EP1642009B1 - Leitapparat für eine abgasturbine - Google Patents

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EP1642009B1
EP1642009B1 EP04731148A EP04731148A EP1642009B1 EP 1642009 B1 EP1642009 B1 EP 1642009B1 EP 04731148 A EP04731148 A EP 04731148A EP 04731148 A EP04731148 A EP 04731148A EP 1642009 B1 EP1642009 B1 EP 1642009B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
bearing ring
support element
ring
distributor according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP04731148A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1642009A1 (de
Inventor
Hermann Burmester
Akihiro Ohkita
Yukio Takahashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Charging Systems International GmbH
Original Assignee
IHI Charging Systems International GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a distributor for an exhaust gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • contour sleeve and bearing ring guide vanes are then provided radially outwardly to the blades, which are rotatably mounted in the bearing ring and can be adjusted by a mounted in the bearing housing adjusting mechanism.
  • the contour sleeve and bearing ring are screwed together by screws and are held by spacer ribs at a distance.
  • a flexible mounting ring holds and centers the bearing ring in the housing.
  • the mounting ring has a z-shaped cross-sectional profile, wherein a radially outwardly directed outer flange in the parting line between the Bearing housing and the spiral housing engages and is held simultaneously with the housing screws, while an inner, radially directed flange engages over the bearing ring on the outer circumference and is bolted to the bearing ring.
  • Between the inner and outer flange of the mounting ring has a relatively thin cylindrical portion through which the contour sleeve is held flexible with the diffuser so that it is in conjunction with the radial seal at the outlet of the exhaust gas turbine capable of thermally expanding, without the Clamp adjustment of the vanes.
  • the type of storage of the adjustment is complex in the production and installation.
  • the mounting ring has different wall thicknesses, so that its production is costly.
  • stator vane for a turbocharger in which a vane carrier plate, vanes, levers and an adjusting ring can be manufactured, transported and installed as a module, the components being captive after connecting vane axes and vane levers are connected to the vane support plate.
  • the invention is based on the object to store a collar for adjustable guide vanes of a gas turbine turbocharger in a simple manner and cost. It is achieved according to the invention by the features of claim 1. Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.
  • the annular support member is produced as a component with a constant wall thickness without cutting and / or machined.
  • it can be produced inexpensively with little effort, eg as Sheet metal part. It is also very easy.
  • its thermal expansions and deformations can be easily predetermined due to its simple configuration.
  • the bearing ring is captively connected via a rivet with the spacer element, with the contour sleeve and the support member and preferably forms with the guide vanes, which are adjustably mounted between the bearing ring and the contour sleeve, a mounting unit.
  • This is held in the housing of the exhaust gas turbine and centered by an outer, radially directed flange of the support member between a bearing housing and a volute casing of the exhaust gas turbine is clamped.
  • the spacer elements are sealing bolts on which rivet heads are formed on the front side. With these the spacer bolts are fastened on the one hand to the contour sleeve and on the other hand to the bearing ring. But it is also possible to connect the bearing ring, the contour sleeve and the support member, regardless of the spacer element with each other via a rivet connection, a screw connection, a welded connection or a press connection captive, so that they form a mounting unit.
  • the spacer can be made arbitrary in this case and e.g. be formed by a spacer rib on the contour sleeve and / or the bearing ring.
  • the support member is connected on the side facing away from the exhaust gas with the bearing ring, so that the inner flange is not directly exposed to the hot exhaust gases and the support member can be made of a low-cost material.
  • a retaining plate can be attached to the bearing ring, with molded brackets forms a receiving space for a collar for the vanes towards the support element.
  • Both the retaining ring and the adjusting ring as well as further parts of a control mechanism for the guide vanes can be added to the mounting unit by being captively connected to the bearing ring.
  • the compensation ring is arranged between the retaining plate and the support element and preferably fastened with the same fastening means as for this on the bearing ring.
  • the support member In order to reduce the thermal stresses in the suspension of the support member, it may also be appropriate to connect the support member on the exhaust side facing the bearing ring.
  • An exhaust gas turbine 10 of an exhaust gas turbocharger has a bearing housing 27, in which a shaft 14 of an impeller 13 is rotatably mounted about an axis of rotation 16. Via the shaft 14, the impeller 13 of the exhaust gas turbine 10 drives the impeller, not shown, of a compressor of the turbocharger.
  • the impeller 13 has blades 15, which exhaust gas via a radially outer guide 17 in the flow direction 35 is supplied.
  • the exhaust gas is passed through a turbine outlet 36 in an unillustrated exhaust system of an internal combustion engine.
  • the diffuser 17 essentially comprises a contoured sleeve 18 which forms a lateral boundary of the blades 15 with clearance and is held at a distance by spacer elements 20 in the form of spacer bolts to a bearing ring 22.
  • the spacer bolts 20 have rivet heads 21 on the front side, through which the contour sleeve 18 and the bearing ring 22 are pressed against stops of the spacer elements 20.
  • adjustable guide vanes 19 are rotatably mounted. They are adjusted by an adjusting mechanism 28 via a collar 39, lever 41 and the guide vanes 19 associated control shafts 29 in dependence on operating parameters.
  • the bearing ring 22 and the captive associated with him to a mounting unit components, in particular the contour sleeve 18, the vanes 19, the spacer elements 20, the bearing ring 22 and parts of the Stellmechnismus 28 are in the housing 11, 27 of the exhaust turbine 10 by an annular flexible support member 23 held and centered.
  • the support member 23 has a substantially z-shaped cross section with an outer radial flange 24 and an inner radial flange 25.
  • the support member 23 has a constant wall thickness and is suitably made of sheet metal. While the inner flange 25 is fixed to the bearing ring 22, the outer flange 24 is clamped between a mounting flange 30 of the bearing housing 27 and a mounting flange 31 of a spiral housing 11 by the two mounting flanges 30, 31 are held together by a clamping ring 32 in cross-section V-shaped ,
  • the spiral housing 11 has a spiral channel 12, the flow cross-section of which tapers from a tangential inlet, not shown, in a known manner over the circumference of the spiral housing 11.
  • the contour sleeve 18 is limited axially slidably inserted with its axially extending part and sealed at the outer periphery by a radial sealing ring 34 which is embedded in a groove 33.
  • the diffuser 17 can adjust to different thermal expansions during operation of the exhaust gas turbine 10, without causing tension of adjacent components, in particular the adjusting mechanism 28.
  • the spacer element 20 can simultaneously serve in the form of a spacer bolt, which has rivet heads 21 on the front side.
  • a retaining plate 37 can be attached to the bearing ring 22 by the spacer element 20.
  • the retaining plate 37 forms with its integrally formed brackets 38 to the support member 23 through an installation space for the adjusting ring 39th
  • a compensation ring 40 is provided between the retaining ring 37 and the support member 23. Since it behaves under the operating conditions similar to the retaining ring 37, its distance from the retaining ring 37 and its brackets 38 is constant, so that the set game is maintained during operation and thermal expansions and deformations do not affect the function of the actuating mechanism detrimental.

Landscapes

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  • Control Of Turbines (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leitapparat für eine Abgasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der US 2 860 827 A ist ein Turbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter bekannt, wobei das Laufrad mit den Laufschaufeln der Abgasturbine über eine Antriebswelle das Laufrad eines Verdichters antreibt. Die Antriebswelle ist in einem Lagergehäuse gelagert, das Teil eines Turbinengehäuses ist. Die Laufschaufeln werden seitlich mit Spiel von einer Konturhülse begrenzt, die mit einem axial gerichteten Ende über einen radialen Dichtring dichtend in einen Austrittsquerschnitt eines Spiralgehäuses eingesetzt ist. Zwischen dem sich radial nach außen erstreckenden Teil der Konturhülse und einem Lagerring sind radial nach außen an die Laufschaufeln anschließend Leitschaufeln vorgesehen, die in dem Lagerring drehbar gelagert sind und durch einen im Lagergehäuse gelagerten Verstellmechanismus verstellt werden können. Die Konturhülse und Lagerring sind durch Schrauben miteinander verschraubt und werden durch Abstandsrippen auf Distanz gehalten.
  • Ein flexibler Montagering hält und zentriert den Lagerring im Gehäuse. Hierzu besitzt der Montagering ein z-förmiges Querschnittprofil, wobei ein radial nach außen gerichteter äußerer Flansch in die Trennfuge zwischen dem Lagergehäuse und dem Spiralgehäuse eingreift und mit den Gehäuseschrauben gleichzeitig gehalten wird, während ein innerer, radial gerichteter Flansch den Lagerring am äußeren Umfang übergreift und mit dem Lagerring verschraubt ist. Zwischen dem inneren und äußeren Flansch besitzt der Montagering einen relativ dünnen zylindrischen Teilabschnitt, durch den die Konturhülse mit dem Leitapparat flexibel gehalten wird, so dass sie in Verbindung mit der radialen Dichtung am Austritt der Abgasturbine in der Lage ist, sich thermisch auszudehnen, ohne die Verstelleinrichtung der Leitschaufeln zu verspannen. Die Art der Lagerung der Verstelleinrichtung ist aufwändig in der Herstellung und Montage. Ferner besitzt der Montagering unterschiedliche Wandstärken, so dass seine Herstellung kostspielig ist.
  • Aus der EP 1 227 221 ist eine Leitschaufel für eine Stelleinrichtung für einen Turbolader bekannt, bei der eine Leitschaufelträgerplatte, Leitschaufeln, Hebel und ein Verstellring als ein Modul hergestellt, transportiert und eingebaut werden können, wobei die Einzelteile nach dem Verbinden von Leitschaufelachsen und Leitschaufelhebeln unverlierbar mit der Leitschaufelträgerplatte verbunden sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Stellring für verstellbare Leitschaufeln einer Gasturbine eines Turboladers auf einfache Weise und kostengünstig zu lagern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Nach der Erfindung ist das ringförmige Stützelement als ein Bauteil mit einer konstanten Wandstärke spanlos und/oder spanabhebend hergestellt. Dadurch kann es mit wenig Aufwand kostengünstig hergestellt werden, z.B. als Blechteil. Zudem ist es besonders leicht. Ferner können seine Wärmedehnungen und Verformungen auf Grund seiner einfachen Konfiguration leicht vorher bestimmt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist der Lagerring über eine Nietverbindung unverlierbar mit dem Distanzelement, mit der Konturhülse sowie dem Stützelement verbunden und bildet vorzugsweise mit den Leitschaufeln, die zwischen dem Lagerring und der Konturhülse verstellbar gelagert sind, eine Montageeinheit. Diese wird in dem Gehäuse der Abgasturbine gehalten und zentriert, indem ein äußerer, radial gerichteter Flansch des Stützelements zwischen einem Lagergehäuse und einem Spiralgehäuse der Abgasturbine eingespannt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Distanzelemente Dichtbolzen sind, an denen stirnseitig Nietköpfe angeformt sind. Mit diesen werden die Distanzbolzen einerseits an der Konturhülse und andererseits an dem Lagerring befestigt. Es ist aber auch möglich, den Lagerring, die Konturhülse sowie das Stützelement unabhängig von dem Distanzelement miteinander über eine Nietverbindung, eine Schraubenverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Pressverbindung unverlierbar zu verbinden, damit sie eine Montageeinheit bilden. Das Distanzelement kann in diesem Fall beliebig ausgeführt werden und z.B. durch eine Abstandsrippe an der Konturhülse und/oder dem Lagerring gebildet werden.
  • Zweckmäßigerweise wird das Stützelement auf der dem Abgas abgewandten Seite mit dem Lagerring verbunden, so dass der innere Flansch nicht unmittelbar den heißen Abgasen ausgesetzt ist und das Stützelement aus einem kostengünstigen Werkstoff hergestellt werden kann. Mit der gleichen Befestigung wie für das Stützelement kann ein Halteblech am Lagerring angebracht werden, das mit angeformten Haltewinkeln zum Stützelement hin einen Aufnahmeraum für einen Stellring für die Leitschaufeln bildet. Sowohl der Haltering als auch der Stellring sowie weitere Teile eines Stellmechanismus für die Leitschaufeln können zu der Montageeinheit hinzugefügt werden, indem sie mit dem Lagerring unverlierbar verbunden werden. Dadurch wird einerseits die Montage vereinfacht, zum anderen ergeben sich einfache, kurze Bauteile, deren Wärmedehnungen sehr gering sind. Dennoch kann es zweckmäßig sein, zum axialen Kalibrieren des Einbauraums des Stellrings einen Ausgleichsring zwischen dem Haltering und dem Stützelement bzw. dem Lagerring vorzusehen. Der Ausgleichsring ist zwischen dem Halteblech und dem Stützelement angeordnet und vorzugsweise mit den gleichen Befestigungsmitteln wie für dieses am Lagerring befestigt.
  • Um die Wärmespannungen in der Aufhängung des Stützelements zu verringern, kann es ferner zweckmäßig sein, das Stützelement auf der dem Abgas zugewandten Seite mit dem Lagerring zu verbinden.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Längsschnitt durch eine Abgasturbine,
    Fig. 2
    einen Teillängsschnitt durch einen Leitapparat ohne Leitschaufeln und
    Fig. 3
    einen Teillängsschnitt im Bereich eines Stellrings für die Leitschaufeln.
  • Eine Abgasturbine 10 eines Abgasturboladers besitzt ein Lagergehäuse 27, in dem eine Welle 14 eines Laufrads 13 um eine Rotationsachse 16 drehbar gelagert ist. Über die Welle 14 treibt das Laufrad 13 der Abgasturbine 10 das nicht dargestellte Laufrad eines Verdichters des Turboladers an. Das Laufrad 13 besitzt Laufschaufeln 15, denen Abgas über einen radial außen liegenden Leitapparat 17 in Strömungsrichtung 35 zugeführt wird. Das Abgas wird über einen Turbinenaustritt 36 in ein nicht dargestelltes Abgassystem einer Brennkraftmaschine geleitet.
  • Der Leitapparat 17 umfasst im Wesentlichen eine Konturhülse 18, die mit Spiel eine seitliche Begrenzung der Laufschaufeln 15 bildet und über Distanzelemente 20 in Form von Distanzbolzen zu einem Lagerring 22 auf Abstand gehalten wird. Die Distanzbolzen 20 weisen stirnseitig Nietköpfe 21 auf, durch die die Konturhülse 18 und der Lagering 22 gegen Anschläge der Distanzelemente 20 gedrückt werden. Zwischen dem radial nach außen gerichteten Teil der Konturhülse 18 und dem Lagerring 22 sind verstellbare Leitschaufeln 19 drehbar gelagert. Sie werden durch einen Verstellmechanismus 28 über einen Stellring 39, Stellhebel 41 und mit den Leitschaufeln 19 verbundenen Stellwellen 29 in Abhängigkeit von Betriebsparametern verstellt. Der Lagerring 22 und die mit ihm zu einer Montageeinheit unverlierbar verbundenen Komponenten, insbesondere die Konturhülse 18, die Leitschaufeln 19, die Distanzelemente 20, der Lagerring 22 und Teile des Stellmechnismus 28, werden im Gehäuse 11, 27 der Abgasturbine 10 durch ein ringförmiges flexibles Stützelement 23 gehalten und zentriert. Das Stützelement 23 hat einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt mit einem äußeren radialen Flansch 24 und einem inneren radialen Flansch 25.
  • Zwischen den beiden Flanschen 24, 25 befindet sich ein zylindrischer Teil 26, der auf Grund seiner Dimensionierung wesentlich zur Flexibilität des Stützelements 23 beiträgt. Das Stützelement 23 besitzt eine konstante Wandstärke und wird zweckmäßigerweise aus Blech gefertigt. Während der innere Flansch 25 am Lagerring 22 befestigt ist, wird der äußere Flansch 24 zwischen einem Befestigungsflansch 30 des Lagergehäuses 27 und einem Befestigungsflansch 31 eines Spiralgehäuses 11 verspannt, indem die beiden Befestigungsflansche 30, 31 durch einen im Querschnitt v-förmigen Spannring 32 zusammengehalten werden.
  • Das Spiralgehäuse 11 besitzt einen Spiralkanal 12, dessen Strömungsquerschnitt sich von einem nicht dargestellten tangentialen Einlass in bekannter Weise über den Umfang des Spiralgehäuses 11 verjüngt. In das Spiralgehäuse 11 ist die Konturhülse 18 mit ihrem axial verlaufenden Teil begrenzt axial verschiebbar eingesetzt und an dessen äußerem Umfang durch einen radialen Dichtring 34 abgedichtet, der in einer Nut 33 eingebettet ist. Somit kann sich der Leitapparat 17 auf unterschiedliche Wärmedehnungen während des Betriebs der Abgasturbine 10 einstellen, ohne dass es zu Verspannungen benachbarter Bauteile, insbesondere des Verstellmechanismus 28 kommt.
  • Während bei der Ausführung nach Fig. 1 das Stützelement 23 mit seinem inneren Flansch 25 den Lagerring 22 übergreift, und mit dem inneren Flansch 25 an dem Lagerring 22 befestigt ist, ist das Stützelement 23 nach Fig. 2 mit seinem inneren Flansch 25 an der dem Abgas abgewandten Seite des Lagerrings 22 befestigt und ist somit gegenüber den heißen Abgasen geschützt. Zum Befestigen des Stützelements 23 kann gleichzeitig das Distanzelement 20 in Form eines Distanzbolzens dienen, der stirnseitig Nietköpfe 21 aufweist. Ferner kann durch das Distanzelement 20 ein Halteblech 37 am Lagerring 22 befestigt werden.
  • Das Halteblech 37 bildet mit seinen angeformten Haltewinkeln 38 zum Stützelement 23 hin einen Einbauraum für den Stellring 39.
  • Zur Kontrolle des notwendigen axialen Spiels für den Stellring 39 unter den wechselnd heißen Betriebsbedingungen der Abgasturbine 10 ist zwischen dem Haltering 37 und dem Stützelement 23 ein Ausgleichsring 40 vorgesehen. Da er sich unter den Betriebsbedingungen ähnlich verhält wie der Haltering 37, bleibt sein Abstand vom Haltering 37 bzw. seinen Haltewinkeln 38 konstant, so dass das eingestellte Spiel während des Betriebs erhalten bleibt und sich Wärmedehnungen und Verformungen nicht auf die Funktion des Stellmechanismus nachteilig auswirken.

Claims (9)

  1. Leitapparat für eine Abgasturbine eines Turboladers, der einen Lagerring und eine Konturhülse besitzt, die durch Distanzelemente auf Abstand gehalten werden und zwischen denen verstellbare Leitschaufeln drehbar gelagert sind, wobei die Konturhülse mit einer radialen Dichtung axial verschiebbar in einem Spiralgehäuse eingesetzt ist und eine seitliche Außenkontur eines Laufrads mit einem Spiel begrenzt, während der Lagerring durch ein ringförmiges, flexibles Stützelement gegenüber einem Gehäuse der Abgasturbine zentriert und gelagert ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Stützelement (23) als ein Bauteil mit einer konstanten Wandstärke spanlos und/oder spanabhebend hergestellt ist.
  2. Leitapparat nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lagerring (22) über eine Nietverbindung unverlierbar mit dem Distanzelement (20), mit der Konturhülse (18) sowie dem Stützelement (23) verbunden ist und somit eine Montageeinheit bildet.
  3. Leitapparat nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Distanzelement (20) ein Distanzbolzen ist, an dem stirnseitig Nietköpfe (21) angeformt sind.
  4. Leitapparat nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lagerring (22) unabhängig von dem Distanzelement (20) mit der Konturhülse (18) sowie dem Stützelement (23) über eine Nietverbindung, eine Schraubverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Pressverbindung unverlierbar verbunden ist und somit eine Montageeinheit bildet.
  5. Leitapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das das Stützelement (23) auf der dem Abgas abgewandten Seite mit dem Lagerring (22) verbunden ist.
  6. Leitapparat nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf der dem Abgas abgewandten Seite am Lagerring (22) ein ringförmiges Halteblech (37) befestigt ist, das mit angeformten Haltewinkeln (38) zum Stützelement (23) hin einen Aufnahmeraum für einen Stellring (39) für die Leitschaufeln (19) bildet.
  7. Leitapparat nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen dem Halteblech (37) und dem Stützelement (23) ein Ausgleichring (40) vorgesehen ist.
  8. Leitapparat nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass alle oder einige seiner Komponenten (18, 20, 22, 23,) einschließlich einer Verstelleinrichtung (28, 29, 37, 39, 40) zu einer Montage einer Form montiert sind und unverlierbar zusammengehalten werden.
  9. Leitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Stützelement (23) auf der dem Abgas zugewandten Seite an dem Lagerring (22) befestigt ist.
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DE10325985A DE10325985A1 (de) 2003-06-07 2003-06-07 Leitapparat für eine Abgasturbine
PCT/EP2004/004758 WO2004109063A1 (de) 2003-06-07 2004-05-05 Leitapparat für eine abgasturbine

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EP1642009A1 EP1642009A1 (de) 2006-04-05
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EP (1) EP1642009B1 (de)
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