Titel

Strömungsmaschine, insbesondere Verdichtereinrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Verdichtereinrich tung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine derartige Strömungsmaschine mit einer Verdichtereinrichtung, wie sie beispielsweise Teil einer Turbomaschine ist, weist eine zu lagernde Welle auf, wobei im Lagerbereich die Welle typischerweise eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 100 Meter pro Sekunde und/oder eine Drehzahl von mehr als

100000 min ¹ aufweisen kann. Da bei derartig hohen Umfangsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Welle übliche Wälzlager, die eine Öl-/Fettschmierung aufweisen, die geforderte Lebensdauer oftmals nicht sicherstellen können, ist es bekannt, die Lagereinrichtung für die Welle als druckluftunterstütztes Lager auszubilden, derart, dass unter Druck stehende Luft von einer externen

Versorgungseinrichtung in Form einer Druckquelle in eine Lagerbohrung der Lagereinrichtung zugeführt wird. Eine derartige Druckquelle zur Versorgung der Lagereinrichtung mit Druckluft besteht beispielsweise aus einem separaten

Kompressor oder einem separaten, von einer zusätzlichen Einrichtung

druckbeaufschlagten Druckspeicher, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtereinrichtungen relativ aufwendig ausgebildet sind bzw. einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand aufweisen.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2017 211 033 Al der Anmelderin ist eine gattungsgemäße Strömungsmaschine bekannt, die keine zusätzliche separate Versorgungseinrichtung bzw. Druckluftquelle zur Bereitstellung des gasförmigen Mediums für die Lagereinrichtung benötigt, da deren Verdichterstufe im Bereich eines Druckauslasses, an dem der durch die Verdichterstufe erhöhte Druck des Mediums bzw. der Luft anliegt, mit einer Versorgungseinrichtung in Form eines Druckspeichers gekoppelt ist, der wiederum die Luft für die Lagerstellen der Lagereinrichtung bereitstellt bzw. diese mit unter Druck stehender Luft versorgt.

Weiterhin ist es bei Verdichtereinrichtungen üblich bzw. bekannt, die

Verdichterstufe, insbesondere in Form eines Verdichterrads, in einem Gehäuse drehbar zu lagern. Zwischen dem Gehäuse und der Verdichterstufe sind bauartbedingte Spalte ausgebildet, über die unter Druck stehendes Medium bzw. Gas ausströmen kann. Es wird zwar versucht, diese Leckagespalte insbesondere mittels separaten Dichtungselementen abzudichten, da Leckageverluste gleichbedeutend mit einer Wirkungsgradreduzierung der Verdichtereinrichtung sind. Derartige Dichtungselemente benötigen jedoch einen zusätzlichen

Bauraum und erhöhen den konstruktiven Aufwand bzw. die Herstellkosten der Verdichtereinrichtung.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere Verdichtereinrich tung, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das (gasförmige) Medium mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem wenigstens einen Strömungselement und dem Gehäuse in einem Bereich, in dem das Medium einen erhöhten Druck aufweist, ein Leckagespalt ausgebildet ist, wobei das Medium aus dem Leckagespalt zumindest mittelbar der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist, und/oder dass das wenigs tens eine Strömungselement wenigstens eine Druckauslassbohrung für das Me dium aufweist, über die das Medium zumindest mittelbar der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist.

Es werden somit zwei alternative konstruktive Gestaltungen (die gegebenenfalls in Kombination angewendet werden können) vorgeschlagen, zum einen die Nut zung des bei derartigen Strömungsmaschinen vorhandenen Leckagespalts als Quelle für das unter erhöhtem Druck stehende Medium, oder aber eine spezielle konstruktive Gestaltung des Strömungselements (Verdichterstufe bzw. Turbinen rad) durch wenigstens eine Druckauslassbohrung, wobei über die Druckauslass- bohrung das im Druck gegenüber einem Ursprungszustand verdichtete Medium der wenigstens einen Lagereinrichtung zuführbar ist.

Für den Fall, dass die Bereitstellung des unter Druck stehenden Mediums aus dem Bereich des Leckagespalts erfolgt, hat eine derartige konstruktive Gestal tung der Strömungsmaschine bzw. Verdichtereinrichtung den besonderen Vorteil, dass die ansonsten vorhandenen Dichtungseinrichtungen zur Vermeidung von Leckageverlusten entweder konstruktiv besonders einfach gestaltet werden oder sogar gänzlich entfallen können, während bei einer Lösung, bei der wenigstens eine Druckauslassbohrung im Bereich des Strömungselements vorgesehen ist, es auf besonders einfache Art und Weise möglich ist, durch eine entsprechende Positionierung und Anzahl bzw. Querschnitt der Druckauslassbohrungen sowohl die Menge, als auch den Druck des zur Lagerung der Welle erforderlichen Medi ums auf besonders einfache Art und Weise zu beeinflussen bzw. einzustellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine, ins besondere Verdichtereinrichtung, sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Strömungsmaschine ist es vorgesehen, dass der Leckagespalt über wenigstens eine Druckleitung für das Medium unmit telbar mit der wenigstens einen Lagereinrichtung verbunden ist. Gemeint ist da mit, dass die Verbindung zwischen dem Leckagespalt und der Lagereinrichtung ausschließlich über eine entsprechende (Druck-) Leitung erfolgt und im Gegen satz zum eingangs erwähnten Stand der Technik beispielsweise keinen als sepa rates Bauteil ausgebildeten Druckspeicher benötigt.

In ähnlicher Art und Weise ist es beim Vorsehen wenigstens einer Druckauslass bohrung in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass die wenigstens eine Druckauslassbohrung über wenigstens eine Druckleitung für das Medium unmit telbar mit der wenigstens einen Lagereinrichtung verbunden ist.

Insbesondere für den Fall, dass der Druck bzw. die Menge des von der Strö mungsmaschine bzw. Verdichtereinrichtung bereitgestellten Mediums für die we nigstens eine Lagereinrichtung variiert, kann es alternativ vorgesehen sein, dass im Strömungsweg der wenigstens einen Druckleitung ein als separates Bauteil ausgebildeter Druckspeicher angeordnet ist. Der Druckspeicher stellt sicher, dass bei zeitweise geringen Mengen bzw. geringen Drücke des Mediums genü gend (gasförmiges) Medium zur Lagerung der Welle bereitsteht.

Insbesondere bei letztgenannter Lösung mit einem separaten Druckspeicher, aber auch für den Fall, bei dem das Medium über die Druckleitung unmittelbar aus dem Bereich des Leckagespalts oder der wenigstens eine Druckauslassboh rung der Lagereinrichtung zuführbar ist, kann es vorgesehen sein, dass der we nigstens einen Lagereinrichtung eine Druckregeleinrichtung vorgeschaltet ist, die den Druck bzw. die Menge des der Lagereinrichtung zuführbaren Mediums re gelt. Dadurch werden insbesondere gegebenenfalls die Lagerung der Welle ne gativ beeinflussende, zu hohe Drücke des Mediums vermieden.

Zur Reduzierung des konstruktiven Aufwands bzw. der Baugröße der Strö mungsmaschine, insbesondere Verdichtereinrichtung, kann es insbesondere bei einer Variante, bei der das Medium aus dem Bereich des Leckagespalts gewon nen wird, vorgesehen sein, dass der Bereich des Leckagespalts dichtungsele mentfrei ausgebildet ist.

In einer konstruktiven Variante der Strömungsmaschine, insbesondere Verdich tereinrichtung, weist deren Strömungselement ein in radialer Bauweise ausgebil detes Verdichterrad auf, wobei die wenigstens eine Druckauslassbohrung auf ei nem Teilkreisdurchmesser um die Drehachse der Welle angeordnet ist und mit einer in einem separaten Bauteil angeordneten Ringnut zusammenwirkt, deren der wenigstens einen Durchlassbohrung abgewandte Seite mit der wenigstens einen Lagereinrichtung verbunden ist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vor teil, dass bei einer Drehung des Verdichterrads die Druckauslassbohrung zumin dest zeitweise in Wirkverbindung mit der Ringnut und somit der Lagereinrichtung angeordnet ist.

In besonders bevorzugter Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das separate Bauteil ring- bzw. scheibenförmig ausgebildet und ortsfest in Bezug zum Strömungselement angeordnet ist, dass die wenigs tens eine Druckauslassbohrung als Durchgangsbohrung ausgebildet ist, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden axialen Stirnseiten des Strömungselements erstreckt, und dass die Ringnut als radial um die Drehachse umlaufende, kreis förmig ausgebildete Ringnut ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung insbe sondere der Ringnut hat den Vorteil, dass während der gesamten Drehung des Strömungselements um seine Drehachse stets eine pneumatische Verbindung zwischen der wenigstens einen Druckauslassbohrung und der Lagereinrichtung über die Ringnut ausbildbar ist.

Eine weitere konstruktive Ausgestaltung, die den Aufwand der Lagereinrichtung reduziert, sieht vor, dass die Lagereinrichtung ein Axiallager ist, das auf gegen überliegenden Stirnseiten einer mit der Welle verbundenen Lagerscheibe wirkt, und dass das Medium lediglich auf der dem Strömungselement zugewandten Stirnseite der Lagerscheibe wirkt. Eine derartige Ausgestaltung sieht vor, dass auf der dem Strömungselement abgewandten Stirnseite der Lagerscheibe die Lagereinrichtung entweder über eine andere Mediumquelle versorgt wird, oder aber über ein andersartig aufgebautes Lagerelement, z.B. ein Folienlager, eine Lagerung über Spiralrillen oder ähnliches verfügt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. la

und

Fig. lb jeweils einen vereinfachten Längsschnitt im Bereich einer Verdichterein richtung, bei der gasförmiges Medium zur Versorgung einer als Axialla ger bzw. Radiallager ausgebildeten Lagereinrichtung aus dem Bereich eines Leckagespalts bereitgestellt wird,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Verdichtereinrichtung, bei der Medium für eine Lagereinrichtung im Bereich von Druckauslassboh rungen an einem Verdichterrad zur Verfügung gestellt wird, Fig. 3 ein Detail einer gegenüber der Fig. 1 und 2 abgewandelten Verdichter einrichtung unter Verwendung eines zwischengeschalteten Druckspei chers und

Fig. 4 eine gegenüber den Fig. 1 und 2 modifizierte Verdichtereinrichtung, bei der die Lagereinrichtung lediglich an einer Stirnseite mit Medium von der Verdichtereinrichtung versorgt wird.

Gleiche Elemente bzw. Elemente bzw. gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Die in den Fig. la und lb stark vereinfacht dargestellte Strömungsmaschine ist zum Beispiel Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, einer Klimaanlage, einer Wärmepumpe, eines Turboladers, einer Turbine für ein Brennstoffzellensystem oder einer Wärmerückgewinnungsturbine. In den Darstellungen der Fig. la und lb ist die Strömungsmaschine in Form einer Verdichtereinrichtung 10 ausgebil det.

Die Verdichtereinrichtung 10 umfasst eine in einer Drehachse 12 gelagerte Welle 14, an derem einen stirnseitigen Ende eine Verdichterstufe 16 in Form eines in radialer Bauweise ausgebildeten Verdichterrads 18 drehfest mit der Welle 14 verbunden ist. Die Verdichterstufe 16 bzw. das Verdichterrad 18 ist von einem Gehäuse 20 umgeben, das einen Einlassbereich 22 aufweist, über die gasförmi ges Medium, insbesondere Luft, in die Verdichtereinrichtung 10 angesaugt wird, und das bei einer Drehung der Welle 14 um die Drehachse 12 durch die Verdich terstufe 16 verdichtet bzw. im Druck erhöht wird, sodass es im Bereich eines Auslassbereiches 24 des Gehäuses 20 unter erhöhtem Druck austritt und einem nicht dargestellten Verbraucher zuführbar ist.

Zwischen einem radial um die Drehachse 12 umlaufenden Randbereich 26 des Verdichterrads 18 und einer Aufnahmeöffnung 28 für das Verdichterrad 18 im Gehäuse 20 ist ein radial umlaufender Leckagespalt 30 ausgebildet, über den das in seinem Druck gegenüber dem Einlassbereich 22 erhöhte Medium entwei chen kann. Beispielhaft ist der Bereich des Leckagespalts 30 auf der dem Ge häuse 20 abgewandten Seite von einem ringförmigen, zum Leckagespalt 30 hin offenen Sammelelement 32 umgeben, über das das aus dem Leckagespalt 30 austretende Medium über wenigstens eine Druckleitung 34 unmittelbar einer La gereinrichtung 36 für die Welle 14 zuführbar ist.

Die Lagereinrichtung 36 ist in der Fig. la als Axiallager ausgebildet und weist auf zwei gegenüberliegenden Stirnseiten einer drehfest mit der Welle 14 verbunde nen Lagerscheibe 38 angeordnete, ringförmige Lagerelemente 40, 42 auf. Die beiden Lagerelemente 40, 42 weisen jeweils Zuführbohrungen 44, 46 auf, über die das unter Druck stehende Medium von der Druckleitung 34 auf die Stirnseiten des Lagerrings 38 wirkt und für ein entsprechendes Druckpolster sorgt, um eine axiale Lagerung der Welle 14 zu dem Gehäuse 20 zu ermöglichen.

In der Fig. lb ist die Lagereinrichtung 36a demgegenüber als Radiallager ausge bildet und umfasst ein die Welle 14 radial umschließendes Lagerelement 48, das über Zuführbohrungen 50, 52 und die wenigstens eine Druckleitung 34 unmittel bar mit unter Druck stehendem Medium aus dem Leckagespalt 30 versorgbar ist.

In der Fig. 2 ist eine abgewandelte Verdichtereinrichtung 10 dargestellt, bei der ein Verdichterrad 55 wenigstens eine, vorzugsweise jedoch mehrere, in gleich mäßigen Winkelabständen auf einem Teilkreisdurchmesser um die Drehachse 12 angeordnete Druckauslassbohrungen 56 in Form von Durchgangsbohrungen 58 aufweist, die sich parallel zur Welle 14 erstrecken. Die Druckauslassbohrun gen 56 verbinden die dem Gehäuse 20 zugewandte Stirnseite des Verdichter- rads 55, an der unter Druck stehendes Medium ansteht, mit der rückseitigen Stirnseite 60 des Verdichterrads 55.

Während die Anzahl sowie der Durchmesser der Druckauslassbohrungen 56 die Menge des für die Lagereinrichtung 36a zur Verfügung stehenden Mediums be stimmt, bestimmt der radiale Abstand der Druckauslassbohrungen 56 von der Drehachse 12 die Höhe des Drucks des Mediums für die Lagereinrichtung 36a.

Das Verdichterrad 55 ist auf der dem Gehäuse 20 abgewandten Seite zumindest im Bereich der Druckauslassbohrungen 56 in Überdeckung mit einem ringförmi gen, ortsfest angeordneten Element 62 positioniert. Das Element 62 weist auf demselben Teilkreisdurchmesser wie die Druckauslassbohrungen 56 eine radial umlaufende Ringnut 64 auf, die wiederum über wenigstens eine Druckleitung 66 mit der Lagereinrichtung 36a in Wirkverbindung angeordnet ist.

In der Fig. 3 ist der Fall dargestellt, bei der die wenigstens eine Druckleitung 34, 66 unter Zwischenschaltung eines Druckspeichers 70 sowie einer Druckregelein richtung 72 mit der Lagereinrichtung 36, 36a verbunden ist.

Zuletzt ist in der Fig. 4 der Fall dargestellt, bei der der Lagerring 38 der Lagerein richtung 36b an einer der Verdichterstufe 16 zugewandten Stirnfläche ein La- gerelement 40 aufweist, das von der Verdichtereinrichtung 10 mit unter Druck stehendem Medium versorgt wird, während die andere Stirnseite des Lagerrings 38 mit dem Lagerelement 76 entweder über eine andere (Druck-) Quelle 74 in Richtung des Gehäuses 20 kraftbeaufschlagt ist. Alternativ kann das Lagerele ment 76 auch ein Lagerelement 76 sein, das nicht als gasdruckbeaufschlagtes Lagerelement 76 ausgebildet ist.

Die soweit beschriebene Verdichtereinrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken ab zuweichen. So kann die Verdichterstufe 16 beispielsweise ein in Axialbauweise ausgebildetes Verdichterrad aufweisen. Auch kann das Wirkprinzip auch auf eine

Turbine bzw. Arbeitsmaschine angewandt werden. In diesem Fall findet anstelle der Verdichterstufe 16 bzw. des Verdichterrads 18 sinngemäß eine Arbeitsstufe bzw. ein Turbinenrad Verwendung.