WO2019020285A1 - Turbomachine, in particular for a fuel cell system - Google Patents
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- WO2019020285A1 WO2019020285A1 PCT/EP2018/066409 EP2018066409W WO2019020285A1 WO 2019020285 A1 WO2019020285 A1 WO 2019020285A1 EP 2018066409 W EP2018066409 W EP 2018066409W WO 2019020285 A1 WO2019020285 A1 WO 2019020285A1
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Definitions
- turbocompressor designed as turbocompressors for a fuel cell system are known from the prior art, for example from the published patent application DE 10 2012 224 052 A1.
- the known turbocompressor has one of a
- a turbomachine designed as a turbocompressor is known from the published patent application DE 10 2008 044 876 A1.
- Turbocompressor has an impeller arranged on a shaft.
- the impeller is designed as a radial runner, so is flowed through on its front by a working fluid along a flow path, wherein the flow path comprises an axial flow end and a radial flow end.
- the turbomachine according to the invention has a reduced axial force acting on the shaft.
- the forces acting on the shaft or on the components connected to it, which act through the working fluid are influenced by a slide ring arrangement such that the shaft is preferably pressure-balanced or force-balanced in the axial direction.
- the turbomachine is in one
- the turbomachine comprises a shaft, an impeller and a thrust washer.
- the impeller and the thrust washer are arranged on the shaft.
- the impeller is designed as a radial runner, wherein 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.
- the thrust washer faces the rear of the impeller. A formed on the thrust washer and facing away from the back sliding surface cooperates with a sliding ring assembly.
- the resultant axial force acting on the shaft by the working fluid is almost zero. Consequently, the shaft is almost pressure-balanced or force-balanced in the axial direction.
- the working fluid acts directly or indirectly on the shaft, for example via the front and rear sides of the impeller and the thrust washer. Due to the low resulting axial force or thrust bearings for the shaft thus very small and
- the sliding surface and the sliding ring arrangement form a mechanical seal with a sealing diameter.
- the sealing diameter is larger than an inner diameter of the impeller at the axial flow end;
- Sealing diameter is smaller than an outer diameter of the impeller at the radial flow end.
- the pressure on the sliding surface is divided into two: a comparatively high pressure is applied to the radially outer region, which preferably corresponds to the pressure at the radial flow end. And a comparatively low pressure is applied to the inner region, which may correspond, for example, to the atmospheric pressure.
- Tread and sliding surface can also be referred to as the front and back of the thrust washer. The fluid pressure on the impeller and the thrust washer thus acts so that it would push the two components axially away from each other, the respective resulting axial force has
- the mechanical seal does not have to be media-tight, but can also form a leakage gap, which has a throttle function.
- the sealing diameter for this purpose is 0.4 times to 0.6 times the outside diameter.
- the sealing diameter is at least 2 times the inner diameter.
- the sliding ring arrangement has a sliding ring.
- the sliding ring is biased by a spring against the sliding surface.
- the sliding ring and the thrust bearing disc can thus tribologically very low, so usually with a mutually very low friction coefficient, are designed.
- the application of force by the spring ensures that even at high speeds of rotation of the shaft, the sliding ring does not lift too far from the sliding surface. As a result, the function of the pressure division is guaranteed even at high speeds.
- the slide ring assembly is arranged in a housing.
- the slip ring is mounted in the housing by means of a secondary seal.
- this is the single or multi-part housing of the turbomachine. Due to the bearing of the sliding ring on the secondary seal, which is preferably designed as a shaft seal, the sliding ring is mounted quasi floating. Positioned in the radial direction
- a leakage gap is formed between the sliding ring and the sliding surface.
- the sliding ring therefore does not have to be impermeable to the sliding surface in terms of media, but rather to realize a throttling function in order to be able to act as a pressure divider.
- a defined mass flow of the working fluid can flow through the leakage gap and lubricate downstream components and / or cool.
- At least one bearing is arranged on the side of the slide ring arrangement opposite the axial bearing disk.
- the at least one bearing supports the shaft rotatable.
- the at least one bearing can be flowed by the working fluid flowing through the leakage gap. During operation, the bearing is thus flowed by the working fluid or even flows through it and thereby cooled and / or lubricated.
- the bearing is designed as a gas-lubricated bearing.
- At least one drive device is arranged on the side of the slide ring arrangement opposite the axial bearing disk.
- Drive device can be flowed by the working fluid flowing through the leakage gap. In operation, the drive device is thus of the working fluid
- the drive device comprises a stator and a rotor arranged on the shaft, so it is designed as an electric motor.
- the cooling of the electric motor, in particular of the stator, increases the efficiency of the electric motor.
- the impeller is designed as a compressor.
- the axial flow end thus represents the flow input of the flow path, and the radial flow end of the flow output of the flow path. Accordingly, the impeller is flowed axially during operation and flows radially.
- a drive device is required for the compressor or turbocompressor. The reduced axial force on the shaft and thus on the axial bearing is minimized by the placement of the slide ring assembly or the sliding ring, so that corresponding
- another impeller is arranged on the shaft.
- the other impeller is also designed as a radial runner.
- the further impeller can be flowed through on its front side by the working fluid along a further flow path, wherein the further flow path comprises an axial flow end and a radial flow end.
- the axial flow end of the further impeller is opposite to the axial flow end of the impeller.
- Throttling effect of the leakage gap can be reduced. This also reduces the wear on the seal ring assembly, especially the wear between the seal ring and sliding surface.
- the turbomachine is arranged in a fuel cell system.
- the turbomachine is designed as a turbo compressor or the impeller as a compressor, wherein the axial flow end of the flow input and the radial flow end represent the flow output of the flow path.
- the fuel cell system includes a fuel cell, an air supply line to
- 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
- 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. In particular, in the embodiments with leakage gap, the turbocompressor can be cooled so effectively.
- 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.
- the further impeller of the exhaust gas turbine is arranged opposite to the impeller of the turbocompressor, so that the respective effective resulting axial forces on the two wheels partially compensate each other.
- the reacted working fluid or oxidizing agent flowing out of the fuel cell can be used very effectively as a power source for the exhaust gas turbine; As a result, the required drive power of the
- the fuel cell system may preferably be adapted to a
- FIG. 1 shows schematically a fuel cell system with a turbocharger compressor
- Figure 2 schematically shows a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
- the fuel cell system 1 shows a fuel cell system 1 known from DE 10 2012 224 052 A1.
- the fuel cell system 1 comprises a fuel cell 2, an air supply line 3, an exhaust pipe 4, a compressor 1 1, an exhaust gas turbine 13, a bypass valve 5 for pressure reduction and a feed line not shown in detail for fuel to the fuel cell 2.
- the bypass valve 5, for example, a control valve his.
- a bypass valve 5 for example, a wastegate valve can be used.
- the fuel cell 2 is a galvanic cell that converts chemical reaction energy of a fuel supplied via the not shown fuel supply line and an oxidizing agent into electric energy shown in FIG.
- Embodiment is intake air, which is supplied via the air supply line 3 of the fuel cell 2.
- the fuel may preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, the exhaust gas is water vapor or water vapor and carbon dioxide.
- the fuel cell 2 is set up, for example
- the electrical energy generated by the fuel cell 2 drives an electric motor of the
- the compressor 1 1 is arranged in the air supply line 3.
- the exhaust gas turbine 13 is arranged in the exhaust pipe 4.
- the compressor 1 1 and the exhaust gas turbine 13 are mechanically connected via a shaft 14.
- the shaft 14 is electrically driven by a drive device 20.
- the exhaust gas turbine 13 serves to support the drive device 20 for driving the shaft 14 or the compressor 11.
- the compressor 1 1, the shaft 14 and the exhaust gas turbine 13 together form a turbomachine 10.
- turbomachine 10 schematically shows a longitudinal section of a turbomachine 10 according to the invention, in particular for use in a fuel cell system 1.
- the turbomachine 10 is designed in this embodiment as a turbocompressor 10 and has an arranged on the shaft 14 impeller 15, which acts as a compressor 1 1 and compressor.
- turbomachine 10 optionally has the exhaust gas turbine 13, which comprises a further impeller 13a arranged on the shaft 14.
- the further impeller 13 a and the impeller 15 are positioned on the opposite ends of the shaft 14.
- the turbomachine 10 is arranged in the fuel cell system 1, so that the impeller 15 of the compressor 1 1 is arranged in the air supply line 3 and so that the further impeller 13a of the exhaust gas turbine 13 is arranged in the exhaust pipe 4.
- the impeller 15 is executed in the embodiment of Figure 2 as a radial rotor, so in the case of use as turbo compressor or compressor 1 1 flows axially and flows radially.
- the impeller 15 has on its front side 15a to a flow path 16, which comprises an axial flow end 18 and a radial flow end 1.
- a flow path 16 which comprises an axial flow end 18 and a radial flow end 1.
- the direction of a working fluid flowing through the impeller 15 changes by approximately 90 ° in the sectional view.
- the impeller 15 On its front side 15 a, the impeller 15 is acted upon by the pressure of the working fluid from an inner diameter 31 to an outer diameter 32. In this case, this pressure is not constant, but increases from the inner diameter 31 to
- the drive device 20 of the turbocompressor 10 is designed as an electric motor, angeorndet between the compressor 1 1 and the exhaust gas turbine 13 and includes a rotor 21 and a stator 22.
- the rotor 21 is also arranged on the shaft 14.
- the stator 22 is stationarily positioned in a partially illustrated housing 8 of the turbocompressor 10.
- the housing 8 can also be designed in several parts.
- the shaft 14 is rotatably mounted on both sides of the drive device 20 by means of a respective bearing 41, 42.
- the drive device 20 is positioned between the two bearings 41, 42.
- the impeller 15 is disposed at one end and the other impeller 13 a, which forms the exhaust gas turbine 13 at the other end.
- the turbomachine 10 further includes a shaft 14 disposed on the shaft
- Axial bearing washer 30 For this purpose, the axial bearing washer 30 can be pressed onto the shaft 14, for example, or - as shown in FIG. 2 - be braced against a shoulder of the shaft 14 by means of a nut 49 with the impeller 15 being interposed.
- the thrust washer 30 has a preferably hardened and ground running surface 31 for the thrust bearing. In the illustration of Figure 2 while the mating surface for the thrust bearing is not shown; This could be, for example, a surface of the housing 8 or a component inserted therein.
- the thrust washer 30 has a sliding surface 32, which is preferably formed opposite the running surface 31. The sliding surface 32 acts with a
- Slider assembly 33 together, preferably such that they form a gas-lubricated mechanical seal.
- the mechanical seal does not have to be made media-tight, but may have a leak. However, it is important that they have one
- Pressure difference during operation of the turbomachine 10 can generate.
- the preferably axially symmetrical slide ring assembly 33 comprises a slide ring 34, a spring 35 and a secondary seal 36.
- the spring 35 biases the slide ring 34 against the sliding surface 32, so that during operation of the turbomachine 10 at the mechanical seal there is a pressure difference from outside to inside; usually this is a pressure gradient.
- the secondary seal 36 acts between the sliding ring 34 and the housing 8 and preferably also positioned by the sliding ring 34 coaxial with the shaft 14.
- the secondary seal 36 also does not have to be media-tight, but can hold a pressure difference.
- any leakage at the secondary seal 36 is significantly smaller than any leakage at the mechanical seal.
- the secondary seal 36 is preferably a shaft sealing ring, so that the sliding ring 34 can roll in the axial direction over the shaft sealing ring.
- the axial force on the running surface 31 of the thrust washer 30 is reduced by the mechanical seal.
- This reduction takes place during operation of the turbomachine 10 with the working fluid of the turbomachine 10, more precisely with the pressure of the working fluid, which on the impeller 15, on the thrust washer 30 and optionally on the shaft 14, on the further impeller 13 a and on the other with the shaft 14th connected components abuts.
- three pressures are shown in FIG.
- the ambient pressure p2 downstream of the mechanical seal or downstream of the secondary seal 36.
- the ambient pressure p2 can, for example, the
- the impeller 15 On its front side 15 a, the impeller 15 is braced by means of the nut 49 on the shaft 14. Depending on the sealing concept, this nut 49 and the adjoining end of the shaft 14 are also subjected to the low pressure p o .
- the working fluid On the front side 15a of the impeller 15, the working fluid is compressed from an inner diameter 37 to an outer diameter 38 to the high pressure pi.
- the high-pressure pi is thus also on the running surface 31 of the thrust washer 30, which faces the impeller 15.
- At the back of the thrust washer 30 or at its sliding surface 32nd is radially outward - ie outside the sealing diameter 39 - also the high pressure pi, and radially inward the ambient pressure p2.
- the sealing diameter 39 is now selected so that these pressures almost equalize, the shaft 14 with its attachments so quasi pressure equalized or
- the sliding surface 32 is thus subdivided with respect to its surface area by the sliding ring 34 in such a way that the pressure balance is created.
- gas-lubricated mechanical seal to represent, optionally just with a leakage gap.
- the remaining axial force on the shaft 14 is determined by the diameter of the sliding ring 34 and by the sealing diameter 39.
- the further impeller 13a is arranged on the shaft 14 by way of example, which is preferably arranged as an exhaust gas turbine 13 in the exhaust pipe 4 of the
- Fuel cell system 1 acts.
- the further impeller 13a is also designed as a radial rotor, so that naturally also on the further impeller 13a, a fluidic axial force arises, which is not equal to zero.
- These forces including further end faces on the side of the exhaust gas turbine 13 are preferably taken into account for the design of the sealing diameter 39.
- a leakage gap is formed between the sliding ring arrangement 33 and the sliding surface 32, so that a passage of the working fluid through the leakage gap is made possible.
- passing mass flow are adjusted to cool components such as the two bearings 41, 42 or the drive device 20. Furthermore, due to the
- the two bearings 41, 42 are designed as gas-lubricated bearings.
- a further leakage gap on the secondary seal 36 can be used for cooling and / or lubrication of downstream components.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
The invention relates to a turbomachine (10), in particular for a fuel cell system (1). The turbomachine (10) comprises a shaft (14), an impeller wheel (15) and an axial bearing disk (30). The impeller wheel (15) and the axial bearing disk (30) are mounted on the shaft (14). The impeller wheel (15) is designed as a radial impeller, and a working fluid can flow through the impeller wheel (15) on the front side (15a) along a flow path (16). The flow path (16) comprises an axial flow end (18) and a radial flow end (17). The axial bearing disk (30) faces the rear side (15b) of the impeller wheel (15). A sliding surface (32) formed on the axial bearing disk (30) and facing away from the rear side (15b) interacts with a sliding ring arrangement (33).
Description
Beschreibung description
Titel title
Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensvstem Turbomachine, in particular for a fuel cell system
Stand der Technik Als Turbokompressoren ausgeführte Turbomaschinen für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Der bekannte Turbokompressor weist eine von einer PRIOR ART Turbomachines designed as turbocompressors for a fuel cell system are known from the prior art, for example from the published patent application DE 10 2012 224 052 A1. The known turbocompressor has one of a
Antriebsvorrichtung antreibbare Welle auf. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet. Drive device driven shaft on. On the shaft, a compressor and an exhaust gas turbine are arranged.
In detaillierterer Ausgestaltung ist eine als Turbokompressor ausgeführte Turbomaschine aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 044 876 A1 bekannt. Der bekannte In a more detailed embodiment, a turbomachine designed as a turbocompressor is known from the published patent application DE 10 2008 044 876 A1. The known
Turbokompressor weist ein auf einer Welle angeordnetes Laufrad auf. Das Laufrad ist dabei als Radialläufer ausgeführt, wird also auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmt, wobei der Strömungspfad ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst. Turbocompressor has an impeller arranged on a shaft. The impeller is designed as a radial runner, so is flowed through on its front by a working fluid along a flow path, wherein the flow path comprises an axial flow end and a radial flow end.
Weiterhin ist aus der EP 2 006 497 A1 bekannt, dass die Welle von Turbomaschinen mittels einer Axiallagerscheibe axial gelagert werden kann. Furthermore, it is known from EP 2 006 497 A1 that the shaft of turbomachinery can be axially supported by means of an axial bearing disk.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Turbomaschine weist eine reduzierte auf die Welle wirkende Axialkraft auf. Dazu werden die auf die Welle bzw. auf die mit ihr verbundenen Bauteile wirkenden Drücke, welche durch das Arbeitsfluid wirken, durch eine Gleitringanordnung so beeinflusst, dass die Welle in axialer Richtung vorzugsweise druckausgeglichen bzw. kraftausgeglichen ist. Vorzugsweise ist die Turbomaschine dabei in einem The turbomachine according to the invention has a reduced axial force acting on the shaft. For this purpose, the forces acting on the shaft or on the components connected to it, which act through the working fluid, are influenced by a slide ring arrangement such that the shaft is preferably pressure-balanced or force-balanced in the axial direction. Preferably, the turbomachine is in one
Brennstoffzellensystem angeordnet.
Dazu umfasst die Turbomaschine eine Welle, ein Laufrad und eine Axiallagerscheibe. Das Laufrad und die Axiallagerscheibe sind auf der Welle angeordnet. Das Laufrad ist als Radialläufer ausgeführt, wobei das Laufrad auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmbar ist. Der Strömungspfad umfasst ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende. Die Axiallagerscheibe ist der Rückseite des Laufrads zugewandt. Eine an der Axiallagerscheibe ausgebildete und der Rückseite abgewandte Gleitfläche wirkt mit einer Gleitringanordnung zusammen. Fuel cell system arranged. For this purpose, the turbomachine comprises a shaft, an impeller and a thrust washer. The impeller and the thrust washer are arranged on the shaft. The impeller is designed as a radial runner, wherein 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. The thrust washer faces the rear of the impeller. A formed on the thrust washer and facing away from the back sliding surface cooperates with a sliding ring assembly.
Wie bei Turbomaschinen üblich, wirkt auf der Vorderseite des Laufrads eine kleinere durch das Arbeitsfluid resultierende Axialkraft als auf der Rückseite des Laufrads. Dieser Kraftüberschuss auf der Rückseite wird an der Axiallagerscheibe ausgeglichen bzw. begrenzt, indem auch dort auf beiden Seiten unterschiedliche resultierende Axialkräfte erzeugt werden. Dies geschieht durch die Druckaufteilung an der Gleitringanordnung, die somit als Druckteiler wirkt. Das heißt auf einer Seite der Axiallagerscheibe - nämlich der dem Laufrad abgewandten Seite - wird der durch das Arbeitsfluid wirkende Druck reduziert. Die auf die Welle wirkende Axialkraft wird damit ausgeglichen bzw. begrenzt bzw. minimiert, so dass die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit entsprechender Axiallager optimiert ist. Vorzugsweise ist dabei in einem Betrieb der Turbomaschine die von dem Arbeitsfluid auf die Welle wirkende resultierende Axialkraft nahezu Null. Die Welle ist demzufolge in axialer Richtung nahezu druckausgeglichen bzw. kraftausgeglichen. Das Arbeitsfluid wirkt mittelbar oder unmittelbar - beispielsweise über Vorderseiten und Rückseiten des Laufrads und der Axiallagerscheibe - auf die Welle. Aufgrund der niedrigen resultierenden Axialkraft können das oder die Axiallager für die Welle somit sehr klein und As is common in turbomachinery, a smaller axial force resulting from the working fluid acts on the front of the impeller than on the rear of the impeller. This excess force on the rear side is compensated or limited on the axial bearing disk by generating different resultant axial forces on both sides as well. This is done by the pressure distribution on the slip ring assembly, which thus acts as a pressure divider. That is, on one side of the axial bearing disk - namely the side facing away from the impeller - the pressure acting on the working fluid is reduced. The axial force acting on the shaft is thus compensated or limited or minimized, so that the performance and durability of corresponding thrust bearings is optimized. Preferably, in an operation of the turbomachine, the resultant axial force acting on the shaft by the working fluid is almost zero. Consequently, the shaft is almost pressure-balanced or force-balanced in the axial direction. The working fluid acts directly or indirectly on the shaft, for example via the front and rear sides of the impeller and the thrust washer. Due to the low resulting axial force or thrust bearings for the shaft thus very small and
bauraumsparend ausgeführt werden. Weiterhin wird dadurch auch der Verschleiß an den Axiallagern minimiert und somit die Lebensdauer der gesamten Turbomaschine erhöht. Space-saving running. Furthermore, this also minimizes the wear on the axial bearings and thus increases the service life of the entire turbomachine.
In vorteilhaften Weiterbildungen bilden die Gleitfläche und die Gleitringanordnung eine Gleitringdichtung mit einem Dichtdurchmesser aus. Der Dichtdurchmesser ist größer als ein Innendurchmesser des Laufrads am axialen Strömungsende; und der In advantageous developments, the sliding surface and the sliding ring arrangement form a mechanical seal with a sealing diameter. The sealing diameter is larger than an inner diameter of the impeller at the axial flow end; and the
Dichtdurchmesser ist kleiner als ein Außendurchmesser des Laufrads am radialen Strömungsende. Somit ist der Druck an der Gleitfläche zweigeteilt: ein vergleichsweise hoher Druck liegt am radial äußeren Bereich an, der vorzugsweise dem Druck am radialen Strömungsende entspricht. Und ein vergleichsweise geringer Druck liegt am inneren Bereich an, der beispielsweise dem Atmosphärendruck entsprechen kann. Eine
dem Laufrad zugeordnete und der Gleitfläche gegenüberliegenden Lauffläche der Axiallagerscheibe ist demzufolge komplett mit dem vergleichsweise hohen Druck des radialen Strömungsendes beaufschlagt. Lauffläche und Gleitfläche können auch als Vorder- und Rückseite der Axiallagerscheibe bezeichnet werden. Der Fluiddruck auf das Laufrad und die Axiallagerscheibe wirkt also derart, dass er die beiden Bauteile axial voneinander wegschieben würde, die jeweils resultierende Axialkraft hat also Sealing diameter is smaller than an outer diameter of the impeller at the radial flow end. Thus, the pressure on the sliding surface is divided into two: a comparatively high pressure is applied to the radially outer region, which preferably corresponds to the pressure at the radial flow end. And a comparatively low pressure is applied to the inner region, which may correspond, for example, to the atmospheric pressure. A Consequently, the running surface of the axial bearing disk assigned to the impeller and opposite the sliding surface is completely loaded with the comparatively high pressure of the radial flow end. Tread and sliding surface can also be referred to as the front and back of the thrust washer. The fluid pressure on the impeller and the thrust washer thus acts so that it would push the two components axially away from each other, the respective resulting axial force has
entgegengesetzte Vorzeichen, weist vorzugsweise aber nahezu den gleichen Betrag auf. Die Gleitringdichtung muss dabei nicht mediendicht sein, sondern kann auch einen Leckagespalt ausbilden, welcher eine Drosselfunktion besitzt. opposite sign, but preferably has almost the same amount. The mechanical seal does not have to be media-tight, but can also form a leakage gap, which has a throttle function.
In vorteilhaften Ausführungen beträgt der Dichtdurchmesser dazu das 0,4-fache bis 0,6- fache des Außendurchmessers. Alternativ oder ergänzend beträgt der Dichtdurchmesser mindestens das 2-fache des Innendurchmessers. Dadurch ist die Welle in axialer Richtung kraftausgeglichen gestaltet. In advantageous embodiments, the sealing diameter for this purpose is 0.4 times to 0.6 times the outside diameter. Alternatively or additionally, the sealing diameter is at least 2 times the inner diameter. As a result, the shaft is frictionally balanced in the axial direction.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Gleitringanordnung einen Gleitring auf. In advantageous developments, the sliding ring arrangement has a sliding ring.
Vorzugsweise ist der Gleitring dabei mittels einer Feder gegen die Gleitfläche gespannt. Der Gleitring und die Axiallagerscheibe können damit tribologisch sehr günstig, also üblicherweise mit einer zueinander sehr niedrigen Reibzahl, gestaltet werden. Die Kraftbeaufschlagung durch die Feder, sorgt dafür, dass selbst bei hohen Drehzahlen der Welle der Gleitring nicht zu weit von der Gleitfläche abhebt. Dadurch ist die Funktion der Druckteilung auch bei hohen Drehzahlen gewährleistet. Preferably, the sliding ring is biased by a spring against the sliding surface. The sliding ring and the thrust bearing disc can thus tribologically very low, so usually with a mutually very low friction coefficient, are designed. The application of force by the spring ensures that even at high speeds of rotation of the shaft, the sliding ring does not lift too far from the sliding surface. As a result, the function of the pressure division is guaranteed even at high speeds.
Vorteilhafterweise ist die Gleitringanordnung in einem Gehäuse angeordnet. Der Gleitring ist mittels einer Nebenabdichtung in dem Gehäuse gelagert. Vorzugsweise ist dies das ein- oder mehrteilige Gehäuse der Turbomaschine. Durch die Lagerung des Gleitrings über die Nebenabdichtung, welche vorzugsweise als Wellendichtring ausgeführt ist, ist der Gleitring quasi schwimmend gelagert. In radialer Richtung positioniert die Advantageously, the slide ring assembly is arranged in a housing. The slip ring is mounted in the housing by means of a secondary seal. Preferably, this is the single or multi-part housing of the turbomachine. Due to the bearing of the sliding ring on the secondary seal, which is preferably designed as a shaft seal, the sliding ring is mounted quasi floating. Positioned in the radial direction
Nebenabdichtung den Gleitring koaxial zur Welle. In axialer Richtung kann der Gleitring über die Nebenabdichtung abrollen, so dass axiale Toleranzen und Verschiebungen ausgeglichen werden können. Secondary seal the sliding ring coaxial with the shaft. In the axial direction of the sliding ring can roll over the secondary seal, so that axial tolerances and shifts can be compensated.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist zwischen dem Gleitring und der Gleitfläche ein Leckagespalt ausgebildet. Der Gleitring muss also nicht mediendicht zur Gleitfläche dichten, sondern eine Drosselfunktion realisieren, um als Druckteiler wirken zu können.
So kann ein definierter Massenstrom des Arbeitsfluids durch den Leckagespalt fließen und nachgeschaltete Komponenten schmieren und/oder kühlen. In advantageous developments, a leakage gap is formed between the sliding ring and the sliding surface. The sliding ring therefore does not have to be impermeable to the sliding surface in terms of media, but rather to realize a throttling function in order to be able to act as a pressure divider. Thus, a defined mass flow of the working fluid can flow through the leakage gap and lubricate downstream components and / or cool.
In vorteilhaften Ausführungen ist auf der der Axiallagerscheibe entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung zumindest ein Lager angeordnet. Das zumindest eine Lager lagert die Welle rotierbar. Das zumindest eine Lager ist von dem durch den Leckagespalt fließenden Arbeitsfluid anströmbar. Im Betrieb wird das Lager somit von dem Arbeitsfluid angeströmt bzw. sogar durchströmt und dadurch gekühlt und/oder geschmiert. In vorteilhaften Ausführungen ist das Lager dabei als gasgeschmiertes Lager gestaltet. In advantageous embodiments, at least one bearing is arranged on the side of the slide ring arrangement opposite the axial bearing disk. The at least one bearing supports the shaft rotatable. The at least one bearing can be flowed by the working fluid flowing through the leakage gap. During operation, the bearing is thus flowed by the working fluid or even flows through it and thereby cooled and / or lubricated. In advantageous embodiments, the bearing is designed as a gas-lubricated bearing.
In vorteilhaften Ausführungen ist auf der der Axiallagerscheibe entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung zumindest eine Antriebsvorrichtung angeordnet. Die In advantageous embodiments, at least one drive device is arranged on the side of the slide ring arrangement opposite the axial bearing disk. The
Antriebsvorrichtung ist von dem durch den Leckagespalt fließenden Arbeitsfluid anströmbar. Im Betrieb wird die Antriebsvorrichtung somit von dem Arbeitsfluid Drive device can be flowed by the working fluid flowing through the leakage gap. In operation, the drive device is thus of the working fluid
angeströmt bzw. sogar durchströmt und dadurch gekühlt und/oder geschmiert. In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Antriebsvorrichtung dabei einen Stator und einen auf der Welle angeordneten Rotor, ist also als Elektromotor ausgeführt. Die Kühlung des Elektromotors, insbesondere des Stators, erhöht die Effizienz des Elektromotors. In vorteilhaften Ausführungen ist das Laufrad als Verdichter ausgeführt. Das axiale Strömungsende stellt somit den Strömungseingang des Strömungspfads dar, und das radiale Strömungsende den Strömungsausgang des Strömungspfads. Das Laufrad wird im Betrieb demzufolge axial angeströmt und strömt radial ab. Für den Verdichter bzw. Turbokompressor ist eine Antriebsvorrichtung erforderlich. Die auf die Welle und somit auf deren Axiallagerung reduzierte resultierende Axialkraft ist durch die Platzierung der Gleitringanordnung bzw. des Gleitrings minimiert, so dass auch entsprechende flows through or even flows through and thereby cooled and / or lubricated. In advantageous embodiments, the drive device comprises a stator and a rotor arranged on the shaft, so it is designed as an electric motor. The cooling of the electric motor, in particular of the stator, increases the efficiency of the electric motor. In advantageous embodiments, the impeller is designed as a compressor. The axial flow end thus represents the flow input of the flow path, and the radial flow end of the flow output of the flow path. Accordingly, the impeller is flowed axially during operation and flows radially. For the compressor or turbocompressor a drive device is required. The reduced axial force on the shaft and thus on the axial bearing is minimized by the placement of the slide ring assembly or the sliding ring, so that corresponding
Reibverluste minimiert sind. Demzufolge ist auch die erforderliche Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung reduziert und der Turbokompressor entsprechend energieeffizient gestaltet. Frictional losses are minimized. Consequently, the required drive power of the drive device is reduced and the turbo compressor designed accordingly energy efficient.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein weiteres Laufrad auf der Welle angeordnet. Das weitere Laufrad ist ebenfalls als Radialläufer ausgeführt. Das weitere Laufrad ist auf seiner Vorderseite von dem Arbeitsfluid entlang eines weiteren Strömungspfads durchströmbar, wobei der weitere Strömungspfad ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst. Das axiale Strömungsende des weiteren Laufrads ist entgegenorientiert zum axialen Strömungsende des Laufrads. Dadurch wirken die
jeweiligen auf die beiden Laufräder wirkenden resultierenden fluidischen Axialkräfte in die entgegengesetzte Richtung, kompensieren sich also gegenseitig zu einem Teil. In advantageous developments, another impeller is arranged on the shaft. The other impeller is also designed as a radial runner. The further impeller can be flowed through on its front side by the working fluid along a further flow path, wherein the further flow path comprises an axial flow end and a radial flow end. The axial flow end of the further impeller is opposite to the axial flow end of the impeller. This effect the Respective fluidic axial forces acting on the two wheels in the opposite direction, thus compensate each other to a part.
Demzufolge können der Dichtdurchmesser der Gleitringanordnung und/oder die Consequently, the sealing diameter of the slide ring assembly and / or the
Drosselwirkung des Leckagespalts verringert werden. Dadurch verringert sich auch der Verschleiß an der Gleitringanordnung, speziell der Verschleiß zwischen Gleitring und Gleitfläche. Throttling effect of the leakage gap can be reduced. This also reduces the wear on the seal ring assembly, especially the wear between the seal ring and sliding surface.
In vorteilhaften Verwendungen ist die Turbomaschine in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die Turbomaschine ist dazu als Turbokompressor bzw. das Laufrad als Verdichter ausgeführt, wobei das axiale Strömungsende den Strömungseingang und das radiale Strömungsende den Strömungsausgang des Strömungspfads darstellen. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum 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, wherein the axial flow end of the flow input and the radial flow end represent the flow output of the flow path. The fuel cell system includes a fuel cell, an air supply line to
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. Insbesondere in den Ausführungsformen mit Leckagespalt kann der Turbokompressor so sehr wirkungsvoll gekühlt werden. Supplying an oxidizing agent into the fuel cell and an exhaust pipe for discharging 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 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. In particular, in the embodiments with leakage gap, the turbocompressor can be cooled so effectively.
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 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 opposite to the impeller of the turbocompressor, so that the respective effective resulting axial forces on the two wheels partially compensate each other. The reacted working fluid or oxidizing agent flowing out of the fuel cell can be used very effectively as a power source for the exhaust gas turbine; As a result, the required drive power of the
Antriebsvorrichtung für den Turbokompressor reduziert. Drive device for the turbo compressor reduced.
Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine The fuel cell system may preferably be adapted to a
Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Drive drive device of a motor vehicle. Brief description of the drawings
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: Show it:
Figur 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer als Turbokompressor 1 shows schematically a fuel cell system with a turbocharger compressor
ausgeführten Turbomaschine aus dem Stand der Technik, executed turbomachine from the prior art,
Figur 2 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Figure 2 schematically shows a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Fig.1 zeigt ein aus der DE 10 2012 224 052 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem 1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Luftzuführungsleitung 3, eine Abgasleitung 4, einen Verdichter 1 1 , eine Abgasturbine 13, ein Bypassventil 5 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 2. Das Bypassventil 5 kann beispielsweise eine Regelklappe sein. Als Bypassventil 5 kann beispielsweise ein Wastegate-Ventil eingesetzt werden. Die Brennstoffzelle 2 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten 1 shows a fuel cell system 1 known from DE 10 2012 224 052 A1. The fuel cell system 1 comprises a fuel cell 2, an air supply line 3, an exhaust pipe 4, a compressor 1 1, an exhaust gas turbine 13, a bypass valve 5 for pressure reduction and a feed line not shown in detail for fuel to the fuel cell 2. The bypass valve 5, for example, a control valve his. As a bypass valve 5, for example, a wastegate valve can be used. The fuel cell 2 is a galvanic cell that converts chemical reaction energy of a fuel supplied via the not shown fuel supply line and an oxidizing agent into electric energy shown in FIG
Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eingerichtet, eine Embodiment is intake air, which is supplied via the air supply line 3 of the fuel cell 2. The fuel may preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, the exhaust gas is water vapor or water vapor and carbon dioxide. The fuel cell 2 is set up, for example
Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des Drive drive device of a motor vehicle. For example, the electrical energy generated by the fuel cell 2 drives an electric motor of the
Kraftfahrzeugs an.
Der Verdichter 1 1 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 13 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 1 1 und die Abgasturbine 13 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 20 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 13 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 20 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 1 1 . Der Verdichter 1 1 , die Welle 14 und die Abgasturbine 13 bilden zusammen eine Turbomaschine 10. Motor vehicle on. The compressor 1 1 is arranged in the air supply line 3. The exhaust gas turbine 13 is arranged in the exhaust pipe 4. The compressor 1 1 and the exhaust gas turbine 13 are mechanically connected via a shaft 14. The shaft 14 is electrically driven by a drive device 20. The exhaust gas turbine 13 serves to support the drive device 20 for driving the shaft 14 or the compressor 11. The compressor 1 1, the shaft 14 and the exhaust gas turbine 13 together form a turbomachine 10.
Fig.2 zeigt schematisch einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Turbomaschine 10, insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 1 . Die Turbomaschine 10 ist in dieser Ausführung als Turbokompressor 10 ausgeführt und weist ein auf der Welle 14 angeordnetes Laufrad 15 auf, welches als Verdichter 1 1 bzw. Kompressor wirkt. 2 schematically shows a longitudinal section of a turbomachine 10 according to the invention, in particular for use in a fuel cell system 1. The turbomachine 10 is designed in this embodiment as a turbocompressor 10 and has an arranged on the shaft 14 impeller 15, which acts as a compressor 1 1 and compressor.
Zusätzlich weist die Turbomaschine 10 optional die Abgasturbine 13 auf, welche ein auf der Welle 14 angeordnetes weiteres Laufrad 13a umfasst. Vorzugsweise sind dabei das weitere Laufrad 13a und das Laufrad 15 auf den entgegengesetzten Enden der Welle 14 positioniert. In addition, the turbomachine 10 optionally has the exhaust gas turbine 13, which comprises a further impeller 13a arranged on the shaft 14. Preferably, the further impeller 13 a and the impeller 15 are positioned on the opposite ends of the shaft 14.
Vorteilhafterweise ist die Turbomaschine 10 in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet, so dass das Laufrad 15 des Verdichters 1 1 in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet ist und so dass das weitere Laufrad 13a der Abgasturbine 13 in der Abgasleitung 4 angeordnet ist. Advantageously, the turbomachine 10 is arranged in the fuel cell system 1, so that the impeller 15 of the compressor 1 1 is arranged in the air supply line 3 and so that the further impeller 13a of the exhaust gas turbine 13 is arranged in the exhaust pipe 4.
Das Laufrad 15 ist in der Ausführung der Fig.2 als Radialläufer ausgeführt, wird also im Falle des Einsatzes als Turbokompressor bzw. Verdichter 1 1 axial angeströmt und strömt radial ab. Das Laufrad 15 weist dazu auf seiner Vorderseite 15a einen Strömungspfad 16 auf, welcher ein axiales Strömungsende 18 und ein radiales Strömungsende 1 umfasst. Wie bei einem Radialläufer üblich ändert sich die Richtung eines durch das Laufrad 15 strömenden Arbeitsfluids in der Schnittansicht um etwa 90°. Im Falle der Ausführung als Turbokompressor wird das Laufrad 15 am axialen Strömungsende 18 von dem The impeller 15 is executed in the embodiment of Figure 2 as a radial rotor, so in the case of use as turbo compressor or compressor 1 1 flows axially and flows radially. The impeller 15 has on its front side 15a to a flow path 16, which comprises an axial flow end 18 and a radial flow end 1. As is usual with a radial runner, the direction of a working fluid flowing through the impeller 15 changes by approximately 90 ° in the sectional view. In the case of execution as a turbo compressor, the impeller 15 at the axial flow end 18 of the
Arbeitsfluid axial angeströmt, das Arbeitsfluid durchläuft dann den Strömungspfad 16 auf der Vorderseite 15a und wird dabei verdichtet und tritt anschließend am radialen Working fluid flows axially, the working fluid then passes through the flow path 16 on the front side 15 a and is thereby compressed and then occurs at the radial
Strömungsende 17 radial aus dem Laufrad 15 aus. Flow end 17 radially out of the impeller 15.
Auf seiner Vorderseite 15a ist das Laufrad 15 von einem Innendurchmesser 31 bis zu einem Außendurchmesser 32 mit dem Druck des Arbeitsfluids beaufschlagt. Dabei ist dieser Druck nicht konstant, sondern steigt vom Innendurchmesser 31 zum On its front side 15 a, the impeller 15 is acted upon by the pressure of the working fluid from an inner diameter 31 to an outer diameter 32. In this case, this pressure is not constant, but increases from the inner diameter 31 to
Außendurchmesser 32 an; dies gilt für den Einsatz der Turbomaschine 10 sowohl als
Turbokompressor als auch als Turbine. Beim Einsatz der Turbomaschine 10 als Turbine kehrt sich lediglich die Richtung des Strömungspfads 16 um, nämlich vom radialen Strömungsende 17 zum axialen Strömungsende 18; die qualitativen Druckverhältnisse auf der Vorderseite 15a sind jedoch die gleichen wie beim Turbokompressor. Outer diameter 32 on; this applies to the use of the turbomachine 10 both as Turbocompressor as well as turbine. When using the turbomachine 10 as a turbine, only the direction of the flow path 16 is reversed, namely from the radial flow end 17 to the axial flow end 18; however, the qualitative pressure ratios on the front side 15a are the same as those of the turbo-compressor.
Die Antriebsvorrichtung 20 des Turbokompressors 10 ist als Elektromotor ausgeführt, zwischen dem Verdichter 1 1 und der Abgasturbine 13 angeorndet und umfasst einen Rotor 21 und einen Stator 22. Der Rotor 21 ist ebenfalls auf der Welle 14 angeordnet. Der Stator 22 ist ortsfest in einem nur partiell dargestellten Gehäuse 8 des Turbokompressors 10 positioniert. Das Gehäuse 8 kann auch mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle 14 ist zu beiden Seiten der Antriebsvorrichtung 20 mittels je eines Lagers 41 , 42 drehbar gelagert. Die Antriebsvorrichtung 20 ist zwischen den beiden Lagern 41 , 42 positioniert. An den äußeren Enden der Welle 14 ist am einen Ende das Laufrad 15 angeordnet und am anderen Ende das weitere Laufrad 13a, welches die Abgasturbine 13 bildet. The drive device 20 of the turbocompressor 10 is designed as an electric motor, angeorndet between the compressor 1 1 and the exhaust gas turbine 13 and includes a rotor 21 and a stator 22. The rotor 21 is also arranged on the shaft 14. The stator 22 is stationarily positioned in a partially illustrated housing 8 of the turbocompressor 10. The housing 8 can also be designed in several parts. The shaft 14 is rotatably mounted on both sides of the drive device 20 by means of a respective bearing 41, 42. The drive device 20 is positioned between the two bearings 41, 42. At the outer ends of the shaft 14, the impeller 15 is disposed at one end and the other impeller 13 a, which forms the exhaust gas turbine 13 at the other end.
Die Turbomaschine 10 umfasst weiterhin eine auf der Welle 14 angeordnete The turbomachine 10 further includes a shaft 14 disposed on the shaft
Axiallagerscheibe 30. Die Axiallagerscheibe 30 kann dazu beispielsweise auf die Welle 14 aufgepresst sein, oder - wie in Fig.2 gezeigt - mittels einer Mutter 49 unter Zwischenlage des Laufrads 15 gegen eine Schulter der Welle 14 verspannt sein. Die Axiallagerscheibe 30 weist eine vorzugsweise gehärtete und geschliffene Lauffläche 31 für das Axiallager auf. In der Darstellung der Fig.2 ist dabei die Gegenfläche für das Axiallager nicht gezeigt; dies könnte beispielsweise eine Fläche des Gehäuses 8 oder ein darin eingesetztes Bauteil sein. Weiterhin weist die Axiallagerscheibe 30 eine Gleitfläche 32 auf, die vorzugsweise der Lauffläche 31 gegenüberliegend ausgebildet ist. Die Gleitfläche 32 wirkt mit einer Axial bearing washer 30. For this purpose, the axial bearing washer 30 can be pressed onto the shaft 14, for example, or - as shown in FIG. 2 - be braced against a shoulder of the shaft 14 by means of a nut 49 with the impeller 15 being interposed. The thrust washer 30 has a preferably hardened and ground running surface 31 for the thrust bearing. In the illustration of Figure 2 while the mating surface for the thrust bearing is not shown; This could be, for example, a surface of the housing 8 or a component inserted therein. Furthermore, the thrust washer 30 has a sliding surface 32, which is preferably formed opposite the running surface 31. The sliding surface 32 acts with a
Gleitringanordnung 33 zusammen, vorzugsweise derart, dass sie eine gasgeschmierte Gleitringdichtung bilden. Die Gleitringdichtung muss dabei nicht mediendicht ausgeführt sein, sondern kann eine Leckage aufweisen. Wichtig ist jedoch, dass sie eine Slider assembly 33 together, preferably such that they form a gas-lubricated mechanical seal. The mechanical seal does not have to be made media-tight, but may have a leak. However, it is important that they have one
Druckdifferenz im Betrieb der Turbomaschine 10 erzeugen kann. Pressure difference during operation of the turbomachine 10 can generate.
Die vorzugsweise axialsymmetrische Gleitringanordnung 33 umfasst einen Gleitring 34, eine Feder 35 und eine Nebenabdichtung 36. Die Feder 35 spannt den Gleitring 34 gegen die Gleitfläche 32, so dass im Betrieb der Turbomaschine 10 an der Gleitringdichtung eine Druckdifferenz von außen nach innen besteht; üblicherweise ist dies ein Druckgefälle. Die Nebenabdichtung 36 wirkt zwischen dem Gleitring 34 und dem Gehäuse 8 und
positioniert dadurch vorzugsweise auch den Gleitring 34 koaxial zur Welle 14. Hier muss die Nebenabdichtung 36 ebenfalls nicht mediendicht sein, sondern eine Druckdifferenz halten können. Vorzugsweise ist eine etwaige Leckage an der Nebenabdichtung 36 aber deutlich kleiner als eine etwaige Leckage an der Gleitringdichtung. Die Nebenabdichtung 36 ist vorzugsweise ein Wellendichtring, so dass der Gleitring 34 in axialer Richtung über dem Wellendichtring abrollen kann. The preferably axially symmetrical slide ring assembly 33 comprises a slide ring 34, a spring 35 and a secondary seal 36. The spring 35 biases the slide ring 34 against the sliding surface 32, so that during operation of the turbomachine 10 at the mechanical seal there is a pressure difference from outside to inside; usually this is a pressure gradient. The secondary seal 36 acts between the sliding ring 34 and the housing 8 and preferably also positioned by the sliding ring 34 coaxial with the shaft 14. Here, the secondary seal 36 also does not have to be media-tight, but can hold a pressure difference. Preferably, however, any leakage at the secondary seal 36 is significantly smaller than any leakage at the mechanical seal. The secondary seal 36 is preferably a shaft sealing ring, so that the sliding ring 34 can roll in the axial direction over the shaft sealing ring.
Erfindungsgemäß wird die Axialkraft auf die Lauffläche 31 der Axiallagerscheibe 30 durch die Gleitringdichtung reduziert. Diese Reduzierung erfolgt im Betrieb der Turbomaschine 10 mit dem Arbeitsfluid der Turbomaschine 10, genauer mit dem Druck des Arbeitsfluids, welcher am Laufrad 15, an der Axiallagerscheibe 30 und gegebenenfalls an der Welle 14, an dem weiteren Laufrad 13a und an weiteren mit der Welle 14 verbundenen Bauteilen anliegt. Beispielhaft sind nun in der Fig.2 drei Drücke dargestellt: According to the invention, the axial force on the running surface 31 of the thrust washer 30 is reduced by the mechanical seal. This reduction takes place during operation of the turbomachine 10 with the working fluid of the turbomachine 10, more precisely with the pressure of the working fluid, which on the impeller 15, on the thrust washer 30 and optionally on the shaft 14, on the further impeller 13 a and on the other with the shaft 14th connected components abuts. By way of example, three pressures are shown in FIG.
- Ein Niederdruck p0 am axialen Strömungsende 18 des Strömungspfads 16. Fungiert das Laufrad 15 als Verdichter 1 1 , so ist dies der Eingangsdruck bzw. der Saugdruck.- A low pressure p 0 at the axial flow end 18 of the flow path 16. If the impeller 15 acts as a compressor 1 1, this is the inlet pressure or the suction pressure.
- Ein Hochdruck pi am radialen Strömungsende 17 des Strömungspfads 16. Fungiert das Laufrad 15 als Verdichter 1 1 , so ist dies der Ausgangsdruck bzw. der Förderdruck.- A high-pressure pi at the radial flow end 17 of the flow path 16. Fungiert the impeller 15 as a compressor 1 1, this is the output pressure or the discharge pressure.
- Ein Umgebungsdruck p2 stromabwärts der Gleitringdichtung bzw. stromabwärts der Nebenabdichtung 36. Der Umgebungsdruck p2 kann dabei beispielsweise dem - An ambient pressure p2 downstream of the mechanical seal or downstream of the secondary seal 36. The ambient pressure p2 can, for example, the
Niederduck po oder dem Atmosphärendruck entsprechen. An der Gleitringdichtung und an der Nebenabdichtung 36 wird somit der Hochdruck pi zum Umgebungsdruck p2 abgedichtet, entweder mediendicht oder mittels Leckage. Die Gleitringdichtung wirkt demzufolge als Druckteiler mit einem Dichtdurchmesser 39. Niederduck p o or correspond to the atmospheric pressure. At the mechanical seal and at the secondary seal 36, the high pressure pi is thus sealed to the ambient pressure p2, either media-tight or by means of leakage. The mechanical seal thus acts as a pressure divider with a sealing diameter 39.
An seiner Vorderseite 15a ist das Laufrad 15 mittels der Mutter 49 auf der Welle 14 verspannt. Je nach Dichtkonzept ist diese Mutter 49 und das sich daran anschließende Ende der Welle 14 ebenfalls mit dem Niederdruck po beaufschlagt. Auf der Vorderseite 15a des Laufrads 15 verdichtet sich das Arbeitsfluid von einem Innendurchmesser 37 bis zu einem Außendurchmesser 38 bis zum Hochdruck pi . Der Hochdruck pi liegt somit auch an der Lauffläche 31 der Axiallagerscheibe 30 an, welche dem Laufrad 15 zugewandt ist. An der Rückseite der Axiallagerscheibe 30 bzw. an ihrer Gleitfläche 32
liegt radial außen - also außerhalb des Dichtdurchmessers 39 - ebenfalls der Hochdruck pi an, und radial innen der Umgebungsdruck p2. On its front side 15 a, the impeller 15 is braced by means of the nut 49 on the shaft 14. Depending on the sealing concept, this nut 49 and the adjoining end of the shaft 14 are also subjected to the low pressure p o . On the front side 15a of the impeller 15, the working fluid is compressed from an inner diameter 37 to an outer diameter 38 to the high pressure pi. The high-pressure pi is thus also on the running surface 31 of the thrust washer 30, which faces the impeller 15. At the back of the thrust washer 30 or at its sliding surface 32nd is radially outward - ie outside the sealing diameter 39 - also the high pressure pi, and radially inward the ambient pressure p2.
Konstruktiv wird nun der Dichtdurchmesser 39 so gewählt, dass sich diese Drücke nahezu ausgleichen, die Welle 14 mit ihren Anbauteilen also quasi druckausgeglichen bzw. Structurally, the sealing diameter 39 is now selected so that these pressures almost equalize, the shaft 14 with its attachments so quasi pressure equalized or
kraftausgeglichen ist. Konstruktiv wird also die Gleitfläche 32 bzgl. ihres Flächeninhalts durch den Gleitring 34 so unterteilt, dass die Druckausgeglichenheit entsteht. balanced force. In terms of design, the sliding surface 32 is thus subdivided with respect to its surface area by the sliding ring 34 in such a way that the pressure balance is created.
Aufgrund der Eigenschaften und der Bearbeitungsfolge der Axiallagerscheibe 30 ist es möglich, die Gleitfläche 32 für eine Rotationsdichtung, beispielsweise eine Due to the properties and the machining sequence of the thrust washer 30, it is possible for the sliding surface 32 for a rotary seal, such as a
gasgeschmierte Gleitringdichtung, darzustellen, optional eben mit einem Leckagespalt. Die verbleibende Axialkraft auf die Welle 14 wird durch den Durchmesser des Gleitrings 34 bzw. durch den Dichtdurchmesser 39 bestimmt. In weiterbildenden Ausführungen werden auch die Druckverhältnisse an weiteren gas-lubricated mechanical seal to represent, optionally just with a leakage gap. The remaining axial force on the shaft 14 is determined by the diameter of the sliding ring 34 and by the sealing diameter 39. In further developments, the pressure conditions at other
Wellenbereichen und daran angeordneten Bauteilen berücksichtigt, insbesondere wenn dort andere Drücke als der Atmosphärendruck vorhanden sind. In der Ausführung der Fig.2 ist dazu exemplarisch das weitere Laufrad 13a auf der Welle 14 angeordnet, welches vorzugsweise als Abgasturbine 13 in der Abgasleitung 4 des Wavelengths and arranged thereon components considered, especially if there are other pressures than the atmospheric pressure. 2, the further impeller 13a is arranged on the shaft 14 by way of example, which is preferably arranged as an exhaust gas turbine 13 in the exhaust pipe 4 of the
Brennstoffzellensystems 1 wirkt. Das weitere Laufrad 13a ist ebenfalls als Radialläufer gestaltet, so dass naturgemäß auch an dem weiteren Laufrad 13a eine fluidisch resultierende Axialkraft entsteht, die ungleich Null ist. Diese Kräfte inklusive weiterer Stirnflächen auf der Seite der Abgasturbine 13 werden vorzugsweise für die Auslegung des Dichtdurchmessers 39 berücksichtigt. Fuel cell system 1 acts. The further impeller 13a is also designed as a radial rotor, so that naturally also on the further impeller 13a, a fluidic axial force arises, which is not equal to zero. These forces including further end faces on the side of the exhaust gas turbine 13 are preferably taken into account for the design of the sealing diameter 39.
In vorteilhaften Ausführungen ist zwischen der Gleitringanordnung 33 und der Gleitfläche 32 ein Leckagespalt ausgebildet, so dass ein Durchtritt des Arbeitsfluids durch den Leckagespalt ermöglicht ist. Dabei kann der Leckagespalt gezielt auf einen In advantageous embodiments, a leakage gap is formed between the sliding ring arrangement 33 and the sliding surface 32, so that a passage of the working fluid through the leakage gap is made possible. Here, the leakage gap targeted to a
hindurchtretenden Massenstrom eingestellt werden, um Bauteile wie die beiden Lager 41 , 42 oder die Antriebsvorrichtung 20 zu kühlen. Weiterhin können aufgrund des passing mass flow are adjusted to cool components such as the two bearings 41, 42 or the drive device 20. Furthermore, due to the
Leckagespalts die beiden Lager 41 , 42 mit dem Arbeitsfluid geschmiert werden; Leckagespalts the two bearings 41, 42 are lubricated with the working fluid;
vorzugsweise sind die beiden Lager 41 , 42 dazu als gasgeschmierte Lager ausgeführt. Zusätzlich kann auch ein weiterer Leckagespalt an der Nebenabdichtung 36 zur Kühlung und/oder Schmierung nachgeschalteter Bauteile eingesetzt werden.
Preferably, the two bearings 41, 42 are designed as gas-lubricated bearings. In addition, a further leakage gap on the secondary seal 36 can be used for cooling and / or lubrication of downstream components.
Claims
Ansprüche 1 . Turbomaschine (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1 ), mit einer Welle Claims 1. Turbomachine (10), in particular for a fuel cell system (1), with a shaft
(14) , einem Laufrad (15) und einer Axiallagerscheibe (30), wobei das Laufrad (15) und die Axiallagerscheibe (30) auf der Welle (14) angeordnet sind, wobei das Laufrad(14), an impeller (15) and a thrust washer (30), wherein the impeller (15) and the thrust washer (30) on the shaft (14) are arranged, wherein the impeller
(15) als Radialläufer ausgeführt ist, wobei das Laufrad (15) auf seiner Vorderseite (15a) von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads (16) durchströmbar ist, wobei der Strömungspfad (16) ein axiales Strömungsende (18) und ein radiales(15) is designed as a radial runner, wherein the impeller (15) on its front side (15 a) of a working fluid along a flow path (16) can be flowed through, wherein the flow path (16) has an axial flow end (18) and a radial
Strömungsende (17) umfasst, wobei die Axiallagerscheibe (30) der Rückseite (15b) des Laufrads (15) zugewandt ist, Flow end (17), wherein the thrust washer (30) faces the rear side (15b) of the impeller (15),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
eine an der Axiallagerscheibe (30) ausgebildete und der Rückseite (15b) abgewandte Gleitfläche (32) mit einer Gleitringanordnung (33) zusammenwirkt. a sliding surface (32) formed on the axial bearing disk (30) and facing away from the rear side (15b) cooperates with a sliding ring arrangement (33).
2. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1 2. Turbomachine (10) according to claim 1
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Gleitfläche (32) und die Gleitringanordnung (33) eine Gleitringdichtung mit einem Dichtdurchmesser (39) ausbilden, wobei der Dichtdurchmesser (39) größer ist als ein the sliding surface (32) and the sliding ring arrangement (33) form a mechanical seal with a sealing diameter (39), wherein the sealing diameter (39) is greater than one
Innendurchmesser (37) des Laufrads (15) am axialen Strömungsende (18) und wobei der Dichtdurchmesser (39) kleiner ist als ein Außendurchmesser (38) des Laufrads (15) am radialen Strömungsende (17). Inner diameter (37) of the impeller (15) at the axial flow end (18) and wherein the sealing diameter (39) is smaller than an outer diameter (38) of the impeller (15) at the radial flow end (17).
3. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2 3. Turbomachine (10) according to claim 1 or 2
dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtdurchmesser (39) das 0,4-fache bis 0,6- fache des Außendurchmessers (38) beträgt. characterized in that the sealing diameter (39) is 0.4 times to 0.6 times the outer diameter (38).
4. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 4. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 3
dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtdurchmesser (39) mindestens das 2-fache des Innendurchmessers (37) beträgt. characterized in that the sealing diameter (39) is at least 2 times the inner diameter (37).
5. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 5. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 4
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Gleitringanordnung (33) einen Gleitring (34) aufweist, wobei vorzugsweise der the sliding ring assembly (33) has a sliding ring (34), preferably the
Gleitring (34) mittels einer Feder (35) gegen die Gleitfläche (32) gespannt ist.
Sliding ring (34) by means of a spring (35) against the sliding surface (32) is tensioned.
6. Turbomaschine (10) nach Anspruch 5 6. turbomachine (10) according to claim 5
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitringanordnung (33) in einem Gehäuse (8) angeordnet ist, wobei der Gleitring (34) mittels einer Nebenabdichtung (36) in dem Gehäuse (8) gelagert ist. characterized in that the sliding ring assembly (33) in a housing (8) is arranged, wherein the sliding ring (34) by means of a secondary seal (36) in the housing (8) is mounted.
7. Turbomaschine (10) nach Anspruch 5 oder 6 7. Turbomachine (10) according to claim 5 or 6
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleitring (34) und der Gleitfläche (32) ein Leckagespalt ausgebildet ist. characterized in that between the sliding ring (34) and the sliding surface (32) has a leakage gap is formed.
8. Turbomaschine (10) nach Anspruch 7 8. turbomachine (10) according to claim 7
dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Axiallagerscheibe (30) entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung (33) zumindest ein Lager (41 , 42) angeordnet ist, welches die Welle (14) rotierbar lagert, wobei das zumindest eine Lager (41 , 42) von dem Arbeitsfluid anströmbar ist. characterized in that on the axial bearing disc (30) opposite side of the slide ring assembly (33) at least one bearing (41, 42) is arranged, which rotatably supports the shaft (14), wherein the at least one bearing (41, 42) of the Working fluid can be flowed against.
9. Turbomaschine (10) nach Anspruch 7 oder 8 9. turbomachine (10) according to claim 7 or 8
dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Axiallagerscheibe (30) entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung (33) zumindest eine Antriebsvorrichtung (20) angeordnet ist, wobei die Antriebsvorrichtung (20) von dem Arbeitsfluid anströmbar ist. characterized in that on the axial bearing disc (30) opposite side of the seal ring assembly (33) at least one drive device (20) is arranged, wherein the drive device (20) can be flowed by the working fluid.
10. Turbomaschine (10) nach Anspruch 9 10. Turbomachine (10) according to claim 9
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (20) einen Stator (22) und einen auf der Welle (14) angeordneten Rotor (21 ) umfasst. characterized in that the drive device (20) comprises a stator (22) and a rotor (21) arranged on the shaft (14).
1 1 . Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 1 1. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 10
dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Laufrad (13a) auf der Welle (14) angeordnet ist, wobei das weitere Laufrad (13a) als Radialläufer ausgeführt ist, wobei das weitere Laufrad (13a) auf seiner Vorderseite von dem Arbeitsfluid entlang eines weiteren Strömungspfads durchströmbar ist, wobei der weitere Strömungspfad ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst, wobei das axiale Strömungsende des weiteren Laufrads (13a) entgegenorientiert zum axialen characterized in that a further impeller (13a) on the shaft (14) is arranged, wherein the further impeller (13a) is designed as a radial rotor, wherein the further impeller (13a) is flowed through on its front side of the working fluid along a further flow path wherein the further flow path comprises an axial flow end and a radial flow end, wherein the axial flow end of the further impeller (13a) opposite to the axial
Strömungsende (18) des Laufrads (15) ist. Flow end (18) of the impeller (15) is.
12. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betrieb der Turbomaschine (10) die von dem Arbeitsfluid auf die Welle (14) wirkende resultierende Axialkraft nahezu Null ist. 12. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 1 1 characterized in that in an operation of the turbomachine (10), the resultant axial force acting on the shaft (14) from the working fluid is nearly zero.
13. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 13. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 12
dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (15) als Verdichter (1 1 ) ausgeführt ist, wobei das axiale Strömungsende (18) den Strömungseingang und das radiale Strömungsende (17) den Strömungsausgang des Strömungspfads (16) darstellen. characterized in that the impeller (15) as a compressor (1 1) is carried out, wherein the axial flow end (18) represent the flow input and the radial flow end (17) the flow output of the flow path (16).
14. Brennstoffzellensystem (1 ) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer Abgasleitung (4) zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, wobei das Laufrad (15) als Verdichter (1 1 ) ausgeführt ist, wobei das axiale Strömungsende (18) den 14. A fuel cell system (1) with a fuel cell (2), an air supply line (3) for supplying an oxidant in the fuel cell (2) and an exhaust pipe (4) for discharging the oxidant from the fuel cell (2), characterized in that the Fuel cell system (1) a turbomachine (10) according to one of claims 1 to 13, wherein the impeller (15) is designed as a compressor (1 1), wherein the axial flow end (18) the
Strömungseingang und das radiale Strömungsende (17) den Strömungsausgang des Strömungspfads (16) darstellen, und wobei der Verdichter (1 1 ) in der Flow inlet and the radial flow end (17) represent the flow output of the flow path (16), and wherein the compressor (1 1) in the
Luftzuführungsleitung (3) angeordnet ist. Air supply line (3) is arranged.
15. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 14, wobei das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Abgasturbine (13) mit einem weiteren Laufrad (13a) aufweist, wobei das weitere Laufrad (13a) auf der Welle (14) angeordnet ist, wobei die Abgasturbine (13) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist.
15. Fuel cell system (1) according to claim 14, wherein the fuel cell system (1) has an exhaust gas turbine (13) with a further impeller (13a), wherein the further impeller (13a) is arranged on the shaft (14), wherein the exhaust gas turbine ( 13) in the exhaust pipe (4) is arranged.
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