CH715034A2 - Turbolader und Antriebssystem mit Brennstoffzelle und Turbolader. - Google Patents

Turbolader und Antriebssystem mit Brennstoffzelle und Turbolader. Download PDF

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Abstract

Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen Turbinenrotor (5) aufweist, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen Verdichterrotor (7) aufweist, wobei eine Temperatur des zu entspannenden oder des entspannten ersten Mediums geringer ist als eine Temperatur des zu verdichtenden oder des verdichteten zweiten Mediums, und wobei der Turbinenrotor (5) und der Verdichterrotor (7) direkt miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Turbolader. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Antriebssystem mit einer Brennstoffzelle und einem Turbolader.
[0002] Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in der ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in dem ein zweites Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist bei aus der Praxis bekannten Turboladern ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über welche bei aus der Praxis bekannten Turboladern der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt sind.
[0003] Bei aus der Praxis bekannten Turboladern, bei welchen die Turbine des Turboladers der Entspannung von Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors oder Ottomotors dient, ist die Beabstandung von Turbinenrotor und Verdichterrotor über die Welle und die Beabstandung von Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse über das Lagergehäuse von Bedeutung, um einen Wärmetransport ausgehend von der Turbine in Richtung auf den Verdichter so gut wie möglich zu unterbinden. Hierdurch soll vermieden werden, dass sich das im Verdichter zu verdichtende, zweite Medium durch Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitung ausgehend von der Turbine erhitzt.
[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader und ein Antriebssystem mit einem solchen Turbolader zu schaffen.
[0005] Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst.
[0006] Der erfindungsgemässe Turboladerweist eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums auf, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor aufweist. Der erfindungsgemässe Turbolader weist ferner einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie auf, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen Verdichterrotor aufweist, wobei eine Temperatur des zu entspannenden oder des entspannten ersten Mediums geringer ist als eine Temperatur des zu verdichtenden oder des verdichteten zweiten Mediums, und wobei der Turbinenrotor und der Verdichterrotor direkt miteinander verbunden sind. Der Turbinenrotor und der Verdichterrotor sind ohne dazwischenliegende Welle miteinander verbunden.
[0007] Beim erfindungsgemässen Turbolader dient die Turbine dem Entspannen eines Mediums, dessen Temperaturniveau unterhalb des Temperaturniveaus im Verdichter liegt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem solchen Turbolader der Turbinenrotor und der Verdichterrotor direkt miteinander verbunden werden können, da in diesem Fall eine Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitung ausgehend vom Verdichter in Richtung auf die Turbine zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Verdichters bevorzugt ist. In diesem Fall ist eine Wärmekopplung zwischen Verdichter und Turbine, die bei aus der Praxis bekannten Turboladern nicht erwünscht ist, gerade besonders vorteilhaft, sodass Turbinenrotor und Verdichterrotor ohne dazwischenliegende Welle vorteilhaft direkt miteinander verbunden sind.
[0008] Vorzugsweise ist die Turbine eine Radialturbine mit einem radial angeströmten und axial abgeströmten Turbinenrotor, wobei der Verdichter eine Radialverdichter mit einem axial angeströmten und radial abgeströmten Verdichterrotor ist, und wobei der Turbinenrotor und der Verdichterrotor Rücken an Rücken positioniert und direkt ohne dazwischenliegende Welle miteinander verbunden sind. Bei einem solchen Turbolader mit Radialturbine und Radialverdichter, deren Rotoren Rücken an Rücken positioniert und wellenlos gekoppelt sind, kann ein Wärmeübergang vom Verdichter in Richtung auf die Turbine besonders vorteilhaft genutzt werden, um einen hohen Verdichterwirkungsgrad zu erreichen.
[0009] Vorzugsweise ist die Einheit aus Turbinenrotor und Verdichterrotor seitlich gelagert. Mindestens ein erstes Lager ist in Strömungsrichtung des ersten Mediums gesehen stromabwärts des Turbinenrotors angeordnet. Mindestens ein zweites Lager ist in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen stromaufwärts des Verdichterrotors angeordnet. Das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse sind ohne dazwischenliegendes Lagergehäuse miteinander verbunden. Diese Ausprägung ist besonders bevorzugt, um eine kompakte Bauform des erfindungsgemässen Turboladers zu gewährleisten. Da Verdichterrotor und Turbinenrotor Rücken an Rücken positioniert und direkt ohne dazwischenliegende Welle miteinander verbunden sind, wird auf ein zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse liegendes Lagergehäuse verzichtet. Lager zur Lagerung der Rotoren sind seitlich positioniert, also nicht zwischen Verdichterrotor und Turbinenrotor.
[0010] Das Antriebssystem ist in Anspruch 8 definiert.
[0011] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Turbolader.
[0012] Die Erfindung betrifft einen Turbolader und ein Antriebssystem mit einem Turbolader.
CH 715 034 A2 [0013] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Turbolader 1, wobei der Turbolader 1 eine Turbine und einen Verdichter 3 umfasst.
[0014] In der Turbine 2 wird ein erstes Medium entspannt. Hierbei gewonnene Energie wird genutzt, um im Verdichter 3 ein zweites Medium zu verdichten.
[0015] Die Turbine 2 verfügt über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 und einen Verdichterrotor 7.
[0016] Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Turbine 2 eine Radialturbine, der Verdichter 3 ist ein Radialverdichter. Der Turbinenrotor 5 der Turbine 2 ist vom zu entspannenden ersten Medium radial angeströmt, wobei entspanntes erstes Medium vom Turbinenrotor 5 der Turbine 2 axial abströmt. Pfeile I visualisieren die Strömungsrichtung des ersten Mediums, insbesondere das radiale Anströmen sowie axiale Abströmen des ersten Mediums in Bezug auf den Turbinenrotor 5.
[0017] Der Verdichterrotor 7 des Radialverdichters 3 wird vom zu verdichtenden zweiten Medium axial angeströmt, ferner strömt im Bereich des Verdichterrotors 7 verdichtetes zweites Medium vom Verdichterrotor 7 in radialer Richtung ab. Pfeile II visualisieren die Strömungsrichtung des zweiten Mediums im Bereich des Verdichters 3, insbesondere das axiale Anströmen des Verdichterrotors 7 sowie das radiale Abströmen des verdichteten zweiten Mediums vom Verdichterrotor 7.
[0018] Im Bereich des Verdichters 3 zu verdichtendes bzw. verdichtetes zweites Medium weist ein höheres Temperaturniveau auf als das im Bereich der Turbine zu entspannende bzw. das entspannte erste Medium. Eine Temperatur des zu entspannenden bzw. des entspannten ersten Mediums im Bereich der Turbine 2 ist demnach geringer als eine Temperatur des zu verdichtenden oder verdichteten zweiten Mediums im Bereich des Verdichters 3.
[0019] Der Verdichterrotor 7 und der Turbinenrotor 5 sind direkt miteinander verbunden, und zwar ohne dazwischenliegende Welle. Im in Fig. 1 gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Turbine 2 eine Radialturbine und der Verdichter 3 ein Radialverdichter ist, sind Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 Rücken an Rücken positioniert und direkt ohne dazwischenliegenden Welle miteinander verbunden.
[0020] Durch diese Ausführung des Turboladers ist eine Wärmeübertragung bzw. eine Wärmeleitung ausgehend vom Verdichter 3 in Richtung auf die Turbine 2 möglich, wodurch der Verdichtungswirkungsgrad im Bereich des Verdichters gesteigert werden kann.
[0021] Dadurch, dass der Turbinenrotor 5 und der Verdichterrotor 7 wellenlos direkt miteinander verbunden sind, wird auf ein Lagergehäuse zwischen Turbinengehäuse 2 und Verdichtergehäuse 3 verzichtet. Die Lagerung der vorzugsweise monolithischen Einheit aus Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 erfolgt seitlich über Lager 8, 9, wobei mindestens ein erstes Lager 8 in Strömungsrichtung des im Bereich der Turbine 2 zu entspannenden ersten Mediums gesehen stromabwärts des Turbinenrotors 5 angeordnet ist, und wobei mindestens ein zweites Lager 9 in Strömungsrichtung des im Bereich des Verdichters 3 zu verdichtenden zweiten Mediums gesehen stromaufwärts des Verdichterrotors 7 angeordnet ist. Das jeweilige erste Lager 8 ist in das Turbinengehäuse 4 integriert, wohingegen das jeweilige zweite Lager 9 in das Verdichtergehäuse 6 integriert ist.
[0022] Durch den Verzicht auf ein separates Lagergehäuse zwischen Turbinengehäuse 2 und Verdichtergehäuse 3 sowie durch den Verzicht auf eine Weile zwischen Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7, kann nicht nur der Wärmeübergang vom Verdichter 3 in Richtung aus die Turbine 2 vorteilhaft genutzt werden, auch kann der Bauraumbedarf des Turboladers 1 reduziert werden. Der Turbolader 1 verfügt über einen hohen Wirkungsgrad, ein geringes Gewicht und über eine kompakte Bauform. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung von Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 liegt darin, dass nach der Praxis vorhandene Radseitenräume an Rückenseiten von Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 eliminiert werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Aufgrund der Druckverhältnisse auf Verdichterseite und Turbinenseite kann ein Axialschub, der auf die Einheit aus Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 wirkt, minimiert werden. Bei aus der Praxis bekannten Turboladern muss dieser Axialschub durch ein Lager aufgenommen werden, wobei ein derartiges Lager zu Lagerverlusten führt. Derartige axialschubbezogene Lagerverluste können beim erfindungsgemässen Turbolader 1 minimiert werden.
[0023] Der erfindungsgemässe Turbolader 1 ist Bestandteil eines Antriebssystems, welches als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzeile, umfasst. Abgas der Brennstoffzelle wird in der Turbine 2 des Turboladers 1 entspannt. Bei diesem Abgas handelt es sich um Wasserdampf. Dieser verfügt über ein Temperaturniveau unterhalb des Temperaturniveaus im Verdichter 3. In dem Verdichter 3 des Turboladers 1 wird Luft verdichtet, die dem Brennstoffzellenprozess zugeführt wird. Wie bereits ausgeführt ist durch die Ausführung des Turboladers 1 eine gute Wärmeleitung ausgehend vom Verdichter 3 in Richtung auf die Turbine 2 möglich. Hierdurch kann der Verdichtungswirkungsgrad für ein Antriebssystem mit einem derartigen Turbolader 1 und einer Brennstoffzelle erhöht werden.
Bezugszeichenliste [0024]
Turbolader
CH 715 034 A2
Turbine
Verdichter
Turbinengehäuse
Turbinenrotor
Verdichtergehäuse
Verdichterrotor
Lager
Lager

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    1. Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen Turbinenrotor (5) aufweist, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen Verdichterrotor (7) aufweist, wobei eine Temperatur des zu entspannenden oder des entspannten ersten Mediums geringer ist als eine Temperatur des zu verdichtenden oder des verdichteten zweiten Mediums, wobei der Turbinenrotor (5) und der Verdichterrotor (7) direkt miteinander verbunden sind.
  2. 2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (2) eine Radialturbine mit einem radial angeströmten und axial abgeströmten Turbinenrotor (5) ist, der Verdichter (3) ein Radialverdichter mit einem axial angeströmten und radial abgeströmten Verdichterrotor (7) ist, der Turbinenrotor (5) und der Verdichterrotor (7) Rücken an Rücken positioniert und direkt miteinander verbunden sind.
  3. 3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenrotor (5) und der Verdichterrotor (7) direkt ohne dazwischenliegende Welle miteinander verbunden sind.
  4. 4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit aus Turbinenrotor (5) und Verdichterrotor (7) seitlich gelagert ist.
  5. 5. Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Lager (8) in Strömungsrichtung des ersten Mediums gesehen stromabwärts des Turbinenrotors (5) angeordnet ist, mindestens ein zweites Lager (9) in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen stromaufwärts des Verdichterrotors (7) angeordnet ist.
  6. 6. Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige erste Lager (8) in das Turbinengehäuse (4) integriert ist, das jeweilige zweite Lager (9) in das Verdichtergehäuse (6) integriert ist.
  7. 7. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse (6) ohne dazwischenliegendes Lagergehäuse miteinander verbunden sind.
  8. 8. Antriebssystem mit einer Brennstoffzelle, einem Turbolader (1) nach einem der einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Turbine (2) des Turbolader als ersten Mediums Abgas der Brennstoffzelle entspannt.
    CH 715 034 A2
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