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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelapparat für eine Turbine einer Ladeeinrichtung oder für einen Verdichter einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Leitschaufelapparat umfasst üblicherweise zwei ringförmige Wände, die mittels Distanzelementen axial voneinander beabstandet sind und die einen Ringraum axial begrenzen. Ferner umfasst der Leitschaufelapparat mehrere Leitschaufeln, die im Ringraum angeordnet sind und die an wenigstens einer der Wände drehbar gelagert sind. Ein derartiger Leitschaufelapparat kann bspw. stromauf eines Turbinenrads einer Turbine angeordnet sein, wobei er dann üblicherweise als variable Turbinengeometrie bezeichnet wird. Grundsätzlich ist es ebenso möglich, einen derartigen Leitschaufelapparat an der Abströmseite eines Verdichterrads eines Verdichters anzuordnen, wobei es sich dann analog um eine variable Verdichtergeometrie handelt. Die Axialrichtung des Leitschaufelapparats wird dabei durch die Distanzelemente definiert und verläuft im montierten Zustand parallel zur Rotationsachse des Turbinenrads bzw. des Verdichterrads.
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Sofern ein Leitschaufelapparat mit derartigen Distanzelementen verwendet wird, besteht das Problem, dass die jeweilige Gasströmung die Distanzelemente umströmen muss, da die Distanzelemente den durchströmbaren Querschnitt lokal reduzieren. Sie erzeugen somit lokale Querschnittsverengungen, die zu einer lokalen Beschleunigung der Strömung führen. In der Umfangsrichtung kommt es daher zu variierenden Geschwindigkeiten bzw. zu variierenden Drücken. Besonders signifikant wirken sich die Distanzelemente in einer Schließstellung der Leitschaufeln auf die Gasströmung aus, da in der Schließstellung zwischen den Leitschaufeln ein enger Durchströmungsquerschnitt eingestellt ist, der zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten führt. In der Schließstellung können sich daher die durch die Distanzelemente bewirkten lokalen Strömungsquerschnittsverengungen stärker auswirken. Außerdem führen die hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu stärkeren Störungen in der Strömung durch die Distanzelemente.
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Die durch die Distanzelemente bewirkte Inhomogenität der Gasströmung kann insbesondere an einigen der Leitschaufeln öffnende oder schließende Momente erzeugen, wodurch die Leitschaufeln sowie eine Verstelleinrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln einer erhöhten Belastung ausgesetzt sind.
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Um die Querschnittsverengungen der Distanzelemente in der Schließstellung der Leitschaufeln zu reduzieren ist es aus der
DE 10 2009 007 390 A1 bekannt, diejenige Leitschaufel, die in der Schließstellung seitlich neben einem solchen Distanzelement angeordnet ist, an einer dem Distanzelement zugewandten Seite mit einer Delle auszustatten und das Distanzelement gegenüber dieser Delle abzuflachen. Auf diese Weise kann ein sich in der Schließstellung zwischen dem Distanzelement und dieser Leitschaufel ausbildender Strömungskanal hinsichtlich seines durchströmbaren Querschnitts in radialer Richtung vergrößert werden.
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Aus der
US 7,628,580 B2 ist eine variable Turbinengeometrie bekannt, bei der keine Distanzelemente zur Beabstandung der Wände, zwischen denen die Leitschaufeln angeordnet sind, vorgesehen sind. Um den Wirkungsgrad der mit dieser variablen Turbinengeometrie ausgestatteten Turbine zu erhöhen, können in wenigstens eine der Wände Vertiefungen eingearbeitet sein, die im Verstellbereich einer der Leitschaufeln angeordnet sind und die eine leckageartige Umströmung besagter Leitschaufel ermöglichen. Die Anordnung und Geometrie dieser Vertiefungen ist dabei so gewählt, dass durch die Verstellung der Leitschaufel der durchströmbare Querschnitt der Vertiefung und somit die Umgehungsströmung gesteuert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Leitschaufelapparat der Eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine Homogenisierung der Gasströmung in der Umfangsrichtung auszeichnet. Insbesondere soll die Anströmung der Leitschaufeln in deren Schließstellung bei einer variablen Turbinengeometrie verbessert werden.
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Dieses Problem wird bei der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Leitschaufelapparat, dessen Wände mit Distanzelementen axial voneinander beabstandet sind, zumindest eine der Wände im Bereich wenigstens eines der Distanzelemente mit wenigstens einer Vertiefung auszustatten. Durch eine derartige Vertiefung kann im Bereich des Distanzelements der durchströmbare Querschnitt in Axialrichtung vergrößert werden. Hierdurch kann die durch das Distanzelement bewirkte Querschnittsverengung mehr oder weniger kompensiert werden. Insoweit lässt sich die Strömung in der Umfangsrichtung homogenisieren. Während eine Formgebung der Leitschaufeln und/oder der Distanzelemente, welche die durch die Distanzelemente bewirkte Querschnittsverengung kompensieren soll, mit einem erhöhten Herstellungsaufwand für die Leitschaufeln bzw. für die Distanzelemente und mit einem deutlich erhöhten Montageaufwand einhergeht, lassen sich in den Wänden die erfindungsgemäßen Vertiefungen vergleichsweise einfach anbringen, ohne dass dadurch die Montage der Leitschaufeln oder der Distanzelemente erschwert wird. Insbesondere können beim erfindungsgemäßen Leitschaufelapparat alle verwendeten Leitschaufeln baugleich ausgeführt werden, sodass es bei der Montage nicht zu Verwechslungen kommen kann.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die jeweilige Vertiefung außerhalb von Verstellbereichen benachbarter Leitschaufeln angeordnet sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Wirkungsweise der Vertiefungen nicht durch die Verstellung der Leitschaufeln beeinträchtigt werden kann. Insbesondere können die Leitschaufeln nicht den durchströmbaren Querschnitt der Vertiefungen steuern.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Leitschaufeln im Betrieb der Ladeeinrichtung axial gegen die eine Wand angetrieben sein. Dies kann bspw. durch die Druckverhältnisse in der Turbine bzw. im Verdichter bewirkt werden. In diesem Fall sind die Vertiefungen zweckmäßig ausschließlich in der anderen Wand ausgebildet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die jeweilige Vertiefung eine abgerundete konkave Form besitzen. Hierdurch wird erreicht, dass die Gasströmung der Kontur der jeweiligen Wand auch durch die jeweilige Vertiefung hindurch folgen kann, ohne dass sich die Strömungsgrenzschicht allzu sehr aufdickt und ohne dass die Gefahr eines Strömungsabrisses entsteht.
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Die Leitschaufeln können zwischen einer Schließstellung mit engem Durchströmungsquerschnitt und einer Offenstellung mit weitem Durchströmungsquerschnitt verstellbar sein. Zweckmäßig kann nun vorgesehen sein, dass die jeweilige Vertiefung bzgl. einer Hauptströmungsrichtung, die sich im Betrieb der Ladeeinrichtung in der Schließstellung im Bereich der Leitschaufeln einstellt, seitlich, also im Wesentlichen quer benachbart zum jeweiligen Distanzelement angeordnet ist. Diese Ausführungsform beruht auf der Überlegung, dass das jeweilige Distanzelement in der Schließstellung der Leitschaufeln die Gasströmung hauptsächlich seitlich, also quer zur Hauptströmungsrichtung verdrängt, sodass es seitlich neben dem Distanzelement zur Querschnittsverengung bzw. zur Beschleunigung der Gasströmung kommt. Um dem entgegen zu wirken, ist die jeweilige Vertiefung erfindungsgemäß genau in diesem Bereich seitlich neben dem Distanzelement positioniert, wodurch die jeweilige Vertiefung besonders effektiv der Strömungsbeschleunigung entgegenwirken kann.
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Besonders zweckmäßig kann in der Schließstellung zwischen dem jeweiligen Distanzelement und der dazu quer zur Hauptströmungsrichtung benachbarten Leitschaufel ein Strömungspfad ausgebildet sein, wobei zumindest eine solche Vertiefung im Bereich des Strömungspfads angeordnet ist. Auch diese Maßnahme führt dazu, dass die Vertiefung besonders effektiv der Strömungsbeschleunigung im Bereich des Distanzelements entgegen wirken kann.
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Gemäß einer besonderen Weiterbildung können dem jeweiligen Distanzelement genau zwei derartige Vertiefungen zugeordnet sein, die quer zur Hauptströmungsrichtung, die sich in der Schließstellung der Leitschaufeln einstellt, beiderseits des Distanzelements an derselben Wand angeordnet sind. Somit lässt sich eine symmetrisch Wirkung der Vertiefungen realisieren, da auch das Distanzelement die Strömung quer zur Hauptströmungsrichtung zu beiden Seiten ablenkt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die jeweilige Vertiefung parallel zu der in der Schließstellung herrschenden Hauptströmungsrichtung länglich ausgestaltet sein. Durch diese längliche Konfiguration kann die mit Hilfe der jeweiligen Vertiefung erzeugte Querschnittserweiterung zunächst aufgebaut, dann konstant gehalten und anschließend wieder abgebaut werden, sodass sich die jeweilige Vertiefung im Wesentlichen so verhält wie die Strömungsgeschwindigkeit bzw. wie der Druck bei der Umströmung des jeweiligen Distanzelements.
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Bei einer weiteren Ausführungsform können die Wände außerhalb der jeweiligen Vertiefung abgesehen von Lagerstellen der Leitschaufeln sowie abgesehen von Befestigungsstellen der Distanzelemente eben ausgestaltet sein. Das bedeutet, dass die Wände neben den Vertiefungen keine weiteren Störkonturen aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die dem jeweiligen Distanzelement zugeordnete, wenigstens eine Vertiefung so bemessen ist, dass sie eine Querschnittserweiterung eines zwischen den Wänden definierten Strömungsquerschnitts erzeugt, die eine Querschnittsverengung des Strömungsquerschnitts, welche das jeweilige Distanzelement erzeugt, zumindest in der Schließstellung der Leitschaufeln reduziert oder kompensiert. Die durch die Distanzelemente in der Schließstellung bewirkte Strömungsverengung lässt sich mehr oder weniger genau berechnen. Dementsprechend kann die Vertiefung mehr oder weniger genau zur Kompensation dieser Querschnittsverengung ausgelegt werden.
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Von besonderem Interesse ist eine Ausführungsform, bei welcher der Leitschaufelapparat als vormontierbare Einheit, sogenannte Kartusche, ausgestaltet ist, die in den Verdichter oder in die Turbine einsetzbar ist. Hierdurch lässt sich die Montage des Verdichters bzw. der Turbine erheblich vereinfachen. Eine derartige Kartusche kann insbesondere auch einen Bestandteil einer Verstelleinrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln umfassen.
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Eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader, der bei einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden kann, umfasst somit eine Turbine, die ein Turbinenrad und einen stromauf davon angeordneten Leitschaufelapparat der vorbeschriebenen Art aufweist, oder einen Verdichter, der ein Verdichterrad und einen stromab davon angeordneten Leitschaufelapparat der vorbeschriebenen Art aufweist.
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Das jeweilige Turbinenrad besitzt dabei zweckmäßig einen radialen Einlass und einen axialen Auslass. Der Leitschaufelapparat ist dabei stromauf des Turbinenrads positioniert. Im Unterschied dazu besitzt ein derartiges Verdichterrad zweckmäßig einen axialen Einlass und einen radialen Auslass. Der Leitschaufelapparat ist zweckmäßig stromab des Verdichterrads positioniert.
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Sofern der Leitschaufelapparat eine variable Turbinengeometrie bildet, können außerdem die nachfolgend aufgeführten Merkmale einzeln oder gemeinsam oder in beliebiger Kombination verwirklicht werden. Die Distanzelemente und die Vertiefungen sind stromauf der Leitschaufeln angeordnet. In der Schließstellung ist das jeweilige Distanzelement nahe an einer Anströmkante einer in der Strömungsrichtung nachfolgenden Laufschaufel angeordnet. Insbesondere erfolgt die Positionierung des Distanzelements so, dass es in der Schließstellung die Anströmkante der in der Strömungsrichtung nachfolgenden Leitschaufel mehr oder weniger abschattet. Gleichzeitig befindet sich das Distanzelement in der Schließstellung seitlich, also quer zur Hauptströmungsrichtung benachbart im Bereich eines Abströmendes einer seitlich benachbarten Leitschaufel, wobei das Distanzelement bzgl. dieser seitlich benachbarten Leitschaufel etwa im letzten Drittel positioniert ist, jedenfalls stromab einer Drehachse der seitlich benachbarten Leitschaufel.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine stark vereinfachte, leicht isometrische Ansicht eines Leitschaufelapparates im Bereich eines Distanzelementes,
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2 einen stark vereinfachten Querschnitt des Leitschaufelapparates gemäß Schnittlinien II in 1.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst eine Ladeeinrichtung 1, bei der es sich insbesondere um einen Abgasturbolader handeln kann, der zweckmäßig bei einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann, die bevorzugt in einem Fahrzeug verwendet wird, eine Turbine 2, die ein in 1 mit unterbrochener Linie angedeutetes Turbinenrad 3 und einen Leitschaufelapparat 4 aufweist. Die Ladeeinrichtung 1 ist dabei nur im Bereich der Turbine 2 und die Turbine 2 ist nur in einem Ausschnitt des Leitschaufelapparats 4 dargestellt. Alternativ ist es ebenso möglich, einen Verdichter der Ladeeinrichtung 1 mit einem derartigen Leitschaufelapparat 4 auszustatten. Obwohl sich die nachfolgende Beschreibung ausdrücklich nur auf einen Leitschaufelapparat 4 für eine Turbine 2 bezieht, ist klar, dass sich die nachfolgenden Ausführungen auch auf einen Leitschaufelapparat 4 beziehen können, der in einem Verdichter angeordnet ist. Während der Leitschaufelapparat 4 bei der Turbine 2 stromauf des Turbinenrads 3 angeordnet ist, befindet sich der Leitschaufelapparat 4 bei einem Verdichter zweckmäßig stromab eines Verdichterrads.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst der Leitschaufelapparat 4 zwei ringförmige Wände 5, 6 und mehrere Leitschaufeln 7. Die in 1 erkennbare Wand 5 kann im Folgenden auch als erste Wand 5 bezeichnet werden, während die in 2 erkennbare weitere Wand 6 im Folgenden auch als zweite Wand 6 bezeichnet werden kann. Die beiden Wände 5, 6 sind mittels Distanzelementen 8 axial voneinander beabstandet. Ferner begrenzen die beiden Wände 5, 6 einen Ringraum 9 axial. Die Axialrichtung wird innerhalb des Leitschaufelapparats 4 durch die Richtung definiert, in welcher die beiden Wände 5, 6 voneinander beabstandet sind. Die Axialrichtung erstreckt sich dabei parallel zu einer Längsmittelachse 10 des jeweiligen Distanzelements 8 und parallel zu Schwenkachsen 11, um welche die Leitschaufeln 7 an wenigstens einer der Wände 5, 6 drehbar gelagert sind. Im Beispiel sind die Leitschaufeln 7, die im Ringraum 9 angeordnet sind, an der ersten Wand 5 drehbar gelagert. Die erste Wand 5 kann daher auch als Leitschaufelträger bezeichnet werden. Im Unterschied dazu kann die zweite Wand 6 auch als Leitschaufelabdeckung bezeichnet werden.
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Gemäß den 1 und 2 weist zumindest eine der Wände 5, 6, hier nur die erste Wand 5 zumindest eine Vertiefung 12 auf. Im Beispiel sind zwei derartige Vertiefungen 12 dargestellt. Dabei ist die jeweilige Vertiefung 12 im Bereich eines der Distanzelemente 8 angeordnet. Zweckmäßig ist im Bereich jedes der Distanzelemente 8 zumindest eine solche Vertiefung 12 vorgesehen. Zweckmäßig ist bei allen Distanzelementen 8 die gleiche Konfiguration mit wenigstens einer Vertiefung 12 vorgesehen, wie sie nachfolgend näher erläutert wird.
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Die Vertiefungen 12 sind erkennbar außerhalb von Verstellbereichen benachbarter Leitschaufeln 7 angeordnet. Die Leitschaufeln 7 sind zwischen einer in 1 erkennbaren Schließstellung mit engem Durchströmungsquerschnitt und einer hier nicht gezeigten Offenstellung mit weitem Durchströmungsquerschnitt verstellbar. Zum Einstellen der Offenstellung müssen die in 1 erkennbaren Leitschaufeln im Gegenuhrzeigersinn um ihre jeweilige Drehachse 11 verschwenkt werden. Somit entfernt sich ein Abströmende 13 einer seitlich, also quer zur Hauptströmungsrichtung 14, die sich in der Schließstellung gemäß 1 einstellt, benachbarten Leitschaufel 7 von der dazu benachbarten Vertiefung 12. Ebenso entfernt sich eine Anströmkante 15 einer in der Hauptströmungsrichtung 14 unmittelbar auf das Distanzelement 8 folgenden Leitschaufel 7 von besagter Vertiefung 12, wenn die jeweilige Leitschaufel 7 in ihre Offenstellung verstellt wird.
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Wie in 2 erkennbar ist, sind die Vertiefungen 12 ausschließlich in der ersten Wand 5 angeordnet. Dies kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn der Leitschaufelapparat 4 im Betrieb der Ladeeinrichtung 1 aufgrund der auftretenden Drücke so belastet wird, dass die Leitschaufeln 7 axial gegen die zweite Wand 6 angetrieben sind.
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Die Vertiefungen 12 besitzen eine abgerundete zum Ringraum 9 hin konkave Form. Wie sich 1 entnehmen lässt, ist die jeweilige Vertiefung 12 parallel zur Hauptströmungsrichtung 14, die sich in der Schließstellung einstellt, länglich ausgestaltet. Im Beispiel besitzen die Vertiefungen 12 eine ovale Form.
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Die beiden Vertiefungen 12 sind bzgl. der Hauptströmungsrichtung 14 seitlich, also quer zur Hauptströmungsrichtung 14 benachbart zum Distanzelement 8 angeordnet. In der Schließstellung bildet sich zwischen dem Distanzelement 8 und der dazu quer zur Hauptströmungsrichtung 4 benachbarten Leitschaufel 7 ein Strömungspfad 16 aus, der in eine Düse 17 übergeht, die zwischen einer Abströmkante 18 der einen Leitschaufel 7 und einem Anströmende 19 der dazu benachbarten Leitschaufel 7 ausgebildet ist. Die eine Vertiefung 12 ist im Bereich dieses Strömungspfads 16 angeordnet. Im Beispiel sind dem Distanzelement 8 genau zwei Vertiefungen 12 zugeordnet. Diese sind quer zur Hauptströmungsrichtung 14 beiderseits des Distanzelements 8 an derselben Wand 5 angeordnet.
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Die Wände 5, 6 sind außerhalb der Vertiefungen 12 eben ausgestaltet. Es ist klar, dass hierbei Unebenheiten, die durch die Lagerstellen der Leitschaufeln 5, und die durch die Befestigungsstellen der Distanzelemente 8 hervorgerufen sein können, außer Betracht bleiben.
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Die Dimensionierung der Vertiefungen 12 folgt zweckmäßig derart, dass sie im Bereich des jeweiligen Distanzelements 8 zumindest in der Schließstellung der Leitschaufeln 7 eine Querschnittserweiterung eines zwischen den Wänden 5, 6 definierten Strömungsquerschnitts erzeugen, die eine Querschnittsverengung des Strömungsquerschnitts, die das jeweilige Distanzelement 8 zumindest in der Schließstellung der Leitschaufeln 7 erzeugt, reduziert oder kompensiert. Hierdurch kann die An-/Umströmung der Leitschaufeln 7 homogenisiert werden. Ohne derartige Vertiefungen 12 führen die Distanzelemente 8, deren Anzahl kleiner ist als die Anzahl der Leitschaufeln 7, zu einer inhomogenen Anströmung der Leitschaufeln 7. Bspw. kann die Strömungsablenkung am Distanzelement 8 eine durch Pfeile angedeutete Gasströmung 20 gegen das Abströmende 13 der quer zur Hauptströmungsrichtung 14 benachbarten Leitschaufel 7 lenken, wodurch an dieser ein Drehmoment eingeleitet wird. Ebenso kann die Umströmung des Distanzelements 8 an der in der Strömungsrichtung unmittelbar nachfolgenden Leitschaufel 7 die Umströmung an einer dem Turbinenrad 3 zugewandten Innenseite 21 sowie an einer vom Turbinenrad abgewandten Außenseite 22 so verändern, dass schließende oder öffnende Momente verstärkt werden und/oder dass Strömungsabriss eintritt. Derartige Inhomogenitäten können durch die Vertiefungen 12 reduziert werden.
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Vorteilhaft ist dabei außerdem, dass die Leitschaufeln 7 baugleich ausgeführt werden können, sodass eine Verwechslung bei der Montage der Leitschaufeln 7 ausgeschlossen werden kann.
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Wie sich insbesondere 1 entnehmen lässt, sind die Distanzelemente 8 und die Vertiefungen 12 jeweils stromauf der Leitschaufeln 7 positioniert. Die Positionierung der Distanzelemente 8 erfolgt relativ zu den Leitschaufeln 7 so, dass in der Schließstellung die quer zur Hauptströmungsrichtung 14 benachbarte Leitschaufel 7 mit ihrem Abströmende 13 vergleichsweise nahe am Distanzelement 8 angeordnet ist, um so den Strömungspfad 16 auszubilden. Die in der Hauptströmungsrichtung 14 unmittelbar nachfolgende Leitschaufel 7 ist in der Schließstellung dagegen mit ihrer Anströmkante 15 vergleichsweise nahe am Distanzelement 8 positioniert, insbesondere derart, dass diese Leitschaufel 7 zumindest im Bereich ihrer Anströmkante 15 vom Distanzelement 8 abgeschattet ist. Insbesondere kann hierdurch die Düsenwirkung verbessert werden, da hier das Distanzelement 8 zur Kanalisierung der Gasströmung 20 beiträgt.
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Gemäß 2 kann der Leitschaufelapparat 4 eine vormontierbare Einheit 23 bilden, die auch als Kartusche 23 bezeichnet werden kann und die in die jeweilige Turbine 2 im vormontierten Zustand eingesetzt werden kann. Eine derartige Einheit 23 kann bspw. auch Komponenten als Stelleinrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln 7 umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009007390 A1 [0005]
- US 7628580 B2 [0006]
