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Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel und ein Turbinenrad mit mindestens einer solchen Turbinenschaufel.
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Eine Turbine ist eine zu den Strömungsmaschinen gehörende Kraftmaschine, die einem Fluid, wie bspw. Wasser, Gas oder Dampf, Energie entzieht und diese in mechanische Energie wandelt. Dabei tritt typischerweise das Fluid zunächst durch eine feste Leiteinrichtung geleitet auf regelmäßig gekrümmte Schaufeln eines Laufrads, das angetrieben wird. Ihre Leistung gibt die Turbine an der Welle des Laufrads ab. Das Laufrad wird auch als Turbinenrad bezeichnet, dessen Schaufeln Turbinenschaufeln genannt werden.
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Turbinen werden bspw. in Turboladern eingesetzt, die in Kraftfahrzeugen zur Leistungssteigerung eingesetzt werden. Solche Turbolader werden auch als Abgasturbolader bezeichnet. Ein Turbolader umfasst eine Turbine und einen Verdichter, die auf einer gemeinsamen Welle, der Turboladerwelle, angebracht sein können. Der Abgasstrom versetzt das Turbinenrad auf der Abgasseite in Rotation. Das an dem Turbinenrad aufgebrachte Drehmoment wird über die Welle auf ein Verdichterrad im Ansaugtrakt übertragen.
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Das Turbinenrad erzeugt ein Drehmoment auf der Turboladerwelle durch Umlenkung der Strömung entlang der Turbinenschaufel. Aufgrund der Strömungskrümmung entsteht zwischen zwei Turbinenschaufeln ein Druckgradient von der Saugseite der einen Turbinenschaufel zur Druckseite der nächsten Turbinenschaufel.
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Es werden derzeit Beschaufelungen von Turbomaschinen und deren Leitapparaten mit einer Verrundung der Ein- und Austrittskanten ausgeführt, die weitgehend symmetrisch ausgeführt sind. Häufig werden Kreissegmente oder elliptische Verrundungen gewählt. Zu beachten ist, dass sich im Bereich der Austrittskante die Turbinenschaufel verjüngt, so dass auf der Druckseite eine Krümmungsänderung hervorgerufen wird, die zu einem umgekehrten Druckgradient und damit zu einem relativen Unterdruck im Bereich der Schaufelaustrittskante führt.
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Aus der Druckschrift
WO 2008/101994 A1 ist ein Turbinenrad bekannt, das eine Vielzahl von Turbinenschaufeln umfasst, die auf einer um eine Achse drehbaren Nabe angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln weisen an ihren radial äußeren Enden sogenannte Deckband-Segmente auf. Es soll erreicht werden, einen Übergang zwischen den Deckband-Segmenten benachbart angeordneter Turbinenschaufeln derart zu gestalten, dass Anforderungen in Bezug auf Thermodynamik, Betriebsfestigkeit, Flächenpressung, Montierbarkeit und Fertigung erfüllt werden können. Hierzu ist der Übergang der Deckband-Segmente in einen Kontaktbereich und einen Spaltbereich unterteilt. Im Kontaktbereich weist jedes Deckband-Segment eine Kontaktfläche auf, wobei die Deckband-Segmente der jeweiligen Turbinenschaufeln in Umfangsrichtung aneinandergepresst sind. Im Spaltbereich ist zwischen den Deckband-Segmenten der jeweiligen Turbinenschaufeln in Umfangsrichtung ein Spalt vorhanden. Dabei ist der Kontaktbereich radial außerhalb des Spaltbereichs angeordnet, so dass sich in Umfangsrichtung ein radial außen liegendes Deckband aus in Umfangsrichtung zusammengepressten Deckband-Segmenten ergibt und radial innerhalb davon sich ein in Umfangsrichtung durch Spalte getrenntes Deckband erstreckt.
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Vor diesem Hintergrund werden eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Turbinenrad gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Wie bereits ausgeführt wurde, ist es bei bekannten Turbinenschaufeln gegeben, dass sich im Bereich der Austrittskante die Turbinenschaufel verjüngt, so dass auf der Druckseite eine Krümmungsänderung hervorgerufen wird, die zu einem umgekehrten Druckgradient und damit zu einem relativen Unterdruck im Bereich der Schaufelaustrittskante führt.
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Es wurde nunmehr erkannt, dass hierdurch die Turbinenschaufel aerodynamisch ”kürzer” wirkt als eine theoretische Schaufel gleicher Länge ohne Verrundung der Austrittskante. Der Effekt, dass die Strömung eines Fluids nicht mit einem solchen Winkel aus dem Turbinenrad austritt, den die Sehne der Schaufel am Austritt hat, wird auch als Minderumlenkung bezeichnet. Diese kann durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Turbinenschaufel vorteilhafterweise reduziert werden.
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Es wird eine Turbinenschaufel mit einer Eintrittskante und einer Austrittskante, die jeweils von einem Schaufelfuß zu einer Schaufelspitze verlaufen, vorgestellt, wobei die Turbinenschaufel eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, wobei die Turbinenschaufel in mindestens einem Abschnitt zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze so geformt ist, dass in diesem Abschnitt die Druckseite eine gleichbleibende Krümmungsrichtung, insbesondere in Strömungsrichtung eines Fluids, aufweist und die Saugseite einen Verlauf aufweist, der durch eine Funktion beschrieben werden kann, deren erste Ableitung stetig ist, wobei die Druckseite und die Saugseite über die Austrittskante miteinander verbunden sind. Dabei kann die Austrittskante als eine Fläche, insbesondere eine gekrümmte Fläche, ausgestaltet sein.
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Unter Krümmung wird ein Begriff aus der Mathematik verstanden, der die lokale Abweichung einer Kurve von einer Geraden bezeichnet. Die Kurve ist dabei die graphische Darstellung einer Funktion. Das Krümmungsmaß gibt an, wie stark diese Abweichung ist. Eine Änderung der Krümmungsrichtung ist durch einen Wendepunkt gekennzeichnet. Der Wendepunkt ist der Punkt der Kurve, in dem die Krümmung ihr Vorzeichen ändert.
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Dass die Druckseite eine gleichbleibende Krümmungsrichtung aufweist bedeutet, dass eine Funktion, die den Verlauf der Druckseite beschreibt, keinen Wendepunkt aufweist. Eine Änderung des Vorzeichens der Krümmung ist nicht gegeben. Die Krümmung bzw. das Krümmungsmaß kann variieren, ein Wendepunkt, in dem die zweite Ableitung der Funktion gleich null ist, liegt im Verlauf der Druckseite, der durch diese Funktion beschrieben ist, nicht vor.
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Die Saugseite weist einen Verlauf auf, der durch eine Funktion beschrieben werden kann, deren erste Ableitung stetig ist. Dass die erste Ableitung der Funktion stetig ist bedeutet, dass eine Kurve, die eine graphische Darstellung dieser Funktion darstellt, keinen Knick aufweist. Somit weist der Verlauf der Saugseite ebenso keinen Knick auf.
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Die Saugseite der Turbinenschaufel liegt typischerweise auf der bezüglich der Drehrichtung vorderen Schaufelfläche. Die Druckseite liegt gegenüber der Saugseite auf der bezüglich der Drehrichtung hinteren Schaufelfläche. Bei benachbarten Turbinenschaufeln liegt somit die Saugseite der einen Turbinenschaufel gegenüber der Druckseite der benachbarten Turbinenschaufel.
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In einer Ausführungsform weist die Saugseite in dem Abschnitt ebenfalls einen Verlauf mit gleichbleibender Krümmungsrichtung in Strömungsrichtung auf.
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In einer Ausführungsform ist die Austrittskante zumindest nahezu scharfkantig ausgeführt. In diesem Fall liegt die Austrittskante vorzugsweise auf einer Linie, die die axial vorderste Position anzeigt. Nahezu scharfkantig bedeutet, dass nur ein kleiner Bereich an der Austrittskante eine Verrundung aufweist bzw. abgerundet ist.
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Es können auch mehrere Abschnitte vorgesehen sein, die derart gemäß Anspruch 1 gebildet sind. Diese können sich jedoch voneinander unterscheiden. Ein Abschnitt kann im Bereich des Schaufelfußes vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend ist ein entsprechender Abschnitt im Bereich der Schaufelspitze vorgesehen. Zu beachten ist, dass es aus mechanischen Gründen ggf. nicht möglich ist, den Abschnitt am Schaufelfuß selbst vorzusehen. Der Abschnitt kann dann unterhalb der Mitte zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze vorgesehen sein.
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Die Turbinenschaufel kann durch gusstechnische Ausgestaltung gefertigt sein. Alternativ kann diese durch mechanische Bearbeitung gefertigt sein. Als Material kommt typischerweise ein metallischer Werkstoff in Betracht. Es können aber auch andere Werkstoffe, wie bspw. keramische Werkstoffe, geeignet sein.
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Es wird weiterhin ein Turbinenrad mit einer Anzahl an Turbinenschaufeln der vorstehend beschriebenen Art, die auf einer um eine Achse drehbaren Nabe angeordnet sind, vorgestellt.
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Das Turbinenrad ist bspw. für eine Turbine eines Turboladers ausgelegt. Es wird ferner auch eine Turbine mit einem solchen Turbinenrad und ein Abgasturbolader mit einer solchen Turbine vorgestellt.
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Es wird somit die Turbinenschaufel derart ausgeführt, dass die Strömung des Fluids auf der Druckseite der Turbinenschaufel möglichst weit geführt wird und dann durch die Gestaltung der Austrittskante bzw. deren -verrundung ein Strömungsabriss erzeugt wird. Dies kann durch gusstechnische Ausgestaltung oder durch mechanische Bearbeitung der fertig gegossenen Schaufel erfolgen. Hierdurch wird verhindert, dass am Schaufelaustritt ein Bereich mit relativem Unterdruck erzeugt wird, der die Turbinenleistung schmälert.
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Die Saugseite wird in Ausgestaltung hingegen so gestaltet, dass in dem mindestens einen Abschnitt der Verlauf der Saugseite eine gleichbleibende Krümmungsrichtung aufweist.
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Die Ausgestaltung der Druckseite einer Turbinenschaufel nach diesem Prinzip ermöglicht vorteilhafterweise einen besonders hohen Turbinenwirkungsgrad, ohne dass Nachteile hinsichtlich des Bauraums, mechanischer Belastungen oder Ähnlichem entstehen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt Turbinenschaufeln nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus 1.
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3 zeigt weitere unterschiedliche Turbinenschaufeln.
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4 zeigt eine Ausführung einer Turbinenschaufel.
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5 zeigt eine Ausführung eines Turbinenrads in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine erste Turbinenschaufel 10 und eine zweite Turbinenschaufel 12 eines Turbinenrads gemäß dem Stand der Technik. Beide Turbinenschaufeln 10 und 12 sind gekrümmt mit einer zu einer Mittellinie 14 bzw. 16 symmetrischen Form ausgebildet. Eine axial vorderste Position der beiden Turbinenschaufeln ist mit einer Linie 18 verdeutlicht.
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Eine Drehrichtung der beiden Turbinenschaufeln ist durch einen Pfeil 19 verdeutlicht. An einer – in Drehrichtung 19 betrachtet – vorderen Schaufelfläche weist die erste Turbinenschaufel 10 eine Saugseite 20 und eine hinsichtlich der Drehrichtung 19 hinteren Schaufelfläche eine Druckseite 22 auf. Entsprechend weist die zweite Turbinenschaufel 12 eine Saugseite 24 und eine Druckseite 26 auf. Bezüglich der Strömungsrichtung eines Fluids weist die erste Turbinenschaufel 10 eine Eintrittskante 28 und eine Austrittskante 30 auf. Entsprechend weist die zweite Turbinenschaufel 12 eine Eintrittskante 32 und eine Austrittskante 34 auf. Die Austrittskanten 30 und 34 sind durch Linien gegeben, in denen die Druckseite 22 bzw. 26 und die Saugseite 20 bzw. 24 aneinanderstoßen. Die Druckseite 22 bzw. 26 stellt eine Fläche dar, die hier im Schnitt dargestellt ist. Ebenso stellt die Saugseite 20 bzw. 24 eine Fläche dar. Diese beiden Flächen stoßen aneinander. Die durch die aneinanderstoßenden Flächen gebildete Linie stellt die Austrittskante 30 bzw. 34 dar. Aus fertigungstechnischen Gründen können die Austrittskanten 30 und 34 gekrümmte Flächen sein.
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Die erste Turbinenschaufel 10 ist im Bereich der Austrittskante 30 verrundet, d. h. die erste Turbinenschaufel 10 ist auf der Saugseite 20 und auf der Druckseite 22 abgerundet, auch hier symmetrisch zur Mittellinie 14. Ebenso ist die zweite Turbinenschaufel 12 im Bereich ihrer Austrittskante 34 verrundet.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus 1, wobei die beiden Turbinenschaufeln 10 und 12 im Bereich ihrer Austrittskanten 30 bzw. 34 dargestellt sind.
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Zwischen den beiden Turbinenschaufeln 10 und 12 verdeutlichen ein erster Pfeil 40 und ein zweiter Pfeil 42 eine Strömung des Fluids. Die beiden Pfeile 40 und 42 zeigen an, dass eine Krümmungsrichtungsänderung der Strömung vorliegt. Diese ergibt sich durch die Verrundung der Schaufelfläche der ersten Turbinenschaufel 10 auf der Druckseite 22 im Bereich der Austrittskante 30. Hieraus ergeben sich ein erster Druckgradient 44 und ein zweiter Druckgradient 46. Durch die Krümmungsrichtungsänderung auf der Druckseite 22 der ersten Turbinenschaufel 10 ergibt sich somit eine Umkehrung des Druckgradienten und dadurch eine verminderte Arbeit am Turbinenrad.
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So weist die Schaufelfläche der ersten Turbinenschaufel 10 auf der Druckseite 22 einen Wendepunkt 47 auf. Ebenso weist die Druckseite 26 der zweiten Turbinenschaufel einen Wendepunkt 48 auf. Diese Wendepunkte 47 und 48 sind Stellen, an denen sich die Krümmungsrichtungen der Schaufelflächen der ersten Turbinenschaufel 10 bzw. der zweiten Turbinenschaufel 12 auf deren Druckseiten 22 bzw. 26 ändern. Dies bedeutet, dass sich das Vorzeichen der Krümmung ändert.
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3 zeigt die erste Turbinenschaufel 10 gemäß 1 mit einer symmetrischen Verrundung im Bereich der Austrittskante 30. Eine dritte, bekannte Turbinenschaufel 50 mit einer Saugseite 52, einer Druckseite 54 und einer Mittellinie 56 weist im Bereich einer Austrittskante 60 eine asymmetrische elliptische Verrundung auf, die sich durch die Anwendung einer ersten Ellipse 62 und einer zweiten Ellipse 64 ergibt.
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Die unterschiedlichen Verrundungen der ersten Turbinenschaufel 10 und der dritten Turbinenschaufel 50 sind in der Darstellung in der 3 unten verdeutlicht. Ein erstes Profil 70 verdeutlicht die Form der dritten Turbinenschaufel 50. Eine eingezeichnete Ellipse 72 zeigt die Verrundung gemäß der ersten Turbinenschaufel 10. Die axial vorderste Position ist wiederum mit einer Linie 78 verdeutlicht. Eine Austrittskante ist mit Bezugsziffer 80 bezeichnet.
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Die Verwendung zweier Ellipsen zur Definition des Verlaufs im Bereich der Austrittskante 80 stellt nur eine Möglichkeit zu deren Ausgestaltung dar.
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4 zeigt eine vierte Turbinenschaufel 200 und eine fünfte Turbinenschaufel 202 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. In der Darstellung nach 4 werden diesen Turbinenschaufeln 200 und 202 zum Vergleich die erste Turbinenschaufel 10 und die zweite Turbinenschaufel 12 mit deren Mittellinien 14 und 16 gegenübergestellt.
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Die vierte Turbinenschaufel 200 weist eine Saugseite 204 und eine Druckseite 206 auf. Die fünfte Turbinenschaufel 202 weist entsprechend eine Saugseite 208 und eine Druckseite 210 auf. Weiterhin sind Austrittskanten 212 und 214 der beiden Turbinenschaufeln 200 und 202 dargestellt, die sich auf einer Linie 220 der axial vordersten Position befinden. Die Austrittskanten 212 und 214 stellen jeweils die Verbindung zwischen der Saugseite 204 bzw. 208 und der Druckseite 206 bzw. 210 dar.
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Die beiden Turbinenschaufeln 200 und 202 sind hier im Schnitt jeweils durch einen Abschnitt zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze gezeigt, wobei in diesen Abschnitten die beiden Turbinenschaufeln 200 und 202 so geformt sind, dass die Verläufe der Druckseiten 206 und 210 jeweils eine gleichbleibende Krümmungsrichtung aufweisen. Dies bedeutet, dass sich das Vorzeichen der Krümmung nicht ändert. Die Saugseiten 204 und 208 weisen jeweils einen Verlauf auf, der durch eine Funktion beschrieben werden kann, deren erste Ableitung stetig ist. Dies bedeutet, dass die Verläufe der Saugseiten 204 und 208 keinen Knick aufweisen. An den Austrittskanten 212 und 214 stoßen die Saugseiten 204 bzw. 208 und die Druckseiten 206 bzw. 210 aneinander und sind somit miteinander verbunden.
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Weiterhin sind die Druckseiten 206 und 210 derart ausgebildet, dass die Austrittskanten 212 und 214 nahezu scharfkantig ausgebildet sind und auf der Linie 220 liegen, die die axial vorderste Position der Turbinenschaufeln 200 und 202 anzeigt. Somit liegt im Bereich der Austrittskanten 212 und 214 keine Verrundung wie im Stand der Technik vor. Hierdurch ergibt sich die nahezu scharfkantige Ausführung. Die Austrittskanten 212 und 214 sind nahezu scharfkantig. Eine minimale Verrundung, die durch das zum Herstellen der Turbinenschaufeln 200 und 202 eingesetzte Fertigungsverfahren bedingt ist, kann vorliegen. Dann sind die Austrittskanten 212 und 214 als gekrümmte Flächen ausgebildet. Die Saugseiten 204 und 208 sind im Vergleich zu den Saugseiten 20 und 24 der ersten und zweiten Turbinenschaufel 10 und 12 abgeflacht. Abgeflacht bedeutet, dass diese ein geringeres Krümmungsmaß aufweisen. Auf diese Weise wird sichergestellt, das ein Fluid, das an der Saugseite 204 bzw. 208 entlangströmt, ohne Strömungsabriss geführt wird.
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Um dies zu verdeutlichen, ist in 4 an der fünften Turbinenschaufel 202 an deren Saugseite 208 an einem Punkt unmittelbar vor der Austrittskante 214 eine erste Tangente 250 angelegt. Entsprechend ist an der Druckseite 210 eine zweite Tangente 252 angelegt. Die beiden Tangenten 250 und 252 kreuzen sich im Bereich der Austrittskante 214 und schließen einen spitzen Winkel 254 ein. Bei der bekannten Ausführung gemäß 1 wäre dies ein stumpfer Winkel.
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Weiterhin zeigt die Darstellung einen gekrümmten bzw. gebogenen Pfeil 230, der die Strömungsrichtung eines Fluids anzeigt. Zu erkennen ist, dass die Strömungsrichtung, entgegen der Ausführung in 1, durchgängig ist und sich ein Druckgradient ergibt, der mit einem Pfeil 232 verdeutlicht ist. Dieser verläuft in Richtung von der Saugseite 208 der fünften Turbinenschaufel 202 zur Druckseite 206 der vierten Turbinenschaufel 200. Im Gegensatz zur Ausführung der 1 und 2, bei denen eine Umkehrung des Druckgradienten zu erkennen ist, ergibt sich ein verbesserter Wirkungsgrad.
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5 zeigt ein Turbinenrad 300 in stark vereinfachter, schematischer Darstellung. Das Turbinenrad 300 umfasst eine um eine Achse drehbare Nabe 302, von der sich in radialer Richtung umfänglich eine Reihe von Turbinenschaufeln 304 erstrecken, von denen in dieser Darstellung drei gezeigt sind. Die Turbinenschaufeln 304, die räumlich gekrümmte, blattähnliche Teile des Turbinenrads 300 darstellen, sind in dieser Darstellung stark vereinfacht wiedergegeben.
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Die Darstellung zeigt bei jeder Turbinenschaufel 304, einen Schaufelfuß 306 im Bereich der Nabe 302 und eine Schaufelspitze 308, als die das dem Schaufelfuß 306 entgegengesetzte Ende der Turbinenschaufel 304 bezeichnet wird. Ein Pfeil 310 verdeutlicht die Drehrichtung. Daraus ergibt sich für jede Turbinenschaufel 304 eine Saugseite 312 und eine Druckseite 314.
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Bei den Turbinenschaufeln 304 ist nunmehr jeweils zwischen dem Schaufelfuß 306 und der Schaufelspitze 308 mindestens ein Abschnitt vorgesehen, in dem die Turbinenschaufel 304 im Schnitt ein Profil aufweist, wie dieses in 4 dargestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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