WO2019185351A1 - Turbomachine, in particular a compressor device - Google Patents

Turbomachine, in particular a compressor device Download PDF

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WO2019185351A1
WO2019185351A1 PCT/EP2019/056255 EP2019056255W WO2019185351A1 WO 2019185351 A1 WO2019185351 A1 WO 2019185351A1 EP 2019056255 W EP2019056255 W EP 2019056255W WO 2019185351 A1 WO2019185351 A1 WO 2019185351A1
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WO
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bearing
medium
pressure
turbomachine
shaft
Prior art date
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PCT/EP2019/056255
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas RACHOW
Peter Philipp
Thomas Lang
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056Bearings
    • F04D29/057Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/051Axial thrust balancing
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular a Ver Whyreinrich device, with the features of the preamble of claim 1.
  • Such a turbomachine with a compressor device such as is part of a turbomachine, has a shaft to be stored, wherein in the storage area, the shaft typically has a peripheral speed of more than 100 meters per second and / or a speed of more than
  • Supply device is supplied in the form of a pressure source in a bearing bore of the bearing device.
  • a pressure source for supplying the bearing device with compressed air consists for example of a separate
  • a generic turbomachine which does not require an additional separate supply device or compressed air source for providing the gaseous medium for the storage facility, since the compressor stage in the region of a pressure outlet, where increased by the compressor stage Pressure of the medium or the air is applied, with a supply device in the form of a Pressure accumulator is coupled, which in turn provides the air for the bearings of the storage facility or supplies them with pressurized air.
  • Compressor stage in particular in the form of a compressor wheel to store rotatably in a housing. Between the housing and the compressor stage design-related gaps are formed, can flow through the pressurized medium or gas. Although it is attempted to seal these leakage gaps in particular by means of separate sealing elements, since leakage losses are synonymous with an efficiency reduction of the compressor device. However, such sealing elements require an additional
  • the turbomachine according to the invention in particular Ver Whyreinrich device, with the features of claim 1 has the advantage that the (gaseous) medium with little device complexity of the at least one bearing device can be fed.
  • a leakage gap is formed between the at least one flow element and the housing in a region in which the medium has an increased pressure, wherein the medium from the leakage gap is at least indirectly fed to the at least one bearing device, and / / or that the least one flow element has at least one pressure outlet bore for the medium via which the medium can be supplied, at least indirectly, to the at least one bearing device.
  • turbomachinery leakage gap as a source for the under elevated pressure medium
  • Turbine rad a special structural design of the flow element (compressor stage or Turbine rad) by at least one pressure outlet bore, wherein on the Druckauslass- bore the compressed in relation to an original state compressed medium of at least one bearing device can be fed.
  • such a structural design of the turbomachine or compressor device has the particular advantage that the otherwise existing sealing devices are designed to be particularly simple in construction or to avoid leakage losses can even be omitted entirely, while in a solution in which at least one pressure outlet hole is provided in the region of the flow element, it is possible in a particularly simple manner, by a corresponding positioning and number or cross section of the Druckauslassbohritch both the amount, and the Pressure of the storage of the wave required Medi order to influence or adjust in a particularly simple manner.
  • the leakage gap is connected via at least one pressure line for the medium immedi applicable to the at least one bearing device.
  • the connection between the leakage gap and the bearing device takes place exclusively via a corresponding (pressure) line and, in contrast to the aforementioned prior art, for example, no pressure accumulator designed as a separate component is required.
  • At least one pressure outlet hole in a preferred embodiment that the at least one pressure outlet bore is connected via at least one pressure line for the medium immedi applicable to the at least one bearing device.
  • the pressure or the amount of the provided by the Strö determination machine or compressor device medium for we least one storage device may vary, it may alternatively be provided that in the flow path of the at least one pressure line as a separate component trained pressure accumulator is arranged.
  • the pressure accumulator ensures that at times small amounts or low pressures of the medium sufficient (gaseous) medium is ready for storage of the shaft.
  • the we least one storage device a pressure regulating device is connected upstream, which regulates the pressure or the amount of medium which can be supplied to the bearing device. In this way, in particular, the bearing of the shaft is negatively influenced, excessive pressures of the medium are avoided.
  • the Strö tion machine in particular compressor device, it may be provided in particular in a variant in which the medium from the region of the leakage gap is Won, that the area of the leakage gap is formed dichtungsele mentfree.
  • the separate component ring-shaped or disc-shaped and is arranged stationarily in relation to the flow element that the least one pressure outlet hole is formed as a through hole extending between two opposite axial end faces of the flow element extends, and that the annular groove is designed as a radially encircling the axis of rotation, circular-shaped annular groove.
  • Such a configuration in particular special of the annular groove has the advantage that during the entire rotation of the flow element about its axis of rotation always a pneumatic connection between the at least one pressure outlet bore and the bearing means via the annular groove can be formed.
  • a further structural design which reduces the expense of the bearing device provides that the bearing device is a thrust bearing which acts on opposite end faces of a bearing disc connected to the shaft, and that the medium acts only on the end face of the bearing disc facing the flow element.
  • the bearing device is either supplied via a different medium source, or else via a bearing element of a different construction, e.g. a foil bearing, a storage via spiral grooves or the like has.
  • Each lb a simplified longitudinal section in the region of a Ver emphasizerein direction, is provided in the gaseous medium for supplying a ger ger or radial bearing designed as Axialla or radial bearing from the range of a leakage gap,
  • FIGS. 1 and 2 shows a longitudinal section through a modified compressor device, is provided in the medium for a storage facility in the range of Druckauslassboh ments on a compressor wheel
  • Fig. 3 shows a detail of a comparison with FIGS. 1 and 2 modified compressor device using an intermediate Druckspei Chers and
  • Fig. 4 is a comparison with FIGS. 1 and 2 modified compressor device, wherein the bearing device is supplied only at one end face with medium from the compressor device.
  • the turbomachine shown greatly simplified in FIGS. 1a and 1b is, for example, part of a fuel cell system, an air conditioning system, a heat pump, a turbocharger, a turbine for a fuel cell system or a heat recovery turbine.
  • the turbomachine in the form of a compressor device 10 is.
  • the compressor device 10 comprises a shaft 14 which is mounted in a rotation axis 12 and to which an end face of a compressor stage 16 in the form of a compressor wheel 18 of radial design is connected in a rotationally fixed manner to the shaft 14.
  • the compressor stage 16 or the compressor wheel 18 is surrounded by a housing 20 having an inlet region 22, is sucked through the gaseous medium, in particular air, in the compressor device 10, and upon rotation of the shaft 14 about the axis of rotation 12 through the compressor stage 16 is compressed or increased in pressure so that it exits in the region of an outlet region 24 of the housing 20 under increased pressure and can be supplied to a consumer, not shown.
  • a radially encircling leakage gap 30 is formed, via which the pressure in its increased pressure relative to the inlet portion 22 increased medium can escape.
  • the region of the leakage gap 30 on the side facing away from the Ge 20 of an annular, to the leakage gap 30 back open collecting element 32 is surrounded, via which the leaking from the leakage gap 30 medium via at least one pressure line 34 directly to a La ger worn 36 for the shaft 14 can be fed.
  • the bearing device 36 is formed in FIG. La as a thrust bearing and has two opposite end faces of a non-rotatably connected to the shaft 14 nen NEN bearing plate 38 arranged, annular bearing elements 40, 42.
  • the two bearing elements 40, 42 each have feed holes 44, 46, via which the pressurized medium from the pressure line 34 acts on the end faces of the bearing ring 38 and provides a corresponding pressure pad to an axial bearing of the shaft 14 to the housing 20th to enable.
  • the bearing means 36a in contrast forms out as a radial bearing and comprises a shaft 14 radially enclosing bearing element 48, the supply via feed bores 50, 52 and the at least one pressure line 34 immediacy bar with pressurized medium from the leakage gap 30 can be supplied ,
  • a modified compressor device 10 in which a compressor 55 at least one, but preferably a plurality of evenly spaced on a pitch circle diameter about the axis of rotation 12 arranged Druckauslassbohronne 56 in the form of through holes 58 which are parallel to the shaft 14 extend.
  • the Druckauslassbohrun conditions 56 connect the housing 20 facing the end face of the compressor wheel 55, which is present at the medium under pressure, with the rear end face 60 of the compressor 55th
  • the radial distance of the pressure outlet bores 56 from the axis of rotation 12 determines the level of pressure of the medium for the bearing means 36a.
  • the compressor 55 is positioned on the side facing away from the housing 20 at least in the region of the pressure outlet bores 56 in register with a ringförmi gene, stationarily arranged element 62.
  • the element 62 has a radial on the same pitch circle diameter as the pressure outlet bores 56 circumferential annular groove 64, which in turn is arranged via at least one pressure line 66 with the bearing means 36a in operative connection.
  • Fig. 3 the case is shown, in which the at least one pressure line 34, 66 with the interposition of a pressure accumulator 70 and a Druckregelein device 72 with the bearing means 36, 36 a is connected.
  • FIG. 4 shows the case in which the bearing ring 38 of the bearing device 36 b has a bearing element 40 on one of the compressor stages 16, which is supplied with pressurized medium by the compressor device 10, while the other Front side of the bearing ring 38 with the bearing element 76 either via a different (pressure) source 74 in the direction of the housing 20 is subjected to force.
  • the Lagerele element 76 may also be a bearing element 76, which is not designed as gasticianbeaufschlagtes bearing element 76.
  • the compressor device 10 described so far can be modified or modified in many ways, without dodging from the idea of the invention.
  • the compressor stage 16 may have a compressor wheel designed in an axial construction.
  • the principle of action can also on one
  • Turbine or working machine are applied.
  • a work stage or a turbine wheel is used accordingly.

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Abstract

The invention relates to a turbomachine (10), in particular a compressor device, comprising at least one bearing device (36; 36a; 36b) for a rotatably mounted shaft (14), wherein: the at least one bearing device (36; 36a; 36b) has at least one bearing element (40, 42; 48) for radially and/or axially bearing the shaft (14); a pressurised gaseous medium can be applied to the at least one bearing element (40, 42; 48) in order to bear the shaft (14); the shaft (14) is connected to a drivable or driven flow element (16), in particular a compressor wheel (18); the flow element (16) is arranged in a housing (20) enclosing at least part of the flow element (16); and the pressurised medium can be supplied at least indirectly from the turbomachine (10) to the at least one bearing element (40, 42; 48).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Strömungsmaschine, insbesondere Verdichtereinrichtung  Turbomachine, in particular compressor device
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Verdichtereinrich tung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. The invention relates to a turbomachine, in particular a Verdichtereinrich device, with the features of the preamble of claim 1.
Eine derartige Strömungsmaschine mit einer Verdichtereinrichtung, wie sie beispielsweise Teil einer Turbomaschine ist, weist eine zu lagernde Welle auf, wobei im Lagerbereich die Welle typischerweise eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 100 Meter pro Sekunde und/oder eine Drehzahl von mehr als Such a turbomachine with a compressor device, such as is part of a turbomachine, has a shaft to be stored, wherein in the storage area, the shaft typically has a peripheral speed of more than 100 meters per second and / or a speed of more than
100000 min 1 aufweisen kann. Da bei derartig hohen Umfangsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Welle übliche Wälzlager, die eine Öl-/Fettschmierung aufweisen, die geforderte Lebensdauer oftmals nicht sicherstellen können, ist es bekannt, die Lagereinrichtung für die Welle als druckluftunterstütztes Lager auszubilden, derart, dass unter Druck stehende Luft von einer externen 100,000 min 1 may have. Since, at such high peripheral speeds or rotational speeds of the shaft, conventional rolling bearings which have oil / grease lubrication can not ensure the required service life, it is known to design the bearing device for the shaft as a compressed air-supported bearing, such that pressurized air from an external
Versorgungseinrichtung in Form einer Druckquelle in eine Lagerbohrung der Lagereinrichtung zugeführt wird. Eine derartige Druckquelle zur Versorgung der Lagereinrichtung mit Druckluft besteht beispielsweise aus einem separaten Supply device is supplied in the form of a pressure source in a bearing bore of the bearing device. Such a pressure source for supplying the bearing device with compressed air consists for example of a separate
Kompressor oder einem separaten, von einer zusätzlichen Einrichtung Compressor or a separate, from an additional device
druckbeaufschlagten Druckspeicher, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtereinrichtungen relativ aufwendig ausgebildet sind bzw. einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand aufweisen. pressurized pressure accumulator, whereby the known from the prior art compressor devices are relatively expensive or have a high device complexity.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2017 211 033 Al der Anmelderin ist eine gattungsgemäße Strömungsmaschine bekannt, die keine zusätzliche separate Versorgungseinrichtung bzw. Druckluftquelle zur Bereitstellung des gasförmigen Mediums für die Lagereinrichtung benötigt, da deren Verdichterstufe im Bereich eines Druckauslasses, an dem der durch die Verdichterstufe erhöhte Druck des Mediums bzw. der Luft anliegt, mit einer Versorgungseinrichtung in Form eines Druckspeichers gekoppelt ist, der wiederum die Luft für die Lagerstellen der Lagereinrichtung bereitstellt bzw. diese mit unter Druck stehender Luft versorgt. From the post-published DE 10 2017 211 033 A1 of the Applicant, a generic turbomachine is known which does not require an additional separate supply device or compressed air source for providing the gaseous medium for the storage facility, since the compressor stage in the region of a pressure outlet, where increased by the compressor stage Pressure of the medium or the air is applied, with a supply device in the form of a Pressure accumulator is coupled, which in turn provides the air for the bearings of the storage facility or supplies them with pressurized air.
Weiterhin ist es bei Verdichtereinrichtungen üblich bzw. bekannt, die Furthermore, it is common or known in compressor devices, the
Verdichterstufe, insbesondere in Form eines Verdichterrads, in einem Gehäuse drehbar zu lagern. Zwischen dem Gehäuse und der Verdichterstufe sind bauartbedingte Spalte ausgebildet, über die unter Druck stehendes Medium bzw. Gas ausströmen kann. Es wird zwar versucht, diese Leckagespalte insbesondere mittels separaten Dichtungselementen abzudichten, da Leckageverluste gleichbedeutend mit einer Wirkungsgradreduzierung der Verdichtereinrichtung sind. Derartige Dichtungselemente benötigen jedoch einen zusätzlichen Compressor stage, in particular in the form of a compressor wheel to store rotatably in a housing. Between the housing and the compressor stage design-related gaps are formed, can flow through the pressurized medium or gas. Although it is attempted to seal these leakage gaps in particular by means of separate sealing elements, since leakage losses are synonymous with an efficiency reduction of the compressor device. However, such sealing elements require an additional
Bauraum und erhöhen den konstruktiven Aufwand bzw. die Herstellkosten der Verdichtereinrichtung. Space and increase the design effort and the manufacturing cost of the compressor device.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere Verdichtereinrich tung, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das (gasförmige) Medium mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem wenigstens einen Strömungselement und dem Gehäuse in einem Bereich, in dem das Medium einen erhöhten Druck aufweist, ein Leckagespalt ausgebildet ist, wobei das Medium aus dem Leckagespalt zumindest mittelbar der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist, und/oder dass das wenigs tens eine Strömungselement wenigstens eine Druckauslassbohrung für das Me dium aufweist, über die das Medium zumindest mittelbar der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist. The turbomachine according to the invention, in particular Verdichtereinrich device, with the features of claim 1 has the advantage that the (gaseous) medium with little device complexity of the at least one bearing device can be fed. For this purpose, it is provided according to the invention that between the at least one flow element and the housing in a region in which the medium has an increased pressure, a leakage gap is formed, wherein the medium from the leakage gap is at least indirectly fed to the at least one bearing device, and / / or that the least one flow element has at least one pressure outlet bore for the medium via which the medium can be supplied, at least indirectly, to the at least one bearing device.
Es werden somit zwei alternative konstruktive Gestaltungen (die gegebenenfalls in Kombination angewendet werden können) vorgeschlagen, zum einen die Nut zung des bei derartigen Strömungsmaschinen vorhandenen Leckagespalts als Quelle für das unter erhöhtem Druck stehende Medium, oder aber eine spezielle konstruktive Gestaltung des Strömungselements (Verdichterstufe bzw. Turbinen rad) durch wenigstens eine Druckauslassbohrung, wobei über die Druckauslass- bohrung das im Druck gegenüber einem Ursprungszustand verdichtete Medium der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist. There are thus two alternative structural designs (which may optionally be used in combination) proposed, on the one hand, the use of the present in such turbomachinery leakage gap as a source for the under elevated pressure medium, or a special structural design of the flow element (compressor stage or Turbine rad) by at least one pressure outlet bore, wherein on the Druckauslass- bore the compressed in relation to an original state compressed medium of at least one bearing device can be fed.
Für den Fall, dass die Bereitstellung des unter Druck stehenden Mediums aus dem Bereich des Leckagespalts erfolgt, hat eine derartige konstruktive Gestal tung der Strömungsmaschine bzw. Verdichtereinrichtung den besonderen Vorteil, dass die ansonsten vorhandenen Dichtungseinrichtungen zur Vermeidung von Leckageverlusten entweder konstruktiv besonders einfach gestaltet werden oder sogar gänzlich entfallen können, während bei einer Lösung, bei der wenigstens eine Druckauslassbohrung im Bereich des Strömungselements vorgesehen ist, es auf besonders einfache Art und Weise möglich ist, durch eine entsprechende Positionierung und Anzahl bzw. Querschnitt der Druckauslassbohrungen sowohl die Menge, als auch den Druck des zur Lagerung der Welle erforderlichen Medi ums auf besonders einfache Art und Weise zu beeinflussen bzw. einzustellen. In the event that the provision of the pressurized medium takes place from the region of the leakage gap, such a structural design of the turbomachine or compressor device has the particular advantage that the otherwise existing sealing devices are designed to be particularly simple in construction or to avoid leakage losses can even be omitted entirely, while in a solution in which at least one pressure outlet hole is provided in the region of the flow element, it is possible in a particularly simple manner, by a corresponding positioning and number or cross section of the Druckauslassbohrungen both the amount, and the Pressure of the storage of the wave required Medi order to influence or adjust in a particularly simple manner.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine, ins besondere Verdichtereinrichtung, sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Advantageous developments of the turbomachine according to the invention, in particular compressor device are listed in the subclaims.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Strömungsmaschine ist es vorgesehen, dass der Leckagespalt über wenigstens eine Druckleitung für das Medium unmit telbar mit der wenigstens einen Lagereinrichtung verbunden ist. Gemeint ist da mit, dass die Verbindung zwischen dem Leckagespalt und der Lagereinrichtung ausschließlich über eine entsprechende (Druck-) Leitung erfolgt und im Gegen satz zum eingangs erwähnten Stand der Technik beispielsweise keinen als sepa rates Bauteil ausgebildeten Druckspeicher benötigt. In a preferred embodiment of the turbomachine, it is provided that the leakage gap is connected via at least one pressure line for the medium immedi applicable to the at least one bearing device. What is meant by this is that the connection between the leakage gap and the bearing device takes place exclusively via a corresponding (pressure) line and, in contrast to the aforementioned prior art, for example, no pressure accumulator designed as a separate component is required.
In ähnlicher Art und Weise ist es beim Vorsehen wenigstens einer Druckauslass bohrung in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass die wenigstens eine Druckauslassbohrung über wenigstens eine Druckleitung für das Medium unmit telbar mit der wenigstens einen Lagereinrichtung verbunden ist. In a similar manner, it is provided in the provision of at least one pressure outlet hole in a preferred embodiment that the at least one pressure outlet bore is connected via at least one pressure line for the medium immedi applicable to the at least one bearing device.
Insbesondere für den Fall, dass der Druck bzw. die Menge des von der Strö mungsmaschine bzw. Verdichtereinrichtung bereitgestellten Mediums für die we nigstens eine Lagereinrichtung variiert, kann es alternativ vorgesehen sein, dass im Strömungsweg der wenigstens einen Druckleitung ein als separates Bauteil ausgebildeter Druckspeicher angeordnet ist. Der Druckspeicher stellt sicher, dass bei zeitweise geringen Mengen bzw. geringen Drücke des Mediums genü gend (gasförmiges) Medium zur Lagerung der Welle bereitsteht. In particular, in the event that the pressure or the amount of the provided by the Strö determination machine or compressor device medium for we least one storage device varies, it may alternatively be provided that in the flow path of the at least one pressure line as a separate component trained pressure accumulator is arranged. The pressure accumulator ensures that at times small amounts or low pressures of the medium sufficient (gaseous) medium is ready for storage of the shaft.
Insbesondere bei letztgenannter Lösung mit einem separaten Druckspeicher, aber auch für den Fall, bei dem das Medium über die Druckleitung unmittelbar aus dem Bereich des Leckagespalts oder der wenigstens eine Druckauslassboh rung der Lagereinrichtung zuführbar ist, kann es vorgesehen sein, dass der we nigstens einen Lagereinrichtung eine Druckregeleinrichtung vorgeschaltet ist, die den Druck bzw. die Menge des der Lagereinrichtung zuführbaren Mediums re gelt. Dadurch werden insbesondere gegebenenfalls die Lagerung der Welle ne gativ beeinflussende, zu hohe Drücke des Mediums vermieden. In particular, in the latter solution with a separate accumulator, but also for the case in which the medium via the pressure line directly from the region of the leakage gap or the at least one Druckauslassboh tion of the bearing device can be supplied, it can be provided that the we least one storage device a pressure regulating device is connected upstream, which regulates the pressure or the amount of medium which can be supplied to the bearing device. In this way, in particular, the bearing of the shaft is negatively influenced, excessive pressures of the medium are avoided.
Zur Reduzierung des konstruktiven Aufwands bzw. der Baugröße der Strö mungsmaschine, insbesondere Verdichtereinrichtung, kann es insbesondere bei einer Variante, bei der das Medium aus dem Bereich des Leckagespalts gewon nen wird, vorgesehen sein, dass der Bereich des Leckagespalts dichtungsele mentfrei ausgebildet ist. To reduce the constructive effort or the size of the Strö tion machine, in particular compressor device, it may be provided in particular in a variant in which the medium from the region of the leakage gap is Won, that the area of the leakage gap is formed dichtungsele mentfree.
In einer konstruktiven Variante der Strömungsmaschine, insbesondere Verdich tereinrichtung, weist deren Strömungselement ein in radialer Bauweise ausgebil detes Verdichterrad auf, wobei die wenigstens eine Druckauslassbohrung auf ei nem Teilkreisdurchmesser um die Drehachse der Welle angeordnet ist und mit einer in einem separaten Bauteil angeordneten Ringnut zusammenwirkt, deren der wenigstens einen Durchlassbohrung abgewandte Seite mit der wenigstens einen Lagereinrichtung verbunden ist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vor teil, dass bei einer Drehung des Verdichterrads die Druckauslassbohrung zumin dest zeitweise in Wirkverbindung mit der Ringnut und somit der Lagereinrichtung angeordnet ist. In a constructive variant of the turbomachine, in particular compaction tereinrichtung, whose flow element has a radial design ausgebil detes compressor wheel, wherein the at least one pressure outlet hole is arranged on egg nem pitch circle diameter about the rotational axis of the shaft and cooperates with a arranged in a separate component annular groove, whose at least one passage bore facing away from the at least one bearing device is connected. Such a configuration has the part before that upon rotation of the compressor wheel, the pressure outlet hole at least temporarily in operative connection with the annular groove and thus the bearing device is arranged.
In besonders bevorzugter Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das separate Bauteil ring- bzw. scheibenförmig ausgebildet und ortsfest in Bezug zum Strömungselement angeordnet ist, dass die wenigs tens eine Druckauslassbohrung als Durchgangsbohrung ausgebildet ist, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden axialen Stirnseiten des Strömungselements erstreckt, und dass die Ringnut als radial um die Drehachse umlaufende, kreis förmig ausgebildete Ringnut ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung insbe sondere der Ringnut hat den Vorteil, dass während der gesamten Drehung des Strömungselements um seine Drehachse stets eine pneumatische Verbindung zwischen der wenigstens einen Druckauslassbohrung und der Lagereinrichtung über die Ringnut ausbildbar ist. In a particularly preferred embodiment of the last proposal made, it is provided that the separate component ring-shaped or disc-shaped and is arranged stationarily in relation to the flow element that the least one pressure outlet hole is formed as a through hole extending between two opposite axial end faces of the flow element extends, and that the annular groove is designed as a radially encircling the axis of rotation, circular-shaped annular groove. Such a configuration in particular special of the annular groove has the advantage that during the entire rotation of the flow element about its axis of rotation always a pneumatic connection between the at least one pressure outlet bore and the bearing means via the annular groove can be formed.
Eine weitere konstruktive Ausgestaltung, die den Aufwand der Lagereinrichtung reduziert, sieht vor, dass die Lagereinrichtung ein Axiallager ist, das auf gegen überliegenden Stirnseiten einer mit der Welle verbundenen Lagerscheibe wirkt, und dass das Medium lediglich auf der dem Strömungselement zugewandten Stirnseite der Lagerscheibe wirkt. Eine derartige Ausgestaltung sieht vor, dass auf der dem Strömungselement abgewandten Stirnseite der Lagerscheibe die Lagereinrichtung entweder über eine andere Mediumquelle versorgt wird, oder aber über ein andersartig aufgebautes Lagerelement, z.B. ein Folienlager, eine Lagerung über Spiralrillen oder ähnliches verfügt. A further structural design which reduces the expense of the bearing device, provides that the bearing device is a thrust bearing which acts on opposite end faces of a bearing disc connected to the shaft, and that the medium acts only on the end face of the bearing disc facing the flow element. Such an embodiment provides that on the end face of the bearing disc facing away from the flow element, the bearing device is either supplied via a different medium source, or else via a bearing element of a different construction, e.g. a foil bearing, a storage via spiral grooves or the like has.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Diese zeigt in: This shows in:
Fig. la Fig. La
und and
Fig. lb jeweils einen vereinfachten Längsschnitt im Bereich einer Verdichterein richtung, bei der gasförmiges Medium zur Versorgung einer als Axialla ger bzw. Radiallager ausgebildeten Lagereinrichtung aus dem Bereich eines Leckagespalts bereitgestellt wird,  Each lb a simplified longitudinal section in the region of a Verdichterein direction, is provided in the gaseous medium for supplying a ger ger or radial bearing designed as Axialla or radial bearing from the range of a leakage gap,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Verdichtereinrichtung, bei der Medium für eine Lagereinrichtung im Bereich von Druckauslassboh rungen an einem Verdichterrad zur Verfügung gestellt wird, Fig. 3 ein Detail einer gegenüber der Fig. 1 und 2 abgewandelten Verdichter einrichtung unter Verwendung eines zwischengeschalteten Druckspei chers und 2 shows a longitudinal section through a modified compressor device, is provided in the medium for a storage facility in the range of Druckauslassboh ments on a compressor wheel, Fig. 3 shows a detail of a comparison with FIGS. 1 and 2 modified compressor device using an intermediate Druckspei Chers and
Fig. 4 eine gegenüber den Fig. 1 und 2 modifizierte Verdichtereinrichtung, bei der die Lagereinrichtung lediglich an einer Stirnseite mit Medium von der Verdichtereinrichtung versorgt wird. Fig. 4 is a comparison with FIGS. 1 and 2 modified compressor device, wherein the bearing device is supplied only at one end face with medium from the compressor device.
Gleiche Elemente bzw. Elemente bzw. gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen. The same elements or elements or the same function are provided in the figures with the same reference numerals.
Die in den Fig. la und lb stark vereinfacht dargestellte Strömungsmaschine ist zum Beispiel Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, einer Klimaanlage, einer Wärmepumpe, eines Turboladers, einer Turbine für ein Brennstoffzellensystem oder einer Wärmerückgewinnungsturbine. In den Darstellungen der Fig. la und lb ist die Strömungsmaschine in Form einer Verdichtereinrichtung 10 ausgebil det. The turbomachine shown greatly simplified in FIGS. 1a and 1b is, for example, part of a fuel cell system, an air conditioning system, a heat pump, a turbocharger, a turbine for a fuel cell system or a heat recovery turbine. In the illustrations of Fig. La and lb, the turbomachine in the form of a compressor device 10 is ausgebil det.
Die Verdichtereinrichtung 10 umfasst eine in einer Drehachse 12 gelagerte Welle 14, an derem einen stirnseitigen Ende eine Verdichterstufe 16 in Form eines in radialer Bauweise ausgebildeten Verdichterrads 18 drehfest mit der Welle 14 verbunden ist. Die Verdichterstufe 16 bzw. das Verdichterrad 18 ist von einem Gehäuse 20 umgeben, das einen Einlassbereich 22 aufweist, über die gasförmi ges Medium, insbesondere Luft, in die Verdichtereinrichtung 10 angesaugt wird, und das bei einer Drehung der Welle 14 um die Drehachse 12 durch die Verdich terstufe 16 verdichtet bzw. im Druck erhöht wird, sodass es im Bereich eines Auslassbereiches 24 des Gehäuses 20 unter erhöhtem Druck austritt und einem nicht dargestellten Verbraucher zuführbar ist. The compressor device 10 comprises a shaft 14 which is mounted in a rotation axis 12 and to which an end face of a compressor stage 16 in the form of a compressor wheel 18 of radial design is connected in a rotationally fixed manner to the shaft 14. The compressor stage 16 or the compressor wheel 18 is surrounded by a housing 20 having an inlet region 22, is sucked through the gaseous medium, in particular air, in the compressor device 10, and upon rotation of the shaft 14 about the axis of rotation 12 through the compressor stage 16 is compressed or increased in pressure so that it exits in the region of an outlet region 24 of the housing 20 under increased pressure and can be supplied to a consumer, not shown.
Zwischen einem radial um die Drehachse 12 umlaufenden Randbereich 26 des Verdichterrads 18 und einer Aufnahmeöffnung 28 für das Verdichterrad 18 im Gehäuse 20 ist ein radial umlaufender Leckagespalt 30 ausgebildet, über den das in seinem Druck gegenüber dem Einlassbereich 22 erhöhte Medium entwei chen kann. Beispielhaft ist der Bereich des Leckagespalts 30 auf der dem Ge häuse 20 abgewandten Seite von einem ringförmigen, zum Leckagespalt 30 hin offenen Sammelelement 32 umgeben, über das das aus dem Leckagespalt 30 austretende Medium über wenigstens eine Druckleitung 34 unmittelbar einer La gereinrichtung 36 für die Welle 14 zuführbar ist. Between a radially surrounding the axis of rotation 12 peripheral edge region 26 of the compressor 18 and a receiving opening 28 for the compressor 18 in the housing 20, a radially encircling leakage gap 30 is formed, via which the pressure in its increased pressure relative to the inlet portion 22 increased medium can escape. By way of example, the region of the leakage gap 30 on the side facing away from the Ge 20 of an annular, to the leakage gap 30 back open collecting element 32 is surrounded, via which the leaking from the leakage gap 30 medium via at least one pressure line 34 directly to a La gereinrichtung 36 for the shaft 14 can be fed.
Die Lagereinrichtung 36 ist in der Fig. la als Axiallager ausgebildet und weist auf zwei gegenüberliegenden Stirnseiten einer drehfest mit der Welle 14 verbunde nen Lagerscheibe 38 angeordnete, ringförmige Lagerelemente 40, 42 auf. Die beiden Lagerelemente 40, 42 weisen jeweils Zuführbohrungen 44, 46 auf, über die das unter Druck stehende Medium von der Druckleitung 34 auf die Stirnseiten des Lagerrings 38 wirkt und für ein entsprechendes Druckpolster sorgt, um eine axiale Lagerung der Welle 14 zu dem Gehäuse 20 zu ermöglichen. The bearing device 36 is formed in FIG. La as a thrust bearing and has two opposite end faces of a non-rotatably connected to the shaft 14 nen NEN bearing plate 38 arranged, annular bearing elements 40, 42. The two bearing elements 40, 42 each have feed holes 44, 46, via which the pressurized medium from the pressure line 34 acts on the end faces of the bearing ring 38 and provides a corresponding pressure pad to an axial bearing of the shaft 14 to the housing 20th to enable.
In der Fig. lb ist die Lagereinrichtung 36a demgegenüber als Radiallager ausge bildet und umfasst ein die Welle 14 radial umschließendes Lagerelement 48, das über Zuführbohrungen 50, 52 und die wenigstens eine Druckleitung 34 unmittel bar mit unter Druck stehendem Medium aus dem Leckagespalt 30 versorgbar ist. In Fig. Lb, the bearing means 36a in contrast forms out as a radial bearing and comprises a shaft 14 radially enclosing bearing element 48, the supply via feed bores 50, 52 and the at least one pressure line 34 immediacy bar with pressurized medium from the leakage gap 30 can be supplied ,
In der Fig. 2 ist eine abgewandelte Verdichtereinrichtung 10 dargestellt, bei der ein Verdichterrad 55 wenigstens eine, vorzugsweise jedoch mehrere, in gleich mäßigen Winkelabständen auf einem Teilkreisdurchmesser um die Drehachse 12 angeordnete Druckauslassbohrungen 56 in Form von Durchgangsbohrungen 58 aufweist, die sich parallel zur Welle 14 erstrecken. Die Druckauslassbohrun gen 56 verbinden die dem Gehäuse 20 zugewandte Stirnseite des Verdichter- rads 55, an der unter Druck stehendes Medium ansteht, mit der rückseitigen Stirnseite 60 des Verdichterrads 55. In Fig. 2, a modified compressor device 10 is shown, in which a compressor 55 at least one, but preferably a plurality of evenly spaced on a pitch circle diameter about the axis of rotation 12 arranged Druckauslassbohrungen 56 in the form of through holes 58 which are parallel to the shaft 14 extend. The Druckauslassbohrun conditions 56 connect the housing 20 facing the end face of the compressor wheel 55, which is present at the medium under pressure, with the rear end face 60 of the compressor 55th
Während die Anzahl sowie der Durchmesser der Druckauslassbohrungen 56 die Menge des für die Lagereinrichtung 36a zur Verfügung stehenden Mediums be stimmt, bestimmt der radiale Abstand der Druckauslassbohrungen 56 von der Drehachse 12 die Höhe des Drucks des Mediums für die Lagereinrichtung 36a. While the number and diameter of the pressure outlet bores 56 determines the amount of fluid available to the bearing means 36a, the radial distance of the pressure outlet bores 56 from the axis of rotation 12 determines the level of pressure of the medium for the bearing means 36a.
Das Verdichterrad 55 ist auf der dem Gehäuse 20 abgewandten Seite zumindest im Bereich der Druckauslassbohrungen 56 in Überdeckung mit einem ringförmi gen, ortsfest angeordneten Element 62 positioniert. Das Element 62 weist auf demselben Teilkreisdurchmesser wie die Druckauslassbohrungen 56 eine radial umlaufende Ringnut 64 auf, die wiederum über wenigstens eine Druckleitung 66 mit der Lagereinrichtung 36a in Wirkverbindung angeordnet ist. The compressor 55 is positioned on the side facing away from the housing 20 at least in the region of the pressure outlet bores 56 in register with a ringförmi gene, stationarily arranged element 62. The element 62 has a radial on the same pitch circle diameter as the pressure outlet bores 56 circumferential annular groove 64, which in turn is arranged via at least one pressure line 66 with the bearing means 36a in operative connection.
In der Fig. 3 ist der Fall dargestellt, bei der die wenigstens eine Druckleitung 34, 66 unter Zwischenschaltung eines Druckspeichers 70 sowie einer Druckregelein richtung 72 mit der Lagereinrichtung 36, 36a verbunden ist. In Fig. 3 the case is shown, in which the at least one pressure line 34, 66 with the interposition of a pressure accumulator 70 and a Druckregelein device 72 with the bearing means 36, 36 a is connected.
Zuletzt ist in der Fig. 4 der Fall dargestellt, bei der der Lagerring 38 der Lagerein richtung 36b an einer der Verdichterstufe 16 zugewandten Stirnfläche ein La- gerelement 40 aufweist, das von der Verdichtereinrichtung 10 mit unter Druck stehendem Medium versorgt wird, während die andere Stirnseite des Lagerrings 38 mit dem Lagerelement 76 entweder über eine andere (Druck-) Quelle 74 in Richtung des Gehäuses 20 kraftbeaufschlagt ist. Alternativ kann das Lagerele ment 76 auch ein Lagerelement 76 sein, das nicht als gasdruckbeaufschlagtes Lagerelement 76 ausgebildet ist. Finally, FIG. 4 shows the case in which the bearing ring 38 of the bearing device 36 b has a bearing element 40 on one of the compressor stages 16, which is supplied with pressurized medium by the compressor device 10, while the other Front side of the bearing ring 38 with the bearing element 76 either via a different (pressure) source 74 in the direction of the housing 20 is subjected to force. Alternatively, the Lagerele element 76 may also be a bearing element 76, which is not designed as gasdruckbeaufschlagtes bearing element 76.
Die soweit beschriebene Verdichtereinrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken ab zuweichen. So kann die Verdichterstufe 16 beispielsweise ein in Axialbauweise ausgebildetes Verdichterrad aufweisen. Auch kann das Wirkprinzip auch auf eineThe compressor device 10 described so far can be modified or modified in many ways, without dodging from the idea of the invention. For example, the compressor stage 16 may have a compressor wheel designed in an axial construction. Also, the principle of action can also on one
Turbine bzw. Arbeitsmaschine angewandt werden. In diesem Fall findet anstelle der Verdichterstufe 16 bzw. des Verdichterrads 18 sinngemäß eine Arbeitsstufe bzw. ein Turbinenrad Verwendung. Turbine or working machine are applied. In this case, instead of the compressor stage 16 or the compressor wheel 18, a work stage or a turbine wheel is used accordingly.

Claims

Ansprüche claims
1. Strömungsmaschine (10), insbesondere Verdichtereinrichtung, mit 1. Turbomachine (10), in particular compressor device with
wenigstens einer Lagereinrichtung (36; 36a; 36b) für eine drehbar angeordnete Welle (14), wobei die wenigstens eine Lagereinrichtung (36; 36a; 36b) wenigstens ein Lagerelement (40, 42; 48) zur radialen und/oder axialen Lagerung der Welle (14) aufweist, wobei das wenigstens eine Lagerelement (40, 42; 48) mit unter Druck stehendem gasförmigem Medium zur Lagerung der Welle (14) beaufschlagbar ist, wobei die Welle (14) mit einem antreibbaren oder angetriebenen Strömungselement (16), insbesondere einem Verdichterrad (18), verbunden ist, wobei das  at least one bearing device (36; 36a; 36b) for a rotatably arranged shaft (14), wherein the at least one bearing device (36; 36a; 36b) comprises at least one bearing element (40,42; 48) for the radial and / or axial mounting of the shaft (14), wherein the at least one bearing element (40, 42; 48) is pressurized with pressurized gaseous medium for supporting the shaft (14), wherein the shaft (14) with a drivable or driven flow element (16), in particular a compressor wheel (18) is connected, wherein the
Strömungselement (16) in einem das Strömungselement (16) zumindest teilweise umgebenden Gehäuse (20) angeordnet ist, und wobei das unter Druck stehende Medium zumindest mittelbar von der Strömungsmaschine (10) dem wenigstens einen Lagerelement (40, 42; 48) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Strömungselement (16) und dem Gehäuse (20) ein Leckagespalt (30) ausgebildet ist, wobei das Medium aus dem Leckagespalt (30) zumindest mittelbar der wenigstens einen  Flow element (16) in a flow element (16) at least partially surrounding housing (20) is arranged, and wherein the pressurized medium at least indirectly from the turbomachine (10) the at least one bearing element (40, 42, 48) can be fed, characterized in that between the at least one flow element (16) and the housing (20) a leakage gap (30) is formed, wherein the medium from the leakage gap (30) at least indirectly at least one
Lagereinrichtung (36; 36a) zuführbar ist, und/oder dass das  Storage device (36, 36a) can be fed, and / or that the
Strömungselement (16) wenigstens eine Druckauslassbohrung (56) für das Medium aufweist, über die das Medium zumindest mittelbar der wenigstens einen Lagereinrichtung (36; 36a; 36b) zuführbar ist.  Flow element (16) has at least one pressure outlet bore (56) for the medium, via which the medium at least indirectly to the at least one bearing means (36; 36a, 36b) can be fed.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, 2. Turbomachine according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der Leckagespalt (30) über wenigstens eine Druckleitung (34) für das Medium mit der wenigstens einen Lagereinrichtung (36; 36a; 36b) verbun den ist. in that the leakage gap (30) is connected to the at least one bearing device (36; 36a; 36b) via at least one pressure line (34) for the medium.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, 3. Turbomachine according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die wenigstens eine Druckauslassbohrung (56) zumindest mittelbar über wenigstens eine Druckleitung (66) für das Medium mit der wenigstens einen Lagereinrichtung (36; 36a; 36b) verbunden ist.  in that the at least one pressure outlet bore (56) is connected at least indirectly via at least one pressure line (66) for the medium to the at least one bearing device (36; 36a; 36b).
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 oder 3, 4. Turbomachine according to claim 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass im Strömungsweg der wenigstens einen Druckleitung (34; 66) ein als separates Bauteil ausgebildeter Druckspeicher (70) für das Medium ange ordnet ist.  that in the flow path of the at least one pressure line (34; 66) designed as a separate component pressure accumulator (70) is arranged for the medium is.
5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 5. Turbomachine according to one of claims 2 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der wenigstens einen Lagereinrichtung (36; 36a; 36b) eine Druckre geleinrichtung (72) vorgeschaltet ist, die den Druck des Mediums regelt.  in that the at least one bearing device (36; 36a; 36b) is preceded by a pressure-regulating device (72) which regulates the pressure of the medium.
6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, 6. Turbomachine according to one of claims 2 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der Bereich des Leckagespalts (30) dichtungselemenetfrei ausgebildet ist.  the region of the leakage gap (30) is designed to be free of sealing elements.
7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 7. Turbomachine according to one of claims 2 to 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Strömungselement (16) als ein in radialer Bauweise ausgebildetes Verdichterrad (18) ausgebildet ist, dass die wenigstens eine Druckauslass bohrung (56) auf einem Teilkreisdurchmesser um die Drehachse (12) der Welle (14) angeordnet ist und mit einer in einem separaten Bauteil (62) an geordneten Ringnut (64) zusammenwirkt, deren der wenigstens einen Durchlassbohrung (56) abgewandte Seite mit der wenigstens einen Lager einrichtung (36; 36a) verbunden ist.  in that the flow element (16) is designed as a compressor wheel (18) designed in a radial design such that the at least one pressure outlet bore (56) is arranged on a pitch circle diameter about the axis of rotation (12) of the shaft (14) and with one in a separate one Component (62) of ordered annular groove (64) cooperates, the at least one passage bore (56) facing away from the at least one bearing device (36, 36 a) is connected.
8. Strömungsmaschine nach Anspruch 7, 8. Turbomachine according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass dass das Bauteil (62) ringförmig ausgebildet und ortsfest in Bezug zum Strömungselement (16) angeordnet ist, dass die wenigstens eine Druckaus lassbohrung (56) als Durchgangsbohrung (58) ausgebildet ist, die sich zwi schen zwei gegenüberliegenden axialen Stirnseiten des Strömungselements (16) erstreckt, und dass die Ringnut (64) als radial um die Drehachse (12) umlaufende, kreisförmig ausgebildete Ringnut (64) ausgebildet ist. characterized, in that the component (62) is of annular design and is arranged stationarily in relation to the flow element (16), that the at least one pressure outlet bore (56) is designed as a through-bore (58) which extends between two opposite axial end faces of the flow element (16 ), and in that the annular groove (64) is designed as a circular annular groove (64) running radially around the axis of rotation (12).
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, Turbomachine according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Lagereinrichtung (36b) ein Axiallager ist, das auf gegenüberliegen de Stirnseiten eines mit der Welle (14) verbundenen Lagerscheibe (38) wirkt, und dass das Medium lediglich auf der dem Strömungselement (16) zuge wandten Stirnseite der Lagerscheibe (38) wirkt. 10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,  in that the bearing device (36b) is a thrust bearing which acts on opposite end faces of a bearing disc (38) connected to the shaft (14), and that the medium acts only on the end face of the bearing disc (38) facing the flow element (16) , 10. Turbomachine according to one of claims 1 to 9,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Strömungsmaschine als Verdichtereinrichtung (10) ausgebildet ist.  the turbomachine is designed as a compressor device (10).
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