WO2021190933A1 - Lageranordnung für eine achswelle eines turbokompressors - Google Patents

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WO2021190933A1
WO2021190933A1 PCT/EP2021/056050 EP2021056050W WO2021190933A1 WO 2021190933 A1 WO2021190933 A1 WO 2021190933A1 EP 2021056050 W EP2021056050 W EP 2021056050W WO 2021190933 A1 WO2021190933 A1 WO 2021190933A1
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gap
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Jochen Wessner
Martin Katz
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bearing arrangement for an axle shaft of a turbo compressor, which can be a component of a cathode circuit of a fuel cell stack.
  • Hydrogen-based fuel cells are the basis for a mobility concept of the future, as they only emit water and enable fast refueling times.
  • PEM fuel cells PEM: "proton exchange membrane”; proton exchange membrane
  • PEM fuel cells can be operated with air supplied to the cathode of the fuel cell with oxygen as the oxidizing agent and hydrogen supplied to the anode of the fuel cell as fuel in an electrocatalytic electrode process to provide electrical energy with a high degree of efficiency.
  • Such fuel cells are typically stacked and operated as a fuel cell stack in a fuel cell system.
  • the air fed to the cathode of the fuel cell stack is compressed by means of a turbo compressor.
  • a bearing arrangement for an axle shaft of a turbo compressor is proposed with at least one water-hydraulic bearing which is set up to support the axle shaft of the turbo compressor rotatably, the water-hydraulic bearing enclosing the axle shaft on a circumference of the axle shaft to form a bearing gap therebetween .
  • the water-hydraulic bearing is set up to allow water to flow through the bearing gap in order to mount the axle shaft in a water-hydraulic manner.
  • the bearing arrangement has at least one gas supply, which leads gas with increased pressure from the turbo compressor to both outer edges of the bearing gap in order to seal the bearing.
  • Such a turbo compressor typically has two turbo machines, which are mechanically fixedly connected to a common axle shaft and can have two such bearing arrangements.
  • the heat generated in the bearings can be dissipated with the water and the water can also be used to dissipate the heat from the electrical machine. It is particularly advantageous that a turbo compressor, which is arranged in a system of a fuel cell stack, can easily provide the water required for the water-hydraulic bearing, for example by condensation of the air flow emerging from the fuel cell stack.
  • the bearing arrangement By externally admitting gas from the turbo compressor to the respective edges of the sealing gap, the bearing arrangement can be sealed in order to prevent water from escaping at the edges of the bearing gap.
  • this leads to a particularly good sealing of the bearing arrangement, which is particularly important so that the water of the water-hydraulic bearing does not get into the turbine to cause drop impact avoid.
  • Reliable sealing and, if necessary, cooling of the hydrodynamic bearings can thus be achieved with such a bearing arrangement by applying compressed air from the turbo compressor to the edge of the bearing gap in order to prevent the liquid medium such as water from escaping at the edge of the bearing gap.
  • the winding of the stator of the electric drive of the turbo compressor can also be cooled with it.
  • This gas is advantageously inherently available in such a system with a turbo compressor and can be provided both from the compressor or compressor side and from the turbine side of the turbo compressor.
  • the water-hydraulic bearing is a sliding bearing and can be designed as a hydrostatic or hydrodynamic bearing.
  • the low-viscosity medium such as water
  • the risk of rust formation with water as a medium can be prevented by coating the axle shaft in the area of the bearing gap.
  • the bearing arrangement has at least one channel for supplying air from the turbo compressor to the two outer edges of the bearing gap.
  • compressed air from the compressor part or the turbine part of the turbo compressor can be guided to the outer edges of the bearing gap of the respective hydrodynamic bearing.
  • the channel can be guided both inside the bearing shell and along the axle shaft in order to guide the compressed air from the compressor part or from the turbine part to the respective hydrodynamic bearing.
  • the bearing has at least one supply opening in order to fluidically connect the bearing gap to a water tank in order to provide water for the bearing gap.
  • the bearing with the bearing arrangement with the water-hydraulic bearing can be rotatably supported.
  • a uniform distribution of water in the bearing gap can be achieved in order to optimize the sliding properties and the load-bearing capacity of the bearing.
  • the bearing has at least two drainage openings for draining water from the bearing gap.
  • the flow of the water through the bearing gap can be optimized in order to adapt the sliding properties and the load-bearing capacity of the bearing to the requirements accordingly.
  • the water-hydraulic bearing is a hydrodynamic bearing and is set up to suck in water for the bearing gap itself.
  • the hydrodynamic plain bearing is a plain bearing in which the lubricant pressure is automatically generated when the bearing is in operation at the point where the force is transmitted between the two bearing parts.
  • the lubrication gap is wedge-shaped at this point (lubrication wedge), so that higher pressure arises in the lubricant carried by the surface of the moving bearing part into the constriction, or the power is transmitted via an interposed lubricant film.
  • the axle shaft can be arranged in such a way that it can assume an eccentric position with respect to the bearing.
  • a hydrodynamic bearing does not require any externally applied water pressure, since it can suck in the water from the tank on its own.
  • hydrostatic plain bearings With hydrostatic plain bearings, lubricant is supplied to the power-transmitting point by an external pump and under the required pressure. Since the pump can work permanently, there is also lubricant friction at the beginning and at the end of bearing operation (during start-up and coasting down). The pressure that is required for highly loaded bearings and that occurs in hydrodynamic plain bearings, however, would not be easy to produce with a pump. Highly loaded hydrodynamic plain bearings are occasionally also equipped with a pump for starting up and coasting down.
  • water-hydraulic bearing is designed as a hydrostatic bearing, such a pump builds up the necessary pressure in the bearing gap.
  • a pump can be used, for example, for low-wear start-up of the turbo compressor, because an initial pressure can be provided with the pump.
  • the bearing arrangement has an axle shaft which is set up to form a centrifugal seal together with the bearing arrangement.
  • the axle shaft can have structures on its circumference which, due to the centrifugal force, transport the water into the drainage opening of the hydrodynamic bearing and thus improve the tightness of the hydrodynamic bearing.
  • the water-hydraulic bearing is formed in a bearing shell which is set up to be received in a form-fitting manner by a bearing plate of the turbo compressor.
  • Such a bearing shell can be arranged on a circumference of the axle shaft and thus ensure economical production of a turbo compressor with a hydrodynamic bearing.
  • Such a bearing shell can be designed in the form of a bushing, guided over the axle shaft and introduced into the bearing plate.
  • the bearing arrangement has a water tank and a pump, and is set up to pump water from the water tank into the bearing gap via the supply opening of the bearing.
  • a hydrostatic bearing can be operated or a hydrodynamic bearing can be approached due to the water pressure thus achieved.
  • the water flowing out of the bearing arrangement is used to humidify air which is supplied to a cathode of a fuel cell system by means of the turbo compressor.
  • the water can be fed back to the fuel cell system after it has passed the water-dynamic bearing of the bearing arrangement and / or has possibly also flowed through a cooling water circuit of the turbo compressor.
  • the water flowing out of the bearing arrangement is used to cool components of a fuel cell system.
  • the water can also be used for this.
  • the water for the hydrodynamic bearing comprises condensed water of a fuel cell system.
  • such a fuel cell system can provide a water separator, in particular at the exit of the cathode side of the fuel cell stack, wherein the separated water of the water separator can then be fed to a water tank.
  • the water separator can be set up both to separate droplet-shaped water from the cathode gas and to condense gaseous water.
  • the water separator can in particular also be designed as a condenser or as a combination of water separator and condenser.
  • the term water separator thus includes both the term water separator per se and the term condenser.
  • a water separator designed in this way, the product water of the fuel cell stack operated at different operating points can be separated.
  • the emerging cathode gas is not saturated with water, is completely saturated and also if it also contains water droplets, for example in the form of mist or water already condensed elsewhere in the system, this water can be separated out.
  • Such a water separator can have a cyclone and / or a condenser.
  • turbo compressor being a component of a fuel cell system. Since in such a fuel cell system, as described above, the water is generated during operation, a turbo compressor mounted in this way can be used particularly advantageously here.
  • turbo compressor with a bearing arrangement as described above is proposed, the turbo compressor having a liquid cooling circuit, and the water flowing into and / or out of the bearing gap is passed through the liquid cooling circuit to heat the electrical machine of the turbo compressor to dissipate.
  • the water required for the hydraulic storage can be guided through the thermally highly stressed components of the e-machine on the way to the storage point and cool them.
  • the drive motor, whose components must be cooled, is located between the bearing points.
  • the water required for the hydraulic storage can be guided through the thermally highly stressed components of the e-machine on the way to the storage point and cool them.
  • a cathode circuit of a fuel cell stack with a turbo compressor described above and a humidifier for humidifying the cathode gas is proposed, the cathode circuit being set up to supply the water flowing out of the storage arrangement to the humidifier.
  • the air mass flow that the compressor of the turbo compressor delivers must be humidified and cooled.
  • the water emerging from the water-hydraulic bearing can also take on this task.
  • the cathode gas that is fed to the cathode side of the fuel cell stack has an oxidizing agent for the electrocatalytic reaction of the fuel cells in the fuel cell stack, wherein the oxidizing agent can in particular include oxygen or air.
  • the water separator is set up to receive a gas flow from an electrode chamber of the fuel cell stack and to separate water from the gas flow when the gas flow is passed through the water separator, the gas flow carrying product water with it from an electrode chamber of the fuel cell stack.
  • a mobile platform has a turbo compressor with a bearing arrangement as described above.
  • a mobile platform can be an at least partially automated system that is mobile and / or a driver assistance system.
  • An example can be an at least partially automated vehicle or a vehicle with a driver assistance system. That is, in this context, an at least partially automated system includes a mobile platform with regard to an at least partially automated functionality, but a mobile platform also includes vehicles and other mobile machines including driver assistance systems. Each of these systems can be a fully or partially autonomous system.
  • Figure 1 shows a bearing arrangement for an axle shaft of a turbo compressor.
  • FIG. 1 outlines a bearing arrangement 100 for an axle shaft 120 of a turbo compressor.
  • the common axle shaft 120 of the turbo compressor is supported by two such bearing arrangements 100 with water-hydraulic bearings 110.
  • An electric drive motor of the turbo compressor is arranged between the water-hydraulic bearings 110, the components of which generate heat during operation that has to be dissipated.
  • the turbo compressor is only with its copper winding 140 in a potting compound, an iron sheet 144 of the motor, the stator receptacle 146, ie. H. the cooling sleeve, the motor housing 150 with cooling openings and the end shield 130 indicated.
  • the water-hydraulic bearing 110 of the bearing arrangement 100 is designed to rotatably support the axle shaft 120 of the turbo compressor, the water-hydraulic bearing 110 enclosing the axle shaft 120 on a circumference of the axle shaft 120 in order to form a bearing gap 114 therebetween.
  • the water-hydraulic bearing 110 is set up to allow water 116, which is supplied to the bearing 110 through a channel 115, to flow through the bearing gap 114 in order to mount the axle shaft 120 in a water-hydraulic manner.
  • the channel 115 can be connected to a water tank via a fluid-permeable connecting line.
  • the Bearing arrangement 100 can be provided in the connection line to the tank, a pump which pumps the water into the bearing gap 114.
  • a pump which pumps the water into the bearing gap 114.
  • such a pump can be provided in the connection line to the tank in order to build up a water pressure in the bearing gap 114 in order to start the turbo compressor.
  • the bearing arrangement 100 has at least one gas supply 142, 143, 162, 163, which leads gas at increased pressure from the turbo compressor to both outer edges of the bearing gap 114 to seal the water-hydraulic bearing 110.
  • the end shield 130 can have at least one air duct 143 which is formed in the end shield 130 in addition to an air gap 142 around the stator of the electric drive of the turbo compressor.
  • the gas from the turbo compressor can also be used to air-cool the electric drive of the turbo compressor.
  • the water-hydraulic bearing 110 is set up with two outflow openings 112 in the area of the bearing gap 114 to allow the water 116 to flow out of the bearing gap 114 and the water 116 can be drained from the turbo compressor via an outflow channel 118, which can be formed in the bearing shell 130 .
  • This water 116 which is passed through the bearing gap 114, can be fed either to a cathode air flow of a fuel cell system and / or to a liquid cooling circuit of the turbo compressor.
  • this water 116 can be fed to a humidifier of a system for operating a fuel cell stack, which is arranged in the air feed for the cathode side of the fuel cell stack.
  • the water used for the water-hydraulic bearings which is taken from a water tank, can have condensed water from an air mass flow of an outlet connection on a cathode side of the fuel cell stack.
  • a condenser can be arranged in this air mass flow and this condensed water can be conducted into the water tank via a fluid line.
  • the water-hydraulic bearing 110 can be set up as a hydrodynamic bearing 110 to suck in the water 116 via the channel 115 in the bearing plate 130 itself.
  • the axle shaft 120 has structures 122 on its circumference which, together with the bearing arrangement, form a centrifugal seal for the bearing gap 114.
  • the water-hydraulic bearing 110 is formed in a bearing shell which is received in a form-fitting manner by the bearing plate 130.

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Abstract

Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, mit zumindest einem wasserhydraulischen Lager vorgeschlagen, das eingerichtet ist, die Achswelle des Turbokompressors drehbar zu lagern, wobei das wasserhydraulische Lager die Achswelle an einem Umfang der Achswelle umschließt, um dazwischen einen Lagerspalt zu bilden; und wobei das wasserhydraulische Lager eingerichtet ist, Wasser durch den Lagerspalt fließen zu lassen, um die Achswelle wasserhydraulisch zu lagern; und zumindest eine Gaszuführung, die Gas mit erhöhtem Druck vom Turbokompressor an beide äußeren Ränder des Lagerspaltes zum Abdichten des Lagers führt.

Description

Beschreibung
Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, der eine Komponente eines Kathodenkreislaufs eines Brennstoffzellen-Stacks sein kann.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.:“proton- exchange-membrane“; Protonen-Austausch-Membran) können mit der Kathode der Brennstoffzelle zugeführter Luft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel und der Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.
Solche Brennstoffzellen werden typischerweise gestapelt als Brennstoffzellen- Stack in einem Brennstoffzellen-Systemen betrieben. Die der Kathode des Brennstoffzellen-Stacks zugeführte Luft wird mittels eines Turbokompressors verdichtet.
Offenbarung der Erfindung
Die Lagerung der Antriebswelle eines solchen Turbokompressors wird entweder mit Wälzlagern, mit dem Nachteil einer hohen Reibung und einer entsprechend geringen Lebensdauer oder mit hydrodynamischen Luftlagern, die, wegen der benötigten hohen Genauigkeit, aufwendig zu fertigen sind, umgesetzt. Beide Varianten haben ebenfalls den Nachteil, dass in den Lagern und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Wärme nur schlecht abgeführt werden kann. Entsprechend einem Aspekt wird eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, eine Verwendung der Lageranordnung, ein Turbokompressor und ein Kathodenkreislauf eines Brennstoffzellen-Stacks entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt wird eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, mit zumindest einem wasserhydraulischen Lager vorgeschlagen, das eingerichtet ist, die Achswelle des Turbokompressors drehbar zu lagern, wobei das wasserhydraulische Lager die Achswelle an einem Umfang der Achswelle umschließt, um dazwischen einen Lagerspalt zu bilden. Dabei ist das wasserhydraulische Lager eingerichtet, Wasser durch den Lagerspalt fließen zu lassen, um die Achswelle wasserhydraulisch zu lagern. Weiterhin weist die Lageranordnung zumindest eine Gaszuführung auf, die Gas mit erhöhtem Druck vom Turbokompressor an beide äußeren Ränder des Lagerspaltes zum Abdichten des Lagers führt.
Ein solcher Turbokompressor weist typischerweise zwei Turbomaschinen auf, die mit einer gemeinsamen Achswelle mechanisch fest verbunden sind und zwei solcher Lageranordnungen aufweisen können.
Durch die höhere Viskosität von Wasser gegenüber Luft können die Lagergenauigkeiten eines solchen wasserhydraulischen Lagers in einer solchen Lageranordnung deutlich reduziert werden und die Tragfähigkeit des Lagers steigt bei ähnlichen Abmessungen deutlich an.
Die in den Lagern entstehende Wärme kann durch diesen Aufbau bedingt mit dem Wasser abgeführt werden und das Wasser kann auch verwendet werden, um die Wärme der elektrischen Maschine abzuführen. Besonders vorteilhaft ist, dass ein Turbokompressor, der in einem System eines Brennstoffzellen-Stacks angeordnet ist, das für das wasserhydraulische Lager notwendige Wasser, beispielsweise durch Kondensation der aus dem Brennstoffzellen-Stack austretenden Luftströmung, leicht bereitstellen kann.
Durch die äußere Beaufschlagung der jeweiligen Ränder des Dichtungsspaltes mit Gas des Turbokompressors kann die Lageranordnung abgedichtet werden, um den Austritt von Wasser an den Rändern des Lagerspalts zu verhindern. Mit anderen Worten führt dies zu einer besonders guten Abdichtung der Lageranordnung, was insbesondere wichtig ist damit das Wasser des wasserhydraulischen Lagers nicht in die Turbine gelangt, um Tropfenschlag zu vermeiden. Somit kann mit einer solchen Lageranordnung eine zuverlässige Abdichtung und gegebenenfalls auch Kühlung der hydrodynamischen Lager erreicht werden, indem der Rand des Lagerspalts mit komprimierter Luft des Turbokompressors beaufschlagt wird, um das flüssige Medium wie beispielsweise Wasser daran zu hindern am Rand des Lagerspalts auszutreten.
Wenn dieses Wasser in einen Kühlkreislauf des Turbokompressors geführt wird, kann damit auch die Wicklung des Stators des elektrischen Antriebs des Turbokompressors gekühlt werden.
Dieses Gas steht dabei vorteilhafterweise in einem solchen System mit einem Turbokompressor inhärent zur Verfügung und kann sowohl von der Kompressor- bzw. Verdichterseite als auch von der Turbinenseite des Turbokompressors bereitgestellt werden. Das wasserhydraulische Lager stellt ein Gleitlager dar, und kann dabei als hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager ausgebildet sein.
Der höhere Druck des Gases (Luft) beispielsweise vom Kompressor des Turbokompressors, der auf die beiden äußeren Ränder des Lagerspalts wirkt, wird dazu verwendet das Entweichen des Lagermediums, wie beispielsweise des Wassers, zu verhindern.
Das bedeutet also, dass das niedrigviskose Medium, wie beispielsweise Wasser, hohe Drehzahlen des Turbokompressors ermöglicht, ohne sich unzulässig zu erwärmen. Die Gefahr von Rostbildung beim Medium Wasser kann durch die Beschichtung der Achswelle im Bereich des Lagerspalts verhindert werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung zumindest einen Kanal zur Zufuhr von Luft vom Turbokompressor an die beiden äußeren Ränder des Lagerspalts aufweist.
Über einen solchen Kanal kann komprimierte Luft von dem Verdichterteil oder dem Turbinenteil des Turbokompressors an die äußeren Ränder des Lagerspaltes des jeweiligen hydrodynamischen Lagers geführt werden. Dabei kann der Kanal sowohl innerhalb der Lagerschale geführt werden als auch entlang der Achswelle, um die komprimierte Luft von dem Verdichterteil oder von dem Turbinenteil an das jeweilige hydrodynamische Lager zu führen.
Damit wird erreicht, dass ein entsprechend ausreichender Teil der Luftströmung durch den Turbokompressor mit ausreichendem Druck an die Ränder der jeweiligen Lagerspalte geführt wird, um das hydrodynamische Lager zu dichten. Ein solcher Kanal kann auch als eine Ausnehmung in der Lagerschale ausgeführt sein, womit ein höherer Luftstrom erzielt werden kann. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Lager zumindest eine Zufuhröffnung aufweist, um den Lagerspalt zur Bereitstellung von Wasser für den Lagerspalt mit einem Wassertank fluidmäßig zu verbinden.
Durch dieses Wasser in dem Lagerspalt kann das Lager mit der Lageranordnung mit dem wasserhydraulischen Lager drehbar gelagert werden. Mit der Anzahl und der Anordnung von Zufuhröffnungen für das Wasser für den Lagerspalt kann eine gleichmäßige Verteilung von Wasser in dem Lagerspalt zur Optimierung der Gleiteigenschaften und der Tragfähigkeit des Lagers erreicht werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Lager zumindest zwei Abflussöffnungen zum Abfluss von Wasser aus dem Lagerspalt aufweist.
Durch die Anordnung und die Anzahl von Abflussöffnungen für das Wasser in dem Lagerspalt kann der Fluss des Wassers durch den Lagerspalt optimiert werden um die Gleiteigenschaften und die Tragfähigkeit des Lagers den Anforderungen entsprechend anzupassen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das wasserhydraulische Lager ein hydrodynamisches Lager ist und eingerichtet ist, Wasser für den Lagerspalt selbst anzusaugen.
Das hydrodynamische Gleitlager ist ein Gleitlager, in dem sich der Schmiermittel- Druck bei Betrieb des Lagers an derjenigen Stelle, wo die Kraftübertragung zwischen den beiden Lagerteilen erfolgt, selbsttätig bildet. Der Schmierspalt ist an dieser Stelle keilförmig (Schmierkeil), so dass im von der Oberfläche des bewegten Lagerteils in die Verengung hinein mitgenommenen Schmierstoff höherer Druck entsteht, bzw. die Kraftübertragung über einen zwischengefügten Schmiermittel- Film erfolgt. Dazu kann die Achswelle so angeordnet sein, dass sie in Bezug auf das Lager eine exzentrische Position einnehmen kann. Vorteilhafterweise benötigt ein hydrodynamisches Lager keinen von außen aufgebrachten Wasserdruck, da es das Wasser selbstständig aus dem Tank ansaugen kann.
Beim hydrostatischen Gleitlager wird Schmierstoff mit einer externen Pumpe an der kraftübertragenden Stelle und unter erforderlichem Druck zugeführt. Da die Pumpe permanent arbeiten kann, herrscht hier Schmierstoffreibung auch am Beginn und am Ende des Lagerbetriebs (während des Anfahrens und Auslaufens). Der bei hoch belasteten Lagern erforderliche und in hydrodynamischen Gleitlagern entstehende Druck wäre allerdings mit einer Pumpe nicht leicht herstellbar. Hoch belastete hydrodynamische Gleitlager werden gelegentlich für das Anfahren und Auslaufen zusätzlich mit einer Pumpe ausgerüstet.
Wenn das wasserhydraulische Lager als hydrostatisches Lager ausgeführt wird, baut eine solche Pumpe den notwendigen Druck in dem Lagerspalt auf. Für ein hydrodynamisches Lager kann eine solche Pumpe beispielsweise zum verschleißarmen Anfahren des Turbokompressors verwendet werden, weil mit der Pumpe ein Anfangsdruck bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung eine Achswelle aufweist, die eingerichtet ist, mit der Lageranordnung zusammen eine Fliehkraftdichtung zu bilden.
Dazu kann die Achswelle Strukturen an ihrem Umfang aufweisen, die aufgrund der Fliehkraft das Wasser in Abflussöffnung des hydrodynamischen Lagers transportiert und somit die Dichtheit des hydrodynamischen Lagers verbessert.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das wasserhydraulische Lager in einer Lagerschale gebildet ist, die eingerichtet ist, von einem Lagerschild des Turbokompressors formschlüssig aufgenommen zu werden.
Eine solche Lagerschale kann an einem Umfang der Achswelle angeordnet werden und somit eine wirtschaftliche Fertigung eines Turbokompressors mit einem hydrodynamischen Lager gewährleisten. Eine solche Lagerschale kann in Form einer Buchse ausgeführt sein, über die Achswelle geführt und in das Lagerschild eingebracht werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung einen Wassertank und eine Pumpe aufweist, und eingerichtet ist, über die Zufuhröffnung des Lagers, Wasser von dem Wassertank in den Lagerspalt zu pumpen.
Mit einer solchen Pumpe kann durch den damit erreichten Wasserdruck ein hydrostatisches Lager betrieben werden oder ein hydrodynamisches Lager angefahren werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das aus der Lageranordnung ausfließende Wasser zur Befeuchtung von Luft verwendet wird, die einer Kathode eines Brennstoffzellensystems mittels des Turbokompressors zugeführt wird.
Somit kann das Wasser dem Brennstoffzellensystem wieder zugeführt werden, nachdem es das wasserdynamische Lager der Lageranordnung und/oder gegebenenfalls auch einen Kühlwasserkreislauf des Turbokompressors durchströmt hat.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das aus der Lageranordnung ausfließende Wasser zur Kühlung von Komponenten eines Brennstoffzellensystems verwendet wird.
Da neben dem Turbokompressor auch Wärme aus anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise elektronischen Komponenten, abgeführt werden muss, kann das Wasser auch dafür verwendet werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Wasser für das hydrodynamische Lager kondensiertes Wasser eines Brennstoffzellen-Systems aufweist.
Das bedeutet vorteilhafterweise, dass das Wasser nicht mitgeführt werden muss, sondern im Betrieb der Brennstoffzelle generiert wird, um beispielsweise zu Kühlzwecken zur Verfügung zu stehen. Dazu kann ein solches Brennstoffzellensystem einen Wasserabscheider, insbesondere am Ausgang der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks, vorsehen, wobei das abgeschiedene Wasser des Wasserabscheiders dann einem Wassertank zugeführt werden kann.
Der Wasserabscheider kann eingerichtet sein, sowohl tröpfchenförmiges Wasser aus dem Kathodengas abzuscheiden als auch gasförmiges Wasser zu kondensieren. Der Wasserabscheider kann insbesondere auch als Kondensator ausgeführt sein oder als eine Kombination aus Wasserabscheider und Kondensator ausgeführt sein. Der Begriff Wasserabscheider umfasst somit sowohl den Begriff Wasserabscheider an sich als auch den Begriff eines Kondensators.
Mit einem so ausgeführten Wasserabscheider kann das Produkt-Wasser des in unterschiedlichen Betriebspunkten betriebenen Brennstoffzellen-Stacks abgeschieden werden. Insbesondere, wenn das austretende Kathodengas mit Wasser nicht gesättigt ist, vollständig gesättigt ist und auch wenn es zusätzlich Wassertropfen, zum Beispiel in Form von Nebel oder schon an anderer Stelle des Systems kondensiertes Wasser, enthält, kann dieses Wasser abgeschieden werden. Dabei kann ein solcher Wasserabscheider einen Zyklon aufweisen und/oder einen Kondensator.
Es wird eine Verwendung einer der oben beschriebenen Lageranordnungen zur Lagerung einer Achswelle eines Turbokompressors vorgeschlagen, wobei der Turbokompressor eine Komponente eines Brennstoffzellensystems ist. Da in einem solchen Brennstoffzellensystem, wie es oben beschrieben ist, das Wasser im laufenden Betrieb generiert wird, kann ein so gelagerter Turbokompressor hier besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
Es wird ein Turbokompressor mit einer Lageranordnung, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen, wobei der Turbokompressor einen Flüssigkeits- Kühlkreislauf aufweist, und das dem Lagerspalt zufließende und/oder abfließende Wasser durch den Flüssigkeit- Kühlkreislauf geleitet wird, um Wärme der elektrischen Maschine des Turbokompressors abzuführen.
Das für die hydraulische Lagerung notwendige Wasser kann auf dem Weg zur Lagerstelle durch die thermisch hochbelasteten Bauteile der E-Maschine geführt werden und diese kühlen. Zwischen den Lagerstellen sitzt der Antriebsmotor, dessen Bauteile gekühlt werden müssen. Das für die hydraulische Lagerung notwendige Wasser kann auf dem Weg zur Lagerstelle durch die thermisch hochbelasteten Bauteile der E-Maschine geführt werden und diese kühlen.
Es wird ein Kathodenkreislauf eines Brennstoffzellen-Stacks mit einem oben beschriebenen Turbokompressor und einem Befeuchter zum Befeuchten des Kathodengases vorgeschlagen, wobei der Kathodenkreislauf eingerichtet ist, das aus der Lageranordnung abfließende Wasser dem Befeuchter zuzuführen.
Der Luft- Massenstrom, den der Verdichter des Turbokompressors fördert, muss befeuchtet und gekühlt werden. Das aus dem wasserhydraulischen Lager austretende Wasser kann diese Aufgabe mit übernehmen.
Das Kathodengas, das der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks zugeführt wird, weist ein Oxidationsmittel für die elektrokatalytische Reaktion der Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-Stack auf, wobei das Oxidationsmittel insbesondere Sauerstoff bzw. Luft aufweisen kann.
Mit anderen Worten ist der Wasser-Abscheider eingerichtet, einen Gasstrom von einem Elektrodenraum des Brennstoffzellen-Stacks aufzunehmen und Wasser beim Durchleiten des Gasstroms durch den Wasser-Abscheider aus dem Gasstrom abzuscheiden, wobei der Gasstrom Produktwasser aus einem Elektrodenraum des Brennstoffzellen-Stacks mitführt.
Somit kann das Produktwasser, das wie beschrieben in großen Maßen beim Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks anfällt, für weitere Zwecke verwendet werden. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine mobile Plattform einen Turbokompressor mit einer Lageranordnung, wie sie oben beschrieben wurde, aufweist.
Eine mobile Plattform kann ein zumindest teilweise automatisiertes System sein, das mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise autonomes System sein.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figur 1 näher erläutert. Hierbei zeigt die
Figur 1 eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors.
Die Figur 1 skizziert eine Lageranordnung 100 für eine Achswelle 120 eines Turbokompressors. Die gemeinsame Achswelle 120 des Turbokompressors wird mit zwei solchen Lageranordnungen 100 mit wasserhydraulischen Lagern 110 gelagert. Zwischen den wasserhydraulischen Lagern 110 ist ein elektrischer Antriebsmotor des Turbokompressors angeordnet, dessen Komponenten im Betrieb Wärme generieren, die abgeführt werden muss.
Dabei ist in der Figur 1 der Turbokompressor nur mit seiner Kupferwicklung 140 in einer Vergussmasse, einem Eisenblech 144 des Motors, der Statoraufnahme 146, d. h. der Kühlhülse, dem Motorgehäuse 150 mit Kühlöffnungen und dem Lagerschild 130 angedeutet.
Das wasserhydraulische Lager 110 der Lageranordnung 100 ist eingerichtet die Achswelle 120 des Turbokompressors drehbar zu lagern, wobei das wasserhydraulische Lager 110 die Achswelle 120 an einem Umfang der Achswelle 120 umschließt, um dazwischen einen Lagerspalt 114 zu bilden.
Dabei ist das wasserhydraulische Lager 110 eingerichtet, Wasser 116, das durch einen Kanal 115 dem Lager 110 zugeführt wird, durch den Lagerspalt 114 fließen zu lassen, um die Achswelle 120 wasserhydraulisch zu lagern.
Der Kanal 115 kann dazu mit einem Wassertank über eine fluiddurchlässige Verbindungsleitung verbunden sein. Bei einem hydrostatischen Lager der Lageranordnung 100 kann in der Verbindungsleitung zum Tank eine Pumpe vorgesehen sein, die das Wasser in den Lagerspalt 114 pumpt. Auch bei einem hydrodynamischen Lager 100 kann eine solche Pumpe in der Verbindungsleitung zum Tank vorgesehen sein, um zum Anlaufen des Turbokompressors einen Wasserdruck im Lagerspalt 114 aufzubauen.
Weiterhin weist die Lageranordnung 100 zumindest eine Gaszuführung 142,143, 162, 163 auf, die Gas mit erhöhtem Druck vom Turbokompressor an beide äußeren Ränder des Lagerspaltes 114 zum Abdichten des wasserhydraulischen Lagers 110 führt. Dazu kann das Lagerschild 130 zumindest einen Luftkanal 143 aufweisen, der in dem Lagerschild 130 zusätzlich zu einem Luftspalt 142 um den Stator des elektrischen Antriebs des Turbokompressors ausgebildet ist. Das Gas des Turbokompressors kann auch zur Luftkühlung des Elektroantriebs des Turbokompressors verwendet werden.
Das wasserhydraulische Lager 110 ist mit zwei Abflussöffnungen 112 im Bereich des Lagerspalts 114 eingerichtet, das Wasser 116 aus dem Lagerspalt 114 abfließen zu lassen und das Wasser 116 kann über einen Abflusskanal 118, der in der Lagerschale 130 gebildet sein kann, aus dem Turbokompressor abgeführt werden.
Dieses Wasser 116, dass durch den Lagerspalt 114 geleitet wird, kann entweder einer Kathoden-Luftströmung eines Brennstoffzellensystems und/oder einem Flüssigkeits- Kühlkreislauf des Turbokompressors zugeführt werden.
Dazu kann dieses Wasser 116 einem Befeuchter eines Systems zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks zugeführt werden, der in der Zuführung von Luft für die Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks angeordnet ist.
Das für die wasserhydraulischen Lager verwendete Wasser, das einem Wassertank entnommen wird, kann kondensiertes Wasser aus einem Luftmassenstrom eines Austrittsanschlusses einer Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks aufweisen. Dazu kann ein Kondensor in diesem Luftmassenstrom angeordnet sein und dieses kondensierte Wasser kann über eine fluiddurchgängige Leitung in den Wassertank geleitet werden.
Das wasserhydraulische Lager 110 kann als hydrodynamisches Lager 110 eingerichtet sein, das Wasser 116 über den Kanal 115 im Lagerschild 130 selbst einzusaugen. Zur Abdichtung des Lagerspalts 114 weist die Achswelle 120 an ihrem Umfang Strukturen 122 auf, die mit der Lageranordnung zusammen eine Fliehkraftdichtung für den Lagerspalt 114 bilden. Dabei ist das wasserhydraulische Lager 110 in einer Lagerschale gebildet, die von dem Lagerschild 130 formschlüssig aufgenommen wird.

Claims

Ansprüche
1. Lageranordnung (100) für eine Achswelle (120) eines Turbokompressors, mit: zumindest einem wasserhydraulischen Lager (110), das eingerichtet ist, die Achswelle (120) des Turbokompressors drehbar zu lagern, wobei das wasserhydraulische Lager (110) die Achswelle (120) an einem Umfang der Achswelle (120) umschließt, um dazwischen einen Lagerspalt (114) zu bilden; und wobei das wasserhydraulische Lager (110) eingerichtet ist, Wasser durch den Lagerspalt (114) fließen zu lassen, um die Achswelle (120) wasserhydraulisch zu lagern; und zumindest eine Gaszuführung (142, 143, 162, 163), die Gas mit erhöhtem Druck vom Turbokompressor an beide äußeren Ränder des Lagerspalts (114) zum Abdichten des Lagers (110) führt.
2. Lageranordnung (100) gemäß Anspruch 1, die zumindest einen Kanal (142, 143, 162, 163) zur Zufuhr von Luft vom Turbokompressor an die beiden äußeren Ränder des Lagerspalts (114) aufweist.
3. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lager (110) zumindest eine Zufuhröffnung aufweist, um den Lagerspalt (114) zur Bereitstellung von Wasser für den Lagerspalt (114) mit einem Wassertank fluidmäßig zu verbinden.
4. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lager (110) zumindest zwei Abflussöffnungen (112) zum Abfluss von Wasser aus dem Lagerspalt (114) aufweist.
5. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wasserhydraulische Lager (110) ein hydrodynamisches Lager (110) ist und eingerichtet ist, Wasser für den Lagerspalt (114) selbst anzusaugen.
6. Lageranordnung (100) gemäß Anspruch 1, mit einer Achswelle (120), die eingerichtet ist, mit der Lageranordnung (100) zusammen eine Fliehkraftdichtung zu bilden.
7. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wasserhydraulische Lager (110) in einer Lagerschale gebildet ist, die eingerichtet ist, von einem Lagerschild (130) des Turbokompressors formschlüssig aufgenommen zu werden.
8. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Wassertank und eine Pumpe aufweist, und eingerichtet ist, über die Zufuhröffnung des Lagers (110), Wasser von dem Wassertank in den Lagerspalt (114) zu pumpen.
9. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aus der Lageranordnung (100) ausfließende Wasser zur Befeuchtung von Luft verwendet wird, die einer Kathode eines Brennstoffzellensystems mittels des Turbokompressors zugeführt wird.
10. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aus der Lageranordnung (100) ausfließende Wasser zur Kühlung von Komponenten eines Brennstoffzellensystems verwendet wird.
11. Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wasser für das hydrodynamische Lager (110) kondensiertes Wasser eines Brennstoffzellen-Systems aufweist.
12. Verwendung einer Lageranordnung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Lagerung einer Achswelle (120) eines Turbokompressors, der eine Komponente eines Brennstoffzellensystems ist.
13. Turbokompressor mit einer Lageranordnung (100) gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, wobei der Turbokompressor einen Flüssigkeits- Kühlkreislauf aufweist, und das dem Lagerspalt (114) zufließende und/oder abfließende Wasser durch den Flüssigkeits- Kühlkreislauf geleitet wird, um Wärme der elektrischen Maschine des Turbokompressors abzuführen.
14. Kathodenkreislauf eines Brennstoffzellen-Stacks mit einem Turbokompressor gemäß Anspruch 13, und einem Befeuchter zum Befeuchten des Kathodengases, wobei der Kathodenkreislauf eingerichtet ist, das aus der Lageranordnung (100) abfließende Wasser dem Befeuchter zuzuführen.
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