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Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Gehäuse, in welchem ein Laufrad über eine Welle mit Hilfe einer Gaslagereinrichtung um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei im Betrieb des Verdichters auf die Welle eine Axialkraft wirkt, wobei die Gaslagereinrichtung ein Axiallager mit einer Axiallagerscheibe umfasst, die mit einem definierten Spiel zwischen zwei Lagerbegrenzungsflächen angeordnet ist, wobei zwischen der Axiallagerscheibe und den Lagerbegrenzungsflächen jeweils ein Lagerspalt ausgebildet ist, in welchem ein Folienpaket angeordnet ist und der entlang eines Strömungspfades von einem radial äußeren Spalteintritt bis zu einem radial inneren Spaltaustritt mit Gas durchströmt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verdichters.
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Stand der Technik
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Der Verdichter kommt insbesondere in einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, welche chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt und dabei eine Spannung bereitstellt. Eine Brennstoffzelle ist demnach kein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzelleneinheit zusammengefasst und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche mehrere Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anode und Kathode umfassen. Wasserstoff als Brennstoff wird in einem Druckgasspeicher gespeichert und der Anode zugeführt. Luft, welche Sauerstoff als Oxidationsmittel enthält, wird der Kathode vorzugsweise durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor oder Verdichter zugeführt.
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Ein derartiger Kompressor umfasst eine Lagereinheit, welche insbesondere ein Luftlager sowie eine in dem Luftlager drehbar gelagerte Welle umfasst. Die drehbar gelagerte Welle rotiert im Betrieb des Kompressors mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl, die in der Größenordnung von 100.000 Umdrehungen pro Minute liegt.
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Ein herkömmlicher Verdichter ist zum Beispiel aus der internationalen Offenlegungsschrift
WO 2020/177941 A1 bekannt. Aus der internationalen Offenlegungsschrift
WO 2021/063566 A1 ist ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt bekannt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche dient. Aus der internationalen Offenlegungsschrift
WO 2022/073821 A1 ist ein Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse drehbar angetriebenen Laufrad bekannt, das eine Radvorderseite und eine Radrückseite aufweist, wobei die Radvorderseite zum Fördern eines Massenstroms mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist, wobei die Radrückseite des Laufrads eine Beschaufelung aufweist, mit der im Betrieb des Verdichters auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung erzeugt wird, die einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite entgegenwirkt, um eine in dem Verdichtergehäuse abzustützende Axialkraft zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verdichter mit einem Gehäuse, in welchem ein Laufrad über eine Welle mit Hilfe einer Gaslagereinrichtung um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei im Betrieb des Verdichters auf die Welle eine Axialkraft wirkt, wobei die Gaslagereinrichtung ein Axiallager mit einer Axiallagerscheibe umfasst, die mit einem definierten Spiel zwischen zwei Lagerbegrenzungsflächen angeordnet ist, wobei zwischen der Axiallagerscheibe und den Lagerbegrenzungsflächen jeweils ein Lagerspalt ausgebildet ist, in welchem ein Folienpaket angeordnet ist und der entlang eines Strömungspfades von einem radial äußeren Spalteintritt bis zu einem radial inneren Spaltaustritt mit Gas durchströmt wird, dadurch gelöst, dass einem der Lagerspalte in Strömungsrichtung des Strömungspfades ein reduzierter Strömungsquerschnitt nachgeschaltet ist, der gezielt kleiner als ein Strömungsquerschnitt an dem radial inneren Spaltaustritt des Lagerspalts ausgeführt ist, um die sich im Betrieb des Verdichters ungünstig auf die Funktion des Gaslagers auswirkende Axialkraft auf die Welle, zumindest teilweise, zu kompensieren. Mit dem Axiallager wird die Welle axial gelagert. Zusätzlich zu dem Axiallager umfasst die Gaslagereinrichtung vorteilhaft mindestens ein Radiallager. Die Axiallagerscheibe ist an der Welle angebracht, zum Beispiel einstückig mit dieser verbunden. Die Folienpakete umfassen vorzugsweise mindestens eine Federfolie und eine Deckfolie. Die Lagerspalte sind im Wesentlichen kreisringscheibenartig ausgeführt. Die Lagerbegrenzungsflächen sind zum Beispiel an Lagerplatten ausgebildet, die wiederum an dem Gehäuse befestigt sind. Das durch die Lagerspalte mit den Folienpaketen strömende Gas dient vorteilhaft zum Kühlen des Axiallagers. Durch den reduzierten Strömungsquerschnitt wird eine gezielte Beeinflussung eines an sich unerwünschten Druckgefälles innerhalb des Axiallagers ermöglicht. So kann die an sich unerwünschte Axialkraft vor allem in Hochlastpunkten klein gehalten werden. Durch den reduzierten Strömungsquerschnitt können insbesondere bei einem hohen Verdichterdruckverhältnis im Bereich einer Pumpgrenze deutlich geringere Axialkräfte auf die Welle realisiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionen kann bei gleichbleibendem Gasdruck beziehungsweise bei gleichbleibender Gasmenge eine deutlich geringere Axialkraft erzeugt werden. So können Verluste und Temperaturen im Axiallager deutlich verringert werden. Dadurch sinkt das Risiko für einen Ausfall des Axiallagers und die Lebensdauer des Verdichters steigt. Die Lagerverluste und die benötigte Menge des Gases, das vorzugsweise zur Kühlung der Axiallagereinrichtung verwendet wird, werden verringert. Dadurch wird die Gesamteffizienz des Verdichters erheblich verbessert.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Strömungsquerschnitt radial innerhalb des Spaltaustritts des Lagerspalts angeordnet ist. Dabei wird ein erhöhter konstruktiver Aufwand bewusst in Kauf genommen, um die Lebensdauer des Verdichters zu verlängern. Durch die Verlagerung des reduzierten Strömungsquerschnitts radial nach innen wird die druckbeaufschlagte Fläche vergrößert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Strömungsquerschnitt axial versetzt zu dem Spaltaustritt des Lagerspalts angeordnet ist. Dabei wird in Kauf genommen, dass die Strömung zwischen dem Spaltaustritt des Lagerspalts und dem reduzierten Strömungsquerschnitt umgelenkt wird. Diese Umlenkung wird vorteilhaft durch einen verrundeten Absatz an der Welle realisiert. Durch die damit verbundene radiale Verlagerung des die Durchströmung begrenzenden Strömungsquerschnitts kann die druckbeaufschlagte Fläche weiter vergrößert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt mit dem reduzierten Strömungsquerschnitt auf einer dem Laufrad des Verdichters zugewandten Seite der Axiallagerscheibe angeordnet ist. So kann mit einfachen Mitteln höchst effektiv die an sich unerwünschte Axialkraft auf die Welle, insbesondere bei einem hohen Verdichterdruckverhältnis im Bereich der Pumpgrenze, verringert und besonders vorteilhaft komplett ausgeglichen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Strömungsquerschnitt radial innen von der Welle begrenzt wird. So kann der reduzierte Strömungsquerschnitt mit einem relativ geringen konstruktiven Aufwand radial nach innen verlagert und axial versetzt angeordnet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Strömungsquerschnitt radial außen von einer Lagerplatte begrenzt wird, die den Lagerspalt axial begrenzt. An der Lagerplatte ist die dem Lagerspalt zugewandte Lagerbegrenzungsfläche ausgebildet. Die Lagerbegrenzungsfläche an der Lagerplatte ist vorteilhaft spanend bearbeitet, insbesondere geschliffen. Die Lagerplatte ist an dem Gehäuse befestigt. Die Nutzung der Lagerplatte zur Begrenzung des reduzierten Strömungsquerschnitts verringert den konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand zur Realisierung des reduzierten Strömungsquerschnitts.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte einen radial nach innen abstehenden Kragen aufweist, der einen den reduzierten Strömungsquerschnitt darstellenden Ringspalt begrenzt. Der Ringspalt ist konstruktiv und fertigungstechnisch relativ einfach darstellbar. Radial außen wird der Ringspalt von dem Kragen der Lagerplatte begrenzt. Radial innen wird der Ringspalt von der Welle begrenzt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der radial nach innen abstehende Kragen eine deutlich kleinere axiale Abmessung als die Lagerplatte aufweist und an einem dem Lagerspalt abgewandten axialen Ende der Lagerplatte angeordnet ist. So kann der Ringspalt mit einem vergleichsweise geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand realisiert werden.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Verdichters ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die sich im Betrieb des Verdichters ungünstig auf die Funktion des Axiallagers auswirkende Axialkraft auf die Welle, zumindest teilweise, kompensiert wird. Die gewünschte Wirkung ergibt sich hier durch den reduzierten Strömungsquerschnitt beziehungsweise durch die gezielte Vergrößerung der druckbeaufschlagten Fläche, welche die Axialkraft erzeugt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Welle und/oder eine Lagerplatte für einen vorab beschriebenen Verdichter. Die Welle und die Lagerplatte sind separat handelbar.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Verdichter. In dem Brennstoffzellensystem dient der Verdichter vorteilhaft zum Zuführen von verdichteter Luft.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Verdichters mit einer Gaslagereinrichtung, die ein Axiallager mit einem Lagerspalt umfasst, dem in Strömungsrichtung eines Strömungspfades ein reduzierter Strömungsquerschnitt nachgeschaltet ist;
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und
- 3 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit mit dem reduzierten Strömungsquerschnitt aus 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.
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Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Axial-Gaslager 106.
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An dem in 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.
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Die Radial-Gaslager 104, 105; 106 umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.
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Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Axiallagerscheibe bezeichnet.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters 15 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Verdichter 15 ist im Wesentlichen so ähnlich ausgeführt wie der in 2 dargestellte Verdichter 100.
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In 1 sind Einzelheiten hervorgehoben, um die in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale des Verdichters 15 zu veranschaulichen. Der Verdichter 15 umfasst ein Gehäuse 10, in welchem eine Welle 9 mit Hilfe einer Gaslagereinrichtung 13 um eine Drehachse 14 drehbar gelagert ist.
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Die Gaslagereinrichtung 13 umfasst ein Axiallager 16 und ein Radiallager 8. Das Axiallager 16 und das Radiallager 8 sind als Luftlager mit Folien ausgeführt und werden daher auch als Folienlager bezeichnet. Ein zweites Radiallager der Gaslagereinrichtung 13 ist in 1 nicht dargestellt. Ein in 2 mit 103 bezeichneter Rotor ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt.
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An einem in 1 linken Ende der Welle 9 ist ein Laufrad 11 befestigt, das als Verdichterrad ausgeführt ist. Das Laufrad 11 ist in axialer Richtung zwischen einem Distanzring 25 und einem zum Beispiel als Mutter ausgeführten Befestigungselement 26 an der Welle 9 befestigt. Das Laufrad 11 ist in einer in 1 nicht dargestellten Volute des mehrteiligen Gehäuses 10 angeordnet. Das mehrteilige Gehäuse 10 umfasst des Weiteren eine Verdichterrückwand 12, die in axialer Richtung zwischen dem Laufrad 11 und dem Axiallager 16 angeordnet ist.
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Das Axiallager 16 umfasst eine Axiallagerscheibe 3, die zum Beispiel einstückig mit der Welle 9 verbunden ist. Die Axiallagerscheibe 3 ist axial mit Spiel zwischen zwei Lagerbegrenzungsflächen 17, 18 angeordnet. Die Lagerbegrenzungsflächen 17, 18 sind an Lagerplatten 4, 5 ausgebildet, die wiederum fest mit dem Gehäuse 10 verbunden sind.
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Zwischen der Axiallagerscheibe 3 und den Lagerbegrenzungsflächen 17, 18 sind Lagerspalte 22, 23 ausgebildet. In den Lagerspalten 22, 23 sind Folienpakete 6, 7 angeordnet. Die Folienpakete 6, 7 umfassen in bekannter Art und Weise mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie.
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In den Lagerspalten 22, 23 wird im Betrieb des Axiallagers 16 ein tragender Gasfilm, insbesondere Luftfilm, ausgebildet. Zusätzlich wird dem Axiallager 16 Gas 19, insbesondere Luft, zur Kühlung zugeführt, wie in 1 durch einen Pfeil 19 angedeutet ist.
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Das Gas 19 wird dem Gehäuse 10 über eine radiale Bohrung zugeführt und teilt sich dann auf die beiden Lagerspalte 22, 23 auf. Ein entsprechender Gasdruck des zugeführten Gases 19 ist in 1 mit pin angedeutet. Strömungspfade des Gases 19 durch die Lagerspalte 22, 23 sind in 1 gestrichelt angedeutet. Das austretende Gas hat einen Druck, der in 1 pout bezeichnet ist.
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Durch Dichtungssymbole 1, 1' und 2 sind in 1 Strömungsquerschnitte angedeutet, die in einer Zusammenschau mit Druckprofilen F1 und F2 veranschaulichen, wie ein Druckgefälle beziehungsweise wie druckbeaufschlagte Flächen gezielt beeinflusst werden, um eine ebenfalls durch einen Pfeil angedeutete Axialkraft Fax im Betrieb des Verdichters 15, insbesondere in Hochlastpunkten, möglichst klein zu halten. Die Axialkraft Fax wirkt konstruktionsbedingt im Betrieb des Verdichters 15 durch die Druckbeaufschlagung des Laufrads 11 auf seiner Vorderseite und seiner Rückseite. Über die Welle 9 wird diese Axialkraft Fax auf die Axiallagerscheibe 3 übertragen.
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Zur zumindest teilweisen Kompensation der Axialkraft Fax wird der die Durchströmung begrenzende Strömungsquerschnitt 1 am Austritt des Lagerspalts 22 nach 1' verlagert. Dadurch wird die druckbeaufschlagte Fläche auf der durch die Axialkraft Fax höher belasteten Seite des Axiallagers 16 mit der Lagerplatte 4 und dem Folienpaket 6 vergrößert. Gleichzeitig wird der Druckverlust im Folienpaket 6 verringert, wodurch sich das Druckprofil F1 in das Druckprofil F1' ändert und die der Axialkraft Fax entgegenwirkende Druckkraft steigt. Auf der anderen Seite ist der Strömungsquerschnitt 2 durch den Radiallagerdurchmesser des Radiallagers 8 festgelegt.
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In 3 ist durch einen gestrichelten Pfeil ein Strömungspfad 20 durch den Lagerspalt 22 vergrößert dargestellt. Dem Strömungsquerschnitt 1 an einem Spaltaustritt 21 des Lagerspalts 22 ist in Strömungsrichtung des Gases der gegenüber 1 reduzierte Strömungsquerschnitt 1' nachgeschaltet. Der Strömungsquerschnitt 1' ist als Ringspalt 30 ausgeführt.
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Der Ringspalt 30 wird radial innen von der Welle 9 und gegebenenfalls von dem Distanzring 25 begrenzt. Radial außen wird der Ringspalt 30, der den Strömungsquerschnitt 1' darstellt, von einem Kragen 24 begrenzt, der sich von der Lagerplatte 4 radial nach innen erstreckt.
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Der Kragen 24 hat die Gestalt einer Kreisringscheibe mit einem rechteckigen Ringquerschnitt. Der Kragen 24 hat eine axiale Abmessung, die weniger als die Hälfte der axialen Abmessung der Lagerplatte 4 ausmacht. Darüber hinaus ist der Kragen 24 an einem dem Lagerspalt 22 abgewandten axialen Ende der Lagerplatte 4 angeordnet.
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Der Strömungsquerschnitt 1' ist gezielt kleiner als der Strömungsquerschnitt 1 ausgeführt. So wird mit dem Strömungsquerschnitt 1' ein fluidischer Widerstand geschaffen, der auch als Drossel bezeichnet werden kann. Über die Abmessungen des Ringspalts 30 kann ein gewünschter Drosselquerschnitt eingestellt werden.
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Insbesondere kann der Innendurchmesser und/oder der Außendurchmesser des Ringspalts 30 variiert werden. Besonders vorteilhaft wird der reduzierte Strömungsquerschnitt 1' nur mit Hilfe der Abmessungen des Ringspalts 30 realisiert. Alternativ oder zusätzlich könnte ein zusätzliches Dichtelement verwendet werden, um den reduzierten Strömungsquerschnitt 1' darzustellen.
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Anders als dargestellt, könnte auch ein zusätzliches Dichtelement verwendet werden, um den Strömungsquerschnitt 1 zu reduzieren. So könnte der Druckverlust im Folienpaket 6 ebenfalls reduziert werden. Da hier jedoch eine Vergrößerung der Fläche möglich ist, wäre der Effekt nicht so groß.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020/177941 A1 [0005]
- WO 2021/063566 A1 [0005]
- WO 2022/073821 A1 [0005]
