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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Strömungsmaschinen für Energiewandler, insbesondere Brennstoffzellen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Strömungsmaschine kommt üblicherweise bei einem Energiewandler in Form einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems zum Einsatz, wobei mittels der Strömungsmaschine Luft verdichtet wird, welche dem Energiewandler zugeführt wird. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb des Energiewandlers, insbesondere der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems, realisiert werden.
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Die Strömungsmaschine umfasst einen Verdichter zum Verdichten der dem Energiewandler zuzuführenden Luft sowie wenigstens ein Gehäuseelement. Darüber hinaus umfasst die Strömungsmaschine ein Laufzeug, welches um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement drehbar ist. Das Laufzeug weist wenigstens ein Laufrad mit einem Radrücken auf und ist zumindest in axialer Richtung an dem Gehäuseelement mittels einer als Luftlager ausgebildeten Lagereinrichtung gelagert. Hierbei umfasst die Lagereinrichtung wenigstens ein an dem Gehäuseelement befestigtes erstes Lagerteil und wenigstens ein mit dem ersten Lagerteil korrespondierendes und mit dem Laufzeug mitdrehbares zweites Lagerteil. Das Luftlager, das heißt die Lagereinrichtung, ist ein dynamisches Luftlager, welches beispielsweise wenigstens eine Folie umfasst, mittels welcher das Laufzeug gelagert ist. Üblicherweise handelt es sich bei dem dem Laufzeug zugeordneten, zweiten Lagerteil um eine sogenannte Spurscheibe, welche drehfest mit dem Laufzeug verbunden ist. Das Laufzeug wird üblicherweise auch als Rotor bezeichnet und kann ein Verdichterrad des Verdichters sowie gegebenenfalls ein Turbinenrad einer Turbine der Strömungsmaschine aufweisen.
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Da die Lagereinrichtung als Luftlager ausgebildet ist, kommt Luft als Tragmedium zum Einsatz, mittels welchem das Laufzeug (Rotor) gelagert wird. Da die Tragfähigkeit von Luft beispielsweise im Vergleich zu Öl nur ein Hundertstel beträgt, benötigen dynamische beziehungsweise hydrodynamische, axiale Luftlager ein zweites Lagerteil beziehungsweise eine Spurscheibe mit einem großen Durchmesser. Dies führt auch zu großen Dimensionen des mit dem zweiten Lagerteil korrespondierenden, gehäusefesten ersten Lagerteils. In der Folge kommt es zu einem hohen Bauraumbedarf und einer hohen Komplexität des Laufzeugs und dem daran vorgesehenen ersten Lagerteil. Insbesondere kommt es zu einer hohen Teileanzahl und somit zu einer komplizierten, zeit- und kostenaufwendigen Fertigung der Strömungsmaschine.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2012 013 048 A1 eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler. Außerdem offenbart die
DE 10 2012 211 796 A1 ein Axiallager, welches als Gaslager ausgebildet ist, wobei das Axiallager eine mit einer Nabe verbundene Scheibe aufweist, die mit einem feststehenden Gleitpartner zusammenwirkt. Zwischen der drehenden Scheibe und dem feststehenden Gleitpartner ist ein fluidbefüllter Spalt angeordnet. Dabei ist es vorgesehen, dass die Scheibe zumindest eine Ausnehmung aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders einfache, zeit- und kostengünstige Fertigung der Strömungsmaschine realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen 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 eine besonders einfache, zeit- und kostengünstige Fertigung der Strömungsmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das beispielsweise als Spurscheibe ausgebildete zweite Lagerteil zumindest teilweise durch den Radrücken des Laufrads gebildet ist. Dies bedeutet, dass der Radrücken zumindest einen Teil des zweiten Lagerteils bildet beziehungsweise umgekehrt, wodurch insbesondere die Teileanzahl der Strömungsmaschine gering gehalten werden kann.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das zweite Lagerteil Teil des Radrückens, das heißt integraler Bestandteil des Radrückens ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das zweite Lagerteil einstückig mit dem Laufrad ausgebildet ist, sodass das zweite Lagerteil und das Laufrad beziehungsweise übrige Laufrad aus demselben Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Stahl, gebildet sind.
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Alternativ dazu ist es möglich, dass das zweite Lagerteil und das übrige Laufrad aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet und miteinander verbunden sind. Hierbei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Lagerteil integraler Bestandteil des Laufrads ist, wobei das zweite Lagerteil und das übrige Laufrad nicht-zerstörungsfrei trennbar, das heißt irreversibel miteinander verbunden sind. Dies ist beispielsweise dadurch realisiert, dass das übrige Laufrad, das heißt das vom zweiten Lagerteil unterschiedliche Laufrad, als Einsatzteil ausgebildet ist, welches teilweise in dem zweiten Lagerteil aufgenommen ist. Beispielsweise ist dabei das Laufrad teilweise in das zweite Lagerteil eingegossen.
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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 Figuren 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:
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1 eine schematische Längsschnittansicht einer Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer als Luftlager ausgebildeten Lagereinrichtung, welche zwei an einem Gehäuseelement befestigte erste Lagerteile sowie ein mit den ersten Lagerteilen korrespondierendes, als Spurscheibe ausgebildetes und um eine Drehachse relativ zu dem ersten Lagerteil drehbares zweites Lagerteil umfasst, das zumindest teilweise durch einen Radrücken eines Laufrads der Strömungsmaschine gebildet ist;
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2 eine schematische Längsschnittansicht der Strömungsmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Längsschnittansicht der Strömungsmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform; und
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4 eine schematische Querschnittsansicht der Strömungsmaschine gemäß 3 entlang einer in 3 gezeigten Schnittlinie A-A.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform in Form eines Turboladers für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem. Die Strömungsmaschine 10 umfasst einen Verdichter 12, mittels welchem Luft verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird dem Energiewandler, insbesondere der Brennstoffzelle, zugeführt, sodass der Energiewandler besonders effizient betrieben werden kann. Die Strömungsmaschine 10 ist somit eine Luftversorgungseinheit zum Versorgen des Brennstoffzellensystems mit verdichteter Luft. Der Verdichter 12 umfasst ein Verdichtergehäuse 14 und ist als Radialverdichter ausgebildet. Die Strömungsmaschine 10 umfasst ein im Ganzen mit 16 bezeichnetes Laufzeug, welches auch als Rotor bezeichnet wird. Der Rotor (das Laufzeug 16) umfasst eine Welle 18, ein erstes Laufrad in Form eines Turbinenrads 20 sowie ein zweites Laufrad in Form eines Verdichterrads 22. Die Laufräder (Turbinenrad 20 und Verdichterrad 22) sind drehfest mit der Welle 18 verbunden, welche auch als Motorwelle bezeichnet wird. Das Verdichterrad 22 ist dem Verdichter 12 zugeordnet und in dem Verdichtergehäuse 14 aufgenommen. Die Luft wird dabei mittels des Verdichterrads 22 verdichtet.
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Die Strömungsmaschine 10 umfasst ferner ein im Ganzen mit 24 bezeichnetes Gehäuseelement mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Gehäuseteilen 26, 28 und 30, wobei auch das Verdichtergehäuse 14 ein Gehäuseteil des Gehäuseelements 24 ist. Darüber hinaus umfasst die Strömungsmaschine 10 eine im Ganzen mit 32 bezeichnete Turbine, welche ein Turbinengehäuse 34 aufweist. Das Turbinenrad 20 ist dabei in dem Turbinengehäuse 34 angeordnet und der Turbine 32 zugeordnet. Die Turbine 32 ist als Radialturbine ausgebildet und von Abgas des Energiewandlers durchströmbar. Bei diesem Abgas handelt es sich beispielsweise um Luft, mittels welcher die Turbine 32, insbesondere das Turbinenrad 20, antreibbar ist. Aus 1 ist erkennbar, dass das Laufzeug 16 um eine Drehachse 36 relativ zum Gehäuseelement 24 drehbar ist. Da das Verdichterrad 22 über die Welle 18 mit dem Turbinenrad 20 verbunden ist, kann das Verdichterrad 22 zum Verdichten der Luft von dem Turbinenrad 20 angetrieben werden, sodass im Abgas des Energiewandlers enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Hierdurch lässt sich ein besonders effizienter Betrieb des Brennstoffzellensystems (Energiewandler) realisieren.
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Um die dem Energiewandler zuzuführende Luft auch dann mittels der Strömungsmaschine 10 zu verdichten, wenn der Energiewandler kein Abgas oder Abgas mit einem nur geringen Energiegehalt bereitstellt, umfasst die Strömungsmaschine 10 einen Motor in Form eines Elektromotors 38, mittels welchem das Laufzeug 16 und somit das Verdichterrad 22 antreibbar ist. Von dem Elektromotor 38 ist in 1 eine Wicklung 40 schematisch dargestellt, welche auch als Motorwicklung bezeichnet wird. Ferner ist in 1 ein mit der Welle 18 drehfest verbundener und beispielsweise als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet 42 des Elektromotors 38 dargestellt.
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Die Strömungsmaschine 10 ist eine hochdrehende Strömungsmaschine. Dies bedeutet, dass sich das Laufzeug 16 während des Betriebs der Strömungsmaschine 10 mit sehr hohen Drehzahlen relativ zum Gehäuseelement 24 dreht. Um hierbei eine hinreichende Lagerung des Laufzeugs 16 zu realisieren, umfasst die Strömungsmaschine 10 eine als Luftlager ausgebildete und im Ganzen mit 44 bezeichnete Lagereinrichtung. Die Lagereinrichtung 44 umfasst zwei gehäusefeste, das heißt am Gehäuseelement 24 befestigte Radiallager 46 und 48, welche somit radiale Luftlager sind. Über die Radiallager 46 und 48 ist das Laufzeug 16 in radialer Richtung am Gehäuseelement 24 drehbar gelagert. Ferner umfasst die Lagereinrichtung 44 ein Axiallager, welches als axiales Luftlager 50 ausgebildet ist. Mittels des axialen Luftlagers 50 ist das Laufzeug 16 in axialer Richtung am Gehäuseelement 24 gelagert. Hierzu umfasst das axiale Luftlager 50 erste Lagerteile 52 und 54, welche erste axiale Luftlagerteile sind. Die ersten Lagerteile 52 und 54 sind am Gehäuseelement 24 befestigt. Ferner umfasst das axiale Luftlager 50 ein mit den ersten Lagerteilen 52 und 54 korrespondierendes zweites Lagerteil in Form einer Spurscheibe 56, welche mit dem Laufzeug 16 mit drehbar und somit um die Drehachse 36 relativ zu den ersten Lagerteilen 52 und 54 drehbar ist. Das Laufzeug 16 kann sich in axialer Richtung über die Spurscheibe 56 und die Lagerteile 52 und 54 am Gehäuseelement 24 abstützen, wobei Luft als Tragmedium zum Einsatz kommt. Diese Luft ist beispielsweise zwischen der Spurscheibe 56 und den beidseitig der Spurscheibe 56 in zumindest teilweiser Überdeckung mit dieser angeordneten Lagerteilen 52 und 54 angeordnet. Das axiale Luftlager 50 ist ein dynamisches Luftlager, über welches auf das Laufzeug 16 wirkende Axialkräfte auf das Gehäuseelement 24 übertragen und daran abgestützt werden. In 1 ist ferner ein Leitgitter 58 des Verdichters 12 zu erkennen, wobei die vom Verdichterrad 22 abströmende Luft mittels des Leitgitters 58 strömungsgünstig beeinflusst, das heißt abgelenkt werden kann. Auch die Turbine 32 umfasst ein Leitgitter 60, mittels welchem das das Turbinenrad 20 anströmende Abgas umgelenkt werden kann, sodass das Abgas das Turbinenrad 20 strömungsgünstig anströmt.
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Um nun die Teileanzahl der Strömungsmaschine 10 gering zu halten sowie eine einfache, zeit- und kostengünstige Fertigung der Strömungsmaschine 10 zu realisieren, ist die Spurscheibe 56 derart in das Turbinenrad 20 integriert, dass die Spurscheibe 56 zumindest teilweise durch einen Radrücken 62 des Turbinenrads 20 gebildet ist beziehungsweise umgekehrt. Dies bedeutet, dass der Radrücken 62 zumindest einen Teil der Spurscheibe 56 beziehungsweise dass die Spurscheibe 56 zumindest einen Teil des Radrückens 62 bildet.
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Der Verdichter 12 weist einen Verdichterauslass 64 auf, an welchem ein durch das Verdichten der Luft bewirkter Druck herrscht. Dieser Druck am Verdichterauslass 64 wirkt auf eine Rückseite beziehungsweise einen Radrücken 66 des Verdichterrads 22, woraus eine Kraft resultiert, die in Richtung eines Verdichtereinlasses 68 des Verdichters 12 wirkt. Diese Kraft ist in 1 durch einen Kraftpfeil F veranschaulicht. Die durch den Kraftpfeil F veranschaulichte Kraft ist eine Axialkraft, welche alle anderen, durch das Verdichten der Luft entstehenden Axialkräfte überwiegt. Mit anderen Worten, sobald ein Verdichtungsprozess in einer hochdrehenden Strömungsmaschine wie der Strömungsmaschine 10 stattfindet, entsteht eine Axialkraft, die in Richtung des Verdichtereinlasses 68 wirkt. Dadurch wird das Lagerteil 52, das auf einer dem Verdichtereinlass 68 zugewandten Seite der Spurscheibe 56 angeordnet ist, stärker belastet als das auf einer dem Verdichtereinlass 68 abgewandten Seite der Spurscheibe 56 angeordnete Lagerteil 54, sodass das auf der dem Verdichtereinlass 68 abgewandten Seite der Spurscheibe 56 angeordnete Lagerteil 54 kleiner ausgestaltet werden kann als das Lagerteil 52.
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Durch die genannte Integration der Spurscheibe 56 in das Turbinenrad 20 kann die Strömungsmaschine 10 im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht werden, sodass Kosteneinsparungen erzielt werden können.
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Das Turbinenrad 20 ist vorzugsweise aus Aluminium gebildet, da das Abgas in Form von Abluft des Energiewandlers üblicherweise nur geringe Temperaturen aufweist. Sind das Turbinenrad 20 und die Spurscheibe 56 in einem Bauteil vereint, das heißt einstückig miteinander ausgebildet, so sind die Spurscheibe 56 und das Turbinenrad 20 aus demselben Werkstoff und dabei vorzugsweise aus einem Stahl gebildet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spurscheibe 56 aus Stahl und das Turbinenrad 20 aus Aluminium herzustellen, wobei das Turbinenrad 20 beispielsweise ein Einsatzteil, das heißt ein sogenanntes Insert, ist, das teilweise in der Spurscheibe 56 aufgenommen, das heißt eingefügt ist. Welche dieser beiden Möglichkeiten zum Einsatz kommt, wird beispielsweise anhand von rotordynamischen Aspekten und Kostenaspekten bewertet und entschieden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Strömungsmaschine 10. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist bei der zweiten Ausführungsform ein Kühlkonzept vorgesehen. Im Rahmen dieses Kühlkonzepts ist ein Leitungselement 72 vorgesehen, welches einen von Luft durchströmbaren Kanal 74 aufweist. Dieser Kanal 74 ist ein Kühlkanal, mittels welchem Luft vom Verdichter 12 zur Spurscheibe 56 geführt wird, sodass die Spurscheibe 56 mittels der Luft gekühlt wird. Der Kanal 74 ist fluidisch mit dem Verdichterauslass 64 verbunden. Ferner ist der Kanal 74 fluidisch mit einem im Gehäuseteil 30 verlaufenden, weiteren Kanal 76 verbunden, wobei der Kanal 76 in einen Aufnahmebereich mündet, in welchem die Spurscheibe 56 zumindest teilweise aufgenommen ist. Die die Kanäle 74 und 76 durchströmende Luft kann somit insbesondere in radialer Richtung die Spurscheibe 56 anströmen und dadurch kühlen, sodass die Luft auch als Kühlluft bezeichnet wird. In 2 ist die Strömungsrichtung der Luft durch Richtungspfeile veranschaulicht. Der Kanal 74 ist ein sogenannter Zapfluftkanal, mittels welchem Luft aus dem Verdichterauslass 64 abgezweigt wird. Der Kanal 76 ist beispielsweise eine Bohrung des Gehäuseteils 30. Das Laufzeug 16, insbesondere die Welle 18 und das Turbinenrad 20, weist eine Mehrzahl von Kanälen, insbesondere Bohrungen, auf, welche zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. Von diesen radialen Kanälen ist ein in 2 mit 78 bezeichneter Kanal erkennbar. Der Kanal 78 ist fluidisch mit einem axialen Kanal 80 verbunden, welcher beispielsweise als Bohrung ausgebildet ist. Die Luft kann nach dem Kühlen der Spurscheibe 56 die Kanäle 78 und 80 durchströmen und über den Kanal 80 in einen Turbinenauslass 82 der Turbine 32 entweichen.
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In 2 ist eine optionale Kühleinrichtung 83 erkennbar, welche in dem Leitungselement 72 angeordnet ist. Mittels der Kühleinrichtung 83, welche auch entfallen kann, kann die den Kanal 74 durchströmende Luft gekühlt werden, wodurch eine Zwischenkühlung der Luft realisierbar ist.
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Anhand von 3 und 4 ist eine dritte Ausführungsform der Strömungsmaschine 10 veranschaulicht. Hierbei ist die Spurscheibe 56 – wie besonders gut aus 4 erkennbar ist – mit einer Mehrzahl von radialen Kanälen 84 versehen, welche beispielsweise als Bohrungen ausgebildet sind. Dadurch kann die Spurscheibe 56 wie ein Radialverdichter fungieren und fördert somit die für die Kühlung der Spurscheibe 56 und insbesondere der Lagerteile 52 und 54 erforderliche Luft. Damit ergeben sich zwei Vorteile: Die thermisch hochbelastete Spurscheibe 56 und die Welle 18 werden von innen gekühlt, da die Welle 18 von der Luft zum Kühlen des Luftlagers 50 durchströmt wird. Hierzu weisen das Verdichterrad 22, der Magnet 42 sowie das Turbinenrad 20, insbesondere die Zapfen 70, axiale Kanäle 86 auf, welche beispielsweise als Bohrungen ausgebildet sind. Die Luft kann vom Verdichtereinlass 68 diese Kanäle 86 und die als Hohlwelle ausgebildete Welle 18 durchströmen und dadurch in die Kanäle 84 einströmen.
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Der zweite Vorteil ist, dass keine Notwendigkeit besteht, wie bei der zweiten Ausführungsform Zapfluft für Kühlzwecke zu verwenden. Die bei der dritten Ausführungsform im Vergleich zur zweiten Ausführungsform eingesparte Luft kann damit dem Energiewandler, insbesondere der Brennstoffzelle, zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Luftversorgungssystems erhöht.
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Die Luft kann nach dem Kühlen des Luftlagers 50 über diagonale Kanäle 88, welche beispielsweise als Bohrungen ausgebildet sind und im Turbinenrad 20 verlaufen, in einen weiteren axialen Kanal 90 des Turbinenrads 20 einströmen, wobei der Kanal 90 beispielsweise ebenfalls als Bohrung ausgebildet ist. Über den Kanal 90 kann dann die erwärmte Kühlluft in den Turbinenauslass 82 entweichen. Bei der dritten Ausführungsform ist somit eine Innenkühlung der Spurscheibe 56 dargestellt. Ferner ist in 3 durch Richtungspfeile eine Luftströmung veranschaulicht, in deren Rahmen Luft zwischen dem Verdichterrad 22 und dem Gehäuseteil 28, zwischen der Welle 18 und dem Gehäuseteil 28 und zwischen der Welle 18 und dem Gehäuseteil 26 strömt und schließlich in die diagonalen Kanäle 88 einströmt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strömungsmaschine
- 12
- Verdichter
- 14
- Verdichtergehäuse
- 16
- Laufzeug
- 18
- Welle
- 20
- Turbinenrad
- 22
- Verdichterrad
- 24
- Gehäuseelement
- 26
- Gehäuseteil
- 28
- Gehäuseteil
- 30
- Gehäuseteil
- 32
- Turbine
- 34
- Turbinengehäuse
- 36
- Drehachse
- 38
- Elektromotor
- 40
- Wicklung
- 42
- Magnet
- 44
- Lagereinrichtung
- 46
- Radiallager
- 48
- Radiallager
- 50
- Luftlager
- 52
- Lagerteil
- 54
- Lagerteil
- 56
- Spurscheibe
- 58
- Leitgitter
- 60
- Leitgitter
- 62
- Radrücken
- 64
- Verdichterauslass
- 66
- Radrücken
- 68
- Verdichtereinlass
- 70
- Zapfen
- 72
- Leitungselement
- 74
- Kanal
- 76
- Kanal
- 78
- Kanal
- 80
- Kanal
- 82
- Turbinenauslass
- 83
- Kühleinrichtung
- 84
- Kanal
- 86
- Kanal
- 88
- Kanal
- 90
- Kanal
- F
- Kraftpfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012013048 A1 [0005]
- DE 102012211796 A1 [0005]
