DE102017212815A1 - Turbomachine, in particular for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Turbomaschine (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1). Die Turbomaschine (10) umfasst eine Welle (14), ein Laufrad (15) und eine Axiallagerscheibe (30). Das Laufrad (15) und die Axiallagerscheibe (30) sind auf der Welle (14) angeordnet. An der Axiallagerscheibe (30) ist eine Lauffläche (31) zur axialen Lagerung ausgebildet. Die Lauffläche (31) bildet mit einer korrespondierenden Lagerfläche (86) ein Axiallager (35). An der Axiallagerscheibe (30) ist eine Strömungsvorrichtung (50) angeordnet. Die Strömungsvorrichtung (50) liegt in einem Kühlfluidpfad (60).Turbomachine (10), in particular for a fuel cell system (1). The turbomachine (10) comprises a shaft (14), an impeller (15) and a thrust washer (30). The impeller (15) and the thrust washer (30) are arranged on the shaft (14). On the thrust washer (30) has a running surface (31) is formed for axial storage. The running surface (31) forms a thrust bearing (35) with a corresponding bearing surface (86). On the thrust washer (30), a flow device (50) is arranged. The flow device (50) lies in a cooling fluid path (60).
Description
Stand der TechnikState of the art
Als Turbokompressoren ausgeführte Turbomaschinen für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
In detaillierterer Ausgestaltung ist eine als Turbokompressor ausgeführte Turbomaschine aus der Offenlegungsschrift
Weiterhin ist aus der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung der Axiallagerscheibe dergestalt, dass dabei die Kühlung der Turbomaschine optimiert wird.The subject matter of the present invention is the configuration of the axial bearing washer in such a way that the cooling of the turbomachine is optimized.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Turbomaschine weist eine optimierte Axiallagerscheibe auf, die der Kühlung der Turbomaschine, beispielsweise der Lagerstellen und/oder der Antriebsvorrichtung, dient. Vorzugsweise ist die Turbomaschine dabei in einem Brennstoffzellensystem angeordnet.The turbomachine according to the invention has an optimized axial bearing disk which serves to cool the turbomachine, for example the bearing points and / or the drive device. Preferably, the turbomachine is arranged in a fuel cell system.
Dazu umfasst die Turbomaschine eine Welle, ein Laufrad und die Axiallagerscheibe. Das Laufrad und die Axiallagerscheibe sind auf der Welle angeordnet. An der Axiallagerscheibe ist eine Lauffläche zur axialen Lagerung ausgebildet. Die Lauffläche bildet mit einer korrespondierenden Lagerfläche ein Axiallager. Vorzugsweise ist die Normalenrichtung der Lauffläche identisch zur Achse der Welle. An der Axiallagerscheibe ist eine Strömungsvorrichtung angeordnet. Die Strömungsvorrichtung liegt in einem Kühlfluidpfad.For this purpose, the turbomachine comprises a shaft, an impeller and the thrust washer. The impeller and the thrust washer are arranged on the shaft. On the thrust washer a tread for axial storage is formed. The tread forms a thrust bearing with a corresponding bearing surface. Preferably, the normal direction of the tread is identical to the axis of the shaft. At the axial bearing disc, a flow device is arranged. The flow device is located in a cooling fluid path.
Durch die Strömungsvorrichtung weist die Axiallagerscheibe damit eine weitere Funktion auf, nämlich eine Kühlfunktion. Die rotierende Strömungsvorrichtung erzeugt eine Strömung, welche vorteilhafterweise so gestaltet ist, dass der Kühlfluidpfad sämtliche kritische Tribostellen der Turbomaschine berücksichtigt. Der Kühlfluidpfad dient der Kühlung der Turbomaschine. Ein Kühlfluid wird mittels der Strömungsvorrichtung durch den Kühlfluidpfad gespült und führt dabei die Wärme aus den Komponenten der Turbomaschine ab. Insbesondere an den Tribostellen, wie beispielsweise an Lagerungen oder Antriebsvorrichtungen, entsteht Reibwärme, welche über den Kühlfluidpfad bzw. durch das Kühlfluid gekühlt werden sollen. Vorzugsweise kann als Kühlfluid das gleiche Medium verwendet werden, welches als Arbeitsfluid durch das Laufrad strömt. Insbesondere kann dazu die Umgebungsluft verwendet werden.As a result of the flow device, the axial bearing disk thus has a further function, namely a cooling function. The rotating flow device generates a flow, which is advantageously designed so that the cooling fluid path takes into account all critical tribo points of the turbomachine. The cooling fluid path serves to cool the turbomachine. A cooling fluid is flushed by the flow device through the cooling fluid path, thereby dissipating the heat from the components of the turbomachine. Friction heat, which is to be cooled by the cooling fluid path or by the cooling fluid, is generated in particular at the tribological sites, such as bearings or drive devices. Preferably, the same medium can be used as cooling fluid, which flows as working fluid through the impeller. In particular, the ambient air can be used for this purpose.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Laufrad als Radialläufer ausgeführt. Das Laufrad ist auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmbar. Der Strömungspfad umfasst ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende. Funktionsbedingt treten an dem Laufrad fluidisch resultierende Axialkräfte auf, welche durch die Axiallagerscheibe gelagert werden. Eine Axiallagerscheibe ist damit insbesondere bei Radialläufern eine gut geeignete Komponente für das Axiallager. Wenn das Laufrad als Radialläufer gestaltet ist, hat die Turbomaschine einen sehr hohen Wirkungsgrad. Insbesondere für den Einsatz in einer Luftzuführungsleitung eines Brennstoffzellensystems ist ein derartiger Radialläufer gut geeignet.In advantageous developments, the impeller is designed as a radial rotor. The impeller is flowed through on its front by a working fluid along a flow path. The flow path includes an axial flow end and a radial flow end. Functionally occur on the impeller fluidly resulting axial forces, which are supported by the thrust washer. An axial bearing disk is therefore a well-suited component for the axial bearing, in particular in radial runners. If the impeller is designed as a radial runner, the turbomachine has a very high efficiency. In particular, for use in an air supply line of a fuel cell system, such a radial runner is well suited.
In vorteilhaften Weiterbildungen münden der Kühlfluidpfad und das radiale Strömungsende in einen Auslass. Der Auslass ist vorzugsweise in einem Gehäuse der Turbomaschine ausgebildet und stellt einen gemeinsamen Ausgang des Arbeitsfluids und des Kühlfluids aus der Turbomaschine dar. Arbeitsfluid und Kühlfluid können dazu beispielsweise die Umgebungsluft sein. Zur Kühlung der Turbomaschine wird also nicht das durch das Laufrad verdichtete und damit aufgeheizte Arbeitsfluid verwendet, sondern das Kühlfluid, welches durch einen separaten Einlass in den Kühlfluidpfad einströmt. Bevorzugt weist die Turbomaschine also eine Parallelschaltung aus Strömungspfad und Kühlfluidpfad auf, welche sich vor der Brennstoffzelle vereinigen.In advantageous developments, the cooling fluid path and the radial flow end open into an outlet. The outlet is preferably formed in a housing of the turbomachine and constitutes a common outlet of the working fluid and the cooling fluid from the turbomachine. For this purpose, working fluid and cooling fluid may be, for example, the ambient air. For cooling the turbomachine, therefore, not the working fluid compressed by the impeller and thus heated, but the cooling fluid, which flows into the cooling fluid path through a separate inlet, is used. Thus, the turbomachine preferably has a parallel connection of the flow path and the cooling fluid path, which unite in front of the fuel cell.
In alternativen vorteilhaften Ausführungen vereinigen sich der Strömungspfad und der Kühlfluidpfad nicht. Dadurch wird das Druckniveau des am radialen Strömungsende verdichteten Arbeitsfluids nicht durch das Kühlfluid abgesenkt; das Kühlfluid muss dadurch nicht gegen den Druck des radialen Strömungsendes gefördert werden.In alternative advantageous embodiments, the flow path and the cooling fluid path do not unite. As a result, the pressure level of the working fluid compressed at the radial flow end is not lowered by the cooling fluid; the cooling fluid need not be promoted against the pressure of the radial flow end.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Axiallagerscheibe der Rückseite des Laufrads zugewandt. Dadurch ist die Axiallagerscheibe bauraumsparend innerhalb der Turbomaschine angeordnet. Weiterhin können im Bereich der Rückseite und der Axiallagerscheibe dann Maßnahmen zur Axialkraftreduzierung getroffen werden, beispielsweise ein Druckteiler angeordnet werden; dadurch wird die auf die Welle wirkende fluidisch resultierende Axialkraft reduziert und mit ihr auch die in dem Axiallager entstehende Reibwärme.In advantageous developments, the axial bearing disk faces the rear side of the rotor wheel. As a result, the axial bearing disc is arranged to save space within the turbomachine. Furthermore, in the area of the rear side and the thrust washer then measures for Axialkraftreduzierung are taken, for example, a pressure divider are arranged; As a result, the fluidically resulting axial force acting on the shaft is reduced, and with it also the frictional heat generated in the axial bearing.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Lauffläche der Rückseite des Laufrads zugewandt. Die Normalenrichtung der Lauffläche zeigt also auf die Rückseite des Laufrads. Vorzugsweise erzeugt die Strömungsvorrichtung dabei eine Strömung in dem Kühlfluidpfad, welche in Richtung des Laufrads führt. Das Kühlfluid kann dort mit dem Arbeitsfluid vermischt oder getrennt von diesem aus der Turbomaschine geleitet werden.In advantageous embodiments, the running surface faces the rear side of the running wheel. The normal direction of the tread thus points to the back of the wheel. In this case, the flow device preferably generates a flow in the cooling fluid path, which leads in the direction of the impeller. The cooling fluid can be mixed there with the working fluid or separated from it from the turbomachine.
Bevorzugt ist die Strömungsvorrichtung an einer der Lauffläche entgegengesetzten Gengenseite der Axiallagerscheibe angeordnet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Axiallager nur eine Richtung lagern muss, so dass die Axiallagerscheibe auch nur eine Lauffläche aufweisen muss. Die Rückseite bzw. die Gegenseite der Axiallagerscheibe weist dementsprechend Bauraum für eine weitere Funktion, nämlich die zur Kühlung auf. Weiterhin ist es dadurch möglich den Kühlfluidpfad sehr effizient in Richtung des Laufrads strömen zu lassen, nämlich im Querschnitt U-förmig um die Axiallagerscheibe herum.Preferably, the flow device is arranged on one of the running surface opposite gengen side of the thrust washer. This is particularly advantageous if the thrust bearing only needs to support one direction, so that the thrust washer must have only one tread. The rear side or the opposite side of the axial bearing disk accordingly has space for a further function, namely that for cooling. Furthermore, this makes it possible to flow the cooling fluid path very efficiently in the direction of the impeller, namely in a U-shaped cross-section around the axial bearing disk.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Strömungsvorrichtung mehrere Schaufeln. Vorzugsweise umfasst die Strömungsvorrichtung drei bis sechs Schaufeln. Die Schaufeln können dabei gerade, aber auch gekrümmt ausgeführt sein. Bevorzugt sind die Schaufeln in Drehrichtung konkav gekrümmt, so dass eine sehr vorteilhafte Strömung nach radial außen erzeugt wird. Der Kühlfluidpfad läuft somit radial um die Axiallagerscheibe herum, im Schnitt betrachtet in einer U-Form.In advantageous embodiments, the flow device comprises a plurality of blades. Preferably, the flow device comprises three to six blades. The blades can be made straight, but also curved. Preferably, the blades are concavely curved in the direction of rotation, so that a very advantageous flow is generated radially outward. The cooling fluid path thus passes radially around the thrust washer, when viewed in section in a U-shape.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Laufrad als Verdichter ausgeführt, wobei das axiale Strömungsende den Strömungseingang und das radiale Strömungsende den Strömungsausgang des Strömungspfads darstellt. Der Verdichter weist dabei vorzugsweise eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung auf. Insbesondere bei Verwendung in einem Brennstoffzellensystem ist dies eine sehr effiziente Ausführung einer Turbomaschine.In advantageous developments, the impeller is designed as a compressor, wherein the axial flow end represents the flow input and the radial flow end represents the flow output of the flow path. The compressor preferably has an electromagnetic drive device. In particular, when used in a fuel cell system, this is a very efficient embodiment of a turbomachine.
Vorteilhafterweise liegt die Antriebsvorrichtung in dem Kühlfluidpfad, vorzugsweise stromaufwärts der Strömungsvorrichtung. Insbesondere bei einer elektromagnetischen Antriebsvorrichtung wird dadurch nicht nur die Reibwärme aus der Antriebsvorrichtung abgeführt, sondern auch der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung erhöht, was den Wirkungsgrad der gesamten Turbomaschine verbessert. Dazu muss nicht die gesamte Antriebsvorrichtung in dem Kühlfluidpfad angeordnet sein, sondern der Kühlfluidpfad so gestaltet sein, dass er eine möglichst große Wärmemenge durch das Kühlfluid aus der Antriebsvorrichtung abführen kann. Dazu kann der Kühlfluidpfad beispielsweise zwischen einem Rotor und einem Stator der Antriebsvorrichtung hindurch führen.Advantageously, the drive device is located in the cooling fluid path, preferably upstream of the flow device. In particular, in an electromagnetic drive device, not only the frictional heat is removed from the drive device, but also increases the efficiency of the drive device, which improves the efficiency of the entire turbomachine. For this purpose, not the entire drive device must be arranged in the cooling fluid path, but the cooling fluid path must be designed so that it can dissipate the largest possible amount of heat through the cooling fluid from the drive device. For this purpose, the cooling fluid path may, for example, pass between a rotor and a stator of the drive device.
In bevorzugten Ausführungen ist die Welle mittels zumindest eines Radiallagers gelagert. Das Radiallager liegt in dem Kühlfluidpfad, so dass auch das Radiallager effektiv gekühlt oder sogar zusätzlich geschmiert wird. Verschleiß und potenzielle Kavitationserosion in dem Radiallager werden dadurch minimiert bzw. vermieden. Die Welle kann auch mittels zweier Radiallager radial gelagert sein. Vorteilhafterweise sind dann beide Radiallager in dem Kühlfluidpfad angeordnet. Auch hier muss nicht das gesamte Radiallager in dem Kühlfluidpfad angeordnet sein, sondern der Kühlfluidpfad so gestaltet sein, dass das Kühlfluid eine möglichst große Wärmemenge aus dem Radiallager abführen kann. Dazu kann der Kühlfluidpfad beispielsweise zwischen einer Lagerhülse des Radiallagers und der Welle hindurch führen.In preferred embodiments, the shaft is supported by means of at least one radial bearing. The radial bearing is located in the cooling fluid path, so that the radial bearing is effectively cooled or even lubricated. Wear and potential cavitation erosion in the radial bearing are thereby minimized or avoided. The shaft can also be supported radially by means of two radial bearings. Advantageously, then both radial bearings are arranged in the cooling fluid path. Again, not the entire radial bearing must be arranged in the cooling fluid path, but the cooling fluid path be designed so that the cooling fluid can dissipate the largest possible amount of heat from the radial bearing. For this purpose, the cooling fluid path may, for example, pass between a bearing sleeve of the radial bearing and the shaft.
In vorteilhaften Verwendungen ist die Turbomaschine in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die Turbomaschine ist dazu als Turbokompressor bzw. das Laufrad als Verdichter ausgeführt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle auf. Der Verdichter ist in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Die Luftzuführungsleitung dient dabei der Zuströmung des Arbeitsfluids bzw. Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle, und die Abgasleitung dient der Abfuhr des Oxidationsmittels bzw. des reagierten Oxidationsmittels bzw. einem Gemisch daraus aus der Brennstoffzelle. Der Turbokompressor ist gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen gestaltet. Vorzugsweise ist das Laufrad dabei als Radialläufer ausgeführt und Kühlfluidpfad und Strömungspfad sind parallel geschaltet und münden in einem gemeinsamen Auslass ineinander. Als Oxidationsmittel und als Kühlfluid wird bevorzugt die Umgebungsluft verwendet. Die Kühlung möglichst vieler Komponenten der Turbomaschine erhöht deren Effizienz und Lebensdauer.In advantageous uses, the turbomachine is arranged in a fuel cell system. The turbomachine is designed as a turbo compressor or the impeller as a compressor. The fuel cell system includes a fuel cell, an air supply passage for supplying an oxidant into the fuel cell, and an exhaust passage for discharging the oxidant from the fuel cell. The compressor is arranged in the air supply line. The air supply line serves for the inflow of the working fluid or oxidizing agent into the fuel cell, and the exhaust gas line serves to remove the oxidizing agent or the reacted oxidizing agent or a mixture thereof from the fuel cell. The turbocompressor is designed according to one of the embodiments described above. Preferably, the impeller is designed as a radial runner and cooling fluid path and flow path are connected in parallel and open into one another in a common outlet. As the oxidizing agent and the cooling fluid, the ambient air is preferably used. The cooling of as many components of the turbomachine increases their efficiency and service life.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Brennstoffzellensystem eine Abgasturbine mit einem weiteren Laufrad auf. Das weitere Laufrad ist ebenfalls auf der Welle angeordnet. Die Abgasturbine ist in der Abgasleitung angeordnet. Vorzugsweise ist das weitere Laufrad der Abgasturbine entgegenorientiert zum Laufrad des Turbokompressors angeordnet, so dass sich die jeweils wirksamen resultierenden Axialkräfte auf die beiden Laufräder teilweise kompensieren. Das aus der Brennstoffzelle ausströmende reagierte Arbeitsfluid bzw. Oxidationsmittel kann sehr wirkungsvoll als Leistungsquelle für die Abgasturbine verwendet werden; dadurch wird die benötigte Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung für den Turbokompressor reduziert. Vorteilhafterweise ist dabei die Abgasleitung von dem Kühlfluidpfad getrennt, so dass dem Kühlfluidpfad kein aufgeheiztes Medium zugeführt wird.In advantageous developments, the fuel cell system has an exhaust gas turbine with a further impeller. The further impeller is also arranged on the shaft. The exhaust gas turbine is arranged in the exhaust pipe. Preferably, the further impeller of the exhaust gas turbine is arranged counter to the impeller of the turbocompressor, so that the respective effective resulting axial forces on the two wheels partially compensate. The effluent from the fuel cell Reacted working fluid or oxidant can be used very effectively as a power source for the exhaust gas turbine; As a result, the required drive power of the drive device for the turbocompressor is reduced. Advantageously, the exhaust gas line is separated from the cooling fluid path, so that no heated medium is supplied to the cooling fluid path.
Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.The fuel cell system may preferably be configured to drive a drive device of a motor vehicle.
Figurenlistelist of figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer als Turbokompressor ausgeführten Turbomaschine aus dem Stand der Technik, -
2 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
3 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
4 eine Draufsicht auf eine Axiallagerscheibe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
-
1 1 is a schematic view of a fuel cell system with a turbomachine of the prior art, designed as a turbo-compressor; -
2 schematically a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown. -
3 schematically a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown. -
4 a plan view of a thrust washer, only the essential areas are shown.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die Brennstoffzelle
Der Verdichter
Vorteilhafterweise ist die Turbomaschine
Das Laufrad
Auf seiner Vorderseite
Durch verschiedene Maßnahmen kann diese Axialkraft reduziert werden. Jedoch ist dennoch ein Axiallager
Vorzugsweise ist die Turbomaschine
Die Antriebsvorrichtung
Erfindungsgemäß weist nun die Axiallagerscheibe
Dazu zeigt
Die Strömungsvorrichtung
Die Schaufeln
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Turbomaschine
Um die Brennstoffzelle
Um diesen Kühlluftstrom zu optimieren soll nun erfindungsgemäß nicht die bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad
Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile:
- - Bereits aufgeheizte Luft des
Verdichters 11 bzw.Laufrads 15 muss nicht zur Kühlung der Turbomaschine10 verwendet werden. - - Entkopplung der für die Brennstoffzelle
2 vorgesehenen Luftmenge von der Kühlluftmenge. - -
Wirkungsgradverbesserung der Turbomaschine 10 .
- - Already heated air of the
compressor 11 orimpeller 15 does not need to cool theturbomachine 10 be used. - - Decoupling of the fuel cell
2 provided amount of air from the amount of cooling air. - - Improvement in the efficiency of the
turbomachine 10 ,
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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