DE102017212821A1 - Turbomachine, in particular for a fuel cell system - Google Patents
Turbomachine, in particular for a fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- DE102017212821A1 DE102017212821A1 DE102017212821.6A DE102017212821A DE102017212821A1 DE 102017212821 A1 DE102017212821 A1 DE 102017212821A1 DE 102017212821 A DE102017212821 A DE 102017212821A DE 102017212821 A1 DE102017212821 A1 DE 102017212821A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- impeller
- turbomachine
- fuel cell
- shaft
- axial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 16
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 5
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 210000003746 feather Anatomy 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/051—Axial thrust balancing
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
- F04D17/08—Centrifugal pumps
- F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D25/00—Pumping installations or systems
- F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
- F04D25/024—Units comprising pumps and their driving means the driving means being assisted by a power recovery turbine
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/051—Axial thrust balancing
- F04D29/0516—Axial thrust balancing balancing pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/08—Sealings
- F04D29/10—Shaft sealings
- F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
- F04D29/122—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Turbomaschine (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1). Die Turbomaschine (10) umfasst eine Welle (14), ein Laufrad (15) und eine Axiallagerscheibe (30). Das Laufrad (15) und die Axiallagerscheibe (30) sind auf der Welle (14) angeordnet. Das Laufrad (15) ist als Radialläufer ausgeführt, wobei das Laufrad (15) auf seiner Vorderseite (15a) von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads (16) durchströmbar ist. Der Strömungspfad (16) umfasst ein axiales Strömungsende (18) und ein radiales Strömungsende (17). Die Axiallagerscheibe (30) ist der Rückseite (15b) des Laufrads (15) zugewandt. Eine an der Axiallagerscheibe (30) ausgebildete und der Rückseite (15b) abgewandte Gleitfläche (32) wirkt mit einer Gleitringanordnung (33) zusammen.Turbomachine (10), in particular for a fuel cell system (1). The turbomachine (10) comprises a shaft (14), an impeller (15) and a thrust washer (30). The impeller (15) and the thrust washer (30) are arranged on the shaft (14). The impeller (15) is designed as a radial runner, wherein the impeller (15) on its front side (15 a) of a working fluid along a flow path (16) can be flowed through. The flow path (16) comprises an axial flow end (18) and a radial flow end (17). The thrust washer (30) faces the rear side (15b) of the impeller (15). A sliding surface (32) formed on the axial bearing disk (30) and facing away from the rear side (15b) interacts with a sliding ring arrangement (33).
Description
Stand der TechnikState of the art
Als Turbokompressoren ausgeführte Turbomaschinen für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
In detaillierterer Ausgestaltung ist eine als Turbokompressor ausgeführte Turbomaschine aus der Offenlegungsschrift
Weiterhin ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Turbomaschine weist eine reduzierte auf die Welle wirkende Axialkraft auf. Dazu werden die auf die Welle bzw. auf die mit ihr verbundenen Bauteile wirkenden Drücke, welche durch das Arbeitsfluid wirken, durch eine Gleitringanordnung so beeinflusst, dass die Welle in axialer Richtung vorzugsweise druckausgeglichen bzw. kraftausgeglichen ist. Vorzugsweise ist die Turbomaschine dabei in einem Brennstoffzellensystem angeordnet.The turbomachine according to the invention has a reduced axial force acting on the shaft. For this purpose, the forces acting on the shaft or on the components connected to it, which act through the working fluid, are influenced by a slide ring arrangement such that the shaft is preferably pressure-balanced or force-balanced in the axial direction. Preferably, the turbomachine is arranged in a fuel cell system.
Dazu umfasst die Turbomaschine eine Welle, ein Laufrad und eine Axiallagerscheibe. Das Laufrad und die Axiallagerscheibe sind auf der Welle angeordnet. Das Laufrad ist als Radialläufer ausgeführt, wobei das Laufrad auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmbar ist. Der Strömungspfad umfasst ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende. Die Axiallagerscheibe ist der Rückseite des Laufrads zugewandt. Eine an der Axiallagerscheibe ausgebildete und der Rückseite abgewandte Gleitfläche wirkt mit einer Gleitringanordnung zusammen.For this purpose, the turbomachine comprises a shaft, an impeller and a thrust washer. The impeller and the thrust washer are arranged on the shaft. The impeller is designed as a radial runner, wherein the impeller is flowed through on its front by a working fluid along a flow path. The flow path includes an axial flow end and a radial flow end. The thrust washer faces the rear of the impeller. A formed on the thrust washer and facing away from the back sliding surface cooperates with a sliding ring assembly.
Wie bei Turbomaschinen üblich, wirkt auf der Vorderseite des Laufrads eine kleinere durch das Arbeitsfluid resultierende Axialkraft als auf der Rückseite des Laufrads. Dieser Kraftüberschuss auf der Rückseite wird an der Axiallagerscheibe ausgeglichen bzw. begrenzt, indem auch dort auf beiden Seiten unterschiedliche resultierende Axialkräfte erzeugt werden. Dies geschieht durch die Druckaufteilung an der Gleitringanordnung, die somit als Druckteiler wirkt. Das heißt auf einer Seite der Axiallagerscheibe - nämlich der dem Laufrad abgewandten Seite - wird der durch das Arbeitsfluid wirkende Druck reduziert. Die auf die Welle wirkende Axialkraft wird damit ausgeglichen bzw. begrenzt bzw. minimiert, so dass die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit entsprechender Axiallager optimiert ist.As is common in turbomachinery, a smaller axial force resulting from the working fluid acts on the front of the impeller than on the rear of the impeller. This excess force on the rear side is compensated or limited on the axial bearing disk by generating different resultant axial forces on both sides as well. This is done by the pressure distribution on the slip ring assembly, which thus acts as a pressure divider. That is, on one side of the axial bearing disk - namely the side facing away from the impeller - the pressure acting on the working fluid is reduced. The axial force acting on the shaft is thus compensated or limited or minimized, so that the performance and durability of corresponding thrust bearings is optimized.
Vorzugsweise ist dabei in einem Betrieb der Turbomaschine die von dem Arbeitsfluid auf die Welle wirkende resultierende Axialkraft nahezu Null. Die Welle ist demzufolge in axialer Richtung nahezu druckausgeglichen bzw. kraftausgeglichen. Das Arbeitsfluid wirkt mittelbar oder unmittelbar - beispielsweise über Vorderseiten und Rückseiten des Laufrads und der Axiallagerscheibe - auf die Welle. Aufgrund der niedrigen resultierenden Axialkraft können das oder die Axiallager für die Welle somit sehr klein und bauraumsparend ausgeführt werden. Weiterhin wird dadurch auch der Verschleiß an den Axiallagern minimiert und somit die Lebensdauer der gesamten Turbomaschine erhöht.Preferably, in an operation of the turbomachine, the resultant axial force acting on the shaft by the working fluid is almost zero. Consequently, the shaft is almost pressure-balanced or force-balanced in the axial direction. The working fluid acts directly or indirectly on the shaft, for example via the front and rear sides of the impeller and the thrust washer. Due to the low resulting axial force or thrust bearings for the shaft can thus be made very small and space-saving. Furthermore, this also minimizes the wear on the axial bearings and thus increases the service life of the entire turbomachine.
In vorteilhaften Weiterbildungen bilden die Gleitfläche und die Gleitringanordnung eine Gleitringdichtung mit einem Dichtdurchmesser aus. Der Dichtdurchmesser ist größer als ein Innendurchmesser des Laufrads am axialen Strömungsende; und der Dichtdurchmesser ist kleiner als ein Außendurchmesser des Laufrads am radialen Strömungsende. Somit ist der Druck an der Gleitfläche zweigeteilt: ein vergleichsweise hoher Druck liegt am radial äußeren Bereich an, der vorzugsweise dem Druck am radialen Strömungsende entspricht. Und ein vergleichsweise geringer Druck liegt am inneren Bereich an, der beispielsweise dem Atmosphärendruck entsprechen kann. Eine dem Laufrad zugeordnete und der Gleitfläche gegenüberliegenden Lauffläche der Axiallagerscheibe ist demzufolge komplett mit dem vergleichsweise hohen Druck des radialen Strömungsendes beaufschlagt. Lauffläche und Gleitfläche können auch als Vorder- und Rückseite der Axiallagerscheibe bezeichnet werden. Der Fluiddruck auf das Laufrad und die Axiallagerscheibe wirkt also derart, dass er die beiden Bauteile axial voneinander wegschieben würde, die jeweils resultierende Axialkraft hat also entgegengesetzte Vorzeichen, weist vorzugsweise aber nahezu den gleichen Betrag auf. Die Gleitringdichtung muss dabei nicht mediendicht sein, sondern kann auch einen Leckagespalt ausbilden, welcher eine Drosselfunktion besitzt.In advantageous developments, the sliding surface and the sliding ring arrangement form a mechanical seal with a sealing diameter. The sealing diameter is larger than an inner diameter of the impeller at the axial flow end; and the sealing diameter is smaller than an outer diameter of the impeller at the radial flow end. Thus, the pressure on the sliding surface is divided into two: a comparatively high pressure is applied to the radially outer region, which preferably corresponds to the pressure at the radial flow end. And a comparatively low pressure is applied to the inner region, which may correspond, for example, to the atmospheric pressure. Accordingly, a running surface of the axial bearing disk assigned to the impeller and opposite the sliding surface is completely loaded with the comparatively high pressure of the radial flow end. Tread and sliding surface can also be referred to as the front and back of the thrust washer. The fluid pressure on the impeller and the Axiallagerscheibe thus acts such that it would push the two components axially away from each other, the respective resulting axial force has opposite signs, but preferably has almost the same amount. The mechanical seal does not have to be media-tight, but can also form a leakage gap, which has a throttle function.
In vorteilhaften Ausführungen beträgt der Dichtdurchmesser dazu das 0,4-fache bis 0,6-fache des Außendurchmessers. Alternativ oder ergänzend beträgt der Dichtdurchmesser mindestens das 2-fache des Innendurchmessers. Dadurch ist die Welle in axialer Richtung kraftausgeglichen gestaltet.In advantageous embodiments, the sealing diameter for this purpose is 0.4 times to 0.6 times the outside diameter. Alternatively or additionally, the sealing diameter is at least 2 times the inner diameter. As a result, the shaft is frictionally balanced in the axial direction.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Gleitringanordnung einen Gleitring auf. Vorzugsweise ist der Gleitring dabei mittels einer Feder gegen die Gleitfläche gespannt. Der Gleitring und die Axiallagerscheibe können damit tribologisch sehr günstig, also üblicherweise mit einer zueinander sehr niedrigen Reibzahl, gestaltet werden. Die Kraftbeaufschlagung durch die Feder, sorgt dafür, dass selbst bei hohen Drehzahlen der Welle der Gleitring nicht zu weit von der Gleitfläche abhebt. Dadurch ist die Funktion der Druckteilung auch bei hohen Drehzahlen gewährleistet. In advantageous developments, the sliding ring arrangement has a sliding ring. Preferably, the sliding ring is biased by a spring against the sliding surface. The sliding ring and the thrust bearing disc can thus tribologically very low, so usually with a mutually very low friction coefficient, are designed. The application of force by the spring ensures that even at high speeds of rotation of the shaft, the sliding ring does not lift too far from the sliding surface. As a result, the function of the pressure division is guaranteed even at high speeds.
Vorteilhafterweise ist die Gleitringanordnung in einem Gehäuse angeordnet. Der Gleitring ist mittels einer Nebenabdichtung in dem Gehäuse gelagert. Vorzugsweise ist dies das ein- oder mehrteilige Gehäuse der Turbomaschine. Durch die Lagerung des Gleitrings über die Nebenabdichtung, welche vorzugsweise als Wellendichtring ausgeführt ist, ist der Gleitring quasi schwimmend gelagert. In radialer Richtung positioniert die Nebenabdichtung den Gleitring koaxial zur Welle. In axialer Richtung kann der Gleitring über die Nebenabdichtung abrollen, so dass axiale Toleranzen und Verschiebungen ausgeglichen werden können.Advantageously, the slide ring assembly is arranged in a housing. The slip ring is mounted in the housing by means of a secondary seal. Preferably, this is the single or multi-part housing of the turbomachine. Due to the bearing of the sliding ring on the secondary seal, which is preferably designed as a shaft seal, the sliding ring is mounted quasi floating. In the radial direction, the secondary seal positions the sliding ring coaxially with the shaft. In the axial direction of the sliding ring can roll over the secondary seal, so that axial tolerances and shifts can be compensated.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist zwischen dem Gleitring und der Gleitfläche ein Leckagespalt ausgebildet. Der Gleitring muss also nicht mediendicht zur Gleitfläche dichten, sondern eine Drosselfunktion realisieren, um als Druckteiler wirken zu können. In advantageous developments, a leakage gap is formed between the sliding ring and the sliding surface. The sliding ring therefore does not have to be impermeable to the sliding surface in terms of media, but rather to realize a throttling function in order to be able to act as a pressure divider.
So kann ein definierter Massenstrom des Arbeitsfluids durch den Leckagespalt fließen und nachgeschaltete Komponenten schmieren und/oder kühlen.Thus, a defined mass flow of the working fluid can flow through the leakage gap and lubricate downstream components and / or cool.
In vorteilhaften Ausführungen ist auf der der Axiallagerscheibe entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung zumindest ein Lager angeordnet. Das zumindest eine Lager lagert die Welle rotierbar. Das zumindest eine Lager ist von dem durch den Leckagespalt fließenden Arbeitsfluid anströmbar. Im Betrieb wird das Lager somit von dem Arbeitsfluid angeströmt bzw. sogar durchströmt und dadurch gekühlt und/oder geschmiert. In vorteilhaften Ausführungen ist das Lager dabei als gasgeschmiertes Lager gestaltet.In advantageous embodiments, at least one bearing is arranged on the side of the slide ring arrangement opposite the axial bearing disk. The at least one bearing supports the shaft rotatable. The at least one bearing can be flowed by the working fluid flowing through the leakage gap. During operation, the bearing is thus flowed by the working fluid or even flows through it and thereby cooled and / or lubricated. In advantageous embodiments, the bearing is designed as a gas-lubricated bearing.
In vorteilhaften Ausführungen ist auf der der Axiallagerscheibe entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung zumindest eine Antriebsvorrichtung angeordnet. Die Antriebsvorrichtung ist von dem durch den Leckagespalt fließenden Arbeitsfluid anströmbar. Im Betrieb wird die Antriebsvorrichtung somit von dem Arbeitsfluid angeströmt bzw. sogar durchströmt und dadurch gekühlt und/oder geschmiert. In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Antriebsvorrichtung dabei einen Stator und einen auf der Welle angeordneten Rotor, ist also als Elektromotor ausgeführt. Die Kühlung des Elektromotors, insbesondere des Stators, erhöht die Effizienz des Elektromotors.In advantageous embodiments, at least one drive device is arranged on the side of the slide ring arrangement opposite the axial bearing disk. The drive device can be flowed by the working fluid flowing through the leakage gap. During operation, the drive device is thus flowed by the working fluid or even flowed through and thereby cooled and / or lubricated. In advantageous embodiments, the drive device comprises a stator and a rotor arranged on the shaft, so it is designed as an electric motor. The cooling of the electric motor, in particular of the stator, increases the efficiency of the electric motor.
In vorteilhaften Ausführungen ist das Laufrad als Verdichter ausgeführt. Das axiale Strömungsende stellt somit den Strömungseingang des Strömungspfads dar, und das radiale Strömungsende den Strömungsausgang des Strömungspfads. Das Laufrad wird im Betrieb demzufolge axial angeströmt und strömt radial ab. Für den Verdichter bzw. Turbokompressor ist eine Antriebsvorrichtung erforderlich. Die auf die Welle und somit auf deren Axiallagerung reduzierte resultierende Axialkraft ist durch die Platzierung der Gleitringanordnung bzw. des Gleitrings minimiert, so dass auch entsprechende Reibverluste minimiert sind. Demzufolge ist auch die erforderliche Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung reduziert und der Turbokompressor entsprechend energieeffizient gestaltet.In advantageous embodiments, the impeller is designed as a compressor. The axial flow end thus represents the flow input of the flow path, and the radial flow end of the flow output of the flow path. Accordingly, the impeller is flowed axially during operation and flows radially. For the compressor or turbocompressor a drive device is required. The reduced axial force on the shaft and thus on the axial bearing is minimized by the placement of the slide ring assembly or the sliding ring, so that corresponding friction losses are minimized. Consequently, the required drive power of the drive device is reduced and the turbo compressor designed accordingly energy efficient.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein weiteres Laufrad auf der Welle angeordnet. Das weitere Laufrad ist ebenfalls als Radialläufer ausgeführt. Das weitere Laufrad ist auf seiner Vorderseite von dem Arbeitsfluid entlang eines weiteren Strömungspfads durchströmbar, wobei der weitere Strömungspfad ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst. Das axiale Strömungsende des weiteren Laufrads ist entgegenorientiert zum axialen Strömungsende des Laufrads. Dadurch wirken die jeweiligen auf die beiden Laufräder wirkenden resultierenden fluidischen Axialkräfte in die entgegengesetzte Richtung, kompensieren sich also gegenseitig zu einem Teil. Demzufolge können der Dichtdurchmesser der Gleitringanordnung und/oder die Drosselwirkung des Leckagespalts verringert werden. Dadurch verringert sich auch der Verschleiß an der Gleitringanordnung, speziell der Verschleiß zwischen Gleitring und Gleitfläche.In advantageous developments, another impeller is arranged on the shaft. The other impeller is also designed as a radial runner. The further impeller can be flowed through on its front side by the working fluid along a further flow path, wherein the further flow path comprises an axial flow end and a radial flow end. The axial flow end of the further impeller is opposite to the axial flow end of the impeller. As a result, the respective fluidic axial forces acting on the two wheels act in the opposite direction, thus mutually compensating for one another. As a result, the seal diameter of the seal ring assembly and / or the throttle effect of the leakage gap can be reduced. This also reduces the wear on the seal ring assembly, especially the wear between the seal ring and sliding surface.
In vorteilhaften Verwendungen ist die Turbomaschine in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die Turbomaschine ist dazu als Turbokompressor bzw. das Laufrad als Verdichter ausgeführt, wobei das axiale Strömungsende den Strömungseingang und das radiale Strömungsende den Strömungsausgang des Strömungspfads darstellen. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle auf. Der Verdichter ist in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Die Luftzuführungsleitung dient dabei der Zuströmung des Arbeitsfluids bzw. Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle, und die Abgasleitung dient der Abfuhr des Oxidationsmittels bzw. des reagierten Oxidationsmittels bzw. einem Gemisch daraus aus der Brennstoffzelle. Der Turbokompressor ist gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen gestaltet. Insbesondere in den Ausführungsformen mit Leckagespalt kann der Turbokompressor so sehr wirkungsvoll gekühlt werden.In advantageous uses, the turbomachine is arranged in a fuel cell system. The turbomachine is designed as a turbo compressor or the impeller as a compressor, wherein the axial flow end of the flow input and the radial flow end represent the flow output of the flow path. The fuel cell system includes a fuel cell, an air supply passage for supplying an oxidant into the fuel cell, and an exhaust passage for discharging the oxidant 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 oxidizing agent or the reacted oxidizing agent or a Mixture thereof from the fuel cell. The turbocompressor is designed according to one of the embodiments described above. In particular, in the embodiments with leakage gap, the turbocompressor can be cooled so effectively.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Brennstoffzellensystem eine Abgasturbine mit einem weiteren Laufrad auf. Das weitere Laufrad ist ebenfalls auf der Welle angeordnet. Die Abgasturbine ist in der Abgasleitung angeordnet. Vorzugsweise ist das weitere Laufrad der Abgasturbine entgegenorientiert zum Laufrad des Turbokompressors angeordnet, so dass sich die jeweils wirksamen resultierenden Axialkräfte auf die beiden Laufräder teilweise kompensieren. Das aus der Brennstoffzelle ausströmende reagierte Arbeitsfluid bzw. Oxidationsmittel kann sehr wirkungsvoll als Leistungsquelle für die Abgasturbine verwendet werden; dadurch wird die benötigte Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung für den Turbokompressor reduziert.In advantageous developments, the fuel cell system has an exhaust gas turbine with a further impeller. The further impeller is also arranged on the shaft. The exhaust gas turbine is arranged in the exhaust pipe. Preferably, the further impeller of the exhaust gas turbine is arranged opposite to the impeller of the turbocompressor, so that the respective effective resulting axial forces on the two wheels partially compensate each other. The reacted working fluid or oxidizing agent flowing out of the fuel cell can be used very effectively as a power source for the exhaust gas turbine; As a result, the required drive power of the drive device for the turbocompressor is reduced.
Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.The fuel cell system may preferably be configured to drive a drive device of a motor vehicle.
Figurenlistelist of figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer als Turbokompressor ausgeführten Turbomaschine aus dem Stand der Technik, -
2 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
-
1 1 is a schematic view of a fuel cell system with a turbomachine of the prior art, designed as a turbo-compressor; -
2 schematically a section through a turbomachine according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die Brennstoffzelle
Der Verdichter
Vorteilhafterweise ist die Turbomaschine
Das Laufrad
Auf seiner Vorderseite
Die Antriebsvorrichtung
Die Turbomaschine
Weiterhin weist die Axiallagerscheibe
Die vorzugsweise axialsymmetrische Gleitringanordnung
Erfindungsgemäß wird die Axialkraft auf die Lauffläche
Beispielhaft sind nun in der
- - Ein Niederdruck
p0 am axialen Strömungsende18 desStrömungspfads 16 .Fungiert das Laufrad 15 als Verdichter 11 , so ist dies der Eingangsdruck bzw. der Saugdruck. - - Ein Hochdruck
p1 am radialen Strömungsende17 desStrömungspfads 16 .Fungiert das Laufrad 15 als Verdichter 11 , so ist dies der Ausgangsdruck bzw. der Förderdruck. - - Ein Umgebungsdruck
p2 stromabwärts der Gleitringdichtung bzw. stromabwärts der Nebenabdichtung36 . Der Umgebungsdruckp2 kann dabei beispielsweise dem Niederduckp0 oder dem Atmosphärendruck entsprechen.
- - A low pressure
p 0 at the axial flow end18 of theflow path 16 , Acts theimpeller 15 as acompressor 11 , so this is the inlet pressure or the suction pressure. - - A high pressure
p 1 at the radial flow end17 of theflow path 16 , Acts theimpeller 15 as acompressor 11 , so this is the output pressure or the delivery pressure. - - An ambient pressure
p 2 downstream of the mechanical seal or downstream of the secondary seal36 , The ambient pressurep 2 can, for example, the Niederduckp 0 or the atmospheric pressure.
An der Gleitringdichtung und an der Nebenabdichtung
An seiner Vorderseite
Konstruktiv wird nun der Dichtdurchmesser
Aufgrund der Eigenschaften und der Bearbeitungsfolge der Axiallagerscheibe
In weiterbildenden Ausführungen werden auch die Druckverhältnisse an weiteren Wellenbereichen und daran angeordneten Bauteilen berücksichtigt, insbesondere wenn dort andere Drücke als der Atmosphärendruck vorhanden sind. In der Ausführung der
In vorteilhaften Ausführungen ist zwischen der Gleitringanordnung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102012224052 A1 [0001, 0023]DE 102012224052 A1 [0001, 0023]
- DE 102008044876 A1 [0002]DE 102008044876 A1 [0002]
- EP 2006497 A1 [0003]EP 2006497 A1 [0003]
Claims (15)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017212821.6A DE102017212821A1 (en) | 2017-07-26 | 2017-07-26 | Turbomachine, in particular for a fuel cell system |
PCT/EP2018/066409 WO2019020285A1 (en) | 2017-07-26 | 2018-06-20 | Turbomachine, in particular for a fuel cell system |
CN201880049845.6A CN110959073B (en) | 2017-07-26 | 2018-06-20 | Turbomachine, in particular for a fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017212821.6A DE102017212821A1 (en) | 2017-07-26 | 2017-07-26 | Turbomachine, in particular for a fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102017212821A1 true DE102017212821A1 (en) | 2019-01-31 |
Family
ID=62778894
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102017212821.6A Pending DE102017212821A1 (en) | 2017-07-26 | 2017-07-26 | Turbomachine, in particular for a fuel cell system |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110959073B (en) |
DE (1) | DE102017212821A1 (en) |
WO (1) | WO2019020285A1 (en) |
Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2864552A (en) * | 1954-08-18 | 1958-12-16 | Sir George Godfrey & Partners | Shaft or like bearings |
US4256441A (en) * | 1979-06-19 | 1981-03-17 | Wallace-Murray Corporation | Floating ring bearing structure and turbocharger employing same |
US4725206A (en) * | 1984-12-20 | 1988-02-16 | The Garrett Corporation | Thermal isolation system for turbochargers and like machines |
WO1997013084A1 (en) * | 1995-10-02 | 1997-04-10 | A.W. Chesterton Co. | Rotary seal and/or bearing |
US5967762A (en) * | 1996-03-18 | 1999-10-19 | Turbonetics, Inc. | Turbocharger for high performance internal combustion engines |
WO2005046021A2 (en) * | 2003-10-28 | 2005-05-19 | Capstone Turbine Corporation | Rotor and bearing system for a turbomachine |
EP2006497A1 (en) | 2007-06-21 | 2008-12-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Axial disc for the rotor of a turbo engine and turbo machine rotor |
DE102008044876A1 (en) | 2008-08-29 | 2010-03-04 | Daimler Ag | Air supply unit for a fuel cell |
DE102009017356A1 (en) * | 2009-04-14 | 2010-11-04 | Continental Automotive Gmbh | Magnetizable axial-thrust bearing disk for turbocharger of internal combustion engine, has rotor shaft, and magnetic bearing arrangement provided with electromagnet device, where thickness and width of disk are variable |
DE102009053102A1 (en) * | 2009-11-13 | 2011-05-19 | Continental Automotive Gmbh | Thrust bearing arrangement for a shaft of a turbocharger |
WO2011091826A2 (en) * | 2010-01-28 | 2011-08-04 | Daimler Ag | Supercharging device for compressing a medium and drive train for a motor vehicle having such a supercharging device |
WO2014081901A1 (en) * | 2012-11-20 | 2014-05-30 | New Way Machine Components, Inc. | Air bearing for use as seal |
DE102012224052A1 (en) | 2012-12-20 | 2014-06-26 | Robert Bosch Gmbh | Method for detecting surge in electrically driven compressor of vehicle fuel cell system, involves detecting compressor pumping based on change in torque and target current of drive device, and target rotational speed of compressor |
US20160319859A1 (en) * | 2014-01-30 | 2016-11-03 | Ihi Corporation | Thrust bearing |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE249336C (en) * | 1900-01-01 | |||
CA2075604A1 (en) * | 1992-08-07 | 1994-02-08 | Clayton Bear | Counterthrust seal for a rotary fluid machine |
DE19951570A1 (en) * | 1999-10-27 | 2001-05-03 | Abb Patent Gmbh | Device for compensating the axial thrust in turbomachinery |
CN201420688Y (en) * | 2009-04-21 | 2010-03-10 | 上海同济南汇科技产业园有限公司 | Turbine type compressor applied to fuel battery system |
DE102010035725A1 (en) * | 2010-08-28 | 2012-03-01 | Daimler Ag | Charging device for an energy conversion device |
DE102014226951A1 (en) * | 2014-12-23 | 2016-06-23 | Robert Bosch Gmbh | turbomachinery |
DE102015007379A1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-01-21 | Daimler Ag | Turbomachine for an energy converter, in particular a fuel cell |
-
2017
- 2017-07-26 DE DE102017212821.6A patent/DE102017212821A1/en active Pending
-
2018
- 2018-06-20 CN CN201880049845.6A patent/CN110959073B/en active Active
- 2018-06-20 WO PCT/EP2018/066409 patent/WO2019020285A1/en active Application Filing
Patent Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2864552A (en) * | 1954-08-18 | 1958-12-16 | Sir George Godfrey & Partners | Shaft or like bearings |
US4256441A (en) * | 1979-06-19 | 1981-03-17 | Wallace-Murray Corporation | Floating ring bearing structure and turbocharger employing same |
US4725206A (en) * | 1984-12-20 | 1988-02-16 | The Garrett Corporation | Thermal isolation system for turbochargers and like machines |
WO1997013084A1 (en) * | 1995-10-02 | 1997-04-10 | A.W. Chesterton Co. | Rotary seal and/or bearing |
US5967762A (en) * | 1996-03-18 | 1999-10-19 | Turbonetics, Inc. | Turbocharger for high performance internal combustion engines |
WO2005046021A2 (en) * | 2003-10-28 | 2005-05-19 | Capstone Turbine Corporation | Rotor and bearing system for a turbomachine |
EP2006497A1 (en) | 2007-06-21 | 2008-12-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Axial disc for the rotor of a turbo engine and turbo machine rotor |
DE102008044876A1 (en) | 2008-08-29 | 2010-03-04 | Daimler Ag | Air supply unit for a fuel cell |
DE102009017356A1 (en) * | 2009-04-14 | 2010-11-04 | Continental Automotive Gmbh | Magnetizable axial-thrust bearing disk for turbocharger of internal combustion engine, has rotor shaft, and magnetic bearing arrangement provided with electromagnet device, where thickness and width of disk are variable |
DE102009053102A1 (en) * | 2009-11-13 | 2011-05-19 | Continental Automotive Gmbh | Thrust bearing arrangement for a shaft of a turbocharger |
WO2011091826A2 (en) * | 2010-01-28 | 2011-08-04 | Daimler Ag | Supercharging device for compressing a medium and drive train for a motor vehicle having such a supercharging device |
WO2014081901A1 (en) * | 2012-11-20 | 2014-05-30 | New Way Machine Components, Inc. | Air bearing for use as seal |
DE102012224052A1 (en) | 2012-12-20 | 2014-06-26 | Robert Bosch Gmbh | Method for detecting surge in electrically driven compressor of vehicle fuel cell system, involves detecting compressor pumping based on change in torque and target current of drive device, and target rotational speed of compressor |
US20160319859A1 (en) * | 2014-01-30 | 2016-11-03 | Ihi Corporation | Thrust bearing |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110959073A (en) | 2020-04-03 |
CN110959073B (en) | 2021-11-09 |
WO2019020285A1 (en) | 2019-01-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102018201162A1 (en) | Turbomachine, in particular for a fuel cell system | |
DE102017212815A1 (en) | Turbomachine, in particular for a fuel cell system | |
EP2600015B1 (en) | Turbo-compressor, fuel cell system | |
DE102011087606A1 (en) | Motor vehicle system device and method for operating a motor vehicle system device | |
DE102012013048A1 (en) | Fluid-flow machine for supplying compressed air to fuel cell of fuel cell arrangement of passenger car, has compressor fluidly connected with branch line at branching point that is arranged at downstream of compressor wheel | |
DE102011119881A1 (en) | Charging device for a fuel cell, in particular a motor vehicle | |
DE102012024314A1 (en) | Turbocharger for energy converter, has shaft mounted at housing by air suspension which is supplied with air for bearing shaft due to pressure difference between compressor room and turbine room and due to pressure drop over labyrinth seal | |
DE102016015266A1 (en) | Air supply device and fuel cell system | |
DE102016212552A1 (en) | Electric compressor with vibration-damped, compact storage | |
EP4041994B1 (en) | Flow machine for supplying air to a fuel cell system, method of operating such a flow machine | |
DE102009012252A1 (en) | turbocharger | |
WO2018184800A1 (en) | Turbo compressor, in particular for a fuel cell system | |
DE102010053497A1 (en) | Exhaust-gas turbocharger for internal combustion engine of motor vehicle, has rotor comprising shaft that is provided with ventilation channels with outlet opening for guiding air from retaining area into close area of sealing ring | |
DE102017212821A1 (en) | Turbomachine, in particular for a fuel cell system | |
WO2011113465A1 (en) | Charging device for a fuel cell | |
DE102017212825A1 (en) | Turbomachine, in particular for a fuel cell system | |
DE102012006711A1 (en) | turbocharger | |
EP3830423B1 (en) | Turbomachine | |
DE102017212819A1 (en) | Turbomachine, in particular for a fuel cell system | |
DE102021210026A1 (en) | Rotor assembly with rotor hollow shaft for a turbocharger with an additional electric motor drive and turbocharger | |
DE102010040823A1 (en) | Turbo supercharger for use in e.g. internal combustion engine, of motor car, has turbine wheel spine whose outer diameter is greater than outer diameter of turbine blade ring to partially compensate occurrence of axial forces | |
DE102008025058A1 (en) | Axial bearing seal for exhaust-gas turbocharger, has sealing gap formed between seal ring and housing such that oil pressure existing in gap during operation of turbocharger is larger than air pressure in axial bearing | |
DE102018221556A1 (en) | Electric compressor with a semi-permeable pressure compensation device | |
DE102023104857A1 (en) | Charging system of a fuel cell | |
DE102009052225B4 (en) | Gas seal between a shaft and a housing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed |