Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Pumpenrotor einer Turbomolekularpumpe.
Turbomolekularpumpen nach dem Stand der Technik werden mit Drehzahlen von mehreren 10.000 U/min betrieben. Die kinetische Energie eines mit einer derartigen Nenndrehzahl betriebenen Pumpenrotors liegt bei größeren Turbomolekularpumpen im Bereich der kinetischen Energie eines Kleinwagens mit einer Geschwindigkeit von 50 - 70 km/h. Im Falle eines Rotor-Burst stellt diese hohe kinetische Energie des Rotors ein hohes Zerstörungs- und Verletzungspotenzial dar, das nur mit hohem Aufwand für die mechanische Abschirmung des Rotors beherrscht werden kann.
Besonders problematisch bezüglich ihrer Burst-Anfälligkeit sind fliegend gelagerte Turbomolekularpumpen-Pumpenrotoren die magnetisch gelagert sind. Bei magnetgelagerten Pumpenrotoren, die fliegend gelagert sind, ist man bestrebt, mindestens ein Radiallager und den Antriebsmotor im Bereich des Schwerpunktes des Pumpenrotors anzuordnen. Hierzu ist es erforderlich, dass der Pumpenrotor glockenartig ausgebildet ist, um in dem Glocken- Hohlraum innerhalb des Pumpenrotors die Magnetlagerung und gegebenenfalls auch den Antriebsmotor unterzubringen. Der glockenförmige Aufbau des Pumpenrotors hat eine konstruktionsbedingte mechanische Schwächung des Rotors zur Folge. Bei den üblicherweise einstückigen Turbomolekularpumpen-Pumpenrotoren kann wegen dieser konstruktionsbedingten Schwächung nur durch die Verwendung hochfester Aluminiumlegierungen begegnet werden, die äußerst kostspielig sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen mehrstufigen Turbomolekularpumpen-Pumpenrotor zu schaffen, der eine verbesserte Festigkeit aufweist.
Der erfindungsgemäße Pumpenrotor ist nicht mehr einstückig und weist mindestens zwei separate Flügelscheibenringe mit jeweils einem Rotorring und mindestens einer Flügelscheibe auf. Die Enden der beiden Rotorringe benachbarter Flügelscheibenringe werden außenseitig spielfrei durch ein zylindrisches Armierungsrohr umfasst, das zwischen den benachbarten Flügelscheiben der benachbarten Rotorscheibenringe angeordnet ist. Das Armierungsrohr dient nicht notwendigerweise der axialen und radialen Fixierung der beiden Rotorringe zueinander, jedoch umfasst es die beiden Rotorringe derart fest, dass es mindestens einen Teil der durch die Fliehkräfte in dem Rotorring entstehenden tangentialen Kräfte aufnimmt und die Rotorringe auf diese Weise mechanisch entlastet.
Der Pumpenrotor ist nicht mehr einstückig, sondern mehrstückig ausgebildet. Der Pumpenrotor kann aus einer Vielzahl von Rotorringen mit jeweils einer einzigen Flügelscheibe gebildet werden. Selbst wenn ein Rotorring durch hohe Fliehkräfte tangential zerbrechen sollte, bleibt dieser Bruch auf den betreffenden Rotorring lokal begrenzt und kann sich nicht ohne weiteres auf den gesamten Pumpenrotor ausdehnen.
Durch die axiale Stückelung des Pumpenrotors und durch die Verwendung eines Tangentialkräfte aufnehmenden Armierungsrohres, das die Rotorringe umfasst, wird einerseits die Gefahr eines Pumpenrotor-Burst erheblich verringert und andererseits, im Falle eines Burst eines Rotorringes, die damit verbundenen Zerstörungskräfte und die daraus wiederum resultierenden Gefahren für Mensch und Maschine erheblich reduziert.
Durch die Verwendung mehrerer Rotor-Ringe und der Armierungsrohre werden die jeweiligen Bauteile für ihre Funktion spezialisiert. Hierdurch ist es möglich, sowohl den Rotorring als auch das Armierungsrohr hinsichtlich ihrer Funktion, nämlich dem Halten der Rotorflügel einerseits und der Aufnahme der Tangentialkräfte andererseits, zu optimieren. Der Rotorring kann beispielsweise aus preiswerten und durchschnittlich zugfesten Aluminiumlegierungen oder anderen Werkstoffen bestehen. Für das Armierungsrohr dagegen wird ein Werkstoff gewählt, der hohe Zugkräfte aufnehmen kann.
Wie Versuche und Berechnungen mit einstückigen Pumpenrotoren ergeben haben, ist auch bei großen Turbomolekularpumpen die Fliehkraft-Belastung in den Rotorflügeln nicht der drehzahlbegrenzende Faktor. Die Flügel selbst erlauben also eine höhere Drehzahl. Bei einem Burst des glockenförmigen Pumpenrotors verlaufen die Risse im wesentlichen in axialer Richtung, so dass auf diese Weise größere Rotor-Stücke entstehen. Die gesamte Rotationsenergie des Rotors wird dann in sehr kurzer Zeit geschossartig freigesetzt.
Bei einem Burst eines einzelnen Flügelscheibenringes eines mehrstückigen Rotors ist das dabei entstehende Geschoss erheblich kleiner und wird der Rotor durch den Kontakt des betreffenden Flügelscheibenringes mit dem Stator erheblich langsamer abgebremst, als bei einem Burst eines einstückigen Pumpenrotors.
Durch die Bildung des Pumpenrotors aus einzelnen Flügelscheibenringen kann aus fertigungstechnischer Sicht die Flügelscheibe bzw. können die Rotorflügel einfacher hergestellt werden, bzw. komplexere Formen annehmen. Dies kann bei größeren Drücken innerhalb der den Pumpenrotor aufnehmenden Turbomolekularpumpe zu einer Verbesserung der Strömungsmechanik in den Pumpenstufen führen.
Durch die Verwendung eines leichteren Werkstoffes für das Armierungsrohr kann das Gesamtgewicht des Pumpenrotors reduziert werden.
Der Flügelscheibenring kann jeweils, muss jedoch nicht, einstückig ausgebildet sein. Der Flügelscheibenring kann alternativ auch aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein. Bei der Aufteilung des Rotorringes in mehrere Segmente treten in dem Rotorring praktisch keine tangentialen Kräfte mehr auf und werden diese ausschließlich in das Armierungsrohr eingeleitet.
Bevorzugt ist der Flügelscheibenring jedoch einstückig ausgebildet. Der geschlossene einstückige Flügelscheibenring ist einfacher herzustellen und zu montieren.
Vorzugsweise ist der Armierungsrohr-Werkstoff verschieden von dem Werkstoff der Flügelscheibenringe. Als Werkstoff für das Armierungsrohr wird bevorzugt CFK, also kohlefaserverstärkter Kunststoff, verwendet, der insbesondere wegen seiner Fähigkeit, hohe Zugkräfte aufzunehmen und wegen seines geringen Gewichtes geeignet ist als Werkstoff für das Armierungsrohr.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist mindestens eine Rotorflügelscheibe eine einzige Flügelscheibe aus Rotorflügeln auf. Die Begrenzung des bzw. der Rotorringe auf eine einzige Flügelscheibe erlaubt es, zwischen jedem Flügelscheiben-Paar benachbarter Flügelscheiben jeweils ein Armierungsrohr anzuordnen. Hierdurch wird ein Maximum an Festigkeit der Pumpenrotors bezüglich der tangentialen Kräfte erreicht. Allerdings müssen nicht notwendigerweise alle Flügelscheibenringe des Pumpenrotors jeweils nur eine einzige Flügelscheibe aufweisen. So können beispielsweise in dem Bereich des Pumpenrotors, in dem besonders hohe tangentiale Kräfte auftreten, Flügelscheibenringe mit einer einzigen Flügelscheibe vorgesehen werden, während in anderen axialen Bereichen des Pumpenrotors, in denen geringere tagentiale Kräfte auftreten bzw. in dem der Rotorring radial stärker aufgebaut werden kann, der betreffende Flügelscheibenring auch zwei oder mehr Flügelscheiben aufweisen kann.
Vorzugsweise sind die Flügelscheibenringe axial zwischen zwei Rotorwellen-Spannkörpern axial miteinander verspannt. Die Rotorringe können beispielsweise mit entsprechenden axialen Ringnuten und Ringstegen selbstzentrierend aufeinander liegen und durch die beiden Rotorwellen-Spannkörper entsprechend axial miteinander verspannt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch mindestens ein Rotorstützkörper vorgesehen sein, auf den die Rotorringe der Flügelscheibenringe aufgeschoben sind. Die Rotorstützkörper können die Spannkörper bilden, die Spannkörper können aber jedoch auch separat von den die Rotorringe tragenden Rotorstützkörpern ausgebildet sein.
Der Rotorstützkörper kann aus einem anderen Material gefertigt werden, als die Rotorringe oder die Armierungsrohre.
Vorzugsweise weist der Pumpenrotor einen Hohlraum zur Aufnahme einer Rotorlagerung auf, die bevorzugt eine Magnetlagerung ist. Wie oben bereits ausführlich dargestellt, wird bei fliegend und magnetgelagerten Turbomolekularpumpen-Pumpenrotoren angestrebt, ein Radiallager und den Antriebsmotor in der Nähe des Pumpenrotor-Schwerpunktes anzuordnen. Hierfür ist ein entsprechender Hohlraum in dem Pumpenrotor unerlässlich, der dadurch eine glockenförmige Form erhält. Gerade bei magnetgelagerten Pumpenrotoren von Turbomolekularpumpen ist die axiale Stückelung des Pumpenrotors in einzelne Rotorringe besonders vorteilhaft, da insbesondere der Hohlraum-Abschnitt des Pumpenrotors wegen der Beschränkung des Pumpenrotor-Bauraumes hohen tangentialen Belastungen ausgesetzt ist.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
In den
Der Pumpenrotor 10 der
Der Pumpenrotor 10 ist nicht einstückig ausgebildet, wie dies bei Pumpenrotoren nach dem Stand der Technik üblich ist, sondern ist aus mehreren Flügelscheibenringen 17 zusammengesetzt. Jeder Flügelscheibenring 17 wird von einem geschlossenen Rotorring 12 gebildet, von dem radial Rotorflügel 16 nach außen abragen, die ihrerseits eine Flügelscheibe 14 bilden.
Die Rotorringe 12 werden axial zusammengehalten durch die beiden Axial-Spannkörper 20, 22, die durch die Spannschraube 28 und die Welle 30 axial miteinander verspannt sind. Die beiden Spannkörper 20, 22 bilden jeweils auch außenzylindrische Rotorstützkörper 24, 26, auf deren Stützzylindern 25, 27, 29, 31 die betreffenden Rotorringe 12 aufgesteckt sind. Die Rotorstützkörper 24, 26 dienen der radialen Positionierung bzw. Fixierung der Rotorringe 12. Der auslassseitige einstückige Spannkörper 22 ist dreifach gestuft ausgebildet, und weist drei Stützzylinder 27,29,31 auf. Die Rotorringe 12 sitzen mit leichtem Spannsitz spaltfrei auf den Rotorstützkörpern 24, 26 bzw. ihren Stützzylindern 25, 27, 29, 31 auf.
Die Spannschraube 28 verspannt die Rotorwelle 30, den druckseitigen Rotorstützkörper 26 und den einlassseitigen Rotorstützkörper 24 axial miteinander.
Jeder Rotorring 12 weist jeweils an einem bzw. an beiden axialen Enden einen axialen Absatz 15 auf. Im Bereich der Absätze 15 der benachbarten Rotorringe 12 ist jeweils ein Armierungsrohr 18 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (CFK) unter Vorspannung axial aufgesetzt. Die Armierungsrohre 18 nehmen bei Rotation des Pumpenrotors 10 im wesentlichen die durch die Fliehkraft in dem Rotorring 12 generierten tangentialen Kräfte auf. Auf diese Weise können als Material für die einstückigen Flügelscheibenringe 17 relativ preiswerte Aluminiumlegierungen verwendet werden.
Der druckseitige Rotorstützkörper 26 weist innenseitig einen Hohlraum 38 auf, der genügend Raum für die Anordnung einer Rotorlagerung der Rotorwelle 30 aufweist, wobei die Rotorlagerung bevorzugt eine Magnetlagerung ist.
An das druckseitige Ende des druckseitigen Rotorstützkörpers 26 kann, wie in den
Der Pumpenrotor 40 der
Der mittlere Rotorstützkörper 42 sowie der druckseitige Rotorstützkörper 48 sind jeweils zweistückig ausgebildet und bestehen jeweils aus einem Scheibenkörper 44, 52 und einem zylindrischen Stützzylinder 46, 50. Der Scheibenkörper 44, 52 besteht jeweils aus Aluminium und der Stützzylinder 46, 50 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff.
Der zweikomponentige Aufbau der beiden Rotorstützkörper 42, 48 erlaubt eine weitere Massenreduzierung des Rotors 40, wodurch die kinetische Rotationsenergie verringert ist, was wiederum zur Folge hat, dass die bei einem Rotor-Burst freigesetzte Energie geringer ist, und wegen der reduzierten Fliehkräfte höhere Drehzahlen realisiert werden können.
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