流体机械、用于运行流体机械的方法与流程

1.本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分特征的流体机械。该流体机械尤其用于燃料电池系统的空气供给。此外，本发明也涉及一种用于运行这样的流体机械的方法。


背景技术：

2.燃料电池系统需要氧气，氧气在系统的燃料电池中与氢气反应成为水或水蒸气。以这种方式，通过电化学转化产生电功率，其可作为驱动能，例如用于驱动车辆。作为氧气源通常使用环境空气，环境空气借助空气压缩系统被供应给燃料电池，因为该过程需要确定的空气质量流和确定的压力水平。空气压缩系统包括高速旋转的流体机械，该流体机械具有至少一个布置在轴上的压缩机轮，该压缩机轮电机式地被驱动。为了能量回收，在轴上可以布置有涡轮，燃料电池废气被供应给涡轮。在这种情况下，流体机械是具有附加电动机的废气涡轮增压器。
3.附加电动机的最大转速出于调节技术和强度原因受限，例如限制在100000至125000转/分钟之间的最大值。废气涡轮增压器在没有附加电动机的情况下的转速达到180000至250000转/分钟之间。在流体机械中，可达到的压缩机出口压力与在压缩机轮外直径上的圆周速度的平方成正比。即所述压缩机出口压力通过压缩机轮的转速和外直径确定。基于对于燃料电池系统所需要的压力结合所述转速限制得出具有较大外直径的压缩机轮。该压缩机轮朝压缩机入口的方向产生大的轴向力，因为在运行中在压缩机出口上存在的压力作用到压缩机轮的轮背部上。所述大的轴向力又需要相应大的轴向轴承。然而，随着轴向轴承的尺寸损耗功率也提高，其中，轴向轴承在总轴承损耗上比径向轴承(1/3份额)具有明显更大的部分(2/3份额)。
4.用于燃料电池系统的空气供给的流体机械通常具有薄膜空气轴承，以便无油地保持系统。然而，薄膜空气轴承产生空气摩擦损耗并且因此借助附加的空气冷却。为此，经压缩的空气中的通常约5％至10％分支出用于冷却。分支出的空气量随后对于在燃料电池中的过程不再可供使用并且因此降低流体机械的效率。为了分支出的空气完全可以提供冷却功率，事先对其本身进行冷却。通常为此将冷却空气在燃料电池系统的增压空气冷却器之后分支出。附加的冷却需求必须在增压空气冷却器的设计中考虑。此外必须设置附加的管路，借助该管路可以给流体机械供应冷却空气。


技术实现要素：

5.基于上述现有技术，本发明所基于的任务在于，改善用于燃料电池系统的空气供给的流体机械的效率。
6.为了解决该任务，提出具有权利要求1特征的流体机械以及具有权利要求10特征的方法。本发明的有利扩展方式可由相应的从属权利要求得到。
7.所提出的用于燃料电池系统的空气供给的流体机械包括：至少一个与轴抗扭地连接的压缩机轮以及用于驱动轴的电动机，其中，压缩机轮通过轮毂区段与轴的优选地空心
柱形的轴区段抗扭地连接。根据本发明，在轮毂区段中构造至少一个空气通道，压缩机入口通过该空气通道与在压缩机轮的背离压缩机入口的一侧上的环形空间连接，使得在压缩机轮的两侧上基本上存在相同的空气压力。因此，轴向力作用到压缩机轮上，该轴向力完全或几乎完全相互抵消。即引起轴向力平衡。这又导致：可以降低在轴向轴承中的损耗功率。此外，轴承中的冷却空气需求降低。两者导致效率提高。此外，流体机械相对于外部加速度(例如在糟糕道路行驶中)的鲁棒性提高，只要该流体机械应用于车辆中。
8.优选地，轮毂区段具有至少一个轴向延伸的空气通道。即至少一个空气通道平行于轴的纵轴线延伸。空气通道例如可以实施为轴向孔。一旦仅设置一个轴向延伸的空气通道，则该空气通道优选地布置在中间或者与轴的纵轴线同轴地布置。至少一个轴向延伸的空气通道优选地与压缩机入口侧直接连接，使得供应给压缩机轮的空气的部分流通过至少一个轴向延伸的空气通道分支出并且被引导到压缩机轮的后侧上。
9.此外优选地，轮毂区段具有至少一个基本上径向延伸的空气通道。通过至少一个基本上径向延伸的空气通道可以建立至少一个轴向延伸的空气通道与在压缩机轮后侧上的环形空间之间的连接。基本上径向延伸的空气通道例如可以通过轮毂区段中的径向孔构成。优选地，轮毂区段具有多个基本上径向延伸的空气通道，这些空气通道相对彼此以相同的角间距布置。在压缩机轮之后引导的空气因此均匀分配在环形空间中。
10.有利地，轮毂区段至少区段地插入、尤其压入到空心柱形的轴区段中。各区段的相互接合提高复合体的刚度和从而稳定性。
11.此外提出，空心柱形的轴区段具有至少一个基本上径向延伸的空气通道，该空气通道与轮毂区段的至少一个径向延伸的空气通道重合地布置。轮毂区段的至少一个基本上径向延伸的空气通道因此可以布置在如下区域中，该区域插入、尤其压入到空心柱形的轴区段中。以这种方式实现在轴向方向上紧凑构造的流体机械。
12.在本发明的扩展方案中提出，环形空间在压缩机轮的背离压缩机入口的一侧上通过至少另一空气通道与轴的至少一个轴承连接。通过至少另一空气通道供应的空气在这种情况下可以用于冷却至少一个轴承。优选地，至少一个轴承实施为薄膜空气轴承，使得确保系统的无油性。
13.至少另一空气通道为了将至少一个轴承连接到环形空间上和从而连接到压缩机入口侧上还可以引导通过在轴与电动机的环绕该轴的线圈之间的环形间隙。在这种情况下，通过至少另一空气通道供应的空气可以用于冷却电动机。
14.替代地或补充地提出，至少另一空气通道引导通过与轴抗扭地连接的、内部通风的、用于支承涡轮的轴向轴承盘。因此，除对轴向轴承的冷却外，可以同时实现压力上升(druckhub)。因为借助内部通风的轴向轴承盘可以使通过至少另一空气通道供应的空气的空气压力提高到在压缩机轮之前的水平。
15.经由压缩机入口从环境吸入空气。吸入的空气因此具有环境温度和从而具有非常低的温度水平。从而，通常已经可以优化地满足转子和轴承冷却功能。
16.然而，在需要时经冷却的环境空气、即事先本身已经冷却的空气也可以被供应给空气通道。根据本发明的一个优选实施方式，因此将压缩机入口与后方的环形空间以及必要时至少一个轴承连接的所有空气通道能够加载以经冷却或未经冷却的环境空气。
17.通过内部通风的轴向轴承盘可以使经冷却或未经冷却的环境空气的空气压力提
高到在涡轮之前的水平，使得对于冷却空气输送所需的能量的至少一部分借助涡轮回收。
18.一个改型在于，省去通过内部通风的轴向轴承盘的压力上升并且将环境空气在涡轮出口之后引回到系统中。
19.为了解决开头所述的任务，此外提出一种用于运行根据本发明的流体机械的方法。在该方法中，给至少一个将压缩机入口与后方的环形空间连接的空气通道加载以经冷却或未经冷却的环境空气。有利地，环形空间通过至少另一空气通道与至少一个轴承连接，使得将环境空气供应给至少一个轴承。以这种方式可以借助环境空气冷却至少一个轴承。
20.此外提出，在实施所述方法时，借助内部通风的轴向轴承盘提高冷却空气压力，至少一个空气通道引导通过所述轴向轴承盘。以这种方式可以回收对于环境空气的输送所需的能量的至少一部分。
附图说明
21.在下面根据附图进一步阐述本发明。附图示出了：
22.图1根据本发明的流体机械的示意性纵截面；和
23.图2图1的具有空气引导部的示图的流体机械的示意性纵截面。
具体实施方式
24.在图1中示出的流体机械1包括轴2，在该轴中在一端布置有压缩机轮3，而在另一端布置有涡轮19。轴2借助电动机4以绕着其纵轴线a的旋转运动被驱动。电动机4为此包括环绕轴2布置的线圈17以及接收在轴2中的永磁体23。为了轴2可以实施旋转运动，轴2通过两个径向轴承14可旋转地支承。此外，两个轴向轴承15设置在与轴2连接的轴向轴承盘18的区域中。轴承14、15集成到电动机4的马达壳体22中。压缩机轮3被压缩机壳体21围绕，并且涡轮转子19被涡轮壳体20围绕。
25.在流体机械1的运行中，压缩机轮3通过压缩机入口9被空气流入。为了使在此作用到压缩机轮3上的轴向力最小化，所示的流体机械1的压缩机轮3在轮毂区段5(该轮毂区段插入到空心柱形的轴区段6中)中具有多个空气通道7、8。空气通道7、8将压缩机入口9与在压缩机轮3的背离压缩机入口9的一侧上的环形空间10连接。因此将空气的一部分流从压缩机入口9供应给环形空间10，使得在两个空间中存在相同的空气压力。这导致：作用到压缩机轮3上的轴向力相互抵消。相应地，在轴向轴承15的区域中的轴承损耗降低。
26.因为当前径向延伸的空气通道8布置在轮毂区段5的区域中，该轮毂区段插入到空心柱形的轴区段6中，所以轴区段6具有与空气通道8重合地布置的空气通道11。
27.如此外由图2可得知的那样，所示的流体机械1具有另外的空气通道12、13。空气通道12、13将环形空间10与至少一个轴承14、15连接。在此，至少一个轴向延伸的空气通道12由环形空间10通过径向轴承14从压缩机侧引导到流体机械1的涡轮侧上，使得通过供应的空气引起径向轴承14的冷却。至少一个空气通道12在此引导通过在线圈17与轴2之间的环形间隙16，从而也实现电动机4的冷却。在轴2的涡轮侧端部上，至少一个空气通道12与至少一个径向延伸的空气通道13连接，该径向延伸的空气通道通过轴向轴承盘18从径向内部向径向外部延伸。因此，不但实现轴向轴承15的冷却，而且还实现将空气压力提高到在涡轮转子19之前的水平。通过空气通道7、8、12、13引导的空气流24在图2中通过箭头表明。