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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 689 24 512 T2 offenbart ein Verfahren zum Entwerfen und Verwirklichen einer Wellendichtungsanordnung eines Turboladers eines Verbrennungsmotors, der eine Drosselklappe hat, die stromaufwärts von einem Kompressor des Turboladers angeordnet ist. Die Wellendichtungsanordnung weist einen ersten und einen zweiten Dichtungsring auf, die zur Abdichtung um eine drehbare Welle des Kompressors angeordnet sind, die zwischen dem Kompressor und einem Lager für die drehbare Welle gelegen sind. Der erste und der zweite Dichtungsring sind auf der Lagerseite bzw. der Kompressorseite gelegen, um zu verhindern, dass Öl von der Lagerseite nach der Kompressorseite ausläuft. Die Wellendichtungsanordnung weist einen Luftzuführungskanal zwischen dem Kompressor und dem Lager auf, über den der Zwischenraum zwischen den Dichtungsringen auf im Wesentlichen atmosphärischem Druck gehalten wird. Dieser Turbolader weist weiteres Potential auf, seinen Schmiermittelverbrauch zu reduzieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, bereitzustellen, welcher einen reduzierten Schmiermittelverbrauch aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solcher Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, weist ein in einem Aufnahmeraum des Abgasturboladers zumindest bereichsweise aufgenommenes und mit einer Welle drehfest verbundenes Verdichterrad sowie ein Gehäuseteil auf, in welchem zumindest ein Außenumfangsbereich der Welle aufgenommen ist. In dem Außenumfangsbereich ist in radialer Richtung der Welle zwischen dieser und dem Gehäuseteil wenigstens ein Dichtungselement angeordnet, mittels welchem das Gehäuseteil und der Außenumfangsbereich gegeneinander zumindest im Wesentlichen abgedichtet sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Welle mit zumindest einem eine außenumfangseitig angeordnete Austrittsöffnung aufweisenden Luftführungskanal versehen ist, über welchen Luft aus dem Aufnahmeraum zumindest in einen Nahbereich des Dichtungselements führbar ist. Die Luft aus dem Aufnahmeraum kann den Luftführungskanal durchströmen und aus diesem über die Austrittsöffnung, insbesondere zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Welle oder schräg dazu, ausströmen, so dass die Luft die Welle außenumfangseitig in dem Nahbereich des Dichtungselements verlässt.
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Dies bedeutet, dass sich das Dichtungselement bzw. der Außenumfangsbereich, in welchem das Dichtungselement angeordnet ist, in axialer Richtung der Welle zumindest nahezu unmittelbar an die Austrittsöffnung anschließt oder dass sich die Austrittsöffnung in axialer Richtung der Welle zumindest nahezu unmittelbar an das Dichtungselement bzw. den Außenumfangsbereich, in welchem das Dichtungselement angeordnet ist, anschließt. Ebenso möglich ist es, dass die Austrittsöffnung und das Dichtungselement in radialer Richtung der Welle in zumindest bereichsweiser Überlappung angeordnet sind, so dass die Luft beim Ausströmen aus dem Luftführungskanal über die Durchtrittsöffnung das Dichtungselement zumindest bereichsweise insbesondere direkt anströmt. Durch diese Führung der Luft aus dem Aufnahmeraum über den Luftführungskanal und die Austrittsöffnung in den Nahbereich des Dichtungselements wird erreicht, dass die Luft als Sperrluft und somit als Luftbarriere fungiert, welche Schmiermittel zum Schmieren und Kühlen den Abgasturboladers und insbesondere der Welle von dem Dichtungselement zumindest im Wesentlichen fern hält.
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Die Luft in dem Aufnahmeraum weist dabei zumindest im Wesentlichen einen durch das Verdichterrad erzeugten Druck auf, welcher größer ist als ein in einem Lagergehäuse bzw. in einem Innenraum des Lagergehäuses herrschender Druck. Der Druck aus dem Aufnahmeraum kann zumindest nahezu in gleicher Höhe über den Luftführungskanal und die Austrittsöffnung in den Nahbereich geführt werden, so dass dadurch zumindest im Wesentlichen kein Schmiermittel aus dem Lagergehäuse bzw. dem Innenraum zu dem Dichtelement fließen kann, da die Luft aus dem Innenraum über den Luftführungskanal und die Austrittsöffnung das Schmiermittel vom Dichtungselement fern hält. Dies bedeutet, dass vorteilhafterweise die Austrittsöffnung in axialer Richtung der Welle zwischen dem Dichtungselement und dem Innenraum angeordnet ist, aus welchem ein Strömen des Schmiermittels zu dem Dichtungselement vermieden werden soll.
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Auf diese Art und Weise kann die Luft aus dem Aufnahmeraum als Sperrluft genutzt werden, um die Abdichtung zwischen dem Lagergehäuse bzw. dessen Innenraum und einer Turbinenseite und/oder Verdichterseite des Abgasturboladers zu unterstützen und/oder zu gewährleisten.
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Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Dichtungselement nicht als in Umfangsrichtung der Welle geschlossener und komplett umlaufender Dichtring, sondern als offener Dichtring ausgebildet ist, welcher eine Trennstelle mit einem Spalt aufweist, welcher durch zwei Enden des Dichtrings gebildet ist. Bei dieser Trennstelle handelt es sich um einen sogenannten Stoß des Dichtrings. Diese Ausführung des Dichtelements birgt den Vorteil, dass es dadurch eine sehr hohe Flexibilität und ein elastisches Verhalten aufweist, was der Dichtfunktion auch bei unterschiedlichen Temperaturen und daraus resultierenden unterschiedlichen Wärmedehnungen zuträglich ist. Nachteilig kann jedoch sein, dass Schmiermittel und/oder Gas, wie beispielsweise Luft, über den Stoß (den Spalt) des beispielsweise aus Metall ausgebildeten Dichtrings dieses durchdringen kann, so dass das Schmiermittel, welches beispielsweise als Wasser oder Schmieröl vorliegt, und/oder das Gas von dem Lagergehäuse bzw. dessen Innenraum zur Verdichterseite und/oder zur Turbinenseite des Abgasturboladers fließen kann.
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Ein solcher Leckagepfad kann auch zwischen dem Dichtungselement und einer eine Aufnahme zum wenigstens bereichsweisen Aufnehmen des Dichtungselements zumindest bereichsweise begrenzenden Wandungen der Welle und/oder eines Gehäuseteils des Abgasturboladers gegeben sein, über welchen das Schmiermittel und/oder das Gas an dem Dichtungselement vorbeiströmen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ist diese Problematik vermieden oder zumindest reduziert, da es die aus dem Aufnahmeraum über den Luftführungskanal und die Austrittsöffnung geführte und als Sperrluft fungierende Luft zumindest im Wesentlichen verhindert, dass das Schmiermittel und/oder das Gas zu dem Dichtungselement strömen kann. Das Schmiermittel und/oder das Gas kann lediglich bis maximal zu dem Nahbereich strömen, in welchem die Austrittsöffnung angeordnet ist, über die die Luft aus dem Aufnahmeraum aus dem Luftführungskanal ausströmt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement relativ zu dem Gehäuseteil fest angeordnet, insbesondere in einer Aufnahme des Gehäuseteils angeordnet ist, während es in einer Aufnahme, insbesondere einer Ringnut, der Welle aufgenommen ist. Die Welle ist nun relativ zu dem Gehäuseteil und damit relativ zu dem Dichtungselement drehbar, wodurch eine mögliche Leckagestelle gegeben ist. Die Führung der Luft in den Nahbereich des Dichtungselements ermöglicht es jedoch, das Gas und/oder das Schmiermittel von einer solchen Leckagestelle fernzuhalten, was der Abdichtung des Abgasturboladers zugute kommt.
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Durch die Führung der Luft aus dem Aufnahmeraum zumindest in den Nahbereich des Dichtungselements oder gar durch die Beaufschlagung des Dichtungselements mit der Luft aus dem Aufnahmeraum ist ein besonders hoher Druck in dem Nahbereich und insbesondere an dem Dichtungselement dargestellt, so dass ein sogenanntes Blow-By-Gas von der Verdichterseite und/oder der Turbinenseite in Richtung des Lagergehäuses zumindest im Wesentlichen vermieden ist. Bei diesem Blow-By-Gas handelt es sich beispielsweise um einen Luftstrom des Verdichters bzw. um einen Abgasstrom auf Seiten der Turbine. Da dieses Blow-By-Gas nicht unwesentlich zu einem Schmiermittelverbrauch von Abgasturboladern beiträgt, weist der erfindungsgemäße Abgasturbolader einen sehr geringen Schmiermittelverbrauch auf, was insbesondere die Wartungskosten des Abgasturboladers gering hält. Ferner sind Druckschwankungen an dem Dichtungselement reduziert, da Druckpulsationen auf der Verdichterseite und auf der Turbinenseite zeitlich zueinander versetzt sind.
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Wird das Dichtungselement zumindest bereichsweise mit der Luft beaufschlagt, so kann das Dichtungselement dadurch gekühlt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Dichtungselement auf der Turbinenseite angeordnet ist und während des Betriebs des Abgasturboladers von dem heißen Abgas erwärmt wird. Dadurch kann eine Materialermüdung des Dichtungselements, beispielweise in Form von Relaxation, zumindest im Wesentlichen vermieden werden, was mit einer hohen Funktionserfüllungssicherheit sowie mit einer hohen Lebensdauer des Abgasturboladers einhergeht. Ferner resultiert aus dem Fernhalten des Schmiermittels von dem Dichtungselement eine geringere Belastung des Schmiermittels, insbesondere im Lagergehäuse, und somit des gesamten sich in einem entsprechenden Schmiermittelkreislauf befindenden Schmiermittels.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers mit einer in einem Gehäuse des Abgasturboladers gelagerten Welle, wobei die Welle Luftführungskanäle aufweist, mittels welchen Luft aus einem ein Verdichterrad zumindest bereichsweise aufnehmenden Aufnahmeraum in einen Nahbereich von Dichtungselementen führbar ist;
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2 ausschnittsweise eine vergrößerte Längsschnittansicht des Abgasturboladers gemäß 1; und
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers gemäß 2.
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Die 1 zeigt einen Abgasturbolader 10 für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, welcher eine Turbine 12 sowie einen Verdichter 14 umfasst. Ferner umfasst der Abgasturbolader 10 einen Rotor 16 mit einer Welle 18, welche einenends mit einem Verdichterrad 20 des Verdichters 14 und andernends mit einem Turbinenrad 22 der Turbine 12 drehfest verbunden ist.
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Der Rotor 16 ist über die Welle 18 in einem Lagergehäuse 24 des Abgasturboladers 10 um eine Drehachse 26 drehbar gelagert. Die Welle weist unter anderem Außenumfangsbereiche 38 auf, welche in dem Lagergehäuse 24 aufgenommen und von diesem umgeben sind. Um den Abgasturbolader 10 zu kühlen und entsprechende Lagerstellen zu schmieren, kann dem Lagergehäuse 24 Schmieröl gemäß einem Richtungspfeil 27 zugeführt werden. Nach erfolgter Kühlung und Schmierung wird das Schmieröl dem Lagergehäuse 24 gemäß einem Richtungspfeil 28 abgeführt. Das Schmieröl zirkuliert dabei in einem Schmierölkreislauf, über welchen auch die dem Abgasturbolader 10 zugeordnete Verbrennungskraftmaschine, welche mittels des Abgasturboladers 10 aufzuladen ist, mit dem Schmieröl versorgt wird. Zur Verteilung des Schmieröls in dem Lagergehäuse 24 sind beispielsweise Kanäle 30 vorgesehen, mittels welchen das Schmieröl an die geeigneten Stellen verteilt wird.
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Um zu verhindern, dass Schmieröl von dem Lagergehäuse 24 bzw. von den Kanälen 30 in axialer Richtung der Welle gemäß einem Richtungspfeil 32 zur Turbine 12 und/oder in diese und zum oder in den Verdichter 14 strömt, sind Dichtringe 34 vorgesehen. Die Dichtringe 34 sind in den jeweiligen Außenumfangsbereichen 38 der Welle 18 angeordnet, in welchen die Welle (auch) relativ zu dem Lagergehäuse 24 drehbar in diesem aufgenommen ist. Die Dichtringe 34 sind dabei zumindest mittelbar an dem Lagergehäuse 24 relativ zu diesem drehfest angeordnet. Auf Seiten der Welle 18 sind die Dichtringe 34 in jeweiligen Ringnuten 40 zumindest bereichsweise aufgenommen. Dies bedeutet, dass sich die Welle 18 während des Betriebs des Abgasturboladers 10 relativ zu den Dichtringen 34 dreht. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Dichtringe 34 relativ zur Welle fest zumindest mittelbar an dieser angeordnet sind und sich relativ zu dem Turbinengehäuse 24 drehen.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, kann zwischen den Dichtringen 34 und die Ringnuten 40 in radialer Richtung der Welle und/oder in axialer Richtung der Welle zumindest bereichsweise begrenzenden Wandungen ein Spalt vorgesehen sein, über welchen das Schmieröl in die Turbine 12 oder den Verdichter 14 strömen kann.
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Um ein solches Überströmen zumindest im Wesentlichen zu vermeiden und damit die Abdichtung des Abgasturboladers 10 weiter zu verbessern, wird das Schmieröl durch eine sogenannte Sperrluft von den Dichtringen 34 ferngehalten. Dazu weist die Welle 18 eine Bohrung 42 auf, welche vor dem Verbinden der Welle 18 mit dem Turbinenrad 22 in die Welle 18 eingebracht wird. Die als Luftführungskanal fungierende Bohrung 42 ist mit zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Welle gemäß einem Richtungspfeil 36 verlaufenden Bohrungen 44 fluidisch verbunden, welche jeweils einen in Umfangsrichtung der Welle 18 komplett umlaufenden und in radialer Richtung der Welle 18 außenseitig offenen Ringkanal 46 münden. Auch das Verdichterrad 20 weist schräg zur axialen Richtung der Welle 18 verlaufende Bohrungen 48 auf, welche einerseits mit dem Ringkanal 46 fluidisch verbunden sind und andererseits in einen Aufnahmeraum 50 münden, in welchem das Turbinenrad 20 zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist der Aufnahmeraum 50 dabei zumindest bereichsweise durch das Lagergehäuse 24 begrenzt. Ebenso kann der Aufnahmeraum 50 zumindest bereichsweise von einen in der 1 der Übersicht wegen nur schematisch angedeuteten Verdichtergehäuse 52 begrenzt sein.
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In dem Aufnahmeraum 50 herrscht zumindest nahezu auch ein Luftdruck p2, welcher durch das Verdichterrad 20 an einem Verdichteraustritt 54 erzeugt wird. Dies bedeutet, dass der Luftdruck p2 auch in den Bohrungen 48 und in der Bohrung 42 zumindest im Wesentlichen herrscht.
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Die Bohrung 42 ist nun auch mit zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Welle 18 gemäß dem Richtungspfeil 36 verlaufenden Bohrungen 56 fluidisch verbunden. Die Bohrungen 56 weisen jeweilige Austrittsöffnungen 58 auf, welche in axialer Richtung der Welle 18 zwischen den Dichtringen 34 angeordnet sind. Dadurch ist es ermöglicht, dass die unter dem Druck p2 stehende Luft mit zumindest im Wesentlichen dem gleichen Druck p2 über die Bohrungen 42 und 56 und die Austrittsöffnungen 58 in jeweilige Nahbereiche der Dichtringe 34 geführt ist. Die Luft aus dem Aufnahmeraum 50 kann somit zwischen den Dichtringen über die Austrittöffnungen 58 ausströmen, so dass ein relativ hohes Druckgefälle über die Dichtringe 34, welche beispielsweise als Kolbenringe ausgebildet sind, dargestellt ist. Der Druck der Luft aus dem Aufnahmeraum 50 ist dabei höher als der Druck in dem Lagergehäuse 24 und insbesondere in den Kanälen 30, so dass das Schmieröl von der als Sperrluft fungierenden und unter einem hohen Druck in den Nahbereich geführten Luft von den Dichtringen 34 ferngehalten wird und nicht in die Turbine 12 und den Verdichter 14 strömen kann.
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Die Bohrungen 48 sind insbesondere bezogen auf einen Radrücken 60 derart angeordnet, dass Bereiche hoher mechanischer Spannungen vermieden sind. Durch die Wahl der Position relativ zu dem Radrücken 60, an welcher die Bohrungen 48 in den Aufnahmeraum 50 münden, kann das Druckniveau für die Sperrluft beeinflusst werden, da im Zwischenraum 50 ausgehend von der Drehachse 26 mit zunehmenden Abstand in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 36 von der Drehachse 26 weg der Druck der Luft in dem Aufnahmeraum 50 ansteigt und sich somit in radialer Richtung immer mehr dem Druck p2 annähert.
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Der umlaufend vollständig ausgebildete Ringkanal 46, welcher in axialer Richtung der Welle eine Erstreckung aufweist, die größer ist als eine jeweilige Durchtrittsöffnung der Bohrungen 48, über welche die Bohrungen 48 mit dem Ringkanal 46 verbunden sind, birgt den Vorteil, dass dadurch das Verdichterrad 20 nicht in einer bestimmten Drehstellung relativ zur Welle 18 mit dieser verbunden werden muss, sondern in einer beliebigen Drehstellung relativ zu der Welle 18 auf dieser angeordnet werden kann, so dass die Bohrungen 48 über den Ringkanal 46 und die Bohrungen 44 mit der Bohrung 42 fluidisch verbunden sind.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, kann durch die als Sperrluft fungierende Luft aus dem Aufnahmeraum 50 sowohl die Abdichtung des Lagergehäuses 24 gegenüber dem Verdichter 14 als auch gegenüber der Turbine 12 dargestellt werden. Auf Seiten der Turbine 12 ist ein Zwischenraum 62 vorgesehen, über welchen die Luft in die Bohrungen 56 auf Seiten der Turbine 12 einströmen kann.
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Die 2 zeigt die Abdichtung des Lagergehäuses 24 gegenüber der Turbine 12 in einer vergrößerten Darstellung. Die 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Abgasturboladers 10. Wie der 3 zu entnehmen ist, münden die fluidisch mit dem Zwischenraum 62 verbundenen und schräg zur axialen Richtung der Welle 18 verlaufenden Bohrungen 56 in der Ringnut 40, in welcher die Dichtringe 34 zumindest bereichsweise aufgenommen sind. So werden die Dichtringe 34 zumindest im Wesentlichen direkt mit der Luft aus dem Aufnahmeraum 50 beaufschlagt, das heißt angeströmt, so dass dadurch nicht nur das Schmieröl von den Dichtringen 34 ferngehalten wird, sondern die Dichtringe 34 auch gekühlt werden. Durch die entsprechende Lage der Bohrungen 56, welche gemäß den 1 und 2 in axialer Richtung zwischen den Dichtringen 34 und gemäß 3 in der Ringnut 40 münden, kann die Kühlwirkung durch Beaufschlagung der Dichtringe 34 mit der Luft aus dem Aufnahmeraum 50 oder das Fernhalten des Schmieröl, die sogenannte Ölsperrwirkung, stärker oder weniger stark ausgeprägt werden. Dies ist entsprechend auf den vorliegenden Anwendungsfall abzustimmen.
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Die zumindest im Wesentlichen direkte Beaufschlagung der Dichtringe 34 mit der Luft aus dem Aufnahmeraum 50 über die Bohrungen 42 und 56 birgt den Vorteil, dass dadurch die Dichtringe 34 insbesondere auf Seiten der Turbine 12 gekühlt werden, was mit einer Reduzierung oder Vermeidung einer Materialermüdung, beispielsweise in Form einer Relaxation, der Dichtringe 34 einhergeht. Ebenso wird im Bereich der turbinenseitigen Abdichtung der Ölverdampfung entgegengewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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