DE102018212569A1 - turbomachinery - Google Patents
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Abstract
Turbomaschine (100) mit einem Turbogehäuse (56) und einem um eine Drehachse (30) beweglich gelagerten Laufrad (1), das vorderseitig einen Einströmbereich (8) und einen Ausströmbereich (9) eines Arbeitsmediums definiert. Rückseitig wirkt das Laufrad (1) mit dem Turbogehäuse (56) zusammen und bildet so einen Axialspalt (5) aus. Weiterhin weist das Turbogehäuse (56) einen Absatz (10) auf, welcher Absatz (10) mit dem Laufrad (1) einen Dichtspalt (18) ausbildet, wobei die Breite des Dichtspalts (18) annähernd der Breite des Axialspalts (5) entspricht. Außerdem begrenzen das Laufrad (1) und das Turbogehäuse (56) einen Leckageraum (14), welcher durch den Dichtspalt (18) in einen ersten Leckageteilraum (140) und einen zweiten Leckageteilraum (141) aufgeteilt ist.Turbo machine (100) with a turbo housing (56) and an impeller (1) which is movably mounted about an axis of rotation (30) and which defines on the front side an inflow region (8) and an outflow region (9) of a working medium. On the back, the impeller (1) interacts with the turbo housing (56) and thus forms an axial gap (5). Furthermore, the turbo housing (56) has a shoulder (10), which shoulder (10) forms a sealing gap (18) with the impeller (1), the width of the sealing gap (18) approximately corresponding to the width of the axial gap (5). In addition, the impeller (1) and the turbo housing (56) delimit a leakage space (14), which is divided into a first leakage partial space (140) and a second leakage partial space (141) by the sealing gap (18).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine, welche beispielsweise in einem Abwärmerückgewinnungssystem zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine oder als Verdichter für ein Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.The present invention relates to a turbomachine which can be used, for example, in a waste heat recovery system for waste heat recovery from an internal combustion engine or as a compressor for a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Aus der Offenlegungsschrift
Bei einem als Drossel ausgeführten Druckteiler wirkt das Laufrad mit dem Gehäuse der Turbomaschine spaltbildend, insbesondere einen Axialspalt ausbildend, zusammen. Aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen kann es einerseits zu einer Aufweitung des Axialspalts und einer damit einhergehenden, den Wirkungsgrad der Turbomaschine verringernden Leckage kommen. Andererseits können Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen zu einer Verringerung des Axialspalts oder sogar zu einem Kontakt des Laufrads mit dem Gehäuseteil führen, so dass das Axiallager und das Laufrad einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist.In the case of a pressure divider designed as a throttle, the impeller cooperates with the housing of the turbomachine to form a gap, in particular to form an axial gap. On the one hand, due to manufacturing and / or assembly tolerances, the axial gap can widen and the associated leakage can reduce the efficiency of the turbomachine. On the other hand, manufacturing and / or assembly tolerances can lead to a reduction in the axial gap or even to contact of the impeller with the housing part, so that the thrust bearing and the impeller are exposed to high wear.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine bereitzustellen, welche die Leckage am Axialspalt verringert und insgesamt den Verschleiß der Bauteile in der Turbomaschine, wie beispielsweise den Verschleiß am Laufrad, minimiert.The object of the present invention is to provide a turbomachine which reduces the leakage at the axial gap and minimizes the overall wear of the components in the turbomachine, such as wear on the impeller.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Turbomaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass ohne Verwendung eines zusätzlichen Bauteils als Druckteiler die Leckage am Axialspalt verringert und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Turbomaschine erzielt wird.The turbomachine according to the invention with the characterizing features of
Dazu weist die Turbomaschine ein Turbogehäuse und ein um eine Drehachse beweglich gelagertes Laufrad auf, das an einer Vorderseite einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich eines Arbeitsmediums definiert und an einer Rückseite mit dem Turbogehäuse zusammenwirkt und so einen Axialspalt ausbildet. Darüber hinaus weist das Turbogehäuse an der Rückseite einen Absatz auf, die mit dem Laufrad einen Dichtspalt ausbildet. Die Breite des Dichtspalts entspricht dabei annähernd der Breite des Axialspalts. Weiterhin begrenzen das Laufrad und das Turbogehäuse einen Leckageraum, welcher durch den Dichtspalt in einen ersten Leckageteilraum und einen zweiten Leckageteilraum aufgeteilt ist.For this purpose, the turbomachine has a turbo housing and an impeller movably mounted about an axis of rotation, which defines an inflow region and an outflow region of a working medium on a front side and interacts with the turbo housing on a rear side and thus forms an axial gap. In addition, the turbo housing has a shoulder on the back, which forms a sealing gap with the impeller. The width of the sealing gap approximately corresponds to the width of the axial gap. Furthermore, the impeller and the turbo housing delimit a leakage space, which is divided by the sealing gap into a first leakage part space and a second leakage part space.
So kann ein Druckteiler, hier durch Ausbildung eines Absatzes mit Leckageraum an dem Turbogehäuse, ausgeführt werden. Weiterhin kann die Axialkraft auf das Laufrad dadurch verringert werden, dass der Druck auf der Rückseite des Laufrads durch den Absatz im Vergleich zur Vorderseite des Laufrads im Einströmbereich verringert wird. So kann der Verschleiß am Laufrad reduziert und die Funktionsweise der Turbomaschine optimiert werden.For example, a pressure divider, here by forming a shoulder with a leakage space on the turbo housing, can be implemented. Furthermore, the axial force on the impeller can be reduced in that the pressure on the back of the impeller is reduced by the shoulder in comparison to the front of the impeller in the inflow area. In this way, wear on the impeller can be reduced and the functionality of the turbomachine can be optimized.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Dichtspalt eine Breite von weniger als 0,05 mm aufweist. Vorteilhafterweise weist die Breite des Axialspalts einen Wert zwischen 0,005 mm und 0,03 mm auf. So kann in einfacher Weise die Leckage am Dichtspalt und am Axialspalt gering gehalten und ein höherer Wirkungsgrad der Turbomaschine erzielt werden.In a first advantageous development it is provided that the sealing gap has a width of less than 0.05 mm. The width of the axial gap advantageously has a value between 0.005 mm and 0.03 mm. In this way, the leakage at the sealing gap and the axial gap can be kept low and a higher efficiency of the turbomachine can be achieved.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der zweite Leckageteilraum mit einem Kanal verbunden ist, welcher Kanal Leckage aus der Turbomaschine hinaus leitet. So kann Leckage auf einfache und bauraumsparende Weise aus der Turbomaschine hinausgeleitet werden.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the second leakage sub-space is connected to a channel, which channel guides leakage out of the turbomachine. Leakage can thus be led out of the turbomachine in a simple and space-saving manner.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass auf Höhe des Axialspalts das Laufrad eine Ausnehmung aufweist, so dass die resultierende wirkende Kraft auf das Laufrad über die Abmessung der Ausnehmung einstellbar ist.In an advantageous development, it is provided that the impeller has a recess at the level of the axial gap, so that the resulting acting force on the impeller can be adjusted via the dimension of the recess.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Turbogehäuse ein Axiallager für das Laufrad ausbildet und das Axiallager als Gaslager ausgebildet ist. So wird eine effiziente Funktionsweise des Laufrads und damit der Turbomaschine erzielt.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the turbo housing forms an axial bearing for the impeller and that Thrust bearing is designed as a gas bearing. In this way, an efficient functioning of the impeller and thus the turbomachine is achieved.
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 Arbeitsmediums in Form 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.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 has a fuel cell, an air supply line for supplying a working medium in the form of an oxidizing agent to the fuel cell and an exhaust gas line for removing the oxidizing agent 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 for removing the oxidizing agent or the reacted oxidizing agent or a mixture thereof from the fuel cell. The turbo compressor is designed according to one of the embodiments described above.
Die beschriebenen Ausführungen der Turbomaschine sind vorzugsweise in einem Abwärmerückgewinnungssystem eingesetzt. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Fluidpumpe, einen Verdampfer, eine Turbomaschineneinheit und einen Kondensator umfasst. Die Turbomaschineneinheit umfasst weiterhin einen Generator und die erfindungsgemäße Turbomaschine. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Turbomaschine kann die Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems gesteigert werden.The described designs of the turbomachine are preferably used in a waste heat recovery system. The waste heat recovery system has a circuit carrying a working medium, which comprises a fluid pump, an evaporator, a turbomachine unit and a condenser in the flow direction of the working medium. The turbomachine unit further comprises a generator and the turbomachine according to the invention. The efficiency of the waste heat recovery system can be increased by using the turbomachine according to the invention.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.1 shows schematically a waste heat recovery system, only the essential areas are shown. -
2 zeigt einen Schnitt einer Turbomaschineneinheit des Abwärmerückgewinnungssystems aus der1 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.2 shows a section of a turbomachine unit of the waste heat recovery system from the1 in a perspective view, only the essential areas are shown. -
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbomaschine der Turbomaschineneinheit im Bereich A aus der2 im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.3 shows a first embodiment of a turbomachine according to the invention of the turbomachine unit in area A from the2 in longitudinal section, only the essential areas are shown. -
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbomaschine der Turbomaschineneinheit im Bereich A aus der2 im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.4 shows a second embodiment of a turbomachine according to the invention of the turbomachine unit in area A from the2 in longitudinal section, only the essential areas are shown. -
5 zeigt schematisch ein bekanntes Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.5 shows schematically a known fuel cell system, only the essential areas are shown.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Das Abwärmerückgewinnungssystem
Parallel zur Turbomaschine
Die Turbomaschine
Optional kann das Abwärmerückgewinnungssystem
Funktionsweise des AbwärmerückgewinnungssystemsHow the waste heat recovery system works
Das flüssige Arbeitsmedium wird von der Fluidpumpe
Vorzugsweise weisen die Turbomaschine
Die Bypassleitung
Die Turbomaschineneinheit
Ein Lager
Das Generatorgehäuse
Der Strömungsweg des Arbeitsmediums in der Ausführung der
In vorteilhaften Ausführungen wird das Laufrad
In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Turbomaschineneinheit
Das Laufrad
Das Laufrad
Weiterhin begrenzen die Rückseite
Der Absatz
Der Strömungsweg des Arbeitsmediums ist der folgende: Vom Verdampfer
An der Vorderseite
An der Rückseite
Hier sind das Laufrad
Weiterhin ist der Kanal
Auf Höhe des Axialspalts
An der Vorderseite
In einer alternativen Ausführungsform kann die Ausnehmung
Die erfindungsgemäße Turbomaschine
Die Brennstoffzelle
Der Verdichter
In alternativer Ausführung kann die Abgasturbine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102012224052 A1 [0046]DE 102012224052 A1 [0046]
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