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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad, das von einer Abgasströmung angetrieben wird, einen Lagergehäuse, in dem eine Welle des Abgasturbolader um eine Drehachse drehbar gelagert ist und einen Hitzeschild, der zwischen einer Turbinenradrückseite des Turbinenrads und dem Lagergehäuse angeordnet ist.
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Es ist bekannt zum Schutz von Bauteilen vor Wärmestrahlung oder Hochtemperaturströmungen sogenannte Hitzeschilde, mit dahinterliegendem Luftspalt, zu verwenden. Diese Konstruktion wird zum Beispiel auch in Abgasturboladern eingesetzt, um das Lagergehäuse vor der heißen Abgasströmung über das Turbinenrad abzuschirmen. Ist bei einem Abgasturbolader der Spalt zwischen Turbinenrad und Hitzeschild zu groß, strömt bei höherem Druck ein hoher Abgasmassenstrom in den Spalt hinter das Turbinenrad. Dies hat nachteilige Effekte, wie beispielsweise ein erhöhten Blow-By-Volumenstrom in das Lagergehäuse, einen erhöhten Wärmeeintrag in das Lagergehäuse, verstärkte Ölverkokung im Bereich der Turbinenseitigen Wellenabdichtung und/oder reduzierte Turbinenwirkungsgrade aufgrund von Fehlströmungen. Andererseits führt ein zu geringer Spalt zwischen Turbinenrad und Hitzeschild dazu, dass im Spalt ein nach außen wirkender Sog entsteht, welcher zur einen Ölleckage aus dem Lagergehäuse führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform für einen Abgasturbolader zu schaffen, bei der insbesondere sowohl der Abgasmassenstrom in den Spalt hinter das Turbinenrad als auch die Sogwirkung innerhalb des Spaltes reduziert ist.
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken einen Sperrbereich zwischen dem Hitzeschild und einer Turbinenradrückseite derart zu gestalten, dass sich ein stabiler Sperrluftfilm ausbilden kann, sodass sowohl der Massenstrom in den Spalt zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite reduziert ist als auch die Sogwirkung in dem Spalt zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite. Dazu ist zwischen der Turbinenradrückseite einerseits und dem Hitzeschild andererseits ein Ringspalt vorgesehen und der Hitzeschild derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass sich in einem Sperrbereich zwischen Hitzeschild und Turbinenradrückseite ein stabiler Sperrluftfilm ausbilden kann. Durch den Sperrluftfilm, welcher beispielsweise durch eine querverlaufende Luftströmung gebildet ist, werden Strömungen in den Sperrbereich hinein oder aus dem Sperrbereich hinaus blockiert, sodass sowohl die Abgasströmung in den Sperrbereich hinein als auch die Sogwirkung innerhalb des Sperrbereichs reduziert werden kann. Dadurch kann die Lebensdauer des Abgasturboladers erhöht werden, da zum einen die Hitzebelastung reduziert und zum anderen ein Ölverlust des Abgasturboladers reduziert werden kann.
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Günstig ist es, wenn der Hitzeschild derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass im Wesentlich keine Abgasströmung zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite erfolgt. Wenn keine Abgasströmung zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite erfolgt, kann auch kein Abgas in das Lagergehäuse gelangen ebenso kann dadurch kein Öl aus dem Lagergehäuse abgesaugt werden.
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Vorteilhaft ist es, dass der Sperrbereich koaxial zu dem Turbinenrad ringförmig zwischen einem ersten Durchmesser und einem zweiten Durchmesser verläuft. Wobei der erste Durchmesser in einem Bereich von 50 % bis 90 % des Durchmessers der Turbinenradrückseite, vorzugsweise in einem Bereich von 60 % bis 80 % besonders bevorzugt in einem Bereich von 65 % bis 75 % und noch bevorzugter bei ungefähr 70% des Durchmessers der Turbinenradrückseite liegt, wobei der zweite Durchmesser mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, besonders bevorzugt bei mindestens 95 % und noch bevorzugter bei ungefähr 100 % des Durchmessers der Turbinenradrückseite liegt. Wenn der Sperrbereich in diesem Bereich liegt, kann sich innerhalb des Sperrbereichs sehr günstig ein stabiler Sperrluftfilm ausbilden. Folglich kann dadurch die Lebensdauer des Abgasturboladers verbessert werden.
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Eine günstige Lösung sieht vor, dass der Ringspalt zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite in dem Sperrbereich eine gleichförmige Breite aufweist. Dadurch kann ein definierter Sperrbereich zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite gebildet werden, der die Bildung eines stabilen Sperrluftfilmes ermöglicht.
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Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass der Ringspalt in dem Sperrbereich eine Breite zwischen einer minimal Spaltbreite und einer maximal Spaltbreite aufweist, wobei die minimale Spaltbreite dem 0,01-fachen, vorzugsweise dem 0,02-fachen und besonders bevorzugt dem 0,03-fachen, eines Durchmessers der Turbinenradrückseite entspricht und die maximale Spaltbreite dem 0,1-fachen, vorzugsweise 0,075-fachen und besonders bevorzugt dem 0,05-fachen des Durchmessers der Turbinenradrückseite entspricht. Liegt die Breite des Ringspaltes in einem solchen Bereich, ist der axiale Spalt breit genug, um einen ausreichenden stabilen Sperrluftfilm aufzubauen, sodass der Ölverlust aus dem Lagergehäuse reduziert ist. Des Weiteren ist die Breite des Ringspalts klein genug, um nicht zu viel Abgas in den Ringspalt strömen zu lassen, sodass die Hitzebelastung des Lagergehäuses gering ist.
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Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass der Hitzeschild einen ringförmigen Sperrabschnitt aufweist, der den Sperrbereich axial begrenzt und der im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse des Turboladers verläuft. Dadurch verläuft der Sperrabschnitt des Hitzeschildes im wesentlichem parallel zu der Turbinenradrückseite, sodass der Ringspalt zwischen der Turbinenradrückseite und dem Hitzeschild eine zumindest annährend konstante Breite aufweist. Durch die gleichförmige Breite kann die Ausbildung eines stabilen Sperrluftfilms gezielt angepasst werden.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der Hitzeschild einen ringförmigen Sperrabschnitt aufweist, der den Sperrbereich axial begrenzt und der eine ringförmige Sicke aufweist, welche zu der Turbinenradrückseite offen ist. Durch die ringförmige Sicke, innerhalb des Sperrabschnittes kann sich in dem Sperrbereich zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite eine Wirbelströmung ausbilden, welche den stabilen Sperrluftfilm erzeugt. Folglich kann auf diese Weise die Sogwirkung zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite reduziert werden, sodass auch die Ölleckage aus dem Lagergehäuse reduziert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Sicke einen runden Querschnitt aufweist. Dadurch kann sich die Wirbelströmung besonders günstig ausbilden, da keine Kanten die Wirbelströmung stören.
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Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Sicke einen kreisabschnittförmigen Querschnitt aufweist. Durch die Kreisabschnittsform verläuft der Querschnitt der Sicke sehr ähnlich zu der Wirbelströmung, welche den stabilen Sperrluftfilm ausbildet, sodass diese Wirbelströmung sich innerhalb der Sicke sehr gut ausbilden kann.
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Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass der Hitzeschild radial innerhalb des Sperrabschnitts einen von dem Sperrabschnitt radial nach innen und axial zu dem Lagergehäuse verlaufenden inneren Abschnitt aufweist, wobei zwischen dem inneren Abschnitt und dem Lagergehäuse ein Ringspalt gebildet ist, durch welchen Gase in und/oder aus dem Luftspalt zwischen dem Hitzeschild und dem Lagergehäuse strömen können. Auf diese Weise kann ein gewisser Gasaustausch zwischen dem Luftspalt zwischen dem Hitzeschild in dem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse stattfinden, sodass der Hitzeschild keine Kräfte aufgrund von Druckunterschieden aufnehmen muss. Dadurch kann zum einen der Hitzeschild aus dünnerem Material und somit kostengünstig leichter hergestellt werden und zum anderen können auf diese Weise weitere Leckagen verhindert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass der Hitzeschild radial außerhalb des Sperrbereichs einen ringförmigen Strömungsleitabschnitt aufweist, der die Abgasströmung von einem Ringspalt zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite wegleitet. Dadurch kann der Teil der Abgasströmung der anstatt das Turbinenrad anzutreiben hinter das Turbinenrad strömt reduziert werden. Auf diese Weise wird also der Abgasstrom, welcher zwischen dem Hitzeschild und der Turbinenradrückseite einströmt reduziert. Dadurch wird sowohl die thermische Belastung des Lagergehäuses als auch die Abgasströmung in das Lagergehäuse reduziert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Variante sieht vor, dass der Hitzeschild aus einem Flachmaterial geformt ist. Die Form des Hitzeschildes lässt sich besonders einfach aus einem Flachmaterial herstellen. Es ist dabei keine spanende Bearbeitung notwendig, sodass wenig Abfall entsteht. Darüber hinaus kann auf diese Weise kostengünstig ein leichter Hitzeschild hergestellt werden, der nur eine geringe Wandstärke aufweist.
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Besonders günstig ist es, dass der Hitzeschild ein hitzebeständiges Material, insbesondere Metall, aufweist. Die Temperaturen, die der Hitzeschild annehmen kann, können annähernd bis zu der Abgastemperatur steigen. Typisch sind Werte von ungefähr 50 K unterhalb der Abgastemperatur. Durch das hitzebeständige Material können höhere Abgastemperaturen in dem Abgasturbolader toleriert werden, ohne dass der Hitzeschild gesondert gekühlt werden müsste. Dadurch reduziert sich der Aufwand bei der Konstruktion und Herstellung des Abgasturboladers, sodass Kosten gespart werden können.
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Eine andere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Hitzeschild einen tiefziehbaren, insbesondere hochwarmfesten, Edelstahl, beispielsweise 1.4541, aufweist. Dadurch kann der Hitzeschild besonders günstig durch Tiefziehen hergestellt werden. Tiefziehen ist ein bewährtes und günstiges Verfahren zu Formung solcher Bauteile.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine Teilschnittdarstellung durch einen Abgasturbolader, wobei ein Laufzeug und ein Lagergehäuse dargestellt sind, während ein Verdichtergehäuse und ein Turbinengehäuse nicht oder nur ansatzweise dargestellt sind,
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2 eine Vergrößerung des Bereichs A aus 1,
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3 eine Teilschnittdarstellung durch einen Abgasturbolader gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Laufzeug und ein Lagergehäuse dargestellt sind, wogegen ein Turbinengehäuse und ein Verdichtergehäuse nicht oder nur teilweise dargestellt sind,
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4 eine Vergrößerung des Bereichs B aus 3.
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Ein in 1 dargestellter Abgasturbolader 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches in ein Verdichtergehäuse 14 ein Lagergehäuse 16 und ein Turbinengehäuse 18 unterteilt ist. In dem Lagergehäuse 16 ist ein Laufzeug 20 des Turboladers 10 gelagert. Das Laufzeug 20 weist ein Verdichterrad 22 und ein Turbinenrad 24 auf, welche jeweils drehfest an einer Welle 26 gehalten sind, die wiederrum um eine Drehachse 28 in dem Lagergehäuse 16 gelagert ist. Der Abgasturbolader 10, kurz Turbolader, wird zur Aufladung von Brennkraftmaschinen verwendet. Dabei wird Energie aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine genutzt, um Frischluft zu komprimieren, welche der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zur Verfügung gestellt wird. Dazu wird das Turbinenrad 24 durch eine Abgasströmung angetrieben. Da das Turbinenrad 24 drehfest mit Drehachse 28 und das Verdichterrad 22 ebenfalls mit der Drehachse 28 verbunden ist, treibt das Turbinenrad 24 das Verdichterrad 22 an, sodass Energie aus dem Abgasstrom dazu verwendet werden kann, um Frischluft zu komprimieren.
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Da die Abgase eine hohe Temperatur aufweisen, ist ein Hitzeschild 30 vorgesehen, welches zwischen dem Turbinenrad 24 und dem Lagergehäuse 16 verläuft. Insbesondere verläuft der Hitzeschild 30 zwischen einer Turbinenradrückseite 32 und dem Lagergehäuse 16. Zwischen dem Lagergehäuse 16 und dem Hitzeschild 30 ist ein Luftspalt 34 gebildet, welcher hauptsächlich die Wärmeisolation zwischen dem Abgasstrom und dem Lagergehäuse 16 bewirkt.
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Zwischen dem Hitzeschild 30 und der Turbinenradrückseite 32 ist ein Ringspalt 36 vorgesehen, durch welchen Abgas in den Bereich zwischen Turbinenrad 24 und Lagergehäuse 16 strömen kann und dadurch zu einem Wärmeeintrag in das Lagergehäuse 16 und die Welle 26 führen kann. Aus diesem Grund sollte der Ringspalt 36 nicht zu breit ausgebildet sein, allerdings besteht bei einer zu schmalen Ausbildung des Ringspaltes 36 die Gefahr, dass durch die Rotation des Turbinenrades 24 eine Sogwirkung entsteht, durch welche ein Unterdruck in dem Bereich zwischen dem Turbinenrad 24 und dem Lagergehäuse 16 entsteht, welcher dazu führen kann, dass Öl aus dem Lagergehäuse 16 abgesaugt wird. Dies kann zum einen die Schmierung der Welle 26 in dem Lagergehäuse 16 beeinträchtigen und zum anderen gelangen dadurch Fette und Öle in den Abgasstrom, wodurch die Abgaswerte der Brennkraftmaschine verschlechtert werden.
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Aus diesem Grund ist der Hitzeschild 30 derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass sich ein Sperrbereich 38 zwischen der Turbinenradrückseite 32 und dem Hitzeschild 30 entsteht. Der Sperrbereich 38 erstreckt sich dabei radial zwischen einem ersten Durchmesser 40 und einem zweiten Durchmesser 42. Der erste Durchmesser 40 kann dabei in einem Bereich von 50 % bis 90 % des Durchmessers 44 der Turbinenradrückseite 32, vorzugsweise in einem Bereich von 60 % bis 80 % besonders bevorzugt in einem Bereich von 65 % bis 75 % und noch bevorzugter bei ungefähr 70 % des Durchmessers der Turbinenradrückseite 32 liegen. Der zweite Durchmesser 42 beträgt mindestens 80 % vorzugsweise mindestens 90 % besonders bevorzugt mindestens 95 % und noch bevorzugter mindestens 100 % des Durchmessers 44.
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Der Sperrbereich 38 ist also radial durch den ersten Durchmesser 40 und den zweiten Durchmesser 42 begrenzt, während er in axialer Richtung durch die Turbinenradrückseite 32 und zum Lagergehäuse 16 hin und durch den Hitzeschild 30 begrenzt ist. Dabei ist der Sperrbereich 38 zum Lagergehäuse 16 hin durch einen Sperrabschnitt 46 des Hitzeschildes 30 begrenzt.
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Der Sperrabschnitt 46 des Hitzeschildes 30 verläuft im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse 28 des Turboladers 10 und ist dabei ringförmig ausgebildet. Insbesondere verläuft der Sperrabschnitt 46 im Querschnitt gesehen gerade, sodass ein Abstand zwischen dem Sperrabschnitt 46 und der Turbinenradrückseite 32, welche ebenfalls im Wesentlichen eben ausgebildet ist, über die Fläche des Sperrabschnittes 46 konstant ist. Damit ist eine Breite des durch den Sperrabschnitt 46 und die Turbinenradrückseite 32 begrenzten Sperrbereichs 38 konstant.
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Um die Effekte des zu hohen Abgasstroms bei zu großen Abständen zwischen Hitzeschild 30 und Turbinenrad 24 und der Sogwirkung bei zu kleinen Abständen zwischen Hitzeschild 30 und Turbinenrad 24 zu vermeiden, weist der Ringspalt 36 im Sperrbereich 38 eine Breite 48 auf, welche zwischen einer minimalen Spaltbreite und einer maximalen Spaltbreite liegt, wobei die minimale Spaltbreite dem 0,01-fachen, vorzugsweise dem 0,02-fachen und besonders bevorzugt dem 0,03-fachen des Durchmessers 44 der Turbinenradrückseite 32 entspricht und die maximale Spaltbreite dem 0,1-fachen, vorzugsweise dem 0,075-fachen und besonders bevorzugt dem 0,05-fachen des Durchmessers 44 der Turbinenradrückseite 32 entspricht.
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Liegt die Breite 48 des Ringspaltes 36 in dem Sperrbereich 38 zwischen der minimalen Spaltbreite und der maximalen Spaltbreite kann sich ein Sperrluftfilm 50 in dem Sperrbereich 38 ausbilden, der eine Luftströmung durch den Ringspalt 36 reduziert. Dadurch werden sowohl die Abgasströmung in den Ringspalt 36 hinein als auch die Sogwirkung aus dem Ringspalt 36 heraus vermindert und reduziert, wodurch die Lebensdauer des Abgasturboladers 10 verlängert werden kann.
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Der Hitzeschild 30 weist radial außerhalb des Sperrabschnittes 46 einen Strömungsleitabschnitt 52 auf, welcher über eine Innenwand 54 des Turbinengehäuses 18 hervorsteht, sodass die Abgasströmung durch den Strömungsleitabschnitt 52 des Hitzeschildes 30 abgelenkt wird. Dabei wird die Abgasströmung derart abgelenkt, dass ein geringerer Anteil der Abgasströmung in den Ringspalt 36 zwischen dem Turbinenrad 24 und dem Hitzeschild 30 einströmen kann.
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An der anderen Seite geht der Sperrabschnitt 46 in einen inneren Abschnitt 56 über, welcher sich radial nach innen und axial zu dem Lagergehäuse 16 hin erstreckt. Zwischen dem inneren Abschnitt 56 des Hitzeschildes 30 und dem Lagergehäuse 16 ist ein weiterer Ringspalt 58 gebildet, welcher den Luftspalt 34 zwischen dem Hitzeschild 30 und dem Lagergehäuse 16 mit dem Ringspalt 36 zwischen dem Hitzeschild 30 und dem Turbinenrad 14 verbindet, sodass sich die Gasdrücke zwischen dem Luftspalt 34 und dem Ringspalt 36 und der Abgasströmung ausgleichen können. Dadurch können sich keine großen Differenzen aufbauen, welche zu einer mechanischen Belastung des Hitzeschildes 30 führen würden und darüber hinaus zu Undichtigkeiten führen könnten.
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Eine in den 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsform des Abgasturboladers 10 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Sperrabschnitt 46 des Hitzeschildes 30 eine Sicke 60 aufweist, welche zu der Turbinenradrückseite 32 hin offen ist. Die Sicke 60 weist einen runden Querschnitt auf, sodass der durch den Sperrabschnitt 46 begrenzte Sperrbereich 38 des Ringspaltes 36 ebenfalls eine runde Begrenzung aufweist. Insbesondere weist die Sicke 60 einen kreisabschnittförmigen Querschnitt auf.
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Durch die Formung des Sperrabschnittes 46 und damit des Sperrbereichs 38 wird eine Wirbelströmung innerhalb des Sperrbereiches 38 begünstigt, welche im Querschnitt gesehen an der Turbinenradrückseite 32 radial nach außen, am radial äußeren Bereich des Sperrbereiches 38 axial zum Lagergehäuse 16 hin, an dem Hitzeschild 30 radial nach innen und am radial inneren Bereich des Sperrbereichs 38 axial in Richtung Turbinenradrückseite 32 läuft.
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Diese Strömung erstreckt sich in Umfangsrichtung und weist somit eine Donut artige Form auf und bildet eine Art Strömungswalze. Diese Wirbelströmung 62 dient dabei als stabiler Sperrluftfilm 50, welcher Strömungen durch den Ringspalt 36 reduziert.
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Im Übrigen stimmt die in den 3 und 4 dachgestellte zweite Ausführungsform des Abgasturboladers 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Abgasturboladers 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
