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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Verdichter oder Expander, für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, wobei die Strömungsmaschine eine mehrflutige Strömungsmaschine ist und einen ersten Gehäuseabschnitt, einen zweiten Gehäuseabschnitt und einen drehbar gelagerten Rotor mit einem in dem ersten Gehäuseabschnitt angeordneten ersten Laufrad und einem in dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordneten zweiten Laufrad aufweist, wobei die Laufräder gegenläufig ausgebildet und zur gemeinsamen Drehung über eine Welle miteinander verbunden. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Strömungsmaschine, und ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend eine Strömungsmaschine und/oder ein Brennstoffzellensystem.
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Strömungsmaschinen und Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt. Strömungsmaschinen sind insbesondere als Verdichter beziehungsweise Kompressoren und als Expander bekannt.
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In Brennstoffzellensystemen wird ein Verdichter dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang einer Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den oder die Stacks einer die Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenanordnung. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus einem Brennstoffzellenausgang wieder aus.
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Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, als Staudruck die Reaktantenbalance in der Brennstoffzellenanordnung zu beeinflussen und/oder eine Expanderwelle eines Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vom Expander erzeugte elektrische Energie beispielsweise einem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen und bisweilen auch, jene elektrische Energie dem Brennstoffzellensystem zugänglich zu machen.
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DE 10 2018 214 710 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, zu dessen kathodenseitiger Versorgung mit Luft in einer Kathodenzuluftleitung zwei Verdichter angeordnet sind. Die beiden Verdichter weisen eine asymmetrische Auslegung hinsichtlich mindestens einem ihrer Betriebsparameter auf, da so die Möglichkeit geschaffen ist, die beiden Verdichter unabhängig voneinander auf unterschiedliche Betriebsbereiche hin zu optimieren.
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DE 10 2015 202 089 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit Anodenräumen und Kathodenräumen und einer Kathodengasversorgung, umfassend einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen, eine im Kathodenversorgungspfad angeordnete erste Verdichterstufe und eine stromab der ersten Verdichterstufe im Kathodenversorgungspfad angeordnete zweite Verdichterstufe, einen Membranbefeuchter, der im Kathodenversorgungspfad von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe sowie im Kathodenabgaspfad von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.
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Dabei treten durch die Kompression der asymmetrisch ausgelegten Verdichter, asymmetrische auf den Verdichterrotor wirkende Axialkräfte auf.
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Zwei- oder mehrflutige Strömungsmaschinen, also Strömungsmaschinen, die zwei oder mehr voneinander getrennte Strömungspfade durch Stufen der Strömungsmaschine aufweisen sind als solche aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt.
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Die zwei- oder mehrflutigen Strömungsmaschinen können sich dadurch auszeichnen, dass auftretende Axialkräfte durch die gegenüberliegenden gleichartig wirkenden Kompressor- oder Expanderstufen vollständig ausgeglichen werden. Bei zweiflutigen Verdichtern sind beispielsweise zwei Stufen gleichartig ausgelegt, d.h. aus beiden Stufen resultiert je eine betragsmäßig gleiche, aber entgegengesetzt orientierte Axialkraft, die auf die Laufräder und somit auf die Welle wirkt.
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Wenn sich jedoch die Axialkräfte vollständig kompensieren, also vollständig ausgleichen, kann es dazu kommen, dass die Rotorwelle in Axialrichtung anfängt zu „schwimmen“, also eine unwohldefinierte Position einnimmt. Da in keine Richtung eine effektive Kraft wirkt, liegt eine Laufscheibe der Welle auch in keiner Richtung an, was die Lagerung der Welle verkomplizieren kann. Kommt es zu Erschütterungen kann es unter Umständen zu unerwünschten Bewegungen der Welle kommen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu bereichern und eine verbesserte Strömungsmaschine bereitzustellen. Insbesondere kann die Aufgabe sein, bei einem weitgehenden Ausgleich der Axialkräfte effektiv ein zuverlässiges Betreiben der Strömungsmaschine zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1 sowie den Gegenständen nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung an.
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Gemäß der Erfindung wird eine Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter oder Expander, für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug bereitgestellt. Dabei ist die Strömungsmaschine eine mehrflutige Strömungsmaschine und weist einen ersten Gehäuseabschnitt, einen zweiten Gehäuseabschnitt und einen drehbar gelagerten Rotor mit einem in dem ersten Gehäuseabschnitt angeordneten ersten Laufrad und einem in dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordneten zweiten Laufrad auf, wobei die Laufräder gegenläufig ausgebildet und zur gemeinsamen Drehung über eine Welle miteinander verbunden sind, und wobei die Strömungsmaschine ein Maschinenelement aufweist, das bei einer Drehung des Rotors eine auf den Rotor wirkende effektive axiale Kraft bewirkt.
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Die Strömungsmaschine weist somit wenigstens zwei voneinander unabhängige Strömungspfade auf kann auch als mehrströmig bezeichnet werden. Dafür weist die Strömungsmaschine zwei voneinander unabhängige Fluideingänge und zwei voneinander unabhängige Fluidausgänge auf, wobei jeweils einer der Fluideingänge mit einem der Fluidausgänge über einen Strömungsabschnitt verbunden ist. Dabei führen die Strömungsmaschine über die Laufräder, durch die Luft komprimiert und/oder expandiert wird. Dabei wird Energie gewandelt und es entsteht durch die Wirkung des jeweiligen Laufrads eine auf das Laufrad wirkende Axialkraft. Die jeweilige auf die Laufräder wirkende Axialkraft wirkt über das jeweilige Laufrad auf die Welle. Dabei wurde erkannt, dass bei einer Anordnung von gegenläufigen Laufrädern ohne weitere Maßnahmen Axialkräfte entgegengesetzt und mit gleichem Betrag auf die Welle wirken und sich so vollständig kompensieren. Daher wird vorgeschlagen, dass die Strömungsmaschine das Maschinenelement aufweist. Das Maschinenelement ist dazu eingerichtet, bei der Drehung des Rotors eine auf den Rotor und somit auf die Welle wirkende einseitige Axialkraft zu bewirken. Die axial wirkende Kraft wirkt effektiv auf den Rotor. Das bedeutet, dass die effektive axiale Kraft nicht durch eine Kraft, die durch die Drehung des Rotors erzeugt und symmetrisch zu der axial wirkenden Kraft wirkt, vollständig kompensiert wird. Damit ist ein weitgehender, aber nicht vollständiger Ausgleich der Axialkräfte möglich. Damit wirkt die einseitige effektive Axialkraft einem Schwimmen der Welle bzw. des Rotors entgegen und kann ein zuverlässiges Lagern der Welle erzielen. Dass die Axialkraft einseitig wirkt, bedeutet ein Wirken der Axialkraft auf den Rotor entlang einer und/oder parallel zu einer Achse, um die der Rotor drehbar gelagert ist, wobei der Betrag der Axialkraft ungleich null ist. Wirken mehrere Axialkräfte gemeinsam, wirken diese einseitig, wenn der Betrag der Summe der Axialkräfte ungleich null ist.
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Das Maschinenelement, das die effektiv wirkende Kraft bewirkt, hat den Vorteil, dass die Axialkraft gezielt beeinflusst werden kann, ohne die Geometrie der Laufräder überhaupt oder wesentlich ändern zu müssen. Damit kann die Auslegung und die Fertigung der Laufräder unverändert bleiben. Somit kann zur Auslegung der Strömungsmaschine auf bereits bekannte Strömungsmaschinen zurückgegriffen werden.
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Vorzugsweise ist das Maschinenelement einer der Gehäuseabschnitte und weist eine Entlastungsöffnung auf. In diesem Fall wird eine Entlastungsöffnung auf lediglich einer Seite vorgeschlagen, um das Gleichgewicht der Axialkräfte leicht auseinander zu bringen. Die Entlastungsöffnung führt zu einer gezielten Störung der Strömung durch den in dem Gehäuseabschnitt angeordneten Strömungsabschnitt beziehungsweise einer in dem Gehäuseabschnitt angeordneten Stufe. Durch die Entlastungsöffnung kann Luft strömen und der Luftstrom bewirkt eine wenigstens teilweise axial wirkende Kraft. Durch den Luftstrom und/oder die Störung der Strömung wirkt eine axial wirkende Kraft auf das in dem Gehäuseabschnitt angeordnete Laufrad, die betragsmäßig verschieden von einer auf ein anderes Laufrad wirkenden Axialkraft ist. Somit wirkt eine effektive Kraft auf die Welle.
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Vorzugsweise weist die Entlastungsöffnung einen Durchmesser von 2 mm bis 4 mm auf. Bei einer derartig bemessenen Entlastungsöffnung kann eine Balance zwischen der erzielten Axialkraft und einer durch die Entlastungsöffnung möglicherweise bedingten verringerten Effizienz erzielt werden.
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Vorzugsweise ist die Entlastungsöffnung an einer dem Rotor zugeordneten Gehäuseseite angeordnet. Ein dem Rotor zugeordneter Gehäuseabschnitt ist ein Abschnitt des Gehäuses, wobei der Abschnitt einen Raum begrenzt, innerhalb dessen der Rotor drehbar gelagert angeordnet ist. Insbesondere kann der Gehäuseabschnitt einem der Laufräder des Rotors zugeordnet sein, wobei der Gehäuseabschnitt einen Raum begrenzt, in dem das Laufrad drehbar gelagert angeordnet ist. Dabei ist eine Maßnahme unmittelbar an den Laufrädern entbehrlich, was zu einer effektiven Fertigung der Entlastungsöffnung führen kann. Alternativ oder zusätzlich ist die Entlastungsöffnung an einer Rückseite eines der Laufräder angeordnet. Damit wirkt eine durch die Strömung durch die Entlastungsöffnung wirkende axiale Kraft unmittelbar auf das Laufrad beziehungsweise den Rotor und kann somit wohldefiniert und effektiv abgestimmt werden.
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Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine zwei Dichtelemente an der Welle auf, wobei die Dichtelemente asymmetrisch zueinander sind, wobei eines der Dichtelemente als das Maschinenelement eine geringere Dichtungswirkung aufweist als das andere Dichtelement. Durch die unterschiedlichen Dichtungswirkungen der zwei Dichtelemente wird ebenfalls analog zur Entlastungsöffnung ein Luftstrom erzeugt, der das Gleichgewicht der Stufen stört. Die Asymmetrie der Dichtelemente kann beispielsweise durch eine bezogen auf eine symmetrische Anordnung der gegenläufigen Laufräder asymmetrische Anordnung der Dichtelemente erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Dichtelemente verschiedene Dichtelemente sein, die bezogen auf die Stufen und/oder ein Gehäuse symmetrisch angeordnet sind. Damit wirkt eine effektive Axialkraft durch die unterschiedlichen Dichtungswirkungen.
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Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine als Maschinenelement eine Labyrinthdichtung auf. Die Labyrinthdichtung kann vorgesehen sein, um die Welle gegen eine Gehäuseseite abzudichten. Dabei kann die Strömungsmaschine eine asymmetrisch angeordnete Labyrinthdichtung aufweisen und/oder zwei unterschiedlich dimensionierte Labyrinthdichtungen mit unterschiedlichen Dichtungswirkungen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich weist die Strömungsmaschine als Maschinenelement ein Spiralrillenlager auf. Das Spiralrillenlager kann ein Axiallager zur Lagerung der Welle sein. Dabei entsteht durch eine Drehung der Welle eine axial wirkende Kraft.
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Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine als Maschinenelement ein asymmetrisch ausgebildetes Axiallager auf. Eine Läuferscheibe des Axiallagers kann beispielsweise eine Oberfläche mit einer zu einem Spiralrillenlager ähnlichen Geometrie aufweisen, damit mit zunehmender Drehzahl der Welle eine einseitig wirkende axiale Kraft entsteht, der die Rotorwelle in eine Richtung drückt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem, umfassend die oben beschriebene Strömungsmaschine bereitgestellt. Die Strömungsmaschine kann eine oder mehrere als optional und/oder vorteilhaft beschriebene Merkmale aufweisen, um einen damit verbunden technischen Effekt zu erzielen. Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Brennstoffzellenanordnung umfassen, die mit einer oder mehreren der Strömungsmaschinen fluidleitend verbunden ist. Beispielsweise kann eine als Verdichter ausgebildete Strömungsmaschine vorgesehen sein, um die Brennstoffzellenanordnung mit einem Luftstrom zu beaufschlagen und/oder eine als Expander ausgebildete Strömungsmaschine kann vorgesehen sein, um aus einem Abgasstrom der Brennstoffzellenanordnung Energie zurückzugewinnen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend die oben beschriebene Strömungsmaschine und/oder das oben beschriebene Brennstoffzellensystem, bereitgestellt. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann beispielsweise ein Landfahrzeug zum Transport von Personen und/oder Waren sein. Insbesondere bei Landfahrzeugen kann die Strömungsmaschine eine zweiflutige Strömungsmaschine sein, um Anforderungen an einen Bauraum für die Strömungsmaschine und an Kosten zu genügen. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann auch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Schiff, beispielsweise ein Frachtschiff sein. Dabei kann die Strömungsmaschine auch eine mehrflutige Strömungsmaschine, beispielsweise vierflutig, sechsflutig, etc., mit mehreren Stufen sein, um entsprechende Druckverhältnisse einstellen und um mit einer Anzahl von Brennstoffzellen fluidleitend verbunden werden zu können. Die Strömungsmaschine kann eine oder mehrere als optional und/oder vorteilhaft beschriebene Merkmale aufweisen, um einen damit verbunden technischen Effekt zu erzielen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
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Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 100, eine Energiespeichervorrichtung 110 und einen elektrischen Antrieb 130 auf. Das Brennstoffzellensystem 100 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 110 elektrische Energie 65 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 110 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 65. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist mit dem elektrischen Antrieb 130 verbunden, um den elektrischen Antrieb 130 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 110 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 100 mit dem elektrische Antrieb 130 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 65 verbunden.
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Strömungsmaschine 10 und eine Brennstoffzellenanordnung 5. Die Brennstoffzellenanordnung 5 umfasst eine oder mehrere nicht gezeigte Brennstoffzellen, die durch die als Verdichter 20 ausgebildete Strömungsmaschine 10 mit einem Luftstrom beaufschlagt werden können und/oder einem Abgasstrom der als Expander 30 ausgebildeten Strömungsmaschine 10 zuführen. Die Strömungsmaschine 10 ist mit Bezug zu 2 bis 6 beschrieben.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Strömungsmaschine 10 ist eine mehrflutige Strömungsmaschine 10. In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die Strömungsmaschine 10 zwei Stufen 11 a, 11b und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte 12a, 12b auf. Jedem der Strömungsabschnitte 12a, 12b ist eine der Stufen 11a, 11 b zugeordnet.
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Die Strömungsmaschine 10 weist zwei erste Fluidöffnungen 16a, 16b und zwei zweite Fluidöffnungen 17a, 17b auf, die durch jeweils einen der Strömungsabschnitte 12a, 12b miteinander fluidleitend verbunden sind. Genauer ist eine der ersten Fluidöffnungen 16a über einen ersten Strömungsabschnitt 12a mit einer der zweiten Fluidöffnungen 17a verbunden und die andere der ersten Fluidöffnungen 16b ist über einen zweiten Strömungsabschnitt 12b mit der anderen der zweiten Fluidöffnungen 17b verbunden.
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Die Strömungsmaschine 10 umfasst einen Rotor 13 mit zwei Laufrädern 14a, 14b und einer Welle 15. Die Laufräder 14a, 14b sind an der Welle 15 drehfest angeordnet. Damit sind die Laufräder 14a, 14b gleichsam mit der Welle 15 mit gleicher Drehgeschwindigkeit und in gleicher Drehrichtung rotierbar. Der Rotor 13 beziehungsweise die Welle 15 und die Laufräder 14, 14b können somit eine durch einen Pfeil illustrierte Drehung R um eine durch die Anordnung des Rotors 13 definierte Achse A durchführen. Die Achse A ist durch einen Pfeil mit einer punktgestrichenen Linie illustriert. Die Strömungsmaschine 10 weist ein Radiallager 88, beispielsweise umfassend zwei Folienlager, zur drehbaren Lagerung des Rotors 13 auf. Die Laufräder 14a, 14b sind auf der Welle 15 symmetrisch angeordnet, d.h., jeweilige Eintritte oder Austritte der Laufräder 14a, 14b an den ersten Fluidöffnungen 16a, 16b sind voneinander abgewandt und Rückseiten 82 der Laufräder 14a, 14b sind einander zugewandt.
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Die Strömungsmaschine 10 weist ein Gehäuse 18 auf. Das Gehäuse 18 ist in zwei Gehäuseabschnitte 70a, 70b unterteilbar. Die Laufräder 14a, 14b sind innerhalb des Gehäuses 18 beziehungsweise der Gehäuseabschnitte 70a, 70b angeordnet. Damit die Strömungsabschnitte 12a, 12b beziehungsweise die Stufen 11 a, 11b voneinander getrennt sind, weist die Strömungsmaschine 10 zwischen den Laufrädern 14a, 14b Wandabschnitte 19a, 19b auf. Die Wandabschnitte 19a, 19b weisen eine Aussparung und/oder Durchgangsöffnung auf (nicht gezeigt), durch die sich die Welle 15 erstreckt. Damit kann Luft, die durch einen der Strömungsabschnitte 12a beziehungsweise eine der Stufen 11a strömt, nicht durch den anderen Strömungsabschnitt 12b beziehungsweise die andere Stufe 11b strömen. Die Strömungsabschnitte 12a, 12b sind durch die Wandabschnitte 19a, 19b voneinander getrennt. Ein erstes Laufrad 14a ist in einem durch einen ersten Gehäuseabschnitt 70a und einen ersten Wandabschnitt 19a begrenzten ersten Raum 71a angeordnet. Ein zweites Laufrad 14b ist in einem durch einen zweiten Gehäuseabschnitt 70b und einen zweiten Wandabschnitt 19b begrenzten zweiten Raum 71 b angeordnet. Zwischen den Wandabschnitten 19a, 19b ist ein Zwischenraum 72 angeordnet.
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Die Laufräder 14a, 14b sind gleichartig zueinander. Mit anderen Worten weisen die Laufräder 14a, 14b eine Symmetrie auf. Durch die Symmetrie erzielen die beiden Laufräder 14a, 14b ein identisches Kompressionsverhältnis oder eine identische Expansion und einen identischen Massenstrom, weisen eine identische Masse auf und sind gleichartig herstellbar. Die Symmetrie der Laufräder 14a, 14b bedeutet, dass die Laufräder 14a, 14b eine gespiegelte Beschaufelung und einen gespiegelten Kranz (nicht gezeigt) aufweisen. Damit weisen die Laufräder 14a, 14b ein linksläufiges und ein rechtsläufiges Laufrad 14a, 14b auf. Die Laufräder 14a, 14b sind gegenläufig. Durch eine gleichsinnige Rotation der Laufräder 14a, 14b erzeugen die Laufräder 14a, 14b durch die symmetrische Anordnung der Laufräder 14a, 14b mit den zueinander zugewandten Rückseiten 82 der Laufräder 14a, 14b, den voneinander abgewandten Eintritten oder Austritt der Laufräder 14a, 14b und die Rechts- beziehungsweise Linksläufigkeit je eines der Laufräder 14a, 14b jeweils eine Kompression oder jeweils eine Expansion von in eine entsprechende der Fluidöffnungen 16a, 16b, 17a, 17b eintretender Luft.
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Die Strömungsmaschine 10 weist einen um die Welle 15 angeordneten Stator 90 auf. Der Stator 90 ist in dem Zwischenraum 72 angeordnet. Der Stator 90 umfasst eine Menge von Wicklungen, um einen elektrischen Strom und/oder ein elektromagnetisches Feld induzieren zu können. Der Stator 90 ist mit einer nicht gezeigten Leistungselektronik verbunden, um an ein Bordnetz des Fahrzeugs 200a, 200b angeschlossen werden zu können.
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Die Stufen 11a, 11b sind innerhalb des Gehäuses 18 symmetrisch angeordnet, beziehungsweise der Rotor 13 ist innerhalb des Gehäuses 18 symmetrisch angeordnet. Die Gehäuseabschnitte 70a, 70b und die davon umgebenden Räume 71a, 71b sind symmetrisch zueinander. Symmetrisch bedeutet dabei, dass die Anordnung durch eine Spiegelung entlang einer senkrecht zur Achse A angeordneten Spiegelebene (nicht gezeigt) unverändert bleibt, wobei das nicht für die Beschaufelung der Laufräder 14a, 14b gelten muss, um zu gewährleisten, dass die Laufräder 14a, 14b zueinander gegenläufig sind.
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Die Strömungsmaschine 10 ist ein Verdichter 20 oder Expander 30, je nach Drehsinn und/oder Beschaufelung der Laufräder 14a, 14b.
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Im Falle eines Verdichters 20 sind die ersten Fluidöffnungen 16a, 16b Fluideingänge und die zweiten Fluidöffnungen 17a, 17b sind Fluidausgänge. In den Stufen 11a, 11b wird Luft komprimiert. Dazu ist der Stator 90 dazu eingerichtet, mit elektrischer Energie beaufschlagt zu werden, um ein elektromagnetisches Feld zu induzieren, das eine Kraft auf den Rotor 13 bewirkt und um den Rotor 13 in eine Drehung R zu versetzen. Durch die Drehung R der Laufräder 14a, 14b wird die Luft von den ersten Fluidöffnungen 16a, 16b entlang der Strömungsabschnitte 12a,12b bewegt und komprimiert und an den zweiten Fluidöffnungen 17a, 17b ausgegeben. Der Verdichter 20 ist zur Luftversorgung mit einem Brennstoffzelleneingang (nicht gezeigt) fluidleitend verbunden. Die fluidleitenden Verbindungen umfassen beispielsweise Rohre und/oder Schläuche. Die Erzeugung der Kompression ist mit einer axial wirkendenden Kraft auf jedes der Laufräder 14a, 14b verbunden.
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Im Falle eines Expanders 30 sind die ersten Fluidöffnungen 16a, 16b Fluidausgänge und die zweiten Fluidöffnungen 17a, 17b sind Fluideingänge. In den Stufen 11a, 11b wird Luft entspannt, wobei dabei der Rotor 13 in Drehung R versetzt wird. Dabei ist der Stator 90 dazu eingerichtet, durch die Drehung R des Rotors 13 einen Strom zu induzieren, der zur Energierückgewinnung abgegriffen werden kann. Luft wird von den zweiten Fluidöffnungen 17a, 17b entlang der Strömungsabschnitte 12a, 12b bewegt, entspannt und an den ersten Fluidöffnungen 16a, 16b ausgegeben. Der Expander 30 ist mit einem Brennstoffzellenausgang (nicht gezeigt) fluidleitend verbunden. Die fluidleitenden Verbindungen umfassen beispielsweise Rohre und/oder Schläuche. Die Expansion ist mit einer axial wirkendenden Kraft auf jedes der Laufräder 14a, 14b verbunden.
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Die Strömungsmaschine 10 weist ein Maschinenelement 80 auf, das bei einer Drehung R des Rotors 13 eine auf den Rotor 13 wirkende effektive axiale Kraft F bewirkt. Die effektive axiale Kraft F ist durch einen Pfeil mit einer punktgestrichenen Linie angedeutet.
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Gemäß 2 ist das Maschinenelement 80 der der ersten Stufe 11a zugeordnete Wandabschnitt 19a. Der Wandabschnitt 19a begrenzt den Raum 71a, in dem das erste Laufrad 14a angeordnet ist. Der Wandabschnitt 19a ist an der ersten Stufe 11a angeordnet als an der zweiten Stufe 11b und somit der ersten Stufe 11a und dem ersten Laufrad 14a zugeordnet. Der Wandabschnitt 19a weist eine Entlastungsöffnung 81 auf. Damit ist die Entlastungsöffnung 81 an einer dem Rotor 13 zugeordneten. Gehäuseseite 83 angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass der Luftstrom entlang des ersten Strömungsabschnitts 12a beziehungsweise durch die erste Stufe 11a gestört ist, woraus die effektive axiale Kraft F auf den Rotor 13 folgt. Die Richtung der effektiven axialen Kraft F kann je nach Betriebsart der Strömungsmaschine 10 variieren. Dadurch wird das Gleichgewicht der Axialkräfte leicht auseinandergebracht. Durch die Entlastungsöffnung 81 wird der auftretende Druck auf der Rückseite 82 des Laufrads 14a reduziert und es stellt sich ein Ungleichgewicht ein. Die Strömungsabschnitte 12a, 12b sind trotz der Entlastungsöffnung 81 durch den zweiten Wandabschnitt 19b voneinander getrennt.
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Die Entlastungsöffnung 81 weist einen Durchmesser D von 2 mm bis 4 mm auf. Die Entlastungsöffnung 81 kann beispielsweise eine Bohrung in dem Wandabschnitt 19a sein.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 wird unter Bezugnahme auf 2 und deren Beschreibung beschrieben. Dabei werden die Unterschiede zu der in 2 gezeigten Ausführungsform beschrieben.
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Gemäß 3 ist das Maschinenelement 80 der erste Gehäuseabschnitt 70a der ersten Stufe 11 a. Der erste Gehäuseabschnitt 70a weist die Entlastungsöffnung 81 auf. Damit ist die Entlastungsöffnung 81 an einer dem Rotor 13 zugeordneten Gehäuseseite 83 angeordnet. Der erste Gehäuseabschnitt 70a begrenzt den Raum 71a, in dem das erste Laufrad 14a angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Luftstrom entlang des ersten Strömungsabschnitts 12a beziehungsweise durch die erste Stufe 11a gestört ist, woraus die effektive axiale Kraft F auf den Rotor 13 folgt. Die Richtung der effektiven axialen Kraft F kann je nach Betriebsart der Strömungsmaschine 10 variieren. Die Strömungsabschnitte 12a, 12b sind trotz der Entlastungsöffnung 81 durch die Wandabschnitte 19a, 19b voneinander getrennt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 4 wird unter Bezugnahme auf 2 und 3 und deren Beschreibung beschrieben. Dabei werden die Unterschiede zu den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
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Gemäß 4 ist das Maschinenelement 80 das erste Laufrad 14a der ersten Stufe 11 a. Die Entlastungsöffnung 81 ist an der Rückseite 82 des ersten Laufrad 14a angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Luftstrom entlang des ersten Strömungsabschnitts 12a beziehungsweise durch die erste Stufe 11a gestört ist, woraus die effektive axiale Kraft F auf den Rotor 13 folgt. Die Richtung der effektiven axialen Kraft F kann je nach Betriebsart der Strömungsmaschine 10 variieren. Die Strömungsabschnitte 12a, 12b sind trotz der Entlastungsöffnung 81 durch die Wandabschnitte 19a, 19b voneinander getrennt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 5 wird unter Bezugnahme auf 2 bis 4 und deren Beschreibung beschrieben. Dabei werden die Unterschiede zu den in 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
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Gemäß 5 weist die Strömungsmaschine 10 zwei Dichtelemente 85a, 85b an der Welle 15 auf. Die Dichtelemente 85a, 85b sind an den Wandabschnitten 19a, 19b angeordnet und dichten die Räume 71a, 71b gegen den Zwischenraum 72 ab. Die Dichtelemente 85a, 85b verhindern und/oder vermindern einen Luftstrom zwischen den Stufen 11a, 11b und einen zwischen den Wandabschnitten 19a, 19b angeordneten Innenraum. Die Dichtelemente 85a, 85b ist asymmetrisch zueinander, wobei eines der Dichtelemente 85a als das Maschinenelement 80 eine geringere Dichtungswirkung aufweist als das andere Dichtelement 85b. Die verschiedenen Dichtungswirkungen können dafür beispielsweise durch Dichtelemente 95a, 95b mit verschiedenen Abmessungen und/oder Geometrien realisiert werden und/oder durch eine Entlastungsöffnungen (nicht gezeigt) in einem der Dichtelemente 95a, 95b. Das als Maschinenelement 80 ausgebildete Dichtelement 85a ist eine Labyrinthdichtung 86, die eine andere Dichtigkeit bereitstellt als das andere Dichtelement 85b. Durch die unterschiedliche Dichtungswirkung ist sichergestellt, dass der Luftstrom entlang der Strömungsabschnitte 12a, 12b beziehungsweise durch die Stufen 11 a, 12a unterschiedlich ist, woraus die effektive axiale Kraft F auf den Rotor 13 folgt. Die Richtung der effektiven axialen Kraft F kann je nach Betriebsart der Strömungsmaschine 10 variieren. Die Strömungsabschnitte 12a, 12b sind trotz des als das Maschinenelement 80 ausgebildete Dichtelemente 85a den zweiten Wandabschnitt 19b und das daran vorgesehene Dichtelement 85b voneinander getrennt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 6 wird unter Bezugnahme auf 2 bis 5 und deren Beschreibung beschrieben. Dabei werden die Unterschiede zu den in 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
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Gemäß 6 weist die Strömungsmaschine 10 ein Maschinenelemente 80 auf, die dazu eingerichtet sind, bei einer Drehung R des Rotors 13 eine auf den Rotor 13 wirkende effektive axiale Kraft F zu bewirken. Die Kraft F ist nur zu dem Zwecken der Illustration oberhalb der Welle 15 des Rotors 13 eingezeichnet.
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Die Strömungsmaschine 10 weist als das Maschinenelement 80 ein als Spiralrillenlager 86` ausgeführtes Axiallager und somit ein asymmetrisch ausgebildetes Axiallager 87 auf. Das Spiralrillenlager 86' bewirkt durch auf einer Oberfläche einer Gleitfläche angeordneten spiralförmigen Vertiefungen und/oder Erhebungen die axial wirkende Kraft F bei einer Drehung R der Welle 15. Die asymmetrische Auslegung des Axiallagers 87 führt zu der axial wirkende Kraft F bei einer Drehung R der Welle 15. Auf eine Läuferscheibe des Axiallagers 87 ist einseitig eine Geometrie ähnlich wie bei dem Spiralrillenlager 86' aufgebracht. Diese führt mit zunehmender Drehzahl dazu, dass einseitig ein Druck entsteht, der die Welle 15 in eine Richtung drückt. Alternativ oder zusätzlich kann der Rotor 13, die Welle 15 und/oder eines der Laufräder 11a, 11b auf einer Rückseite 82 Spiralrillen aufweisen (nicht gezeigt).
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Die Ausführungsformen der Strömungsmaschine 10 gemäß 2 bis 6 lassen sich kombinieren. Der Fachmann erkennt, dass die Strömungsmaschine 10 mehrere der mit Bezug zu 2 bis 6 beschriebenen Maschinenelemente 80 aufweisen kann, wobei jedes der Maschinenelemente 80 bei einer Drehung R des Rotors 13 eine auf den Rotor 13 wirkende effektive axiale Kraft F bewirkt.
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Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)
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- 5
- Brennstoffzellenanordnung
- 10
- Strömungsmaschine
- 11a, 11b
- Stufe
- 12a, 12b
- Strömungsabschnitt
- 13
- Rotor
- 14a, 14b
- Laufrad
- 15
- Welle
- 16a, 16b
- erste Fluidöffnung
- 17a, 17b
- zweite Fluidöffnung
- 18
- Gehäuse
- 19a, 19b
- Wandabschnitt
- 70a, 70b
- Gehäuseabschnitt
- 71a, 71b
- Raum
- 72
- Zwischenraum
- 80
- Maschinenelement
- 81
- Entlastungsöffnung
- 82
- Rückseite
- 83
- Gehäuseseite
- 85a, 85b
- Dichtelement
- 86
- Labyrinthdichtung
- 86'
- Spiralrillenlager
- 87
- Axiallager
- 88
- Radiallager
- 90
- Stator
- A
- Achse
- D
- Durchmesser
- R
- Drehung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018214710 A1 [0006]
- DE 102015202089 A1 [0007]
