DE102020006937A1

DE102020006937A1 - Turboladeranordnung

Info

Publication number: DE102020006937A1
Application number: DE102020006937.1A
Authority: DE
Inventors: Dominik Lückmann; Johannes Klütsch
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-05-27
Also published as: DE102019131787A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung (20), umfassend einen Verdichter (2) zum Verdichten von Prozessgasen für die Brennstoffzelle, und eine Welle (6) zum Übertragen von kinetischer Energie und ein Wellenlager (8) zum Lagern der Welle (6), wobei die Welle (6) einen strömungsführenden Bereich (16) und einen Lagerungsbereich (17) aufweist, und wobei der Verdichter (2) eine stromabgewandte Seite und eine stromhingewandte Seite aufweist, und wobei sich der strömungsführende Bereich (16) und der Lagerungsbereich (17) entlang einer Wellenlängsachse der Welle (6) erstrecken und wobei der Verdichter (2) innerhalb des strömungsführenden Bereichs (16) und das Wellenlager (8) innerhalb des Lagerbereichs (17) angeordnet sind, und wobei und der Lagerungsbereich (17) und der strömungsführende Bereich derart benachbart angeordnet sind, dass der Lagerungsbereich (17) benachbart zu der stromabgewandten Seite angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung.
Die DE7819938 offenbart eine Turboladeranordnung mit einem Verdichter, einer Turbine und einem Lager, wobei das Lager zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet ist.
Eine erfindungsgemäße Turboladeranordnung umfasst einen Verdichter zum Verdichten von Prozessgasen und, eine Welle zum Übertragen von kinetischer Energie und ein Wellenlager zum Lagern der Welle. Die Welle weist einen strömungsführenden Bereich und einen Lagerungsbereich auf. Der Verdichter weist eine strömungsabgewandte Seite auf. Der strömungsführende Bereich und der Lagerungsbereich erstrecken sich entlang einer Wellenlängsachse der Welle. Der Verdichter ist innerhalb des strömungsführenden Bereichs angeordnet. Das Wellenlager ist innerhalb des Lagerbereichs angeordnet. Der Lagerungsbereich und der strömungsführende Bereich sind derart benachbart angeordnet, dass der Lagerungsbereich benachbart zu der stromabgewandten Seite angeordnet ist.
Durch die benachbarte Anordnung von dem strömungsführenden Bereich und dem Lagerungsbereich wird eine räumliche Trennung von Wellenlagern und strömungsführenden Elementen, wie Verdichtern und/oder Turbinen ermöglicht. Diese räumliche Trennung ermöglicht es, dass innerhalb des strömungsführenden Bereichs nur solche Elemente angeordnet sind, die keine Schmierstoffe, wie beispielsweise Öle zum Betrieb benötigen. Dadurch wird Ölfreiheit für die strömungsführenden Elemente ermöglicht, wodurch unvorteilhafte Ölvorkommen in Strömungen stromaufwärts der strömungsführenden Elemente vermindert und/oder verhindert werden. Dadurch wird es ermöglicht, dass innerhalb des Lagerungsbereichs Elemente angeordnet werden können, die Schmierstoffe zum Betrieb benötigen. Dies ermöglicht die Verwendung von einer Vielzahl an kostengünstigen, wartungsarmen und haltbaren Lagern.
Ölfreiheit für die strömungsführenden Elemente kann auch durch herkömmliche Lösungen erreicht werden, bei denen der Lagerungsbereich und der strömungsführende Bereich nicht räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Um auch bei solchen Lösungen Ölfreiheit für die strömungsführenden Elemente zu ermöglichen, werden häufig aerodynamische Lager und/oder aerostatische Lager als Wellenlager eingesetzt. Diese sind im Vergleich zu anderen Lagern allerdings sehr kostenintensiv und komplex in der Herstellung. Zudem weisen sie oft nur geringe Haltbarkeiten und Lebensdauern auf. Bei der Verwendung von aerodynamischen Lagern und/oder aerostatischen Lagern müssen zudem häufig die Drehzahlen der Wellen unvorteilhaft eingeschränkt werden. Zusätzlich sind für derartige Lager geringe Tragfähigkeiten aufgrund von geringen Viskositäten von Gasen, große benötigte Wellendurchmesser und hohe polare Trägheitsmomente kennzeichnend. Daraus ergeben sich unvorteilhafte hohe Antriebleistungen, welche für Beschleunigungen benötigt werden.
Die erfindungsgemäße Turboladeranordnung eignet sich bevorzugt für einen Einsatz im Rahmen von Brennstoffzellen, da während des Betriebs von Brennstoffzellen Ölvorkommen stromabwärts des Verdichters insbesondere unvorteilhaft sind.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der folgenden Figur näher erläutert.
1 zeigt Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung 20 für eine Brennstoffzelle. Die Turboladeranordnung 20 umfasst einen Verdichter 2 zum Verdichten von Prozessgasen, und eine Welle 6 zum Übertragen von kinetischer Energie und ein Wellenlager 8 zum Lagern der Welle 6. Die Welle 6 weist einen strömungsführenden Bereich 16 und einen Lagerungsbereich 17 auf. Der Verdichter 2 weist eine stromabgewandte Seite auf. Der strömungsführende Bereich 16 und der Lagerungsbereich 17 erstrecken sich entlang einer Wellenlängsachse der Welle 6.. Der Verdichter 2 ist innerhalb des strömungsführenden Bereichs 16 und das Wellenlager 8 ist innerhalb des Lagerbereichs 17 angeordnet. Der Lagerungsbereich 17 und der strömungsführende Bereich 16 sind derart benachbart angeordnet, dass der Lagerungsbereich 17 benachbart zu der stromabgewandten Seite angeordnet ist. Die stromabgewandte Seite liegt einer Eintrittsstelle 1 für einen Massenstrom gegenüber. Es ist kein Wellenlager innerhalb des strömungsführenden Bereichs 17 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Schierstoff geschmiertes Wellenlager 8 innerhalb des Lagerungsbereichs 17 angeordnet. Das Wellenlager 8 ist als hydrodynamisches Gleitlager ausgebildet.
Dies ermöglicht es, eine Anzahl der Dichtflächen zu dem strömungsführenden Bereich 16 zu vorteilhaft zu reduzieren.
Alternativ ist das Wellenlager 8 als Gleitlager oder Kugellager ausgebildet. In einer weiteren alternativen Ausführung ist das Wellenlager 6 als aerodynamisches Lager und/oder aerostatisches Lager und/oder elektromagnetisches Lager ausgebildet. Die erforderliche Lagerluftuftversorgung erfolgt durch eine Prozessgas Entnahme an einer Entnahmestelle 11.
Die Turboladeranordnung 20 umfasst eine Turbine 5 zum Übertragen von kinetischer Energie an den Verdichter 2 und eine Trennwand 15. Der Verdichter 2 ist benachbart zu der Turbine 5 angeordnet. Dadurch können resultierende Axialkräfte auf die Welle 6 reduziert werden. Dies ermöglicht die Verwendung von einem kleiner dimensionierten Wellenlager 8, als es andernfalls der Fall wäre. Dadurch werden höhere Wellendrehzahlen bei kleineren Lagerverlusten ermöglicht.
Die Trennwand 15 ist zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 5 angeordnet. Die Trennwand 15 umfasst Aluminium und weist eine Dicke von 2 mm auf. Alternativ umfasst die Trennwand 15 ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 1 W/(k*m).
Dies ermöglicht einen effizienten Wärmeübertrag zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 5 beziehungsweise zwischen einem Verdichterstrom 3 und einem Turbinenstrom 4. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle für den Fall, dass eine Temperatur des Verdichterstroms 3 größer als eine Temperatur des Turbinenstroms 4 ist. Dieser Fall ist für Brennstoffzellen regelmäßig gegeben.
Die Trennwand 15 erstreckt sich radial über einen Verdichterdurchmesser und/oder einen Turbinendurchmesser hinaus. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Verdichterdurchmesser und der Turbinendurchmesser annährend identisch. Dies ermöglicht einen räumlichen ausgedehnten Bereich innerhalb dessen ein effizienter Wärmeübertrag zwischen dem Verdichterstrom 3 und dem Turbinenstrom 4 erfolgt.
Die Trennwand 15 weist Leitschaufeln auf. Die Leitschaufeln sind in einem Bereich der Trennwand 15 angeordnet, der sich über den Verdichterdurchmesser und/oder den Turbinendurchmesser hinaus radial erstreckt. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Oberfläche der Trennwand 15, wodurch ein Wärmeübertrag zwischen dem Verdichterstrom 3 und dem Turbinenstrom 4 sehr effizient erfolgt.
Die Turboladeranordnung 20 umfasst einen Motor 10 zum Übertragen von kinetischer Energie auf die Welle 6. Die Welle 6 weist einen Antriebsbereich 18 auf. Der Antriebsbereich 18 erstreckt sich entlang der Wellenlängsachse der Welle 6. Der Antriebsbereich 16 ist benachbart zum Lagerungsbereich 17 angeordnet. Der Motor 10 ist innerhalb des Antriebsbereichs 18 angeordnet ist.
Dadurch, dass der Antriebsbereich 18 benachbart zu dem Lagerungsbereich 17 angeordnet ist, wird eine kompakte Architektur der Turboladeranordnung ermöglicht. Durch den Motor 10 wird eine Übertragung von kinetischer Energie von dem Motor 10 zur dem Verdichter 2 und/oder der Turbine 5 ermöglicht.
Der Motor 10 ist als Motorgenerator ausgebildet. Dies ermöglicht einen Transfer von kinetischer Energie von der Turbine 5 und/oder dem Verdichter 2 zu dem Motor 10. Dort wird eine Umwandlung in elektrische Energie ermöglicht.
Die Turboladeranordnung 20 umfasst ein Getriebe 9. Das Getriebe 9 ist innerhalb des Antriebsbereichs 18 und benachbart zum Lagerungsbereich 17 angeordnet. Dies ermöglicht es, dass nur ein Getriebe für die Turboladeranordnung verwendet werden muss. Dies ermöglicht eine Kostenreduktion für die Herstellung der Turboladeranordnung 20. In diesem Ausführungsbeispiel sind das Getriebe 9 und das Wellenlager 8 innerhalb eines selben Bauteils ausgebildet.
Die Turboladeranordnung 20 umfasst eine Mediensperreinrichtung 7. Die Mediensperreinrichtung 7 ist innerhalb des Lagerungsbereichs 17 und benachbart zum strömungsführenden Bereich 16 angeordnet.
Durch die Mediensperreinrichtung 7 wird es ermöglicht, das Eindringen von Fremdstoffen in den Verdichterstrom 3 und/oder den Turbinenstrom 4 vorteilhaft zu vermindern und/oder verhindem.
Die Mediensperreinrichtung 7 ist mit durch den Verdichter 2 verdichtetem Prozessgas betreibbar.
In diesem Ausführungsbeispiel ist statische Druck stromabwärts der Turbine 5 an einer Stelle 13 bauartbedingt stets kleiner ist als der statische Druck an der Entnahmestelle 11. Die Regelung von Sperr- und Lagerluft erfolgt mittels Ventilen 12. Die Wellendurchführung 14 zwischen Verdichter 2 und Turbine 5 ist mit einer Dichteinrichtung versehen, die ein Überstömen von Prozessgas aus dem Verdichterstrom 3 zu dem Turbinenstrom 4 oder umgekehrt vermindert und/oder verhindert..
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 7819938 [0002]

Claims

Turboladeranordnung (20), umfassend einen Verdichter (2) zum Verdichten von Prozessgasen für die Brennstoffzelle, und eine Welle (6) zum Übertragen von kinetischer Energie und ein Wellenlager (8) zum Lagern der Welle (6), wobei die Welle (6) einen strömungsführenden Bereich (16) und einen Lagerungsbereich (17) aufweist, und wobei der Verdichter (2) eine stromabgewandte Seite aufweist, und wobei sich der strömungsführende Bereich (16) und der Lagerungsbereich (17) entlang einer Wellenlängsachse der Welle (6) erstrecken und wobei der Verdichter (2) innerhalb des strömungsführenden Bereichs (16) und das Wellenlager (8) innerhalb des Lagerbereichs (17) angeordnet sind, und wobei und der Lagerungsbereich (17) und der strömungsführende Bereich derart benachbart angeordnet sind, dass der Lagerungsbereich (17) benachbart zu der stromabgewandten Seite angeordnet ist.
Turboladeranordnung (20) nach Anspruch 1, wobei kein Wellenlager innerhalb des strömungsführenden Bereichs (16) und/oder stromaufwärts des strömungsführenden Bereichs angeordnet ist.
Turboladeranordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Turbine (5) zum Übertragen von kinetischer Energie an den Verdichter (2) und eine Trennwand (15), wobei die Trennwand (15) zwischen dem Verdichter (2) und der Turbine (5) angeordnet ist.
Turboladeranordnung (20) nach Anspruch 3, wobei sich die Trennwand (15) radial über einen Verdichterdurchmesser und/oder einen Turbinendurchmesser hinaus erstreckt.
Turboladeranordnung (20) nach Anspruch 4, wobei die Trennwand (15) Leitschaufeln aufweist, und wobei die Leitschaufeln in einem Bereich der Trennwand (15) angeordnet sind, der sich über den Verdichterdurchmesser und/oder den Turbinendurchmesser hinaus radial erstreckt.
Turboladeranordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Motor (10) zum Übertragen von kinetischer Energie auf die Welle (6), wobei die Welle (6) einen Antriebsbereich (18) aufweist, und wobei sich der Antriebsbereich (18) entlang der Wellenlängsachse der Welle (6) erstreckt, und wobei der Antriebsbereich (18) benachbart zum Lagerungsbereich (17) angeordnet ist, und wobei der Motor (10) innerhalb des Antriebsbereichs (18) angeordnet ist.
Turboladeranordnung (20) nach Anspruch 6, wobei der Motor (10) als Motorgenerator ausgebildet ist.
Turboladeranordnung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, umfassend ein Getriebe (9), wobei das Getriebe (9) innerhalb des Antriebsbereichs (18) und benachbart zum Lagerungsbereich (17) angeordnet ist.
Turboladeranordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Mediensperreinrichtung (7), wobei die Mediensperreinrichtung (7) innerhalb des Lagerungsbereichs (17) und benachbart zum strömungsführenden Bereich (16) angeordnet ist.
Turboladeranordnung (20) nach Anspruch 9, wobei die Mediensperreinrichtung (7) mit durch den Verdichter (2) verdichtetem Prozessgas betreibbar ist.