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Title:
TURBOMACHINE, IN PARTICULAR FOR A FUEL CELL SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/020285
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a turbomachine (10), in particular for a fuel cell system (1). The turbomachine (10) comprises a shaft (14), an impeller wheel (15) and an axial bearing disk (30). The impeller wheel (15) and the axial bearing disk (30) are mounted on the shaft (14). The impeller wheel (15) is designed as a radial impeller, and a working fluid can flow through the impeller wheel (15) on the front side (15a) along a flow path (16). The flow path (16) comprises an axial flow end (18) and a radial flow end (17). The axial bearing disk (30) faces the rear side (15b) of the impeller wheel (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).

Inventors:
WIEDMANN, Felix (Spitzaeckerstr. 12, Stuttgart, 70469, DE)
Application Number:
EP2018/066409
Publication Date:
January 31, 2019
Filing Date:
June 20, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F04D17/10; F04D25/02; F04D29/051; F04D29/12
Foreign References:
CA2075604A11994-02-08
DE102014226951A12016-06-23
DE249336C
DE19951570A12001-05-03
DE102015007379A12016-01-21
DE102012224052A12014-06-26
DE102008044876A12010-03-04
EP2006497A12008-12-24
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Claims:
Ansprüche 1 . Turbomaschine (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1 ), mit einer Welle

(14) , einem Laufrad (15) und einer Axiallagerscheibe (30), wobei das Laufrad (15) und die Axiallagerscheibe (30) auf der Welle (14) angeordnet sind, wobei das Laufrad

(15) als Radialläufer ausgeführt ist, wobei das Laufrad (15) auf seiner Vorderseite (15a) von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads (16) durchströmbar ist, wobei der Strömungspfad (16) ein axiales Strömungsende (18) und ein radiales

Strömungsende (17) umfasst, wobei die Axiallagerscheibe (30) der Rückseite (15b) des Laufrads (15) zugewandt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine an der Axiallagerscheibe (30) ausgebildete und der Rückseite (15b) abgewandte Gleitfläche (32) mit einer Gleitringanordnung (33) zusammenwirkt.

2. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gleitfläche (32) und die Gleitringanordnung (33) eine Gleitringdichtung mit einem Dichtdurchmesser (39) ausbilden, wobei der Dichtdurchmesser (39) größer ist als ein

Innendurchmesser (37) des Laufrads (15) am axialen Strömungsende (18) und wobei der Dichtdurchmesser (39) kleiner ist als ein Außendurchmesser (38) des Laufrads (15) am radialen Strömungsende (17). 3. Turbomaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2

dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtdurchmesser (39) das 0,4-fache bis 0,6- fache des Außendurchmessers (38) beträgt.

4. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3

dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtdurchmesser (39) mindestens das 2-fache des Innendurchmessers (37) beträgt.

5. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gleitringanordnung (33) einen Gleitring (34) aufweist, wobei vorzugsweise der

Gleitring (34) mittels einer Feder (35) gegen die Gleitfläche (32) gespannt ist.

6. Turbomaschine (10) nach Anspruch 5

dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitringanordnung (33) in einem Gehäuse (8) angeordnet ist, wobei der Gleitring (34) mittels einer Nebenabdichtung (36) in dem Gehäuse (8) gelagert ist.

7. Turbomaschine (10) nach Anspruch 5 oder 6

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleitring (34) und der Gleitfläche (32) ein Leckagespalt ausgebildet ist.

8. Turbomaschine (10) nach Anspruch 7

dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Axiallagerscheibe (30) entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung (33) zumindest ein Lager (41 , 42) angeordnet ist, welches die Welle (14) rotierbar lagert, wobei das zumindest eine Lager (41 , 42) von dem Arbeitsfluid anströmbar ist.

9. Turbomaschine (10) nach Anspruch 7 oder 8

dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Axiallagerscheibe (30) entgegengesetzten Seite der Gleitringanordnung (33) zumindest eine Antriebsvorrichtung (20) angeordnet ist, wobei die Antriebsvorrichtung (20) von dem Arbeitsfluid anströmbar ist.

10. Turbomaschine (10) nach Anspruch 9

dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (20) einen Stator (22) und einen auf der Welle (14) angeordneten Rotor (21 ) umfasst.

1 1 . Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10

dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Laufrad (13a) auf der Welle (14) angeordnet ist, wobei das weitere Laufrad (13a) als Radialläufer ausgeführt ist, wobei das weitere Laufrad (13a) auf seiner Vorderseite von dem Arbeitsfluid entlang eines weiteren Strömungspfads durchströmbar ist, wobei der weitere Strömungspfad ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst, wobei das axiale Strömungsende des weiteren Laufrads (13a) entgegenorientiert zum axialen

Strömungsende (18) des Laufrads (15) ist.

12. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betrieb der Turbomaschine (10) die von dem Arbeitsfluid auf die Welle (14) wirkende resultierende Axialkraft nahezu Null ist.

13. Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12

dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (15) als Verdichter (1 1 ) ausgeführt ist, wobei das axiale Strömungsende (18) den Strömungseingang und das radiale Strömungsende (17) den Strömungsausgang des Strömungspfads (16) darstellen.

14. Brennstoffzellensystem (1 ) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer Abgasleitung (4) zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, wobei das Laufrad (15) als Verdichter (1 1 ) ausgeführt ist, wobei das axiale Strömungsende (18) den

Strömungseingang und das radiale Strömungsende (17) den Strömungsausgang des Strömungspfads (16) darstellen, und wobei der Verdichter (1 1 ) in der

Luftzuführungsleitung (3) angeordnet ist.

15. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 14, wobei das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Abgasturbine (13) mit einem weiteren Laufrad (13a) aufweist, wobei das weitere Laufrad (13a) auf der Welle (14) angeordnet ist, wobei die Abgasturbine (13) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist.

Description:
Beschreibung

Titel

Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensvstem

Stand der Technik Als Turbokompressoren ausgeführte Turbomaschinen für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Der bekannte Turbokompressor weist eine von einer

Antriebsvorrichtung antreibbare Welle auf. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet.

In detaillierterer Ausgestaltung ist eine als Turbokompressor ausgeführte Turbomaschine aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 044 876 A1 bekannt. Der bekannte

Turbokompressor weist ein auf einer Welle angeordnetes Laufrad auf. Das Laufrad ist dabei als Radialläufer ausgeführt, wird also auf seiner Vorderseite von einem Arbeitsfluid entlang eines Strömungspfads durchströmt, wobei der Strömungspfad ein axiales Strömungsende und ein radiales Strömungsende umfasst.

Weiterhin ist aus der EP 2 006 497 A1 bekannt, dass die Welle von Turbomaschinen mittels einer Axiallagerscheibe axial gelagert werden kann.

Offenbarung der Erfindung

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. 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.

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. 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.

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 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 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.

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.

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. So kann ein definierter Massenstrom des Arbeitsfluids durch den Leckagespalt fließen und nachgeschaltete Komponenten schmieren und/oder kühlen.

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 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 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 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 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 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.

Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine

Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer als Turbokompressor

ausgeführten Turbomaschine aus dem Stand der Technik,

Figur 2 schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig.1 zeigt ein aus der DE 10 2012 224 052 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem 1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Luftzuführungsleitung 3, eine Abgasleitung 4, einen Verdichter 1 1 , eine Abgasturbine 13, ein Bypassventil 5 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 2. Das Bypassventil 5 kann beispielsweise eine Regelklappe sein. Als Bypassventil 5 kann beispielsweise ein Wastegate-Ventil eingesetzt werden. 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 1 1 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 13 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 1 1 und die Abgasturbine 13 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 20 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 13 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 20 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 1 1 . Der Verdichter 1 1 , die Welle 14 und die Abgasturbine 13 bilden zusammen eine Turbomaschine 10.

Fig.2 zeigt schematisch einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Turbomaschine 10, insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 1 . Die Turbomaschine 10 ist in dieser Ausführung als Turbokompressor 10 ausgeführt und weist ein auf der Welle 14 angeordnetes Laufrad 15 auf, welches als Verdichter 1 1 bzw. Kompressor wirkt.

Zusätzlich weist die Turbomaschine 10 optional die Abgasturbine 13 auf, welche ein auf der Welle 14 angeordnetes weiteres Laufrad 13a umfasst. Vorzugsweise sind dabei das weitere Laufrad 13a und das Laufrad 15 auf den entgegengesetzten Enden der Welle 14 positioniert.

Vorteilhafterweise ist die Turbomaschine 10 in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet, so dass das Laufrad 15 des Verdichters 1 1 in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet ist und so dass das weitere Laufrad 13a der Abgasturbine 13 in der Abgasleitung 4 angeordnet ist.

Das Laufrad 15 ist in der Ausführung der Fig.2 als Radialläufer ausgeführt, wird also im Falle des Einsatzes als Turbokompressor bzw. Verdichter 1 1 axial angeströmt und strömt radial ab. Das Laufrad 15 weist dazu auf seiner Vorderseite 15a einen Strömungspfad 16 auf, welcher ein axiales Strömungsende 18 und ein radiales Strömungsende 1 umfasst. Wie bei einem Radialläufer üblich ändert sich die Richtung eines durch das Laufrad 15 strömenden Arbeitsfluids in der Schnittansicht um etwa 90°. Im Falle der Ausführung als Turbokompressor wird das Laufrad 15 am axialen Strömungsende 18 von dem

Arbeitsfluid axial angeströmt, das Arbeitsfluid durchläuft dann den Strömungspfad 16 auf der Vorderseite 15a und wird dabei verdichtet und tritt anschließend am radialen

Strömungsende 17 radial aus dem Laufrad 15 aus.

Auf seiner Vorderseite 15a ist das Laufrad 15 von einem Innendurchmesser 31 bis zu einem Außendurchmesser 32 mit dem Druck des Arbeitsfluids beaufschlagt. Dabei ist dieser Druck nicht konstant, sondern steigt vom Innendurchmesser 31 zum

Außendurchmesser 32 an; dies gilt für den Einsatz der Turbomaschine 10 sowohl als Turbokompressor als auch als Turbine. Beim Einsatz der Turbomaschine 10 als Turbine kehrt sich lediglich die Richtung des Strömungspfads 16 um, nämlich vom radialen Strömungsende 17 zum axialen Strömungsende 18; die qualitativen Druckverhältnisse auf der Vorderseite 15a sind jedoch die gleichen wie beim Turbokompressor.

Die Antriebsvorrichtung 20 des Turbokompressors 10 ist als Elektromotor ausgeführt, zwischen dem Verdichter 1 1 und der Abgasturbine 13 angeorndet und umfasst einen Rotor 21 und einen Stator 22. Der Rotor 21 ist ebenfalls auf der Welle 14 angeordnet. Der Stator 22 ist ortsfest in einem nur partiell dargestellten Gehäuse 8 des Turbokompressors 10 positioniert. Das Gehäuse 8 kann auch mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle 14 ist zu beiden Seiten der Antriebsvorrichtung 20 mittels je eines Lagers 41 , 42 drehbar gelagert. Die Antriebsvorrichtung 20 ist zwischen den beiden Lagern 41 , 42 positioniert. An den äußeren Enden der Welle 14 ist am einen Ende das Laufrad 15 angeordnet und am anderen Ende das weitere Laufrad 13a, welches die Abgasturbine 13 bildet.

Die Turbomaschine 10 umfasst weiterhin eine auf der Welle 14 angeordnete

Axiallagerscheibe 30. Die Axiallagerscheibe 30 kann dazu beispielsweise auf die Welle 14 aufgepresst sein, oder - wie in Fig.2 gezeigt - mittels einer Mutter 49 unter Zwischenlage des Laufrads 15 gegen eine Schulter der Welle 14 verspannt sein. Die Axiallagerscheibe 30 weist eine vorzugsweise gehärtete und geschliffene Lauffläche 31 für das Axiallager auf. In der Darstellung der Fig.2 ist dabei die Gegenfläche für das Axiallager nicht gezeigt; dies könnte beispielsweise eine Fläche des Gehäuses 8 oder ein darin eingesetztes Bauteil sein. Weiterhin weist die Axiallagerscheibe 30 eine Gleitfläche 32 auf, die vorzugsweise der Lauffläche 31 gegenüberliegend ausgebildet ist. Die Gleitfläche 32 wirkt mit einer

Gleitringanordnung 33 zusammen, vorzugsweise derart, dass sie eine gasgeschmierte Gleitringdichtung bilden. Die Gleitringdichtung muss dabei nicht mediendicht ausgeführt sein, sondern kann eine Leckage aufweisen. Wichtig ist jedoch, dass sie eine

Druckdifferenz im Betrieb der Turbomaschine 10 erzeugen kann.

Die vorzugsweise axialsymmetrische Gleitringanordnung 33 umfasst einen Gleitring 34, eine Feder 35 und eine Nebenabdichtung 36. Die Feder 35 spannt den Gleitring 34 gegen die Gleitfläche 32, so dass im Betrieb der Turbomaschine 10 an der Gleitringdichtung eine Druckdifferenz von außen nach innen besteht; üblicherweise ist dies ein Druckgefälle. Die Nebenabdichtung 36 wirkt zwischen dem Gleitring 34 und dem Gehäuse 8 und positioniert dadurch vorzugsweise auch den Gleitring 34 koaxial zur Welle 14. Hier muss die Nebenabdichtung 36 ebenfalls nicht mediendicht sein, sondern eine Druckdifferenz halten können. Vorzugsweise ist eine etwaige Leckage an der Nebenabdichtung 36 aber deutlich kleiner als eine etwaige Leckage an der Gleitringdichtung. Die Nebenabdichtung 36 ist vorzugsweise ein Wellendichtring, so dass der Gleitring 34 in axialer Richtung über dem Wellendichtring abrollen kann.

Erfindungsgemäß wird die Axialkraft auf die Lauffläche 31 der Axiallagerscheibe 30 durch die Gleitringdichtung reduziert. Diese Reduzierung erfolgt im Betrieb der Turbomaschine 10 mit dem Arbeitsfluid der Turbomaschine 10, genauer mit dem Druck des Arbeitsfluids, welcher am Laufrad 15, an der Axiallagerscheibe 30 und gegebenenfalls an der Welle 14, an dem weiteren Laufrad 13a und an weiteren mit der Welle 14 verbundenen Bauteilen anliegt. Beispielhaft sind nun in der Fig.2 drei Drücke dargestellt:

- Ein Niederdruck p 0 am axialen Strömungsende 18 des Strömungspfads 16. Fungiert das Laufrad 15 als Verdichter 1 1 , so ist dies der Eingangsdruck bzw. der Saugdruck.

- Ein Hochdruck pi am radialen Strömungsende 17 des Strömungspfads 16. Fungiert das Laufrad 15 als Verdichter 1 1 , so ist dies der Ausgangsdruck bzw. der Förderdruck.

- Ein Umgebungsdruck p2 stromabwärts der Gleitringdichtung bzw. stromabwärts der Nebenabdichtung 36. Der Umgebungsdruck p2 kann dabei beispielsweise dem

Niederduck p o oder dem Atmosphärendruck entsprechen. An der Gleitringdichtung und an der Nebenabdichtung 36 wird somit der Hochdruck pi zum Umgebungsdruck p2 abgedichtet, entweder mediendicht oder mittels Leckage. Die Gleitringdichtung wirkt demzufolge als Druckteiler mit einem Dichtdurchmesser 39.

An seiner Vorderseite 15a ist das Laufrad 15 mittels der Mutter 49 auf der Welle 14 verspannt. Je nach Dichtkonzept ist diese Mutter 49 und das sich daran anschließende Ende der Welle 14 ebenfalls mit dem Niederdruck p o beaufschlagt. Auf der Vorderseite 15a des Laufrads 15 verdichtet sich das Arbeitsfluid von einem Innendurchmesser 37 bis zu einem Außendurchmesser 38 bis zum Hochdruck pi . Der Hochdruck pi liegt somit auch an der Lauffläche 31 der Axiallagerscheibe 30 an, welche dem Laufrad 15 zugewandt ist. An der Rückseite der Axiallagerscheibe 30 bzw. an ihrer Gleitfläche 32 liegt radial außen - also außerhalb des Dichtdurchmessers 39 - ebenfalls der Hochdruck pi an, und radial innen der Umgebungsdruck p2.

Konstruktiv wird nun der Dichtdurchmesser 39 so gewählt, dass sich diese Drücke nahezu ausgleichen, die Welle 14 mit ihren Anbauteilen also quasi druckausgeglichen bzw.

kraftausgeglichen ist. Konstruktiv wird also die Gleitfläche 32 bzgl. ihres Flächeninhalts durch den Gleitring 34 so unterteilt, dass die Druckausgeglichenheit entsteht.

Aufgrund der Eigenschaften und der Bearbeitungsfolge der Axiallagerscheibe 30 ist es möglich, die Gleitfläche 32 für eine Rotationsdichtung, beispielsweise eine

gasgeschmierte Gleitringdichtung, darzustellen, optional eben mit einem Leckagespalt. Die verbleibende Axialkraft auf die Welle 14 wird durch den Durchmesser des Gleitrings 34 bzw. durch den Dichtdurchmesser 39 bestimmt. 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 Fig.2 ist dazu exemplarisch das weitere Laufrad 13a auf der Welle 14 angeordnet, welches vorzugsweise als Abgasturbine 13 in der Abgasleitung 4 des

Brennstoffzellensystems 1 wirkt. Das weitere Laufrad 13a ist ebenfalls als Radialläufer gestaltet, so dass naturgemäß auch an dem weiteren Laufrad 13a eine fluidisch resultierende Axialkraft entsteht, die ungleich Null ist. Diese Kräfte inklusive weiterer Stirnflächen auf der Seite der Abgasturbine 13 werden vorzugsweise für die Auslegung des Dichtdurchmessers 39 berücksichtigt.

In vorteilhaften Ausführungen ist zwischen der Gleitringanordnung 33 und der Gleitfläche 32 ein Leckagespalt ausgebildet, so dass ein Durchtritt des Arbeitsfluids durch den Leckagespalt ermöglicht ist. Dabei kann der Leckagespalt gezielt auf einen

hindurchtretenden Massenstrom eingestellt werden, um Bauteile wie die beiden Lager 41 , 42 oder die Antriebsvorrichtung 20 zu kühlen. Weiterhin können aufgrund des

Leckagespalts die beiden Lager 41 , 42 mit dem Arbeitsfluid geschmiert werden;

vorzugsweise sind die beiden Lager 41 , 42 dazu als gasgeschmierte Lager ausgeführt. Zusätzlich kann auch ein weiterer Leckagespalt an der Nebenabdichtung 36 zur Kühlung und/oder Schmierung nachgeschalteter Bauteile eingesetzt werden.