DE102019220170A1

DE102019220170A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102019220170A1
Application number: DE102019220170.9A
Authority: DE
Inventors: Armin Schuelke; Thomas Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: WO2021122084A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Welle (12), mit der wenigstens ein Laufrad (16) verbunden ist, und mit wenigstens einem Axiallager (24), wobei das Axiallager (24) eine mit der Welle (12) verbundene Axiallagerscheibe (26) und wenigstens einer der Axiallagerscheibe (26) zugeordnete Lagerfläche (28) aufweist. Es ist eine Beschaufelung (30) vorgesehen, durch die bei Rotation der Welle (12) ein Fluidtransport durch das Axiallager (24) in radialer Richtung bezüglich der Drehachse (14) der Welle (12) bewirkt wird. Die Beschaufelung (30) ist nur radial innerhalb der wenigstens einen Lagerfläche (28) angeordnet, so dass durch die Beschaufelung (30) die Fläche der Axiallagerscheibe (26) und der Lagerfläche (28) nicht verringert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach der Gattung des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Verdichter kommen in verschiedenen Anwendungen zur Verdichtung von Gasen, beispielsweise Luft, zum Einsatz. In Brennstoffzellensystemen kommen Verdichter zum Einsatz um der Brennstoffzelle die für die chemische Reaktion mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, erforderliche Luft in der erforderlichen Menge und mit dem erforderlichen Druck zuzuführen. Ein derartiger Verdichter ist durch die DE 10 2017 212 815 A1 bekannt. Dieser Verdichter weist eine Welle auf, mit der wenigstens ein Laufrad verbunden ist, durch das bei Rotation der Welle Luft verdichtet wird. Die Welle ist in einem Gehäuse sowohl radial als auch axial gelagert. Das Axiallager umfasst eine mit der Welle verbundene Axiallagerscheibe an der an wenigstens einer Seite eine Lauffläche zur axialen Lagerung ausgebildet ist, die mit einer zugeordneten Lagerfläche im Gehäuse das Axiallager bildet. Die Axiallagerscheibe weist dabei eine Beschaufelung auf, durch die bei der Rotation der Welle eine Fluidströmung durch das Axiallager bewirkt wird. Die Beschaufelung ist dabei im Bereich der Lauffläche der Axiallagerscheibe angeordnet, wodurch die Lagerfläche des Axiallagers verringert wird. Dadurch ist unter Umständen die Belastbarkeit des Axiallagers verringert. Außerdem ist die Herstellung der Axiallagerscheibe aufwendig.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Axiallager durch die Beschaufelung nicht beeinträchtigt wird, da diese nur radial innerhalb der Lauffläche und Lagerfläche angeordnet ist und somit nicht in Kontakt mit der Lagerfläche kommt. Außerdem ist die Herstellung derAxiallagerscheibe vereinfacht und dadurch kostengünstiger.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die Ausbildung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, dass die Beschaufelung auf einfache Weise separat hergestellt werden kann und auf einfache Weise mit der Welle und/oder der Axiallagerscheibe verbunden werden kann. Die Ausbildung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, dass durch die Beschaufelung zusätzlich die Tragkraft des Axiallagers erhöht wird, so dass dieses gegebenenfalls kleiner dimensioniert werden kann.
Zeichnung
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ausschnittsweise einen Verdichter mit einem Axiallager in vereinfachter Darstellung in einem Längsschnitt, 2 in vergrößerter Darstellung das Axiallager mit einer Beschaufelung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 3 das Axiallager mit einer Beschaufelung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 4 das Axiallager mit der Beschaufelung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und 5 die Beschaufelung in einer Ansicht in Pfeilrichtung V in 4.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Verdichter 10 dargestellt, der vorzugsweise Teil eines Brennstoffzellensystems ist und durch den der Brennstoffzelle verdichtete Luft zugeführt wird. Der Verdichter 10 weist eine Welle 12 auf, die im Betrieb um eine Rotationsachse 14 rotiert. Mit der Welle 12 ist wenigstens ein Verdichterrad 16 verbunden, durch das Luft verdichtet und zur Brennstoffzelle gefördert wird. Die Welle 12 wird durch einen nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Zur Unterstützung des Elektromotors kann außerdem ein Turbinenrad mit der Welle 12 verbunden sein, das durch den Abgasstrom des Brennstoffzellensystems angetrieben wird.
Die Welle 12 ist beispielsweise in einem Gehäuse 20 drehbar gelagert, wobei wenigstens ein Radiallager 22 und ein Axiallager 24 vorgesehen sind. Das Axiallager 24 umfasst eine mit der Welle 12 verbundene Axiallagerscheibe 26 und wenigstens eine der eine Lauffläche 27 bildenden Stirnseite der Axiallagerscheibe 26 gegenüberliegende Lagerfläche 28. Wenn das Axiallager 24 nur einseitig wirksam ist, so ist nur einseitig eine Lagerfläche 28 vorhanden, wie dies in 4 dargestellt ist, und wenn das Axiallager 24 beidseitig wirksam ist, so ist auf beiden Seiten eine Lagerfläche 28 vorhanden, wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist. Die Lagerflächen 28 können am Gehäuse 20 oder an in das Gehäuse 20 eingesetzten separaten Bauteilen, beispielsweise Lagerscheiben, angeordnet sein. Radial nach außen ist die Axiallagerscheibe 26 beispielsweise von einer Zwischenscheibe umgeben sein. Die Lagerflächen 28 erstrecken sich radial nach innen nicht bis zur Welle 12 sondern enden mit radialem Abstand a von der Welle 12 entfernt. Die Radiallager 22 und Axiallager 24 können beispielsweise als Folienlager oder Kippsegmentlager ausgeführt sein.
Im Betrieb des Verdichters 10 kommt es infolge Reibung zu einer Erwärmung der Radiallager 22 und Axiallager 24. Um eine Kühlung des Axiallagers 24 zu erreichen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Beschaufelung 30 vorhanden ist, durch die bei Rotation der Welle 12 und damit der Axiallagerscheibe 26 ein Fluidtransport durch das Axiallager 24 bewirkt wird, wobei das Fluid insbesondere Luft ist, und hierdurch eine Kühlung des Axiallagers 24 erreicht wird. Die Beschaufelung 30 besteht aus etwa radial verlaufenden Schaufeln 32, die eben oder gewölbt oder gekrümmt oder schräg zur Rotationsachse 14 verlaufend ausgebildet sein können.
Die Beschaufelung 30 ist in dem radialen Abstand a zwischen den Lagerflächen 28 und der Welle 12 angeordnet und ragt nicht in das Axiallager 24, das heißt den Bereich zwischen der Axiallagerscheibe 26 und den Lagerflächen 28 hinein und gelangt nicht mit den Lagerflächen 28 in Kontakt. Die Beschaufelung 30 kann wie bei einem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel so ausgebildet sein, dass durch diese bei Rotation der Welle 12 ein Fluidtransport radial von innen nach außen durch das Axiallager 24 bewirkt wird. Hierbei wird Fluid durch die Beschaufelung 30 vom Innenraum des Gehäuses 20 angesaugt und radial nach außen durch das Axiallager 24 gedrückt wie dies in 2 durch Pfeile dargestellt ist. Beidseitig der Axiallagerscheibe 26 ist jeweils eine Beschaufelung 30 angeordnet. Diese Ausbildung der Beschaufelung 30 hat den Vorteil, dass zusätzlich die Tragkraft des Axiallagers 24 erhöht wird, indem ein größerer axialer Lagerspalt vorhanden ist, der zu einer geringeren Scherung des Fluids und dadurch zu geringeren Verlusten führt.
Alternativ kann die Beschaufelung 30 auch wie bei einem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel so ausgebildet sein, dass durch diese bei Rotation der Welle 12 ein Fluidtransport radial von außen nach innen durch das Axiallager 24 bewirkt wird. Hierbei wird Fluid aus dem die Axiallagerscheibe 26 umgebenden Bereich angesaugt und radial nach innen durch das Axiallager 24 in den Innenraum des Gehäuses 20 gedrückt wie dies in 3 durch Pfeile dargestellt ist. Beidseitig der Axiallagerscheibe 26 ist jeweils eine Beschaufelung 30 angeordnet.
Bei einem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist das Axiallager 24 nur einseitig wirksam, wobei die Beschaufelung 30 wie beim ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, jedoch nur auf der Seite, auf der auch die Lagerfläche 28 angeordnet ist.
Die Beschaufelung 30 kann zumindest teilweise an der Welle 12, zumindest teilweise an der Axiallagerscheibe 26 oder teilweise an der Welle 12 und der Axiallagerscheibe 26 angeordnet sein. Die Beschaufelung 30 kann dabei einstückig mit der Welle 12 oder der Axiallagerscheibe 26 ausgebildet sein und beispielsweise durch spanende Bearbeitung der Welle 12 und/oder Axiallagerscheibe 26 hergestellt werden. Alternativ kann die Beschaufelung 30 auch an einem separaten Bauteil ausgebildet sein, das mit der Welle 12 und/oder der Axiallagerscheibe 26 verbunden ist und sich mit der Welle 12 dreht. Die Beschaufelung 30 kann beispielsweise an einem ringförmigen Bauteil 34 ausgebildet sein, das auf die Welle 12 aufgeschoben und mit dieser verbunden ist. Alternativ kann das ringförmige Bauteil 34 auch mit der Axiallagerscheibe 26 verbunden sein. Das Bauteil 34 kann beispielsweise aus einem Stanzblech hergestellt werden oder in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Das Bauteil 34 kann beispielsweise mittels einer Pressverbindung, einer Klebeverbindung oder einer Schweißverbindung mit der Welle 12 und/oder der Axiallagerscheibe 26 verbunden werden. Die Verbindung des Bauteils 34 mit der Welle 12 und/oder der Axiallagerscheibe 34 erfolgt vorzugsweise vor dem finalen Wuchten der Welle 12, um sicherzustellen, dass die Welle 12 auch mit der Beschaufelung 30 keine Unwucht aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017212815 A1 [0002]

Claims

Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Welle (12), mit der wenigstens ein Laufrad (16) verbunden ist, und mit wenigstens einem Axiallager (24), wobei das Axiallager (24) eine mit der Welle (12) verbundene Axiallagerscheibe (26) und wenigstens einer der Axiallagerscheibe (26) zugeordnete Lagerfläche (28) aufweist, wobei eine Beschaufelung (30) vorgesehen ist, durch die bei Rotation der Welle (12) ein Fluidtransport durch das Axiallager (24) in radialer Richtung bezüglich der Drehachse (14) der Welle (12) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) nur radial innerhalb der wenigstens einen Lagerfläche (28) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) zumindest teilweise an der Welle (12) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) zumindest teilweise an der Axiallagerscheibe (26) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) in einem Übergangsbereich zwischen der Welle (12) und der Axiallagerscheibe (26) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) an einem auf der Welle (12) angeordneten ringförmigen Bauteil (34) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) so ausgebildet ist, dass diese einen Fluidtransport radial von innen nach außen bewirkt.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (30) so ausgebildet ist, dass diese einen Fluidtransport radial von außen nach innen bewirkt.
Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits der Axiallagerscheibe (26) jeweils eine Lagerfläche (28) angeordnet ist und dass beiderseits der Axiallagerscheibe (26) jeweils eine Beschaufelung (30) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur auf einer Seite der Axiallagerscheibe (26) eine Lagerfläche (28) angeordnet ist und dass nur auf dieser Seite der Axiallagerscheibe (26) eine Beschaufelung (30) angeordnet ist.