WO2014000867A1 - Strömungsmaschine für einen energiewandler sowie brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen strömungsmaschine - Google Patents

Strömungsmaschine für einen energiewandler sowie brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen strömungsmaschine Download PDF

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fuel cell
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Andreas Knoop
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine for an energy converter according to the preamble of patent claim 1 and fuel cell device with such a turbomachine.
  • DE 60 2004 012 546 T2 discloses a vacuum pump with a pump assembly, a shaft for driving the pump assembly, a motor for rotating the shaft and a bearing assembly.
  • the bearing assembly rotatably supports the shaft.
  • Bearing arrangement has a rolling bearing, which supports a first part of the shaft.
  • the bearing assembly further comprises a thrust bearing, which has a plurality of
  • Wälzommen accommodated which are in contact with an outer race of the rolling bearing and a race of the thrust bearing to resist axial movement of the bearing and to allow radial movement of the bearing.
  • Resulting bearing losses in particular in the form of friction losses, can be assigned to about 1/3 radial bearings and about 2/3 axial bearings. Due to the resulting losses, air bearings have a cooling air requirement, which is divided in proportion to the friction losses.
  • DE 10 2008 050 314 A1 discloses a generic turbomachine for an energy converter, in particular a fuel cell, as known.
  • the turbomachine has a compressor, by means of which the air to be supplied to the energy converter is to be compressed.
  • the turbomachine also has a turbine and a running tool.
  • the running tool comprises a compressor wheel of the compressor and a turbine wheel which can be driven by exhaust gas of the energy converter.
  • Fuel cell is the exhaust gas exhaust air of the fuel cell, by means of which the turbine wheel is driven.
  • the compressor is driven by the turbine wheel.
  • a storage device which at least one as
  • Point bearing trained thrust bearing comprises, by means of which the running gear is mounted in the axial direction. If the representation of a particularly low-loss storage of the running gear succeeds, the overall efficiency of the turbomachine can be considerably increased.
  • turbomachine wherein the turbomachine has a particularly high efficiency.
  • Patent claim 1 solved.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
  • At least one branch line fluidically connected to the compressor at a branching point arranged downstream of the compressor wheel, via which a wheel back of the turbine wheel can be acted upon by a pressure prevailing at the branching point.
  • This pressure is a compressor outlet pressure, which is guided from the compressor to Ramit the turbine wheel and thus to the turbine.
  • Branching the pressure or the compressed air and guiding the pressure or the air to the turbine allows at least partial compensation of the Compression resulting axial forces. Any remaining axial forces can be absorbed by the point bearing friction and low loss.
  • the point bearing is a so-called punctiform bearing, by means of which the running gear is mounted to form an at least substantially point-shaped contact in the axial direction between two bearing parts of the point bearing in the axial direction.
  • the invention also includes a fuel cell device, in particular for a motor vehicle, with at least one fuel cell as an energy converter for converting chemically bound energy of a fuel cell to be supplied fuel and an oxidant from the fuel cell supplied air into electrical energy, and with a flow machine according to the invention for supplying the fuel cell device, in particular for a motor vehicle, with at least one fuel cell as an energy converter for converting chemically bound energy of a fuel cell to be supplied fuel and an oxidant from the fuel cell supplied air into electrical energy, and with a flow machine according to the invention for supplying the
  • the turbomachine has a very high efficiency, so that the fuel cell can be supplied particularly efficiently with compressed air and thus operated efficiently.
  • Advantageous embodiments of the turbomachine according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the fuel cell device according to the invention and vice versa.
  • Figure 1 is a schematic longitudinal sectional view of a turbomachine for an energy converter, with a running tool, which is mounted in the axial direction by means of point bearings, wherein a Rarier of a turbine wheel of the rotor tool is acted upon by a compressor outlet pressure.
  • Fig. 2a-c each detail a schematic side view of a respective
  • Embodiment of a point bearing for supporting the tool in the axial direction. 1 shows a turbomachine 10 for an energy converter in the form of a
  • Fuel cell of a fuel cell device The fuel cell is used to convert chemically bound energy of a fuel to be supplied to the fuel cell and an oxidant from the fuel cell to be supplied air into electrical energy.
  • the fuel cell device is for example in a motor vehicle
  • the motor vehicle also includes at least one electric motor for driving the motor vehicle.
  • the electrical energy can be used to drive the electric motor.
  • Electric motor supplied, for example, at least substantially directly electrical energy.
  • the electrical energy is stored in an electrical storage device, in particular in a battery, wherein the electric motor can be supplied with the electrical energy from the battery as needed.
  • the turbomachine 10 is used to compress the air to be supplied to the fuel cell, whereby a particularly efficient operation of the fuel cell device is made possible.
  • the turbomachine 10 comprises a compressor 12 with a compressor wheel 14 for compressing the air to be supplied to the fuel cell.
  • the compressor wheel 14 is accommodated in a housing 6 of the turbomachine 10 and is rotatable about a rotation axis 21 relative to the housing 16.
  • the compressor wheel 14 is assigned to a rotatable about the rotation axis 21 relative to the housing 16 rotatably mounted gear 20.
  • the turbomachine 10 also includes a turbine 22 having a turbine wheel 24 housed in the housing 16, which is rotatably mounted about the axis of rotation 21 relative to the housing 16. Also, the turbine wheel 24 is associated with the power tool 20.
  • a spiral channel 26 of the turbine 22 is formed, via which the turbine wheel 24 exhaust gas in the form of exhaust air of the fuel cell is supplied.
  • the exhaust air can flow to the turbine wheel 24 and drive.
  • a discharge channel 28 is further formed. The exhaust air flows the turbine wheel 24 in one
  • Turbine outlet 30 is discharged via the discharge channel 28 from the turbine 24.
  • the running gear 20 also includes a shaft 33, with which the turbine wheel 24 and the compressor wheel 14 are rotatably connected. So it is possible that the turbine 24th the compressor wheel 14 drives about the shaft 33 about the rotation axis 21. Thus, energy contained in the exhaust air can be used to compress the air to be supplied to the fuel cell.
  • a feed channel 32 is formed, via which the compressor wheel 14, the air is supplied in the axial direction. Further, a compressor-side spiral channel 34 is formed by the housing 16, via which the compressed air from
  • Compressor 14 is discharged.
  • the compressed air flows from the compressor wheel 14 in a compressor outlet region 36 and is discharged via the further spiral channel 34 from the compressor wheel 14. Downstream of the compressor wheel 14 in the compressor outlet region 36 is arranged a guide vane grille 38 for deflecting or deflecting the compressed air.
  • the housing 16 may be designed in several parts and comprise a compressor housing part 17 and a turbine housing part 18.
  • a bearing housing part 19 is provided, on which the power tool 20 is mounted. Further, for storage of the power tool 20 a
  • Storage device which for the radial mounting of the power tool 20 comprises a compressor-side, radial air bearing 40 and a turbine-side, radial air bearing 42.
  • the air bearings 40, 42 may be, for example, foil air bearings.
  • the turbomachine 10 further comprises an electric motor 44 with a motor stator 46 held on the housing 16 and with a motor rotor 48 rotatably connected to the running gear 20.
  • the electric motor 44 By means of the electric motor 44, the running tool 20 can be driven at relatively high rotational speeds even at relatively low mass flows of the exhaust air , so that even at relatively low mass flows very high degrees of compression of the air to be supplied to the fuel cell can be realized. Due to this possibility of driving the power tool 20 via the electric motor 44, the turbomachine 0 is also referred to as an electrically driven turbocharger.
  • the bearing device For axial mounting of the power tool 20, the bearing device comprises a first compressor-side point bearing 50 and a second, turbine-side point bearing 52.
  • the point bearing 50 includes a rotatably connected to the compressor 14 and thus about the axis of rotation 21 relative to the housing 16 with the compressor wheel co-rotating ball segment 54.
  • the point bearing 50 includes a with the ball segment 54th
  • the ball segment 56 is adjoined by a cylindrical shaft 58, which is provided on the outer peripheral side with an external thread. About the external thread of the shaft 58 is screwed into a corresponding internal thread of the holder 51. By rotating the shaft 58 about the rotation axis 21 relative to the holder 51, the ball segment 56 can be moved in the axial direction and thus adjusted relative to the ball segment 54, thereby a bearing clearance of the point bearing 50 is adjustable.
  • the turbine-side point bearing 52 comprises a rotatably connected to the turbine wheel 24 and thus with the turbine wheel 24 about the rotation axis 21 with rotatable ball segment 60 and one corresponding to the ball segment 60
  • Ball segment 62 which is held on the housing 6 via a holder 64.
  • the ball segment 62 is followed by a substantially cylindrical shaft 66, which is provided on the outer peripheral side with an external thread. Be over
  • the shaft 66 is screwed into a corresponding internal thread of the holder 64.
  • the ball segment 62 can be moved in the axial direction relative to the ball segment 60 and thereby adjusted, so that a bearing clearance of the point bearing 52 is adjustable.
  • this adjustability of the ball segments 56, 62 and an axial position of the rotor tool 20 in the housing 16 can be adjusted.
  • thermal expansion effects can be taken into account.
  • the pressure build-up is equally divided between these two components, ie the compressor wheel 14 and the vane grille 38.
  • the pressure acting on the Raell 68 pressure is smaller than a pressure prevailing in the spiral channel 34 pressure.
  • a branch line 72 is provided, which is fluidically connected to the compressor 12 at a branch point 74 arranged downstream of the compressor wheel 14 on the one hand. In the present case is the
  • Branch point 74 arranged in the spiral channel 34, so that the air and thus the pressure from the spiral channel 34 via the branch line 72 to the turbine 22 is performed.
  • the branch line 72 opens in the radial direction in the region of a Raley 76 of the turbine wheel 24, so that the Ra express 76 of the turbine 24 with the prevailing at the branch point 74 pressure from the spiral channel 34 can be acted upon.
  • the compressor outlet pressure can be impressed on the Raley 76 by the branch line 72, also referred to as bleed air line, so that the axial forces are at least largely compensated, although the surface of the Raley 76 is generally smaller than the surface of the Ramony 68.
  • Point bearings 50, 52 added.
  • the point bearings 50, 52 rather represent sliding bearings, by means of which the running gear 20 is slidably mounted in the axial direction.
  • bearing-side losses can be kept low, whereby the cooling air requirement can be kept very low.
  • the turbomachine 10 has a particularly simple structure, since widenings of the shaft 33 are not provided for axial air bearings. Furthermore, by impressing the compressor outlet pressure on the Raelle 76 penetration of moist exhaust gas of the fuel cell can be avoided in the turbomachine 10, whereby a very high electrical safety of the turbomachine 10 is ensured.
  • FIGS. 2 a and 2 b show different embodiments of the ball segments 54, 56.
  • the ball segments 54, 56 have at least substantially identical radii.
  • the radius of the ball segment 54 is greater than the radius of the ball segment 56.
  • FIG. 2c shows that the point bearings 50, 52 can also have other bearing parts 78, 80.
  • One of the bearing parts 78, 80 is held on the housing 16, while the other of the bearing parts 78, 80 with the compressor wheel 14 and the turbine wheel 24 is rotatably connected.
  • the bearing part 78 is formed as a spherical segment as the ball segment 56 and adjustable via the shaft 58 with respect to its axial position.
  • the ball segment 56 and the bearing part 78 have a respective, convex support surface 82.
  • the ball segment 54 has a convex
  • the bearing part 80 has an at least substantially planar support surface 84.
  • the bearing parts 78, 80 or the ball segments 54, 56 can be supported against one another to form an at least substantially punctiform contact, so that the running tool 20 can thereby be supported in the axial direction.
  • both bearing parts 78, 80 or both ball segments 54, 56 may be formed, for example, of ceramic. It is also possible that one of the bearing parts 78, 80 or one of the ball segments 54, 56 is formed of ceramic, while the other of the bearing parts 78, 80 and the other of the ball segments 54, 56 made of a hardened steel or a hard metal is formed. Another possibility to achieve a very high abrasion resistance of the bearing parts 78, 80 and the ball segments 54, 56 and their bearing partners, represent coatings such as titanium carbide or diamond-like carbon (diamond-like carbon).
  • a cooling air guide indicated in FIG. 1 by directional arrows 86 is provided.
  • a cooling air outlet is designated by 88 in FIG.
  • a directional arrow 90 is another way to
  • the heated air can escape from the turbomachine 10 via the cooling air outlet 88 and / or via the cooling air outlet illustrated by the directional arrow 90.
  • an intercooler not shown in FIG. 1, can be provided in the branch line 72, by means of which the air flowing through the branch line 72 can be cooled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (10) für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einem Verdichter (12) zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft, mit einer Turbine (22), mit einem Laufzeug (20), welches ein Verdichterrad (14) des Verdichters (12) und ein von Abgas des Energiewandlers antreibbares Turbinenrad (24), mittels welchem das Verdichterrad (14) antreibbar ist, umfasst, und mit einer Lagereinrichtung, welche wenigstens ein als Punktlager (50, 52) ausgebildetes Axiallager umfasst, mittels welchem das Laufzeug (20) in axialer Richtung gelagert ist, wobei wenigstens eine, an einer stromab des Verdichterrads angeordneten Abzweigstelle (74) mit dem Verdichter (12) fluidisch verbundene Abzweigleitung (72) vorgesehen ist, über welche ein Radrücken (76) des Turbinenrads (24) mit einem an der Abzweigstelle (74) herrschenden Druck beaufschlagbar ist.

Description

Strömungsmaschine für einen Energiewandler sowie Brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen Strömungsmaschine.
Die DE 60 2004 012 546 T2 offenbart eine Vakuumpumpe mit einer Pumpenanordnung, einer Welle zum Antreiben der Pumpenanordnung, einem Motor zum Drehen der Welle und einer Lageranordnung. Die Lageranordnung lagert die Welle drehbar. Die
Lageranordnung weist ein Wälzlager auf, das einen ersten Teil der Welle abstützt. Die Lageranordnung weist ferner ein Schublager auf, welches eine Mehrzahl von
Wälzelementen beherbergt, die in Berührung mit einem äußeren Laufring des Wälzlagers und einem Laufring des Schublagers stehen, um einer Axialbewegung des Wälzlagers zu widerstehen und eine Radialbewegung des Wälzlagers zuzulassen.
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, bei Strömungsmaschinen wie beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Turboladern Kugel- oder Luftlager zu verwenden, um ein Laufzeug der Strömungsmaschine zu lagern. Die dynamischen Luftlager umfassen dabei wenigstens eine Folie, mittels welcher das Laufzeug gelagert ist. Diese Luftlager erzeugen prinzipbedingt besonders hohe Reibungsverluste
insbesondere gegenüber Kugellagern, wobei der größte Teil der Verluste bei Axiallagern anfällt. Entstehende Lagerverluste insbesondere in Form von Reibungsverlusten können dabei etwa zu 1/3 Radiallagern und zu ca. 2/3 Axiallagern zugeordnet werden. Aufgrund der entstehenden Verluste weisen Luftlager einen Kühlluftbedarf auf, welcher sich proportional zu den Reibverlusten aufteilt.
Der DE 10 2008 050 314 A1 ist eine gattungsgemäße Strömungsmaschine für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, als bekannt zu entnehmen. Die Strömungsmaschine weist einen Verdichter auf, mittels welchem dem Energiewandler zuzuführende Luft zu verdichten ist. Die Strömungsmaschine weist ferner eine Turbine sowie ein Laufzeug auf. Das Laufzeug umfasst ein Verdichterrad des Verdichters sowie ein von Abgas des Energiewandlers antreibbares Turbinenrad. Im Falle der
Brennstoffzelle ist das Abgas Abluft der Brennstoffzelle, mittels welchem das Turbinenrad antreibbar ist. Das Verdichterrad ist dabei über das Turbinenrad antreibbar.
Darüber hinaus ist eine Lagereinrichtung vorgesehen, welche wenigstens ein als
Punktlager ausgebildetes Axiallager umfasst, mittels welchem das Laufzeug in axialer Richtung gelagert ist. Gelingt die Darstellung einer besonders verlustarmen Lagerung des Laufzeugs, so kann der Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschine beträchtlich erhöht werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art sowie eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen
Strömungsmaschine bereitzustellen, wobei die Strömungsmaschine einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welche einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist, ist
erfindungsgemäß wenigstens eine, an einer stromab des Verdichterrads angeordneten Abzweigstelle mit dem Verdichter fluidisch verbundene Abzweigleitung vorgesehen, über welche eine Radrücken des Turbinenrads mit einem an der Abzweigstelle herrschenden Druck beaufschlagbar ist. Dieser Druck ist dabei ein Verdichterauslassdruck, welcher vom Verdichter zum Radrücken des Turbinenrads und somit zur Turbine geführt ist.
Dadurch können unterschiedliche Druckniveaus innerhalb der Strömungsmaschine geschickt genutzt werden, um auf die Lagereinrichtung wirkende Axialkräfte besonders gering zu halten und um so eine besonders verlustarme Lagerung des Laufzeugs zu realisieren. Dies führt zu einem besonders hohen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine. Mit dieser Maßnahme können die normalerweise in einer solchen Strömungsmaschine entstehenden Axialkräfte auf etwa 30 % reduziert werden. Das verdichterseitige
Abzweigen des Drucks bzw. der verdichteten Luft und das Führen des Drucks bzw. der Luft zu der Turbine ermöglicht eine zumindest teilweise Kompensation von bei der Verdichtung entstehenden Axialkräften. Etwaig verbleibende Axialkräfte können durch das Punktlager reibungs- und verlustarm aufgenommen werden.
Bei dem Punktlager handelt es sich um ein sogenanntes punktförmiges Lager, mittels welchem das Laufzeug unter Ausbildung eines zumindest im Wesentlichen punktförmigen Kontakts in axialer Richtung zwischen zwei Lagerteilen des Punktlagers in axialer Richtung gelagert ist.
Zur Erfindung gehört auch eine Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Brennstoffzelle als Energiewandler zur Wandlung von chemisch gebundener Energie eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zuzuführender Luft in elektrische Energie, und mit einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine zum Versorgen der
Brennstoffzelle mit verdichteter Luft. Die Strömungsmaschine weist einen sehr hohen Wirkungsgrad auf, so dass die Brennstoffzelle besonders effizient mit verdichteter Luft versorgt und somit effizient betrieben werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Strömungsmaschine für einen Energiewandler, mit einem Laufzeug, das in axialer Richtung mittels Punktlagern gelagert ist, wobei ein Radrücken eines Turbinenrads des Laufzeugs mit einem Verdichterauslassdruck beaufschlagt ist; und
Fig. 2a-c jeweils ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht einer jeweiligen
Ausführungsform eines Punktlagers zum Lagern des Laufzeugs in axialer Richtung. Fig. 1 zeigt eine Strömungsmaschine 10 für einen Energiewandler in Form einer
Brennstoffzelle einer Brennstoffzelleneinrichtung. Die Brennstoffzelle dient zur Wandlung von chemisch gebundener Energie eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zuzuführender Luft in elektrische Energie.
Die Brennstoffzelleneinrichtung ist dabei beispielsweise in einem Kraftwagen,
insbesondere einem Personenkraftwagen, verbaut, wobei der Kraftwagen auch wenigstens einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftwagens umfasst. Die elektrische Energie kann genutzt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Dabei wird dem
Elektromotor die elektrische Energie beispielsweise zumindest im Wesentlichen direkt zugeführt. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Energie in einer elektrischen Speichereinrichtung, insbesondere in einer Batterie, gespeichert wird, wobei der elektrische Motor mit der elektrischen Energie aus der Batterie bedarfsgerecht versorgt werden kann.
Die Strömungsmaschine 10 dient zum Verdichten der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft, wodurch ein besonders effizienter Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht ist. Die Strömungsmaschine 10 umfasst einen Verdichter 12 mit einem Verdichterrad 14 zum Verdichten der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft. Das Verdichterrad 14 ist in einem Gehäuse 6 der Strömungsmaschine 10 aufgenommen und um eine Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar. Das Verdichterrad 14 ist dabei einem um die Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar gelagerten Laufzeug 20 zugeordnet.
Die Strömungsmaschine 10 umfasst auch eine Turbine 22 mit einem im Gehäuse 16 aufgenommenen Turbinenrad 24, welches um die Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar gelagert ist. Auch das Turbinenrad 24 ist dem Laufzeug 20 zugeordnet.
Durch das Gehäuse 16 ist ein Spiralkanal 26 der Turbine 22 gebildet, über welchen dem Turbinenrad 24 Abgas in Form von Abluft der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Abluft kann das Turbinenrad 24 anströmen und antreiben. Durch das Gehäuse 16 ist ferner ein Abführkanal 28 gebildet. Die Abluft strömt das Turbinenrad 24 in einem
Turbinenauslassbereich 30 ab und wird über den Abführkanal 28 vom Turbinenrad 24 abgeführt.
Das Laufzeug 20 umfasst auch eine Welle 33, mit welcher das Turbinenrad 24 und das Verdichterrad 14 drehfest verbunden sind. So ist es möglich, dass das Turbinenrad 24 das Verdichterrad 14 über die Welle 33 um die Drehachse 21 antreibt. Somit kann in der Abluft enthaltene Energie zum Verdichten der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft verwendet werden.
Durch das Gehäuse 16 ist ein Zuführkanal 32 gebildet, über welchen dem Verdichterrad 14 die Luft in axialer Richtung zugeführt wird. Ferner ist durch das Gehäuse 16 ein verdichterseitiger Spiralkanal 34 gebildet, über welchen die verdichtete Luft vom
Verdichterrad 14 abgeführt wird. Dabei strömt die verdichtete Luft das Verdichterrad 14 in einem Verdichterauslassbereich 36 ab und wird über den weiteren Spiralkanal 34 vom Verdichterrad 14 abgeführt. Stromab des Verdichterrads 14 im Verdichterauslassbereich 36 ist ein Leitschaufelgitter 38 zum Ab- oder Umlenken der verdichteten Luft angeordnet. Das Gehäuse 16 kann mehrteilig ausgeführt sein und ein Verdichtergehäuseteil 17 sowie ein Turbinengehäuseteil 18 umfassen.
Zur Lagerung des Laufzeugs 20 ist ein Lagergehäuseteil 19 vorgesehen, an den das Laufzeug 20 gelagert ist. Ferner ist zur Lagerung des Laufzeugs 20 eine
Lagerungseinrichtung vorgesehen, welche zur radialen Lagerung des Laufzeugs 20 ein verdichterseitiges, radiales Luftlager 40 sowie ein turbinenseitiges, radiales Luftlager 42 umfasst. Bei den Luftlagern 40, 42 kann es sich beispielsweise um Folienluftlager handeln.
Die Strömungsmaschine 10 umfasst darüber hinaus einen Elektromotor 44 mit einem am Gehäuse 16 gehaltenen Motorstator 46 und mit einem mit dem Laufzeug 20 drehfest verbundenen Motorrotor 48. Mittels des Elektromotors 44 kann das Laufzeug 20 auch bei relativ geringen Massenströmen der Abluft mit relativ hohen Drehzahlen angetrieben werden, so dass auch bei relativ geringen Massenströmen sehr hohe Verdichtungsgrade der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft realisierbar sind. Aufgrund dieser Möglichkeit, das Laufzeug 20 über den Elektromotor 44 anzutreiben, wird die Strömungsmaschine 0 auch als elektrisch angetriebener Turbolader bezeichnet.
Zur axialen Lagerung des Laufzeugs 20 umfasst die Lagerungseinrichtung ein erstes, verdichterseitiges Punktlager 50 sowie ein zweites, turbinenseitiges Punktlager 52. Das Punktlager 50 umfasst ein mit dem Verdichterrad 14 drehfest verbundenes und somit um die Drehachse 21 relativ zum Gehäuse 16 sich mit dem Verdichterrad mitdrehendes Kugelsegment 54. Das Punktlager 50 umfasst ein mit dem Kugelsegment 54
korrespondierendes Kugelsegment 56, welches über einen Halter 51 des Punktlagers 50 am Gehäuse 16 gehalten ist. Dies bedeutet, dass sich das Kugelsegment 54 relativ zum Kugelsegment 56 dreht.
An das Kugelsegment 56 schließt sich ein zylindrischer Schaft 58 an, welcher außenumfangsseitig mit einem Außengewinde versehen ist. Über das Außengewinde ist der Schaft 58 in ein korrespondierendes Innengewinde des Halters 51 eingeschraubt. Durch Drehen des Schafts 58 um die Drehachse 21 relativ zum Halter 51 kann das Kugelsegment 56 in axialer Richtung bewegt und somit relativ zum Kugelsegment 54 verstellt werden, so dass dadurch ein Lagerspiel des Punktlagers 50 einstellbar ist.
Auch das turbinenseitige Punktlager 52 umfasst ein mit dem Turbinenrad 24 drehfest verbundenes und somit mit dem Turbinenrad 24 um die Drehachse 21 mit drehbares Kugelsegment 60 sowie ein mit dem Kugelsegment 60 korrespondierendes
Kugelsegment 62, welches über einen Halter 64 am Gehäuse 6 gehalten ist. An das Kugelsegment 62 schließt sich ein im Wesentlichen zylinderförmiger Schaft 66 an, welcher außenumfangsseitig mit einem Außengewinde versehen ist. Über sein
Außengewinde ist der Schaft 66 in ein korrespondierendes Innengewinde des Halters 64 eingeschraubt. Durch Drehen des Schafts 66 relativ zum Halter 64 um die Drehachse 21 kann somit das Kugelsegment 62 in axialer Richtung relativ zum Kugelsegment 60 bewegt und dadurch verstellt werden, so dass auch ein Lagerspiel des Punktlagers 52 einstellbar ist. Durch diese Einstellbarkeit der Kugelsegmente 56, 62 kann auch eine axiale Position des Laufzeugs 20 im Gehäuse 16 eingestellt werden. Darüber hinaus können Wärmedehnungseffekte berücksichtigt werden.
Bei der Verdichtung der Luft mittels der Strömungsmaschine 10 entstehen Axialkräfte, indem sich ein im Verdichterauslassbereich 36 stromab des Verdichterrads 14 herrschender Druck auf einen dem Turbinenrad 24 zugewandten Radrücken 68 des Verdichterrads 14 aufprägt. Abhängig von der Fläche des Radrückens 68 resultiert daraus eine Kraft in Richtung eines Verdichtereinlassbereichs 70, über welchen dem Verdichterrad 14 die zu verdichtende Luft zugeführt wird. Der Druckaufbau selbst erfolgt einerseits im Verdichterrad 14 und andererseits durch das Leitschaufelgitter 38.
Typischerweise teilt sich der Druckaufbau zu gleichen Teilen auf diese beiden Bauteile, d.h. auf das Verdichterrad 14 und auf das Leitschaufelgitter 38 auf. Somit ist der den Radrücken 68 beaufschlagende Druck kleiner als ein im Spiralkanal 34 herrschender Druck. Dadurch, dass der Druck den Radrücken 68 beaufschlagt, kommt es zu Axialkräften. Um diese Axialkräfte zumindest teilweise zu kompensieren, ist eine Abzweigleitung 72 vorgesehen, welche einerseits an einer stromab des Verdichterrads 14 angeordneten Abzweigstelle 74 fluidisch mit dem Verdichter 12 verbunden ist. Vorliegend ist die
Abzweigstelle 74 im Spiralkanal 34 angeordnet, so dass die Luft und somit der Druck aus dem Spiralkanal 34 über die Abzweigleitung 72 zur Turbine 22 geführt wird. Andererseits mündet die Abzweigleitung 72 in radialer Richtung im Bereich eines Radrückens 76 des Turbinenrads 24, so dass der Radrücken 76 des Turbinenrads 24 mit dem an der Abzweigstelle 74 herrschenden Druck aus dem Spiralkanal 34 beaufschlagbar ist. Mit anderen Worten kann durch die auch als Zapfluftleitung bezeichnete Abzweigleitung 72 der Verdichterauslassdruck auf den Radrücken 76 aufgeprägt werden, so dass die Axialkräfte zumindest weitestgehend ausgeglichen werden, obwohl die Fläche des Radrückens 76 im Allgemeinen kleiner als die Fläche des Radrückens 68 ist.
Verbleibende Axialkräfte werden durch die pumpförmige Axiallager darstellenden
Punktlager 50, 52 aufgenommen. Durch die Punktlager 50, 52 wird das Laufzeug 20 in axialer Richtung nicht durch Luftlager gelagert. Die Punktlager 50, 52 stellen vielmehr Gleitlagerungen dar, mittels welchen das Laufzeug 20 in axialer Richtung gleitgelagert ist. Zusammen mit der zumindest teilweisen Kompensation der Axialkräfte mit Hilfe der Abzweigleitung 72 können so lagerseitige Verluste gering gehalten werden, wodurch auch der Kühlluftbedarf besonders gering gehalten werden kann. Darüber hinaus weist die Strömungsmaschine 10 einen besonders einfachen Aufbau auf, da Aufweitungen der Welle 33 für axiale Luftlager nicht vorgesehen sind. Des Weiteren kann durch das Aufprägen des Verdichterauslassdrucks auf den Radrücken 76 ein Eindringen von feuchtem Abgas der Brennstoffzelle in die Strömungsmaschine 10 vermieden werden, wodurch eine sehr hohe elektrische Sicherheit der Strömungsmaschine 10 gewährleistet ist.
Fig. 2a und 2b zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Kugelsegmente 54, 56. Gemäß Fig. 2a weisen die Kugelsegmente 54, 56 zumindest im Wesentlichen gleiche Radien auf. Gemäß Fig. 2b ist der Radius des Kugelsegments 54 größer als der Radius des Kugelsegments 56.
Fig. 2c zeigt, dass die Punktlager 50, 52 auch anderweitige Lagerteile 78, 80 aufweisen können. Eines der Lagerteile 78, 80 ist dabei am Gehäuse 16 gehalten, während das andere der Lagerteile 78, 80 mit dem Verdichterrad 14 bzw. mit dem Turbinenrad 24 drehfest verbunden ist. Vorliegend ist auch das Lagerteil 78 als Kugelsegment wie das Kugelsegment 56 ausgebildet und über den Schaft 58 hinsichtlich seiner axialen Position einstellbar. Das Kugelsegment 56 und das Lagerteil 78 weisen eine jeweilige, konvexe Abstützfläche 82 auf. Damit korrespondierend weist auch das Kugelsegment 54 eine konvexe
Abstützfläche 84 auf. Im Gegensatz dazu weist das Lagerteil 80 eine zumindest im Wesentlichen ebene Abstützfläche 84 auf. Über die Abstützflächen 82, 84 können sich die Lagerteile 78, 80 bzw. die Kugelsegmente 54, 56 unter Ausbildung eines zumindest im Wesentlichen punktförmigen Kontakts aneinander abstützen, so dass dadurch das Laufzeug 20 in axialer Richtung abgestützt werden kann.
Für die Kugelsegmente 54, 56 bzw. die Lagerteile 78, 80 sowie für gehäusefeste Teile der Punktlager 50, 54 beispielsweise für die Halter 51 , 64 können unterschiedliche Werkstoffpaarungen in Frage kommen. Hierbei können beide Lagerteile 78, 80 bzw. beide Kugelsegmente 54, 56 beispielsweise aus Keramik ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass eines der Lagerteile 78, 80 bzw. eines der Kugelsegmente 54, 56 aus Keramik gebildet ist, während das andere der Lagerteile 78, 80 bzw. das andere der Kugelsegmente 54, 56 aus einem gehärteten Stahl oder aus einem Hartmetall gebildet ist. Eine andere Möglichkeit, eine sehr hohe Abriebfestigkeit der Lagerteile 78, 80 bzw. der Kugelsegmente 54, 56 und deren Lagerpartnern zu erreichen, stellen Beschichtungen wie Titankarbid oder diamantähnlicher Kohlenstoff (diamond-like carbon) dar.
Um in den radialen Luftlagern 40, 42 und insbesondere im Motorrotor 48 entstehende Verlustleistung abzuführen und diese zu kühlen, ist eine in Fig. 1 durch Richtungspfeile 86 angedeutete Kühlluftführung vorgesehen. Hierbei ist in Fig. 1 ein Kühlluftauslass mit 88 bezeichnet. Anhand eines Richtungspfeils 90 ist eine weitere Möglichkeit zur
Darstellung eines solchen Kühlluftauslasses angedeutet. Über den Kühlluftauslass 88 und/oder über den durch den Richtungspfeil 90 veranschaulichten Kühlluftauslass kann die erwärmte Luft aus der Strömungsmaschine 10 entweichen.
Um eine besonders hohe Kühlleistung realisieren zu können, kann in der Abzweigleitung 72 ein in Fig. 1 nicht dargestellter Zwischenkühler vorgesehen sein, mittels welchem die die Abzweigleitung 72 durchströmende Luft gekühlt werden kann. Bezugszeichenliste
10 Strömungsmaschine
12 Verdichter
14 Verdichterrad
16 Gehäuse
17 Verdichtergehäuseteil
18 Turbinengehäuseteil
19 Lagergehäuseteil
20 Laufzeug
21 Drehachse
22 Turbine
24 Turbinenrad
26 Spiralkanal
28 Abführkanal
30 Turbinenauslassbereich
32 Zuführkanal
33 Welle
34 Spiralkanal
36 Verdichterauslassbereich
38 Leitschaufelgitter
40 radiales Luftlager
42 radiales Luftlager
44 Elektromotor
46 Motorstator
48 Motorrotor
50 Punktlager
51 Halter
52 Punktlager
54 Kugelsegment 56 Kugelsegment
58 Schaft
60 Kugelsegment
62 Kugelsegment
64 Halter
66 Schaft
68 Radrücken
70 Verdichtereinlassbereich
72 Abzweigleistung
74 Abzweigstelle
76 Radrücken
78 Lagerteil
80 Lagerteil
82 Abstützfläche
84 Abstützfläche
86 Richtungspfeil
88 Kühlluftauslass
90 Richtungspfeil

Claims

Patentansprüche
Strömungsmaschine (10) für einen Energiewandler, insbesondere eine
Brennstoffzelle, mit einem Verdichter (12) zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft, mit einer Turbine (22), mit einem Laufzeug (20), welches ein Verdichterrad (14) des Verdichters (12) und ein von Abgas des Energiewandlers antreibbares Turbinenrad (24), mittels welchem das Verdichterrad (14) antreibbar ist, umfasst, und mit einer Lagereinrichtung, welche wenigstens ein als Punktlager (50, 52) ausgebildetes Axiallager umfasst, mittels welchem das Laufzeug (20) in axialer Richtung gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine, an einer stromab des Verdichterrads angeordneten Abzweigstelle (74) mit dem Verdichter (12) fluidisch verbundene Abzweigleitung (72) vorgesehen ist, über welche ein Radrücken (76) des Turbinenrads (24) mit einem an der Abzweigstelle (74) herrschenden Druck beaufschlagbar ist.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Punktlager (50, 52) wenigstens zwei Lagerteile (54, 56, 78, 80) umfasst, welche über jeweilige, konvexe Abstützflächen (82, 84) in axialer Richtung aneinander abstützbar sind.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstützflächen (82, 84) jeweilige, voneinander unterschiedliche
Krümmungsradien aufweisen.
4. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Punktlager (50, 52) ein erstes Lagerteil (54, 56, 78) mit einer konvexen, ersten Abstützfläche (82) und wenigstens ein zweites Lagerteil (80) mit einer zumindest im Wesentlichen ebenen, zweiten Abstützfläche (84) umfasst, wobei die Lagerteile (54, 56, 78, 80) über die jeweiligen Abstützflächen (82, 84) in axialer Richtung aneinander abstützbar sind.
5. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagereinrichtung wenigstens ein Radiallager (40, 42) aufweist, mittels welchem das Laufzeug (20) in radialer Richtung gelagert ist, wobei das Radiallager (40, 42) als Luftlager, insbesondere als Folienluftlager, ausgebildet ist.
6. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Elektromotor (44) zum Antreiben des Laufzeugs (20) vorgesehen ist.
7. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch den Abzweigleitung (72) der Verdichterauslassdruck auf den Radrücken (76) der Turbine aufgeprägt wird, womit kein feuchtes Abgas in den Bereich des
Elektromotors (44) eindringen kann. Hierdurch erhöht sich die elektrische Sicherheit der Maschine.
8. Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Brennstoffzelle zur Wandlung von chemisch gebundener Energie eines der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs und eines Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle zuzuführender Luft in elektrische Energie, und mit einer
Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum
Versorgen der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft.
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