DE102012013048A1 - Fluid-flow machine for supplying compressed air to fuel cell of fuel cell arrangement of passenger car, has compressor fluidly connected with branch line at branching point that is arranged at downstream of compressor wheel - Google Patents

Fluid-flow machine for supplying compressed air to fuel cell of fuel cell arrangement of passenger car, has compressor fluidly connected with branch line at branching point that is arranged at downstream of compressor wheel Download PDF

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Abstract

The machine (10) has a compressor (12) for compressing air supplied by an energy converter. A compressor wheel (14) of the compressor is driven by an exhaust gas turbine (24) of the energy converter to drive the compressor. A rotor assembly (20) is mounted in an axial bearing of a bearing device in an axial direction. The compressor is fluidly connected with a branch line (72) at a branching point (74) that is arranged at a downstream of the compressor wheel. A rear side (76) of the turbine is subjected with pressure generated at the branching point using the branch line. An independent claim is also included for a fuel cell arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen Strömungsmaschine.The invention relates to a turbomachine for an energy converter according to the preamble of patent claim 1 and fuel cell device with such a turbomachine.

Die DE 60 2004 012 546 T2 offenbart eine Vakuumpumpe mit einer Pumpenanordnung, einer Welle zum Antreiben der Pumpenanordnung, einem Motor zum Drehen der Welle und einer Lageranordnung. Die Lageranordnung lagert die Welle drehbar. Die Lageranordnung weist ein Wälzlager auf, das einen ersten Teil der Welle abstützt. Die Lageranordnung weist ferner ein Schublager auf, welches eine Mehrzahl von Wälzelementen beherbergt, die in Berührung mit einem äußeren Laufring des Wälzlagers und einem Laufring des Schublagers stehen, um einer Axialbewegung des Wälzlagers zu widerstehen und eine Radialbewegung des Wälzlagers zuzulassen.The DE 60 2004 012 546 T2 discloses a vacuum pump having a pump assembly, a shaft for driving the pump assembly, a motor for rotating the shaft, and a bearing assembly. The bearing assembly rotatably supports the shaft. The bearing assembly comprises a rolling bearing which supports a first part of the shaft. The bearing assembly further includes a thrust bearing which houses a plurality of rolling elements which are in contact with an outer race of the rolling bearing and a race of the thrust bearing to resist axial movement of the antifriction bearing and allow radial movement of the rolling bearing.

Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, bei Strömungsmaschinen wie beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Turboladern Kugel- oder Luftlager zu verwenden, um ein Laufzeug der Strömungsmaschine zu lagern. Die dynamischen Luftlager umfassen dabei wenigstens eine Folie, mittels welcher das Laufzeug gelagert ist. Diese Luftlager erzeugen prinzipbedingt besonders hohe Reibungsverluste insbesondere gegenüber Kugellagern, wobei der größte Teil der Verluste bei Axiallagern anfällt. Entstehende Lagerverluste insbesondere in Form von Reibungsverlusten können dabei etwa zu 1/3 Radiallagern und zu ca. 2/3 Axiallagern zugeordnet werden. Aufgrund der entstehenden Verluste weisen Luftlager einen Kühlluftbedarf auf, welcher sich proportional zu den Reibverlusten aufteilt.Furthermore, it is known from the general state of the art to use ball bearings or air bearings in turbomachines, such as in electrically driven turbochargers, in order to support a rotor of the turbomachine. The dynamic air bearings comprise at least one film by means of which the running gear is mounted. Due to their inherent nature, these air bearings generate particularly high friction losses, in particular with respect to ball bearings, whereby the majority of the losses occur with axial bearings. Resulting bearing losses, in particular in the form of friction losses, can be assigned to about 1/3 radial bearings and about 2/3 axial bearings. Due to the resulting losses, air bearings have a cooling air requirement, which is divided in proportion to the friction losses.

Der DE 10 2008 050 314 A1 ist eine gattungsgemäße Strömungsmaschine für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, als bekannt zu entnehmen. Die Strömungsmaschine weist einen Verdichter auf, mittels welchem dem Energiewandler zuzuführende Luft zu verdichten ist. Die Strömungsmaschine weist ferner eine Turbine sowie ein Laufzeug auf. Das Laufzeug umfasst ein Verdichterrad des Verdichters sowie ein von Abgas des Energiewandlers antreibbares Turbinenrad. Im Falle der Brennstoffzelle ist das Abgas Abluft der Brennstoffzelle, mittels welchem das Turbinenrad antreibbar ist. Das Verdichterrad ist dabei über das Turbinenrad antreibbar.Of the DE 10 2008 050 314 A1 is a generic flow machine for an energy converter, in particular a fuel cell to take as known. The turbomachine has a compressor, by means of which the air to be supplied to the energy converter is to be compressed. The turbomachine also has a turbine and a rotor. The running tool comprises a compressor wheel of the compressor and a turbine wheel which can be driven by exhaust gas of the energy converter. In the case of the fuel cell, the exhaust gas is exhaust air of the fuel cell, by means of which the turbine wheel is drivable. The compressor is driven by the turbine wheel.

Darüber hinaus ist eine Lagereinrichtung vorgesehen, welche wenigstens ein als Punktlager ausgebildetes Axiallager umfasst, mittels welchem das Laufzeug in axialer Richtung gelagert ist. Gelingt die Darstellung einer besonders verlustarmen Lagerung des Laufzeugs, so kann der Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschine beträchtlich erhöht werden.In addition, a bearing device is provided, which comprises at least one thrust bearing designed as a point bearing, by means of which the running gear is mounted in the axial direction. If the representation of a particularly low-loss storage of the running gear succeeds, the overall efficiency of the turbomachine can be considerably increased.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art sowie eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen Strömungsmaschine bereitzustellen, wobei die Strömungsmaschine einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a turbomachine of the aforementioned type and a fuel cell device with such a turbomachine, wherein the turbomachine has a particularly high efficiency.

Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a turbomachine having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welche einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist, ist erfindungsgemäß wenigstens eine, an einer stromab des Verdichterrads angeordneten Abzweigstelle mit dem Verdichter fluidisch verbundene Abzweigleitung vorgesehen, über welche eine Radrücken des Turbinenrads mit einem an der Abzweigstelle herrschenden Druck beaufschlagbar ist. Dieser Druck ist dabei ein Verdichterauslassdruck, welcher vom Verdichter zum Radrücken des Turbinenrads und somit zur Turbine geführt ist.In order to create a turbomachine specified in the preamble of claim 1 species, which has a particularly high efficiency, according to the invention at least one, arranged at a downstream of the compressor wheel branch point with the compressor fluidly connected branch line provided via which a Radrücken the turbine wheel with a the branch point prevailing pressure can be acted upon. This pressure is a compressor outlet pressure, which is guided from the compressor to Radrücken the turbine wheel and thus to the turbine.

Dadurch können unterschiedliche Druckniveaus innerhalb der Strömungsmaschine geschickt genutzt werden, um auf die Lagereinrichtung wirkende Axialkräfte besonders gering zu halten und um so eine besonders verlustarme Lagerung des Laufzeugs zu realisieren. Dies führt zu einem besonders hohen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine. Mit dieser Maßnahme können die normalerweise in einer solchen Strömungsmaschine entstehenden Axialkräfte auf etwa 30% reduziert werden. Das verdichterseitige Abzweigen des Drucks bzw. der verdichteten Luft und das Führen des Drucks bzw. der Luft zu der Turbine ermöglicht eine zumindest teilweise Kompensation von bei der Verdichtung entstehenden Axialkräften. Etwaig verbleibende Axialkräfte können durch das Punktlager reibungs- und verlustarm aufgenommen werden.As a result, different pressure levels can be cleverly used within the turbomachine in order to keep axial forces acting on the bearing device particularly low, and in this way to realize a particularly low-loss bearing of the running gear. This leads to a particularly high efficiency of the turbomachine. With this measure, the axial forces normally generated in such a turbomachine can be reduced to about 30%. The compressor-side branching of the pressure or the compressed air and the guiding of the pressure or the air to the turbine enables an at least partial compensation of axial forces arising during the compression. Any remaining axial forces can be absorbed by the point bearing friction and low loss.

Bei dem Punktlager handelt es sich um ein sogenanntes punktförmiges Lager, mittels welchem das Laufzeug unter Ausbildung eines zumindest im Wesentlichen punktförmigen Kontakts in axialer Richtung zwischen zwei Lagerteilen des Punktlagers in axialer Richtung gelagert ist.In the point bearing is a so-called punctiform bearing, by means of which the running gear is mounted to form an at least substantially point-shaped contact in the axial direction between two bearing parts of the point bearing in the axial direction.

Zur Erfindung gehört auch eine Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Brennstoffzelle als Energiewandler zur Wandlung von chemisch gebundener Energie eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zuzuführender Luft in elektrische Energie. und mit einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine zum Versorgen der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft. Die Strömungsmaschine weist einen sehr hohen Wirkungsgrad auf, so dass die Brennstoffzelle besonders effizient mit verdichteter Luft versorgt und somit effizient betrieben werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung anzusehen und umgekehrt.The invention also includes a fuel cell device, in particular for a motor vehicle, with at least one fuel cell as energy converter for the conversion of chemically bound energy of the fuel cell to be supplied fuel and an oxidizing agent from the Fuel cell to be supplied air into electrical energy. and with a turbomachine according to the invention for supplying the compressed air to the fuel cell. The turbomachine has a very high efficiency, so that the fuel cell can be supplied particularly efficiently with compressed air and thus operated efficiently. Advantageous embodiments of the turbomachine according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the fuel cell device according to the invention and vice versa.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the frame to leave the invention.

Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:

1 eine schematische Längsschnittansicht einer Strömungsmaschine für einen Energiewandler, mit einem Laufzeug, das in axialer Richtung mittels Punktlagern gelagert ist, wobei ein Radrücken eines Turbinenrads des Laufzeugs mit einem Verdichterauslassdruck beaufschlagt ist; und 1 a schematic longitudinal sectional view of a turbomachine for an energy converter, with a rotor, which is mounted in the axial direction by means of point bearings, wherein a Radrücken of a turbine wheel of the rotor is acted upon by a compressor outlet pressure; and

2a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht einer jeweiligen Ausführungsform eines Punktlagers zum Lagern des Laufzeugs in axialer Richtung. 2a -C each detail a schematic side view of a respective embodiment of a point bearing for supporting the running gear in the axial direction.

1 zeigt eine Strömungsmaschine 10 für einen Energiewandler in Form einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzelleneinrichtung. Die Brennstoffzelle dient zur Wandlung von chemisch gebundener Energie eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zuzuführender Luft in elektrische Energie. 1 shows a turbomachine 10 for an energy converter in the form of a fuel cell of a fuel cell device. The fuel cell is used to convert chemically bound energy of a fuel to be supplied to the fuel cell and an oxidant from the fuel cell to be supplied air into electrical energy.

Die Brennstoffzelleneinrichtung ist dabei beispielsweise in einem Kraftwagen, insbesondere einem Personenkraftwagen, verbaut, wobei der Kraftwagen auch wenigstens einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftwagens umfasst. Die elektrische Energie kann genutzt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Dabei wird dem Elektromotor die elektrische Energie beispielsweise zumindest im Wesentlichen direkt zugeführt. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Energie in einer elektrischen Speichereinrichtung, insbesondere in einer Batterie, gespeichert wird, wobei der elektrische Motor mit der elektrischen Energie aus der Batterie bedarfsgerecht versorgt werden kann.The fuel cell device is installed, for example, in a motor vehicle, in particular a passenger car, wherein the motor vehicle also includes at least one electric motor for driving the motor vehicle. The electrical energy can be used to drive the electric motor. In this case, the electrical energy is supplied to the electric motor, for example, at least substantially directly. Alternatively, it is possible that the electrical energy is stored in an electrical storage device, in particular in a battery, wherein the electric motor can be supplied with the electrical energy from the battery as needed.

Die Strömungsmaschine 10 dient zum Verdichten der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft, wodurch ein besonders effizienter Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht ist. Die Strömungsmaschine 10 umfasst einen Verdichter 12 mit einem Verdichterrad 14 zum Verdichten der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft. Das Verdichterrad 14 ist in einem Gehäuse 16 der Strömungsmaschine 10 aufgenommen und um eine Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar. Das Verdichterrad 14 ist dabei einem um die Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar gelagerten Laufzeug 20 zugeordnet.The turbomachine 10 serves to compress the air to be supplied to the fuel cell, whereby a particularly efficient operation of the fuel cell device is made possible. The turbomachine 10 includes a compressor 12 with a compressor wheel 14 for compressing the air to be supplied to the fuel cell. The compressor wheel 14 is in a housing 16 the turbomachine 10 taken and around a rotation axis 21 relative to the housing 16 rotatable. The compressor wheel 14 is one about the axis of rotation 21 relative to the housing 16 rotatably mounted tool 20 assigned.

Die Strömungsmaschine 10 umfasst auch eine Turbine 22 mit einem im Gehäuse 16 aufgenommenen Turbinenrad 24, welches um die Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar gelagert ist. Auch das Turbinenrad 24 ist dem Laufzeug 20 zugeordnet.The turbomachine 10 also includes a turbine 22 with one in the case 16 recorded turbine wheel 24 which is about the axis of rotation 21 relative to the housing 16 is rotatably mounted. Also the turbine wheel 24 is the power tool 20 assigned.

Durch das Gehäuse 16 ist ein Spiralkanal 26 der Turbine 22 gebildet, über welchen dem Turbinenrad 24 Abgas in Form von Abluft der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Abluft kann das Turbinenrad 24 anströmen und antreiben. Durch das Gehäuse 16 ist ferner ein Abführkanal 28 gebildet. Die Abluft strömt das Turbinenrad 24 in einem Turbinenauslassbereich 30 ab und wird über den Abführkanal 28 vom Turbinenrad 24 abgeführt.Through the housing 16 is a spiral channel 26 the turbine 22 formed over which the turbine wheel 24 Exhaust gas is supplied in the form of exhaust air of the fuel cell. The exhaust air can be the turbine wheel 24 flow and drive. Through the housing 16 is also a discharge channel 28 educated. The exhaust air flows through the turbine wheel 24 in a turbine exhaust area 30 and off via the discharge channel 28 from the turbine wheel 24 dissipated.

Das Laufzeug 20 umfasst auch eine Welle 33, mit welcher das Turbinenrad 24 und das Verdichterrad 14 drehfest verbunden sind. So ist es möglich, dass das Turbinenrad 24 das Verdichterrad 14 über die Welle 33 um die Drehachse 21 antreibt. Somit kann in der Abluft enthaltene Energie zum Verdichten der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft verwendet werden.The running tool 20 also includes a wave 33 with which the turbine wheel 24 and the compressor wheel 14 are rotatably connected. So it is possible that the turbine wheel 24 the compressor wheel 14 over the wave 33 around the axis of rotation 21 drives. Thus, energy contained in the exhaust air can be used to compress the air to be supplied to the fuel cell.

Durch das Gehäuse 16 ist ein Zuführkanal 32 gebildet, über welchen dem Verdichterrad 14 die Luft in axialer Richtung zugeführt wird. Ferner ist durch das Gehäuse 16 ein verdichterseitiger Spiralkanal 34 gebildet, über welchen die verdichtete Luft vom Verdichterrad 14 abgeführt wird. Dabei strömt die verdichtete Luft das Verdichterrad 14 in einem Verdichterauslassbereich 36 ab und wird über den weiteren Spiralkanal 34 vom Verdichterrad 14 abgeführt. Stromab des Verdichterrads 14 im Verdichterauslassbereich 36 ist ein Leitschaufelgitter 38 zum Ab- oder Umlenken der verdichteten Luft angeordnet. Das Gehäuse 16 kann mehrteilig ausgeführt sein und ein Verdichtergehäuseteil 17 sowie ein Turbinengehäuseteil 18 umfassen.Through the housing 16 is a feed channel 32 formed over which the compressor wheel 14 the air is supplied in the axial direction. Furthermore, through the housing 16 a compressor-side spiral channel 34 formed, via which the compressed air from the compressor wheel 14 is dissipated. The compressed air flows through the compressor wheel 14 in a compressor outlet area 36 off and is on the other spiral channel 34 from the compressor wheel 14 dissipated. Downstream of the compressor wheel 14 in the compressor outlet area 36 is a vane grille 38 for deflecting or deflecting the compressed air. The housing 16 can be made in several parts and a compressor housing part 17 and a turbine housing part 18 include.

Zur Lagerung des Laufzeugs 20 ist ein Lagergehäuseteil 19 vorgesehen, an den das Laufzeug 20 gelagert ist. Ferner ist zur Lagerung des Laufzeugs 20 eine Lagerungseinrichtung vorgesehen, welche zur radialen Lagerung des Laufzeugs 20 ein verdichterseitiges, radiales Luftlager 40 sowie ein turbinenseitiges, radiales Luftlager 42 umfasst. Bei den Luftlagern 40, 42 kann es sich beispielsweise um Folienluftlager handeln.For storage of the tool 20 is a bearing housing part 19 provided to the the running gear 20 is stored. Furthermore, for storage of the aircraft 20 a storage device is provided, which for the radial mounting of the running tool 20 a compressor-side, radial air bearing 40 and a turbine-side, radial air bearing 42 includes. At the air bearings 40 . 42 it may be, for example, foil air bearings.

Die Strömungsmaschine 10 umfasst darüber hinaus einen Elektromotor 44 mit einem am Gehäuse 16 gehaltenen Motorstator 46 und mit einem mit dem Laufzeug 20 drehfest verbundenen Motorrotor 48. Mittels des Elektromotors 44 kann das Laufzeug 20 auch bei relativ geringen Massenströmen der Abluft mit relativ hohen Drehzahlen angetrieben werden, so dass auch bei relativ geringen Massenströmen sehr hohe Verdichtungsgrade der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft realisierbar sind. Aufgrund dieser Möglichkeit, das Laufzeug 20 über den Elektromotor 44 anzutreiben, wird die Strömungsmaschine 10 auch als elektrisch angetriebener Turbolader bezeichnet.The turbomachine 10 also includes an electric motor 44 with one on the case 16 held motor stator 46 and with one with the power tool 20 rotatably connected motor rotor 48 , By means of the electric motor 44 can the jig 20 Even at relatively low mass flows of the exhaust air to be driven at relatively high speeds, so that even at relatively low mass flows very high compression ratios of the fuel cell to be supplied air can be realized. Because of this possibility, the power tool 20 over the electric motor 44 to power the turbomachine 10 also referred to as electrically driven turbocharger.

Zur axialen Lagerung des Laufzeugs 20 umfasst die Lagerungseinrichtung ein erstes, verdichterseitiges Punktlager 50 sowie ein zweites, turbinenseitiges Punktlager 52. Das Punktlager 50 umfasst ein mit dem Verdichterrad 14 drehfest verbundenes und somit um die Drehachse 21 relativ zum Gehäuse 16 sich mit dem Verdichterrad mitdrehendes Kugelsegment 54. Das Punktlager 50 umfasst ein mit dem Kugelsegment 54 korrespondierendes Kugelsegment 56, welches über einen Halter 51 des Punktlagers 50 am Gehäuse 16 gehalten ist. Dies bedeutet, dass sich das Kugelsegment 54 relativ zum Kugelsegment 56 dreht.For axial storage of the tool 20 The storage device comprises a first, compressor-side point bearing 50 and a second, turbine-side point bearing 52 , The point camp 50 includes one with the compressor wheel 14 rotatably connected and thus about the axis of rotation 21 relative to the housing 16 itself with the compressor wheel co-rotating ball segment 54 , The point camp 50 includes one with the ball segment 54 corresponding ball segment 56 which has a holder 51 of the point camp 50 on the housing 16 is held. This means that the ball segment 54 relative to the ball segment 56 rotates.

An das Kugelsegment 56 schließt sich ein zylindrischer Schaft 58 an, welcher außenumfangsseitig mit einem Außengewinde versehen ist. Über das Außengewinde ist der Schaft 58 in ein korrespondierendes Innengewinde des Halters 51 eingeschraubt. Durch Drehen des Schafts 58 um die Drehachse 21 relativ zum Halter 51 kann das Kugelsegment 56 in axialer Richtung bewegt und somit relativ zum Kugelsegment 54 verstellt werden, so dass dadurch ein Lagerspiel des Punktlagers 50 einstellbar ist.To the ball segment 56 closes a cylindrical shaft 58 on, which is provided on the outer peripheral side with an external thread. About the external thread is the shaft 58 in a corresponding internal thread of the holder 51 screwed. By turning the shaft 58 around the axis of rotation 21 relative to the holder 51 can the ball segment 56 moved in the axial direction and thus relative to the ball segment 54 be adjusted so that thereby a bearing clearance of the point bearing 50 is adjustable.

Auch das turbinenseitige Punktlager 52 umfasst ein mit dem Turbinenrad 24 drehfest verbundenes und somit mit dem Turbinenrad 24 um die Drehachse 21 mit drehbares Kugelsegment 60 sowie ein mit dem Kugelsegment 60 korrespondierendes Kugelsegment 62, welches über einen Halter 64 am Gehäuse 16 gehalten ist. An das Kugelsegment 62 schließt sich ein im Wesentlichen zylinderförmiger Schaft 66 an, welcher außenumfangsseitig mit einem Außengewinde versehen ist. Über sein Außengewinde ist der Schaft 66 in ein korrespondierendes Innengewinde des Halters 64 eingeschraubt. Durch Drehen des Schafts 66 relativ zum Halter 64 um die Drehachse 21 kann somit das Kugelsegment 62 in axialer Richtung relativ zum Kugelsegment 60 bewegt und dadurch verstellt werden, so dass auch ein Lagerspiel des Punktlagers 52 einstellbar ist. Durch diese Einstellbarkeit der Kugelsegmente 56, 62 kann auch eine axiale Position des Laufzeugs 20 im Gehäuse 16 eingestellt werden. Darüber hinaus können Wärmedehnungseffekte berücksichtigt werden.Also the turbine-side point bearing 52 includes one with the turbine wheel 24 rotatably connected and thus with the turbine wheel 24 around the axis of rotation 21 with rotatable ball segment 60 as well as one with the ball segment 60 corresponding ball segment 62 which has a holder 64 on the housing 16 is held. To the ball segment 62 closes a substantially cylindrical shaft 66 on, which is provided on the outer peripheral side with an external thread. About its external thread is the shaft 66 in a corresponding internal thread of the holder 64 screwed. By turning the shaft 66 relative to the holder 64 around the axis of rotation 21 can thus the ball segment 62 in the axial direction relative to the ball segment 60 moved and thereby adjusted, so that also a bearing clearance of the point bearing 52 is adjustable. Due to this adjustability of the spherical segments 56 . 62 can also be an axial position of the tool 20 in the case 16 be set. In addition, thermal expansion effects can be taken into account.

Bei der Verdichtung der Luft mittels der Strömungsmaschine 10 entstehen Axialkräfte, indem sich ein im Verdichterauslassbereich 36 stromab des Verdichterrads 14 herrschender Druck auf einen dem Turbinenrad 24 zugewandten Radrücken 68 des Verdichterrads 14 aufprägt. Abhängig von der Fläche des Radrückens 68 resultiert daraus eine Kraft in Richtung eines Verdichtereinlassbereichs 70, über welchen dem Verdichterrad 14 die zu verdichtende Luft zugeführt wird. Der Druckaufbau selbst erfolgt einerseits im Verdichterrad 14 und andererseits durch das Leitschaufelgitter 38. Typischerweise teilt sich der Druckaufbau zu gleichen Teilen auf diese beiden Bauteile, d. h. auf das Verdichterrad 14 und auf das Leitschaufelgitter 38 auf. Somit ist der den Radrücken 68 beaufschlagende Druck kleiner als ein im Spiralkanal 34 herrschender Druck.In the compression of the air by means of the turbomachine 10 Axialkräfte arise by a in the compressor outlet 36 downstream of the compressor wheel 14 prevailing pressure on a turbine wheel 24 facing Radrücken 68 the compressor wheel 14 impresses. Depending on the area of the wheel back 68 this results in a force in the direction of a compressor inlet area 70 over which the compressor wheel 14 the air to be compressed is supplied. The pressure build-up itself takes place on the one hand in the compressor wheel 14 and on the other hand through the vane grille 38 , Typically, the pressure build-up is equally divided between these two components, ie the compressor wheel 14 and on the vane grille 38 on. Thus, the Radrücken 68 acting pressure less than one in the spiral channel 34 prevailing pressure.

Dadurch, dass der Druck den Radrücken 68 beaufschlagt, kommt es zu Axialkräften. Um diese Axialkräfte zumindest teilweise zu kompensieren, ist eine Abzweigleitung 72 vorgesehen, welche einerseits an einer stromab des Verdichterrads 14 angeordneten Abzweigstelle 74 fluidisch mit dem Verdichter 12 verbunden ist. Vorliegend ist die Abzweigstelle 74 im Spiralkanal 34 angeordnet, so dass die Luft und somit der Druck aus dem Spiralkanal 34 über die Abzweigleitung 72 zur Turbine 22 geführt wird. Andererseits mündet die Abzweigleitung 72 in radialer Richtung im Bereich eines Radrückens 76 des Turbinenrads 24, so dass der Radrücken 76 des Turbinenrads 24 mit dem an der Abzweigstelle 74 herrschenden Druck aus dem Spiralkanal 34 beaufschlagbar ist. Mit anderen Worten kann durch die auch als Zapfluftleitung bezeichnete Abzweigleitung 72 der Verdichterauslassdruck auf den Radrücken 76 aufgeprägt werden, so dass die Axialkräfte zumindest weitestgehend ausgeglichen werden, obwohl die Fläche des Radrückens 76 im Allgemeinen kleiner als die Fläche des Radrückens 68 ist.Because of the pressure the Radrücken 68 applied, it comes to axial forces. To compensate for these axial forces at least partially, is a branch line 72 provided, which on the one hand at a downstream of the compressor wheel 14 arranged branching point 74 fluidic with the compressor 12 connected is. In the present case is the branch point 74 in the spiral channel 34 arranged so that the air and thus the pressure from the spiral channel 34 over the branch line 72 to the turbine 22 to be led. On the other hand, the branch line opens 72 in the radial direction in the region of a Radrücken 76 of the turbine wheel 24 so that the Radrücken 76 of the turbine wheel 24 with the at the branch point 74 prevailing pressure from the spiral channel 34 can be acted upon. In other words, by the branch line, also referred to as bleed air line 72 the compressor outlet pressure on the wheel back 76 be impressed, so that the axial forces are at least largely compensated, although the surface of the Radrücken 76 generally smaller than the surface of the wheel back 68 is.

Verbleibende Axialkräfte werden durch die pumpförmige Axiallager darstellenden Punktlager 50, 52 aufgenommen. Durch die Punktlager 50, 52 wird das Laufzeug 20 in axialer Richtung nicht durch Luftlager gelagert. Die Punktlager 50, 52 stellen vielmehr Gleitlagerungen dar, mittels welchen das Laufzeug 20 in axialer Richtung gleitgelagert ist. Zusammen mit der zumindest teilweisen Kompensation der Axialkräfte mit Hilfe der Abzweigleitung 72 können so lagerseitige Verluste gering gehalten werden, wodurch auch der Kühlluftbedarf besonders gering gehalten werden kann. Darüber hinaus weist die Strömungsmaschine 10 einen besonders einfachen Aufbau auf, da Aufweitungen der Welle 33 für axiale Luftlager nicht vorgesehen sind. Des Weiteren kann durch das Aufprägen des Verdichterauslassdrucks auf den Radrücken 76 ein Eindringen von feuchtem Abgas der Brennstoffzelle in die Strömungsmaschine 10 vermieden werden, wodurch eine sehr hohe elektrische Sicherheit der Strömungsmaschine 10 gewährleistet ist.Remaining axial forces are represented by the pump bearing thrust bearing point bearings 50 . 52 added. Through the point camps 50 . 52 becomes the power tool 20 not supported by air bearings in the axial direction. The point camps 50 . 52 rather represent sliding bearings, by means of which the running gear 20 Slidably mounted in the axial direction. Together with the at least partial compensation of the axial forces by means of the branch line 72 can so bearing-side losses are kept low, whereby the cooling air requirement can be kept very low. In addition, the turbomachine points 10 a particularly simple structure, since expansions of the shaft 33 are not provided for axial air bearings. Furthermore, by imposing the compressor outlet pressure on the wheel back 76 a penetration of moist exhaust gas of the fuel cell in the turbomachine 10 be avoided, creating a very high electrical safety of the turbomachine 10 is guaranteed.

2a und 2b zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Kugelsegmente 54, 56. Gemäß 2a weisen die Kugelsegmente 54, 56 zumindest im Wesentlichen gleiche Radien auf. Gemäß 2b ist der Radius des Kugelsegments 54 größer als der Radius des Kugelsegments 56. 2a and 2 B show different embodiments of the spherical segments 54 . 56 , According to 2a have the ball segments 54 . 56 at least substantially the same radii. According to 2 B is the radius of the sphere segment 54 greater than the radius of the ball segment 56 ,

2c zeigt, dass die Punktlager 50, 52 auch anderweitige Lagerteile 78, 80 aufweisen können. Eines der Lagerteile 78, 80 ist dabei am Gehäuse 16 gehalten, während das andere der Lagerteile 78, 80 mit dem Verdichterrad 14 bzw. mit dem Turbinenrad 24 drehfest verbunden ist. 2c shows that the point bearings 50 . 52 also other bearing parts 78 . 80 can have. One of the bearing parts 78 . 80 is on the case 16 held while the other of the bearing parts 78 . 80 with the compressor wheel 14 or with the turbine wheel 24 rotatably connected.

Vorliegend ist auch das Lagerteil 78 als Kugelsegment wie das Kugelsegment 56 ausgebildet und über den Schaft 58 hinsichtlich seiner axialen Position einstellbar. Das Kugelsegment 56 und das Lagerteil 78 weisen eine jeweilige, konvexe Abstützfläche 82 auf. Damit korrespondierend weist auch das Kugelsegment 54 eine konvexe Abstützfläche 84 auf. Im Gegensatz dazu weist das Lagerteil 80 eine zumindest im Wesentlichen ebene Abstützfläche 84 auf. Über die Abstützflächen 82, 84 können sich die Lagerteile 78, 80 bzw. die Kugelsegmente 54, 56 unter Ausbildung eines zumindest im Wesentlichen punktförmigen Kontakts aneinander abstützen, so dass dadurch das Laufzeug 20 in axialer Richtung abgestützt werden kann.In the present case is also the bearing part 78 as a spherical segment like the spherical segment 56 trained and over the shaft 58 adjustable in terms of its axial position. The sphere segment 56 and the bearing part 78 have a respective convex support surface 82 on. The spherical segment corresponds correspondingly with it 54 a convex support surface 84 on. In contrast, the bearing part 80 an at least substantially planar support surface 84 on. About the support surfaces 82 . 84 can the bearing parts 78 . 80 or the spherical segments 54 . 56 with the formation of an at least substantially point-shaped contact abut each other, so that thereby the running gear 20 can be supported in the axial direction.

Für die Kugelsegmente 54, 56 bzw. die Lagerteile 78, 80 sowie für gehäusefeste Teile der Punktlager 50, 54 beispielsweise für die Halter 51, 64 können unterschiedliche Werkstoffpaarungen in Frage kommen. Hierbei können beide Lagerteile 78, 80 bzw. beide Kugelsegmente 54, 56 beispielsweise aus Keramik ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass eines der Lagerteile 78, 80 bzw. eines der Kugelsegmente 54, 56 aus Keramik gebildet ist, während das andere der Lagerteile 78, 80 bzw. das andere der Kugelsegmente 54, 56 aus einem gehärteten Stahl oder aus einem Hartmetall gebildet ist. Eine andere Möglichkeit, eine sehr hohe Abriebfestigkeit der Lagerteile 78, 80 bzw. der Kugelsegmente 54, 56 und deren Lagerpartnern zu erreichen, stellen Beschichtungen wie Titankarbid oder diamantähnlicher Kohlenstoff (diamond-like carbon) dar.For the ball segments 54 . 56 or the bearing parts 78 . 80 and for housing-fixed parts of the point bearings 50 . 54 for example, for the holder 51 . 64 Different material combinations can come into question. Here, both bearing parts 78 . 80 or both ball segments 54 . 56 be formed for example of ceramic. It is also possible that one of the bearing parts 78 . 80 or one of the spherical segments 54 . 56 made of ceramic, while the other of the bearing parts 78 . 80 or the other of the spherical segments 54 . 56 is formed of a hardened steel or a hard metal. Another possibility, a very high abrasion resistance of the bearing parts 78 . 80 or the spherical segments 54 . 56 and to reach their storage partners, represent coatings such as titanium carbide or diamond-like carbon (diamond-like carbon).

Um in den radialen Luftlagern 40, 42 und insbesondere im Motorrotor 48 entstehende Verlustleistung abzuführen und diese zu kühlen, ist eine in 1 durch Richtungspfeile 86 angedeutete Kühlluftführung vorgesehen. Hierbei ist in 1 ein Kühlluftauslass mit 88 bezeichnet. Anhand eines Richtungspfeils 90 ist eine weitere Möglichkeit zur Darstellung eines solchen Kühlluftauslasses angedeutet. Über den Kühlluftauslass 88 und/oder über den durch den Richtungspfeil 90 veranschaulichten Kühlluftauslass kann die erwärmte Luft aus der Strömungsmaschine 10 entweichen.To in the radial air bearings 40 . 42 and in particular in the motor rotor 48 dissipate the resulting power loss and cool it is an in 1 by directional arrows 86 indicated cooling air flow provided. Here is in 1 a cooling air outlet indicated at 88. Based on a directional arrow 90 Another possibility for the representation of such a cooling air outlet is indicated. Over the cooling air outlet 88 and / or over the by the directional arrow 90 illustrated cooling air outlet, the heated air from the turbomachine 10 escape.

Um eine besonders hohe Kühlleistung realisieren zu können, kann in der Abzweigleitung 72 ein in 1 nicht dargestellter Zwischenkühler vorgesehen sein, mittels welchem die die Abzweigleitung 72 durchströmende Luft gekühlt werden kann.In order to realize a particularly high cooling performance, can in the branch line 72 a in 1 Unillustrated intercooler be provided by means of which the branch line 72 flowing air can be cooled.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Strömungsmaschineflow machine
1212
Verdichtercompressor
1414
Verdichterradcompressor
1616
Gehäusecasing
1717
VerdichtergehäuseteilCompressor housing part
1818
TurbinengehäuseteilTurbine casing
1919
LagergehäuseteilBearing housing part
2020
Laufzeugrunning stuff
2121
Drehachseaxis of rotation
2222
Turbineturbine
2424
Turbinenradturbine
2626
Spiralkanalspiral channel
2828
Abführkanaldischarge channel
3030
TurbinenauslassbereichTurbinenauslassbereich
3232
Zuführkanalfeed
3333
Wellewave
3434
Spiralkanalspiral channel
3636
VerdichterauslassbereichVerdichterauslassbereich
3838
Leitschaufelgitterstator vane
4040
radiales Luftlagerradial air bearing
4242
radiales Luftlagerradial air bearing
4444
Elektromotorelectric motor
4646
Motorstatormotor stator
4848
Motorrotormotor rotor
5050
Punktlagerpoint contact bearings
5151
Halterholder
5252
Punktlagerpoint contact bearings
5454
Kugelsegmentball segment
5656
Kugelsegmentball segment
5858
Schaftshaft
6060
Kugelsegmentball segment
6262
Kugelsegmentball segment
6464
Halterholder
6666
Schaftshaft
6868
Radrückenwheel rear side
7070
VerdichtereinlassbereichCompressor inlet area
7272
Abzweigleistungbranch power
7474
Abzweigstellebranching point
7676
Radrückenwheel rear side
78 78
Lagerteilbearing part
8080
Lagerteilbearing part
8282
Abstützflächesupporting
8484
Abstützflächesupporting
8686
Richtungspfeilarrow
8888
Kühlluftauslasscooling air outlet
9090
Richtungspfeilarrow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102008050314 A1 [0004] DE 102008050314 A1 [0004]

Claims (8)

Strömungsmaschine (10) für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einem Verdichter (12) zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft, mit einer Turbine (22), mit einem Laufzeug (20), welches ein Verdichterrad (14) des Verdichters (12) und ein von Abgas des Energiewandlers antreibbares Turbinenrad (24), mittels welchem das Verdichterrad (14) antreibbar ist, umfasst, und mit einer Lagereinrichtung, welche wenigstens ein als Punktlager (50, 52) ausgebildetes Axiallager umfasst, mittels welchem das Laufzeug (20) in axialer Richtung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, an einer stromab des Verdichterrads angeordneten Abzweigstelle (74) mit dem Verdichter (12) fluidisch verbundene Abzweigleitung (72) vorgesehen ist, über welche ein Radrücken (76) des Turbinenrads (24) mit einem an der Abzweigstelle (74) herrschenden Druck beaufschlagbar ist.Turbomachine ( 10 ) for an energy converter, in particular a fuel cell, with a compressor ( 12 ) for compressing air to be supplied to the energy converter, with a turbine ( 22 ), with a running tool ( 20 ), which is a compressor wheel ( 14 ) of the compressor ( 12 ) and a turbine wheel driven by exhaust gas of the energy converter ( 24 ), by means of which the compressor wheel ( 14 ), and with a bearing device, which at least one as a point bearing ( 50 . 52 ) formed axial bearing, by means of which the running tool ( 20 ) is mounted in the axial direction, characterized in that at least one, at a downstream of the compressor impeller arranged branching point ( 74 ) with the compressor ( 12 ) fluidly connected branch line ( 72 ) is provided, via which a Radrücken ( 76 ) of the turbine wheel ( 24 ) with one at the branch point ( 74 ) prevailing pressure can be acted upon. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Punktlager (50, 52) wenigstens zwei Lagerteile (54, 56, 78, 80) umfasst, welche über jeweilige, konvexe Abstützflächen (82, 84) in axialer Richtung aneinander abstützbar sind.Turbomachine ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the point bearing ( 50 . 52 ) at least two bearing parts ( 54 . 56 . 78 . 80 ), which via respective, convex support surfaces ( 82 . 84 ) can be supported in the axial direction against each other. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützflächen (82, 84) jeweilige, voneinander unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.Turbomachine ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the support surfaces ( 82 . 84 ) have respective, mutually different radii of curvature. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Punktlager (50, 52) ein erstes Lagerteil (54, 56, 78) mit einer konvexen, ersten Abstützfläche (82) und wenigstens ein zweites Lagerteil (80) mit einer zumindest im Wesentlichen ebenen, zweiten Abstützfläche (84) umfasst, wobei die Lagerteile (54, 56, 78, 80) über die jeweiligen Abstützflächen (82, 84) in axialer Richtung aneinander abstützbar sind.Turbomachine ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the point bearing ( 50 . 52 ) a first bearing part ( 54 . 56 . 78 ) with a convex, first support surface ( 82 ) and at least one second bearing part ( 80 ) having an at least substantially planar, second support surface ( 84 ), wherein the bearing parts ( 54 . 56 . 78 . 80 ) over the respective support surfaces ( 82 . 84 ) can be supported in the axial direction against each other. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung wenigstens ein Radiallager (40, 42) aufweist, mittels welchem das Laufzeug (20) in radialer Richtung gelagert ist, wobei das Radiallager (40, 42) als Luftlager, insbesondere als Folienluftlager, ausgebildet ist.Turbomachine ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing device has at least one radial bearing ( 40 . 42 ), by means of which the running tool ( 20 ) is mounted in the radial direction, wherein the radial bearing ( 40 . 42 ) is designed as an air bearing, in particular as a film air bearing. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Elektromotor (44) zum Antreiben des Laufzeugs (20) vorgesehen ist.Turbomachine ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electric motor ( 44 ) for driving the power tool ( 20 ) is provided. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abzweigleitung (72) der Verdichterauslassdruck auf den Radrücken (76) der Turbine aufgeprägt wird, womit kein feuchtes Abgas in den Bereich des Elektromotors (44) eindringen kann. Hierdurch erhöht sich die elektrische Sicherheit der Maschine.Turbomachine ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that through the branch line ( 72 ) the compressor outlet pressure on the wheel back ( 76 ) of the turbine is impressed, whereby no moist exhaust gas in the region of the electric motor ( 44 ) can penetrate. This increases the electrical safety of the machine. Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Brennstoffzelle zur Wandlung von chemisch gebundener Energie eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zuzuführender Luft in elektrische Energie, und mit einer Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Versorgen der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft.Fuel cell device, in particular for a motor vehicle, having at least one fuel cell for converting chemically bound energy of a fuel to be supplied to the fuel cell and an oxidizing agent from the fuel cell to be supplied air into electrical energy, and with a turbomachine ( 10 ) according to one of the preceding claims for supplying the compressed air to the fuel cell.
DE102012013048A 2012-06-29 2012-06-29 Fluid-flow machine for supplying compressed air to fuel cell of fuel cell arrangement of passenger car, has compressor fluidly connected with branch line at branching point that is arranged at downstream of compressor wheel Withdrawn DE102012013048A1 (en)

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