涡轮机，尤其用于燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种涡轮机(10)，尤其用于燃料电池系统(1)。所述涡轮机(10)包括轴(14)、工作轮(15)和轴向支承盘(30)。工作轮(15)和轴向支承盘(30)布置在轴(14)上。工作轮(15)实施为径向转子，其中，工作轮(15)在其前侧(15a)上能够被工作流体沿着通流路径(16)流过。通流路径(16)包括轴向通流端部(18)和径向通流端部(17)。轴向支承盘(30)面向工作轮(15)的后侧(15b)。在轴向支承盘(30)上形成并且背离后侧(15b)的滑动面(32)与滑动环组件(33)共同作用。

Turbines, especially for fuel cell systems

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】涡轮机，尤其用于燃料电池系统
技术介绍
由现有技术，例如由公开文献DE102012224052A1已知一种实施为涡轮压缩机的、用于燃料电池系统的涡轮机。已知的涡轮压缩机具有能够被驱动装置驱动的轴。在该轴上布置有压缩机和废气涡轮。在详细的构型中，由公开文献DE102008044876A1已知一种实施为涡轮压缩机的涡轮机。已知的涡轮压缩机具有布置在轴上的工作轮。在此，该工作轮实施为径向转子，即在其前侧上被工作流体沿着通流路径流过，其中，通流路径包括轴向通流端部和径向通流端部。此外，由EP2006497A1已知，涡轮机的轴能够借助轴向支承盘轴向地支承。
技术实现思路
根据本专利技术的涡轮机具有减小地作用到轴上的轴向力。为此，通过工作流体起作用的、作用到轴上或者作用到与轴连接的构件上的压力被滑动环组件这样地影响，使得轴在轴向方向上优选压力平衡或者力平衡。在此，涡轮机优选布置在燃料电池系统中。为此，涡轮机包括轴、工作轮和轴向支承盘。工作轮和轴向支承盘布置在轴上。工作轮实施为径向转子，其中，工作轮在其前侧上能够被工作流体沿着通流路径流过。通流路径包括轴向通流端部和径向通流端部。轴向支承盘面向工作轮的后侧。在轴向支承盘上形成并且背离所述后侧的滑动面与滑动环组件共同作用。如在涡轮机中常见的那样，与在工作轮的后侧上相比，在工作轮的前侧上作用有由工作流体引起的较小的轴向力。在后侧上的该力过量在轴向支承盘上被平衡或者限制，其方式是：在那里在两侧上也产生不同的引起的轴向力。这通过在滑动环组件上的压力分配进行，该滑动环组件因此作为分压器起作用。也就是说，在轴向支承盘的一侧上，即在背离工作轮的一侧上，通过工作流体作用的压力减小。作用到轴上的轴向力从而被平衡或者限制或者最小化，使得相应的轴向轴承的性能和耐久性得到优化。在此，优选在涡轮机运行中，由工作流体作用到轴上引起的轴向力近似为零。因此，所述轴在轴向方向上近似是压力平衡或者说力平衡的。工作流体间接或直接地，例如经由工作轮和轴向支承盘的前侧和后侧作用到轴上。由于引起的轴向力低，用于轴的轴向轴承因此能够实施得非常小并且节省结构空间。此外，由此也使轴向轴承上的磨损最小化，并且因此提高了整个涡轮机的使用寿命。在有利的扩展方案中，滑动面和滑动环组件形成具有密封直径的滑动环密封件。密封直径大于工作轮在轴向通流端部上的内径；并且密封直径小于工作轮在径向通流端部上的外径。因此，将滑动面上的压力分为两部分：较高的压力作用在径向外部区域上，该压力优选相应于在径向通流端部上的压力。并且，较低的压力作用在内部区域上，该压力例如可以相应于大气压。因此，轴向支承盘的配属于工作轮的并且与滑动面对置的工作面完全被加载以径向通流端部的较高压力。工作面和滑动面也可以被称为轴向支承盘的前侧和后侧。因此，流体压力这样地作用到工作轮和轴向支承盘上，使得该流体压力将这两个构件轴向地彼此移开，相应地引起的轴向力因此具有相反的符号，然而优选具有近似相同的数值。在此，滑动环密封件不必是介质密封的，而是也可以形成具有节流功能的泄漏缝隙。在有利的实施方式中，密封直径为此为外径的0.4倍至0.6倍。替代地或补充地，密封直径为内径的至少2倍。由此，所述轴在轴向方向上力平衡地构型。在有利的扩展方案中，滑动环组件具有滑动环。优选地，滑动环在此借助弹簧抵着滑动面压紧。滑动环和轴向支承盘从而可以在摩擦学上非常有利地，即通常以相对彼此非常低的摩擦系数来构型。通过弹簧进行的力加载负责，即使在轴的高转速时滑动环也不太大地从滑动面抬起。由此，在高转速时也确保压力分配的功能。有利地，滑动环组件布置在壳体中。滑动环借助辅助密封件安置在壳体中。优选地，该壳体是涡轮机的一件式或多件式的壳体。通过将滑动环经由辅助密封件支承，滑动环几乎浮动地支承，所述辅助密封件优选实施为轴密封环。辅助密封件在径向方向上将滑动环相对于所述轴同轴地定位。在轴向方向上，滑动环可以在辅助密封件上滚动，使得能够平衡轴向的公差和移动。在有利的扩展方案中，在滑动环和滑动面之间形成泄漏缝隙。因此，滑动环不必相对于滑动面介质密封地密封，而是实现节流功能，以便能够作为分压器起作用。因此，工作流体的限定的质量流可以通过泄漏缝隙流动并且润滑和/或冷却随后连接的部件。在有利的实施方式中，在滑动环组件的与轴向支承盘相反的一侧上布置有至少一个轴承。所述至少一个轴承可旋转地支承所述轴。所述至少一个轴承能够被通过泄漏缝隙流动的工作流体流入。因此，在运行中，轴承被工作流体流入或者甚至流过并且由此被冷却和/或润滑。在此，在有利的实施方式中，所述轴承实施为气体润滑的轴承。在有利的实施方式中，在滑动环组件的与轴向支承盘相反的一侧上布置有至少一个驱动装置。该驱动装置能够被通过泄漏缝隙流动的工作流体流入。因此，在运行中，驱动装置被工作流体流入或者甚至流过并且由此被冷却和/或润滑。在此，在有利的实施方式中，驱动装置包括定子和布置在轴上的转子，即实施为电动机。电动机、尤其定子的冷却提高了电动机的效率。在有利的实施方式中，工作轮实施为压缩机。因此，轴向通流端部是通流路径的通流入口，而径向通流端部是通流路径的通流出口。因此，工作轮在运行中轴向地被流入并且径向地被流出。对于压缩机或者涡轮压缩机需要驱动装置。通过放置滑动环组件或者滑动环使作用到轴上并且因此作用到其轴向轴承上的减小地引起的轴向力最小化，使得相应的摩擦损耗也最小化。因此，也减小驱动装置所需的驱动功率并且相应能量高效地构型涡轮压缩机。在有利的扩展方案中，在所述轴上布置有另一工作轮。该另一工作轮也实施为径向转子。所述另一工作轮在其前侧上能够被工作流体沿着另一通流路径流过，其中，所述另一通流路径包括轴向通流端部和径向通流端部。所述另一工作轮的轴向通流端部与所述工作轮的轴向通流端部相反取向。由此，分别作用到两个工作轮上引起的流体轴向力沿相反方向起作用，即彼此抵消为一部分。因此，能够减小滑动环组件的密封直径和/或泄漏缝隙的节流作用。由此，滑动环组件上的磨损，特别时滑动环和滑动面之间的磨损也减小。在有利的使用中，将涡轮机布置在燃料电池系统中。为此，涡轮机实施为涡轮压缩机或者工作轮实施为压缩机，其中，轴向通流端部是通流入口并且径向通流端部是通流路径的通流出口。燃料电池系统具有燃料电池、用于将氧化剂供应到燃料电池中的空气供应管路和用于将氧化剂从燃料电池排出的废气管路。压缩机布置在空气供应管路中。在此，空气供应管路用于将工作流体或氧化剂流入到燃料电池中，并且废气管路用于从燃料电池排出氧化剂或者经反应的氧化剂或者由它们组成的混合物。涡轮压缩机根据上面所说明的实施方式构型。尤其在具有泄漏缝隙的实施方式中，可以如此非常有效地冷却涡轮压缩机。在有利的扩展方案中，燃料电池系统具有废气涡轮，所述废气涡轮具有另一工作轮。所述另一工作轮也布置在轴上。废气涡轮布置在废气管路中。优选地，涡轮机的所述另一工作轮与涡轮压缩机的工作轮相反取向地布置，使得部分地抵消分别作用到两个工作轮上的有效地引起的轴向力。从燃料电池流出的经反应的工作流体或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮机(10)，尤其用于燃料电池系统(1)，所述涡轮机具有轴(14)、工作轮(15)和轴向支承盘(30)，其中，所述工作轮(15)和所述轴向支承盘(30)布置在所述轴(14)上，其中，所述工作轮(15)实施为径向转子，其中，所述工作轮(15)在其前侧(15a)上能够被工作流体沿着通流路径(16)流过，其中，所述通流路径(16)包括轴向通流端部(18)和径向通流端部(17)，其中，所述轴向支承盘(30)面向所述工作轮(15)的后侧(15b)，/n其特征在于，/n在所述轴向支承盘(30)上形成并且背离所述后侧(15b)的滑动面(32)与滑动环组件(33)共同作用。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170726 DE 102017212821.61.一种涡轮机(10)，尤其用于燃料电池系统(1)，所述涡轮机具有轴(14)、工作轮(15)和轴向支承盘(30)，其中，所述工作轮(15)和所述轴向支承盘(30)布置在所述轴(14)上，其中，所述工作轮(15)实施为径向转子，其中，所述工作轮(15)在其前侧(15a)上能够被工作流体沿着通流路径(16)流过，其中，所述通流路径(16)包括轴向通流端部(18)和径向通流端部(17)，其中，所述轴向支承盘(30)面向所述工作轮(15)的后侧(15b)，
其特征在于，
在所述轴向支承盘(30)上形成并且背离所述后侧(15b)的滑动面(32)与滑动环组件(33)共同作用。


2.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
所述滑动面(32)和所述滑动环组件(33)构成具有密封直径(39)的滑动环密封件，其中，所述密封直径(39)大于所述工作轮(15)在轴向通流端部(18)上的内径(37)，并且其中，所述密封直径(39)小于所述工作轮(15)在径向通流端部(17)上的外径(38)。


3.根据权利要求1或2所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
所述密封直径(39)为所述外径(38)的0.4倍至0.6倍。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
所述密封直径(39)为所述内径(37)的至少两倍。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
所述滑动环组件(33)具有滑动环(34)，其中优选，所述滑动环(34)借助弹簧(35)抵着所述滑动面(32)压紧。


6.根据权利要求5所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
所述滑动环组件(33)布置在壳体(8)中，其中，所述滑动环(34)借助辅助密封件(36)安置在所述壳体(8)中。


7.根据权利要求5或6所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
在所述滑动环(34)和所述滑动面(32)之间形成泄漏缝隙。


8.根据权利要求7所述的涡轮机(10)，
其特征在于，
在所述滑动环组件(33)的与所述轴向支承盘(30)相反的一侧上布置有至少一个轴承(41、42)，所述轴承能够旋转地支承所述轴(14)...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·维德曼，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE