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DE102015007379A1 - Turbomachine for an energy converter, in particular a fuel cell - Google Patents

Turbomachine for an energy converter, in particular a fuel cell Download PDF

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DE102015007379A1
DE102015007379A1 DE102015007379.6A DE102015007379A DE102015007379A1 DE 102015007379 A1 DE102015007379 A1 DE 102015007379A1 DE 102015007379 A DE102015007379 A DE 102015007379A DE 102015007379 A1 DE102015007379 A1 DE 102015007379A1
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DE
Germany
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bearing
turbomachine
air
housing element
bearing part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102015007379.6A
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German (de)
Inventor
Andreas Knoop
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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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 wenigstens einem Gehäuseelement (24) und mit einem um eine Drehachse (36) relativ zu dem Gehäuseelement (24) drehbaren Laufzeug (16), welches wenigstens ein Laufrad (20, 22) umfasst und zumindest in axialer Richtung an dem Gehäuseelement (24) mittels einer als Luftlager ausgebildeten Lagereinrichtung (42, 46) gelagert ist, welche wenigstens ein an dem Gehäuseelement (24) gehaltenes erstes Lagerteil (48, 50) und wenigstens ein korrespondierendes, mit dem Laufzeug (16) relativ zum ersten Lagerteil (48, 50) mit drehbares zweites Lagerteil (52) umfasst, wobei wenigstens eines der Lagerteile (48, 50, 52) auf einer dem anderen Lagerteil (48, 50, 52) zugewandten Stirnseite (58, 60, 62, 64) eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Vertiefungen (66) aufweist, welche durch eine auf einen Grundkörper (70) des einen Lagerteils (48, 50, 52) aufgebrachte Beschichtung gebildet sind.The invention relates to a turbomachine (10) for an energy converter, in particular a fuel cell, with a compressor (12) for compressing air to be supplied to the energy converter with at least one housing element (24) and one around an axis of rotation (36) relative to the housing element (24) rotatable running tool (16) which at least one impeller (20, 22) and at least in the axial direction on the housing element (24) by means of a designed as an air bearing bearing means (42, 46) is mounted, which at least one on the housing element (24) held first bearing part (48, 50) and at least one corresponding, with the rotor (16) relative to the first bearing part (48, 50) with rotatable second bearing part (52), wherein at least one of the bearing parts (48, 50, 52) on one of the other bearing part (48, 50, 52) facing end face (58, 60, 62, 64) has a plurality of at least substantially spiral-shaped depressions (66) which through a coating applied to a base body (70) of the one bearing part (48, 50, 52) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a turbomachine for an energy converter, in particular a fuel cell, according to the preamble of patent claim 1.

Derartige Strömungsmaschinen für Energiewandler, insbesondere Brennstoffzellen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Strömungsmaschine kommt üblicherweise bei einem Energiewandler in Form einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems zum Einsatz, wobei mittels der Strömungsmaschine Luft verdichtet wird, welche dem Energiewandler zugeführt wird. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb des Energiewandlers, insbesondere der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems, realisiert werden. Hierzu umfasst die Strömungsmaschine einen Verdichter zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft. Ferner umfasst die Strömungsmaschine wenigstens ein Gehäuseelement und ein um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement drehbares Laufzeug, welches wenigstens ein Laufrad umfasst. Das Laufrad ist beispielsweise ein Verdichterrad des Verdichters, wobei die Luft mittels des Verdichterrads verdichtet wird.Such turbomachines for energy converters, in particular fuel cells, are already well known from the general state of the art. Such a turbomachine is usually used in an energy converter in the form of a fuel cell or a fuel cell system, wherein air is compressed by means of the turbomachine, which is supplied to the energy converter. As a result, a particularly efficient operation of the energy converter, in particular the fuel cell or the fuel cell system, can be realized. For this purpose, the turbomachine comprises a compressor for compressing air to be supplied to the energy converter. Furthermore, the turbomachine comprises at least one housing element and a rotatable about an axis of rotation relative to the housing element running gear, which comprises at least one impeller. The impeller is, for example, a compressor wheel of the compressor, wherein the air is compressed by means of the compressor wheel.

Die Strömungsmaschine umfasst ferner eine als Luftlager ausgebildete Lagereinrichtung, mittels welcher das Laufzeug zumindest in axialer Richtung an dem Gehäuseelement gelagert ist. Die Lagereinrichtung umfasst dabei wenigstens ein an dem Gehäuseelement gehaltenes erstes Lagerteil und wenigstens ein korrespondierendes, mit dem Laufzeug relativ zum ersten Lagerteil mit drehbares zweites Lagerteil. Das Laufzeug ist über das zweite Lagerteil zumindest mittelbar am ersten Lagerteil abstützbar. Unter dieser mittelbaren Abstützung ist zu verstehen, dass infolge einer Drehung des zweiten Lagerteils relativ zum ersten Lagerteil zwischen den Lagerteilen ein Luftpolster entsteht, über welches das zweite Lagerteil zumindest in axialer Richtung am ersten Lagerteil abgestützt beziehungsweise abstützbar ist. Hierdurch kann ein unerwünschter, direkter Kontakt der Lagerteile vermieden werden.The turbomachine further comprises a bearing device designed as an air bearing, by means of which the running gear is mounted on the housing element at least in the axial direction. The bearing device comprises at least one first bearing part held on the housing element and at least one corresponding second bearing part with the running gear relative to the first bearing part. The running gear can be supported at least indirectly on the first bearing part via the second bearing part. Under this indirect support is to be understood that due to rotation of the second bearing part relative to the first bearing part between the bearing parts, an air cushion is formed, via which the second bearing part is supported or supported at least in the axial direction on the first bearing part. In this way, an undesirable, direct contact of the bearing parts can be avoided.

Die Strömungsmaschine ist eine Luftversorgungseinheit und dabei als hochdrehende Strömungsmaschine ausgebildet, welche während ihres Betriebs besonders hohe Drehzahlen aufweist. Dabei kann mittels des Luftlagers eine hinreichende Lagerung auch bei hohen Drehzahlen realisiert werden. Das Luftlager ist dabei ein hydrodynamisches Luftlager, welches das zuvor genannte Luftpolster als Luftkissen zur zumindest axialen Lagerung nutzt. Üblicherweise kommen Luftlager in Form von Folienlagern zum Einsatz. Weitere Lagertypen sind sogenannte Spiralrillensegmentlager und Kippsegmentlager. Alle Lagertypen, das heißt sowohl Spiralrillenlager als auch Kippsegmentlager und Folienlager arbeiten nach dem gleichen physikalischen Prinzip. Durch die Drehbewegung bildet sich ein beispielsweise zumindest im Wesentlichen keilförmiges Luftpolster beziehungsweise Luftkissen zwischen den Lagerteilen aus, wobei das Luftpolster in der Lage ist, das Laufzeug, welches auch als Rotor bezeichnet wird, zu tragen. Dieses Wirkprinzip gilt sowohl für die radiale, als auch für die axiale Lagerung des Laufzeugs. Bei typischen Nenndrehzahlen treten Geschwindigkeitsgradienten zwischen drehenden und gehäusefesten Teilen der Luftversorgungseinheit von 150 bis 350 Metern pro Sekunde auf. Ein solches drehendes Teil ist das zweite Lagerteil, wobei ein gehäusefestes Teil beispielsweise das am Gehäuseelement gehaltene erste Lagerteil ist. Durch die großen Geschwindigkeitsgradienten in Verbindung mit dem sehr kleinen Luftspalt zwischen den Lagerteilen kommt es zu hohen Scherkräften, welche wiederum hohe Reibverluste von mehreren 100 Watt entstehen lassen. Damit die Strömungsmaschine hierbei thermisch stabil bleibt, kommt üblicherweise eine Kühlung zum Einsatz.The turbomachine is an air supply unit and thereby designed as a high-speed turbomachine, which has particularly high speeds during its operation. In this case, by means of the air bearing sufficient storage can be realized even at high speeds. The air bearing is a hydrodynamic air bearing, which uses the aforementioned air cushion as air cushion for at least axial storage. Usually, air bearings in the form of foil bearings are used. Further types of bearings are so-called spiral groove segment bearings and tilting segment bearings. All bearing types, ie both spiral groove bearings as well as tilting pad bearings and foil bearings work according to the same physical principle. By the rotational movement, for example, at least substantially wedge-shaped air cushion or air cushion forms between the bearing parts, wherein the air cushion is able to wear the running gear, which is also referred to as a rotor. This operating principle applies to both the radial, as well as for the axial bearing of the running tool. At typical rated speeds, velocity gradients occur between rotating and stationary parts of the air supply unit from 150 to 350 meters per second. Such a rotating part is the second bearing part, wherein a housing-fixed part, for example, is the first bearing part held on the housing element. Due to the large velocity gradients in connection with the very small air gap between the bearing parts, high shear forces occur, which in turn cause high frictional losses of several 100 watts. In order for the turbomachine to remain thermally stable, cooling is usually used.

Bei Stillstand des Laufzeugs liegt dieses beziehungsweise das zweite Lagerteil üblicherweise am ersten Lagerteil an. Wenn die Strömungsmaschine dann in Betrieb genommen wird, muss zunächst ein Mischreibungsgebiet durchfahren werden, bevor das Laufzeug beziehungsweise das zweite Lagerteil vom ersten Lagerteil abhebt und sich das Luftpolster ausbildet.At standstill of the running gear this or the second bearing part is usually on the first bearing part. When the turbomachine is then put into operation, a mixed friction area must first be passed through before the running gear or the second bearing part lifts off from the first bearing part and the air cushion is formed.

Axiale Folienlager umfassen üblicherweise mehrere Deckfolien, welche auch als Topfoils bezeichnet werden, und mehrere, zumindest im Wesentlichen wellenförmige Trägerfolien, welche auch als Bumpfoils bezeichnet werden. Feder- und Dämpfungseigenschaften entstehen durch die Form der Trägerfolie und durch Coulombsche Reibung zwischen den Folien und dem Gehäuseelement des Luftlagers. Die Deckfolien sind mit einer Gleitbeschichtung versehen, welche beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht. In der Regel haben axiale Folienlager zwei gehäusefeste Lagerscheiben und eine Spurscheibe, welche zum Laufzeug gehört und sich mit diesem dreht. Auf den beiden Lagerscheiben wird die Deck- und Trägerfolie mit einem Punktschweißverfahren befestigt. Die Deck- und Trägerfolie selbst werden beispielsweise mit Hilfe eines Prägeprozesses hergestellt. Sowohl Schweiß- als auch Prägeprozesse sind dafür bekannt, dass sie stark toleranzbehaftet sind. Dies ist im Hinblick auf die Erzeugung eines Luftpolsters von weniger als 0,01 Millimetern problematisch. Hierdurch ergeben sich Nachteile bei der prozesssicheren Herstellung und der Tragfähigkeit von Folienlagern. Axiale Spiralrillenlager nach dem Stand der Technik werden aus keramischen Werkstoffen wie beispielsweise Wolfram- oder Silizium-Karbid hergestellt, weil diese extrem abrieb- und temperaturbeständig sind. Keramikstoffe sind bekanntermaßen schwierig zu bearbeiten und somit kostenintensiv. Wie die Folienlager umfassen Spiralrillenlager üblicherweise aus zwei gehäusefesten Lagerscheiben und einer Spurscheibe, welche relativ zu den Lagerscheiben drehbar ist.Axial foil bearings usually comprise a plurality of cover foils, which are also referred to as Topfoils, and a plurality of, at least substantially wavy carrier foils, which are also referred to as Bumpfoils. Spring and damping properties arise due to the shape of the carrier film and by Coulomb friction between the films and the housing element of the air bearing. The cover sheets are provided with a lubricious coating, which consists for example of polytetrafluoroethylene (PTFE). In general, axial foil bearings have two housing-fixed bearing discs and a track disc, which belongs to the running gear and rotates with this. On the two bearing discs, the cover and carrier film is attached by a spot welding process. The cover and carrier film itself are produced, for example, by means of an embossing process. Both welding and embossing processes are known to be highly tolerant. This is problematic in terms of producing an air cushion of less than 0.01 millimeters. This results in disadvantages in the process-reliable production and the sustainability of foil bearings. Axial spiral groove bearings according to the prior art are made of ceramic materials such as Tungsten or silicon carbide produced, because they are extremely resistant to abrasion and temperature. Ceramics are known to be difficult to process and therefore costly. Like the foil bearings, spiral groove bearings usually comprise two housing-fixed bearing discs and a track disc, which is rotatable relative to the bearing discs.

Ferner offenbart die DE 690 13 761 T2 eine Magnetpumpe, umfassend ein Pumpenrad vom geschlossenen Typ mit magnetischen Mitteln, das durch eine Magnetkraft drehbar angetrieben wird, die von außerhalb des Pumpenrades wirkt.Further, the DE 690 13 761 T2 a magnetic pump comprising a closed-type impeller with magnetic means rotatably driven by a magnetic force acting from outside the pump impeller.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders effektive und kostengünstige Lagerung des Laufzeugs realisierbar ist.Object of the present invention is to develop a flow machine of the type mentioned in such a way that a particularly effective and cost-effective storage of the tool is feasible.

Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a turbomachine having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders effektive und kostengünstige Lagerung des Laufzeugs realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens eines der Lagerteile auf einer dem anderen Lagerteil zugewandten Stirnseite eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Vertiefungen, insbesondere Nuten, aufweist, welche durch eine auf einen Grundkörper des einen Lagerteils aufgebrachte Beschichtung gebildet ist. Mit anderen Worten ist die als Luftlager ausgebildete Lagereinrichtung als Spiralrillenlager ausgebildet, dessen hydrodynamische Eigenschaften zum Lagern des Laufzeugs durch eine durch die Vertiefungen gebildete, zumindest im Wesentlichen spiralförmige Bemusterung entstehen. Diese Bemusterung weist beispielsweise eine Tiefe von einigen Mikrometern auf, sodass sich zwischen den Lagerteilen ein Luftpolster ausbilden kann, wenn sich das Laufzeug und somit das zweite Lagerteil relativ zum ersten Lagerteil drehen.In order to develop a turbomachine specified in the preamble of claim 1 type such that a particularly effective and cost-effective storage of the tool is feasible, it is inventively provided that at least one of the bearing parts on a side facing the other bearing part a plurality of at least substantially helical Recesses, in particular grooves, which is formed by a coating applied to a base body of a bearing part coating. In other words, the bearing device configured as an air bearing is designed as a spiral groove bearing, the hydrodynamic properties of which for bearing the running tool arise through an at least substantially spiral patterning formed by the depressions. This patterning has, for example, a depth of a few micrometers, so that an air cushion can form between the bearing parts when the rotor and thus the second bearing part rotate relative to the first bearing part.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die Vertiefungen beziehungsweise die Bemusterung nicht in den Grundkörper selbst beispielsweise durch Einätzen oder dergleichen einzubringen, sondern der Grundkörper wird beschichtet, das heißt mit einer Beschichtung versehen, die die zumindest im Wesentlichen spiralförmige Bemusterung bildet. Mit anderen Worten erfolgt kein Materialabtrag des Grundkörpers, sondern es erfolgt ein Materialauftrag auf den Grundkörper unter Bildung der Beschichtung. Die Beschichtung bildet dabei erste Teilbereiche, welche gegenüber sich an die ersten Teilbereiche anschließenden, zweiten Teilbereichen erhaben sind, sodass die zweiten Teilbereiche die Vertiefungen bilden. Die Lagerteile müssen somit nicht aus sehr abriebfesten und kostenintensiven Werkstoffen hergestellt werden, sondern die Lagerteile und somit die Lagereinrichtung und die Strömungsmaschine insgesamt können besonders kostengünstig hergestellt werden bei gleichzeitiger Realisierung einer effektiven und reibungsarmen Luftlagerung.According to the invention, it is now provided that the recesses or the patterning are not introduced into the main body itself, for example by etching or the like, but the main body is coated, that is to say provided with a coating which forms the at least substantially spiral patterning. In other words, there is no material removal of the base body, but there is a material application to the base body to form the coating. In this case, the coating forms first partial regions, which are raised in relation to second partial regions adjoining the first partial regions, so that the second partial regions form the depressions. The bearing parts must therefore not be made of very abrasion-resistant and cost-intensive materials, but the bearing parts and thus the bearing device and the flow machine as a whole can be made particularly inexpensive while achieving an effective and low-friction air bearing.

Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der Grundkörper aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, wobei der keramische Werkstoff beziehungsweise der Grundkörper jedoch nicht kostenintensiv bearbeitet werden muss, um die Vertiefung auszubilden, sondern die Vertiefungen werden auf einfache und kostengünstige Weise durch die Beschichtung gebildet.Alternatively or additionally, it is conceivable that the base body is made of a ceramic material, but the ceramic material or the base body does not have to be processed costly to form the depression, but the wells are formed in a simple and cost-effective manner by the coating.

Vorzugsweise ist die Beschichtung als Gleitschicht ausgebildet, wobei die Beschichtung besonders vorteilhafterweise aus einem Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), gebildet ist. Hierdurch kann eine besonders reibungsarme Lagerung des Laufzeugs realisiert werden.Preferably, the coating is formed as a sliding layer, wherein the coating is particularly advantageously formed of a plastic, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE). This allows a particularly low-friction storage of the running gear can be realized.

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 Figuren 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:

1 eine schematische Längsschnittansicht einer Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer als Luftlager ausgebildeten Lagereinrichtung, welche wenigstens zwei Lagerteile umfasst, wobei wenigstens eines der Lagerteile auf einer dem anderen Lagerteil zugewandten Stirnseite eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Vertiefungen aufweist, welche durch eine auf einem Grundkörper des einen Lagerteils aufgebrachte Beschichtung gebildet sind; 1 a schematic longitudinal sectional view of a turbomachine according to a first embodiment of an energy converter, in particular a fuel cell, with a designed as an air bearing bearing means comprising at least two bearing parts, wherein at least one of the bearing parts on a side facing the other bearing part a plurality of at least substantially spiral-shaped depressions which are formed by a coating applied to a base body of a bearing part coating;

2 eine schematische Vorderansicht des einen Lagerteils gemäß einer ersten Ausführungsform; 2 a schematic front view of a bearing part according to a first embodiment;

3 eine schematische Vorderansicht des einen Lagerteils gemäß einer zweiten Ausführungsform; 3 a schematic front view of a bearing part according to a second embodiment;

4 eine schematische Vorderansicht des einen Lagerteils gemäß einer dritten Ausführungsform; und 4 a schematic front view of a bearing part according to a third embodiment; and

5 eine schematische Längsschnittansicht der Strömungsmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform. 5 a schematic longitudinal sectional view of the turbomachine according to a second embodiment.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform in Form eines Turboladers für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem. Die Strömungsmaschine 10 umfasst einen Verdichter 12, mittels welchem Luft verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird dem Energiewandler, insbesondere der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellensystem, zugeführt, sodass der Energiewandler besonders effizient betrieben werden kann. Die Strömungsmaschine 10 ist somit eine Luftversorgungseinheit zum Versorgen des Brennstoffzellensystems mit verdichteter Luft. Der Verdichter 12 umfasst ein Verdichtergehäuse 14 und ist als Radialverdichter ausgebildet. Die Strömungsmaschine 10 umfasst ein im Ganzen mit 16 bezeichnetes Laufzeug, welches auch als Rotor bezeichnet wird. Der Rotor (Laufzeug 16) umfasst eine Welle 18, ein erstes Laufrad in Form eines Turbinenrads 20 sowie ein zweites Laufrad in Form eines Verdichterrads 22. Die Laufräder (Turbinenrad 20 und Verdichterrad 22) sind drehfest mit der Welle 18 verbunden, welche auch als Motorwelle bezeichnet wird. Das Verdichterrad 22 ist dem Verdichter 12 zugeordnet und in dem Verdichtergehäuse 14 aufgenommen, wobei die Luft mittels des Verdichterrads 22 verdichtet wird. 1 shows in a schematic longitudinal sectional view with a whole 10 Designated turbomachine according to a first embodiment in the form of a turbocharger for an energy converter, in particular a fuel cell or a fuel cell system. The turbomachine 10 includes a compressor 12 , by means of which air is compressed. The compressed air is supplied to the energy converter, in particular the fuel cell or the fuel cell system, so that the energy converter can be operated particularly efficiently. The turbomachine 10 is thus an air supply unit for supplying the fuel cell system with compressed air. The compressor 12 includes a compressor housing 14 and is designed as a radial compressor. The turbomachine 10 includes a whole with 16 designated Laufzeug, which is also referred to as a rotor. The rotor (Laufzeug 16 ) includes a shaft 18 , a first impeller in the form of a turbine wheel 20 and a second impeller in the form of a compressor wheel 22 , The wheels (turbine wheel 20 and compressor wheel 22 ) are non-rotatable with the shaft 18 connected, which is also referred to as a motor shaft. The compressor wheel 22 is the compressor 12 assigned and in the compressor housing 14 taken, the air by means of the compressor wheel 22 is compressed.

Die Strömungsmaschine 10 umfasst ferner ein Gehäuseelement 24 mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Gehäuseteilen 26, 28 und 30, wobei auch das Verdichtergehäuse 14 ein Gehäuseteil des Gehäuseelements 24 ist. Darüber hinaus umfasst die Strömungsmaschine 10 eine Turbine 32, welche als weiteres Gehäuseteil des Gehäuseelements 24 ein Turbinengehäuse 34 aufweist. Das Turbinenrad 20 ist dabei in dem Turbinengehäuse 34 angeordnet und der Turbine 32 zugeordnet. Die Turbine 32 ist vorliegend als Radialturbine ausgebildet und von Abgas des Energiewandlers durchströmbar. Bei diesem Abgas handelt es sich beispielsweise um Luft, mittels welcher die Turbine 32, insbesondere das Turbinenrad 20, antreibbar ist. Aus 1 ist erkennbar, dass das Laufzeug 16 um eine Drehachse 36 relativ zu dem Gehäuseelement 24 drehbar ist. Da das Verdichterrad 22 über die Welle 18 mit dem Turbinenrad 20 verbunden ist, kann das Verdichterrad 22 zum Verdichten der Luft von dem Turbinenrad 20 angetrieben werden, sodass im Abgas des Energiewandlers enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Hierdurch lässt sich ein besonders effizienter Betrieb des Brennstoffzellensystems (Energiewandler) realisieren.The turbomachine 10 further comprises a housing element 24 with a plurality of interconnected housing parts 26 . 28 and 30 , where also the compressor housing 14 a housing part of the housing element 24 is. In addition, the turbomachine includes 10 a turbine 32 , which as a further housing part of the housing element 24 a turbine housing 34 having. The turbine wheel 20 is in the turbine housing 34 arranged and the turbine 32 assigned. The turbine 32 is presently designed as a radial turbine and can be flowed through by exhaust gas of the energy converter. This exhaust gas is, for example, air, by means of which the turbine 32 , in particular the turbine wheel 20 , is drivable. Out 1 is recognizable that the running gear 16 around a rotation axis 36 relative to the housing element 24 is rotatable. Because the compressor wheel 22 over the wave 18 with the turbine wheel 20 connected, the compressor can 22 for compressing the air from the turbine wheel 20 be driven so that energy contained in the exhaust gas of the energy converter can be used to compress the air. This makes it possible to realize a particularly efficient operation of the fuel cell system (energy converter).

Um die dem Energiewandler zuzuführende Luft auch dann mittels der Strömungsmaschine 10 zu verdichten, wenn der Energiewandler kein Abgas oder Abgas mit einem nur geringen Energiegehalt bereitstellt, umfasst die Strömungsmaschine 10 einen Motor in Form eines Elektromotors 38, mittels welchem das Laufzeug 16 und somit das Verdichterrad 22 antreibbar sind. Von dem Elektromotor 38 ist in 1 eine Wicklung 40 schematisch dargestellt, welche auch als Motorwicklung bezeichnet wird. Der Elektromotor 38 umfasst ferner beispielsweise wenigstens einen in 1 nicht erkennbaren und mit der Welle 18 drehfest verbundenen Magneten, welche beispielsweise als Permanentmagnet ausgebildet ist. Über diesen Magneten ist der Rotor (Laufzeug 16) mittels der Wicklung 40 antreibbar.To the air supplied to the energy converter then also by means of the turbomachine 10 to compress, if the energy converter does not provide exhaust or exhaust gas with a low energy content, includes the turbomachine 10 a motor in the form of an electric motor 38 , by means of which the power tool 16 and thus the compressor wheel 22 are drivable. From the electric motor 38 is in 1 a winding 40 shown schematically, which is also referred to as a motor winding. The electric motor 38 further comprises, for example, at least one in 1 unrecognizable and with the wave 18 rotatably connected magnet, which is formed for example as a permanent magnet. About this magnet is the rotor (Laufzeug 16 ) by means of the winding 40 drivable.

Die Strömungsmaschine 10 ist eine hochdrehende Strömungsmaschine. Dies bedeutet, dass sich das Laufzeug 16 während des Betriebs der Strömungsmaschine 10 mit sehr hohen Drehzahlen relativ zum Gehäuseelement 24 dreht. Um hierbei eine besonders effektive Lagerung des Laufzeugs 16 zu realisieren, umfasst die Strömungsmaschine 10 eine als Luftlager ausgebildete und im Ganzen mit 42 bezeichnete Lagereinrichtung. Die Lagereinrichtung 42 umfasst zwei gehäusefeste, das heißt am Gehäuseelement 24 gehaltene Radiallager 44, welche als radiale Luftlager ausgebildet sind. Über die Radiallager 44 ist das Laufzeug 16 in radialer Richtung an dem Gehäuseelement 24 drehbar gelagert. Ferner umfasst die Lagereinrichtung 42 ein Axiallager, welches als axiales Luftlager 46 ausgebildet ist. Mittels des axialen Luftlagers 46 ist das Laufzeug 16 in axialer Richtung an dem Gehäuseelement 24 gelagert. Hierzu umfasst das axiale Luftlager 46 erste Lagerteile in Form von Lagerscheiben 48 und 50, welche erste axiale Luftlagerteile sind. Die ersten Lagerteile (Lagerscheiben 48 und 50) sind gehäusefest, das heißt am Gehäuseelement 24 gehalten.The turbomachine 10 is a high-speed turbomachine. This means that the running gear 16 during operation of the turbomachine 10 with very high speeds relative to the housing element 24 rotates. In this case, a particularly effective storage of the tool 16 To realize, includes the turbomachine 10 one trained as an air bearing and as a whole with 42 designated storage facility. The storage facility 42 comprises two housing fixed, that is on the housing element 24 held radial bearings 44 , which are designed as radial air bearings. About the radial bearings 44 is the running tool 16 in the radial direction on the housing element 24 rotatably mounted. Furthermore, the storage facility comprises 42 a thrust bearing, which serves as an axial air bearing 46 is trained. By means of the axial air bearing 46 is the running tool 16 in the axial direction on the housing element 24 stored. This includes the axial air bearing 46 first bearing parts in the form of bearing washers 48 and 50 which are first axial air bearing parts. The first bearing parts (bearing washers 48 and 50 ) are fixed to the housing, that is on the housing element 24 held.

Ferner umfasst das axiale Luftlager 46 ein mit den Lagerscheiben 48 und 50 (erste Lagerteile) korrespondierendes zweites Lagerteil in Form einer Spurscheibe 52, welche bei der ersten Ausführungsform als innenbelüftete Spurscheibe ausgebildet ist. Die Spurscheibe 52 ist mit dem Laufzeug 16 mitdrehbar und dabei drehfest mit dem Laufzeug 16 verbunden, sodass die Spurscheibe 52 um die Drehachse 36 relativ zu den ersten Lagerteilen (Lagerscheiben 48 und 50) drehbar ist. Das Laufzeug 16 kann sich in axialer Richtung über die Spurscheibe 52 und die Lagerscheiben 48 und 50 am Gehäuseelement 24 abstützen, wobei Luft als Tragmedium zwischen der Spurscheibe 52 und den jeweiligen Lagerscheiben 48 und 50 zum Einsatz kommt. Beim Drehen des Laufzeugs 16 relativ zu den Lagerscheiben 48 und 50 bildet sich beispielsweise zwischen der Spurscheibe 52 und den jeweiligen Lagerscheiben 48 und 50 ein Luftkissen oder ein Luftpolster aus, da zwischen der Spurscheibe 52 und den jeweiligen Lagerscheiben 48 und 50, insbesondere in axialer Richtung zwischen diesen, ein Luftspalt vorgesehen ist. Das axiale Luftlager 46 ist somit ein dynamisches beziehungsweise hydrodynamisches Luftlager, über welches auf das Laufzeug 16 wirkende Axialkräfte auf das Gehäuseelement 24 übertragen werden.Furthermore, the axial air bearing comprises 46 one with the bearing washers 48 and 50 (first bearing parts) corresponding second bearing part in the form of a track disc 52 which is formed in the first embodiment as an internally ventilated track disc. The track disc 52 is with the running gear 16 rotatable while rotatably with the tool 16 connected, so the track disc 52 around the axis of rotation 36 relative to the first bearing parts (bearing discs 48 and 50 ) is rotatable. The running tool 16 may be in the axial direction over the track disc 52 and the bearing washers 48 and 50 on the housing element 24 support, with air as the medium between the track disc 52 and the respective bearing washers 48 and 50 is used. When turning the tool 16 relative to the bearing discs 48 and 50 forms, for example, between the track disc 52 and the respective bearing washers 48 and 50 an air cushion or an air cushion, as between the track disc 52 and the respective bearing washers 48 and 50 , In particular, in the axial direction between these, an air gap is provided. The axial air bearing 46 is thus a dynamic or hydrodynamic air bearing, via which on the running gear 16 acting axial forces on the housing element 24 be transmitted.

In 1 ist ferner ein Leitgitter 54 des Verdichters 12 zu erkennen, wobei das Leitgitter 54 stromab des Verdichterrads 22 angeordnet ist. Die vom Verdichterrad 22 abströmende Luft wird mittels des Leitgitters 54 strömungsgünstig beeinflusst, das heißt abgelenkt. Auch die Turbine 32 umfasst ein Leitgitter 56, mittels welchem das das Turbinenrad 20 anströmende Abgas geleitet werden kann, sodass das Abgas das Turbinenrad 20 strömungsgünstig anströmt.In 1 is also a guide grid 54 of the compressor 12 to recognize, with the Leitgitter 54 downstream of the compressor wheel 22 is arranged. The from the compressor wheel 22 outgoing air is by means of the Leitgitters 54 aerodynamically influenced, that is distracted. Also the turbine 32 includes a baffle 56 , by means of which the turbine wheel 20 incoming exhaust gas can be passed so that the exhaust gas is the turbine wheel 20 flows streamlined.

Um nun eine besonders effektive und kostengünstige, axiale Lagerung des Laufzeugs 16 zu realisieren, weist wenigstens eines der Lagerteile des axialen Luftlagers 46 auf einer einem jeweiligen anderen der Lagerteile zugewandten Stirnseite eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Vertiefungen auf, welche durch eine auf einen Grundkörper des einen Lagerteils aufgebrachte Beschichtung gebildet sind. Aus 1 ist erkennbar, dass die Lagerscheibe 48 eine der Spurscheibe 52 zugewandte Stirnseite 58 aufweist. Ferner weist die Spurscheibe 52 eine der Lagerscheibe 48 zugewandte Stirnseite 60 auf. Die Spurscheibe 52 weist ferner eine der Lagerscheibe 50 zugewandte Stirnseite 62 auf, wobei die Lagerscheibe 50 eine der Spurscheibe 52 zugewandte Stirnseite 64 aufweist. Auf Seiten der Lagerscheibe 48 sind die Vertiefungen beispielsweise auf der Stirnseite 58 oder auf der Stirnseite 60 angeordnet, wobei auf Seiten der Lagerscheibe 50 die Vertiefungen beispielsweise auf der Stirnseite 62 oder der Stirnseite 64 angeordnet sind.To now a particularly effective and cost-effective, axial bearing of the tool 16 to realize, at least one of the bearing parts of the axial air bearing 46 on a respective other of the bearing parts facing end side on a plurality of at least substantially spiral-shaped recesses, which are formed by a coating applied to a base body of a bearing part coating. Out 1 it can be seen that the bearing disc 48 one of the track disc 52 facing end face 58 having. Furthermore, the track disc 52 one of the bearing disc 48 facing end face 60 on. The track disc 52 also has one of the bearing disc 50 facing end face 62 on, with the bearing disc 50 one of the track disc 52 facing end face 64 having. On the side of the bearing disc 48 For example, the depressions are on the front side 58 or on the front side 60 arranged, taking on sides of the bearing disc 50 the depressions, for example, on the front page 62 or the front side 64 are arranged.

Die zuvor genannten Vertiefungen sind gemäß einer ersten Ausführungsform in 2 am Beispiel der Lagerscheibe 48 erkennbar und dort mit 66 bezeichnet, wobei diese Vertiefungen 66 in 2 mit einer Schraffur versehen sind. In 2 soll somit durch die Schraffuren keine Schnittansicht, sondern die Vertiefungen 66 veranschaulicht werden, um die Vertiefung 66 optisch gut von gegenüber den Vertiefungen 66 erhabenen Teilbereichen 68 der Lagerscheibe 48 unterscheiden zu können. 2 zeigt dabei eine erste Ausführungsform der Lagerscheibe 48.The aforementioned recesses are according to a first embodiment in 2 on the example of the bearing disc 48 recognizable and there with 66 designated, these depressions 66 in 2 are provided with hatching. In 2 should thus by hatching not a sectional view, but the wells 66 be illustrated to the recess 66 visually good from across the wells 66 sublime areas 68 the bearing disc 48 to be able to distinguish. 2 shows a first embodiment of the bearing disc 48 ,

Um ferner eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Vertiefungen 66 und somit der Lagereinrichtung 42 insgesamt zu realisieren, sind die Vertiefungen 66 durch eine auf einen Grundkörper 70 des jeweiligen, die Vertiefungen 66 aufweisenden Lagerteils, vorliegend der Lagerscheibe 48, aufgebrachte Beschichtung gebildet. Die Beschichtung ist vorzugsweise eine Gleitbeschichtung, insbesondere aus einem Kunststoff wie beispielsweise PTFE. Die Beschichtung bildet die zuvor genannten Teilbereiche 68, welche in axialer Richtung des Laufzeugs 16 gegenüber sich an die Teilbereiche 68 anschließenden, zweiten Teilbereichen erhaben sind. Die Vertiefungen 66 sind dabei durch die zweiten Teilbereiche gebildet, sodass also die Vertiefungen 66 zumindest seitlich beziehungsweise in Umfangsrichtung des jeweiligen Lagerteils durch die Beschichtung beziehungsweise die erhabenen Teilbereiche 68 begrenzt sind. Dies bedeutet, dass die Vertiefungen 66 nicht etwa durch eine abrasive Bearbeitung des Grundkörpers 70 beziehungsweise durch einen Materialabtrag, sondern im Gegenteil dazu durch einen Materialauftrag auf den Grundkörper 70 hergestellt werden. Durch die zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Vertiefungen 66 ist eine zumindest im Wesentlichen spiralförmige Bemusterung geschaffen, wobei diese Bemusterung beziehungsweise die jeweiligen Vertiefungen 66 insbesondere gegenüber den erhabenen Teilbereichen 68 eine Tiefe von einigen Mikrometern aufweist beziehungsweise aufweisen. Durch die Vertiefungen 66 entstehen hydrodynamische Eigenschaften des axialen Luftlagers 46, welches – da die zumindest im Wesentlichen spiralförmige Musterung durch zumindest im Wesentlichen spiralförmige Rillen oder Nuten gebildet ist – als Spiralrillenlager ausgebildet ist. Das Spiralrillenlager ist ein Luftlager, da als Tragmedium zum axialen Abstützen des Laufzeugs 16 Luft zum Einsatz kommt.To further a particularly simple and inexpensive production of the wells 66 and thus the storage facility 42 Overall, the wells are 66 through a onto a base body 70 of the respective, the wells 66 having bearing part, in this case the bearing disc 48 , applied coating formed. The coating is preferably a lubricious coating, in particular of a plastic such as PTFE. The coating forms the aforementioned subregions 68 , which in the axial direction of the power tool 16 opposite to the sections 68 subsequent, second sub-areas are sublime. The wells 66 are formed by the second part areas, so so the wells 66 at least laterally or in the circumferential direction of the respective bearing part by the coating or the raised portions 68 are limited. This means that the wells 66 not by abrasive machining of the body 70 or by a material removal, but on the contrary by a material application to the body 70 getting produced. By the at least substantially spiral depressions 66 an at least substantially spiral patterning is created, this patterning or the respective recesses 66 especially with respect to the raised subregions 68 have or have a depth of a few microns. Through the depressions 66 arise hydrodynamic properties of the axial air bearing 46 which is formed as a spiral groove bearing because the at least substantially spiral pattern is formed by at least substantially spiral grooves or grooves. The spiral groove bearing is an air bearing, as a carrier medium for axially supporting the running tool 16 Air is used.

Die Lagerscheiben 48 und 50 sind in axialer Richtung gefedert an dem Gehäuseelement 24 abgestützt. Hierzu sind Federelemente 72 vorgesehen, welche vorliegend aus Gummi gebildet sind. Die Lagerscheiben 48 und 50 sind somit über die Federelemente 72 gefedert am Gehäuseelement 24 abgestützt, wobei die Federelemente 72 vorliegend als O-Ringe ausgebildet sind. Durch die Federelemente 72 können entsprechende Feder- und Dämpfungseigenschaften des axialen Luftlagers 46 realisiert werden.The bearing washers 48 and 50 are sprung in the axial direction on the housing element 24 supported. These are spring elements 72 provided, which are formed in the present case of rubber. The bearing washers 48 and 50 are thus on the spring elements 72 sprung on the housing element 24 supported, wherein the spring elements 72 in the present case are designed as O-rings. By the spring elements 72 can appropriate spring and damping properties of the axial air bearing 46 will be realized.

Durch den Einsatz eines Spiralrillenlagers kann der Einsatz eines axialen und als Folienlager ausgebildeten Luftlagers vermieden werden, was insofern vorteilhaft ist, als bei einem axialen Luftlager in Form eines Folienlagers Probleme hinsichtlich einer prozesssicheren Herstellung und einer geringen Tragfähigkeit bestehen. Da ferner die Vertiefungen 66 nicht durch Materialabtrag, sondern Materialauftrag hergestellt werden, kann der Einsatz von kostenintensiven Werkstoffen und Herstellungsverfahren vermieden werden, sodass das axiale Luftlager 46 kostengünstig hergestellt beziehungsweise bereitgestellt werden kann.The use of a spiral groove bearing, the use of an axial and designed as a film bearing air bearing can be avoided, which is advantageous in that in an axial air bearing in the form of a film bearing problems with a reliable production and a low load capacity exist. Furthermore, because the depressions 66 can not be produced by material removal, but material application, the use of costly materials and manufacturing processes can be avoided, so that the axial air bearing 46 can be inexpensively manufactured or provided.

Zum Aufbringen der Beschichtung auf den Grundkörper 70 können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Insbesondere sind hierfür alle Verfahren geeignet, die eine Beschichtungsdicke im Bereich von 10 bis 50 Mikrometern ermöglichen. Beispielsweise sind die Vertiefungen 66 beziehungsweise ist der Grundkörper 70 im Bereich der Vertiefungen 66 frei von der Beschichtung, sodass die Vertiefungen 66 beispielsweise eine Tiefe in einem Bereich von 10 bis 50 Mikrometern aufweisen. Als Beschichtungsmaterial kommen vorzugsweise Werkstoffe zum Einsatz, welche gute Gleit- und Abriebseigenschaften aufweisen. Die Funktion des axialen Luftlagers 46 ist ebenfalls gewährleistet, wenn eine jeweilige Bemusterung beidseitig, das heißt auf den Stirnseiten 60 und 62 der Spurscheibe 52, aufgebracht wird.For applying the coating to the base body 70 Different methods can be used. In particular, all methods are suitable for this, which allow a coating thickness in the range of 10 to 50 micrometers. For example, the wells 66 or is the basic body 70 in the area of the depressions 66 free from the coating, leaving the pits 66 for example, have a depth in a range of 10 to 50 microns. The coating materials used are preferably materials which have good sliding and abrasion properties. The function of the axial air bearing 46 is also guaranteed if a respective sampling on both sides, that is on the front pages 60 and 62 the track disc 52 , is applied.

3 zeigt die Lagerscheibe 48 in einer zweiten Ausführungsform, wobei sich die zweite Ausführungsform insbesondere hinsichtlich der Bemusterung beziehungsweise der Form der Vertiefungen 66 von der ersten Ausführungsform unterscheidet. 4 zeigt schließlich eine dritte Ausführungsform der Lagerscheibe 48, wobei eine wieder andere Bemusterung vorgesehen ist. Die in 2 bis 4 gezeigten unterschiedlichen Ausführungsformen sind nur beispielhaft, wobei viele andere Formen der Bemusterung möglich beziehungsweise denkbar sind. 3 shows the bearing disc 48 In a second embodiment, wherein the second embodiment, in particular with regard to the patterning or the shape of the recesses 66 different from the first embodiment. 4 finally shows a third embodiment of the bearing disc 48 , wherein another sampling is provided again. In the 2 to 4 shown different embodiments are exemplary only, with many other forms of sampling are possible or conceivable.

Bei der ersten Ausführungsform der Strömungsmaschine 10 erfolgt die Kühlung des axialen Luftlagers 46 durch die innenbelüfte Spurscheibe 52. Die Spurscheibe 52 ist dabei mit einer Mehrzahl von radialen Kanälen 74 versehen, welche beispielsweise als Bohrungen ausgebildet und von Luft durchströmbar sind. Dadurch kann die Spurscheibe 52 wie ein Radialverdichter fungieren und fördert somit die für die Kühlung des axialen Luftlagers 46, insbesondere der Spurscheibe 52, erforderliche Luft. Damit ergeben sich zwei Vorteile: Die thermisch hochbelastete Spurscheibe 52 und die Welle 18 werden von innen gekühlt, da die Welle 18 von der Luft zum Kühlen des axialen Luftlagers 46 durchströmt wird. Hierzu weisen das Verdichterrad 22 und die Welle 18 axiale Kanäle 76 auf, welche beispielsweise als Bohrungen ausgebildet sind. Die axialen Kanäle 76 münden einerseits in die radialen Kanäle 74 und andererseits in einen Verdichtereinlass 78, über welchen das Verdichterrad 22 die zu verdichtende Luft ansaugt. Somit kann die Luft vom Verdichtereinlass 78 in die Kanäle 76 und über diese in die Kanäle 74 einströmen.In the first embodiment of the turbomachine 10 the cooling of the axial air bearing takes place 46 through the internally ventilated track disc 52 , The track disc 52 is with a plurality of radial channels 74 provided, which are formed for example as holes and can be traversed by air. This allows the track disc 52 act as a centrifugal compressor and thus promotes the cooling of the axial air bearing 46 , in particular the track disc 52 , required air. This results in two advantages: The thermally highly stressed track disc 52 and the wave 18 are cooled from the inside, because the wave 18 from the air for cooling the axial air bearing 46 is flowed through. For this purpose, the compressor wheel 22 and the wave 18 axial channels 76 on, which are formed for example as holes. The axial channels 76 open on the one hand in the radial channels 74 and on the other hand into a compressor inlet 78 over which the compressor wheel 22 sucks in the air to be compressed. Thus, the air from the compressor inlet 78 into the channels 76 and about these in the channels 74 flow.

Der zweite Vorteil ist, dass keine Notwendigkeit besteht, Zapfluft für Kühlzwecke zu verwenden. Somit kann Luft eingespart werden, die dem Energiewandler, insbesondere dem Brennstoffzellensystem, zur Verfügung gestellt werden kann, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems realisiert werden kann.The second advantage is that there is no need to use bleed air for cooling purposes. Thus, air can be saved, which can be made available to the energy converter, in particular the fuel cell system, whereby a particularly high efficiency of the fuel cell system can be realized.

Die Strömungsmaschine 10 weist ferner einen Kühlluftauslass 80 auf, über welchen die Kühlluft an die Umgebung abgegeben werden kann. Diese Möglichkeit der Kühlluftführung ist nur eine von vielen Möglichkeiten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kühlluft der Turbine 32 zuzuführen und dort zu expandieren, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine 10 realisiert werden kann.The turbomachine 10 also has a cooling air outlet 80 on, over which the cooling air can be discharged to the environment. This possibility of cooling air flow is only one of many possibilities. Another possibility is the cooling air of the turbine 32 supply and expand there, creating a particularly high efficiency of the turbomachine 10 can be realized.

Aus 1 ist erkennbar, dass die innenbelüftete Spurscheibe 52 vorliegend auf Seiten des Verdichters 12 angeordnet ist. Alternativ ist es denkbar, dass die innenbelüfte Spurscheibe 52 auf Seiten der Turbine 32 angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass neben dem axialen Luftlager 46 auch die beiden Radiallager 44 und der Magnet im Rotor gekühlt würden.Out 1 is recognizable that the ventilated track disc 52 present on the compressor side 12 is arranged. Alternatively, it is conceivable that the internally ventilated track disc 52 on the turbine side 32 is arranged. This arrangement has the advantage that in addition to the axial air bearing 46 also the two radial bearings 44 and the magnet in the rotor would be cooled.

5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Strömungsmaschine 10, wobei die Lagerscheiben 48 und 50 flüssigkeitsgekühlt sind. Die Lagerscheibe 48 ist in axialer Richtung zum Verdichterrad 22 hin zumindest teilweise von einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühlkanal 82 überdeckt, wobei die Lagerscheibe 48 den Kühlkanal 82 teilweise begrenzt. Dementsprechend ist die Lagerscheibe 50 in axialer Richtung zum Turbinenrad 20 hin zumindest teilweise von einem Kühlkanal 84 überdeckt, welcher zumindest teilweise von der Lagerscheibe 50 begrenzt und von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Ferner sind durch die Gehäuseteile 26 und 28 Kühlkanäle 86 begrenzt, welche ebenfalls von einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Elektromotors 38 durchströmbar sind. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle 82 und 84 mit den Kühlkanälen 86 fluidisch gekoppelt, sodass die die Kühlkanäle 86 durchströmende Kühlflüssigkeit die die Kühlkanäle 82 und 84 durchströmende Kühlflüssigkeit ist. 5 shows a second embodiment of the turbomachine 10 , where the bearing washers 48 and 50 are liquid cooled. The bearing disc 48 is in the axial direction of the compressor wheel 22 towards at least partially by a cooling channel through which a cooling liquid can flow 82 covered, with the bearing disc 48 the cooling channel 82 partially limited. Accordingly, the bearing disk 50 in the axial direction to the turbine wheel 20 at least partially from a cooling channel 84 covered, which at least partially from the bearing disc 50 limited and can be traversed by a cooling liquid. Furthermore, by the housing parts 26 and 28 cooling channels 86 limited, which also from a cooling liquid for cooling the electric motor 38 can be flowed through. Preferably, the cooling channels 82 and 84 with the cooling channels 86 fluidly coupled, so that the cooling channels 86 coolant flowing through the cooling channels 82 and 84 is flowing coolant.

Im Folgenden wird ein Vergleich der Adaptivitäts- und Dämpfungseigenschaften eines Folienlagers mit denen eines Spiralrillenlagers angestellt. Um fertigungsbedingte Toleranzen, Winkelfehler und Wärmedehnungseffekte kompensieren zu können, wird für beide Luftlagerarten (Folienlager und Spiralrillenlager) eine Adaptivität benötigt. Diese wird beim Folienlager durch wenigstens eine Trägerfolie sichergestellt, welche auch als Bumpfoil bezeichnet wird. Beim Spiralrillenlager ist eine nachgiebige Abstützung der Lagerscheiben 48 und 50 vorgesehen. Diese kann, wie in 1 und 5 veranschaulicht, durch die Federelemente 72 (O-Ringe) erfolgen. Für die nachgiebige Abstützung bei Spiralrillenlagern können aber auch andere, übliche Konstruktionselemente wie zum Beispiel Federn verwendet werden.In the following, a comparison of the adaptive and damping properties of a foil bearing with those of a spiral groove bearing is made. In order to compensate for production-related tolerances, angular errors and thermal expansion effects, an adaptivity is required for both types of air bearings (film bearings and Spiralrillenlager). This is ensured in the film storage by at least one carrier film, which is also referred to as Bumpfoil. The spiral groove bearing is a resilient support of the bearing discs 48 and 50 intended. This can, as in 1 and 5 illustrated by the spring elements 72 (O-rings). However, other conventional construction elements such as springs can be used for the resilient support in spiral groove bearings.

Neben der Adaptivität sind aus rotordynamischen Gründen auch Dämpfungseigenschaften bei beiden Lagertypen notwendig. Diese entstehen bei Folienlagern durch Coulombsche Reibung zwischen der Trägerfolie und einer Deckfolie, welche auch als Topfoil bezeichnet wird, beziehungsweise dem Lagergehäuse. Bei der Auslegung von Folienlagern besteht nun das Problem, dass sich der Übergang von Haft- zu Gleitreibung mathematisch nur schwer beschreiben lässt. Dies hat zur Folge, dass die Entwicklung von Folienlagern zu einem gewissen Teil empirisch ist. Demgegenüber lassen sich die Dämpfungseigenschaften von O-Ringen gut mathematisch beschreiben. Mit anderen Worten, die Simulation von Folienlagern ist im Vergleich zu O-Ring-abgestützten Spiralrillenlagern nur mit Einschränkungen möglich.In addition to the adaptivity damping properties are necessary for both types of rotors for rotor dynamic reasons. These arise in foil bearings by Coulomb friction between the carrier film and a cover sheet, which is also referred to as Topfoil, or the bearing housing. When designing foil bearings, the problem now is that the transition from static friction to sliding friction is difficult to describe mathematically. As a result, the development of film bearings is to some extent empirical. In contrast, the damping properties of O-rings can be well described mathematically. In other words, the simulation of foil bearings is only possible with restrictions compared to O-ring supported spiral groove bearings.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Strömungsmaschineflow machine
1212
Verdichtercompressor
1414
Verdichtergehäusecompressor housing
1616
Laufzeugrunning stuff
1818
Wellewave
2020
Turbinenradturbine
2222
Verdichterradcompressor
2424
Gehäuseelementhousing element
2626
Gehäuseteilhousing part
2828
Gehäuseteilhousing part
3030
Gehäuseteilhousing part
3232
Turbineturbine
3434
Turbinengehäuseturbine housing
3636
Drehachseaxis of rotation
3838
Elektromotorelectric motor
4040
Wicklungwinding
4242
LagereinrichtungStorage facility
4444
Radiallagerradial bearings
4646
axiales Luftlageraxial air bearing
4848
Lagerscheibebearing disk
5050
Lagerscheibebearing disk
5252
Spurscheibetrack disc
5454
Leitgitterguide grid
5656
Leitgitterguide grid
5858
Stirnseitefront
6060
Stirnseitefront
6262
Stirnseitefront
6464
Stirnseitefront
6666
Vertiefungdeepening
6868
Teilbereichsubregion
7070
Grundkörperbody
7272
Federelementspring element
7474
radialer Kanalradial channel
7676
axialer Kanalaxial channel
7878
Verdichtereinlasscompressor inlet
8080
Kühlluftauslasscooling air outlet
8282
Kühlkanalcooling channel
8484
Kühlkanalcooling channel
8686
Kühlkanalcooling channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 69013761 T2 [0007] DE 69013761 T2 [0007]

Claims (7)

Strömungsmaschine (10) für einen Energiewandler, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einem Verdichter (12) zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft, mit wenigstens einem Gehäuseelement (24) und mit einem um eine Drehachse (36) relativ zu dem Gehäuseelement (24) drehbaren Laufzeug (16), welches wenigstens ein Laufrad (20, 22) umfasst und zumindest in axialer Richtung an dem Gehäuseelement (24) mittels einer als Luftlager ausgebildeten Lagereinrichtung (42, 46) gelagert ist, welche wenigstens ein an dem Gehäuseelement (24) gehaltenes erstes Lagerteil (48, 50) und wenigstens ein korrespondierendes, mit dem Laufzeug (16) relativ zum ersten Lagerteil (48, 50) mit drehbares zweites Lagerteil (52) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Lagerteile (48, 50, 52) auf einer dem anderen Lagerteil (48, 50, 52) zugewandten Stirnseite (58, 60, 62, 64) eine Mehrzahl von zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Vertiefungen (66) aufweist, welche durch eine auf einen Grundkörper (70) des einen Lagerteils (48, 50, 52) aufgebrachte Beschichtung gebildet sind.Turbomachine ( 10 ) for an energy converter, in particular a fuel cell, with a compressor ( 12 ) for compressing air to be supplied to the energy converter, with at least one housing element ( 24 ) and one around a rotation axis ( 36 ) relative to the housing element ( 24 ) rotatable tool ( 16 ), which at least one impeller ( 20 . 22 ) and at least in the axial direction on the housing element ( 24 ) by means of a bearing device designed as an air bearing ( 42 . 46 ), which at least one on the housing element ( 24 ) held first bearing part ( 48 . 50 ) and at least one corresponding, with the power tool ( 16 ) relative to the first bearing part ( 48 . 50 ) with rotatable second bearing part ( 52 ), characterized in that at least one of the bearing parts ( 48 . 50 . 52 ) on one of the other bearing parts ( 48 . 50 . 52 ) facing end face ( 58 . 60 . 62 . 64 ) a plurality of at least substantially spiral-shaped depressions ( 66 ), which by a on a base body ( 70 ) of the one bearing part ( 48 . 50 . 52 ) applied coating are formed. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als Gleitschicht ausgebildet ist.Turbomachine ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the coating is formed as a sliding layer. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Kunststoff gebildet ist.Turbomachine ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating is formed of a plastic. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus Polytetrafluorethylen gebildet ist.Turbomachine ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the plastic is formed of polytetrafluoroethylene. Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagerteil (48, 50) zumindest in axialer Richtung gefedert an dem Gehäuseelement (24) abgestützt ist.Turbomachine ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first bearing part ( 48 . 50 ) sprung at least in the axial direction on the housing element ( 24 ) is supported. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagerteil (48, 50) über wenigstens ein Federelement (72) gefedert am Gehäuseelement (24) abgestützt ist.Turbomachine ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the first bearing part ( 48 . 50 ) via at least one spring element ( 72 ) sprung on the housing element ( 24 ) is supported. Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (72) aus Gummi gebildet ist.Turbomachine ( 10 ) according to claim 6, characterized in that the spring element ( 72 ) is formed of rubber.
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