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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff zu Patentanspruch 1.
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Aus dem Serienbau von Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, Aufladeeinrichtungen zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen zu verwenden, um dadurch geringe Kraftstoffverbräuche sowie geringe CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine zu ermöglichen. Durch diese Aufladung können die Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich ihres Hubvolumens sowie ihres Gewichts besonders klein ausgestaltet werden, jedoch gleichzeitig besonders hohe Leistungen und Drehmomente bereitstellen. Mit anderen Worten ist es möglich, die Verbrennungskraftmaschinen nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip auszubilden.
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Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs der Aufladeeinrichtungen werden Turbinen von Abgasturboladern der Aufladeeinrichtungen mit variablen Turbinengeometrien versehen. Dadurch können die Turbinen an unterschiedliche Betriebspunkte der zugehörigen Verbrennungskraftmaschinen angepasst werden. Ferner ist es dadurch insbesondere bei Ottomotoren möglich, hohe Durchsatzspreizungen der Turbinen zu realisieren, so dass diese besonders effizient sowohl in geringen Drehzahl- und/oder Lastbereichen bei geringen Abgasmassenströmen als auch in demgegenüber höheren Drehzahl- und/oder Lastbereichen bei höheren Abgasmassenströmen effizient betrieben werden können.
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Dabei hat es sich gezeigt, dass es bei Verwendung der variablen Turbinengeometrien zu Leckageströmen des Abgases kommen kann, so dass Abgas die variablen Turbinengeometrien umgehen kann, was eine effiziente Anströmung jeweiliger Turbinenräder der Turbinen negativ beeinflusst.
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Die
EP-1 301 689 B1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Aufnahmeraum zur zumindest bereichsweisen Aufnahme eines Turbinenrads, mit einem Leitelement, über welches dem Aufnahmeraum Abgas der Verbrennungskraftmaschine unter Ablenkung des Abgases in eine vorgebbare Richtung zuführbar ist und mit einem in axialer Richtung der Turbine relativ zu dem Leitelement verschiebbaren Abdeckelement, mittels welchem das Leitelement in Strömungsrichtung des Abgases stromauf und stromab des Leitelements zumindest bereichsweise abdeckbar ist. Auch bei dieser Turbine kann es zu gewünschten Leckageströmungen kommen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein effizienterer Betrieb der Turbine ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine weist einen Aufnahmeraum auf. Der Aufnahmeraum ist beispielsweise durch ein Turbinengehäuse der Turbine zumindest bereichsweise begrenzt und dient zur zumindest bereichsweisen Aufnahme eines Turbinenrads, welches von Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu beaufschlagen und dadurch antreibbar ist.
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Die Turbine umfasst wenigstens ein Leitelement, über welches dem Aufnahmeraum und damit dem Turbinenrad Abgas der Verbrennungskraftmaschine unter Ablenkung des Abgases in wenigstens eine vorgebbare Richtung zuführbar ist. Dies bedeutet, dass dem in den Aufnahmeraum einströmenden Abgas mittels des Leitelements wenigstens eine vorgebbare Richtung aufzuprägen ist, so dass das Turbinenrad unter einem zumindest im Wesentlichen optimalen Anströmwinkel von dem Abgas angeströmt wird.
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Die Turbine umfasst ferner ein in axialer Richtung der Turbine bzw. des Turbinenrads relativ zu dem Leitelement verschiebbares Abdeckelement, mittels welchem das Leitelement stromauf und/oder stromab des Leitelements zumindest bereichsweise abdeckbar ist. Mittels des Abdeckelements kann somit der Betrag des Abgasmassenstroms, welcher in den Aufnahmeraum ein- und das Turbinenrad anströmt, variabel eingestellt werden. So ist es möglich, den Durchsatz der Turbine einzustellen und eine gewünschte Durchsatzspreizung der Turbine zu realisieren.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Zwischenelement vorgesehen, mit dessen Hilfe das Abdeckelement in einer Leitschaufeln des Leitelements maximal abdeckenden Stellung an dem Leitelement mittelbar abgestützt ist. Mit anderen Worten ist in der das Leitelement maximal abdeckenden Stellung der kleinstmögliche Durchsatz der Turbine eingestellt, wobei das Abdeckelement unter Vermittlung des Zwischenelements an dem Leitelement anliegt. Das Zwischenelement ist somit einerseits am Abdeckelement und andererseits am Leitelement abgestützt, wodurch eine Abdichtwirkung dargestellt ist. So können Leckageströme des Abgases am Leitelement vorbei vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden. Daraus resultiert, dass eine zumindest im Wesentlichen optimale Einströmung des Abgases in den Aufnahmeraum und damit eine zumindest im Wesentlichen optimale Anströmung des Turbinenrads unter einem gewünschten Anströmwinkel gewährleistet ist. Dies führt zu besonders hohen Wirkungsgraden und damit zu einem effizienteren Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine. Ferner können dadurch sogenannte Sekundärströmungsverluste infolge von Leckageströmen, die das Leitelement umgehen, vermieden oder sehr gering gehalten werden, was dem effizienten Betrieb der Turbine zugute kommt.
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Bevorzugt ist das Abdeckelement unter Vermittlung des Zwischenelements in axialer Richtung der Turbine an dem Leitelement abgestützt. Mit anderen Worten ist das Abdeckelement unter Vermittlung des Zwischenelements an dem Leitelement über jeweilige, sich zumindest im Wesentlichen schräg, insbesondere senkrecht, zur axialen Richtung erstreckende Stirnflächen abgestützt, woraus eine besonders effiziente Abdichtung eines Kontur- bzw. Funktionsspalts zwischen dem Leitelement und dem Abdeckelement resultiert.
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Das Zwischenelement ermöglicht dabei die Darstellung besonders großer Flächen zur Abstützung des Leitelements unter Vermittlung des Zwischenelements an dem Abdeckelement, was mit der effizienten Abdichtung und Vermeidung der Leckageströme einhergeht.
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Das Zwischenelement kann dabei einstückig mit dem Leitelement ausgebildet sein. Bei der einstückigen Ausgestaltung können des Zwischenelement und das Leitelement als einstückiges Gussbauteil ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass das Zwischenelement als von dem Leitelement separates Element ausgebildet und beispielsweise an dem Leitelement befestigt ist. Dabei ist das Zwischenelement beispielsweise als Blechbauteil und/oder als Stanzbauteil ausgebildet. Dadurch weist das Zwischenelement einerseits besonders geringe Herstellungskosten auf. Andererseits können dadurch besonders große Flächen zur Abdichtung bereitgestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Turbine weist somit besonders hohe Turbinenwirkungsgrade insbesondere im Bereich geringer Durchsatzkennwerte (in der das Leitelement maximal abdeckenden Stellung des Abdeckelements) auf. Ferner ist es möglich, die bevorzugt als Radialturbine ausgebildete, erfindungsgemäße Turbine in einem besonders großen Spektrum an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anzupassen, so dass sich eine besonders hohe Spreizung des Durchsatzsparameters Φmax/Φmin (Durchsatzpreizungsquotient) darstellen lässt, wobei Φmax den maximalen Durchsatzparameter der Turbine bezeichnet, während Φmin den minimalen Durchsatzparameter der erfindungsgemäßen Turbine bezeichnet. Der maximale Durchsatzparameter Φmax ist dabei in einer das Leitelement maximal freigebenden Stellung des Abdeckelements ermöglicht, während der minimale Durchsatzparameter Φmin in der das Leitelement minimal, beispielsweise zumindest im Wesentlichen vollständig abdeckenden, Stellung des Abdeckelements eingestellt ist.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbine ist, dass durch das relativ zum Leitelement in axialer Richtung verschiebbare Abdeckelement ein gegenüber Belastungen während des Betriebs der Turbine besonders robuster Verstellapparat dargestellt ist. Der Verstellapparat und somit die erfindungsgemäße Turbine weisen somit eine besonders hohe Betriebszuverlässigkeit und eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auf.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend 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 1 bis 7 dienen dabei insbesondere zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Turbine mit einem Turbinengehäuse,
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2 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Turbine gemäß 1;
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß den 1 und 2 mit einer Veranschaulichung eines ersten Leckagepfads;
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4 eine schematische Perspektivansicht des Abdeckelements der Turbine gemäß den 1 bis 3;
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5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 3 mit einer Veranschaulichung eines zweiten Leckagepfads;
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6 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters der Turbine gemäß den 1 bis 5;
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7 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß den 1 bis 6, wobei die Leitschaufeln des Leitgitters jeweilige Absätze aufweisen, an denen das Abdeckelement zur Erzielung einer Abdichtwirkung abstützbar ist;
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8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 7, wobei ein Zwischenelement vorgesehen ist, unter dessen Vermittlung das Abdeckelement an dem Leitgitter abstützbar ist zur Erzielung einer Abdichtung der Leckageströme;
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9 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters mit dem Zwischenelement gemäß 8; und
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10 eine weitere schematische Perspektivansicht des Leitgitters mit dem Zwischenelement gemäß 9.
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Die 1 zeigt einen Abgasturbolader 10 für eine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, mittels welchem die Verbrennungskraftmaschine aufzuladen ist. Der Abgasturbolader 10 umfasst ein Lagergehäuse 12, an welchem ein Rotor 14 um eine Drehachse 16 relativ zu dem Lagergehäuse 12 drehbar zu lagern ist. Der Rotor 14 umfasst eine Welle 18 sowie ein mit der Welle 18 drehfest verbundenes Turbinenrad 20, welches vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine anströmbar und dadurch antreibbar ist. Mit der Welle 18 ist auch ein Verdichterrad eines in der 1 nicht zu erkennenden Verdichters des Abgasturboladers 10 drehfest verbunden, so dass durch Beaufschlagen und Antreiben des Turbinenrads 20 von dem Abgas auch das Verdichterrad antreibbar ist. Dadurch wird die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet und die Verbrennungskraftmaschine wird aufgeladen.
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Der Abgasturbolader 10 umfasst eine Turbine 22 mit einem Turbinengehäuse 24, durch welches ein Aufnahmeraum 26 zumindest bereichsweise begrenzt ist. In dem Aufnahmeraum 26 ist das Turbinenrad 20 zumindest bereichsweise um die Drehachse 16 relativ zu dem Turbinengehäuse 24 drehbar aufgenommen.
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Das Lagergehäuse 12 und das Turbinengehäuse 24 sind mittels einer V-Bandschelle 28 miteinander verbunden. Zur wärmetechnischen Abschirmung des Lagergehäuses 12 von dem von dem heißen Abgas durchströmbaren Turbinengehäuse 24 ist ein Hitzeschild 30 vorgesehen, welcher in axialer Richtung des Rotors 14 und damit der Turbine 22 zumindest bereichsweise zwischen dem Turbinengehäuse 24 und dem Lagergehäuse 12 angeordnet ist. Das Turbinengehäuse 24 weist wenigstens einen Zuströmkanal 32 auf, welcher auch als Volute bezeichnet wird. Der Zuströmkanal 32 verläuft beispielsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads 20 um die Drehachse 16 über den Umfang des Turbinenrads 20 zumindest im Wesentlich spiralförmig und wird während des Betriebs des Abgasturboladers 10 und der Verbrennungskraftmaschine vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmt. Der Zuströmkanal 32 führt das Abgas zu einem Strömungskanal 34, über welchem das Abgas von dem Zuströmkanal 32 in den Aufnahmeraum 26 und somit zu dem Turbinenrad 20 strömen kann. Der effektive Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 34 bestimmt somit das Aufstauverhalten der Turbine 22 und damit deren Durchsatz.
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Die Turbine 22 umfasst ferner ein Leitgitter 36 mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln 38 (2), welche zumindest bereichsweise in dem Strömungskanal 34 angeordnet sind und mittels welchen das Abgas umzulenken ist. So kann dem Abgas eine vorgebbare Richtung aufgeprägt werden. Mit anderen Worten strömt das Abgas von dem Strömungskanal 34 über die Leitschaufeln 38 in den Aufnahmeraum 26 und somit zu dem Turbinenrad 20, wobei dem Abgas mittels der Leitschaufeln 38 der gewünschte Drall aufgeprägt wird. Dadurch kann das Abgas das Turbinenrad 20 unter einem zumindest im Wesentlichen optimalen Anströmwinkel anströmen, was einem besonders effizienten Betrieb der Turbine 22 und damit des gesamten Abgasturboladers 10 zugute kommt.
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Die Turbine 22 umfasst ein Abdeckelement in Form einer sogenannten Matrize 40, welche in axialer Richtung der Turbine 22 relativ zu dem Turbinengehäuse 24 und relativ zu dem an dem Turbinengehäuse 24 auf Seiten des Lagergehäuses 23 befestigten Leitgitter 36 mit dessen Leitschaufeln 38 verschiebbar ist. Die Leitschaufeln 38 können dabei in die Matrize 40 eintauchen, so dass die Leitschaufeln 38 durch Verschieben der Matrize 40 in axialer Richtung relativ zu den Leitschaufeln 38 freigegeben und demgegenüber in Strömungsrichtung des Abgases durch den Strömungskanal 34 zum Turbinenrad 20 stromauf und stromab der Leitschaufeln 38 abgedeckt werden können. Dadurch kann auch der effektive Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 34 und damit der Durchsatzparameter der Turbine 22 variabel eingestellt werden, so dass eine besonders hohe Durchsatzspreizung der Turbine 22 realisiert werden kann. Somit kann die Turbine 22 bei geringen Abgasmassenströmen effizient betrieben werden, wie sie beispielsweise bei geringen Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine vorkommen. Dabei werden die Leitschaufeln 38 abgedeckt, so dass ein relativ geringer effektiver Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 34 eingestellt ist.
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Liegen demgegenüber höhere Drehzahl- und/oder Lastbereiche der Verbrennungskraftmaschine vor, was mit demgegenüber höheren Abgasmassenströmen einhergeht, so werden die Leitschaufeln 38 von der Matrize 40 relativ stark freigegeben, so dass ein demgegenüber größerer effektiver Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 34 eingestellt ist.
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Die Turbine 22 kann bei Ottomotoren, Dieselmotoren, Diesottomotoren oder bei anderweitigen Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden. Aufgrund der Darstellbarkeit einer hohen Durchsatzspreizung ist sie besonders vorteilhaft bei Ottomotoren zu verwenden, bei welchen es zu besonders großen Spreizungen zwischen minimalen und maximalen Abgasmassenströmen kommen kann.
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Da die Matrize 40 in axialer Richtung relativ zu dem Leitgitter 36 verschiebbar ist, wird die Matrize 40 auch als Axialschieber 41 bezeichnet. Um die Position des Axialschiebers relativ zum Leitgitter 36 zu verändern und somit um den effektiven Strömungsquerschnitt und damit das Aufstauverhalten der Turbine 22 zu variieren, ist eine Verstellmechanik 42 vorgesehen, die in einem Verstellraum 44 des Turbinengehäuses 24 angeordnet ist.
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Zur Gewährleistung der Verstellbarkeit des Axialschiebers 41 während des Betriebs des Abgasturboladers 10 ist zwischen den Leitschaufeln 38 des Leitgitters 36 und der Matrize 40 umlaufend ein Funktionsspalt 46 vorgesehen, welcher auch als Leitgitterkonturspalt bezeichnet wird.
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Sind keine entsprechenden Gegenmaßnahmen vorgesehen, so kann es, wie in den 3 und 5 dargestellt ist, zu Sekundärströmungsverlusten infolge von Leckageströmungen kommen. Mit anderen Worten kann der umlaufende Funktionsspalt 46 zu Sekundärströmungsverlusten am Leitgitter 36 führen. Das heißt, dass ein Teil des Abgasmassenstroms nicht, wie gewünscht, das einen Eintrittsdrallerzeuger darstellende und das Abgas in die gewünschte Strömungsrichtung richtende Leitgitter 36 anströmt, sondern das Leitgitter 36 über den umlaufenden Funktionsspalt 46 umgeht und somit das Turbinenrad 20 ungerichtet anströmt. Dadurch kommt es zu einer Fehlanströmung des Turbinenrads 20, was zu geringen Wirkungsgraden der Turbine 22 führt, insbesondere in Betriebsbereichen mit geringen Durchsatzkennwerten, d. h. bei geschlossenem Axialschieber und kleinem effektiven Strömungsquerschnitt. Die 3 bis 5 veranschaulichen die Sekundärströmungsverluste am Leitgitter 36.
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Wird der Axialschieber 41 beispielsweise als Feingussteil ausgeführt, muss ein Gusskern in axialer Richtung auf beiden Seiten der Matrize 40 gestützt werden. Das heißt am Fertigteil (fertiger Axialschieber 41) bleibt eine Öffnung 48 zu einer Matrizenstirnfläche 50, wobei die Matrizenstirnfläche 50 in Richtung eines Turbinenaustritts weist. Dies bedeutet, dass ein hoher statischer Druck im spiralförmigen Zuströmkanal 32 auch an der Matrizenstirnfläche 50 anliegt. Ein sowohl an der Matrizenstirnfläche 50 als auch an einer der Matrizenstirnfläche 50 abgewandten, weiteren Matrizenstirnfläche 52 anliegendes Druckgefälle (hoher statischer Druck an der Matrizenstirnfläche 50, geringer statischer Druck an der weiteren Matrizenstirnfläche 52) führt dazu, dass Abgas durch den umlaufenden Funktionsspalt 46 ungerichtet auf das Turbinenrad 20 strömen kann, was in der 3 durch einen, einen ersten Leckagepfad darstellenden ersten Richtungspfeil 54 angedeutet ist.
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Die 5 zeigt einen zweiten möglichen Leckagepfad, der in der 5 durch einen zweiten Richtungspfeil 55 angedeutet ist. Das Druckgefälle am Leitgitter 36 (Profildruckseite zu Profilsaugseite) führt zu einem Druckausgleich an der Matrizenstirnfläche 50, was besonders im Betriebsbereich kleiner Durchsatzkennwerte der Turbine 22 bei geschlossenem Axialschieber 41 zu Wirkungsgradeinbußen führen kann.
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Die 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform des Leitgitters 36, bei welchem jeder der Leitschaufeln 38 des Leitgitters 36 ein Absatz 57 zugeordnet ist. Mit anderen Worten geht das Leitgitter 36 unter Ausbildung der Absätze 57 in Richtung der Leitschaufeln 38 in ein kleineres Profil über. Dadurch sind jeweilige, in Umfangsrichtung der Leitschaufeln 38 umlaufende Stufen gebildet, die dem Axialschieber 41 als Anlageflächen 56 dienen. Mit anderen Worten kann eine axiale Stirnseite 58 in Stützanlage mit den Anlageflächen 56, welche ebenso axiale Stirnseiten sind, im geschlossenen Zustand des Axialschiebers 41 kommen, wodurch die Sekundärströme und damit die Sekundärströmungsverluste über den umlaufenden Funktionsspalt 46 im geschlossenen Zustand des Axialschiebers 41 (minimaler Anschlag, geringster Durchsatzkennwert) besonders gering gehalten oder verhindert werden.
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Die 8 bis 10 zeigen eine weitere Möglichkeit, die Sekundärströmung und damit die Sekundärströmungsverluste gering zu halten oder zu verhindern.
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Die 8 bis 10 zeigen eine weitere Ausführungsform der Turbine 22, bei welcher an dem Leitgitter 36 ein Zwischenelement 60 befestigt ist. Das Zwischenelement 60 ist beispielsweise als Blechbauteil und/oder durch Stanzen ausgebildet. Unter Vermittlung des Zwischenelements 60 ist die Matrize 40 in ihrem minimalen Anschlag, d. h. in ihrer die Leitschaufeln 38 maximal abdeckenden Stellung, an dem Leitgitter 36 abgestützt. Liegt somit der Axialschieber 41 über dessen axialer Stirnseite 58 unter Vermittlung des Zwischenelements 60 an dem Leitgitter 36 an, so können die Sekundärströmungsverluste gering gehalten oder verhindert werden, was zu hohen Wirkungsgraden der Turbine 22 insbesondere bei geringen Durchsatzkennwerten führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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