WO2022122786A1

WO2022122786A1 - Turbomaschine, insbesondere für ein brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2022122786A1
Application number: PCT/EP2021/084704
Authority: WO
Inventors: Andreas Wengert; Tobias Reinhard OTT
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-06-16
Also published as: DE102020215751A1

Abstract

Turbomaschine (11), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1). Die Turbomaschine (11) umfasst einen Verdichter (10), eine Antriebsvorrichtung (20) und eine Welle (14). Der Verdichter (10) weist ein auf der Welle (14) angeordnetes Laufrad (15), einen Verdichtereingang (10a) und einen Verdichterausgang (10b) auf. Die Antriebsvorrichtung (20) ist in einem Gehäuse (8) der Turbomaschine angeordnet. Ein Arbeitsfluid ist von dem Verdichtereingang (10a) zu dem Verdichterausgang (10b) förderbar. An dem Verdichterausgang (10b) zweigt ein Antriebskühlpfad (92) zur Kühlung der Antriebsvorrichtung (20) ab, der zumindest im Wesentlichen innerhalb des Gehäuse (8) verläuft.

Description

Beschreibung

Titel

Turbomaschine, insbesondere für ein

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Turbomaschine ist durch die DE 10 2018 201 162 Al bekannt. Diese Turbomaschine weist eine von einer Antriebsvorrichtung mit einem Elektromotor antreibbare Welle auf. Die Antriebsvorrichtung ist in einem mehrteiligen Gehäuse angeordnet. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet. Die Turbomaschine weist ein auf einer Welle angeordnetes Laufrad bzw. einen Verdichter auf. Der Verdichter ist dabei als Radialläufer ausgeführt, und das Arbeitsfluid wird von dem Verdichtereingang zu dem Verdichterausgang gefördert. Vom Verdichterausgang zweigt ein Antriebskühlpfad ab, der zur Kühlung der Antriebsvorrichtung im Gehäuse dient. Im Antriebskühlpfad ist stromaufwärts der Antriebsvorrichtung ein Wärmetauscher angeordnet. Der Antriebskühlpfad umfasst dabei mehrere Teilpfade, die zu unterschiedlichen Bereichen der Antriebsvorrichtung geführt sind und die jeweils nach Durchströmung der Bereiche zur Außenseite des Gehäuses geführt sind. Dies erfordert einen großen Aufwand mit externen Strömungsführungen, beispielsweise in Form von Schläuchen oder Rohren. Dies führt zu großem Montageaufwand, hohen Kosten und großem Bauraumbedarf.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass keine oder zumindest nur wenige externe Strömungsführungen für den Antriebskühlpfad erforderlich sind, da die die Teilpfade des Antriebskühlpfads innerhalb des Gehäuses verlaufen. Hierdurch ist die Montage vereinfacht, die Kosten können gering gehalten werden und der Bauraumbedarf ist gering.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist eine wirkungsvolle Kühlung sowohl des Axiallagers als auch des Rotors und Stators erreicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ist eine wirkungsvolle Kühlung auch des ersten Radiallagers erreicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 5 ist eine wirkungsvolle Kühlung des dem Axiallager zugewandten Endbereichs des Stators erreicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 7 ist eine wirkungsvolle Kühlung des dem Axiallager abgewandten Endes des Stators erreicht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 in vereinfachter schematischer Darstellung ein Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine und Figur 2 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in seinem vereinfachten Grundaufbau dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Luftzuführungsleitung 3, eine Abgasleitung 4, einen Verdichter 10, eine Abgasturbine 50 und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 2. 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 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 Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an. Der Verdichter 10 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 50 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 10 und die Abgasturbine 50 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 20 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 50 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 20 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 10. Der Verdichter 10, die Welle 14 und die Abgasturbine 50 bilden zusammen eine Turbomaschine 11.

In Figur 2 ist schematisch einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Turbomaschine 11, insbesondere zur Verwendung in dem Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. In Figur 2 ist dabei nur eine obere Hälfte der Turbomaschine 11 dargestellt, wobei die untere Hälfte zumindest annähernd symmetrisch ausgebildet ist. Die Turbomaschine 11 weist ein Gehäuse 8 auf, in welchem die Komponenten der Turbomaschine 11 angeordnet sind und welches mehrteilig ausgeführt ist. Die Turbomaschine 11 ist in dieser Ausführung als Turbokompressor ausgeführt und weist ein auf der Welle 14 angeordnetes Verdichterrad 15 auf, welches als Verdichter 10 bzw. Kompressor wirkt. Zusätzlich weist die Turbomaschine 11 optional die Abgasturbine 50 auf, welche ein auf der Welle 14 angeordnetes weiteres Laufrad 52 umfasst. Vorzugsweise sind dabei das weitere Laufrad 52 und das Verdichterrad 15 auf den entgegengesetzten Enden der Welle 14 positioniert.

Vorteilhafterweise ist die Turbomaschine 11 in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet, so dass das Laufrad 15 des Verdichters 10 in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet ist, um die Brennstoffzelle 2 mit Umgebungsluft bzw. Oxidationsmittel zu versorgen, und so, dass das weitere Laufrad 52 der Abgasturbine 50 in der Abgasleitung 4 angeordnet ist.

Die Antriebsvorrichtung 20 der Turbomaschine 11 ist als Elektromotor ausgeführt, zwischen dem Verdichter 10 und der Abgasturbine 50 angeordnet und umfasst einen Rotor 21 und einen Stator 22. Der Rotor 21 kann einen oder mehrere Magnete umfassen, die auf der Welle 14 angeordnet sind, wobei die Welle 14 mit den Magneten zumindest teilweise den Rotor 21 bildet. Der Stator 22 ist ortsfest in dem Gehäuse 8 des Turbokompressors 11 positioniert. Die Welle 14 ist zu beiden Seiten der Antriebsvorrichtung 20 mittels je eines Radiallagers 25, 26 drehbar gelagert. Die Antriebsvorrichtung 20 ist zwischen den beiden Radiallagern 25, 26 positioniert. Den Stator 22 radial umgebend ist eine Kühlung 30 angeordnet. In der Ausführung der Figur 2 weist die Kühlung 30 in dem Gehäuse 8 ausgebildete Kühlnuten 31 auf, so dass ein Kühlmittel den Stator 22 umströmen und kühlen kann. Das Verdichterrad 15 ist in der Ausführung der Figur 2 als Radialläufer ausgeführt, wird also im Falle des Einsatzes als Turbokompressor bzw. Verdichter 10 axial angeströmt und strömt radial ab; das Oxidationsmittel bzw. Arbeitsfluid strömt somit von einem Verdichtereingang 10a zu einem Verdichterausgang 10b. Das Verdichterrad 15 weist dazu auf seiner Vorderseite 15a einen Strömungspfad auf, welcher ein axiales Strömungsende 17 und ein radiales Strömungsende 18 umfasst. Wie bei einem Radialläufer üblich ändert sich die Richtung eines durch das Verdichterrad 15 strömenden Arbeitsfluids in der Schnittansicht um etwa 90°. Im Falle der Ausführung als Turbokompressor wird das Verdichterrad 15 am axialen Strömungsende 17 - also am Verdichtereingang 10a - von dem Arbeitsfluid axial angeströmt, das Arbeitsfluid durchläuft dann den Strömungspfad 16 auf der Vorderseite 15a und wird dabei verdichtet und tritt anschließend am radialen Strömungsende 18 - also am Verdichterausgang 10b - radial aus dem Verdichterrad 15 aus.

Die Turbine 50 weist einen Turbineneinlass 54 auf, in dem das Abgas der Abgasleitung 4 zugeführt wird, und einen Turbinenauslass 56, über den das in der Turbine 50 entspannte Abgas mit geringem Druck austritt.

Die Welle 14 ist im Gehäuse 8 außerdem über ein Axiallager 34 gelagert, das zwischen einer Axiallagerscheibe 35 und dieser beiderseits gegenüberliegenden Anlaufplatten 36 ausgebildet ist. Die Axiallagerscheibe 35 ist auf der Welle 14 angeordnet, und die Anlaufplatten 36 sind an dem Gehäuse 8 angeordnet bzw. als ein Bestandteil des Gehäuses 8 ausgeführt. Das Axiallager 34 ist nahe dem Ende der Welle 14 angeordnet, an dem das Verdichterrad 15 auf der Welle 14 angeordnet ist. Das erste Radiallager 25 ist nahe dem Axiallager 34 angeordnet und das zweite Radiallager 26 ist in Richtung der Drehachse D der Welle 14 vom ersten Radiallager 25 beabstandet angeordnet.

Am Gehäuse 8 ist auf dessen Außenseite ein Wärmetauscher 38 angeordnet, der ein Luft-Wasser-Wärmetauscher sein kann. Der Wärmetauscher 38 ist dabei mit seinem Wassersystem an einen Wasserkreislauf des Brennstoffzellensystems angeschlossen.

Am Verdichterausgang 10b zweigt ein Kühlpfad von der Luftzuführungsleitung 3 ab: der Antriebskühlpfad 40. Ein Teil des Oxidationsmittels bzw. Arbeitsfluids wird dazu am Verdichterausgang 11b abgezweigt, um im Inneren der Turbomaschine 10 die Antriebsvorrichtung 20, die Radiallager 25, 26 und das Axiallager 34 zu kühlen. Stromabwärts des Verdichterausgangs 10b ist in dem Antriebskühlpfad 40 der Wärmetauscher 38 angeordnet, der von dem Arbeitsfluid durchströmt wird, um das verdichtete und erhitzte Arbeitsfluid zu kühlen.

Die vom Verdichter 10 verdichtete Luft - bzw. das verdichtete Oxidationsmittel - wird also nicht vollständig zu der Brennstoffzelle 2 geführt. Ein geringer Anteil wird am Verdichterausgang 10b entnommen und zunächst über den Wärmetauscher 38 gekühlt. Dazu wird bevorzugt das Kühlwasser der Kühlung 30 verwendet, welche den Stator 22 kühlt. Anschließend wird die gekühlte Luft - bzw. das gekühlte Oxidationsmittel - als Antriebskühlpfad 40 in das Gehäuse 8 geleitet. Der Strömungsverlauf im Antriebskühlpfad 40 ist dabei in Figur 2 durch Pfeile verdeutlicht.

Ein erster Teilpfad 140 des Antriebskühlpfads 40 wird innerhalb des Gehäuses 8 in den Bereich um das Axiallager 34 eingeführt. Der erste Teilpfad 140 verläuft dabei durch Zwischenräume in der Antriebsvorrichtung 20 und wird von radial außen her in das Axiallager 34 eingeführt. Der erste Teilpfad 140 teilt sich dabei wiederum auf in einen ersten Unterteilpfad 140a und einen zweiten Unterteilpfad 140b auf. Der erste Unterteilpfad 140a verläuft auf der dem Verdichterrad 15 zugewandten Seite des Axiallagers 34 zwischen der Axiallagerscheibe 35 und der gegenüberliegenden Anschlagplatte 36 radial nach innen. Nach Durchströmung des Axiallagers 34 ist der erste Unterteilpfad 140a wieder radial nach außen geführt und anschließend zu dem dem Verdichterrad 15 zugewandten Endbereich 22a des Stators 22, an diesem entlang und weiter in den Spalt 23 zwischen Rotor 21 und Stator 22.

Der zweiter Unterteilpfad 140b des ersten Teilpfads 140 ist auf der dem Verdichterrad 15 abgewandten Seite des Axiallagers 34 zwischen der Axiallagerscheibe 35 und der gegenüberliegenden Anschlagplatte 36 radial nach innen geführt. Der zweite Unterteilpfad 140b ist nach Durchströmung des Axiallagers 34 durch das erste Radiallager 25 geführt. Nach Durchströmung des ersten Radiallagers 25 ist der zweite Unterteilpfad 140b mit dem ersten Unterteilpfad 140a zusammengeführt und mit diesem zusammen in den Spalt 23 geführt.

Ein zweiter Teilpfad 240 des Antriebskühlpfads 40 ist stromabwärts des Wärmetauschers 38 im Gehäuse 8 zum zweiten Radiallager 26 geführt und tritt radial von außen auf der dem Laufrad 13a der Turbine 13 zugewandter Seite in das Radiallager 26 ein. Der zweite Teilpfad 240 ist durch das zweite Radiallager 26 geführt und tritt aus diesem auf dessen dem Stator 22 zugewandter Seite wieder aus. Dort ist der zweite Teilpfad 240 mit dem aus dem Spalt 23 austretenden ersten Teilpfad 140 zusammengeführt. Der erste Teilpfad 140 und der zweite Teilpfad 240 sind dann gemeinsam an dem dem Axiallager 34 abgewandten Endbereich 22b des Stators 22 vorbeigeführt.

Der gesamte aus den Teilpfaden 140 und 240 bestehende Antriebskühlpfad 40 wird nach Durchströmung der Antriebsvorrichtung 20 über einen Auslass 42 aus der Antriebsvorrichtung 20 herausgeführt und beispielsweise in den Turbinenauslass 56 geführt, in dem ein geringer Druck herrscht. Der Antriebskühlpfad 40 kann dabei nach Durchströmung der Antriebsvorrichtung 20 innerhalb des Gehäuses 8 oder in einem Gehäuseteil der Turbine 50 oder außerhalb des Gehäuses 8, beispielsweise über eine Schlauch- oder Rohrleitung, zum Turbinenauslass 56 geführt sein.

Claims

7 Ansprüche

1. Turbomaschine (11), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1), mit einem Verdichter (10), einer Antriebsvorrichtung (20) und einer Welle (14), wobei der Verdichter (10) ein auf der Welle (14) angeordnetes Verdichterrad (15), einen Verdichtereingang (10a) und einen Verdichterausgang (10b) aufweist, wobei die Antriebsvorrichtung (20) in einem Gehäuse (8) der Turbomaschine angeordnet ist, wobei ein Arbeitsfluid von dem Verdichtereingang (10a) zu dem Verdichterausgang (10b) förderbar ist, wobei von dem Verdichterausgang (10b) ein Antriebskühlpfad (40;140a, 140b, 240) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskühlpfad (40; 140a, 140b, 240) zumindest im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses (8) verläuft.

2. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskühlpfad (40; 140a, 140b, 240) einen einzigen Auslass (42) aus der Antriebsvorrichtung (20) aufweist.

3. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) mittels eines Axiallagers (34) im Gehäuse (8) gelagert ist, dass zumindest ein erster Teilpfad (140a, 140b) des Antriebskühlpfads (40) durch das Axiallager (34) geführt ist, dass die Antriebsvorrichtung (20) einen Rotor (21) und einen Stator (22) aufweist, wobei der Rotor (21) auf der Welle (14) angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor (21) und dem Stator (22) ein Spalt (23) gebildet ist, und dass der erste Teilpfad (140a, 140b) des Antriebskühlpfads (40) nach Durchströmung des Axiallagers (34) durch den Spalt (23) geführt ist.

4. Turbomaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) mittels wenigstens eines nahe dem Axiallager (34) angeordneten ersten Radiallagers (25) im Gehäuse (8) gelagert ist, und dass zumindest ein erster Unterteilpfad (140a) des das Axiallager (34) durchströmenden ersten Teilpfads (140) nach Durchströmung des Axiallagers (34) durch das erste Radiallager (25) geführt ist und weiter durch den Spalt (23) geführt ist. 8

5. Turbomaschine (10) nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Unterteilpfad (140b) des das Axiallager (34) durchströmenden ersten Teilpfads (140) nach Durchströmung des Axiallagers (34) an einem dem Axiallager (34) zugewandten Endbereich (22a) des Stators (22) vorbeigeführt und weiter durch den Spalt (23) geführt ist.

6. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) mittels eines in Richtung der Drehachse (D) der Welle (14) vom Axiallager (34) beabstandeten zweiten Radiallagers (26) im Gehäuse (8) gelagert ist, und dass ein zweiter Teilpfad (240) des Antriebskühlpfads (40) durch das zweite Radiallager (26) geführt ist und nach Durchströmung des zweiten Radiallagers (26) mit dem wenigstens einen durch den Spalt (23) geführten ersten Teilpfad (140) zusammengeführt ist.

7. Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilpfad (140) und der zweite Teilpfad (240) an dem dem Axiallager (34) abgewandten Endbereich (22b) des Stators (22) vorbeigeführt sind.

8. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Unterstützung der Antriebsvorrichtung (20) eine Turbine (50) aufweist, in der ein Fluid von einem Turbineneinlass (54) zu einem Turbinenauslass (56) entspannt wird, und dass der Auslass (42) des Antriebskühlpfads (40) mit dem Turbinenauslass (56) verbunden ist.

9. Turbomaschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Antriebskühlpfad (40) stromaufwärts der Antriebsvorrichtung (20) ein Wärmetauscher (38) angeordnet ist und dass der Antriebskühlpfad (40) innerhalb des Gehäuses (8) zum Wärmetauscher (38) geführt ist.