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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Laufrad einer Turbomaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Turbomaschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei den Laufrädern solcher Turbomaschinen handelt es sich dabei typischerweise um Abgasnutzturbinen oder Verdichterräder. Beide werden in Kombination miteinander beispielsweise in einem sogenannten Abgasturbolader eingesetzt. Die Abgasnutzturbine alleine kann außerdem Teil eines sogenannten Turbo-Compound-Systems sein.
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Abgasnutzturbinen werden typischerweise in Kraftfahrzeugen und dort zumeist in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Die Abgasnutzturbinen nutzen dabei thermische Energie und Druckenergie in den Abgasen, insbesondere in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine, um daraus Energie zurückzugewinnen. Über die zurückgewonnene Energie kann dann beispielsweise bei einem Abgasturbolader ein Verdichterrad angetrieben werden, um die der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Frischluft zu verdichten. Bei einem Turbo-Compound-System dient die mittels der Abgasnutzturbine aus den Abgasen zurückgewonnene Energie typischerweise dazu, ergänzend mechanische Leistung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Andere aus dem Stand der Technik bekannte vergleichbare Anwendungen von Abgasnutzturbinen können die zurückgewonnene Energie auch anderweitig nutzen, beispielsweise zum Antrieb von Nebenaggregaten oder dergleichen.
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Nun ist es so, dass sehr häufig im Bereich von Turboladern, aber auch im Bereich von Turbo-Compound-Systemen, sogenannte Wastegate-Ventile, Abblasventile oder Umluftventile vorgesehen sind. Diese Ventile sind dabei typischerweise in Form von Klappen aufgebaut, welche eine Öffnung in einem Strömungskanal, durch welchen Gas von oder zu dem Laufrad oder den Laufrädern strömt, öffnen können, um so das Gas beispielsweise in den Bereich nach dem Laufrad abblasen zu können.
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In dem Fall, in dem die Ventileinrichtung im Bereich der Abgasturbine eingesetzt wird, wird sie typischerweise als Wastegate-Ventil bezeichnet. Sie kann dann zur Verbesserung der Regelbarkeit der Abgasnutzturbine eingesetzt werden. Wird in solchen Situationen der Abgasdruck über der Abgasnutzturbine durch ein solches Wastegate-Ventil reduziert, minimieren sich die Verluste. Die Ventileinrichtung mit vergleichbarem Aufbau kann auch im Bereich der Verdichterturbine als Laufrad der Turbomaschine eingesetzt werden. Sie kann dann beispielsweise einen Bypass um die Verdichterturbine öffnen, entweder als reines Sicherheitsventil oder um bereits verdichtete Luft nach der Verdichterturbine abzublasen, um so die Luftzufuhr zu regeln. Die letztgenannte Variante, welche so im Stand der Technik durchaus üblich ist, ist aufgrund der damit verbundenen Energieverluste im Allgemeinen jedoch nicht zu bevorzugen.
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Ein typischer Aufbau für eine derartige Ventileinrichtung ist dabei die Realisierung des Ventils durch eine Strömungsöffnung in einer Gehäusewand in dem Gehäuse für das Laufrad, welche von einer gegenüber der Strömungsöffnung beweglichen Klappe verschließbar oder freigebbar ist. Typischerweise wird eine solche Klappe durch eine Welle betätigt, welche durch das Gehäuse nach außen ragt und beispielsweise mit einem Hebel und einem Stellelement versehen ist. Auf der in dem Gehäuse befindlichen Seite der Welle ist dann die Klappe verdrehfest mit der Welle ausgeführt, beispielsweise außermittig angeschweißt. Durch eine Drehbewegung der Welle lässt sich so die Klappe auf die Strömungsöffnung in der Gehäusewand legen, um diese zu verschließen oder kann von der Strömungsöffnung weggeschwenkt werden, um diese freizugeben. Da die Klappe in den Bereich des Strömungskanals hineingeschwenkt wird, hat der Aufbau mit der Klappe außerdem den Vorteil, dass der Strömungskanal durch die Klappe in seinem durchströmbaren Querschnitt eingeengt wird. Ist die Welle und damit die Schwenkachse der Klappe nun in Strömungsrichtung des Mediums nach der Strömungsöffnung in der Gehäusewand angeordnet, so kann dadurch ein vorteilhafter Staudruck erzeugt werden, welcher das Abströmen des Mediums durch die von der Klappe nunmehr freigegebene Strömungsöffnung begünstigt.
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Die Problematik eines derartigen Aufbaus liegt nun darin, dass typischerweise im Bereich der Gehäusewand eine Öffnung zum Hindurchführen der Welle zum Betätigen der Ventilklappe vorgesehen ist. Diese Öffnung für die Welle ist entweder eine auf den Durchmesser der Welle angepasste Bohrung durch die Gehäusewand oder eine in die Gehäusewand eingepresste Lagerhülse für die Welle. Nachdem die Welle durch die Öffnung in der Gehäusewand beziehungsweise der eingepressten Lagerhülse eingebracht worden ist, wobei die Welle gegebenenfalls auch zusammen mit der Lagerhülse in die Gehäusewand eingepresst werden kann, muss nun die Ventilklappe mit der Welle verbunden werden. Dies erfolgt häufig durch Schweißen, welches dann in dem typischerweise sehr beengten Bereich des Strömungskanals erfolgen muss. Dabei ist eine exakte Fixierung der Klappe über der Strömungsöffnung, welche diese verschließen beziehungsweise freigeben soll, erforderlich. Dies ist aufgrund der typischerweise beengten Platzverhältnisse sehr aufwändig und benötigt eine entsprechend hohe Montagezeit. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse kommt es außerdem häufig zu Montagefehlern, welche dann eine Undichtheit zwischen der Ventilklappe und der Strömungsöffnung zur Folge haben. Das Gehäuse für das Laufrad muss dann überarbeitet oder gegebenenfalls sogar verworfen werden.
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Sofern eine Lagerhülse in eine Öffnung in dem Gehäuse eingepresst wird, muss außerdem auf eine geeignete Halterung des Gehäuses während des Einpressvorgangs geachtet werden. Da Gehäuse für Laufräder typischerweise Spiralkanäle um den größten Durchmesser des Laufrads aufweisen, sind Wölbungen, Durchmesser und Radien der einzelnen Gehäuse je nach Bautyp und Leistung häufig sehr unterschiedlich. Um dennoch sicher und zuverlässig das Einpressen einer Lagerhülse bewerkstelligen zu können, muss für jeden einzelnen Bautyp des Gehäuses eine geeignete Aufnahmevorrichtung vorhanden sein, um sicherzustellen, dass das Gehäuse senkrecht gegenüber der Einpressrichtung sicher und stabil so aufgenommen ist, dass es dem beim Einpressen aufgebrachten Druck ohne Beschädigung widersteht. Dies ist aufgrund der vergleichsweise hohen Anzahl an unterschiedlichen Gehäusen bei der Montage mit einem hohen Aufwand hinsichtlich der Haltevorrichtungen und der häufigen beim Einpressen erforderlichen Werkzeugwechsel nachteilig.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für ein Laufrad einer Turbomaschine, beispielsweise einer Abgasnutzturbine, anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und die Möglichkeit bietet, eine Ventilklappe einfach, sicher und zuverlässig in das Gehäuse zu montieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich außerdem aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse für ein Laufrad ist es vorgesehen, dass die Öffnung, durch welche die Welle durch die Gehäusewand nach außerhalb des Strömungskanals geführt ist, eine Öffnungsweite aufweist, welche größer als der größte Durchmesser der kleinsten Projektionsfläche der Ventilklappe und des im montierten Zustand in den Strömungskanal ragenden Teils der Welle ist, und dass diese Öffnung im montierten Zustand mit einem Deckel verschlossen ist, durch welchen die Welle verläuft. Das erfindungsgemäße Gehäuse sieht also eine Öffnung im Bereich einer Gehäusewand um den Strömungskanal vor, welche so groß ist, dass Ventilklappe und Welle im bereits verbundenen Zustand durch diese Öffnung in den Strömungskanal eingeführt werden können. Der Aufbau kann so sehr einfach, zuverlässig und mit hoher Genauigkeit montiert werden, da das Verbinden der Ventilklappe mit der Welle im Inneren des Strömungskanals entfällt.
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Die Ventilklappe und die Welle können vielmehr außerhalb des Gehäuses vormontiert und dann durch die Öffnung in den Strömungskanal eingebracht werden. Die Öffnung wird dann durch einen Deckel im montierten Zustand verschlossen, wobei die Welle durch den Deckel verläuft. Der Deckel kann prinzipiell in beliebiger Art und Weise mit dem Gehäuse verbunden werden. Eine lösbare Verbindung, welche beispielsweise durch Anschrauben des Deckels an dem Gehäuse erfolgt, ist hinsichtlich eventueller Wartungsarbeiten oder dergleichen sicherlich von Vorteil. Prinzipiell ist es jedoch auch denkbar, den Deckel mit dem Gehäuse zu verpressen oder zu verschweißen.
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Der Deckel selbst kann dabei ebenfalls zusammen mit Welle und Ventilklappe als Baueinheit vormontiert werden, sodass diese Bauteile bei der Montage in den Strömungskanal beziehungsweise das Gehäuse eingebracht und mit diesem verbunden werden können. Ventilklappe, Strömungsöffnung, Öffnung und Anbindung des Deckels können dabei über unterschiedliche Baureihen von Gehäusen hinweg immer gleich ausgeführt werden, sodass die vormontierte Baueinheit in verschiedene Gehäusetypen mit unterschiedlichen geometrischen Außenformen einfach und effizient integriert werden kann. Da die Baueinheit nunmehr für verschiedene Gehäusetypen jeweils identisch aufgebaut und vormontiert werden kann, können aufgrund der höheren Stückzahlen hier Herstellungs- und Fertigungskosten eingespart werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist der Deckel dabei rund ausgebildet und an seiner Stirnseite zumindest teilweise mit einem Gewinde versehen, welches mit einem Gewinde im Bereich der korrespondierend ausgebildeten Öffnung zusammenwirkt. Dieser besonders einfache und effiziente Aufbau ermöglicht es den Deckel und seine Möglichkeit zur Befestigung einstückig so auszuführen, dass beispielsweise eine vormontierte Einheit aus Deckel, Welle und Ventilklappe einfach durch die Öffnung in das Gehäuse eingeführt und mit diesem verschraubt werden kann.
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Der Deckel kann dabei als ein einziges Bauteil ausgeführt sein, welches eine beispielsweise zentrale oder außermittig angeordnete Öffnung aufweist, durch welche die Welle, idealerweise in dichtendem Eingriff mit dem Deckel, hindurchgeführt ist. Die außermittige Anordnung der Öffnung bietet dabei die Möglichkeit, durch eine Drehung des Deckels um seinen Mittelpunkt eine Verschiebung der Position der Welle zu erreichen. Dadurch lassen sich eventuelle Toleranzabweichungen zwischen der Ventilklappe und der Strömungsöffnung ausgleichen.
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Ergänzend oder alternativ hierzu kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Deckel eine Lagerhülse für die Welle aufweist. Eine solche Lagerhülse kann beispielsweise aus einem geeigneten Lagermaterial gefertigt werden, während der Deckel selbst aus einem anderen für die Verbindung und das Einbringen eines dauerhaft stabilen Gewindes besser geeigneten Material hergestellt werden kann.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist die Lagerhülse dabei mit dem Deckel verpresst ausgeführt. Ein solches Verpressen der Lagerhülse mit dem Deckel entspricht im Wesentlichen der Montage, wie sie bisher aus dem Stand der Technik üblich ist. Allerdings müssen keine verschiedenen Haltevorrichtungen für das Gehäuse vorgesehen sein, da die Hülse lediglich mit dem Deckel verpresst wird, welcher bei allen Baureihen des Gehäuses idealerweise standardisiert ist und damit lediglich eine einzige Aufnahmevorrichtung beim Verpressen benötigt. Die Lagerhülse kann dann, wie beim bisherigen Aufbau, ohne bewährte Materialien und Maße ändern zu müssen, mit dem Deckel verpresst werden. Der gesamte Aufbau aus Deckel mit eingepresster Lagerhülse, Welle und daran angebrachter, beispielsweise angeschweißter Ventilklappe, kann dann unabhängig vom Gehäuse des Laufrads vormontiert und in größeren Stückzahlen bevorratet werden. Bei der Montage muss dann lediglich diese vormontierte Baueinheit in das Gehäuse integriert werden durch Einführen der Ventilklappe und Einschrauben des Deckels gemäß der oben beschriebenen besonders bevorzugten Ausgestaltung.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Welle an der der Ventilklappe abgewandten Seite einen Hebel aufweist. Auch dieser kann unmittelbar bei der Vormontage der Baueinheit mit angebracht, beispielsweise angeschweißt werden, sodass die Baueinheit direkt mit einer Betätigungseinrichtung, beispielsweise einem Stellmotor, einem hydraulischen oder pneumatischen Aktuator oder dergleichen zur Betätigung der Ventilklappe zum Öffnen oder Schließen der Strömungsöffnung in dem Strömungskanal verbunden werden kann.
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Die bevorzugte Verwendung eines derartigen Gehäuses liegt dabei im Einsatz als sogenanntes Wastegate-Ventil für eine Abgasnutzturbine eines Turboladers oder eines Turbo-Compound-Systems. Aber auch der Einsatz zur Realisierung eines Abblaseventils für ein Verdichterrad in einem Turbolader ist denkbar. Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist es demnach vorgesehen, dass das Laufrad eine Abgasnutzturbine und/oder ein Verdichterrad eines Abgasturboladers ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich außerdem aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers; und
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2 eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung im Bereich einer Abgasnutzturbine.
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Das nachfolgende Ausführungsbeispiel beschreibt die Funktionalität und den Aufbau einer Ventileinrichtung 1 für eine Abgasnutzturbine 2 am Beispiel eines Turboladers 3, welcher in der Darstellung der 1 in einer schematischen Ansicht zu erkennen ist. Die Abgasnutzturbine beziehungsweise Turbine 2 des Abgasturboladers 3 ist dabei in an sich bekannter Art und Weise über eine Welle 4 mit einem Verdichter beziehungsweise einem Verdichterrad 5 verbunden. Der Turbine 2 strömt durch den mit A bezeichneten Pfeil heißes Abgas, beispielsweise aus dem Bereich einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, zu. Dieses heiße Abgas wird in der Turbine 2 entspannt und gelangt dann über den mit a bezeichneten Pfeil in den Bereich der Umgebung. Die dabei anfallende mechanische Leistung wird über die Welle 4 direkt auf den Verdichter 5 übertragen, welcher aus der Umgebung gemäß dem Pfeil b Frischluft ansaugt, diese verdichtet und gemäß dem Pfeil B als Verbrennungsluft der soeben erwähnten Brennkraftmaschine zuführt. Dieser Aufbau ist dabei aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Er soll die nachfolgend erläuterte Funktion der Ventileinrichtung 1 am Beispiel eines Abgasturboladers 3 näher beschreiben. Ebenso wäre ein vergleichbarer Aufbau bei einem Turbo-Compound-System anwendbar, welches ebenfalls die Abgasnutzturbine beziehungsweise Turbine 2 aufweist, welche über die Welle 4 dann jedoch keinen Verdichter 5, sondern typischerweise ein Zahnrad beziehungsweise Ritzel antreibt. Über dieses Ritzel wird die im Bereich der Turbine 2 gewonnene Leistung dann anderweitig verwendet, beispielsweise über eine hydrodynamische Kupplung und ein entsprechendes Getriebe der Kurbelwelle als ergänzende Leistung zur Verfügung gestellt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht im Bereich des Verdichterrads 5. Auch hier könnte über eine Ventileinrichtung 1 Luft im Bypass um das Verdichterrad 5 geführt oder aus dem Bereich des Verdichterrads 5 abgeblasen werden. Die hierfür eingesetzte Ventileinrichtung kann analog der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 1 aufgebaut sein, welche nachfolgend am Beispiel der Abgasseite näher beschrieben und erläutert wird.
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Sowohl bei Abgasturboladern 3 als auch bei Turbo-Compound-Systemen kommt es in bestimmten Betriebssituationen dazu, dass das Abgas A nicht durch die Turbine 2 hindurchgeführt, sondern ganz oder typischerweise teilweise um die Turbine 2 herumgeführt werden soll. Hierfür dient die Ventileinrichtung 1, welche auch als Umblaseventil, Umluftventil, Abblaseventil oder Wastegate-Ventil bezeichnet wird. Sie verbindet den Bereich des in die Turbine 2 einströmenden Abgases A mit dem Bereich des die Turbine 2 verlassenden Abgases a. Auf diese Ventileinrichtung 1 soll nachfolgend nun näher eingegangen werden.
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In der Darstellung der 2 ist die Ventileinrichtung 1, welche in 1' prinzipmäßig angedeutet war, in ihrem konkreten Aufbau zu erkennen. Die Ventileinrichtung 1 besteht aus einer Ventilklappe 6, welche eine hier gestrichelt angedeutete Strömungsöffnung 7 in einer Gehäusewand 8 verschließen und freigeben kann. Die Gehäusewand 8 umschließt dabei einen Strömungskanal 9, beispielsweise den Einlassraum für das Abgas A in die Abgasnutzturbine 2. Die Gehäusewand 8 ist dabei Teil eines Gehäuses, in diesem Fall beispielhaft also Teil des Turbinengehäuses. Die Ventileinrichtung 1 besteht neben der Ventilklappe 6 aus einer Welle 10, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außermittig der Ventilklappe 6 angeordnet und über ein Verbindungselement 11 mit dieser verbunden ist. Die Verbindung kann insbesondere durch ein Verschweißen der Ventilklappe 6 mit dem Verbindungselement 11 und/oder der Welle 10 erfolgen. Die Ventileinrichtung 1 weist außerdem an ihrem dem Strömungskanal 9 abgewandten Ende der Welle 10 einen Hebel 12 auf, welcher ebenfalls mit der Welle 10 verbunden, beispielsweise verschweißt ist. Der Hebel 12 steht mit einer Betätigungseinrichtung 13, beispielsweise einem Stellmotor, einem Hydraulik- oder Pneumatikkolben oder dergleichen, in Verbindung. Durch eine drehende Bewegung am Hebel 12 lässt sich die Ventilklappe 6 aus der in 2 dargestellten geschlossenen Position der Strömungsöffnung 7 um die Achse der Welle 10 verschwenken und gibt so, je nach Verschwenkwinkel, einen sich kontinuierlich erweiternden Querschnitt der Strömungsöffnung 7 frei.
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Die Welle 10 ist dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Lagerhülse 14 so gelagert, dass diese über den Hebel 12 und die Betätigungseinrichtung 13 verdrehbar ist, und dass gleichzeitig eine möglichst gute Abdichtung des Strömungskanals 9 im Bereich zwischen der Welle 10 und der Lagerhülse 14 gewährleistet ist. Die Lagerhülse 14 ist dabei in einen Deckel 15 eingebracht, beispielsweise eingepresst. Der Deckel 15 sitzt im montierten Zustand in einer Öffnung 16 in der Gehäusewand 8. Über ein Gewinde 17 sind Gehäusewand 8 und Deckel 15 miteinander verschraubt. Der Deckel 15 weist neben dem Gewinde 17 auf seinem dem Strömungskanal 9 zugewandten Bereich der Stirnflächen außerdem in dem dem Strömungskanal 9 abgewandten Bereich einen Bund 18 auf, welcher auf seiner dem Strömungskanal zugewandten Fläche eine Dichtfläche 19 hat. Diese Dichtfläche 19 bildet zusammen mit einer korrespondierenden, die Öffnung 16 umgebenden Dichtfläche 20 eine sehr gute Abdichtung zwischen dem Deckel 15 und der Gehäusewand 8 im montierten Zustand aus.
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Die Öffnung 16 weist nun eine Öffnungsweite D auf, welche bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einem Kreisdurchmesser entspricht. Bei anderen Ausgestaltungen der Öffnung 16, beispielsweise bei einem von außen an die Gehäusewand 8 angeflanschten Deckel 15, könnte die Öffnung auch andere Formen, beispielsweise eine Rechteckform, eine ovale Form oder dergleichen, aufweisen. In diesem Fall wäre unter der Öffnungsweite D jeweils die größte Öffnungsweite zu verstehen. Die Öffnungsweite D ist dabei in jedem Fall so zu wählen, dass diese größer ist, als der größte Durchmesser der kleinsten Projektionsfläche der Ventilklappe 6 und des im montierten Zustand in den Strömungskanal 9 ragenden Teils der Welle 10. Der größte Durchmesser der kleinsten Projektionsfläche ist beispielhaft durch den in 2 mit d bezeichneten Durchmesser angedeutet. Der größte Durchmesser α dieser kleinsten Projektionsfläche der im montierten Zustand in den Strömungskanal 9 ragenden Teile der Ventileinrichtung 1 kann – im dargestellten Beispiel durch leichtes Verkippen – durch die größere Öffnung 16 im montierten Zustand in den Strömungskanal 7 eingebracht werden. Eine aufwändige Montage, beispielsweise das aufwändige Verschweißen der Ventilklappe 6 mit dem Verbindungselement 11 und/oder der Welle 10 im Inneren des Strömungskanals 7, kann somit vermieden werden. Der Aufbau der Ventileinrichtung 1 mit Ventilklappe 6, Verbindungselement 11, Welle 10, Lagerhülse 14, Deckel 15 und gegebenenfalls mit dem Hebel 12 kann damit außerhalb des Strömungskanals 9 vormontiert werden und kann dann durch die Öffnung 16 in den Strömungskanal eingebracht und durch ein Festschrauben des Deckels 15 montiert werden. Der Aufwand hinsichtlich der Montage wird dadurch minimiert.
