axialer Richtung eine geringere Spaltbreite vorgesehen sein als in radialer Richtung. Hierdurch kann die Dichtigkeit weiter verbessert werden.
- Vorzugsweise weisen die Rotorflügel einen radialen Ansatz auf. Dieser in Richtung der Ringnut weisende Ansatz ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Der ringförmige Ansatz umgibt somit die einzelnen Schaufeln der Rotorflügel, so dass vorzugsweise während des Betriebs ausschließlich der ringförmige Ansatz und nicht die Schaufeln in die Ringnut eingeschoben werden.
- Vorzugsweise ist jedem Rotorflügel eine Ringnut zugeordnet, wobei jeder Rotorflügel vorzugsweise einen ringförmigen Ansatz aufweist. Durch Vorsehen mehrerer Ringnuten für mehrere, insbesondere mindestens zwei Rotorflügel, kann eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit erzielt werden. Da in besonders bevorzugter Ausführungsform je Rotorflügel eine Ringnut vorgesehen ist, wird im Betrieb ein mäanderförmiger Spalt ausgebildet, der als berührungslose Labyrinthdichtung dient, so dass eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomolekularpumpe erzielt werden kann.
- Innerhalb eines Pumpengehäuses sind mehrere Statorringe vorgesehen. Üblicherweise ist je Rotorflügel ein Statorring vorgesehen, wobei die Statorringe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die Statorringe sind somit in Richtung der Antriebswelle bzw. in Hauptförderrichtung des Gases hintereinander angeordnet. Je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe ist in einem oder mehreren Statorringen die erfindungsgemäße Ringnut vorgesehen. Vorzugsweise ist in sämtlichen Statorringen eine Ringnut vorgesehen, in die insbesondere der mit den entsprechenden Rotorflügeln verbundene ringförmige Ansatz im Betrieb eindringt. Die Ringnuthöhe ist von den Flügelhöhen abhängig, die von der Einlassseite zur Auslassseite abnehmen (der Verdichtung folgend). Demzufolge variiert die Nuttiefe von ca. 0,5 mm bei kleinen bis ca. 4 mm bei großen Rotoren. Die Nutbreite variiert von 2mm bei flachen Flügeln kleiner Rotoren bis 15 mm bei steilen Flügeln großer Rotoren.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines Teils eines Teils einer Turbomolekularpumpe gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 2
- eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe, und
- Fig. 3
- eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Bereichs III in
Fig. 2 . - Gemäß dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe nach dem Stand der Technik ist ein auf einer Antriebswelle 10 (Fig. 2 ) angeordneter Rotor 12 dargestellt. Der Rotor 12 weist bezogen auf eine Längsachse 14 bzw. die Rotationsachse der Welle 10 radial verlaufende Rotorflügel 16 auf. Jeder Rotorflügel weist Rotorschaufeln 18 auf, die derart geneigt sind, dass in dem zu transportierenden Gas eine Hauptströmungsrichtung parallel zur Längsachse, d.h. inFig. 1 nach unten in Richtung eines Pfeils 20 erzeugt wird. Der Rotor 12 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des Rotors eine zylindrische, ggf. abgestufte Ausnehmung 24 aufweist. - Ein Teil der Rotorflügel 16 ist von Statorringen 26 umgeben. Die Statorringe 26 sind in Längsrichtung 14 hintereinander angeordnet und kleiden somit eine Innenseite der zylindrischen Ausnehmung 24 des Gehäuses 22 aus. Zwischen benachbarten Statorringen 26 sind in Richtung des Rotors nach innen weisende Statorscheiben 28 vorgesehen. Jede Statorscheibe 28 ist somit zwischen zwei benachbarten Rotorflügeln 16 angeordnet.
- Um im Betrieb der Turbomolekularpumpe zu verhindern, dass die radial äußeren Enden der Rotorflügel 16, d.h. die Spitzen der Rotorflügel 16, die Statorringe 26 berühren, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflügel 16 und den Innenseiten, d.h. die in Richtung der Rotorflügel 16 weisenden Seiten 30 der Statorringe 26, ein Spalt a ausgebildet. Durch diesen Spalt a strömt während des Betriebs zu förderndes Gas entgegen der Förderrichtung 20 zurück in einen Schöpfraum, aus dem das Gas abgesaugt werden soll.
- Bei dem nachfolgend anhand der
Fig. 2 und3 beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. - Entsprechend dem Stand der Technik weist auch die erfindungsgemäße Turbomolekularpumpe eine Antriebswelle 10 auf, die den Rotor 12 trägt. Der Rotor 12 weist ebenfalls Rotorflügel 16 auf, die Rotorschaufeln 18 tragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls Statorringe 26 innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet. Ferner sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen benachbarten Rotorflügeln 16 Statorscheiben 28 angeordnet.
- Erfindungsgemäß weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel sämtliche Statorringe an ihrer in Richtung des Rotors 12 weisenden Innenseite eine Ringnut 32 auf. Die Ringnut 32 ist in sich geschlossen und erstreckt sich entlang der gesamten Innenseite jedes einzelnen Statorrings 26.
- Die Rotorflügel 16 weisen an den äußeren in Richtung der Statorringe 26 weisenden Enden im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Ansatz 34 auf. Während des Betriebs verschiebt sich der ringförmige Ansatz 34 aufgrund der thermischen Ausdehnung der Fliehkräfte etc. in die entsprechende Ringnut 32.
- Die Ringnuten 32 und die ringförmigen Ansätze 34 befinden sich somit je Rotorflügel auf einer gemeinsamen, in
Fig. 3 jeweils horizontal verlaufenden Flügelebene 36, von der inFig. 3 zur Verdeutlichung nur eine dargestellt ist. - Der in
Fig. 3 obere Rotorflügel 16 ist nicht von einem Statorring umgeben. Um auch hinsichtlich dieses Rotorflügels 16 eine verbesserte Abdichtung zu erzielen, ist in dem Gehäuse 22 eine Ringnut 38 vorgesehen. In die Ringnut 38 ragt im Betrieb wiederum ein Ansatz 34 des oberen Rotorflügels 16. - In einem Zustand, in dem sich die Turbomolekularpumpe nicht im Betrieb befindet und somit auch keine Ausdehnung oder Verschiebungen der Rotorflügel 16 erfolgen, ist zwischen den radialen Enden der Rotorflügel 16 und einer Innenseite der Statorringe 26 ein Montagespalt b vorgesehen. Dieser ist erforderlich, um die Statorringe 26 zur Montage über den Rotor 12 zu stülpen.
Claims (8)
- Turbomolekularpumpe mit
einem auf einer Antriebswelle (10) angeordneten Rotor (12) mit mehreren Rotorflügeln (16), und
einem den Rotor (12) umgebenden Statorelement, wobei
das Statorelement mindestens eine einem der Rotorflügel (16) zugeordnete, umlaufende Ringnut (32, 38) aufweist, die in der Flügelebene (36) des zugeordneten Rotorflügels (16) angeordnet ist und das Statorelement mehrere in axialer Richtung (14) hintereinander angeordnete Statorringe (26) aufweist, wobei die mindestens eine Ringnut (32) in einem der Statorringe (26) vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet, dass,
der Innendurchmesser der Statorringe (26) gegenüber dem Außendurchmesser der Rotorflügel (16) im Montagezustand um die Breite eines Montagespalts größer ist und die umlaufende Ringnut (32, 38) ein radiales Ausdehnen des Rotorflügels (16) im Betrieb ermöglicht. - Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotorflügel (16) einen radial in Richtung der Ringnut (32, 38) weisenden Ansatz (34) aufweist.
- Turbomolekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (34) ringförmig ist.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Rotorflügeln (16) jeweils mindestens eine Ringnut (32, 38) zugeordnet ist.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorelement durch ein Gehäuse (22) ausgebildet ist, so dass die mindestens eine Ringnut (38) an der in Richtung des Rotors (12) weisenden Gehäuseinnenseite vorgesehen ist.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Statorring (26) mit einer zwischen zwei benachbarten Rotorflügeln (16) angeordneten Statorscheibe (28) verbunden ist.
- Turbomolekularpumpe nach einem des Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass je Rotorflügel (16) ein Statorring (26) vorgesehen ist.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Statorring (26) eine Ringnut (32) aufweist.
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