DE102020212605A1

DE102020212605A1 - Radialer Verdichter und Verfahren zum Betreiben eines radialen Verdichters

Info

Publication number: DE102020212605A1
Application number: DE102020212605.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Reinhard Ott
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-04-07
Also published as: CN116324180A; WO2022073821A1; JP2023544342A; JP7496933B2; US20230375000A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen radialen Verdichter (1) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2) drehbar angetriebenen Laufrad (3), das eine Radvorderseite (5) und eine Radrückseite (6) aufweist, wobei die Radvorderseite (5) zum Fördern eines Massenstroms (13) mit einer Anzahl von Laufschaufeln (7) versehen ist, wobei die Radrückseite (6) des Laufrads (3) eine Beschaufelung (8) aufweist, mit der im Betrieb des radialen Verdichters (1) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) eine zweite Druckverteilung (12) erzeugt wird, die einer ersten Druckverteilung (11) auf der Radvorderseite (5) entgegenwirkt, um eine in dem Verdichtergehäuse (2) abzustützende Axialkraft zu reduzierenUm den radialen Verdichter (1), insbesondere im Hinblick auf eine Verwendung als Luftzuführvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem, funktionell zu verbessern, ist das Verdichtergehäuse (2) so ausgeführt und mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) kombiniert, dass mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) im Betrieb des radialen Verdichters (1) zusätzlich zu dem mit den Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5) geförderten Massenstrom ein Kühlluftmassenstrom (14) gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen radialen Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse drehbar angetriebenen Laufrad, das eine Radvorderseite und eine Radrückseite aufweist, wobei die Radvorderseite zum Fördern eines Massenstroms mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist, wobei die Radrückseite des Laufrads eine Beschaufelung aufweist, mit der im Betrieb des radialen Verdichters auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung erzeugt wird, die einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite entgegenwirkt, um eine in dem Verdichtergehäuse abzustützende Axialkraft zu reduzieren. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen radialen Verdichters.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 215 068 A1 ist ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter umfassend eine Radvorderseite und eine Radrückseite bekannt, wobei die Radvorderseite zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist, wobei die Radrückseite des Laufrads eine Anzahl von Schaufeln aufweist, wobei die Schaufeln auf der Radrückseite so geformt und angeordnet sind, dass im Betrieb des radialen Turboverdichters durch die Schaufeln auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung erzeugt wird, die mit einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite identisch ist oder um weniger als zehn Prozent von der ersten Druckverteilung abweicht, um eine an einem Axiallager des radialen Turboverdichters abzustützende Axialkraft zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen radialen Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere im Hinblick auf eine Verwendung als Luftzuführvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem, funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem radialen Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse drehbar angetriebenen Laufrad, das eine Radvorderseite und eine Radrückseite aufweist, wobei die Radvorderseite zum Fördern eines Massenstroms mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist, wobei die Radrückseite des Laufrads eine Beschaufelung aufweist, mit der im Betrieb des radialen Verdichters auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung erzeugt wird, die einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite entgegenwirkt, um eine in dem Verdichtergehäuse abzustützende Axialkraft zu reduzieren, dadurch gelöst, dass das Verdichtergehäuse so ausgeführt und mit der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads kombiniert ist, dass mit der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads im Betrieb des radialen Verdichters zusätzlich zu dem mit den Laufschaufeln auf der Radvorderseite geförderten Massenstrom ein Kühlluftmassenstrom gefördert wird. Das Laufrad wird zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors angetrieben, um ein auf der Radvorderseite zugeführtes Medium, insbesondere Luft, zu verdichten. Daher wird der Verdichter auch als Luftverdichter oder Luftkompressor bezeichnet. In einem Brennstoffzellensystem wird die mit dem Luftverdichter verdichtete Luft einer Kathode einer Brennstoffzelle zugeführt. Der Verdichter kann alternativ oder zusätzlich zu einem elektromotorischen Antrieb antriebsmäßig mit einer Turbine verbunden sein, die mit einem Abgas der Brennstoffzelle angetrieben wird. Das Laufrad ist zum Beispiel an einer Welle befestigt, die sich im Betrieb des radialen Verdichters um ihre Drehachse dreht. Durch die Drehachse wird eine axiale Richtung definiert. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Laufrads beziehungsweise der Welle. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse des Laufrads. Zur Lagerung des Laufrads mit der Welle in dem Verdichtergehäuse werden zum Beispiel zwei Radiallager und ein Axiallager benötigt. In der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 215 068 A1 ist beschrieben, wie die mit dem Axiallager in dem Verdichtergehäuse abzustützende Axialkraft durch die Beschaufelung des Laufrads auf der Radrückseite reduziert beziehungsweise ausgeglichen werden kann. Diese Funktion übt die Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads auch bei dem beanspruchten radialen Verdichter aus. Darüber hinaus wird die Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads im Betrieb des beanspruchten radialen Verdichters genutzt, um Kühlluft zu fördern. Die geförderte Kühlluft kann dann vorteilhaft direkt in dem radialen Verdichter selbst genutzt werden, um zum Beispiel die Radiallager und das Axiallager zu kühlen. Die Lagerkühlung ist insbesondere bei einem Einsatz in einem Brennstoffzellensystem vorteilhaft, weil der radiale Verdichter dort mit extrem hohen Drehzahlen betrieben wird. Die Lager zur Lagerung des Laufrads mit der Welle sind vorteilhaft als Luftlager ausgeführt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des radialen Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Verdichter radial innerhalb der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads eine Ansaugöffnung aufweist, durch welche Kühlluft für den Kühlluftmassenstrom angesaugt wird. Die Ansaugöffnung kann konstruktiv einfach realisiert werden, indem zum Beispiel ein definiertes Spiel zwischen dem Laufrad beziehungsweise der Welle und dem Verdichtergehäuse zugelassen wird. Der Kühlluftmassenstrom wird zunächst durch die gesamte Maschine gefördert und wird am Ende des Pfades von der Radrücken-Beschaufelung abgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des radialen Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads einen größeren Außendurchmesser aufweist als die Laufschaufeln auf der Radvorderseite. Dadurch wird auf der Radrückseite ein größerer Druckaufbau ermöglicht, um sicherzustellen, dass ausreichend Kühlluft gefördert wird. Das liefert den Vorteil, dass weitere Mechanismen zur Laufradkühlung und/oder Lagerkühlung und/oder einer Rotorkühlung entfallen können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des radialen Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad mit den Laufschaufeln auf der Radvorderseite und der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads in dem Verdichtergehäuse so angeordnet ist, dass der mit der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads geförderte Kühlluftmassenstrom mit dem mit den Laufschaufeln auf der Radvorderseite geförderten Massenstrom in dem Verdichtergehäuse zusammengeführt wird. Das ist insbesondere bei einem Einsatz als Luftverdichter in einem Brennstoffzellensystem vorteilhaft. Der Gesamtluftmassenstrom kann dann nahezu beliebig aufgeteilt und in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden. Der überwiegende Teil des Massenstroms wird auf der Vorderseite verdichtet und ein kleiner Teil wird über die Radrückseite gefördert.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des radialen Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Verdichter eine Trennvorrichtung aufweist, die einen Fluidraum auf der Radvorderseite von einem Fluidraum auf der Radrückseite des Laufrads trennt. Dadurch wird zum einen ermöglicht, dass gegebenenfalls auf der Radvorderseite und der Radrückseite des Laufrads unterschiedliche Medien gefördert werden können. Normalerweise befindet sich auf beiden Seiten Luft. Darüber hinaus wird besonders vorteilhaft ermöglicht, dass im Betrieb des radialen Verdichters mit der Beschaufelung auf der Radrückseite die Kühlluft lediglich gegen nahezu Umgebungsdruck und nicht gegen den hohen Verdichtungsenddruck der Laufschaufeln auf der Radvorderseite fördert. So kann der förderbare Kühlluftmassenstrom wirksam erhöht werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des radialen Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidraum auf der Radrückseite des Laufrads druckseitig im Wesentlichen nur mit einem Umgebungsdruck beaufschlagt ist. Auf der Saugseite herrscht ein geringerer Druck als auf der Druckseite. Nach dem Durchlaufen der Beschaufelung auf der Radrückseite kann der Kühlluftmassenstrom dann vorteilhaft auch außerhalb des Verdichters genutzt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des radialen Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung eine Dichtung umfasst. Die Dichtung ist an einer geeigneten Stelle des Verdichtergehäuses angeordnet. Mit der Dichtung wird auf einfache Art und Weise eine Trennung zwischen den Fluidräumen auf der Radvorderseite und der Radrückseite ermöglicht.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen radialen Verdichters ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass mit der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads im Betrieb des radialen Verdichters zusätzlich zu dem mit den Laufschaufeln auf der Radvorderseite geförderten Massenstrom ein Kühlluftmassenstrom gefördert wird, der in dem radialen Verdichter zu Kühlzwecken genutzt wird. So können besonders effektiv Lager, zum Beispiel Luftlager, in dem radialen Verdichter mit Kühlluft versorgt werden. Dadurch wird ein Betrieb des radialen Verdichters insbesondere auch bei extrem hohen Drehzahlen, wie sie in Brennstoffzellensystemen in der Luftzuführung auftreten, ermöglicht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Beschaufelung auf der Radrückseite des Laufrads im Betrieb des radialen Verdichters geförderte Kühlluftmassenstrom unabhängig von dem mit den Laufschaufeln auf der Radvorderseite geförderten Massenstrom angesaugt und gefördert wird. Das liefert insbesondere den Vorteil, dass die Kühlluft nicht gegen einen hohen Druck gefördert werden muss. Dies gilt nur für den Fall, dass ein Dichtelement zwischen der Radvorder- und Rückseite verwendet wird.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verdichtergehäuse, eine Dichtung und/oder ein Laufrad für einen vorab beschriebenen radialen Verdichter. Die genannten Teile sind separat handelbar.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch die Verwendung eines derartigen Laufrads in einem vorab beschriebenen radialen Verdichter zur Bereitstellung eines zusätzlichen Kühlluftmassenstroms.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen radialen Verdichter.
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.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines radialen Verdichters mit einem Laufrad, das auf einer Radvorderseite eine ähnliche Druckverteilung wie auf einer Radrückseite aufweist, wobei die Druckverteilungen links und rechts von dem radialen Verdichter in kartesischen Koordinatendiagrammen gezeigt sind, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
2 einen ähnlichen radialen Verdichter wie in 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ohne die kartesischen Koordinatendiagramme mit den Druckverteilungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele eines radialen Verdichters 1 schematisch dargestellt. Der Verdichter 1 umfasst ein Verdichtergehäuse 2, in welchem ein Laufrad 3 drehbar gelagert ist.
Das Laufrad 3 ist an einer Welle 4 befestigt, die in den 1 und 2 nur links angedeutet und rechts abgeschnitten ist. Über die Welle 4 ist das Laufrad 3 elektromotorisch angetrieben. Ein entsprechender Elektromotor zum Antrieb des Laufrads 3 ist in den 1 und 2 vorzugsweise rechts von dem Laufrad 3 angeordnet.
Der Elektromotor umfasst zum Beispiel einen Rotor, der drehfest mit der Welle 4 verbunden ist. Darüber hinaus ist an der Welle 4, vorzugsweise an dem in den 1 und 2 nicht dargestellten rechten Ende der Welle 4, eine Turbine angeordnet, die alternativ oder zusätzlich zu dem elektrischen Antrieb dazu dient, das Laufrad 3 des Verdichters 1 anzutreiben.
Das Laufrad 3 umfasst auf einer Radvorderseite 5, in 1 links, Laufschaufeln 7. Auf einer Radrückseite 6, in 1 rechts, umfasst das Laufrad 3 eine Beschaufelung 8. Durch einen Pfeil 9 ist ein Außendurchmesser der Laufschaufeln 7, in 1 links, auf der Radvorderseite 5 angedeutet. Durch einen Pfeil 10 ist ein Außendurchmesser der Beschaufelung 8 des Laufrads 3, in 1 rechts, auf der Radrückseite 6 angedeutet.
Die Laufschaufeln 7 auf der Radvorderseite 5 und die Beschaufelung 8 auf der Radrückseite 6 sind so gestaltet, dass sich die in 1 links und rechts des Verdichters 1 dargestellten Druckverteilungen 11, 12 ergeben. Die Druckverteilungen 11 und 12 sind jeweils in einem kartesischen Koordinatendiagramm dargestellt, das eine x-Achse mit dem Druck und einer y-Achse mit einem Radius des Laufrads 3 in entsprechenden Einheiten umfasst.
Durch einen Pfeil 13 ist in 1 ein Luftmassenstrom angedeutet, der im Betrieb des Verdichters 1 mit den Laufschaufeln 7 auf der Radvorderseite 5 radial nach außen gefördert wird. Durch einen Pfeil 14 ist ein Kühlluftmassenstrom angedeutet, der mit der Beschaufelung 8 auf der Radrückseite 6 ebenfalls radial nach außen gefördert wird.
Durch einen vertikal verlaufenden Pfeil 15 ist in 1 angedeutet, dass der Kühlluftmassenstrom 14 in dem Verdichtergehäuse 2 mit dem Luftmassenstrom 13 zusammengeführt wird. Der Gesamtmassenstrom tritt dann durch eine nicht näher dargestellte Volute 16 am Verdichtergehäuse 2 aus.
In 2 werden zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile wie in 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen eingegangen. Ein Verdichtergehäuse 22 ist in 2 mit einer Trennvorrichtung 27 kombiniert. Die Trennvorrichtung 27 umfasst eine Dichtung 25 innerhalb einer Volute 26 des Verdichtergehäuses 22.
Ein mit den Laufschaufeln 7 auf der Radvorderseite 5 geförderter Luftmassenstrom 23 wird in 2 nicht mit einem mit der Beschaufelung 8 auf der Radrückseite 6 des Laufrads 3 geförderten Kühlluftmassenstrom 24 zusammengeführt. Die beiden Massenströme 23, 24 treten unabhängig voneinander radial außen am Verdichtergehäuse 22 aus.
In den 1 und 2 ist radial innerhalb der nur durch eine Schraffur angedeuteten Beschaufelung 8 auf der Radrückseite 6 eine Ansaugöffnung 28 angedeutet, durch welche Kühlluft für den Kühlluftmassenstrom 14; 24 angesaugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018215068 A1 [0002, 0004]

Claims

Radialer Verdichter (1) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2) drehbar angetriebenen Laufrad (3), das eine Radvorderseite (5) und eine Radrückseite (6) aufweist, wobei die Radvorderseite (5) zum Fördern eines Massenstroms (13;23) mit einer Anzahl von Laufschaufeln (7) versehen ist, wobei die Radrückseite (6) des Laufrads (3) eine Beschaufelung (8) aufweist, mit der im Betrieb des radialen Verdichters (1) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) eine zweite Druckverteilung (12) erzeugt wird, die einer ersten Druckverteilung (11) auf der Radvorderseite (5) entgegenwirkt, um eine in dem Verdichtergehäuse (2) abzustützende Axialkraft zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2) so ausgeführt und mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) kombiniert ist, dass mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) im Betrieb des radialen Verdichters (1) zusätzlich zu dem mit den Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5) geförderten Massenstrom ein Kühlluftmassenstrom (14;24) gefördert wird.
Radialer Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Verdichter (1) radial innerhalb der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) eine Ansaugöffnung (28) aufweist, durch welche der Kühlluftmassenstrom (14;24) einzelne Passagen des Verdichters (1) durchlaufen hat, aus der Maschine gefördert wird.
Radialer Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) einen größeren Außendurchmesser (10) aufweist als die Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5).
Radialer Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (3) mit den Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5) und der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) in dem Verdichtergehäuse (2) so angeordnet ist, dass der mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) geförderte Kühlluftmassenstrom (14) mit dem mit den Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5) geförderten Massenstrom (13) in dem Verdichtergehäuse (2) zusammengeführt wird.
Radialer Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Verdichter (1) eine Trennvorrichtung (27) aufweist, die einen Fluidraum auf der Radvorderseite (5) von einem Fluidraum auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) trennt.
Radialer Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidraum auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) druckseitig mit einem Umgebungsdruck beaufschlagt ist.
Radialer Verdichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (27) eine Dichtung (25) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines radialen Verdichters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) im Betrieb des radialen Verdichters (1) zusätzlich zu dem mit den Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5) geförderten Massenstrom (13) ein Kühlluftmassenstrom (14) gefördert wird, der in dem radialen Verdichter (1) zu Kühlzwecken genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Beschaufelung (8) auf der Radrückseite (6) des Laufrads (3) im Betrieb des radialen Verdichters (1) geförderte Kühlluftmassenstrom (24) unabhängig von dem mit den Laufschaufeln (7) auf der Radvorderseite (5) geförderten Massenstrom (23) angesaugt und gefördert wird.
Verdichtergehäuse (2), Dichtung (25) und/oder Laufrad (3) für einen radialen Verdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.