WO2021063600A1 - Axial-gaslager - Google Patents

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WO2021063600A1
WO2021063600A1 PCT/EP2020/073737 EP2020073737W WO2021063600A1 WO 2021063600 A1 WO2021063600 A1 WO 2021063600A1 EP 2020073737 W EP2020073737 W EP 2020073737W WO 2021063600 A1 WO2021063600 A1 WO 2021063600A1
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axial
gas bearing
bearing
axial gas
aluminum material
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PCT/EP2020/073737
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Felix FOERSTER
Felix WIEDMANN
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an axial gas bearing with at least one gas bearing gap which is designed to form a load-bearing gas film between an axial bearing disk and a support surface.
  • An axial bearing designed as an air bearing with a spring foil and a cover foil is known from the American patent application US 2012/0207414 A1. Because of the foils used, such air bearings are also referred to as foil bearings.
  • the object of the invention is to functionally improve an axial gas bearing with at least one gas bearing gap which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk and a support surface.
  • the support surface is provided on a support body made of an aluminum material.
  • the axial bearing disk which is formed, for example, on a rotor, rotates about an axis of rotation.
  • bearing elements such as foils
  • this rotary movement generates a gas flow in the gas bearing gap which runs essentially in the circumferential direction and which the load-bearing gas film builds up between the axial bearing disc and the support surface.
  • the gas for the supporting gas film is supplied, for example, via appropriate openings. The design and arrangement of these openings is known and will not be further explained here.
  • the gas is, for example, air.
  • the thrust gas bearing is therefore also referred to as an axial air bearing.
  • the term axial refers to the axis of rotation of the rotor. Axial means in the direction or parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • large axial forces and / or high speeds can occur during operation of the axial gas bearing.
  • the support body made of the aluminum material enables efficient cooling of the axial gas bearing in a simple manner. This ensures that a machine equipped with the axial gas bearing will function properly even with high axial forces and high speeds.
  • the aluminum material has a significantly greater thermal conductivity compared to a steel material used in conventional axial gas bearings. In this way, the heat that occurs during operation of the axial gas bearing can be better dissipated from the axial gas bearing.
  • the aluminum material is easier to process in terms of production technology, for example by cutting.
  • a preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the support body made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface from wear.
  • the axial gas bearing is preferably designed as a foil bearing.
  • Such a film store comprises, for example, at least one spring film and at least one cover film.
  • the spring foil is clamped between the cover foil and the support surface.
  • the hard material layer prevents the spring foil from digging into the support body made of the relatively soft aluminum material. With the hard material layer, similar accuracies can advantageously be achieved as with steel components.
  • the hard material layer is applied to the aluminum material, for example by anodizing.
  • the hard material layer can be formed from titanium nitride.
  • the support body is combined with at least one annular body which is arranged radially outside the axial bearing disk.
  • the ring body delimits a receiving space of the axial gas bearing.
  • the receiving space which is delimited by the ring body and the support body, is rotatably supported for the axial bearing disk of the axial gas bearing.
  • the ring body can also be connected in one piece to the support body.
  • the ring body is formed from an aluminum material.
  • the ring body is fastened, for example with suitable fastening means, to a housing body of a machine equipped with the axial gas bearing.
  • a further support surface is provided on a housing body of a machine equipped with the axial gas bearing.
  • the machine is, for example, an air compressor, which is preferably used in a fuel cell system to provide air that contains oxygen, which is converted into water when the fuel cell is in operation.
  • the air compressor comprises, for example, a housing made of an aluminum material, to which the housing body with the further support surface belongs. A second support body can thus advantageously be dispensed with.
  • the housing body is formed from an aluminum material.
  • the housing body is preferably formed from the same aluminum material as the support body.
  • the housing of the air compressor equipped with the axial gas bearing is particularly advantageously made entirely of aluminum material.
  • the housing body made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface from wear.
  • the axial gas bearing is preferably designed as a foil bearing.
  • a film store comprises, for example, at least one spring film and at least one cover film.
  • the spring foil is clamped between the cover foil and the support surface.
  • the hard material layer prevents the Prevents spring foil in the housing body from the relatively soft aluminum material.
  • the hard material layer is advantageously possible to achieve accuracies similar to those with steel components, in particular by grinding the hard material layer.
  • the hard material layer is applied to the aluminum material, for example by anodizing.
  • the hard material layer can be formed from titanium nitride.
  • a cooling system is integrated into the housing body.
  • the cooling comprises, for example, a cooling water jacket with cooling channels through which a coolant, such as water, is passed in order to dissipate heat that occurs during operation of the axial gas bearing.
  • the invention also relates to an air compressor with a rotor which is supported by an axial gas bearing described above.
  • the axial bearing disk is attached to the rotor.
  • the axial gas bearing described above is preferably used in an air compressor or air compressor for the axial bearing of a rotor.
  • the air compressor or air compressor is preferably used in a fuel cell system in order to compress a gas, in particular air, which is then fed to a fuel cell.
  • the invention also relates to a method for operating an axial gas bearing described above.
  • the invention also relates to a support body, a housing body and / or an annular body for an axial gas bearing described above.
  • the named bodies can be traded separately. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
  • Figure la is a schematic sectional view of an axial gas bearing with a first embodiment
  • Figure lb the same representation as in Figure la according to a second embodiment of the axial gas bearing
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a compressor with a rotor which is supported so that it can rotate radially and axially by three bearings;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system with an air compressor, as shown in FIG.
  • a fuel cell system 1 is shown schematically in FIG. Fuel cell systems are known per se, for example from the German patent application DE 102012 224052 A1.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell 3, which is only indicated by a dashed rectangle.
  • the fuel cell 3 comprises at least one stack 2, which is shown with a valve symbol as an alternative.
  • An arrow 4 indicates an air mass flow which is supplied to the fuel cell 3 via an air supply device 5 designed as an air compressor.
  • An arrow 6 indicates a compressed air mass flow 6, from which a cooling air mass flow 7 is branched off.
  • the cooling air mass flow 7 is also only indicated by an arrow and is part of a cooling air path 19, By means of which the air compressor 5 is supplied with cooling air via a cooling air inlet 23.
  • the cooling air supplied via the cooling air path 19 is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted.
  • the cooling air mass flow 7 represents a loss in the compressed air mass flow 6, since the branched cooling air mass flow 7 is no longer available in the stack 2 of the fuel cell 3.
  • cooling air mass flow 7 is provided via the air compressor 5 for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is necessary to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency of an electric drive machine of a motor vehicle that is driven via the fuel cell system 1.
  • the remaining air mass flow 6 is supplied to the fuel cell 3 via an air supply line 8.
  • the fuel cell 3 is a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a fuel supplied via a fuel supply line (not shown) and an oxidizing agent into electrical energy.
  • the oxidizing agent is the air that is supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8.
  • the fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor and carbon dioxide are produced as exhaust gas.
  • the exhaust gas is discharged in the form of an exhaust gas mass flow 10 via an exhaust line 9, as indicated by an arrow 10.
  • the exhaust gas mass flow 10 is discharged via an exhaust gas turbine 11 to an exhaust gas outlet 12, which is indicated by an arrow.
  • the air compressor 5 is arranged in the air supply line 8.
  • the exhaust gas turbine 11 is arranged in the exhaust gas line 9.
  • the air compressor 5 and the exhaust gas turbine 11 are mechanically connected via a shaft.
  • the shaft can be driven electrically by an electric motor 14.
  • the exhaust gas turbine 11 serves to support the electric motor 14 in driving the air compressor 5.
  • the air compressor 5, the exhaust gas turbine 11, the shaft and the electric motor 14 together form a turbo compressor 15, which is also referred to as a turbo machine.
  • the fuel cell system 1 further comprises a bypass line 13 in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13 with the bypass valve 16, a bypass air mass flow 17 for reducing the pressure can be discharged from the air supply line 8, bypassing the stack 2 of the fuel cell 3, into the exhaust line 9. This is advantageous, for example, in order to bring about a pressure reduction in the air mass flow supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8.
  • the fuel cell system 1 further comprises an intercooler 18, which is indicated by a dashed rectangle.
  • the intercooler 18 serves to cool the compressed air mass flow 6 before the cooling air mass flow 7 is branched off via the cooling air path 19.
  • a compressor 100 of a fuel cell system is shown schematically in FIG.
  • the compressor 100 comprises a housing 101 in which an electric motor 102 is arranged.
  • the electric motor 102 is used to drive a rotor 103 of the compressor 100.
  • the rotor 103 of the compressor 100 is mounted radially in the housing 101 with the aid of two foil bearings or radial gas bearings 104, 105.
  • a foil bearing or axial gas bearing 106 is used for the axial mounting of the rotor 103.
  • a compressor wheel 107 is attached to the end of the rotor 103 on the left in FIG.
  • the compressor wheel 107 is used to compress air that is provided in the fuel cell system when the compressor wheel 107 is driven by the electric motor 102 via the rotor 103.
  • the gas bearings 104, 105; 106 are designed as foil bearings and each comprise a housing body 108, 109; 110.
  • the rotor 103 comprises two Rotor sections, which are also referred to as rotor bodies 111, 112, with which the rotor 103 is mounted radially in the radial gas bearings 104, 105.
  • the rotor 103 also includes a rotor collar, which is also referred to as the rotor body 113. Via the rotor body 113, the rotor 103 is axially supported in the housing 101 by the axial gas bearing 106.
  • the rotor body 113 is also referred to as a thrust bearing disk.
  • an axial gas bearing 30 is shown schematically in section.
  • the axial gas bearing 30 is an exemplary embodiment of the axial gas bearing denoted by 106 in FIG.
  • the axial gas bearing 30 comprises a rotor 31 which corresponds to the rotor 103 in FIG.
  • the rotor 31 comprises a rotor body 32 which is integrally connected to an axial bearing disk 33.
  • the rotor 31 with the rotor body 32 and the axial bearing disk 33 can be rotated about an axis of rotation 34, as indicated in FIGS. 1 a, 1 b by an arrow 35.
  • the axial gas bearing 30 is integrated into a housing body 36 of an air compressor, as is shown schematically in FIG. 2, for example.
  • a bearing housing 37 of the axial gas bearing 30 is built onto the housing body 36.
  • the bearing housing 37 of the axial gas bearing 30 comprises two support bodies 38, 39.
  • annular body 40 and an additional annular body 41 are arranged in the axial direction.
  • a dashed line 50 indicates at least one fastening means with which the bearing housing 37 of the axial gas bearing 30 is attached to the housing body 36.
  • a spring foil 53 and a cover foil 54 are arranged between the axial bearing disk 33 and the support surface 48.
  • a spring foil 55 and a cover foil 56 are arranged between the axial bearing disk 33 and the support surface 49.
  • the foils 53 to 56 are shown in Figures la, lb as well as gas bearing gaps 58, 59 only schematically and greatly simplified. Gas, in particular air, to form the supporting gas film in the gas bearing gaps 58, 59 is drawn into the gas bearing gaps 58, 59 through interruptions or bores in the foils 53 to 56, for example.
  • the gas supply for forming the supporting gas film in the gas bearing gaps 58, 59 is not shown in Figures la, lb.
  • a supporting gas film builds up in each of the gas bearing gaps 58, 59 between the cover foils 54, 56 and the axial bearing disk 33.
  • the spring foils 53, 54 which are supported on the support bodies 38, 39, are arranged between the cover foils 54, 56 and the support surfaces 48, 49.
  • An axial distance between the support bodies 38, 39 and thus a bearing play of the axial gas bearing 30 can be set via the additional ring body 41.
  • at least one of the support bodies 38, 39 which are also referred to as support plates, can be combined with the ring body 40 and / or the additional ring body 41 to form one component.
  • the two support bodies 38, 39 which are also referred to as support disks, are formed from an aluminum material.
  • the support bodies 38, 39 made of the aluminum material are provided with a hard material layer in order to protect the support surfaces 48, 49 from wear.
  • hard material layers are provided at least at the contact points between the spring foils 53, 55 and the support bodies 38, 39.
  • the housing body 36 is part of a compressor housing into which a cooling system 60 is integrated.
  • the cooling comprises cooling channels 61, 62 through which a coolant, such as cooling water, is guided.
  • a coolant such as cooling water
  • significantly more can be done via the support bodies 38, 39 made of the aluminum material
  • Heat can be dissipated from the axial gas bearing 30 than in conventional axial gas bearings.
  • the ring body 40 and the additional ring body 41 are also formed from an aluminum material. As a result, the heat dissipation during operation of the axial gas bearing can be further improved.
  • FIG. lb a second embodiment is shown, in which, in contrast to the first embodiment of the axial gas bearing 30 shown in Figure la, the additional ring body 41 is omitted.
  • the support body designated by 39 in FIG. La is integrated into the housing body 36 of the compressor housing.
  • the housing body 36 of the compressor housing is provided with a cooling system 70 which comprises cooling channels 71, 72.
  • a coolant such as cooling water, is passed through the cooling channels 71, 72, via which the heat generated during the operation of the axial gas bearing 30 is dissipated.
  • the cooling channel 71 is arranged in the vicinity of the support surface 49.
  • the cooling channel 72 is arranged in the vicinity of the annular body 40.
  • the arrangement of the cooling channels 71, 72 like the arrangement of the cooling channels 61, 62 in FIG. As a result, the effectiveness of the cooling system 60, 70 can be further improved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager (30) mit mindestens einem Gaslagerspalt (58,59), der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe (33) und einer Stützfläche (48,49) ausgebildet ist. Um das Axial-Gaslager (30) funktionell zu verbessern, ist die Stützfläche (48,49) an einem Stützkörper (38,39) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen.

Description

Beschreibung
Titel
Axial-Gaslager
Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist.
Stand der Technik
Aus der amerikanischen Offenlegungsschrift US 2012/0207414 Al ist ein als Luftlager ausgeführtes Axiallager mit einer Federfolie und einer Deckfolie bekannt. Aufgrund der verwendeten Folien werden derartige Luftlager auch als Folienlager bezeichnet.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass die Stützfläche an einem Stützkörper aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist. Im Betrieb des Axial-Gaslagers dreht sich die Axiallagerscheibe, die zum Beispiel an einem Rotor ausgebildet ist, um eine Drehachse. Durch diese Drehbewegung wird unter Zuhilfenahme von Lagerelementen, wie Folien, in dem Gaslagerspalt eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Gasströmung erzeugt, die den tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche aufbaut. Das Gas für den tragenden Gasfilm wird zum Beispiel über entsprechende Öffnungen zugeführt. Die Ausführung und Anordnung dieser Öffnungen ist bekannt und hier nicht weiter erläutert. Bei dem Gas handelt es sich um Beispiel um Luft. Daher wird das Axial-Gaslager auch als Axial-Luftlager bezeichnet. Der Begriff axial bezieht sich auf die Drehachse des Rotors. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Je nach Anwendung können im Betrieb des Axial-Gaslagers große Axialkräfte und/oder hohe Drehzahlen auftreten. Durch den Stützkörper aus dem Aluminiummaterial wird auf einfache Art eine effiziente Kühlung des Axial-Gaslagers ermöglicht. Dadurch wird auch bei großen Axialkräften und hohen Drehzahlen eine fehlerfreie Funktion einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine sichergestellt. Das Aluminiummaterial hat im Vergleich zu einem bei herkömmlichen Axial- Gaslagern verwendeten Stahlmaterial eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit. So kann die im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme besser aus dem Axial-Gaslager abgeführt werden. Darüber hinaus ist das Aluminiummaterial fertigungstechnisch, zum Beispiel spanend, einfacher zu bearbeiten.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Stützkörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper mit mindestens einem Ringkörper kombiniert ist, der radial außerhalb der Axiallagerscheibe angeordnet ist. Der Ringkörper begrenzt einen Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers. In dem Aufnahmeraum, der durch den Ringkörper und den Stützkörper begrenzt wird, ist die Axiallagerscheibe des Axial-Gaslagers drehbar gelagert. Je nach Ausführung kann der Ringkörper auch mit dem Stützkörper einstückig verbunden sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr der im Betrieb auftretenden Wärme aus dem Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden. Der Ringkörper ist zum Beispiel mit geeigneten Befestigungsmitteln an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine befestigt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Stützfläche an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine vorgesehen ist. Bei der Maschine handelt es sich zum Beispiel um einen Luftverdichter, der vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von Luft dient, die Sauerstoff enthält, der im Betrieb der Brennstoffzelle zu Wasser umgesetzt wird. Der Luftverdichter umfasst zum Beispiel ein Gehäuse aus einem Aluminiummaterial, zu dem der Gehäusekörper mit der weiteren Stützfläche gehört. So kann vorteilhaft ein zweiter Stützkörper entfallen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Der Gehäusekörper ist vorzugsweise aus dem gleichen Aluminiummaterial gebildet wie der Stützkörper. Besonders vorteilhaft ist das Gehäuse des mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Luftverdichters insgesamt aus Aluminiummaterial gebildet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Gehäusekörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen, insbesondere durch ein Überschleifen der Hartstoffschicht. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäusekörper eine Kühlung integriert ist. Die Kühlung umfasst zum Beispiel einen Kühlwassermantel mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlmittel, wie Wasser, geführt wird, um im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme abzuführen. Durch die Verwendung des gut wärmeleitfähigen Aluminiummaterials zur Darstellung des Stützkörpers beziehungsweise von zwei Stützkörpern beziehungsweise eines Stützkörpers und des Gehäusekörpers kann die Wärme aus dem Axial-Gaslager besonders effektiv abgeführt werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Luftverdichter mit einem Rotor, der durch ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager gelagert ist. An dem Rotor ist die Axiallagerscheibe angebracht.
Das vorab beschriebene Axial-Gaslager wird vorzugsweise in einem Luftverdichter oder Luftkompressor zur axialen Lagerung eines Rotors verwendet. Der Luftverdichter oder Luftkompressor wiederum wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um ein Gas, insbesondere Luft, zu verdichten, die dann einer Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Axial-Gaslagers.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stützkörper, einen Gehäusekörper und/oder einen Ringkörper für ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager. Die genannten Körper sind separat handelbar. 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur la eine schematische Schnittdarstellung eines Axial-Gaslagers mit einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur lb die gleiche Darstellung wie in Figur la gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers;
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in Figur 2 dargestellt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102012 224052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.
Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.
Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.
Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.
Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.
Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden. Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.
In Figur 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.
Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Folienlagern oder Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Folienlager oder Axial-Gaslager 106.
An dem in Figur 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.
Die Gaslager 104, 105; 106 sind als Folienlager ausgeführt und 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.
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.
In den Figuren la, lb ist ein Axial-Gaslager 30 im Schnitt schematisch dargestellt. Das Axial-Gaslager 30 ist ein Ausführungsbeispiel des in Figur 2 mit 106 bezeichneten Axial-Gaslagers. Das Axial-Gaslager 30 umfasst einen Rotor 31, der dem Rotor 103 in Figur 2 entspricht.
Der Rotor 31 umfasst einen Rotorkörper 32, der einstückig mit einer Axiallagerscheibe 33 verbunden ist. Der Rotor 31 mit dem Rotorkörper 32 und der Axiallagerscheibe 33 ist um eine Drehachse 34 drehbar, wie in den Figuren la, lb durch einen Pfeil 35 angedeutet ist.
Das Axial-Gaslager 30 ist in einen Gehäusekörper 36 eines Luftverdichters integriert, wie er zum Beispiel in Figur 2 schematisch dargestellt ist. An den Gehäusekörper 36 ist ein Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 angebaut. Das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 umfasst zwei Stützkörper 38, 39.
Zwischen den Stützkörpern 38 und 39 sind in axialer Richtung ein Ringkörper 40 und ein Zusatzringkörper 41 angeordnet. Durch eine gestrichelte Linie 50 ist mindestens ein Befestigungsmittel angedeutet, mit dem das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 an den Gehäusekörper 36 angebaut ist.
Zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 48 sind eine Federfolie 53 und eine Deckfolie 54 angeordnet. Analog sind zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 49 eine Federfolie 55 und eine Deckfolie 56 angeordnet. Die Folien 53 bis 56 sind in den Figuren la, lb ebenso wie Gaslagerspalte 58, 59 nur schematisch und stark vereinfacht dargestellt. Gas, insbesondere Luft, zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 wird zum Beispiel durch Unterbrechungen oder Bohrungen in den Folien 53 bis 56 in die Gaslagerspalte 58, 59 hineingezogen. Die Gaszufuhr zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 ist in den Figuren la, lb nicht dargestellt.
Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 jeweils ein tragender Gasfilm auf. Zwischen den Deckfolien 54, 56 und den Stützflächen 48, 49 sind die Federfolien 53, 54 angeordnet, die sich an den Stützkörpern 38, 39 abstützen.
Über den Zusatzringkörper 41 kann ein axialer Abstand zwischen den Stützkörpern 38, 39 und damit ein Lagerspiel des Axial-Gaslagers 30 eingestellt werden. Je nach Ausführung kann auch mindestens einer der Stützkörper 38, 39, die auch als Stützplatten bezeichnet werden, mit dem Ringkörper 40 und/oder dem Zusatzringkörper 41 zu einem Bauteil vereint werden.
Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 ein tragender Gasfilm auf. Unter den Deckfolien 54, 56 liegen die Federfolien 53, 55, die sich auf den Stützflächen 48, 49 abstützen.
Bei dem in Figur la dargestellten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers 30 sind die beiden Stützkörper 38, 39, die auch als Stützscheiben bezeichnet werden, aus einem Aluminiummaterial gebildet. An den Stützflächen 48, 49 sind die Stützkörper 38, 39 aus dem Aluminiummaterial mit einer Hartstoffschicht versehen, um die Stützflächen 48, 49 vor Verschleiß zu schützen. Zu diesem Zweck sind zumindest an den Kontaktstellen zwischen den Federfolien 53, 55 und den Stützkörpern 38, 39 Hartstoffschichten vorgesehen.
Der Gehäusekörper 36 ist Teil eines Verdichtergehäuses, in das eine Kühlung 60 integriert ist. Die Kühlung umfasst Kühlkanäle 61, 62, durch die ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, geführt wird. Über die Stützkörper 38, 39 aus dem Aluminiummaterial kann in Kombination mit der Wasserkühlung 16 deutlich mehr Wärme aus dem Axial-Gaslager 30 abgeführt werden, als bei herkömmlichen Axial-Gaslagern. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind auch der Ringkörper 40 und der Zusatzringkörper 41 aus einem Aluminiummaterial gebildet. Dadurch kann die Wärmeabfuhr im Betrieb des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden.
In Figur lb ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem im Unterschied zu dem in Figur la dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers 30 der Zusatzringkörper 41 entfällt. Darüber hinaus ist der in Figur la mit 39 bezeichnete Stützkörper in den Gehäusekörper 36 des Verdichtergehäuses integriert.
Der Gehäusekörper 36 des Verdichtergehäuses ist mit einer Kühlung 70 versehen, die Kühlkanäle 71, 72 umfasst. Durch die Kühlkanäle 71, 72 wird ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, geführt, über die das im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 entstehende Wärme abgeführt wird.
Der Kühlkanal 71 ist in der Nähe der Stützfläche 49 angeordnet. Der Kühlkanal 72 ist in der Nähe des Ringkörpers 40 angeordnet. Die Anordnung der Kühlkanäle 71, 72 kann vorteilhaft, ebenso wie die Anordnung der Kühlkanäle 61, 62 in Figur la, effektiv in die Nähe von Bereichen gelegt werden, die sich im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 besonders stark erwärmen. Dadurch kann die Effektivität der Kühlung 60, 70 weiter verbessert werden.

Claims

Ansprüche
1. Axial-Gaslager (30) mit mindestens einem Gaslagerspalt (58,59), der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe (33) und einer Stützfläche (48,49) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (48,49) an einem Stützkörper (38,39) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist.
2. Axial-Gaslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (38,39) aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche (48,49) mit einer Hartstoffschicht versehen ist.
3. Axial-Gaslager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (38,39) mit mindestens einem Ringkörper (40,41) kombiniert ist, der radial außerhalb der Axiallagerscheibe (33) angeordnet ist.
4. Axial-Gaslager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (40,41) aus einem Aluminiummaterial gebildet ist.
5. Axial-Gaslager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Stützfläche (49) an einem Gehäusekörper (36) einer mit dem Axial-Gaslager (30) ausgestatteten Maschine (100) vorgesehen ist.
6. Axial-Gaslager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (36) aus einem Aluminiummaterial gebildet ist.
7. Axial-Gaslager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (36) aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche (49) mit einer Hartstoffschicht versehen ist.
8. Axial-Gaslager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäusekörper (36) eine Kühlung (60;70) integriert ist.
9. Luftverdichter (100) mit einem Rotor (31), der durch ein Axial-Gaslager (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert ist.
10. Stützkörper (38,39), Gehäusekörper (36) und/oder Ringkörper (40,41) für ein Axial-Gaslager (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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