CN103975127B - 用于尤其是机动车辆的燃料电池的增压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池(10)的增压装置(34)，包括涡轮机(52)，该涡轮机具有包括容纳室的壳体部分(86)，涡轮机(52)的涡轮机叶轮(50)以能绕一旋转轴相对于壳体部分(86)旋转的方式容纳在该容纳室中，其中涡轮机叶轮(50)包括叶轮叶片(90)，经该叶轮叶片介质、尤其是燃料电池(10)的气态废气在入口区域中流到涡轮机叶轮(50)上，该叶轮叶片至少在入口区域中向前弯曲。

Description

用于尤其是机动车辆的燃料电池的增压装置
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的增压装置，尤其是用于机动车辆燃料电池的增压装置。
背景技术
DE1002010026909A1公开了一种用于燃料电池的增压装置，其中燃料电池提供电流以对机动车进行电驱动。该增压装置包括向心式涡轮机，其具有壳体件，该壳体件带有接纳腔，涡轮机的涡轮机叶轮以能绕一轴相对于壳体件转动的方式被接纳在该接纳腔中,其中涡轮机叶轮包括叶片，经由该叶片使介质、尤其是燃料电池的气态废气能在入口区域中流动到涡轮机叶轮上。
WO98/02643A1公开了一种用于燃料电池的增压装置，该增压装置包括向心式涡轮机，其具有壳体件，该壳体件带有接纳腔，涡轮机的涡轮机叶轮以能绕一轴相对于壳体件转动的方式被接纳在该接纳腔中，其中涡轮机叶轮包括叶片，经由该叶片使介质、尤其是功率范围达到100W的燃料电池的气态废气能在入口区域中流动到涡轮机叶轮上。该叶片设计成完全向前弯曲。
DE2920479A1公开了一种用于内燃机的增压装置，该增压装置包括向心式涡轮机，其具有壳体件，该壳体件带有接纳腔，涡轮机的涡轮机叶轮以能绕一轴相对于壳体件转动的方式被接纳在该接纳腔中,其中涡轮机叶轮包括叶片，经由该叶片使介质、尤其是发动机的气态排气能流动到涡轮机叶轮上。该叶片设计成在入口区域中向前弯曲。
DE102008007616A1公开了一种具有轮毂的韦尔斯涡轮机，多个转子叶片连接至该轮毂。转子叶片具有从轮廓突出部分起呈水滴状的对称轮廓。转子叶片还具有穿线，该穿线在韦尔斯涡轮机的旋转面中的轨迹至少在转子叶片的径向程度的部分相对于相应各转子叶片对应的径向束偏移。
在例如用于内燃机的废气涡轮增压器的增压装置的转子轴承中出现轴向力，该轴向力例如经由流体动力的轴向轴承吸收。而且，已知使用滚动轴承、尤其是滚珠轴承，用于安装转子以及用于吸收轴向力。这种滚珠轴承，尤其是对于快速旋转的转子以及对于高轴向力及其波动，如果不采取适当的对策将具有不令人满意的使用寿命。
现有技术中还已知具有至少一个燃料电池或燃料电池装置的机动车辆。燃料电池装置用于提供电流以通过该电流来驱动机动车辆。
用于该燃料电池或燃料电池装置的增压装置可向燃料电池提供压缩介质，尤其是压缩气体，这导致燃料电池或燃料电池装置的极其有效的运行。对此，增压装置的极其有效的运行也是有利的。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是：提供一种极其有效地运行的用于燃料电池、尤其是用于机动车辆燃料电池的增压装置。
该用于燃料电池、尤其是用于机动车辆燃料电池的增压装置包括壳体部分。壳体部分具有容纳室，涡轮机的涡轮机叶轮以能绕一旋转轴相对于壳体部分旋转的方式容纳在该容纳室中。
涡轮机叶轮具有叶轮叶片，经该叶轮叶片介质能在入口区域中流到涡轮机叶轮上并能驱动该涡轮机叶轮。所述介质优选地是燃料电池的气态废气。
此处，叶轮叶片在入口区域中向前弯曲。通过叶轮叶片的向前弯曲，涡轮机叶轮的入口区域可以在空气动力学方面设计得特别大。因此，涡轮机叶轮对所出现的轴向力的贡献、尤其是涡轮机叶轮对尤其是由增压装置的压缩机造成的轴向力的补偿的贡献可被分配非常高的权重。换言之，通过涡轮机叶轮的叶轮叶片的向前弯曲可以至少部分地补偿增压装置的轴向力，以使得作用在支承装置(涡轮机叶轮经由该支承装置被安装成可绕旋转轴旋转)上的负载，保持在低水平。
由此，可以根据低负载设计支承装置，以使得根据本发明的支承装置的支承损耗可保持较低。这就导致增压装置的有效运行，其有利于燃料电池的有效运行。
尤其是可以使用滚动支承装置、尤其是滚珠轴承来支承涡轮机叶轮，以使得增压装置(其包括涡轮机叶轮、以旋转固定的方式连接至涡轮机叶轮的轴、以及以旋转固定的方式连接至轴的压缩机轮)的涡轮机叶轮或转子能够以低损耗的方式被支承。
而且，利用滚动支承装置是有利的，这是因为在增压装置中，在大约80℃至120℃的范围内的低涡轮机入口温度下，可实现支承装置或滚动支承装置的自足的低量润滑。这还能够(至少几乎完全地)防止润滑液进入所述另外的介质(尤其是空气)(通过增压装置向燃料电池提供该另外的介质)，以及能够积极地实现支承装置的非常有利的机械效率。根据本发明的增压装置使之成为可能，同时实现支承装置的高使用寿命，而且因此实现整个增压装置的高使用寿命，这是因为支承装置上的负载可由于叶轮叶片的向前弯曲对轴向力的至少部分补偿而保持较低。
通过气浮支承装置来支承涡轮机叶轮或转子是有利的，这是因为与滚珠支承装置不同地不需要润滑剂。至少部分地补偿的轴向力对于气浮支承装置尤其有利，因为气浮支承装置所能支持的轴向力很低。
根据本发明的增压装置在该方面还能够实现燃料电池的有效运行，这是因为能量回收可通过增压装置的涡轮机来执行。涡轮机可利用从燃料电池排出的废气。废气驱动涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮继而经由轴驱动压缩机轮，从而向燃料电池提供经压缩的另外的介质、尤其是空气。
有利的是，增压装置包括导流栅、尤其是能可变调节的导流栅，该导流栅在介质、尤其是废气的流动方向上被布置在涡轮机叶轮的上游，尤其是布置在壳体部分内。通过导流栅能影响流动条件、尤其是涡轮机被介质流入的流入条件。由此，反压阀门可省略，从而部件数量以及增压装置的成本可保持较低。该导流栅和/或这种反压阀确保了涡轮机的可调节的有效的最窄的流动横截面，这样增压装置可适应燃料电池的不同工作点。因此，例如，可防止在不匹配的压力和空气质量流量下增压装置的压缩机的特性曲线簇中的工作点朝着压缩机的喘振线移动。
增压装置的压缩机和/或涡轮机被有利地设计成离心压缩机(径流压缩机)或向心式涡轮机(径流涡轮机)，由此将被提供给燃料电池的、至少基本为气体的所述另外的介质(尤其是空气)可被有效地、在仅需很小的结构空间的情况下被压缩。
在本发明的有利实施例中，提供了用于至少部分地补偿轴向力的连接至涡轮机叶轮的补偿元件以及能绕旋转轴旋转的压缩机轮。通过压缩机轮能对馈送至燃料电池的另外的介质进行压缩。
经由至少一个通道能使补偿元件至少局部地被加载以沿待压缩的另外的介质的流动方向在压缩机轮下游存在的出口压力。
通过借助出口压力加载补偿元件可至少部分地补偿轴向力，因此轴向力可保持特别低，这有利于增压装置的有效运行，因此有利于燃料电池的有效运行。特别地，支承装置的支承装置损耗、重量和外尺寸可由此保持低水平。
叶片的向前弯曲，其中叶轮叶片至少在入口区域中沿涡轮机叶轮在增压装置运行期间进行旋转的旋转方向弯曲，也影响了涡轮机叶轮的空气动力学参量，这是因为在特别高的圆周速度下的标称工作点处实现了遵循欧拉(Euler)关系的特定涡轮机输出。
与仅沿径向延伸的、仅沿径向定向的叶轮叶片相比，在至少基本相同的出口流动条件下，这导致了介质(废气)的流动偏转的有利效率的下降，而且导致了在预定旋转速度下经由较高圆周速度实现的所需的涡轮机功率。这可导致值为0.5以上的至少大致最佳的反力度。
在有利实施例中，补偿元件还可以被至少局部地加载以在入口区域中存在的入口压力。因此，轴向力可保持特别低。
优选地，补偿元件布置在涡轮机叶轮背部的背对涡轮机叶轮出口区域的一侧。通过对补偿元件的加载，补偿元件实现了对例如由于气体力产生的轴向力的至少部分补偿。
在本发明的另一有利实施例中，补偿元件的直径不同于入口区域的入口直径。因此，对补偿元件的入口压力和/或出口压力的施加可按需要来设定以保持轴向力特别低。
优选地，补偿元件直径大于入口区域的入口直径。因此，能至少部分地补偿特别高的轴向力。
在本发明的另一有利实施例中，压缩机轮包括用于压缩另外的介质(尤其是空气)的压缩机叶片，其中压缩机叶片向前弯曲。这意味着，压缩机叶片也沿压缩机轮在增压装置工作期间进行旋转的旋转方向弯曲。由此，所述另外的介质可以被有效压缩。
在另一有利实施例中，补偿元件可被加载以在压缩机轮下游存在的、在补偿装置区域中的出口压力，其中通过增压装置的所述区域、壳体部分和至少两个密封元件界定出一腔体。由此，在补偿元件上的入口压力施加和出口压力施加不彼此影响，从而轴向力可保持特别低。这有利于增压装置的有效运行。
在此，密封元件一方面支撑在壳体部分上，另一方面支撑在补偿元件或涡轮机叶轮或转子的轴上，涡轮机叶轮和/或补偿元件以旋转固定的方式连接至该轴。由此，增压装置的所需结构空间和重量保持较低，这导致极其有效的运行。
至少一个所述密封元件被形成为用于往复式活塞机器的活塞的活塞环。这对低成本增压装置是有利的。至少一个所述密封元件也可以被形成为非接触式密封件、尤其是形成为迷宫式密封件。根据本发明，这造成了很少的所需结构空间以及低重量的增压装置。
为了实现增压装置的特别有效的运行，叶轮叶片的叶片进气角优选地大于100°并小于150°。这一点与在其入口区域中具有特别大的空气动力学结构的涡轮机叶轮相结合针对废气实现了有利的流动条件。
本发明的进一步的优势、特征和细节源于优选示例实施例和附图的描述。说明书中的前面提到的特征及特征组合以及以下在附图的描述中指定的或者附图中单独示出的特征及特征组合不仅可用于分别陈述的组合，而且可用于其它组合或单独使用，而不会脱离本发明的范围。
附图说明
附图中：
图1示出了包括涡轮机和压缩机的增压装置的示意性纵剖视图，用于图示作用在转子的支承装置上的轴向力，该转子具有轴、涡轮机的涡轮机叶轮以及压缩机的压缩机轮；
图2示出一图表以图示出在0.7的叶尖速比/高速性系数(Schnellaufzahl)和0.5的反力度下在效率、即在相应涡轮面入口温度下的最优圆周速度与涡轮机压比的关系。
图3示出了根据图1的涡轮机的实施例的示意性截面示图；
图4部分地示出了根据图3的涡轮机的示意性截面示图；
图5示出了根据图1的增压装置的另一实施例的示意性纵剖图；
图6示出了用于说明作用在增压装置的压缩机轮上的力的示意图；
图7示出了用于说明作用在增压装置的涡轮机叶轮上的力的示意图；
图8部分地示出了根据图1和图3的涡轮机的另一实施例的示意性纵剖视图；
图9示出了可由增压装置向其提供压缩空气的燃料电池的示意图；
图10示出了包括径向叶片的涡轮机叶轮的速度三角形；
图11示出了包括向前弯曲的叶片的涡轮机叶轮的速度三角形；
图12部分地示出了涡轮机叶轮的向前弯曲的叶片的示意性透视图；
图13示出了用于说明具有向前弯曲的叶片的涡轮机的效率性能的示图。
具体实施方式
图9示出了燃料电池10，连续馈送的燃料和氧化剂的反应能可以通过该燃料电池而转化成电能。燃料以氢的形式存在，所述氢被存储在储箱12中并经由燃料阀门14馈送至燃料电池10。燃料阀门14在此由控制装置16控制。作为氧化剂，燃料电池10利用被馈送至燃料电池的来自周围环境的空气或作为该空气的成分的氧。
燃料电池10经由线路22连接至其中能存储所产生的电能(下文中也称为电流)的电池25。电池25又经由线路24连接至可由电池25中存储的电流驱动的电机26。该电机26将电能转换成机械能，并且将该能量以转矩的形式经可旋转的轴30输出。因此，燃料电池10用于驱动电机26，例如电机26可以用于机动车辆，尤其是用于乘用车。
为了(例如由乘用车的驾驶员)设定由电机26提供的期望的转矩，提供了加速踏板32。通过操纵加速踏板32，驾驶员可设定期望的转矩并使乘用车前行。加速踏板32被连接至控制装置16和电机26从而使燃料电池10产生的电流匹配于期望的转矩。
为了实现燃料电池10的特别有效的运行，提供了增压装置34，其包括具有压缩机轮38的压缩机36。压缩机轮38以旋转固定的方式连接至增压装置34的轴40，其中轴40可旋转地安装在增压装置34的支承壳体中。由此，压缩机轮38也是可旋转的，并且可将吸入的空气从在空气流动方向上在压缩机轮38上游存在的压力水平压缩至一相对较高的压力水平，该在压缩机轮上游存在的压力水平相当于环境压力并被称为压缩机入口压力P1，而该相对较高的压力水平在压缩机轮38的下游存在并被称为压缩机出口压力P2t。
由于压缩机轮38对空气的压缩使空气升温。为了冷却空气，使空气流入冷却装置46，空气通过它得到冷却并随后被馈入燃料电池10。
为了实现燃料电池10的特别有效的运行，燃料电池10的废气被馈入增压装置34的涡轮机52，该涡轮机包括涡轮机叶轮50。涡轮机叶轮50也以旋转固定的方式连接至轴40，并因此被可旋转地安装且可由燃料电池10的废气驱动。涡轮机52是膨胀式涡轮机，因为在燃料电池10的废气的流动方向上废气在涡轮机叶轮50上游具有比涡轮机叶轮50下游更高的压力水平，其被称为涡轮机入口压力P3t。换言之，燃料电池10的废气通过涡轮机52膨胀，其中涡轮机52或涡轮机叶轮50利用废气中存储的能量来驱动压缩机轮38。涡轮机52下游废气的压力被称为涡轮机出口压力P4。
在从涡轮机叶轮40流出之后，废气流至废气后处理装置56，该废气后处理装置从废气中清除有害排放物。废气后处理装置56的下游，废气流入周围环境。
为了使涡轮机52匹配于电机26及燃料电池10的不同的工作点，涡轮机52是所谓的可变涡轮机(Varioturbine)。这意味着，在涡轮机叶轮50的上游，布置了能可变调节的导流栅60，借助该能可变调节的导流栅能影响废气流入涡轮机叶轮50的流动条件并且能匹配燃料电池10的不同的工作点、压缩机36的不同压比和/或类似条件。导流栅60同样可由控制装置16控制。
而且，增压装置34包括另外的电机62，借助该电机能驱动轴40、进而驱动压缩机轮38以及涡轮机叶轮50。电机62是必要的，因为涡轮机53提供的功率可能不足以单独驱动压缩机34。这导致燃料电池10的非常有效的运行。
由于空气的压缩，相对高的轴向力作用在压缩机38上，并因此作用在涡轮机叶轮50上而且作用在轴40上以及作用在轴40在支承壳体中的支承装置上，如果不采取对策，该轴向力在支承装置上强烈加载并且可能导致支承装置的不期望的短使用寿命。为了降低甚至避免作用在支承装置上的该负荷和加载，增压装置34包括图9示意性示出的轴向推力补偿装置64，借助该轴向推力补偿装置可使轴向力被补偿或减小。下文将结合其余附图更详细地描述该轴向推力补偿装置64。
图5示出了增压装置34的一种可能的实施例，增压装置34包括压缩机36、另外的电机62和涡轮机52，该涡轮机被设计成可变涡轮机形式的膨胀式涡轮机。在向燃料电池10提供压缩空气时，由于空气的压缩导致源于压缩机轮38的相对高的轴向力。为了不超出附加电机62的给定转速界限、例如处于100000转每分钟的范围内，压缩机轮38的第一直径D2将被设计成特别大以满足关于(在待压缩空气的流动方向上在压缩机轮38的上游及下游的)压缩机36压比的相应要求。
由于在增压装置34中设有涡轮机52，会出现较低的轴向力卸载，其中所述轴向力在朝压缩机入口66的方向上作用并且必须由压缩机轮38的支承装置和涡轮机叶轮50的支承装置或轴40的支承装置吸收。涡轮机52或涡轮机叶轮50通过与压缩机36的刚性耦合而获得相同的转速，该转速由另外的电机62施加到轴40或压缩机轮38上，涡轮机52或涡轮机叶轮50在标称工作点处、亦即在另外的电机62的最大功率处具有最优效率。经由涡轮机52的最佳叶尖速比执行涡轮机叶轮50和压缩机轮38的一般匹配，该最佳叶尖速比达到或应当达到标称工作点下大约0.7的值。
由于约100摄氏度的燃料电池10废气温度相对低，所以在叶轮入口区域的小的第二直径D3处获得涡轮机52的最佳效率，燃料电池10的废气可经由该叶轮入口区域流到涡轮机叶轮50上并可对其进行驱动。由于直径D2、D3的这个相对较大的差异，由于反作用于来自压缩机轮38的轴向力的涡轮机叶轮50力分量很低而出现了支承装置上施加的高轴向力的问题。
可假设：压缩机轮38的第一直径D2是第二直径D3的近2倍，这导致压缩机轮38的第一轮后部68的第一面积A2是涡轮机叶轮50的第二轮后部70的第二面积A3的4倍。
其结果就是，如果在传统的乘用车中使用燃料电池10，则可能出现几百牛顿、可能是300至400牛顿的轴向力，该轴向力必须被支承装置吸收。例如，期望的是支承装置的使用寿命为6000小时。同时，轴40或压缩机轮38和涡轮机叶轮50的支承应该以低损耗、因此尽可能低摩擦的方式进行，这例如可通过借助于至少一个滚动支承装置、尤其是滚珠轴承的支承来实现。然而，这种滚珠支承装置仅仅能够有条件地吸收所述高轴向力，这导致需要降低或补偿轴向力。这可通过结合图9描述并进一步结合图8描述的轴向推力补偿装置64实现。
如图8所示，轴向推力补偿装置64包括与涡轮机叶轮50一体形成的补偿片72，由此，对由压缩机36导致的并且作用在支承装置上的轴向力的轴向力补偿由涡轮机叶轮50的第二叶轮后部70实施。补偿片72具有外部的第三直径Ds，该第三直径Ds相对于空气动力学的第二直径D3(也称为涡轮机叶轮50的叶片的叶轮入口直径)被独立调节尺寸，而且在当前情况下被配置成大于第二直径D3。优选地，第三直径Ds与轴向力相关并且大于第二直径D3。
对于涡轮机52主要是在涡轮机52的喷口74的出口处的喷口压力P3D决定了涡轮机叶轮50的后侧76或补偿片72上的压力分布，该补偿片72具有与第三直径Ds对应的第三面积As，经由该喷口燃料电池10的废气可流到涡轮机50上。
因此，具有补偿片72的涡轮机叶轮50的合力(Kraftresultierend)抵抗压缩机轮38的合力。压缩机轮38的合力的主要部分由直接在压缩机轮38的下游的静态压缩机出口压力P2t决定，该压力与压缩机轮盘78的表征性的平均压力P2s有关。类似地，提供了涡轮机叶轮盘81，其中涡轮机叶轮盘81的表征性的平均压力p3s与涡轮机入口压力p3t有关。
由于涡轮机入口压力P3t由于管道、热交换器、燃料电池堆栈和/或类似物中的压力损失而相对于压缩机出口压力P2t显著下降(高达30％)，涡轮机叶轮50处的补偿片72由于相对低的喷口压力P3D而要求较大尺寸才能实现可观的轴向力下降。
为了使第三直径Ds保持较小，有利地借助于轴向推力补偿装置64经由通道79通过汲取压缩机出口压力P2t，该通道79位于压缩机出口或可能的压缩机收集旋道的、因此在压缩机轮38的下游或压缩机扩散器的下游的区域中，并使该压缩机出口压力在压力腔体80中被施加到涡轮机叶轮50侧的补偿片72。压缩机出口压力P2t在此达到比压缩机轮盘78的平均压力P2s显著更高的压力值。
为了让该显著增加的压缩机出口压力P2t能作用在补偿片72上并用于形成压力腔体80，其也被称为压力室，提供了密封区域82、83，经由所述密封区域来密封压力腔体80。内密封区域83可形成为传统的简单的活塞密封环，而第三直径Ds上的外密封区域82被有利地形成为非接触式密封件、例如迷宫式密封件。外密封区域82的可能的泄漏物经由涡轮机叶轮50的叶片流出。因此，压力腔体80一方面通过补偿片72的区域、通过密封区域82，83、通过涡轮机52的涡轮机壳体的壳体部分86、以及通过涡轮机叶轮50的轮毂体的部分来界定。
环面84根据下面的式子计算：
(Π·((Ds/2)2-(D3/2)2))
其中环面84位于涡轮机叶轮50的叶片侧，希望减小的喷口压力P3D尽可能存在于该环面上，从而使显著更高的压缩机出口压力P2t在压力腔体80中完全发挥作用，该压缩机出口压力也被称为静态补偿压力。
如果不存在涡轮机52，则轴向力的补偿可类似于图5和8通过纯补偿片72来进行，其中喷口压力P3D便在环境压力或略高于环境压力的范围内与涡轮机出口压力P4一起作用在补偿片72的补偿面的出口侧上。
在朝着压缩机入口66的方向上作用的轴向力在图1和5中由力箭头F表示。图1、6和7具体用于图示出轴向力的计算或估计。轴向力尤其是由气体力产生并引起作用于转子的轴向推力，转子包括涡轮机叶轮50、压缩机轮38和轴40。轴向推力尤其是源于在朝着涡轮机出口的方向上作用于压缩机轮廓和压缩机轮入口的轴向力并且源于压缩机脉冲。而且，轴向力在朝着压缩机入口的方向上作用于压缩机轮。与此对应，在涡轮机52侧轴向力在朝着压缩机入口66的方向上作用于涡轮机叶轮轮廓并作用于涡轮机叶轮出口。此外由于涡轮机脉冲/冲量/动量而引起轴向力。轴向力还在朝着涡轮机出口的方向上作用于涡轮机叶轮50。如力箭头F所示，压缩机轮侧的轴向推力显著高于涡轮机叶轮侧上。这种情况是由于，如果没有采取适当对策，则气体压力和压缩机轮38的叶轮背部面积大于涡轮机叶轮50一侧。因此，为了使轴向推力或轴向力总体上保持较低，涡轮机叶轮50的至少基本上最佳的空气动力学匹配是有利的。
该空气动力学匹配可导致相对小的涡轮机叶轮直径。图2通过图表88示出了在相应的涡轮机入口温度T3t下的效率、即最佳圆周速度U_opt与在叶尖速比值0.7及反力度0.5下的涡轮机压比之间的联系。效率最佳圆周速度U_opt在此在叶尖速比0.7下获得。在图表88中，涡轮机入口温度被标为T3t。压比被标记为P3t/P4。此处，P3t表示涡轮机入口压力，而且P4表示涡轮机出口压力。叶尖速比从u/c0得出，其中u表示圆周速度，c0表示废气的绝对速度。因此，通过对于燃料电池10的空气供应为最佳的压缩机转速，涡轮机52的叶轮入口直径(第二直径D3)被确定为较小的值，由此引起了与100℃范围内的相对低的膨胀温度相关的最佳圆周速度U_opt。
图2还示出了叶轮的极限强度范围B，例如其指的是材料Inconel713LC。而且，图2中描绘了范围C，其指的是增压装置34的涡轮机52。
图6示出了第四面积A1和第五面积A1K，气体力能作用在这两个面积上并由此导致在朝向涡轮机出口的方向上作用在转子上的轴向力。图6还示出了与压缩机38的叶轮背部对应的第六面积A2R，在该第六面积上作用气体力并由此导致在朝向压缩机入口66的方向上作用的轴向力。
反力度例如为0.6，而压缩机入口压力P1为1巴(1bar)。在当前情况下，压缩机出口压力P2T为3.2巴。作用在压缩机轮38的第一叶轮背部68上的第一压力P2例如为2.32巴。
据此，图7示出了涡轮机叶轮50的第二叶轮背部70的第七面积A3R，其中气体力作用于所述第七面积。这导致了在朝向涡轮机出口的方向上作用的轴向力。图7还示出了第八面积A4K和第九面积A4，气体力作用于这些面积。这导致了在朝着涡轮机入口的方向上定向的轴向力。涡轮机入口压力P3t为例如2.7巴。涡轮机出口压力为1.0巴。反力度为0.5。作用在涡轮机叶轮50的第二叶轮背部70上的压力例如为1.85巴。轴向力在此例如为335.1N并在朝向压缩机入口66方向上作用。通过适当增大第六面积A3R可补偿轴向力。为此，使用补偿片72。
而且，如图12所具体示出，涡轮机叶轮50的叶轮叶片90可至少在入口区域92内(其中废气流到涡轮机叶轮50上)向前弯曲。由此，涡轮机叶轮50对补偿轴向力的贡献被分配了更大的权重，因为通过叶轮叶片90的向前弯曲而使涡轮机叶轮50相对于纯轴向延伸的叶片变得更大。
补偿片72的轴向尺寸，即其宽度，优选很小以使流动损耗保持很低。有利地，其宽度被完全避免，这对叶片进气角β1s的大小有影响，如图12所示。有利的第二直径D3极大的实施例以及叶片进气角β1s的相应实施例与目标圆周速度u1和标称工作点下期望的气体速度分量cu1下的欧拉关系相关，如图11所示。
图10示出了第一速度三角形94，其涉及的是涡轮机叶轮50的纯径向叶片。而图11示出了第二速度三角形96，其涉及的是涡轮机叶轮50的向前弯曲的叶片，其中涡轮机叶轮50因此包括向前弯曲的叶轮叶片90，该叶轮叶片沿涡轮机叶轮50在增压装置34的运行期间进行旋转的旋转方向弯曲。有利地，叶片进气角β1s大于100°而且小于150°，这意味着向前弯曲度Δβ1s高达将近60°。
如图12所示，叶片进气角β1s在叶轮叶片90处的入口切线98与圆周切线100之间夹成。向前弯曲度Δβ1s指的是叶轮叶片90在其入口切线98方面相对于由虚线102表示的、径向延展而倾斜的角度。
由于涡轮机52是所谓的冷气涡轮机，涡轮机叶轮50的适当实施例得到的应力由铝材料便能承受。具有向前弯曲的叶轮叶片90(向前弯曲的叶片)的涡轮机叶轮50的主要的效率性能与纯径向延伸叶片的对比由图13表示。
图13示出了第二图表104，在横坐标轴106上表示叶尖速比。在第二图表104的纵坐标轴108上表示涡轮机效率ηT。第一曲线110涉及的是纯径向延伸叶片，而第二曲线112涉及的是涡轮机叶轮50的向前弯曲的叶片，其中叶片进气角β1s大于90°。此处可以看出，大于0.5的至少大致最佳的反力度。效率优化可经由叶轮叶片90的向前弯曲而朝向更高的叶尖速比偏移，这对于作为膨胀式涡轮机的涡轮机52的标称工作点设计是有利的。
除了至少部分补偿轴向力的优点之外，在许多操作阶段(例如，在不稳定的运行及减速阶段)，对于增压装置34的操作性能，向前弯曲的叶片也是有利的。在此，由于效率的原因，更高的叶尖速比是可行的，由此相对于纯径向延伸叶片，向前弯曲的叶片的通风趋势在主要由另外的电机62决定的旋转速度及气体通量变化中较低。在相关运行周期总和中，这导致包括涡轮机叶轮50(其中涡轮机叶轮50的叶轮叶片90向前弯曲)的增压装置34的效率的增加。

Claims (13)

1.一种用于燃料电池(10)的增压装置(34)，其中所述燃料电池提供电流以通过该电流来驱动机动车辆，所述增压装置包括向心式涡轮机(52)，该向心式涡轮机具有包括容纳室的壳体部分(86)，向心式涡轮机(52)的涡轮机叶轮(50)以能绕一旋转轴相对于壳体部分(86)旋转的方式容纳在该容纳室中，其中涡轮机叶轮(50)包括叶轮叶片(90)，经所述叶轮叶片介质能在入口区域中流到涡轮机叶轮(50)上，其特征在于，所述涡轮机叶轮(50)的叶轮叶片(90)在入口区域中向前弯曲、也就是沿涡轮机叶轮(50)的旋转方向弯曲，向前弯曲度(Δβ1s)大于10°且小于60°。
2.根据权利要求1所述的增压装置(34)，其特征在于，所述介质是燃料电池(10)的气态废气。
3.根据权利要求1所述的增压装置(34)，其特征在于，设有用于至少部分地补偿轴向力的连接至涡轮机叶轮(50)的补偿元件(72)以及能绕旋转轴旋转的压缩机轮(38)，借助该压缩机轮能对待馈送至燃料电池(10)的另外的介质进行压缩，其中，补偿元件(72)能至少局部地经由至少一个通道(79)被加载以出口压力(P2t)，该出口压力(P2t)沿待压缩的所述另外的介质的流动方向存在于压缩机轮(38)的下游。
4.根据权利要求3所述的增压装置(34)，其特征在于，所述另外的介质是空气。
5.根据权利要求3所述的增压装置(34)，其特征在于，补偿元件(72)能至少局部地被加载以在入口区域中存在的入口压力(P3t)。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的增压装置(34)，其特征在于，补偿元件(72)的直径(Ds)不同于入口区域的入口直径(D3)。
7.根据权利要求6所述的增压装置(34)，其特征在于，补偿元件(72)的直径(Ds)大于入口区域的入口直径(D3)。
8.根据权利要求3-5中任一项所述的增压装置(34)，其特征在于，压缩机轮(38)包括用于压缩所述另外的介质的压缩机叶片，所述压缩机叶片向前弯曲。
9.根据权利要求3-5中任一项所述的增压装置(34)，其特征在于，补偿元件(72)能被加载以在压缩机轮(38)下游在该补偿元件(72)区域内存在的出口压力(P2t)，其中借助于增压装置(34)的该区域、壳体部分(86)和至少两个密封元件(82，83)界定出一腔体(80)。
10.根据权利要求9所述的增压装置(34)，其特征在于，密封元件(82，83)一方面支撑在壳体部分(86)上、另一方面支撑在补偿元件(72)或涡轮机叶轮(50)或与涡轮机叶轮(50)和/或补偿元件(72)以旋转固定的方式相连接的轴上。
11.根据权利要求9所述的增压装置(34)，其特征在于，至少一个所述密封元件(82，83)被设计成往复式活塞机器的活塞的活塞环或设计成非接触式密封件。
12.根据权利要求11所述的增压装置(34)，其特征在于，所述非接触式密封件是迷宫式密封件。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的增压装置(34)，其特征在于，叶轮叶片(90)的至少一个叶片进气角(β1s)大于100度并小于150度。
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