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Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einer Verdichtergeometrie zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, wobei im Betrieb des Verdichters ein an sich unerwünschtes Verdichterpumpen auftreten kann. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verdichters.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Verdichter, einer Antriebsvorrichtung zum elektrischen Antreiben eines Verdichters und mit einem Regelungsgerät bekannt, wobei das Regelungsgerät eingerichtet ist zur Erfassung eines Verdichterpumpens des elektrisch angetriebenen Verdichters, wobei eine Regelung zum Anpassen des Antriebmoments an ein auf die Antriebsvorrichtung wirkendes Lastmoment eingerichtet ist, wobei das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung basierend auf einer Soll-Drehzahl des Verdichters ermittelt wird, wobei ein Soll-Strom der Antriebsvorrichtung basierend auf der Soll-Drehzahl des Verdichters ermittelt wird, wobei basierend auf dem Soll-Strom eine Spannung zum Antreiben der Antriebsvorrichtung erzeugt wird, wobei ein Ist-Strom der Antriebsvorrichtung und eine Ist-Drehzahl des Verdichters erfasst werden, wobei die Ist-Drehzahl des Verdichters basierend auf einem aus dem Antriebsmoment und dem Lastmoment resultierenden Drehmoment der Antriebsvorrichtung ermittelt wird, wobei das Verdichterpumpen basierend auf einer Änderung des resultierenden Drehmoments und basierend auf der Soll-Drehzahl und des Soll-Stroms erfasst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Verdichters mit einer Verdichtergeometrie zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, wobei im Betrieb des Verdichters ein an sich unerwünschtes Verdichterpumpen auftreten kann, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, zu optimieren.
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Die Aufgabe ist bei einem Verdichter mit einer Verdichtergeometrie zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, wobei im Betrieb des Verdichters ein an sich unerwünschtes Verdichterpumpen auftreten kann, dadurch gelöst, dass die Verdichtergeometrie in mindestens einem Vorpumpbereich relativ zu der übrigen Verdichtergeometrie gezielt so verändert ist, dass in dem Vorpumpbereich der Verdichtergeometrie das an sich unerwünschte Verdichterpumpen auftritt, bevor das an sich unerwünschte Verdichterpumpen an der übrigen Verdichtergeometrie auftritt. Der Verdichter, der auch als Kompressor bezeichnet wird, kann unterschiedlich ausgeführt sein. Der Verdichter ist in Verdrängerbauweise ausgeführt und umfasst mindestens einen im Betrieb des Verdichters rotierenden Verdrängerkörper mit der Verdichtergeometrie. Der rotierende Verdrängerkörper wird auch als Laufrad bezeichnet. Der Antrieb des Laufrads kann elektrisch und/oder durch eine Turbine erfolgen. Die Verdichtergeometrie kann unterschiedlich ausgeführt sein. Zur Darstellung der Verdichtergeometrie können zum Beispiel Schaufelblätter verwendet werden, die auch als Schaufeln bezeichnet werden. Dann wird die Verdichtergeometrie auch als Schaufelradgeometrie bezeichnet. Ein Laufrad des Verdichters wird auch als Schaufelrad bezeichnet. Ein mit dem Schaufelrad verdrängtes Volumen wird auch als Schaufelradvolumen bezeichnet. Die Gesamtheit der Schaufeln eines Verdichters wird auch als Beschaufelung bezeichnet. Der Verdichter kann Laufschaufeln und Leitschaufeln umfassen. Ein Kranz von Laufschaufeln mit dem zugehörigen Kranz von Leitschaufeln wird auch als Verdichterstufe bezeichnet. Der Verdichter kann einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein. Das Phänomen des Verdichterpumpens ist an sich bekannt. Ebenso sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um das Verdichterpumpen im Betrieb von Verdichtern zu erkenn und zu vermeiden. Das Verdichterpumpen ist stark von der Verdichtergeometrie, insbesondere von einer Schaufelgeometrie, abhängig. Um ein Pumpen des Verdichters zu vermeiden, können die Verdichtergeometrie, insbesondere die Schaufelgeometrie, und die Betriebsstrategie, mit welcher der Verdichter betrieben wird, aufeinander abgestimmt werden. Im Betrieb soll der Verdichter möglichst einen hohen Druck sowie einen möglichst hohen Volumenstrom liefern, wobei ein plötzlich auftretendes Pumpen des Verdichters möglichst vermieden werden soll. Durch die beanspruchte gezielte Veränderung der Verdichtergeometrie in dem Vorpumpbereich tritt das an sich unerwünschte Pumpen im Betrieb des Verdichters früher auf als bei einem herkömmlichen Verdichter. Dieser vermeintliche Nachteil wird bei dem beanspruchten Verdichter aber bewusst in Kauf genommen. Das im Vorpumpbereich der Verdichtergeometrie auftretende Verdichterpumpen bewirkt zwar einen leichten Leistungseinbruch, der aber im Betrieb des Verdichters relativ einfach erkannt werden kann. Dadurch ist es möglich, rechtzeitig Maßnahmen einzuleiten, mit denen ein Pumpen der übrigen Verdichtergeometrie im Betrieb des Verdichters sicher vermieden werden kann. So kann der beanspruchte Verdichter näher an der Pumpgrenze betrieben werden. Dadurch kann der beanspruchte Verdichter effizienter betrieben werden, wobei gleichzeitig eine höhere Leistung des Verdichters abgerufen werden kann.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorpumpbereich mindestens ein Schaufelvolumen oder Schaufelradvolumen von mehreren Schaufelvolumina oder Schaufelradvolumina der Verdichtergeometrie anders als die übrigen Schaufelvolumina oder Schaufelradvolumina gestaltet ist. Durch die Abweichung der Schaufelvolumina oder Schaufelradvolumina ist sichergestellt, dass zum Beispiel ein Schaufelvolumen in dem Vorpumpbereich nicht auf die jeweilige Betriebsstrategie abgestimmt ist. Bei dem abweichenden Schaufelvolumen oder Schaufelradvolumen im Vorpumpbereich tritt Pumpen bereits auf, während die übrigen Schaufelradvolumina oder Schaufelvolumina noch nicht vom Pumpen betroffen sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schaufelvolumina oder Schaufelradvolumina der Verdichtergeometrie mit unterschiedlichen Größen in einer Reihe mit aufsteigender oder absteigender Größe angeordnet sind. Dadurch setzt das Pumpen im Vorpumpbereich nicht schlagartig ein, sondern zunächst nur bei einem und dann bei immer mehr Schaufelvolumina oder Schaufelradvolumina. Außerdem lässt sich dadurch das Geräusch des Laufrads, insbesondere Schaufelrads, leichter von anderen Geräuschen unterscheiden, da auch die erzeugte Frequenz des Schaufelrads in gleicher Weise aufsteigen beziehungsweise absteigend ist. Darüber hinaus wird der Schall bei geringer Drehzahl im Betrieb des Verdichters als weniger störend empfunden, da das beim Pumpen im Vorpumpbereich entstehende Geräusch auf ein größeres Frequenzband verteilt ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass Schaufeln oder Schaufelblätter der Verdichtergeometrie gezielt asymmetrisch angeordnet und/oder gestaltet sind. Das Laufrad des Verdichters, das auch als Schaufelrad bezeichnet wird, dient vorteilhaft in einem radialen Verdichter, insbesondere einem radialen Turboverdichter, zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, wie Luft. Durch die asymmetrische Anordnung und/oder Gestaltung mindestens einer der Schaufeln oder Schaufelblätter der Verdichtergeometrie kann auf einfache Art und Weise eine gezielte Veränderung in der Verdichtergeometrie realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei diametrale Schaufeln oder Schaufelblätter der Verdichtergeometrie gezielt asymmetrisch gestaltet sind. So kann vorteilhaft eine ansonsten auftretende Unwucht ausgeglichen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abstand zwischen zwei Schaufeln oder Schaufelblättern gegenüber der übrigen Verdichtergeometrie gezielt verändert ist. So kann mit einfachen fertigungstechnischen Maßnahmen die gezielte Veränderung in der Verdichtergeometrie realisiert werden.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Verdichters ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass im Betrieb des Verdichters mindestens eine physikalische Größe erfasst und dahingehend überwacht wird, ob das an sich unerwünschte Verdichterpumpen in dem Vorpumpbereich der Verdichtergeometrie auftritt. Das Auftreten des Verdichterpumpens in dem Vorpumpbereich der Verdichtergeometrie kann als Vorpumpgrenze bezeichnet werden. Durch das beanspruchte Verfahren werden vorteilhaft genauso viele unterschiedliche Frequenzen erzeugt, wie unterschiedliche Schaufelvolumina vorhanden sind, die im Normalbetrieb ein festes Verhältnis zueinander haben und ein Frequenzmuster ausbilden. Im Fall einer gezielten Änderung oder Abweichung an einer Schaufel ändert sich das Frequenzmuster. Dadurch wird eine räumliche Auflösung in Umfangsrichtung möglich, die genutzt werden kann, um umlaufende Vorabstörungen zu erkennen, die auf ein Erreichen der Vorpumpgrenze hinweisen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Betrieb des Verdichters erfasste und überwachte physikalische Größe mindestens eine, mehrere oder jede der folgenden physikalischen Größen umfasst: Eine periodische Drehzahländerung im Betrieb des Verdichters, eine Druckschwankung an einem Verdichtereinlass und/oder an einem Verdichterauslass; Geräuschemissionen des Verdichters. Je größer die periodischen Drehzahländerungen sind, umso stärker werden Maßnahmen getroffen, welche die Gefahr für ein Pumpen im Betrieb des Verdichters reduzieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorpumpgrenze auch anhand von Druckschwankungen am Verdichtereinlass und/oder Verdichterauslass erkannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorpumpgrenze auch anhand von Geräuschemissionen des Verdichters erkannt werden. Dafür können Körperschallsensoren am Verdichtergehäuse angebracht werden. Der Schall kann auch mit Hilfe von Ultraschallsensoren gemessen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Verdichters Schutzmaßnahmen gegen ein Verdichterpumpen an der übrigen Verdichtergeometrie eingeleitet werden, wenn das an sich unerwünschte Verdichterpumpen in dem Vorpumpbereich der Verdichtergeometrie auftritt. Im Betrieb des Verdichters wird bei hohen Drücken und niedrigen Volumenströmen eine Stabilitätsgrenze erreicht, weil die kinetische Energie der Strömung an der Grenzschicht der Verdichtergeometrie, insbesondere einer Schaufel, nicht ausreicht, und es zu einer Strömungsablösung kommt. Ob ein Verdichterpumpen oder eine rotierende Abrißströmung auftritt, hängt im Wesentlichen von einem druckseitigen Volumen am Laufrad des Verdichters ab. Eine zu große Ungleichförmigkeit in der Schaufelgeometrie kann eine Instabilität bei bereits niedriger Leistung bewirken.
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Wenn die Verdichtergeometrie, zum Beispiel der Abstand zwischen zwei Schaufeln des Schaufelrads des Verdichters, nur sehr wenig geändert wird, ist die Auswirkung auf die Stabilität gering, führt aber bei den hohen Drehzahlen im Betrieb des Verdichters schon zu einer deutlichen Frequenzverschiebung, die für die Erkennung einer Vorabstörung beim Erreichen der Vorpumpgrenze genutzt werden kann.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Die Erfindung betritt gegebenenfalls auch eine Steuerung mit einem derartigen Computerprogrammprodukt.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, der über einen vorab beschriebenen Verdichter verdichtete Luft zugeführt wird.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Laufrad, insbesondere ein Schaufelrad, für einen vorab beschriebenen Verdichter. Das Laufrad, insbesondere Schaufelrad, ist separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Verdichterstufen; und
- 2 eine perspektivische Darstellung eines als Schaufelrad ausgeführten Laufrads eines Verdichters, wie er in 1 symbolisch angedeutet ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstack 2. Über eine Gasförderung 3 wird dem Brennstoffzellenstack 2 ein Oxidationsmittel, insbesondere Luft, die Sauerstoff enthält, in Form eines Gasmassenstroms 4 zugeführt. Die Gasförderung 3 umfasst eine erste Verdichterstufe 5 und eine zweite Verdichterstufe 10.
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Die erste Verdichterstufe 5 umfasst zwei parallel geschaltete Verdichter 7, 8, die durch einen Elektromotor 6 angetrieben sind. Der ersten Verdichterstufe 5 ist ein Luftfilter 9 vorgeschaltet.
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Die zweite Verdichterstufe 10 umfasst einen Verdichter 11 und eine Turbine 12. Der Verdichter 11 ist durch eine Welle 13 antriebsmäßig mit der Turbine 12 verbunden. Zu diesem Zweck wird die Turbine 12 mit einem Abgasmassenstrom 14 des Brennstoffzellenstacks 2 angetrieben.
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Der Turbine 12 ist ein Turbinenbypass 15 mit einem Turbinenbypassventil 16 zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstack 2 ist ein Stackbypass 17 mit einem Stackbypassventil 18 zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstack 2 ist ein Nachstackventil 19 nachgeschaltet. Das Nachstackventil 19 ist zwischen einer Gaskonditioniereinheit 20 und der Turbine 12 angeordnet.
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Durch ein gestricheltes Rechteck ist angedeutet, dass die Gaskonditioniereinheit 20, die zum Beispiel eine Befeuchtungseinrichtung umfasst, optional ist. Durch ein Rechteck 21 ist angedeutet, dass der Gasmassenstrom 4, insbesondere in Form von Umgebungsluft, aus der Umgebung entnommen wird. Der Abgasmassenstrom 14 wird der Umgebung 21 zugeführt. Dem Verdichter 11 der zweiten Verdichterstufe10 ist ein Verdichterbypass 22 mit einem Verdichterbypassventil 23 zugeordnet.
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Der Verdichter 11 der zweiten Verdichterstufe 10 in 1, der antriebsmäßig mit der Turbine 12 verbunden ist, wird auch als Turboverdichter bezeichnet. Der Turboverdichter ist zum Beispiel als radialer Turboverdichter ausgeführt und mit einem Laufrad 25 ausgestattet, wie es in 2 perspektivisch dargestellt ist.
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Das in 2 perspektivisch dargestellte Laufrad 25 ist in einem (in 2 nicht dargestellten) volutenartigen Verdichtergehäuse drehbar angeordnet. Das Laufrad 25 ist mit Schaufeln 27, 28, 29 ausgestattet. Die Schaufeln 27 bis 29 stellen eine Schaufelradgeometrie dar, die allgemein als Verdichtergeometrie 26 bezeichnet wird.
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Die Schaufeln 27 bis 29 verdrängen im Betrieb des Verdichters jeweils ein Volumen eines gasförmigen Mediums, wie Luft. Diese Volumina werden auch als Schaufelvolumina bezeichnet. Das Gesamtvolumen, das im Betrieb des Verdichters mit den Schaufeln 27 bis 29 des Laufrads 25 verdrängt wird, kann auch als Schaufelradvolumen 30 bezeichnet werden.
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Die Schaufeln 27 bis 29 der Schaufelradgeometrie 26 sind an einer Nabe 31 befestigt. Wenn das Laufrad 25 als Gussbauteil ausgeführt ist, dann sind die Schaufeln 27 bis 29 einstückig mit der Nabe 31 verbunden.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist die Verdichtergeometrie, insbesondere die Schaufelradgeometrie, 26 in einem Vorpumpbereich 32 relativ zu der übrigen Verdichtergeometrie gezielt so verändert, dass in dem Vorpumpbereich 32 ein an sich unerwünschtes Verdichterpumpen im Betrieb des Verdichters auftritt, bevor an der übrigen Verdichtergeometrie das an sich unerwünschte Verdichterpumpen auftritt.
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Zu diesem Zweck ist zum Beispiel die Schaufel 27 in dem Vorpumpbereich 32 des Schaufelrads 25 etwas kleiner als die übrigen Schaufeln 28, 29 des Schaufelrads 25 ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich ist der Abstand zwischen den Schaufeln 27, 28 etwas kleiner oder etwas größer als die Abstände zwischen den anderen Schaufeln des Schaufelrads 25.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224052 A1 [0002]
