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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, der insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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Der hier betrachtete Abgasturbolader umfasst einen Verdichter mit einem Verdichterrad und eine Turbine mit einem Turbinenrad. Das Turbinenrad ist mit dem Verdichterrad über eine Welle verbunden. Auf das Turbinenrad wird über ein zweiflutiges Turbinengehäuse Abgas eines Verbrennungsmotors geleitet. Durch Rotation des Turbinenrades wird das Verdichterrad in Rotation versetzt. Mit dem Verdichterrad wird Ladeluft für den Verbrennungsmotor verdichtet.
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Das zweiflutige Turbinengehäuse wird auch als „twin-scroll” Gehäuse bezeichnet. Eine Bauart nach dem Stand der Technik zeigt hierzu beispielsweise
US 5,094,587 .
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Abgasturbolader anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung, einen energieeffizienten Betrieb eines Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Abgasturbolader umfassend einen Verdichter mit einem Verdichterrad, eine Turbine mit einem Turbinenrad und eine Welle die das Turbinenrad drehfest mit dem Verdichterrad verbindet. Das Turbinenrad ist in einem zumindest zweiflutigen Turbinengehäuse angeordnet. Dementsprechend umfasst das Turbinengehäuse zumindest eine erste Flut, eine zweite Flut und eine Trennwand zwischen den beiden Fluten. Durch die Welle ist eine Axialrichtung definiert. Senkrecht zu dieser Axialrichtung steht die Radialrichtung. Die Umfangsrichtung ist um die Axialrichtung definiert. Die beiden Fluten münden in Axialrichtung zueinander versetzt nebeneinander auf das Turbinenrad.
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Das Turbinenrad weist mehrere Schaufeln auf. An den Schaufeln sind eine erste Anströmkante und eine zweite Anströmkante definiert. Zur Beschreibung der unterschiedlichen Kanten am Turbinenrad wird eine Schnittebenen betrachtet in der die Axialrichtung liegt. Die erste Anströmkante wird von der ersten Flut angeströmt. Die zweite Anströmkante wird von der zweiten Flut angeströmt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden Anströmkanten nicht unmittelbar ineinander übergehen, sondern zwischen den beiden Anströmkanten eine Verbindungskante ausgebildet ist. Diese Verbindungskante liegt der Trennwand, insbesondere einem radial inneren Ende der Trennwand, gegenüber.
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Insbesondere ist die Verbindungskante in ihrer Kontur an das radial innere Ende der Trennwand angepasst, um einen Spalt zwischen Verbindungkante und Trennwand möglichst klein zu halten.
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Besonders bevorzugt ist die Verbindungskante gegenüber der ersten Anströmkante und gegenüber der zweiten Anströmkante abgewinkelt und kann somit völlig unabhängig von den beiden Anströmkanten, passend zur Kontur der Trennwand gestaltet werden.
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Die erfindungsgemäß beschriebene Verbindungskante ermöglicht es somit die Schaufelkontur im Bereich der Verbindungskante an die Kontur der Trennwand anzupassen. Dadurch kann der Spalt zwischen Trennwand und Verbindungskante möglichst gering gehalten werden. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung von Verlustleistungen und somit zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers. Der Abgasturbolader mit möglichst hohem Wirkungsgrad ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb eines Verbrennungsmotors.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Verbindungskante als Konturradius ausgebildet ist. Der Konturradius ist an das radial innere Ende der gegenüberliegenden Trennwand angepasst. Der Konturradius beträgt vorzugsweise zwischen 10 cm und 50 cm.
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Im Regelfall ist das radial innere Ende der Trennwand konvex ausgebildet. Dementsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verbindungskante durch den Konturradius konkav ausgebildet ist. Die konkave Gestaltung der Verbindungskante bedeutet, dass der Mittelpunkt des Konturradius radial außerhalb der Verbindungskante liegt.
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Zwischen der Verbindungskante und der Trennwand ist ein Spalt definiert. Gemessen wird der Spalt an der engsten Stelle im kalten Zustand des Abgasturboladers. Der Spalt beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm 0,6 mm. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, dass insbesondere bei Spalten bis 0,6 mm eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades des Abgasturbolader möglich ist. Ein Spalt unter 0,1 mm währe in der Herstellung sehr aufwendig. Weitere Berechnungen haben gezeigt, dass Spalte unter 0,1 mm keine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades mehr ergeben.
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Um den möglichst geringen Spalt zwischen Trennwand und Verbindungskante einzuhalten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Trennwand an ihrem radial inneren Ende bearbeitet wird. Die Trennwand ist insbesondere integraler Bestandteil des gegossenen Turbinengehäuses. Je nach Herstellungsverfahren und je nach erforderlichem Spalt kann es von Vorteil sein, die Trennwand nach dem Guss zu bearbeiten. Insbesondere erfolgt hier eine spanende Bearbeitung die auch als Innenwuchtung des Gehäuses bezeichnet werden kann.
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Die Verbindungskante weist in Radialrichtung eine Höhe auf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Höhe zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 3 mm, beträgt.
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Ferner weist die Verbindungskante in Axialrichtung eine Länge auf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Länge zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 3 mm, beträgt.
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Insbesondere durch diese Dimensionierung ist die Verbindungskante ausreichend groß, um sie in ihrer Kontur an das radial innere Ende der Trennwand anzupassen.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Anströmkante zumindest stellenweise in die zweite Flut hineinragt. Dadurch wird eine noch weitergehende Trennung der beiden Fluten und der beiden Anströmkanten voneinander gewährleistet. Zur Beschreibung dieser besonderen Positionierung der zweiten Anströmkante ist ein Schaufelpunkt an der zweiten Anströmkante definiert. Dieser Schaufelpunkt befindet sich an dem der Verbindungskante zugewandten Ende der zweiten Anströmkante. Insofern ist der Schaufelpunkt derjenige Punkt der zweiten Anströmkante, der der Verbindungskante und auch der ersten Anströmkante am nächsten liegt. Ferner ist ein Trennwandpunkt definiert. Der Trennwandpunkt ist der radial innerste Punkt der Trennwand.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Trennwandpunkt radial weiter innen angeordnet ist als der Schaufelpunkt. Dadurch befindet sich die zweite Anströmkante zumindest mit dem hier definierten Schaufelpunkt in der zweiten Flut.
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Besonders bevorzugt ist zwischen dem Schaufelpunkt und dem Trennwandpunkt ein Abstand definiert. Der Abstand wird senkrecht zur Axialrichtung gemessen. Der Abstand beträgt vorteilhafterweise zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 3 mm, besonders vorzugsweise zumindest 5 mm.
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Dadurch, dass sich die Verbindungskante zumindest teilweise in Radialrichtung erstreckt, sind die beiden Anströmkanten bezüglich der Radialrichtung versetzt zueinander. Zumindest stellenweise ist also eine der Anströmkanten in Radialrichtung weiter außen angeordnet als die andere Anströmkante.
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In einer einfachen Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Anströmkanten parallel zur Axialrichtung verlaufen. Jedoch gibt es auch bevorzugte Ausgestaltungen, bei denen die beiden Anströmkanten gegenüber der Axialrichtung abgewinkelt sind. Dabei müssen nicht beide Anströmkanten zur Axialrichtung denselben Winkel aufweisen. Daraus folgt, dass bevorzugt die beiden Anströmkanten zueinander abgewinkelt sein können.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zweite Anströmkante bezüglich des Abgasturboladers innen angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die zweite Anströmkante näher am Verdichter liegt als die erste Anströmkante. Da, wie oben beschrieben, die zweite Anströmkante vorteilhafterweise in die zweite Flut ragt, ergibt sich somit eine bevorzugte Montagerichtung: das Turbinenrad wird verdichterseitig in das Turbinengehäuse eingeschoben.
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In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass jeweils eine durchgehende Schaufel die beiden Anströmkanten und die Verbindungskante aufweist. Dabei ist vorteilhafterweise die gesamte Schaufel einteilig. Insbesondere ist dabei das gesamte Turbinenrad einteilig.
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In einer alternativen bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass am Turbinenrad zwei Reihen an Schaufeln ausgebildet sind. Die beiden Reihen sind in Axialrichtung zueinander versetzt. Die erste Reihe weist mehrere erste Schaufeln auf, die in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die zweite Reihe weist mehrere zweite Schaufeln auf, die ebenfalls in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind. An den ersten Schaufeln ist jeweils die erste Anströmkante ausgebildet. An den zweiten Schaufeln ist jeweils die zweite Anströmkante ausgebildet. Die Verbindungskante kann dabei vollständig an der ersten Schaufel oder vollständig der zweiten Schaufel ausgebildet sein. Alternativ dazu ist es auch möglich, die Verbindungskante teilweise an der ersten Schaufel und teilweise an der zweiten Schaufel auszubilden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schaufeln der ersten Reihe gegenüber den Schaufeln der zweiten Reihe in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine sehr gleichmäßige Rotation des Turbinenrades, da jeweils zwischen der Anströmung zweier benachbarter erster Schaufeln eine der zweiten Schaufeln angeströmt wird. Bei einer einfachen Ausgestaltung können jedoch auch die ersten und zweiten Schaufeln nicht versetzt zueinander angeordnet sein, sodass jede erste Schaufel mit einer zweiten Schaufel fluchtet.
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Die Variante mit den beiden Schaufelreihen ermöglicht eine bevorzugte 2-teilige Herstellung des Turbinenrades, wobei jeweils eine Schaufelreihe auf einem Teil ausgebildet ist.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 das Gehäuse des erfindungsgemäßen Abgasturbolader gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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3 die Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturbolader gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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4 ein Detail aus 3, und
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5 ein Turbinenrad des erfindungsgemäßen Abgasturbolader gemäß einer Variante des Ausführungsbeispiels.
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Im Folgenden wird anhand der 1 bis 5 ein Abgasturbolader 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel in schematisch vereinfachter Darstellung erläutert. 5 zeigt dabei eine Variante zur Ausgestaltung eines Turbinenrads 7.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst der Abgasturbolader 1 einen Verdichter 2, eine Welle 11 und eine Turbine 5.
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Der Verdichter 2 umfasst ein Verdichtergehäuse 3. In dem Verdichtergehäuse 3 ist ein Verdichterrad 4 angeordnet.
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Die Turbine umfasst ein zweiflutiges Turbinengehäuse 6. In dem Turbinengehäuse 6 sind eine erste Flut 9, eine zweite Flut 10 und eine die beiden Fluten 9, 10 unterteilende Trennwand 8 ausgebildet. Im Turbinengehäuse 6 ist das Turbinenrad 7 angeordnet. Das Turbinenrad 7 weist mehrere Schaufeln 14 auf.
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Das Turbinenrad 7 ist über die Welle 11 drehfest mit dem Verdichterrad 4 verbunden. Die Welle 11 erstreckt sich in Axialrichtung 12. Senkrecht zur Axialrichtung 12 ist eine Radialrichtung 13 definiert. Um die Axialrichtung 12 ist eine Umfangsrichtung 29 definiert.
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Über die beiden Fluten 9, 10 wird das Turbinenrad 7 mit Abgas eines Verbrennungsmotors angeströmt. Das Abgas tritt somit radial auf das Turbinenrad 7 und verlässt den Abgasturbolader 1 in Axialrichtung 12. Durch die Rotation des Turbinenrades 7 werden die Welle 11 und das Verdichterrad 4 in Rotation versetzt. Das Verdichterrad 4 saugt in Axialrichtung 12 Ladeluft für den Verbrennungsmotor an und verdichtet diese Ladeluft in Radialrichtung 13.
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3 zeigt die Turbine 5 im Detail. Von dem Turbinengehäuse 6 ist lediglich der obere Teil dargestellt. Der untere Teil ist in dieser Schnittebene im Wesentlichen symmetrisch dazu.
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3 zeigt eine Schnittebene in der die Achse der Welle 11 und somit die Axialrichtung 12 liegt. In dieser Schnittebene werden unterschiedliche Kanten der Schaufeln 14 des Turbinenrades 7 beschrieben: die einzelne Schaufel 14 umfasst eine erste Anströmkante 15, eine zweite Anströmkante 16 und eine Verbindungskante 17 die zwischen den beiden Anströmkanten 15, 16 angeordnet ist und somit die beiden Anströmkanten 15, 16 miteinander verbindet.
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Die erste Anströmkante 15 ist der ersten Flut 9 zugeordnet und wird somit mit dem Abgas aus der ersten Flut 9 angeströmt. Die zweite Anströmkante 16 ist der zweiten Flut 10 zugeordnet und wird somit mit dem Abgas aus der zweiten Flut 10 angeströmt.
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Die Verbindungskante 17 befindet sich zwischen den beiden Anströmkanten 15, 16 und wird somit im Wesentlichen von keiner der beiden Fluten 9, 10 angeströmt. Die Verbindungskante 17 liegt dem radial inneren Ende der Trennwand 8 gegenüber.
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4 zeigt ein Detail aus 3. In 4 ist ein Teil der beiden Anströmkanten 15, 16 zu sehen. Ferner zeigt 4 die Verbindungskante 17 und das radial innere Ende der Trennwand 8.
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Die Kontur der Verbindungskante 17 ist soweit als möglich an die Kontur des inneren Endes der Trennwand 8 angepasst, um somit einen Spalt 26 (siehe 4) zwischen Trennwand 8 und Verbindungskante 17 möglichst klein zu halten. Im hier gezeigten Beispiel wird dies erreicht, in dem die Verbindungskante 17 einen Konturradius 20 aufweist. Durch diesen Konturradius 20 ist die Verbindungskante 17 konkav gestaltet und passt sich mit relativ einheitlichem Spalt 26 an die konvexe Form der Trennwand 8 an.
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3 und 4 zeigen ferner einen Schaufelpunkt 18 und einen Trennwandpunkt 19. Der Schaufelpunkt 18 definiert das der Verbindungskante 17 zugewandte Ende der zweiten Anströmkante 16. Der Trennwandpunkt 19 definiert das radial innere Ende der Trennwand 8. Wie insbesondere die Detaildarstellung in 4 zeigt, befindet sich der Trennwandpunkt 19 radial innerhalb des Schaufelpunkts 18. Dadurch taucht die zweite Anströmkante 16 zumindest stellenweise in die zweite Flut 10 ein.
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Im gezeigten Beispiel befinden sich die zweite Anströmkante 16 und die zweite Flut 10 bezüglich des gesamten Abgasturboladers auf der Innenseite; sind also näher am Verdichter 2 als die erste Flut 9 und die erste Anströmkante 15. Entsprechend wird bei der Montage das Turbinenrad 7 verdichterseitig in das Turbinengehäuse 6 eingeschoben. Diese Montagerichtung ermöglicht es, dass eben die zweite Anströmkante 16 teilweise in die zweite Flut 10 ragt. Bei einer umgekehrten Montagerichtung kann die Geometrie so ausgestaltet werden, dass die außenliegende Anströmkante in die außen liegende Flut ragt.
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4 zeigt ferner eine Dimensionierung der Verbindungskante 17. Die Verbindungskante 17 weist parallel zur Axialrichtung 12 eine Länge 23 auf. Senkrecht zur Länge 23 ist eine Höhe 24 der Verbindungskante 17 definiert. Ferner ist ein Abstand 25 zwischen dem Schaufelpunkt 18 und dem Trennwandpunkt 19 definiert, gemessen senkrecht zur Axialrichtung 12. Der Spalt 26 wird an der engsten Stelle zwischen Trennwand 8 und Verbindungskante 17 gemessen.
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3 zeigt, dass die erste Anströmkante 15 an ihrem der Verbindungskante 17 abgewandten Ende in eine weitere Kante mit einem weiteren Konturradius 22 übergeht. Diese weitere Kante ist durch den weiteren Kulturradius 22 im Wesentlichen an die gegenüberliegende Gehäusewand 21 angepasst, um hier den entsprechenden Spalt zu minimieren.
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In 3 befinden sich die beiden Anströmkanten 15, 16 und die Verbindungskante 17 jeweils an einer durchgehenden Schaufel 14.
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5 zeigt hierzu eine Variante für das Turbinenrad 7. In 5 gibt es auf dem Turbinenrad 7 eine erste Reihe mit ersten Schaufeln 27 und eine zweite Reihe mit zweiten Schaufeln 28. Die beiden Reihen sind zueinander in Axialrichtung 12 versetzt. Die ersten Anströmkanten 15 sind auf den ersten Schaufeln 27 ausgebildet. Die zweiten Anströmkanten 16 sind auf den zweiten Schaufeln 28 ausgebildet. Die einander zugewandten Enden der ersten Schaufeln 27 und/oder zweiten Schaufeln 28 sind als Verbindungskante 17 geformt, sodass die jeweilige Verbindungskante 17 Bestandteil der ersten Schaufel 27 und/oder der zweiten Schaufel 28 sein kann.
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Die Dimensionen, insbesondere dargestellt in 4 mit der Länge 23, der Höhe 24, dem Abstand 25 und dem Spalt 26, gelten entsprechend auch für die Variante in 5.
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5 zeigt, dass die beiden Schaufeln 27, 28 jeweils zueinander in Umfangsrichtung 29 versetzt sind. Dadurch ergibt sich eine sehr gleichmäßige Rotation des Turbinenrads 7.
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In einer einfacheren Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, die Schaufeln 27, 28 nicht in Umfangsrichtung 29 versetzt zueinander anzuordnen. Dadurch ergibt sich die gleiche Geometrie wie in der Darstellung nach 3, mit dem Unterschied, dass die beiden Schaufeln 27, 28 zwei unterschiedliche Bauteile sein können, wohingegen die Schaufeln 14 vorzugsweise einteilig ist.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 5 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Verdichter
- 3
- Verdichtergehäuse
- 4
- Verdichterrad
- 5
- Turbine
- 6
- Turbinengehäuse
- 7
- Turbinenrad
- 8
- Trennwand
- 9
- erste Flut
- 10
- zweite Flut
- 11
- Welle
- 12
- Axialrichtung
- 13
- Radialrichtung
- 14
- Schaufeln
- 15
- erste Anströmkante
- 16
- zweite Anströmkante
- 17
- Verbindungskante
- 18
- Schaufelpunkt
- 19
- Trennwandpunkt
- 20
- Konturradius
- 21
- Gehäusewand
- 22
- weiterer Konturradius
- 23
- Länge
- 24
- Höhe
- 25
- Abstand
- 26
- Spalt
- 27
- erste Schaufeln
- 28
- zweite Schaufeln
- 29
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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