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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Abgasturboladers, mit einer variablen Turbinengeometrie, sowie zum Einstellen eines vordefinierten Durchsatzes bei einer derartigen variablen Turbinengeometrie. Die Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Verfahren zur Herstellung von Abgasturboladern mit einer variablen Turbinengeometrie sind in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsvarianten allgemein bekannt. Mit Hilfe der variablen Turbinengeometrie kann das Ansprechverhalten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Lastwechseln, besser angepasst werden. Hierzu befinden sich in der Regel mehrere in einem Schaufellagerring drehbar gelagerte Leitschaufeln, die gleichmäßig in Umfangsrichtung um ein Turbinenrad angeordnet sind. Die verstellbaren Leitschaufeln lenken dabei den Abgasstrom je nach Drehzahlbereich möglichst optimal auf das Turbinenrad des Abgasturboladers. Bei einer maximal geschlossenen Leitschaufel-Position, welche auch die MinFlow-Stellung beschreibt, führen hohe Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und ein hohes Enthalpiegefälle zu einer hohen Turbinenleistung und damit zu einem hohen Ladedruck. In einer maximal geöffneten Leitschaufel-Position, auch als MaxFlow-Stellung zu bezeichnen, erschließt sich der maximale Durchsatz der Turbine bei hohem zentripetalem Anteil des Geschwindigkeitsvektors der Strömung. Der Vorteil der Leistungsregelung mit einer variablen Turbinengeometrie im Gegensatz zu einem Bypassventil bzw. einer Wastegate-Lösung ist, dass stets der volle Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet wird und zur Leistungsumsetzung genutzt wird bzw. zur Verfügung steht. Die Ansteuerung der Leitschaufelverstellung kann über eine Reihe von verschiedenen pneumatischen oder elektrischen Stellern erfolgen.
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Aus der
DE 10 2008 005 121 A1 ist ein Verfahren zum Einstellen eines vorbestimmten Durchsatzes bei einer variablen Turbinengeometrie eines Turboladers bekannt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Turboladers mit einer variablen Turbinengeometrie, bestehend aus mehreren Drehschaufeln, wobei der Turbolader eine Turbine und einen Verdichter aufweist; Vorgeben eines vorbestimmten Soll-Parameters, der mit dem einzustellenden, vorbestimmten Durchsatz des Turboladers korreliert; Antreiben des Turboladers mittels eines gasförmigen Mediums, das so eingestellt ist, dass der Soll-Parameter erzielt wird, wenn die Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie eine Position einnehmen, bei welcher der Turbolader den vorbestimmten Durchsatz aufweist; Bestimmen und Vergleichen des erzielten Ist-Parameters mit dem vorbestimmten Soll-Parameter, weicht, der erzielte Ist-Parameter von dem vorbestimmten Soll-Parameter ab, so erfolgt ein Verstellen der Drehschaufeln. Der Soll-Parameter ist eine vorgegebene Soll-Drehzahl, ein vorgegebener Soll-Durchsatz oder ein vorgegebener Soll-Ladedruck.
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Nachteilig an dem bekannten Verfahren zum Einstellen einer derartigen variablen Turbinengeometrie ist, dass der Prozess zum Einstellen des MinFlow zum einen sehr aufwendig in Bezug auf Zeit und Komplexität ist und zum anderen die Investitionskosten für eine variable turbinengeometriespezifische MinFlow-Einstellanlage, sowie für sich ändernde Werkzeuge, sehr hoch sind.
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Ein weiterer Nachteil an derzeitigen Verfahren zur Einstellung von variablen Turbinengeometrien ist es, dass ein Soll-MinFlow-Querschnitt lediglich als Momentaufnahme während des MinFlow-Einstellungsprozess anhand des gesamt Durchflusses durch den Abgasturbolader bestimmt wird. Nach kurzer Betriebszeit reduziert sich allerdings bereits ein Leckagequerschnitt, aufgrund von Abgasrückständen und Bauteilverformungen, wodurch sich dementsprechend der MinFlow-Querschnitt verkleinert und somit nicht mehr dem Soll-MinFlow-Querschnitt entspricht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren zur Herstellung eines Abgasturboladers und zugleich zur Optimierung eines Betriebslaufes des Abgasturboladers anzugeben, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, jeden einzelnen Abgasturbolader individuell während des Herstellungsprozesses derart zu vermessen, dass durch oftmals unvermeidbare Fertigungsungenauigkeiten hervorgerufene spezifische Leckagequerschnitte, sowie spezifische Leitschaufelspaltquerschnitte in einer modellbasierten Berechnung zum Soll-MinFlow-Querschnitt mit berücksichtigt werden, sodass für jeden einzelnen Abgasturbolader ein abgasturboladerspezifischer Leitschaufelabstand für den MinFlow bestimmt wird. Durch die modellbasierte Berechnung entfällt das sonst nötige komplexe und aufwendige Durchströmen des Abgasturboladers mit einem Fluid zur individuellen Einstellung des MinFlow. Hierzu umfasst das Verfahren zur Herstellung eines solchen Abgasturboladers, mit einer variablen Turbinengeometrie, und zum Einstellen eines vordefinierten Durchsatzes bei einer solchen variablen Turbinengeometrie die nachstehenden Schritte; Bereitstellen des Abgasturboladers mit einer derartigen variablen Turbinengeometrie, die zumindest mehrere in einem Schaufellagerring drehbar gelagerte Leitschaufeln aufweist; Vorgabe eines vordefinierten Soll-MinFlow-Querschnittes; Erfassung von kürzesten Abständen zwischen benachbarten Leitschaufeln in ihrer MinFlow-Stellung zur Bestimmung des Leitschaufelspaltquerschnittes; Einpressen von den Schaufellagerring und eine Deckscheibe beabstandenden Abstandselementen in den Schaufellagerring; Erfassung einer Höhendifferenz zwischen einem solchen Abstandselement und einer derartigen Leitschaufel zur Bestimmung des Leckagequerschnittes; Modellbasierte Berechnung der Leitschaufelabstände, die mit dem vorgegebenen Soll-MinFlow-Querschnitt korrelieren; Einstellen bzw. Schließen der einzelnen Leitschaufeln bis zur Erreichung des Soll-MinFlow-Querschnittes; Fixierung der Min-Flow-Position der Leitschaufeln beim Soll-MinFlow-Querschnitt mittels eines variablen Anschlags. Das erfindungsgemäße Verfahren hat einerseits den Vorteil, dass durch eine Verringerung der Komplexität des Herstellungsprozesses eine Reduktion der Produktionskosten mit einhergeht, sowie andererseits durch eine exakte Erfassung des Leckagequerschnittes und des Leitschaufelspaltquerschnittes eine Optimierung der Genauigkeit des MinFlow zu erzielen ist, welche eine verbesserte Antriebsleistung des Abgasturboladers zur Folge hat. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber bekannten Verfahren im Vorteil bei der Reduktion von Ausschussteilen, da bereits während des Herstellungsprozesses des Abgasturboladers der MinFlow eingestellt wird. Hierdurch können bereits frühzeitig etwaige Probleme, insbesondere einzelne Ausschussteile, erkannt und dahingehend behoben werden. Im Gegensatz dazu ist es bei den herkömmlichen MinFlow-Einstellungsprozessen aufgrund des fortgeschrittenen Fertigungsprozesses nur erschwert möglich bei auftretenden Problemen eine sich lohnende Teilerückgewinnung zu erzielen um den Ausschuss zu reduzieren.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt/erfolgen die Erfassung der Abstände zwischen benachbarten Leitschaufeln zur Bestimmung des Leitschaufelspaltquerschnittes und/oder die Erfassung der Höhendifferenz zwischen einem derartigen Abstandselement und einer derartigen Leitschaufel mittels einer optischen Messung. Die optische Messung ermöglicht eine optimierte Taktzeit bei der Fertigung durch eine erhöhte Messgeschwindigkeit. Zudem ermöglicht die optische Vermessung der einzelnen Bauteile des Abgasturboladers eine frühzeitige Erkennung von Ausschussteilen. Zweckmäßig und bevorzugt erfolgt die optische Messung kontinuierlich und simultan zu dem Einschweißprozess der einzelnen Leitschaufeln, sowie zum Einpressprozess der Abstandselemente in den Schaufellagerring.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Erfassung der Höhendifferenz zwischen einem derartigen Abstandselement und einer derartigen Leitschaufel mittels eines mechanischen Abtastens erfolgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Leckagequerschnitt durch die größtmögliche Höhendifferenz zwischen dem höchsten Abstandselement und der niedrigsten Leitschaufel multipliziert mit einem Kreisumfang, der sich um jeweilige Drehachsen der Leitschaufeln einstellt, bestimmt. Die Bestimmung des maximal möglichen Leckagequerschnittes vereinfacht und beschleunigt die Messung, da nicht einzelne Leckagequerschnitte von den jeweiligen Leitschaufeln zur Deckscheibe, in Bezug auf einen zugehörigen Kreisumfangsabschnitt, aufsummiert werden müssen. Es sei dennoch gesagt, dass im Rahmen dieser Erfindung eine exakte Vermessung des Leckagequerschnittes durch Aufsummierung von leitschaufelspezifischen Leckagequerschnitten ausdrücklich mit geschützt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Fixierung der Min-Flow-Position der Leitschaufeln über einen verstellbaren mechanischen Anschlag und/oder über eine elektrische Begrenzung mittels einer elektrischen Stellvorrichtung. Üblicher Weise stehen die einzelnen Leitschaufeln mit einem Verstellring in Kontakt, der zur Verstellung der Leitschaufelpositionen dient und mittels eines Stellmotors oder eine Unterdruckdose verstellt wird. Erfindungsgemäß schlägt der Verstellring bei einer MinFlow-Stellung der variablen Turbinengeometrie gegen einen Anschlag bzw. wird elektrisch begrenzt, sodass eine Überschreitung der MinFlow-Stellung der einzelnen Leitschaufeln nicht möglich ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt beim Einstellen bzw. Schließen der einzelnen Leitschaufeln bis zur Erreichung des Soll-MinFlow-Querschnittes eine kontinuierliche, insbesondere optische, Messung eines Ist-MinFlow-Querschnittes.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt nach der Fixierung der Min-Flow-Position der einzelnen Leitschaufeln, eine Überprüfung des Einstellverfahrens, mittels einer erneuten, insbesondere optischen, Messung des Ist-MinFlow-Querschnittes nach einem Öffnungs- und Schließvorgang der Leitschaufeln und einem anschließenden Abgleich mit dem Soll-MinFlow-Querschnitt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein sich während des Betriebs, insbesondere durch Ablagerungen und/oder Bauteilverformungen, verändernder Soll-MinFlow-Querschnitt erfasst wird; dass die modellbasierte Berechnung der Leitschaufelabstände mit dem sich ändernden Soll-MinFlow-Querschnitt korreliert; dass eine kontinuierliche Einstellung der Leitschaufeln an den sich ändernden Soll-MinFlow-Querschnitt erfolgt und dass jeweils zum vorbestimmten Soll-MinFlow-Querschnitt eine Fixierung der Min-Flow-Position der Leitschaufeln mittels des, insbesondere elektrisch verstellbaren, variablen Anschlags erfolgt. Die beschriebene Weiterbildung des Verfahrens wirkt sich positiv auf das zuvor beschriebene Problem, der Reduzierung des Leckagequerschnittes, insbesondere durch Ablagerungen von Abgasrückständen, aus, indem der Soll-MinFlow-Querschnitt kontinuierlich angepasst wird.
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Zweckmäßig wird der sich verändernde Soll-MinFlow-Querschnitt anhand sich während des Betriebs ändernder Parameter, insbesondere der Betriebszeit, des Ladedrucks oder der Drehzahl der Welle, angepasst. Es sei gesagt, dass zur Veränderung des Soll-MinFlow-Querschnittes alle denkbaren Parameter in die modellbasierte Berechnung, der jeweils zutreffenden Leitschaufelabstände, mit berücksichtigt sein können.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, im Bereich einer variablen Turbinengeometrie ohne eine aufgesetzte Deckscheibe,
- 2 eine seitliche Darstellung des Abgasturboladers aus der 1.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 15, insbesondere eines Abgasturboladers 1, im Bereich einer variablen Turbinengeometrie 2, wobei zur verbesserten Verständlichkeit auf eine Deckscheibe 8 zeichnerisch verzichtet und diese lediglich angedeutet wurde. Der Abgasturbolader 1 weist mehrere in einem Schaufellagerring 3 drehbar, um jeweilige Drehachsen 12, gelagerte Leitschaufeln 4 auf. Jeweils benachbarte Leitschaufeln 4 weisen Leitschaufelabstände 10 auf, die Zusammen mit einer jeweiligen Höhe 17 der Leitschaufeln 4 einen Leitschaufelspaltquerschnitt 6 definieren. Durch ein Aufschweißen der Leitschaufeln 4 können sich die jeweiligen Leitschaufelabstände 10 von jeweils benachbarten Leitschaufeln 4 signifikant unterscheiden. Die Vermessung der Leitschaufelabstände 10 kann mittels einer optischen Messung erfolgen.
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2 zeigt eine seitliche Darstellung des Abgasturboladers 1 aus der 1, aus der eine Höhendifferenz zwischen Abstandselementen 9 und den Leitschaufeln 4 zu erkennen ist. Die Höhe 16 der Abstandselemente 9 ist durch zumeist unvermeidbare Fertigungsungenauigkeiten bzw. allgemeine Toleranzen und Passungen in der Regel größer als die Höhe 17 der einzelnen Leitschaufeln 4, wodurch ein Leckagequerschnitt 7 über die Höhendifferenz der beiden Höhen 16, 17 definiert ist. Die Vermessung der Höhendifferenz zwischen den Abstandselementen 9 und den Leitschaufeln 4 kann ebenfalls mittels einer optischen Messung erfolgen oder durch ein mechanisches Abtasten der einzelnen vakanten Bauteile. Eine vereinfachte und für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Messung des Leckagequerschnittes 7 kann durch die größtmögliche Höhendifferenz zwischen dem höchsten Abstandselement 9 und der niedrigsten Leitschaufel 4 multipliziert mit einem Kreisumfang, der über die Drehachsen 12 der einzelnen Leitschaufeln 4 zu bestimmen ist, realisiert sein. Aufwendiger und genauer kann hingegen die Messung des Leckagequerschnittes 7 durch eine leitschaufelspezifische Messung von einzelnen Leckagequerschnitten 7 sein. Hierbei sind die einzelnen Leckagequerschnitte 7 der jeweiligen Leitschaufeln 4 zu bestimmen und anschließend zur Bestimmung eines gesamten Leckagequerschnittes 7 aufzusummieren.
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Zur Herstellung eines derartigen Abgasturboladers
1, mit einer solchen variablen Turbinengeometrie
2, sowie zum Einstellen eines vordefinierten Durchsatzes bei eben dieser variablen Turbinengeometrie
2, sind verfahrenstechnisch die folgenden Schritte zu beachten. Zunächst ist der in den beiden Figuren abgebildete Abgasturbolader
1 mit der variablen Turbinengeometrie
2, die mit mehreren drehbar gelagerten Leitschaufeln
4 ausgebildet ist, bereitzustellen. Sinngemäß ist ein vordefinierter Soll-MinFlow-Querschnitt 5 für die weiteren Schritte vorzugeben, der idealerweise beispielsweise auf eine mit dem Abgasturbolader
1 in Verbindung stehende Brennkraftmaschine ausgelegt sein kann. Üblicherweise werden drei Abstandselemente
9 zur Beabstandung der in der
1 lediglich angedeuteten Deckscheibe
8 in den Schaufellagerring
3 eingepresst. Bevorzugt können die Erfassung des zuvor beschriebenen Leitschaufelspaltquerschnittes
6, sowie die Erfassung des ebenfalls zuvor beschriebenen Leckagequerschnittes
7 mittels einer optischen Messung erfolgen. Mit den Werten der optischen Messung kann eine modellbasierte Berechnung von Leitschaufelabständen
10 erfolgen, die mit dem zuvor vorgegebenen Soll-MinFlow-Querschnitt 5 korrelieren. Daraufhin können die einzelnen Leitschaufeln
4 eingestellt werden, insbesondere bis zur Erreichung des Soll-MinFlow-Querschnittes
5 geschlossen werden. Sobald die einzelnen Leitschaufeln
4 die gewünschte bzw. vorbestimmte Position in Bezug auf den Soll-MinFlow-Querschnitt 5 erreicht haben, werden die jeweiligen Leitschaufelpositionen mit Hilfe eines insbesondere variablen Anschlags
11 fixiert. Die Fixierung Leitschaufelpositionen kann über einen insbesondere verstellbaren mechanischen Anschlag
13 und/oder über eine elektrische Begrenzung mittels einer elektrischen Stellvorrichtung
14 erfolgen. Denkbar ist selbstverständlich auch ein fixer Anschlag
11. Der Anschlag
11 kann auch als Pin ausgeführt werden, der am Schaufellagerring
3 angeschweißt wird. Der Anschlag
11 könnte auch als Pin mit plastisch verformbarem Kopf (wie in
DE 11 2010 004 596 T5 ) ausgeführt werden.
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Ein abgasturboladerspezifischer MinFlow-Querschnitt lässt sich durch die Summe der in 1 gezeigten Leitschaufelspaltquerschnitte 6 und des in 2 gezeigten Leckagequerschnittes 7 bestimmen. Die Leitschaufeln 4 können derart verstellt werden, dass der MinFlow-Querschnitt des Abgasturbolader 1 einem vordefinierten Soll-MinFlow-Querschnitt 5 entspricht. Hierzu erfolgt die modellbasierte Berechnung der spezifischen Leitschaufelabstände 10, die mit dem Soll-MinFlow-Querschnitt 5 korrelieren. Die einzelnen Leitschaufeln 4 können mittels des insbesondere variablen Anschlags 11 derart eingestellt sein, dass die jeweiligen Leitschaufeln 4 maximal bis zur Erreichung des Soll-MinFlow-Querschnittes 5 geschlossen werden. Der Abgasturbolader 1 weist hierzu den mechanischen Anschlag 13 oder die elektrische Stellvorrichtung 14 auf.
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Ferner kann ein sich während des Betriebs, insbesondere durch Ablagerungen und/oder Bauteilverformungen, verändernder Soll-MinFlow-Querschnitt 5 erfasst werden. Vorzugsweise kann der sich verändernde Soll-MinFlow-Querschnitt 5 anhand sich während des Betriebs ändernder Parameter, insbesondere der Betriebszeit, des Ladedrucks oder der Drehzahl der Welle, angepasst werden. Im Grunde können alle denkbaren Parameter, die zu einer Veränderung des Soll-MinFlow-Querschnittes 5 beitragen können, in die modellbasierte Berechnung, der jeweils zutreffenden Leitschaufelabstände 10, mit berücksichtigt werden. Die modellbasierte Berechnung der Leitschaufelabstände 10 kann derart ausgelegt sein, dass diese mit dem sich ändernden Soll-MinFlow-Querschnitt 5 passend korreliert. Die Einstellung der Leitschaufeln 4 an den sich ändernden Soll-MinFlow-Querschnitt 5 kann kontinuierlich erfolgen. Hierzu kann vorzugsweise ein derartiger elektrisch verstellbarer variabler Anschlag 11 zur Fixierung eingesetzt werden. Mit Hilfe der elektrischen Verstellbarkeit der Position der einzelnen Leitschaufeln 4 durch den variablen Anschlag 11 ist es möglich, die Leitschaufelabstände 10 an den sich kontinuierlich ändernden Soll-MinFlow-Querschnitt 5 anzupassen. Hierdurch kann positiv auf das Problem, der Reduzierung des Leckagequerschnittes 7, insbesondere durch Ablagerungen von Abgasrückständen oder Bauteilverformungen, im Bereich zwischen den Leitschaufeln 4 und der Deckscheibe 8 eingegangen werden bzw. Einfluss genommen werden.
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Außerdem kann nach der Fixierung der Position der einzelnen Leitschaufeln 4 eine Überprüfung des Einstellverfahrens erfolgen. Die erneute Prüfung kann mit einer zweiten optischen Messung eines Ist-MinFlow-Querschnittes nach einem Öffnungs- und Schließvorgang der einzelnen Leitschaufeln 4 und einem nachgelagerten Abgleich mit dem Soll-MinFlow-Querschnitt 5 durchgeführt werden. Die beschriebene Überprüfung des Einstellverfahrens der einzelnen Leitschaufeln 4 ist im Grunde beliebig oft wiederholbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008005121 A1 [0003]
- DE 112010004596 T5 [0023]
