Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensvstem Stand der Technik

Als Turbokompressoren ausgeführte Turbomaschinen für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Der bekannte Turbokompressor weist eine von einer

Antriebsvorrichtung antreibbare Welle auf. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet.

In detaillierterer Ausgestaltung ist eine als Turbokompressor ausgeführte Turbomaschine aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 044 876 A1 bekannt. Der bekannte

Turbokompressor weist ein auf einer Welle angeordnetes Laufrad auf. Das Laufrad ist dabei als Radialläufer ausgeführt, wird also auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmt, wobei der Strömungspfad ein axiales

Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst.

Weiterhin ist aus der EP 2 006 497 A1 bekannt, dass die Welle von Turbomaschinen mittels einer Axiallagerscheibe axial gelagert werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Optimierung derartiger Axiallagerscheiben.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Turbomaschine weist eine festigkeits- und gewichtsoptimierte Axiallagerscheibe auf. Vorzugsweise ist die Turbomaschine dabei in einem

Brennstoffzellensystem angeordnet. Dazu umfasst die Turbomaschine eine Welle, ein Laufrad und die Axiallagerscheibe. Das Laufrad und die Axiallagerscheibe sind auf der Welle angeordnet. An der Axiallagerscheibe ist eine Lauffläche zur axialen Lagerung ausgebildet. Die Lauffläche bildet mit einer korrespondierenden Lagerfläche ein Axiallager. Die Axiallagerscheibe weist eine erste Deckscheibe und dazu gegenüberliegend eine zweite Deckscheibe auf. Die beiden Deckscheiben sind durch eine Mehrzahl von Rippen miteinander verbunden. Die Lauffläche ist an der ersten Deckscheibe ausgebildet. Vorzugsweise ist die

Normalenrichtung der Lauffläche identisch zur Achse der Welle.

Die beiden Deckscheiben sind vergleichsweise dünn ausgeführt, vorzugsweise mit einer maximalen Dicke von jeweils 2 mm. Daher ist das Gewicht der gesamten

Axiallagerscheibe reduziert, und damit auch die bei Rotation der Welle

fliehkraftinduzierten Spannungen, was die Beanspruchung der Axiallagerscheibe reduziert. Die Rippen, vorzugsweise eine Anzahl von mindestens 20 Rippen, verleihen der Axiallagerscheibe die nötige Festigkeit und Steifigkeit, so dass die Verformung der Lauffläche - und damit auch potentieller Verschleiß - minimiert ist. Zur Lagerung wirkt die Lauffläche mit der Lagerfläche zusammen, welche beispielsweise ortsfest an einem Gehäuse der Turbomaschine oder an einem mit dem Gehäuse verbundenen Bauteil ausgebildet ist.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Laufrad als Radialläufer ausgeführt. Das Laufrad ist auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmbar. Der Strömungspfad umfasst ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende. Dadurch hat die Turbomaschine einen sehr hohen Wirkungsgrad. Funktionsbedingt treten an dem Laufrad dann jedoch fluidisch resultierende Axialkräfte auf, welche durch die Axiallagerscheibe gelagert werden. Eine optimierte

Axiallagerscheibe ist demzufolge besonders bei Radialläufern sehr wirkungsvoll.

Insbesondere die Steifigkeit der Lauffläche ist dabei sehr wichtig, um ungewollte

Verwölbungen zu vermeiden und dadurch den Verschleiß an Lauffläche und Lagerfläche reduzieren zu können. Vorteilhafterweise ist das Laufrad als Verdichter ausgeführt, wobei das axiale

Strömungsende den Strömungseingang und das radiale Strömungsende den

Strömungsausgang des Strömungspfads darstellen. Der Verdichter weist dabei vorzugsweise eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung auf. Durch die Minimierung des Gewichts der Axiallagerscheibe ist demzufolge auch die benötigte Leistung der Antriebsvorrichtung reduziert. In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Axiallagerscheibe der Rückseite des Laufrads zugewandt. Dadurch ist die Axiallagerscheibe bauraumsparend innerhalb der

Turbomaschine angeordnet. Weiterhin können im Bereich der Rückseite und der Axiallagerscheibe dann Maßnahmen zur Axialkraftreduzierung getroffen werden, beispielsweise ein Druckteiler angeordnet werden; dadurch wird die auf die Welle wirkende fluidisch resultierende Axialkraft reduziert.

In vorteilhaften Ausführungen sind die Rippen radial nach außen verlaufend ausgebildet. Dadurch ist die Axiallagerscheibe vergleichsweise einfach fertigbar, beispielsweise als Gussteil ausführbar. Dennoch sind Gewicht und Steifigkeit dabei annähernd

rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass der Rundlauf der Axiallagerscheibe optimiert ist. Vorzugsweise sind dazu auch die beiden Deckscheiben rotationssymmetrisch gestaltet. In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Axiallagerscheibe an ihrem Innenumfang eine Nabe mit einer darin ausgebildeten Innenbohrung auf. Vorzugsweise ist die

Axiallagerscheibe dabei an der Innenbohrung auf die Welle aufgepresst. Die Nabe ist demzufolge mit dem kleinstmoglichen Durchmesser versehen, weist vorzugsweise aber vergleichsweise viel Material zur Festigkeitssteigerung auf. Da dieses Material jedoch lediglich einer vergleichsweise geringen Umfangsgeschwindigkeit ausgesetzt ist, sind auch die entsprechenden Fliehkräfte minimiert.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist eine weitere Lauffläche an der zweiten Deckscheibe ausgebildet. Die weitere Lauffläche ist entgegenorientiert zur Lauffläche. Demzufolge dient die weitere Lauffläche der Lagerung der Axiallagerscheibe in der

entgegenorientierten Richtung zur Lauffläche der ersten Deckscheibe. Das Axiallager ist somit in beiden Richtungen wirkend. Die Lagerkräfte können so betragsmäßig reduziert werden, da nicht notwendigerweise eine einzige axiale Wirkrichtung der Kraft aufrechterhalten werden muss, sondern eine Vorzeichenänderung zulässig ist.

In vorteilhaften Verwendungen ist die Turbomaschine in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die Turbomaschine ist dazu als Turbokompressor bzw. das Laufrad als Verdichter ausgeführt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle auf. Der Verdichter ist in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Die Luftzuführungsleitung dient dabei der Zuströmung des Arbeitsfluids bzw. Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle, und die Abgasleitung dient der Abfuhr des Oxidationsmittels bzw. des reagierten

Oxidationsmittels bzw. einem Gemisch daraus aus der Brennstoffzelle. Der

Turbokompressor ist gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen gestaltet. Vorzugsweise ist das Laufrad dabei als Radialläufer ausgeführt. Das minimierte Gewicht der Axiallagerscheibe trägt zur Steigerung der Effizienz des gesamten Turbokompressors bei. Weiterhin wird dadurch die maximal mögliche Beschleunigung des Laufrads und damit die Funktionalität des Turbokompressors erhöht. In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Brennstoffzellensystem eine Abgasturbine mit einem weiteren Laufrad auf. Das weitere Laufrad ist ebenfalls auf der Welle angeordnet. Die Abgasturbine ist in der Abgasleitung angeordnet. Vorzugsweise ist das weitere Laufrad der Abgasturbine entgegenorientiert zum Laufrad des Turbokompressors angeordnet, so dass sich die jeweils wirksamen resultierenden Axialkräfte auf die beiden Laufräder teilweise kompensieren. Das aus der Brennstoffzelle ausströmende reagierte Arbeitsfluid bzw. Oxidationsmittel kann sehr wirkungsvoll als Leistungsquelle für die Abgasturbine verwendet werden; dadurch wird die benötigte Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung für den Turbokompressor reduziert. Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine

Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer als Turbokompressor

ausgeführten Turbomaschine aus dem Stand der Technik, Figur 2 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Figur 3 perspektivisch eine Axiallagerscheibe einer Turbomaschine.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig.1 zeigt ein aus der DE 10 2012 224 052 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem 1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Luftzuführungsleitung 3, eine Abgasleitung 4, einen Verdichter 1 1 , eine Abgasturbine 13, ein Bypassventil 5 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 2. Das Bypassventil 5 kann beispielsweise eine Regelklappe sein. Als Bypassventil 5 kann beispielsweise ein Wastegate-Ventil eingesetzt werden.

Die Brennstoffzelle 2 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten

Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eingerichtet, eine

Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des

Kraftfahrzeugs an. Der Verdichter 1 1 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 13 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 1 1 und die Abgasturbine 13 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 20 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 13 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 20 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 1 1 . Der Verdichter 1 1 , die Welle 14 und die Abgasturbine 13 bilden zusammen eine Turbomaschine 10.

Fig.2 zeigt schematisch einen Längsschnitt einer Turbomaschine 10, insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 1 . Die Turbomaschine 10 ist in dieser Ausführung als Turbokompressor 10 ausgeführt und weist ein auf der Welle 14 angeordnetes Laufrad 15 auf, welches als Verdichter 1 1 bzw. Kompressor wirkt.

Zusätzlich weist die Turbomaschine 10 optional die Abgasturbine 13 auf, welche ein auf der Welle 14 angeordnetes weiteres Laufrad 13a umfasst. Vorzugsweise sind dabei das weitere Laufrad 13a und das Laufrad 15 auf den entgegengesetzten Enden der Welle 14 positioniert. Vorteilhafterweise ist die Turbomaschine 10 in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet, so dass das Laufrad 15 des Verdichters 1 1 in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet ist und so dass das weitere Laufrad 13a der Abgasturbine 13 in der Abgasleitung 4 angeordnet ist. Das Laufrad 15 ist in der Ausführung der Fig.2 als Radialläufer ausgeführt, wird also im Falle des Einsatzes als Turbokompressor bzw. Verdichter 1 1 axial angeströmt und strömt radial ab. Das Laufrad 15 weist dazu auf seiner Vorderseite 15a einen Strömungspfad 16 auf, welcher ein axiales Strömungsende 18 und ein radiales Strömungsende 17 umfasst. Wie bei einem Radialläufer üblich ändert sich die Richtung eines durch das Laufrad 15 strömenden Arbeitsfluids in der Schnittansicht um etwa 90°. Im Falle der Ausführung als Turbokompressor wird das Laufrad 15 am axialen Strömungsende 18 von dem

Arbeitsfluid axial angeströmt, das Arbeitsfluid durchläuft dann den Strömungspfad 16 auf der Vorderseite 15a und wird dabei verdichtet und tritt anschließend am radialen

Strömungsende 17 radial aus dem Laufrad 15 aus.

Auf seiner Vorderseite 15a ist das Laufrad 15 mit dem Druck des Arbeitsfluids

beaufschlagt. Dabei ist dieser Druck nicht konstant, sondern steigt vom

Innendurchmesser zum Außendurchmesser an; dies gilt für den Einsatz der

Turbomaschine 10 sowohl als Turbokompressor als auch als Turbine. Beim Einsatz der Turbomaschine 10 als Turbine kehrt sich lediglich die Richtung des Strömungspfads 16 um, nämlich vom radialen Strömungsende 17 zum axialen Strömungsende 18; die qualitativen Druckverhältnisse auf der Vorderseite 15a sind jedoch die gleichen wie beim Turbokompressor. Die Rückseite 15b des Laufrads 15 ist dabei konstant mit dem hohen Druck des radialen Strömungsendes 17 beaufschlagt. Es ergibt sich daraus also eine resultierende fluidische Kraft auf das Laufrad 15, welche in der Fig.2 nach links wirkt.

Durch verschiedene Maßnahmen kann diese Axialkraft reduziert werden. Jedoch ist dennoch ein Axiallager 35 erforderlich. Das Axiallager 35 umfasst eine auf der Welle 14 angeordnete Axiallagerscheibe 30. Die Axiallagerscheibe 30 kann dazu beispielsweise auf die Welle 14 aufgepresst sein, oder - wie in Fig.2 gezeigt - mittels einer Mutter 49 unter Zwischenlage des Laufrads 15 gegen eine Schulter der Welle 14 verspannt sein. Die Axiallagerscheibe 30 weist eine vorzugsweise gehärtete und geschliffene Lauffläche 31 für das Axiallager 35 auf, die mit einer Lagerfläche 81 zusammenwirkt, welche in der Ausführung der Fig.2 an einem Gehäuse 8 der Turbomaschine 10 ausgebildet ist. Das Gehäuse 8 kann dabei auch mehrteilig ausgeführt sein bzw. die Lagerfläche 81 kann an einem weiteren mit dem Gehäuse 8 verbundenen Bauteil ausgebildet sein.

In der Ausführung der Fig.2 wirkt das Axiallager 35 in beiden Richtungen. Daher ist an der Axiallagerscheibe 30 gegenüberliegend und gegenorientiert zur Lauffläche 31 eine weitere Lauffläche 32 ausgebildet, welche mit einer weiteren Lagerfläche 82

zusammenwirkt. Die weitere Lagerfläche 82 ist an dem Gehäuse 8 ausgebildet, kann alternativ aber auch an einem weiteren mit dem Gehäuse 8 verbundenen Bauteil ausgebildet sein.

Die Antriebsvorrichtung 20 der als Turbokompressor ausgeführten Turbomaschine 10 ist als Elektromotor ausgeführt, zwischen dem Verdichter 1 1 und der Abgasturbine 13 angeordnet und umfasst einen Rotor 21 und einen Stator 22. Der Rotor 21 ist ebenfalls auf der Welle 14 angeordnet. Der Stator 22 ist ortsfest in dem nur partiell dargestellten Gehäuse 8 des Turbokompressors 10 positioniert. Das Gehäuse 8 kann auch mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle 14 ist zu beiden Seiten der Antriebsvorrichtung 20 mittels je eines Radiallagers 41 , 42 drehbar gelagert. Die Antriebsvorrichtung 20 ist zwischen den beiden Radiallagern 41 , 42 positioniert. An den äußeren Enden der Welle 14 ist am einen Ende das Laufrad 15 angeordnet und am anderen Ende das weitere Laufrad 13a, welches die Abgasturbine 13 bildet. Erfindungsgemäß ist nun die Axiallagerscheibe 30 gewicht- und festigkeitsoptimiert. Dazu zeigt die Fig.3 eine perspektivische Ansicht der Axiallagerscheibe 30 der Turbomaschine 10. Die Axiallagerscheibe 30 umfasst zwei Deckscheiben: eine erste Deckscheibe 34 und eine zweite Deckscheibe 35. Die beiden Deckscheiben 34, 35 sind gegenüberliegend zueinander angeordnet und durch eine Vielzahl radialer Rippen 36 miteinander verbunden. An ihrem Innenumfang weist die Axiallagerscheibe 30 eine Nabe 37 mit einer darin ausgebildeten Innenbohrung 38 auf. An der Innenbohrung 38 wird die

Axiallagerscheibe 30 auf der Welle 14 angeordnet, beispielsweise auf diese aufgepresst.

Die Nabe 37 und die beiden Deckscheiben 34, 35 sind vorzugsweise

rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Rippen 36 verlaufen radial nach außen, sind also sternförmig angeordnet. Auf der äußeren Stirnseite der ersten Deckscheibe 34 ist die Lauffläche 31 ausgebildet. Und in vorteilhaften Weiterbildungen ist auf der äußeren Stirnseite der zweiten Deckscheibe 35 die weitere Lauffläche 32 ausgebildet, so dass die Axiallagerscheibe 30 zur Lagerung beider axialen Richtungen geeignet ist. Die Rippen 36, welche vorteilhafterweise eine Anzahl von mindestens 20 aufweisen, verleihen der Axiallagerscheibe 30 eine sehr hohe Festigkeit bei minimiertem Gewicht. Die Verwendung lediglich einer einzelnen Deckscheibe würde eine nicht ausreichende Steifigkeit für die beiden Laufflächen 31 , 32 aufweisen; lediglich mit einer sehr dicken - und damit auch sehr schweren - Deckscheibe wäre dies möglich. Die Verwendung der beiden vergleichsweise dünnen Deckscheiben 34, 35 reduziert jedoch die Masse der Axiallagerscheibe 30 und damit die fliehkraftinduzierten Spannungen in der Nabe 37 deutlich, was insbesondere die Beanspruchung der Nabe 37 reduziert und damit die Lebensdauer der Axiallagerscheibe 30 erhöht.