WO2019057446A1 - Detection of compressor instability on the basis of the axial position of the compressor shaft and a temperature - Google Patents

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WO2019057446A1
WO2019057446A1 PCT/EP2018/073034 EP2018073034W WO2019057446A1 WO 2019057446 A1 WO2019057446 A1 WO 2019057446A1 EP 2018073034 W EP2018073034 W EP 2018073034W WO 2019057446 A1 WO2019057446 A1 WO 2019057446A1
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WO
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turbomachine
compressor
shaft
temperature
distance sensor
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Application number
PCT/EP2018/073034
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Fabian BRANDL
Simon Grilc
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F04D27/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D27/0261Surge control by varying driving speed
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2270/30Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/303Temperature
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a method of operating a turbomachine. Further, the technology disclosed herein relates to a turbomachine, such as a compressor. Compressors are used to increase performance in internal combustion engines and in
  • Fuel cell systems used Depending on the load requirement, the amount of air and / or boost pressure should be able to be varied. Will the
  • this safety range is represented by an operation with a certain distance to the surge line (English: surge line).
  • surge line Industry: surge line.
  • the detection of the sizes brings a certain inaccuracy with it. Consequently, the safety margin to the surge line must be relatively large. This limits the possible operating range of the turbomachine.
  • operation near the surge line is also desired depending on the application. So there is a desire to operate the compressor near the surge limit or to design the safety distance to the surge limit as small as possible.
  • the technology disclosed herein relates to a turbomachine to
  • the turbomachine is in particular designed to convey air to an energy converter, in particular to at least one fuel cell.
  • the turbomachine may in particular be an air-bearing turbocompressor, turbocompressor or centrifugal compressor.
  • the compressor has a working speed range from about 15,000 rpm to about 170,000 rpm, and more preferably from about 20,000 rpm to about 130,000 rpm.
  • Turbomachine can be set up in particular via a
  • the turbomachine preferably comprises a compressor unit with at least one compressor wheel and / or a turbine unit with at least one turbine wheel.
  • the compressor wheel is set up to convey the air to be compressed.
  • the turbine wheel is set up, the falling of the internal energy from the incoming gas into mechanical power (here torque times
  • the turbine wheel is designed as a Abgasturbinenrad.
  • the turbine wheel is particularly adapted to expand incoming gas.
  • the turbomachine preferably comprises a compressor wheel and a turbine wheel.
  • the compressor wheel and the turbine wheel are also referred to as impeller. If the term “impeller” is mentioned below, then the im
  • the at least one impeller is useful with a wave of
  • Turbomachine rotatably coupled, for example via a shaft-hub connection, gluing or any other suitable connection.
  • the at least one impeller is i.d.R. circular and concentric with the central axis of the shaft.
  • the impeller and the shaft are arranged coaxially with each other.
  • the impeller may be used on its impeller front or impeller outer side or front side of the impeller (hereinafter for the purposes of convenience of description: “front of the impeller” or in general)
  • the rear of the wheel or the inner side of the wheel or rear side (for the sake of simplification, the following is used for all terms: “rear of the wheel” or generally “rear") is the rear of the wheel.
  • the front may be configured to suck air axially and convey it into the compressor housing, thereby compressing the intake air.
  • the front side can be configured to allow gas to flow out axially into the turbine housing, in particular radially, wherein in the turbine unit the gas expands and the shaft is driven.
  • the turbomachine disclosed here may comprise at least one electric drive, the rotor of which is rotatably connected to the shaft.
  • the drive is set up to supply the energy converter with sufficient air.
  • Any suitable motor may be used, e.g.
  • the at least one energy converter is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy, for example electrical energy and / or kinetic energy.
  • the energy converter for example, an internal combustion engine or a
  • the turbomachine disclosed herein may further include at least one distance sensor.
  • Distance sensors as such are known.
  • the distance sensor may be an optical distance sensor.
  • the distance sensor may be configured to be an actual axial one
  • the distance sensor is capable of generating a signal or value that is indicative of the axial position change of the shaft.
  • the at least one value can be, for example, a signal of a distance sensor which represents the detected / measured distance between the distance sensor and the end face of the impeller or of the shaft.
  • the distance sensor is particularly adapted to detect dynamic change in position of the shaft, such as vibrations or ornaments.
  • the at least one distance sensor is preferably arranged in the compressor intake duct and / or in the turbine outlet of the turbomachine. Preferably, the at least one distance sensor is in
  • the distance sensor can also be arranged slightly offset axially, without any noticeable influence on the flow distribution in and / or turbine outlet Such a configuration is particularly space-saving and enables a precise detection of the axial displacements the wave.
  • the system disclosed here expediently also comprises at least one control unit.
  • the control unit is u.a. set up to perform the process steps disclosed herein.
  • the controller based on provided signals, the actuators of the system at least partially and preferably fully regulate (engl, closed loop control) or control (engl, open loop control).
  • the control unit can influence at least the fuel cell system, in particular the
  • control unit may also be integrated in another control unit, for example in one higher-level control unit.
  • the controller can with more
  • Control units of the motor vehicle interact.
  • the controller may be configured to detect the at least one value that is indicative of the axial position change of the shaft of the turbomachine, which is coupled to the at least one compressor wheel of the turbomachine. Furthermore, the control unit can be set up to change the at least one operating parameter of the turbomachine, if, based on the at least one value, it has been detected that the turbomachine is operated in the unstable operating state.
  • the technology disclosed herein includes a method for operating the turbomachine.
  • the method comprises the steps:
  • Compressor pump is operated in unstable operating condition.
  • the at least one operating parameter is in particular one of the following operating parameters: pressure ratio of the turbomachine, air flow rate through the compressor wheel and / or rotational speed of the shaft.
  • An unstable operating condition in the technology disclosed herein is an operating condition in which compressor pumps occur; i.e. it will occur
  • Turbomachine is transferred from the unstable operating condition in the stable operating condition, for example by
  • the method disclosed herein may further comprise the step of detecting at least one speed value indicative of the speed of the shaft of the turbomachine.
  • the speed value is preferably taken into account.
  • at least a plurality of rotational speed values are in each case in the stable operating state
  • Oscillation value recorded and stored which is indicative of the dynamic position changes of the shaft (especially in the axial direction), resulting from the imbalance of the shaft including rotating parts.
  • the method disclosed herein may further comprise the step of comparing the stored vibration values with currently detected values, and assuming an unstable operating condition if the Difference between currently recorded values and stored values
  • Vibration values is greater than a threshold value.
  • the method disclosed herein may further include the steps of:
  • Compressor is measured that a return flow due to compressor pumps of already (more) compressed and heated air in the compressor housing of the turbomachine using a
  • Comparison resulting deviation for example, the temperature difference.
  • the method may further include the step of selecting the maximum allowable limit deviation (limit temperature difference) such that there will be backflow in the compressor housing, but this
  • the technology disclosed herein relates, inter alia. a method for the detection of compressor pumps and a correspondingly formed turbomachine, in which / a temperature sensor / thermocouple may be arranged in the compressor intake region, preferably in the
  • the air temperature in the intake silencer may be measured (e.g., via a hot film air mass meter).
  • the temperature in the compressor intake area during normal operation i.e., steady state
  • Compressor wheel leads.
  • the measured temperature in the intake area increases.
  • a difference is formed between the temperature in the AGD and the intake temperature. If it comes to compressor pumping, the calculated difference value changes significantly.
  • an optical sensor may be provided, which may preferably be mounted centrally in the intake area of the compressor at the level of the shaft end side. This sensor may preferably optically detect the distance to the shaft.
  • Optical measuring methods for distance measurements are familiar to the person skilled in the art. Is it now? Compressor pumps cause vibrations, which cause the shaft to pulsate axially. About the distance measurement, this pulsation can be reliably detected. It should be noted that under normal dynamic operating conditions, the shaft also "works" axially.
  • the turbomachine may comprise an electric drive. If the turbomachine
  • the speed can also be determined based on the engine speed.
  • An indicative of the speed of the shaft or the motor signal / value can also be used as input for a detection of the dynamic operation.
  • a spread in the surge margin can be corrected. Due to tolerances in the manufacturing and the components (in particular with regard to the compressor column), the actual compressor pumping may occur at operating points that are not on the characteristic surge line. This scattering is taken into account in previously known solutions by a greater safety distance.
  • a method can be provided in which the turbomachine is taught, in particular by one of the methods disclosed herein for detecting compressor pumps, in particular by the temperature adjacent to the compressor downstream of the compressor is determined and this example with a
  • Reference air temperature (eg the air temperature at the air filter) is compared.
  • Suction range increases before the limit of the surge limit is reached.
  • Advantageously, by teaching the distance to the surge limit can be reduced, which allows a better operation of the turbomachine.
  • the compressor can be operated at different operating points during learning, until a return flow in the compressor housing or in the intake of the compressor is detected.
  • the compressor is operated during training under normalized conditions.
  • the method comprises the step of determining the operating range (s)
  • Operating parameters e.g., speed, pressure, pressure ratio, backpressure or wastegate setting, etc.
  • an exact, permissible operating range can thus be determined individually for each compressor.
  • the stored values can be applied to any other operating condition (e.g., summer / winter;
  • Anlindamine can also be a possible damage or wear / tear
  • Operating state can alternatively be used as a redundant system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a
  • Fig. 1 shows an energy converter 300, here as
  • Fuel cell stack 300 is formed with a plurality of fuel cells.
  • the fuel cell stack 300 is schematically divided into a cathode K and an anode A.
  • the structure of such a fuel cell stack 300 is familiar to the person skilled in the art.
  • the anode subsystem includes a
  • Fuel source H2 which provides fuel, eg hydrogen.
  • the pressure in the anode inflow path 215 is reduced before the fuel enters the anode A from the fuel cell stack 300.
  • the anode exhaust gas leaves the fuel cell stack 300 and is at least partially recirculated via the recirculation conveyor 236.
  • the Water separator 232 water is separated from the anode exhaust gas.
  • the turbomachine 500 sucks in air 02 and compresses it.
  • the humidified air passes into the cathode K of the fuel cell stack 300, where the electrochemical reaction takes place with the fuel of the anode A.
  • cathode-side stack shut-off valves 470,480 which may be provided as well as the bypass 460. However, this need not be so. After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 300, the cathode exhaust gas passes through the cathode exhaust path 416 into the environment.
  • the turbomachine 500 shown here comprises a compressor unit 510, which forms the cathode inflow path 415. Furthermore, the turbomachine 500 shown here comprises a turbine unit 520, which forms the (cathode) exhaust path 416 with.
  • the compressor unit 510, the turbine unit 520 and the electric drive 530 are here rigidly connected to one another via a shaft 540.
  • FIG. 2 shows schematically a cross section through a
  • the Turbomachine 500 At one end of the turbomachine, the compressor unit 510 is provided.
  • the compressor unit 510 includes the spiral compressor housing 516 with the volute V510.
  • Compressor unit 510 further includes compressor wheel 512.
  • Compressor wheel 512 has rotating blades on its front side 514.
  • the turbomachine 500 includes a turbine unit 520 having a spiral turbine housing 526 that forms the volute V520.
  • the turbine wheel 522 is arranged here in the turbine housing 526.
  • the turbine wheel 522 has rotor blades 522 on its front side.
  • An axial air bearing of the turbomachine has been omitted here for simplicity.
  • the electric drive machine 530 is arranged in the drive housing 436.
  • the electric drive machine 530 here comprises a stator with
  • Stator plates 532 and a stator winding 534 On the shaft 540, a rotor 535 of the electric drive 530 is further provided here.
  • Coolant channel 537 in drive housing 536 serves to cool the stator.
  • the at least one cooling liquid channel 537 can also serve to cool the at least one air bearing. But there are also other cooling concepts conceivable.
  • a distance sensor 550 and a temperature sensor 560 are provided here.
  • only one of the two sensors can be provided.
  • the temperature sensor 560 is provided here in the wall of the compressor intake passage 518. Similarly, the temperature sensor 560 could also be located slightly further upstream or downstream. Preferably, however, no further than max. 10 cm or preferably max. 5 cm from the front side of the compressor wheel 512. Thus, the temperature sensor can be sufficient precise temperature changes in the compressor housing 510
  • the distance sensor 550 is here coaxial with the longitudinal axis A-A
  • the distance of the shaft can be detected very precisely.
  • This area of the compressor intake passage 518 is a dead center of the flow.
  • the distance sensor 550 is not large
  • the distance sensor 550 can thus be provided in a particularly space-saving. Alternatively, the distance sensor could also be provided at the other end of the shaft or on the front side of the turbine or generally in the turbine outlet 528. The distance sensor 550 is held here by webs 552, which form a centering suspension here.
  • a feature of the technology disclosed herein is singularly described (eg, the turbomachine, the shaft, the operating parameter, the compressor wheel) Energy converter, the / a distance sensor, the / a temperature sensor, etc.) should be at the same time with their plurality disclosed (eg, the at least one turbomachine, the at least one shaft, the at least one operating parameter, the at least one compressor, the at least one energy converter , the at least one distance sensor, the at least one temperature sensor, etc.).

Abstract

The invention relates to a method for operating a turbomachine and to a turbomachine. The method comprises the following steps: i) capturing at least one value indicative of an axial position change of a shaft (540) of the turbomachine (500), which shaft is coupled to at least one compressor wheel (512) of the turbomachine (500); and ii) changing at least one operating parameter of the turbomachine (500) if, on the basis of the at least one value, it was detected that the turbomachine (500) is operated in an unstable operating state.

Description

ERKENNUNG EINER VERDICHTERINSTABILITÄT MITTELS DER AXIALEN POSITION DER VERDICHTERWELLE UND EINER TEMPERATUR  DETECTION OF COMPRESSOR STABILITY BY MEANS OF THE AXIAL POSITION OF THE COMPRESSOR SHAFT AND TEMPERATURE
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie eine Strömungsmaschine, beispielsweise einen Verdichter. Verdichter werden zur Leistungssteigerung bei Verbrennungsmotoren und bei The technology disclosed herein relates to a method of operating a turbomachine. Further, the technology disclosed herein relates to a turbomachine, such as a compressor. Compressors are used to increase performance in internal combustion engines and in
Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Je nach Lastanforderung sollen Luftmenge und/oder Ladedruck variiert werden können. Wird die Fuel cell systems used. Depending on the load requirement, the amount of air and / or boost pressure should be able to be varied. Will the
Strömungsmaschine in ungünstigen Betriebspunkten betrieben, kann dies zum Verdichterpumpen (englisch: surge) führen. Hierbei kommt es zu einem Strömungsabriss an den Verdichterschaufeln, was eine Rückströmung der Luft durch den Verdichter zur Folge hat. Dadurch sinkt das Druckverhältnis und der Verdichter fördert wieder, bis es erneut zum Pumpen kommt. Diese Vorgänge wiederholen sich mehrmals pro Sekunde und verursachen unerwünschte Schwingungen und Pulsationen. Daher wird der Ladedruck aufwändig überwacht und geregelt, wobei ein Sicherheitsbereich definiert wird, der nicht überschritten bzw. unterschritten werden darf. Im Turbomachine operated at unfavorable operating points, this can lead to compressor pumps (English: surge). This results in a stall on the compressor blades, resulting in backflow of air through the compressor. As a result, the pressure ratio decreases and the compressor promotes again until it comes to pumping again. These processes are repeated several times per second and cause unwanted vibrations and pulsations. Therefore, the boost pressure is monitored and regulated consuming, whereby a safety area is defined, which must not be exceeded or fallen below. in the
Pumpenkennfeld ist dieser Sicherheitsbereich durch einen Betrieb mit einem gewissen Abstand zur Pumpgrenze (englisch: surge line) darstellbar. Die Erfassung der Größen bringt eine gewisse Messungenauigkeit mit sich. Folglich muss der Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze relativ groß gewählt werden. Dies schränkt den möglichen Betriebsbereich der Turbomaschine ein. Zudem ist ein Betrieb nahe der Pumpgrenze je nach Anwendung auch gewünscht. Es existiert also ein Bestreben, den Verdichter nahe der Pumpgrenze zu betreiben bzw. den Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze möglichst klein auszulegen. Pump characteristic field, this safety range is represented by an operation with a certain distance to the surge line (English: surge line). The detection of the sizes brings a certain inaccuracy with it. Consequently, the safety margin to the surge line must be relatively large. This limits the possible operating range of the turbomachine. In addition, operation near the surge line is also desired depending on the application. So there is a desire to operate the compressor near the surge limit or to design the safety distance to the surge limit as small as possible.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Erkennung von Verdichterpumpen zu verbessern bzw. einen Kompressor It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed herein to improve the detection of compressor pumps or a compressor
vorzuschlagen, der näher an der Pumpgrenze betreibbar ist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 der unabhängigen to propose, which is closer to the surge limit operable. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of patent claim 1 of the independent
Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Claims. The dependent claims are preferred
Ausgestaltungen dar. Embodiments
Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine zu The technology disclosed herein relates to a turbomachine to
Luftversorgung eines Energiewandlers. Die Strömungsmaschine ist insbesondere eingerichtet, Luft zu einem Energiewandler zu fördern, insbesondere zu mindestens einer Brennstoffzelle. Die Strömungsmaschine kann insbesondere ein luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter bzw. Kreiselverdichter sein. Bevorzugt weist der Verdichter einen Arbeits- Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 20.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Die Air supply of an energy converter. The turbomachine is in particular designed to convey air to an energy converter, in particular to at least one fuel cell. The turbomachine may in particular be an air-bearing turbocompressor, turbocompressor or centrifugal compressor. Preferably, the compressor has a working speed range from about 15,000 rpm to about 170,000 rpm, and more preferably from about 20,000 rpm to about 130,000 rpm. The
Strömungsmaschine kann insbesondere eingerichtet sein, über einen Turbomachine can be set up in particular via a
Energiewandler-Zuströmungspfad Luft mindestens einem Energiewandler eines Kraftfahrzeugs zuzuführen. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine eine Verdichtereinheit mit mindestens einem Verdichterrad und/oder eine Turbineneinheit mit mindestens einem Turbinenrad. Das Verdichterrad ist eingerichtet, die zu verdichtende Luft zu fördern. Energy converter inflow path to supply air to at least one energy converter of a motor vehicle. The turbomachine preferably comprises a compressor unit with at least one compressor wheel and / or a turbine unit with at least one turbine wheel. The compressor wheel is set up to convey the air to be compressed.
Das Turbinenrad ist eingerichtet, das Abfallen der innere Energie vom einströmenden Gas in mechanische Leistung (hier Drehmoment mal The turbine wheel is set up, the falling of the internal energy from the incoming gas into mechanical power (here torque times
Drehzahl) umzuwandeln, die es an die Welle abgibt. Bevorzugt ist das Turbinenrad als Abgasturbinenrad ausgebildet. Das Turbinenrad ist insbesondere eingerichtet, einströmendes Gas zu expandieren. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine ein Verdichterrad und ein Turbinenrad. Speed), which it delivers to the shaft. Preferably, the turbine wheel is designed as a Abgasturbinenrad. The turbine wheel is particularly adapted to expand incoming gas. The turbomachine preferably comprises a compressor wheel and a turbine wheel.
Das Verdichterrad und das Turbinenrad werden auch als Laufrad bezeichnet. Sofern nachstehend der Begriff „Laufrad" angeführt ist, so ist die im The compressor wheel and the turbine wheel are also referred to as impeller. If the term "impeller" is mentioned below, then the im
Zusammenhang mit dem Laufrad beschriebene Technologie gleichsam auf das mindestens eine Verdichterrad und das mindestens eine Turbinenrad anwendbar. As related to the impeller technology described as applicable to the at least one compressor and the at least one turbine wheel.
Das mindestens eine Laufrad ist zweckmäßig mit einer Welle der The at least one impeller is useful with a wave of
Strömungsmaschine drehfest gekoppelt, beispielsweise über eine Welle- Nabe Verbindung, Klebung oder jede andere geeignete Verbindung. Das mindestens eine Laufrad ist i.d.R. kreisrund und konzentrisch zur Mittelachse der Welle angeordnet. Das Laufrad und die Welle sind koaxial zueinander angeordnet. Turbomachine rotatably coupled, for example via a shaft-hub connection, gluing or any other suitable connection. The at least one impeller is i.d.R. circular and concentric with the central axis of the shaft. The impeller and the shaft are arranged coaxially with each other.
Das Laufrad kann an seiner Laufradvorderseite bzw. Laufradaußenseite bzw. Vorderseite des Laufrads (nachstehend für alle Begriffe stellvertretend wird vereinfachend benutzt:„Vorderseite des Laufrads" oder allgemein The impeller may be used on its impeller front or impeller outer side or front side of the impeller (hereinafter for the purposes of convenience of description: "front of the impeller" or in general)
„Vorderseite") Luftleitelemente aufweisen, insbesondere rotierende "Front") have air guide elements, in particular rotating
Leitschaufeln, die nachstehend auch als Laufschaufeln bezeichnet werden. Die Laufradrückseite bzw. Laufradinnenseite bzw. Rückseite (nachstehend für alle Begriffe stellvertretend wird vereinfachend benutzt:„Rückseite des Laufrads" oder allgemein„Rückseite") ist die Rückseite des Laufrads. Die Vorderseite kann eingerichtet sein, axial Luft anzusaugen und in das Verdichtergehäuse zu fördern, wobei dabei die angesaugte Luft verdichtet wird. Die Vorderseite kann eingerichtet sein, in das Turbinengehäuse insbesondere radial einströmendes Gas axial ausströmen zu lassen, wobei in der Turbineneinheit das Gas expandiert und die Welle angetrieben wird. Guide vanes, which are also referred to as blades below. The rear of the wheel or the inner side of the wheel or rear side (for the sake of simplification, the following is used for all terms: "rear of the wheel" or generally "rear") is the rear of the wheel. The front may be configured to suck air axially and convey it into the compressor housing, thereby compressing the intake air. The front side can be configured to allow gas to flow out axially into the turbine housing, in particular radially, wherein in the turbine unit the gas expands and the shaft is driven.
Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann mindestens einen elektrischen Antrieb umfassen, dessen Rotor mit der Welle drehfest verbunden ist. Der Antrieb ist eingerichtet, den Energiewandler mit ausreichend Luft zu versorgen. Jeder geeignete Motor kann hierzu eingesetzt werden, z.B. The turbomachine disclosed here may comprise at least one electric drive, the rotor of which is rotatably connected to the shaft. The drive is set up to supply the energy converter with sufficient air. Any suitable motor may be used, e.g.
permanenterregte Synchronmotoren. permanent-magnet synchronous motors.
Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein The at least one energy converter is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy, for example electrical energy and / or kinetic energy. The energy converter, for example, an internal combustion engine or a
Brennstoffzellensystem/ Brennstoffzellenstapel mit mindestens eine Fuel cell system / fuel cell stack with at least one
Brennstoffzelle sein. Be fuel cell.
Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann ferner mindestens einen Abstandssensor umfassen. Abstandssensoren als solche sind bekannt. Beispielsweise kann der Abstandssensor ein optischer Abstandssensor sein. The turbomachine disclosed herein may further include at least one distance sensor. Distance sensors as such are known. For example, the distance sensor may be an optical distance sensor.
Der Abstandssensor kann eingerichtet sein, eine tatsächliche axiale The distance sensor may be configured to be an actual axial one
Positionsänderungen der Welle direkt oder indirekt zu erfassen. Der To detect position changes of the shaft directly or indirectly. The
Abstandssensor kann insbesondere eingerichtet sein, den Abstand zu der Stirnseite des Laufrads (=indirekte Erfassung) und/oder zur Stirnseite der Welle (=direkte Erfassung) zu bestimmen. Der Abstandssensor ist insbesondere in der Lage, ein Signal bzw. einen Wert zu generieren, der indikativ ist für die axiale Positionsänderung der Welle. Der mindestens eine Wert kann beispielsweise ein Signal eines Abstandssensors sein, das den erfassten/gemessenen Abstand zwischen Abstandssensor und Stirnfläche vom Laufrad bzw. von der Welle repräsentiert. Der Abstandssensor ist insbesondere eingerichtet, dynamische Positionsänderung der Welle, wie beispielsweise Schwingungen oder Verzierungen, zu erfassen. Distance sensor may be arranged in particular, the distance to the Front side of the impeller (= indirect detection) and / or to determine the end face of the shaft (= direct detection). In particular, the distance sensor is capable of generating a signal or value that is indicative of the axial position change of the shaft. The at least one value can be, for example, a signal of a distance sensor which represents the detected / measured distance between the distance sensor and the end face of the impeller or of the shaft. The distance sensor is particularly adapted to detect dynamic change in position of the shaft, such as vibrations or ornaments.
Bevorzugt ist der mindestens eine Abstandssensor in dem Verdichter- Ansaugkanal und/oder in dem Turbinenauslass der Strömungsmaschine angeordnet. Bevorzugt ist der mindestens eine Abstandssensor im The at least one distance sensor is preferably arranged in the compressor intake duct and / or in the turbine outlet of the turbomachine. Preferably, the at least one distance sensor is in
Wesentlichen koaxial zur Welle der Strömungsmaschine angeordnet. Der Begriff „im Wesentlichen koaxial" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Abstandssensor auch leicht axial versetzt angeordnet sein kann, ohne dass dies erkennbaren Einfluss auf Strömungsverteilung im und/oder Turbinenauslass hat. Eine solche Ausgestaltung ist besonders platzsparend und ermöglicht eine präzise Erfassung der Axialverschiebungen der Welle. Essentially arranged coaxially with the shaft of the turbomachine. The term "essentially coaxial" in this context means that the distance sensor can also be arranged slightly offset axially, without any noticeable influence on the flow distribution in and / or turbine outlet Such a configuration is particularly space-saving and enables a precise detection of the axial displacements the wave.
Das hier offenbarte System umfasst zweckmäßig ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl, closed loop control) oder steuern (engl, open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Brennstoffzellensystem beeinflussen, insbesondere das The system disclosed here expediently also comprises at least one control unit. The control unit is u.a. set up to perform the process steps disclosed herein. For this purpose, the controller based on provided signals, the actuators of the system at least partially and preferably fully regulate (engl, closed loop control) or control (engl, open loop control). The control unit can influence at least the fuel cell system, in particular the
Kathodensubsystem, Anodensubsystem und/oder das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Cathode subsystem, anode subsystem and / or the cooling system of the fuel cell system. Alternatively or additionally, the control unit may also be integrated in another control unit, for example in one higher-level control unit. The controller can with more
Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren. Control units of the motor vehicle interact.
Das Steuergerät kann eingerichtet sein, den mindestens einen Wert zu erfassen, der indikativ ist für die axiale Positionsänderung der Welle der Strömungsmaschine, die mit dem mindestens einen Verdichterrad der Strömungsmaschine gekoppelt ist. Ferner kann das Steuergerät eingerichtet sein, den mindestens einen Betriebsparameter der Strömungsmaschine zu verändern, falls basierend auf dem mindestens einen Wert erkannt wurde, dass die Strömungsmaschine im instabilen Betriebszustand betrieben wird. The controller may be configured to detect the at least one value that is indicative of the axial position change of the shaft of the turbomachine, which is coupled to the at least one compressor wheel of the turbomachine. Furthermore, the control unit can be set up to change the at least one operating parameter of the turbomachine, if, based on the at least one value, it has been detected that the turbomachine is operated in the unstable operating state.
Gleichsam umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zum Betrieb der Strömungsmaschine. Das Verfahren umfasst die Schritte: Likewise, the technology disclosed herein includes a method for operating the turbomachine. The method comprises the steps:
- Erfassen von mindestens einem Wert, der indikativ ist für die tatsächlich axiale Positionsänderung einer Welle der Strömungsmaschine, die mit mindestens einem Verdichterrad der Strömungsmaschine gekoppelt ist; und  - detecting at least one value indicative of the actual axial position change of a shaft of the turbomachine coupled to at least one compressor wheel of the turbomachine; and
- Verändern von mindestens einem Betriebsparameter der  Changing at least one operating parameter of the
Strömungsmaschine, falls basierend auf dem mindestens einen Wert erkannt wurde, dass die Strömungsmaschine aufgrund von  Turbomachine, if based on the at least one value has been detected that the turbomachine due to
Verdichterpumpen im instabilen Betriebszustand betrieben wird.  Compressor pump is operated in unstable operating condition.
Der mindestens eine Betriebsparameter ist insbesondere einer der folgenden Betriebsparameter: Druckverhältnis der Strömungsmaschine, Luftdurchsatz durch das Verdichterrad und/oder Drehzahl der Welle. The at least one operating parameter is in particular one of the following operating parameters: pressure ratio of the turbomachine, air flow rate through the compressor wheel and / or rotational speed of the shaft.
Ein instabiler Betriebszustand ist bei der hier offenbarten Technologie ein Betriebszustand, bei dem Verdichterpumpen auftritt; d.h. es treten An unstable operating condition in the technology disclosed herein is an operating condition in which compressor pumps occur; i.e. it will occur
mechanische Schwingungen der Welle auf, die aus RückStrömungen im Verdichter resultieren). Ein solcher instabiler Betriebszustand tritt mechanical vibrations of the shaft arising from return flows in the Compressors result). Such an unstable operating state occurs
beispielsweise ein, falls die Strömungsmaschine jenseits der für die For example, if the turbomachine beyond the for the
Strömungsmaschine charakteristischen Pumpgrenze betrieben wird. Turbomachine characteristic pumping limit is operated.
Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird der mindestens eine According to the method disclosed here, the at least one
Betriebsparameter insbesondere dahingehend verändert, dass die Operating parameters in particular changed so that the
Strömungsmaschine von den instabilen Betriebszustand in den stabilen Betriebszustand überführt wird, beispielsweise durch Turbomachine is transferred from the unstable operating condition in the stable operating condition, for example by
- Verringerung der Drehzahl der Strömungsmaschine; und/oder  - Reduction of the speed of the turbomachine; and or
- Erhöhung des verdichterseitigen Durchsatzes durch Verringerung des Druckverhältnisses der Strömungsmaschine  - Increase of the compressor-side throughput by reducing the pressure ratio of the turbomachine
Wie eine Strömungsmaschine anhand der Kennlinie der Strömungsmaschine in den stabilen Betriebszustand überführt werden kann, ist dem Fachmann geläufig. How a turbomachine on the basis of the characteristic curve of the turbomachine can be converted into the stable operating state, the skilled person is familiar.
Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach mindestens ein Drehzahlwert erfasst wird, der indikativ ist für die Drehzahl der Welle der Strömungsmaschine. The method disclosed herein may further comprise the step of detecting at least one speed value indicative of the speed of the shaft of the turbomachine.
Bevorzugt wird bei der Erkennung vom instabilen Betriebszustand der Drehzahlwert mit berücksichtigt -. Besonders bevorzugt wird im stabilen Betriebszustand zumindest mehreren Drehzahlwerten jeweils ein In the detection of the unstable operating state, the speed value is preferably taken into account. Particularly preferably, at least a plurality of rotational speed values are in each case in the stable operating state
Schwingwert erfasst und abgespeichert, der indikativ ist für das dynamische Positionsveränderungen der Welle (insbesondere in axialer Richtung), die aus der Unwucht der Welle samt drehender Teile resultieren. Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach die gespeicherten Schwingwerte mit aktuell erfassten Werten verglichen werden, und wonach ein unstabiler Betriebszustand angenommen wird, falls die Differenz zwischen aktuell erfassten Werte und abgespeicherten Oscillation value recorded and stored, which is indicative of the dynamic position changes of the shaft (especially in the axial direction), resulting from the imbalance of the shaft including rotating parts. The method disclosed herein may further comprise the step of comparing the stored vibration values with currently detected values, and assuming an unstable operating condition if the Difference between currently recorded values and stored values
Schwingwerten größer ist als ein Schwellwert. Vibration values is greater than a threshold value.
Das hier offenbarte Verfahren kann ferner die Schritte umfassen: The method disclosed herein may further include the steps of:
- (proximales) Erfassen der Temperatur der dem Energiewandler  - (proximal) detecting the temperature of the energy converter
bereitzustellenden Luft, wobei die Temperatur derart benachbart zum Verdichterrad der Strömungsmaschine erfasst stromauf oder im  air to be provided, wherein the temperature so adjacent to the compressor wheel of the turbomachine detected upstream or in
Verdichterrad gemessen wird, dass eine RückStrömung aufgrund von Verdichterpumpen von bereits (stärker) verdichteter und erwärmter Luft im Verdichtergehäuse der Strömungsmaschine anhand einer  Compressor is measured that a return flow due to compressor pumps of already (more) compressed and heated air in the compressor housing of the turbomachine using a
Temperaturerhöhung der Luft erfassbar ist;  Temperature increase of the air is detectable;
- Vergleichen der proximal zum Verdichterrad erfassten Temperatur mit einer distal zum Verdichterrad erfassten Referenztemperatur (z.B. derart beabstandet stromauf vom Verdichterrad, dass dort keine RückStrömung vom Verdichterrad auftreten kann, beispielsweise erfasst durch einen Temperatursensor am Luftfilter); und  Comparing the temperature sensed proximal to the compressor wheel with a reference temperature sensed distally of the compressor wheel (e.g., spaced upstream of the compressor wheel such that there can be no backflow from the compressor wheel, such as sensed by a temperature sensor on the air filter); and
- Verändern der zur Steuerung der Strömungsmaschine tatsächlich zu Grunde gelegten Pumpgrenze in Abhängigkeit von der aus dem  - Changing the actually used for controlling the turbomachine pumping limit as a function of from the
Vergleich resultierenden Abweichung (z.B. der Temperaturdifferenz).  Comparison resulting deviation (for example, the temperature difference).
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach die maximal zulässige Grenzabweichung (Grenztemperaturdifferenz) so gewählt ist, dass es zwar zur Rückströmung im Verdichtergehäuse kommt, aber diese The method may further include the step of selecting the maximum allowable limit deviation (limit temperature difference) such that there will be backflow in the compressor housing, but this
Rückströmung im Wesentlichen keine mechanischen Schwingungen der Welle verursacht. Der Begriff „im Wesentlichen keine" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine Schwingung oder gegebenenfalls Reverse flow causes essentially no mechanical vibrations of the shaft. The term "substantially none" in this context means that no vibration or optionally
vernachlässigbar geringe mechanische Schwingungen auftreten. Vorteilhaft kann somit eine tatsächliche Pumpgrenze spezifisch für jede negligible low mechanical vibrations occur. Advantageously, therefore, an actual surge limit specific to each
Strömungsmaschine im verbauten Zustand der Strömungsmaschine vor dem Betrieb oder während des Betriebs der Strömungsmaschine bestimmt werden. Etwaigen Fertigungstoleranzen oder Bauteiltoleranzen kann somit Rechnung getragen werden. Turbomachine in the installed state of the turbomachine before the Operation or during operation of the turbomachine. Any manufacturing tolerances or component tolerances can thus be taken into account.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie u.a. ein Verfahren zur Erkennung von Verdichterpumpen und eine entsprechend ausgebildete Strömungsmaschine, bei dem/der ein Temperatursensor / Thermoelement im Verdichter-Ansaugbereich angeordnet sein kann, bevorzugt in der In other words, the technology disclosed herein relates, inter alia. a method for the detection of compressor pumps and a correspondingly formed turbomachine, in which / a temperature sensor / thermocouple may be arranged in the compressor intake region, preferably in the
Ansaugluftströmung, und besonders bevorzugt nahe am Verdichterrad angeordnet ist, insbesondere max. 10 cm oder max. 5 cm vom Verdichterrad entfernt. Bevorzugt kann die Lufttemperatur im Ansauggeräuschdämpfer (=AGD) gemessen (z.B. über einen Heißfilm-Luftmassenmesser) werden. Die Temperatur im Verdichter-Ansaugbereich kann beim normalen Betrieb (d.h. im stabilen Zustand) je nach Messgenauigkeit ungefähr den gleichen Wert zeigen wie die Lufttemperatur im AGD bzw. wie einen Referenzwert, wobei kleine Abweichungen zulässig sind. Kommt es nun zum Intake air flow, and particularly preferably arranged close to the compressor wheel, in particular max. 10 cm or max. 5 cm from the compressor wheel. Preferably, the air temperature in the intake silencer (= AGD) may be measured (e.g., via a hot film air mass meter). The temperature in the compressor intake area during normal operation (i.e., steady state) may be about the same as the air temperature in the AGD or as a reference value depending on the measurement accuracy, with small deviations permitted. Is it now?
Verdichterpumpen, so strömt die durch die Verdichtung erhitzte Luft rückwärts durch das Verdichterrad, was zu einer signifikanten Compressor pumps, so heated by the compression air flows backwards through the compressor wheel, resulting in a significant
Temperaturerhöhung (je nach Lastpunkt +10 °C, +20 °C) vor dem Increase in temperature (depending on load point +10 ° C, +20 ° C) before
Verdichterrad führt. Die gemessene Temperatur im Ansaugbereich steigt. Zweckmäßig wird eine Differenz gebildet zwischen der Temperatur im AGD und der Ansaugtemperatur. Kommt es zum Verdichterpumpen, ändert sich der berechnete Differenzwert signifikant. Compressor wheel leads. The measured temperature in the intake area increases. Suitably, a difference is formed between the temperature in the AGD and the intake temperature. If it comes to compressor pumping, the calculated difference value changes significantly.
Alternativ oder zusätzlich zum Temperatursensor kann ein optischer Sensor vorgesehen sein, der bevorzugt im Ansaugbereich des Verdichters zentral auf Höhe der Wellenstirnseite angebracht sein kann. Dieser Sensor kann bevorzugt optisch den Abstand zur Welle erfassen. Optische Messverfahren zur Abstandmessungen sind dem Fachmann geläufig. Kommt es nun zum Verdichterpumpen, so entstehen Vibrationen, welche die Welle auch axial pulsieren lässt. Über die Abstandsmessung kann diese Pulsation zuverlässig erkannt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass unter normalen dynamischen Betriebsbedingungen die Welle ebenfalls axial„arbeitet". Alternatively or in addition to the temperature sensor, an optical sensor may be provided, which may preferably be mounted centrally in the intake area of the compressor at the level of the shaft end side. This sensor may preferably optically detect the distance to the shaft. Optical measuring methods for distance measurements are familiar to the person skilled in the art. Is it now? Compressor pumps cause vibrations, which cause the shaft to pulsate axially. About the distance measurement, this pulsation can be reliably detected. It should be noted that under normal dynamic operating conditions, the shaft also "works" axially.
Vorteilhaft kann daher vorgesehen sein, dass bei der Pumpdetektion Advantageously, it can therefore be provided that in the pump detection
Verhaltensmuster der Welle (insbesondere abhängig von Frequenz, Behavior pattern of the wave (especially depending on frequency,
Pulsation) erfasst bzw. erlernt werden, um Auswirkungen vom dynamischen Betrieb der Strömungsmaschine zu unterscheiden von Auswirkungen, die durch Verdichterpumpen verursacht werden. Hierzu kann ganz allgemein eine Drehzahlerfassung vorgesehen sein. Die Strömungsmaschine kann einen elektrischen Antrieb umfassen. Falls die Strömungsmaschine Pulsation) to distinguish effects from the dynamic operation of the turbomachinery from effects caused by compressor pumps. For this purpose, a speed detection can be provided quite generally. The turbomachine may comprise an electric drive. If the turbomachine
elektrisch angetrieben ist kann die Drehzahl auch anhand der Motordrehzahl bestimmt werden. Ein für die Drehzahl der Welle bzw. des Motors indikatives Signal/Wert kann ebenfalls als Input für eine Erkennung des dynamischen Betriebs herangezogen werden. electrically driven, the speed can also be determined based on the engine speed. An indicative of the speed of the shaft or the motor signal / value can also be used as input for a detection of the dynamic operation.
Alternativ oder Zusätzlich kann gemäß der hier offenbarten Technologie eine Streuung der Pumpgrenze korrigiert werden. Bedingt durch Toleranzen in der Fertigung und den Bauteilen (insbesondere hinsichtlich der Verdichterspalte) kann das tatsächliche Verdichterpumpen an Betriebspunkten auftreten, die nicht auf der charakteristischen Pumpgrenze liegen. Dieser Streuung wird bei vorbekannten Lösungen durch einen größeren Sicherheitsabstand Rechnung getragen. Alternatively or additionally, according to the technology disclosed herein, a spread in the surge margin can be corrected. Due to tolerances in the manufacturing and the components (in particular with regard to the compressor column), the actual compressor pumping may occur at operating points that are not on the characteristic surge line. This scattering is taken into account in previously known solutions by a greater safety distance.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann ein Verfahren vorgesehen sein, bei dem die Strömungsmaschine angelernt wird, insbesondere durch eines der hier offenbarten Verfahren zur Erkennung von Verdichterpumpen, insbesondere indem die Temperatur benachbart zum Verdichterrad stromab vom Verdichterrad ermittelt wird und diese beispielsweise mit einer  According to the technology disclosed herein, a method can be provided in which the turbomachine is taught, in particular by one of the methods disclosed herein for detecting compressor pumps, in particular by the temperature adjacent to the compressor downstream of the compressor is determined and this example with a
Referenzlufttemperatur (z.B. der Lufttemperatur am Luftfilter) verglichen wird. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass bereits die Temperatur im Reference air temperature (eg the air temperature at the air filter) is compared. An advantage of this method is that already the temperature in
Ansaugbereich ansteigt, bevor der Grenzwert der Pumpgrenze erreicht wird. Vorteilhaft kann durch das Anlernen der Abstand zur Pumpgrenze verringert werden, was einen besseren Betrieb der Strömungsmaschine ermöglicht. Suction range increases before the limit of the surge limit is reached. Advantageously, by teaching the distance to the surge limit can be reduced, which allows a better operation of the turbomachine.
Der Verdichter kann beim Anlernen in verschiedenen Betriebspunkten betrieben werden, bis eine RückStrömung im Verdichtergehäuse oder im Ansaugbereich des Verdichters erkannt wird. Bevorzugt wird der Verdichter beim Anlernen unter normierten Bedingungen betrieben. Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt, wonach der Betriebsbereich / die The compressor can be operated at different operating points during learning, until a return flow in the compressor housing or in the intake of the compressor is detected. Preferably, the compressor is operated during training under normalized conditions. Preferably, the method comprises the step of determining the operating range (s)
Betriebsparameter (z.B. Drehzahl, Druck, Druckverhältnis, BackPressure- oder Wastegate Einstellung, etc.) abgespeichert werden. Vorteilhaft kann somit ein exakter, zulässiger Betriebsbereich für jeden Verdichter individuell ermittelt werden. Durch Normierung der Größen können die hinterlegten Werte auf jede andere Betriebsbedingung (z.B. Sommer/Winter; Operating parameters (e.g., speed, pressure, pressure ratio, backpressure or wastegate setting, etc.). Advantageously, an exact, permissible operating range can thus be determined individually for each compressor. By normalizing the quantities, the stored values can be applied to any other operating condition (e.g., summer / winter;
Höhenbetrieb etc.) berechnet werden, bzw. eine Art Neukalibrierung kann in gewissen Abständen erneut erfolgen, hier kann z.B. auch ein Vergleich mit einem vorher ermittelten normierten Wert erfolgen, um z.B. einen möglichen Verdichterschaden / Änderungen der Verdichter-Eigenschaften zu erkennen. Altitude operation, etc.), or a kind of recalibration can be carried out again at certain intervals. also a comparison with a previously determined normalized value is carried out, e.g. to detect possible compressor damage / compressor characteristics changes.
Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass bei einem Betrieb nahe an der Pumpgrenze bereits eine Temperaturerhöhung aufgrund von Rückströmung feststellbar ist, obwohl im Wesentlichen noch keine mechanischen oder akustische Anzeichen für ein Verdichterpumpen (d.h. keine Vibrationen, Pulsationen) erkennbar sind. Diese Rückströmung ist über die Methode „Temperatursensor / Differenztemperatur" bereits erfassbar. Dies kann weitere Vorteile mit sich bringen. Ein Anlernen kann gemäß dem hier offenbarten Verfahren sehr genau erfolgen. Für einen Verdichter kann ein leichtes Vorpumpen als unbedenklich angesehen werden. Das tatsächliche Verdichterpumpen sollte allerdings auch beim Anlernen vermieden werden. Vorteilhaft kann mit dem hier offenbarten Verfahren der Betriebsbereich exakt ermittelt werden, ohne den Verdichter direkt ins starke Pumpen zu versetzen und möglicherweise zu schädigen. Über ein Vergleich der Experiments by the inventors have shown that an operation close to the pumping limit already a temperature increase due to backflow can be determined, although substantially no mechanical or acoustic signs for a compressor pumps (ie, no vibrations, pulsations) are still recognizable. This backflow can already be detected via the "temperature sensor / differential temperature" method, which can bring about further advantages: A learning process can be carried out very precisely according to the method disclosed here but also be avoided when learning. Advantageously, with the method disclosed herein, the operating range can be accurately determined without putting the compressor directly into heavy pumping and possibly damaging it. About a comparison of
Anlernwerte kann auch ein möglicher Schaden bzw. Verschleiß / Anlernwerte can also be a possible damage or wear / tear
Eigenschaftsänderung detektiert werden. Property change can be detected.
Die hier offenbarten Verfahren zur Erfassung von einem instabilen The methods disclosed herein for detecting an unstable
Betriebszustand können alternativ aber auch gleichsam als redundantes System eingesetzt werden. Operating state can alternatively be used as a redundant system.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems; Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system;
und  and
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer  Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a
Strömungsmaschine 500.  Turbomachine 500.
Die Fig. 1 zeigt einen Energiewandler 300, der hier als Fig. 1 shows an energy converter 300, here as
Brennstoffzellenstapel 300 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 300 ist schematisch unterteilt in eine Kathode K und eine Anode A. Der Aufbau eines solchen Brennstoffzellenstapels 300 ist dem Fachmann geläufig. Das Anodensubsystem umfasst eine Fuel cell stack 300 is formed with a plurality of fuel cells. The fuel cell stack 300 is schematically divided into a cathode K and an anode A. The structure of such a fuel cell stack 300 is familiar to the person skilled in the art. The anode subsystem includes a
Brennstoffquelle H2, die Brennstoff bereitstellt, z.B. Wasserstoff. Durch den Druckminderer 21 1 wird der Druck in dem Anodenzuströmungspfad 215 reduziert, bevor der Brennstoff in die Anode A vom Brennstoffzellenstapel 300 gelangt. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 verlässt das Anodenabgas den Brennstoffzellenstapel 300 und wird zumindest teilweise über den Rezirkulationsförderer 236 rezirkuliert. Im Wasserabscheider 232 wird Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden. Durch das Anodenspülventil 238 wird Wasser und Purgegas aus dem Fuel source H2, which provides fuel, eg hydrogen. By the pressure reducer 21 1, the pressure in the anode inflow path 215 is reduced before the fuel enters the anode A from the fuel cell stack 300. After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 300, the anode exhaust gas leaves the fuel cell stack 300 and is at least partially recirculated via the recirculation conveyor 236. in the Water separator 232, water is separated from the anode exhaust gas. Through the anode purge valve 238, water and purge gas from the
Anodensubsystem in die Anodenspülleitung 239 abgelassen. Anodensubsystem drained into the Anodenspülleitung 239.
Die Strömungsmaschine 500 saugt Luft 02 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird im Ladeluftkühler 420 gekühlt und gegebenenfalls weiter stromab im Kathodenzuströmungspfad 415 (= Energiewandler- Zuströmungspfad) durch eine Einrichtung 430 zur Befeuchtung der Luft befeuchtet. Anschließend gelangt die befeuchtete Luft in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300, wo die elektrochemische Reaktion mit dem Brennstoff der Anode A stattfindet. The turbomachine 500 sucks in air 02 and compresses it. The compressed air is cooled in the intercooler 420 and optionally humidified further downstream in the cathode inflow path 415 (= energy converter inflow path) by means 430 for humidifying the air. Subsequently, the humidified air passes into the cathode K of the fuel cell stack 300, where the electrochemical reaction takes place with the fuel of the anode A.
Ferner gezeigt sind kathodenseitige Stapel-Absperrventile 470,480, die ebenso vorgesehen sein können wie der Bypass 460. Dies muss aber nicht so sein. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 gelangt das Kathodenabgas durch den Kathodenabgaspfad 416 in die Umgebung. Further shown are cathode-side stack shut-off valves 470,480, which may be provided as well as the bypass 460. However, this need not be so. After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 300, the cathode exhaust gas passes through the cathode exhaust path 416 into the environment.
Die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 umfasst eine Verdichtereinheit 510, die den Kathodenzuströmungspfad 415 mit ausbildet. Ferner umfasst die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 eine Turbineneinheit 520, die den (Kathoden)abgaspfad 416 mit ausbildet. Die Verdichtereinheit 510, die Turbineneinheit 520 und der elektrische Antrieb 530 sind hier über eine Welle 540 starr miteinander verbunden. The turbomachine 500 shown here comprises a compressor unit 510, which forms the cathode inflow path 415. Furthermore, the turbomachine 500 shown here comprises a turbine unit 520, which forms the (cathode) exhaust path 416 with. The compressor unit 510, the turbine unit 520 and the electric drive 530 are here rigidly connected to one another via a shaft 540.
Stromauf von der Strömungsmaschine ist hier ein Luftfilter 402 vorgesehen. Im Luftfilter 402 wird hier die Referenztemperatur der Luft erfasst. Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Upstream of the turbomachine, an air filter 402 is provided here. In the air filter 402, the reference temperature of the air is detected here. Fig. 2 shows schematically a cross section through a
Strömungsmaschine 500. An einem Ende der Strömungsmaschine ist die Verdichtereinheit 510 vorgesehen. Die Verdichtereinheit 510 umfasst das spiralförmige Verdichtergehäuse 516 mit der Volute V510. Die Turbomachine 500. At one end of the turbomachine, the compressor unit 510 is provided. The compressor unit 510 includes the spiral compressor housing 516 with the volute V510. The
Verdichtereinheit 510 umfasst ferner das Verdichterrad 512. Das Compressor unit 510 further includes compressor wheel 512. The
Verdichterrad 512 weist an seiner Vorderseite 514 rotierende Laufschaufeln auf. Gleichsam umfasst die Strömungsmaschine 500 eine Turbineneinheit 520 mit einem spiralförmigen Turbinengehäuse 526, dass die Volute V520 ausbildet. Im Turbinengehäuse 526. angeordnet ist hier das Turbinenrad 522. Das Turbinenrad 522 weist an seiner Vorderseite 524 Laufschaufeln auf. Ein Axial-Luftlager der Strömungsmaschine wurde hier vereinfachend weggelassen. Compressor wheel 512 has rotating blades on its front side 514. Likewise, the turbomachine 500 includes a turbine unit 520 having a spiral turbine housing 526 that forms the volute V520. The turbine wheel 522 is arranged here in the turbine housing 526. The turbine wheel 522 has rotor blades 522 on its front side. An axial air bearing of the turbomachine has been omitted here for simplicity.
Zwischen der Verdichtereinheit 510 und der Turbineneinheit 520 ist die elektrische Antriebsmaschine 530 im Antriebsgehäuse 436 angeordnet. Die elektrische Antriebsmaschine 530 umfasst hier einen Stator mit Between the compressor unit 510 and the turbine unit 520, the electric drive machine 530 is arranged in the drive housing 436. The electric drive machine 530 here comprises a stator with
Statorblechen 532 sowie einer Statorwicklung 534. Auf der Welle 540 ist hier ferner ein Rotor 535 des elektrischen Antriebs 530 vorgesehen. Der Stator plates 532 and a stator winding 534. On the shaft 540, a rotor 535 of the electric drive 530 is further provided here. The
Kühlflüssigkeitskanal 537 im Antriebsgehäuse 536 dient zur Kühlung vom Stator. Gleichsam kann der mindestens eine Kühlflüssigkeitskanal 537 auch zur Kühlung des mindestens einen Luftlagers dienen. Es sind aber auch andere Kühlkonzepte vorstellbar. Im Verdichter-Ansaugkanal 518 sind hier ein Abstandssensor 550 und ein Temperatursensor 560 vorgesehen. Coolant channel 537 in drive housing 536 serves to cool the stator. Similarly, the at least one cooling liquid channel 537 can also serve to cool the at least one air bearing. But there are also other cooling concepts conceivable. In the compressor intake passage 518, a distance sensor 550 and a temperature sensor 560 are provided here.
Alternativ kann auch nur einer der beiden Sensoren vorgesehen sein. Alternatively, only one of the two sensors can be provided.
Der Temperatursensor 560 ist hier in der Wandung vom Verdichter- Ansaugkanal 518 vorgesehen. Gleichsam könnte der Temperatursensor 560 auch etwas weiter stromauf oder stromab angeordnet sein. Bevorzugt jedoch nicht weiter als max. 10 cm oder bevorzugt max. 5 cm von der Stirnseite des Verdichterrads 512 entfernt. Somit kann der Temperatursensor ausreichend präzise Temperaturänderungen der im Verdichtergehäuse 510 The temperature sensor 560 is provided here in the wall of the compressor intake passage 518. Similarly, the temperature sensor 560 could also be located slightly further upstream or downstream. Preferably, however, no further than max. 10 cm or preferably max. 5 cm from the front side of the compressor wheel 512. Thus, the temperature sensor can be sufficient precise temperature changes in the compressor housing 510
zurückströmenden Luft erfassen. capture backflowing air.
Der Abstandssensor 550 ist hier koaxial zur Wellenlängsachse A-A The distance sensor 550 is here coaxial with the longitudinal axis A-A
angeordnet. Somit kann besonders präzise der Abstand der Welle erfasst werden. Dieser Bereich vom Verdichter-Ansaugkanal 518 ist ein Totpunkt der Strömung. Somit stellt der Abstandssensor 550 kein großes arranged. Thus, the distance of the shaft can be detected very precisely. This area of the compressor intake passage 518 is a dead center of the flow. Thus, the distance sensor 550 is not large
Strömungshindernis dar. Der Abstandssensor 550 kann somit besonders platzsparend vorgesehen werden. Alternativ könnte der Abstandssensor auch am anderen Ende der Welle bzw. an der Stirnseite der Turbine oder allgemein im Turbinenauslass 528 vorgesehen sein. Der Abstandssensor 550 wird hier über Stege 552 gehalten, die hier eine Zentrieraufhängung ausbilden. Flow obstruction. The distance sensor 550 can thus be provided in a particularly space-saving. Alternatively, the distance sensor could also be provided at the other end of the shaft or on the front side of the turbine or generally in the turbine outlet 528. The distance sensor 550 is held here by webs 552, which form a centering suspension here.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck For the sake of legibility has been simplified the term
„mindestens ein(e)" teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die/eine Strömungsmaschine, die/eine Welle, der/ein Betriebsparameter, das/ein Verdichterrad, der/ein Energiewandler, der/ein Abstandssensor, der/ein Temperatursensor, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Strömungsmaschine, die mindestens eine Welle, der mindestens eine Betriebsparameter, das mindestens eine Verdichterrad, der mindestens eine Energiewandler, der mindestens eine Abstandssensor, der mindestens eine Temperatursensor, etc.). In some instances, a feature of the technology disclosed herein is singularly described (eg, the turbomachine, the shaft, the operating parameter, the compressor wheel) Energy converter, the / a distance sensor, the / a temperature sensor, etc.) should be at the same time with their plurality disclosed (eg, the at least one turbomachine, the at least one shaft, the at least one operating parameter, the at least one compressor, the at least one energy converter , the at least one distance sensor, the at least one temperature sensor, etc.).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention
Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Invention. In the context of the invention, various changes and modifications are possible without the scope of the invention and their
Äquivalente zu verlassen. To leave equivalents.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine (500), umfassend den Schritt: 1 . Method for operating a turbomachine (500), comprising the step:
- Erfassen von mindestens einem Wert, der indikativ ist für eine axiale Positionsänderung einer Welle (540) der Strömungsmaschine (500), die mit mindestens einem Verdichterrad (512) der  Detecting at least one value which is indicative of an axial change in position of a shaft (540) of the turbomachine (500) connected to at least one compressor wheel (512) of the
Strömungsmaschine (500) gekoppelt ist; und  Turbomachine (500) is coupled; and
- Verändern von mindestens einem Betriebsparameter der  Changing at least one operating parameter of the
Strömungsmaschine (500), falls basierend auf dem mindestens einen Wert erkannt wurde, dass die Strömungsmaschine (500) im instabilen Betriebszustand betrieben wird.  Turbomachine (500), if it has been detected based on the at least one value, that the turbomachine (500) is operated in the unstable operating state.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner umfassend den Schritt: 2. The method of claim 1, further comprising the step of:
- Erfassen von mindestens einem Drehzahlwert, der indikativ ist für die Drehzahl der Welle (540) der Strömungsmaschine (500);  - detecting at least one speed value indicative of the rotational speed of the shaft (540) of the turbomachine (500);
wobei bei der Erkennung vom instabilen Betriebszustand der  wherein in the detection of the unstable operating state of
Drehzahlwert berücksichtigt wird.  Speed value is taken into account.
3. Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine (500), insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, umfassend die Schritte: 3. A method for operating a turbomachine (500), in particular according to claim 1 or 2, comprising the steps:
- Erfassen der Temperatur der Luft, wobei die Temperatur derart  - Detecting the temperature of the air, the temperature being such
benachbart zum Verdichterrad (514) der Strömungsmaschine (500) erfasst wird, dass eine RückStrömung von bereits verdichteter und erwärmter Luft im Verdichtergehäuse (510) der Strömungsmaschine (500) erfassbar ist;  is detected adjacent to the compressor wheel (514) of the turbomachine (500) that a return flow of already compressed and heated air in the compressor housing (510) of the turbomachine (500) is detectable;
- Vergleichen der erfassten Temperatur mit einer Referenztemperatur; und - Verändern der zur Steuerung der Strömungsmaschine zu Grunde gelegten Pumpgrenze in Abhängigkeit von der aus dem Vergleich resultierenden Abweichung. - comparing the detected temperature with a reference temperature; and - Changing the underlying for controlling the turbomachine pumping limit as a function of the deviation resulting from the comparison.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die maximal zulässige 4. The method of claim 3, wherein the maximum allowable
Grenzabweichung so gewählt ist, dass es zwar zur Rückströmung kommt, aber diese Rückströmung im Wesentlichen keine mechanischen  Limit deviation is chosen so that, although it comes to the backflow, but this backflow substantially no mechanical
Schwingungen der Welle verursacht.  Caused vibrations of the shaft.
5. Strömungsmaschine (500) zur Luftversorgung eines Energiewandlers (300), 5. turbomachine (500) for supplying air to an energy converter (300),
umfassend:  full:
mindestens ein Verdichterrad (512), das eingerichtet ist, zu  at least one compressor wheel (512) that is set to
verdichtende Luft zu fördern,  to promote compressed air,
mindestens eine Welle (540), die mit dem Verdichterrad (512) gekoppelt ist; und  at least one shaft (540) coupled to the compressor wheel (512); and
mindestens eine Abstandssensor (550);  at least one distance sensor (550);
wobei der Abstandssensor (550) eingerichtet ist, axiale  wherein the distance sensor (550) is arranged axial
Positionsänderungen der Welle (540) direkt oder indirekt zu erfassen.  To detect changes in position of the shaft (540) directly or indirectly.
6. Strömungsmaschine (500) nach Anspruch 5, wobei der Abstandssensor (550) im Wesentlichen koaxial zur Welle (540) angeordnet ist. 6. Turbomachine (500) according to claim 5, wherein the distance sensor (550) is arranged substantially coaxially with the shaft (540).
7. Strömungsmaschine (500) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der 7. Turbomachine (500) according to claim 5 or 6, wherein the
Abstandssensor (550) in einem Verdichter-Ansaugkanal (518) und/oder in einem Turbinenauslass (528) der Strömungsmaschine (500) angeordnet ist.  Distance sensor (550) in a compressor intake passage (518) and / or in a turbine outlet (528) of the turbomachine (500) is arranged.
8. Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, wobei der Abstandssensor (550) ein optischer Abstandssensor ist. 8. Turbomachine (500) according to one of the preceding claims 5 to 7, wherein the distance sensor (550) is an optical distance sensor.
9. Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 8, ferner umfassend mindestens ein Steuergerät, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, 9. Turbomachine (500) according to one of the preceding claims 5 to 8, further comprising at least one control device, wherein the control device is set up,
- mindestens einem Wert zu erfassen, der indikativ ist für eine axiale Positionsänderung einer Welle der Strömungsmaschine, die mit mindestens einem Verdichterrad der Strömungsmaschine gekoppelt ist; und  - to detect at least one value which is indicative of an axial change in position of a shaft of the turbomachine, which is coupled to at least one compressor wheel of the turbomachine; and
- mindestens einem Betriebsparameter der Strömungsmaschine zu verändern, falls basierend auf dem mindestens einen Wert erkannt wurde, dass die Strömungsmaschine im instabilen Betriebszustand betrieben wird.  - To change at least one operating parameter of the turbomachine, if it was detected based on the at least one value that the turbomachine is operated in the unstable operating condition.
10. Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 9, ferner umfassend eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Welle. 10. Turbomachine (500) according to one of the preceding claims 5 to 9, further comprising means for detecting the rotational speed of the shaft.
1 1 . Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche 5-10, ferner umfassend mindestens einen Temperatursensor (560), der unmittelbar benachbart zum Verdichterrad (514) angeordnet ist, insbesondere im Verdichter-Ansaugkanal (518). 1 1. Turbomachine (500) according to one of the preceding claims 5-10, further comprising at least one temperature sensor (560), which is arranged immediately adjacent to the compressor wheel (514), in particular in the compressor intake passage (518).
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