EP1354138B1 - Turbomolekularvakuumpumpe mit rotor- und statorschaufeln - Google Patents
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- EP1354138B1 EP1354138B1 EP01994664A EP01994664A EP1354138B1 EP 1354138 B1 EP1354138 B1 EP 1354138B1 EP 01994664 A EP01994664 A EP 01994664A EP 01994664 A EP01994664 A EP 01994664A EP 1354138 B1 EP1354138 B1 EP 1354138B1
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- F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2250/70—Shape
Definitions
- the invention relates to a turbomolecular vacuum pump with the features of the preamble of patent claim 1.
- Turbomolecular vacuum pumps are constructed in the manner of a turbine with stator and rotor blades. A significant pumping effect is achieved only in the range of molecular flow (p ⁇ 10 -3 mbar). In the adjoining area of the Knudsen current, the delivery rates decrease more and more with increasing pressure.
- the pumping principle of a turbomolecular vacuum pump is based on the fact that the gas molecules to be pumped receive an impulse in the conveying direction as a result of collisions with the rotor and stator blades. This effect is achieved only if the peripheral speeds of the rotor blades are of the order of the average thermal velocity of the gas molecules to be pumped.
- the average thermal velocity of gas molecules depends on their molar mass. It is about 1760 m / s for H 2 (mass 2) and about 470 m / s for N 2 (mass 28). These numbers indicate that the pumping properties of a turbomolecular vacuum pump are gas-dependent. This is true less for the pumping speed, but more so for the compression ratio (ratio between the partial pressure of a gas component on the pressure side of the turbomolecular vacuum pump to the partial pressure of this gas component on the high vacuum side of this pump). The compression ratio of a known turbomolecular vacuum pump increases between the masses of the aforementioned gases H 2 and N 2 of about 10 3 to 10 8 at.
- the usual design of the blades of a turbomolecular pump is from the DE-U 72 37 362 known. They have flat boundary surfaces. Their angle of attack (angle between the plane of the blades and a plane perpendicular to the axis of rotation) decreases from the suction side of the pump to the pressure side.
- the object of the present invention is to improve the conveying properties of a turbomolecular vacuum pump for gases with a low specific mass.
- the object is achieved, that is, the promotion of light gases is improved.
- the advantage is achieved that the measures according to the invention do not affect the compression and delivery rates of the pump (compression, pumping speed, throughput) for gases with higher molar mass.
- the blades designed according to the invention retain their improved conveying properties well into the Kundsen range, so that the fore-vacuum resistance of a turbomolecular pump equipped therewith is considerably more favorable compared with the prior art or the outlay for the backing pumps can be significantly reduced.
- the illustrated turbomolecular vacuum pump 1 comprises a housing / stator 2, an inlet 3, an outlet 4, stator blades 5 and rotor blades 6.
- the stator blades 5 are components of Statorschaufelschschsch, which are in communication with the housing / stator 2.
- the rotor blades 6 are components of rotor blade rows, which are fastened to the rotary body 7, for example a shaft, or are formed integrally therewith. The rotor and stator blade rows alternately engage with oppositely directed angles of attack and cause the delivery of the gases from the inlet 3 to the outlet 4.
- FIGS. 2 to 5 show different versions of inventively designed blades (unwound). Their respective upper edge 8 in the figures faces the suction side of the pump 1, its respective lower edge 9 of the pressure side. Shown are each sections through the blades 5,6 and approximately perpendicular to the substantially radially directed longitudinal axes of the blades. Parallel to these longitudinal axes of the blades extend - as shown in each case - the convex and / or concave-shaped areas of the front and back sides. The direction of rotation of the blades 5, 6 is in each case marked by an arrow 10.
- FIGS. 2 and 3 show exemplary embodiments of rotor blades 6, the front sides are denoted by 11 and the back sides with 12.
- the rear sides 12 of the blades 6 on the suction side a convex portion 13 and the pressure side, a concave portion 14.
- the front side 11 is flat in the region 15 of its suction side (incoming flow, inflow), convex in the region 16 of its pressure side (outflow).
- the front sides 11 of the blades 6 have concave (suction side) and convex (pressure side) regions 15 and 16, respectively, while the back sides 12 are convex on the intake side (region 13) and flat on the pressure side (region 14).
- the front and rear boundary surfaces converge toward one another on the suction side and the pressure side with acute angles, whereby the edges 8, 9 of the blades are formed.
- FIG. 4 shows - also unwound - a version with three rows of rotor blades, which are components of the rotor system 7, and two Statorschaufelschsch, which are components of the stator 2.
- the rotor blades 6 are all formed in such a way that they each have concave and convex portions on their front and back sides (see also FIG FIG. 5 ).
- the stator blades 5 of the upper row of stator blades have in a known manner planar front and rear sides, while the stator blades 5 of the lower row of blades are designed according to the invention.
- the cross section of the stator blades 5 is to be designed such that they are substantially mirror-inverted to the adjacent rotor blades, ie, have oppositely directed angle of attack.
- FIG. 5 a blade 6 is shown enlarged. Some tangents t 1 to t 5 are drawn. It follows that already each wing 6 practically has a variety of angles of attack. In contrast, the angle of attack in the prior art varies from stage to stage. The radii of the concave and convex areas are chosen so that the tangents always have positive angles of attack.
- the tangent t 2 is a tangent through the inflection point 18 of the rear boundary surface of the blade 6. Also marked is the (axial) height h of the blade 6. The inflection point 18 - and also the inflection point 19 of the leading boundary surface 11 - are at half the height h of the blade 6. The tangent t 2 has the angle of attack ⁇ , which - as in the prior art - can decrease from the suction side to the pressure side. Corresponding mirror image expedient and the stator blades 5 are formed.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
- Turbomolekularvakuumpumpen sind nach Art einer Turbine mit Stator- und Rotorschaufeln aufgebaut. Eine maßgebliche Pumpwirkung wird nur im Bereich der Molekularströmung erreicht (p < 10-3 mbar). Im sich anschließenden Bereich der Knudsen-Strömung lassen die Förderleistungen mit zunehmendem Druck mehr und mehr nach.
- Das Pumpprinzip einer Turbomolekularvakuumpumpe beruht darauf, dass die abzupumpenden Gasmoleküle durch Zusammenstöße mit den Rotor- und Statorschaufeln einen Impuls in Förderrichtung erhalten. Diese Wirkung wird nur dann erreicht, wenn die Umfangsgeschwindigkeiten der Rotorschaufeln in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der zu pumpenden Gasmoleküle liegen.
- Die mittlere thermische Geschwindigkeit von Gasmolekülen ist abhängig von ihrer molaren Masse. Sie beträgt für H2 (Masse 2) ca. 1760 m/s und für N2 (Masse 28) ca. 470 m/s. Diese Zahlen lassen erkennen, dass die Fördereigenschaften einer Turbomolekularvakuumpumpe gasartabhängig sind. Dieses gilt weniger für das Saugvermögen, aber um so mehr für das Kompressionsverhältnis (Verhältnis zwischen dem Partialdruck einer Gaskomponente auf der Druckseite der Turbomolekularvakuumpumpe zum Partialdruck dieser Gaskomponente auf der Hochvakuumseite dieser Pumpe). Das Kompressionsverhältnis einer bekannten Turbomolekularvakuumpumpe steigt zwischen den Massen der vorgenannten Gase H2 und N2 von etwa 103 bis 108 an.
- Die übliche Ausbildung der Schaufeln einer Turbomolekularpumpe ist aus der
DE-U 72 37 362 bekannt. Sie weisen ebene Begrenzungsflächen auf. Ihr Anstellwinkel (Winkel zwischen der Ebene der Schaufeln und einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene) nimmt von der Saugseite der Pumpe zur Druckseite ab. - Aus der
EP-A-829 645 - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fördereigenschaften einer Turbomolekularvakuumpumpe für Gase mit geringer spezifischer Masse zu verbessern.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
- Durch die Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst, d.h., die Förderung leichter Gase wird verbessert. Darüberhinaus wird der Vorteil erreicht, dass die Massnahmen nach der Erfindung die Verdichtungs- und Förderleistungen der Pumpe (Kompression, Saugvermögen, Durchsatz) für Gase mit höherer molarer Masse nicht beeinträchtigen. Schließlich behalten die erfindungsgemäß gestalteten Schaufeln ihre verbesserten Fördereigenschaften bis weit in den Kundsen-Bereich hinein, so dass die Vorvakuumbeständigkeit einer damit ausgerüsteten Turbomolekularpumpe im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich günstiger ist bzw. der Aufwand für die Vorvakuumpumpen maßgeblich reduziert werden kann.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
-
Figur 1 schematisch eine Turbomolekularvakuumpumpe, -
Figuren 2 und 3 Ausführungen von erfindungsgemäß gestalteten Rotorschaufeln, bei denen entweder die Rückseite oder die Vorderseite konvexe und konkave Bereiche aufweist, sowie -
Figuren 4 und 5 Ausführungen von erfindungsgemäß gestalteten Schaufeln, bei denen beide Seiten konvexe und konkave Bereiche aufweisen. - Die in
Figur 1 dargestellte Turbomolekularvakuumpumpe 1 umfaßt ein Gehäuse/Stator 2, einen Einlass 3, einen Auslass 4, Statorschaufeln 5 und Rotorschaufeln 6 auf. In bekannter, nicht im einzelnen dargestellter Weise sind die Statorschaufeln 5 Bestandteile von Statorschaufelreihen, die mit dem Gehäuse/Stator 2 in Verbindung stehen. Die Rotorschaufeln 6 sind Bestandteile von Rotorschaufelreihen, die am Rotationskörper 7, z.B. einer Welle, befestigt oder damit einteilig ausgebildet sind. Die Rotor- und Statorschaufelreihen greifen abwechselnd mit entgegengesetzt gerichteten Anstellwinkeln ineinander und bewirken die Förderung der Gase vom Einlass 3 zum Auslass 4. - Die
Figuren 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungen von erfindungsgemäß gestalteten Schaufeln (abgewickelt). Ihre in den Figuren jeweils obere Kante 8 ist der Saugseite der Pumpe 1 zugewandt, ihre jeweils untere Kante 9 der Druckseite. Dargestellt sind jeweils Schnitte durch die Schaufeln 5,6 und zwar etwa senkrecht zu den im wesentlichen radial gerichteten Längsachsen der Schaufeln. Parallel zu diesen Längsachsen der Schaufeln erstrecken sich - wie jeweils dargestellt - die konvex und/oder konkav gestalteten Bereiche der Vorder- und Rückseiten. Die Drehrichtung der Schaufeln 5,6 ist jeweils durch einen Pfeil 10 gekennzeichnet. - Die
Figuren 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele für Rotorschaufeln 6, deren Vorderseiten mit 11 und deren Rückseiten mit 12 bezeichnet sind. Bei der Ausführung nachFigur 2 weisen die Rückseiten 12 der Schaufeln 6 saugseitig einen konvexen Bereich 13 und druckseitig einen konkaven Bereich 14 auf. Die Vorderseite 11 ist im Bereich 15 ihrer Saugseite (Anströmung, Zuströmung) eben, im Bereich 16 ihrer Druckseite (Abströmung) konvex gestaltet. - Bei der Ausführung nach
Figur 3 weisen die Vorderseiten 11 der Schaufeln 6 konkave (saugseitig) und konvexe (druckseitig) Bereiche 15 bzw. 16 auf, während die Rückseiten 12 saugseitig konvex (Bereich 13) und druckseitig eben (Bereich 14) ausgebildet sind. Die vorderseitigen und rückseitigen Begrenzungsflächen laufen saugseitig und druckseitig mit spitzen Winkeln aufeinander zu, wodurch die Kanten 8, 9 der Schaufeln gebildet werden. -
Figur 4 zeigt - ebenfalls abgewickelt - eine Ausführung mit drei Rotorschaufelreihen, die Bestandteile des Rotorsystems 7 sind, sowie zwei Statorschaufelreihen, die Bestandteile des Stators 2 sind. Die Rotorschaufeln 6 sind sämtlich in der Weise ausgebildet, dass sie auf ihren Vorder- und Rückseiten jeweils konkave und konvexe Bereiche aufweisen (vgl. auchFigur 5 ). Die Statorschaufeln 5 der oberen Statorschaufelreihe weisen in bekannter Weise ebene Vorder- und Rückseiten auf, während die Statorschaufeln 5 der unteren Schaufelreihe erfindungsgemäß gestaltet sind. Dabei ist der Querschnitt der Statorschaufeln 5 derart zu gestalten, dass sie zu den benachbarten Rotorschaufeln im wesentlichen spiegelbildlich sind, d.h., entgegensetzt gerichtete Anstellwinkel aufweisen. - In
Figur 5 ist eine Schaufel 6 vergrößert dargestellt. Einige Tangenten t1 bis t5 sind eingezeichnet. Daraus geht hervor, dass bereits jeder Flügel 6 praktisch eine Vielzahl von Anstellwinkeln hat. Demgegenüber ändert sich der Anstellwinkel beim Stand der Technik von Stufe zu Stufe. Die Radien der konkaven und konvexen Bereiche sind so gewählt, dass die Tangenten stets positive Anstellwinkel haben. - Die Tangente t2 ist eine Tangente durch den Wendepunkt 18 der rückseitigen Begrenzungsfläche der Schaufel 6. Eingezeichnet ist weiterhin die (axiale) Höhe h der Schaufel 6. Der Wendepunkt 18 - und auch der Wendepunkt 19 der vorlaufenden Begrenzungsfläche 11 - liegen auf der halben Höhe h der Schaufel 6. Die Tangente t2 hat den Anstellwinkel α, der - wie beim Stand der Technik - von der Saugseite zur Druckseite abnehmen kann. Entsprechend spiegelbildlich sind zweckmäßig auch die Statorschaufeln 5 ausgebildet.
Claims (9)
- Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Einlass und Auslass befindlichen Rotor- und Statorschaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln (6) eine Rückseite (12) aufweist, die saugseitig konvex und druckseitig konkav gestaltet ist.
- Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite (11) der Rotorschaufeln (6) saugseitig eben und druckseitig konvex gestaltet ist.
- Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Einlass und Auslass befindlichen Rotor- und Statorschaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln (6) eine Vorderseite (11) aufweist, die saugseitig konkav und druckseitig konvex gestaltet ist.
- Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (12) der Rotorschaufeln (6) saugseitig konvex und druckseitig eben ausgebildet ist.
- Turbomolekularvakuumpumpe (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie mit zwischen Einlass und Auslass befindlichen Rotor- und Statorschaufeln (5 bzw. 6), wobei die Rotorschaufeln (6) in Bezug auf ihre Drehrichtung Vorderseiten (11) und Rückseiten (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln (6) eine Rückseite (12) nach Anspruch 1 und eine Vorderseite (11) nach Anspruch 3 aufweist.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitigen und die rückseitigen Begrenzungsflächen der Schaufeln im Bereich der seitlichen Kanten der Schaufeln spitz zulaufen.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der konkaven und konvexen Bereiche so gewählt sind, dass die Tangenten (t1 bis t5) im Bereich der konkaven und konvexen Bereiche positive Anstellwinkel haben.
- Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendepunkte (18, 19) der Begrenzungsflächen auf der halben Höhe (h) der Schaufeln (5, 6) liegen.
- Turbomolekularpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangente (t2) durch den/die Wendepunkte (18, 19) einen Anstellwinkel (α) haben, der von der Saugseite zur Druckseite abnimmt.
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