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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen
beaufschlagten Strömungsmaschinen.
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Sie
betrifft das Gaseintrittsgehäuse
einer Abgasturbine sowie einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine
mit einem solchen Gaseintrittsgehäuse.
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Stand
der Technik
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Abgasturbinen
werden in Abgasturbolader zum Aufladen von Brennkraftmaschinen oder
in Nutzturbinen zum Umwandeln der in den Abgasen von Brennkraftmaschinen
enthaltenen Energie in mechanische oder elektrische Energie eingesetzt. Eine
mit heissen Abgasen beaufschlagte Turbine treibt dabei ein Nutzteil,
wie etwa einen Verdichter oder einen Generator an. Aufgrund der
Anströmungsrichtung
wird bei Abgasturbinen etwa zwischen Axial- und Radialturbinen unterschieden.
Bei den Axialturbinen wird weiter aufgrund der axialen Anströmrichtung
zwischen normal und umgekehrt angeströmten Axialturbinen unterschieden,
wobei bei der normal angeströmten
Axialturbine die Strömung hin
zur Lagerung geführt
ist und bei der umgekehrt angeströmten Axialturbine die Anströmung der
Leitschaufel von der Seite der Lagerung her erfolgt. Bei umgekehrt
angeströmten
Axialturbinen mit Innenlagern, bei welchen also die Wellenlagerung
zwischen Turbinenrad und dem Nutzteil angeordnet ist, liegt das
Gaseintrittsgehäuse
zwischen dem Turbinenrad und dem Nutzteil.
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Bei
solchen, umgekehrt angeströmten
Axialturbinen mit Innenlagern wird ein die Laufschaufeln radial
nach aussen abdeckender Abdeckring sowie ein stromauf der Laufschaufeln
angeordneter Düsenring
(Leitelement) in der Regel am äusseren
Turbinengehäuse
befestigt. Die Positionierung des Abdeckrings bezüglich des
Turbinenrades und die damit verbundene Zentrierung bezüglich der
Turbinenwelle erfolgt dabei sehr indirekt über zahlreiche Gehäuseteile.
Unregelmässige
Bewegungen des Rotorblocks der Turbine, also des im Lagergehäuse gelagerten Rotors
mitsamt Turbinenrad, sowie thermisch bedingte oder durch Gaskräfte verursachte
Gehäusedeformationen
setzen ein verhältnismässig grosser Sicherheitsabstand
zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Abdeckring voraus, damit
es im Betrieb nicht zu unerwünschten
Berührungen,
Beschädigungen
oder gar Zerstörungen
einzelner Teile der Abgasturbine kommt. Ein zu grosser Abstand zwischen Laufschaufelspitzen
und Abdeckring führt
jedoch zu einer Verminderung des Turbinenwirkungsgrades.
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Kurze
Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine leicht zu
wartende Axialturbine mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Erfindungsgemäss wird
der Abdeckring bei einer Axialturbine mit Lagerung der Turbinenwelle auf
der Anströmseite
der Turbine direkt in radialer Richtung nach innen via den Düsenring
am Lagergehäuse
befestigt. Damit kann das Spiel zwischen Laufschaufelspitze und
Abdeckring reduziert werden, da die nunmehr auf direktem Weg und
in radialer Richtung verlaufende Masskette kürzer wird.
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Werden
zudem zwischen den strömungsführenden
Gehäuseteilen
und dem Abdeckring und weiteren, möglicherweise mit dem Rotorblock
verbundenen Teilen, flexible Dichtungen, Kompensatoren, Labyrinthdichtungen
oder dergleichen angeordnet, kann das Spiel weiter reduziert werden.
Die durch die Abgaskräfte
oder durch thermisch bedingte Deformationen verursachten Bewegungen
der Turbinengehäuseteile
haben keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf die Form
und Lage der mit dem Rotorblock verbundenen Teile.
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Ein
verkleinertes Spiel zwischen den rotierenden Laufschaufeln und stehenden
Gehäuseteilen erhöht den Turbinenwirkungsgrad.
Die Entkoppelung des Schaufelspiels von Gehäusebewegungen und Gehäusedeformationen
erhöht
die Zuverlässigkeit des
Turboladers und reduziert den Verschleiss.
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Dank
weiterer, in den abhängigen
Patentansprüchen
enthaltener Merkmale, kann der Rotorblock auf einfache Weise aus
dem Turbinengehäuse
ausgebaut werden und können
Servicearbeiten an der Turbine sowohl von der Gaseintritts- als
auch von der Gasaustrittsseite erfolgen. Zudem kann der Düsenring
ohne Demontage des Rotorblockes ausgewechselt oder gereinigt werden.
Dies ermöglicht,
die Servicemethode für
das Reinigen oder Wechseln des Düsenrings
besser auf die Platzverhältnisse
am Aufstellungsort der Abgasturbine oder auf die weiteren notwendigen
Servicearbeiten abzustimmen.
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Zudem
kann dank der erfindungsgemässen Ausbildung
und Anordnung des Abdeckrings mittels gezielter Einleitung eines
kleinen Bypass-Abgasstroms der Wirkungsgrad der Turbinenstufe erhöht werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei
zeigt
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1 einen
entlang der Achse geführten Schnitt
durch eine erfindungsgemässe
Axialturbine in montiertem Zustand,
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2 einen
Schnitt durch die Axialturbine nach 1 mit aus
dem Turbinengehäuse
ausgefahrenem Rotorblock,
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3 einen
entlang III-III geführten
Schnitt durch den Rotorblock nach 2,
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4 einen
entlang der Achse geführten Schnitt
durch den Rotorblock nach 2 mit freigelegtem
Düsenring,
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5 einen
entlang V-V geführten
Schnitt durch den Rotorblock nach 4,
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6 einen
entlang der Achse geführten Schnitt
durch die Axialturbine nach 1 mit gasaustrittseitig
freigelegtem Düsenring,
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7 eine
Detailansicht einer zwischen Rotorblock und Turbinengehäuse der
Axialturbine nach 1 angeordneten Labyrinthdichtung,
und
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8 einen
entlang der Achse geführten Schnitt
durch die Axialturbine nach 1 mit zwei
erfindungsgemässen
Ausführungsformen
des Düsenrings.
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Weg
zur Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine Axialturbine mit gaseintrittsseitiger Wellenlagerung.
Das Turbinenrad umfasst eine Nabe 10 und darauf angeordnete
Laufschaufeln 11. Die Nabe des Turbinenrades ist an oder
auf einer Turbinenwelle 50 befestigt, an deren anderem
Ende ein Nutzteil in Form des Laufrades eines Verdichters, des Rotors
eines elektrischen Generators oder aber eines Flansches zur Kraftübertragung
befestigt ist. Die Welle ist in einem Lagergehäuse 21 drehbar gelagert.
Die Lagerung umfasst in der Regel sowohl Radial- als auch Axiallager,
welche jeweils Kräfte
in die entsprechende Richtung aufnehmen und so eine gleichmässige, ruhige
Rotation der Turbinenwelle gewährleisten.
Das Turbinenrad ist über
die Turbinenwelle bezüglich
des Lagergehäuses
zentriert.
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Die
Laufschaufeln 11 des Turbinenrades sind in einem Strömungskanal
angeordnet, in welchem das heisse Abgas von einem Gaseintrittsgehäuse 22 über einen
Düsenring 30 und
die Turbinenlaufschaufeln 11 zu einem Gasaustrittsgehäuse 25 geführt wird.
Im Bereich der Laufschaufeln verläuft der Strömungskanal in axialer Richtung.
Die Gasströmung
ist in der 1 mittels der grossen Pfeile
angedeutet. Die erfindungsgemässe
Axialturbine hat den Gaseintritt auf der Seite des Lagergehäuses. Bei
der dargestellten Ausführungsform
mit der heute üblichen
Innenlagerung, liegt somit der Gaseintritt wie auch das Lager zwischen
dem Turbinenrad und dem am anderen Ende der Turbinenwelle angeordneten Nutzteil.
Der Strömungskanal
wird auf der Gaseintrittsseite von einer radial inneren Eintrittskanalwand 23 und
einem radial äusseren
Eintrittskanalring 42 begrenzt. Gasaustrittsseitig wird
der Strömungskanal durch
eine radial innere Austrittskanalwand 26 und die radial äusseren
Abdeckungs- und
Umfassungsringe 41 und 24 begrenzt.
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In
die gasaustrittsseitigen Austrittskanalwand 26 ist eine
zentrale Öffnung
eingelassen, welche den einfachen Zugriff auf die Welle ermöglich, ohne
dass die Austrittskanalwand oder gar das gesamte gasaustrittsseitige
Gehäuse
demontiert werden muss. Die Öffnung
ist im Betrieb mittels eines Deckels 27 geschlossen.
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Der
Abdeckungsring 41 ist radial unmittelbar ausserhalb der
Laufschaufeln 11 angeordnet. Der Abstand zwischen den Laufschaufelspitzen
und der Oberfläche
des Abdeckungsrings, beeinflusst den Wirkungsgrad der Axialturbine.
Insbesondere ist es jedoch für
die Betriebssicherheit der Axialturbine von grosser Bedeutung, dass
der Abdeckungsring und die schnell rotierenden Laufschaufeln einander
nicht berühren,
was voraussetzt, dass der Abdeckungsring bezüglich dem rotierenden Turbinenrad
konzentrisch angeordnet ist und dies auch währen dem Betrieb der Axialturbine
bleibt.
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Erfindungsgemäss ist hierfür der Abdeckungsring 41 nach
radial innen am Lagergehäuse abgestützt. Die
Abstützung
erfolgt über
den Düsenring 30,
welcher seinerseits direkt auf dem Lagergehäuse 21 aufliegt oder
form- oder kraftschlüssig
mit diesem verbunden ist. Der Düsenring
ist typischerweise ein Bauteil mit drei Elementen: Einem inneren Trägerring,
einem äusseren
Trägerring
sowie dazwischen angeordnete Leitschaufeln. Das Lagergehäuse selbst
kann ein oder mehrteilig zu einem festen Gehäuseblock ausgebildet sein.
Die Abstützung
am Lagergehäuse
führt zu
einer allzeit gewährleisteten Zentrierung
des Abdeckrings bezüglich
der ebenfalls in dem Lagergehäuse
geführten
Turbinenwelle und dem darauf oder daran befestigten Turbinenrad.
Vorteilhafterweise ist, wie dies in der Darstellung angedeutet ist,
die radial innere Auflagefläche
des Abdeckungsrings 41 in der axialen Richtung auf der
gleichen Höhe
mit zumindest einem Teil des Düsenrings 30 sowie
zumindest einem Teil des Lagergehäuses 21 oder einem
mit dem Lagergehäuse
formschlüssig verbundenen
Teil, etwa einem mit Stiften am Lagergehäuse befestigten Trägerelement. 3 zeigt
die radial aufeinander abgestützten
Bauteile im Schnitt senkrecht zur Turbinenwelle.
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Anstelle
der Abstützung über den
Düsenring könnten auch
separate, radial nach innen gerichtete Stützen an dem Abdeckungsring
angeordnet sein.
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Der
Abdeckungsring 41 und der weiter stromaufwärts angeordnete
Eintrittskanalring 42 können
kraft- oder formschlüssig
miteinander verbunden oder auch als ein Bauteil ausgebildet sein.
Auch ist eine Integration einer oder beider dieser den Strömungskanal
radial nach aussen begrenzender Ringe in den radial äusseren
Trägerring
des Düsenrings denkbar,
wie dies in den Schnittbildern durch die Turbinenachse der 1, 2, 4 und 6 jeweils
in der unteren Bildhälfte
sowie in der 8 dargestellt ist. Hier ist
der Abdeckungsring 41 in den radial äusseren Trägerring des Düsenrings
integriert. Die Abstützung
radial nach innen zum Lagergehäuse erfolgt
dabei direkt über
die Leitschaufeln des Düsenrings.
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In
den Ausführungsformen
nach 8 sind sowohl der Abdeckungsring 41 wie
auch der Eintrittskanalring 42 in den radial äusseren
Trägerring
des Düsenrings
integriert.
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An
den Schnittstellen zwischen Eintrittskanalring 42 und dem
Gaseintrittsgehäuse 22 sowie zwischen
dem Abdeckungsring 41 und dem angrenzenden Gehäuseteil
treten Druckdifferenzen zwischen den Bauteilen auf. Aus diesem Grund
sind flexible Dichtungen 61 und 62 oder Labyrinthdichtungen,
wie in 7 dargestellt, vorgesehen. Die Dichtungen geben
den über
den Düsenring 30 mit
dem Lagergehäuse 21 verbundenen
Ringen 41 und 42 eine gewisse Bewegungsfreiheit
sowohl in axialer als auch in radialer Richtung und ermöglichen
die Demontage dieser Teile aus dem Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsgehäuse in axialer
Richtung. Zudem sollen die Dichtungen Umgehungsströme (Leckageströme) des
Abgases unterdrücken
bzw. in einem gewünschten
Rahmen begrenzen. Um die Austrittsverluste der Abgasturbine zu verringern,
kann es unter Umständen
von Vorteil sein, die Umgehungsströme nicht ganz zu unterdrücken, sondern
gezielt zu nutzen. Dabei wird ein kleiner Teil des Abgasstromes
nicht über die
Laufschaufeln des Turbinenrades, sondern stromauf der Laufschaufeln
dem Abgasstrom entnommen und direkt auf die Austrittsseite geleitet
und dort, wie dies in 7 angedeutet ist, in dem Bereich zwischen
dem Abdeckring 41 und dem Umfassungsring 24 der
Strömung
zugeführt.
Durch diesen kleinen Abgasstrom kann das Ablösen der Strömung am Diffusor, d.h. im gekrümmten Bereich
des Umfassungsrings 24, verzögert oder ganz verhindert werden. Eine
weitere Optimierung der Abströmverhältnisse
ist möglich,
wenn der eingeleitete Abgasstrom nicht gleichmässig am Umfang austritt, sondern
je nach Grösse
des Impulsmangels in der Diffusorgrenzschicht über den Umfang variiert. Die
Verteilung über den
Umfang kann durch entsprechende Ausgestaltung der Dichtungen 62 gesteuert
werden. Anstelle des oder zusätzlich
zum Abgas-Umgehungsstrom kann auch über eine externe Speisung Druckluft
in den Bereicht zwischen dem Abdeckring und dem Umfassungsring eingeblasen
werden. Die externe Druckluft kann bei einem Abgasturbolader beispielsweise
der Strömung
am Verdichteraustritt entnommen werden. Wie in der unteren Bildhälfte der 1 dargestellt,
kann die Druckluft auch der aus dem Bereich des Verdichters in den
Turbinenbereich geführten
Sperrluft entnommen werden. Über
eine Druckluftleitung 71 durch die Leitschaufeln des Düsenrings wird
ein Teil der Sperrluft in den Hohlraum zwischen dem Abdeckungsring 41 und
dem Umfassungsring, bzw. dem äusseren
Turbinengehäuse,
und von dort über
die Dichtung 62 in den Strömungskanal geführt.
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Die
Einheit aus Abdeckungsring 41, Eintrittskanalring 42 und
Düsenring 30 ist
in der Turbine erfindungsgemäss
als Teil des Rotorblocks angeordnet. Dies bedeutet, dass sich diese
Teile im Betrieb mit dem Rotorblock bewegen und hierfür wie erwähnt keine
festen Verbindungen zu den Gehäuseteilen des
Gaseintritts- oder Gasaustrittsgehäuses der Turbinen haben dürfen. Dies
bedeutet jedoch auch, dass diese Teile mit dem Rotorblock als Einheit
aus dem Turbinengehäuse
ausgebaut werden können.
Ein solcher Ausbau ist in der 2 dargestellt.
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Neben
den genannten Teilen umfasst der Rotorblock die rotierende Welle
sowie das Turbinenrad und das Nutzteil am anderen Ende der Welle.
Er umfasst weiter neben dem Lagergehäuse auch weitere Gehäuseteile,
beispielsweise die Eintrittskanalwand 23. Erfindungsgemäss sind
die Radien der Öffnungen
in dem Gaseintrittsgehäuse
so gewählt,
dass der Rotorblock in Richtung des Nutzteils aus dem Gehäuse geführt werden
kann.
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Eine
immer wiederkehrende Aufgabe bei Wartungsarbeiten an der Turbine
ist das Reinigen und allenfalls Ersetzen des Düsenrings. Nachdem der Rotorblock
gemäss 2 mitsamt
dem Düsenring
aus dem Turbinengehäuse
gezogen worden ist, kann der Düsenring
nun gemäss 4 auf
einfache Weise freigelegt werden, ohne dass das Turbinenrad ausgebaut
werden muss. Da der Düsenring
zwischen gaseintrittsseitigen Gehäuseteilen und dem Turbinenrad
angeordnet ist, kann der Ausbau des Düsenrings nicht ohne weiteres
bei eingebautem Turbinenrad erfolgen. Hierfür müsste der Düsenring entlang des Umfangs
geteilt ausgebildet sein und zwei oder mehrere Ringsegmente umfassen.
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3 zeigt
einen Schnitt senkrecht zur Turbinenwelle 50 durch einen
ebensolchen, zweigeteilten Düsenring 30.
Die beiden Teile werden von dem Abdeckungsring 41 und/oder
dem Eintrittskanalring, welche axial über die beiden Teile geschoben
sind, zusammengehalten. Die den mehrteiligen Düsenring zusammenhaltenden Teile
können
selber auch entlang des Umfangs in mehrere Segmente geteilt ausgebildet
sein. Dies ermöglicht
ein Ausbau aller Teile in radialer Richtung. In diesem Fall werden
Abdeckungsring und/oder Eintrittskanalring selber von einem umlaufenden
Band oder mithilfe anderer Befestigungsmittel zusammengehalten.
Alternativ kann auch der mehrteilige Düsenring selbst mithilfe anderer
Befestigungsmittel, beispielsweise einem umlaufenden Band oder einem
Bolzen, zusammengehalten werden.
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Die
Einheit aus Abdeckungsring 41, Eintrittskanalring 42 und
Düsenring 30 können erfindungsgemäss jedoch
auch in Richtung des Gasaustrittes aus dem Turbinengehäuse ausgebaut
werden. Ein solcher Ausbau ist in der 6 dargestellt.
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Dabei
wird in einem ersten Schritt die Austrittskanalwand 26 ausgebaut
und die grosse, zentrale Öffnung
im Gasaustrittsgehäuse 25 freigegeben. Durch
diese Öffnung
werden in der Folge alle weiteren Bauteile der Reihe nach aus dem
Gehäuse
geführt.
Als erstes kann die Turbine ausgebaut werden. Um die Turbine aus
dem Rotorblock ausbauen zu können,
muss entweder das Nutzteil oder aber die Turbine selber von der
Welle getrennt werden.
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Zwischen
dem Gasaustrittsgehäuse 25 und dem
Abdeckring 41 ist der Umfassungsring 24 angeordnet.
Dieser Ring ist ein Teil des Gasaustrittsgehäuses, kann jedoch separat ausgebaut
werden, um die in axialer Richtung dahinter liegenden Bauteile freizugeben.
Wie bereits erwähnt
ist der Umfassungsring vorteilhafterweise nicht form- oder kraftschlüssig mit
dem Abdeckungsring verbunden. Der Umfassungsring ist vielmehr direkt
am Gaseintritts- oder Gasaustrittsgehäuse befestigt, so dass vor
dessen Ausbau eine die entsprechenden Befestigungen gelöst werden
müssen.
Der Umfassungsring wird anschliessend wie das Turbinenrad aus der Öffnung im Gasaustrittsgehäuse 25 gezogen.
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Nun
ist die Einheit aus Abdeckungsring 41, Eintrittskanalring 42 und
Düsenring 30 freigelegt
und kann ebenfalls aus der Öffnung
im Gasaustrittsgehäuse 25 gezogen
werden. Der Ausbau des Düsenrings 30 erfolgt
analog wie oben beschrieben.
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Für den Ausbau
in Richtung des Gasaustritts braucht der Düsenring in Umfangsrichtung
nicht mehrteilig ausgebildet zu sein. Nach erfolgtem Ausbau des
Turbinenrades kann auch der einteilig ausgebildete Düsenring
aus dem Gehäuse
gezogen werden.
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Haben
Abdeckungsring und Eintrittskanalring radial aussen einen gemeinsamen,
grössten Durchmesser,
wie dies in der unteren Bildhälfte
von 8 angedeutet ist, erlaubt dies den Ausbau des Düsenrings
aus dem Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsgehäuse in beiden axialen Richtungen
ohne den zusätzlichen
Umfassungsring. Abdeckungsring und Eintrittskanalring können, ob
integriert im Düsenring oder
als einzelne Bauteile, durch die Öffnungen im Gaseintritts- bzw.
Gasaustrittsgehäuse
geschoben werden.
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Falls
kein Bedarf für
einen Ausbau des Düsenrings
in Richtung des Gasaustritts besteht, kann der Abdeckungsring 24 in
das Gasaustrittsgehäuse 25 integriert
sein.
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Ebenso
kann, sofern kein Bedarf für
einen Ausbau des Düsenrings
in Richtung des Gaseintritts besteht, die Eintrittskanalwand 23 und/oder
der Eintrittskanalring 42 in das Gaseintrittsgehäuse 22 integriert
sein.
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Die
erfindungsgemässen
Gaseintrittsgehäuse
können
sowohl für
Abgasturbolader zur Aufladung von Zwei- oder Viertakt-Verbrennungsmotor
eingesetzt werden, als auch bei Nutzturbinen.
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- 10
- Turbinenrad,
Nabe
- 11
- Laufschaufeln
- 21
- Lagergehäuse
- 22
- Gaseintrittsgehäuse
- 23
- Eintrittskanalwand
- 24
- Umfassungsring
- 25
- Gasaustrittsgehäuse
- 26
- Austrittskanalwand
- 27
- Deckel
- 30
- Düsenring
- 41
- Abdeckungsring
- 42
- Eintrittskanalring
- 50
- Turbinenwelle
- 61,
62
- Dichtung
- 71
- Druckluftleitung