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Stand der Technik
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Zur
Regelung der Leistung, insbesondere der Turbinenleistung einer Aufladeeinrichtung,
die als Abgasturbolader beschaffen ist, kommt üblicherweise
eine Abblaseklappe (Waste Gate) zum Einsatz. Damit kann die Regelung
des Ladedrucks, insbesondere bei Turboladern für Verbrennungskraftmaschinen
erfolgen. Eine Alternative zum Waste Gate ist die Verstellung der
Zuströmung zum Turbinenlaufrad des Turbinenteiles des Abgasturboladers
mittels verdrehbarer oder verschiebbarer Leitschaufeln. Bei Abgasturboladern,
die im Kfz-Bereich, zur Laderdruckerhöhung von Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt werden, haben sich verdrehbare Leitschaufeln durchgesetzt.
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Verdrehbare
Leitschaufeln werden auch als VTG (Variable Turbinen Geometrie)
bezeichnet. Sollen die verdrehbaren Leitschaufeln geschlossen werden,
d. h. die Leitschaufeln so verdreht werden, dass die Strömung
nahezu radial gerichtet ist, und nur noch eine kleine Strömungsfläche
zwischen den Schaufeln verbleibt, bewegen sich die Schaufelenden
vom Turbineneintritt weg. Eine Ausführungsvariante für
verdrehbare Leitschaufeln ist aus
US 3,033,519 bekannt.
Es hat sich herausgestellt, dass es für den Wirkungsgrad
einer variablen Turbinenschaufelgeometrie, d. h. verstellbar angeordneten Leitschaufeln,
vor dem Eintritt in ein Turbinenlaufrad günstig ist, wenn
sich das Schaufelende der verdrehbaren Leitschaufeln – und
nur diese werden nachfolgend betrachtet –, insbesondere
bei geschlossener VTG-Position radial sehr nahe am Turbineneintritt befindet
und der Abstand zwischen dem Schaufelende und dem Turbineneintritt
minimal ist. Bei normaler Positionierung der Leitschaufel auf einer
Drehachse, durch welche diese betätigt wird, bewegt sich
das Schaufelende beim Schließen der Variablen Turbinengeometrie
bei Bewegung der Leitschaufeln vom Umfang des Turbinenlaufrades
weg. Je kürzer die verdrehbaren Leitschaufeln (VTG) gestaltet
werden können, desto kleiner baut die Variable Turbinengeometrie
(VTG) in radiale Richtung. Die minimale Schaufellänge der
verdrehbar angeordneten Leitschaufeln der Variablen Turbinengeometrie
ist bestimmt durch den Umfang der Schaufelkette in geschlossener
Position der Leitschaufeln und der Überdeckung jeweils
zweier Leitschaufeln. Bei relativ weit außen liegend angeordneten
Leitschaufeln ergibt sich der Nachteil größerer
Baugröße. Leckageströme, die an den Schaufelseiten
vorbei verlaufen, führen zu Nachteilen im thermodynamischen
Wirkungsgrad. Je größer der Umfang der Schaufelkette,
d. h. die Kette der in geschlossene Position gestellten Leitschaufeln,
desto größer ist auch die Fläche des
Spaltes, über den gasförmiges Medium abströmen
kann, ohne in die Turbine einzutreten, bei gleicher Spaltfläche.
Die Spaltfläche verläuft zwischen dem Turbinengehäuse
und den Leitschaufeln der Variablen Turbinengeometrie. Der Teil
der Strömung, der zwischen den Leitschaufeln durchströmt,
hat eine definierte Richtung, die durch die Leitschaufeln vorgegeben
ist. Der Teil der Strömung, der an den Seiten, zwischen den
Leitschaufeln und dem Gehäuse des Turbinenteils durchströmt,
stört diese gerichtete Strömung und führt
zu einer Falschanströmung des Turbinenrades, was den Wirkungsgrad
negativ beeinflusst. Hier ist Abhilfe zu schaffen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, die Variable Turbinengeometrie, insbesondere eine
Anzahl von Leitschaufeln, die kreisförmig um ein Turbinenlaufrad
eines Turbinenteils einer Aufladeeinrichtung, insbesondere eines
Abgasturboladers, angeordnet sind, derart anzuordnen, dass ein Schaufelende
der jeweiligen Leitschaufeln, insbesondere bei geschlossener Variabler
Turbinengeometrie (d. h. geschlossener VTG), sich radial möglich
nahe am Turbineneintritt, d. h. möglichst nahe an dem Umfang des
Turbinenlaufrades befindet. Je kürzer die einzelnen Leitschaufeln,
die zum Beispiel entlang eines Schaufelkranzes angeordnet werden
und über einen Elektroantrieb verstellt werden, gestaltet
werden können, desto kleiner baut die Variable Turbinengeometrie
in radiale Richtung. Dies beeinflusst die Baugröße
der Aufladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, günstig.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, werden die einzelnen Schaufeln, die an einem Schaufelkranz
verteilt um den Eintritt des Turbinenlaufrades angeordnet sind, an
ihren jeweiligen Drehachsen exzentrisch zu diesen angeordnet. Die
Exzentrizität, in der die flügelförmig
profilierten Leitschaufeln in ihren Drehachsen entlang des Schaufelringes
angeordnet sind, ist so gewählt, dass das Schaufelende
der jeweiligen Leitschaufeln im angestellten Zustand, d. h. in der
Position, in der die Leitschaufel in Richtung auf den Umfang des
Turbinenlaufrades ge stellt ist, minimal wird. Die Minimierung des
Abstandes des Schaufelendes in Bezug auf den Umfang des Turbinenlaufrades
hat zur Folge, dass der Spalt bzw. die Spaltfläche, über welche
gasförmiges Medium – im vorliegenden Fall Abgas – abströmen
kann, ohne im Turbinenlaufrad Arbeit zu leisten, im Vergleich zu
herkömmlichen Lösungen erheblich verringert wird.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
kann das Schaufelende bei geschlossener Stellung radial näher
an den Umfang des Turbinenlaufrades positioniert werden, wodurch
sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Turbinenteiles
erzielen lässt.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
der Variablen Turbinengeometrie (VTG) lässt sich eine Verringerung
der Spaltfläche zwischen dem Turbinengehäuse und
den Leitschaufeln der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Variablen Turbinengeometrie erreichen. So kann der Teil der Abgasströmung,
der zwischen den Leitschaufeln der VTG und dem Gehäuse
des Turbinenteiles durchströmt, und die durch die Leitschaufeln
erzeugte gerichtete Strömung negativ beeinflusst zu einer
Falschanströmung des Turbinenrades geführt werden,
entscheidend herabgesetzt werden, was den erreichbaren Wirkungsgrad
des Turbinenteiles erhöht.
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Bei
der Variablen Turbinengeometrie(VTG) mit die erfindungsgemäß vorgeschlagene
exzentrisch angeordneten Leitschaufeln wird eine Position der Leitschaufeln,
in der diese in radialer Richtung um einen kleinen Winkel verstellt
sind, als offene Position bezeichnet, in der ein großer
Strömungsquerschnitt geöffnet ist. Stehen die
Leitschaufeln der Variablen Turbinengeometrie nahezu in Umfangsrichtung,
so steht der Strömung nur eine kleine Fläche zur
Durchströmung in radiale Richtung in Bezug auf den Umfang
des Turbinenlaufrades zur Verfügung. Diese Position wird
dementsprechend als geschlossene Position bezeichnet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde
liegenden Gedankens ist die Schaufelkette, d. h. der Umfang der
durch die in geschlossene Position gefahrenen Leitschaufeln entlang
des Schaufelkranzes gebildet ist, insgesamt näher an den
Umfang des Turbinenlaufrades gerückt. Aufgrund dieser Maßnahme
kann erreicht werden, dass die Länge der einzelnen flügelartig
profilierten Leitschaufeln sowie deren Anzahl reduziert bzw. optimiert
werden kann. Kürzere Schaufeln verringern die sich einstellenden
aerodynami schen Kräfte auf die Leitschaufeln und verringern
dadurch die zur Verstellung notwendige Aktuatorkraft. Eine geringere Schaufelanzahl
ergibt Kostenvorteile hinsichtlich der Anzahl der Teile sowie der
Montage.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde
liegenden Gedankens kann an einer Drehachse, an der eine Leitschaufel
exzentrisch zur Drehachse aufgenommen ist, eine Hilfsschaufel oder
ein Hilfsflügel angeordnet werden, welches das Moment,
das zur Betätigung der jeweiligen Drehachse erforderlich
ist, günstig beeinflusst, d. h. im vorliegenden Falle herabsetzt.
Eine Herabsetzung des zur Betätigung des Schaufelkranzes
der Variablen Turbinengeometrie (VTG) erforderlichen Momentes ermöglicht
den Einsatz eines kleiner bauenden Aktuators. Durch das Vorsehen
eines Hilfsflügels oder einer Hilfsschaufel, die in einem
Anstellwinkel an der Drehachse in Bezug auf die flügelartig
profilierte Leitschaufel angebracht wird, kann das auf die Drehachse
wirkende Moment über den gesamten Stellbereich der variablen
Turbinengeometrie günstig beeinflusst werden. Dieses wird
in keiner Stellposition zu groß, so dass der Aktuator,
insbesondere ein eingesetzter elektrischer Aktuator zur gemeinsamen Betätigung
der Drehachsen, bzw. des Schaufelkranzes kleiner dimensioniert werden
kann. Die Hilfsschaufel bzw. der Hilfsflügel, die/der in
einem Anstellwinkel zur Leitschaufel an der Drehachse aufgenommen
ist, bilden mit der Leitschaufel einen trichterförmigen
Kanal, dessen Eintrittsquerschnitt auf der Anströmseite
größer ist als auf der Ausströmseite.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform eines
Turbinenlaufrades mit variabler Turbinengeometrie (VTG),
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1.1 eine Leitschaufel gemäß dem
Stand der Technik im abgestellten Zustand,
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1.2 eine Leitschaufel gemäß dem
Stand der Technik im angestellten Zustand,
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2 die
erfindungsgemäß vorgeschlagene variable Turbinengeometrie,
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2.1 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene
Leitschaufel im nicht angestellten Zustand,
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2.2 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene
Leitschaufel im an den Umfang des Turbinenlaufrades angestellten
Zustand und
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3 eine
Ausführungsvariante einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Leitschaufel, die exzentrisch an einer Drehachse aufgenommen ist
und darüber hinaus eine Hilfsschaufel bzw. einen Hilfsflügel
umfasst.
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1 zeigt
eine aus dem Stand der Technik bekannte, einem Turbinenlaufrad zugeordnete
Variable Turbinengeometrie (VTG).
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Wie 1 zeigt,
umfasst ein Turbinenlaufrad 10, bei dem es sich insbesondere
um ein Turbinenlaufrad eines Turbinenteiles einer als Abgasturbolator
ausgebildeten Aufladeeinrichtung handelt, eine Anzahl von Schaufelblättern 18.
Eine Abgasströmung 12 strömt einer Einströmseite 14 eines
Umfanges 32 des Turbinenlaufrades 10 zu und strömt über eine
Ausströmseite 16 aus einzelnen Kanälen 20,
die jeweils von zwei Schaufelblättern 18 begrenzt
sind, an einer Ausströmseite 16 wieder ab. Die
Kanäle 20, die sich am Turbinenlaufrad 10 von
der Einströmseite 14 bis zur Ausströmseite 16 erstrecken,
weisen in Richtung auf das Zentrum des Turbinenlaufrades 10 gesehen,
eine kontinuierliche Querschnittserweiterung 22 auf.
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Konzentrisch
zum Umfang 32 des Turbinenlaufrades 10 ist ein
Schaufelkranz 24 angeordnet. Am Schaufelkranz 24 befindet
sich eine Anzahl von Schaufeln 28 einer Variablen Turbinengeometrie (VTG).
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die
Achse des Turbinenlaufrades 10, die mit der Achse des Schaufelkranzes 24 zusammenfällt,
mit Bezugszeichen 26 identifiziert ist.
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1.1 zeigt eine Leitschaufel gemäß der VTG
in 1 im geschlossenen Zustand.
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Aus 1.1 geht eine erste Abstandsänderung 30 hervor,
wenn eine Leitschaufel 28 von einer geschlossenen Position
gemäß 1.1 in
eine geöffnete Position gemäß 1.2 gestellt wird. Diese erste Abstandsänderung 30 ist
relativ groß. Zusätzlich zur ersten Abstandsänderung 30 verbleibt
in geöffneter Position der Leitschaufeln 28 ein
Mindestabstand zwischen dem Schaufelende 38 und dem Umfang des
Turbinenlaufrades 10. Dieser ist aus Gründen der
Dauerhaltbarkeit aufgrund von Schwingungsanregungen notwendig, in
thermodynamischer Hinsicht im Hinblick auf den Wirkungsgrad jedoch
nachteilig. Beide Effekte, die erste Abstandsänderung 30 bei
der Betätigung der Leitschaufeln 28 sowie der
einzuhaltende Mindestabstand beeinflussen den Wirkungsgrad des Turbinenteiles
nachteilig.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung gemäß 2 ist die
erfindungsgemäß vorgeschlagene VTG für
ein Turbinenlaufrad 10 zu entnehmen. 2 zeigt,
dass analog zum Turbinenlaufrad 10 gemäß 1 am
Turbinenlaufrad 10 eine Anzahl von Schaufelblättern 18 ausgebildet
sind, die sich von der Einströmseite 14 zur Ausströmseite 16 unter
Ausbildung von Kanälen 20 erstrecken. Die Kanäle 20 weisen,
ausgehend von der Einströmseite 14 zur Ausströmseite 16,
eine sich kontinuierlich zur Achse 26 des Turbinenlaufrades 10 erstreckende
Querschnittserweiterung 22 auf.
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Der
Umfang 32 des Turbinenlaufrades 10 gemäß der
Darstellung in 2 ist analog zur Darstellung
gemäß 1 von einem Schaufelkranz 24 umschlossen,
der eine Anzahl von Drehachsen 36 aufweist, an dem in einer
Exzentrizität 42 angeordnete Leitschaufeln 40 der
Variablen Turbinengeometrie (VTG) angeordnet sind. Aus der Darstellung
gemäß 2 geht hervor, dass die Schaufelenden 38 der flügelförmig
profilierten Leitschaufeln 40 der Variablen Turbinengeometrie
(VTG) eine zweite, minimierte Abstandsänderung 48,
die geringer ist als die erste Abstandsänderung 30 bei
Betätigung der Leitschaufeln 40, von geschlossener
in geöffneter Position durchlaufen, vergleiche Darstellung
gemäß den 2.1 und 2.2.
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2.1 zeigt, dass die flügelartig profilierte Leitschaufel 40 der
Variablen Turbinengeometrie (VTG) in Bezug auf das Zentrum der Drehachse 36 in einer
Exzentrizität 42 aufgenommen ist. Der mit Bezugszeichen 34 versehene
Pfeil deutet die Schwenkbewegung an, um welche die Drehachse 36 durch
einen nicht dargestellten, bevorzugt elektrisch ausgebildeten Aktuator
betätigt wird. Die einzelnen entlang des Schaufelkranzes 24 an
Drehachsen 36 aufgenommenen Leitschaufeln 40 werden
an ihrer Anströmseite 44 von der Abgasströmung 12 angeströmt.
In der in 2 dargestellten geschlossenen Position 50 sind
die Leitschaufeln 40 nahezu in Umfangsrichtung, so dass
der Abgasströmung nur eine kleine Fläche zur Durchströmung
zur Verfügung steht. In der in 2.2 dargestellten
Position befinden sich die Leitschaufeln 40 radial um einen
kleinen Winkel verstellt, so dass für die im Wesentlichen
in Umfangsrichtung gerichtete Strömung ein relativ großer
Strömungsquerschnitt offen steht. Diese Position wird als
offene Position 52 der Variablen Turbinengeometrie bezeichnet.
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Aus
der Darstellung gemäß 2.2 geht hervor,
dass nach der Anstellbewegung 34 um die Drehachse 36,
die in der Exzentrizität 42 angeordnete Leitschaufel 40 die
zweite minimierte Abstandsänderung 48 durchlaufen
hat und an den Umfang 32 des Turbinenlaufrades 10 gemäß der
Darstellung in 2 angestellt ist. Auch hier
ist ein Mindestabstand des Schaufelendes 38 der Leitschaufel 40 zum
Umfang des Turbinenlaufrades 10 aus Dauerhaltbarkeitsgründen
gewahrt.
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Ein
Vergleich der Verstellbewegungen der Schaufel 28 der Variablen
Turbinengeometrie (VTG) gemäß den 1.1 und 1.2 zur
Verstellbewegung der in der Exzentrizität 42 angeordneten
Leitschaufeln 40 gemäß 2.1 und 2.2 zeigt,
dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen exzentrischen
Positionierung der Leitschaufeln 40 der Variablen Turbinengeometrie
(VTG) zur Drehachse 36 sich eine geringere Veränderung
der Position des jeweiligen Schaufelendes 38 zum Umfang 32 des
Turbinenlaufrades 10 ergibt.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung der Variablen Turbinengeometrie ist der Umstand,
dass die Drehachse 36 radial weiter entfernt von der Achse 26 des
Turbinenlaufrades 10 angeordnet werden kann, die Leitschaufeln 40 jedoch
nicht verschoben werden. Dies ergibt sich durch die erfindungsgemäße
exzentrische Lagerung der Leitschaufeln 40, an deren Drehachsen 36.
Die Verstellmechanik zur Verstellung der Leitschaufeln 40 der
Variablen Turbinengeometrie befindet sich auf der Lagergehäuseseite
der Lagerung des Turbinenlaufrades 10. Die Größe
dieses Lagergehäuses in nicht in gleichem Maße
zu verkleinern wie der Umfang des Turbinenlaufrades 10.
Damit ist es bei kleinen Turbinenlaufrädern 10 schwierig,
die Drehachsen 36 der Leitschaufeln 40 nahe an
den Umfang des Turbinenrades 10 zu legen, ohne dass sich Überschneidungen
zwischen dem Verstellmechanismus und dem Lagergehäuse ergeben.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
ermöglicht es, die Drehachsen 86 der Leitschaufeln 40 radial
weiter vom Turbinenrad 10 zu entfernen, die Leitschaufeln 40 selbst
jedoch aber nicht zu verschieben.
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Bei
den in 2.1 und 2.2 dargestellten Positionen
der in der Exzentrizität 42 zur Drehachse 36 aufgenommenen
Leitschaufel 40 ergibt sich insbesondere in der geschlossenen
Position 50 der Leitschaufel 40, vergleiche Position 2.1, eine verringerte Spaltfläche, im
Vergleich zur Lösung gemäß 1.1, was den Wirkungsgrad des Turbinenlaufrades 10 und
damit des Turbinenteiles der Aufladeeinrichtung positiv beeinflusst.
Aufgrund des verkürzten Umfangs bei geschlossenen Leitschaufeln 40 wird weniger
Bauraum benötigt. Es können entweder weniger Schaufeln 40 am
Schaufelkranz 24 eingesetzt werden oder alternativ die
Länge der einzelnen, ein flügelförmiges
Profil 46 aufweisenden Leitschaufeln 40 verringert
werden.
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In 2.1 bezeichnet Bezugszeichen 50 die geschlossene
Position der Leitschaufel 40. Demgegenüber ist
in der Darstellung gemäß 2.2 die
erfindungsgemäß vorgeschlagene in der Exzentrizität 42 an
der Drehachse 36 aufgenommene Leitschaufel 40 in
ihrer offenen Position 52 dargestellt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ist in 3 dargestellt. 3 zeigt,
dass an der Drehachse 36, die über einen nicht
dargestellten, vorzugsweise elektrisch ausgebildeten Aktuator betätigt
wird, die Leitschaufel 40 in der Exzentrizität 42 in
Bezug auf die Symmetrieachse der Drehachse 36 angeordnet
ist. Die Leitschaufel 40 hat ein flügelförmiges
Profil 46 und weist die bereits erwähnte Anströmseite 44 und
das Schaufelende 38 auf. Des Weiteren befindet sich an
der Drehachse 36 ebenfalls in einer Exzentrizität 42 in
Bezug auf deren Symmetrieachse eine Hilfsschaufel 54. Die
Hilfsschaufel 54 ist in Bezug auf die Leitschaufel 40 in
einem Anstellwinkel 58 angeordnet. Die Hilfsschaufel 54 umfasst,
ebenso wie die in der Exzentrizität 42 gelagerte
Leitschaufel 40, eine Anströmseite 56 und
ein Schaufelende. Die Anströmseiten 44, 56 sowie
die Schaufelenden der Leitschaufeln 40 und der Hilfsschaufel 54 verlaufen
jeweils in die gleichen Richtungen. Zwischen der Hilfsschaufel 54 und
der dieser zuweisenden Flügelseite der Leit schaufel 40 ist
ein die Form eines Trichters 60 aufweisender Kanal gebildet.
Dessen Eintrittsquerschnitt ist größer bemessen
als der durch das Schaufel-ende 38 der Leitschaufel 40 und
der Hilfsschaufel 54 definierte Ausströmquerschnitt.
Die Abgasströmung 12 um die Leitschaufeln 40,
vergleiche Darstellung gemäß 2,
erzeugt ein aerodynamisches Moment, welches auf die in der Exzentrizität 42 relativ
zur Drehachse 36 angeordnete Leitschaufel 40 wirkt.
Dieses Moment darf aus Gründen der Regelbarkeit seine Drehrichtung über
den gesamten Verstellbereich der Variablen Turbinengeometrie (VTG) und
damit über den gesamten Verstellbereich der einzelnen Leitschaufeln 40 nicht
wechseln. Gleichzeitig darf dieses Moment in keiner Position der
Leitschaufel 40 zu groß werden, da sonst der zur
Betätigung für die Verstellung der Drehachse 36 erforderliche
Aktor größer gebaut werden muss. Dies würde insbesondere
bei Einsatz eines elektrischen Aktuators einen erheblich größer
bauenden, ein größeres Drehmoment aufbringenden
Aktuator erfordern. Über die Hilfsschaufel 54 wird
auf der der Leitschaufel 40 entgegengesetzten Seite der
Drehachse 36 das durch die Abgasströmung 12 erzeugte,
auf die Leitschaufel 40 wirkende Drehmoment so gesteuert,
so dass das zur Betätigung des Schaufelkranzes 24,
d. h. das zur Betätigung der Vielzahl von Leitschaufeln 40 um
ihre Drehachsen 36 erforderliche Drehmoment begrenzt bleibt
und nicht durch sich aufgrund der Abgasströmung 12 ergebende
Momente in unerwünschter Weise beeinflusst wird.
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Zitierte Patentliteratur
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