Titel

Axial-Gaslager

Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche dient.

Stand der Technik

Aus der amerikanischen Offenlegungsschrift US 2012/0207414 Al ist ein als Luftlager ausgeführtes Axiallager mit einer Federfolie und einer Deckfolie bekannt. Aufgrund der verwendeten Folien werden derartige Luftlager auch als Folienlager bezeichnet.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche dient, funktionell zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einem Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche dient, durch eine Prallkühlung gelöst. Im Betrieb des Axial- Gaslagers dreht sich die Axiallagerscheibe, die zum Beispiel an einem Rotor ausgebildet ist, um eine Drehachse. Durch diese Drehbewegung wird unter Zuhilfenahme von Lagerelementen, wie Folien, in dem Gaslagerspalt eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Gasströmung erzeugt, die den tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche aufbaut. Das Gas für den tragenden Gasfilm wird zum Beispiel über entsprechende Öffnungen zugeführt. Die Ausführung und Anordnung dieser Öffnungen ist bekannt und hier nicht weiter erläutert. Bei dem Gas handelt es sich um Beispiel um Luft. Daher wird das Axial-Gaslager auch als Axial-Luftlager bezeichnet. Der Begriff axial bezieht sich auf die Drehachse des Rotors. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Durch die Prallkühlung wird auf einfache Art und Weise eine besonders effiziente Kühlung des Axial-Gaslagers ermöglicht. Die Prallkühlung an sich ist schon lange bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Patentschrift DE 2338841 C3. In dieser Patentschrift wird die Prallkühlung zum Kühlen einer Hohlschaufel einer Gasturbine genutzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkühlung mindestens eine Kühlgasdüse umfasst, durch die Kühlgas zugeführt wird. Bei dem Kühlgas handelt es sich zum Beispiel um Luft. Das Kühlgas wird besonders vorteilhaft über mehrere Kühlgasdüsen zugeführt. Die Kühlgasdüsen sind in einer Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet. Über die Kühlgasdüse wird zusätzlich zu dem Gas, das zur Ausbildung des tragenden Gasfilms dient, Gas zugeführt. Durch die Kühlgasdüse wird das Kühlluftgas mit hoher Geschwindigkeit zugeführt, um die sich im Betrieb des Axial-Gaslagers stark erwärmende Axiallagerscheibe zu kühlen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgasdüse radial außerhalb der Axiallagerscheibe angeordnet ist. Dadurch wird die Axiallagerscheibe an einer Rotoraußenseite mit einer hohen Austrittsgeschwindigkeit der Kühlgasdüse angeströmt. So kann der in Umfangsrichtung strömende heiße Gasfilm an der Rotoroberfläche durchmischt werden, wodurch der Wärmeübergang wirksam verbessert wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgasdüse so ausgeführt und angeordnet ist, dass das Kühlgas direkt auf eine Außenfläche der Axiallagerscheibe prallt. Durch das Entspannen des Kühlluftgases direkt im Axial-Gaslager entsteht die gewünschte Abkühlung vorteilhaft unmittelbar dort, wo das kalte Kühlgas benötigt wird. Zusätzlich wird dem im Betrieb eher heißen Gas zuvor auf dem Weg durch entsprechende Leitungen und Gehäusekörper effizienter Wärme entzogen als bei herkömmlichen Axial-Gaslagern. Durch die damit verbundene effektive Nutzung des Kühlgases kann die Menge des benötigten Kühlgases reduziert werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine auswirkt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlgaspfad von der Kühlgasdüse an einer Deckfolie und/oder einer Federfolie des als Folienlager ausgeführten Axial- Gaslagers entlang verläuft. Besonders vorteilhaft umfasst das als Folienlager ausgeführte Axial-Gaslager mindestens zwei Deck- und Federfolien, zwischen denen die Axiallagerscheibe axial gelagert ist.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgasdüse so ausgeführt und angeordnet ist, dass sich ein durch die Kühlgasdüse eintretender Kühlgasstrom mit dem tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche vermischt. Dabei entstehende Verwirbelungen verbessern die Kühlung des Axial-Gaslagers im Betrieb besonders effektiv.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgasdüse eine spezielle Kühlgasdüsengeometrie aufweist. Die spezielle Kühlgasdüsengeometrie ist vorteilhaft als Lavalle- Düsengeometrie ausgeführt. Die spezielle Kühlgasgeometrie kann direkt in einen Gehäusekörper eingebracht werden. Die spezielle Kühlgasgeometrie kann aber auch in einem Einsatzkörper ausgebildet sein, der wiederum in einen Gehäusekörper eingepresst oder eingeschraubt wird. Die Kühlgasdüsengeometrie kann radial ausgerichtet sein. Die Kühlgasgeometrie kann aber auch in einem Winkel, vorzugsweise entgegen einer Rotordreh richtung, angestellt sein, um eine gewünschte Verwirbelung zwischen dem eintretenden Kühlgasstrom und dem tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche zu vergrößern.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgasdüse in einem Ringkörper ausgebildet ist, der in axialer Richtung zwischen zwei Stützkörpern angeordnet ist. Bei dem Ringkörper und den Stützkörpern handelt es sich um Gehäusekörper, die zur Darstellung eines Gehäuses des Axial-Gaslagers dienen. Das Gehäuse des Axial-Gaslagers ist zum Beispiel in ein Gehäuse eines Luftverdichters integriert, der einen Rotor umfasst, der mit Hilfe mindestens eines vorab beschriebenen Axial-Gaslagers gelagert wird. Der Ringkörper vereinfacht die Herstellung der Kühlgasdüsen. Darüber hinaus vereinfacht die mehrteilige Ausführung des Gehäuses des Axial-Gaslagers die Montage desselben. Der Ringkörper kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas durch mindestens einen Ringspalt zwischen einem Rotor und mindestens einem Stützkörper austritt. Die Drücke am Austritt des Kühlgases können über einen nachgeschalteten fluidischen Widerstand eingestellt werden. In Kombination mit der Größe eines Eintrittsquerschnitts der Kühlgasdüse können gewünschte Druckdifferenzen zwischen dem eintretenden Kühlgas, dem Kühlgas in Inneren des Axial-Gaslagers und am Austritt des Kühlgases eingestellt werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kühlgasdüse, eine Axiallagerscheibe, einen Rotor, einen Ringkörper, einen Stützkörper und/oder eine Folie für ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Das vorab beschriebene Axial-Gaslager wird vorzugsweise in einem Luftverdichter oder Luftkompressor zur axialen Lagerung eines Rotors verwendet. Der Luftverdichter oder Luftkompressor wiederum wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um ein Gas, insbesondere Luft, zu verdichten, die dann einer Brennstoffzelle zugeführt wird.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Axial-Gaslagers.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigen:

Figur 1 ein Axial-Gaslager in einer schematischen Schnittdarstellung;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in Figur 2 dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.

Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.

Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist. Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.

Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.

Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.

Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.

In Figur 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.

Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Axial-Gaslager 106.

An dem in Figur 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.

Die Radial-Gaslager 104, 105; 106 umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.

Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Axiallagerscheibe bezeichnet. In Figur 1 ist ein Axial-Gaslager 30 im Schnitt schematisch dargestellt. Das Axial- Gaslager 30 ist ein Ausführungsbeispiel des in Figur 2 mit 106 bezeichneten Axial-Gaslagers. Das Axial-Gaslager 30 umfasst einen Rotor 31, der dem Rotor 103 in Figur 2 entspricht.

Der Rotor 31 umfasst einen Rotorkörper 32, der einstückig mit einer Axiallagerscheibe 33 verbunden ist. Der Rotor 31 mit dem Rotorkörper 32 und der Axiallagerscheibe 33 ist um eine Drehachse 34 drehbar, wie in Figur 1 durch einen Pfeil 35 angedeutet ist.

Das Axial-Gaslager 30 ist in einen Gehäusekörper 36 eines Luftverdichters integriert, wie er zum Beispiel in Figur 2 schematisch dargestellt ist. An den Gehäusekörper 36 ist ein Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 angebaut. Das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 umfasst zwei Stützkörper 38, 39.

Zwischen den Stützkörpern 38 und 39 sind in axialer Richtung ein Ringkörper 40 und ein Zusatzringkörper 41 angeordnet. Durch eine gestrichelte Linie 50 ist mindestens ein Befestigungsmittel angedeutet, mit dem das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 an den Gehäusekörper 36 angebaut ist.

In den Ringkörper 40 ist eine Kühlgasdüse 42 mit einer speziellen Kühlgasdüsen geometrie 51 integriert. Durch einen Pfeil 43 ist Kühlluft angedeutet, die mit einem Druck pl beaufschlagt ist. Durch einen weiteren Pfeil 44 ist angedeutet, dass die Kühlluft mit einem Druck p2 als Freistrahl auf eine Außenfläche 52 der Axiallagerscheibe 33 aufprallt.

Mit der Kühlgasdüse 42 wird eine effektive Prallkühlung 60 in dem Lagergehäuse 37 realisiert. Durch gestrichelte Pfeile 45 sind in Figur 1 Kühlluftpfade angedeutet. Die durch die Kühlgasdüse 42 eintretende Kühlluft mischt sich beziehungsweise verwirbelt mit Luft, die in an sich bekannter Art und Weise in dem Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen der Axiallagerscheibe 33 und Stützflächen 48, 49, die an den Stützkörpern 38, 39 ausgebildet und einander zugewandt sind. Zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 48 sind eine Federfolie 53 und eine Deckfolie 54 angeordnet. Analog sind zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 49 eine Federfolie 55 und eine Deckfolie 56 angeordnet. Die Folien 53 bis 56 sind in Figur 1 ebenso wie Gaslagerspalte 58, 59 nur schematisch und stark vereinfacht dargestellt.

Gas, insbesondere Luft, zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 wird zum Beispiel durch Unterbrechungen oder Bohrungen in den Folien 53 bis 56 in die Gaslagerspalte 58, 59 hineingezogen. Die Gaszufuhr zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 ist in Figur 1 nicht dargestellt.

Durch gestrichelte Pfeile 46, 47 ist in Figur 1 angedeutet, wie die Luft durch Ringspalte 61, 62 zwischen dem Rotor 31 und den Stützkörpern 38, 39 austritt. Die austretende Kühlluft ist mit Drücken p3 und p4 beaufschlagt.

Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 jeweils ein tragender Gasfilm auf. Zwischen den Deckfolien 54, 56 und den Stützflächen 48, 49 sind die Federfolien 53, 54 angeordnet, die sich an den Stützkörpern 38, 39 abstützen.

Über den Zusatzringkörper 41 kann ein axialer Abstand zwischen den Stützkörpern 38, 39 und damit ein Lagerspiel des Axial-Gaslagers 30 eingestellt werden. Je nach Ausführung kann auch mindestens einer der Stützkörper 38, 39, die auch als Stützplatten bezeichnet werden, mit dem Ringkörper 40 und/oder dem Zusatzringkörper 41 zu einem Bauteil vereint werden.

Über die Kühlgasdüse 42, vorzugsweise über mehrere Kühlgasdüsen, wird Kühlgas, insbesondere Kühlluft, radial oder leicht schräg auf die Außenfläche 52 oder Außenkante der Axiallagerscheibe 33 gerichtet. Anders als dargestellt, kann mindestens eine Kühlgasdüse auch in den Zusatzringkörper 41 und/oder in mindestens einen der Stützkörper 38, 39 integriert werden. Zur Realisierung der Prallkühlung 60 wird die Kühlgasdüse 42 mit dem Druck pl versorgt. Der Druck pl wird über die Kühlgasdüse 42 auf das Druckniveau p2 am Außendurchmesser der Axiallagerscheibe 33 entspannt. Der Kühlluftstrom teilt sich dann entsprechend den Drücken p3 und p4 entlang der Kühlluftpfade 45 auf die beiden Lagerseiten auf und durchströmt die beiden Gaslagerspalte 58, 59, bevor er zwischen dem Rotor 31 und den Stützkörpern 38, 39 austritt.