ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ НАСОС

Предлагаемое техническое решение относится к вакуумной технике, а именно к устройству турбомолекулярных насосов.
Известен турбомолекулярный насос [Каталог LEYBOLD VACUUM COMPONENTS 97-98, В08, с.3, с.8], который содержит корпус, состоящий из трех частей, в верхней части корпуса расположены статор и ротор, закрепленный на валу насоса на двух подшипниках, один из которых расположен в нижней части корпуса насоса, а другой в средней. Электродвигатель расположен в нижней части корпуса и имеет водяное охлаждение.
Такой насос характеризуется большим весом, который обусловлен использованием в нем асинхронного двигателя, имеющего крупный статор. Ротор такого насоса содержит большое количество колец, что приводит к увеличению габаритов насоса. Конструктивное решение установки подшипников в таком насосе (удаленность нижнего подшипника от массивного ротора насоса) приводит к быстрому выходу из строя нижнего подшипника в связи с увеличенными радиальными нагрузками на него. Это приводит к сокращению срока службы насоса.
Наиболее близким к заявляемому является турбомолекулярный насос [Насос турбомолекулярный ВВ 150. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ВВ 150-010002ТО, НТЦ «Энергонасос ЦКБМ», 1999 г.], который содержит цилиндрический корпус, составленный из трех корпусов - верхнего корпуса, среднего корпуса и нижнего корпуса. В верхнем корпусе насоса расположены статор и ротор насоса. В верхней части верхнего корпуса находится фланец, к которому присоединяется откачиваемый объект. На внутренней поверхности верхнего корпуса установлены проставочные кольца, между которыми установлены статорные диски. Статорные диски выполнены разрезными в виде полудисков, что облегчает их установку на внутреннюю поверхность корпуса насоса. По оси корпуса установлен вал насоса, закрепленный на двух подшипниках, один из которых расположен в нижней части корпуса насоса, а другой в средней. На валу установлен ротор в виде
втулки, с закрепленными на ней напрессовыванием роторными дисками. Втулка закрепляется на валу также напрессовыванием. Статорные и роторные диски имеют лопатки, причем расположение лопаток статорных дисков представляет собой зеркальное отображение расположения лопаток роторных дисков, при этом имеется два вида дисков различающихся по количеству лопаток и их конфигурации. Чередующиеся между собой статорные и роторные диски образуют однопоточную проточную часть насоса. Насос снабжен электродвигателем, статор которого закреплен в нижнем корпусе насоса, а ротор электродвигателя закреплен на валу ротора насоса. Для охлаждения электродвигателя может быть использовано либо водяное, либо воздушное охлаждение. При этом либо нижний корпус насоса снабжается съемной рубашкой и между ней и корпусом подается охлаждающая вода, либо под электродвигателем на нижний корпус насоса устанавливается вентилятор. В нижнем корпусе насоса расположен выходной патрубок для подсоединения системы откачки низкого вакуума.
Такой насос не обеспечивает надежной и долговременной работы. Прежде всего, это связано с тем, что насос снабжен тяжелым ротором, который создает большую нагрузку на подшипники. Из-за этого требуется использовать подшипники больших размеров, которые имеют меньший срок службы. Подшипники установлены на валу на большом расстоянии друг от друга и располагаются в разных частях корпуса насоса. Такое конструктивное решение установки подшипников (удаленность нижнего подшипника от массивного ротора насоса) приводит к быстрому выходу из строя нижнего подшипника в связи с увеличенными радиальными нагрузками на него. Это приводит к сокращению срока службы насоса. При такой установке подшипников трудно исключить возможность возникновения перекоса наружных обойм подшипников относительно внутренних обойм, закрепленных на валу насоса. Кроме того, такой насос характеризуется сложным процессом изготовления. Лопатки дисков ротора выполняются на фрезерном станке, что трудоемко и долговременно, а также требует специальных приспособлений. Таким образом, такой насос не надежен в работе, имеет большой вес и габариты, а изготовление его частей и сборка насоса в целом является долговременным и трудоемким процессом.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка турбомолекулярного насоса, позволяющего обеспечить
технический результат, заключающийся в повышении надежности насоса, технологичности его изготовления и сборки, при уменьшении его веса и габаритов, а также в улучшении откачных характеристик.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в турбомолекулярном насосе, содержащем составной корпус, состоящий из верхнего, среднего и нижнего корпусов, статор, размещенный на внутренней поверхности верхнего корпуса, вал насоса, закрепленный на двух подшипниках и ротор, установленный на валу насоса, электродвигатель, статор которого размещен на внутренней поверхности нижнего корпуса насоса, и ротор которого закреплен на валу насоса, а также средство для охлаждения электродвигателя, подшипники, на которых закреплен вал насоса, размещены в общей обойме, средний корпус снабжен соосным ему выступом, форма и размер которого позволяют разместить в нем большую часть обоймы с подшипниками, при этом выступ среднего корпуса расположен внутри верхнего корпуса, ротор насоса выполнен монолитным, его посадочная на вал часть выполнена в виде конуса Морзе, а также ротор имеет полость, форма и размер которой позволяют разместить в ней выступ среднего корпуса насоса, с возможностью вращения ротора вокруг него, при этом все роторные диски выполнены с одинаковым числом лопаток, а длина лопаток и угол их наклона к плоскости диска на разных дисках различные, кроме этого лопатки на статорных дисках отличаются от лопаток на соответствующих роторных дисках, как по числу, так и по длине лопатки и углу ее наклона к плоскости диска, при этом нижний корпус насоса имеет полость для размещения средства охлаждения электродвигателя.
Обойма для подшипников такого насоса содержит, например, корпус цилиндрической формы, один из торцов корпуса имеет внутренний кольцевой выступ для упора одного из торцов первого подшипника, другой торец корпуса - гайку для упора одного из торцов второго подшипника, а также во внутренней полости корпуса расположены навстречу друг другу две установочные втулки с кольцевыми внутренними выступами на одном из их торцов, между втулками с упором на их кольцевые внутренние выступы размещена пружина, внутри которой расположена втулка для упора других торцов подшипников, диаметральный размер которой позволяет обеспечить плотную посадку на вал.
Насос характеризуется следующими особенностями.
Подшипники, на которых закреплен вал насоса, размещены в обойме, ее конструкция обеспечивает надежность и долговечность работы подшипников, позволяя исключить возможность перекоса наружных обойм подшипников относительно внутренних обойм, закрепленных на валу насоса. Также обойма обеспечивает простоту сборки насоса и позволяет сократить линейные осевые размеры насоса.
Большая часть обоймы с подшипниками размещена в среднем корпусе насоса, форма которого предусматривает такое расположение, так как средний корпус снабжен соосным ему цилиндрическим выступом для размещения в нем обоймы. Этот цилиндрический выступ с обоймой заходит во внутренний объем верхнего корпуса и располагается в выполненной специально для этого полости ротора. Такое конструктивное выполнение частей насоса и взаимное их расположение позволяет обеспечить компактность насоса, соответственно уменьшить его габариты и вес.
Выполнение ротора насоса монолитным обеспечивает технологичность его изготовления, а также отсутствие собственных резонансных частот в зоне рабочих скоростей насоса.
Определенный угол наклона лопаток роторных дисков выполняется изгибом лопаток, что обеспечивает высокую технологичность изготовления ротора и возможность изготовить насос с оптимальной проточной частью. Кроме этого сокращается время, затрачиваемое на его изготовление, повышаются эксплуатационные характеристики насоса, и обеспечивается уменьшение его веса.
Посадочная на вал часть ротора выполнена в виде конуса Морзе, что облегчает сборку насоса, обеспечивает соосность ротора с валом насоса, это уменьшает вибрацию при работе и соответственно увеличивает надежность и срок работы насоса, а также, комфортность при эксплуатации насоса, так как снижается шумовое воздействие. Кроме того, облегчается процесс разборки насоса, и соответственно профилактическое обслуживание насоса.
Однопоточная проточная часть насоса образована чередующимися между собой статорными и роторными дисками, при этом все роторные диски выполнены с одинаковым числом лопаток, а длина лопаток и угол их наклона к плоскости диска на разных дисках различные, кроме этого лопатки на статорных дисках отличаются от лопаток на соответствующих роторных дисках, как по
числу, так и по длине лопатки и углу ее наклона к плоскости диска. Например, ротор может иметь 10 роторных дисков, имеющих 60 лопаток на каждом. Длина лопаток уменьшается от верхнего диска к нижнему от 20 мм до 10 мм. Угол наклона лопаток к плоскости диска составляет на первом и втором дисках - 30°, на третьем, четвертом и пятом - 20°, а на шестом, седьмом, восьмом, девятом и десятом - 12°. Статор содержит также десять статорных дисков, при этом пять дисков имеют длину лопаток 20 мм, а угол наклона к плоскости диска составляет 25°, остальные пять дисков имеют длину лопаток 10 мм, а угол наклона лопатки составляет 15°. Такое выполнение проточной части насоса позволяет оптимизировать ее за счет возможности выполнения трех или более видов роторных дисков и, соответственно, повысив степень сжатия, улучшить откачные характеристики насоса.
Средство для охлаждения электродвигателя может быть выполнено в виде вентилятора, который размещается в полости нижнего корпуса насоса под электромотором. Такое размещение вентилятора обеспечивает компактность и целостность насоса.
Сущность заявляемого устройства поясняется графическими материалами, на которых изображено:
Фиг.1 - общий вид турбомолекулярного насоса (продольный разрез). Фиг.2 - обойма для подшипников.
Насос сдержит (фиг.1) составной корпус, состоящий из верхнего корпуса 1, среднего корпуса 2 и нижнего корпуса 3. На внутренней поверхности верхнего корпуса расположен статор 4 со статорными дисками 5. По оси корпуса насоса расположен ротор 6 с роторными дисками 7, посадочная часть 8 которого, выполненная в виде конуса Морзе, установлена на вал 9. Также ротор 6 имеет полость 10, размеры и форма которой позволяют разместить в ней цилиндрический выступ 11 среднего корпуса 2, в котором в свою очередь размещена обойма 12, с установленными в ней подшипниками 13 и 14. В нижнем корпусе 3, на его внутренней поверхности установлен статор 15 электродвигателя, а ротор 16 электродвигателя закреплен на валу насоса. Нижний корпус 3 насоса имеет полость 17, в которой расположен вентилятор 18.
Обойма для подшипников (фиг.2) содержит корпус 19 цилиндрической формы, один из торцов корпуса имеет внутренний кольцевой выступ 20 для упора первого подшипника 13, другой торец - гайку 21 для упора второго
подшипника 14, а также во внутренней полости корпуса расположены навстречу друг другу две установочные втулки 22 и 23 с кольцевыми внутренними выступами 24 и 25 на одном из их торцов, между втулками с упором на их кольцевые внутренние выступы 24 и 25 размещена пружина 26, внутри которой расположена втулка 27 для упора других торцов подшипников 13 и 14, диаметральный размер которой позволяет обеспечить плотную посадку на вал.
Заявляемый турбомолекулярный насос работает следующим образом.
При подаче напряжения на статор 15 электродвигателя, ротор 16 электродвигателя приводит во вращение вал 9 насоса, установленный на подшипниках 13 и 14, которые расположены в обойме 12, исключающей перекос обойм подшипников. Вместе с валом 9 приходит во вращение ротор 6 насоса, установленный на вал 9 таким образом, что его посадочная часть 8 выполнена в виде конуса Морзе. Ротор 6 вращается вокруг выступа 11 среднего корпуса 2 насоса, благодаря полости 10 ротора 6 насоса. При этом роторные диски 7 вращаются между статорными дисками 5, обеспечивая прохождение молекул газа из откачиваемого объема вдоль оси насоса.
Таким образом, предлагаемая конструкция насоса обеспечивает его надежную и долговечную работу с требуемыми откачными характеристиками.