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GEBIET DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen, die im Allgemeinen Turbolader und insbesondere Abdichtsysteme für Turbolader betreffen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Turbolader sind eine Art forciertes Ansaugsystem. Sie liefern Luft mit höherer Dichte als bei der normal angesaugten Auslegung möglich wäre, zu der Maschinenansaugung, erlauben es, mehr Kraftstoff zu verbrennen, wodurch die Leistung des Verbrennungsmotors ohne signifikante Steigerung des Gewichts des Motors geboostet wird. Ein kleinerer aufgeladener Motor, der einen physikalisch größeren Motor mit normaler Ansaugung ersetzt, verringert die Masse und kann den aerodynamischen Frontbereich des Fahrzeugs verringern.
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1 zeigt eine Querschnittansicht eines typischen Turboladers (10). Der Turbolader (10) weist eine Turbinenstufe (12) und eine Verdichterstufe (14) auf. Turbolader verwenden den Abgasstrom von dem Maschinenauslasskrümmer, um ein Turbinenrad (16) anzutreiben, das sich in einem Turbinengehäuse (17) befindet. Sobald das Abgas durch das Turbinenrad (16) durchgegangen ist und das Turbinenrad (16) Energie aus dem Abgas extrahiert hat, verlässt das verbrauchte Abgas das Turbinengehäuse (17) durch einen Ausströmkörper und wird in das Fahrzeugauslaufrohr gesaugt und gewöhnlich zu Nachbehandlungsvorrichtungen, wie zum Beispiel zu Katalysatoren, Partikelfallen und NOx-Fallen geführt. Die von dem Turbinenrad (16) extrahierte Energie wird in Drehbewegung umgewandelt, die verwendet wird, um ein Verdichterrad (18) anzutreiben, das sich in einem Verdichterdeckel (19) befindet. Das Verdichterrad (18) saugt Luft in den Turbolader (10), verdichtet diese Luft und liefert sie zu der Ansaugseite der Maschine des Motors. Die drehende Einheit besteht aus den folgenden Hauptbauteilen: Turbinenrad (16), eine Welle (20), auf die das Turbinenrad (16) montiert ist, ein Verdichterrad (18), das ebenfalls auf die Welle (20) montiert ist, ein Ölschleuderer (22) und Schubbauteile. Die Welle (20) hat eine dazugehörende Rotationsachse (21).
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Die Welle (20) dreht auf einem hydrodynamischen Lagersystem, dem ein Schmiermittel, zum Beispiel Öl, typischerweise durch die Maschine zugeführt wird. Das Lagersystem kann in einem Lagergehäuse (23) bereitgestellt sein. Öl wird über einen Ölzufuhrport (24) geliefert, um beide Achslager (26) und das Drucklager (28) zu versorgen. Sobald es verwendet wurde, fließt das Öl zu dem Lagergehäuse (23) und tritt durch einen Ölablass (30), der mit dem Maschinenkurbelgehäuse verbunden ist, aus.
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HDruckbedingungen in der Turbinenstufe (12) und der Verdichterstufe (14) können oft darin resultieren, dass Öl durch die Abdichtmechanismen, die die drehende Einheit abdichten, zu dem Lagergehäuse (23) gesaugt wird. Der interne Ölstrom von dem Lagergehäuse zu Rückseite des Verdichterrads, an dem Verdichterrad vorbei zu der Verdichterstufe und der Maschinenbrennkammer, wird allgemein „Verdichterend-Ölpassage” genannt. Die Verdichterend-Ölpassage muss vermieden werden, da sie in Kontamination der Katalysatoren und in unerwünschten Emissionen resultieren kann. Mit ständig schärferen Emissionsnormen wird die Neigung zur Verdichterend-Ölpassage zu einem größeren Problem.
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Unterschiedliche Abdichtungsmaßnahmen werden gewöhnlich innerhalb eines Turboladers verwendet, um eine Abdichtung an einer Schnittstelle zwischen einem oder mehreren statischen Turboladerelementen zu schaffen (zum Beispiel das Lagergehäuse (23) und/oder ein Einsatz (34)) und einen Abschnitt der dynamischen drehenden Einheit (zum Beispiel Turbinenrad (16), Verdichterrad (18), Ölschleuderer (22) und/oder Welle (20)), um das Durchgehen von Öl von dem Lagergehäuse (23) zu der Verdichterstufe (14) zu minimieren. Solche Abdichtmaßnahmen können den unerwünschten Strom von Gas von der Verdichterstufe (12) zu dem Lagergehäuse (23), ein Zustand, der als Blowby bekannt ist, verhindern. 2 zeigt eine Nahansicht eines Abschnitts der Schnittstelle (31) zwischen stationären und drehenden Elementen in dem Verdichterende des Turboladers (10). Unterschiedliche Abdichtelemente werden in dem Bereich verwendet. Eine oder mehrere Spaltdichtungen (32) (zum Beispiel Dichtringe oder Kolbenringe) sind zum Beispiel betrieblich zwischen dem Ölschleuderer (22) und dem Einsatz (34) positioniert. Ein Abschnitt jeder Dichtung (32) kann innerhalb einer jeweiligen Hohlkehle (36), die in dem Ölschleuderer (22) vorgesehen ist, aufgenommen werden.
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Während einigen Betriebsbedingungen kann es jedoch möglich sein, dass Öl in dem Lagergehäuse (23) um die eine oder mehreren Spaltdichtungen (32) läuft und in das Verdichtergehäuse (12) eintritt. Ein solcher Zustand wird nun beschrieben. In dem Hohlraum (40) zwischen dem Einsatz (34) und der Rückseite (38) des Verdichterrads (18) befindet sich Luft. Die Rückseite (38) des Verdichterrads (18) dreht mit hoher Drehzahl um die Achse (21). Luft in der Nähe der drehenden Rückseite (38) wird zum Mitdrehen aufgrund der Reibung zwischen Luft und der Rückseite (38) forciert. Es kann daher eine Zentrifugalbeschleunigung bestehen (das heißt in die radiale Richtung), die bewirkt, dass in dem Hohlraum (40), in der Nähe der Welle (20), ein niedrigerer Druck herrscht, und ein höherer Druck nahe der Spitze (42) des Verdichterrads (18). Der Druckgradient ist in Bezug auf den Differenzdruck an der Schnittstelle (31) ungünstig, das heißt, der Druck auf der Außenseite (31o) ist niedrigerer als der Druck auf der Innenseite (31i), was potenziell Verdichterend-Ölpassage verursacht.
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Bei diesem Zustand besteht ein Ölstrom (44) von dem Hohlraum (46) zwischen dem Drucklager (28) und dem Einsatz (34) um einen oder mehrere Dichtringe (32). Dieser Strom (44) wird von dem forcierten Wirbel, wie oben beschrieben, gesaugt, um ein Strom (48) hinter der Rückseite (38) des Verdichterrads zu werden. Dieser Strom (48) wird durch den Verdichterstufendiffusor (50) gesaugt (siehe 1). Typischerweise kann der Wirkung dieses verringerten Drucks oder sogar negativen Drucks (Vakuum), durch mechanisches Vertiefen des Verdichterrads (18) in dem Lagergehäuse (23) entgegengewirkt werden. Als Ergebnis dieser Einrichtung kann etwas druckbeaufschlagte Luft von der Verdichterstufe (14) zu dem Hohlraum (40) hinter dem Verdichterrad (18) umgelenkt werden. Diese Ablenkung verdichteter Luft verändert das Druckgleichgewicht um den Hohlraum (40) von der Verdichterradspitze (42) zu der einen oder mehreren Dichtungen (32) und minimiert das Potenzial dieser Ölpassage in den Verdichterauslass und dann das Verbrennungssystem der Maschine.
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Ein nach innen gerichteter Druckgradient in Bezug auf das Lagergehäuse ist für normale Betriebsbedingungen mit wesentlichem Verdichterauslassdruck effektiv. Es gibt jedoch einige Betriebsbedingungen, bei welchen es schwieriger oder unmöglich ist, einen Überdruck auf der Außenseite der Dichtung aufrechtzuerhalten, darunter niedrige oder null Turbodrehzahl, eingeschränkter Verdichtereinlass, Abgasbremsen oder Starten der Niederdruckstufe bei einem zweistufigen sequenziellen Turbinensystem. In solchen Fällen kann es möglich sein, dass Öl oder ein anderes Schmiermittel (44) um eine oder mehrere Dichtungen (32) läuft. Einige dieser Beispiele werden unten ausführlicher präsentiert.
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Wenn ein schwer beladener Lkw, der mit einer Abgasbremse des Maschinenverdichtungstyps ausgestattet ist, eine Neigung mit einem langen stetigen Gefälle hinunter fährt, kann die Abgasbremse verwendet werden, um den Abgasstrom stromabwärts des Turbinenrads (16) zu blockieren und dem Fahrzeug unabhängig von den Radbremsen des Fahrzeugs Verlangsamung bereitzustellen. Die Masse und die Trägheit des LKWs können den LKW den Hügel hinab schieben, was Drehen der Maschine durch das Fahrzeuggetriebe forciert. Während kein Kraftstoff in die Maschine eingeführt wird, wirkt die Maschine wie eine Luftpumpe gegen das Blockieren der Abgasbremse, um die Geschwindigkeit des LKWs zu verlangsamen. Der Massegasstrom durch die Turbinenstufe wird weitgehend verringert, so dass die Drehzahl der Turboladerräder nicht vorherrschend von der Turbinenstufe angetrieben wird.
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Die Bremswirkung des Fahrzeugs auf der Maschine (durch das Fahrzeuggetriebe) wirkt nun wie eine Luftpumpe, kann einen Unterdruck, (zum Beispiel ein Vakuum) in dem Einlasssystem erzeugen, während es Luft durch die Verdichterstufe (14) ansaugt. Der Unterdruck in der Verdichterstufe (14) verändert den Differenzdruck an der Spitze (42) des Verdichterrads (18) an den Verdichterenddichtungen (32). Das resultiert in einem ungünstigen Differenzdruck an den Dichtringen (32), was in einer Verdichterend-Ölpassage resultieren kann. Wenn diese durch Abgasbremsen angetriebene Situation entsteht, kann der Unterdruck, der sich entwickelt hat, die typischerweise verwendeten Dichtring-Differenzdruckkorrekturen (zum Beispiel das Vertiefen des Verdichterrads (18)) überkommen und das Übergehen von Öl von dem Lagergehäuse (23) in den Verdichterauslass und dann zu dem Maschinenverbrennungssystem verursachen.
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Ein ähnliches Problem kann mit der Hochdruck-HD-Verdichterstufe bei Turboladern mit Stufen auftreten, bei welchen die Verdichter in einer Reihe angeordnet sind. Bei einer Reihen-Verdichterkonfiguration wird der Auslass des Niederdruck-ND-Verdichters direkt zu dem Einlass des Hochdruck-HD-Verdichters gesaugt. Wenn der Abgasmassestrom zu der Turbinenstufe des kleineren Hochdruck-HD-Turboladers gelenkt wird, das heißt nicht zu der größeren Turbinenstufe des ND-Turboladers, kann die Verdichterstufe des HD-Verdichters mehr Masseluftstrom in ihren Einlass saugen als der Ausgangsmassestrom des Niederdruck-ND-Verdichters mit potenziell höherer Kapazität, der langsam läuft, mit weniger Massestromausgabe als Massestromeingabe des kleineren HD-Verdichters. Daraus resultiert, dass die Verdichterstufe des ND-Verdichters in einem Unterdruck läuft, was in einem ungünstigen Differenzdruck an dem Verdichterenddichtring des HD-Turboladers resultieren kann.
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Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Abdichteinrichtungen zwischen drehenden Bauteilen und den stationären Bauteilen in dem Verdichterende eines Turboladers, insbesondere bei niedrigen Turboladerdrehzahlen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen betreffen Abdichtelemente und Einrichtungen zwischen der Rückseite des Verdichterrads und benachbarten Bauteile, wie zum Beispiel das Lagergehäuse und/oder der Einsatz. Solche Abdichtelemente und Einrichtungen können die Abdichtung zwischen den Bauteilen der dynamisch drehenden Einheit und den komplementären stationären Bauteilen auf dem Verdichterende eines Turboladers verbessern und dadurch Verdichterend-Ölpassage minimieren. Die Abdichtelemente können eine Druckplatte und/oder Labyrinthdichtungen aufweisen. Die Abdichtelemente können betrieblich in einem Hohlraum positioniert sein, der zwischen der Rückseite des Verdichterrads und benachbarten Bauteilen definiert ist. Bei mindestens einigen Fällen kann extern druckbeaufschlagte Luft oder intern zugeführte Ladeluft selektiv zu einem Raum hinter den Dichtelementen geführt werden, um ein nach innen gerichtetes Druckgefälle ungeachtet der Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen werden beispielhaft und ohne Einschränkung in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in welchen dieselben Bezugszeichen ähnliche Teile anzeigen, und in welchen:
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1 eine Querschnittansicht eines typischen Turboladers ist,
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2 eine Nahansicht eines Abschnitts des Verdichterendes eines typischen Turboladers ist,
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die 3A–B eine erste Abdichteinrichtung zwischen drehenden und stationären Bauteilen in dem Verdichterende eines Turboladers zeigen,
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die 4A–C Beispiele unterschiedlicher Konfigurationen der Druckplatte der 3A–B zeigen,
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die 5A–B eine zweite Abdichteinrichtung zwischen drehenden und stationären Bauteilen in dem Verdichterende eines Turboladers zeigen,
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die 6A–B eine dritte Abdichteinrichtung zwischen drehenden und stationären Bauteilen in dem Verdichterende eines Turboladers zeigen,
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die 7A–C Beispiele unterschiedlicher Abdichtkonfigurationen zwischen einer Rückseite eines Verdichterrads und einer Druckplatte der 6A–B zeigen, und
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8 ein anderes Beispiel einer Abdichtkonfiguration zwischen einer Rückseite eines Verdichterrads und einer Druckplatte zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Einrichtungen, die hier beschrieben sind, betreffen Abdichtsysteme und Verfahren für den Einsatz zwischen der Bauteilen der dynamisch drehenden Einheit und den komplementären stationären Bauteilen auf dem Verdichterende eines Turboladers. Insbesondere betreffen die Ausführungsformen das Bilden von Abdichtsystemen, die einen Überdruck auf der Außenseite der herkömmlichen Spaltdichtung bilden können (zum Beispiel) die Schnittstelle der Kolbendichtringe, um Öllecks zu vermeiden. Ausführliche Ausführungsformen werden hier offenbart, es ist jedoch klar, dass die offenbarten Ausführungsformen nur als beispielhaft zu verstehen sind. Spezifische Struktur- und Funktionseinzelheiten, die hier offenbart werden, können daher nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern allein als eine Grundlage für die Ansprüche und eine darstellende Basis zur Belehrung des Fachmanns zur unterschiedlichen Verwendung der Aspekte in so gut wie jeder entsprechend detaillierten Struktur. Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrucksweisen sollen nicht einschränkend sein, sondern vielmehr eine verständliche Beschreibung möglicher Umsetzungen bereitstellen. Anordnungen sind in den 3 bis 8 gezeigt, aber die Ausführungsformen sind nicht auf die veranschaulichte Struktur oder Anwendung beschränkt.
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Die 3A–3B zeigen ein Beispiel einer Abdichteinrichtung zwischen einem Abschnitt der drehenden Einheit (zum Beispiel Turbinenrad, in den 3A–3B nicht gezeigt, Verdichterrad (18'), Ölschleuderer (22') und/oder Welle (20')) und ein oder mehrere stationäre Turboladerelemente (zum Beispiel das Lagergehäuse (23') und/oder ein Einsatz (34')) in dem Verdichterende eines Turboladers. Insbesondere zeigen die 3A–3B ein Abdichtsystem, bei dem eine Druckplatte (60) in dem Volumen zwischen der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') und des Lagergehäuses (23') und/oder dazugehörenden Lagergehäusebauteilen bereitgestellt werden kann. Die Druckplatte (60) kann an dem Lagergehäuse (23') auf irgendeine geeignete Art befestigt sein, darunter zum Beispiel durch eine oder mehrere Befestigungen (62) und/oder mechanischen Eingriff. Eine solche Befestigung kann an einer oder mehreren geeigneten Stellen erfolgen. Bei einer Ausführungsform kann die Druckplatte (60) an dem Lagergehäuse (23') nahe der Spitze (42') des Verdichterrads (18') befestigt werden. Die Druckplatte (60) kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, darunter zum Beispiel Stahl, Aluminium, Titan oder ein Hochtemperatur-Polymer, wie zum Beispiel Polyetheretherketon PEEK, Polyacryletherketon PAEK oder Polyamid. Die Verwendung weicherer Polymere kann helfen, Schäden an dem Verdichterrad (18') zu vermeiden, falls leichte Berührung mit der Druckplatte (60) auftritt. Die Druckplatte (60) kann auf irgendeine geeignete Art ausgebildet werden, wie zum Beispiel durch Stanzen und/oder Bearbeiten.
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Die Druckplatte (60) kann helfen, die Schnittstelle (400) einer Spaltdichtung gegenüber den Auswirkungen des Bereichs hinter dem Verdichterrad (18') zu isolieren, der, wie oben beschrieben, den Differenzdruck an den Spaltdichtungen (32') mindestens in Bezug auf die Verdichterend-Ölpassage ungünstig beeinflussen kann. Mit dem Einbau der Druckplatte (60) kann der vorhergehende Hohlraum (40) (siehe 2) in ein erstes Volumen (63) und ein zweites Volumen (80) unterteilt werden. Das erste Volumen (63) kann zwischen der Rückseite (38) des Verdichterrads und der Druckplatte (60) ausgebildet sein, und das zweite Volumen (80) kann zwischen der Druckplatte (60) und einem oder mehreren stationären Elementen ausgebildet sein (zum Beispiel dem Lagergehäuse (23), Einsatz (34) usw.), und/oder zwischen einem oder mehreren drehenden Elementen. Das erste und das zweite Volumen (63, 80) können sich umfänglich um die Achse (21) erstrecken.
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Das erste und das zweite Volumen (63, 80) können durch eine schmale oder eingeschränkte Auslasspassage (64) in Fluidkommunikation sein. Die Auslasspassage (64) kann zwischen dem radial inneren Ende (71) (zum Beispiel einer Spitze (66)) der Druckplatte (60) und der Rückseite (38') des drehenden Verdichterrads (18') ausgebildet sein, und insbesondere mit einem radial inneren Bereich (65) der Rückseite (38') des Verdichterrads (18'). Eine solche schmale Auslasspassage (64) kann ein aerodynamisches Abwürgen des Entleerungsgasstroms hierdurch verursachen. Die Passage (64) kann auch mindestens teilweise zwischen einer Oberfläche (74) der Verdichterseite der Druckplatte (60) und einem radial äußeren Bereich (67) der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') definiert sein. Die Begriffe „radial innen” und „radial außen”, wie sie hier verwendet werden, können in Bezug auf die Achse (21') der Welle (20') verwendet werden.
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Die Druckplatte (60) kann ein im Allgemeinen ringförmiges Bauteil sein. Die Druckplatte (60) kann eine Oberfläche (74) auf der Verdichterseite und eine hintere Oberfläche (70) aufweisen. Die Druckplatte (60) kann ein radial inneres Ende (71) aufweisen, das einen Innendurchmesser bildet. Das radial innere Ende (71) kann mindestens teilweise durch die Spitze (66) definiert sein. Bei einer Ausführungsform kann die Stärke der Druckplatte (60) in die Richtung radial nach außen zunehmen. Die Stärke der Druckplatte (60) ist daher an oder nahe der Spitze (66) am kleinsten, und die Stärke der Druckplatte (60) kann von dort ausgehend in die radial äußere Richtung, wie in 3B sichtbar, zunehmen. Die Druckplatte (60), die in den 3A–3B gezeigt ist, ist jedoch nur ein Beispiel, und Ausführungsformen der Druckplatte (60) sind nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. Die Druckplatte (60) kann zum Beispiel eine unterschiedliche Verjüngung von der, die gezeigt ist, haben, oder sie kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Stärke oder andere, sich nicht verjüngender Konfiguration haben.
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Die Druckplatte (60) und die Schnittstelle zwischen der Spitze (66) der Druckplatte (60) und der Rückseite (38') des drehenden Verdichterrads (18') kann jede geeignete Konfiguration haben, um das Lecken eines Entleerungsgases, das zu dem zweiten Volumen (80) zugeführt wird, zu minimieren. Die 4A–C zeigen Beispiele unterschiedlicher möglicher Konfigurationen der Druckplatte (60). Diese Konfigurationen können das Einführen eines Wirbelstroms zum Eintreten in die schmale Passage (64) erleichtern, um den Luftstrom durch die Auslasspassage (64) zu verhindern. Bei einer Ausführungsform kann der radiale Abstand zwischen der Spitze (66) der Druckplatte (60) und der Rückseite (38') des drehenden Verdichterrads (18') in dem Bereich von etwa 0,35 bis etwa 0,70 mm liegen. Der radiale Abstand kann ausgewählt werden, um ein knappes Passen auszugleichen, um das Lecken von Entleerungsgas zu minimieren, während normale Rotorbewegung ohne Berührung erlaubt wird. Solche Konfigurationen enthalten Variationen an der Spitze (66) der Druckplatte (60) und/oder an der Kante (68). Die Spitze (66) kann durch den Schnittpunkt einer hinteren Oberfläche (70) der Druckplatte (60) mit einem radial inneren Abschnitt (72) einer Oberfläche (74) auf der Verdichterseite der Druckplatte (60) ausgebildet sein. Die Kante (68) kann an dem Übergang zwischen dem radial inneren Abschnitt (72) und einem radial äußeren Abschnitt (76) der Oberfläche (74) der Verdichterseite ausgebildet sein.
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Bei einer Umsetzung kann die Spitze (66) durch einen spitzen Winkel, wie in 4A gezeigt, definiert sein. Dieser Winkel kann ein möglichst spitzer Winkel sein, um das Trennen des Luftstroms, der von der Spitze (66) der Druckplatte (60) zu der Spitze (42) des Verdichterrads (18) fließt, zu forcieren. Der Winkel kann zum Beispiel etwa 60 Grad oder weniger betragen, etwa 45 Grad oder weniger, etwa 30 Grad oder etwa 15 Grad oder weniger, um nur einige Möglichkeiten zu erwähnen. Bei dieser Umsetzung kann der radial innere Abschnitt (72) der Oberfläche (74) der Verdichterseite im Allgemeinen flach sein. Da die Druckplatte (60) ein ringförmiges Bauteil ist, kann der radial innere Abschnitt (72) daher im Allgemeinen kegelförmig sein.
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Eine andere Umsetzung der Druckplatte (60) ist in 4B gezeigt. Hier kann der radial innere Abschnitt (72) der Oberfläche (74) der Verdichterseite im Allgemeinen konkav sein. Solche Konkavität kann das Herstellen des Winkels der Spitze (66) so spitz wie möglich erleichtern. Solche Konkavität des radial inneren Abschnitts (72) kann helfen, den Winkel der Kante (68) so spitz wie möglich zu machen.
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Noch eine andere Umsetzung der Druckplatte (60) ist in 4C gezeigt. Bei dieser Umsetzung kann die Spitze (66) der Druckplatte (60) abgefast sein. Eine Abfasung kann eine andere Kante mit Potenzial zur Stromtrennung bereitstellen und auch einen relativ leichter herzustellenden Schnittpunkt bereitstellen.
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Bei einigen Umsetzungen kann das zweite Volumen (80) selektiv mit Druck beaufschlagt werden, um einen nach innen gerichteten Druckgradienten an der Dichtschnittstelle (400) zu erzeugen, um Öl oder anderes Schmiermittel daran zu hindern, aus dem Lagergehäuse (23) auszutreten. Ein „nach innen gerichteter Druckgradient” bedeutet, dass der Druck auf der Außenseite (200) der Schnittfläche (400) größer ist als der Druck an der Innenseite (300). Die Außenseite (200) ist die Seite der Schnittfläche (400), die dem Verdichterrad (18) näher liegt. Die Innenseite (300) ist die Seite der Schnittfläche, die dem Lagergehäuse (23) näher liegt.
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Die Innenseite (300) kann mindestens den Hohlraum (46') zwischen dem Einsatz (34') und dem Drucklager (28') aufweisen. Die Außenseite (200) weist das Volumen (80) auf. Das zweite Volumen (80) kann selektiv mit Druck beaufschlagt werden, um wie gewünscht einen vorbestimmten Zieldruck aufrechtzuerhalten, um einen nach innen gerichteten Druckgradienten an der Dichtschnittstelle (400) aufrechtzuerhalten. Der Druck der Innenseite (300) ist typischerweise etwa Luftdruck (1 bar) und kann durch den Kurbelgehäusedruck beeinflusst werden. Der Zieldruck des zweiten Volumens (80) kann jeder geeignete Druck sein, so dass ein nach innen gerichteter Druckgradient erzielt wird. Bei einer Ausführungsform kann der Zieldruck des zweiten Volumens (80) mindestens etwa 100 mbar zu etwa 150 mbar größer sein als der Druck auf der Innenseite (300).
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Um den gewünschten Zieldruck in dem zweiten Volumen (80) oder ein gewünschtes Druckverhältnis an der Dichtschnittstelle (400) aufrechtzuerhalten, kann der Luftverlust von dem zweiten Volumen (80) minimiert werden. Dadurch wird die Luftmenge, die zu dem zweiten Volumen (80) zugeführt wird, um den gewünschten Zieldruck zu erzeugen, minimiert, wodurch Entleerungsgas (zum Beispiel Luft) für andere vorteilhafte Zwecke gewahrt wird. Überschüssige Mengen an Entleerungsgas, das zu dem zweiten Volumen (80) zugeführt wird, können Kosten verursachen oder die Leistung beeinträchtigen. Die Konfiguration des radial inneren Endes (71) der Druckplatte (60), zum Beispiel die Spitze (66) und/oder die Auslasspassage (64) können folglich optimiert werden, um das Lecken von Luft aus dem zweiten Volumen (80) zu dem ersten Volumen (63) zu minimieren. Das radial innere Ende (71) der Druckplatte (60) kann irgendeine geeignete Konfiguration haben, für welche Beispiele hier beschrieben sind.
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Wie oben erwähnt, kann das zweite Volumen (80) selektiv bei mindestens einigen Umsetzungen mit Druck beaufschlagt werden. Eine solche selektive Druckbeaufschlagung des zweiten Volumens (80) kann auf irgendeine geeignete Art erzielt werden. Als ein Beispiel kann eine Zuführleitung (78) bereitgestellt werden, um Luft oder irgendein anderes geeignetes Fluid zu dem Volumen (80), das zwischen der Druckplatte (60) und dem Lagergehäuse (23) ausgebildet ist, wie in den 3A–B gezeigt, zuzuführen. Das zweite Volumen (80) kann wieder mit dem ersten Volumen (63) anhand der schmalen Passage (64) in Fluidkommunikation stehen. Die Zuführleitung (78) kann durch einen Abschnitt des Lagergehäuses (23) verlegt werden. Entleerungsgas (zum Beispiel mit Druck beaufschlagte Luft) oder ein anderes druckbeaufschlagtes Fluid kann unter einigen Betriebsbedingungen zu dem zweiten Volumen (80) zugeführt werden. Das Fluid kann von irgendeiner geeigneten Quelle, darunter externe druckbeaufschlagte Luft oder intern zugeführten Ladeluftquelle zugeführt werden. Die Quelle kann zum Beispiel eine dedizierte Elektropumpe sein, die an irgendeiner Stelle in dem Fahrzeugsystem abzweigt (zum Beispiel das Bremssystem), oder von irgendeinem anderen Abschnitt des Turboladers. Wenn das Fluid zu dem zweiten Volumen (80) zugeführt wird, kann ein nach innen gerichteter Druckgradient ungeachtet der Betriebsbedingungen bereitgestellt werden.
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Die Luftzufuhr zu dem zweiten Volumen (80) kann selektiv auf irgendeine geeignete Art umgesetzt werden. Eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt), kann zum Beispiel betrieblich verbunden sein, um selektiv die Zufuhr von druckbeaufschlagtem Fluid zu dem Volumen (80) zu steuern. Die Steuervorrichtung kann eine Maschinensteuervorrichtung, eine Turboladersteuervorrichtung oder andere geeignete Steuervorrichtung sein. Die Steuervorrichtung kann aus Hardware, Software oder irgendeiner Kombination davon bestehen.
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Luft oder andere Entleerungsgase können selektiv zu dem Volumen (80) zugeführt werden, wenn der Druck auf der Außenseite (200) der Schnittstelle (400) an oder unterhalb eines vorbestimmten Zieldrucks liegt. Alternativ oder zusätzlich kann Luft oder ein anderes Entleerungsgas zu dem Volumen (80) selektiv zugeführt werden, wenn der Differenzdruck und/oder das Druckverhältnis zwischen der Außenseite (200) und der Innenseite (300) der Schnittstelle (400) an oder unterhalb eines vorbestimmten Zielverhältnisses oder Differenz ist. Falls solche Bedingungen auftreten, können Luft oder anderes Entleerungsgas zu dem zweiten Volumen (80) zugeführt werden, um den Druck der Außenseite (200) auf ein akzeptables Niveau anzuheben. Beispiele von Betriebsbedingungen, falls sie auftreten, können Leerlauf aufweisen, oder wenn die Maschine mit leichter Last arbeitet. Sobald der vorbestimmte Zieldruck, Differenzdruck und/oder das Druckverhältnis erzielt ist, kann die Luftzufuhr zu dem Volumen (80) unterbrochen werden. Derart kann der Luftverbrauch minimiert werden, das heißt, er braucht nicht von irgendeinem günstigen Gebrauch anderswo entnommen zu werden.
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Zu bemerken ist jedoch, dass das zweite Volumen (80) bei anderen Umsetzungen nicht selektiv mit Druck beaufschlagt werden kann. Die Druckplatte (60) kann wieder helfen, die Schnittstelle (400) einer Spaltdichtung gegenüber den Auswirkungen des Bereichs hinter dem Verdichterrad (18') zu isolieren, der sich anderenfalls negativ auf den Differenzdruck an den Spaltdichtungen (32') mindestens in Bezug auf die Verdichterend-Ölpassage auswirken kann. Bei einem Test eines Turboladersystems mit der Druckplatte (60), trat Verdichterend-Ölpassage zum Beispiel immer noch auf, sie trat jedoch an einem Differenzdruck von 200 bis 300 mbar an der Schnittstelle (400) auf, das heißt, dass der Druck der Innenseite (300) um 200 bis 300 mbar größer ist als der Druck der Außenseite (200). Im Gegensatz dazu tritt Verdichterend-Ölpassage ohne Druckplatte (60) typischerweise an einer Stelle auf, an der der Druck der Innenseite (300) größer ist als der Druck der Außenseite (200). Der Einbau der Druckplatte (60) kann daher den Bereich geeigneter Differenzdrücke an der Schnittstelle (400) erweitern, ohne dass Verdichterend-Ölpassage auftritt. Zu bemerken ist, dass Ausführungsformen, bei welchen selektive Druckbeaufschlagung der Außenseite (200) der Schnittstelle (400) nicht umgesetzt wird, an irgendeine der hier beschriebenen Einrichtungen angewandt werden kann.
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Die 5A–5B zeigen ein Abdichtsystem, bei dem eine Druckplatte (81) in dem Volumen zwischen der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') und des Lagergehäuses (23') und/oder dazugehörenden Lagergehäusebauteilen bereitgestellt werden kann. Die oben stehende Besprechung der Druckplatte (60) kann auch für die Druckplatte (81) gelten. Hier kann die Druckplatte (81) dünnwandig sein. Die Druckplatte (81) kann eine Stärke von etwa 0,5 Millimeter bis etwa 3 Millimeter haben. Bei einer Ausführungsform kann die Druckplatte (81) etwa 1 Millimeter dick sein. Die Stärke der Druckplatte (81) kann im Allgemeinen in die radiale Richtung nach außen konstant sein. Die Druckplatte (81) kann eine oder mehrere Biegungen (82) enthalten. Die Druckplatte (81) kann auf irgendeine geeignete Art ausgebildet sein, zum Beispiel durch Stanz-, Dreh- oder Spritzgussprozesse.
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Ein radial inneres Ende oder Spitze (83) der Druckplatte (81) kann eine eingeschränkte Strompassage (86) mit einer äußeren umfänglichen Oberfläche (84) des Ölschleuderers (22') definieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Passage (86) auch mindestens teilweise zwischen einer Oberfläche (88) der Verdichterseite der Druckplatte (81) und einem radial äußeren Bereich (67) und/oder einem radial inneren Bereich (65) der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') definiert sein. Die Druckplatte (81) kann eine Einschränkung in der Wirkung des forcierten Wirbels in dem vorhergehenden Hohlraum (40) (siehe 2) erzeugen, der wiederum den Differenzdruck an einem oder mehreren Dichtringen (32') verändern kann.
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Wenn die Maschine einen Niederdruck in dem Verdichterdeckel (19') wie oben beschrieben erzeugt, kann Öl um die Dichtringe (32') in das erste Volumen (63) zwischen der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') und der Oberfläche (88) der Verdichterseite der Druckplatte (81) mit dünnem Querschnitt saugen. Die Spitze (83) der dünnwandigem Druckplatte (81) kann so nahe wie möglich an der äußeren umfänglichen Oberfläche (84) des Ölschleuderers (22') liegen, um die Passage (86) zwischen ihnen zu minimieren. Der Durchmesserunterschied zwischen der Spitze (83) der Druckplatte (81) mit dünnem Querschnitt und dem Durchmesser der äußeren umfänglichen Oberfläche (84) des Ölschleuderers (22') kann basierend auf dem Abstand bemessen werden, der aufgrund sowohl des großen Neigens der drehenden Einheit als auch der bahnförmigen Beschaffenheit des Drehens der drehenden Einheit erforderlich ist. Es ist klar, dass die Neigung von Entleerungsgas, zu dieser einschränkenden Passage (86) überzugehen, umso größer ist, als der Abstand an der Spitze (83) groß ist. Außerdem kann eine größere Luftmenge erforderlich sein, um dem gewünschten Zieldruck auf der Außenseite (200) der Schnittfläche (400) zu erzielen, zum Beispiel mindestens etwa 100 bis 150 mbar. Falls der Abstand jedoch kleiner gemacht wird, besteht eine größere Chance, dass der sich bewegende (zum Beispiel drehende, umlaufende und schwenkende) Ölschleuderer (22') die stationäre Spitze (83) der Druckplatte (81) berührt.
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Das System kann eine Zuführleitung (78) aufweisen, um Luft oder irgendein anderes geeignetes Fluid zu dem Volumen (80), das zwischen der Druckplatte (81) und dem Lagergehäuse (23') ausgebildet ist, wie in den 5A–B gezeigt, zuzuführen. Die oben stehende Besprechung der Zuführleitung (78) in Zusammenhang mit den 3A–B gilt auch hier.
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Die 6A–6B zeigen ein Abdichtsystem, bei dem eine eingeschränkte Passage (91) mindestens zum Teil von einer Labyrinthdichtung (90) ausgebildet wird. Die Labyrinthdichtung (90) kann verwendet werden, um eine aerodynamische Einschränkung gegen den Strom von Entleerungsgas von dem einen oder mehreren Dichtringen (32') zu der Spitze (42') des Verdichterrads (18') zu erzeugen. Die Labyrinthdichtung (90) kann den verfügbaren statischen Förderdruck in wirbelnde kinetische Energie an jeder Einschränkung, die von der Labyrinthdichtung (90) gebildet wird, ändern. Der hohe Grad an Wirbeln kann die Strommenge verringern, die sich durch jede Kammer der Labyrinthdichtung (90) bewegen kann.
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Die Labyrinthdichtung (90) kann auf irgendeine geeignete Art ausgebildet sein. Eine Druckplatte (92) kann zum Beispiel in einem Abschnitt des Volumens zwischen der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') und dem Lagergehäuse (23') und/oder dazugehörenden Lagergehäusebestandteilen bereitgestellt werden. Die Druckplatte (92) kann an dem Lagergehäuse (23') auf irgendeine geeignete Art befestigt sein, darunter zum Beispiel durch eine oder mehrere Befestigungen und/oder mechanischen Eingriff. Eine solche Befestigung kann an einer oder mehreren geeigneten Stellen erfolgen. Die Druckplatte (92) kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, darunter zum Beispiel Stahl. Die Druckplatte (92) kann ein im Allgemeinen ringförmiges Bauteil sein. Die Druckplatte (92) kann eine Oberfläche (94) auf der Verdichterseite und eine hintere Oberfläche (96) aufweisen. Die Druckplatte (92) kann ein radial inneres Ende (98) aufweisen, das einen Innendurchmesser bildet.
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Die 7A–C zeigen Beispiele unterschiedlicher möglicher Konfigurationen der Labyrinthdichtung (90). Jede dieser Konfigurationen wird unten einzeln betrachtet.
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Bei einer Umsetzung kann eine Mehrzahl von Zähnen (100) in der Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) ausgebildet sein, und die Rückseite (38') des Verdichterrads (18') kann, wie in 7A gezeigt, im Allgemeinen glatt sein. Die Zähne (100) können sich im Allgemeinen entlang der axialen Richtung erstrecken, das heißt im Allgemeinen in die Richtung der Achse (21'). Natürlich erstrecken sich die Zähne (100) umfänglich sowie um die Achse (21'). Eine Labyrinthkammer (102) kann mindestens teilweise zwischen benachbarten Paaren von Zähnen (100) ausgebildet werden. Die Labyrinthkammern (102) erstrecken sich umfänglich um die Achse (21').
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Die Anzahl der Zähne (100) kann jede geeignete Anzahl sein. Die Zähne (100) können entlang der Oberfläche (94) auf irgendeine geeignete Art verteilt sein. Die Zähne (100) können zum Beispiel im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sein. Bei einigen Fällen kann die Beabstandung zwischen mindestens einem Paar von Zähnen (100) zu der Beabstandung zwischen anderen Paar von Zähnen (100) ungleichmäßig sein. Natürlich hängen die Menge und die Beabstandung der Labyrinthkammern (102) mindestens teilweise von der Menge und der Beabstandung der Zähne (100) ab.
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Die Zähne (100) können irgendeine geeignete Gestaltung haben, die abwechselnde Bereiche größerer und kleinerer Volumen entlang der radialen Richtung ausbildet. Bei einer Ausführungsform können die Zähne (100) im Allgemeinen rechteckige Querschnittform haben. Andere Gestaltungen sind jedoch möglich. Die Zähne (100) können sich über dieselbe axiale Entfernung erstrecken, oder ein oder mehrere Zähne (100) können sich über eine unterschiedliche axiale Entfernung als die anderen Zähne (100) erstrecken. Die Gestaltung der Labyrinthkammern (102) hängt mindestens teilweise von der Gestaltung der Zähne (100) ab. Die Mehrzahl von Labyrinthkammern (102) kann im Wesentlichen identisch sein, oder eine oder mehrere der Labyrinthkammern (102) können von den anderen Labyrinthkammern in einem oder mehreren Aspekten unterschiedlich sein. Bei einer Ausführungsform kann die Tiefe der Labyrinthkammern (102) in etwa gleich der Breite der Labyrinthkammern (102) sein, und die Breite des Zahns (100) kann in etwa die Hälfte der Breite der Labyrinthkammer (102) betragen.
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Es ist klar, dass die entgegengesetzte Einrichtung zu der in 7A gezeigten bereitgestellt werden kann. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl von Zähnen (100) in der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') ausgebildet werden, und die Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) kann im Allgemeinen glatt sein.
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Bei einer anderen Umsetzung der Labyrinthdichtung (90) kann eine Mehrzahl von Zähnen (100) in der Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) ausgebildet sein, und die Rückseite (38') des Verdichterrads (18') kann, wie in 7B gezeigt, eine Mehrzahl von Stufen (104) aufweisen. Die oben stehende Besprechung der Zähne (100) und der Labyrinthkammern (102) in Zusammenhang mit 7A gilt auch für die Zähne und Kammern (102) in 7B. Die Stufen (104) können geeignete Konfiguration, Beabstandung und Einrichtung haben. Die Anzahl der Stufen (104) kann jede geeignete Anzahl sein. Die Stufen (104) können im Wesentlichen miteinander identisch sein, oder mindestens eine der Stufen (104) kann von den anderen Stufen (104) in einem oder mehreren Aspekten unterschiedlich sein. Die Stufen (104) können in Bezug zu den Zähnen (100) eingerichtet sein oder nicht. Bei einer Ausführungsform können die Zähne (100) und/oder die Böden (106) der Kammern (102) in der Druckplatte (90) auf komplementäre Art zu der abgestuft sein, die an den Stufen (104) auf dem Verdichterrad (18) verwendet wird. Wie in 7B gezeigt, können die Böden (106) jeder anderen Kammer (102) im Wesentlichen mit einer jeweiligen der Stufen (104) ausgerichtet sein.
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Es ist klar, dass die entgegengesetzte Einrichtung zu der in 7B gezeigten bereitgestellt werden kann. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl von Zähnen (100) in der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') ausgebildet werden, und die Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) kann eine Mehrzahl von Stufen aufweisen.
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Bei einer weiteren Variation kann eine abgestufte Labyrinthdichtung (90), wie in 7C gezeigt, bereitgestellt werden. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl von Zähnen (100) in der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') ausgebildet werden, und eine Mehrzahl von Zähnen (100') kann in der Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) ausgebildet sein. Die oben stehende Besprechung der Zähne (100) und der Labyrinthkammern (102) in Zusammenhang mit 7A gilt auch für die Zähne (100, 100') und die Kammern (102, 102') in 7C. Die Zähne (100) und/oder Labyrinthkammern (102) in der Rückseite (38') des Verdichterrads (18) können im Wesentlichen gleich den Zähnen (100') und/oder Labyrinthkammern (102') sein, die in der Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) ausgebildet sind. Einer oder mehrere der Zähne (100) und/oder eine oder mehrere der Labyrinthkammern (102) in der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') können jedoch von den Zähnen (100') und/oder Labyrinthkammern (102') in der Oberfläche (94) der Verdichterseite der Druckplatte (92) in einem oder mehreren Aspekten unterschiedlich sein.
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Das System kann derart eingerichtet sein, dass jede Labyrinthkammer (102') in der Druckplatte (92) jeweils einen der Zähne (100) in der Rückseite (38) des Verdichterrads (18') aufnehmen kann. Ebenso kann jede Labyrinthkammer (102) in der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') jeweils einen der Zähne (100') in der Druckplatte (92) aufnehmen. Die Zähne (100), die auf der Rückseite (38') des drehenden Verdichterrads (18') vorgesehen sind, können eine relative Bewegung zwischen den Oberflächen der Zähne (100) und den Oberflächen der statischen Labyrinthkammern (102'), die auf der Druckplatte (92) vorgesehen sind, verursachen, für die ein Viskositätseffekt bestehen kann, der dazu tendiert, irgendein Fluid dazwischen in eine Drehbewegung zu forcieren, wodurch Wirbel verursacht werden. Ferner kann die Einrichtung ineinandergreifender Zähne (100, 100') auch die Länge der Abdichtpassage erhöhen und einen gewundenen Verlauf schaffen. Diese Effekte können mehr Widerstand gegenüber effizientem Strom durch sie erzeugen.
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8 zeigt eine Einrichtung, bei der eine Druckplatte (110) bereitgestellt ist. Die Druckplatte (110) kann in die radiale Richtung relativ kurz sein, so dass, wenn sie in ihrer Betriebsposition installiert ist, ihr radial inneres Ende (112) in einem radial äußeren Bereich (67) der Rückseite (38') des Verdichterrads (18') endet. Die Druckplatte (110) kann an dem Lagergehäuse (23') auf irgendeine geeignete Art befestigt sein, darunter zum Beispiel durch Befestigungen und/oder mechanischen Eingriff. Die Druckplatte (110) kann ein radial inneres Ende (112) aufweisen. Die Druckplatte (110) kann eine hintere Oberfläche (116) und eine Oberfläche (118) auf der Verdichterseite aufweisen. Eine eingeschränkte Strompassage (114) kann zwischen der Oberfläche (118) der Verdichterseite der Druckplatte (110) und der Rückseite (38') des Verdichterrads (38') ausgebildet sein.
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Das System kann eine Zuführleitung (78) (nicht gezeigt) aufweisen, um Luft oder irgendein anderes geeignetes Fluid zu dem Volumen (80), das zwischen der Druckplatte (110) und dem Lagergehäuse (23') ausgebildet ist, zuzuführen. Die oben stehende Besprechung der Zuführleitung (78) in Zusammenhang mit den 3A–B gilt auch hier unter Bezugnahme auf 8.
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Die Begriffe „ein” und „eine”, wie sie hier verwendet werden, sind als ein oder mehr als ein definiert. Der Begriff „Mehrzahl”, wie er hier verwendet wird, ist als zwei oder mehr als zwei definiert. Der Begriff „anderer”, wie er hier verwendet wird, ist als mindestens ein zweiter oder mehr definiert. Die Begriffe „aufweisen” und/oder „haben”, wie sie hier verwendet werden, sind als umfassend (das heißt offene Sprache) definiert.
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Aspekte, die hier beschrieben sind, können in anderen Formen und Kombinationen ohne Abweichung vom Sinn oder wesentlichen Attributen umgesetzt werden. Während zum Beispiel Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, eine Verdichterend-Ölpassage betreffen, ist klar, dass solche Abdichtsysteme und Verfahren zum Minimieren von Turbinenendölauslass angewandt werden kann, das heißt das Übergeben von Öl aus dem Lagergehäuse zu der Turbinenstufe. Es ist daher klar, dass Ausführungsformen nicht auf spezifische Einzelheiten, die hier beschrieben sind, beschränkt sind, die nur beispielhaft gegeben werden, und dass verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des Geltungsbereichs der folgenden Ansprüche möglich sind.
