DE102022124630A1

DE102022124630A1 - Luftlageranordnung für Brennstoffzellen-Kompressoren mit einem Expander

Info

Publication number: DE102022124630A1
Application number: DE102022124630.2A
Authority: DE
Inventors: Janik Ricke; Raphael Zwick
Original assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-03-28
Also published as: WO2024068224A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (1), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (100) eines Fahrzeugs (200), etwa eines Nutzfahrzeugs, mit einer Rotorwelle (19), einem auf der Rotorwelle (19) befestigten Expanderrad (15), und einer Luftlageranordnung (21), die dazu eingerichtet ist, die Rotorwelle (19) um eine Rotorachse (X) drehbar zu lagern, wobei zwischen dem Expanderrad (15) und der Luftlageranordnung (21) ein Strömungspfad (27) ausgebildet ist. Es wird vorgeschlagen, dass in dem Strömungspfad (27) zwischen der Luftlageranordnung (21) und dem Expanderrad (15) ein Strömungserzeuger (29) angeordnet und dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Rotation der Rotorwelle (19) eine zum Expanderrad (15) hin gerichtete Luftströmung zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, etwa eines Nutzfahrzeugs, mit einer Rotorwelle, einem auf der Rotorwelle befestigten Expanderrad und einer Luftlageranordnung, die dazu eingerichtet ist, die Rotorwelle um eine Rotorachse drehbar zu lagern, wobei zwischen dem Expanderrad und der Luftlageranordnung ein Strömungspfad ausgebildet ist.
Strömungsmaschinen der vorstehend bezeichneten Art sind allgemein bekannt. Luftlageranordnungen werden in diesen Strömungsmaschinen bevorzugt verwendet, weil sie eine berührungslose Lagerung der Rotorwelle ermöglichen. Die berührungslose Lagerung bedingt es ihrerseits, dass zwischen einer Kammer, in welcher das Expanderrad sitzt und demjenigen Hohlraum, in dem die Rotorwelle und zumindest die rotierenden Teile der Luftlageranordnung angeordnet sind kein hermetischer Abschluss besteht, sondern der vorstehend bezeichnete Strömungspfad ausgebildet ist.
Im Betrieb der Strömungsmaschine innerhalb eines Brennstoffzellensystems tritt von der Strömungsmaschine zuvor verdichtete Luft in eine Brennstoffzelle ein, als Reaktantenzufuhr für den Brennstoffzellenprozess. Nach Durchlaufen der Brennstoffzelle tritt ein sauerstoffärmeres Reaktantengemisch, sogenanntes Kathodenabgas, wieder aus der Brennstoffzelle aus und in die Strömungsmaschine erneut ein, um in einer Expanderkammer mittels des Expanderrads entspannt zu werden. Die das Expanderrad erreichende Luft weist einen hydrostatischen Eintrittsdruck auf, der zwar geringer ist als der Druck, den die Strömungsmaschine zuvor bereitgestellt hat. Der Eintrittsdruck in der Expanderkammer liegt aber immer noch oberhalb des Umgebungsdrucks. In der das Expanderrad umgebenden Expanderkammer herrscht also ein Überdruck. Das Kathodenabgas, enthält Wasser in Tropfenform und mit Wasser gesättigte Luft. Während tropfenförmiges Wasser mit konventionellen Mitteln wie beispielsweise Wasserabscheidern, entfernt werden kann, kann das in der Luft gebundene Wasser nicht ohne Weiteres abgeschieden werden. Durch die Expansion mittels des Expanderrads kondensiert Wasser aus der Luft aus. Aufgrund des Überdrucks in der Expanderkammer und/oder aufgrund von Kapillarwirkung kann es vorkommen, dass dieses Kondensat in den Strömungspfad eintritt und sich bis zur Luftlageranordnung hinbewegt. Hierdurch entsteht ungewollte Reibung im Lager und damit einhergehend potenziell ein höherer Drehwiderstand, welcher durch die elektrische Maschine der Strömungsmaschine überwunden werden muss. Zudem erhöht sich der Verschleiß infolge des Wassereintrags erheblich. Diese Phänomene sind in der Praxis unerwünscht.
Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, bei einer Strömungsmaschine der vorstehend bezeichneten Art eine Verbesserung dahingehend zu erzielen, dass die vorstehend beschriebenen Nachteile möglichst weitgehend überwunden werden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strömungsmaschine der eingangs bezeichneten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter Schutz gegen Eindringen von Wasser oder anderen Verschmutzungen in die Luftlageranordnung erzielt wird, ohne dass der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine beeinträchtigt wird.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe, indem sie eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass in dem Strömungspfad zwischen der Luftlageranordnung und dem Expanderrad ein Strömungserzeuger angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Rotation der Rotorwelle eine zum Expanderrad hin gerichtete Luftströmung zu erzeugen. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das Risiko des Eindringens von Wasser in Richtung der Luftlageranordnung umso höher ist, je höher das Druckgefälle zwischen dem Expanderrad und dem Bereich der Luftlageranordnung ist. Der Überdruck, der in der Kammer um das Expanderrad herum herrscht, ist aber umso höher, je schneller die Rotorwelle sich dreht. Als Funktion der Rotordrehzahl steigt auch die Leistung der der Strömungsmaschine. Sofern diese eine oder mehrere Expanderstufen aufweist, wäre das die Antriebsleistung oder eine Rekuperationsleistung, mit welcher eine vorgeschaltete Verdichterstufe unterstützt werden kann. Bei einer Verdichteranordnung wäre das auch die Verdichterleistung selbst. Die Erfindung schlägt deswegen vor, auch den Strömungserzeuger mit der Rotorwelle zu koppeln, und zwar dergestalt, dass der Strömungserzeuger umso mehr Luftströmung in Richtung des Expanderrads erzeugt, je höher die Drehzahl der Rotorwelle ist.
Im Rahmen der Erfindung sind als Strömungsmaschine sowohl integriert ausgebildete Verdichter-Expanderanordnungen zu verstehen, bei denen eine oder mehrere Verdichterstufen an einer gemeinsamen Welle mit dem Expanderrad betrieben werden, als auch Anordnungen, bei denen das Expanderrad mechanisch von etwaigen Verdichterstufen entkoppelt im System angeordnet ist. Beide Varianten stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Das hat zur Folge, dass bei geringen Drehzahlen die vom Strömungserzeuger in Richtung des Expanderrads erzeugte Luftströmung ebenfalls sehr gering ist. Das System macht sich diesbezüglich insbesondere dann, wenn die Strömungsmaschine einen oder mehrere der Expanderstufe vorgeschaltete Verdichterstufen aufweist, aber zunutze, dass der Druck am Expanderrad dem verdichterseitigen Druck der Strömungsmaschine immer um eine gewisse Zeit nacheilt, da die von der Strömungsmaschine verdichtete Luft vor dem Eintritt am Expanderrad zunächst noch weitere Systemkomponenten, insbesondere nämlich die Brennstoffzelle, durchlaufen muss. Die Tatsache, dass die Rotorwelle zu Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine erst anlaufen muss, um ihre vorbestimmte Betriebsdrehzahl zu erreichen, ist daher nicht schädlich. Solange die Drehzahl gering ist, liegt am Expanderrad noch kein kritischer Überdruck an. Wenn nach einigen Sekunden ein höherer Überdruck am Expanderrad anliegt, ist die Rotorwelle aber bereits auf der erforderlichen Betriebsdrehzahl, und der Strömungserzeuger kann die notwendige Strömung in Richtung des Expanderrads bereitstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Expanderrad in einer Expanderkammer angeordnet, in welche das Kathodenabgas mit einem vorbestimmten hydrostatischen Eintrittsdruck hineingefördert wird, wobei der Strömungserzeuger dazu eingerichtet ist, auf einer dem Expanderrad zugewandten Druckseite einen Sperrdruck aufzubauen, welcher gleich oder größer als der Eintrittsdruck der Expanderkammer ist. Dieses Druckverhältnis lässt sich deswegen in Vorversuchen durch Kalibrierung gut ermitteln, weil sowohl der hydrostatische Eintrittsdruck in die Expanderkammer als auch Sperrdruck, der vom Strömungserzeuger bereitgestellt wird, von der Drehzahl der Rotorwelle direkt abhängen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform überschreitet der Sperrdruck den Eintrittsdruck um 0,5 bar absolut oder mehr, vorzugsweise um 1,0 bar absolut oder mehr, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,0 bar absolut - 2,0 bar absolut, wenn die Rotorwelle eine vorbestimmte Drehzahl erreicht oder überschreitet.
Die vorgenannte vorbestimmte Drehzahl liegt in bevorzugten Ausführungsformen oberhalb der Abhebedrehzahl der Rotorwelle. Die Abhebedrehzahl liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10.000 U/min und 30.000 U/min, vorzugsweise zwischen 12.000 U/min und 18.000 U/min.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Strömungserzeuger eine Anzahl, vorzugsweise Mehrzahl an Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen auf, die an der Rotorwelle ausgebildet sind. Mittels der Ausnehmungen und/oder Vorsprünge werden durch Rotation der Rotorwelle Verwirbelungen erzielt, die einen Staudruck aufbauen, der sich durch den Strömungspfad hindurch in Richtung der Expanderkammer ausbreiten kann. In einer ersten bevorzugten Variante weist der Strömungserzeuger eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Rillen auf, die, vorzugsweise gleichmäßig, über den Umfang der Rotorwelle verteilt angeordnet sind. Die Rillen können beispielsweise unmittelbar in die Oberfläche der Rotorblätter eingebracht werden, oder auf einer korrespondierend ausgebildeten Hülse auf der Rotorwelle aufgebracht sein.
Ebenso ist in einer erfindungsgemäßen Variante bevorzugt, dass der Strömungserzeuger eine Mehrzahl von, vorzugsweise gleichmäßig, über den Umfang verteilten Vorsprüngen in Form von Rippen aufweist, die von der Rotorwelle vorstehen.
In einer weiteren bevorzugten Variante weist die Rotorwelle sowohl Ausnehmungen als auch Vorsprünge auf, die, vorzugsweise gleichmäßig, über den Umfang der Rotorwelle verteilt angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge parallel zu der Rotorachse ausgerichtet oder relativ zu der Rotorachse in einem Winkel.
Vorzugsweise ist die Strömungsmaschine dabei dazu eingerichtet, die Rotorwelle in einer bevorzugten Rotationsrichtung zu drehen, wobei der Winkel der Ausnehmungen und/oder Vorsprünge eine der Rotationsrichtung entgegengesetzte Steigung aufweist. Mit anderen Worten sind die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge bei einer rechtsdrehenden Rotorwelle linkssteigend ausgerichtet, und bei einer linksdrehenden Rotorwelle rechtssteigend. Auf diese Weise wird aufgrund der Ausrichtung der Flanken der Ausnehmungen/Vorsprünge eine in Richtung des Expanderrads wirkende Verwirbelung erzeugt, mit der der Sperrdruck aufgebaut werden kann.
Der Winkel liegt vorzugsweise relativ zu der Rotorachse in einem Bereich von 10° bis 80°. Hierdurch wird, anders als etwa bei Spiralrillen, eine orthogonal zur Rotorachse wirkende Stützkraft im Wege der Luftpolstererzeugung aufbringen, erreicht, dass die Ausnehmungen bzw. Vorsprünge ihre Wirkung in Axialrichtung bezogen auf die Rotorachse entfalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge relativ zu einer Oberfläche der Rotorwelle ausgebildet, und weisen eine radiale Erstreckung relativ zu der Oberfläche in einem Bereich von bis zu 20 µm auf. Die radiale Erstreckung definiert mit anderen Worten die Tiefe der Ausnehmungen bzw. die Höhe der Vorsprünge relativ zur Oberfläche der Rotorwelle.
Die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge können entlang des vorstehend beschriebenen Winkels geradlinig verlaufen, sie können aber auch einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei bei einem gekrümmten Verlauf vorzugsweise der Winkel als Winkel einer Sekante definiert ist, die zwischen den axialen Endpunkten einer jeweiligen Ausnehmung bzw. eines jeweiligen Vorsprungs verläuft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Strömungserzeuger eine Luftzufuhrleitung zugeordnet, die separat zu der Luftlageranordnung vorgesehen ist, wobei die Luftzufuhrleitung vorzugsweise als Ansaugleitung ausgebildet ist, welche fluidleitend mit der Umgebung verbunden ist. Die Luftzufuhrleitung umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Bohrungen, sowie weiter vorzugsweise eine teilweise oder vollständig umfänglich umlaufende Nut. Durch die Luftzufuhrleitung wird zuverlässig verhindert, dass der Strömungserzeuger bei Rotation der Rotorwelle Luft aus der Lageranordnung absaugt, da die dem Sperrdruck gegenüberliegende Saugseite des Strömungserzeugers über die Luftzufuhrleitung mit Luft versorgt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Strömungserzeuger und die Luftlageranordnung in Richtung der Rotorachse aneinander angrenzend angeordnet oder, vorzugsweise, voneinander beanstandet angeordnet, wobei der Strömungserzeuger auf einer dem Expanderrad zugewandten Seite der Luftlageranordnung angeordnet ist.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben die Strömungsmaschine unter Bezugnahme auf einen einzelnen Strömungserzeuger beschrieben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist indes vorgesehen, dass der Strömungserzeuger nur ein erster Strömungserzeuger ist, und die Strömungsmaschine ferner einen zweiten Strömungserzeuger aufweist, der relativ zu dem ersten Strömungserzeuger gegenüberliegend von der Luftlageranordnung angeordnet ist, wobei der zweite Strömungserzeuger dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Rotation der Rotorwelle eine von der Luftlagerung weg gerichtete Luftströmung zu erzeugen.
Der zweite Strömungserzeuger ist besonders bevorzugt dazu vorgesehen, die von dem ersten Strömungserzeuger ausgeübte Axialkraft, die zwischen Gehäuse der Strömungsmaschine und der Rotorwelle wirkt, zu kompensieren, beziehungsweise ihr entgegenzuwirken. Beide Strömungserzeuger erzeugen einen Sperrdruck, der von der Luftlageranordnung weg gerichtet ist. Sofern die Strömungsmaschine auf der Rotorwelle gegenüberliegend des Expanderrads ein Verdichterrad aufweist, was sie in einer bevorzugten Ausführungsform auch tut, so ist hierunter zu verstehen, dass der zweite Strömungserzeuger dazu eingerichtet ist, einen Sperrdruck in Richtung des Verdichterrads aufzubauen.
Die Funktionsweise des zweiten Strömungserzeugers gleich ansonsten der Funktionsweise des ersten Strömungserzeugers.
Die bevorzugten Ausführungsformen, die sich auf den Strömungserzeuger der Strömungsmaschine beziehen und weiter oben beschrieben wurden, sind folglich zugleich auch bevorzugte Ausführungsformen des zweiten Strömungserzeugers in der Strömungsmaschine.
In einer exemplarisch bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Strömungserzeuger eine Anzahl, vorzugsweise Mehrzahl von Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen auf, die an der Rotorwelle ausgebildet sind.
Die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge des zweiten Strömungserzeugers sind vorzugsweise parallel zu der Rotorachse oder relativ zu der Rotorachse in einem Winkel ausgerichtet, der gegensinnig zu dem Winkel des ersten Strömungserzeugers ausgerichtet ist, und vorzugsweise betragsmäßig gleich dem Winkel des ersten Strömungserzeugers ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge des zweiten Strömungserzeugers eine geringere radiale Erstreckung auf, als die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge des ersten Strömungserzeugers.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und
2 eine Detailansicht der Strömungsmaschine gemäß 1.

In 1 ist eine Strömungsmaschine 1 gezeigt, welche Teil eines Brennstoffzellensystems 100 eines Fahrzeugs 200, vorzugsweise eines Nutzfahrzeugs ist. Die Strömungsmaschine 1 weist ein Verdichterrad 3 auf, welches in einer Verdichterkammer 5 angeordnet ist.
Die Verdichterkammer 5 weist einen Einlass 7 auf, welcher dazu eingerichtet ist, der Verdichterkammer 5, etwa über einen (nicht dargestellten) Ansaugtrakt, Luft bei einem Einlassdruck p₁ zuzuführen, die mittels Rotation des Verdichterrads 3 in der Verdichterkammer 5 dann auf einen Auslassdruck p₂ verdichtet und über einen Auslass 9 der Verdichterkammer 5 abgegeben wird.
Die Strömungsmaschine 1 ist fluidleitend mit einer Brennstoffzelle 101 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden und dazu eingerichtet, die vom Verdichterrad verdichtete Luft in einer Brennstoffzellenreaktion in allgemein bekannter Weise umzusetzen. Die Luft stellt den kathodenseitigen Reaktanten dar.
Die verdichtete Luft wird der Brennstoffzelle 101 bei dem Druck p₂ zugeführt.
Nach dem Durchlaufen der Brennstoffzelle 101 wird von der Brennstoffzelle 101 ein Luft/Wassergemisch als sogenanntes Kathodenabgas mit einem hydrostatischen Druck p₃, welcher geringer ist als p₂, abgegeben. Die Brennstoffzelle 101 ist fluidleitend mit einer Expanderkammer 11 der Strömungsmaschine 1 verbunden, genauer gesagt mit einem Einlass 13 der Expanderkammer 11. Die Expanderkammer 11 ist der Strömungsmaschine 1 zugeordnet und weist in ihrem Inneren ein Expanderrad 15 auf. Infolge des mit dem Druck p₃ als Eintrittsdruck eintretenden Kathodenabgases wird das Expanderrad 15 angeströmt und es tritt hier in allgemein bekannter Art und Weise eine Entspannung des Kathodenabgases ein, so dass das Kathodenabgas die Expanderkammer 11 durch einen Auslass 17 mit einem Druck p₄, der annähernd oder gleich dem Umgebungsdruck pu ist, verlässt. Der Druck des Kathodenabgases p₃ ist zwar geringer als der Druck p₂ nach dem Durchlaufen der Verdichterkammer 5. Er ist aber immer noch oberhalb des Ansaugdrucks p₁, welcher gleich oder Höher dem Umgebungsdruck pu wäre.
Das Verdichterrad 3 und das Expanderrad 15 sind mittels einer Rotorwelle 19 verbunden und jeweils drehstarr an der Rotorwelle 19 befestigt. Die Rotorwelle 19 wird in allgemein bekannter Weise von einer elektrischen Maschine 21 drehbar um eine Rotorachse X angetrieben, im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 rechtssinnig.
Die Rotorwelle 19 ist mittels einer Luftlageranordnung 21 drehbar in einem Verdichtergehäuse 23 gelagert, welche vorzugsweise auch die Expanderkammer 11 und die Verdichterkammer 5 zugeordnet sind.
Die Luftlageranordnung 21 weist mindestens ein erstes Luftlager 21a, welches ein Radialluftlager sein kann, und ein zweites Luftlager 21b, welches ebenfalls ein Radialluftlager sein kann, auf. Vorzugsweise weist die Luftlageranordnung 21 zusätzlich ein oder mehrere (nicht dargestellte) Axialluftlager auf, die die Rotorwelle 19 und die mit ihr rotierenden Teile auch in Axialrichtung bezogen auf die Achse X abstützen. Zum Verständnis der Luftlageranordnung 21 sind hier lediglich die Radialluftlager 21a, 21b gezeigt.
Die Luftlageranordnung 21 ist zur aerostatischen Unterstützung über einen Luftlager-Strömungspfad 25 vorzugsweise mit einer Druckluftquelle fluidleitend verbunden, die dazu eingerichtet ist, zur Unterstützung Druckluft bei einem Druck p_L in die Luftlageranordnung 21 einzublasen, um die Tragfähigkeit der Luftlagerung 21 zu unterstützen, solange die Rotorwelle 19 ihre erforderliche Abhebedrehzahl zum Ausbilden eines ausreichend tragfähigen Luftpolsters noch nicht erreicht hat.
Zwischen der Luftlagerung 21 und dem Expanderrad 15, bzw. der Expanderkammer 11 ist ein erster Strömungspfad 27 ausgebildet, der als Ringspalt zwischen dem Verdichtergehäuse 23 und der Rotorwelle 19 ausgebildet ist. Dieser erste Strömungspfad 27 ist letztendlich dadurch begründet, dass eine berührungsfreie Bewegung der Rotorwelle 19 relativ zum Verdichtergehäuse 23 angestrebt wird.
Der Strömungspfad 27 ist somit ein potenzielles Einfallstor für Wasser und ggf. Festkörperteilchen, die aufgrund des Überdrucks infolge des Eintrittsdrucks p₃ innerhalb der Expanderkammer 11 und/oder infolge Kapillarwirkung in Richtung der Luftlageranordnung 21 vordringen könnten.
Um dies zu verhindern, ist zwischen der Luftlageranordnung 21 und der Expanderkammer 11, bzw. dem Expanderrad 15 ein erster Strömungserzeuger 29 angeordnet, der in weiter unten beschriebener Art und Weise dazu eingerichtet ist, einen Sperrdruck ps auf seiner dem Expanderrad 15 zugewandten Seite innerhalb des Strömungspfads 27 aufzubauen, abhängig von der Drehzahl der Rotorwelle 19. Der Strömungserzeuger 29 ist dazu eingerichtet, den Sperrdruck ps (vgl. 2) in einer Höhe von ps > p₃ aufzubauen, um zu verhindern, dass sich Wassertröpfen und/oder Partikel durch den Strömungspfad 27 bis zur Luftlageranordnung 21 bewegen können. Damit schafft der erste Strömungserzeuger 29 eine berührungsfreie Fluid- und Partikeldichtung auf Basis der Erzeugung eines lokalen Überdrucks im Strömungspfad 27 auf der vom Strömungserzeuger 29 aus dem Expanderrad 15 zugewandten Seite.
Der erste Strömungserzeuger 29 ist ferner mittels einer Luftzufuhrleitung 31 fluidleitend verbunden. Über die Luftzufuhrleitung 31 kann auf der Ansaugseite des ersten Strömungserzeugers 29, also auf der, vom ersten Strömungserzeuger 29 aus gesehen, der Luftlageranordnung 21 zugewandten Seite, Luft nachgeführt werden, etwa aus der Umgebung mit Umgebungsdruck pu. Hierdurch wird wirkungsvoll verhindert, dass durch Rotation der Rotorwelle 19 mittels des ersten Strömungserzeugers 29 Lagerluft von der Luftlageranordnung 21 kannibalisiert wird, so dass der erste Strömungserzeuger 29 die Tragfähigkeit der Luftlageranordnung 21 nicht beeinträchtigt.
Der erste Strömungserzeuger 29 weist eine Anzahl, vorzugsweise Mehrzahl, an Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen 33 auf, die an der Rotorwelle 19 vorgesehen sind und sich mit der Rotorwelle 19 bei deren Drehzahl um die Achse X drehen. Die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge 33 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Rillen ausgebildet, die eine vorbestimmte radiale Erstreckung t₁, nämlich eine die Rillen definierende Tiefe, aufweisen und zu der Rotorachse X in einem Winkel α₁ angeordnet sind. Der Winkel α₁ ist bezogen auf die Rotorachse X linkssteigend, also gegensinnig zur Laufrichtung der Rotorwelle 19 ausgerichtet, damit der Sperrdruck ps (vgl. 2) auf der „richtigen“ Seite des Strömungserzeugers 29 erzeugt wird.
Die Strömungsmaschine 1 weist ferner zusätzlich zu dem ersten Strömungserzeuger 29 einen zweiten Strömungserzeuger 35 auf, welcher zwischen der Luftlageranordnung 21 und dem Verdichterrad 3, bzw. der Verdichterkammer 5 in einem zweiten Strömungspfad 37 wirkend angeordnet ist. Der zweite Strömungspfad 37 ist ebenfalls als Ringspalt zwischen dem Verdichtergehäuse 23 und der Rotorwelle 19 ausgebildet, aus den gleichen Gründen wie der erste Strömungspfad 27 konstruktiv bedingt.
In prinzipiell gleicher Wirkweise wie der erste Strömungserzeuger 29 weist auch der zweite Strömungserzeuger 35 eine Anzahl von Vorsprüngen und/oder Ausnehmungen 39 auf, die an der Rotorwelle 19 angeordnet sind. Die Vorsprünge und/oder Ausnehmungen 39 sind vorzugsweise als Rillen ausgebildet. Die Vorsprünge/Ausnehmungen 39 weisen eine radiale Erstreckung t₂ auf, im Falle von Rillen also ebenfalls ein Maß der Rillentiefe, die vorzugsweise geringer ausgebildet ist, als die radiale Erstreckung t₁ der Ausnehmungen/Vorsprünge des ersten Strömungserzeugers 29. Durch die Differenzierung der radialen Erstreckungen t₁, t₂ wird eine partielle Kompensation der durch die Strömungserzeuger erzeugten Axialkräfte erreicht, die ebenfalls auf die vom Verdichterrad 3, bzw. Expanderrad 15 ausgehenden Axialkräfte in Richtung der Achse X abgestimmt werden kann.
Die Ausrichtung der Vorsprünge bzw. Ausnehmungen 39 erfolgt in 1 in einem Winkel α2, welcher gegensinnig zu dem Winkel α₁ des ersten Strömungserzeugers 29 ausgerichtet ist, bei rechtsdrehender Rotorwelle 19, also ebenfalls rechtssteigend. Demzufolge erzeugt der zweite Strömungserzeuger 35 seinen Sperrdruck auf der, bezogen auf den ersten Strömungserzeuger 39 anderen Seite, also auf der den Verdichterrad 3, bzw. der Verdichterkammer 5 zugewandten Seite des Strömungspfads 37, um ein Eintreten von ungewünschten Partikeln auch von dieser Seite in den Strömungspfad 37 zumindest zu minimieren, und vor allem auch die vorstehend erwähnte, mindestens partielle Axialkraftkompensation zu gewährleisten.
In 2 ist die rechte Seite der Strömungsmaschine 1 gemäß 1 im größeren Maßstab gezeigt. Die Erfindung wird bezüglich des ersten Strömungserzeugers 29 näher erläutert, wobei die technischen Funktionen sich analog auch auf den zweiten Strömungserzeuger 35 übertragen lassen, auf dessen gesonderte Darstellung zugunsten der Übersichtlichkeit hier verzichtet wird.
Bei Rotation der Welle 19 um die Achse X in rechtssinniger Drehrichtung wird durch die gegensinnige Ausrichtung der Vorsprünge bzw. Ausnehmungen 33 um den Winkel α₁ auf der in Drehrichtung nacheilenden Flankenseite, also auf der in 2 rechten Seite, ein Sperrdruck ps infolge der Luftverwirbelungen im Strömungspfad 27 aufgebaut, welcher bei unbehinderten Strömungsverhältnissen einen Luftstrom in Richtung der Expanderkammer 11 bewirken würde. Zumindest kommt es aber zum Erzeugen des Stau- bzw. Sperrdrucks ps, der bei ausreichend hoher Drehzahl der Rotorwelle 19 höher ist als der hydrostatische Eintrittsdruck p₃ in der Expanderkammer 11. Der Sperrdruck ps ist vorzugsweise um 1,0 bar oder mehr höher als der hydrostatische Druck p₃ in der Expanderkammer 11.
Zum Nachführen und/oder wenigstens Entlasten der Saugseite des Strömungserzeugers 29 ist die dem Expanderrad 15 abgewandte Seite des Strömungserzeugers 29 vorzugsweise einer oder mehreren partiell umlaufenden, einer oder mehreren Nuten 41 zugeordnet, welche fluidleitend mit der Luftzufuhrleitung 31 fluidleitend verbunden sind, um den lokal entstehenden Ansaug-Unterdruck p_A durch Luftnachführung auszugleichen. Vorzugsweise erfolgt dies mit Luftansaugung aus der Umgebung.
Der erste Strömungserzeuger 29 ist in Richtung der Achse X um einen Abstand δ₁ von der Luftlagerung 21 beabstandet. Durch diesen Abstand δ₁ wird gewissermaßen eine neutrale Zone geschaffen, in der keine Strukturelemente auf der Rotorwelle 19, und vorzugsweise auch nicht auf Seiten des Verdichtergehäuses 23, vorhanden sind, um eine gegenseitige Störbeeinflussung des Strömungserzeugers 29 und der Luftlageranordnung 21 möglichst zu minimieren. Auch wird so ein etwaig nachteiliger Effekt des Strömungserzeugers 29 bzw. der von ihm erzeugten Luftverwirbelungen auf die Luftlageranordnung 21, welche beispielsweise als Spiralrillenlagerung oder als Folienlagerung aufgebaut sein könnte, minimiert.
Ebenso ist vorzugsweise der zweite Strömungserzeuger axial um einen Abstand δ₂ von der Luftlageranordnung 21 in Richtung der Achse X beabstandet, siehe 1.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung):

1: Strömungsmaschine
5: Verdichterkammer
7: Einlass
9: Auslass
11: Expanderkammer
15: Expanderrad
17: Auslass
19: Rotorwelle
21: Luftlagerung
21a, b: Luftlageranordnung
23: Verdichtergehäuse
25: Luftlager-Strömungspfad
27: Strömungspfad, expanderseitig
29: erster Strömungserzeuger
31: Luftzufuhrleitung
33: Vorsprünge/Ausnehmungen, erster Strömungserzeuger
35: zweiter Strömungserzeuger
37: Strömungspfad, verdichterseitig
39: Vorsprünge/Ausnehmungen, zweiter Strömungserzeuger
100: Brennstoffzellensystem
101: Brennstoffzelle
200: Fahrzeug
X: Achse
p1: Druck, Einlass Verdicher
p2: Druck, Auslass Verdichter
p3: Eintrittsdruck Expander, Kathodenabgas
p4: Austrittsdruck Expander, Kathodenabgas
ps: Sperrdruck, Strömungserzeuger
pA: Ansaugdruck, Strömungserzeuger
pU: Umgebungsdruck
α1: Winkel, erster Strömungserzeuger
α2: Winkel, zweiter Strömungserzeuger
δ1: Abstand, erster Strömugnserzeuger
δ2: Abstand, zweiter Strömugnserzeuger

Claims

Strömungsmaschine (1), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (100) eines Fahrzeugs (200), etwa eines Nutzfahrzeugs, mit einer Rotorwelle (19), einem auf der Rotorwelle (19) befestigten Expanderrad (15), und einer Luftlageranordnung (21), die dazu eingerichtet ist, die Rotorwelle (19) um eine Rotorachse (X) drehbar zu lagern, wobei zwischen dem Expanderrad (15) und der Luftlageranordnung (21) ein Strömungspfad (27) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungspfad (27) zwischen der Luftlageranordnung (21) und dem Expanderrad (15) ein Strömungserzeuger (29) angeordnet und dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Rotation der Rotorwelle (19) eine zum Expanderrad (15) hin gerichtete Luftströmung zu erzeugen.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei das Expanderrad (15) in einer Expanderkammer (11) angeordnet ist, in welche ein Kathodenabgas einer Brennstoffzelle (101) mit einem vorbestimmten hydrostatischen Eintrittsdruck (p₃) hineingefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungserzeuger (29) dazu eingerichtet ist, auf einer dem Expanderrad (15) zugewandten Druckseite einen Sperrdruck (ps) aufzubauen, welcher gleich oder größer als der Eintrittsdruck (p₃) der Expanderkammer (11) ist.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrdruck (ps) den Eintrittsdruck um 0,5 bara oder mehr überschreitet, vorzugsweise um 1,0 bara oder mehr, besonders bevorzugt um 1,0 bara bis 2,0 bara überschreitet, wenn die Rotorwelle (19) eine vorbestimmte Drehzahl erreicht oder überschreitet.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungserzeuger (29) eine Anzahl, vorzugsweise Mehrzahl, an Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen (33) aufweist, die an der Rotorwelle (19) ausgebildet sind.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (33) parallel zu der Rotorachse (X) oder relativ zu der Rotorachse (X) in einem Winkel (α₁) ausgerichtet sind.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (1) dazu eingerichtet ist, die Rotorwelle (19) in einer bevorzugten Rotationsrichtung zu drehen, wobei der Winkel (α₁) der Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (33) eine der Rotationsrichtung entgegengesetzte Steigung aufweist.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α₁) zu der Rotorachse (X) in einem Bereich von 10° bis 80° liegt.
Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (33) relativ zu einer Oberfläche der Rotorwelle (19) ausgebildet sind und eine radiale Erstreckung (t₁) relativ zu der Oberfläche in einem Bereich von ... bis ... aufweisen.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungserzeuger (29) eine Luftzufuhrleitung (31) zugeordnet ist, die separat zu der Luftlageranordnung (21) vorgesehen ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungserzeuger (29) und die Luftlageranordnung (21) in Richtung der Rotorachse (X) aneinander angrenzend oder voneinander um einen Abstand (δ₁) beanstandet angeordnet sind, wobei der Strömungserzeuger (29) auf einer dem Expanderrad (15) zugewandten Seite der Luftlageranordnung (21) angeordnet ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungserzeuger (29) ein erster Strömungserzeuger (29) ist, und die Strömungsmaschine (1) einen zweiten Strömungserzeuger (35) aufweist, der relativ zu dem ersten Strömungserzeuger (29) gegenüberliegend von der Luftlageranordnung (21) angeordnet ist, wobei der zweite Strömungserzeuger (35) dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Rotation der Rotorwelle (19) eine von der Luftlageranordnung (21) weg gerichtete Luftströmung zu erzeugen.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungserzeuger (35) eine Anzahl, vorzugsweise Mehrzahl, an Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen (39) aufweist, die an der Rotorwelle (19) ausgebildet sind.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (39) parallel zu der Rotorachse (X) oder relativ zu der Rotorachse (X) in einem Winkel (α₂) ausgerichtet sind, der gegensinnig zu dem Winkel (α₁) des ersten Strömungserzeugers (29) ausgerichtet ist, und vorzugsweise betragsmäßig gleich dem Winkel (α₁) des ersten Strömungserzeugers (29) ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (39) des zweiten Strömungserzeugers (35) eine geringere radiale Erstreckung (t₂) aufweisen als die Ausnehmungen und/oder Vorsprünge (33) des ersten Strömungserzeugers (29).