DE102015207679A1

DE102015207679A1 - Turbine zum Entspannen von Abgas sowie Brennstoffzellensystem mit einer solchen

Info

Publication number: DE102015207679A1
Application number: DE102015207679.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Peter; Malte Estorf; Lars Umland; Peter Lück
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-10-27
Also published as: US20160315336A1; US10135080B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine zum Entspannen von Luft umfassend • ein Spiralgehäuse (20), das einen Spiralgehäuseeinlass (22) zum Einströmen eines Luftstroms aufweist, • eine in dem Spiralgehäuse (20) angeordnete Turbinenradkammer (13), in der mindestens ein Turbinenrad (12) drehbar um eine Drehachse (15) gelagert ist und die mindestens einen Turbinenauslass (17) aufweist, • einen in dem Spiralgehäuse (20) angeordneten, zumindest abschnittsweise azimutal zur Drehachse (15) verlaufenden Umlaufkanal (14) zum Leiten des Luftstroms auf das Turbinenrad (12), wobei der Umlaufkanal (14) eine Innenfläche (140) aufweist, in die mindestens eine azimutal zur Drehachse (15) verlaufende Auslassrinne (30) angeordnet ist, wobei die Auslassrinne (30) einen Auslasskanal (32) aufweist, und der Umlaufkanal (14) in einem Querschnitt eine Umfangslinie (143) aufweist, die durch eine offene Seitenkante (36) der Auslassrinne (30) in diesem Querschnitt in zwei Teillängen unterteilt ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass eine erste Teillänge (1431) der Umfangslinie (143) des Umlaufkanals (14) kürzer ist als eine zweite Teillänge (1432).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine zum Entspannen von Luft umfassend ein Spiralgehäuse, das einen Spiralgehäuseeinlass zum Einströmen eines Luftstroms aufweist; eine in dem Spiralgehäuse angeordnete Turbinenradkammer, in der mindestens ein Turbinenrad drehbar um eine Drehachse gelagert ist und die mindestens einen Turbinenauslass aufweist; einen in dem Spiralgehäuse angeordneten, zumindest abschnittsweise azimutal zur Drehachse verlaufenden Umlaufkanal zum Leiten des Luftstroms auf das Turbinenrad, wobei der Umlaufkanal eine Innenfläche aufweist, in die mindestens eine azimutal zur Drehachse verlaufende Auslassrinne angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Turbine.
Eine Verwendung von Turbinen in Brennstoffzellensystemen ist bekannt. Sie dienen im Kathodenabgaspfad dem Entspannen von Abluft gegebenenfalls unter teilweisem Antrieb eines Turboladers für die Kathodenversorgung. Die Turbinen sind üblicherweise Radialturbinen.
Die US 3,380,711 beschreibt eine Turbine mit kombiniertem Staubseparator. Die Turbine erzeugt einen mechanischen Output, der für den Antrieb eines Kompressors oder zur Produktion elektrischer Energie verwendet werden kann. Die Turbine weist einen azimutal umlaufenden Umlaufkanal auf, an dem eine ebenfalls peripher verlaufende Rinne angeformt ist, die der Sammlung von Staubpartikeln dient. Zur Ableitung der Staubpartikel führt die Rinne außerhalb des Turbinengehäuses, wobei sie in ihrem Auslassabschnitt tangential zur Drehachse der Turbine verläuft.
Das Wirkungsprinzip von Radialturbinen wird durch Spiralgehäuse unterstützt, in der die Luft beschleunigt wird, sodass der Druck zwischen einem Spiralgehäuseeinlass und einem Spiralgehäuseauslass abfällt. Die Abnahme der statischen Enthalpie des Abgasstroms geht mit dem Druckabfall einher und kann zu einer Kondensation von Wasser im Spiralgehäuse während des Betriebs der Turbine führen. Die hierbei gebildeten Wassertropfen können zu Erosionsschäden an den Turbinenschaufeln führen.
Diese Problematik betrifft insbesondere Brennstoffzellensysteme, in deren Kathodenabgaspfaden Turbinen verbaut sind, da das Kathodenabgas aufgrund der durch die Brennstoffzellenreaktion gebildeten Wassers eine vergleichsweise große Menge an Feuchtigkeit mit sich führt. Auch die Anordnung von Tropfenabscheidern stromauf der Turbine kann aufgrund des beschriebenen Druckabfalls in der Turbine das Kondensieren von Wasser und damit die Erosionsschäden nicht vollständig verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine vorzuschlagen, welche die beschriebenen Probleme des Standes der Technik behebt oder zumindest mindert.
Die Aufgabe wird durch eine Turbine zum Entspannen von Luft gelöst, umfassend:

• ein Spiralgehäuse, das einen Spiralgehäuseeinlass zum Einströmen eines Luftstroms aufweist,
• eine in dem Spiralgehäuse angeordnete Turbinenradkammer, in der mindestens ein Turbinenrad drehbar um eine Drehachse gelagert ist und die mindestens einen Turbinenauslass aufweist,
• einen in dem Spiralgehäuse angeordneten, zumindest abschnittsweise azimutal zur Drehachse verlaufenden Umlaufkanal zum Leiten des Luftstroms auf das Turbinenrad, wobei der Umlaufkanal eine Innenfläche aufweist, in die mindestens eine azimutal zur Drehachse verlaufende Auslassrinne angeordnet ist, wobei die Auslassrinne einen Auslasskanal zur Ableitung von Kondensat aus der Turbine aufweist, und der Umlaufkanal in seinem Querschnitt eine Umfangslinie aufweist, die durch eine offene Seitenkante der Auslassrinne in diesem Querschnitt in zwei Teillängen unterteilt ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß ist eine erste Teillänge der Umfangslinie des Umlaufkanals kürzer als eine zweite Teillänge.
Im einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe von einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, einer Kathodengasversorgung und einer Anodengasversorgung gelöst, wobei die Kathodengasversorgung einen ersten Kathodenabgaspfad umfasst, in dem die erfindungsgemäße Turbine angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist somit der Umlaufkanal nicht symmetrisch zum Turbinenkammereinlass und die die Auslassrinne der Turbine nicht entlang des exakt peripheren Umfangs des Umlaufkanals angeordnet (wobei die Umfangslinie etwa mittig durch die Auslassrinne unterbrochen wäre), sondern versetzt zu diesem, sodass sich zwei unterschiedlich lange Teillängen der Umfangslinie ergeben.
Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise neben der zentrifugalen Hauptströmung im Umlaufkanal eine tubuläre Sekundärströmung in dem Umlaufkanal erzeugt, welche ein an der Innenfläche des Umlaufkanals abgeschiedenes Kondensat in Richtung der an den Umlaufkanal asymmetrisch angeformten Auslassrinne treibt. Dieser Transport wird wiederum unterstützt durch eine ebenfalls tubuläre Tertiärströmung innerhalb dieser Auslassrinne, die entgegengesetzt zu der Sekundärströmung im Umlaufkanal gerichtet ist.
Somit ist die Funktion eines Tropfenabscheiders in die erfindungsgemäße Turbine integriert, wodurch eine Beschädigung der Turbine durch abgeschlagenes Kondensat verhindert wird. Durch die Integration des Tropfenabscheiders entfällt die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten, beispielsweise von separaten Tropfenabscheidern, die andernfalls der Turbine vorgeschaltet werden müssten. Hierdurch werden Kosten (Anschaffungs-, Betriebs-, und Wartungskosten) sowie Bauraum eingespart. Zudem wird die Luft im Betrieb der Turbine getrocknet.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die erste Teillänge höchstens 35% der zweiten Teillänge der Umfangslinie des Umlaufkanals, insbesondere höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 20%. Je kleiner die erste Teillänge im Vergleich zur zweiten ist, das heißt je weiter die Auslassrinne gegenüber einer symmetrischen Anordnung, bezogen auf die Drehachse der Turbine, versetzt angeordnet ist, desto stärker wird die Abfuhr von Wasser und Wassertropfen erhöht.
Der Begriff „Umfangslinie“ bezieht sich vorliegend auf einen Querschnitt des Umlaufkanals quer zu seiner Hauptströmungsrichtung. Die Umfangslinie ist einerseits von einem Zugang zu der Turbinenkammer (Turbinenkammereinlass) unterbrochen und andererseits durch die Auslassrinne, die sich im Wesentlichen parallel zum Umlaufkanal erstreckt. Die Umfangslinie ist somit in zwei Teillängen unterteilt. Die zweite (längere) Teillänge bildet eine Absatzfläche für das Kondensat aus. Sie erstreckt sich vorzugsweise bezogen auf eine Strömungsrichtung der tubulären Sekundärströmung im Umlaufkanal beginnend von einem zweiten (sekundärstromabwärtigen) Rand des Turbinenkammereinlasses bis zu einem ersten (sekundärstromaufwärtigen) Rand der Auslassrinne. Je größer die Absatzfläche ist, desto mehr Wasser wird an ihr abgeschieden. Die erste (kürzere) Teillänge erstreckt sich vorzugsweise bezogen auf die Strömungsrichtung der tubulären Sekundärströmung im Umlaufkanal beginnend von einem zweiten (sekundärstromabwärtigen) Rand der Auslassrinne bis zu einem ersten (sekundärstromaufwärtigen) Rand des Turbinenkammereinlasses. Die mit der ersten Teillänge assoziierte Fläche bildet somit eine Zustromfläche zu der Turbinenkammer. Die mit der zweiten Teillänge assoziierte Absatzfläche ist somit größer als die Zustromfläche.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auslassrinne im Querschnitt eine sprungfreie gekrümmte Kontur aufweist, insbesondere im Wesentlichen als eine Ellipse ausgeformt ist. Diese Ausgestaltung unterstützt die Ausbildung der tubulären Tertiärströmung innerhalb der Auslassrinne. Eine Ellipse weist zwei Nebenscheitel und zwei Hauptscheitel sowie einen stetigen Krümmungsverlauf über den gesamten Umfang auf. Die zwischen den Hauptscheiteln der Ellipse gelegenen Ränder zwischen Umlaufkanal und Auslassrinne sind vorzugsweise Scharfkantig ausgeführt Auf diese Weise bildet sich ein Ablösepunkt der Strömung an dem stromaufwärtigen Rand und ein Staupunkt (oder Anlegepunkt) auf dem stromabwärtigen Rand der Auslassrinne aus. Die Stromlinie zwischen den beiden Punkten trennt die Sekundär- von der Tertiärströmung. Der stetige Krümmungsverlauf innerhalb der Rinne vermeidet weitere Ablösungen auf der Wand der Auslassrinne.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umlaufkanal im Wesentlichen eine gekrümmte Zylinderform aufweist, sodass die (unterbrochene) Umfangslinie im Wesentlichen als Kreis ausgebildet ist. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass eine Asymmetrie von Kantenlängen in einer Zylinderform durch die Auslassrinne entsteht. Zylinder weisen im Querschnitt einen Kreis auf. Der Umfang eines Kreises kann in zwei gleichlange Teilumfänge geteilt werden. Wenn eine Auslassrinne in einem der beiden gleichlangen Teilumfänge gefertigt ist und zudem der Turbinenkammereinlass in dem gleichen Teilumfang angeordnet ist, entsteht die gewünschte Asymmetrie. Die asymmetrische Anordnung begünstigt gemeinsam mit dem im Wesentlichen kreisrunden und damit ebenfalls krümmungssprungfreien Querschnitt des Umlaufkanals die tubuläre Sekundärströmung.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umlaufkanal über eine Länge von mindestens 2/3 des azimutalen Umfangs des Spiralgehäuses erstreckend ausgebildet ist, also über einen Winkelumfang von mindestens 240° bezogen auf die Drehachse der Turbine. Ein Vorteil ist, dass Wasser und Wassertropfen entlang einer Spiralgehäuselänge in die Auslassrinne gefördert werden kann.
Die Innenfläche des Umlaufkanals untergliedert sich, wie vorstehend ausgeführt, in eine Absatzfläche und eine Zustromfläche, die jeweils durch die Auslaufrinne und den Turbinenkammereinlass begrenzt werden. Wenn sich der Umlaufkanal und die Auslassrinne über mindestens 2/3 des azimutalen Umfangs des Spiralgehäuses erstrecken, dann erstrecken sich auch die Absatzfläche und die Zustromfläche über diese Länge.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verringert sich eine lichte Querfläche des Umlaufkanals in Hauptströmungsrichtung, womit einerseits einer Abnahme des Massenstroms durch das radiale Abströmen durch das Turbinenrad Rechnung getragen wird und andererseits eine Beschleunigung der Strömung erzeugt wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Turbine ferner eine Anordnung von Umlenkschaufeln zum Erzeugen eines Wirbelstroms aus der Luft aufweist, die im Spiralgehäuseeinlass oder in einem Eintritt in den Umlaufkanal des Spiralgehäuses angeordnet ist. Diese Anordnung unterstützt die Ausbildung der Sekundärströmung innerhalb des Umlaufkanals.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anordnung von Umlenkschaufeln nabenfrei ausgebildet ist. Somit entbehrt die Anordnung also einer zentralen Nabe auf der Strömungsachse, an welcher die Umlenkschaufeln befestigt sind. Vielmehr sind die Umlenkschaufeln bevorzugt an einer Innenfläche des Spiralgehäuseeinlasses oder des Eintritts in den Umlaufkanal befestigt. Auf diese Weise bildet sich zwischen den freien Enden der Umlenkschaufeln ein freier Wirbelkern aus den Blattspitzenwirbeln aus, sodass die Ausbildung eines Wirbelstromes unterstützt wird. Wirbelströme weisen einen Drall auf. Eine Komponente des Dralls wirkt in Richtung der Zentrifugalkraft. Die Anordnung von Umlenkschaufeln verstärkt diesen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine,
2 eine Anordnung von Umlaufschaufeln in einer erfindungsgemäßen Turbine, und
3 ein Brennstoffzellensystem.
1 zeigt den konstruktiven Aufbau einer erfindungsgemäßen insgesamt mit 10 bezeichneten Turbine. Im Gebrauch dient die Turbine 10 dem Trocknen und Entspannen feuchter Abgasströme, insbesondere von Brennstoffzellen.
Die Turbine 10 ist aus einer Mehrzahl von Bauteilen konstruiert. Die Turbine 10 umfasst in der bevorzugten in 1 dargestellten Ausführungsform ein Spiralgehäuse 20, das einen Spiralgehäuseeinlass 22 zum Einströmen eines Luftstroms aufweist. Der Spiralgehäuseeinlass 22 ist an einem ersten Ende des Spiralgehäuses 20 angeordnet. Das Spiralgehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.
Mindestens eine Turbinenradkammer 13 ist innerhalb des Spiralgehäuses 20 angeordnet, in der ein Turbinenrad 12 drehbar um eine Drehachse 15 gelagert ist. Die Turbinenradkammer 13 weist einen peripher umlaufenden Turbinenradkammereinlass 11 sowie einen zentralen Turbinenauslass 17 auf. Die Drehachse 15 liegt koaxial zur Drehachse einer nicht dargestellten Welle, auf die das Turbinenrad 12 aufsitzt.
Innerhalb des Spiralgehäuses 20 ist ferner ein azimutal zur Drehachse 15 verlaufender Umlaufkanal 14 ausgebildet, der sich zumindest abschnittsweise innerhalb des radialen Umfangs des Spiralgehäuses 20 erstreckt. Der Umlaufkanal 14 umläuft somit die Turbinenradkammer 13. Der Umlauf erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform über die Länge eines Abschnitts. Die Abschnittslänge kann variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umläuft er die Turbinenradkammer 13 über eine Länge von mindestens 2/3 (≥ 240°) des Umfangs der Turbinenradkammer 13. In einer alternativen Ausführungsform umläuft der Umlaufkanal 14 die Turbinenradkammer 13 zumindest vollständig (≥ 360°). Von Vorteil kann auch ein Umlauf von mehr als 360° vorgesehen sein, bei der sich der Umlaufkanal 14 spiralartig innerhalb des Spiralgehäuses 20 erstreckt.
Eine Auslassrinne 30 ist in das Spiralgehäuse 20 eingelassen. Sie erstreckt sich entlang des Umlaufkanals 14 und formt mit diesem einen gemeinsamen Arbeitskanal aus. Die Auslassrinne 30 hat in einer bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt die Gestalt einer Ellipse. Die Ellipse ist nach einer (in 1 rechten) Seite hin offen, sodass die Auslassrinne 30 im gezeigten Querschnitt eine offene Seitenkante 36 aufweist. Die offene Seitenkante 36 wird von einem ersten Rand 30a und einem zweiten Rand 30b der Auslassrinne 30 begrenzt. Die Öffnung verläuft in einer bevorzugten Ausführungsform durch den Hauptscheitel der Ellipse. Alternativ sind andere Gestaltungen der Auslassrinne 30 möglich.
Der Umlaufkanal 14 weist eine Innenfläche 140 auf. Diese Innenfläche 140 weist im Querschnitt eine Umfangslinie 143 auf, die in der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen das Profil eines Kreises hat. Die Umfangslinie 143 ist durch den Auslasskanal 30 sowie den Turbinenkammereinlass 11 in zwei Teillängen 1431 und 1432 untergliedert. Eine erste Teillänge 1431 erstreckt sich zwischen einem zweiten Rand 11b des Turbinenkammereinlasses 11 und dem ersten Rand 30a des Auslasskanals 30. Eine zweite Teillänge 1432 erstreckt sich zwischen dem zweiten Rand 30b des Auslasskanals 30 und einem ersten Rand 11a des Turbinenkammereinlasses 11.
Die erste Teillänge 1431 ist kürzer als die zweite Teillänge 1432. Somit ist die Auslassrinne 30 nicht im Bereich des peripheren Umfangs des Umlaufkanals 14 positioniert, sondern asymmetrisch zu diesem versetzt. Insbesondere beträgt die erste Teillänge 1431 höchstens 20% der zweiten Teillänge 1432.
Die sich über die zweite Länge 1432 erstreckende Innenfläche des Umlaufkanals 14 bildet eine Absatzfläche 141 für Kondensat. Die sich über die erste Länge 1431 erstreckende Innenfläche des Umlaufkanals 14 bildet eine Zustromfläche 142 zur Turbinenradkammer 13.
Die Turbine 10 weist ferner einen Auslasskanal 32 auf, der die Auslassrinne 30 mit einer Umgebung der Turbine, also nach außen verbindet und der Abführung von Kondensat dient. Der Auslasskanal 32 erstreckt sich zwischen der Auslassrinne 30 und der Außenseite des Spiralgehäuses 20. Seine Eintrittsfläche ist mit einem Winkel von 90 ± 20°, insbesondere 90° ± 10°, zur Drehachse 15 angeordnet. Der Auslasskanal 32 ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit der Auslassrinne 30 in einem Guss gegossen. Alternativ kann der Auslasskanal aber auch nachträglich gebohrt worden sein. Ferner kann der Auslasskanal 32 als eine oder mehrere separate Öffnungen ausgebildet sein. Alternativ kann sich der Auslasskanal 32 in Form eines kontinuierlichen radialen Schlitzes um den gesamten peripheren Umfang des Gehäuses 20 erstrecken.
Die in 1 dargestellte Turbine 10 zeigt folgende Funktion.
Ein zu entspannender Gasstrom (zum Beispiel ein Luftstrom) tritt durch den Einlass 22 in das Spiralgehäuse 20 ein, wobei er tangential in den Umlaufkanal 14 einströmt. Dort wird der Gasstrom beschleunigt und tritt durch den Turbinenkammereinlass 11 in die Turbinenkammer 13 und treibt das Turbinenrad 12 an, sodass dieses in Rotation versetzt wird und seinerseits über eine Welle eine weitere Komponente antreiben kann. Der Gasstrom gibt also kinetische Energie an das Turbinenrad 12 ab und verlässt die Turbine 10 durch den Auslass 17 mit vermindertem Druck. Der Gasstrom wird somit mittels des Turbinenrads 12 entspannt.
Im Umlaufkanal 14 bildet sich dabei einerseits eine Hauptströmung 18 in Richtung des axialen Verlaufs des Umlaufkanals 14 aus. Die Hauptströmung 18 verläuft orthogonal zur Papierebene der 1. Gleichzeitig kommt es zur Ausbildung einer tubulären Sekundärströmung 16 innerhalb des Umlaufkanals 14. Die Sekundärströmung 16 strömt hierbei über die entlang der zweiten Teillänge 1432 ausgebildete Absatzfläche 141 von dem zweiten, sekundärstromabwärtigen Rand 11b des Turbinenkammereinlasses 11 in Richtung des ersten, sekundärstromaufwärtigen Rands 30a der Auslassrinne 30. Die Sekundärströmung 16 überstreicht die offene Kante 36 der Rinne 30 und strömt weiter über die entlang der ersten Teillänge 1431 ausgebildeten Zustromfläche 142 der Innenfläche 140 von dem sekundärstromabwärtigen Rand 30b der Rinne 30 bis zu dem sekundärstromaufwärtigen Rand 11a des Turbinenkammereinlasses 11, von wo der Gasstrom in die Turbinenradkammer 13 strömt. Innerhalb der Auslassrinne 30 bildet sich zudem eine tubuläre Tertiärströmung 34, die in entgegengesetzter Richtung zur Sekundärströmung 16 zirkuliert.
Neben dem Effekt der Entspannung des Gasstroms sorgt die erfindungsgemäße Turbine 10 auch für ein Trocken desselben, also für eine Verringerung der Feuchtigkeit. Das Trocknen erfolgt nach dem Prinzip der schwereren Massen. Die Form des Spiralgehäuses 20 und des Umlaufkanals 14 bewirkt eine Zentrifugalkraft, indem sie den Gasstrom in der Hauptströmung 18 beschleunigt. Aufgrund der innerhalb des Umlaufkanals 14 abnehmenden statischen Enthalpie kommt es zur Kondensation der Feuchtigkeit in dem Gasstrom. Die Zentrifugalkraft wirkt auf feinste Flüssigkeitstropfen im Gasstrom und drückt diese an die Absatzfläche der Innenfläche 140. Die Flüssigkeitstropfen setzten sich daher an der Absatzfläche 141 ab. Die tubuläre Sekundarströmung 16 fördert den Transport des an der Absatzfläche 141 ausgebildeten Flüssigkeitsfilms in Richtung der Auslassrinne 30. Die der turbulären Sekundärströmung 16 entgegensetzt strömende Tertiärströmung 34 treibt die Flüssigkeit innerhalb der Auslassrinne 30 in Richtung des Auslasskanals 32 durch diesen hindurch ins Freie. Der das Turbinenrad 12 beaufschlagende Gasstrom ist somit entfeuchtet. Ein Auftreffen von Kondensattröpfchen auf das Turbinenrad 12 und somit eine erosive Beschädigung desselben wird daher verhindert.
2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbine. Dargestellt ist lediglich der Spiralgehäuseeinlass 22. Die weitere Ausgestaltung entspricht der gemäß 1.
In dem Spiralgehäuseeinlass 22 ist eine Anordnung 40 von in diesem Beispiel sechs Umlenkschaufeln 41. Die Anzahl der Umlenkschaufeln 41 ist jedoch variabel. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform bilden die Umlenkschaufeln 41 eine sternförmige Anordnung. Dabei sind die Umlenkschaufeln 41 mit ihrem ersten Ende an der Innenwand Spiralgehäuseeinlasses 22 befestigt und ragen mit ihrem zweiten, freien Ende berührungslos in den Strömungsquerschnitt. In dieser Ausführungsform weist die Strömungsachse der Umlenkschaufel 41 somit keine zentrale Nabe auf.
Im Betrieb der in 2 gezeigten Ausführung entsteht um die freien Enden der Umlenkschaufel 41, das heißt an den Blattspitzen, jeweils ein Wirbel. Die einzelnen Blattspitzenwirbel formieren in der nabenfreien Strömungsachse einen freien Wirbelkern. Der Wirbelkern führt zu einer weiteren Unterstützung der Sekundärströmung 16 innerhalb des Umlaufkanals 14 (1). Der beschriebene Trocknungseffekt wird auf diese Weise verstärkt.
Die erfindungsgemäße Turbine 10 gemäß 1 oder 2 bewirkt ein Trocknen und Entspannen eines Gasstroms und ist somit besonders für den Einsatz für besonders feuchte Gasströme geeignet, beispielsweise eines Kathodenabgasstroms von Brennstoffzellen. Ein solches Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt.
Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 50, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 51 aufweist. Jede Einzelzelle 51 umfasst jeweils einen Anodenraum 52 sowie einen Kathodenraum 54, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 53 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 52, 54 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise ein kohlenstoffbasiertes Material, geträgert vorliegt. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 55 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 52, 54 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 51 herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 50 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodengasversorgung 60 und andererseits eine Kathodengasversorgung 70 auf.
Die Anodengasversorgung 60 umfasst einen Anodenversorgungspfad 62, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 52 des Brennstoffzellenstapels 50 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 61 einen Brennstofftank 63 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 50. Die Anodengasversorgung 60 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 62, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 52 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 50 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels 50 ist über ein Stellmittel 65 in dem Anodenversorgungspfad 62 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodengasversorgung 60 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 64 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 62 mit dem Anodenversorgungspfad 61 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel 50 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 64 ist ein weiteres Stellmittel 66 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodengasversorgung 70 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 71, welcher den Kathodenräumen 54 des Brennstoffzellenstapels 50 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodengasversorgung 70 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 72, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 54 des Brennstoffzellenstapels 50 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 71 ein Verdichter 73 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 73 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 75 ausgestatteten Elektromotor 74 erfolgt. Der Verdichter 73 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 72 angeordnete, erfindungsgemäße Turbine 10 unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 10 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt.
Eine Wastegate-Leitung 76, verbindet den Kathodenversorgungspfad 71 mit dem Kathodenabgaspfad 72, um den Brennstoffzellenstapel 50 zu umgehen, um eine dem Stapel 50 zugeführte Luftmenge entsprechend einer Leistungsanforderung zu regulieren. Dazu ist ein Stellmittel 77 vorhanden.
Weiterhin umfasst die Kathodenversorgung 70 einen Befeuchter 80, der einerseits von dem frischen Kathodenbetriebsmedium und andererseits von dem Kathodenabgasstrom durchströmt wird. die beiden Gasströme werden dabei über eine wasserdampfpermeable Membran geführt, sodass es zu einem Übergang von Feuchtigkeit aus relativ feuchtem Abgasstrom auf den zu befeuchtenden Zustrom kommt.
Trotz der im Befeuchter 80 stattfindenden Entfeuchtung des Kathodenabgases (der Abluft) kann im Stand der Technik ein Kondensieren von Wasser in der Turbine 10 und damit eine Beschädigung derselben nicht verhindert werden. Mit der erfindungsgemäßen Turbine 10 wird dieses Problem auf einfache, platz- und kostensparende Weise gelöst.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
11: Turbinenradkammereinlass
11a: erster Rand des Turbinenradkammereinlasses
11b: zweiter Rand des Turbinenradkammereinlasses
12: Turbinenrad
13: Turbinenradkammer
14: Umlaufkanal
140: Innenfläche
141: Absatzfläche
142: Zustromfläche
143: Umfangslinie
1431: erste Teillänge
1432: zweite Teillänge
15: Drehachse
16: Sekundärströmung
17: Turbinenauslass
18: Hauptströmung
20: Spiralgehäuse
22: Spiralgehäuseeinlass
30: Auslassrinne
30a: erster Rand der Auslassrinne
30b: zweiter Rand der Auslassrinne
32: Auslasskanal
34: Tertiärströmung
36: offene Seitenkante
40: Umlenkschaufelanordnung
41: Umlenkschaufeln
100: Brennstoffzellensystem
50: Brennstoffzellenstapel
51: Einzelzelle
52: Anodenraum
54: Kathodenraum
53: Polymerelektrolytmembran
55: Bipolarplatte
60: Anodengasversorgung
61: Anodenversorgungspfad
62: Anodenabgaspfad
63: Brennstofftank
64: Rezirkulationsleitung
65: Stellmittel
66: Stellmittel
70: Kathodengasversorgung
71: Kathodenversorgungspfad
72: Kathodenabgaspfad
73: Verdichter
74: Elektromotor
75: Leistungselektronik
76: Wastegate-Leitung
77: Stellmittel
80: Befeuchter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3380711 [0003]

Claims

Turbine (10) zum Entspannen von Luft umfassend • ein Spiralgehäuse (20), das einen Spiralgehäuseeinlass (22) zum Einströmen eines Luftstroms aufweist, • eine in dem Spiralgehäuse (20) angeordnete Turbinenradkammer (13), in der mindestens ein Turbinenrad (12) drehbar um eine Drehachse (15) gelagert ist und die mindestens einen Turbinenauslass (17) aufweist, • einen in dem Spiralgehäuse (20) angeordneten, zumindest abschnittsweise azimutal zur Drehachse (15) verlaufenden Umlaufkanal (14) zum Leiten des Luftstroms auf das Turbinenrad (12), wobei der Umlaufkanal (14) eine Innenfläche (140) aufweist, in die mindestens eine azimutal zur Drehachse (15) verlaufende Auslassrinne (30) angeordnet ist, wobei die Auslassrinne (30) einen Auslasskanal (32) aufweist, und der Umlaufkanal (14) in seinem Querschnitt eine Umfangslinie (143) aufweist, die durch eine offene Seitenkante (36) der Auslassrinne (30) in diesem Querschnitt in zwei Teillängen unterteilt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teillänge (1431) der Umfangslinie (143) des Umlaufkanals (14) kürzer ist als ein zweite Teillänge (1432).
Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teillänge (1431) höchstens 35% der zweiten Teillänge (1432) der Umfangslinie (143) des Umlaufkanals (14) beträgt, insbesondere höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 20%.
Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auslasskanal (32) zwischen der Auslassrinne (30) und einer Außenseite des Spiralgehäuses (20) erstreckt, wobei die Normale seiner Austrittsfläche einen Winkel von höchstens ±20° mit der Normalen der Drehachse (15) einschließt.
Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassrinne (30) im Querschnitt ein sprungfreie gekrümmte Kontur aufweist, insbesondere im Wesentlichen als eine Ellipse ausgeformt ist.
Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlaufkanal (14) eine gekrümmte Zylinderform aufweist, sodass die Umfangslinie (143) im Wesentlichen als Kreis ausgebildet ist.
Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlaufkanal (14) über eine Länge von mindestens 2/3 des Umfangs des Spiralgehäuses (20) erstreckend ausgebildet ist.
Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (40) von Umlenkschaufeln (41) zum Erzeugen eines Wirbelstroms vorhanden ist, die im Spiralgehäuseeinlass oder in einem Eintritt in dem Umlaufkanal des Spiralgehäuses angeordnet ist.
Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (40) von Umlenkschaufeln (41) nabenfrei ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (50), einer Anodengasversorgung (60) und einer Kathodengasversorgung (70), wobei die Kathodengasversorgung (70) einen Kathodenabgaspfad (72) umfasst, in dem eine Turbine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.