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Die Erfindung betrifft eine Getriebe-Turbomaschine umfassend ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Getriebe mit einem drehbar in dem Gehäuse gelagerten Großrad. Die Getriebe-Turbomaschine umfasst ferner eine erste Getriebewelle, welche mit einer ersten Turbostufe gekoppelt ist. An der ersten Getriebewelle ist außerdem ein erstes Ritzel angeordnet, welches mit dem Großrad kämmt. Ferner umfasst die Getriebe-Turbomaschine eine zweite Getriebewelle, welche mit einer zweiten Turbostufe gekoppelt ist sowie ein an der zweiten Getriebewelle angeordnetes zweites Ritzel, welches ebenfalls mit dem Großrad kämmt. Weiterhin ist eine dritte Getriebewelle vorgesehen, welche mit einer dritten Turbostufe gekoppelt ist und an der ein drittes Ritzel angeordnet ist, welches mit dem Großrad kämmt. Weiterhin geht die Erfindung von einer Getriebe-Turbomaschine aus mit einer vierten Getriebewelle, welche mit einer vierten Turbostufe gekoppelt ist und auf der ein viertes Ritzel angeordnet ist, welches mit dem Großrad kämmt.
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Das Großrad und die Ritzel bilden Komponenten des Getriebes und bewirken eine mechanische Kopplung der Turbostufen miteinander. Die Drehzahl der einzelnen Getriebewellen ist damit in einem konstanten Verhältnis festgelegt. Hierdurch wird ein Energieaustausch zwischen den einzelnen Turbostufen sowie ein gemeinsamer Antrieb bzw. Abtrieb ermöglicht.
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Bei den Turbostufen handelt es sich um Strömungsmaschinen, welche eine Umwandlung von Strömungs- und Druckenergie eines Prozessmediums zu Rotationsenergie - der der jeweiligen Turbostufe zugeordneten Getriebewelle bzw. des gesamten Getriebes - und umgekehrt ermöglichen. Die einzelnen Turbostufen können dabei beispielsweise als Turbopumpen, Turbokompressoren und/oder als Turbinen ausgebildet sein. Die vorliegende Erfindung lässt sich ohne Beschränkung auf Turbostufen axialer und/oder radialer Bauart anwenden. Insbesondere geht die Erfindung von einem mehrstufigen Turbokompressor aus, bei dem zumindest zwei Turbostufen als Turbokompressoren ausgebildet sind. Dabei ist der Ausgang des einen Turbokompressors - mit oder ohne Zwischenkühlung - mit dem Einlass des jeweils anderen Turbokompressors verbunden. Auch Ausgestaltungen mit drei, vier oder mehr in Reihe geschalteten Turbostufen, insbesondere Turbokompressoren lassen sich im Rahmen der Erfindung weiterentwickeln.
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Zur Montage einer Getriebe-Turbomaschine ist es erforderlich, dass Gehäuse zu öffnen, um darin das Großrad sowie die Getriebewellen einlegen zu können. Diese Öffnung wird regelmäßig durch eine Teilung des Gehäuses entlang von sogenannten Trennfugen realisiert. An den Trennfugen liegen zwei Teil-Einheiten des Gehäuses (Teilgehäuse) aneinander formschlüssig an. Im montierten Zustand sind die Teilgehäuse miteinander fest verbunden und gegeneinander abgedichtet, um einen geschützten Innenraum für das Getriebe zu bilden. Dieser Innenraum enthält regelmäßig Getriebeöl zur Schmierung der Zahnräder des Getriebes. Um einen Verlust oder eine Verschmutzung des Getriebeöls zu verhindern, ist eine sichere Abdichtung vorteilhaft.
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Um diese Dichtflächen zu minimieren, ist es üblich, mehrere Getriebewellen innerhalb einer Trennfuge anzuordnen. Bei Getriebe-Turbomaschinen mit vier Getriebewellen können diese in zwei horizontal verlaufenden Trennfugen jeweils links- und rechtsseitig des Großrades angeordnet werden. Eine solche Anordnung schränkt jedoch die Positionierungsfreiheit der einzelnen Turbostufen ein. Dabei ist insbesondere problematisch, dass die einzelnen Turbostufen - insbesondere bei seriell angeordneten mehrstufigen Turboanordnungen - erhebliche Unterschiede bezüglich des Durchmessers aufweisen. Dies folgt aus dem Umstand, dass bei einem - entlang einer mehrstufigen Turboanordnung - konstanten Massenstrom in Bereichen mit einem höheren Prozessdruck ein geringerer Strömungsquerschnitt erforderlich ist als in Bereichen mit einem niedrigeren Druck des Prozessgases. Mehrstufige Turboanordnungen weisen daher üblicherweise eine Kaskade von mehreren Turbostufen mit abnehmendem bzw. zunehmendem Nenndurchmesser aufweisen.
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Bei einer solchen Anordnung lässt sich der vorhandene Platz jedoch mit zwei horizontal ausgerichteten Trennfugen nicht optimal ausnutzen. Bei gegebenen Größenverhältnissen der einzelnen Turbostufen können diese bei einem gegebenen Durchmesser des Großrades in zwei horizontalen Trennfugen nicht beliebig nah aneinander positioniert werden. Es verbleiben somit ungenutzte Räume zwischen einzelnen Turbostufen, während andere Turbostufen so dicht wie möglich aneinander positioniert sind.
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Um die Positionierung zu verbessern ist bisher vorgeschlagen worden, weitere Trennfugen mit einer zusätzlichen Zerteilung des Gehäuses vorzusehen, und/oder die erste bzw. die zweite Trennfuge gewinkelt und/oder Y-förmig auszugestalten. Sämtliche dieser Lösungen führen zu einer Vergrößerung des Dichtbereichs, in dem die Gehäuseteile gegeneinander abgedichtet werden müssen. Zusätzlich muss auch die Stabilität und der Zusammenhalt der einzelnen Gehäuseteile mit größerem Aufwand gewährleistet werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der einzelnen Turbostufen bei einer Getriebe-Turbomaschine zu verbessern. Gleichzeitig soll die Stabilität und die Dichtheit des Gehäuses optimiert und deren Zusammenbau vereinfacht werden.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist eine Getriebe-Turbomaschine nach Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Ausgehend von der gattungsgemäßen Getriebe-Turbomaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse eine in einer zweiten Trennebene verlaufende zweite Trennfuge aufweist, dass sich die zweite Trennebene durch die dritte Getriebewelle und die vierte Getriebewelle erstreckt und dass die erste Trennebene gegenüber der zweiten Trennebene geneigt ist. Durch die Neigung der beiden Trennebenen zueinander kann die Anordnung der dritten Getriebewelle und der vierten Getriebewelle am Umfang des Großrades variiert werden. Hierdurch können die Abstände der einzelnen Turbostufen zueinander optimal eingestellt werden. Gleichzeitig bleiben die Vorteile einer im Wesentlichen in einer Ebene verlaufenden durchgängigen zweiten Trennfuge erhalten. Insbesondere werden keine Dichtungs- oder Stabilitäts-Probleme an Abwicklungen und/oder Teilungen der zweiten Trennfuge hervorgerufen. Dadurch ist es möglich, eine kompaktere Turbomaschine mit einem kleineren Großrad zu bauen, an der gleichzeitig zumindest vier durch das Getriebe gekoppelte Turbostufen angeordnet sind.
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Die Schnittlinie zwischen der ersten Trennebene der zweiten Trennebene liegt dabei außerhalb des Gehäuses. Bevorzugt schließen die erste Trennebene und die zweite Trennebene einen Winkel zwischen 5° und 30°, vorzugsweise ca. 10° bis 15° ein. Hierdurch ergibt sich - bezogen auf die erste Trennebene - zwischen der dritten Getriebewelle und der vierten Getriebewelle ein ausreichender Höhenversatz, um unterschiedlich große dritte und vierte Turbostufen zu berücksichtigen.
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Gemäß einer bevorzugten Erfindung ist das Gehäuse dreiteilig mit einem ersten Gehäuseteil, einem zweiten Gehäuseteil und einem dritten Gehäuseteil ausgebildet. Dabei trennt die erste Trennfuge das erste Gehäuseteil von dem zweiten Gehäuseteil und die zweite Trennfuge das zweite Gehäuseteil von dem dritten Gehäuseteil. Dieses dreiteilige Gehäuse umschließt das Getriebe der erfindungsgemäßen Turbomaschine vollständig. So können durch eine Teilung des ersten Gehäuseteils und dem zweiten Gehäuseteil die erste Getriebewelle mit dem ersten Ritzel und die zweite Getriebewelle mit dem zweiten Ritzel bzw. durch eine Trennung des zweiten Gehäuseteils mit dem dritten Gehäuseteil die dritte Getriebewelle mit dem dritten Ritzel und die vierte Getriebewelle mit dem vierten Ritzel freigelegt werden. Die Gehäuseteile sind dabei vorzugsweise als Metallgussteile ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Trennebene horizontal - d. h. senkrecht zur Schwererichtung - ausgerichtet. Die horizontale Ausrichtung einer Trennfuge erleichtert die Montage und Demontage der erfindungsgemäßen Getriebe-Turbomaschine. Da die Trennfuge - und damit die Auflageebene des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils senkrecht zur Schwererichtung angeordnet ist, müssen diese nicht gegen ein Verrutschen durch ihr Eigengewicht gesichert werden. Zur Befestigung eignet sich daher auch eine glatte Flanschverbindung.
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Da die beiden Trennebenen gegeneinander geneigt sind, ist zumindest eine der beiden Trennfugen notwendigerweise nicht horizontal ausgerichtet. In einer nicht horizontalen - d. h. über der Schwererichtung geneigt angeordneten Trennfuge sind im Rahmen der Erfindung vorzugsweise Haltevorrichtungen vorgesehen. Diese dienen dazu, die einzelnen aneinander anliegenden - jedoch noch nicht miteinander festverbundenen - Gehäuseteile zueinander relativ zu positionieren und auch in Position zu halten.
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Vorzugsweise weisen dazu die beiden Gehäuseteile jeweils einander zugeordnete Anlageflächen auf, welche formschlüssig aneinander anliegen. Die Anlageflächen sind dabei vorzugsweise senkrecht zur Schwererichtung und/oder senkrecht zu der der betreffenden Trennfuge zugeordneten Trennebene angeordnet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Anlagefläche an dem einem Gehäuseteil durch einen vorstehenden Stift und das andere Gehäuseteil durch eine zugeordnete Aufnahme gebildet.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die zweite Trennebene oberhalb der ersten Trennebene angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die erste Trennebene horizontal ausgerichtet ist. In diesem Fall bildet das erste Gehäuseteil die Unterseite des Gehäuses, welche auf einem Maschinenfundament aufgestellt werden kann. Das zweite und dritte Gehäuseteil sind jeweils darüber angeordnet, wobei die erste Trennebene vorzugsweise horizontal verläuft. An der ersten Trennebene, an der das Eigengewicht sowohl des zweiten als auch des dritten Gehäuseteiles wirksam sind, sind daher keine gewichtsabhängigen Querkräfte zu erwarten. Das dritte Gehäuseteil bildet den oberen Abschluss und kann auch als „Gehäusedeckel“ angesehen werden. Das Großrad dient vornehmlich der mechanischen Kopplung der unterschiedlichen Turbostufen über die zugeordneten Ritzelgetriebewellen. Vorzugsweise ist das Großrad jedoch zusätzlich mit einer Antriebswelle bzw. mit einer Abtriebswelle gekoppelt. Im Falle eines Getriebeverdichters - bei dem mechanische Drehenergie auf das Arbeitsfluid übertragen wird - ist eine Antriebswelle vorgesehen, welche mit einer antreibenden Kraftmaschine gekoppelt ist. Für den Fall, dass in den Turbostufen mehrheitlich Strömung- bzw. Druck-Energie in Drehenergie (in Turbinen) umgewandelt wird, ist eine mit dem Großrad gekoppelte Welle als Abtriebswelle wirksam und kann Kraft auf einen mechanischen Verbraucher - beispielsweise einen Generator - übertragen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere möglich, dass die Turbostufe durch ein - radiales oder axiales - Turbolaufrad gebildet wird, welches unmittelbar mit der zugeordneten Getriebewelle verbunden ist. Das Turbolaufrad kann dabei insbesondere mit der Getriebewelle verschraubt, verspannt und/oder auf die Getriebewelle aufgeschrumpft sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Turbolaufrad fliegend an einem Wellenende der zugeordneten Getriebewelle angeordnet.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass mit einer Getriebewelle zumindest eine weitere Turbostufe gekoppelt ist. Diese ist besonders bevorzugt strömungstechnisch seriell zu der anderen, an derselben Getriebewelle angeordneten Turbostufe angeschlossen. Falls diese beiden Turbostufen unmittelbar auf bzw. an der Getriebewelle angeordnet sind, weisen diese zwar die gleiche Drehzahl auf, können aber durch ihre Auslegung - insbesondere ihrem Durchmesser - derart gestaltet werden, dass sie in Reihe geschaltet werden können.
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Auch kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zwei identisch ausgebildete und parallel angeschlossene Turbostufen mit einer Welle gekoppelt bzw. auf oder an dieser angeordnet sind. Mit einer solchen sogenannten „2-flutigen“ Anordnung kann der Durchsatz erhöht werden.
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Ganz besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass mit jeder der vier Getriebewellen zumindest zwei Turbostufen gekoppelt bzw. darauf angeordnet sind. In dieser Anordnung umfasst die Getriebe-Turbomaschine zumindest acht - vorzugsweise in Reihe geschaltet - Turbostufen mit einer optimierten Raumausnutzung.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass eine einzelne Getriebewelle und/oder die gesamte Getriebe-Turbomaschine sowohl Turbostufen zu Wandlungen von Strömungsenergie in Drehenergie (Turbinen) als auch Turbostufen zu der Wandlung von Drehenergie in Strömungs- bzw. Druck-Energie aufweist. Eine derartige Anordnung wird auch - insbesondere in der einwelligen Ausbaustufe - als „Compander“ bezeichnet. In diesen Anwendungsfällen muss zumindest nur ein Teil der benötigten mechanischen Energie über das Getriebe - beispielsweise über eine Antriebswelle - zugeführt werden.
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Im Zuge der vorliegenden Erfindung ist es vorzugsweise auch möglich, dass das Großrad und/oder zumindest eine der Getriebewellen direkt mit einer elektrischen Maschine - insbesondere einem Elektromotor und/oder einem Generator - gekoppelt ist. Dabei kann insbesondere auch der Rotor der elektrischen Maschine unmittelbar an dem Großrad bzw. der jeweiligen Getriebewelle angeordnet bzw. in diesem verbaut sein.
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Vorzugsweise findet die Erfindung Anwendung bei einer Getriebe-Turbomaschine mit genau vier Getriebewellen und zwei Trennfugen. In diesem minimalistischen Ansatz lassen sich besonders vorteilhaft durch die zwei schräg angeordneten Trennebenen vier unterschiedlich große Turbostufen am Umfang des Großrades anordnen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest eine Turbostufe, besonders bevorzugt sämtliche Turbostufen ebenfalls in dem Gehäuse aufgenommen. Durch die Öffnung des Gehäuses an den entsprechenden Trennfugen können da nicht nur die Ritzel und Getriebewellen, sondern auch die zugeordneten Turbostufen freigelegt werden. Hierzu bildet das Gehäuse neben dem das Großrad sowie die Ritzel aufnehmenden Getriebekasten auch zumindest eine Aufnahme aus, in der das Laufrad einer Turbostufe angeordnet werden kann.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist zumindest eine Turbostufe in einem separaten Turbogehäuse angeordnet. Diese ist an der Außenseite des GetriebeGehäuses angeordnet und mit diesem fest verbunden.
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Vorzugsweises ist weiterhin vorgesehen, dass die erste Trennebene durch die Rotationssachse des Großrads verläuft. Entsprechend kann durch eine Trennung des Gehäuses anhand der ersten Trennfuge ebenfalls das Großrad - beispielsweise für eine Montage, Demontage und/oder Wartung - freigelegt werden.
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Alternativ kann das Großrad auch versetzt zu der ersten Trennebene angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, die erste Getriebewelle und die zweite Getriebewelle näher aneinander anzuordnen, da das erste Ritzel und das zweite Ritzel nicht in Opposition zueinander an dem Großrad angeordnet werden müssen. Dazu ist entweder vorgesehen, dass das Großrad unabhängig von der ersten Teilungsfuge und der zweiten Trennfuge an dem Gehäuse montiert und demontiert werden kann. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die erste Trennfuge nicht vollständig innerhalb der ersten Trennungsebene verläuft, sondern eine Ausbuchtung aufweist, welche sich über die Lager des Großrades erstreckt.
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Besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung jedoch vorgesehen, dass sowohl die erste Trennfuge als auch die zweite Trennfuge im wesentlichen vollständig - d. h. zumindest über 90 % (linear am Außenumfang des Gehäuses bzw. bezüglich der Kontaktflächen zwischen den einzelnen Gehäuseteilen) in der jeweiligen Trennebene erstreckt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren erläutert. Es zeigen dabei schematisch:
- 1 Einen Schnitt durch die Getriebeebene einer Getriebe-Turbomaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine Darstellung entsprechend 1 bei einer alternativen Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebe-Turbomaschine 1. Diese ist in einem schematischen Schnitt dargestellt, wobei sich die Schnittebene in einer Vertikalrichtung y sowie einer Horizontalrichtung x erstreckt. Die Getriebe-Turbomaschine 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem ersten Teilgehäuse 2a, einem zweiten Teilgehäuse 2b und einem dritten Teilgehäuse 2c auf. In dem Gehäuse 2 ist ein Getriebe aufgenommen, welches ein um eine Rotationssachse 3 drehbar gelagertes Großrad 4 umfasst. Die Rotationssachse 3 ist dabei in einer Längsrichtung z senkrecht zu der Vertikalrichtung y und der Horizontalrichtung x ausgerichtet. Da die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Getriebe-Turbomaschine 1 als mehrstufiger Turbokompressor ausgebildet ist, ist das Großrad 4 mit einer Antriebswelle 5 gekoppelt, über die das Großrad 4 in eine Drehbewegung versetzt werden kann.
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Weiterhin umfasst das Getriebe eine erste Getriebewelle 6a, auf der ein mit dem Großrad 4 kämmendes erstes Ritzel 7a angeordnet ist. Die erste Getriebewelle 6a ist dabei um eine erste Drehachse 8a drehbar an dem Gehäuse 2 gelagert, welche parallel zu der Rotationssachse 3 des Großrades verläuft. Analog sind an dem Gehäuse 2 weiterhin eine um eine zweite Drehachse 8b drehbare zweite Getriebewelle 6b mit einem mit dem Großrad 4 kämmenden zweiten Ritzel 7b, eine um eine dritte Drehachse 8c drehbar gelagerte dritte Getriebewelle 6c mit einem mit dem Großrad 4 kämmenden dritten Ritzel 7c sowie eine um eine vierte Drehachse 8d drehbar gelagerte vierte Getriebewelle 6d mit einem ebenfalls mit dem Großrad 4 kämmenden vierten Ritzel 7d ausgebildet. Jede der Getriebewellen 6a, 6b, 6c, 6d ist jeweils mit einer zugeordneten - und nicht dargestellten - ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Turbostufe gekoppelt. Hierbei kann es sich insbesondere jeweils um ein fest mit den jeweiligen Getriebewellen 6a, 6b, 6c, 6d gekoppeltes radiales Verdichterlaufrad handeln.
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Das Gehäuse 2 weist eine in einer ersten Trennebene 9a angeordnete erste Trennfuge 10a auf, wobei die erste Trennebene 9a durch die erste Getriebewelle 6a und die zweite Getriebewelle 6b verläuft. Im Ausführungsbeispiel schneidet die erste Trennebene 9a ebenfalls die erste Drehachse 8a und die zweite Drehachse 8b. Die erste Trennebene 9a, ist weiterhin horizontal - d. h. senkrecht zu der Vertikalrichtung y ausgerichtet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel schneidet die erste Trennebene 9a ebenfalls die Rotationssachse 3 des Großrades 4, sodass sich die erste Trennfuge 10a ebenfalls schneidend mit der Rotationssachse 3 und der Antriebswelle 5 erstreckt.
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Weiterhin umfasst das Gehäuse 2 eine in einer zweiten Trennebene 9b verlaufenden zweite Trennfuge 10b. Die zweite Trennebene 9b schneidet dabei sowohl die dritte Getriebeachse 6c und die vierte Getriebeachse 6d sowie die dritte Drehachse 8c und die vierte Drehachse 8d. Erfindungsgemäß ist die erste Trennebene 9a gegenüber der zweiten Trennebene 9b um einen Winkel α von ca. 10° geneigt. Die in den Figuren nicht dargestellte Schnittgerade zwischen der ersten Trennebene 9a der zweiten Trennebene 9b ist dabei außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und parallel zu der Längserstreckungsrichtung z ausgerichtet. Durch die Schrägstellung der ersten Trennfuge 10a gegenüber der zweiten Trennfuge 10b können die Getriebewellen 6a, 6b, 6c, 6d freier am Außenumfang des Großrades 4 angeordnet werden.
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Das Gehäuse 2 ist dreiteilig mit einem ersten Gehäuseteil 2a, einem zweiten Gehäuseteil 2b und einem dritten Gehäuseteil 2c ausgebildet. Die erste Trennfuge 10a trennt das erste Gehäuseteil 2a von dem zweiten Gehäuseteil 2b. Entsprechend trennt die zweite Trennfuge 10b das zweite Gehäuseteil 2b von dem dritten Gehäuseteil 2c.
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Während die erste Trennfuge 10a horizontal ausgerichtet ist, weist die zweite Trennfuge 10b erfindungsgemäß eine Schrägstellung auf. Um ein Abrutschen bei der Montage bzw. Demontage zu verhindern, weist das Gehäuse 2 an der zweiten Trennfuge 10b Haltevorrichtungen auf. Hierzu sind in den Ausführungsbeispielen jeweils zwei an den zweiten Gehäuseteilen 2b in Vertikalrichtung vorstehender Haltestifte 11 ausgebildet, welchen zugeordneter Aufnahmen 12 des dritten Gehäuseteils 2c eingreifen. Hierdurch kann ein seitliches Abrutschen verhindert werden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist nahezu identisch ausgebildet. Einer vergleichenden Betrachtung entnimmt man, dass die Rotationsachse 3' des Großrades 4 gegenüber der erste Trennebene 9a nach oben versetzt angeordnet ist. Hierdurch können die erste Getriebewelle 6a und die zweite Getriebewelle 6b - sowie die darauf jeweils angeordneten Turbostufen - bei demselben Durchmesser des Großrades 4 näher aneinander angeordnet werden. Hierzu verläuft die erste Trennfuge 10a' nicht vollständig innerhalb der ersten Trennebene 9a, sondern bildet eine Ausbuchtung 13 aus, innerhalb welcher die Lager für die Antriebswelle 5' des Großrades angeordnet sind.
