DE10111525A1 - Schraubenvakuumpumpe mit Rotoreinlauf und Rotorauslauf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraubenvakuumpumpe mit zwei Rotoren (4, 5), die jeweils eine Nabe (6, 7) und ein Gewinde (8, 9) aufweisen, sowie mit einem Gehäuse (2), in dem die Rotoren mit ineinander greifenden Gewinden derart untergebracht sind, dass sie gemeinsam mit dem Gehäuse saugseitig angeordnete Eintrittsquerschnitte (15, 16) sowie druckseitig angeordnete Auslassquerschnitte (29) bilden und während der Drehbewegung der Rotoren (4, 5) eine Förderung von Gasen von der Saugseite zur Druckseite bewirken; zur Verbesserung der Ein- und Ausströmverhältnisse wird vorgeschlagen, dass die Rotoren (4, 5) saugseitig mit Strömungskörpern (21, 22; 26, 27, 28; 36, 37) ausgerüstet sind, die den Eintrittsquerschnitten (15, 16) vorgelagert und derart ausgebildet sind, dass die die Zuströmverhältnisse der zu fördernden Gase zu den Eintrittsquerschnitten (15, 16) verbessern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Eine Pumpe dieser Art ist aus der internationalen Pa­ tent-Anmeldung WO/00/12900 bekannt.

Bei einer Schraubenpumpe bilden ineinander greifende Ge­ winde abgeschlossene Volumina, die während der synchro- nisierten Drehung der Rotoren vom Einlauf zum Auslauf gefördert werden. Einlauf und Auslauf sind üblicherweise so gestaltet, dass die Gewindestege der Rotoren - in der Regel eingängige Gewinde - in einer Ebene senkrecht zu den Rotorachsen beginnen bzw. enden. Der effektive Ein­ trittsquerschnitt (bzw. Austrittsquerschnitt) der pump­ aktiven Elemente entspricht deshalb jeweils der Summe der Flächen, die die jeweilige Nabe der Rotoren, das Ge­ häuse bzw. - je nach Stellung des Rotors - der benach­ barte Rotor sowie die seitlichen Begrenzungen des jewei­ ligen Gewindesteges bilden. Bei eingängigen Gewinden er­ streckt sich der Eintrittsquerschnitt jeweils über 180°.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Rotoreinlauf nach dem Stand der Technik, bei dem die Rotoren mit eingängigen Gewinden ausgerüstet sind. In den Fig. 1 und 2 sind die nur teilweise dargestellte Schraubenvakuumpumpe mit 1, ihr Gehäuse mit 2, ihr Einlaß mit 3, die Rotoren mit 4 bzw. 5, ihre Rotornaben mit 6 bzw. 7, ihre Gewinde­ stege mit 8 bzw. 9 und die Rotorachsen mit 10 bzw. 11 bezeichnet. In Fig. 2 ist eine Abwicklung des Rotors 5 dargestellt.

Die beiden Gewindestege 8, 9 beginnen in einer sich senk­ recht zu den Rotorachsen 10,11 erstreckenden Ebene, die in beiden Figuren mit 14 bezeichnet ist. Dadurch ergibt sich bei jedem Rotor ein Eintrittsquerschnitt 15 bzw. 16, der von den beteiligten Bauteilen gebildet wird und der sich - bei eingängigen Gewindestegen 8,9 - über 180° erstreckt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ein- und auch Ausströmverhältnisse bei einer Schrau­ benvakuumpumpe zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch die Erfindung wird ein "Einlauf-Booster" reali­ siert. Die Anordnung von den Eintrittsquerschnitten vor­ gelagerten Strömungskörpern hat die Wirkung einer Ver­ besserung des Füllungsgrades der von den Rotoren vom Einlauf zum Auslauf geförderten Volumina, so daß eine erfindungsgemäß ausgebildete Pumpe bessere Fördereigen­ schaften, insbesondere ein verbessertes Saugvermögen, hat. Auch im Bereich des Rotorauslaufs können ähnliche den Austrittsquerschnitten zugeordnete Strömungskörper die Abströmverhältnisse dahingehend verbessern, dass Strömungsverluste im Abgassystem verringert werden. Ae­ rodynamisch können durch einen abströmseitig angeordne­ ten Strömungskörper die Strömungsgeschwindigkeiten und der Restdrall reduziert sowie der statische Druck mit einer Querschnittserweiterung zusätzlich angehoben wer­ den, so dass im nachfolgenden Abgassystem geringere Strömungsverluste infolge Umlenkung und Reibung auftre­ ten. Da der Gegendruck im Abgasbereich ohnehin ständig bei 1 bar liegt, können hier die aerodynamischen Verbes­ serungen auch über den gesamten Betriebsbereich der Schraubenpumpe wirksam werden. Wegen der vorbeschriebe­ nen Vorteile besteht schließlich auch die Möglichkeit, kürzere Rotoren einzusetzen.

Die Erfindung ist unabhängig von der Schraubengeometrie (eingängige oder mehrgängige Schrauben, konstante oder variable Steigung, variable Steigung mit steigungskons­ tanten Bereichen, zylindrische, gestufte oder kegelige Rotoren, einflutige oder zweiflutige Rotoren, Rotoren mit fliegender oder doppelseitiger Lagerung) einsetzbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den Gewindesteg des jeweiligen Nachbarrotors (zweiter Rotor) in dem Bereich, der mit dem oder den Strömungskörpern des ersten Rotors zusammenwirkt, mit einer Aussparung zu versehen. Dadurch wird das Schließen des Eintrittsquerschnittes des ersten Rotors bei gleich­ zeitig sicherer Füllung des durch die Aussparung ver­ größerten Eintrittsvolumens verzögert. Es findet eine Vorkompression statt, die den Wirkungsgrad der Pumpe verbessert und ihren Leitungsbedarf reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Strömungskörper gleichzeitig als Wuchtmassen verwen­ det werden können. Unwuchten der Rotoren, die infolge der Gestaltung der Endbereiche der Gewinde unvermeidbar sind, können durch die Strömungskörper vollständig oder zumindest weitestgehend beseitigt werden. Selbst bei durch Gießen hergestellten Rotoren ist nur noch ein Feinwuchten nötig. Rotordynamisch bieten austrittssei­ tige Strömungskörper die Möglichkeit, die Urunwucht ei­ nes Schraubenrotors zusätzlich in einer zweiten Ebene rechnerisch-konstruktiv zu reduzieren sowie diese dann auch als zweite Ausgleichsebene beim Feinwuchten zu nut­ zen, wodurch sich die inneren Momente im Gesamtrotor mi­ nimieren lassen.

Die Austrittskonturen sind ebenfalls für alle Schrauben­ geometrien anwendbar. Durch die im Schraubengang redu­ zierten Querschnittsflächen bleibt bei Gewinden mit ab­ nehmender Stegbreite am druckseitigen Rotorende ledig­ lich eine geringe Wandstärke übrig, die wenig Spielraum zur Gestaltung von Schaufelkonturen bietet. Natürlich kann über ein zusätzliches Teil nahezu jede Austritts­ kontur angefügt werden, doch ein spanendes Nachformen eines zusätzlichen Gewindeganges, wie es bei einer Vaku­ umschraube mit variabler Steigung aufgrund der großen Gangstärke eintrittsseitig möglich ist, kann austritts­ seitig nur in seltenen Fällen angewendet werden. Es wäre denkbar, dass, nach entsprechendem Schlitzen entlang des Nabendurchmessers, die dünnwandige Restkontur durch ge­ zieltes Biegen eine Schaufelform erhält, die über eine stoffschlüssige Verbindung (wie Schweißen, Löten oder Kleben) dann wieder mit der Nabe zu fixieren ist. Besser ist es, diese Geometrie direkt bei der Gewindefertigung herzustellen, um so eine kostengünstige und betriebssi­ chere Kontur zu erhalten, die zudem den rotordynamischen Bedürfnissen optimal angepasst werden kann.

Die integrale spanende Fertigung von Schraubengeometrie und Ein- und Austrittskonturen bietet einen weiteren Vorteil. Durch stirnseitiges Abplanen, senkrecht zur Ro­ torachse, entstehen bei einem herkömmlichen Schraubenro­ tor an beiden Enden scharfe Eintritts- und Austrittskan­ ten, die häufig zurückgeschnitten werden müssen, um ein Verformen oder Abbrechen dieser dünnen Restmaterialien zu verhindern. Demgegenüber kann bei den integral herge­ stellten Konturen ein kontinuierlicher Übergang erzielt werden, der gleichzeitig eine Versteifung der Endkanten darstellt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 3 bis 8 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 3, 4 und 8 Lösungen mit jeweils einem Strömungskörper,

Fig. 5, 6 und 7 Lösungen mit jeweils meh­ reren Strömungskörpern.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 (Fig. 4 stellt wieder eine Abwicklung des Rotors 5 dar) sind die Rotornaben 6, 7 über die Ebene 14 der Eintrittsquer­ schnitte 15, 16 um ein bis zwei Gewindestegbreiten ver­ längert. Sie dienen sowohl der Abstützung jeweils eines Strömungskörpers 21, 22, der sich jeweils oberhalb der Eintrittsquerschnitte 15 bzw. 16 erstreckt, als auch der nabenseitigen Förderraum-Abgrenzung. Es handelt sich in etwa um eine Verlängerung der Gewindestege 8, 9 mit ver­ minderter Stegbreite (etwa 1/3). Bei - wie dargestellt - eingängigen Schrauben erstreckt sich jeder Strömungskör­ per über etwas weniger als den halben Rotorumfang und demzufolge steht dem offenen Teilbereich etwas mehr als ein halber Rotorumfang zur Verfügung. Um 180° zueinander verdreht, dringt jeder der Strömungskörper jeweils be­ rührungsfrei in die entsprechende Lücke des Nachbarro­ tors ein. Die Steigung der jeweils vorlaufenden Kanten der Strömungskörper 21, 22 nimmt in Richtung Saugseite etwas zu. Der Endbereich ist abgerundet. Die in das noch offene Fördervolumen einströmenden Gase sind in Fig. 4 durch Pfeile gekennzeichnet.

Die dem Strömungskörper 21, 22 nachlaufenden Bereiche der Stirnseiten der Gewindestege 8, 9 sind mit Ausspa­ rungen 23 (Rotor 4, nicht sichtbar), 24 ausgerüstet. Sie verzögern den Abschluss der Fördervolumina und sichern gleichzeitig deren vollständige Füllung.

Der jeweilige Strömungskörper 21 bzw. 22 kann zusammen mit seinem Nabenabschnitt als separates Teil gefertigt und nachträglich an die abgeschnittene Schraubenstirn­ fläche montiert werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die integrale Fertigung, bei der Nabenabschnitt und Strömungskörper z. B. durch Fräsen geformt werden, und zwar aus dem Restmaterial, das bei der Herstellung des Schraubenprofils (durch Fräsen, Wirbeln, Walzen, Formdrehen usw.) stehen geblieben ist (in Fig. 4 ge­ strichelt dargestellt).

Fig. 5a zeigt eine der Fig. 4 entsprechende Ausführung mit dem Unterschied, dass Breite und Steigung des Steges 9 in Richtung Druckseite abnehmen. Bei einer Ausführung dieser Art kann die Druckseite gemäß Fig. 5b gestaltet sein. Die Nabe 7 ist über den Austrittsquerschnitt 29 hinaus um etwa das Vierfache der druckseitigen Gewinde­ stegbreite verlängert und stützt eine schaufelartige Verlängerung 25 des Gewindes 9. Diese erstreckt sich mit stark in Richtung Druckseite zunehmender Steigung und Stegbreite etwa über 140°.

Fig. 6a zeigt als Abwicklung den Rotoreinlauf eines weiteren Ausführungsbeispieles für den Rotor 5. Der nicht dargestellte Rotor 4 ist entsprechend ausgebildet. Dem Eintrittsquerschnitt 16 sind drei vom Gewindesteg 9 unabhängige Strömungskörper 26, 27, 28 vorgelagert. Sie stützen sich an der Nabe 7 ab und haben etwa die Form von Rotorschaufeln, deren Steigung in Richtung Saugseite zunimmt, und zwar beginnend mit etwa der Steigung des Gewindesteges 9.

Die Fig. 6b und 6c zeigen zwei Ausführungen für den Rotorauslauf, je nach dem, ob das Gewinde 9 eine kon­ stante Steigung und Stegbreite oder eine abnehmende Steigung und Stegbreite hat. Druckseitig ist die Nabe 7 jeweils über den Austrittsquerschnitt 29 hinaus verlän­ gert und trägt Schaufeln 31, 32, 33 bzw. 34, 35. Sie sind unabhängig vom Gewinde 9 und haben eine zur Druck­ seite zunehmende Steigung. Bei der Ausführung nach Fig. 6b sind die Schaufeln etwa spiegelsymmetrisch zu den Schaufeln 26, 27, 28 gestaltet. Bei der Ausführung nach Fig. 6c nimmt die Stegbreite der Schaufeln 34, 35 in Richtung Druckseite zu. Bei diesen Ausführungen bestehen die einlaufseitigen und auslaufseitigen Schaufeln zusam­ men mit ihren Nabenabschnitten zweckmäßig aus separat hergestellten Schaufelringen, die nach ihrer stirnseiti­ gen Montage Bestandteile der Rotoren 4 und 5 sind. Diese Lösung erlaubt es, die An- und - unter bestimmten Vor­ aussetzungen - auch Abströmbedingungen in einfacher Wei­ se durch Wechsel der Schaufelringe den Kundenwünschen anzupassen.

Die druckseitigen Strömungskörper 25 (Fig. 5b) und 34 (Fig. 6c) haben ein relativ großes Volumen. Dadurch steht im Austrittsbereich der Pumpe genügend Masse für das Wuchten der Rotoren zur Verfügung.

Bei der Ausführung nach Fig. 7a sind zwei Strömungskör­ per 36, 37 vorgesehen. Strömungskörper 36 ist - im we­ sentlichen wie bei der Ausführung nach den Fig. 3, 4 - eine Verlängerung des Gewindesteges 8 mit verminderter Breite (hier etwa 1/5). Der Fuß des schaufelförmigen Strömungskörpers 37 befindet sich etwa in der Mitte des Eintrittsquerschnittes 16. Bei einer Ausführung mit ei­ nem Gewinde 9 konstanter Stegbreite und Steigung kann der Rotorauslauf entsprechend (etwa spiegelbildlich) ge­ staltet sein.

Fig. 7b zeigt den Rotorauslauf bei einer Ausführung mit einem Gewinde 9, dessen Steigung und Stegbreite in Rich­ tung Druckseite abnehmen. Im Bereich der Verlängerung der Nabe 7 über den Austrittsquerschnitt 29 hinaus nimmt die Gewindesteigung bei weiterer Abnahme der Stegbreite in Richtung Druckseite stark zu.

Schließlich zeigt Fig. 8 perspektivisch eine Ausfüh­ rungsform, die im wesentlichen der Ausführung nach den Fig. 3, 4 entspricht. Unterschiedlich ist, dass die Naben 6, 7 nur im Bereich der Strömungskörper 21, 22 verlängert sind. Sie erstrecken sich jeweils nur bis zu den Innenkanten der jeweiligen Strömungskörper 21 bzw. 22.

Zweckmäßig ist es, die Strömungskörper so zu gestalten, sei es in Bezug auf ihre Ausbildung, Anordnung und/oder Masse, dass sie gleichzeitig die Unwucht der Schrauben­ rotoren 4, 5 beseitigen. Vorteilhafterweise ergibt sich, dass gerade dort, wo die Anordnung von aerodynamisch wirksamen Strömungskörpern zweckmäßig ist, auch Wucht­ massen hinzugefügt werden müssen. Große Urunwuchten sind dadurch vermieden, aufwendige Wuchtverfahren können ent­ fallen. Die Strömungskörper können deshalb auch als Wuchtgewichte angesehen werden, die so gestaltet sind, dass sie die Zu-(bzw. Ab-)strömverhältnisse der zu för­ dernden Gase verbessern, d. h., dass sie die Form von Strömungskörpern haben.

Claims (12)

1. Schraubenvakuumpumpe mit zwei Rotoren (4, 5), die jeweils eine Nabe (6, 7) und ein Gewinde (8, 9) aufweisen, sowie mit einem Gehäuse (2), in dem die Rotoren mit ineinander greifenden Gewinden derart untergebracht sind, dass sie gemeinsam mit dem Ge­ häuse saugseitig angeordnete Eintrittsquerschnitte (15, 16) sowie druckseitig angeordnete Auslaßquer­ schnitte (29) bilden und während der Drehbewegung der Rotoren (4, 5) eine Förderung von Gasen von der Saugseite zur Druckseite bewirken, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Rotoren (4, 5) saugseitig mit Strömungskörpern (21, 22; 26, 27, 28; 36, 37) aus­ gerüstet sind, die den Eintrittsquerschnitten (15, 16) vorgelagert und derart ausgebildet sind, dass sie die Zuströmverhältnisse der zu fördernden Gase zu den Eintrittsquerschnitten (15, 16) verbessern.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrgängigen Schrauben mindestens jeweils ein Gewindesteg mit einem Strömungskörper ausgerüstet ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungskörper bei einer eingängigen Schraube über 90° bis 180° erstreckt.

4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (21, 22) im wesentlichen eine Verlängerung eines Steges (8, 9) mit verminderter Stegbreite ist.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Bereich der jeweiligen Ein­ trittsquerschnitte mindestens ein weiterer, vom Ge­ windesteg (8, 9) unabhängigen Strömungskörper vor­ handen ist, der die Form einer Schaufel hat.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln derart gekrümmt sind, dass sie sich druckseitig etwa in Richtung der Gewindestege (8, 9) erstrecken und saugseitig steiler ausgebildet sind.

7. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass im nachlaufenden Bereich der Stirnseite des Gewindesteges (8, 9) eine Aus­ sparung (23, 24) vorhanden ist.

8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Rotorauslauf mit korrespondierenden Strömungskörpern ausgerüstet ist.

9. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der/die Strömungskörper (21, 22; 26, 27, 28; 31, 32, 33; 34, 35; 36, 37) und der zugehörige Nabenabschnitt (6, 7) als sepa­ rates Bauteil auf der Stirnseite bzw. Rückseite des Rotors (4, 5) montiert ist.

10. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Strömungskörper in Bezug auf ihre Ausbildung, Anordnung und/oder Masse so gestaltet sind, dass die Unwucht des zugehörigen Rotors (4, 5) zumindest weitestgehend beseitigt ist.

11. Schraubenvakuumpumpe mit zwei Rotoren (4, 5), die jeweils eine Nabe (6, 7) und ein Gewinde (8, 9) aufweisen, sowie mit einem Gehäuse (2), in dem die Rotoren mit ineinander greifenden Gewinden derart untergebracht sind, dass sie gemeinsam mit dem Ge­ häuse saugseitig angeordnete Eintrittsquerschnitte (15, 16) sowie druckseitig angeordnete Auslassquer­ schnitte (29) bilden und während der Drehbewegung der Rotoren (4, 5) eine Förderung von Gasen von der Saugseite zur Druckseite bewirken, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Rotoren (4, 5) druck- und/oder saugseitig mit Wuchtgewichten (21, 22; 26, 27, 28; 31, 32, 33; 34, 35; 36, 37) ausgerüstet sind, die derart gestaltet sind, dass sie die Zu-(bzw. Ab-) strömverhältnisse der zu fördernden Gase verbes­ sern.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtgewichte die Form von Strömungskör­ pern nach einem der Ansprüche 1 bis 10 haben.