DE102020004918A1

DE102020004918A1 - Turbinenrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Strömungsmaschine sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020004918A1
Application number: DE102020004918.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Netzhammer
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2040-08-14
Also published as: DE102020004918B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad (14) für eine Strömungsmaschine (10), mit in Umfangsrichtung (46) des Turbinenrads (14) aufeinanderfolgenden Turbinenschaufeln (18), welche von einem Gas anströmbar sind, wodurch unter Entspannen des Gases das Turbinenrad (14) antreibbar und dadurch um eine Drehachse (16) drehbar ist, wobei an einem den Turbinenschaufeln (18) in axialer Richtung des Turbinenrads (14) abgewandten Radrücken (42) des Turbinenrads (14) wenigstens ein Verdichterelement (44) zum Verdichten des Gases angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Strömungsmaschine mit einem solchen Turbinenrad sowie ein Kraftfahrzeug.
Der DE 10 2008 027 517 A1 ist ein Laufradgehäuse für einen Turbolader als bekannt zu entnehmen. In dem Laufradgehäuse ist ein Laufrad angeordnet, welches mit seinem Radrücken und dem Laufradgehäuse einen ersten Spalt bildet. Dabei ist wenigstens ein Verbindungselement zum Entlüften des ersten Spalts vorgesehen. Des Weiteren offenbart die DE 10 2016 120 485 A1 ein Turboladersystem.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Turbinenrad für eine Strömungsmaschine, eine solche Strömungsmaschine sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, sodass übermäßige Belastungen der Strömungsmaschine auf besonders einfache Weise vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Turbinenrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Turbinenrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet beispielsweise, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Strömungsmaschine und somit das Turbinenrad aufweist. Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Turbolader, insbesondere ein Abgasturbolader. Beispielsweise kann mittels des Turboladers Luft verdichtet werden, mit welcher ein Energiewandler des Kraftfahrzeugs versorgt werden kann. Bei dem Energiewandler handelt es sich beispielsweise um eine beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise mittels eines flüssigen Kraftstoffes in einem befeuerten Betrieb betreibbar, insbesondere derart, dass während des befeuerten Betriebs in der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungsvorgänge stattfinden. Bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang wird ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt, welches die zuvor genannte Luft und den zuvor genannten, flüssigen Kraftstoff, umfasst. Der Kraftstoff kann ein Dieselkraftstoff oder ein Ottokraftstoff sein, sodass die Verbrennungskraftmaschine als Dieselmotor oder Ottomotor ausgebildet sein kann. Ferner ist es denkbar, dass als der Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff wie beispielsweise Wasserstoff (H₂) verwendet wird, sodass die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als ein Gasmotor, insbesondere als ein Wasserstoffgasmotor, ausgebildet ist. Somit umfasst das Gemisch die Luft und den gasförmigen Kraftstoff, insbesondere den Wasserstoff.
Ferner ist es denkbar, dass der Energiewandler eine Brennstoffzelle ist beziehungsweise wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist. Die Brennstoffzelle kann eine chemische Reaktionsenergie eines der Brennstoffzelle, insbesondere kontinuierlich, zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln und letzte bereitstellen. Als der Brennstoff wird beispielsweise Wasserstoff verwendet. Als das Oxidationsmittel wird beispielsweise Sauerstoff aus der zuvor genannten Luft verwendet, mit welcher die Brennstoffzelle versorgt wird. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass die mittels des Turboladers verdichtete Luft dem Energiewandler, insbesondere der Brennstoffzelle beziehungsweise Verbrennungskraftmaschine, zugeführt wird.
Das Turbinenrad weist in um die axiale Richtung des Turbinenrads verlaufender Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinanderfolgende und vorzugsweise voneinander beabstandete Turbinenschaufeln auf, welche von einem Gas anströmbar sind, wodurch unter Entspannen des Gases das Turbinenrad antreibbar und dadurch um eine Drehachse, insbesondere relativ zu einem Gehäuse der Strömungsmaschine, drehbar ist. Mit anderen Worten, während eines Betriebs der Strömungsmaschine strömt das Gas die Turbinenschaufeln an, wodurch das Turbinenrad angetrieben und somit um die Drehachse relativ zu dem Gehäuse gedreht wird. Hierbei wird das Gas entspannt, sodass das Gas stromauf des Turbinenrads einen ersten Druck und stromab des Turbinenrads einen gegenüber dem ersten Druck geringeren, zweiten Druck aufweist. Bei dem Gas handelt es sich beispielsweise um ein Abgas des Energiewandlers. Das Abgas kann auch als Abluft bezeichnete Luft sein, die von dem Energiewandler, insbesondere von der Brennstoffzelle, abgegeben beziehungsweise bereitgestellt wird. Ferner kann das Gas ein Abgas sein, welches beispielsweise aus dem jeweiligen, zuvor genannten Verbrennungsvorgang resultiert und dabei beispielsweise von dem Energiewandler, insbesondere von der Verbrennungskraftmaschine, bereitgestellt wird. Mittels des Turbinenrads kann in dem Gas enthaltene Energie genutzt werden, um das Turbinenrad anzutreiben. Somit kann im Gas enthaltene Energie mittels des Turbinenrads in mechanische Energie umgewandelt werden, die beispielsweise einem Turbinenrad bereitgestellt werden kann.
Um nun übermäßige Belastungen der Strömungsmaschine auf besonders einfache Weise vermeiden zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass an einem den Turbinenschaufeln in axialer Richtung des Turbinenrads abgewandten Radrücken des Turbinenrads wenigstens oder genau ein Verdichterelement, insbesondere wenigstens oder genau eine Verdichterschaufel, angeordnet ist, mittels welchem, insbesondere durch eine oder bei einer Drehung des Turbinenrads, das heißt durch eine oder bei einer Rotatiosbewegung des Turbinenrads, das Gas verdichtet werden kann. Mit anderen Worten wird beispielsweise während des zuvor genannten Betriebs der Strömungsmaschine dem Turbinenrad das Gas zugeführt. Ein erster Teil des dem Turbinenrad zugeführten Gases strömt die Turbinenschaufeln an und treibt somit das Turbinenrad an. Ein zweiter Teil des dem Turbinenrad zugeführten Gases strömt beispielsweise das an dem Radrücken angeordnete Verdichterelement, insbesondere die Verdichterschaufel, an und wird somit mittels des Verdichterelements verdichtet. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der zweite Teil geringer als der erste Teil ist.
Beispielsweise steht das Verdichterelement in eine parallel zur axialen Richtung des Turbinenrads verlaufende und von den Turbinenschaufeln weg weisende Richtung von dem Radrücken, insbesondere von einer Radrückenfläche des Radrückens ab, wobei die Radrückenfläche beispielsweise in einer Ebene verläuft, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung des Turbinenrads verläuft. Dabei fällt die axiale Richtung des Turbinenrads mit der zuvor genannten Drehachse zusammen.
Durch das mittels des Verdichterelements zu bewirkende oder bewirkte Verdichten des Gases weist das mittels des Verdichterelements verdichtete Gas einen vorteilhaft hohen Druck auf, welcher beispielsweise auf den Radrücken wirkt. Aus diesem auf den Radrücken wirkenden Druck resultiert beispielsweise eine Kraft, deren Wirkrichtung parallel zur axialen Richtung des Turbinenrads verläuft und dabei zu den Turbinenschaufeln hinweist. Mit anderen Worten wirkt beispielsweise die genannte Kraft in axialer Richtung des Turbinenrads und dabei in Richtung der Turbinenschaufeln auf den Radrücken. Dadurch kann beispielsweise eine anderweitige, der genannten Kraft entgegenstehende und somit in eine der Wirkrichtung entgegengesetzte und parallel zur axialen Richtung des Turbinenrads verlaufende Kraftrichtung wirkende Axialkraft mittels der Kraft zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, kompensiert werden, sodass beispielsweise eine insgesamt auf eine Lagerung der Strömungsmaschine wirkende Gesamtaxialkraft vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden kann. Mittels der Lagerung ist beispielsweise das Turbinenrad zumindest mittelbar drehbar an dem zuvor genannten Gehäuse gelagert. Zu der zuvor genannten Axialkraft kann es beispielsweise aus folgenden Gründen kommen: für Energiewandler wie beispielsweise Brennstoffzellen kommen Luftversorgungseinrichtungen wie beispielsweise Turbolader zum Einsatz. Ein solcher Turbolader kann einen Verdichter mit einem Verdichterrad aufweisen, welches größer ist beziehungsweise einen größeren Durchmesser aufweist als das Turbinenrad. Mittels des Verdichterrads wird beispielsweise die Luft verdichtet, die dem Energiewandler zugeführt wird. Die Luft kann auf das Verdichterrad, insbesondere auf einen weiteren Radrücken des Verdichterrads, wirken und somit die zuvor genannte Axialkraft bewirken, die in axialer Richtung des Verdichterrads und somit in axialer Richtung des Turbinenrads auf das Verdichterrad, insbesondere auf den weiteren Radrücken des Verdichterrads wirkt und dabei von dem Turbinenrad weg weist beziehungsweise der zuvor genannten Kraft entgegen gesetzt ist.
Weist beispielsweise nun das Turbinenrad das zuvor genannte Verdichterelement nicht auf, so weist das Gas, welches zwischen das Gehäuse und den Radrücken des Turbinenrads strömt, einen nur geringen Druck auf, sodass aus dem geringen Druck des nicht verdichteten Gases eine nur geringe, des Axialkraft entgegenstehende Kraft bewirkt. Da nun das Verdichterrad einen größeren Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, als das Turbinenrad aufweist, ist - wenn der Radrücken des Turbinenrads das Verdichterelement nicht aufweisen würde - die aus dem geringen, auf den Radrücken des Turbinenrads wirkenden Druck resultierende Kraft geringer als die Axialkraft. In der Folge wird die Lagerung mit einer nicht unwesentlichen Axialgesamtkraft belastet.
Dies kann nun durch die Erfindung auf besonders einfache Weise vermieden werden. Mittels des an dem Radrücken angeordneten Verdichterelements des Turbinenrads kann das Gas beziehungsweise kann der zweite Teil des Gases vorteilhaft verdichtet werden, insbesondere so stark, dass die auf den Radrücken des Turbinenrads wirkende Kraft der auf den weiteren Radrücken des Verdichterrads wirkenden Axialkraft entspricht oder nur geringfügig größer oder kleiner als die Axialkraft ist, sodass eine auf die Lagerung wirkende Gesamtaxialkraftbelastung besonders gering gehalten werden kann. Dadurch können übermäßige Belastungen der Lagerung und somit der Strömungsmaschine vermieden werden, woraus eine hohe Lebensdauer der Lagerung resultiert. Außerdem können Verluste in der beispielsweise als Wälzlagerung ausgebildeten Lagerung besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Strömungsmaschine darstellbar ist.
Es ist denkbar, dass das Verdichterelement und der Radrücken aus voneinander unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, wobei dann beispielsweise das Verdichterelement separat von dem Radrücken ausgebildet und an dem Radrücken befestigt ist. Dabei ist es ferner denkbar, dass die Turbinenschaufeln und der Radrücken einstückig miteinander ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, dass der Radrücken und das Verdichterelement einstückig miteinander ausgebildet und somit aus demselben Werkstoff hergestellt sind. Vorzugsweise sind der Radrücken und die Turbinenschaufeln sowie vorzugsweise auch das Verdichterelement aus Aluminium beziehungsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Beispielsweise ist das Turbinenrad insgesamt einstückig ausgebildet und/oder durch Gießen, insbesondere durch Feingießen, hergestellt.
Die Strömungsmaschine ist vorzugsweise als eine elektrisch unterstützte Strömungsmaschine ausgebildet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Strömungsmaschine eine elektrische Maschine aufweist, mittels welcher unter Nutzung von elektrischer Energie das Verdichterrad und/oder das Turbinenrad antreibbar sind.
Unter dem Verdichterelement ist grundsätzlich jedwedes Element zu verstehen, das zum Verdichten des Gases ausgebildet ist, das heißt während des Betriebs das Gas verdichtet. Das Verdichterelement kann als Verdichterschaufel ausgebildet sein. Das Verdichterelement, insbesondere die Verdichterschaufel, kann grundsätzlich jedwede Form aufweisen. So ist es beispielsweise denkbar, dass das Verdichterelement, insbesondere die Verdichterschaufel, eine spiralförmige Maßnahme ist, mithin spiralförmig ausgebildet ist beziehungsweise verläuft.
Um das Gas beziehungsweise den zweiten Teil des Gases besonders effektiv und effizient verdichten zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass an dem Radrücken des Turbinenrads wenigstens ein weiteres Verdichterelement oder mehrere weitere Verdichterelemente zum Verdichten des Gases angeordnet ist beziehungsweise sind.
Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Verdichterelemente in Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinanderfolgend und ganz vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Turbinenrad bezüglich der Turbinenschaufeln als eine Radialturbine beziehungsweise als ein Radialturbinenrad ausgebildet ist, deren beziehungsweise dessen Turbinenschaufeln in radialer Richtung des Turbinenrads nach innen von dem Gas anströmbar und in axialer Richtung des Turbinenrads von dem Gas abströmbar sind. Mit anderen Worten ist das Turbinenrad vorzugsweise Bestandteil einer Turbine für die Strömungsmaschine, wobei die Turbine vorzugsweise als Radialturbine ausgebildet ist. Somit ist das Turbinenrad vorzugsweise als Radialturbinenrad ausgebildet. Dies bedeutet, dass während des zuvor genannten Betriebs der Strömungsmaschine das Gas die Turbinenschaufeln in radialer Richtung des Turbinenrads nach innen hin anströmt und in axialer Richtung des Turbinenrads von den Turbinenschaufeln abströmt, wodurch das Turbinenrad angetrieben wird. Hierdurch können übermäßige Belastungen der Strömungsmaschine besonders gut vermieden werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verdichterelement dazu ausgebildet ist, das Gas in radialer Richtung des Turbinenrads nach innen hin zu verdichten. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Verdichterelement einen Radialverdichter beziehungsweise ein Radialverdichterrad bildet. Während des Betriebs der Strömungsmaschine strömt das mittels des Verdichterelements des Turbinenrads zu verdichtende Gas, insbesondere der mittels der Verdichterelemente zu verdichtende zweite Teil des Gases, in radialer Richtung des Turbinenrads, insbesondere nach innen hin, das Verdichterelement an, wobei beispielsweise während des Betriebs das mittels des Verdichterelements verdichtete Gas das Verdichterelement des Turbinenrads in radialer Richtung des Turbinenrads, insbesondere nach innen hin, abströmt.
Ein Raum oder Bereich hinter dem Radrücken ist vorzugsweise geschlossen und wird, insbesondere bei zumindest im Wesentlichen konstanter Drehzahl des Turbinenrads, auf einem zumindest im Wesentlichen konstanten Überdruck gehalten.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Die Strömungsmaschine weist ein Gehäuse auf, in welchem ein Turbinenrad, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, drehbar angeordnet ist. Das Turbinenrad weist in Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinanderfolgende Turbinenschaufeln auf, die von einem Gas anströmbar sind. Hierdurch ist unter Entspannen des Gases das Turbinenrad antreibbar und dadurch um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar.
Beispielsweise weist das Turbinenrad eine einfach auch als Nabe bezeichnete Laufradnabe auf, welche auch als Turbinenradnabe bezeichnet wird. Beispielsweise sind die Turbinenschaufeln drehfest mit der Nabe verbunden, insbesondere einstückig mit der Nabe ausgebildet. Insbesondere sind die Turbinenschaufeln in Umfangsrichtung der Nabe über deren Umfang, insbesondere gleichmäßig, verteilt angeordnet, insbesondere derart, dass die Turbinenschaufeln in Umfangsrichtung der Nabe über deren Umfang hinweg aufeinanderfolgend und vorzugsweise voneinander beabstandet angeordnet sind.
Um nun übermäßige Belastungen der Strömungsmaschine auf besonders einfache Weise vermeiden zu können, sind an einem den Turbinenschaufeln in axialer Richtung des Turbinenrads abgewandten Radrücken des Turbinenrads wenigstens oder genau ein Verdichterelement zum Verdichten des Gases angeordnet.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Turbinenrad drehfest mit einer Welle der Strömungsmaschine verbunden ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömungsmaschine ein in dem Gehäuse drehbar angeordnetes, drehfest mit der Welle verbundenes und in axialer Richtung der Welle von dem Turbinenrad, insbesondere von dem Radrücken des Turbinenrads und von dem Verdichterelement des Turbinenrads, beabstandetes Verdichterrad aufweist, welches über die Welle von dem Turbinenrad antreibbar und dadurch relativ zu dem Gehäuse, insbesondere um die Drehachse, drehbar ist, wodurch mittels des Verdichterrads dem Energiewandler zuzuführende Luft zu verdichten ist. mittels des Verdichterelements können dabei übermäßige Belastungen der Strömungsmaschine besonders gut vermieden werden, da beispielsweise die zuvor beschriebene, auf das Verdichterrad, insbesondere auf den weiteren Radrücken des Verdichterrads, wirkende Axialkraft mittels der ebenfalls zuvor beschriebenen Kraft zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Dabei hat es sich zur Vermeidung einer übermäßigen der Belastung der Strömungsmaschine als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn durch das Verdichterrad ein Radialverdichter gebildet ist. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass während des zuvor genannten Betriebs der Strömungsmaschine, wobei während des Betriebs mittels des Verdichterrads die dem Energiewandler zuzuführende Luft verdichtet wird, die mittels des Verdichterrads zu verdichtende Luft in axialer Richtung des Verdichterrads das Verdichterrad anströmt, wobei vorzugsweise die mittels des Verdichterrads verdichtete und dem Energiewandler zuzuführende Luft in radialer Richtung des Verdichterrads, insbesondere nach außen hin, von dem Verdichterrad abströmt. Dadurch kann auf besonders vorteilhafte Weise ein besonders effizienter und belastungsarmer Betrieb der Strömungsmaschine realisiert werden.
Schließlich hat es sich zur Vermeidung einer übermäßigen Belastung der Strömungsmaschine als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Welle gegen das Gehäuse mittels einer separat von der Welle und separat von dem Gehäuse ausgebildeten und beispielsweise aus einem Gummi gebildeten Dichtung abgedichtet ist, wodurch zumindest ein Teil des Radrückens, ein dem Radrücken in axialer Richtung der Welle zugewandter Wandungsbereich des Gehäuses, die Dichtung und zumindest ein Längenbereich der Welle einen Zwischenraum begrenzen, in welchen das Gas durch das mittels des Verdichterelements bewirkte Verdichten des Gases einleitbar beziehungsweise hinein zu fördern ist. Die axiale Richtung der Welle fällt dabei mit der axialen Richtung des Verdichterrads und des Turbinenrads zusammen, sodass die jeweilige radiale Richtung der Welle senkrecht zur axialen Richtung verläuft und parallel zur jeweiligen radialen Richtung des Verdichterrads beziehungsweise Turbinenrads verläuft.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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 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.
Die Zeichnung zeigt in:

1 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ausschnittsweise eine schematische Rückansicht eines Turbinenrads der Strömungsmaschine gemäß der ersten Ausführungsform; und
3 eine schematische Rückansicht des Turbinenrads gemäß einer zweiten Ausführungsform.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Strömungsmaschine 10 für einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand den Energiewandler aufweist. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, kann mittels der beispielsweise als Turbolader ausgebildeten Strömungsmaschine 10 Luft verdichtet werden, wobei die mittels der Strömungsmaschine 10 verdichtete Luft dem Energiewandler zugeführt wird. Bei dem Energiewandler handelt es sich vorzugsweise um eine Brennstoffzelle, die mit der mittels der Strömungsmaschine 10 verdichteten Luft versorgt wird. In der verdichteten Luft enthaltener Sauerstoff wird als Oxidationsmittel genutzt, um im Oxidationsmittel und einem Brennstoff enthaltene, chemische Energie mittels der Brennstoffzelle in elektrische Energie umzuwandeln, die von der Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Als der Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, der dem Energiewandler, insbesondere der Brennstoffzelle, zugeführt wird. Von der Brennstoffzelle gespeicherte elektrische Energie wird beispielsweise einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs zugeführt, wodurch die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben wird. In der Folge kann das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden, sodass das Kraftfahrzeug beispielsweise als Brennstoffzelle-Elektrofahrzeug ausgebildet ist. Ferner ist es denkbar, dass die von der Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Energie in einem elektrischen Energiespeicher zumindest vorübergehend gespeichert wird. Dabei kann die elektrische Maschine beispielsweise mit der in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherten Energie versorgt werden, wodurch die elektrische Maschine in dem Motorbetrieb betrieben werden kann.
Die Strömungsmaschine 10 weist ein in 1 teilweise erkennbares Gehäuse 12 auf. Außerdem umfasst die Strömungsmaschine 10 ein Turbinenrad 14, welches drehbar an dem Gehäuse 12 aufgenommen und demzufolge um eine Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 drehbar ist. Das Turbinenrad 14 weist eine Nabe 17 und Turbinenschaufeln 18 auf, die in Umfangsrichtung des Turbinenrads 14 und somit in Umfangsrichtung der Nabe 17 um deren Umfang hinweg aufeinanderfolgend und voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln 18 sind von einem Gas anströmbar, wodurch unter Entspannen des Gases das Turbinenrad 14 antreibbar und dadurch um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 drehbar ist.
Mit anderen Worten, während eines Betriebs der Strömungsmaschine 10 strömt das genannte Gas - wie in 1 durch einen Pfeil 20 veranschaulicht ist - die Turbinenschaufeln 18 in radialer Richtung des Turbinenrads 14 nach innen hin an, wodurch das Turbinenrad 14 angetrieben und somit um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 gedreht wird. Außerdem wird dadurch das Gas entspannt, sodass das Gas stromab des Turbinenrads 14 einen geringeren Druck als stromauf des Turbinenrads 14 aufweist. Außerdem strömt das Gas - nachdem es das Turbinenrad 14 angetrieben hat - in axialer Richtung des Turbinenrads 14 von den Turbinenschaufeln 18 ab, was in 1 durch einen Pfeil 22 veranschaulicht ist. Somit bilden die Turbinenschaufeln 18 beispielsweise eine Radialturbine, welche mittels in dem Gas enthaltener Energie angetrieben wird, sodass zumindest ein Teil der im Gas enthaltenen Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, die von dem Turbinenrad 14 bereitgestellt wird.
Die Strömungsmaschine 10 umfasst außerdem eine Welle 24, welche um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 drehbar ist. Die Welle 24 ist drehfest mit dem Turbinenrad 14 verbunden. Die Welle 24 kann separat von dem Turbinenrad 14 ausgebildet und mit dem Turbinenrad 14 drehfest verbunden sein, oder die Welle 24 und das Turbinenrad 14 sind einstückig miteinander ausgebildet. Dadurch, dass die Welle 24 drehfest mit dem Turbinenrad 14 verbunden ist, kann die von dem Turbinenrad 14 bereitgestellte, mechanische Energie auf die Welle 24 übertragen werden, welche hierdurch angetrieben und somit um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 mit dem Turbinenrad 14, das heißt in die gleiche Drehrichtung, mit gedreht wird.
Die Strömungsmaschine 10 umfasst außerdem ein in dem Gehäuse 12 drehbar angeordnetes Verdichterrad 26, welches drehfest mit der Welle 24 verbunden ist. Somit kann die mechanische Energie von der Welle 24 auf das Verdichterrad 26 übertragen werden, sodass das Verdichterrad 26 angetrieben und somit um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 gedreht wird. Insgesamt ist erkennbar, dass das Verdichterrad 26 über die Welle 24 von dem Turbinenrad 14 angetrieben und dadurch um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 gedreht werden kann beziehungsweise wird. Durch Drehen des Verdichterrads 26 wird mittels des Verdichterrads 26 Luft, die dem Verdichterrad 26 zugeführt wird, verdichtet. Bei dieser, mittels des Verdichterrads 26 verdichteten Luft, handelt es sich um die zuvor genannte verdichtete Luft, die dem Energiewandler zugeführt wird.
Das Verdichterrad 26 weist eine weitere Nabe 28 und Verdichterschaufeln 30 auf, die in Umfangsrichtung des Verdichterrad 26 und somit in Umfangsrichtung der Nabe 28 über deren Umfang hinweg aufeinanderfolgend und vorzugsweise voneinander beabstandet angeordnet sind. Vorzugsweise bildet das Verdichterrad 26 einen Radialverdichter, sodass während des zuvor genannten Betriebs der Strömungsmaschine 10 die mittels der Verdichterrads 26 zu verdichtende Luft die Verdichterschaufeln 30 beziehungsweise das Verdichterrad 26 in axialer Richtung des Verdichterrad 26 anströmt, was in 1 durch einen Pfeil 32 veranschaulicht ist. Die mittels des Verdichterrads 26 beziehungsweise mittels der Verdichterschaufeln 30 verdichtete Luft strömt während des Betriebs in radialer Richtung des Turbinenrads 14 des Verdichterrads 26 von dem Verdichterrad 26 beziehungsweise von den Verdichterschaufeln 30 ab, was in 1 durch einen Pfeil 34 veranschaulicht ist.
Das Turbinenrad 14 und das Verdichterrad 26 werden zusammenfassend auch als Laufräder bezeichnet. Aus 1 ist erkennbar, dass in axialer Richtung der Welle 24, deren axiale Richtung mit der axialen Richtung des jeweiligen Laufrads zusammenfällt, zwischen dem Gehäuse 12 und dem Verdichterrad 26 ein Spalt S angeordnet ist, welcher in axialer Richtung der Welle 24 zu dem Turbinenrad 14 hin durch das Gehäuse 12 und in eine von dem Turbinenrad 14 weg weisende Richtung durch das Verdichterrad 26, insbesondere direkt, begrenzt ist. Während des Betriebs der Strömungsmaschine 10 kann Luft in den Spalt S gelangen, wobei beispielsweise zumindest ein Teil der in dem Spalt S aufgenommenen Luft ein Teil der mittels des Verdichterrads 26 verdichteten Luft ist. Die Luft in dem Spalt S weist einen Druck auf, welcher auf einen Radrücken 36 des Verdichterrads 26 wirkt. Der Radrücken 36 ist dabei in axialer Richtung des Verdichterrads 26 von den Verdichterschaufeln 30 abgewandt und dem Gehäuse 12 beziehungsweise dem Turbinenrad 14 zugewandt beziehungsweise weist in Richtung des Turbinenrads 14. Aus diesem, in dem Spalt S auf den Radrücken 36 des Verdichterrads 26 wirkenden Druck resultiert ein in 1 durch einen Pfeil 38 veranschaulichte Axialkraft, deren Wirkrichtung - wie durch den Pfeil 38 veranschaulicht ist - parallel zur axialen Richtung der Laufräder und der Welle 24 verläuft und dabei von dem Turbinenrad 14 weg weist. Dies bedeutet, dass die Axialkraft auf den Radrücken 36 und somit auf das Verdichterrad 26 wirkt, parallel zur axialen Richtung der Laufräder verläuft und dabei von dem Turbinenrad 14 weg weist.
Die Laufräder und die Welle 24 sind beispielsweise Bestandteile eines Rotors 40 der Strömungsmaschine 10. Der Rotor 40 ist mittels einer in den Fig. nicht dargestellten Lagerung Drehbar an dem Gehäuse 12 gelagert. Aus der Axialkraft kann - falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind - eine auf die Lagerung wirkende Gesamtaxialkraft resultieren. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Strömungsmaschine 10.
Um nun eine übermäßige Belastung der Lagerung und somit der Strömungsmaschine 10 insgesamt zu vermeiden, sind an einem den Turbinenschaufeln 18 in axialer Richtung des Turbinenrads 14 abgewandten und dem Verdichterrad 26 zugewandten Radrücken 42 des Turbinenrads 14 besonders gut aus 2 erkennbare Verdichterelemente 44 zum Verdichten des zuvor genannten Gases angeordnet. Zumindest ein erster Teil des Gases, welches während des Betriebs dem Turbinenrad 14 zugeführt wird, strömt - wie beschrieben - die Turbinenschaufeln 18 an und ab, wodurch das Turbinenrad 14 und mit diesem die Welle 24 und das Verdichterrad 26 relativ zu dem Gehäuse 12 um die Drehachse 16 in beispielsweise eine in 2 durch einen Pfeil 46 veranschaulichte Drehrichtung gedreht werden, insbesondere mit einer mit n bezeichneten Drehzahl. Zumindest ein gegenüber dem ersten Teil geringerer, zweiter Teil des Gases, welcher dem Turbinenrad 14 zugeführt wird, strömt die bei der ersten Ausführungsform beispielsweise als Verdichterschaufeln ausgebildeten Verdichterelemente 44 an beziehungsweise wird mittels der Verdichterelemente 44 angesaugt und strömt daraufhin die Verdichterelemente 44 an und von diesen ab, wobei das die Verdichterelemente 44 anströmende und von den Verdichterelementen 44 abströmende Gas beziehungsweise der zweite Teil mittels der Verdichterelemente 44 - wie in 2 durch Pfeile 48 veranschaulicht ist - in radialer Richtung des Turbinenrads 14 nach innen hin verdichtet wird.
Aus 1 ist erkennbar, dass in axialer Richtung der Welle 24 und somit des Turbinenrads 14 zwischen dem Radrücken 42 und dem Gehäuse 12 ein zweiter Spalt S2 angeordnet ist, welcher in axialer Richtung der Welle 24 zu dem Verdichterrad 26 hin durch das Gehäuse 12 und in eine parallel zur axialen Richtung der Welle 24 verlaufende und von dem Verdichterrad 26 weg weisende Richtung durch den Radrücken 42, insbesondere jeweils direkt, begrenzt ist. Dabei wird das Gas, welches mittels der Verdichterelemente 44 verdichtet wird, in den Spalt S2 eingeleitet beziehungsweise hinein gefördert. Somit weist das mittels der Verdichterelemente 44 verdichtete Gas in dem Spalt S2 einen Druck p auf. Der in dem Spalt S2 herrschende Druck p wirkt auf den Radrücken 42, derart, dass aus dem auf den Radrücken 42 wirkende Druck p eine in 2 durch einen Pfeil 50 veranschaulichte Kraft resultiert. Die durch den Pfeil 50 veranschaulichte Kraft beziehungsweise deren Wirkrichtung verläuft parallel zur axialen Richtung der Welle 24 und somit parallel zur axialen Richtung der Laufräder und ist der Wirkrichtung der durch den Pfeil 38 veranschaulichten Axialkraft beziehungsweise der durch den Pfeil 38 veranschaulichten Axialkraft selbst entgegengesetzt, sodass die Axialkraft zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, durch die Kraft kompensiert wird. Dadurch kann eine auf die Lagerung wirkende Gesamtaxialkraft vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden, wodurch übermäßige Belastungen der Lagerung und somit der Strömungsmaschine 10 vermieden werden können. Bei dem Gas, welches das Turbinenrad 14 antreibt und mittels der Verdichterelemente 44 verdichtet wird, handelt es sich vorzugsweise um Abgas des Energiewandlers. Das Abgas kann insbesondere Abluft des Energiewandlers sein, welcher die Abluft bereitstellt.
Aus 2 ist erkennbar, dass die Verdichterelemente 44 in Umfangsrichtung des Turbinenrads 14 aufeinanderfolgend und insbesondere voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Umfangsrichtung des Turbinenrads 14 beispielsweise in 2 durch den Pfeil 46 veranschaulicht ist. Ferner ist anhand der Pfeile 48 erkennbar, dass die Verdichterelemente 44 das Gas in radialer Richtung des Turbinenrads 14 nach innen hin verdichten und somit fördern, wodurch das Gas in den Spalt S2 eingeleitet beziehungsweise hinein gefördert wird.
Bei dem Spalt S2 handelt es sich um einen Zwischenraum, welcher teilweise durch den Radrücken 42 und somit durch das Turbinenrad 14 und teilweise durch das Gehäuse 12, insbesondere durch einen Wandungsbereich W des Gehäuses 12, gebildet beziehungsweise begrenzt wird. Dabei ist der Wandungsbereich W den Radrücken 42 in axialer Richtung des Turbinenrads 14 zugewandt. Außerdem ist der Zwischenraum (Spalt S2) teilweise durch einen Längenbereich L1 der Welle 24 und teilweise durch ein Dichtungselement 52 begrenzt, welches separat von dem Gehäuse 12 und separat von der Welle 24 ausgebildet ist. Mittels des Dichtungselements 52 ist die Welle 24 gegen das Gehäuse 12, insbesondere gegen den Wandungsbereich W, abgedichtet. Insbesondere ist ein erster Teilbereich des Zwischenraums zu dem Verdichterrad 26 hin, insbesondere direkt, durch den Wandungsbereich W begrenzt, wobei ein zweiter Teilbereich des Zwischenraums zu dem Verdichterrad 26 hin durch das Dichtungselement 52, insbesondere direkt, begrenzt. Das Dichtungselement 52 wird auch einfach als Dichtung bezeichnet. Der zweite Teilbereich schließt sich dabei in radialer Richtung des Turbinenrads 14 nach innen hin, insbesondere direkt, an den ersten Teilbereich an. Der Längenbereich L1 begrenzt den Zwischenraum in radialer Richtung des Turbinenrads 14 nach innen hin.
Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Strömungsmaschine 10 als eine elektrisch unterstützte Strömungsmaschine ausgebildet ist. Dabei umfasst die Strömungsmaschine 10 eine in den Fig. nicht erkennbare elektrische Maschine, mittels welcher unter Nutzung von elektrischer Energie, insbesondere von elektrischem Strom, die Welle 24 und somit zumindest das Turbinenrad 14 und dabei vorzugsweise auch das Verdichterrad 26 antreibbar und dadurch um die Drehachse 16 relativ zu dem Gehäuse 12 in die Drehrichtung drehbar sind.
3 zeigt in einer schematischen Rückansicht eine zweite Ausführungsform des Turbinenrads 14. Bei der zweiten Ausführungsform ist an dem Radrücken 36 genau ein Verdichterelement 44 zum Verdichten des Gases angeordnet. Das genau eine Verdichterelement 44 ist spiralförmig und vorliegend einstückig ausgebildet und somit eine spiralförmige Maßnahme zum Verdichten des Gases.
Bezugszeichenliste

10: Strömungsmaschine
12: Gehäuse
14: Turbinenrad
16: Drehachse
17: Nabe
18: Turbinenschaufel
20: Pfeil
22: Pfeil
24: Welle
26: Verdichterrad
28: Nabe
30: Verdichterschaufel
32: Pfeil
34: Pfeil
36: Radrücken
38: Pfeil
40: Rotor
42: Radrücken
44: Verdichterelement
46: Pfeil
48: Pfeil
50: Kraft
52: Dichtungselement
L1: Längenbereich
n: Drehzahl
p: Druck
S, S2: Spalt
W: Wandungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008027517 A1 [0002]
DE 102016120485 A1 [0002]

Claims

Turbinenrad (14) für eine Strömungsmaschine (10), mit in Umfangsrichtung (46) des Turbinenrads (14) aufeinanderfolgenden Turbinenschaufeln (18), welche von einem Gas anströmbar sind, wodurch unter Entspannen des Gases das Turbinenrad (14) antreibbar und dadurch um eine Drehachse (16) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem den Turbinenschaufeln (18) in axialer Richtung des Turbinenrads (14) abgewandten Radrücken (42) des Turbinenrads (14) wenigstens ein Verdichterelement (44) zum Verdichten des Gases angeordnet sind.
Turbinenrad (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Radrücken (42) des Turbinenrads (14) wenigstens ein weiteres Verdichterelement (44) zum Verdichten des Gases angeordnet ist, wobei die Verdichterelemente (44) in Umfangsrichtung (46) des Turbinenrads (14) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Turbinenrad (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (14) bezüglich der Turbinenschaufeln (18) als eine Radialturbine ausgebildet ist, deren Turbinenschaufeln (18) in radialer Richtung des Turbinenrads (14) nach innen von dem Gas anströmbar und in axialer Richtung des Turbinenrads (14) von dem Gas abströmbar sind.
Turbinenrad (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterelement (44) dazu ausgebildet ist, das Gas in radialer Richtung des Turbinenrads (14) nach innen hin zu verdichten.
Strömungsmaschine (10) für einen Energiewandler, mit einem Gehäuse (12), in welchem ein Turbinenrad (14) drehbar angeordnet ist, welches in Umfangsrichtung (46) des Turbinenrads (14) aufeinanderfolgende Turbinenschaufeln (18) aufweist, die von einem Gas anströmbar sind, wodurch unter Entspannen des Gases das Turbinenrad (14) antreibbar und dadurch um eine Drehachse (16) relativ zu dem Gehäuse (12) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem den Turbinenschaufeln (18) in axialer Richtung des Turbinenrads (14) abgewandten Radrücken (42) des Turbinenrads (14) wenigstens ein Verdichterelement (44) zum Verdichten des Gases angeordnet sind.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (14) drehfest mit einer Welle (24) der Strömungsmaschine (10) verbunden ist.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (10) ein in dem Gehäuse (12) drehbar angeordnetes, drehfest mit der Welle (24) verbundenes und in axialer Richtung der Welle (24) von dem Turbinenrad (14) beabstandetes Verdichterrad (26) aufweist, welches über die Welle (24) von dem Turbinenrad (14) antreibbar und dadurch relativ zu dem Gehäuse (12) drehbar ist, wodurch mittels des Verdichterrads (26) dem Energiewandler zuzuführende Luft zu verdichten ist.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verdichterrad (26) ein Radialverdichter gebildet ist.
Strömungsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (24) gegen das Gehäuse (12) mittels einer separat von der Welle (24) und separat von dem Gehäuse (12) ausgebildeten Dichtung (52) abgedichtet ist, wodurch zumindest ein Teil des Radrückens (42), ein dem Radrücken (42) in axialer Richtung der Welle (24) zugewandter Wandungsbereich (W) des Gehäuses (12), die Dichtung (52) und zumindest ein Längenbereich (L1) der Welle (24) einen Zwischenraum (S2) begrenzen, in welchen das Gas durch das mittels des Verdichterelements (44) bewirkte Verdichten des Gases einleitbar ist.
Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 9.