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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Abgasturbine, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Gattungsgemäße Dichtungsanordnungen umfassen wenigstens eine Dichtung und werden beispielsweise in Abgasturbinen eingesetzt, um die in einem Gehäuse gelagerte Welle der Abgasturbine gegen dieses Gehäuse abzudichten. Die Dichtung ist dabei in der Regel in einem von der Welle und dem Gehäuse begrenzten Dichtspalt eingesetzt. Durch die Dichtung wird ein Austritt der heißen Abgase zwischen dem Gehäuse und der Welle der Abgasturbine vermieden. Derartige Abgasturbinen umfassen ein drehfest mit der Welle umlaufendes Turbinenrad, welches zu dessen Antrieb von Abgas eines Verbrennungsmotors beaufschlagbar ist. Die Dichtung ist dabei in der Regel in Axialrichtung der Welle gesehen zwischen dem Turbinenrad und einem Lager, welches die Welle gegenüber dem Gehäuse oder umgekehrt lagert, angeordnet und in jeweils einer ersten Umfangsnut in der Welle oder in dem Gehäuse eingebracht.
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Die Abgasturbine kann Teil eines Abgasturboladers sein, wobei dann die Welle ein Verdichterrad antreibt, um verdichtete Frischluft dem Verbrennungsmotor zuzuführen. Ist die Abgasturbine hingegen Teil eines Turbo-Compoundsystems, so dient die Welle zur Übertragung der aus der Abgasenergie gewonnenen mechanischen Energie über ein zwischengeschaltetes Getriebe auf eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, insbesondere Kurbelwelle.
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Die Komponenten derartiger Abgasturbinen und die der Dichtungsanordnungen unterliegen dabei im Betrieb hohen mechanischen und thermischen Belastungen. Die zwischen Gehäuse und Welle angeordnete Dichtung, welche beispielsweise als Kolbenring ausgeführt ist, erzeugt die gewünschte Dichtwirkung durch Reibung mit der Welle, und zwar in der Regel durch die in Radialrichtung der Welle verlaufende Kreisringflächen, die aneinander reiben.
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Die Reibung entsteht dadurch, dass die Dichtung von dem Arbeitsmedium, dessen Austritt sie zwischen dem Gehäuse und der Welle verhindern soll, druckbeaufschlagt wird. Im Falle der Abgasturbine ist dies beispielsweise das Abgas, welches vom Turbinenrad in Richtung auf das Lager strömt.
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Die Dichtung kann aber auch mittels eines Sperrmediums, wie beispielsweise Luft, beaufschlagt sein, welches in den Dichtspalt zwischen der Welle und dem Gehäuse eingeleitet wird, um die Dichtung auf der der Turbinenseite abgewandten Seite druckzubeaufschlagen. Durch die Sperrmediumbeaufschlagung des Dichtspalts kann verhindert werden, dass Abgas in Richtung auf das Lager an der Dichtung vorbei strömt. Da der Druck des Sperrmediums größer als der Druck auf der dem Sperrmedium abgewandten Seite der Dichtung sein sollte, bestimmt in diesem Fall der Sperrmediumdruck die Richtung des Axialschubs, der auf die Dichtung wirkt.
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Aus der
DE 37 37 932 A1 ist eine solche gattungsgemäße Dichtungsanordnung bekannt. Diese umfasst eine zusätzliche zweite Dichtung, welche entlang der Welle axial zur ersten Dichtung beabstandet angeordnet ist. Beide Dichtungen sind konzentrisch zueinander angeordnet und dichten einen Sperrraum ab, der über einen Sperrmediumkanal mit Sperrmedium beaufschlagbar ist.
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Obwohl die bekannten Dichtungsanordnungen sich als ausgereift und zunächst zuverlässig arbeitend herausgestellt haben, ist die Lebensdauer in der Praxis beschränkt. Dies kann zu Ausfällen der mit einer solchen Dichtungsanordnung ausgestatteten Abgasturbine und damit zu vergleichsweise hohen Wartungs- und Instandhaltungskosten führen. Die kurze Lebensdauer tritt sogar dann auf, wenn Maßnahmen zum Vermindern des Verschleißes durch die oben genannte Reibung vorgesehen sind, beispielsweise ein Anschlag im Gehäuse auf der dem für den Axialschub verantwortlichen Druckraum abgewandten Seite, an welchem die Dichtung nach einem Einlaufen der Abgasturbine ohne Reibung anschlägt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Abgasturbine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Verbesserung einer derartigen Dichtungsanordnung realisiert werden, mittels der die Wartungs- und Instandhaltungskosten einer solchen minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Der Erfinder ist zu der Erkenntnis gelangt, dass die Lebensdauerabnahme auf eine erhöhte Reibung infolge von Druckspitzen im Abgasstrom der Abgasturbine zurückzuführen ist. Solche Druckspitzen treten insbesondere beim Schalten von stromauf der Abgasturbine im Abgasstrom angeordneten Ventilen auf. Die Druckspitzen führen dazu, dass ein entsprechend großer Axialschub auf die Dichtung wirkt, diese in einen entsprechend starken Reibeingriff an der entgegengesetzten Fläche bringt, und zwar bei einer Dichtungsanordnung mit Sperrmittelbeaufschlagung auf der normalerweise nicht reibenden Seite der Dichtung, die dem Sperrmittelraum (Sperrraum) in der Dichtungsanordnung zugewandt ist.
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Eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Abgasturbine umfasst eine Welle sowie ein Gehäuse, welches die Welle umschließt, wobei die Welle relativ zum Gehäuse über einer Drehachse umläuft oder umgekehrt. Gehäuse und Welle begrenzen zusammen einen Dichtspalt, in dem wenigstens eine erste Dichtung eingebracht ist, um einen Austritt von Arbeitsmedium zwischen der Welle und dem Gehäuse zu verhindern. Die Dichtung greift dabei in eine erste Umfangsnut in der Welle und/oder in dem Gehäuse ein und ist insbesondere derart ausgeführt, dass diese im Betrieb der Dichtungsanordnung wenigstens zweitweise einen Leckagestrom an Arbeitsmedium an der Dichtung vorbei ermöglicht.
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Erfindungsgemäß bildet die Dichtung zusammen mit der Welle oder dem Gehäuse zumindest zeitweise eine Düse aus, um einen Druckverlust des durch die Düse hindurchströmenden Leckagestroms an Arbeitsmedium zu erzeugen. Ein solcher Druckverlauf ist in der Regel kleiner als der in einer herkömmlichen Dichtungsanordnung mit kreisringförmigen einander zugewandten Reibflächen. Somit ist auch die auf die Dichtung aufgrund der Druckdifferenz wirkende axiale Schubkraft und damit die Normalkraft der Reibung kleiner. Besonders, wenn die Düsengestaltung einen linienförmigen statt flächenförmigen Reibkontakt bewirkt, können ein ungünstiger, die Lebensdauer herabsetzender Wärmeeintrag und ein im Hinblick auf die entgegen einander gerichteten Forderungen einer guten Abdichtung und eines kleinen Axialschubs optimaler Zustand erreicht werden. Die schlechtere Abdichtung hat sich insbesondere auf der dem Sperrraum zugewandten Seite der Dichtung zwischen Arbeitsmedium und Sperrmedium einer Abgasturbine oder auch eines Verdichters, insbesondere Turboverdichters beispielsweise eines Turboladers oder Turbocompounds, als unkritisch erwiesen, wobei zugleich die Lebensdauer deutlich gesteigert werden konnte.
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Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsformen und der beigefügten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 einen Teilschnitt durch eine prinzipmäßig angeordnete Abgasturbine;
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2 einen Halbschnitt durch die Drehachse einer Welle einer Dichtungsanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform;
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3 drei Ausführungsformen einer Dichtung der Dichtungsanordnung in einem Halbschnitt durch die Drehachse einer Welle.
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In der 1 ist eine Abgasturbine schematisch angedeutet. Die Abgasturbine in der hier dargestellten Ausführungsform umfasst ein Turbinenrad 13, welchem über einen Ringraum 14 heißes Abgas eines nicht gezeigten Verbrennungsmotors zugeführt wird. Vorliegend erfolgt die Zuführung des Abgasstroms radial und die Abführung desselben in Axialrichtung, wie dies jeweils durch den Pfeil B angedeutet ist. Die beim Entspannen des heißen Abgases im Bereich des Turbinenrads 13 anfallende Energie treibt dabei die Welle 1 an, die vorliegend drehfest mit dem Turbinenrad 13 verbunden ist. Welle 1 ist vorliegend mittels eines Lagers 15 relativ zu einem Gehäuse 2 drehbar gelagert, in welches die Welle 1 eingesetzt ist. Letztere wird somit vom Gehäuse 2 umschlossen. Das Lager 15 ist relativ nahe an dem Turbinenrad 13. Lager 15 und Turbinenrad 13 schließen zwischen einander eine Dichtung 5 ein. Letztere dient dazu, einen Übertritt des Abgasstroms B in Richtung auf das Lager 15 zu vermeiden. Andererseits soll ein Übertritt an Schmiermittel wie Öl, welches zum Kühlen und/oder Schmieren des Lagers 15 diesen zugeführt wird (nicht gezeigt), in Richtung des Turbinenrads 13 verhindert werden.
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Ist die Abgasturbine dabei ein Teil eines Abgasturboladers, so steht die Welle 1 in einer Triebverbindung mit einem Verdichterrad (nicht gezeigt), um dem Verbrennungsmotor Frischluft zuzuführen. Ist die Abgasturbine hingegen Teil eines Turbo-Compoundsystems, so steht die Welle 1 über ein Getriebe (ebenfalls nicht gezeigt) mit einer nicht dargestellten Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, beispielsweise der Kurbelwelle, in Triebverbindung.
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In der 2 ist in einem Halbschnitt durch die Drehachse 3 eine mögliche Ausführungsform der Dichtungsanordnung für eine solche Abgasturbine gezeigt. Dabei ist, wie in 1, lediglich das dem Turbinenrad 13 zugewandte Ende der Welle 1 dargestellt. Sich entsprechende Bauelemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen
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Im Gegensatz zur 1 ist das Lager 15 nicht abgebildet. Die Dichtung 5 greift in eine erste Umfangsnut 6 der Welle 1 ein. Die Dichtung 5 ist vorliegenden als Kolbenring ausgeführt und somit (bis auf einen Stoß nahezu) rotationsymmetrisch. Der Kolbenring umfasst am Umfang eine von einem Umfangsspalt gebildeten Stoß, an dem sich jeweils zwei Stoßenden des Kolbenrings gegenüberstehen. Der Kolbenring ist hier außenspannend ausgeführt, sodass dieser aufgrund dessen Eigenspannung dichtend mit seiner radial äußeren Oberfläche mit der radial inneren Oberfläche des Gehäuses 2 verklemmt ist und damit im Gehäuse nicht umlaufend gehalten wird. Alternativ könnte die Dichtung 5 auch zusammen mit der Welle 1 umlaufen.
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Die von dem Gehäuse 2 umschlossene Welle 1 begrenzt zusammen mit dem Gehäuse 2 einen Dichtspalt 4. Der Dichtspalt 4 wird bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nicht nur durch die Dichtung 5, sondern auch durch die zweite Dichtung 10 abgedichtet. Beide Dichtungen 5, 10 sind axial zueinander beabstandet konzentrisch auf verschiedenen Durchmessern angeordnet.
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Auch die zweite Dichtung 10 greift in eine Umfangsnut der Welle 1 ein, hier als zweite Umfangsnut 18 bezeichnet. Letztere wird durch eine erste Nutflanke 18.1, zweite Nutflanke 18.2 und einen Nutboden 18.3 begrenzt, wobei der Nutboden 18.3 im gezeigten Axialschnitt parallel zur Drehachse 3 verläuft und die Nutflanken 18.1, 18.2 senkrecht auf dem Nutboden 18.3 stehen.
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Selbstverständlich wäre es denkbar, dass wenigstens eine der Dichtungen 5, 10 anstelle in einer Bohrung im Gehäuse 2 eingesetzt zu sein wie dargestellt, in eine entsprechende Umfangsnut im Gehäuse 2 greifen könnte. Die entsprechenden vorzusehenden Umfangsnuten des Gehäuses 2 würden dann bevorzugt den beiden Umfangsnuten 6, 18 gegenüberliegen. Ein möglicher Verlauf der vorzusehenden Umfangsnuten ist dabei in 2 gestrichelt und in 3 ausgezogen dargestellt.
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Auch könnte jede Dichtung 5, 10 aus einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten, konzentrischen Kolbenringen bestehen, hier aus zwei solchen, wobei diese wiederum am Umfang eine von einem Umfangsspalt gebildeten Stoß umfassen können.
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Vorliegend ist zwischen den zwei axial beabstandeten Dichtungen 5, 10 ein Sperrraum 16 angeordnet, welcher durch die beiden Dichtungen 5, 10 abgedichtet wird. Zwischen den beiden Dichtungen 5, 10 mündet im Sperrraum 16 ein Sperrmediumkanal 17, welcher über eine nicht dargestellte Sperrmediumversorgung zur Druckbeaufschlagung des Sperrraums 16 mit Sperrmedium beaufschlagbar ist. Letzteres kann beispielsweise Luft sein.
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Durch die Beaufschlagung mit Sperrmedium mit einem höheren Druck als dem, welcher im Bereich des Turbinenrades 13 beziehungsweise des Lagers 15 (1) herrscht, wird einerseits ein Übertritt von Schmiermittel aus dem Lager 15 in den Sperrraum 16 und andererseits ein Übertritt von Abgas aus dem Ringraum 14 (1) in den Sperrraum 16 vermieden.
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Durch die Druckbeaufschlagung mit Sperrmedium werden beide Dichtungen 5, 10 im Normalbetrieb in Axialrichtung voneinander weg gedrückt, sodass die zweite (linke) Dichtung 10 mit ihrer einen Stirnseite zunächst an die erste Nutflanke 18.1 der Welle 1 anschlägt, wohingegen die erste (rechte) Dichtung 5 mit ihrer einen Stirnseite an die zweite Nutflanke 6.2 der Welle 1 anschlägt. Da hier beide Dichtungen 5, 10 im Gehäuse 2 verspannt sind und sich somit nicht mit der Welle 1 mitdrehen, werden sie im Betrieb der Abgasturbine von der umlaufenden Welle 1 abgerieben, und zwar aufgrund der Ausrichtung der Nutflanken 18.1 und 6.2 senkrecht auf der Drehachse 3 in Kombination mit den parallel hierzu angeordneten Dichtungsoberflächen über einer vergleichsweise großen kreisringförmigen Fläche.
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Vorliegend bildet die Bohrung im Gehäuse 2, gegenüberliegend zu den Umfangsnuten 6, 18 jeweils einen Radialvorsprung 20 aus. Im Normalbetrieb tritt infolge der Reibung ein Verschleiß der Dichtungen 5, 10 durch Reibung an den Nutflanken 6.2, 18.1 der Welle 1 auf. Dieser Verschleiß erfolgt für die zweite Dichtung 10 solange, bis die eingeschliffene Dichtung 10 aufgrund der Sperrmediumbeaufschlagung mit ihrer der Nutflanke 18.1 zugewandten Stirnseite an den Radialvorsprung 20 anschlägt. Entsprechendes gilt für die erste Dichtung 5, wenn rechts von dieser auch ein Radialvorsprung des Gehäuses vorgesehen ist, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet.
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Für die erste Dichtung 5 gilt ferner, dass diese, wenn außerhalb des Normalbetriebs Druckspitzen des Abgasstromes im Bereich des Ringraumes 14 auftreten, in Richtung auf die Dichtung 10 zu verschoben wird, wenn nämlich infolge der Druckspitzen der Druck im Abgasstrom den Sperrmediumdruck überwiegt. Die verschobene Position ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In der Regel wird der Verschiebeweg jedoch nicht so groß sein, wie dies hier zur Veranschaulichung dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß bildet nun, zumindest solange im gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Dichtung 5 in Richtung auf die zweite Dichtung 10, das heißt weg vom Ringraum 14 (1) in Richtung auf das Lager 15 (1) verschoben ist, oder gemäß einer alternativen Ausführungsform auch stets, die erste Dichtung 5 zusammen mit der Welle 1 eine Düse 7 miteinander aus, durch die Arbeitsmedium, hier Abgas, aus dem Ringraum 14 (1) in Richtung auf das Lager 15 (1) zeitweise strömen kann. Die Düse 7 wird hier von einer ersten Oberfläche 8 der Welle 1 sowie einer zweiten Oberfläche 9 der ersten Dichtung 5 zusammen begrenzt. Letztere ist hier die radial innere Außenfläche der als Kolbenring ausgebildeten Dichtung 5. Die erste Oberfläche 8 verläuft in dem gezeigten Axialschnitt durch die Drehachse 3 wenigstens über einen Teilabschnitt schräg zur Drehachse 3. Sie wird hier von einer ersten Nutflanke 6.1 der ersten Umfangsnut 6 der Welle 1 ausgebildet. Die erste Nutflanke 6.1 ist hier als rotationssymmetrische Fase ausgebildet und weist damit eine Mantelfläche eines Kegels auf.
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Das aus dem Ringraum 14 (1) austretende Abgas strömt somit zunächst in den Dichtspalt 4, an der zweiten Nutflanke 6.2 der ersten Umfangsnut 6 vorbei, anschließend radial innen zwischen die zweite Oberfläche 9 der Dichtung 5 und dem dieser Oberfläche 9 gegenüberliegendem Nutboden 6.3 der Umfangsnut 6. Oberfläche 9 und Nutboden 6.3 begrenzen hier einen Einlass 11 der Düse 7. Anschließend wird das vorbeiströmende Abgas über einen Auslass 12 der Düse 7 abgeführt. Im Bereich des Einlasses 11 verjüngt sich die Düse 7 zunehmend, wohingegen sich diese im Bereich des Auslasses 12 zunehmend erweitert. Die Düsenform, die dadurch gebildet wird, dass die sich gegenüberstehenden Oberflächen der Welle 1 und der ersten Dichtung 5 nicht parallel, sondern winklig zueinander angeordnet sind, bewirkt einen vergleichsweise geringeren Druckabfall und damit einen vergleichsweise geringere Axialschubkraft auf die erste Dichtung 5 in diesem Betriebszustand und sie bewirkt zum anderen, dass ein Kontakt, sofern dieser überhaupt erfolgt, zwischen der Welle 1 und der ersten Dichtung 5 entlang einer Linie oder nur entlang einer vergleichsweise kleinen Kreisringfläche gebildet wird.
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Alternativ ist es denkbar, dass die zweite Dichtung 10 wie die erste Dichtung 5 ausgeführt ist und ebenfalls mit der Welle 1 oder dem Gehäuse 2 eine Düse 7 begrenzt.
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In 3 sind in einem Axialschnitt durch die Drehachse 3 drei unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung am Beispiel der ersten Dichtung 5 von 2 gezeigt. Die Abmessungen der dargestellten Komponenten, insbesondere die des Dichtspalts 4 sind übertrieben groß und unmaßstäblich dargestellt.
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Die Dichtung 5 wird dabei, wie durch den Pfeil angedeutet, von rechts nach links mit Abgas aus dem Ringkanal 14 (1) beaufschlagt beziehungsweise umströmt. Vorliegend greift die erste Dichtung 5 in eine Umfangsnut des Gehäuses 2, hier als dritte Umfangsnut 19 bezeichnet, wobei die Umfangsnuten 6, 19 sich hier gegenüberstehen.
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Die linke Darstellung in 3 zeigt eine Ausgestaltung, in der die zweite Oberfläche 9 schräg auf der Drehachse 3 steht und hier als ebene Schräge beziehungsweise als Mantelfläche eines Kegels ausgebildet ist. Die erste Dichtung 5 ist dabei wiederum außenspannend ausgeführt. Vorliegend sind jeweils zwei Radialvorsprünge 20 des Gehäuses 2 vorgesehen, welche von den entsprechenden Nutflanken der Umfangsnut 19 gebildet werden. Die zweite Oberfläche 9 stößt allenfalls linienförmig am radial äußeren Ende der ersten Nutflanke 6.1 an.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche in der mittleren Darstellung von 3 gezeigt ist, ist die erste Dichtung 5 innenspannend ausgeführt, sodass sich deren radial innere Oberfläche an den Nutboden 6.3 der ersten Umfangsnut 6 dichtend anlegt und die Dichtung 5 somit mit der Welle 1 umläuft.
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Vorliegend verläuft die zweite Oberfläche 9 schräg zur Drehachse 3. Im Gegensatz zu der linken Darstellung wird in der mittleren Darstellung von 3 die Düse 7 somit von der zweiten Oberfläche 9 der Dichtung 5 und einer ersten Oberfläche 8 des Gehäuses 2, hier der Nutflanke der Umfangsnut 19, zusammen begrenzt.
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Schließlich ist in der rechten Darstellung der 3 eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gezeigt. Die Düse 7 wird wie in der mittleren Darstellung gezeigt, auch von der ersten Oberfläche 8 des Gehäuses 2 und der zweiten Oberfläche 9 der Dichtung 5 begrenzt, jedoch steht nun die erste Oberfläche 8, nämlich der Nutflanke des Gehäuses 2, schräg. zur Drehachse 3.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drehachse
- 4
- Dichtspalt
- 5
- erste Dichtung
- 6
- erste Umfangsnut
- 6.1
- erste Nutflanke
- 6.2
- zweite Nutflanke
- 6.3
- Nutboden
- 7
- Düse
- 8
- erste Oberfläche
- 9
- zweite Oberfläche
- 10
- zweite Dichtung
- 11
- Einlass
- 12
- Auslass
- 13
- Turbinenrad
- 14
- Ringraum
- 15
- Lager
- 16
- Sperrraum
- 17
- Sperrmediumkanal
- 18.1
- zweite Umfangsnut
- 18.1
- erste Nutflanke
- 18.2
- zweite Nutflanke
- 18.3
- Nutboden
- 19
- dritte Umfangsnut
- 20
- Radialvorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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