WO2019020289A1 - Turbomachine, in particular for a fuel cell system - Google Patents

Turbomachine, in particular for a fuel cell system Download PDF

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WO2019020289A1
WO2019020289A1 PCT/EP2018/066419 EP2018066419W WO2019020289A1 WO 2019020289 A1 WO2019020289 A1 WO 2019020289A1 EP 2018066419 W EP2018066419 W EP 2018066419W WO 2019020289 A1 WO2019020289 A1 WO 2019020289A1
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turbomachine
impeller
fuel cell
flow
cooling fluid
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PCT/EP2018/066419
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German (de)
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Inventor
Andreas Wengert
Tobias Reinhard OTT
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Robert Bosch Gmbh
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    • F01D25/16Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
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    • F01D25/168Sliding contact bearing for axial load mainly
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    • F02C6/04Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/0513Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • Turbomachinery in particular for a fuel cell system.
  • 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
  • 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 subject matter of the present invention is the configuration of the axial bearing washer in such a way that the cooling of the turbomachine is optimized.
  • the turbomachine according to the invention has an optimized thrust bearing, the cooling of the turbomachine, for example, the bearings and / or the
  • the turbomachine is in one
  • the turbomachine comprises a shaft, an impeller and the thrust washer.
  • the impeller and the thrust washer are arranged on the shaft.
  • Axiallagerinstallation is designed a tread for axial storage.
  • the tread forms a thrust bearing with a corresponding bearing surface.
  • the normal direction of the tread is identical to the axis of the shaft.
  • a flow device is arranged at the axial bearing disc. The flow device is located in a cooling fluid path.
  • the axial bearing disk thus has a further function, namely a cooling function.
  • the rotating flow device generates a flow, which is advantageously designed so that the cooling fluid path takes into account all critical tribo points of the turbomachine.
  • the cooling fluid path serves to cool the turbomachine.
  • a cooling fluid is purged by the flow device through the cooling fluid path and thereby carries the heat from the components of
  • Friction heat which is to be cooled by the cooling fluid path or by the cooling fluid, is generated in particular at the tribological sites, such as bearings or drive devices.
  • the same medium can be used as cooling fluid, which flows as working fluid through the impeller.
  • the ambient air can be used for this purpose.
  • the impeller is designed as a radial rotor.
  • 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. Functionally occur on the impeller fluidically resulting
  • Axiallagerarea is thus a particularly suitable especially for radial runners
  • the turbomachine has a very high efficiency.
  • a radial runner is well suited for use in an air supply line of a fuel cell system.
  • the outlet is preferably formed in a housing of the turbomachine and constitutes a common outlet of the working fluid and the cooling fluid from the turbomachine.
  • working fluid and cooling fluid may be, for example, the ambient air.
  • the turbomachine preferably has a parallel connection of the flow path and the cooling fluid path, which unite in front of the fuel cell.
  • the flow path and the cooling fluid path do not unite.
  • the pressure level of the working fluid compressed at the radial flow end is not lowered by the cooling fluid; the cooling fluid need not be promoted against the pressure of the radial flow end.
  • the axial bearing disk faces the rear side of the rotor wheel.
  • the thrust washer is space-saving within the
  • Axiallagerminometric measures are then taken to Axialkraftreduzi für uzi für assuzunol, for example, a pressure divider are arranged; As a result, the fluidically resulting axial force acting on the shaft is reduced, and with it also the frictional heat generated in the axial bearing.
  • the running surface faces the rear side of the running wheel.
  • the normal direction of the tread thus points to the back of the wheel.
  • the flow device thereby generates a flow in the
  • Cooling fluid path which leads in the direction of the impeller.
  • the cooling fluid can be mixed there with the working fluid or separated from it from the turbomachine.
  • the flow device is opposite to one of the tread
  • Axiallagerarea has accordingly space for a further function, namely that for cooling. Furthermore, this makes it possible to flow the cooling fluid path very efficiently in the direction of the impeller, namely in a U-shaped cross-section around the axial bearing disk.
  • the flow device comprises a plurality of blades.
  • the flow device comprises three to six blades.
  • the blades can be made straight, but also curved.
  • the blades are preferred curved concavely in the direction of rotation, so that a very advantageous flow is generated radially outward.
  • the cooling fluid path thus passes radially around the thrust washer, when viewed in section in a U-shape.
  • the impeller is designed as a compressor, wherein the axial flow end represents the flow input and the radial flow end represents the flow output of the flow path. The compressor points
  • an electromagnetic drive device Preferably, an electromagnetic drive device.
  • this is a very efficient embodiment of a turbomachine.
  • the drive device is located in the cooling fluid path, preferably upstream of the flow device.
  • an electromagnetic drive device not only the frictional heat is removed from the drive device, but also increases the efficiency of the drive device, which improves the efficiency of the entire turbomachine.
  • the cooling fluid path may, for example, pass between a rotor and a stator of the drive device.
  • the shaft is supported by means of at least one radial bearing.
  • the radial bearing is located in the cooling fluid path, so that the radial bearing is effectively cooled or even lubricated. Wear and potential cavitation erosion in the radial bearing are thereby minimized or avoided.
  • the shaft can also be supported radially by means of two radial bearings.
  • both radial bearings are arranged in the cooling fluid path.
  • the cooling fluid path may, for example, pass between a bearing sleeve of the radial bearing and the shaft.
  • the turbomachine is arranged in a fuel cell system.
  • the turbomachine is designed as a turbo compressor or the impeller as a compressor.
  • the fuel cell system includes a fuel cell, an air supply pipe for supplying an oxidant into the fuel cell, and an exhaust pipe for discharging the oxidizer from the fuel cell.
  • the compressor is arranged in the air supply line.
  • the air supply line serves to the inflow of the working fluid or oxidant in the fuel cell, and the exhaust pipe is used to remove the oxidant or the reacted
  • Oxidizing agent or a mixture thereof from the fuel cell is Oxidizing agent or a mixture thereof from the fuel cell.
  • Turbocompressor is designed according to one of the embodiments described above.
  • the impeller is designed as a radial runner and cooling fluid path and flow path are connected in parallel and open into one another in a common outlet.
  • the oxidizing agent and the cooling fluid the ambient air is preferably used. The cooling of as many components of the turbomachine increases their efficiency and service life.
  • 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
  • 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 of a drive device 20 electrically driven.
  • 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 shows schematically a longitudinal section of a turbomachine 10, 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.
  • Turbomachine 10 both as a turbocompressor and as a turbine.
  • the turbomachine 10 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 first embodiment Turbo Compressor.
  • the rear side 15b of the impeller 15 is constantly acted upon by the high pressure of the radial flow end 17. This results in a resulting fluidic force on the impeller 15, which acts in FIG. 2 to the left. Through various measures, this axial force can be reduced.
  • a thrust bearing 35 is still required.
  • the thrust bearing 35 comprises an axial bearing washer 30 arranged on the shaft 14.
  • the axial bearing washer 30 can be pressed onto the shaft 14, for example, or, as shown in FIG. 2, by means of a nut 49 with the impeller 15 interposed against a shoulder of the shaft 14 be tense.
  • the thrust bearing 30 has a preferably hardened and ground running surface 31 for the thrust bearing 35, which cooperates with a bearing surface 86, which is formed in the embodiment of Figure 2 on a housing 8 of the turbomachine 10.
  • the housing 8 can also be designed in several parts or the bearing surface 86 may be formed on another connected to the housing 8 component.
  • the turbomachine 10 is designed so that the fluidically resulting axial force always acts in one direction, so undergoes no sign reversal.
  • the drive device 20 of the turbomachine 10 embodied as a turbocompressor is designed as an electric motor, arranged between the compressor 11 and the exhaust gas turbine 13 and comprises a rotor 21 and a stator 22.
  • the rotor 21 is likewise arranged on the shaft 14.
  • the stator 22 is stationarily positioned in the only 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 radial bearing 41, 42.
  • the drive device 20 is positioned between the two radial 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 axial bearing disk 30 now has a flow device 50 on a counter side 32 facing away from the running surface 31.
  • Flow device 50 is designed to suck cool, non-compressed working fluid from a region of turbomachine 10 remote from impeller 15 in such a way that that thereby the two radial bearings 41, 42 and the drive device 20 are cooled.
  • FIG 3 shows a section through a turbomachine 10 with a sketched cooling fluid path 60.
  • the cooling fluid path 60 leads from an inlet 81 formed in the housing 8 via the two radial bearings 41, 42, the drive device 20 and the thrust washer 30 to one another
  • the inlet 81 is formed adjacent to the compressor wheel 13 a, but preferably should not receive the working fluid flowing through it.
  • the outlet 82 is formed at the other end of the shaft 14 adjacent to the radial flow end 17 of the impeller 15.
  • the cooling fluid which has flowed through the cooling fluid path 60, with the compressed by the impeller 15 working fluid, which flows out of the radial flow end 17, mix, or be performed separately from this from the turbomachine 10.
  • the flow device 50 preferably has a plurality of blades.
  • FIG. 4 shows a plan view of the opposite side 32 of the axial bearing disk 30. Six curved blades 51 are arranged on the opposite side 32. Upon rotation of the shaft 14 - and with it the thrust washer 30 - is generated by the blades 51, an air flow or flow of the cooling fluid from radially inward to radially outward. Accordingly, the cooling fluid around the thrust washer 30 - seen in the section of Figure 3 as a U-shape - deflected, and thereby passes to the side of the tread 31 and the bearing surface 86, and from there to the outlet 82, where it in further developments of the invention can mix with the compressed by the impeller 15 working fluid.
  • the blades 51 in the embodiment of Figure 4 have a curved shape, but may alternatively have a straight shape.
  • the mode of operation of the turbomachine 10 according to the invention is as follows:
  • the fuel and the oxidizing agent preferably air from the environment
  • the impeller 15 On the driven by the drive device 20, rotating shaft 14, the impeller 15 is mounted, which promotes the required air mass flow through the air supply line 3 in the direction of the fuel cell 2.
  • the shaft 14 For storage of the shaft 14 are in the Turbomachine 10 bearings provided, namely preferably the two radial bearings 41, 42 and the thrust bearing 35. The resulting in the bearings 35, 41, 42 frictional heat must be dissipated by a suitable cooling.
  • air which is passed through the turbomachine 10 is suitable.
  • the already heated, compressed air from the impeller 15 should not be used, but cooled, uncompressed air should be sucked in from the opposite direction, so that the cooling becomes more effective.
  • the thrust washer 30 on the opposite side 32 blades 51 This makes it possible to suck in fresh air from the environment through the inlet 81 and to guide it through the turbomachine 10.

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). A running surface (31) for axial mounting is formed on the axial bearing disk (30). The running surface (31) forms an axial bearing (35) with a corresponding bearing surface (86) A flow device (50) is arranged on the axial bearing disk (30). The flow device (50) is in a coolant fluid path (60).

Description

Beschreibung Titel  Description title
Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensvstem 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  Turbomachinery, in particular for a fuel cell system. 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.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung der Axiallagerscheibe dergestalt, dass dabei die Kühlung der Turbomaschine optimiert wird. The subject matter of the present invention is the configuration of the axial bearing washer in such a way that the cooling of the turbomachine is optimized.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Turbomaschine weist eine optimierte Axiallagerscheibe auf, die der Kühlung der Turbomaschine, beispielsweise der Lagerstellen und/oder der The turbomachine according to the invention has an optimized thrust bearing, the cooling of the turbomachine, for example, the bearings and / or the
Antriebsvorrichtung, dient. Vorzugsweise ist die Turbomaschine dabei in einem Drive device, serves. Preferably, the turbomachine is in one
Brennstoffzellensystem angeordnet. Dazu umfasst die Turbomaschine eine Welle, ein Laufrad und die Axiallagerscheibe. Das Laufrad und die Axiallagerscheibe sind auf der Welle angeordnet. An der Fuel cell system arranged. For this purpose, the turbomachine comprises a shaft, an impeller and the thrust washer. The impeller and the thrust washer are arranged on the shaft. At the
Axiallagerscheibe ist eine Lauffläche zur axialen Lagerung ausgebildet. Die Lauffläche bildet mit einer korrespondierenden Lagerfläche ein Axiallager. Vorzugsweise ist die Normalenrichtung der Lauffläche identisch zur Achse der Welle. An der Axiallagerscheibe ist eine Strömungsvorrichtung angeordnet. Die Strömungsvorrichtung liegt in einem Kühlfluidpfad. Axiallagerscheibe is designed a tread for axial storage. The tread forms a thrust bearing with a corresponding bearing surface. Preferably, the normal direction of the tread is identical to the axis of the shaft. At the axial bearing disc, a flow device is arranged. The flow device is located in a cooling fluid path.
Durch die Strömungsvorrichtung weist die Axiallagerscheibe damit eine weitere Funktion auf, nämlich eine Kühlfunktion. Die rotierende Strömungsvorrichtung erzeugt eine Strömung, welche vorteilhafterweise so gestaltet ist, dass der Kühlfluidpfad sämtliche kritische Tribostellen der Turbomaschine berücksichtigt. Der Kühlfluidpfad dient der Kühlung der Turbomaschine. Ein Kühlfluid wird mittels der Strömungsvorrichtung durch den Kühlfluidpfad gespült und führt dabei die Wärme aus den Komponenten der As a result of the flow device, the axial bearing disk thus has a further function, namely a cooling function. The rotating flow device generates a flow, which is advantageously designed so that the cooling fluid path takes into account all critical tribo points of the turbomachine. The cooling fluid path serves to cool the turbomachine. A cooling fluid is purged by the flow device through the cooling fluid path and thereby carries the heat from the components of
Turbomaschine ab. Insbesondere an den Tribostellen, wie beispielsweise an Lagerungen oder Antriebsvorrichtungen, entsteht Reibwärme, welche über den Kühlfluidpfad bzw. durch das Kühlfluid gekühlt werden sollen. Vorzugsweise kann als Kühlfluid das gleiche Medium verwendet werden, welches als Arbeitsfluid durch das Laufrad strömt. Turbomachine off. Friction heat, which is to be cooled by the cooling fluid path or by the cooling fluid, is generated in particular at the tribological sites, such as bearings or drive devices. Preferably, the same medium can be used as cooling fluid, which flows as working fluid through the impeller.
Insbesondere kann dazu die Umgebungsluft verwendet werden. In particular, the ambient air can be used for this purpose.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Laufrad als Radialläufer ausgeführt. Das Laufrad ist auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmbar. Der Strömungspfad umfasst ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende. Funktionsbedingt treten an dem Laufrad fluidisch resultierende In advantageous developments, the impeller is designed as a radial rotor. 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. Functionally occur on the impeller fluidically resulting
Axialkräfte auf, welche durch die Axiallagerscheibe gelagert werden. Eine Axial forces, which are stored by the thrust washer. A
Axiallagerscheibe ist damit insbesondere bei Radialläufern eine gut geeignete  Axiallagerscheibe is thus a particularly suitable especially for radial runners
Komponente für das Axiallager. Wenn das Laufrad als Radialläufer gestaltet ist, hat die Turbomaschine einen sehr hohen Wirkungsgrad. Insbesondere für den Einsatz in einer Luftzuführungsleitung eines Brennstoffzellensystems ist ein derartiger Radialläufer gut geeignet. Component for the thrust bearing. If the impeller is designed as a radial runner, the turbomachine has a very high efficiency. In particular, for use in an air supply line of a fuel cell system, such a radial runner is well suited.
In vorteilhaften Weiterbildungen münden der Kühlfluidpfad und das radiale In advantageous developments, the cooling fluid path and the radial open
Strömungsende in einen Auslass. Der Auslass ist vorzugsweise in einem Gehäuse der Turbomaschine ausgebildet und stellt einen gemeinsamen Ausgang des Arbeitsfluids und des Kühlfluids aus der Turbomaschine dar. Arbeitsfluid und Kühlfluid können dazu beispielsweise die Umgebungsluft sein. Zur Kühlung der Turbomaschine wird also nicht das durch das Laufrad verdichtete und damit aufgeheizte Arbeitsfluid verwendet, sondern das Kühlfluid, welches durch einen separaten Einlass in den Kühlfluidpfad einströmt. Bevorzugt weist die Turbomaschine also eine Parallelschaltung aus Strömungspfad und Kühlfluidpfad auf, welche sich vor der Brennstoffzelle vereinigen. Flow end into an outlet. The outlet is preferably formed in a housing of the turbomachine and constitutes a common outlet of the working fluid and the cooling fluid from the turbomachine. For this purpose, working fluid and cooling fluid may be, for example, the ambient air. To cool the turbomachine is not the compressed by the impeller and thus heated working fluid used, but the cooling fluid, which flows through a separate inlet in the cooling fluid path. Thus, the turbomachine preferably has a parallel connection of the flow path and the cooling fluid path, which unite in front of the fuel cell.
In alternativen vorteilhaften Ausführungen vereinigen sich der Strömungspfad und der Kühlfluidpfad nicht. Dadurch wird das Druckniveau des am radialen Strömungsende verdichteten Arbeitsfluids nicht durch das Kühlfluid abgesenkt; das Kühlfluid muss dadurch nicht gegen den Druck des radialen Strömungsendes gefördert werden. In alternative advantageous embodiments, the flow path and the cooling fluid path do not unite. As a result, the pressure level of the working fluid compressed at the radial flow end is not lowered by the cooling fluid; the cooling fluid need not be promoted against the pressure of the radial flow end.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Axiallagerscheibe der Rückseite des Laufrads zugewandt. Dadurch ist die Axiallagerscheibe bauraumsparend innerhalb der In advantageous developments, the axial bearing disk faces the rear side of the rotor wheel. As a result, the thrust washer is space-saving within the
Turbomaschine angeordnet. Weiterhin können im Bereich der Rückseite und der Turbomachine arranged. Furthermore, in the area of the back and the
Axiallagerscheibe dann Maßnahmen zur Axialkraftreduzierung getroffen werden, beispielsweise ein Druckteiler angeordnet werden; dadurch wird die auf die Welle wirkende fluidisch resultierende Axialkraft reduziert und mit ihr auch die in dem Axiallager entstehende Reibwärme. Axiallagerscheibe measures are then taken to Axialkraftreduzierung, for example, a pressure divider are arranged; As a result, the fluidically resulting axial force acting on the shaft is reduced, and with it also the frictional heat generated in the axial bearing.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Lauffläche der Rückseite des Laufrads zugewandt. Die Normalenrichtung der Lauffläche zeigt also auf die Rückseite des Laufrads. In advantageous embodiments, the running surface faces the rear side of the running wheel. The normal direction of the tread thus points to the back of the wheel.
Vorzugsweise erzeugt die Strömungsvorrichtung dabei eine Strömung in dem Preferably, the flow device thereby generates a flow in the
Kühlfluidpfad, welche in Richtung des Laufrads führt. Das Kühlfluid kann dort mit dem Arbeitsfluid vermischt oder getrennt von diesem aus der Turbomaschine geleitet werden. Bevorzugt ist die Strömungsvorrichtung an einer der Lauffläche entgegengesetztenCooling fluid path, which leads in the direction of the impeller. The cooling fluid can be mixed there with the working fluid or separated from it from the turbomachine. Preferably, the flow device is opposite to one of the tread
Gengenseite der Axiallagerscheibe angeordnet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Axiallager nur eine Richtung lagern muss, so dass die Axiallagerscheibe auch nur eine Lauffläche aufweisen muss. Die Rückseite bzw. die Gegenseite der Gengenseite the thrust washer arranged. This is particularly advantageous if the thrust bearing only needs to support one direction, so that the thrust washer must have only one tread. The back or the opposite side of
Axiallagerscheibe weist dementsprechend Bauraum für eine weitere Funktion, nämlich die zur Kühlung auf. Weiterhin ist es dadurch möglich den Kühlfluidpfad sehr effizient in Richtung des Laufrads strömen zu lassen, nämlich im Querschnitt U-förmig um die Axiallagerscheibe herum. Axiallagerscheibe has accordingly space for a further function, namely that for cooling. Furthermore, this makes it possible to flow the cooling fluid path very efficiently in the direction of the impeller, namely in a U-shaped cross-section around the axial bearing disk.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Strömungsvorrichtung mehrere Schaufeln. Vorzugsweise umfasst die Strömungsvorrichtung drei bis sechs Schaufeln. Die Schaufeln können dabei gerade, aber auch gekrümmt ausgeführt sein. Bevorzugt sind die Schaufeln in Drehrichtung konkav gekrümmt, so dass eine sehr vorteilhafte Strömung nach radial außen erzeugt wird. Der Kühlfluidpfad läuft somit radial um die Axiallagerscheibe herum, im Schnitt betrachtet in einer U-Form. In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Laufrad als Verdichter ausgeführt, wobei das axiale Strömungsende den Strömungseingang und das radiale Strömungsende den Strömungsausgang des Strömungspfads darstellt. Der Verdichter weist dabei In advantageous embodiments, the flow device comprises a plurality of blades. Preferably, the flow device comprises three to six blades. The blades can be made straight, but also curved. The blades are preferred curved concavely in the direction of rotation, so that a very advantageous flow is generated radially outward. The cooling fluid path thus passes radially around the thrust washer, when viewed in section in a U-shape. In advantageous developments, the impeller is designed as a compressor, wherein the axial flow end represents the flow input and the radial flow end represents the flow output of the flow path. The compressor points
vorzugsweise eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung auf. Insbesondere bei Verwendung in einem Brennstoffzellensystem ist dies eine sehr effiziente Ausführung einer Turbomaschine. Preferably, an electromagnetic drive device. In particular, when used in a fuel cell system, this is a very efficient embodiment of a turbomachine.
Vorteilhafterweise liegt die Antriebsvorrichtung in dem Kühlfluidpfad, vorzugsweise stromaufwärts der Strömungsvorrichtung. Insbesondere bei einer elektromagnetischen Antriebsvorrichtung wird dadurch nicht nur die Reibwärme aus der Antriebsvorrichtung abgeführt, sondern auch der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung erhöht, was den Wirkungsgrad der gesamten Turbomaschine verbessert. Dazu muss nicht die gesamte Antriebsvorrichtung in dem Kühlfluidpfad angeordnet sein, sondern der Kühlfluidpfad so gestaltet sein, dass er eine möglichst große Wärmemenge durch das Kühlfluid aus der Antriebsvorrichtung abführen kann. Dazu kann der Kühlfluidpfad beispielsweise zwischen einem Rotor und einem Stator der Antriebsvorrichtung hindurch führen. Advantageously, the drive device is located in the cooling fluid path, preferably upstream of the flow device. In particular, in an electromagnetic drive device, not only the frictional heat is removed from the drive device, but also increases the efficiency of the drive device, which improves the efficiency of the entire turbomachine. For this purpose, not the entire drive device must be arranged in the cooling fluid path, but the cooling fluid path must be designed so that it can dissipate the largest possible amount of heat through the cooling fluid from the drive device. For this purpose, the cooling fluid path may, for example, pass between a rotor and a stator of the drive device.
In bevorzugten Ausführungen ist die Welle mittels zumindest eines Radiallagers gelagert. Das Radiallager liegt in dem Kühlfluidpfad, so dass auch das Radiallager effektiv gekühlt oder sogar zusätzlich geschmiert wird. Verschleiß und potenzielle Kavitationserosion in dem Radiallager werden dadurch minimiert bzw. vermieden. Die Welle kann auch mittels zweier Radiallager radial gelagert sein. Vorteilhafterweise sind dann beide Radiallager in dem Kühlfluidpfad angeordnet. Auch hier muss nicht das gesamte Radiallager in dem Kühlfluidpfad angeordnet sein, sondern der Kühlfluidpfad so gestaltet sein, dass das Kühlfluid eine möglichst große Wärmemenge aus dem Radiallager abführen kann. Dazu kann der Kühlfluidpfad beispielsweise zwischen einer Lagerhülse des Radiallagers und der Welle hindurch führen. In preferred embodiments, the shaft is supported by means of at least one radial bearing. The radial bearing is located in the cooling fluid path, so that the radial bearing is effectively cooled or even lubricated. Wear and potential cavitation erosion in the radial bearing are thereby minimized or avoided. The shaft can also be supported radially by means of two radial bearings. Advantageously, then both radial bearings are arranged in the cooling fluid path. Again, not the entire radial bearing must be arranged in the cooling fluid path, but the cooling fluid path be designed so that the cooling fluid can dissipate the largest possible amount of heat from the radial bearing. For this purpose, the cooling fluid path may, for example, pass between a bearing sleeve of the radial bearing and the shaft.
In vorteilhaften Verwendungen ist die Turbomaschine in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die Turbomaschine ist dazu als Turbokompressor bzw. das Laufrad als Verdichter ausgeführt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines 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 In advantageous uses, the turbomachine is arranged in a fuel cell system. The turbomachine is designed as a turbo compressor or the impeller as a compressor. The fuel cell system includes a fuel cell, an air supply pipe for supplying an oxidant into the fuel cell, and an exhaust pipe for discharging the oxidizer from the fuel cell. The compressor is arranged in the air supply line. The air supply line serves to the inflow of the working fluid or oxidant in the fuel cell, and the exhaust pipe is used to remove the oxidant or the reacted
Oxidationsmittels bzw. einem Gemisch daraus aus der Brennstoffzelle. Der Oxidizing agent or a mixture thereof from the fuel cell. The
Turbokompressor ist gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen gestaltet. Vorzugsweise ist das Laufrad dabei als Radialläufer ausgeführt und Kühlfluidpfad und Strömungspfad sind parallel geschaltet und münden in einem gemeinsamen Auslass ineinander. Als Oxidationsmittel und als Kühlfluid wird bevorzugt die Umgebungsluft verwendet. Die Kühlung möglichst vieler Komponenten der Turbomaschine erhöht deren Effizienz und Lebensdauer.  Turbocompressor is designed according to one of the embodiments described above. Preferably, the impeller is designed as a radial runner and cooling fluid path and flow path are connected in parallel and open into one another in a common outlet. As the oxidizing agent and the cooling fluid, the ambient air is preferably used. The cooling of as many components of the turbomachine increases their efficiency and service life.
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 derIn 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. Vorteilhafterweise ist dabei die Abgasleitung von dem Kühlfluidpfad getrennt, so dass dem Kühlfluidpfad kein Drive device for the turbo compressor reduced. Advantageously, while the exhaust pipe is separated from the cooling fluid path, so that the cooling fluid path no
aufgeheiztes Medium zugeführt wird. Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine heated medium is supplied. The fuel cell system may preferably be adapted to a
Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Drive drive device of a motor vehicle.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen 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. Es zeigen: schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer als Turbokompressor ausgeführten Turbomaschine aus dem Stand der Technik, schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. eine Draufsicht auf eine Axiallagerscheibe, wobei nur die wesentlichen Bereiche 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. Show it: 1 schematically shows a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown. schematically a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown. a plan view of a thrust washer, 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. 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.
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 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. Motor vehicle on.
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. Fig.2 zeigt schematisch einen Längsschnitt einer 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. 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 of a drive device 20 electrically driven. 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 shows schematically a longitudinal section of a turbomachine 10, 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. Auf seiner Vorderseite 15a ist das Laufrad 15 mit dem Druck des Arbeitsfluids Flow end 17 radially out of the impeller 15. On its front side 15a, the impeller 15 is at the pressure of the working fluid
beaufschlagt. Dabei ist dieser Druck nicht konstant, sondern steigt vom applied. This pressure is not constant, but rises from
Innendurchmesser zum Außendurchmesser an; dies gilt für den Einsatz der Inner diameter to the outer diameter on; this applies to the use of
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. Die Rückseite 15b des Laufrads 15 ist dabei konstant mit dem hohen Druck des radialen Strömungsendes 17 beaufschlagt. Es ergibt sich daraus also eine resultierende fluidische Kraft auf das Laufrad 15, welche in der Fig.2 nach links wirkt. Durch verschiedene Maßnahmen kann diese Axialkraft reduziert werden. Jedoch ist dennoch ein Axiallager 35 erforderlich. Das Axiallager 35 umfasst eine auf der Welle 14 angeordnete 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 35 auf, die mit einer Lagerfläche 86 zusammenwirkt, welche in der Ausführung der Fig.2 an einem Gehäuse 8 der Turbomaschine 10 ausgebildet ist. Das Gehäuse 8 kann dabei auch mehrteilig ausgeführt sein bzw. die Lagerfläche 86 kann an einem weiteren mit dem Gehäuse 8 verbundenen Bauteil ausgebildet sein. Turbomachine 10 both as a turbocompressor and as a 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 first embodiment Turbo Compressor. The rear side 15b of the impeller 15 is constantly acted upon by the high pressure of the radial flow end 17. This results in a resulting fluidic force on the impeller 15, which acts in FIG. 2 to the left. Through various measures, this axial force can be reduced. However, a thrust bearing 35 is still required. The thrust bearing 35 comprises an axial bearing washer 30 arranged on the shaft 14. The axial bearing washer 30 can be pressed onto the shaft 14, for example, or, as shown in FIG. 2, by means of a nut 49 with the impeller 15 interposed against a shoulder of the shaft 14 be tense. The thrust bearing 30 has a preferably hardened and ground running surface 31 for the thrust bearing 35, which cooperates with a bearing surface 86, which is formed in the embodiment of Figure 2 on a housing 8 of the turbomachine 10. The housing 8 can also be designed in several parts or the bearing surface 86 may be formed on another connected to the housing 8 component.
Vorzugsweise ist die Turbomaschine 10 so ausgeführt, dass die fluidisch resultierende Axialkraft immer in einer Richtung wirkt, also keine Vorzeichenumkehr erfährt. Preferably, the turbomachine 10 is designed so that the fluidically resulting axial force always acts in one direction, so undergoes no sign reversal.
Demzufolge ist auch lediglich eine Lagerfläche 86 erforderlich, da in der Consequently, only one bearing surface 86 is required because in the
entgegengesetzten Richtung keine Axiallagerung nötig ist. opposite direction no axial bearing is necessary.
Die Antriebsvorrichtung 20 der als Turbokompressor ausgeführten Turbomaschine 10 ist als Elektromotor ausgeführt, zwischen dem Verdichter 1 1 und der Abgasturbine 13 angeordnet 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 dem 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 Radiallagers 41 , 42 drehbar gelagert. Die Antriebsvorrichtung 20 ist zwischen den beiden Radiallagern 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 turbomachine 10 embodied as a turbocompressor is designed as an electric motor, arranged between the compressor 11 and the exhaust gas turbine 13 and comprises a rotor 21 and a stator 22. The rotor 21 is likewise arranged on the shaft 14. The stator 22 is stationarily positioned in the only 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 radial bearing 41, 42. The drive device 20 is positioned between the two radial 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.
Erfindungsgemäß weist nun die Axiallagerscheibe 30 an einer der Lauffläche 31 abgewandten Gegenseite 32 eine Strömungsvorrichtung 50 auf. Die According to the invention, the axial bearing disk 30 now has a flow device 50 on a counter side 32 facing away from the running surface 31. The
Strömungsvorrichtung 50 ist dazu ausgebildet, kühles, nicht verdichtetes Arbeitsfluid von einem dem Laufrad 15 entfernten Bereich der Turbomaschine 10 derart anzusaugen, dass dadurch die beiden Radiallager 41 , 42 und die Antriebsvorrichtung 20 gekühlt werden. Flow device 50 is designed to suck cool, non-compressed working fluid from a region of turbomachine 10 remote from impeller 15 in such a way that that thereby the two radial bearings 41, 42 and the drive device 20 are cooled.
Dazu zeigt Fig.3 schematisch einen Schnitt durch eine Turbomaschine 10 mit einem skizzierten Kühlfluidpfad 60. Der Kühlfluidpfad 60 führt von einem in dem Gehäuse 8 ausgebildeten Einlass 81 über die beiden Radiallager 41 , 42, die Antriebsvorrichtung 20 und die Axiallagerscheibe 30 zu einem ebenfalls in dem Gehäuse 8 ausgebildeten Auslass 82. Der Einlass 81 ist benachbart zu dem Verdichterrad 13a ausgebildet, soll vorzugsweise aber nicht das dort durchströmende Arbeitsfluid aufnehmen. Der Auslass 82 ist am anderen Ende der Welle 14 benachbart zu dem radialen Strömungsende 17 des Laufrads 15 ausgebildet. Dort kann sich das Kühlfluid, welches den Kühlfluidpfad 60 durchströmt hat, mit dem durch das Laufrad 15 verdichteten Arbeitsfluid, welches aus dem radialen Strömungsende 17 ausströmt, vermischen, oder aber getrennt von diesem aus der Turbomaschine 10 geführt werden. 3 shows a section through a turbomachine 10 with a sketched cooling fluid path 60. The cooling fluid path 60 leads from an inlet 81 formed in the housing 8 via the two radial bearings 41, 42, the drive device 20 and the thrust washer 30 to one another The inlet 81 is formed adjacent to the compressor wheel 13 a, but preferably should not receive the working fluid flowing through it. The outlet 82 is formed at the other end of the shaft 14 adjacent to the radial flow end 17 of the impeller 15. There, the cooling fluid, which has flowed through the cooling fluid path 60, with the compressed by the impeller 15 working fluid, which flows out of the radial flow end 17, mix, or be performed separately from this from the turbomachine 10.
Die Strömungsvorrichtung 50 weist vorzugsweise mehrere Schaufeln auf. Dazu zeigt Fig.4 eine Draufsicht auf die Gegenseite 32 der Axiallagerscheibe 30. An der Gegenseite 32 sind sechs gekrümmte Schaufeln 51 angeordnet. Bei Drehung der Welle 14 - und mit ihr der Axiallagerscheibe 30 - wird durch die Schaufeln 51 ein Luftstrom bzw. Strom des Kühlfluids von radial innen nach radial außen erzeugt. Dementsprechend wird das Kühlfluid um die Axiallagerscheibe 30 - im Schnitt der Fig.3 als U-Form zu sehen - herumgelenkt, und gelangt dadurch auf die Seite der Lauffläche 31 bzw. der Lagerfläche 86, und von dort weiter zum Auslass 82, wo es sich in Weiterbildungen der Erfindung mit dem durch das Laufrad 15 verdichteten Arbeitsfluid vermischen kann. The flow device 50 preferably has a plurality of blades. FIG. 4 shows a plan view of the opposite side 32 of the axial bearing disk 30. Six curved blades 51 are arranged on the opposite side 32. Upon rotation of the shaft 14 - and with it the thrust washer 30 - is generated by the blades 51, an air flow or flow of the cooling fluid from radially inward to radially outward. Accordingly, the cooling fluid around the thrust washer 30 - seen in the section of Figure 3 as a U-shape - deflected, and thereby passes to the side of the tread 31 and the bearing surface 86, and from there to the outlet 82, where it in further developments of the invention can mix with the compressed by the impeller 15 working fluid.
Die Schaufeln 51 in der Ausführung der Fig.4 weisen eine gekrümmte Form auf, können alternativ aber auch eine gerade Form aufweisen. The blades 51 in the embodiment of Figure 4 have a curved shape, but may alternatively have a straight shape.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Turbomaschine 10, insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 1 ist wie folgt: The mode of operation of the turbomachine 10 according to the invention, in particular for use in a fuel cell system 1, is as follows:
Um die Brennstoffzelle 2 betreiben zu können, muss einerseits der Brennstoff sowie auch das Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft aus der Umgebung, bereitgestellt werden. Auf der von der Antriebsvorrichtung 20 angetriebenen, rotierenden Welle 14 ist das Laufrad 15 angebracht, das den benötigten Luftmassenstrom durch die Luftzuführungsleitung 3 in Richtung der Brennstoffzelle 2 fördert. Zur Lagerung der Welle 14 sind in der Turbomaschine 10 Lagerstellen vorgesehen, nämlich vorzugsweise die zwei Radiallager 41 , 42 und das Axiallager 35. Die in den Lagern 35, 41 , 42 entstehende Reibungswärme muss durch eine geeignete Kühlung abgeführt werden. Hierzu eignet sich beispielsweise Luft, die durch die Turbomaschine 10 geleitet wird. In order to operate the fuel cell 2, on the one hand, the fuel and the oxidizing agent, preferably air from the environment, must be provided. On the driven by the drive device 20, rotating shaft 14, the impeller 15 is mounted, which promotes the required air mass flow through the air supply line 3 in the direction of the fuel cell 2. For storage of the shaft 14 are in the Turbomachine 10 bearings provided, namely preferably the two radial bearings 41, 42 and the thrust bearing 35. The resulting in the bearings 35, 41, 42 frictional heat must be dissipated by a suitable cooling. For this purpose, for example, air, which is passed through the turbomachine 10 is suitable.
Um diesen Kühlluftstrom zu optimieren soll nun erfindungsgemäß nicht die bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad 15 verwendet werden, sondern aus der entgegengesetzten Richtung gekühlte, unverdichtete Luft angesaugt werden, so dass die Kühlung effektiver wird. Dazu weist die Axiallagerscheibe 30 auf der Gegenseite 32 Schaufeln 51 auf. Dadurch ist es möglich, Frischluft aus der Umgebung durch den Einlass 81 anzusaugen und durch die Turbomaschine 10 zu leiten. In order to optimize this cooling air flow, according to the invention, the already heated, compressed air from the impeller 15 should not be used, but cooled, uncompressed air should be sucked in from the opposite direction, so that the cooling becomes more effective. For this purpose, the thrust washer 30 on the opposite side 32 blades 51. This makes it possible to suck in fresh air from the environment through the inlet 81 and to guide it through the turbomachine 10.
Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile: - Bereits aufgeheizte Luft des Verdichters 1 1 bzw. Laufrads 15 muss nicht zur Kühlung der Turbomaschine 10 verwendet werden. This results in the following advantages: Already heated air of the compressor 1 1 or impeller 15 need not be used for cooling the turbomachine 10.
- Entkopplung der für die Brennstoffzelle 2 vorgesehenen Luftmenge von der  - Decoupling the intended for the fuel cell 2 amount of air from the
Kühlluftmenge.  Amount of cooling air.
- Wirkungsgradverbesserung der Turbomaschine 10.  - Improvement in the efficiency of the turbomachine 10.

Claims

Ansprüche 1 . Turbomaschine (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1 ), mit einer Welle (14), einem Laufrad (15) und einer Axiallagerscheibe (30), wobei das Laufrad (15) und die Axiallagerscheibe (30) auf der Welle (14) angeordnet sind, wobei an der Axiallagerscheibe (30) eine Lauffläche (31 ) zur axialen Lagerung ausgebildet ist, wobei die Lauffläche (31 ) mit einer korrespondierenden Lagerfläche (86) ein Claims 1. Turbomachine (10), in particular for a fuel cell system (1), having a shaft (14), an impeller (15) and a thrust washer (30), the impeller (15) and the thrust washer (30) being mounted on the shaft (14). are arranged, wherein on the Axiallagerscheibe (30) has a running surface (31) is formed for axial mounting, wherein the running surface (31) with a corresponding bearing surface (86) a
Axiallager (35) bildet,  Thrust bearing (35) forms,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
an der Axiallagerscheibe (30) eine Strömungsvorrichtung (50) angeordnet ist, wobei die Strömungsvorrichtung (50) in einem Kühlfluidpfad (60) liegt.  a flow device (50) is arranged on the axial bearing disk (30), wherein the flow device (50) lies in a cooling fluid path (60).
2. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1 2. Turbomachine (10) according to claim 1
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Laufrad (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 Strömungsende (17) umfasst.  the impeller (15) is designed as a radial runner, wherein the impeller (15) on its front side (15a) by 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 flow end (17).
3. Turbomaschine (10) nach Anspruch 2 3. Turbomachine (10) according to claim 2
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Kühlfluidpfad (60) und das radiale Strömungsende (17) in einen Auslass (82) münden.  the cooling fluid path (60) and the radial flow end (17) open into an outlet (82).
4. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 4. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 3
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Axiallagerscheibe (30) der Rückseite (15b) des Laufrads (15) zugewandt ist.  the thrust washer (30) faces the rear side (15b) of the impeller (15).
5. Turbomaschine (10) nach Anspruch 4 5. turbomachine (10) according to claim 4
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Lauffläche (31 ) der Rückseite (15b) des Laufrads (15) zugewandt ist.  the running surface (31) faces the rear side (15b) of the impeller (15).
6. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 6. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 5
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsvorrichtung (50) an einer der Lauffläche (31 ) entgegengesetzten Gengenseite (32) der Axiallagerscheibe (30) angeordnet ist. characterized in that the flow device (50) is arranged on a gene side (32) of the axial bearing disk (30) opposite the running surface (31).
7. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 7. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 6
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Strömungsvorrichtung (50) mehrere Schaufeln (51 ) umfasst.  the flow device (50) comprises a plurality of blades (51).
8. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 8. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 7
dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (15) als Verdichter (1 1 ) mit einer Antriebsvorrichtung (20) ausgeführt ist, wobei das axiale Strömungsende (18) den characterized in that the impeller (15) as a compressor (1 1) with a drive device (20) is executed, wherein the axial flow end (18) the
Strömungseingang und das radiale Strömungsende (17) den Strömungsausgang des Strömungspfads (16) darstellen. Flow input and the radial flow end (17) represent the flow output of the flow path (16).
9. Turbomaschine (10) nach Anspruch 8 9. turbomachine (10) according to claim 8
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Antriebsvorrichtung (20) in dem Kühlfluidpfad (60) liegt, vorzugsweise  the drive device (20) lies in the cooling fluid path (60), preferably
stromaufwärts der Strömungsvorrichtung (50).  upstream of the flow device (50).
10. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 10. Turbomachine (10) according to one of claims 1 to 9
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Welle (14) mittels zumindest eines Radiallagers (41 , 42) gelagert ist und dass das Radiallager (41 , 42) in dem Kühlfluidpfad (60) liegt.  the shaft (14) is supported by means of at least one radial bearing (41, 42) and that the radial bearing (41, 42) lies in the cooling fluid path (60).
1 1 . Brennstoffzellensystem (1 ) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer1 1. Fuel cell system (1) with a fuel cell (2), an air supply line (3) for supplying an oxidizing agent in the fuel cell (2) and a
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 10 aufweist, wobei das Laufrad (15) als Verdichter (1 1 ) ausgeführt ist und wobei der Verdichter (1 1 ) in der Exhaust line (4) for discharging the oxidizing agent from the fuel cell (2), characterized in that the fuel cell system (1) comprises a turbomachine (10) according to one of claims 1 to 10, wherein the impeller (15) as a compressor (1 1) is executed and wherein the compressor (1 1) in the
Luftzuführungsleitung (3) angeordnet ist.  Air supply line (3) is arranged.
12. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 1 , 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. 12. The fuel cell system (1) according to claim 11, 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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