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Die
Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit
einem Pumpenrad, einem Turbinenrad und einem Leitrad, welche gemeinsam
in einem von einem Arbeitsmedium durchströmten Arbeitraum angeordnet
sind.
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Hydrodynamische
Drehmomentwandler werden sowohl in stationären Anlagen als auch in Kraftfahrzeugen
verwendet, bei letzteren vorrangig in Stufenautomatikgetrieben und
stufenlosen CVT-Getrieben.
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Die
hydrodynamischen Wandler können
in dem Getriebe oder im Antriebsstrang vor dem Getriebe angeordnet
sein, um Drehmoment beziehungsweise Drehleistung von dem Antriebsmotor
auf den Getriebeausgang beziehungsweise die Getriebeeingangswelle
zu übertragen.
Der Antriebsmotor treibt das Pumpenrad an, welches das Arbeitsmedium,
in der Regel Öl,
beschleunigt und somit mechanische Energie in Strömungsenergie
umwandelt. Das Arbeitsmedium treibt das Turbinenrad hydrodynamisch an,
wird dadurch wiederum verzögert,
so dass die Strömungsenergie
wieder in mechanische Energie umgewandelt wird. Der Vorteil dieses
sogenannten Föttinger-Prinzips
besteht darin, dass Anfahrvorgänge
vollkommen oder nahezu verschleißfrei ausgeführt werden
können.
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Im
Gegensatz zu hydrodynamischen Kupplungen, bei welchen an dem Pumpenrad
und dem Turbinenrad stets dasselbe Drehmoment anliegt, weisen hydrodynamische
Drehmomentwandler ein zusätzliches
stationäres
Leitrad auf. Somit ist neben einer Drehzahlwandlung auch eine Drehmomentwandlung
möglich,
umfassend eine Erhöhung
des Abtriebsdrehmoments über
das Antriebsdrehmoments hinaus. Heutzutage kann eine Drehmomentüberhöhung um
das 2 bis 3,5-fache und darüber
hinaus erreicht werden. Somit ist das Anfahren unter hoher Zuglast
für den
Antriebsmotor kein Problem, wodurch die Schaltvorgänge im Getriebe
im Vergleich zu solchen mit hydrodynamischen Kupplungen reduziert
werden können.
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Ein
Nachteil herkömmlicher
hydrodynamischer Drehmomentwandler mit feststehendem Leitrad ist
der verhältnismäßig geringe
Wirkungsgrad bei großem
Drehzahlverhältnis.
Man hat daher Wandler entwickelt, sogenannte Trilokwandler, bei
welchen das Leitrad über
einen vorgesehenen Freilauf in bestimmten Betriebszuständen frei
umlaufen kann und der hydrodynamische Wandler dann die Funktion
einer hydrodynamischen Kupplung mit besserem Wirkungsgrad einnimmt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft hydrodynamische Wandler beliebiger
Bauart, somit auch die verschiedenen eingangs genannten Bauarten.
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Es
ist bekannt, hydrodynamische Drehmomentwandler mit verstellbaren
Leitschaufeln auszuführen,
um den Massenstrom des im Arbeitsraum umlaufenden Arbeitsmediums
zu regeln. Bei zugedrehten beziehungsweise den Strömungskanal
im Arbeitsraum verschließenden
Leitschaufeln ist der Massenstrom gering, das Turbinenrad läuft mit
einer verhältnismäßig niedrigen
Drehzahl um. Bei aufgedrehten beziehungsweise den Strömungskanal
im Arbeitsraum freigebenden Leitschaufeln ist der Massenstrom hoch,
das Turbinenrad läuft
mit einer hohen Drehzahl um. Beim Antrieb des Pumpenrads mit konstanter
Leistung und konstanter Drehzahl, beispielsweise mittels einem Dieselmotor
oder einer Gasturbine, kann somit trotz der konstanten Eingangsdrehzahl
die Ausgangsdrehzahl des Wandlers variiert werden. Aufgrund der
konstanten Eingangsleistung nimmt mit zunehmender Drehzahl des Turbinenrads das
abgegebene Drehmoment ab.
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Um
die Verstellkräfte
zur Leitradschaufelverstellung im Vergleich zu als Ganzes verstellbaren Leitradschaufeln
zu reduzieren, schlägt
die Offenlegungsschrift
DE
28 10 161 A1 vor, den angeströmten Vorderteil der Leitschaufeln
stationär
zu halten und nur das jeweilige Schaufelende, das heißt den Abströmbereich
der Schaufeln, zu verstellen. Somit werden die Anströmverhältnisse
konstant gehalten.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
198 45 692 A1 schlägt
Leitschaufeln eines Leitrads für
einen hydrodynamischen Drehmomentwandler vor, bei welchem jede Schaufel
in Radialrichtung in zwei zueinander verschieden profilierte Profilbereiche
unterteilt ist. Der radial innere Strömungsbereich der Leitschaufeln
ist für
andere Betriebszustände
optimiert als der radial äußere Strömungsbereich.
Hierdurch kann im Anfahrbereich, in welchem das Turbinenrad näherungsweise
stillsteht und zunächst
nur das Pumpenrad durch die Antriebsmaschine angetrieben wird, eine
hohe Anfahrwandlung erzielt werden, wohingegen bei Vorliegen eines
normalen Fahrzustands, in welchem das Verhältnis der Turbinendrehzahl
zur Pumpendrehzahl größer als
0,8 ist, ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
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Obwohl
somit schon verschiedene Maßnahmen
entwickelt worden sind, um hydrodynamische Wandler, entsprechend
den im Betrieb auftretenden verschiedenen Strömungsbedingungen zu optimieren,
besteht ein weiterer Bedarf einer Wirkungsgradsteigerung. Insbesondere
ist es wünschenswert,
den durchschnittlichen Wirkungsgrad im gesamten Lastkollektiv, dass
heißt über alle
in der Praxis auftretenden Betriebsbedingungen, zu optimieren.
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Das
Dokument
DE 1 193 758
C beschreibt einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit den
Merkmalen, die im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9 zusammengefasst
sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen
Drehmomentwandler anzugeben, welcher einen bezogen auf den gesamten
Betriebsbereich weiter verbesserten Wirkungsgrad, eine höhere Völligkeit
und eine bessere Momentenwandlung aufweist, vorteilhaft bei geringem
baulichen Aufwand und hoher Betriebssicherheit.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit den Merkmalen
der Ansprüche
1 und 9 gelöst.
Die abhängigen
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Ansprüche beschreiben
vorteilhafte besonders zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Wirkungsgradverbesserung dadurch erreicht, dass die
Leitradschaufelprofile nicht nur für einen bestimmten Betriebszustand
optimiert werden, sondern dass sich bisher ergebende Fehlanströmungen der Leitradschaufeln
in von diesem Betriebszustand abweichenden Betriebszuständen reduziert
beziehungsweise minimiert werden. Hierzu weisen die Leitschaufeln
erfindungsgemäß Strömungsprofile auf,
welche in Richtung der Arbeitsmediumströmung im Arbeitsraum des hydrodynamischen
Wandlers gesehen ein vorderes Leitschaufelsegment zur Ausbildung
eines Anströmbereichs
und ein hinteres Leitschaufelsegment zur Ausbildung eines Abströmbereichs
aufweisen. Das vordere Leitschaufelsegment ist relativ gegenüber dem
hinteren Leitschaufelsegment gezielt verschwenkbar, um so den Anströmbereich
jeder Leitschaufel der in den verschiedenen Betriebszuständen variierenden
Anströmung
von Arbeitsmedium nachzuführen.
Somit können
Fehlanströmungen
vermieden werden.
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Gemäß einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das vordere Leitschaufelsegment oder die gesamte Leitschaufel
aus einem Verbundwerkstoff mit einem darin integrierten adaptiven Struktursystem
ausgebildet, umfassend Sensoren und Aktoren auf Basis multifunktionaler
Materialsysteme. Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist der hydrodynamische Drehmomentwandler als Trilok-Wandler
ausgeführt.
Selbstverständlich ist
es möglich,
die mit Bezug auf die erste Ausführungsform
genannten Maßnahmen
auch bei dem Trilok-Wandler gemäß der zweiten
Ausführungsform anzuwenden.
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Die
Möglichkeit,
das vordere Leitschaufelsegment im gesamten Arbeitsbereich des hydrodynamischen
Wandlers in seiner Ausrichtung an variierende Anströmwinkeln
anzupassen, minimiert die Stoßverluste
und ermöglicht
die Einstellung eines in seiner Lage auf dem Leitradschaufelprofil
optimierten Staudruckpunktes. Hierdurch kann eine höhere Völligkeit,
eine verbesserte Drehmomentwandlung und ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden.
Die Völligkeit
beschreibt den Wirkungsgrad des hydrodynamischen Wandlers über dem
gesamten Drehzahlverhältnis
gesehen. Ein Wandler mit einer großen Völligkeit weist nicht nur im "Normalbetrieb" bei einem bestimmten
Drehzahlverhältnis
einen hohen Wirkungsgrad auf, sondern auch in den Betriebszuständen, die von
diesem Drehzahlverhältnis
abweichen. Man könnte
als Völligkeit
auch das Integral des Wirkungsgrads über dem Drehzahlverhältnis beziehungsweise die
Fläche
unter einer über
dem Drehzahlverhältnis aufgetragenen
Wirkungsgradkennlinie verstehen.
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Die
Verstellung des vorderen Leitschaufelsegmentes relativ gegenüber dem
hinteren Leitschaufelsegment kann bei einem Trilok-Wandler durch
Verschwenken über
ein Drehgelenk, das die beiden Leitschaufelsegmente miteinander
verbindet, erfolgen, und bei einem erfindungsgemäßen Wandler mit einem integrierten
adaptiven Struktursystem zusätzlich vorgesehen
sein. Zusätzlich
oder alternativ ist es auch möglich,
die Hüllkurve
des vorderen Leitschaufelsegmentes derart zu verändern, dass der Querschnitt
des vorderen Leitschaufelsegmentes relativ zu dem hinteren Leitschaufelsegment
verlagert wird. Dies kann durch Vorsehen geeigneter Aktuatoren im vorderen
Leitschaufelsegment und/oder durch im Betrieb gezielt verformbare
Werkstoffe im vorderen Leitschaufelsegment bewirkt werden. Solche
Systeme sind auch unter dem Begriff mechatronische Systeme oder
adaptronische Systeme bekannt.
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Gemäß einer
Ausführung
sind die Leitschaufeln in genau zwei Segmente unterteilt, nämlich das beschriebene
vordere Leitschaufelsegment und das beschriebene hintere Leitschaufelsegment.
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
ist das vordere Leitschaufelsegment selbst nochmals in eine Vielzahl von
relativ zueinander beweglichen oder verschwenkbaren Untersegmenten
unterteilt, um die Leitschaufel der im Arbeitsbereich des Wandlers
variierenden Anströmung
noch besser anpassen zu können.
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Ein
Verändern
der Lage des vorderen Leitschaufelsegments, um eine Fehlanströmung zu
vermeiden, kann erfindungsgemäß auch durch
Vorsehen eines in der Leitschaufel integrierten adaptiven Struktursystems
erfolgen, dessen Kernelemente Sensoren und Aktoren auf Basis multifunktionaler Materialsysteme,
wie zum Beispiel Piezoelektrika, magnetostriktive Wirkstoffe, elektroaktive Polymere oder
Formgedächtnislegierungen
sind. Diese Sensoren und Aktoren, welche die Wirkstoffeigenschaften nicht
negativ beeinträchtigen,
können über geeignete Regler
und signalverarbeitende und leistungsstärkende Elektronik miteinander
verknüpft
werden.
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Das
Leitrad kann einen ortsfesten oder umlaufenden, insbesondere einteiligen
Leitradkörper, letzteres
beispielsweise in Form eines Rings, aufweisen. Die hinteren Leitschaufelsegmente
der einzelnen Leitschaufeln können
beispielsweise einteilig mit dem Leitradkörper ausgebildet sein oder
starr an diesem angeschlossen sein.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren exemplarisch erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
Axialschnitt durch einen hydrodynamischen Wandler mit einer möglichen
Positionierung von Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad im Arbeitsraum;
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2 eine
Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäß ausgeführtes Leitschaufelprofil gemäß der Einzelheit
X aus der 1;
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3 eine
Ausführung
eines erfindungsgemäßen Leitschaufelprofils
gemäß der 2,
wobei jedoch das vordere Leitschaufelsegment nochmals in zwei zueinander
verschwenkbare Untersegmente aufgeteilt ist.
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Der
in der 1 in einem Axialschnitt schematisch gezeigte hydrodynamische
Drehmomentwandler weist ein von einer Eingangswelle 12,
zum Beispiel der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeuges, angetriebenes
Pumpenrad 3, ein mit einer Ausgangswelle 13, zum
Beispiel einer Getriebeeingangswelle, drehfest verbundenes Turbinenrad 4,
sowie ein zwischen dem Pumpenrad 3 und dem Turbinenrad 4 angeordnetes
Leitrad 5 auf. Das Pumpenrad 3, Turbinenrad 4 und
das Leitrad 5 sind in der gezeigten Ausführung in
einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet.
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Der
durch das Pumpenrad 3, das Turbinenrad 4, das
Leitrad 5 sowie das Gehäuse 9 ausgebildete
torusförmige
Arbeitsraum ist im Betriebszustand des hydrodynamischen Wandlers
mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, Wasser oder einem Wassergemisch
befüllt.
Das Arbeitsmedium wird von dem Pumpenrad 3 beschleunigt,
so dass sich eine Kreislaufströmung 2 des
Arbeitsmediums im Arbeitsraum einstellt, welche ausgehend vom Pumpenrad 3 in
das Turbinenrad 4, von dort aus in das Leitrad 5 und
wieder zurück
zum Pumpenrad strömt 3.
Das Leitrad 5 dient dabei dem Umlenken des Arbeitsmediums,
damit dieses mit einem gewünschten
Anströmwinkel wieder
in das Pumpenrad 3 einströmt.
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Abweichend
von der in der 1 gezeigten Darstellung, kann
sowohl die Position als auch die Anzahl der dargestellten Schaufelräder variiert
werden. Beispielsweise können
mehrere Leiträder
oder auch mehrere Pumpen- oder Turbinenräder vorgesehen werden.
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In
der 2 erkennt man die Einzelheit X aus 1 in
einem Radialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler gesehen.
Man erkennt eine einzelne Leitschaufel 6, die mit einer
Vielzahl von weiteren Leitschaufeln (nicht dargestellt) das in der 1 dargestellte
Leitrad 5 ausbildet. Die einzelnen Leitschaufeln 6 können beispielsweise
durch das in der 1 gezeigte Gehäuse 9 getragen
werden, wobei die Verbindung zwischen den einzelnen Leitschaufeln 6 vorliegend
auch als Leitradkörper 8 bezeichnet wird.
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Die
Leitschaufel 6 wird radial von außen nach innen, beziehungsweise
in der gezeigten Darstellung von links nach rechts, von dem Arbeitsmedium
angeströmt,
siehe den Pfeil der Kreislaufströmung 2.
Wie man sieht, weist die Leitschaufel 6 ein in Richtung
des Arbeitsmediums gesehen vorderes Leitschaufelsegment 6.1 und
eine hinteres Leitschaufelsegment 6.2 auf. Das vordere
Leitschaufelsegment 6.1 ist relativ gegenüber dem
hinteren Leitschaufelsegment 6.2 verschwenkbar und kann
daher in seiner Lage der Anströmung
durch das Arbeitsmedium angepasst werden.
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Das
hintere Leitschaufelsegment 6.2 kann ortsfest ausgeführt sein.
Gemäß einer
alternativen Ausführungsform,
in welcher ein freies Umlaufen des Leitrades 5 (siehe die 1)
in bestimmten Betriebszuständen
des Wandlers möglich
ist, können
die hinteren Leitschaufelsegmente zwar starr relativ zueinander
aber insgesamt zusammen mit dem Leitradkörper 8 umlaufend oder
umlaufbar ausgeführt
sein.
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Bei
der gezeigten Ausführung
weist das hintere Leitschaufelsegment 6.2 einen dem vorderen Leitschaufelsegment
zugewandten konkaven Aufnahmebereich auf. Das vordere Leitschaufelsegment 6.1 ist
wiederum mit einem mit diesem konkaven Aufnahmebereich korrespondierenden
konvexen Aufnahmebereich versehen. Der konkave und der konvexe Aufnahmebereich
der beiden Leitschaufelsegmente liegen bündig aneinander an, so dass
die gesamte Leitschaufel 6 ein im wesentlichen ununterbrochenes
Oberflächenprofil
aufweist. Das gegenüber dem
hinteren Leitschaufelsegment 6.2 schwenkbare vordere Leitschaufelsegment 6.1 ist über ein
Verstellelement 10, beispielsweise eine drehbare drehfest mit
dem vorderen Leitschaufelsegment 6.1 verbundene Achse,
drehbar gelagert, um die erfindungsgemäße Verstellung des vorderen
Leitschaufelsegmentes 6.1 relativ zu dem hinteren Leitschaufelsegment 6.2 zu
bewirken.
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In
der 2 sind die verschiedenen möglichen Winkelstellungen des
vorderen Leitschaufelsegmentes 6.1 schematisch dargestellt.
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Die
Leitschaufel 6 gemäß der 3 weist
ein einteiliges hinteres Leitschaufelsegment 6.2 und ein zweiteiliges
vorderes Leitschaufelsegment 6.1 auf, wobei die beiden
Untersegmente des vorderen Leitschaufelsegmentes 6.1 mit 6.1.1 und 6.1.2 bezeichnet
sind.
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Die
beiden Leitschaufeluntersegmente 6.1.1 und 6.1.2 sind
relativ zueinander und relativ zu dem hinteren Leitschaufelsegment 6.2 verstellbar.
Somit ist eine noch exaktere Veränderung
des Strömungsprofils
der Leitschaufel 6 zur Anpassung an die verschiedenen Betriebszustände im Arbeitsbereich
des Wandlers möglich.
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Zur
Verstellung der beiden Untersegmente 6.1.1 und 6.1.2 sind
zwei Verstellelemente 10 und 11 vorgesehen, beispielsweise
wiederum in Form von drehbaren Achsen, an welchen das jeweilige
Untersegment drehfest angeschlossen ist.
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Anstelle
von drehfest angeschlossenen Achsen können natürlich auch andere Verstellelemente, sowohl
bei einer einteiligen Ausführung
des vorderen Leitschaufelsegmentes auch einer mehrteiligen Ausführung des
vorderen Leitschaufelsegmentes vorgesehen sein, beispielsweise gelenkig
oder starr am vorderen Leitschaufelsegment angeschlossene Hebel.
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In
der 3 sind drei Positionen A, B und C dargestellt,
um einstellbare Profilgeometrien der Leitschaufel 6 zu
verdeutlichen. Die Position A könnte
als Grundposition der Leitschaufel 6 bezeichnet werden, beispielsweise
zum Betrieb des Wandlers im Volllastbereich. Die Position B zeigt
eine Erstreckung der Leitschaufel 6 abweichend von der
Grundposition, bei welcher nur das Verstellelement 10 betätigt worden
ist. Demnach haben die beiden Leitschaufeluntersegmente 6.1.1 und 6.1.2 ihre
Winkelstellung relativ zueinander beibehalten, sind jedoch als ganzes gegenüber dem
hinteren Leitschaufelsegment 6.2 verschwenkt worden.
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Die
Position C zeigt eine gegenüber
der Position B zusätzliche
Verstellung des vorderen Leitschaufeluntersegmentes 6.1.1 relativ
zu dem hinteren Leitschaufeluntersegment 6.1.2 (jeweils
mit Bezug auf die Anströmung
auf das Arbeitsmedium betrachtet, siehe den Pfeil der Kreislaufströmung 2).
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Somit
nimmt die Leitschaufel 6 ausgehend von der Position A über die
Position B hin zu der Position C eine zunehmend stärkere Wölbung ihres
Profils ein.
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Auch
bei der in der 3 gezeigten Ausführung weist
das hintere Leitschaufelsegment 6.2 einen dem vorderen
Leitschaufelsegment 6.1 zugewandten konkaven Aufnahmebereich
auf, der einen komplementär
gestalteten konvexen Bereich des vorderen Leitschaufelsegmentes 6.1 umschließt. Auch
das hintere Leitschaufeluntersegment 6.1.2 weist an seinem
vorderen Ende einen dem vorderen Leitschaufeluntersegment 6.1.1 zugewandten
konkaven Aufnahmebereich auf, der einen entsprechenden konvexen
Bereich des vorderen Leitschaufeluntersegments 6.1.1 umschließt. Somit
schließen
sämtliche Leitschaufelsegmente
beziehungsweise Leitschaufeluntersegmente bündig aneinander an, um eine Strömungsstörung oder
einen Strömungsabriss
zu vermeiden.