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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Strömungsmaschine ist beispielsweise der
EP 0 629 013 B2 als bekannt zu entnehmen. Die Strömungsmaschine umfasst ein Gehäuse sowie ein Laufzeug, welches üblicherweise auch als Rotor bezeichnet wird. Das Laufzeug umfasst zumindest ein Laufrad und eine mit dem Laufrad drehfest verbundene Welle. Darüber hinaus weist das Laufzeug eine axiale Erstreckung auf. Das Laufzeug ist über eine Lagerungseinrichtung der Strömungsmaschine an dem Gehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar gelagert. Die Lagerung des Laufzeugs erfolgt üblicherweise über die Welle. Hierzu umfasst die Lagerungseinrichtung beispielsweise wenigstens ein Radiallager, über welches das Laufzeug, insbesondere die Welle, in radialer Richtung an dem Gehäuse abgestützt ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Lagerungseinrichtung wenigstens ein Axiallager, über welches das Laufzeug, insbesondere die Welle, in axialer Richtung an dem Gehäuse abgestützt ist. Hierdurch kann eine radiale und/oder axiale Lagerung des Laufzeugs realisiert werden.
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Die Lagerungseinrichtung weist dabei zumindest einen Überdeckungsbereich auf, welcher zumindest einen Teil der axialen Erstreckung des Laufzeugs in Umfangsrichtung des Laufzeugs zumindest überwiegend umgibt. Mit anderen Worten ist zumindest der Teil der axialen Erstreckung des Laufzeugs in dem Überdeckungsbereich der Lagerungseinrichtung aufgenommen, so dass das Laufzeug in radialer Richtung nach außen bezogen auf die Umfangsrichtung des Laufzeugs zumindest überwiegend durch die Lagerungseinrichtung, insbesondere deren Überdeckungsbereich, überdeckt ist.
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Die Strömungsmaschine kann beispielsweise zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle mit verdichteter Luft verwendet werden. Hierzu umfasst die Strömungsmaschine wenigstens ein Verdichterrad, mittels welchem Luft verdichtet werden kann. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine wenigstens ein Turbinenrad umfasst, welches von Abgas der Brennstoffzelle antreibbar ist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind mit der Welle des Laufzeugs drehfest verbunden, so dass im Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Energie genutzt werden kann, das Turbinenrad und somit das Verdichterrad zum Verdichten der Luft anzutreiben. Das zuvor genannte Laufrad kann das Verdichterrad oder das Turbinenrad sein. Mit anderen Worten kann das zuvor genannte Laufrad als Turbinenrad oder Verdichterrad ausgebildet sein. Durch die Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft lässt sich ein besonders effizienter Betrieb der Brennstoffzelle realisieren.
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Eine solche Strömungsmaschine ist auch der
US 2007/0069597 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei derartigen, hochdrehenden Strömungsmaschinen besteht die Notwendigkeit, das Laufzeug, welches beispielsweise alle sich um die Drehachse drehenden Teile der Strömungsmaschine umfasst, hochgenau auszuwuchten, so dass die auf das Laufzeug während des Betriebs der Strömungsmaschine wirkenden Belastungen besonders gering gehalten werden können.
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Das Auswuchten, das heißt ein Wuchtprozess zum Auswuchten des Laufzeugs, erfolgt üblicherweise derart, dass das zusammengebaute Laufzeug außerhalb des Gehäuses der Strömungsmaschine gewuchtet beziehungsweise ausgewuchtet wird. Üblicherweise besteht jedoch das Problem, dass das außerhalb des Gehäuses zusammengebaute und hochgenau gewuchtete Laufzeug nicht in zusammengebautem Zustand in das Gehäuse eingebaut werden kann. Daher wird beispielsweise das Laufrad von der Welle gelöst, so dass die Welle in das Gehäuse eingebaut und beispielsweise über die Lagerungseinrichtung am Gehäuse gelagert werden kann. Im Anschluss daran wird das Laufrad wieder mit der Welle drehfest verbunden. Diese Demontage des Laufrads von der Welle beeinträchtigt jedoch die zuvor erfolgte Wuchtung des Laufzeugs, so dass die Reproduzierbarkeit der Wuchtgüte nach der nochmaligen Montage des Laufzeugs in das Gehäuse beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ergibt sich die Notwendigkeit, dass das Laufzeug so zu gestalten ist, dass es montiert, demontiert und wieder montiert werden kann. Schließlich resultiert aus dem herkömmlichen Wuchtprozess ein hoher Herstellungsaufwand der Strömungsmaschine.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die geschilderten Probleme vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders genauer Wuchtprozess mit einer hohen Wuchtgüte und einer hohen Reproduzierbarkeit sowie eine besonders einfache, zeit- und kostengünstige Montage des Laufzeugs in das Gehäuse insbesondere nach dem Wuchtprozess realisieren lassen, ohne das Laufzeug nach dem Wuchtprozess demontieren und wieder montieren zu müssen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der geringste in dem Überdeckungsbereich angeordnete Innenumfang der Lagerungseinrichtung größer oder gleich dem größten Außenumfang des Laufrads ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der geringste in dem Überdeckungsbereich angeordnete Innenumfang der Lagerungseinrichtung größer als der größte Außenumfang des Laufrads ist, oder dass der geringste in dem Überdeckungsbereich angeordnete Innenumfang der Lagerungseinrichtung gleich dem größten Außenumfang des Laufrads ist und somit dem größten Außenumfang des Laufrads entspricht.
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Hierdurch ist es nämlich möglich, das Laufzeug nach dem Durchführen eines hochgenauen Wuchtprozesses, dem das Laufzeug in zusammengebautem Zustand unterzogen wird, in zusammengebautem Zustand in das Gehäuse einzubauen, indem das Laufrad in axialer Richtung durch den Überdeckungsbereich der Lagerungseinrichtung hindurchgesteckt wird. Da der geringste Innenumfang des Überdeckungsbereichs zumindest dem größten Außenumfang des Laufrads entspricht, kann nämlich das Laufrad in axialer Richtung kollisionsfrei in Bezug auf die Lagerungseinrichtung durch diese beziehungsweise ihren Überdeckungsbereich hindurchgesteckt werden. Da der geringste Innenumfang beziehungsweise Innendurchmesser des Überdeckungsbereichs zumindest dem größten Außenumfang beziehungsweise Außendurchmesser des Laufrads entspricht, kann nämlich ein Hinterschnitt, den das Laufrad mit der Lagerungseinrichtung ausbildet, vermieden werden.
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Dadurch ist es nicht erforderlich, das Laufzeug, das in zusammengebautem Zustand gewuchtet wird beziehungsweise gewuchtet wurde, nach dem Wuchtprozess auseinander zu bauen und daran anschließend wieder zu montieren. Vielmehr kann das Laufzeug nach dem Wuchtprozess zusammengebaut bleiben und in zusammengebautem Zustand in das Gehäuse montiert werden. Eine die Wuchtgüte beeinträchtigende Demontage des Laufzeugs kann vermieden werden.
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Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Montieren einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine, wobei das Laufrad in zusammengebautem Zustand des Laufzeugs in axialer Richtung durch den Überdeckungsbereich der Lagerungseinrichtung hindurchgesteckt wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass vor dem Hindurchstecken des Laufrads durch den Überdeckungsbereich das Laufzeug in zusammengebautem Zustand gewuchtet wird, so dass die während des Betriebs der Strömungsmaschine auf das Laufzeug wirkenden Belastungen gering gehalten werden können. Zeitlich nach dem Wuchten beziehungsweise Auswuchten ist es nicht erforderlich, das Laufzeug zu demontieren, so dass eine besonders hohe und reproduzierbare Wuchtgüte dargestellt werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur 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.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Längsschnittansicht einer Strömungsmaschine mit einer Lagerungseinrichtung und einem Laufrad, wobei der geringste, in einem Überdeckungsbereich der Lagerungseinrichtung angeordnete Innenumfang der Lagerungseinrichtung größer oder gleich dem größten Außenumfang des Laufrads ist.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Strömungsmaschine. Die Strömungsmaschine 10 ist als elektrisch angetriebener Turbolader (Electric Turbo Charger – ETC) ausgebildet und umfasst ein Laufzeug 12, welches auch als „Rotor” bezeichnet wird. Das Laufzeug 12 umfasst eine Welle 14, ein erstes Laufrad in Form eines Verdichterrads 16 sowie ein zweites Laufrad in Form eines Turbinenrads 18. Die Laufräder (Verdichterrad 16 und Turbinenrad 18) sind drehfest mit der Welle 14 verbunden.
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Die Strömungsmaschine 10 umfasst darüber hinaus ein Gehäuse 20, in welchem das Laufzeug 12 zumindest teilweise aufgenommen ist. Darüber hinaus umfasst die Strömungsmaschine 10 eine im Ganzen mit 22 bezeichnete Lagerungseinrichtung. Die Lagerungseinrichtung 22 umfasst ein erstes Radiallager 24 sowie ein zweites Radiallager 26. Die Radiallager 24, 26 sind als Luftlager ausgebildet. Ferner umfasst die Lagerungseinrichtung 22 Axiallager 28, 30, welche als axiale Luftlager ausgebildet sind. Über die Lagerungseinrichtung 22 ist das Laufzeug 12 an dem Gehäuse 20 um eine Drehachse 32 relativ zum Gehäuse 20 drehbar gelagert. Dabei ist das Laufzeug 12 über die Welle 14 und die Radiallager 24, 26 in radialer Richtung an dem Gehäuse 20 abgestützt, so dass das Laufzeug 12 über die Welle 14 und die Radiallager 24, 26 radial gelagert ist. Das Laufzeug 12 ist über die Axiallager 28, 30 in axialer Richtung an dem Gehäuse 20 abgestützt, so dass dadurch eine axiale Lagerung des Laufzeugs 12 realisiert ist. Zur axialen Lagerung ist ein Flansch 34 vorgesehen, welcher gehäusefest ist. Dies bedeutet, dass der Flansch 34 relativ zu dem Gehäuse 20 unbeweglich ist. Darüber hinaus umfasst das Laufzeug 12 einen mit der Welle 14 drehfest verbundenen Flansch 36, über welchen das Laufzeug 12 in axialer Richtung an den Axiallagern 28, 30 abstützbar ist.
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Zur Realisierung der radialen Lagerung weist die Strömungsmaschine 10 Lageraufnahmen 38, 40 auf, welche beispielsweise als Lagerbohrungen und vorliegend als Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Die Lageraufnahmen 38, 40 sind in radialer Richtung durch jeweilige Lagerelemente 42, 44 der Lagerungseinrichtung 22 begrenzt. In den Lageraufnahmen 38, 40 sind die Radiallager 24, 26 angeordnet. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Radiallager 24, 26 jeweilige Überdeckungsbereiche der Lagerungseinrichtung 22 darstellen. Ferner ist aus der Fig. erkennbar, dass das Laufzeug 12 eine axiale Erstreckung aufweist. Mit anderen Worten weist das Laufzeug 12 eine Längserstreckung auf, welche in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Drehachse 32 oder entlang der Drehachse 32 verläuft.
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Die jeweiligen Überdeckungsbereiche (Radiallager 24, 26) überdecken jeweils einen mit 46 und 48 bezeichneten Teil der axialen Erstreckung des Laufzeugs 12 in Umfangsrichtung des Laufzeugs 12 zumindest überwiegend und vorliegend vollständig. Dies bedeutet, dass das Radiallager 24 den Teil 46 in Umfangsrichtung des Laufzeugs 12 vollständig umlaufend umgibt, da der Teil 46 in dem Radiallager 24 aufgenommen ist beziehungsweise dieses durchdringt. Das Radiallager 26 umgibt den Teil 48 in Umfangsrichtung des Laufzeugs 12 vollständig umlaufend, da der Teil 48 in dem Radiallager 26 aufgenommen ist beziehungsweise dieses in axialer Richtung durchdringt.
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Innenumfangsseitig sind die Radiallager 24, 26 zumindest im Wesentlichen kreisrund beziehungsweise in Form eines geraden und hohlen Kreiszylinders ausgebildet, wobei auch der jeweilige Teil 46 und 48 außenumfangsseitig zumindest im Wesentlichen kreisrund beziehungsweise in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet ist.
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Dabei weist das Radiallager 24 (erster Überdeckungsbereich) einen Innenumfang beziehungsweise einen Innendurchmesser auf, welcher in axialer Richtung konstant ist. Ferner weist auch das Radiallager 26 (zweiter Überdeckungsbereich) einen Innenumfang beziehungsweise einen Innendurchmesser auf, welcher in axialer Richtung konstant ist. Das Verdichterrad 16 ist in einem Verdichtergehäuseteil 50 des Gehäuses 20 aufgenommen. Das Turbinenrad 18 ist in einem Turbinengehäuseteil 52 des Gehäuses 20 aufgenommen.
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Die Strömungsmaschine 10 dient beispielsweise dazu, wenigstens eine Brennstoffzelle mit verdichteter Luft zu versorgen. Abgas der Brennstoffzelle kann den Turbinengehäuseteil 52, das heißt einen Zuführkanal 54 des Turbinengehäuseteils 52, durchströmen, wobei das Abgas über den Zuführkanal 54 zu dem Turbinenrad 18 geführt wird. Das Turbinenrad 18 wird von dem Abgas angetrieben. Da sowohl das Turbinenrad 18 als auch das Verdichterrad 16 drehfest mit der Welle 14 verbunden sind, wird das Verdichterrad 16 von dem Turbinenrad 18 angetrieben. Mittels des Verdichterrads 16 wird dabei Luft verdichtet, die der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die verdichtete Luft durchströmt einen Abführkanal 56 des Verdichtergehäuseteils 50 und wird über den Abführkanal 56 der Brennstoffzelle zugeführt.
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Während des Betriebs der Strömungsmaschine 10 kann es zu sehr hohen Drehzahlen des Laufzeugs 12 kommen. Um nun die während des Betriebs auf das Laufzeug 12 wirkenden Belastungen gering zu halten, wird das Laufzeug 12 in zusammengebautem Zustand außerhalb des Gehäuses 20 gewuchtet, das heißt ausgewuchtet. Hierzu wird ein Wuchtprozess durchgeführt.
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Um nun das Laufzeug 12 nach dem Wuchtprozess nicht mehr auseinanderbauen zu müssen und in zusammengebautem Zustand in das Gehäuse 20 einbauen zu können, ist der jeweilige, geringste und in dem jeweiligen Überdeckungsbereich angeordnete Innenumfang beziehungsweise Innendurchmesser der Lagerungseinrichtung 22 größer oder gleich dem größten Außenumfang des Turbinenrads 18. Beispielsweise entspricht der maximale Außendurchmesser des Turbinenrads 18 dem minimalen Innendurchmesser der Radiallager 24, 26.
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Hierdurch kann das Laufzeug 12 nach dem Wuchtprozess in zusammengebautem Zustand derart in das Gehäuse 20 eingebaut werden, dass das Turbinenrad 18 in axialer Richtung sowohl durch den ersten Überdeckungsbereich (Radiallager 24) als auch durch den zweiten Überdeckungsbereich (Radiallager 26) hindurchgesteckt wird. Hierzu ist es vorteilhaft, einen Kompromiss zwischen dem Außendurchmesser des Turbinenrads 18 und dem jeweiligen Innendurchmesser der Radiallager 24, 26 zu finden.
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Im Turbinengehäuseteil 52 ist stromauf des Turbinenrads 18 eine Leiteinrichtung angeordnet, welche Leitschaufeln 58 zum Umlenken beziehungsweise Ableiten des Abgases aufweist. Durch dieses Ableiten beziehungsweise Umlenken des Abgases kann das Abgas das Turbinenrad 18 strömungsgünstig anströmen, so dass besonders vorteilhafte aerodynamische Randbedingungen geschaffen sind, die zu einem effizienten und effektiven Betrieb der Strömungsmaschine 10 führen.
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Aus der Fig. ist ferner erkennbar, dass die Welle 14 jeweilige, sich in axialer Richtung an die Laufräder anschließende Längenbereiche aufweist, deren jeweiliger größter Außenumfang kleiner oder gleich dem geringsten in dem Überdeckungsbereich des Radiallagers 24 und in dem Überdeckungsbereich des Radiallagers 26 angeordneten Innenumfang der Lagerungseinrichtung ist. Dadurch kann auch die Welle 14 durch die Überdeckungsbereiche in axialer Richtung durchgesteckt und über die Radiallager 24, 26 am Gehäuse 20 gelagert werden.
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Die Strömungsmaschine 10 umfasst auch einen in der Fig. nicht dargestellten Elektromotor, dessen Stator am Gehäuse 20 und dessen Rotor am Laufzeug 12, insbesondere an der Welle 14, festgelegt ist. Wird der Turbinengehäuseteil 52 beispielsweise mit einem nur sehr geringen oder gar keinen Abgas-Massenstrom durchströmt, so dass das Turbinenrad 18 nicht von dem Abgas der Brennstoffzelle angetrieben werden kann, so kann das Verdichterrad 16 dennoch mittels des Elektromotors angetrieben werden und die Brennstoffzelle mit verdichteter Luft versorgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strömungsmaschine
- 12
- Laufzeug
- 14
- Welle
- 16
- Verdichterrad
- 18
- Turbinenrad
- 20
- Gehäuse
- 22
- Lagerungseinrichtung
- 24
- Radiallager
- 26
- Radiallager
- 28
- Axiallager
- 30
- Axiallager
- 32
- Drehachse
- 34
- Flansch
- 36
- Flansch
- 38
- Lageraufnahme
- 40
- Lageraufnahme
- 42
- Lagerelement
- 44
- Lagerelement
- 46
- Teil
- 48
- Teil
- 50
- Verdichtergehäuseteil
- 52
- Turbinengehäuseteil
- 54
- Zuführkanal
- 56
- Abführkanal
- 58
- Leitschaufel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0629013 B2 [0002]
- US 2007/0069597 A1 [0005]
